张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章

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光纤通信原理及基础知识

t D • Δ PMD= pmd * LΛ0.5
•
PMD Link
y=
1
n
n k 1
x
2 k
1 2
• PMDQ :99.99% probability of 100000 y
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散受限的最大理论传输距离
偏振模色散受限的最大理论传输距离
光纤的通信原理及基础知识
第一章光纤通信的基本原理第二章光纤的基本结构和分类第三章光纤的基本参数第四章光纤的制造方法
第一章光纤、光缆的基本知识
§1.1 光纤通信的基本原理
信号处理
发送端
光波导
信号处理
接收端
光纤通信的基本原理
频谱分配
电磁波谱
低频
高频
微波
直流电
LW MW KW UKW dm cm
微观弯曲损耗：是指光纤受到不均匀应力的作
用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。
光纤的基本参数
参数典型值光纤的光学及传输特性参数之一------
• 模场直径： • 衰减系数：
• 色散系数：
• 偏振模色散：
• 截止波长： • 弯曲损耗：
•1310nm: 8-10m; 1550nm: 9-11m
包层(SiO2+F )掺氟二氧化硅
125 µm
标准单模光纤
标准梯度折射率分布多模光纤
涂层(acrylic) 250 µm
涂层 250 µm
涂层
力学影响的防护
塑料光纤
涂层 1000 µm
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按材料分类：

光纤原理与应用

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参考资料及信息来源：

参考资料：《工科数学分析基础（上）》高等教育出版社王绵森、马知恩

演示视频出处：
/show/quJZcySEPoQPEqnC.html
第二节：光纤原理的基础—— 光的全反射原理

光的全反射：光由光密（即光在此介质中的传播速度小的）媒质（如水）射到光疏（即光在此介质中传播速度大的）媒质（如空气）的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。叫做光的全反射。只有光以较大入射角从光密介质射入光疏介质时，才会发生全反射现象。
光的全反射现象演示：

第四节：光纤的各种应用

当今的信息时代是以两大技术的出现与发展为基础，同时也以这两大技术为支撑的。其一是包括超大规模集成电路（ULSIC）在内的计算机技术，它使信息处理能力成百万倍地提高；其二是包括半导体和光电子器件在内的通信和网络技术，它使信息传输能力成千上万倍地提高。1966年高锟博士首先提出利用介质光导纤维以光载波传输信息，奠定了光纤通信的理论基础；1970年美国康宁公司首次拉制出损耗为20dB/km的光纤，展现出光纤通信技术发展的美好前景；1990年后推出的以电时分复用为基础的单信道光波通信系统，将传输速率每五年提高9倍；20世纪 90年代中期，由于掺铒光纤放大器（EDFA）的实用化推动了波分复用（WDM）技术的实用化，实现了Tbit/s（每秒1万亿比特）量级的传输速率；近年来光交叉连接（OXC）、光分插复用（OADM）、光突发交换（OBS）、光分组交换（OPS）、无源光网络（PON）等技术应运而生，并得到迅速发展。进入新世纪以来，光通信行业挤掉了“泡沫”步入了健康高速发展阶段，但全光通信网是当前与未来发展的主要方向之一已经成为业内共识，与光信号处理及智能光交换相关的技术仍然保持着蓬勃的发展态势，光电子集成、光纤传感器及传感系统等多种技术也都得到了迅速发展，并在许多领域中得到了广泛的应用。光纤作为信息传输工具的优点是，传播速度快，信息密度大，传播路程远。

光纤光学课件第一章

光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众制
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。

光纤技术与应用(第1章)

