光纤光学基础知识
光纤光学-文档资料
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折射光线
条件:
0< n(r0) cosθz(r0)<√n22-(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
内散焦面半径: r = rr1
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GIOF中的最佳折射率分布
近轴子午光线： P2/ A
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P2/n(r0)nc0 oA sz(r0) 24
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隧道光线
条件:
n2> n(r0) cosθz(r0)>√n22－(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
光线存在区域: rl1 < r < rl2 r > rl3
内散焦面半径：rl1 外散焦面半径：rl2 辐射散焦面半径: rl3
02.07.2020
(dz／dS)|r0 ＝ cosθz(r0)
r r r ˆ z z ˆ x
z r
er
r0
r0 d
z dz
ds
r0
dr
y
e
er
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轴向运动
分析轴向分量方程:
d n dz 0 dS dS
有： n(dz/dS)=const., 令其为 n , 则有
n ＝n(r)dz/dS＝n(r)cosθz(r)=n(r0)cosθz(r0)
＝r0n(r0)sinθz(r0)cosθφ(r0)
I ---- 第二射线不变量
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角向运动特点
• 光线的角动量：
r2ω=r2dφ/dt=
Ic/
2n 恒为常数
光纤光学重点
一、名词解释1.光纤光栅（P144）：通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅2.数值孔径：入射媒质折射率与最大入射角的正弦之积3.基模模场半径(P101)：基模场在光纤的横截面分布曲线中心最大值e-1处所对应的半径。
4.子午光线：子午面上传播的光线5.光隔离器（P140）：是一种基于法拉第旋转的非互易性的传输器件，只允许光波沿着一个方向传输（光信号沿着指定正方向传输时损耗低，光路被接通），而另一个方向的传输是禁止的。
6.平均能流密度（P20）：在足够长的观测时间内平均单位时间内通过单位面积的能量。
能流密度（百度）：在一定的空间范围内，单位面积所取得的或单位重量能源所能产生的某种能源的能量或功率。
7.相速度（P19）：场的等相位面沿Z轴的传播速度。
群速度（P19）：光脉冲或波包的中心或光能量沿Z轴的传播速度，也即场的等幅面沿z 轴的传播速度。
8.群速度色散：在高速大容量的光纤通信中，由于光纤介质表现出非线性，光脉冲包络的形状会发生变化，这种影响光信号的接收的变化成为群速度色散9.光无源器件（P122）：有光纤式和光纤耦合分立元件两种，前者利用自身特性直接实现功能，后者利用光学元件对光的传播特性进行交换，并用透镜奖器件和光纤耦合。
10.自聚焦透镜（P122）：芯径大，长度短，数值孔径大，光线在其中的传播轨迹为正弦曲线。
由一点发出的不同角度的光线经过一周期的传播后又汇聚到另一点的类似平方律折射率分布光纤。
11.模式色散：在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，到达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽12.传播常数（P17具体看书）：纵向传播常数β：导模的相位在Z轴单位长度上的变化量，波矢在Z轴上的投影β=K·e z=nk0cosθz；横向传播常数：波矢k的横向分量，U和W分别反映了导模在芯区中的驻波场的横向振荡频率，W值则反映了导模在包层中的消逝场的衰减速度二、简答题1.光纤导光的基本原理全反射原理2.什么是光纤的色散？光纤的色散主要有几种？其对光纤通信有何影响？在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成分或不同的模式分量以不同的速度传播到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象叫做光纤的色散。
光纤光学课件第一章
幻灯片 1
光纤光学 第一章
光纤传输的基本理论
W-C Chen
幻灯片 2 §1. 前言
Foshan Univ.
