第三章光纤材料及光纤器件
光纤光学第三章
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光通信速率的不断提升
速率(Mb/s) 2 8 34 155 622 1.25 Gb/s 2.5 Gb/s 10 Gb/s 40 Gb/s 160 Gb/s 容纳电话(路） 30 120 480 1920 7680 15436 30720 122880 491520 1966080
远离截止条件为：
43
刘德明：光纤光学 华中科技大学·光电子工程
EHιm模式(ι>0, q= 1): 导模截止
本征值方程: 上式可以简化为: Jl+1 /(UJl)=Kl+1/WKl
W
m个
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刘德明：光纤光学 华中科技大学·光电子工程
EHιm模式(ι>0, q= 1): 导模远离截止
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刘德明：光纤光学 华中科技大学·光电子工程
K1=n1k0 K2=n2k0
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刘德明：光纤光学 华中科技大学·光电子工程
模式分类的 q 参数
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刘德明：光纤光学 华中科技大学·光电子工程
§3.4.2模式本征值
n n
n
模式的本征值β可由U或W求得 在一般情况下由本征值方程求本征值很复杂, 只能利用计算机进行数值计算。 两种情形可很容易地确定本征值:
11
刘德明：光纤光学 华中科技大学·光电子工程
波分复用技术的发展
1310nm/1550nm窗口的波分复用
仍用于接入网，但很少用于长距离传输
1550nm窗口的密集波分复用(DWDM)
可广泛用于长距离传输，用于建设全光网络
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刘德明：光纤光学 华中科技大学·光电子工程
可利用的波长资源
n n n n n n
光纤(带答案)
第一章：光纤通讯1、什么是光纤通讯光纤通讯及系统的构成光纤通讯使用光导纤维作为传输光波信号的通讯方式。
光纤通讯系统往常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等构成。
2、什么事光通讯光通讯就是以光波为载波的通讯。
3、光纤通讯的长处①传输频带宽，通讯容量大。
② 传输衰减小，传输距离长。
③ 抗电磁扰乱，传输质量好。
④ 体积小、重量轻、便于施工。
⑤ 原资料丰富，节俭有色金属，有益于环保4、光纤通讯的工作波长光源：近红外区波长：—μm频次：167—375THz5 、 WDM是指什么DWDM指什么WDM：波分复用DWDM：密集波分复用6、光纤从资料上能够分为哪几种从资料上分为石英光纤、多组份玻璃光纤、氟化物光纤、塑料光纤等7、光纤活动连结器从连结方式来看分为哪几种常有的插针端面有哪几种PC、 APC、 SPC（球面、斜面、超级抛光端面呈球面的物理接触）8、按缆芯构造分，光缆分为哪几种层绞式、单位式、骨架式、带状式9、光芒的制造分哪几个步骤I资料准备与提纯II制棒III拉丝、涂覆IV塑套此中制棒分为：（ 1） MCVD改良的化学气相积淀法（2）PCVD等离子化学气相积淀法10 、按资料光纤分几种同611、无源器件的种类连结器、分路器与耦合器、衰减器、隔绝器、滤波器、波分复用器、光开关和调制器等第二章：光纤通讯的物理学基础1、经过哪些现象能够证明光拥有颠簸性光的颠簸性能够从光的干涉、光的衍射和光的偏振等现象证明2、什么叫光电效应光电效应拥有哪些试验规律因为光的照耀使电子从金属中溢出的现象称为光电效应⑴每种金属都有一个确立的截止频次γ0，当入射光的频次低于γ 0时，无论入射光多强，照耀时间多长，都不可以从金属中开释出电子。
⑵关于频次高于γ 0的入射光，从金属中开释出的电子的最大动能与入射光的强度没关，只与光的频次相关。
频次越高开释出的电子的动能就越大。
⑶关于频次高于γ 0的入射光，即便入射光特别轻微，照耀后也能立刻开释出电子。
光纤技术及应用第三章
Optical Fiber Technology and Its Application
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第3章
光
纤
Optic fiber
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引言
1、光纤（optic fiber）----是指能够传导光波的圆柱形介质波 导。它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引 导光波沿着光纤轴线方向传播。
本章介绍光纤的结构与分类、光波在光纤中的传输原理。 第四章讲光纤的传输特性（损耗、色散、偏振、非线性效应）
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3、光纤的结构、分类 纤芯（芯层）core：其折射率较高 , （用来导光）.
