光纤光学总复习-2015
光纤光学-文档资料
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折射光线
条件:
0< n(r0) cosθz(r0)<√n22-(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
内散焦面半径: r = rr1
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GIOF中的最佳折射率分布
近轴子午光线： P2/ A
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P2/n(r0)nc0 oA sz(r0) 24
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隧道光线
条件:
n2> n(r0) cosθz(r0)>√n22－(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
光线存在区域: rl1 < r < rl2 r > rl3
内散焦面半径：rl1 外散焦面半径：rl2 辐射散焦面半径: rl3
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(dz／dS)|r0 ＝ cosθz(r0)
r r r ˆ z z ˆ x
z r
er
r0
r0 d
z dz
ds
r0
dr
y
e
er
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轴向运动
分析轴向分量方程:
d n dz 0 dS dS
有： n(dz/dS)=const., 令其为 n , 则有
n ＝n(r)dz/dS＝n(r)cosθz(r)=n(r0)cosθz(r0)
＝r0n(r0)sinθz(r0)cosθφ(r0)
I ---- 第二射线不变量
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角向运动特点
• 光线的角动量：
r2ω=r2dφ/dt=
Ic/
2n 恒为常数
光纤通信期末复习提纲——光纤资料文档
光纤通信期末总复习一、总述题型：判断（15% ）（1.5×10）+选择（30%）（2.5×12）+简答计算（55%）（5~6题）考试范围（第一章～第十章），重点第五章、第六章、第七章，第四章自学（不考）要求：考试可以用中文答题，但是要熟悉英文专业术语（已经将常用专业术语做了整理，可在网络教学平台下载），平时每次作业一定要会做，期末总成绩=考试成绩×60%+实验成绩×20%+平时成绩（讨论+作业）×20% 二、第一章 光纤通信系统1、光通信所用波长（红外、可见、紫外），2、dB ，dBm 计算，光通信系统功率预算3、分清波长，频率，介质中波长，介质中的频率v fλ=4、基本光通信系统构成（框图），各个模块的功能 4、光子能量（以J 为单位，eV 为单位），会计算光线中的光子数5、光纤（光纤通信）优点与缺点 三、光学概要1、Snell 定律：计算纤芯包层上临界角，空气和纤芯入射面入射光锥大小2、数值孔径（NA ）定义，意义3、什么是光斑尺寸 四、 波动学基础 1、α与γ的换算Proof::dB km 10lgexp(2)1dB 110lgexp(2)km-220=108.685ln10 2.3026dB L L L km dB kmγααγγααααγα用表示的衰减值；：衰减系数：传输距离当时值就是；单位为=-==--=≈-2、带宽和谱宽的换算（频率范围和波长范围换算）12212112122ccf f f c f c thenf f f c f f λλλλλλλλλλλλλλλλ⎛⎫-∆=-=-= ⎪⎝⎭⎛⎫∆∆== ⎪⎝⎭∆∆∆∆⎛⎫∆=⇒∆=⇒=⎪⎝⎭3、色散，材料色散，波导色散定义，展宽计算，单位长度展宽计算Dispersion （色散）: Wavelength dependent propagation velocity. 传输速度随波长变化的特性称为色散Material Dispersion （材料色散）: Dispersion caused by the material.Waveguide Dispersion （波导色散）: Dispersion caused by the structure of thewaveguide.L L ττ∆∆⎡⎤⎛⎫= ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦''n M L c τλλλ⎛⎫∆=-∆=-∆ ⎪⎝⎭4、光纤通信系统电带宽与光带宽关系5、谐振腔（F-P 腔），纵模概念1(1)222c m mc f f f m c mc c f Ln Ln Ln∆∆+=-+=-=2cc oo co c c of ff f ccλλλλλλ∆∆∆∆∆===7、平面边界上的反射，全反射临界角计算1212n n n n ρ-=+221212power reflected R power incidentR n n R n n ρ≡=⎛⎫-= ⎪+⎝⎭分界面上损耗计算什么是消逝场？发生全反射时低折射率材料中仍然有光能量 五、 光纤波导1、相对折射率与数值孔径：fractional refractive ；NUMERICAL APERTURE121n n n -∆=00sin NA n α== 单模光纤的NA 和多模光纤NA 通常哪个更大？光纤包层和纤芯折射率关系是怎样的？2、光纤损耗Losses may be classified as: AbsorptionScattering ： Rayleigh Scattering Geometric effects目前光纤损耗水平大致是多少？在什么波长？ 光纤三个透光窗口是什么，中心波长分别是多少3、归一化频率计算；V is called the normalized frequency or V parameter2a V NA πλ==归一化频率和光斑尺寸关系是什么？4、多模光纤模式数目计算对于阶跃折射率光纤，若V>1022V N =对于抛物线分布折射率光纤，若V>1024V N =5、单模传播条件2.405V =<aλ<2.4052aNAλπ<6、多模光纤中的畸变阶跃折射率：11211122()()n n n nn n L cn cn c τ-∆⎛⎫∆==∆≈ ⎪⎝⎭对于 GRIN 模式展宽近似表达式为:212n L c τ∆⎛⎫∆= ⎪⎝⎭可知多模阶跃折射率光纤中模式畸变一般情形下远大于GRIN 光纤这里大家需要记住的是模式失真不依赖于光源波长或者光源线宽. 