低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤在工程上的 使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
NA ni sinim n12 n22 n1 2
*相对折射率差:
(n12 n22 ) / 2n12
约束光： z zc
*折射光: z zc
幻灯片 14 *渐变折射率分布：
子午光线：渐变折射率分布
n(r) n1 1 2(r / a)2 1/2 n2
0ra ra
*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。 轨迹曲线在光纤端面投影线仍 是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。
波动理论的数学基础——麦克斯韦方程：
H D/ t J
E B / t
D
B 0
幻灯片 20 从麦克斯韦方程组出发导出一般波导介质中电场的波动方程
2E
(E
)
E
2E t 2
J t
由
E
B
E
t
B
( H )
t
t
根据恒等式关系，有
10
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 26
模式的基本性质
当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须求解波导场方程。其方法是首先求出
纵向场分量 Ez 和 Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。求出 Ez 和 Hz，再通过
麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。
光纤光学PPT课件02
石英 纯度高, 通信 塑料 成本低,损耗大 红外光纤 极低理论损耗,用于跨洋通信等
特种光纤：
保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
1-2 光纤光学的基本方程
光纤光学的研究方法
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 研究内容
模式的场分量
模式场分布由六个场分量唯一决定： Ex Ey Ez Hx Hy Hz Er Ef Ez Hr Hf Hz
场的横向分量可由纵向分量来表示： 纵横关系式（1.2.25-1.2.28)—直角坐标系 （1.2.29-1.2.32)—直角坐标系
Ez 和 Hz 总是独立满足波导场方程。
模式命名
“芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1>n2 低传输损耗
光纤的分类(1)按用途分
通信光纤 传感光纤 传光光纤 传像光纤
光纤的分类(2)按折射率分布
光纤的分类(3)按光纤传输模式分
模式: 光场在光纤横截面上的分布, 横模 单模光纤: 针对给定的光波长,只允许一个模式传输
光纤的分类(4)按材料分
刘海荣 (Dr. Liu Hairong)
第一章 光纤光学的基本理论
光纤光学所涉及的基本问题
(1)模式的激励 (光的入射) (2) 模式的分布 (光线传播轨迹) (3)传输损耗 (损耗) (4)光信号的畸变 (色散) (5) 模式耦合
光纤技术所涉及的基本问题
(1)参数的测试技术 (2)自聚焦,准直技术 (3)光纤间连接技术,光纤与光源间的耦合技术 (4)光隔离滤波技术 (5)光的放大技术
根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将模式命 名为:
(1)横电磁模(TEM): Ez＝Hz＝0;
光纤光学基础知识
光纤光学基础知识嘿，朋友们！今天咱们来唠唠光纤光学，这可是个超级有趣又神秘的玩意儿呢。
你可以把光纤想象成超级高速的光滑梯。
光就像一个个调皮的小小孩，哧溜一下就沿着这个滑梯跑下去了，速度那叫一个快啊，比火箭还火箭。
光纤呢，就负责把这些小光孩安全地送到目的地，而且这个滑梯特别细，细得就像一根超级超级瘦的面条，感觉一阵微风就能把它吹断，但实际上它可坚韧着呢。
光纤里面的全反射现象就更有趣了。
这就好比光在光纤里玩反弹球游戏。
光碰到光纤的壁，就像球碰到墙壁一样，弹回来继续跑，而且每次都弹得特别精准，一点都不跑偏。
要是人能有这么厉害的反射能力，那打篮球都不用愁投篮不准啦，光靠反弹就能把球弄进篮筐。
光纤的传输带宽啊，大得就像宇宙一样。
可以想象它是一个超级大的货车，能拉好多好多数据这个“货物”。
不管是视频、音频还是各种复杂的信息，在它眼里都像小蚂蚁一样轻松就能运输。
而那些传统的传输方式呢，就像小三轮，拉不了多少东西，还跑得慢。
说到光纤的材料，那也是相当讲究的。
就像给光做一个豪华的住宅，既要透明又要坚韧。
这材料就像超级英雄的铠甲，保护着里面的光，让光可以在里面无忧无虑地奔跑，不会受到外界的干扰。
要是这个材料有一点点瑕疵，就像房子漏了个洞，光可能就跑丢了，那可就麻烦大了。
光纤的弯曲也很神奇。
你以为它弯了光就过不去了？错！光纤就像一个柔软的小蛇，不管怎么弯曲，光都能顺着它的身体走。
这就好比你在一个弯弯曲曲的迷宫里，有个超级厉害的导航（光），不管迷宫怎么拐，导航都能准确带你找到出口（目的地）。
光纤光学在通信领域的地位那可是相当高啊。