包层coating：其折射率较低，提供在纤芯内发生光全反射的条 件.
保护层jacket——保护光纤不受外界微变应力的作用、防水等作 用。 光纤横截面半径为几十至几百微米，长度从几十厘米到 上千千米。
所以梯度光纤中导模光线的 最大延迟时间为：
ma xmin2nc12
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梯度光纤中导模光线的最大延迟 时间
ma xmin2nc12
与阶跃光纤的最大延迟时间相比较:
max12n c1n1n 2n2n c1
平方律光纤的色散小很多。 （3）梯度光纤的数值孔径 采用近似方法导出：
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将光纤芯层分成许多薄层：每一层内，折射率可近似看成常 数，而且折射率沿径向向外逐层递减
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3.2 光纤的波动光学理论
光纤属于介质圆波导，分析导光原理很复杂， 可用两种理论进行：
w用波动理论讨论导光原理(复杂、精确) w采用射线理论分析导光原理(简单、近似)
光纤通信复习（各章复习要点）
光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。
A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。
A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。
A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。
高中化学光纤材料教案
高中化学光纤材料教案科目：化学年级：高中主题：光纤材料教学目标：1. 了解光纤的基本原理和结构2. 掌握光纤材料的常见类型和特性3. 理解光纤在通讯领域中的应用教学重点：1. 光纤的基本原理和结构2. 光纤材料的种类和特性3. 光纤在通讯领域中的应用教学难点：1. 对光纤结构的理解2. 对光纤材料的特性的掌握3. 对光纤在通讯领域中的应用的理解教学内容及安排：1. 引入（10分钟）介绍光纤的应用背景，从生活中的例子引入，引发学生的兴趣和好奇心。
2. 理论讲解（20分钟）a. 光纤的定义和基本原理b. 光纤的结构和材料c. 光纤的特性和优点3. 实验操作（30分钟）进行光纤的实验操作，让学生亲自动手体验光纤的传输特性和优势。
4. 拓展应用（15分钟）讲解光纤在通讯领域中的应用，让学生了解光纤在现实生活中的重要性。
5. 总结（5分钟）对本节课的内容进行总结，强调光纤材料的重要性和应用价值。
教学资源：- 实验仪器- PPT课件- 相关教学资料教学方法：- 案例分析- 实验操作- 小组讨论评价方式：- 实验报告- 知识问答- 应用实践教学反馈：- 收集学生的反馈意见和建议- 给予学生实时的指导和纠正拓展延伸：- 鼓励学生积极参与相关活动和竞赛- 鼓励学生利用光纤材料进行创新性项目研究通过本节课的教学，希望学生能够对光纤材料有更深入的了解，并能够将所学知识应用到实际生活和学习中。
希望学生能够在学习过程中培养创新精神和实践能力，注重动手操作和实际应用。
光纤通信技术-第三章-光源与光发射系统-电子教案 (3)
10.什么是张弛振荡？简述张弛振荡产生的原因。
11.什么是码型效应？如何消除码型效应。
12.什么是自脉动现象？自脉动现象有哪些特点？
13.光源的间接调制方法有哪些？
14.光纤通信系统对光发射机的基本要求有哪些？
15.光发射机为什么要进行自动温度控制？
16.光纤通信系统对光源器件的基本要求有哪些？
17.简述激光器的结发热效应。
18.何谓激光器的偏置电流？应如何选择偏置电流？
120.构成激光器必须具备的条件有哪些？
21.在光纤通信系统中，光源为什么要加正向电压？
22.简述半导体激光器的特性。
23.简述F-P腔半导体激光器的结构。
24.光发射机主要有哪些部分组成？简述各部分的作用。
4、课后作业：6。
3.4新型半导体激光器
重点介绍分布式反馈激光器的结构特点，引出在此特点基础上的发光原理，并指明它所具有的独特优点；简要介绍耦合腔半导体激光器与量子阱激光器的结构与特点。
3.5光源的调制
重点介绍光源的直接数字调制以及可能产生的效应：电光延迟、张弛振荡、自脉动、码型效应等。简要介绍光源的三种间接调制方式，包括：声光调制、热光调制和磁光调制。
3.6光发射机
首先介绍通信系统对光发射机的基本要求；重点介绍光发射机的组成与功能，包括：输入电路、光源和控制电路。
1：计划学时：2学时
2：讲授要求：
注意区分新型激光器与F-P腔激光器在结构和性能上的不同，使学生能够对前后学习的知识有一个连贯性的认识；详细介绍光发射机的三个组成部分，使学生清楚各部分的主要功能。
课程
光纤通信技术
章节
第三章
学期
2013/2014学年第一学期
第三章光纤材料与光纤器件
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矩形波导
脊型波导
沟道波导
平面掩埋沟道波导
在横截面的两个方向限制光波传播
12
光纤
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光纤尺寸
★芯径 单模光纤： <10um; 多模光纤： 50um/62.5um
★包层直径 普通光纤： 125um
★涂覆层直径
125um
普通光纤
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2-2、光纤导光
空气
包层 纤芯
sini n12 n22 sin 2 r
r 90o 发生全反射，光线可在光纤中传播
19
i i0 arcsin n12 n22
光线的传播
1. Meridional Ray子午光线的传播（总与光纤轴相交）
Cladding Cladding
光线的传播
光纤的优点
• 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： ①传输频带极宽，通信容量很大；
