光纤模态计算
光纤新型结构设计考核试卷
A.光纤的芯径
B.光纤的数值孔径
C.光纤的色散
D.光纤的损耗
8.以下哪些方法可以降低光纤的色散？（）
A.改变光纤的芯径
B.改变光纤的包层结构
C.增加光纤的折射率差
D.减少光纤的芯径
9.在光纤通信系统中，以下哪些光纤结构适合长距离传输？（）
A.单模光纤
B.非零色散位移光纤
3. NZ-DSF通过在1550nm窗口提供非零色散，抑制非线性效应，实现长距离传输。原理：色散与波长关系设计，避免无色散导致的非线性问题。
4.宏弯损耗因光纤弯曲时光路改变导致。设计如U型折射率分布、纤芯位移型结构，可降低损耗。
B.低折射率差光纤
C.纤芯位移型光纤
D.常规多模光纤
18.在光纤设计中，以下哪种方法可以改变光纤的色散特性？（）
A.改变光纤的芯径
B.改变光纤的包层折射率
C.改变光纤的数值孔径
D.改变光纤的损耗
19.以下哪种光纤结构适用于高功率传输？（）
A.单模光纤
B.多模光纤
C.空心光纤
D.塑料光纤
20.在光纤通信系统中，以下哪种新型结构的光纤可以提升系统容量？（）
A.常规单模光纤
B.多模光纤
C.非零色散位移光纤
D.空心光纤
（以下为试卷其他部分，因内容较多，不再展开）
二、多选题（本题共20小题，每小题1.5分，共30分，在每小题给出的四个选项中，至少有一项是符合题目要求的）
1.以下哪些因素会影响光纤的传输损耗？（）
A.光纤的材料
B.光纤的长度
C.光纤的弯曲半径
A.光纤的折射率
B.光纤的模态
C.光纤的色散
多模光纤和单模光纤的区别
光纤的类型1．单模光纤单模光纤中，模内色散是比特率的主要制约因素。
由于其比较稳定，如果需要的话，可以通过增加一段一定长度的“色散补偿单模光纤”来补偿色散。
零色散补偿光纤就是使用一段有很大负色散系数的光纤，来补偿在1550nm处具有较高色散的光纤。
使得光纤在1550nm 附近的色散很小或为零，从而可以实现光纤在1550nm处具有更高的传输速率。
在单模光纤中，另一种色散现象是偏振模色散（PMD），由于PMD是不稳定的，因而不能进行补偿。
2．多模光纤多模光纤中，模式色散与模内色散是影响带宽的主要因素。
PCVD工艺能够很好地控制折射率分布曲线，给出优秀的折射率分布曲线，对渐变型多模光纤（GIMM），可限制模式色散而得到高的模式带宽。
全系统带宽达到一定程度时，同样也受到模内色散的制约，尤其在850nm处，多模光纤的模内色散非常大。
一些国际标准给出的多模光纤在850nm处的色散系数为-120ps/（nm·km），而PCVD多模光纤的色散值介于-95～-110 ps/（nm·km）。
单模光纤(Single-mode Fiber)：一般光纤跳线用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。
多模光纤(Multi-mode Fiber)：一般光纤跳线用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传输距离较短。
光纤使用注意！光纤跳线两端的光模块的收发波长必须一致，也就是说光纤的两端必须是相同波长的光模块，简单的区分方法是光模块的颜色要一致。
一般的情况下，短波光模块使用多模光纤（橙色的光纤），长波光模块使用单模光纤（黄色光纤），以保证数据传输的准确性。
光纤在使用中不要过度弯曲和绕环，这样会增加光在传输过程的衰减。
光纤跳线使用后一定要用保护套将光纤接头保护起来，灰尘和油污会损害光纤的耦合。
为什么多模光纤比单模光纤用的频繁？在什么情况下应该用单模光纤？一般来说，多模光纤要比单模光纤来的便宜。
RP Fiber Power 光纤中基于模态或数值光束传播的光场传播
RP Fiber Power 光纤中基于模态或数值光束传播的光场传播在许多情况下，需要计算具有一定横截面的光场如何通过介质传播，(例如光纤)。
显然，如果我们需要完整的横向截面，简单的功率传播是不能使用的。
如下有一些基本不同的数值方法可以使用：1、计于模态的方法这里，我们首先计算光纤的模态——通常只考虑导模。
对于每一个模态，我们可以简单地用包含初始场和模态振幅函数的重叠积分来计算复振幅。
然后，我们用一个相位因子乘以每个模态振幅;相位延迟仅仅是该模式(可以参考RP Fiber Power 中的模式求解器)的相位常数(β值)乘以传播距离。