光纤结构光纤材料光纤特征
第一章绪论
2010-03-12
安徽大学物理与材料科学学院
29
《光纤技术与应用》
第一章绪论
2010-03-12
包层 n2
纤芯 n1
n1>n2
安徽大学物理与材料科学学院
30
《光纤技术与应用》
第一章绪论
光纤结构
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的
第一章绪论
光纤的发展史与里程碑
1870年,英国皇家学会的John Tyndall演示了光在一束细水流中进行全内反射传输的现象。
2010-03-12
安徽大学物理与材料科学学院
16
《光纤技术与应用》
第一章绪论
1910年，Deby和Hondros用波动理论对电介质中的光路理论进行了分析
1927年，Baird、Hansell等人提出了用电介质光纤传递光学图象的设想
2010-03-12
安徽大学物理与材料科学学院
10
《光纤技术与应用》
第一章绪论
令边候举放烽炮，若见敌一、二人至百余人举放一烽一炮，烽二炮，千人以上三烽三炮，五千以上四烽四炮，万人以上五烽五炮。”而在有的防区还有自订的传报宣府镇上西路各台夜则悬灯。悬灯的长竿分为三等，竿上悬灯均染成红色，以数量不等作为军情缓急、的区分。 “合设烟墩，并看守堠夫，务必时加提调整点，须要广积秆草，昼望，遇有警急，昼则举烟，夜则举火，接递通报，毋致损坏，有误军情声息”；
2010-03-12
安徽大学物理与材料科学学院
6
《光纤技术与应用》
光通信的发展
第一章绪论
原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。缺点：信息量小，受环境影响大

张伟刚-光纤光学原理与应用-第二章_光纤光学的基本理论

代入光线方程展开式：
用 n 乘 K 有:
dn r dr dn dr dn nK e r n r dr ds ds ds ds
eR
n’
上式表明折射率梯度矢量位于光线的切面内
dr/ds
n n’ >n
重写曲率矢量和光线方程展开式：
d 2r 1 K eR 2 R ds dn r dr dn dr dn nK e r n r dr ds ds ds ds
S r {S r E 0 } n 2E 0 0
A B C
利用矢量恒等式

A
C B A B C
2
得到
{S r S r }E 0 n E 0 0
即或
S r S r n 2
程函方程

2、射线方程
r ：光线传播路径S上某点的矢径 dr/ds:传播路径切线方向上单位矢量, 根据相位梯度的定义，矢量dr/ds方向与相位梯度方向一致，大小等于：
由程函方程 S(r ) n r
dr S r ds S r
z
dr/ds dr 路径S
dr S r ds n(r)
s
b
r
其解为矢量直线方程：
r sa b
a和b是常矢量，在均匀介质中光线路经沿矢量a前进，并通过r=b点。 d dr 物理意义： ds ds 表示光线路径的曲率变化量。
d ds
dr ds
0 表示光线路径为直线。
例2：光线在折射率具有球对称分布媒质中的传播球对称：折射率仅仅是半径r的函数
2

任意折射率剖面光纤LP11模归一化截止频率的计算

4 附录：MATLAB 程序及计算步骤
程序： % LP11：任意折射率剖面光纤 LP 模截止频率计算 clear all g=1; %设置折射率参数
m=5*(g+2);%设置 C(k)的计算项数 a=zeros(1,m); a(g)=1; %=============计算系数 b================= b=zeros(1,m+2); b=sym(b); syms V; b(g+2)=a(g)*(V^2); %=============系数 b 计算完毕============
g = ∞ 时即阶跃型光纤，阶跃型光纤的计算有其成熟的方法，本文不详细讨论。 Nhomakorabea4
3 参考文献
[1] 曾维友. 基于磁光薄膜波导的集成光隔离器的研究[硕士论文].电子科技大学, 2007 [2] 吴重庆.光波导理论（第 2 版）. 北京:清华大学出版社, 2005 [3] 张伟刚.光纤光学原理及应用. 天津:南开大学出版社, 2008 [4] 求是科技.MATLAB7.0 从入门到精通. 北京:人民邮电出版社, 2006
以 y 为求解方向的场为例，（1）（2）带入（3），整理得到： 1 ' 2 2 r m2 '' Ey + ⋅ Ey + (k 0 n1 − β 2 ) − 2∆ ⋅ k 02 n12 f ( ) − 2 E y = 0 r a r 令 y ( ρ ) = E y (r a ) ，带入（4）得：（4）
%=============计算系数 C================= C=zeros(1,m+2); C=sym(C); C(0+1)='1'; C(1+1)='0'; syms bC; bC=sym(0);