②由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；
③串扰小，信号传输质量高；
④光纤抗电磁干扰，保密性好；
⑤光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；
⑥耐化学腐蚀；
⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大 量有色金属。
➢在短短几十年时间里，光纤的损耗已由 1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信 在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。
6
光纤通信的发展历程
• 20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走 向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价， 传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。
➢ 1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出 石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；
第三章_光学(讲)
表示光强与光波电场振幅的关系。
3.1.2 光子的能量和动量
爱因斯坦光量子公式： 电磁场（光场）的能量是不连续的，可分成最 小的单元，这个最小的能量单元称为“光子”。 能量（解释光电效应）： h 动量：
P h
（反映光的波粒二象性能） 光既可以看做光波又可以看做光子流。光子是电磁场 能量和动量量子化的粒子，而光波是光子的概率波。
反射率与入射角的关系
当n1=n2 时，m = 0，无反射。
n1
与n2 差别大，反射损失严重。
设：n1=1.5，光由空气进入介质，通过一个界面的反
射损失m=0.04，透过系数1-m=0.96，从另一面进入
空气，透过部分：(1-m)2=0.922。透过x层玻璃后，
透过部分：(1-m) 2 x 为减少界面造成损失，用与玻璃折射率相近的胶 粘合。来自率ne。 不遵守折射定律
当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在；与光 轴方向垂直入射时， ne最大，此值视为材料特性。沿
晶体密堆积程度较大的方向ne较大。
(3) 材料所受的内应力 透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于 受拉主应力方向的n小。
(4) 同质异构体
同质异构材料中，高温时的晶型折射率低，低温时
光的波动性 光的波粒二象性 光子的能量和动量* 折射率*、反射率和透射率
光的反射和折射
光的全反射 本章内容
材料对光的吸收*和色散
光散射 介质的光散射与光发射 光发射 材料的光学性能 弹性散射*
3.1 光的波粒二象性
人们对光的认识始于19世纪。
• 1860年，麦克斯韦创立的电磁波理论，解释了光的直线传播、
图3-10 金属、半导体及电介质材料吸收率随波长的变化
光纤通信课后习题解答第3章习题参考答案
第三章 光纤的传输特性1．简述石英系光纤损耗产生的原因，光纤损耗的理论极限值是由什么决定的？答：（1）（2）光纤损耗的理论极限值是由紫外吸收损耗、红外吸收损耗和瑞利散射决定的。
2．当光在一段长为10km 光纤中传输时，输出端的光功率减小至输入端光功率的一半。
求：光纤的损耗系数α。
解：设输入端光功率为P 1，输出端的光功率为P 2。
则P 1＝2P 2光纤的损耗系数()km dB P P km P P L /3.02lg 1010lg 102221==＝α 3．光纤色散产生的原因有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？答：（1）按照色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式（模间）色散、材料色散、波导色散和极化色散。
（2）在数字光纤通信系统中，色散会引起光脉冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的传输带宽。
因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。
4．为什么单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大得多？答：光纤的带宽特性是在频域中的表现形式，而色散特性是在时域中的表现形式，即色散越大，带宽越窄。
由于光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散四种，并且模式色散>>材料色散＞波导色散＞极化色散。
由于极化色散很小，一般忽略不计。
在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。
因此，多模光纤的色散比单模光纤的色散大得多，也就是单模光纤的带宽比多模光纤宽得多。
光纤损耗 吸收损耗 本征吸收 杂质吸收 紫外吸收 红外吸收 氢氧根（OH －）吸收 过渡金属离子吸收瑞利散射损耗 结构不完善引起的散射损耗 散射损耗 弯曲损耗 光纤弯曲损耗 光纤微弯损耗5．均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n 1=1.50，n 2=1.45，光纤的长度L=10km 。
试求：（1）子午光线的最大时延差；（2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光线的最大时延差。
《光纤通信》第3章课后习题答案
1．计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做同样的计算。