然后，我们可以利用修正的模态振幅，将整个场集合为模态函数的叠加。
与模态有关的传播损耗当然也可以很容易地考虑进去——简单地以复传播常数的形式考虑进去。
2.数值光束传播这是一种完全不同的方法即数值光束传播法。
在此，我们使用一种数值算法，可以计算出一段较短的传播距离后的场，并且计算结果具有合理的精度。
随后执行许多类似这样的步骤，可以获得更远距离的传播。
对于光束传播有不同的算法。
有些是基于有限单元法或类似方法的，而另一些是基于傅里叶变换(分步傅里叶方法)。
从技术上讲，看起来很困难且难以实现，但是我们的RP Fiber Power软件提供了这样的功能特性，使用起来也相当简单。
可以点击"阅读原文"联系我们，获取详情。
比较下面，我们将讨论在具体情况下使用哪种方法或者排除哪种方法的各个方面。
显然，基于模式的方法的计算量并不依赖于传播距离。
只是在长距离时，模态的相位常数的小误差变得更加关键。
这不仅仅是一个数值问题:任何真正的光纤都会因为它的相位常数而表现出它的参数的波动。
因此，在较大的传播距离下，无法预测精确的结果。
对于数值光束传播，光纤中数米的传播距离可能会成为问题，因为需要大量的数值步骤。
特别是对于具有高数值孔径的小芯光纤，数值步长需要相当小(通常只有几微米)，需要几百万步才能达到几米，这对用户的耐心是一大挑战。
16.梯度折射率光纤模式
引言（BPM）光纤是用于制造光纤定向耦合器和用于发射和从集成光波导在其中一个小的长纤维是采用一个设备接收的光的任何装置的一个重要组成部分，以模拟为一个纤维所需的唯一特性是有效模指数和模场分布。
本课介绍了如何使用3D模式求解器的设计和表征渐变折射率光纤。
在您开始这一课•熟悉在第1课的程序：入门。
分级指数- 核心光纤（BPM）渐变折射率芯纤维与α -在纤芯折射率分布通常期望在电信，比如移位的零色散波长以1.55 microns.We将展示设计为一个三角芯光纤多个应用程序（α= 1）。
我们也将在3D模式求解的结果与OptiFiber测试的有限差分法比较。
光纤参数和三角芯光纤的折射率分布（BPM）纤芯半径：3.00μ米芯的折射率：1.48包层的折射率：1.444波长：1.55μ米图1：一个三角芯光纤的折射率分布该程序是：•创建材料•定义用户变量•定义用户功能•定义用户定义的配置文件•定义布局设置•创建线性波导纤维•设定模拟参数•查看折射率分布（XY切）•计算模式用户功能简介（BPM）三角芯纤维可以被定义为：为了实现在用户功能简介上面的公式，我们将首先解释了用户变量和用户功能（见表12）。
表12：用户变量和用户功能因此，三角芯纤维的公式可以定义如下：的限制，如下所示：开发用户自定义配置文件（BPM）为了定义配置文件，请执行以下步骤。
创建材料步行动1从文件菜单中选择新建。
牛逼，他的初始属性对话框出现。
2单击配置文件和材料。
Ŧ他个人设计师打开。
3在材料文件夹，右键单击该介质文件夹并选择新建。
Ŧ他介质对话框。
4 创建下面的电介质材料：姓名：包层二维各向同性标签折光率（回复）：1.444三维各向同性标签折光率（回复）：1.4445点击S 撕毁。
Ŧ他新的电介质材料储存在资料夹中。
定义用户变量定义内表12中标识的用户变量和在公式1和公式2中，执行下面的过程。
步行动1 在配置文件设计器中，选择工具>编辑变量和函数。
单模光纤、多模光纤的区别
单模光纤(SingleModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。
因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。
后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。
这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。
1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。
多模光纤是指可以传输多个光传导模的光纤。
局域网（LAN）多选用多模光纤，其理由一为多模光纤收发机便宜（比同档次相应单模光纤收发器的价格低一半）；二为多模光纤接续简单方便和费用低。
