光纤光学5.3
《光纤光学教学课件》第十四讲
光纤传输特性
探索光纤传输的特性，例如传输损耗、色散和带宽。了解如何优化光纤传输 系统以实现高效率和稳定性。
单模光纤和多模光纤
分析单模光纤和多模光纤之间的区别和应用场景。了解如何选择适合特定需求的光纤类型。
光纤的损耗和色散
研究光纤传输中的损耗机制，包括吸收损耗和散射损耗。探讨色散现象及其 对信号传输的影响。
光纤通信系统
了解光纤通信系统的基本组成部分，包括光纤传输、调制和解调、光放大和接收等关键技术。
光纤传感技术
介绍光纤传感技术在各个领域的应用，包括环境监测、医疗诊断和工业控制等。探讨其优势和未来发展趋势。
《光纤光学教学课件》第 十四讲
欢迎来到第十四讲！今天我们将探讨光纤光学的精彩ห้องสมุดไป่ตู้界。通过深入了解光 纤的结构和工作原理，我们将揭开它在通信和传感技术中的重要性。
光纤光学概述
了解光纤的起源和发展历程，掌握光纤在信息传输中的基本原理，并了解光 纤的主要应用领域。
光纤结构和工作原理
深入研究光纤的结构组成，包括纤芯、包层和包层材料，以及光纤中的光传输和衰减机制。
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。
第5章-光纤光学ppt课件光纤的特征参数与测试技术
如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制 速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展 宽值为 : D = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。
课堂测验(7)
1. 哪些因素限制光通信传输距离？ 2. 一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率
为2.5 mW时，输入光功率为多少？ 3. 为什么光纤在1.55μm的波长损耗比1.3μm波长小? 4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？ 5. 三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散
光纤的损耗
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
光纤的损耗谱
不断拓展的光纤窗口波长
2004年
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
大？为什么？ 6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？
习题：5.4~5.11
《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。
《光纤光学教学课件》第十二讲
光纤制造工艺
1
材料选取
选择合适的光纤材料，如石英玻璃，以获得优异的光学特性。
2
预制棒制备
通过拉伸和涂层等工艺制备光纤的预制棒。
3
光纤拉制
将预制棒拉制成细长的光纤，并进行光学性能测试。
光纤连接技术
连接器类型
了解光纤连接器的种类和使用场 景，如SC、LC和ST等。
光纤熔接
学习光纤熔接技术，实现低损耗 和高可靠性的光纤连接。
光纤测试
掌握光纤测试的方法和仪器，确 保光纤连接质量和性能。
光纤应用领域
通信应用，推动信 息社会的发展。
医疗成像
探索光纤在内窥镜和激光手 术等医疗设备中的应用，提 高诊疗效果。
传感与测量
学习光纤传感技术，实现温 度、压力和应变等物理量的 测量。
总结与展望
《光纤光学教学课件》第 十二讲
欢迎来到光纤光学的精彩世界！本课程将带你深入了解光纤的基础知识、传 输原理、制造工艺、连接技术以及应用领域。
引言
光纤光学是一门研究光的传输与控制的学科。通过光纤的高速传输，我们可 以实现远距离通信、高速互联网和医疗成像等众多应用。
光纤基础知识
折射与全反射
了解光的折射和光纤中的全 反射原理是理解光纤光学的 基础。
通过本课程的学习，你已经掌握了光纤光学的基础知识和应用技术。希望你 能将所学知识应用到实际工作中，推动光纤光学的发展和创新。
光的传播特性
学习光纤中的传输损耗、色 散等特性，并掌握如何优化 传输效果。
光纤结构与类型
探索不同类型的光纤结构和 其特点，了解光纤在通信中 的应用。
光纤传输原理
多模光纤
单模光纤
了解多模光纤的工作原理和适用 场景，如数据通信和计算机网络。
光纤光学课后习题答案
6.7 Solution:
a. Because the demands for the speed and quality of communications is insatiable, and any type fiber, including DSF, will never be an end for eliminating dispersion, so we need to cope with dispersion by better means. b. There are methods such as dispersion compensation and soliton.technology.
