光纤复习总结

第一章 光纤的基本理论

1.光纤的结构

纤芯、包层、涂覆层

2.纤芯和包层的作用

纤芯：位于光纤中心，直径2a 为5～75μm, 作用是传输光波。

包层：位于纤芯外层，直径2b 为100～150μm,作用是将光波限制在纤芯中。

3.阶跃光纤纤芯折射率和包层折射率的定性关系

为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小，即光纤导光的条件是n1＞n2。

4.按照支持的模式数量对光纤进行分类

单模光纤：单模光纤在给定的工作波长上只传输单一基模。

多模光纤：多模光纤纤芯内传输多个模式的光波。

5.对光纤中传输的光采用射线光学分析法的前提：光纤尺寸与光波长的定性关系

射线光学理论：当光波导尺寸远大于光波长时，可忽略光波长用光射线代表光能量传输路线的方法。

波动光学理论：求解满足边界条件的麦克斯韦方程组的光场。

6.阶跃光纤的子午光线传输路径（以最大入射角为临界角分析各种情况）

7.数值孔径的定义，计算，及其与光纤聚光能力、模式色散的定性关系

数值孔径：表征光纤的聚光能力

∆≈-==2sin 12221max n n n NA θ 由此可以看出，1n 、2n 差别越大，即∆越大，光纤收集射线的能力越强。

最大群时延差与相对折射率差Δ成正比，使用弱导波光纤有助于减少模式色散。时延差限制了多模阶跃折射率光纤的传输带宽。 Δ越大，模式色散越大，限制光纤传输带宽

8.渐变折射率光纤对阶跃光纤的哪个缺点进行了改善（采用渐变折射率光纤的目的是减小多模光纤的模式色散）

①、同样的入射角，传输路径变短（入射角为零除外），从而减小最大群时延差。

②、离轴心越远，传播速度越快（v=c/n ）,进一步减小最大群时延差。

适当选择折射率分布，可以使不同入射角的光线有大致相等的光程。

9.阶跃光纤的归一化频率计算（只有特定入射角的光波才会在光纤中传递能量）

a k n ka n n W U V 012221222∆=-=+=002k λπ

=

U —导波的归一化径向相位常数，W —导波的归一化径向衰减常数，a —光纤的半径，∆—光纤的相对折射率差，1n —纤芯折射率，0λ—工作波长

V →∞值情况下的几点结论：

①、W →∞: W>0，光纤导波。

②、U=μmn 为使得Jm(x)=0的第n 个根。

③、V →∞: 场完全集中在纤芯中，包层中的场为零。

光场在包层中服从第二类修正贝塞尔函数迅速衰减，光场在纤芯内服从贝塞尔函数振荡传播

10.单模传播条件：从光纤的归一化频率角度分析

02>W 导波。 02

02=W →2222c c c c U W U V =+=

∆=221a n V c c λπ→c

12n 2V a c ∆=πλc V —归一化截止频率 c λ—截止波长 结论：对于某一光纤，每个模式都有一个相应的截止波长，当光波波长小于截止波长λ

=<<）（LP V V c →01LP 模式单模传输 （归一化频率V 必须大于归一化截止频率c V 才能传播） 11.光纤中某个传播模式能在光纤中传导的条件，即入射光波频率与该模式对应得截止频率的定性关系 阶跃光纤中导模总数：22V M ≈∆=2210a n V λπ 结论：光纤的芯径越大，纤芯的折射率越大，相对折射率差越大，工作频率越高，支持的传输模式数量越多。

12.光纤的损耗特性对光纤通信系统的影响

在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一。它在很大程度上决定着传输系统的中继距离。

13.损耗系数的定义，及计算

损耗系数：单位长度（km ）光纤引起的光功率衰减。

)/(lg 10)(0

km dB P P L i =λα)(λα—波长λ处的衰减系数；i P —输入光纤的光功率；0P —光纤输出的光功率；L —光纤的长度

14.光纤的三个低损耗窗口分别位于哪个波段

850nm 波段—短波长波段、1310nm 波段和1550nm 波段—长波长波段

15.光纤的色散分类，及光纤色散对光纤通信系统的影响

光纤的色散是在光纤中传输的光信号随传输距离增加，由于不同频率成分或不同传播模式的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。（色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。）

模式色散、材料色散、波导色散、偏振模色散（单模光纤中）

光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信质量和通信距离。

16.光纤的非线性效应产生的原因

原因：单位体积的光功率密度过大

第2章 光源和光发射机

1.自发辐射、受激辐射、受激吸收的原理

自发辐射：处在高能级2E 上的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级1E 上，并发射一个频率为v 的光子

特点：处于高能级电子的自发行为，与外界激励作用无关；自发辐射可以发生在导带和价带之间，因此光谱范围很宽。（典型应用：发光二极管）

受激辐射：处在高能级2E 上的电子在外来光场的感应下（外来感应光子的能量12hv E E -=

）发射出一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级1E

特点：感应光子的能量等于两个跃迁能级之差；受激辐射产生的光子与外来感应光子全是同光子，不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此它们是相干的；受激辐射过程实质上是对外来入射光的放大过程。（典型应用：半导体激光器）

受激吸收：处在高能级2E 上的电子在感应光场作用下（感应光子的能量12hv E E -=），吸收一个光子而跃迁到高能级2E

特点：受激吸收时需要消耗外来光能；受激吸收过程是一种外来入射光子被吸收，生成电子—空穴对的光电转换过程。（典型应用：光电二极管）

2.粒子数反转的概念

设介质中低能级1E 上的电子密度为1N ，高能级2E 上的电子密度为2N ，当2N >1N 时，受激吸收过程占主导地位，光波经过介质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。所有处于热平衡状态下的介质对入射光束都有吸收作用。2N >1N 的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转分布，这种情况必须通过外界的泵浦才能实现。

实现粒子数反转分布的条件：（A ）激励（又称泵浦）—光激励、电激励、化学激励、热激励。（B ）合适的能级结构

3.直接带隙半导体光源材料的禁带宽度与光源发射光波的频率之间的定量关系

V e hv E 0g <<

4.激光激射的三个条件

(1).要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；

(2).有一个合适的光学谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生从而产生激光震荡；

(3).要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。

5.半导体激光器的P/I 特性（LD 是一种阈值器件）

阈值电流、功率线性度、光输出饱和度、激光器效率、特征温度

6.在直流电流的激励下，LD 的光谱纵模数、谱宽与注入电流的定性关系

在直流电流的激励下，随注入电流的增加纵模数减少，谱宽变窄

7.温度对LD 发射波长的影响

当温度增加时，峰值波长向长波段漂移。

8.纵模决定了激光器的频谱特性，横模决定了光束的空间分布特性，它直接影响到与光纤的耦合效率。

9.半导体发光二极管（LED ）的P/I 特性（不是阈值器件）。

不是阈值器件，对温度不敏感

自发辐射，光谱较宽（几十nm ）

半导体发光二极管的基本性质：①发射谱线和发散角：光谱较宽，光纤色散严重；发散角大，与光纤的耦合效率较低；②响应速度：调制速率低，适用于低速传输网络。③热特性：温度特性较好，无需温控电路。④寿命长，可靠性高。

10.LD 和LED 的特点比较：是否温度敏感，受激辐射还是自发辐射，光谱宽度（单色性），方向性

LED 是因自发辐射而发光的，发射的光子频率、

相位、偏振状态及传播方向是无规律的，输出具

有较宽的频率范围的非相干光。

LD 是因为受激发射而发光，发射的光子同频、同

相、同偏振方向，输出相干光。