常用的多模光纤主要有IEC－60793－2光纤产品规范中的A1a类（50／125μm）和A1b类（62．5／125μm）两种。
这两种多模光纤的包层直径和机械性能相同，都能提供如以太网、令牌环和FDDI协议在标准规定的距离内所需的带宽，而且二者都能升级到Gbit／s的速率。
单模光纤和多模光纤可以从纤芯的尺寸大小来简单地判别。
单模光纤的纤芯很小,约4～10um,只传输主模态。
这样可完全避免了模态色散，使得传输频带很宽，传输容量很大。
这种光纤适用于大容量、长距离的光纤通信。
它是未来光纤通信与光波技术发展的必然趋势。
多模光纤又分为多模突变型光纤和多模渐变型光纤。
前者纤芯直径较大，传输模态较多，因而带宽较窄，传输容量较小；后者纤芯中折射率随着半径的增加而减少，可获得比较小的模态色散，因而频带较宽，传输容量较大，目前一般都应用后者。
由于多模光纤中不同模式光的传波速度不同，因此多模光纤的传输距离很短。
而单模光纤就能用在无中继的光通讯上。
在光纤通信理论中，光纤有单模、多模之分，区别在于：1. 单模光纤芯径小（10m m左右），仅允许一个模式传输，色散小，工作在长波长（1310nm 和1550nm），与光器件的耦合相对困难2. 多模光纤芯径大（62.5m m或50m m），允许上百个模式传输，色散大，工作在850nm或1310nm。
单模光纤耦合率的计算分析
单模光纤耦合率的计算分析随着光纤通信的发展，计算机及其神经网络的使用也越来越多。
此外，光纤通信系统的综合安装工作也日益增多。
在这种情况下，评估并计算光纤耦合率对光纤通信的技术研发和应用是必不可少的。
本文将详细介绍关于单模光纤耦合率的计算分析。
一、单模光纤耦合率的定义及计算单模光纤耦合率是指单模光纤系统中光纤芯之间或光纤芯和光源之间的耦合效率。
它是指光纤中由一个模式被激发而产生的能量传播，接收端能够接收到发射端输出的能量百分比。
由此可见，单模光纤耦合率可以被看作是一个能量传输的度量指标。
计算单模光纤耦合率的公式为：PC=P1/P2×100%，其中，P1和P2分别为发射端和接收端输出的能量。
二、单模光纤耦合率的性质1、受影响因素单模光纤耦合率受许多因素的影响，包括光纤芯和光源之间的位置相对偏移、温度变化以及时间因素等。
其中，位置偏移是影响单模光纤耦合率最大的因素，因为固定的耦合距离，就是能量从发射端传输到接收端的最大距离。
此外，温度变化也会影响单模光纤耦合率，因为随着温度的升高，光纤的参数也会随之变化，从而影响耦合效率。
2、应用前提要正确计算单模光纤耦合率，应先确保光源的正确工作，即确保其发出的光线是单色光，并且其发射功率与环境温度具有一定的稳定性。
此外，也应确保光纤芯及其连接件的质量。
三、单模光纤耦合率的计算方法1、参数测量要正确计算单模光纤耦合率，首先要对光纤系统中的参数进行测量，以确定发射端和接收端的能量。
其中，可以使用多种仪器进行测量，如：光纤熔接仪、光纤损耗仪等。
通过这些仪器，可以测量出发射端和接收端的输出能量，从而正确计算出单模光纤耦合率。
2、实验结果分析实验测量好参数后，要对实验结果进行分析。
在实验中，可以改变位置偏移、温度变化等参数，以检测不同参数下的单模光纤耦合率。
分析不同参数下的单模光纤耦合率，可以得出单模光纤耦合率的变化趋势，从而更好地了解单模光纤耦合率的特性。
四、单模光纤耦合率的应用单模光纤耦合率具有重要的实际应用，主要应用在光纤通信系统中。
单模光纤耦合率的计算分析
单模光纤耦合率的计算分析单模光纤耦合率是光纤通信系统中不可或缺的参数，能够直接影响系统的性能，因而在技术研究中被广泛地应用和研究。
本文将介绍单模光纤耦合率的计算方法，以及如何分析实际应用中的单模光纤耦合率情况。
一、单模光纤耦合率的计算1.义单模光纤耦合率（SFC）是指在给定的特定光纤环境中，入射到偶极子的光强与从偶极子出射的光强之比，是衡量光纤耦合度的重要指标。
2.算方法单模光纤耦合率的计算一般采用扭转法。
具体方法如下：（1）假设光纤周边环境恒定，在端面处有光强S；（2）将光纤旋转α角度，此时出射光强为Sa；（3）旋转α角度，此时入射光强变为Sa，出射光强变为S；（4）重复（2），（3）过程，计算出各角度处的入射、出射光强；（5）可以用入射曲线或出射曲线求得单模光纤耦合率，其公式为：SFC=ΣAi/ΣBi其中Ai、Bi分别是各角度处的入射和出射光强，进行向量积累求和。