2
w.
(b) NA= 0.275 ,
Loss ang = −10 lg[1 − 8n sin θ /(3πNA)] = 0.s end = −10 lg[1 − Z ⋅ NA /( 2an)] = 0.019dB
λ = 1310 nm ,n=1.467
Loss ang = −10 lg{exp[−(nπw0 sin θ / λ ) 2 ]} = 2.85d B
6.9 Solution:
6.16 Solution:
a. SPM which stems from the fact that different parts of a propagating pulse have different levels of power is a limitation in a single-channel system while XPM is in a multichannel system whose modulation is induced by the power of the adjacent channel. b. Soliton is a pulse which is able to keep its shape and width steady as a result of mutual compensation of dispersion-broadening and self-phase-modulated narrowing processes.
《光纤光学》复习提纲
5.2 3dB损耗相当于光透射率是多少？
• 答：
P 10lg( out ) P in (dB/ km) α =− L
Po ut Pin
令L=1km，则透过率
=0.5
5.3 为什么长波长处光纤损耗小？ • 答： 1.对于本征吸收，紫外本征吸收>红外本征吸收 2.对 于散射损耗，其中瑞利散射损耗与波长的四次方成反比， 因此损耗随波长增大而减小。
5.4 一光纤长3.5km，测得其输入与输出功率分别为1mW和 298uW，求该光纤损耗值（dB/km）
•Байду номын сангаас答：
α =−
10lg(
P out 298 ) 10lg( ) P 1000 = 1.5(dB / km) in =− 3.5 L
光纤的损耗值为1.5dB/km.
5.6 为什么光纤在1.55um波长的损耗比1.3um波长小？ • 答：对于光纤材料的本征吸收损耗，由知增大，E减小， 则随波长增大，本征吸收减小，因此1.55um损耗小于 1.3um。 • 对于瑞利损耗，由于瑞利散射损耗与波长的四次方成反 比，因此1.55um波长的损耗要小于1.3um波长的损耗。
5.9 若已知一光纤的折射率与波长的关系为 n(λ) = aλ + b ，其 中a，b均为常数，该光纤是否存在材料色散？为什么？ • 解： 材料色散取决于折射率对波长的二阶导数。即： λ0 d 2 n Δτ n = − δλ 2 c dλ 而
d 2n dλ2
=0，
故 Δτ n=0，不存在材料色散。
• 解：
• 解：
3.10 标准通信光纤芯径50um，数值孔径0.2，求其中传输模 群的最大主模标号及存在的线偏振模，模式和模数。 • 解：
828光学参考书
828光学参考书一、光学基础1.1 光的本质：光的基本性质，包括波动性和粒子性。
1.2 光的行为：光的传播、反射、折射、散射等基本现象。
1.3 光的光谱：可见光、红外线、紫外线、X射线等的光谱表示方法。
二、波动光学2.1 波动理论：描述波的基本性质，包括振幅、频率、相位等。
2.2 光的干涉：两个或多个相干光波的叠加原理，及其在实验中的应用。
2.3 光的衍射：光波的绕射和散射现象，以及其在实验中的应用。
三、几何光学3.1 光线和光路：光线的基本性质，包括反射定律、折射定律等。
3.2 光学系统：各种光学元件（透镜、反射镜、分束器等）的基本特性和应用。
3.3 像的形成与变换：像的基本概念，以及各种光学元件对像的影响。
四、干涉与衍射4.1 干涉原理：描述干涉现象的基本原理，包括双缝干涉、薄膜干涉等。
4.2 衍射原理：描述衍射现象的基本原理，以及各种衍射实验的应用。
4.3 干涉和衍射的应用：干涉和衍射在实验和实际应用中的结合方法。
五、激光原理5.1 激光的产生：各种激光器的原理和结构，以及激光产生的物理过程。
5.2 激光的特性：描述激光的基本特性，包括单色性、相干性、高亮度等。
5.3 激光的应用：激光在各个领域的应用，包括通信、测量、制造等。
