光纤光学教学大纲
光纤理论及技术课程教学大纲
《光纤理论与技术》课程教学大纲一、课程基本信息课程编号：课程中文名称：光纤理论与技术课程英文名称：Optical Fiber Theory and Technology课程性质：专业主干课考核方式：考试开课专业：电子科学与技术、光信息科学与技术开课学期：5总学时：96学时（其中理论64学时，实验40学时，考核2学时）总学分：6学分二、课程目的和任务光纤理论与技术是现代光通信、光传感以及分析测量领域的关键基础课程之一。
课程目的是使学生掌握现代光波导、光器件基本原理与技术的基础知识极其发展趋势，结合光通信技术、光纤传感与测量等应用技术，通过系统的理论教学过程及系列实验过程，培养学生掌握光纤基础理论及应用相关技术和器件的能力。
该课程的任务是为信息工程、电子科学与技术、光信息科学与技术、测控技术与仪器仪表等专业的本科生在光纤理论、光纤通讯、光纤传感及其它光纤应用技术方面奠定基础理论并培训实验技能。
三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）本课程力求通过主要概念和关键性实验技术来学习掌握光纤的基本原理和应用技术。
本课程将重点放在光波导理论与实验、光纤基本原理与实验等光纤基础教学内容。
在内容上，除了做到加强基础实验内容外，还兼顾前沿的最新发展。
每部分内容都提供了翔实的理论背景和原理，力求做到每项实验即具有代表性的理论基础，又具有丰富的实验内涵，充分体现了本课程的理论与技术特色。
旨在通过本课程的学习，不仅使学生获得充分的理论背景知识，更使学生确实掌握光纤技术的实际知识和技能。
本课程将相关的理论知识寓于实验中，内容彼此衔接、互相补充，相互印证，使之成为一个有机的整体。
尝试采用理论背景知识与实验交叉融合的方式，希望充分调动学生的学习积极性，使学生的感性认识和理性认识这两个认识过程互动，并相互促进学生对本课程内容的理解、使学生对光纤技术知识本身的认识不断深化。
四、教学内容与学时分配本课程包括理论54学时，实验40学时（共12个实验），考核2学时。
《光纤光学教学课件》第十四讲
光纤传输特性
探索光纤传输的特性，例如传输损耗、色散和带宽。了解如何优化光纤传输 系统以实现高效率和稳定性。
单模光纤和多模光纤
分析单模光纤和多模光纤之间的区别和应用场景。了解如何选择适合特定需求的光纤类型。
光纤的损耗和色散
研究光纤传输中的损耗机制，包括吸收损耗和散射损耗。探讨色散现象及其 对信号传输的影响。
光纤通信系统
了解光纤通信系统的基本组成部分，包括光纤传输、调制和解调、光放大和接收等关键技术。
光纤传感技术
介绍光纤传感技术在各个领域的应用，包括环境监测、医疗诊断和工业控制等。探讨其优势和未来发展趋势。
《光纤光学教学课件》第 十四讲
欢迎来到第十四讲！今天我们将探讨光纤光学的精彩ห้องสมุดไป่ตู้界。通过深入了解光 纤的结构和工作原理，我们将揭开它在通信和传感技术中的重要性。
光纤光学概述
了解光纤的起源和发展历程，掌握光纤在信息传输中的基本原理，并了解光 纤的主要应用领域。
光纤结构和工作原理
深入研究光纤的结构组成，包括纤芯、包层和包层材料，以及光纤中的光传输和衰减机制。
《光纤光学教学课件》第十九讲
光纤传感器的原理与分类
原理
光纤传感器利用光在光纤中的传输特性变化来检测各种物理量（如温度、压力、 位移、速度等）的变化。当外界参数作用于光纤时，光纤中光的强度、相位、波 长等会发生改变，从而检测出外界参数的变化。
分类
根据不同的分类标准，光纤传感器可以分为多种类型。按工作原理可分为功能型 和非功能型；按被测物理量可分为强度型、干涉型、偏振型和分布式光纤传感器 等；按应用领域可分为工业、环境、医疗和军事等领域的光纤传感器。
04 新型光纤技术及发展趋势
CHAPTER
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型光纤，其结构由石英、聚合物或复合材料制成，具有光子 带隙特性。
光子晶体光纤具有高非线性、低损耗、低色散等优点，在光通信、光传感、激光等 领域具有广泛的应用前景。
光子晶体光纤的制造工艺主要包括微纳加工、化学气相沉积等，其应用场景包括光 子晶体激光器、光子晶体光纤传感器等。
光纤的传输损耗
光纤的传输损耗
光纤在传输过程中会因为吸收、散射和弯曲等原因产生能量损耗，这些损耗限 制了光信号的传输距离和信号质量。
减小传输损耗的方法
通过采用低损耗光纤、优化光纤制造工艺、减小光纤弯曲半径等方法可以减小 光纤的传输损耗。
02 光纤通信系统概述
CHAPTER
光纤通信系统的组成
光纤
传输光信号的介质，由石英等 材料制成。
在成本方面，多模光纤制造成本较低，而单模光纤制 造成本较高。
光纤技术的发展趋势
未来光纤技术的发展将更加注重高带宽、高速率、低损耗、低色散等方 面。新型光纤材料和制造工艺的不断涌现，将推动光纤技术的进一步发 展。
新型光纤技术还包括光子晶体光纤、光子带隙光纤等，这些光纤具有优 异的光学性能和潜在的应用前景。
《光纤光学教学课件》第十二讲
光纤制造工艺
1
材料选取
选择合适的光纤材料，如石英玻璃，以获得优异的光学特性。
2
预制棒制备
通过拉伸和涂层等工艺制备光纤的预制棒。
3
光纤拉制
将预制棒拉制成细长的光纤，并进行光学性能测试。
