光纤光学基础知识报告共29页
光纤光学基础知识-liangfeng报告
October 17th, 2000
DWDM Vs TDM
两种技术方案可以提高光纤带宽的利用率 :
1) 增加单信道容量 (bit rate)
Current generation: 2.5 – 10 Gbit/sec
TDM
Next generation:
10 - 40 Gbit/sec
2)减小信道间隔从而增加信道数目
Communications Equipments, Inc.
Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.
光纤通信系统方框图
光--电--光中继的数字通信
单信道全光中继数字通信
From杨先辉
Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.
Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.
光纤的损耗：
造成光纤衰减的主要因素有： 本征，弯曲，挤压，杂质， 不均匀和对接等。 本征： 是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收 等。 弯曲： 光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉， 造成的损耗。 挤压： 光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。 杂质： 光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成 的损失。 不均匀： 光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。 对接： 光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同 轴度要求小于0.8μm)，端面与轴心不垂直，端面不平， 对接芯径不匹配和熔接质量差等。
光通信
用光波载运信息，实现通信
光纤通信
以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信
光纤基础知识_中文ppt课件
12 根光纤的线缆
© 2007 EXFO Electro-Optical Engineering Inc. All rights reserved.
1.蓝 2. 橙 3. 绿 4. 棕 5. 暗灰色 6. 白 7. 红 8. 黑 9. 黄 10. 紫 11. 粉红 12. 浅绿
黄 橙 浅绿色 绿色
光纤类型
dBm 绝对值的功率
dBm 用来测试光的输出功率
光纤Байду номын сангаас
检测器 光源
•激光的输出功率 -3.50 dBm
© 2007 EXFO Electro-Optical Engineering Inc. All rights reserved.
仪表读数 - 3.50 dBm
mW
如何将 dBm 转换成 mW dBm = 10*log(mW)
光在单模光纤和双模光纤中传输的区别：
单模
NA
脉冲
NA
X 公里
多模
脉冲
X 公里
© 2007 EXFO Electro-Optical Engineering Inc. All rights reserved.
损耗 dB/Km
光纤类型
主要光纤类型
多模光纤 (50/125 µm 和 62.5/125 µm): 50/125 µm 比62.5/125 µm有更高的传输速率 用在LAN局域网中 由于模态色散，比单模光纤有更低的速率 经常用在大楼的内部
单模光纤
尺寸一般为 8.6 to 9.5/125 µm 用途: 长距离网络, 接入网, 城域网和高速率网络 建筑物外安装
© 2007 EXFO Electro-Optical Engineering Inc. All rights reserved.
光纤光学基础知识
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
光纤光学重要知识点 PPT
光线理论 模式理论 光纤性能 光纤器件 光纤连接
光线理论
重要概念
– 光波导、光纤分类、子午光线、数值孔径、传输 容量、传光传像特性、散焦面、广义折射率定理、 光线轨迹及特点、光线分类
重要公式
– 射线方程、散焦面半径、折射率分布、数值孔径
模Байду номын сангаас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
写出SIOF中模式数目与V值的关系式。 弱导光纤中组成线偏振模式的理论依据是什么？
为什么LP0m模式只有两重简并？ 实际光纤中传播的模式是线偏振模式吗？为什么？
画出LP6,8模式场分布示意图。 高阶模式与低阶模式哪个输出角度大？
4
GIOF的数值孔径有何不同? 分别说明内散焦面、外散焦面、辐射散焦 面的物理意义。 为什么GIOF又称为“折射型”光纤？ GIOF中光线角向运动有何特点？ 分别说明约束光线、隧道光线和折射光线 的特点。
2
设计一种光波导结构，其传光波导层为平板形 状，标出折射率结构。 从数学上证明，在均匀折射率介质中，光纤轨 迹为直线传播。 如果已经知道光纤中只允许1个模式存在，能否 通过外界激励获得2个模式传播？ “纵横关系式”有何作用？ 光场分量的哪一个分量总是独立满足波导场方 程？写出该波导场方程式。
大家有疑问的，可以询问和交流
光纤器件
重要概念
– 自聚焦透镜的成像特性、光纤耦合器/WDM器 件的工作原理及设计、光隔离器/环行器的工作 原理及设计、光纤光栅的工作原理及设计、光 纤激光器与放大器的工作原理及设计。
