光纤光纤光学及技术--光纤和光波导理论 ppt课件
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《光波导理论与技术》课件
光计算和光传感等领域。
塑料光波导
塑料光波导具有柔韧性好、制备工 艺简单等优点，在消费电子、汽车 和医疗等领域有广泛应用前景。
玻璃光波导
玻璃光波导具有高透过率、低损耗 等优点，在高端光学仪器和特种应 用领域有重要应用。
光波导技术发展趋势
低损耗、高性能
随着光通信和光计算技术的发展，对光波导的性能要求越来越高 ，低损耗、高性能成为光波导技术的重要发展方向。
光波导的传输模式
要点一
总结词
光波导的传输模式是指光波在光波导中传播时的场分布形 态，不同的模式具有不同的能量分布和传输特性。传输模 式的研究对于光波导器件的性能优化和设计具有重要意义 。
要点二
详细描述
在光波导中，由于光波的传播受到边界条件的限制，其场 分布形态呈现出不同的模式。这些模式决定了光波的能量 分布、传输方向和相位等特性。通过对传输模式的研究， 可以深入了解光波在光波导中的传播行为，为设计高性能 的光波导器件提供重要的理论依据。在实际应用中，根据 需要选择合适的传输模式是实现高效、稳定的光信号传输 的关键。
02
光波导器件
光波导调制器
01 调制器原理
光波导调制器利用电场对光波的相位或振幅进行 调制，实现光信号的开关、调制等功能。
02 调制速度
光波导调制器的调制速度非常快，可达到几十吉 赫兹甚至更高。
03 调制方式
光波导调制器可以采用电吸收、电光效应、热光 效应等多种方式进行调制。
光波导放大器
01 放大原理
THANKS
感谢观看
集成化、小型化
随着微纳加工技术的发展，光波导的集成化和小型化成为可能，这 将有助于提高光波导的集成度和降低成本。
多功能化
光波导的应用领域不断拓展，需要实现更多的功能，如波长选择、 模式控制等，多功能化成为光波导技术的重要发展趋势。
塑料光波导
塑料光波导具有柔韧性好、制备工 艺简单等优点，在消费电子、汽车 和医疗等领域有广泛应用前景。
玻璃光波导
玻璃光波导具有高透过率、低损耗 等优点，在高端光学仪器和特种应 用领域有重要应用。
光波导技术发展趋势
低损耗、高性能
随着光通信和光计算技术的发展，对光波导的性能要求越来越高 ，低损耗、高性能成为光波导技术的重要发展方向。
光波导的传输模式
要点一
总结词
光波导的传输模式是指光波在光波导中传播时的场分布形 态，不同的模式具有不同的能量分布和传输特性。传输模 式的研究对于光波导器件的性能优化和设计具有重要意义 。
要点二
详细描述
在光波导中，由于光波的传播受到边界条件的限制，其场 分布形态呈现出不同的模式。这些模式决定了光波的能量 分布、传输方向和相位等特性。通过对传输模式的研究， 可以深入了解光波在光波导中的传播行为，为设计高性能 的光波导器件提供重要的理论依据。在实际应用中，根据 需要选择合适的传输模式是实现高效、稳定的光信号传输 的关键。
02
光波导器件
光波导调制器
01 调制器原理
光波导调制器利用电场对光波的相位或振幅进行 调制，实现光信号的开关、调制等功能。
02 调制速度
光波导调制器的调制速度非常快，可达到几十吉 赫兹甚至更高。
03 调制方式
光波导调制器可以采用电吸收、电光效应、热光 效应等多种方式进行调制。
光波导放大器
01 放大原理
THANKS
感谢观看
集成化、小型化
随着微纳加工技术的发展，光波导的集成化和小型化成为可能，这 将有助于提高光波导的集成度和降低成本。
多功能化
光波导的应用领域不断拓展，需要实现更多的功能，如波长选择、 模式控制等，多功能化成为光波导技术的重要发展趋势。
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。
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
按材料分：
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;
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;
光纤技术基础单模光纤PPT课件
大，便于耦合,在传感系统中应用
性能
没有模式色散，传输带宽大
用于长距离大容量光纤通信系统
2023/11/6
2
2
n12 n2 2
2n12
单模光纤
芯径
光纤技术基础
V k0 a n n k0 an1 2
2
1
15
第十五页，课件共有81页
2 12
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
Ex H y 0
第十三页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
多模光纤和单模光纤
设计光纤结构，选择工作波长，控制光纤中导模数量
V k0a n12 n22 k0an1 2
多模光纤：
单模光纤：
2023/11/6
同时支持多个导模传输的光纤
只支持基模传输的光纤
14