六、光纤光学6.1 光纤结构与原理：光纤的基本结构和原理，以及光纤通信的基本概念。
6.2 光纤的特性：描述光纤的基本特性，包括传输效率、损耗等。
6.3 光纤的应用：光纤在各个领域的应用，包括通信、传感等。
七、非线性光学7.1 非线性效应：描述非线性光学的基本效应，包括二阶、三阶非线性效应等。
7.2 非线性材料：介绍各种非线性光学材料的性质和应用。
7.3 非线性光学应用：非线性光学在各个领域的应用，包括倍频、光参量振荡等。
八、光学系统设计8.1 系统设计基础：介绍光学系统设计的基本原则和方法。
8.2 高级设计方法：描述高级光学设计的方法和工具，包括计算机辅助设计等。
8.3 系统优化与评估：介绍如何优化光学系统性能，以及如何评估系统性能。
清华同方布线产品简介
CP200L
金属理线器
产品特性 ◆ 方便线缆整理 ◆ 全金属设计，承载强度高 ◆ 用于19"标准机柜，高度1Ｕ
110配线架
产品编号 CP110H-50 产品描述 50对有腿110配线架组件 单位 套
CP110W2-50 CP110H-100 CP110W-100
CP110SB-200-19 CP110HL
CC10050
CC10100 CC61025
三类50对大对数线缆
三类100对大对数线缆 五类25对大对数线缆
305米/轴
305米/轴 305米/轴
15.5
20.9 13.5
CC62004
CC63004
超五类4对室非屏蔽双绞线
超五类4对低烟无卤双绞线
305米/箱
305米/箱
5.3
5.8
CC61004
个
个 个 个 个 个 个
CF8602-ST
CF8602-X
墙上型双孔ST光纤面板，电工白
墙上型斜口面板，电工白
个
个
CM280A-318
三类语音模块
产品特性 ◆ 性能超过TIA/EIA-568B 三类标准 ◆ 采用2对IDC端子接线，适用2芯和4芯电 话线端接 ◆ T568A和568B布线通用标签 ◆ 高强度防火塑料，可接22-24线规 ◆ 运行温度：－40至66°C ◆ 可以在标准面板上以90 度（垂直）安装 ◆ 50um镀金层，提供最少750次重复插拔
CC63004
超五类4对低烟无卤双绞线
产品特性 ◆ 性能超过TIA/EIA-568B超五类标准 ◆ 可以支持千兆以太网的应用 ◆ 线规：24AWG，外径：5.8mm，重量： 11.3 kg/305m ◆ 绝缘层：0.2mm, 材料：高密度聚乙烯; 外皮：0.8mm,材料：低烟无卤阻燃聚烯 烃(LSNHP) ◆ 最大承受拉力：11.4kg ◆ 运行温度：－25至60°C ◆ 最大电容：53.6 nF/1000m, 最大直流 电阻：8.83 Ω/100m
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⎜
光纤光学讲义三PPT课件
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。
光学发展简史教案
光学发展简史教案教学目标：1. 了解光学的发展简史，掌握光学的基本原理和相关知识。
2. 了解光学的重要科学家和他们的主要贡献。
3. 培养学生的科学思维和创新能力。
教学内容：第一章：光学的基本概念1.1 光的定义和特性1.2 光的反射和折射1.3 光的传播和波动性第二章：古代光学知识2.1 古代光学起源和发展2.2 古代光学器具和实验2.3 古代光学理论的局限性第三章：光学科学的革命3.1 牛顿的光学实验和三棱镜3.2 惠更斯的光学理论3.3 菲涅耳和衍射光学的创立第四章：现代光学的发展4.1 波动光学理论的完善4.2 量子光学和光的粒子性4.3 光学技术和应用的发展第五章：光学前沿和未来展望5.1 光纤光学和通讯技术5.2 激光技术和应用5.3 光学在生物和医学领域的应用教学方法：1. 采用多媒体教学，展示相关的图片、视频和实验演示。
2. 引导学生进行小组讨论和思考，促进学生的互动和合作。
3. 布置相关的习题和实验，培养学生的实际操作能力。
教学评估：1. 定期进行课堂测验和考试，评估学生对光学基本概念和理论的掌握程度。
2. 评估学生的实验操作能力和科学思维能力。
3. 收集学生的课堂表现和作业完成情况，进行综合评价。
