光纤光学总复习-2015.

光纤光学复习
孙军强
光纤光学的基本理论
什么是光纤？
介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。

基本结构：纤芯、包层、套塑层
⏹Typical Dimension for Silica Fibers:
⏹SMF: 8~10 μm core, 125 μm cladding
⏹MMF: 50, 62.5, 100 um core, 125 um cladding
⏹Index profile:
⏹Step vs. Graded vs. multi-step…
光纤按纤芯折射率分布分类：
a. 阶跃折射率分布光纤（SIOF）
b. 渐变折射率分布光纤（GIOF）
有关SIOF与GIOF光纤错误的观点是：
SIOF是反射型光纤，而GIOF是折射型光纤；
GIOF的通信容量比SIOF的通信容量大；
弱导近似下，SIOF存在线偏振模，而GIOF不存在线偏振模；GIOF可以用作透镜成像，而SIOF则不能成像。

光纤传输模式分类：
传输的模式总数：
2
)
2(2V g g
M +=V 为归一化频率，∆λπ=-=2210
22
21
0n a
n n a k V 阶跃单模光纤的的确切判据：V < 2.405
单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。

光纤光学的研究方法
几何光学方法波动光学方法适用条件λ << dλ ~ d
研究对象光线模式
基本方程射线方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题
研究内容光线轨迹模式分布
光线理论与波动理论分析思路
2015/11/20
光线方程的推导
r
r dr
+ dr
ds ()
,,
Q x
y
z d dr n n ds ds ⎛⎫
⇒=∇ ⎪⎝⎭
SIOF中光线的传播
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
∆
=-==2sin 122
21n n n n NA im i θ物理意义与光纤传输速率的关系
数值孔径NA是光纤的一个重要参数，下列哪些命题是错误的？NA越大，光纤的收光能力越大；
NA越大，光纤的收光角越大；
NA越大，光源与光纤的耦合效率越高；
NA越大，多模光纤的模式色散越小。

GIOF中光线的传播（子午光线）
同一光线：
值相同；不同光线：值不同！：第一射线不变量,由光线的入射条件所决定！
n 光线分类、特征及其激励条件：
n n 约束光线隧道光线折射光线
GIOF中子午光线的轨迹
()r g dz dr n =⎪⎭
⎫
⎝⎛2
2
()()2
222n r
I
r n r g --
=平方律分布的光纤、双曲正割折射率分布光纤等光程条件
光线间延迟小
传输速率高
模式分类、特征及其激励条件：
导模
泄漏模
辐射模
导模分析中的重要参量及其物理意义纵向传播常数（ ）、归一化频率（V）、
横向传播常数（U、W）
SIOF模式分析的基本过程基模模场的表示式
导模的分类及其特征
导模的截止与远离截止条件
•导模截止与远离截止条件:模式
临近截止
远离截止
*除了HE 1m 模式以外,U 不能为零
•模式本征值β、l 满足：
lm
EH ()0
c l
lm
J U =()1
0l lm
J U ∞+=lm
HE ()()
()()
21
0 10 1c l lm
c lm
J U l J U l -=>==()1
0l lm
J U ∞-=()000
c
m J U
=()1
00m J U ∞=()00m m TE TM ()
, c
lm lm
lm
U U U ∞∈()
, c V V ∈∞
光纤中实际能够激励出的模式与下列哪些因素有关：入射光源的光功率；
入射介质的折射率；
光的入射角；
入射点的位置。

色散曲线及其物理含义
从SIOF的有效折射率与V参数的关系曲线，不可能获得：导模的截止波长；
同一V值下可能存在的导模数；
导模截止时的V值；
不同V值的模式有效折射率。

光纤的单模工作条件
22
12
2 2.405
c a n n V πλ-=
<弱导光纤的特征
线偏振模基模模场的表示线偏振模与精确模式间的关系
导模的数目（估计）、模组与主模标号、模斑
平方率光纤中的导模场的特征平方率光纤中的基模场的表达式模场半径的概念
WKB的基本思想
任意折射率分布的本征值方程模式容积
有关WKB的近似方法，下列那种说法是错误的：
适用于V值较大的光纤的模场求解；
适用于多模光纤的模场的求解；
适用于单模光纤的模场的求解；
WKB的基本思想是折射率的变化导致模场相位的急剧变化。

SIOF、平方率单模光纤中的场解任意折射率分布单模光纤中的场解的求解方法
判定光纤是单模光纤的决定因素是：纤芯半径；
传输的光波长；
光纤的V参数；
数值孔径。

2015/11/20光纤的特性及特征参数测量损耗的定义及来源L P P
in out 10[]1010log ()dBm P mW =()()()
out in P dBm P dBm L km α-⎡⎤⎣⎦=-光纤的衰减系数与损耗的关系：
()
e f 10log 10αα=
第三传输窗口第二传输窗口第一传输窗口
13001550
850紫外吸收红外吸收
瑞利散射0.2
2.5损耗(d B /k m )波长(nm)
通信窗口：由0.85μm 、1.31μm 、1.55μm 到S 波(1.49μm~1.53μm)、
C 波(1.53μm~1.57μm)、L 波(1.57μm~1.61μm)。