第十四页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
Rmn r E0 mn exp
2 n 1
w
2w
2w
m
与m, n有关的常数
w
2
x
n 1
m n 1
e
d
x
m
x
Ln 1 x
m
n 1
n 1! x dx e
a
k0 n0 2
传输常数本征值
2023/11/6
K 0 W
纵向分量 /横向分量
2023/11/6
a k
U 2 a 2 k0 n1 2 , W 2 a 2 2 k0 n2
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性能
没有模式色散，传输带宽大
用于长距离大容量光纤通信系统
2023/11/6
2
2
n12 n2 2
2n12
单模光纤
芯径
光纤技术基础
V k0 a n n k0 an1 2
2
1
15
第十五页，课件共有81页
2 12
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
Ex H y 0
第十三页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
光纤技术基础
多模光纤和单模光纤
设计光纤结构，选择工作波长，控制光纤中导模数量
V k0a n12 n22 k0an1 2
多模光纤：
单模光纤：
2023/11/6
同时支持多个导模传输的光纤
只支持基模传输的光纤
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第十四页，课件共有81页
阶跃折射率单模光纤
Rmn r E0 mn exp
2 n 1
w
2w
2w
m
与m, n有关的常数
w
2
x
n 1
m n 1
e
d
x
m
x
Ln 1 x
m
n 1
n 1! x dx e
a
k0 n0 2
传输常数本征值
2023/11/6
K 0 W
纵向分量 /横向分量
2023/11/6
a k
U 2 a 2 k0 n1 2 , W 2 a 2 2 k0 n2
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光波导理论与技术讲义(总结)(课堂PPT)
偏振模色散
1
2
束缚光线：0
z
cos1
n2 n1
; n2
n1
传播路径及分类 均匀介质薄膜波导
折射光线ccooss11
n2 n1 n3 n1
z z
cos1
n3 n1
; n3
2
;0
n3
n2
传播时延及时延差
=t/z=
max
n1
c cosz
n1 c
3
4
5
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
束 缚 光 线 ： 0
n
2 2
2 3
2
k
2 0
n
2 3
k xd
tan 1 2 kx
tan 1 3 kx
m
1 tan 1 2 1 tan 1 3 n
TM模的特征方程
2
kx 2
kx 2
kxd
tan1 2n12
kxn22
tan1
3n12
kxn32
m
1 tan1 2
2n12
kxn22
1 tan1 2
3n12
dr
；与z、都有关
ric [g(r)]1/2
11
自聚焦光纤
12
两种理论：几何光学理论 模式理论
四种介质：均匀平板波导 渐变平板波导 阶跃光纤 梯度光纤
影响光信号传输的三大因素：损耗 色散 非线性
两类器件：光无源器件 光有源器件
偏振模色散
13
TE模的特征方程
k
2 x
2
k
2 0
n
2 1
2 2
2
k
2 0
对HE11模 是主模式
《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 ChenFoshan Univ.幻灯片2§1. 前言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。
幻灯片3光纤的分类幻灯片4实用光纤主要的三种基本类型(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；（c）单模光纤(a)(b)(c)多模光纤幻灯片5阶跃折射率光纤剖面测量图（华工光通信研究所）单模光纤多模光纤幻灯片6光纤结构●光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯(Core)和外围的包层(Cladding)同轴组成的圆柱形细丝。
●纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
●包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。
●设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。
幻灯片7主要用途：突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。
渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