它就像通信界的国王，统治着整个数据传输的王国。
没有它，我们现在的网络世界就会变得乱糟糟的，就像一群没头的苍蝇到处乱撞。
光纤还有一个厉害的地方就是保密性好。
这就像给数据穿上了一层隐身衣，别人想偷看都看不到。
光在光纤里就像一个神秘的特工，悄悄地传递着重要信息，外面那些想搞破坏的“坏蛋”根本找不到它的踪迹。
《光纤光学教学课件》第十九讲
光纤传感器的原理与分类
原理
光纤传感器利用光在光纤中的传输特性变化来检测各种物理量（如温度、压力、 位移、速度等）的变化。当外界参数作用于光纤时，光纤中光的强度、相位、波 长等会发生改变，从而检测出外界参数的变化。
分类
根据不同的分类标准，光纤传感器可以分为多种类型。按工作原理可分为功能型 和非功能型；按被测物理量可分为强度型、干涉型、偏振型和分布式光纤传感器 等；按应用领域可分为工业、环境、医疗和军事等领域的光纤传感器。
04 新型光纤技术及发展趋势
CHAPTER
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型光纤，其结构由石英、聚合物或复合材料制成，具有光子 带隙特性。
光子晶体光纤具有高非线性、低损耗、低色散等优点，在光通信、光传感、激光等 领域具有广泛的应用前景。
光子晶体光纤的制造工艺主要包括微纳加工、化学气相沉积等，其应用场景包括光 子晶体激光器、光子晶体光纤传感器等。
光纤的传输损耗
光纤的传输损耗
光纤在传输过程中会因为吸收、散射和弯曲等原因产生能量损耗，这些损耗限 制了光信号的传输距离和信号质量。
减小传输损耗的方法
通过采用低损耗光纤、优化光纤制造工艺、减小光纤弯曲半径等方法可以减小 光纤的传输损耗。
02 光纤通信系统概述
CHAPTER
光纤通信系统的组成
光纤
传输光信号的介质，由石英等 材料制成。
在成本方面，多模光纤制造成本较低，而单模光纤制 造成本较高。
光纤技术的发展趋势
未来光纤技术的发展将更加注重高带宽、高速率、低损耗、低色散等方 面。新型光纤材料和制造工艺的不断涌现，将推动光纤技术的进一步发 展。
新型光纤技术还包括光子晶体光纤、光子带隙光纤等，这些光纤具有优 异的光学性能和潜在的应用前景。
光纤基础知识培训内容
光学基础知识培训内容一、目标：1.1了解相关光学基础知识，认识所接触/采购产品的名称内容及型号。
确保公司所采购产品的性能完好，稳定产品的质量且能满足客的要求。
二、光学基础知识2.1 1962年美籍华人高锟向全世界第一次提出光通讯概念，并拉出了第一条可进行信息数据传播的光纤。
2.1.1光是一种波长从零点几毫米到大约零点一微米甚至更短波长范围内的电磁波。
2.1.2波长小于390nm的光称为紫光，波长大于760nm的光称为红外光，我们日常生活中可见光的波长范围是390nm-760nm。
红橙黄绿青蓝紫红光波长最长，频率最低紫光波长最短，频率最高2.1.3在光通信系统中以850nm、1310nm、1550nm三种波长通过光纤时所产生的损耗最小。
2.2 光纤规格：2.2.1光纤由折射较高的纤芯和折率较低的包层组成，纤芯和包层的主体材料是：石英玻璃。
2.2.2 按在光纤中的传播模式光纤又可分为单模光纤（SM）多模光纤（MM）。
2.2.2.1单模光纤的模间色散小，适用于远程通讯。
但存在材料色散和波导色散，正常情况下在波长1310nm时其材料色散和波导色散一为正，一为负，且加总色散为零。
2.2.2.2多模光纤的模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，并会随距离的增加而更加严重，例：600MB/KM光纤在2KM时只有300MB带宽了。
2.2.3常用光纤的纤芯和包层规格有：单模：8/125u,9/125u,10/125u, 多模：50/125u,62.5/125u。
2.2.4光纤的传播窗口：2.2.4.1早期的光纤通信系统传输所用的是多模光纤，其工作波长是850nm，这是光纤传播的第一工作窗口。
2.2.4.2 1983年出现非色散位移单模光纤（传码：G.652）其工作波长在1310nm附近，这是光纤传播的第二个工作窗口。
2.2.4.2.1 G..652光纤在1310nm处色散为零，光损耗系数典型值为<0.35db/km。
光纤光学知识
图11-8
（二）光纤面板
• • • • • • • • 光纤面板是把很多光纤通过加温，加压熔 接在一起的光纤棒，然后把它切成叶状。 光纤面板用光纤的直径一般为5-7um，适 当选择光纤的芯料和外包层玻璃的折射率 ，数值孔径可达0.2~0.85。如果把输入和 输出端浸在液体中，好象显微镜的浸液物 图11-9 镜那样，数值孔径可达1.4。 光纤面板的最大用途是作为各种电子束成像器件的输出，输入面 板使用。图11-9为一种使用光纤面板作为输出端的阴极射线管记 录装置。光纤面板封接在管子的输出端，荧光层直接镀在光纤面 板的内侧，电子束打在荧光层上产生的像，通过光纤面板直接传 递到紧贴光纤面板外侧的感光胶片上，被记录下米，如果不用光 纤面板，而用透镜把荧光屏成像到感光胶片上，光能的利用率只 有前一种装置的1/20~1/40。而且束个装置的体积加大。
$11-3
• • • • • • •
全反射光纤的应用
