光纖技術(shù)及應(yīng)用復(fù)習(xí)題1~5

1、光纖技術(shù)及應(yīng)用復(fù)習(xí)題第一章1、寫(xiě)出電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度在兩種介質(zhì)界面所滿足的邊界條件方程。（并會(huì)證明）2、TE波、TM波分別指的是什么？3、平面光波發(fā)生全反射的條件。當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，入射光能量將全部反射4、古斯-哈恩斯位移指的是什么？其物理本質(zhì)是什么？證明實(shí)際光的反射點(diǎn)離入射點(diǎn)有一段距離，稱(chēng)為古斯-哈恩斯位移。（相隔約半個(gè)波長(zhǎng)）實(shí)質(zhì)：光的傳播不能簡(jiǎn)單視為平面光波的行為，必須考慮光是以光束的形式傳播，即時(shí)空間里的一條極細(xì)的光束也是由若干更加細(xì)的光線組成的5、寫(xiě)出光線方程，并證明在各向同性介質(zhì)中光為直線傳播。 對(duì)于均勻波導(dǎo)，n為常數(shù)，光線以直線形式傳播第二章1、平板波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，分類(lèi)。結(jié)構(gòu)：一般

2、由三層構(gòu)成：折射率n1中間波導(dǎo)芯層，折射率n2下層介質(zhì)為襯底，折射率n3上層為覆蓋層；n1>n2 , n1>n3。且一般情況下有 n1>n2> n32、均勻平面光波在平板波導(dǎo)中存在的模式有：導(dǎo)模、襯底輻射模、波導(dǎo)輻射模（各有什么特點(diǎn)）。（入射角與臨界角之間的關(guān)系以及各種模式相對(duì)應(yīng)的傳播常數(shù)所滿足的條件）P12。P17-18圖滿足全反射的光線并不是都能形成導(dǎo)模，還必須滿足一定的相位條件。P13（導(dǎo)模的傳輸條件）3、在平板波導(dǎo)中TE0模為基模，因?yàn)門(mén)E0模的截止波長(zhǎng)是所有導(dǎo)模中最長(zhǎng)的。P144、非均勻平面光波在平板波導(dǎo)中的模式有：泄露模、消失模5、平板波導(dǎo)中的簡(jiǎn)正模式具有：

3、穩(wěn)定性、有序性、疊加性、和正交性。6、模式的完備性指的是?P24在平板波導(dǎo)中，導(dǎo)模和輻射模構(gòu)成了一個(gè)正交、完備的簡(jiǎn)正模系，平板波導(dǎo)中的任意光場(chǎng)分布都可以看成這組正交模的線性組合。7、波導(dǎo)間的模式耦合指的是？P31當(dāng)兩個(gè)波導(dǎo)相距很遠(yuǎn)時(shí)，各自均以其模式獨(dú)立地傳播，無(wú)相互影響；當(dāng)兩個(gè)波導(dǎo)相距很近時(shí)，由于包層中場(chǎng)尾部的重疊，將會(huì)發(fā)生兩個(gè)波導(dǎo)間的能量交換，稱(chēng)之為波導(dǎo)間的模式耦合。作業(yè)題：2-7、2-8第三章1、什么是光纖？光纖的結(jié)構(gòu)，分類(lèi)，并畫(huà)出相應(yīng)的折射率分布。光纖的相對(duì)折射率差。光纖（optic fiber）-是指能夠傳導(dǎo)光波的圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)。它利用光的全反射原理將光波能量約束在其界面內(nèi)，并引導(dǎo)光波

4、沿著光纖軸線方向傳播結(jié)構(gòu)：纖芯（芯層）包層 保護(hù)層 2、階躍光纖中導(dǎo)模的光線分為：子午光線和斜光線。子午光線：指在子午面內(nèi)傳播的鋸齒形折線；斜光線：指與芯軸即不相交也不平行的空間折線。3、階躍光纖中的延遲時(shí)間，數(shù)值孔徑P37-38 物理意義: NA大小反映了光纖捕捉光線的能力4、光纖單模工作的條件。P45. 由于基模不會(huì)截止,所以階躍折射率分布光纖的（只傳輸HE11模）單模工作條件條件是 或5、階躍光纖中允許傳播的導(dǎo)模數(shù)目：P48（式3.2-48）n 光纖傳輸模式總數(shù)近似于：N=V2/26、什么是光纖光柵，其結(jié)構(gòu)？其分類(lèi)。光纖光柵-指芯區(qū)折射率沿軸向呈周期性變化，折射率變化的幅度通常在 之間，