二、单模光纤耦合率的分析单模光纤耦合率的分析一般有两个方面：一是入射光强与光纤振幅关系；二是出射光强与光纤振幅关系。
1.射光强与光纤振幅关系在恒定的环境条件下，光纤振幅和入射光强之间存在一个特定的关系，入射光强越高，光纤振幅也就越大，表现在计算结果中就是单模光纤耦合率越高；反之，入射光强越低，光纤振幅也就越低，对应的单模光纤耦合率也就越低。
2.射光强与光纤振幅关系当光纤振幅较大时，出射光强也就会比较大；相反，当光纤振幅较小时，出射光强也就会比较小。
综上所述，可以看出，单模光纤耦合率与光纤振幅和入射、出射光强之间都有一定的关系，因此，在分析实际应用中的单模光纤耦合率情况时，必须考虑到这几个方面的因素。
三、结论单模光纤耦合率是光纤通信系统中重要的参数，广泛地用于研究和分析。
本文介绍了单模光纤耦合率的计算方法和分析操作，以供参考。
单模光纤耦合率的计算分析
单模光纤耦合率的计算分析
单模光纤耦合率是当今光纤通信系统和网络中一个重要指标，它定义了从发射端到接收端光纤中光信号传播和传输的效率。
掌握其计算分析和设计方法，准确估算传输长度是非常重要的。
本文重点介绍单模光纤耦合率的计算分析方法，讨论其在光纤通信系统和网络中的应用。
首先，我们介绍单模光纤耦合率的定义及计算方法。
单模光纤耦合率是指从发射端到接收端光纤中光信号传播和传输时所输出功率
与输入功率之比，可以用以下公式表示：
Coupling coefficient=Pout/Pin，
其中，Pout表示从接收端光纤输出的功率，Pin表示从发射端光纤输入的功率。
单模光纤耦合率可以由单模光纤的发射、接收器以及光纤的特性及光纤的物理参数进行估算。
其次，我们重点讨论如何利用该指标进行设计和优化。
有句话说得好：掌握单模光纤耦合率，就可以控制通信长度。
实际上，掌握其计算分析和设计方法，可以准确估算通信长度，使得系统可靠性更高。
此外，单模光纤耦合率的变化也会导致信号的传输延时和干扰，因此，我们必须通过优化系统参数，如改变单模光纤的直径和长度，以及用什么样的激光二极管，来确保单模光纤耦合率稳定及高效。
最后，我们简要总结本文所讨论的内容。
单模光纤耦合率是当今光纤通信系统和网络中一个重要指标，能够准确反映光信号从发射端到接收端光纤中传播和传输的效率。
掌握其计算分析和设计方法，可
以准确估算传输长度，以及通过优化系统参数，如改变单模光纤的直径和长度等，来确保其稳定性及高效。
因此，单模光纤耦合率的掌握对实现高效的光纤通信和网络有重要的意义。
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5-3 光纖通信優點
電話
電話
電腦
電→光 變換器 E/O
中繼器 光纖 O/E E/O 光纖
光→電 變換器 O/E
電腦
( 光信號 )
( 光信號 )
傳真機
電信號
電信號
傳真機
電視 ( 終端設備 )
電視 ( 終端設備 )
圖5-2 光通信系統之基本結構
二、光纖發展歷史
光纖和雷射的發展研究歷史，可由下列簡表得知：
年代 1960 1962 1966
一、傳輸損耗小
. m 光纖傳輸，每公里 0.4 ~ 0.5 dB 損失 13 . m 光纖傳輸，每公里 0.2 ~ 0.25 dB 損失 15
二、通信容量大
光纖通信頻寬：1 ~ 20 GHz 同軸電纜頻寬： 330 ~ 550 MHz
三、光纜體積小、重量輕
光纜重量約為銅纜5%~10%，直徑小於銅纜20%。
中山高速公路光纖通信系統 西部第一幹線光纖通信系統
澎 金 光 纖 海 纜
澎湖 嘉義
東部光纖通信系統
台 澎 光 纖 海 纜
台南 高雄 台東
圖 5-3 臺灣主要長途光纖 通信系統示意圖 ( 資料來源：PIDA)
5-2 光纖通信系統應用
光纖用戶網路應用主要有下列兩類：第一類是電話服務，第二類是有線電視 (CATV)。
二、反射 (Refelction) 定律
反射定律表示如下：
入射角 1 反射角 2
1 為入射角 ( 入射線與法線夾角 ) 2 為反射角 ( 反射線與法線夾角 )
法 線 入 射 線 反 射 線
其中
1
2
反射 面
圖5-4 反射定律
三、折射和司乃耳定律 (Refraction and Snell Law)
其中