解：波长为1m λμ=的光子能量为834206310// 6.6310 1.991010c m s E hf hc J s J mλ---⨯===⨯⋅⨯=⨯ 对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为346286.6310110 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯346266.631010010 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为20.14/I W cm =。
如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。
解：光子数为3484441660.14 6.6310310101010 3.98100.710c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯=⨯=⨯=⨯=⨯⨯ 3．如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。
解：粒子数为3482161 6.6310310 3.98100.510c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯====⨯⨯ 4．光与物质间的相互作用过程有哪些？答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。
5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。
处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。
6．什么是激光器的阈值条件？答：阈值增益为1211ln 2th G L r r α=+其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。
当激光器的增益th G G ≥时，才能有激光放出。
（详细推导请看补充题1、2）7．由表达式/E hc λ=说明为什么LED 的FWHM 功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？证明：由/E hc λ=得到2hc E λλ∆=-∆，于是得到2E hc λλ∆=-∆，可见当E ∆一定时，λ∆与2λ成正比。
光纤制导技术及器件的发展研究
光纤制导技术及器件的发展研究摘要：光纤制导技术作为一种重要的信息传输和传感方法，已经在多个领域取得了显著的进展。
本文综述了光纤制导技术及器件的发展历程，探讨了其在通信、医疗、工业和科学领域的广泛应用。
此外，本文还展望了未来的发展趋势，包括新型光纤材料、高性能光纤器件和应用拓展。
关键词：光纤制导技术；器件；发展；引言：光纤制导技术是一种利用光纤作为导向媒介传输光信号的技术。
自20世纪60年代首次提出以来，光纤制导技术已经在通信、医疗、工业和科学等领域取得了重大突破。
本文旨在综述光纤制导技术及器件的发展历程，并探讨其在不同领域的应用，同时对未来的发展趋势进行展望。
一、光纤制导技术的发展1.1 光纤材料的演进最早的光纤是由玻璃制成的，但随着技术的不断发展，光纤材料的多样性不断扩展。
新型光纤材料的出现对光纤制导技术产生了深远的影响，包括：1）光子晶体光纤：光子晶体光纤以其周期性排列的微结构而闻名，允许对光信号进行更精细的控制。
这种光纤在分散、非线性光学和传感应用中具有广泛的潜力。
它的周期性结构可以调制光的传播特性，包括波导光子晶体光纤和光子晶体纤芯光纤等。
2）微结构光纤：微结构光纤通常包括多个微细的空气孔或纤芯中的微结构，这些结构能够调整光信号的传播特性。
这种光纤的设计可以实现更高的非线性效应、更大的模式场和更大的灵敏度。
1.2 高性能光纤器件随着光纤技术的不断成熟，高性能的光纤器件不断涌现，为光纤制导技术的应用提供了更广阔的前景。
以下是一些光纤器件的关键发展：1）光纤放大器：光纤放大器如光纤拉曼放大器和掺铒光纤放大器已经在通信领域广泛应用。
它们可以增强光信号的强度，实现长距离光纤通信。
2）光纤激光器：光纤激光器产生高度聚焦的激光光束，被广泛应用于材料加工、医疗激光手术和科学研究。
它们具有稳定性和高效性的优势。
3）光纤光栅：光纤光栅用于分光和频谱分析，广泛应用于光谱测量、光通信系统和传感器中。
它们可用于信号滤波和波长选择。
光纤通信原理 第三章 光纤通信技术
图 双纤单向WDM传输
(2) 单纤双向传输。 双向WDM传输是指光通路在一根光 纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示，所用波长相 互分开， 以实现双向全双工的通信。
1 光发射机 1
光接机 1
…
…
n 光发射机 n 1′ 光接收机
复用/解复用器
…
n′ 光接收机
1…n
光纤 放大器
n＋1…2n
光接收机 n
在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号 传输的任务。
反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。
1 光发射机
1
…
复用器
n 光发射机 n
1′ 光接收机 n′ 光接收机
…
解复用器
光纤放大器 1…n
光纤放大器 1…n
解复用器
光接收机
1
…
光接收机 n
复用器
1 光发射机
1′
…
n 光发射机
n′
如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输， 我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)处设置以波长为单位 对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下 路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层 上面就会形成一个新的光层。