单模光纤用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平1.55μm色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。
色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。
偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。
幻灯片8§2.光纤的研究方法 ——光线理论幻灯片9 光线理论 ● 光线分类● 子午光线 ● 倾斜光线 射线方程几何光学法分析问题的两个出发点 • 数值孔径 • 时间延迟 幻灯片10● 设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与z 轴一致。
● 光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0<n1)，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层(n1>n2)。
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
《光波导理论教学课件》3.3均匀光纤
光纤的损耗是指光在传播过程中，由于散射、吸收和弯曲等因素引起的光功率衰减。
光纤的损耗系数是衡量光在光纤中传播时功率衰减程度的物理量，其大小与波长、光纤材料和制造工艺等因素有关。
降低光纤的损耗是光纤通信技术发展的重要方向之一，也是提高光纤通信系统性能的关键。
光纤的损耗特性是评估光纤性能的重要参数之一，它直接影响光纤通信系统的传输距离和可靠性。
《光波导理论教学课件》3.3均匀光纤
目录
均匀光纤的基本概念 均匀光纤的光传播特性 均匀光纤的应用 均匀光纤的发展趋势与挑战
01
CHAPTER
均匀光纤的基本概念
均匀光纤是指纤芯和包层折射率分布均匀的光纤，是光纤中最基本的结构。
定义
具有低损耗、高带宽、低色散等优点，是实现高速、远距离通信的关键器件。
Hale Waihona Puke 光纤传感技术均匀光纤在光纤激光器中起到关键的作用，其结构稳定、光学性能优良，能够实现高效的光能量转换和传输。
光纤激光器在材料加工、医疗、科研等领域具有广泛的应用前景，为各行业的创新发展提供了新的动力和机遇。
光纤激光器是一种利用光纤作为增益介质制造的激光器，具有高效率、高亮度、窄线宽等优点。
光纤激光器
了解光纤的色散特性对于光纤通信系统的设计、优化和性能评估具有重要意义。
03
CHAPTER
均匀光纤的应用
1
2
3
光纤通信系统是利用光波在光纤中传输信息的一种通信方式，具有传输容量大、传输距离远、抗电磁干扰等优点。
均匀光纤作为光纤通信系统中的重要组成部分，用于传输信号，实现信息的快速、安全传输。
光纤通信系统广泛应用于电信、移动通信、互联网等领域，对现代信息社会的发展起着至关重要的作用。
光纤结构、波导原理和制造ppt课件
Step 3. 阶跃光纤中的波动方程*
r 0 场解为有限值 E z r < a A v u J e jr fv e j t z H z r < a B v u J e jr fv e j t z
其中u2 = [(2pn1)/l]2 – b2 纤芯区域的解为贝塞尔函数
r ∞ 场解衰减为0
光的反射定律
[两种不同媒介的界面] 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和 入射光线处于法线的两侧，且反射角等于入射角：qin = qr
光的折射定律 (Snell定律 )
折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和 入射光线位于法线的两侧，且满足：n1 sin 1 = n2 sin 2
- 1801年托马斯·杨双缝干涉实验 - 1817年菲涅尔解释并重新演示了光
的衍射 - 1865年麦克斯韦发表电磁场理论并
预言光是一种电磁波 - 1888年赫兹实验证实了麦克斯韦的
预言
光两种典型的传播方式
假设光在各向同性的均匀介质中传播
球面波前
平面波前
点光源
光线
定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前 性质：光的传播方向垂直于波前
2.3 光纤的结构和模式
纤芯
包层
涂覆层
纤芯
1) 位置：光纤的中心部位 2) 尺寸：直径d1 = 4 mm ~ 50 mm 3) 资料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)
， 作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号
纤芯
包层
1) 位置：位于纤芯的周围
2) 尺寸：直径d2 = 125 mm
3) 资料：其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而
光纤光学讲义三PPT课件
光放大器
放大光信号，提高传输距离和可靠性。