因此总的脉冲展宽:τ∆=modal modal pulse spread τ∆=dispersion material and waveguide dispersive pulse spread τ∆=那么总的色散可计算如下()g M M L τλ⎛⎫∆=-+∆ ⎪⎝⎭由于色散导致的展宽和那几个因素有关？L 、D 、λ∆7、单模截止波长2.4052aNAλπ<=那么截止波长 (小于截止波长光纤将以多模形式传输) 为:c (2)2.612.405a NA a NA πλ==8、普通光纤中传输的光信号一般是非偏振的.六、光源和光放大器1、LED P-I 特性的斜率计算. 禁带宽度(能带间隙 bandgap)与辐射波长关系g i P W e η⎛⎫= ⎪⎝⎭P g W i η=2、量子效率定义，计算。
光纤总复习一
光纤总复习一1光的自聚焦定义：不同的射线具有相同的轴向速度的现象解释：在渐变型的光纤中，纤心轴线处的折射指数最大，n随r的增加而逐渐减小。
由于v=c/r,靠近轴线处，射线速度慢，远离轴线处的速度快。
当光纤中的射线传输相同的轴线长度时，靠近轴线处的射线需要的时间长，但路程短；而远离轴线处的射线需要的时间短，但路程长。
如果折射指数n的分布取得合适，则可使不同的射线沿着不同的轨迹在相同的时间内走完规定的轴线长度。
即，光纤具有不同条件的子午线，如果他们的空间周期长度相同，则最终这些子午线同时到达终端，在光线中产生自聚焦。
2色散位移单模光纤：将零点色散点移动至1.55um处的光纤。
即，在1.55um的处，材料色散和波导色散互相补偿，在这个波长的单模光纤的总色散为零。
色散平坦光纤：在整个光纤通信的长波段（1.3―1.6um）都保持低损耗和低色散的光纤。
3光纤的色散：光纤的传输信号由不同的频率和不同的模式成分构成，有不同的传播速度，将引起脉冲波形的形状发生变化。
光脉冲在光纤的传输，随传输的距离加大，脉冲波形在时间上发生了展宽。
模式色散（存在多模光纤中，单模没有）：光纤的不同模式，在同一波长下，各自的相位常数为Bmn不同,所引起的色散材料色散：光纤本身的折射指数n和波长成非线性关系，从而使光的传播速度随波而变化所引起的色散。
波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输，其相位常数不同所引起的色散。
4光纤的非线性效应：一类是散射的作用而产生的，如：受激拉曼散射和受激布里渊散射，一类是光纤的折射指数随光的强度变化而引起的，自相位调制，交叉相位调制，四波混频受激拉曼散射：强光信号输入光纤后，引发介质中的分子振动，对入射光调制后产生新的光频，从而对入射光产生散射作用。
5．自发辐射：在不受外界的影响下，高能级的电子不稳定，自发地从高能级跃迁到低能级，发射出光子的频率为f=（E2-E1）/h.特点：它是自发跃迁，发出的是非相干光。
光纤光学重要知识点
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
程？写出该波导场方程式。
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
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1. 说明从波动方程到波导场方程两次分离变量的依据。 2. 波导场方程具有什么样的数学特征？ 3. 说明光线在SIOF和GIOF中的轨迹曲线是什么样的。 4. 传播常数的的物理意义是什么。 5. 说明V、U、W参数的物理意义及其相互关系。 6. 说明光波导数值孔径的物理意义 7. 子午光线的主要特征是什么? 8. 光线时延差影响光通信的什么性能？ 9. 在什么条件下才可以唯一确定光波导中的模式？ 10. 在纤芯和包层中选取的贝赛尔函数分别具有什么数学
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
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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1.55mm的波长损耗比1.3mm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
图1
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
色散值计算
标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度 6 nm，传输10 公里距离，色散脉冲展宽值为 :
D = 17ps/nm/km × 6 nm × 10 km = 1020 ps
对于 1 Gbps速率的光脉冲，脉宽约为 1 ns. 如果脉冲展宽 达到脉宽的20％，则系统将不能工作。上述情形显然不适 合于1 Gbps速率，因为脉冲展宽已经达到100％；但是对 于展宽为1300ps。
光纤光学复习题答案
光纤光学复习题答案1. 光纤光学中，光信号在光纤中传输的基本原理是什么？答案：光信号在光纤中传输的基本原理是全内反射。
当光信号从光纤的中心轴向侧面传播时，由于光纤的折射率分布特性，光线会在光纤的内壁上发生全内反射，从而使得光信号能够在光纤内沿轴向方向传播。
2. 光纤的折射率分布有哪些类型？答案：光纤的折射率分布主要有三种类型：阶跃型、梯度型和W型。
阶跃型光纤的折射率在纤芯和包层之间有一个突变；梯度型光纤的折射率从纤芯到包层逐渐变化；W型光纤的折射率分布则呈现出W形状，即在纤芯和包层之间有多个折射率变化区域。
3. 光纤通信中，单模光纤和多模光纤的区别是什么？答案：单模光纤和多模光纤的主要区别在于它们传输光信号的模式数量。
单模光纤只能传输一个模式的光信号，而多模光纤可以传输多个模式的光信号。
单模光纤具有较高的带宽和较低的色散，适用于长距离传输；多模光纤则适用于短距离传输，成本较低。
4. 光纤通信中，色散是如何产生的？答案：光纤通信中的色散主要是由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，导致不同波长的光信号在光纤中传播速度不同，从而产生时间延迟，这种现象称为色散。