光纤基础知识PPT演示课件
62.5/50m
8～10m
1.0m
125m2m
2%
245m10m
15m
2m
•16
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
• 模场直径 • 衰减系数 • 色散系数 • 截止波长 • 弯曲损耗 • 偏振模色散
•17
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
模场直径：
高斯分布的单模光纤， 模场直径是光场幅度 分布1/e处各点所围成 圆的直径，也等于光 功率分布1/e2处各点 所围成圆的直径。
一部分入射光将被反射
一部分入射光将进入第二种媒质，并产生折射
1 2
媒质1 折射率n1
媒质2 折射率n2
1=2
媒质1
1
折射率n1
2
媒质2
折射率n2
n1·Sin1=n2·Sin2
•3
折射率 n＝光在真空中的传播速度/光在该媒质中的传播速度
媒质 真空 空气 水 多模光纤 单模光纤 玻璃 钻石
折射率 1.0 1.0003 1.33 1.457 1.471 1.5~1.9 2.42
1
4
4
3
1 非色散位移光纤 2 色散位移光纤 3 色散平坦光纤 4 非零色散位移光纤
2
0 1200
1400 1500 1600 1700 1800 nm
-4
-8
波长(nm)
•22
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
截止波长：
光纤作为单模光纤工作的最短波长。工作 波长超过此波长时，只能传输基模，此时光纤 为单模光纤；工作波长低于此波长时，除基模 外，高次模也可传输，此时光纤为多模光纤。
如：Corning的Submarine Leaf光纤 Lucent的TrueWave XL光纤
光纤光学知识共26页文档
光纤光学知识
第十一章 光纤光学系统
11-1 概 述
• 光纤一般是指由透明介质构 成的，直径与长度之比小于 1：1000的细丝。光线由光 纤的一端入射，沿着光纤传
播，最后由另一端出射。单
条光纤只能起传光的使用， 不能成像，如图11-1所示， 如果把许多光纤固定在一起，
构成光纤束，就可以把具有
一定面积的像面，通过每根
$11-2 全反射光纤的光学性质
•
图11-2
• 大多数光纤的直径比光的波长大得多，对这类光纤可以用几何光学的方法 研究它的光学性质，本节研究全反射光纤的光学性质。
• 最简单的光纤是由均匀透明介质构成的圆柱形细丝，称为单质光纤，如 图11-2所示。
• 光线在光纤内表面发生多次全反射，使光线由一端沿着光纤传播至另一 端。这种光纤的缺点是光纤表面的很小的缺陷，尘埃，污物都将使光发生 散射而射出光纤，引起光能损失。在一般光学系统中的全反射棱镜的反射 面上，虽然也存在这些缺陷，但是在一个棱镜系统中只有若干次反射，因 而影响不大。而在光纤中，光线可能要经过上千次上万次全反射，如果每 次全反射都损失一部分光能，总的损失就十分可观了。这种单质光纤特别 不适用于传像的光纤束，因为在光纤束中，光纤之间是紧密接蚀的，光线 有可能从一根光纤透人另一根光纤，这将影响传像的清晰度。
此光纤的数值孔径代表了光纤的传光能力，它是光纤的重要性能指标。
• 欲增大光纤的数值孔径，必须增加内外两种玻璃的折射率差。由 于高折射率光学玻璃的发展，目前玻璃光纤的最大放值孔径可以 达到1.4。当然对NA大于1的情形，光纤的两端必须位在浸液中， 好象显微物镜的数值孔径大于l肘，必须采用浸液物镜一样。
• 超出光纤数值孔径的光线，就会漏出光纤，并进入相邻的光纤， 这种光线，对传像光纤束就会降低像的清晰度，形成噪声。为了 防止漏光，在光纤的外包层外边，再用一层由高吸收玻璃构成的 包层。它可以把漏光吸收，防止嗓声的产生。
光纤光学基础
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
2a
1
n02
n12 sin
2
1
光线在光纤内单位长度内全反射的次数不仅取决于纤端入射
角以及相对折射率n0/n1，且与光纤的成直径反比。
12
2.斜光线的传播
斜光线：不在子午面内的光线，它与光纤的轴线
既不平行也不相交，其空间轨迹为空间螺旋折线
。它可以是左旋，也可以是右旋，但它与光纤的
中心轴是等距的。
斜光线在光纤内传输的条件：
o
0
P K
由折射定律有：
sin
0
n2 n1
Q
o
T
13
MH
由：sin cos sin
可得：
cos sin 0
1
n2 n1
2
同样在纤端由折射定律有： n0 sin n1 sin
之下降。实验表明，当R/a<50, 透光量开始下降；
R/a20，明显下降。
18
4.光纤端面的倾斜效应
19
光纤光学特性
光纤色散 光纤偏振与双折射 光纤损耗
光纤损耗
10 lg( Pi ) dB / km
L Po
21
由于：sin 1;
a 1 R
故有：S0 S子
光纤弯曲时，光线在光纤内单位长度的传输的路程小于 子午线时的情形。
17
单位光纤长度的反射点数：
0
1
1 a
子
光纤弯曲时，光线在光纤内单位长度的反射点数小 于子午线时的情形。
结论：光线弯曲时，比起不弯曲时其数值孔径、
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。
光纤光学实验报告-实验报告-书业网
光纤光学实验报告 - 实验报告 - 书业网篇一：实验八光纤光学基本知识演示实验报告专业班级：学号：---- 姓名：成绩：12篇二：光纤光学与半导体激光特性实验指导书光纤光学与半导体激光器的电光特性由于20世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术的突破性发展，光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。