光纤光学-第2章-光纤光学原理及应用(第二版)-张伟刚-清华大学出版社

光纤光学》《光纤光学第二章光纤光学的基本理论南开大学张伟刚教授第2 章光纤光学的基本理论2.1 引论2.2 光纤的光线理论222.3光纤的波动理论2.1引论2.1.1光线理论可以采用几何光学方法分析光线的入1.优点：的多模光纤时2.不足：2.1.2波动理论2.不足：2.1.3分析思路麦克斯韦方程光线理论波动理论2.2光纤的光线理论 2.2.1程函方程问题2.1：(r , t )z y x e z e y ex r ˆˆˆ++=G ),(t r E G G ),(t r H G G G G G G G G )0,0(0===t r E E )0,0(0===t r H H )(r G φφ=(2.1) 00ik i t E E e ϕω−+=G G (2.2)00ik i t H H e ϕω−+=G G 000)()()(000E e e E e E E ik ik ik G G G G ×∇+×∇=×∇=×∇−−−φφφik ik −−G G []φφφ00000)()(e E ik e E ×∇−×∇=φ0ik e E ik E −×∇−×∇=G G (2.3)[]φ000)((2.3)G G G G (24)[]φφφ000000)()(ik ik e H ik H e H H −−×∇−×∇=×∇=×∇(2.4) (21)(22)(25)(28)(2.1)(2.2)(2.5)(2.8)B ∂G G t E ∂−=×∇G (2.5)(26)t D H ∂∂=×∇G (2.6)G G 0=⋅∇D (2.7)(28)0=⋅∇B (2.8)(2.9)(2.10)(2.9)E D G G ε=G G (210)）HB μ=(2.10) 因光纤为透明介质（无磁性），于是0μμ≈ωi t =∂∂φμωμ0000ik e H c ik H i E −−=−=×∇G G G (2.11) φεωε0ik e E i c ik E i H −==×∇G G G (2.12) 00()(2.32.3))(2.112.11))(2.42.4))(2.122.12))G G G −=−000000)(H c ik E ik E μφ×∇×∇00000)(E c ik H ik H G G G εφ=×∇−×∇1G G G ∇=−(213)00000)(E ik H c E ××∇μφ1H k E c H G G G ×∇=+×∇ε(2.13) (2.14) 0000)(ik φ()H G 0[]000200)(1)(1)(1)(E c E E E G G G G εφφφφμφ−=∇−∇⋅∇=×∇×∇000c c c μμ(2.15)λ→0000)(H c E G G μφ=×∇(2.16) 00)(E c H G G εφ−=×∇(2.17)问题2.2：(2.15)(2.16)000E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G (2.18a) (218b)∇∇G G (2.18b)0E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G 、、三个矢量相互垂直三个矢量相互垂直！！0E 0H ϕ∇(2.1(2.188)(2.1(2.155)r c εεμεμφ===∇00221)((2.19)22(220)με00)(n =∇φ(2.20)G G =)()(r n r ∇φ(2.21)221)G (2.21)“程函方程” ()r φ程函方程的物理意义：讨论讨论：r G ∇()φ)(r G φ∇“”n r G 场源()(2.2.2121))),,(),,(),,(),,(2222z y x n z z y x y z y x x z y x =⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+⎥⎤⎢⎡∂∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂φφφ(2.22)⎦⎣问题2.3：(2.2.2121))2.2.2 光线方程根据折射率分布，可由程函方程求出光程函()r Gφ为此，可从程函方程出发推导光线方程。

光纤光学原理及应用-第5章

K1 (W1 ) K0 (W1)K2 (W1)
(5.13)
图5.3给出了沿ox偏振的奇、偶LP11模的电场分布。
(a)坐标系
(b)奇模(sinθ)
(c)偶模(cosθ)
图5.3 沿ox偏振的奇、偶LP11模的电场分布示意图
13
张伟刚教授主讲《光纤光学》课程
(3)模场的分布
图5.4给出了U∼Ｖ和Ｕ1∼Ｖ的关系曲线。求出U、
(5.10)
其中,
[x,
y]和
⎡cosθ
⎢ ⎣
sin
θ
⎤ ⎥ ⎦
有四种可能组合,
U
和W
应满足：
V 2 = U 2 +W 2
U1
J2 (U ) J1(U )
=
W1
K2 (W ) K1(W )
(5.11)
(5.12)
12
张伟刚教授主讲《光纤光学》课程
为使总功率满足归一化条件，应有：
E1 =
2 μ0 ⋅ U1 ⋅ π a2n1 ε0 V
16
张伟刚教授主讲《光纤光学》课程
(2)高斯近似法由图5.5可见, 基模LP01模的分布形状类似高斯
分布, 可考虑用高斯函数对精确的场分布进行近似，该函数是不截尾抛物线折射率分布的LP01模精确场的分布函数。
采用使LP01模达到最大耦合效率的高斯场分布来近似实际的精确场分布。利用式(5.5a)和式(5.9),
高斯近似法具有较好的准确度，该曲线还给出了泄漏到包层中的功率随波长而增加的情况，即导模所携带的功率是如何扩展进包层的。
(2)给定半径内的功率比
在半径为 r0 的圆柱内, 由式(5.19), 采用高斯近似，可得到
⎛ −2⎜