5、結(jié)構(gòu)：芯層和包層光纖光柵分為：均勻光纖光柵、非均勻光纖光柵7、什么是光子晶體？其特征？什么是光子晶體光纖？結(jié)構(gòu)以及其導(dǎo)光機(jī)制。P55光子晶體-是指不同介電常數(shù)的材料構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)，光子晶體的特點(diǎn)可以控制光子的運(yùn)動(dòng)。光子晶體光纖是一種帶有線缺陷的二維光子晶體，是石英棒或石英毛細(xì)管排列拉制后在中心形成缺陷孔或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)。應(yīng)用L引入缺陷：引入非線性介質(zhì)）8、光子晶體光纖的應(yīng)用。能量傳輸、超連續(xù)譜的產(chǎn)生、光纖傳感、光纖通信。作業(yè)題：3.1， 3.2， 3.10, 3.11第四章1、光纖的傳輸特性包括哪些?損耗、色散、光纖的偏振特性、非線性效應(yīng)2、什么是光纖的損耗？光纖損耗系數(shù)定義式（式4.1-1）；是

6、指光纖每單位 長(zhǎng)度上的衰減，決定了光信號(hào)能在光纖中傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。光纖的損耗有：吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗等。吸收損耗有：本征吸收和雜質(zhì)吸收。對(duì)于普通的石英光纖，光纖通信的三個(gè)窗口指的是：0.85， 1.3， 1.55微米處吸收損耗最小。3、什么是光纖的色散？光纖的色散主要有哪些？分別是什么？光纖色散的定義-在光纖中傳輸光信號(hào)的不同頻率成分或不同的模式分量將以不同的速度傳播，傳過(guò)一定距離后必然會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光纖的色散或彌散。色散越大，光纖中的帶寬-距離乘積值越小。在傳輸距離一定時(shí)，帶寬越小，所傳輸?shù)男畔⑷萘烤驮缴佟?、什么是光纖雙折射？造成的原因有哪些？描述單模光纖的雙折射的物

7、理參量。光纖雙折射使兩個(gè)正交偏振模式的傳輸常熟不再相等，從而導(dǎo)致偏振態(tài)沿光纖長(zhǎng)度方向變化。引起光纖雙折射的原因：幾何模型不理想：其橢圓度以及芯的組成會(huì)有不均勻現(xiàn)象； 外部因素: 如光纖側(cè)壓力、溫度不均勻、光纖彎曲、扭轉(zhuǎn)等5、為什么光纖與體非線性材料相比，更易于產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)？由于光纖具有較低的損耗和很小的光斑尺寸，使得很小的注入功率即可在光纖中獲得較高的光功率密度，從而產(chǎn)生非線性現(xiàn)象；同時(shí)，低損耗又使得光場(chǎng)在光纖內(nèi)可以獲得相當(dāng)長(zhǎng)的有效非線性作用距離，因此在光纖中產(chǎn)生非線性光學(xué)現(xiàn)象要比在體材料中容易得多。作業(yè)：4-1、4-4、4-7、4-10第五章1、光纖無(wú)源器件包括哪些？有源器件指哪些？光

8、纖無(wú)源器件：指用光纖構(gòu)成的一種能量消耗型器件；如：光纖連接器、光纖定向耦合器、光波分復(fù)用器、光纖隔離器和環(huán)形器、光纖濾波器、光纖衰減器光纖有源器件：用光纖構(gòu)成的一種能量產(chǎn)生型器件如：光纖放大器、光纖激光器2、知道每一種器件的作用、分類(lèi)、性能指標(biāo)等。（光纖耦合器、光波分復(fù)用器、光隔離器等）光纖定向耦合器是一種用于傳送和分配光信號(hào)的無(wú)源器件光纖定向耦合器特點(diǎn)：(a) 器件的主體是光纖，不含其它光學(xué)元件；(b) 光的耦合功能是通過(guò)光纖中傳輸模式的耦合實(shí)現(xiàn)的；(c) 光信號(hào)的傳送方向是固定的。光纖耦合器類(lèi)型(a)部分反射式光纖耦合器(b) 波前分割式光纖耦合器(c )模場(chǎng)耦合式光纖耦合器性能P86-8

9、7光波分復(fù)用器屬于波長(zhǎng)選擇性耦合器，是一種用來(lái)合成不同波長(zhǎng)的光信號(hào)或者分離不同波長(zhǎng)的光信號(hào)的無(wú)源器件光波分復(fù)用器的類(lèi)型按照光波分復(fù)用器的分元件及工作原理，可將其分為棱鏡分光型、干涉膜濾光型、光纖定向耦合器、光纖光柵型、以及波導(dǎo)陣列光柵型。光隔離器是只允許光線沿光路單向傳輸?shù)臒o(wú)源器件，用于解決光纖通信中光路中光反射的問(wèn)題。 光纖隔離器的類(lèi)型-與偏振有關(guān)光纖隔離器；與偏振無(wú)關(guān)光纖隔離器光纖隔離器和環(huán)行器的性能參數(shù)正向插入損耗：-定義為正向傳輸時(shí)輸出光功率與輸入光功率之比；(b) 反向（逆向）隔離比：-定義為反向（逆向）傳輸時(shí)輸出光功率與輸入光功率之比(c) 回波損耗：-定義為輸入端口自身返回功率與

