光纤光学 学习指南

第一部分.光纤光学需要掌握的基本概念与重要结论

第一章．绪论（4学时）

1.光纤的优缺点

优点：大容量；低损耗；抗干扰能力强；保密性好；体积小重量轻；材料取之不竭；抗腐蚀耐高温。

缺点：易折断；连接分路困难；怕水；怕弯曲。

2.光纤的分类

重点掌握

(1)光纤的结构，纤芯、包层、涂覆层的特点与作用

(2)阶跃折射率分布光纤(SIOF)与渐变折射率分布光(GIOF)的特点与区别，折射

率分布形式。一些基本参数的意义与其表达式：相对折射差∆的意义与表达式；

折射率分布参数g的意义（当g=∞时为SIOF，当g=2时为平方率分布光纤，当g=1时为三角分布光纤）。

(3)单模光纤与多模光纤的特点与区别（传输的模式数，芯径的大小，归一化频

率）；归一化频率的意义与表达式（阶跃单模光纤的判据：V<2.405，渐变单模光纤的判据：V<3.508。注意我们经常见到的2.405 是对阶跃光纤而言的）。简单了解

其它种类的光纤，例如保偏光纤与有源光纤（后面的课程会学到）。

3.光纤的制备工艺

简单的了解一下。

第二章．光纤光学的基本方程（2学时）

1.分析光纤波导的两种理论

“几何光学方法”与“波动光学理论”的应用条件（几何光学方法：芯径远大于光波长；波动光学理论：芯径与波长可比例）与特点。

2.由麦克斯韦方程组出发推导波导场方程

(1)“三次分离”，基本过程以及能够这样分离的依据

“电磁”分离：由麦克斯韦方程组到波动方程

“时空”分离：由波动方程到亥姆霍兹方程

“横纵”分离：由亥姆霍兹方程到波到场方程

(2)SIOF与GIOF中光线方程的意义，即SIOF与GIOF中光线的传播形式

3.模式及其基本性质

(1)模式的基本概念与定义

(2)TEM、TE、TM、HE、EH模式的特点

(3)纵向传播常数β横向传播常数W、U的意义（重点了解W的意义），以及W、U、

V之间的关系

(4)截止与远离截止的概念与基本条件（W=0截止，W=∞远离截止）

(5)相速度、群速度、群延时的基本概念

(6)线偏振模的概念

第三章．阶跃折射率分布光纤（6学时）

1.几何光学分析方法

主要掌握一些基本的概念，“子午光线”与“偏斜光线”的定义；数值孔径的表达式，以及其物理意义(标志着光纤收光能力以及与光源耦合时偶和效率的大小)，数值孔径与传输带宽的关系（成反比）。

2.波导场方程及导模本征解

3.本征值方程

对于这两节不必拘泥于复杂的计算与推导过程，只需了解计算的基本思想，理解本征值方程的物理意义。

4.模式分析

(1)了解如何由本征值方程推导出TE、TM、HE、EH各模式的截止与远离截止的

条件。

(2)了解色散曲线的定义，看懂色散曲线（不同的V值对应的导模种类），了解

基模HE

模的定义。

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5.弱导光纤与线偏振模

(1) 弱导光纤的基本条件（12n n ≈），弱导光纤场的基本特点（1,1,l m l m HE EH +-与有

相似的色散曲线等）。

(2) 了解lm LP 的模式简并特性，以及其偏振态（拍频）。

(3) 了解lm LP 模式的导模截止与远离截止条件（分为00l l =≠与两种情况讨论）

(4) 掌握,l m V 与的关系式以及光纤中传输的模式总数的计算式（注意这都是在

lm U ∞即V 很大的情况才能成立）。

(5) 重点掌握在V 值较小的情况下计算和分析光纤中传导的精确模式（记住几个

低阶模式的截止时的V 值，例如：LP 11模为截止时V=2.405；LP 02与LP 21模截

止时V=3.823 ；LP 31截止时V=5.136）。

(6) 重点掌握,l m LP 模式分布图的画法，记住纤芯中的场的分布的表达式（,l m LP 模

式的分布图大致可以总结为：径向的亮斑数为m ，角向的亮斑数为2l ，对于

l =0 中心为亮斑，0l ≠中心为暗斑）

。 (7) 了解主模标号的概念

第四章． 渐变折射率分布光纤（6学时）

1.几何光学分析方法

(1) 掌握广义折射定律、“折射型光纤”“反射型光纤”的概念；以及光线在GIOF

与SIOF 传播的区别（GIOF 传输的带宽大于SIOF ）。

(2) 看懂()g r 曲线，学会画()g r 曲线；理解“约束光线”“泄露光线”以及“折

射光线”还有“内散焦面”以及“外散焦面”这些概念，掌握上面的三种光线分别存在的条件，重点能够在()g r 曲线上标出这三种光线，以及内散焦面半径、外散焦面半径、辐射散焦面半径还有光纤芯径的位置。

(3) 了解平方率光纤与双曲正割光纤中的光纤传输的特点（平方率：不同角度的

近轴光线会汇聚到一点；双曲正割：对于所有的光线都有很好的汇聚）掌握聚焦参数A 以及节距P 的表达式。

2.波导场方程及模式性质

学会看懂“模式分析图”，理解“导模”、“泄露模”、“辐射模”的基本概念以及它们存在的条件（理解它们与“约束光线”、“泄露光线”以及“折射光线”的一一对应关系）

3.平方率分布光纤中的导模场

平方率分布光纤是目前唯一可以用已知函数表示其场分布的光纤，了解其本征解的特点，了解其本征值方程及其物理意义，掌握基模场半径（MFR ）的概念。

4.任意折射率分布光纤中的导模场

了解WKB 法的基本思想；记住光纤中导模总数的表达式（22(2)g M V g =

+）；将当g=2时其本征值方程与平方率光纤中解得的作比较。

5.单模光纤中的场解

了解单模光纤的特点，简单的了解等效阶跃光纤的基本思想与方法，简单的了解单模光纤中的双折射。

第五章． 光纤的特征参数与测试技术（6学时）

1.光纤的损耗

(1) 重点掌握“光纤损耗α”以及“光纤损耗系数f α”的定义与表达式，以及它

们之间的关系式（α=4.34f α）；还有光功率常用单位dBm 与mW 之间的换算

关系。

(2) 吸收损耗。了解“本征吸收”的定义（又分为紫外和红外本征吸收）；“杂质

吸收”的定义重点理解OH 根离子吸收的特点；“原子缺陷吸收”做简单的了解。

(3) 散射损耗。分为瑞利散射、受激喇曼散射、受激布里渊散射，了解它们的特

点（非线性散射、存在功率阈值），重点的了解瑞利散射的特点（线性散射、与波长的四次方成反比、不可被消除）。

(4) 弯曲损耗。分为宏弯损耗、过渡弯曲损耗和微弯曲损耗，了解它们的定义以

及产生原因。