张伟刚教授

张伟刚教授，博士生导师，哈尔滨工业大学理论物理学硕士，南开大学光学博士。

现任南开大学信息技术科学学院教授，南开大学教务处副处长；《中国激光》杂志常务编委，《Chinese Physics Letter》特约评审；中国光学学会光电技术专业委员会委员，中国高等教育学会理科教育专业委员会常务理事，天津市光学学会常务理事，中国仪器仪表学会“光机电技术与系统集成”分会理事；OECC/COIN 2004和ICOCN2010国际学术会议TPCM（Technical Program Committee Member）；Applied Optics、Photonics Technology Letters、Optical Communications、Chinese Optics Letters等审稿员。

从事科研和教学工作20多年，承担并作为骨干成员参加国家科技部863计划、973计划以及国家自然科学基金等10多项课题；获天津市科技发明一等奖、二等奖各1项，获省部级科研优秀成果二等奖以及“优秀青年科技人才”称号；在国内外学术期刊上发表研究论文160多篇，被SCI、EI、ISTP收录100多篇；发表专著及教材四部；申请国家专利20多项，获得发明及实用新型专利10多项。

承担并作为骨干成员参加国家级、省（部）级教学科研项目和教学改革立项8项，获国家级教学成果二等奖2项，省部级教学优秀成果一等奖2项，二等奖和三等奖各1项；获省（部）级教学科研成果二等奖1项；发表教学改革论文30多篇。

开设博士生、硕士生和本科生课程10多门，指导博士生、硕士生多名。

国家级“科学素质教育系列公共课教学团队”骨干成员，南开大学科学素质核心课程《科研方法论》负责人。

近期主讲课程：科研方法论（本科生），光纤光学及应用（硕士生），光纤光学（博士生）。

一、科研项目国家科技部“863”计划课题：“光纤光栅传感网络关键技术研究与工程化应用（2002AA313110）”国家自然科学基金项目：“基于飞秒激光刻蚀微腔的光子晶体光纤流体传感研究（10974101）”国家自然科学基金项目：“用于流体微量成份高灵敏度在线检测的光CRDS传感系统研究（10674075）”国家自然科学基金项目：“微结构光纤多维传感的理论和实验研究（60577018）”天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目：“光纤微腔流体传感系统研究及其环境监测新技术开发”南开大学科技创新基金项目：“光子晶体光纤光栅及其器件的研制”光电信息技术科学教育部重点实验室开放课题：“基于光纤光栅的温度补偿式振动传感研究”中国科学院半导体材料科学重点实验室开放课题：“微结构光纤光栅的写制及传感机理研究”二、科研成果光纤光栅传感系列器件的设计、研制及其应用。

光纤光学第四版证明式子2.31

第一部分：引言1. 光纤光学作为一门重要的光学科学，一直以来都备受关注和研究。

2. 光纤光学的发展，不仅改变了通信行业，还在医学、军事等领域有着重要的应用。

3. 本文将结合光纤光学第四版相关内容，重点讨论证明式子2.31的过程和结果。

第二部分：背景知识1. 光纤光学的基本原理：光纤是一种传输光信号的特殊导光通道，其工作原理是全内反射。

2. 斯涅耳（Snell）定律：描述了光在两种介质之间传播时的折射规律，即$n_1 \sin\theta _1 = n_2 \sin\theta _2$，其中$n_1$和$n_2$分别为介质1和介质2的折射率，$\theta _1$和$\theta _2$分别为入射角和折射角。

