光纤光学书后部分习题解答

光纤光学课后作业题参考答案

第一章

1-1

00sin NA n ϕ=

0ϕ——孔径角表示光纤集光能力的大小

当光纤与光源耦合时，表示耦合效率的大小,只决定于折射率，与几何尺寸无关,NA 越大，偶和效率越大；NA 越大，通信容量降低。

影响因素：光纤弯曲（与纤芯距离有关，距离越近，NA 越大）

光纤端面倾斜（NA 增大）

光纤为圆锥形（小端NA 大）

1-12

对于子午光纤有汇聚作用：折射率平方率分布（表达式）

双曲正割分布（表达式）

对斜光线有汇聚作用： 螺旋光线（表达式）

对表达式的要求：会分辨那个表达式是哪种分布

1-14

模式：波导方程的本征解，它是离散的

特点：稳定性，有序性，叠加性，正交性

1-15

222V U W =+

U 反映导模在纤芯区驻波场模的振荡频率

W 反映导模在包层中的消逝场衰减速度

V 归一化频率

导模的截止：除基模外，其他导模都可能在一个V 值以下不允许存在。

截止条件：0W → ，U V →

远离截止：电磁场能量完全闭锁在纤芯中

远离截止条件：W →∞ ，V →∞ ，U 有限

1-17

结构上：单模光纤纤芯直径小，芯皮折射率差小，多模光纤纤芯直径大，芯皮折射率差大

传输特性上：单模光纤传输一种模式，多模光纤传输多种模式

1-18

纤芯半径a ：光纤结构特性

基模模场半径0s ：基模场振幅衰减到最大值1/e 处场分布半宽度

必要性：对于多模光纤，传输能量大小用数值孔径来衡量，而对于单模光纤，光有纤芯半径a 还不够，其基模模场

半径0s 必须清楚，其传输能量大小靠0s 来衡量更为准确。

第二章

2-1

多模光纤：多模色散，波导色散，材料色散

大小：多模色散>波长色散

单模光纤：波导色散，材料色散，偏振色散

大小：材料色散>波导色散

多模色散：个模式群速度不同产生的色散

波导色散：群速度对于频率（波长）不为常数，光源有一定光谱宽度。

材料色散：折射率随入射光频率的变化而变化。

偏振色散：由于光纤轴不对称性，两个正交的偏振模有不同的群延迟。

波导色散和材料色散总称波长色散

2-2

损耗由散射损耗和吸收损耗两部分组成。

对于吸收损耗，通过尽量减少杂质离子的浓度来减少杂质离子的吸收；

对于散射损耗，通过尽量减小缺陷来减小制作缺陷造成的损耗。

第三章

3-3

考虑的因素：

光纤：芯径，数值孔径，截止波长，偏振特性

光源：发光面积，光束发散角，光谱特性，输出功率，偏振特性

原因：为了让光纤和光源两者匹配

具体说，要使纤芯和发光面积、数值孔径和光束发散角、截止波长和光谱特性匹配。

3-4

主要困难：

LD发出的光在空间是窄长条，长约几十微米，宽约零点几微米，其远场图是一个细长的椭圆。

对此，对于多模光纤其芯径大，能接收，但其角分布只有十几度，而LD光的发散角在x方向约5~6o，在y方向约40~60o，光纤接收不进去，即为困难所在。

提高耦合效率途径：通过间接的透镜耦合

3-5

对于多模光纤：

轴偏离（横向）

两光纤端面之间的间隙（纵向）

两光纤轴之间的倾斜（角向偏移）

光纤端面不完整性（弯曲和倾斜）

光纤种类不同（芯径和折射率不同）

对于单模光纤：

离轴和轴倾斜

端面间隙

不同种类光纤

第四章

4-1

基本原理：

弱耦合理论，适用于磨抛型器件、腐蚀型器件

强耦合理论，适用于熔锥型器件

关键技术：光纤纤芯间隔是定向耦合器的最关键参数，关键是控制光纤包层磨抛量，将光纤包层磨抛至光纤芯表面1um以内，同时不能将纤芯磨破

难点：需将光纤包层磨抛至光纤芯表面1um以内，同时不能将纤芯磨破。

解决途径：比如精确测定磨抛过程中磨抛面与光纤芯的距离

4-8

光纤种类：晶体光纤，掺杂光纤（从材料方面）；单模光纤，多模光纤（从模式方面）

腔结构形式：光纤环形谐振腔，光纤环路反射器谐振腔，Fax-Smith光纤谐振腔

4-9

光纤激光器特点：转换效率高，激光阈值低

器件体积小，灵活

激光输出谱线多，单色性好，调谐范围宽

4-10

器件：（主要说光纤激光器的组成部分）

大致是掺杂光纤（增益介质）、腔镜或光纤光栅（谐振腔）、LD 激光器(泵浦源)

技术指标：增益，饱和输出功率，增益带宽，噪声系数

图不考

4-13

光纤光栅原理：

利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，器作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜

可构成的器件：

光纤反馈腔，光纤激光器，激光二极管的外腔反射器，光纤滤波器，光纤平坦滤波器，光纤散射补偿器

第五章

5-1

不能，从理论上不能获得理想的聚焦光纤。

在忽略4r 以上的高次项时，三种折射率分布都可近似为两次抛物线分布21()(0)(1)2n r n Ar =-

，即最佳折射率分布

6-8

计算

6-10（应该是不考了）

互异性和偏振态，偏置和相位调制，光子噪声，寄生效应

6-20

弹光效应引起的中心波长的漂移

波导效应引起的波长的漂移

均匀横向应力作用

任意正应力作用

第七章

见217页表格——选择题

第八章

8-1

激光在介质中传播时，如光能足够强，在一定条件下就会产生各种非线性光学现象。原则上，在体介质中发生的各种非线性光学现象都在光纤中产生，但是由于光纤结构的特点，不仅可以改善产生这些现象的条件，还可以产生在体介质中不可能产生的现象，并加以利用。

8-2

机理：由于光纤中非线性效应和色散效应效应相互补尝的结果。

特点：光脉冲在光纤中传输时的形状、幅度和速度都不变。

8-3

因素分析：光孤子的峰值强度会因光纤的损耗而降低，当低于阈值时，非线性效应的脉宽变窄作用小于色散效应的脉宽变宽作用，导致脉冲展宽，

措施：利用光纤中的拉曼放大或掺杂光纤的放大作用来补偿使脉冲再变窄。