参考教材：1. 《光学原理》2. 《光学简史》3. 《光学实验指导》六章：光学仪器和器件6.1 透镜和镜片的光学性质6.2 望远镜和显微镜的光学原理6.3 相机和摄像机的光学系统七章：色彩与光学7.1 色彩的形成和感知7.2 光谱和光谱分析7.3 色彩混合和调配的光学原理八章：光的传播与散射8.1 光的直线传播与反射8.2 光的折射与全反射8.3 光的散射现象与applications九章：光学波动与干涉9.1 光波的传播与干涉现象9.2 迈克尔逊干涉仪与激光干涉9.3 光学薄膜与干涉滤光片十章：光的量子性与量子光学10.1 光的波粒二象性与光电效应10.2 量子态与量子纠缠10.3 量子光学及其在现代科技中的应用教学方法：1. 采用案例分析和实例讲解，让学生更好地理解光学原理在实际应用中的重要性。
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！。
《光纤光学教学课件》第五讲
光纤的构造
1
光心
光纤中心区域，光线从这里一直传输下去。
2
包覆层
保护光心，确保光线能够顺畅传输，同时防止信号损失。
3
护套
外部保护层，起到保护作用。
光纤的特点
高速传输
光纤的传输速度远高于铜线， 这也是光纤比铜线更受欢迎 的原因之一。
小的尺寸
光纤通常非常细，因此它们 可以轻松地安装在难以到达 的地方，例如壁橱或在建筑 结构内部。
应用广泛
光纤的应用不仅限于通信领域，而且已经渗 透到许多其他行业。
光纤的未来
预计随着技术的不断进步，光纤将继续在许 多领域中发挥重要作用。
计算机
光纤技术在计算机网络中扮演着至关重要的角 色，我们将研究它是如何工作的。
医疗
光纤可用于医疗设备，例如内窥镜或手术灯， 以提高精度和效率。
工业
光纤传感器可用于工业自动化和监测管道中流 体的速度和浓度。
总结
技术的进步
光纤技术是现代许多新兴技术的基础。
自然界的启示
光纤的构造和性能灵感来自于自然界中的大 量生物。
《光纤光学教学课件》第 五讲
在这一讲中，我们将深入了解光纤光学的基础概念、构造、特点、分类以及 应用。让我们开始吧！
基础概念
光的折射
让我们从光线的折射开始最基本的定义和构造，为以后的了解 打下坚实基础。
激光的原理
激光在光纤通信中老少皆宜，了解激光原理对 光纤通信的理解很有帮助。
抗电磁干扰
与铜线不同，光纤可以抵抗 电磁干扰，这意味着它们可 以更好地保持信噪比。
光纤的分类
1 多模光纤
在光缆中传输多种光信号，距离较短。
2 单模光纤
只能传输单种光信号，距离更远。
光纤光学教学大纲
光纤光学教学大纲一、课程名称：光纤光学 Fiber Optics二、课程编码：0804562三、学时与学分：40学时/2学分四、先修课程：《应用光学》、《物理光学》五、课程教学目标《光纤光学》课程重点讲述光纤的基本理论与应用技术，通过本课程的学习，使学生了解和掌握光纤传输的基本原理，能够运用几何光学和波动光学方法分析光纤传输特性，培养学生掌握光纤通信、光器件以及其他光电技术所需要的基本技能，为将来的实际应用打下基础。
六、适用学科专业适用学科：物理电子学、电子科学与技术适用专业：光信息科学与技术、光电信息工程七、基本教学内容与学时安排第一章绪论（4学时）1.1 引言1.2 光纤概述第二章光纤光学的基本方程（2学时）第三章阶跃折射率分布光纤（6学时）3.1 几何光学方法分析错误!未定义书签。
3.2 波导场方程、导模本征解及模式分析3.3 弱导光纤与线偏振模第四章渐变折射率分布光纤（6学时）4.1 几何光学分析4.2 波导场方程及模式性质4.3 任意折射率分布光纤及单模光纤中的导模场解第五章光纤的特征参数与测试技术（6学时）5.1 光纤的损耗5.2 光纤的色散与带宽5.3 光纤参数测试技术第六章光纤无源及有源器件（10学时）6.1 自聚焦透镜6.2 光纤定向耦合器6.3 光隔离器与环行器6.4 光纤光栅6.5 光纤放大器与光纤激光器第七章光纤的连接与耦合（4学时）7.1 光纤的连接7.2 光纤的耦合第八章光子晶体光纤（2学时）八、教材与参考书教材：《光纤光学》第二版，刘德明等，科学出版社参考书：1、《导波光学》，范崇澄等，北京理工大学出版社2、《光波导及其应用》，徐森禄等，浙江大学出版社九、考核方式半开卷考试十、其他说明无。
主笔人：鲁平审定人：刘德明。
光纤应用习题解第1-7章
第一章 光纤光学基础1．详述单模光纤和多模光纤的区别（从物理结构，传播模式等方面）A ：单模光纤只能传输一种模式，多模光纤能同时传输多种模式。
单模光纤的折射率沿截面径向分布一般为阶跃型，多模光纤可呈多种形状。
纤芯尺寸及纤芯和包层的折射率差：单模纤芯直径在10um 左右，多模一般在50um 以上；单模光纤的相对折射率差在0.01以下，多模一般在0.01—0.02之间。
2．解释数值孔径的物理意义，并给出推导过程。