本实验利用通信用单模光纤和可见光（红光）半导体激光器对光通信过程进行了一个开放的、原理性的模拟，以期通过实际操作，对光纤本身的光学特性和半导体激光器的电光特性进行一个初步的研究。
使学生对光纤和半导体激光器有一个基本的了解和认识。
一．实验目的1．理解和巩固光学的基本原理和知识；2．了解掌握光纤的使用技巧和处理方法；3．了解掌握半导体激光器的使用方法和电光特性；4、了解掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法。
二．基本原理光纤通信的光学理论是建立在光的全反射理论和波导理论上的。
现代光通信中使用的光纤一般分为单模光纤和多模光纤两种。
它们在结构上的区别主要在于纤芯的几何尺寸上，图1是光纤结构图。
它由三层结构构成：（1）纤芯：由掺有少量其他元素的石英玻璃构成（为提高折射率），对于单模光纤，直径约9.2 mm，而对于多模光纤，纤芯直径一般为50 mm。
这是它们在结构上的最主要区别。
（2）包层：由石英玻璃构成，但由于成分的差异它的折射率比纤芯的折射率略微低一些，以形成全反射条件。
直径约为125 mm。
（3）涂覆层：为了增加光纤的强度和抗弯性、保护光纤，在包层外涂覆了塑料或树脂保护层。
其直径约245 mm。
激光主要在纤芯和包层中传播。
图1 光纤结构示意图1．光纤端面的处理为了使激光在输入光纤和输出光纤时有一个理想的状态，如较高的耦合效率，均匀对称的光斑和模式。
一般均需要对光纤的端面进行较为细致的处理。
一般光纤端面的处理有两种主要方法。
一种是使用专用刀具进行切割。
另一种为研磨处理。
在本实验中，采用较为简单的手工刀具切割，以使光纤端面较为平整。
光纤基本知识共36页文档
– 使用机械工具接合
施工要求
• 建筑与建筑群综合布线系统工程设计与 验收规范（GB/T50311,GB/T50312）要求：
• “光缆的弯曲半径应至少为光缆外径的15倍”
未清洁的 连接头
用手指“清洁” 的
连接头
用衣服袖子“清 洁”的连接头
使用IDEAL清洁工 具清洁后的连接头
光纤分布式数字接口—环形网特例
• 1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线 路。
为什么要使用光缆？
传输安全
不会产生： • 电磁脉冲 • 辐射 • 或任何可以探测到的能量
抑制噪声
光纤是绝缘体
• 不受下列因素影响：
– 电磁波 – 闪电 – 辐射噪声 – 相邻电缆
体积小
光缆与铜导线相比 • 光缆： 0.9厘米 (12芯光纤) • 铜导线： 2.5厘米 (900芯双绞线)
– 每秒20万公里 • 人们以波长来描述光
可见光350nm—750nm • 光纤通信所用的波长 800——1600nm
光的基本知识
入
反射
射 θ1 θ3
θ2 折
射
n1 n2 n1<n2
空气 水
视觉位置
实际位置
光的基本知识
n1 n2
n1 > n2
临界角
n1 n2
入射角=反射角
θ1 θ2
n1
900
n2
光纤的分类
• 按材料分类：
– 玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输 距离长，成本高；
– 胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同 玻璃光纤差不多，成本较低；
– 塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输 距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及 短距的图像传输。
光纤光学演示文稿
E1t＝E2t; H1t＝H2t; B1n＝B2n; D1n＝D2n
第十四页，共25页。
分离变量：电矢量与磁矢量分离
得到只与电场强度E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁
场强度H(x,y,z,t)有关的方程式：波动方程
第十五页，共25页。
分离变量: 时空坐标分离
前提：光纤传播单色光波，时间函数为简谐函数 令场分量为：
第二十页，共25页。
模式命名
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;
(2)横电模(TE): Ez＝0, Hz≠0; (3)横磁模(TM): Ez≠0,Hz＝0; (4)混杂模(HE或EH):Ez≠0, Hz≠0。 光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时 也出现TE(TM)模。
2＝w2emb2＝n2 k02b2横向传播常数
bn(r)k0cosqz 纵向传播常数
第十七页，共25页。
波导场方程的数学物理意义
波导场方程：是波动光学方法的最基本方程。 它是一个典型的本征方程,其本征值为或β。 当给定波导的边界条件时,求解波导场方程可 得本征解及相应的本征值。通常将本征解定 义为“模式”.
分析思路
电磁分离
时空分离 纵横分离
第十三页，共25页。
波动方程 wave equation
亥姆赫兹方程 Helmholtz equation 波导场方程
麦克斯韦方程
H D/t EB/t
D 0 B0
D＝εE B＝μH
e＝e0n2
边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续,
第二十一页，共25页。