光纤连接技术
连接器类型
了解光纤连接器的种类和使用场 景，如SC、LC和ST等。
光纤熔接
学习光纤熔接技术，实现低损耗 和高可靠性的光纤连接。
光纤测试
掌握光纤测试的方法和仪器，确 保光纤连接质量和性能。
光纤应用领域
通信应用，推动信 息社会的发展。
医疗成像
探索光纤在内窥镜和激光手 术等医疗设备中的应用，提 高诊疗效果。
传感与测量
学习光纤传感技术，实现温 度、压力和应变等物理量的 测量。
总结与展望
《光纤光学教学课件》第 十二讲
欢迎来到光纤光学的精彩世界！本课程将带你深入了解光纤的基础知识、传 输原理、制造工艺、连接技术以及应用领域。
引言
光纤光学是一门研究光的传输与控制的学科。通过光纤的高速传输，我们可 以实现远距离通信、高速互联网和医疗成像等众多应用。
光纤基础知识
折射与全反射
了解光的折射和光纤中的全 反射原理是理解光纤光学的 基础。
通过本课程的学习，你已经掌握了光纤光学的基础知识和应用技术。希望你 能将所学知识应用到实际工作中，推动光纤光学的发展和创新。
光的传播特性
学习光纤中的传输损耗、色 散等特性，并掌握如何优化 传输效果。
光纤结构与类型
探索不同类型的光纤结构和 其特点，了解光纤在通信中 的应用。
光纤传输原理
多模光纤
单模光纤
了解多模光纤的工作原理和适用 场景，如数据通信和计算机网络。
2020090 光纤光学(中英文)(2011)
天津大学《光纤光学》课程教学大纲课程编号：2020090 课程名称：光纤光学学时：32 学分： 2学时分配：授课：32 上机： 0 实验： 0 实践： 0 实践（周）：授课学院：精密仪器与光电子工程学院适用专业：电子科学与技术（光电子方向）、光电子技术科学、光学工程先修课程：激光原理、物理光学一、课程的性质与目的本课程是一门专业选修课。
通过本课程的学习，学生应能掌握光纤光学的基本理论和基本方法，分析和解决光纤光学中的实际问题，同时了解光纤光学的应用和发展动态。
二、教学基本要求1.了解光纤的基本应用领域，系统掌握光纤的基本性质和光纤中的光传输的基本理论，并能运用这些基本理论解释、推导光纤光学中的有关问题。
2．掌握分析和衡量光纤无源、有源器件性能的基本方法，熟知各类器件的基本特性、使用方法和基本应用，了解当前国内外相关的前沿动态和研究热点趋势。
3．熟知光纤领域研究中基本参数的测量方法、原理和使用的测量仪器。
能运用仪器进行简单操作。
三、教学内容第一章光纤概述本章主要介绍光纤的基本应用领域、光纤的基本特性和分析方法。
1 绪论2 光纤概述3光波在光纤中的传播特性4 光纤的色散特性5 光纤的损耗6单模光纤中的非线性效应第二章光无源器件本章主要介绍光纤光学中常用的光无源器件，分析各类器件的基本原理和特性、衡量指标以及典型应用。
1光纤连接器2光纤耦合器3 偏振控制器4光隔离器）5 光滤波器/复用器第三章光有源器件本章主要介绍光纤光学中基本的光有源器件及其典型应用，分析各类器件的原理、特性。
1 光调制器2光放大器3 光纤激光器第四章故障诊断和测试设备简介本章主要介绍光纤光学中常见参数的测量方法和常用的测量仪器。
1 光功率测量2 波长和频率测量3 时间测量4 信号质量测量5 光时域反射计四、学时分配五、评价与考核方式平时成绩10％，期末成绩90％六、教材与主要参考资料1.《光纤光学》，廖延彪编著，清华大学出版社，19992.《光纤光学》，Jeff. Hecht 著，贾东方等译，人民邮电出版社, 20043.《光无源器件》，林学煌等编著，人民邮电出版社，19984.《光通信器件与系统》，J. H. Franz 著，徐宏杰等译，北京电子工业出版社，20025．Fiber-Optic Communication Systems, G. P. Agrawal，A John wiley & Sons, Inc.Publication，2002TU Syllabus for Fiber OpticsCode: 2020090Title: Fiber Optics Semester Hours: 32 Credits: 2Semester Hour Structure Lecture：32 Computer Lab：Experiment：Practice：Practice (Week)：Offered by:College of precision instrument and opto-electronicsengineeringfor: Electronic science and technology (optoelectronics); opto-electronic technology science; information engineeringPrerequisite: Laser principle, physical optics1. ObjectiveWe start by covering the basics of fiber optics theories, fiber structures and characteristics. Light propagation through multi-mode and single-mode optical fibers is studied, including the