在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来， 形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息 传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放， 这就是目前引人注目的、 新一代的WDM全光网络。
复用/解复用器 n＋1
光发射机
1′
…
2n 光发射机
n′
图 单纤双向WDM传输
双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系 统因素：
光纤光学-第三章概要
波导场方程
第3页
《光纤光学》第Βιβλιοθήκη 章阶跃折射率分布光纤Ｏ
θz 纤壁入射角 n1 n2
n0 sin c n1Sin c
2 n12 n2
ψ
θz 线轴角 Ｏ’
端面入射角
n0
• 通常将 称之为孔径角，它表示光纤集光能力的大小。工 c 程上还用数值孔径来表示这种性质，记作 N.A. 定义为
《光纤光学》第三章 传输容量限制
阶跃折射率分布光纤
返回框图
n1 1 Ln12 T 1 L c sin c cn2 •色散导致的传输光脉冲展宽
1 n2 c T BL 2 B n1
1/B
色散对光纤所能 传输的最大比特 率B的影响可利 用相邻脉冲间不 产生重叠的原则 来确定，即
最大 时延差
子午光线
数值 孔径
入射媒质折射率 与最大入射角的 正弦值之积，只 与折射率有关， 与几何尺寸无关
相对折 射率差
(n n ) / 2n
2 1 2 2 2 1
2 NA ni sin im n12 n2 n1 2
第5页
《光纤光学》第三章 模间色散
阶跃折射率分布光纤
波导方程 边界条件
t2 k 2 2 e 0 t2 k 2 2 h 0
第13页
场的通解 边界条件
特征方程
传输常数
模场分布 场的解
《光纤光学》第三章
阶跃折射率分布光纤 §3.2 阶跃光纤场解
E i H H i E
1 T B
L
T
例如：
第8页
n1 1.5
2 103
光纤光学第三章PPT课件
子 cos
第14页/共95页
斜光线绕光纤轴线成螺旋形传播。 斜光线是三维空间光线，而子午光线只在二维平面内传播。
第15页/共95页
3.2.4 变折射率光纤的光线理论 见光纤光学（刘德明，向清，黄德修）P9面
程函方程/光线方程：
d ds
n(r)
dr ds
n(r)
若媒介是各向同性而又均匀，有
n dr const ds
当m不等0时当m1时得到混合模eh1n和he1n模的截止条件为jua0其第一个根对应u0也就是说它所对应的模在任何条件下都不会截止这个模为最低阶模称为基模he11在单模波导中导波模只有基模其余展开分量全部转变成耦合损失所以为减小耦合损失应尽量使入射光束的形状与波导基模的形状相同
参考文献： [1] 廖延彪.光纤光学，清华大学出版社，2000，3 [2] 刘德明，向清，黄德修.光纤光学，国防工业出版社，1999 [3] 马军山.光纤通信技术，人民邮电出版社，2004
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分析思路
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1、光纤介质的特性
响应的局部性 各向同性 线性 均匀 无损
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2、光纤中麦克斯韦方程组
玻璃光纤中传导电流J =0，电导率σ=0 ；无自由电荷ρ =0，所以光纤中麦克斯韦方程 组微分形式为：
E B t H D t •D 0 •B 0
s in 2
0
r0 r
2
1 2
自聚焦透镜的折射率服从平方率分布规律：
n2 (r) n2(0)(1 Ar2)
z
z0
n(r0 ) cosz (r0 )
n(0) A
sin1
n(0) Ar
n2 (0) n2 (r0 ) cos2 z (r0 )
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。
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数值孔径太大，光信号畸变也越严重。
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3-2、光纤的模式
电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电磁
场，还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由光 纤结构决定的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播的 模式。 麦克斯韦方程的一个解即对应一个模式，对应着电磁场在 光纤中的一种分布形式。 模式：物理上理解就是一种基本场分布,数学上就是一个基 本解。
损耗
单模 光纤 多模 光纤
只可传输 较小， 一种模式， 约 最低价模 2~12um 式 可传输多 种模式 较粗， 典型尺 寸为 50um
小
易
大
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3-3、光纤损耗
光纤损耗的来源：
（1）光纤材料的吸收与散射损耗；
（2）光纤的弯曲辐射损耗；
（3）光纤的连接；
（4）耦合损耗。
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（1）光纤材料的吸收与散射损耗；
光纤通信的发展历程
从1876年发明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制 导线。我国采用的8管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨 /公里，有色金属的消耗实在是太大。