半导体光放大器（SOA）和掺铒光纤放大器（EDFA）
SOA通常用于信号处理和逻辑门，EDFA则广泛应用于长距离通信。
光纤通信系统的性能指标
带宽与色散
带宽决定了传输速率，色散则 影响信号质量。
损耗与增益
光纤的损耗和增益对系统性能 有重要影响。
噪声与信噪比
噪声会影响信号质量，信噪比 则是衡量信号质量的重要参数 。
塑料光纤
由塑料材料制成，具有成本低、柔软 易弯曲的特性，通常用于短距离照明 、显示等领域。
光纤的损耗与色散特性
损耗特性
光纤传输光信号时会因为吸收、散射等原因产生能量损耗。石英光纤的损耗较 低，而塑料光纤的损耗较高。
色散特性
光信号在光纤中传输时会产生时延，导致信号畸变。石英光纤的色散较小，适 用于长距离通信；而塑料光纤的色散较大，适用于短距离应用。
05
光纤光学的未来发展
光子晶体光纤与光子束纤维
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型的光纤，其纤芯由光子晶体构成。由于其具有高非线性、低损耗、易于制作 等优点，因此在光通信、光学传感、激光器等领域具有广泛的应用前景。
光子束纤维
光子束纤维是一种能够传输高功率光束的特种光纤。它具有高强度、高光束质量、高稳定性等优点， 因此在激光武器、激光雷达、高能物理等领域具有重要的应用价值。
光纤互联网
利用光纤传输技术，实现全球范围内的互联互通，提供高速 、稳定的网络服务。
光纤物联网
通过光纤网络连接各种物联网设备，实现智能化、远程控制 等功能。
光纤传感技术及其应用
光纤传感原理
利用光纤的传光特性，感知外界物理 量（如温度、压力、位移等）的变化。
放大光信号，提高传输距离和可靠性。
半导体光放大器（SOA）和掺铒光纤放大器（EDFA）
SOA通常用于信号处理和逻辑门，EDFA则广泛应用于长距离通信。
光纤通信系统的性能指标
带宽与色散
带宽决定了传输速率，色散则 影响信号质量。
损耗与增益
光纤的损耗和增益对系统性能 有重要影响。
噪声与信噪比
噪声会影响信号质量，信噪比 则是衡量信号质量的重要参数 。
塑料光纤
由塑料材料制成，具有成本低、柔软 易弯曲的特性，通常用于短距离照明 、显示等领域。
光纤的损耗与色散特性
损耗特性
光纤传输光信号时会因为吸收、散射等原因产生能量损耗。石英光纤的损耗较 低，而塑料光纤的损耗较高。
色散特性
光信号在光纤中传输时会产生时延，导致信号畸变。石英光纤的色散较小，适 用于长距离通信；而塑料光纤的色散较大，适用于短距离应用。
05
光纤光学的未来发展
光子晶体光纤与光子束纤维
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型的光纤，其纤芯由光子晶体构成。由于其具有高非线性、低损耗、易于制作 等优点，因此在光通信、光学传感、激光器等领域具有广泛的应用前景。
光子束纤维
光子束纤维是一种能够传输高功率光束的特种光纤。它具有高强度、高光束质量、高稳定性等优点， 因此在激光武器、激光雷达、高能物理等领域具有重要的应用价值。
光纤互联网
利用光纤传输技术，实现全球范围内的互联互通，提供高速 、稳定的网络服务。
光纤物联网
通过光纤网络连接各种物联网设备，实现智能化、远程控制 等功能。
光纤传感技术及其应用
光纤传感原理
利用光纤的传光特性，感知外界物理 量（如温度、压力、位移等）的变化。
《光波导理论》课件
02
光波导的传输特性
光的全反射与临界角
光的全反射
当光线从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大于临界角，光线将在光密介质 和光疏介质的界面上发生全反射，即光线全部反射回光密介质，不进入光疏介质 。
临界角
当光线从光密介质射向光疏介质时，光线发生全反射的入射角称为临界角。临界 角的大小取决于光密介质和光疏介质的折射率。
光波导集成技术的挑战
光波导集成技术的发展趋势
主要在于如何提高集成器件的性能、降低 成本并实现大规模集成。
随着新材料、新工艺和新结构的研究，光 波导集成技术有望在未来实现更高的性能 和更低的成本。
光波导量子技术
光波导量子技术概述
光波导量子技术利用光波导作为量子信 息的载体，实现量子信息的传输和处理
。
03
光波导器件
光波导调制器
定义
光波导调制器是一种利用电场或 磁场改变光波在波导中的传播特
性的器件。
工作原理
通过在波导上施加电压或电流，改 变波导的折射率，从而实现调制光 波的相位、幅度和偏振状态。
应用
用于高速光通信、光信号处理和光 传感等领域。
光波导放大器
01
02
03
定义
光波导放大器是一种利用 波导中的介质放大光信号 的器件。
随着光学信号处理和光学控制的需求增加，光波导非线性效应有望在 未来实现更高效的应用。
05
光波导理论的发展 前景
光波导在通信领域的应用前景
高速光通信
光波导理论的发展使得光波导器件在 高速光通信中具有更高的传输效率和 稳定性，为大数据、云计算等领域提 供了更可靠的技术支持。
光纤到户
随着光波导理论的不断完善，光纤到 户的覆盖范围和传输速度将得到进一 步提升，为家庭宽带接入提供更优质 的服务。
