光纤光学总复习
光纤光学-文档资料
22
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
02.07.2020
23
GIOF中的最佳折射率分布
近轴子午光线： P2/ A
02.07.2020
P2/n(r0)nc0 oA sz(r0) 24
02.07.2020
21
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
02.07.2020
(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
02.07.2020
11
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
02.07.2020
15
角向运动特点
• 光线的角动量：
r2ω=r2dφ/dt=
Ic/
2n 恒为常数
《光纤光学》总复习
光纤光学复习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 claddingMMF: 50, 62.5, 100 um core, 125 um claddingIndex 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，Δλπ=−=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2011-04-29光线方程的推导rv r dr+v v drv ds (),,Q x yz d dr n n ds ds ⎛⎞⇒=∇⎜⎟⎝⎠vSIOF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Δ=−==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。
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
14
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。
8
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
3
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
13
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
5
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
15
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。
光纤复习整理
光纤复习整理光纤复习整理-----郭1、物质内部三种跃迁过程，半导体激光器发光原理。
⼯作物质和泵浦源是实现光的⾃发发射、受激吸收和受激发射的最基本条件。
⾃发发射：⼤量处于⾼能级的粒⼦，各⾃分别发射⼀列⼀列频率为ν=(E2 -E1) /h ) 的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振⽅向，沿所有可能的⽅向传播。
各光⼦彼此⽆关。
LED受激发射：处于⾼能级：E2的粒⼦受到光⼦能量为ε的光照射时，粒⼦会由于这种⼊射光的刺激⽽发射出与⼊射光⼀模⼀样的光⼦，并跃迁到低能级 E1上。
有相同的偏振⽅向和传播⽅向。
LD受激吸收:低能级粒⼦吸收光⼦能量跃迁⾄⾼能级。
2、LD 采⽤双异质结结构的好处：（简答题）双异质结中存在的禁带宽度的差加强了对载流⼦的限制作⽤，存在的折射率差加强了对光⼦的限制作⽤，对光⼦和载流⼦限制作⽤的加强，提⾼了载流⼦的利⽤效率，减⼩了光⼦的损失，因⽽激光器的阈值电流降低，激光器的输出功率提⾼。
3、常⽤的线路编码码型：扰码、字变换码、插⼊型码。
mBnB码的缺点是在信号传输速率不变的情况下提⾼了线路信号传输速率。
4、PIN与APD的⼯作原理PIN：让中间吸收层尽量较厚，扩散区尽量变薄是降低扩散分量，提⾼响应速度的⼀种⽅法。
APD：利⽤雪崩倍增效应实现内部电流增益的半导体光电转换器件。
（不改变量⼦效率）5、接收机灵敏度基本概念光接收机灵敏度是表征光接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能⼒。
6、光隔离器⽤途：放置于激光器及光放⼤器前⾯，防⽌系统中的反射光对器件性能的影响甚⾄损伤，即只允许光单向传输。
结构：由起偏器、检偏器和旋光器组成。
（填空题）7、SDH帧结构的组成部分及其作⽤（简答题）1）信息净负荷，作⽤：STM-N帧中放置各种业务信息的地⽅。
2）段开销，作⽤：对STM-N整体信号流进⾏性能监控。
3）管理单元指针，作⽤：定位低速信号在STM-N帧的净负荷中的位置，使低速信号在⾼速信号中的位置可预知。
光纤光学重点
一、名词解释1.光纤光栅（P144）：通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅2.数值孔径：入射媒质折射率与最大入射角的正弦之积3.基模模场半径(P101)：基模场在光纤的横截面分布曲线中心最大值e-1处所对应的半径。
4.子午光线：子午面上传播的光线5.光隔离器（P140）：是一种基于法拉第旋转的非互易性的传输器件，只允许光波沿着一个方向传输（光信号沿着指定正方向传输时损耗低，光路被接通），而另一个方向的传输是禁止的。
6.平均能流密度（P20）：在足够长的观测时间内平均单位时间内通过单位面积的能量。
能流密度（百度）：在一定的空间范围内，单位面积所取得的或单位重量能源所能产生的某种能源的能量或功率。
7.相速度（P19）：场的等相位面沿Z轴的传播速度。
群速度（P19）：光脉冲或波包的中心或光能量沿Z轴的传播速度，也即场的等幅面沿z 轴的传播速度。
8.群速度色散：在高速大容量的光纤通信中，由于光纤介质表现出非线性，光脉冲包络的形状会发生变化，这种影响光信号的接收的变化成为群速度色散9.光无源器件（P122）：有光纤式和光纤耦合分立元件两种，前者利用自身特性直接实现功能，后者利用光学元件对光的传播特性进行交换，并用透镜奖器件和光纤耦合。
10.自聚焦透镜（P122）：芯径大，长度短，数值孔径大，光线在其中的传播轨迹为正弦曲线。
由一点发出的不同角度的光线经过一周期的传播后又汇聚到另一点的类似平方律折射率分布光纤。
11.模式色散：在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，到达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽12.传播常数（P17具体看书）：纵向传播常数β：导模的相位在Z轴单位长度上的变化量，波矢在Z轴上的投影β=K·e z=nk0cosθz；横向传播常数：波矢k的横向分量，U和W分别反映了导模在芯区中的驻波场的横向振荡频率，W值则反映了导模在包层中的消逝场的衰减速度二、简答题1.光纤导光的基本原理全反射原理2.什么是光纤的色散？光纤的色散主要有几种？其对光纤通信有何影响？在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成分或不同的模式分量以不同的速度传播到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象叫做光纤的色散。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