effects of dispersion, attenuation and nonlinear effects. The passive and active optical fiber components are also covered extensively, including the basic principles, parameters and applications. The last part of the course focused on instruments usually used in fiber systems.2. Course DescriptionThis course is a specialized optional course. This course covers the fundamentals of fiber optics. Its goal is to help students develop a thorough understanding of the underlying physical principles and possess analytical ability to deal with problems of fiber systems. Students are also expected to know applications and developmental tendency of fiber optics.3. TopicsChapter 1 Introduction1 Introduction of fiber2 Light propagation in fibers3 Group-velocity dispersion4 Fiber losses5 Nonlinear effects in fibersChapter 2 Passive fiber devices1 Fiber connectors2 Fiber couplers3 Polarization controllers4 Optical isolators5 Optical filtersChapter 3 Active fiber devices1 Optical modulators2 Optical Amplifiers3 Optical fiber lasersChapter 4 Instruments in fiber systems1 Optical power measurements2 Wavelength and frequency measurements3 Time measurements4 Signal quality measurements5 OTDR4. Semester Hour StructureHomework 10%, Final exam 90%6. Text-Book & Additional Readings1. Fiber optics, Liao Yanbiao, Tsinghua University Press, 19992. Fiber optics, Jeff. Hecht, People postal Press, 20043. Passive fiber devices, Lin Xuehuang, People postal Press, 19984. Optical communications components and systems, J. H. Franz, Beijing electronic industry Press, 20025．Fiber-Optic Communication Systems, G. P. Agrawal，A John wiley & Sons, Inc.Publication，2002。
光纤光学-第2章-光纤光学原理及应用(第二版)-张伟刚-清华大学出版社
光纤光学》《光纤光学第二章光纤光学的基本理论南开大学张伟刚教授第2 章光纤光学的基本理论2.1 引论2.2 光纤的光线理论222.3光纤的波动理论2.1引论2.1.1光线理论可以采用几何光学方法分析光线的入1.优点：的多模光纤时2.不足：2.1.2波动理论2.不足：2.1.3分析思路麦克斯韦方程光线理论波动理论2.2光纤的光线理论 2.2.1程函方程问题2.1：(r , t )z y x e z e y ex r ˆˆˆ++=G ),(t r E G G ),(t r H G G G G G G G G )0,0(0===t r E E )0,0(0===t r H H )(r G φφ=(2.1) 00ik i t E E e ϕω−+=G G (2.2)00ik i t H H e ϕω−+=G G 000)()()(000E e e E e E E ik ik ik G G G G ×∇+×∇=×∇=×∇−−−φφφik ik −−G G []φφφ00000)()(e E ik e E ×∇−×∇=φ0ik e E ik E −×∇−×∇=G G (2.3)[]φ000)((2.3)G G G G (24)[]φφφ000000)()(ik ik e H ik H e H H −−×∇−×∇=×∇=×∇(2.4) (21)(22)(25)(28)(2.1)(2.2)(2.5)(2.8)B ∂G G t E ∂−=×∇G (2.5)(26)t D H ∂∂=×∇G (2.6)G G 0=⋅∇D (2.7)(28)0=⋅∇B (2.8)(2.9)(2.10)(2.9)E D G G ε=G G (210)）HB μ=(2.10) 因光纤为透明介质（无磁性），于是0μμ≈ωi t =∂∂φμωμ0000ik e H c ik H i E −−=−=×∇G G G (2.11) φεωε0ik e E i c ik E i H −==×∇G G G (2.12) 00()(2.32.3))(2.112.11))(2.42.4))(2.122.12))G G G −=−000000)(H c ik E ik E μφ×∇×∇00000)(E c ik H ik H G G G εφ=×∇−×∇1G G G ∇=−(213)00000)(E ik H c E ××∇μφ1H k E c H G G G ×∇=+×∇ε(2.13) (2.14) 0000)(ik φ()H G 0[]000200)(1)(1)(1)(E c E E E G G G G εφφφφμφ−=∇−∇⋅∇=×∇×∇000c c c μμ(2.15)λ→0000)(H c E G G μφ=×∇(2.16) 00)(E c H G G εφ−=×∇(2.17)问题2.2：(2.15)(2.16)000E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G (2.18a) (218b)∇∇G G (2.18b)0E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G 、、三个矢量相互垂直三个矢量相互垂直！！0E 0H ϕ∇(2.1(2.188)(2.1(2.155)r c εεμεμφ===∇00221)((2.19)22(220)με00)(n =∇φ(2.20)G G =)()(r n r ∇φ(2.21)221)G (2.21)“程函方程” ()r φ程函方程的物理意义：讨论讨论：r G ∇()φ)(r G φ∇“”n r G 场源()(2.2.2121))),,(),,(),,(),,(2222z y x n z z y x y z y x x z y x =⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+⎥⎤⎢⎡∂∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂φφφ(2.22)⎦⎣问题2.3：(2.2.2121))2.2.2 光线方程根据折射率分布，可由程函方程求出光程函()r Gφ为此，可从程函方程出发推导光线方程。
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）。
《光纤光学教学课件》第二讲
2020/4/22 © HUST 2012
2020/4/22
c.光纤器件所涉及到的方面：
①自聚焦透镜； ② 光纤耦合器； ③ 光学隔离器、光学环形器； ④ 光纤光栅； ⑤ 光纤放大器与光纤激光器。
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光纤光学的研究方法
几何光学方法：
光纤芯径远大于光波波长λ0时, 可以近似认为λ0→0，从而将 光波近似看成由一根一根光线所构成, 因此可采用几何光学方法来分 析光线的入射、传播(轨迹) 以及时延(色散) 和光强分布等特性，这 种分析方法即为光线理论。
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Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
2020/4/22
Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
优点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。 缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分 布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。
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波动光学方法：
是一种严格的分析方法，从光波的 本质特性电磁波出发， 通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁波的场分布。
Constructive interference
Multi-stack mirror is 1D photonic bandgap device Total reflection for Δ centred around
光纤光学讲义三PPT课件
放大光信号，提高传输距离和可靠性。
半导体光放大器（SOA）和掺铒光纤放大器（EDFA）