A:：NA 的大小表征了光纤接收光功率能力的大小，即只有落入以m 为半锥角的锥形区域之内的光线，才能够为光纤所接收。
3．比较阶跃型光纤和渐变型光纤数值孔径的定义，可以得出什么结论？A ：阶跃型光纤的NA 与光纤的几何尺寸无关，渐变型光纤的NA 是入射点径向坐标r 的函数，在纤壁处为0，在光纤轴上为最大。
4．相对折射率差的定义和物理意义。
A ：2221212112n n n n n n --D =?D 的大小决定了光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光能力。
5．光纤的损耗有哪几种？哪些是其固有的不能避免，那些可以通过工艺和材料的改进得以降低？A ：固有损耗：光纤材料的本征吸收和本征散射。
非固有损耗：杂质吸收，波导散射，光纤弯曲等。
6．分析多模光纤中材料色散，模式色散，波导色散各自的产生机理。
A ：材料色散是由于不同的光源频率所对应的群速度不同所引起的脉冲展宽。
波导色散是由于不同的光源频率所对应的同一导模的群速度不同所引起的脉冲展宽。
多模色散是由于不同的导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度所引起的脉冲展宽。
7．单模光纤中是否存在模式色散，为什么？A ：单模光纤中只传输基模，不存在多模色散，但基模的两个偏振态存在色散，称为偏振模色散。
8．从射线光学的观点计算多模阶跃光纤中子午光线的最大群时延差。
A ：设光纤的长度为L ，光纤中平行轴线的入射光线的传输路径最短，为L ；以临界角入射到纤芯和包层界面上的光线传输路径最长，为sin c L f 。
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。
光纤的光学参数
光纤的光学参数
光纤作为一种重要的光学传输媒介，在现代通信领域得到广泛应用。
其光学参数包括折射率、色散、损耗等，这些参数的优化对光纤的传输性能和信号质量具有决定性影响。
折射率是光纤中光线传播速度与真空中速度比值的反比，是光纤光学性能中的重要指标。
高折射率可使光线在光纤中传播距离更短，从而减小信号失真。
色散则是指光纤中不同波长的光线传播速度不同，造成信号的时间延迟和失真。
为了降低色散，通常采用折射率剖面改变的方法，即光纤的中心折射率比较大，向外逐渐降低，使得光线传播速度更加均匀。
光纤的损耗是指光信号在光纤中传输时的衰减程度。
主要有吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。
其中吸收损耗是由光纤中材料的吸收导致的，散射损耗则是由光线与材料表面不均匀产生的散射引起的，弯曲损耗则是由光纤弯曲时形成的光线散失引起的。
为了减小损耗，需要优化光纤的制造工艺和选择合适的材料。
综上所述，光纤的光学参数对其性能和信号质量的影响十分重要，需要在制造过程中加以优化和控制。
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Splice
ANRITSU Corp. MW9010B
92•85-2i I 9:13
LgSS 2¥.87 dB 69. 50¥00 kin
0.358 dB / km
FibreEno
10 km/div 2.5 d6/div
m D l8Bkm
1 =M\ SMP l0R= 1.4667B8
模场半径与工作波长有关，波长越 短，模场半径越小。
对于阶跃型单模光纤，纤芯直径和 模场半径的典型值分别为8.3μm 和 9.3μm。
E0 2 e2 E0 2
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3. 模场半径的实验定义值
• 模场半径是单模光纤的一个极为重要的参数。可估算单模光纤 的连接损耗、弯曲损耗以及微弯损耗和光纤的色散值。
• 耐电压性能: 几十万伏的高压 石英光纤会由于吸潮而受到
• 耐水性能: 侵蚀,从而降低机械 性能、增加传输损耗
• 耐酸碱性能: 几乎所有的玻璃在氟酸中都会溶解
• 期望寿命: 在常规环境下,当使用应力为125MPa时,预期的
使用寿命将可达10年以上。
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扰 模 器
、 滤 模 器 和 包 层 模 剥 除 器
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包层模剥离器