1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出 石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；
此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢， 主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多 分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。
POF技术的发展
（一）、阶跃型塑料光纤
早期的塑料光纤都是大数值孔径阶跃型塑料光纤。由 于这种光纤色散较大，带宽只能达到5MHZ*km，不能 满足高速数据通信的要求，故一直以照明、汽车车灯 监控等非通信应用为主。随后通过一系列技术是它的 传输性能得到大幅度的改善。
（二）、渐变型塑料光纤（GIPOF）的发展过程及现状ຫໍສະໝຸດ 283-2、光纤的模式
低阶模能量集中在波导中心，而模式阶数越高横截 面直径越大且能量分布越分散。
单模光纤：只有最低阶模式HE11存在，它的光纤横向光斑图 多模光纤：可传输多种模式。
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3-2、光纤的模式
30
3-2、光纤的模式
可传播模 式 纤芯尺 寸 光耦合 难度 难
相对折射率差
小： ＝ (n1-n2)/n1 ＝ 0.0005~0.01 大： ＝ 0.01~0.02
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3-2、光纤的模式
按分布形式，模式可以分为以下几种类型：
（1）横电波 TEmn 纵轴方向只有磁场分量，没有电场分量；横截面上有电场分量的 电磁波。下标m表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径 向方向的变化周数。 （2）横磁波 TM mn 纵轴方向只有电分量，没有磁场分量；横截面上有磁场分量的电 磁波。下标m表示磁场沿圆周方向的变化周数，n表示磁场沿径向 方向的变化周数。 （3）混合波 HEmn 或 EHmn 纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。 无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。
Co.）率先将高锟博士的科学预言变为现实， 研制出在0.6328um波长下损耗为20dB/km的 石英光纤，取得了重要的技术突破。 在短短几十年时间里，光纤的损耗已由 1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信
在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。
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光纤通信的发展历程
• 20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向 实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价， 传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。 • 1993年后，全球范围信息高速公路的建设。 • 到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而已 经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电子 到光电子的跨越。
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被光纤接受传播。
3、 影响光纤性能的主要因素
• 数值孔径（NA）
• 光纤模式 • 光纤损耗
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3-1、数值孔径（NA）
数值孔径：NA（Numerical Aperture）为临界角的正弦
sin i0 n n NA
2 1 2 2
θi > arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；
光纤的种类
• 光纤的种类有很多种，分类方法也各不相同，常见的有五 种方法 • ①按材料分为：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、 液芯光纤、氟化物光纤、重金属氧化物光纤等。 • ②按传输模式分：单模光纤、多模光纤。 • ③按光纤折射率分布分：阶跃折射率光纤、渐变折射率光 纤、W型光纤。
• ④按照波长划分：目前所应用的光纤可以传输从紫外线到 近红外波长，即0.3-1.6微米
• ⑤按照用途划分：传输信息的光纤（光通信）和传输能量 的光纤（导光纤维）
2、光导纤维的结构和导光原理
• 光纤导光条件：全反射
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2-1、斯涅尔定理
当光由光密介质出射至光疏介质时
（a）折射角大于入射角：
（c）全反射 ：
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n1 sin i n2 sin r
（b）临界状态： r 90o , 临界角i0 arcsin(n2 / n1 )
一、光纤的基本概念
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1、介质光波导
空间传播光与导波光
空间传播光：在自由空间中(或均匀介质中)传播
的光 导波光：相对于空间传播的光，光被限制在与传播 方向垂直的截面内，在密闭区传播的光。