SOA通常用于信号处理和逻辑门，EDFA则广泛应用于长距离通信。
光纤通信系统的性能指标
带宽与色散
带宽决定了传输速率，色散则 影响信号质量。
损耗与增益
光纤的损耗和增益对系统性能 有重要影响。
噪声与信噪比
噪声会影响信号质量，信噪比 则是衡量信号质量的重要参数 。
塑料光纤
由塑料材料制成，具有成本低、柔软 易弯曲的特性，通常用于短距离照明 、显示等领域。
光纤的损耗与色散特性
损耗特性
光纤传输光信号时会因为吸收、散射等原因产生能量损耗。石英光纤的损耗较 低，而塑料光纤的损耗较高。
色散特性
光信号在光纤中传输时会产生时延，导致信号畸变。石英光纤的色散较小，适 用于长距离通信；而塑料光纤的色散较大，适用于短距离应用。
05
光纤光学的未来发展
光子晶体光纤与光子束纤维
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型的光纤，其纤芯由光子晶体构成。由于其具有高非线性、低损耗、易于制作 等优点，因此在光通信、光学传感、激光器等领域具有广泛的应用前景。
光子束纤维
光子束纤维是一种能够传输高功率光束的特种光纤。它具有高强度、高光束质量、高稳定性等优点， 因此在激光武器、激光雷达、高能物理等领域具有重要的应用价值。
光纤互联网
利用光纤传输技术，实现全球范围内的互联互通，提供高速 、稳定的网络服务。
光纤物联网
通过光纤网络连接各种物联网设备，实现智能化、远程控制 等功能。
光纤传感技术及其应用
光纤传感原理
利用光纤的传光特性，感知外界物理 量（如温度、压力、位移等）的变化。
yk 光纤光学第一章2
GIOF中光线的传播 GIOF中光线的传播:子午光线 中光线的传播:
广义 折射定律
局部数值孔径 NA(r) 入射点媒质折射率 与该点最大入射角 的正弦值之积
外散焦面
导光条件
n(r0)cos z(r0) =n(常数 θ )
GIOF： GIOF：折射型光纤 －－广义折射定律 －－广义折射定律 SIOF： SIOF：反射型光纤 －－内全反射原理 －－内全反射原理
r a r ip r ic z1 z2
r-z关系曲线 关系曲线 关于z 关于 1和z2 对称并呈周 期性振荡
z
光线分类判据
n2(dr/dz)2＝g(r)
判据: 判据
g (r ) = n (r ) − I / r − n
2 2
[
2
]
2
当g(r)≥0时,光线存在 时 光线存在 当g(r)＜0时,为光线禁区 ＜ 时 为光线禁区 当g(r) = 0时,为内外散焦面 时 为内外散焦面
光线转折点(r 的 光线转折点 ip)的 集合
n2 < n < n1
NAr0) =n0(r0)sin imaxr0) ( θ (
2 = n2(r0)−n2
GIOF中光线的传播 GIOF中光线的传播: 倾斜光线 中光线的传播:
轴向分量z 射线方程 rr r d d drdr r (n(n ) ) =∇n((r ) = ∇n r ) dS dS dS dS 角向分量φ
2
n (dr/dz) ＝g(r)
2
两边同乘以n(r)可得 两边同乘以n(r)可得： 可得：
2
2
I g (r ) = n (r ) − n − 2 r
2 2
径向运动特点
•对于相同 值 对于相同r值 对于相同 ，dr/dz可正 可正 可负 •在z1和z2处 在 分别达到最 大和最小 (dr/dz=0)
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光纤光学教学大纲
一、课程名称：光纤光学 Fiber Optics
二、课程编码：0804562
三、学时与学分：40学时/2学分
四、先修课程：《应用光学》、《物理光学》
五、课程教学目标
《光纤光学》课程重点讲述光纤的基本理论与应用技术，通过本课程的学习，使学生了解和掌握光纤传输的基本原理，能够运用几何光学和波动光学方法分析光纤传输特性，培养学生掌握光纤通信、光器件以及其他光电技术所需要的基本技能，为将来的实际应用打下基础。
六、适用学科专业
适用学科：物理电子学、电子科学与技术
适用专业：光信息科学与技术、光电信息工程
七、基本教学内容与学时安排
第一章绪论（4学时）
1.1 引言
1.2 光纤概述
第二章光纤光学的基本方程（2学时）
第三章阶跃折射率分布光纤（6学时）
3.1 几何光学方法分析错误!未定义书签。
3.2 波导场方程、导模本征解及模式分析
3.3 弱导光纤与线偏振模
第四章渐变折射率分布光纤（6学时）
4.1 几何光学分析
4.2 波导场方程及模式性质
4.3 任意折射率分布光纤及单模光纤中的导模场解
第五章光纤的特征参数与测试技术（6学时）
5.1 光纤的损耗
5.2 光纤的色散与带宽
5.3 光纤参数测试技术
第六章光纤无源及有源器件（10学时）
6.1 自聚焦透镜
6.2 光纤定向耦合器
6.3 光隔离器与环行器
6.4 光纤光栅
6.5 光纤放大器与光纤激光器
第七章光纤的连接与耦合（4学时）
7.1 光纤的连接
7.2 光纤的耦合
第八章光子晶体光纤（2学时）
八、教材与参考书
教材：《光纤光学》第二版，刘德明等，科学出版社
参考书：
1、《导波光学》，范崇澄等，北京理工大学出版社
2、《光波导及其应用》，徐森禄等，浙江大学出版社
九、考核方式
半开卷考试
十、其他说明
无。
主笔人：鲁平
审定人：刘德明。