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1、损耗的测量
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破坏性测试
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exp
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Ph A(r )P(z)exp $ a,(x)dx
色散与光纤传输带宽的关系：单模光纤、GIOF多模、 SIOF多模。
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五、单模光纤的模场半径
1. 问题的提出（不用光纤芯径而用模场直径）
在单模光纤中，单一模式的光并不完全由纤芯承载并局限在纤芯内传播； 而有相当部分的能量（约20％）在包层中传输。
rf
0Leabharlann 2(r)g(r)dr
rf 2 (r)dr rg 2 (r)dr
0
qF
(q)G(q)dq
2
qF 2 (q)dq qG2 (q)dq
0
0
0
0
2
r f (r) g(r) dr
2
q F(q) G(q) dq
0
0
– f(r)是光纤的近场分布;G(q)和F(q)分别是光源和光纤的远场分布; q＝sinθ/λ0
在计算损耗等参量时，用模场半径作为描述单模光纤光能量传输集中程度 的参量。
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2. 模场半径
（1）定义： 根据CCITT规定，单模光纤输出光斑的光场若近似为高斯分布：
g ( r ) 2 e x p r 2
W0
W
2 0
其中，W0 为模场半径，即为 1/e2 光场强度的半径，即在W0处，光功率为中心 的1/e2 。
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2n
Pulsed Laser
Coupler
Basic OTDR block diagram
APD
Detector
Splice
Fibre
Processing
Display
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OTDR的作用
• 测量光纤的总损耗 • 单位长度光纤的损耗 • 光纤的连接损耗 • 光纤连接器的回波损耗 • 光纤的长度 • 光纤的宏观/微弯曲 • 光纤的缺陷和断点的位置
W= mps
AVG= 210
ATT= 20.0 dB(A}
(2BBB]
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OTDR的性能
• 测量的光纤长度：OTDR能测量的最长距离的反射 点；
• OTDR的空间分辨率：能分辨空间两点的最短距离； • OTDR的测量精度：与设置的光纤折射率有关；
• OTDR的测量盲区（一般为20m）：前端面的饱和 以及模式不稳定。
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(4) 模场半径定义的比较
当光纤折射率分布接近平方律分布或归一化频率V值 较大时，几种定义求得的模场半径比较一致；当V值 较小或折射率分布差异较大时，几种模场半径可能会
相差10％～20％。
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六、单模光纤的截止波长
1.定义: 使最临近基模的高阶模LP11截止的波长λc 为单模光纤的“截止 波长”。当λ> λc时，可以保证光纤工作于单模状态。
内保持相近的色散值
( 6 ) 大有效面积光纤：LEAF， 降低非线性效应的影响 ( 7 ) 色散补偿光纤：DCF，色散系数与传输光纤极性相反 ( 8 ) 全波光纤： 消除OH的吸收损耗
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色散与脉冲宽度的关系：
正、负色散均导致脉冲展宽；但利用正、负色散可补偿光 脉冲的展宽。
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( 1 ) G.651光纤：工作波长850nm；多模；损耗：3dB/km ( 2 ) G.652光纤：NDSF，常规单模光纤，零色散波长1310nm；