光波导：约束导波光的介质
平板波导
矩形波导 光导纤维(光纤)
10
平板波导
覆盖层 n3 薄膜 n1 衬底 n2
i i
0
2-2、光纤导光
空气 包层
纤芯
斯涅尔定律 n0 sin i n1 sin j
n1 sin k n2 sin r
n0 1.0
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j k 90
2 sin i n12 n 2 sin 2 r
2-2、光纤导光
空气 包层
纤芯
2 sin i n12 n 2 sin 2 r
介质平板波导结构： n1
n2 n3
在横截面的一个方向限制光波传播
11
矩形波导
脊型波导
沟道波导
12
平面掩埋沟道波导
在横截面的两个方向限制光波传播
光纤
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光纤尺寸
★芯径 单模光纤： <10um; 多模光纤： 50um/62.5um
★包层直径 普通光纤：
125um
125um 245um
★涂覆层直径 普通光纤 内层 － 170～200um 外层 － 245um
传输距离远，质量高，保密性好等优点。光纤的优良特性， 使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等 多方面领域被广泛而大量应用，尤其在信息技术领域具有广 阔的应用前景。
光纤的优点
• 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： ①传输频带极宽，通信容量很大； ②由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远； ③串扰小，信号传输质量高； ④光纤抗电磁干扰，保密性好； ⑤光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； ⑥耐化学腐蚀； ⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大 量有色金属。 • 除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设; 光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长。 由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信 的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工 业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。
• 光纤实际应用中不可避 免的要产生弯曲，这就
伴随着产生光的弯曲辐
射损耗。
<5°
35
（3）光纤的连接损耗
横向偏移
纵向偏移
角向偏移
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（4）耦合损耗
光源与光纤的耦合损耗 光纤与光器件的耦合损耗
37
二、光纤的材料及制造
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一、光纤材料
高纯度熔石英光纤
传输损耗低
(1)、石英光纤
(2)、塑料光纤
• 光纤的出现带动了集成光学的发展。
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光纤技术的发展前景
• 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一 直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦 想。所以我们应该努力向以下几个方面去发展： ①向超高速系统的发展。 ②向超大容量WDM系统的演进。 ③开发新代的光纤 ④全光网络。 • 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发 展的最高阶段,也是理想阶段。目前,全光网络的发展仍处 于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋 势上看,形成一个真正的、以 WDM技术与光交换技术为主 的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未 来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是 通信技术发展的最高级别,更是理想级别。
θi < arcsinNA，光线可以进入光纤被全反射传播。
• 结论1—物理意义： 数值孔径是反映纤芯接收光量的多少，标 志光纤接收性能。
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3-1、数值孔径（NA）
NA n n n1 2
2 1 2 2
结论2—影响因素：
n1 n2 相对折射率差： n1
光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率的 大小及包层相对折射率差； NA与光纤的直径无关。
• 本征吸收：光纤材料对光信号的吸收。 • 杂质吸收：杂质不是指光纤中的掺杂物，而是由 于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质，如过 渡金属离子和OH-离子。 • 原子缺陷吸收：由于材料受到热辐射或光辐射引 起的。 • 散射损耗：在光纤材料中，由于某种远小于波长 的不均匀性引起的光散射构成光纤的散射损耗。
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（1）光纤材料的吸收与散射损耗；
2.5 损 耗 (dB/km) 第一传输窗口 OH离子吸收峰 在1.55m处 最小损耗约 为0.2dB/km 第三传输窗口 瑞利散射 红外吸收