色散可以分为材料色散和波导色散，材料色散与光纤材料的折射率特性有关，波导色散与光纤的几何结构有关。
5. 光纤通信中，衰减是如何产生的？答案：光纤通信中的衰减主要是由于光纤材料的吸收和散射造成的。
吸收衰减是由于光纤材料对光信号的能量吸收，导致光信号强度减弱；散射衰减是由于光信号在光纤内部的散射作用，使得光信号的能量分散，导致光信号强度降低。
此外，光纤的弯曲、连接和接头也会引起额外的衰减。
6. 光纤通信系统中，常用的光纤连接器有哪些？答案：光纤通信系统中常用的光纤连接器包括FC、SC、ST、LC、MU和MPO等类型。
FC连接器采用螺纹连接，具有较好的连接稳定性；SC连接器采用卡槽式连接，安装方便；ST连接器采用卡口式连接，操作简便；LC连接器体积较小，适用于高密度连接；MU连接器适用于微型光纤；MPO连接器则适用于多芯光纤的连接。
光纤光学期末试题及答案
光纤光学期末试题及答案一、选择题（每题2分，共10分）1. 光纤通信中，光纤的传输介质是：A. 铜线B. 玻璃C. 塑料D. 空气答案：B2. 光纤通信中，光的传输模式是：A. 单模B. 多模C. 单模和多模D. 以上都不是答案：C3. 光纤通信中，光的波长通常在哪个范围内？A. 400nm-700nmB. 800nm-1600nmC. 1600nm-2000nmD. 2000nm-3000nm答案：B4. 光纤通信中，光纤的损耗主要是由于：A. 材料吸收B. 散射C. 弯曲损耗D. 以上都是答案：D5. 光纤通信中，光纤的色散主要分为：A. 模式色散B. 材料色散C. 波导色散D. 以上都是答案：D二、填空题（每题2分，共10分）1. 光纤的折射率分布通常为_________型。
答案：阶跃2. 光纤通信中，_________色散会限制光纤通信的传输距离。
答案：材料3. 光纤通信中，_________色散会限制光纤通信的传输速率。
答案：模式4. 光纤通信中，光纤的损耗系数通常用_________来表示。
答案：dB/km5. 光纤通信中，_________是光纤通信系统中的关键组件之一。
答案：光放大器三、简答题（每题5分，共20分）1. 简述光纤通信的基本原理。
答案：光纤通信的基本原理是利用激光作为载波，通过光纤传输光信号，实现信息的传输。
2. 光纤通信有哪些主要优点？答案：光纤通信的主要优点包括传输距离远、传输速率高、抗电磁干扰能力强、保密性好等。
3. 光纤通信中，如何减少光纤的损耗？答案：减少光纤损耗的方法包括使用高纯度材料、优化光纤结构设计、使用波分复用技术等。
4. 光纤通信中，如何减少光纤的色散？答案：减少光纤色散的方法包括使用单模光纤、优化光纤折射率分布、使用色散补偿技术等。
四、计算题（每题10分，共20分）1. 已知光纤的损耗系数为0.2dB/km，计算1000km光纤的总损耗。
答案：总损耗= 0.2dB/km × 1000km = 200dB2. 已知光纤的色散系数为17ps/(nm·km)，计算波长为1550nm的光信号在100km光纤中的色散。
《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：
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 gM +=V 为归一化频率，∆λπ=-=221022210n an 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rr dr+ drds (),,Q xyz 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 12221n 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。
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瑞利散射
红外吸收
0.2 850
紫外吸收
1300 1550
波 长 (nm)
通信窗口：由0.85m、1.31m、1.55m到S波(1.49m~1.53m)、 C波(1.53m~1.57m)、L波(1.57m~1.61m)。
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阶跃单模光纤的的确切判据：V < 2.405
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光纤光学的研究方法
几何光学方法 适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 研究内容 d 光线 射线方程 折射/反射定理 光线轨迹 波动光学方法 d 模式 波导场方程 边值问题 模式分布
n 值相同；不同光线： n 值不同！ 同一光线：
光线分类、特征及其激励条件：
约束光线 隧道光线 折射光线
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GIOF中子午光线的轨迹
dr n 2 g r dz
2
I2 g r n r 2 n 2 r
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光线理论与波动理论分析思路
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光线方程的推导
ds dr
Q x, y , z
d dr n n ds ds
r
r dr
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。
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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
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光纤传输模式分类：
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。 传输的模式总数：
M
g V2 2( g 2 )
2 a n1 2 0