最低损耗窗口1550 nm ( 3 ) G.653光纤：DSF，零色散波长1550nm ；最低损耗窗口
1550 nm ( 4 ) G.655光纤：NZDSF，Lucent：零色散波长1530nm； Corning：>1570nm (5)G.656光纤：DFF，在较大的范围
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Optical Input Pulse
• Display shows total span ‹ Loss 2.5 dB/div ‹ Distance 10 km/div • Markers show a total loss of
24.87 dB • Span is displayed as
七、光纤参数测量技术
• 光纤损耗 • 折射率分布 • 带宽(色散与基带频率响应) • 数值孔径 • 模场直径 • 截止波长。
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ITU-T 建议的测试方法
表2.7－1
┌─────┬─────────┬───────────┐
│ 参 数 │ RTM
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n2
(r)
n22
n2
2
P
P(r)
c1
P0
其中，P(r)
P0
sin
2
' max
sin 2
" min
n2(r) n2
2
n22
Pc1
P0(sin
2
' max
sin
2
" min
)
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折射率近场方法简单直接， 对单模和多模光纤都适用!
空间分辨率优于250nm， 测试误差 <±0.0001.
│ ATM
│
├─────┼─────────┼───────────┤
│ 衰减系数 │ 切断法
│ 插入损耗法;背向散射法 │
│折射率分布│ 折射近场法
│ 近场法
│
│ 基带响应 │ 时域法;频域法
│
│
│ 色散系数 │ 相移法;脉冲时延法 │
│
│ 数值孔径 │ 折射近场法
│ 远场法
│
│ 模场直径 │ (无)
│ 传输场法;横向偏移法 │
│ 截止波长 │ 传导功率法
│ 模场直径与波长关系法 │
└─────┴─────────┴───────────┘
RTM: 基准测试方法
ATM: 替代测试方法
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17 2018/3/8
注入条件与稳态分布
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Reflection from End of
Fiber
Mechanical Splice
Fiber loss can be estimated by dividing loss by the distance over which loss occurs.
Reflection moss
Distance (Calculated from Return Time)
2 2018/3/8
多模光纤色散 （适用于局域网）
• 模间色散 • 材料色散
这种色散与光频率有关， 即与光的颜色有关， 合 称之为色度色散。
这种色散并不 是由频率不同引起 ，称之为单色弥 散
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• 波导色散 • 偏振模色散
单模光纤色散 （适用于骨干网）
材料色散：频率ω变化引起折射率变 化而导致β变化； 波导色散：频率 ω变化引起波导径向 参量U和W的 变化，从而导致β变3 化
1. 色散有哪几种类型？光通信里面最严重的色散 是哪一种？
2. 光纤的种类有哪些？各有什么特点？
3. 色散补偿有哪些方法？
4. 正色散光纤使得光脉冲展宽，负色散光纤使得 光脉冲压缩，这种说法对还是错？为什么？
2018/3/8 © HUST 2012
1 2018/3/8
光纤的模场半径、截止波长及 其特征参数的测量
• 单模光纤的模场半径不仅因测量方法的不同而异,而且还受模场 半径定义的影响。
• 已提出多种模场半径的定义,应用较广泛的有:(1)功率传输函 数定义模场半径wT;(2)最大激发效率定义模场半径w ;(3)近场 二 阶矩定义模场半径wrms;(4)远场二阶矩定义模场半径wL。