光波导理论教学-绪论ppt课件
绪论
• 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗 20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个 新阶段。
• 1973年，美国贝尔(Bell) 实验室的光纤损耗降低 到2.5dB/km 。
• 1974 年降低到1.1dB/km 。
• 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低 到0.47 dB/km(波长1.2m）
全球：光纤用量约2.36亿芯公里〔2019年） ， 累计用量已超过18亿芯公里
国内：光纤用量约1.16亿芯公里〔2019年） ， 累计用量光纤超过6亿芯公里
100Gb/s系统开始商用
2019年最大传输距离达10.7Tb/s 10608km、2019 年单纤最大系统容量达102.3Tb/s 240km。
绪论
光纤通信发展粗略分为三个阶段： 第一阶段〔1966~1976年）： 基础研究到商业应用的开发时期 第二阶段(1976~1986年): 高传输速率和增加传输距离为研究目标和大
力推广应用的大发展时期。 第三阶段(1986~2019年): 超大容量超长距离为目标、全面深入开展新
技术研究
绪论
光通信现状：
绪论
光波导的基本概念
• 导波光：受到约束的光波 • 光波导：约束光波传输的媒介 • 介质光波导三要素： • “芯 / 包〞构造 • 凸形折射率分布，n1>n2 • 低传输损耗
绪论
光波导的分类
• 薄膜波导〔平板波导） • 矩形波导〔条形波导） • 园柱波导〔光纤） • 对称与非对称波导
绪论
光波导的进一步分类
光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块
广告显示牌 激光手术刀 仪表照明 工艺装饰 电力输送 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜
光纤光学教学课件-第二讲
(limited by CD and PMD - see next slides)
n
1.465 1.460
2019/10/31 © HUST 2012
r
2019/10/31
光纤的设计与制作
2019/10/31 © HUST 2012
2019/10/31
1、光纤的设计
如何改善光纤的传输特性：减少OH- ，降低损耗； 改变芯经和结构参数，色散位移； 改变折射率分布，降低非线性。
2019/10/31 © HUST 2012
2019/10/31
forbidden range of angles
Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
forbidden range of angles
2019/10/31 © HUST 2012
2019/10/31 © HUST 2012
2019/10/31
波动光学方法：
是一种严格的分析方法，从光波的 本质特性电磁波出发， 通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁波的场分布。
优点：具有理论上的严谨性，未做任何前提近似，因此适用于 各种折射率分布的单模和多模光纤。 缺点：分析过程较为复杂。
光纤芯径远大于光波波长λ0时, 可以近似认为λ0→0，从而将 光波近似看成由一根一根光线所构成, 因此可采用几何光学方法来分 析光线的入射、传播(轨迹) 以及时延(色散) 和光强分布等特性，这 种分析方法即为光线理论。
优点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。 缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分 布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。
《光波导理论与技术》PPT课件
3.83171
5.13562
6.38016
2
5.52008
7.01559
8.41724
9.76102
3
8.65373 10.17347 11.61984 13.01520
4
11.79153 12.32369 14.79596 16.22347
5
14.930692 16.47063 17.95982 14.40942
1.3.1 光纤 主要考虑光纤4个主要的传输特性：损耗、 色散、非线性、双折射。
1.3.2 光源和光发送端机 LD、光源调制技术、光端机。
1.3.3 光检测器和光接收端机 1.3.4 光电集成和光集成技术
精选ppt 4
电磁场理论基础
§2.1 电磁场基本方程
H J D t
E B t
B 0 D
绪论
§1.1 单模光纤损耗谱示意图
精选ppt 1
§1.2 光纤网络的巨大传输带宽
通常认为带宽是载波频率的10%左右，以目 前光纤中传输的1.55µm光波为例,载波频率为:
f c1.535 110086200THz