2 V为归一化频率，V k0 a n12 n2
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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）
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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。
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光纤耦合器
0.5 : 0.5
1.0 : 0.0
0.0 :1.0
1 1'
1
cos 2 ( Kz )
R 1
1'
sin 2 ( Kz )
0
1 0
2'
2
Kz
2'
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R S 1
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
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• 导模截止与远离截止条件: 模式
TE0 m TM 0 m
EH lm
J 0 U 0cm 0
c J l 2 U lm
临近截止
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)
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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。
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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。
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光纤的弯曲损耗
光纤发生弯曲
波导内完全内反射遭破坏 引起弯曲损耗
波导模转化为泄漏模甚至辐射模
弯曲损耗的种类：宏弯曲、微弯曲、过渡弯曲
导模的数目（估计）、 模组与主模标号、模斑
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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
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平方律分布的光纤、双曲正割折射率分布光纤 等光程条件
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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）
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V Vc ,
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。
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色散曲线及其物理含义
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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
2 NA ni sin im n12 n2 n1 2
物理意义与光纤传输速率的关系
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光纤光学复习
孙军强
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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 m core, 125 m cladding MMF: 50, 62.5, 100 um core, 125 um cladding Index profile: Step vs. Graded vs. multi-step…
P P L out in
10
Pout dBm Pin (dBm) L(km)
光纤的衰减系数与损耗的关系：
10 f log10 e
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2.5
第一传输窗口
损 耗 (dB/km)
第二传输窗口 第三传输窗口
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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 (6) 色散补偿光纤： (7) 全波光纤： 消除OH的吸收损耗 降低非线性效应的影响。
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
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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、VAD、 PCVD）、拉丝、涂覆、成缆
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光纤色散概念与种类 各类色散的计算、色散位移概念
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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。
远离截止
J 1 U 0m 0
J l U
c lm
c lm
HElm
0 0 l 1
l 1
J l 1 U lm 0
J 1 U
0
J l 1 U lm 0
*除了HE1m模式以外,U不能为零
c U U , U • 模式本征值 、l 满足： lm lm lm