8
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题3
主模式号为14的模群中所含的精确模式总 数为：
– A、14； – B、26； – C、28； – D、7
9
ห้องสมุดไป่ตู้
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题4
通常将光纤通信划分为三个传输窗口，其 主要原因是：
– A、光纤的弯曲损耗； – B、OH－吸收损耗； – C、过渡金属离子吸收； – D、瑞利散射损耗。
10
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
l l
选择题5
线偏振模的模斑为：
– A、径向亮斑数为2m，角向亮斑数为 l，而且 中心为暗；
– B、色散位移的目的是使零色散波长与最低损 耗波长一致；
– C、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；
– D、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
18
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题13
以下关于自聚焦透镜论述错误的是：
– A ：对于结构参数给定的光纤，其中传输的模式 是唯一确定的；
– B：TE01、TM01和HE21模具有相同的截止频率； – C：每一个模式都有自己对应的截止频率； – D：HE11模是唯一不能截止的模式。
7
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题2
光纤中能够支持的模式由光纤波导本身决 定，但光纤中能够激励出的模式与很多因 素有关，问光纤中实际能够激励出的模式 与下列哪些因素无关：
模拟考试
一、选择题（下列各题四个备选答案中只有 一个正确答案，请将其代号写在题干前面 的括号内。每小题1.5分，共30分）
二、简答题（每小题5分，共20分） 三、设计题（每小题10分，共20分） 四、计算题 (共30分)
6
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题1
有关光纤中传输的模式，下列哪一个命题是 错误的？
3
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
光纤器件
重要概念
– 自聚焦透镜的成像特性、光纤耦合器/WDM器 件的工作原理及设计、光隔离器/环行器的工作 原理及设计、光纤光栅的工作原理及设计、光 纤激光器与放大器的工作原理及设计。
重要公式
– 准直透镜输出光束半径和发散角、耦合器分支 功率计算、不同耦合比对应的最小耦合长度、 光纤光栅中心波长。
4
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
光纤连接与耦合
重要概念
– 光纤连接损耗来源、光纤连接损耗特点、透镜 耦合系统、光束变换特性、有源对准（局部损 耗法）。
重要公式
– 端面反射损耗计算、模场失配损耗计算、朗伯 光源耦合损耗计算、半导体激光器耦合效率计 算。
5
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
– B、径向亮斑数为m，角向亮斑数为2l，而且 中心为暗；
– C、径向亮斑数为2l，角向亮斑数为m，而且中 心为亮；
– D、径向亮斑数为l，角向亮斑数为2m，而且中 心为亮。
l
11
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题6
光纤的损耗是由许多不同因素造成的，其 中不可能消除的因素是：
– A、弯曲损耗； – B、OH－吸收； – C、过度金属离子吸收； – D、瑞利散射
光线理论
重要概念
– 光波导、光纤分类、子午光线、数值孔径、传输 容量、传光传像特性、散焦面、广义折射率定理、 光线轨迹及特点、光线分类
重要公式
– 射线方程、散焦面半径、折射率分布、数值孔径
1
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
模式理论
重要概念
– 模式定义及性质、模式分类及场分布特点、模 式简并、线偏振模、主模、分离变量法、传播 常数、导模截止与远离截止、基模场分布函数、 基模偏振特性、色散曲线分析、模式确定及数 目分析、导模光斑分布图、模式输出特性、 WKB近似方法思路
对于1330nm的单模光纤，当入射光中心波 长为1550nm，光谱宽度为10nm时，不可 能存在的色散是哪一个？
– A、模间色散； – B、材料色散； – C、波导色散； – D、偏振模色散。
14
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题9
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？
16
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题11
以下那一种是非零色散位移光纤：
– A、G．655光纤； – B、G．653光纤； – C、G．652光纤； – D、G．651光纤。
17
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题12
有关光纤中的色散论述错误的是：
– A、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；
12
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题7
一光信号在光纤中传播了5000m,功率损耗 了15%，该光纤的损耗是
– A、0.14dB/km； – B、0.71dB/km； – C、0.64dB/km； – D、0.32dB/km。
13
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题8
重要公式
– 波导场方程、截止与远离截止条件、单模工作 条件、模式数目、归一化工作频率、模群精确 模式数目。
2
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
光纤性能
重要概念
– 损耗机理、光通信窗口、色散机理、色散补偿、 损耗测试的三种方法（后向散射法OTDR）、 不同型号的通信光纤性能。
重要公式
– 材料色散与波导色散的计算、脉冲展宽的计算、 模场半宽的计算、截止波长的计算
– A、0.25节距的GRIN的物方焦点在透镜入射平 面上
– A、NA越大，光纤的收光能力越大； – B、NA越大，光纤的收光角越大； – C、NA越大，光源与光纤的耦合效率越高； – D、NA越大，多模光纤的模式色散越小。
15
孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
选择题10
下列光纤的色散，由小到大的排列次序为：
– A、多模的GIOF、多模SIOF、单模光纤； – B、多模SIOF、多模的GIOF、单模光纤； – C、单模光纤、多模的GIOF、多模SIOF； – D、多模SIOF、单模光纤、多模的GIOF