3. 光纤光学第四版：是光纤光学方面的经典教材，系统地介绍了光纤光学的理论和实践知识。

第三部分：证明式子2.31的过程1. 式子2.31的内容：$V = \frac{2\pi a}{\lambda}\sqrt{n_1^2 -n_2^2}$2. 光纤中的模式：光在光纤中的传播，与光纤的数值孔径$NA$和归一化频率$V$密切相关。

3. 推导过程：通过对式子2.31的变量及其物理意义进行分析，结合斯涅耳定律，可以得出$V = \frac{2\pi a}{\lambda}\sqrt{n_1^2 -n_2^2}$。

第四部分：结论1. 通过对光纤光学第四版中式子2.31的证明过程进行分析，我们进一步加深了对光纤光学理论的理解。

2. 光纤光学的理论基础和实践应用是密不可分的，希望本文的讨论能够为相关领域的学者和工程师提供一定的参考和启发。

3. 在今后的研究和应用中，我们将继续关注光纤光学领域的最新进展，为推动光学技术的发展做出更多贡献。

光纤光学作为一门重要的光学科学，一直以来都备受关注和研究。

随着信息时代的到来，光纤通信技术作为一种高速、大容量、低损耗的通信手段，得到了广泛的应用。

除了通信领域，光纤光学还在医学、军事等领域有着重要的应用。

光纤光学-1-3公开课获奖课件

• GIOF带宽敞于SIOF!
2024/10/1
14
角向运动
分析φ分量方程: n dr d d nr d 0
dS dS dS dS
有：
I ＝n r2dφ/dz
＝r0n(r0)sinθz(r0)cosθφ(r0)
I ---- 第二射线不变量
2024/10/1
15
角向运动特点
• 光线旳角动量：
10
园柱坐标系与光线入射条件
(dr／dS) |r0 ＝sinθz(r0)sinθφ(r0)
z
ez
e
(r dφ／dS)|r0 ＝sinθz(r0)cosθφ(r0)
(dz／dS)|r0 ＝ cosθz(r0)
r
rrˆ
zzˆ
x
r
z
er
r0
r0d
z dz
ds
r0
dr
y
e
er
2024/10/1
2
nr
0 rr1 rl1 rg1
a rg 2 rl 2
rl 3
2024/10/1
r
20
约束光线
条件:
n2＜n(r0) cosθz(r0)＜n1
光线存在区域: rg1 < r < rg2
内散焦面半径：rg1 外散焦面半径：rg2
2024/10/1
21
隧道光线
条件:
n2> n(r0) cosθz(r0)>√n22－(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
r2ω=r2dφ/dt=
Ic/
2n 恒为常数
• 这表白,光线角向运动速度将取决于光线
轨迹到纤轴距离r:在最大旳r处光线转动最

