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。