带宽大约为20THz, 当然这只是说光纤有这么 大的带宽容量，实际上已经利用了多少带宽 是另一回事。例如1.6Tbit/s光纤链路大约可以 传输1930万路语音信道。
§5.2 阶跃光纤的严格解---矢量模解
可以用射线理论和本地平面波理论解释，TE模和TM模由光纤中传播的子午 光线形成，混合模HE模和EH模则由偏斜光线形成，进一步，由于水平偏振 的子午光线形成TE模，而垂直偏振的子午光线则形成TM模。这是因为子午 光线的路径是平面折线，它们在分界面上反射时，横向场分量不改变方向。 这种情形见下图。偏斜光线的路径时空间折线，纤芯包层分界面上的不同反 射点的法线方向不相同，所以不管光线的初始偏振状态如何，都有可能产生 z方向的电场和磁场，故偏斜光线只能形成光纤中的混合模。
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k2 2k或 k2
26
ppt课件
HiyHy(z)iy mAexp(jkz)
ITU-T建议（标准）
G651光纤：多模梯度光纤 G652光纤：单模光纤，标准光纤 G653光纤：色散位移单模光纤 G654光纤：截止波长位移单模光纤 G655光纤：非零色散位移单模光纤 G656光纤：宽带光传输用非零色散光纤 G657光纤：弯曲不敏感光纤、室内软光缆
10
ppt课件
光波导理论基础
类型
按材料、折射率分布、模式数量分类 按制作的材料分：
➢ 石英光纤（SiO2） ➢ 塑料光纤 石英光纤：纤芯和包层均为石英玻璃，只是 掺杂成分和掺杂浓度略有不同。 塑料光纤：纤芯和包层均为塑料材料。 现在的光纤通信系统中，以石英光纤为主
3
ppt课件
按纤芯中折射率分布分类
根据纤芯中折射率的分布不同，分为： ➢ 阶跃光纤 ➢ 梯度光纤
时、空坐标分离: 亥姆霍兹方程，是关于 E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式；
空间坐标纵、横分离：波导场方程，是关于 E(x,y)和H(x,y)的方程式；
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。
20
ppt课件
( E )j Bjm H jm(JjD )jm(JjE )
前两式是基本的。 第三式表示磁场没有散度源。 第四式表示电荷是电场的散度源。
13
▽为哈密顿算子
ix x iy y iz z,
ix
iy
iz
F x
y
z F yz F zy ix F zx F xz iy F xy F yx iz
F x
F y
F z
ppt课件
2 x22 y22 z22
EixEx(z)
ห้องสมุดไป่ตู้
d2Ex dz2
2mEx
0
25
ppt课件
通解 E x A e x p ( jk z ) B e x p (jk z )
k m
第一项表示沿＋z方向传播的均匀平面波。 第二项表示沿－z方向传播的均匀平面波。
假定B=0， ExAexp(jkz)
则其相位随z周期性变化，k称为相位常数。相位变 化一个最小周期对应的长度称为波长
ppt课件
光纤光学及技术
第一章 光纤和光波导理论
1
ppt课件
光纤的结构、类型
光导纤维（简称光纤）：工作在光波波段的一种
圆柱形状的介质波导，由纤芯、包层和涂覆层构
成。
涂覆层
纤芯
包层
为约束光线在纤芯中传播，需全反射，要求纤芯 的折射率大于包层的折射率。
涂覆层保护光纤，与光的传播特性无关
2
ppt课件
6
ppt课件
按波长分
短波长光纤：0.7~0.9mm 长波长光纤：1.1~1.6mm 超长波长光纤：2mm以上
7
ppt课件
通信用光纤：光纤通信系统
高速率DWDM系统、低速率局域网、有源光纤、高 非线性光纤、色散补偿光纤、大有效面积光纤、光 子晶体光纤、多包层光纤
非通信用光纤：光纤传感、信号处理、光纤测
DE0rE
BmHm0mrH
17
ppt课件
18
ppt课件
边界条件
n(D1-D2)=0 D1n=D2n
n(B1-B2)=0 B1n=B2n n(E1-E2)=0 E1t =E2t n(H1-H2)=0H1t =H2t
19
ppt课件
分离变量
电矢量与磁矢量分离: 可得到只与电场强度 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；
量、图像传输、能量传输等 传感光纤、传光光纤、传像光纤、特殊用途光纤
8
ppt课件
从通信的角度，研究信道时，最关注的是信道 引起的信号衰减和信号畸变。
➢ 信号衰减~能量~限制信号的传输 ➢ 信号畸变~检测精度~限制信号的传输 影响光纤传输特性的因素包括 ➢ 损耗 ➢ 色散 ➢ 非线性效应
9
ppt课件
14
ppt课件
A ( ix x iy y iz z ) A x ,y ,z ix A x iy A y iz A z
【例1.1】 给定电场强度 E ixE xiyE yixyiyx，求其 散度和旋度。
E(ix
x
iy
y
iz
z)(ix
yiyx)
y x0 x y
E(ix xiy yiz z)(ixyiyx)
iz
xxiz
y
yiy
z
yix
x0 z
15
ppt课件