光纤的应用大致可以分成两大类，第一类用于传递光能，称为导光束:第 二类用于传递图像称为传像束。下面分别介绍这两个方面的应用 一、导光束 导光束可由刚性或柔性的光纤束构成，光纤束中 光纤在入射端和出射端的排列顺序可以是任意的 ，导光束一般用于目标的照明。导光束的输入端 和输出端，光纤可以排列成不同的截面形状，以 图11-7 满足各种特殊的照明需要。例如用一个点状光源照明一个长狭缝，可以 把导光束的捕人端排成圆形，通过透镜把光源发出的光聚焦在导光束的 输大端面上，而把光纤束的输出端排列成线状，以照明整个狭缝，如果 用一般光学系统，直接把光源成像在狭缝上，则像的直径必须大于狭缝 长度，如图11-7所示，这样大部分光线都不能进入狭缝而被浪费了。导 光束的另一种应用是用于扫描系统，把光纤的一端与扫描头联结，另一 端与光能接收器联结，可以进行大面积的扫描，它比用一般光学系统来 完成同样的任务要简单得多。
光纤光学重要知识点
选择题10
下列光纤的色散，由小到大的排列次序为：
– A、多模的GIOF、多模SIOF、单模光纤； – B、多模SIOF、多模的GIOF、单模光纤； – C、单模光纤、多模的GIOF、多模SIOF； – D、多模SIOF、单模光纤、多模的GIOF
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学· 光电子工程系
选择题11
孙琪真：光纤光学 华中科技大学· 光电子工程系
8
3
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 说明从波动方程到波导场方程两次分离变量的依据。 波导场方程具有什么样的数学特征？ 说明光线在SIOF和GIOF中的轨迹曲线是什么样的。 传播常数的的物理意义是什么。 说明V、U、W参数的物理意义及其相互关系。 说明光波导数值孔径的物理意义 子午光线的主要特征是什么? 光线时延差影响光通信的什么性能？ 在什么条件下才可以唯一确定光波导中的模式？ 在纤芯和包层中选取的贝赛尔函数分别具有什么数学 特征？
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学· 光电子工程系
4
1. GIOF的数值孔径有何不同? 2. 分别说明内散焦面、外散焦面、辐射散焦 面的物理意义。 3. 为什么GIOF又称为“折射型”光纤？ 4. GIOF中光线角向运动有何特点？ 5. 分别说明约束光线、隧道光线和折射光线 的特点。
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学· 光电子工程系
2
孙琪真：光纤光学 华中科技大学· 光电子工程系
模式理论
重要概念
– 模式定义及性质、模式分类及场分布特点、模 式简并、线偏振模、主模、分离变量法、传播 常数、导模截止与远离截止、基模场分布函数、 基模偏振特性、色散曲线分析、模式确定及数 目分析、导模光斑分布图、模式输出特性、 WKB近似方法思路
光纤光学基础
光纤原理：光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。
一般是由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。
光纤有两项主要特性：即损耗和色散。
光纤每单位长度的损耗或者衰减（dB/km），关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。
光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输尤为重要。
每单位长度的脉冲展宽（ns/km），影响到一定传输距离和信息传输容量。
光纤的结构：光纤的结构：纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。
掺杂的作用是提高材料的光折射率。
纤芯直径约5~~75μm。
光纤外面有包层，包层有一层、二层（内包层、外包层）或多层（称为多层结构），但是总直径在100~200μm上下。
包层的材料一般用纯二氧化硅，也有掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟，就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。
掺杂的作用是降低材料的光折射率。
这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。
两者席位的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。
包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。
涂料的作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。
光纤的最外层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。
光纤的折射率：光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函数成为光纤的折射率刨面。
在圆柱坐标系（λ、Φ、z）中n（λ）来表示。
在理论分析中，折射率剖面n(r)就是光纤的数学模型：对于单包层光纤，纤芯直径为d，设纤芯轴心处的折射率n(0)=n1，包层折射率为n2,为了简略地表示的剖面特征，引入纤芯包层相对折射率差作为剖面参数Δ，其中定义为n1 2 ─n22 n1─ n2Δ = ──────≈─────2 n1 2 n1射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。