通常将光纤通信划分为三个传输窗口，其主要原因是：光纤的弯曲损耗；
OH根吸收损耗；
过渡金属离子吸收；
瑞利散射损耗。

2015/11/20
光纤的弯曲损耗光纤发生弯曲波导内完全内反射遭破坏波导模转化为泄漏模甚至辐射模引起弯曲损耗弯曲损耗的种类：宏弯曲、微弯曲、过渡弯曲
光纤色散概念与种类
各类色散的计算、色散位移概念
单模光纤在用作高速率单模传输时，不存在以下哪种色散？
模间色散；
材料色散；
波导色散；
偏振模色散。

有关光纤中的色散论述错误的是：
色散的存在使光纤通信系统的传输速率降低、传输容量变小；
正色散的光纤使光脉冲展宽，而负色散的光纤使光脉冲压缩，所以，负色散的光纤也成为色散补偿光纤；
色散位移的目的是使零色散波长与最低损耗波长一致；
通过适当调整光纤波导的结构参量可使波导色散和材料色散互相抵消。

光纤的演变
(1)G.651光纤：工作波长850nm；多模；损耗：3dB/km
(2)G.652光纤：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：NDSF，Lucent：零色散波长1530nm；Corning：>1570nm
(5)大有效面积光纤：LEAF 降低非线性效应的影响。

(6)色散补偿光纤：
(7)全波光纤：消除OH的吸收损耗
通信窗口：由0.85、1.31、1.55到S波(1.49~1.53)、C波(1.53~1.57)、L波(1.57~1.61)
以下那一种是色散位移光纤：G．651光纤；
G．652光纤；
G．653光纤；
G．655光纤。

2015/11/20
光纤中色散与脉冲展宽的关系如何利用色散实现脉冲压缩？
光纤的传输带宽
光纤的设计：损耗、色散、非线性；折射率、折射率分布、掺杂
光纤的制作：预制棒（MCVD、OVD、V AD、PCVD）、拉丝、涂覆、成缆
光纤的模场半径、截止波长的定义•光纤损耗的测量
•数值孔径的测量
•模场直径的测量
•截止波长的测量
OTDR的基本原理、测量精度、分辨率、动态范围等
有关光时域反射仪（OTDR）的错误叙述是：实现背向散射功率的测量；
进行光纤间连接点损耗的测量；
完成传输光纤长度的测量；
光源脉宽越大，空间分辨率越高。

自聚焦透镜
光有源与无源器件、自聚焦光纤、自聚焦透镜自聚焦透镜与自聚焦光纤的比较
自聚焦透镜与一般球透镜的比较
由射线方程如何得到自聚焦透镜的传输矩阵自聚焦透镜的成像特性、节距的概念
0.23P、0.25P、0.29P自聚焦透镜的成像性质
光纤耦合器
R 11'2'11'1
2'0π2π1
Kz
0.5:0.5 1.0:0.00.0:1.0
2cos ()
Kz 0
δ=2sin ()Kz
R 1'
12S 2
R S +≠max ()1R S +=对相同波长、相同光功率的耦合会产生3dB 损耗。

11'21'0π2π1
Kz
2cos ()Kz 0
δ=2sin ()Kz 1R S +=1R S +=1R S +=
R
1'
1
2
S 1
λ2
λ12
λλ+()K z
λ2cos (())
K z λ2
λ1
λ 1 1'
2 1'2sin (())
K z λ
1
λ2
λ12
λλ+R 1
1'
2'
()K z
λ2cos (())
K z λ2
λ1
λ1 1'
有关光纤耦合器，以下哪种说法不正确：
光纤耦合器的性能与光的传输方向有关；
相同光功率相同波长的光在不同光纤中进行耦合时，将导致3dB损耗；
光纤耦合是无源器件，必然会导致对传输光信号的损耗；
采用同种光纤对不同波长的光信号进行耦合时，波长间隔越大，耦合的光纤长度越小。

光隔离器
玻片（互易）
YIG
磁环
in
out
偏振分光镜
（a）正向
玻片（互易）
YIG
磁环
in
偏振分光镜
（b）反向
out
光环行器
光纤光栅
n n
1
θ1
θ2θΛ
0m =1
m =12sin sin n n m
λ
θθ=+Λ
1
θ2
θ21
ββ=-122πβ=
Λ
1
θ2
θ2m co cl
πββ-=Λ
2015/11/20
R e f l e c t i v i t y
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Wavelength (nm )
R e f l e c t i v i t y
1547154815491550155115521553
色散补偿应用
Chirped Bragg grating
• ••
λlong λshort
OADM 应用。