若电磁场随时间作简谐变化，即时间因子 为 exp(jt)，则可得到复数形式的麦克斯韦方 程组
D
EjB
HJ+jD
B0
16
ppt课件
物质关系
麦克斯韦方程组中，D 和 E、 和H 之B间的关系与 电磁场存在空间的介质有关。在均匀、各向同 性介质中，它们的关系为：
对于无源区域 J 0
E2mE
E ( E ) 2E
21
ppt课件
( E ) 2E2mE
对于无源区域， 则0 E0
2E2mE0
2H2mH0
矢量亥姆霍兹方程
22
ppt课件
直角坐标系中
EixExiyEyizEz
m ( i x 2 E x i y 2 E y i z 2 E z ) 2( i x E x i y E y i z E z ) 0
2Ex2mE x0 2Ey2mEy 0 2Ez2mEz 0
23
ppt课件
2Hx2mHx0
2Hy2mHy0 2Hz2mHz 0
标量亥姆霍兹方程
24
ppt课件
【例1.3】在各向同性均匀介质中，某电场在 直角坐标系中只有x分量，且只是z的函数，
即 Eix，Ex求(z电) 磁场 和 。 E H
2Ex2mE x0
阶跃光纤：Step Index（SI） 纤芯的折射率是均匀的，为常数，又称均匀光 纤。
梯度光纤：Graded Index（GI） 纤芯的折射率是不均匀的，渐变的，又称非均 匀光纤。
4
ppt课件
光纤的结构及折射率分布
均匀 光纤
梯度 光纤
5
ppt课件
按模式数量分
单模光纤 多模光纤
模式： 电磁场分布形式
光波导理论起源于微波波导理论(20世纪 50年代）
光波导理论也是一门独立的理论（与微 波波导理论有截然不同的特点）
11
ppt课件
1.2麦克斯韦方程
E = - B t
H = J + D t
B0 D
12
ppt课件
第一式表示变化的磁场是电场的旋度源，其感 应的电场的电力线是闭合的。
第二式表示传导电流和位移电流均为磁场的旋 度源，磁力线是闭合的。
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ppt课件
HiyHy(z)iy mAexp(jkz)
ITU-T建议（标准）
G651光纤：多模梯度光纤 G652光纤：单模光纤，标准光纤 G653光纤：色散位移单模光纤 G654光纤：截止波长位移单模光纤 G655光纤：非零色散位移单模光纤 G656光纤：宽带光传输用非零色散光纤 G657光纤：弯曲不敏感光纤、室内软光缆
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光波导理论基础
类型
按材料、折射率分布、模式数量分类 按制作的材料分：
➢ 石英光纤（SiO2） ➢ 塑料光纤 石英光纤：纤芯和包层均为石英玻璃，只是 掺杂成分和掺杂浓度略有不同。 塑料光纤：纤芯和包层均为塑料材料。 现在的光纤通信系统中，以石英光纤为主
3
ppt课件
按纤芯中折射率分布分类
根据纤芯中折射率的分布不同，分为： ➢ 阶跃光纤 ➢ 梯度光纤
时、空坐标分离: 亥姆霍兹方程，是关于 E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式；
空间坐标纵、横分离：波导场方程，是关于 E(x,y)和H(x,y)的方程式；
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。
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( E )j Bjm H jm(JjD )jm(JjE )
前两式是基本的。 第三式表示磁场没有散度源。 第四式表示电荷是电场的散度源。
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▽为哈密顿算子
ix x iy y iz z,
ix
iy
iz
F x
y
z F yz F zy ix F zx F xz iy F xy F yx iz
F x
F y
F z
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2 x22 y22 z22
EixEx(z)
ห้องสมุดไป่ตู้
d2Ex dz2
2mEx
0
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通解 E x A e x p ( jk z ) B e x p (jk z )
k m
第一项表示沿＋z方向传播的均匀平面波。 第二项表示沿－z方向传播的均匀平面波。
假定B=0， ExAexp(jkz)
则其相位随z周期性变化，k称为相位常数。相位变 化一个最小周期对应的长度称为波长
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光纤光学及技术
第一章 光纤和光波导理论
1
ppt课件
光纤的结构、类型
光导纤维（简称光纤）：工作在光波波段的一种
圆柱形状的介质波导，由纤芯、包层和涂覆层构
成。
涂覆层
纤芯
包层
为约束光线在纤芯中传播，需全反射，要求纤芯 的折射率大于包层的折射率。