光纤光学第三版

光纤光学第三版光纤光学是一门关于光的传输和控制的学科，它在现代通信领域发挥着重要作用。

光纤光学技术的发展和应用，为人们的生活带来了巨大的改变。

本文将简要介绍光纤光学的基本原理和应用。

第一章：光纤光学的基本原理光纤光学的基本原理是利用光的全反射特性，将光信号沿光纤传输。

光纤由一个中心的光导芯和一个包围在外面的光折射层组成。

光信号在光导芯中传播时会发生全反射，从而实现光的传输。

光纤光学的主要优势是其传输速度快、容量大、抗干扰能力强等特点。

第二章：光纤光学的应用光纤光学在通信领域有着广泛的应用。

光纤通信是目前最常用的高速通信方式，它具有传输速度快、带宽大、信号衰减小等优点。

光纤通信不仅广泛应用于电话、互联网等常见通信领域，还被用于卫星通信、军事通信等特殊领域。

光纤传感技术也是光纤光学的重要应用之一。

光纤传感技术可以实现对温度、压力、光强等物理量的测量和监测。

这种传感技术具有高灵敏度、抗干扰能力强等特点，广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。

第三章：光纤光学的发展趋势随着科学技术的不断进步，光纤光学技术也在不断发展。

光纤光学在高速通信、数据存储、传感技术等方面的应用将进一步扩展。

光纤光学的发展趋势包括提高传输速度、增加传输容量、提高传输质量等。

光纤光学在医疗领域也有着广阔的前景。

光纤光学可以用于内窥镜、激光手术等医疗设备中，为医生提供更好的诊断和治疗手段。

总结：光纤光学是一门重要的学科，它在通信、传感和医疗等领域发挥着重要作用。

随着科学技术的不断进步，光纤光学技术将进一步发展并应用于更多领域。

光纤光学的发展将为人们的生活带来更多的便利和可能性。

让我们一起期待光纤光学的美好未来！。

光纤光学第1章

1970年，康宁（Corning）公司采用化学气相沉积（CVD）工艺第一个抽出衰减小于20 dB/km的光纤，成为世界上公认的第一根通信用光导纤维。
……………. 性能优异的各种光纤涌现。
广泛应用：如电话通信，数据传输，闭路电视，工业控制与监测，军事等。
1988年，第一条跨越大西洋海底，连接美国东海岸同欧洲大陆的光缆开通；……..
光纤工业已经进入显著的繁荣期。
在过去的20年里，一根光纤所能承载的最大数据率差不多平均每年翻一番，比电子行业的摩尔定律（每18个月翻一番）还要快。
1.4 光纤与通信网络（续）
（1）全球海底网络（2）陆地网络（3）卫星系统与光纤网络（4）光纤到户（5）局域网
1.5 光纤与传感技术
人类进入信息时代，信息的获取技术是
信息技术的关键，传感技术是获取信息的主
要技术途径，获取信息是利用信息的先决条件。
传感器是一种能按一定规律将各种被检
测的物理量转换成便于处理的量（如电、磁等）的器件。
世界各国对传感器技术的研究和开发都极为重视：
日本将传感器列为20世纪80年代大力发展的5项重要技术之首，又将传感器研发确定为20世纪90年代的发展的重点；
通信光纤的标准包层直径是125μm，塑料护套的直径约为250μm 。
传像光纤的直径小到几个微米，一些特殊用途光纤则可能有几毫米。
1.3.2 光纤材料
纤芯材料：多数光纤几乎是纯石英，加入少
量掺杂物的目的是改变纤芯或包层的折射率。
(1) 通信光纤材料：纯二氧化硅（SiO2）; (2) 医用传像光纤、照明光纤：低纯度玻璃； (3) 还有一些光纤：塑料制造，更灵活易用；
光纤的基本结构是导光的纤芯和外面低折射率的包层，不同类型光纤的纤芯和包层的几何尺寸差别很大。

[物理]第1章光纤传输的基本理论ppt课件

n2
n1
2a
–数值孔径: 定义光纤数值孔径NA为入射媒质
折射率与最大入射角的正弦值之积,即
N子 A n 0s in 0 n 1 2 n 2 2
–总光路长度S’: S '
L
co s
–总反射次数η’:' L tan
2a 光电工程学院
西安工业大学
1.2.2倾斜光线：均匀折射率分布
• 光线轨迹： (螺旋折线)
z
光电工程学院
〔2〕光线分类
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• 子午光线：
• 限制在子午平面内传播的光线；
• 与光轴相交；
• 入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内。
• 倾斜光线：
• 轨迹曲线不限制在一个平面内
• 不过光轴
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典型光线传播轨迹
反射型
折射型
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1.2.1子午光线：均匀折射率分布
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轴向运动特点
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• 相速: Vp＝ω/β＝c/ n 恒为常数 • 这阐明渐变折射率分布光纤(GIOF)中的光线
沿z轴传播的速度恒定不变, 与光线的轴向夹角θz无关,这是一个与均匀折射率分布光纤 (SIOF)完全不同的重要特点(SIOF中不同角度的光线轴向速度不同)
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–导光条件: n2 nn1
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1.3.1程函方程
E(r)E 0(r)ex p ik 0 [r]〔1.3.1〕 H (r)H 0(r)ex p ik 0 [r]
rn rds
Er E0rexpik0r expik0r E0r E0rexpik0r ik0r E0rexpik0r