1
1
2
ч 甮 絬
圖5-5 折射定律
情形Ⅰ：若 n1 n2 則 2 1
入射線
法 線
反射線
1
1
n1 材料 n2 材料
2
折 射 線
圖5-6 疏介質到密介質反射和折射現象
情形Ⅱ：若 n1 n2 且 1 c 則發生全反射 (total refletion)
法 線 入射線 n1 材料 n2 材料
人 名 梅 曼 (Maimen) Hall和Nathan 高錕 (C.K. Kao) 和 Hockham 康寧公司 (Corning) 貝爾實驗室 (Bell Lab)
重 要 事 件 紅寶石雷射 砷化鎵 (GaAs) 半導體雷射 發表論文：以石英玻 璃纖維作光通信介質 損失低於 20 dB / km 低損耗光纖研製成功 (20 dB / km ) 光纖損失降為 2.5 dB / k m
折射定律 ( 或稱司乃耳定律 ) 表示如下：
n1 sin 1 n2 sin 2
n1 為介質 I 光折射率 n2 為介質 II 光折射率 1 為入射光角度 ( 入射線與法線夾角 ) 2 為折射光角度 ( 折射線與法線夾角 )
法 線 甮 絬 n1 材料 n2 材料 は 甮 絬
一、電話系統 (Telephone System)
以光纖網路多工系統取代傳統用戶銅線迴路，提供更快速且更穩定的 通話品質。理論上，單模光纖在 13 . mm 波長約有10兆赫 . mm 及155 ( 10 THz ) 頻寬，故一根單模光纖可提供約2000個電視頻道或2億個電 話容量。
二、有線電視CATV系統 (Cable Television)
1
折射線
2 90
圖5-7 全反射現象
全反射現象 n1 sin c n2 sin 90
臨界角 c sin 1
n2 n1
求出 Ө 角，使得反射光垂直入射光
反射面 反射線 入射線
解：
法線
反射光
r i
入射光
入射角反射角
i r
入射光垂直反射光 i r 90 得
披覆 外層 核心
圖5-8 光纖結構剖面圖
二、光折射率分佈 (Refractive Index Profile)
折射率隨著光纖中心徑向距離變化的函數稱為光纖的折射率剖面圖，光纖的 截面分成兩個區域：中心圓狀的「核心」( 0 R R) C 以及外圍環狀的「外層」 ( )。在步階折射率的光纖中，藉由核心－外層介面的全反射來傳 RC R RF n1)。 n2 播光的能量。因此，核心的折射率必須大於披覆層的折射率 (
90 i 9045 45
i r 45
5-5 光纖基本特性
一、光纖的結構
光纖是由高純度 (99.99999%) 石英 ( SiO 2 ) 抽絲而成的雙層圓柱體，其結構如下： 1.核心 (core)：核心直徑約 5 ~ 50 m，光訊號侷限在光纖核心內傳送。 2.外層 (cladding)：外層直徑約 125 m ，提供核心與外層的折射率差，允許光 在核心產生全反射。 3.披覆 (jacket)：材料是樹脂或矽橡膠，主要是增加機械強度。
四、光纖資源豐富
光纖材料主要是二氧化矽玻璃，資料豐富。石英玻璃具有耐火、耐水、 壽命長等特性，而電纜材料主要是銅。
五、不受電磁干擾
光纖是絕緣體，不受電磁波干擾，且資料傳送時保密性佳。
5-4 光纖傳送基本定理
一、光折射率 (Refractive Index)
c 光折射率 n v
其中 c 為真空中光速 ( c 3 108 m / s ) v 為光在介質中行進速度 n 為材料折射率
授課老師：張文俊
目 錄
5 6
光纖概論 光纖特性－色散與損失
7 8
9 10 11 12
光 源 光檢測器
被動元件
光纖通信技術調變 / 多工 / 解碼
光纖量測與製作技術
光纖應用5Fra bibliotek光纖概論
5-1 光纖通信系統發展近況
一、光纖通信系統基本結構
資料 輸入
傳輸 電路
光源
光纖
檢測器
接收 電路
資料 輸出
圖5-1
光纖通訊系統基本方塊圖
1970 1972 1979
2.5 dB / k m
日本茨城通信研究所 光纖損失降為 0.2 dB / km ( 理論極限值 )
三、臺灣光纖通信系統
臺灣主要長途光纖通信系統包括西部第一幹線、中山高速公路東部 及離島四種光纜舖設系統。
北竿 東引
南竿
台馬
西莒
光纖
海纜
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