涂覆层保护光纤，与光的传播特性无关
2
ppt课件
6
ppt课件
按波长分
短波长光纤：0.7~0.9mm 长波长光纤：1.1~1.6mm 超长波长光纤：2mm以上
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ppt课件
通信用光纤：光纤通信系统
高速率DWDM系统、低速率局域网、有源光纤、高 非线性光纤、色散补偿光纤、大有效面积光纤、光 子晶体光纤、多包层光纤
非通信用光纤：光纤传感、信号处理、光纤测
DE0rE
BmHm0mrH
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边界条件
n(D1-D2)=0 D1n=D2n
n(B1-B2)=0 B1n=B2n n(E1-E2)=0 E1t =E2t n(H1-H2)=0H1t =H2t
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分离变量
电矢量与磁矢量分离: 可得到只与电场强度 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；
量、图像传输、能量传输等 传感光纤、传光光纤、传像光纤、特殊用途光纤
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从通信的角度，研究信道时，最关注的是信道 引起的信号衰减和信号畸变。
➢ 信号衰减~能量~限制信号的传输 ➢ 信号畸变~检测精度~限制信号的传输 影响光纤传输特性的因素包括 ➢ 损耗 ➢ 色散 ➢ 非线性效应
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A ( ix x iy y iz z ) A x ,y ,z ix A x iy A y iz A z
【例1.1】 给定电场强度 E ixE xiyE yixyiyx，求其 散度和旋度。
E(ix
x
iy
y
iz
z)(ix
yiyx)
y x0 x y
E(ix xiy yiz z)(ixyiyx)
iz
xxiz
y
yiy
z
yix
x0 z
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若电磁场随时间作简谐变化，即时间因子 为 exp(jt)，则可得到复数形式的麦克斯韦方 程组
D
EjB
HJ+jD
B0
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物质关系
麦克斯韦方程组中，D 和 E、 和H 之B间的关系与 电磁场存在空间的介质有关。在均匀、各向同 性介质中，它们的关系为：
对于无源区域 J 0
E2mE
E ( E ) 2E
21
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( E ) 2E2mE
对于无源区域， 则0 E0
2E2mE0
2H2mH0
矢量亥姆霍兹方程
22
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直角坐标系中
EixExiyEyizEz
m ( i x 2 E x i y 2 E y i z 2 E z ) 2( i x E x i y E y i z E z ) 0
2Ex2mE x0 2Ey2mEy 0 2Ez2mEz 0
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2Hx2mHx0
2Hy2mHy0 2Hz2mHz 0
标量亥姆霍兹方程
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【例1.3】在各向同性均匀介质中，某电场在 直角坐标系中只有x分量，且只是z的函数，
即 Eix，Ex求(z电) 磁场 和 。 E H
2Ex2mE x0
阶跃光纤：Step Index（SI） 纤芯的折射率是均匀的，为常数，又称均匀光 纤。
梯度光纤：Graded Index（GI） 纤芯的折射率是不均匀的，渐变的，又称非均 匀光纤。
4
ppt课件
光纤的结构及折射率分布
均匀 光纤
梯度 光纤
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ppt课件
按模式数量分
单模光纤 多模光纤
模式： 电磁场分布形式
光波导理论起源于微波波导理论(20世纪 50年代）
光波导理论也是一门独立的理论（与微 波波导理论有截然不同的特点）
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ppt课件
1.2麦克斯韦方程
E = - B t
H = J + D t
B0 D
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ppt课件
第一式表示变化的磁场是电场的旋度源，其感 应的电场的电力线是闭合的。
第二式表示传导电流和位移电流均为磁场的旋 度源，磁力线是闭合的。