带宽距离积

多模色散，是指发射端的脉冲同时激励起许多模式，由于不同模式的群速度不同导致各个脉冲到达接收端的时刻不同而引起的展宽现象。

若用光线理论(适用于多模光纤)来说明，可以把多模色散视为各个光线轨迹沿光纤轴向的平均速度不同所造成的。

设光波在纤芯中的速度为v ，由图可知，子午光线沿光纤轴向的速度为v z =v cosθ。

当θ=00，子午光线传输最快；当θ=900-Φc 时，12n n cos =θ，子午光线传输最慢。

子午光线传输所用的最短时间和最长时间分别为 cLn νL νLt 1max min === 22112min max cn Ln n n νL νL t =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛== 于是，在传输距离L 内，子午光线传输所用的最短时间和最长时间的时延差为Δt n n -n c Ln t -t τmin 2211min max ≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅== 上式说明时延差τ与相对折射率差△成正比。

从模式分析的角度而言，当入射光的频率固定时，△越小，则光纤中可以传输的模式越少，因而时延差也就越小。

例如，对于n 1=1.6，△=1%的光纤而言，τ=50ns/km ，它对应于可传输的频带宽度(带宽)约为20MHz 。

光纤越长，时延差越大，可传输的带宽就越窄。

对于SI POF，其传输带宽通常为5MHz km作用，传输带宽不仅为其材料色散所限制，而且随着SI POF芯径的提高，其传输带宽还会降低，这是由于输入脉冲通过SI POF时将展宽；SI POF带宽低，这主要因为模式色散影响所致。

模式色散还直接与光纤芯径和NA相关，以空气为皮层PMMA为芯的POF在场为100m和芯径为1000μm的POF系统中，高次模光有较长的光程，以最大入射角入射的光线和沿光纤中心传播的光线之间的行程差为5.1m，这相当于25.5ns的时延，故这种POF带宽被限于10MHz以内。

而对于GI POF，由于其折射率从起轴中心至边缘呈二次方折射率分布(仅指抛物线型)，其值是逐渐降低的，而光在光纤中的传输速率同其媒质折射率成反比，故无论是低次模还是高次模，其传输速度几乎是相等的，传输后的波形并不发生展宽，从而保证了GI POF有较高的传输带宽，即使它的直径粗，其带宽亦很大。

张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章

3
光纤通信系统基本结构
光发送端机
电发送端机
光中继放大
光接收端机
电发送端机
4
光纤通信：21世纪的“信息高速公路”
以光信号作为载波，以光纤为传输媒介光纤带宽极宽、通信容量极大光纤重量轻、韧性好、易于敷设光纤损耗极低, 使无中继通信距离更长保密性好、绝缘性好抗干扰、抗辐射、抗腐蚀成本低、节约金属线材
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光纤预制棒工艺：(OVD)
(Outside Vapour Deposition)
美国Corning 公司开发的。其后OVD 工艺又有不断改进. 目前已开发出第七代工艺, 使生产效率提高和降低了生产成本大幅度;
OVD 法又为“管外汽相氧化法”或“粉尘法”, 其原料在氢氧焰中水解生成SiO2 微粉,然后经喷灯喷出, 沉积在由石英、石墨或氧化铝材料制成的“母棒”外表面, 经过多次沉积,去掉母棒, 再将中空的预制棒在高温下脱水,烧结成透明的实心玻璃棒, 即为光纤预制棒。
2021/6/21
Vapo rs: SiCl 4 + GeCl 4 + O2 Fuel: H 2
Burner
Depo sit ed so ot
Dryin g gases
Po rous soo t prefo rm with ho le
Furnace
Prefo rm
Furnace
Target rod
“导光”的古老历史
中国古代烽火台 1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察
到光在水与空气分界面上作全反射以致光随水流而弯曲的现象 1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤并用于光线和图象的短距离传输