光纤光学 学习指南
第一部分.光纤光学需要掌握的基本概念与重要结论第一章．绪论（4学时）1.光纤的优缺点优点：大容量；低损耗；抗干扰能力强；保密性好；体积小重量轻；材料取之不竭；抗腐蚀耐高温。
缺点：易折断；连接分路困难；怕水；怕弯曲。
2.光纤的分类重点掌握(1)光纤的结构，纤芯、包层、涂覆层的特点与作用(2)阶跃折射率分布光纤(SIOF)与渐变折射率分布光(GIOF)的特点与区别，折射率分布形式。
一些基本参数的意义与其表达式：相对折射差∆的意义与表达式；折射率分布参数g的意义（当g=∞时为SIOF，当g=2时为平方率分布光纤，当g=1时为三角分布光纤）。
(3)单模光纤与多模光纤的特点与区别（传输的模式数，芯径的大小，归一化频率）；归一化频率的意义与表达式（阶跃单模光纤的判据：V<2.405，渐变单模光纤的判据：V<3.508。
注意我们经常见到的2.405 是对阶跃光纤而言的）。
简单了解其它种类的光纤，例如保偏光纤与有源光纤（后面的课程会学到）。
3.光纤的制备工艺简单的了解一下。
第二章．光纤光学的基本方程（2学时）1.分析光纤波导的两种理论“几何光学方法”与“波动光学理论”的应用条件（几何光学方法：芯径远大于光波长；波动光学理论：芯径与波长可比例）与特点。
2.由麦克斯韦方程组出发推导波导场方程(1)“三次分离”，基本过程以及能够这样分离的依据“电磁”分离：由麦克斯韦方程组到波动方程“时空”分离：由波动方程到亥姆霍兹方程“横纵”分离：由亥姆霍兹方程到波到场方程(2)SIOF与GIOF中光线方程的意义，即SIOF与GIOF中光线的传播形式3.模式及其基本性质(1)模式的基本概念与定义(2)TEM、TE、TM、HE、EH模式的特点(3)纵向传播常数β横向传播常数W、U的意义（重点了解W的意义），以及W、U、V之间的关系(4)截止与远离截止的概念与基本条件（W=0截止，W=∞远离截止）(5)相速度、群速度、群延时的基本概念(6)线偏振模的概念第三章．阶跃折射率分布光纤（6学时）1.几何光学分析方法主要掌握一些基本的概念，“子午光线”与“偏斜光线”的定义；数值孔径的表达式，以及其物理意义(标志着光纤收光能力以及与光源耦合时偶和效率的大小)，数值孔径与传输带宽的关系（成反比）。
光纤光学基础知识29页PPT
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底知识
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
光纤光学知识总结
光纤光学知识总结1. 引言光纤光学是一门研究光传输和操控的学科，它是现代通信、医学和工业等领域中不可或缺的关键技术。
光纤光学利用光纤作为传输介质，通过光的折射和全反射实现信号传输。
本文将对光纤光学的基本原理、传输性能和应用领域进行总结和介绍。
2. 光纤的基本原理光纤是一种通过内部光的全反射实现光信号传输的介质。
它由一个中心芯和一个外包层组成。
中心芯是光信号传输的主要部分，通常由高折射率的玻璃或塑料材料构成。
外包层则是低折射率的材料，用于包裹和保护中心芯。
光纤通过光的折射和全反射，实现将光信号沿着光纤传输的目的。
3. 光纤的传输性能3.1 传输带宽光纤的传输带宽是指光纤能够传输的最大频率信号的能力。
它受到光纤的材料特性、设计和制造工艺等因素的影响。
高质量的光纤能够支持更高的传输带宽，从而实现更高速率、更大容量的数据传输。
3.2 传输损耗传输损耗是光信号在光纤中传输过程中的能量损失。
它由散射、吸收和弯曲等因素引起。
传输损耗通常以每单位长度的衰减值（dB/km）来表示。
光纤的传输损耗越低，传输距离就越长，信号质量就越好。
3.3 色散色散是指光信号在光纤中传输过程中，不同频率的光信号由于折射率的差异而传播速度不同的现象。
色散会导致光脉冲的展宽和失真，限制了光信号的传输距离和速率。
4. 光纤光学的应用领域4.1 光通信光通信是光纤光学的主要应用之一。
光纤光学的高带宽和低损耗特性使得光纤成为主流的长距离通信传输介质。
光纤通信系统通过调制光信号来传输数据，实现了高速率、大容量的信息传输。
4.2 医学影像光纤光学在医学影像领域有广泛的应用。
通过光纤的灵活性和小尺寸，可以将光信号传输到人体内部，实现光学成像和激光手术等应用。
例如，内窥镜和激光手术器械中都使用了光纤。
4.3 工业检测光纤光学在工业检测领域也具有重要的应用价值。
光纤传感器可以通过测量光的强度、相位和波长等参数，实现对温度、压力、液位等物理量的测量。
光纤传感器具有高精度、抗干扰和耐腐蚀等特点，被广泛应用于工业自动化和安全监测等领域。
光纤光学知识点总结
光纤光学知识点总结第一部分：光的基本特性1. 光的波动特性光是一种电磁波，具有波动和粒子性质。
其中，波动特性表现为光波具有波长、频率、振幅和相位等特性，而粒子性质表现为光子是光的基本粒子，具有动量和能量。
2. 光的传播方式光的传播方式主要有直线传播和曲线传播两种。
直线传播是指光在均匀介质中以直线传播的方式进行传播，而曲线传播是指光在非均匀介质中因受到折射、反射等影响而沿曲线传播。
3. 光的衍射和干涉光的衍射是指光波在遇到缝隙或障碍物时产生偏折现象，而干涉是指两束光波相遇时产生互相干涉的现象。
衍射和干涉是光波的特有现象，是光学研究中重要的现象之一。
第二部分：光纤的基本结构和工作原理1. 光纤的基本结构光纤由芯、包层和外被组成。
其中，芯是光信号传输的核心部分，包层是为了保护芯而设置的，而外被则是为了保护整根光纤而设置的。
2. 光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括色散、衰减和非线性失真等。
其中，色散是指不同波长的光波由于折射率的不同而产生的传输延迟差异，衰减是指光在传输过程中能量的损失，而非线性失真是指光波在非线性介质中传输时产生的波形失真现象。
3. 光纤的工作原理光纤的工作原理主要包括全内反射、多模传输和单模传输等。
其中，全内反射是指光在光纤中由于折射率不同而产生的全内反射现象，多模传输是指光纤中可以传输多个模式的光信号，而单模传输是指光纤中只能传输一个模式的光信号。
第三部分：光纤的应用领域1. 通信领域光纤在通信领域有着广泛的应用，主要包括长途通信、城域通信、局域通信和家庭通信等。
其中，长途通信是指利用光纤进行跨国、跨洲的通信传输，城域通信是指利用光纤进行城市范围内的通信传输，局域通信是指利用光纤进行企业或园区内的通信传输，而家庭通信是指利用光纤进行家庭内部的通信传输。
2. 医疗领域光纤在医疗领域有着广泛的应用，主要包括内窥镜、激光治疗和医学影像等。
其中，内窥镜是指利用光纤传输光源，使医生可以在体内进行观察和手术，激光治疗是指利用光纤传输激光能量进行疾病治疗，而医学影像是指利用光纤传输光源，进行医学图像的采集和传输。
光纤光学基础
同样在纤端由折射定律有：
n0 sin n1 sin
临界角对应的纤端入射角为 0： n0 sin 0 n1 sin 0
2 n0 sin 0 n12 n2
9
0
孔径角0 ：当纤端入射角小于0时，光线在光纤内满足全
反射条件，光线被限制在光纤内传输。 0反映了光纤的集光 能力称之为孔径角。
tg ; 表示单位长度光纤对应的反射次数。 2a
11
S
1 1 cos sin 1
sin
n0 2 n1
1
2
光线在光纤内单位长度传输的路程仅取决于纤端入射角以及 相对折射率n0/n1，与光纤的直径无关。
tg 1 2a 2atg 1 n12 2a 2 2 1 n0 sin
子午面：通过光纤中心轴任意平面都称为子午 面，子午面有无数个。 子午线：位于子午面内的光线，它和光纤的轴 线平行或相交。 子午线传播的特征：子午光线的入射线、反射线 和分界面的法线三者均在同一子午面内 , 分界面 的法线方向即为纤芯的半径。
2a
7
2a
n0 : 光纤周围媒质的折射率 n1：纤芯的折射率 n2：包层的折射率
光纤光学基础
光纤的基本概念 光纤的光学特性 光纤传感原理 物理量的光纤传感原理
1
第1章 光纤传输的基本理论
光纤：光导纤维，它是工作在光波波段的一
种介质波导，通常为圆柱形。
纤芯
包层
缓冲涂覆层
把光波能量利用全反射的原理约束在其界面 内，并引导光波沿光纤轴线前进。
2
光纤的分类：
纤芯直径2a 2 ~ 12μm 单模光纤 n1 n2 纤 - 皮折射率差 n 0.0005 ~ 0.01 1 按传输的模式数量 纤芯直径2a 50 ~ 500μm 多模光纤 n1 n2 纤 皮折射率差 0.01 ~ 0.02 n1
光纤基础知识-光学知识
光纤基础知识50 光的本质是什么？答 如果问光是什么？那么从物理学角度来说，光是一种电磁波。
在电视，广播和无线通信中所使用的点波，以及用于X光摄影中的x射线，用于放射线治疗的Y射线，这些也都是一种电磁波。
因此，可以说光就是这些电磁波的同类。
电磁波谱中的各种频率(或波长)的波，如固1．3—l所示。
其中光波波长范围是从数纳米(1nm：10—9m)到数百微米(1pm=10-6m)。
通常所说的电波是指远比光波波长长的电磁波，而X射线和Y射线是指比光波波长更短的电磁波。
在光谱范围内，如按波长进一步分类，可得到如图1，3-2所示的各种波长的光。
但各类光谱之间没有明确的界线。
作用于人眼井可以引起视觉的光，其波长是从380—400nm附近到76O~800nm附近之间，这区域的光通常称之为可见光．波长不同意味着额色的不同。
可见光中波长长的光呈红色，波长短的光呈蓝色(参照图1，3-3)。
(图见下页)图1.3-1电磁波的种类和名称图1.3-2 各种波长的光图1.3-3 可见光的波长和颜色51 光具有什么性质答：光有如下三大性质：1．直线传播性在同一种介质中，光总是沿着直线前进。
2．反射性在不同介质的交界面上，一部分入射光要产生反射。
3．折射性在不同介质的交界面上，没有产生反射的入射光继续前进而产生折射，行进方向发生了改变。
日常生活中的影子以及人们不能直接看见障碍物后的物体等现象都可说明光的直线传播性。
自然界中湖水倒映着对岸的景色的现是就是反射的一个例子。
光的反射遵循反射定律。
由反射定律可知，入射光线和反射光线在同一个平面内并位于反射界面法线的两侧，光线的入射角i θ和反射角r θ相等。
作为光的折射现象的一个例子，譬如把筷子放入注满水的玻璃杯中，看上去筷子似乎折弯了一样。
在折射现象中，光线的入射角i θ和折射角t θ的关系遵循欺涅尔定律。
如图 1.4-1所示，光线从折射率为的介质以1n i θ入射角射到介质交界面，并以折射角t θ进入折射率为的介质之中，则2n i θ、t θ、n 、有如下关系式12n12sin sin n n t i =θθ 这就是欺涅尔（Snell ）定律。