光纤光学第三版

光纤光学第三版第一章光纤的基本原理光纤是一种能够传输光信号的特殊材料，它由纤维状的高纯度玻璃或塑料制成。

光纤的核心是一个非常细长的玻璃纤维，外部则包裹着一层称为包层的材料。

光纤的传输原理基于全反射的现象，当光线从光纤的一端入射时，由于光线与接触面的入射角大于临界角，光线会完全被内部反射，从而沿着光纤的长度传输到另一端。

在光纤光学中，我们经常会遇到一些重要的概念，比如光纤的数值孔径、单模光纤和多模光纤等。

数值孔径是用来描述光纤对光线的接受能力的参数，数值孔径越大，光纤的接收能力越强。

单模光纤是指只能传输一种特定模式的光信号，而多模光纤则可以传输多种模式的光信号。

第二章光纤通信系统光纤通信系统是一种利用光纤传输信息的通信方式。

它由光源、调制器、光纤、接收器等组成。

光源是产生高强度的光信号的装置，调制器则用来调制光信号的强度、频率或相位。

光纤作为信息的传输通道，能够将光信号高效、快速地传输到目的地。

接收器则用来接收传输过来的光信号，并将其转换成电信号，供后续处理。

光纤通信系统具有许多优点，比如传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等。

它已经广泛应用于电话、互联网、有线电视和数据中心等领域。

光纤通信系统的发展也推动了信息技术的快速发展，使人们能够更加便捷地进行通信和信息交流。

第三章光纤传感技术光纤传感技术是利用光纤的特殊性质进行测量和监测的技术。

光纤传感器可以将环境中的物理量、化学量或生物量转化为光信号，通过光纤传输到检测仪器进行分析。

光纤传感技术在环境监测、工业生产和医学诊断等领域有着广泛的应用。

光纤传感技术具有高精度、实时性好、抗干扰能力强等优点。

它可以实现对温度、压力、湿度、浓度等多种物理量的测量，而且可以远距离传输信号，适用于复杂环境中的监测任务。

第四章光纤传输系统的性能优化光纤传输系统的性能优化是提高光信号传输质量和可靠性的关键。

在光纤传输过程中，会受到多种因素的影响，比如衰减、色散、非线性等。

为了降低这些影响，可以采取一些措施，比如使用低损耗的光纤材料、优化光纤的结构、增加光纤的数值孔径等。

光纤光学第三版

光纤光学第三版第一章：光纤光学的基本概念光纤光学是一门研究光在纤维中传播和控制的学科。

随着信息技术的发展，光纤光学在通信、传感、医疗等领域得到了广泛的应用。

本章将介绍光纤光学的基本概念，包括光的传播特性、光纤的结构和制备方法等。

1.1 光的传播特性光是一种电磁波，具有波粒二象性。

在光纤中，光的传播遵循光的折射定律和反射定律。

光在光纤中的传播速度取决于光的频率和光纤的折射率。

1.2 光纤的结构光纤是由芯、包层和包覆层组成的。

芯是光信号传输的核心部分，包层用于控制光的传播，包覆层用于保护光纤。

光纤的结构对光的传播特性有重要影响。

1.3 光纤的制备方法光纤的制备方法包括拉制法、外延法和化学气相沉积法等。

拉制法是目前最常用的方法，它通过加热和拉伸光纤预制材料来制备光纤。

第二章：光纤的传输特性光纤的传输特性是指光在光纤中传播过程中的损耗、色散和非线性效应等。

本章将介绍光纤的传输特性及其对光信号传输的影响。

2.1 光纤的损耗光纤的损耗是指光在光纤中传播过程中能量的损失。

主要包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。

降低光纤的损耗是提高光纤传输效率的关键。

2.2 光纤的色散光纤的色散是指光在光纤中传播过程中不同频率的光信号传播速度不同所引起的现象。

主要包括色散的类型、原因和补偿方法等。

2.3 光纤的非线性效应光纤的非线性效应是指光在光纤中传播过程中由于光的强度变化而引起的非线性光学现象。

主要包括自相位调制、受激拉曼散射和自发参量过程等。

第三章：光纤通信系统光纤通信系统是利用光纤传输光信号进行信息交换的系统。

本章将介绍光纤通信系统的基本原理和组成部分。

3.1 光纤通信系统的基本原理光纤通信系统的基本原理是将电信号转换为光信号，通过光纤传输光信号，再将光信号转换为电信号进行信息传输。

3.2 光纤通信系统的组成部分光纤通信系统由光源、光纤、光接收器和信号处理器等组成。

光源产生光信号，光纤传输光信号，光接收器接收光信号并转换为电信号，信号处理器对电信号进行处理。

张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章

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