光纤基础知识
光纤基础知识第一部分光纤理论与光纤结构一、光及其特性1.光是一种电磁波可见光部分波长范围是: 390~760nm(毫微米)。
大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。
光纤中应用的是: 850，1310，1550三种。
2.光的折射，反射和全反射。
因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。
而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。
当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。
不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的（即不同的物质有不同的光折射率），相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。
光纤通讯就是基于以上原理而形成的。
二、光纤结构及种类1.光纤结构光纤裸纤一般分为三层: 中心高折射率玻璃芯（芯径一般为50或62.5μm），中间为低折射率硅玻璃包层（直径一般为125μm），最外是加强用的树脂涂层。
2.数值孔径入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。
这个角度就称为光纤的数值孔径。
光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。
不同厂家生产的光纤的数值孔径不同（at&t corning）。
3.光纤的种类a.按光在光纤中的传输模式可分为: 单摸光纤和多模光纤。
多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），可传多种模式的光。
但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。
例如:600mb/km的光纤在2km时则只有300mb的带宽了。
因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。
单模光纤: 中心玻璃芯较细（芯径一般为9或10μm），只能传一种模式的光。
因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。
b.按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。
光纤光学基础知识
光纤的连接损耗
阶跃折射率多模光纤
I 10 log 1 2
由于多模光纤的芯径很大，因此三种连接失配损耗均 很小。
单模光纤连接损耗 纤芯错位损耗
I d 10 log e
( d / )2
光纤的连接损耗
光纤的传输特性
弯曲损耗(Bending Loss) 如图5所示，光线在光纤平直部分的A点以临界角α1入 射，全部反射，在弯曲部分的B点以角度α2(<α1)入射， 不再发生全反射，部分光能量因折射而泄漏，此即光 纤弯曲损耗。 A
α1
α2
B
图5.光纤的弯曲损耗
光纤的传输特性
宏弯曲损耗 光纤弯曲半径R大于临界值Rc，因弯曲引起的损耗很 小，可以忽略；弯曲半径小于临界值，损耗按指数规 律迅速增加。 多模光纤的临界曲率半径： 2 2 2 Rc 1.5 3 (0.347 2Wa ) 其中：W 2 n2 k0 W Rc与β有关，因此在同一弯曲半径下，不同模式的损 耗不同，低阶模的损耗小，高阶模的损耗大。 单模光纤的临界曲率半径：
光纤材料色散不会在空间展开，表现为不同波长的光 程不同，到达光纤另一端的时间也不相同。 光纤波导色散 对于同一阶次的模式，不同波长的传播常数β不同，光 程不同，称为波导色散。 光纤模间色散 对于同一波长的光，不同模式的传播常数β不同，光程 不同，称为模间色散。 模间色散只存在于多模光纤中，渐变折射率多模光 纤的模间色散参数优于阶跃折射率多模光纤。 单模光纤中不存在模间色散，为了工艺简单，不需设 计成渐变折射率。
A B
θ
α
图3.光在光纤中的传播
因为纤芯折射率大于包层折射率，当光线从纤芯入射 到界面上时，如果入射角α大于临界角α 0，将发生全 反射，没有光能量透射至包层而泄漏出去，此即光纤 导光原理。
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光纤的传输特性
➢弯曲损耗(Bending Loss)
如图5所示，光线在光纤平直部分的A点以临界角α1入 射，全部反射，在弯曲部分的B点以角度α2(<α1)入射， 不再发生全反射，部分光能量因折射而泄漏，此即光
纤弯曲损耗。
A
α1
B
α2
图5.光纤的弯曲损耗
光纤的传输特性
✓宏弯曲损耗
光纤弯曲半径R大于临界值Rc，因弯曲引起的损耗很 小，可以忽略；弯曲半径小于临界值，损耗按指数规
NA子 (r) n0 sin 0 n2 (r) n22
➢光纤数值孔径与其折射率分布有关，阶跃折射率光 纤纤芯各点数值孔径相同，渐变折射率光纤中心点数 值孔径最大，在纤芯与包层界面数值孔径为0。 数值孔径反映光纤接收光的能力，Corning SMF-28单 模光纤、InfiniCor 50/125um多模光纤、InfiniCor 62.5 /125um多模光纤数值孔径分别为0.14、0.20、0.275。
V a 2 0
n12 n22
V越小，则光纤限制光泄漏的能力越弱，允许传输的
模式数量越少。当V<2.405时，光纤中只有一个模式
可以传播，成为单模光纤。
光纤中的传播模式
为了满足单模条件，单模光纤的纤芯包层折射率差和 纤芯直径均比多模光纤小。 ➢在保证单模传输的前提下，V值应尽可能取髙值，以 提升光纤导光能力，避免弯曲损耗。 根据波动理论分析，继续减小V值，仍不能将最后一 个模式截止，即此模式被牢牢限制在纤芯中传播，这 也是单模光纤的微弯曲损耗较多模光纤小的原因。
0.5
0.2
0.1
0.6 0.8 1.0 1.2
1.5
2.0
波长(um)
图4.石英光纤损耗谱典型曲线
光纤的传输特性
✓目前光通信的三个窗口： 0.85um－第一窗口，短距离多模光通信； 1.31um－第二窗口，长距离单模和短距离多模光通信； 1.55um－第三窗口，长距离单模光通信。 ✓我们看到，在1.31um和1.55um之间的1.385um处有 一个吸收峰，这是由于OH－离子的吸收造成的，通常 称之为水峰。 ✓Lucent公司率先推出AllWave光纤，Corning公司相 继推出LEAF光纤，消除了水峰，将光纤的第二和第三 窗口连接起来，可以在1280nm-1625nm之间345nm 的带宽内进行通信，这对CWDM系统的应用大为有利。
(0.65 1.619 2.879)a
V 3/2
V6
我们看到，归一化频率V越大则模场半径ω越小，光能 量被约束得越集中，即导光能力越强。 模场半径对分析单模光纤的连接损耗、微弯曲损耗等 有重要作用。
光纤的传输特性
❖光纤的损耗 ➢材料吸收损耗
5.0
2.0
第一窗口
第二窗口
1.0
第三窗口
损耗(dB/km)
光纤中的传播模式
❖截止波长
当光纤参数(a、n1、n2)已经确定，单模光纤的截止波 长和截止频率分别为：
c
a n12
1.202
n22
fc
1.202c
a n12 n22
λ越大则V越小，当λ<λc时则不再满足单模条件，产生 高阶模，因而传输损耗增加。
光纤中的传播模式
❖单模光纤的模场半径 单模光纤中传输的是类高斯光束，即光束能量在横截 面近似高斯分布，其模场半径的经验公式如下：
律迅速增加。
多模光纤的临界曲率半径：
Rc
1.5
W
2 3
(0.347
2Wa )
其中：W 2 n22k02
Rc与β有关，因此在同一弯曲半径下，不同模式的损 耗不同，低阶模的损耗小，高阶模的损耗大。
单模光纤的临界曲率半径：
Rc
20
(n)3/
2
(2.748
0.996 c
)3
光纤的传输特性
单模光纤的临界曲率半径与截止波长λc有关， λc越大 则Rc越小，也就是说，截止波长越大则弯曲特性越好。
✓微弯曲损耗 多模光纤微弯曲损耗：多模光纤的微弯曲情况非常复 杂，仅作定性描述。 多模光纤的微弯曲损耗与弯曲形状有关，如果对光纤 进行周期性弯曲时，如图6所示，将会在某个弯曲频 率下产生最大损耗，而且损耗与弯曲振幅A2成正比， 与弯曲总长度L成正比。
光纤光学基础知识
目录
光纤结构及导光原理 光纤中的传播模式 光纤的传输特性 光纤的连接损耗
光纤结构及导光原理
❖光纤结构
纤芯 包层
涂三部分组成： 纤 芯－光能量主要在纤芯中传输； 包 层－折射率小于纤芯，与纤芯一起组成波导，限 制光能量泄漏； 涂覆层－对光纤起缓冲保护作用。 ➢光纤按传输的模式数量可分为单模光纤和多模光纤， 按折射率分布可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光 纤，如图2所示。
光纤结构及导光原理
125um 125～400um 125um 8～12um 50～200um 50/62.5um
n2 n1 2a
n2 n1 2a
n2 n1 2a
(a)单模阶 跃折射率光 纤
(b)多模阶 跃折射率光 纤
(c)多模渐变 折射率光纤
图2.单模和多模光纤结构示意图
光纤结构及导光原理
❖光纤导光原理
射角θ1、 θ2、θ3…，我们称之为光纤的模式。 也可以用纵向传播常数β1、 β2、β3…来描述光纤的模
式，表示光线相位变化的速度。 模式越高，θ角越大， β越小，光程越大，损耗越大。
光纤中的传播模式
❖单模与多模 ➢我们已经知道，光纤中传输的光必须同时满足全反 射条件和驻波条件。前者与纤芯和包层折射率差有关 (折射率差越大则孔径角越大)，后者与纤芯尺寸有关 (纤芯越大则允许的模式数量越多)，因此我们可以用 一个参数来描述光纤的结构特性－归一化频率V。
光纤中的传播模式
❖光纤的模式 ➢我们已经知道，小于孔径角入射的光线可以在光纤 中传播，这只是从光线理论得到的结论。 如图3所示，根据波动理论，光在两个反射点A、B的 位相必须相同，即A、B间的光程差必须是传输波长的 整数倍，此称为横向驻波条件。 ➢因此在所有入射角小于孔径角的光线中，只有满足 驻波条件的一系列光能够传输，对应一系列分立的入
A
B
α θ
图3.光在光纤中的传播
因为纤芯折射率大于包层折射率，当光线从纤芯入射 到界面上时，如果入射角α大于临界角α 0，将发生全 反射，没有光能量透射至包层而泄漏出去，此即光纤 导光原理。
光纤中的传播模式
❖数值孔径 ➢光线在纤芯与包层界面上的入射角α 大于全反射临 界角α0 ，才能在光纤中传播；受此条件约束，光线在 光纤端面的入射角θ必须小于孔径角θ 0，才能传播。 定义光纤子午光线数值孔径为：