10、輸入功率之比。3、光纖放大器工作原理（光與物質(zhì)相互作用的三種方式）光纖放大器的工作原理光纖放大器的關(guān)鍵元件是摻稀土元素光纖。(a) 受激吸收：指原子吸收一個(gè)光子能量，從基態(tài)或低能態(tài)E1躍遷到激發(fā)態(tài)或高能態(tài)E2上。(b) 自發(fā)輻射：是指在沒(méi)有任何外界因素影響下的情況下，處于高能態(tài)的原子自發(fā)地躍遷到低能態(tài)，同時(shí)發(fā)射一個(gè)光子。(c) 受激發(fā)射：指處于高能態(tài)的原子在受到入射光子的感應(yīng)或誘導(dǎo)下，從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與入射光子相同頻率的光子。入射光得到 放大。4、摻鉺光纖放大器的組成部分，及各部分作用。并畫(huà)圖。摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier)-EDF

11、A構(gòu)成：摻鉺光纖、泵浦激光器、波分復(fù)用器、光學(xué)隔離器組成。5、光纖放大器的泵浦方式有？光纖放大器的泵浦方式有三種：前向泵浦、后向泵浦、雙向泵浦；前向泵浦：信號(hào)光和泵浦光沿同一方向傳輸；后向泵浦：信號(hào)光和泵浦光沿相反方向傳輸；雙向泵浦：泵浦光沿兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)入光纖放大器，對(duì)信號(hào)光雙向泵浦放大。6、泵浦光源的波長(zhǎng)是？7、光纖放大器的三種主要用途：(a)光功率放大：將光纖放大器放在發(fā)射端光源之后，放大輸入到光纖中的光功率光中繼放大：作為在線放大器或中繼放大器應(yīng)用時(shí)，將光纖放大器放在傳輸線的中間，在信號(hào)傳輸路途上對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。光前置放大：作為光前置放大器應(yīng)用時(shí)，將光纖放大器放在接收端光電檢測(cè)器的前

12、面，在光電檢測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換之前先對(duì)從傳輸光纖中來(lái)的光信號(hào)進(jìn)行放大。8、光纖激光器的組成部分，工作原理。激光增益介質(zhì)、光學(xué)諧振腔、泵浦源工作原理：泵浦光將摻入光纖中的稀土雜質(zhì)離子由基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，由于離子處在高能態(tài)的壽命較短，很快就通過(guò)非輻射形式（放出聲子）躍遷到壽命較長(zhǎng)的亞穩(wěn)態(tài)上，然后以輻射（光子）的形式放出能量，躍遷返回到基態(tài)。當(dāng)亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)大于激光下能級(jí)上的粒子數(shù)，即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，光纖介質(zhì)具有增益特性，而且當(dāng)激光腔內(nèi)的增益大于損耗，即滿足振幅閾值條件時(shí)，在腔內(nèi)滿足相位共振條件的光輻射被受激放大，并以激光形式輸出。習(xí)題：1均勻光纖纖芯和包層的折射率分別為n1=1.50，n2=

13、1.45，光纖的長(zhǎng)度L=10Km。試求：（1）光纖的相對(duì)折射率差；（2）數(shù)值孔徑NA；（3）若將光纖的包層和涂敷層去掉，求裸光纖的NA和相對(duì)折射率差。解：（1） （2） （3）若將光纖的包層和涂敷層去掉，則相當(dāng)于包層的折射率n2=1，則2、已知階躍型光纖，纖芯折射率n1=1.485，相對(duì)折射率差=0.3%，工作波長(zhǎng)0=1.31m，試求： （1）保證光纖單模傳輸時(shí)，光纖的纖芯半徑a應(yīng)為多大？（2）若a=5m，保證光纖單模傳輸時(shí)，n2應(yīng)如何選擇？3、當(dāng)光在一段長(zhǎng)為10km光纖中傳輸時(shí)，輸出端的光功率減小至輸入端光功率的一半。求：光纖的損耗系數(shù)。解：設(shè)輸入端光功率為P1，輸出端的光功率為P2。則P1

14、2P2光纖的損耗系數(shù)4均勻光纖纖芯和包層的折射率分別為n1=1.50，n2=1.45，光纖的長(zhǎng)度L=10km。試求：（1）子午光線的最大時(shí)延差；（2）若將光纖的包層和涂敷層去掉，求子午光線的最大時(shí)延差。解：（1）（2）若將光纖的包層和涂敷層去掉，則n2=1.05、纖芯折射率n1=1.468,包層折射率n2為1.447,假如光源波長(zhǎng)為1300nm請(qǐng)計(jì)算單模光纖的纖芯半徑。6、典型的單模光纖的纖芯直徑是8mm,折射率是1.460，相對(duì)折射率差是0.3%,包層直徑是12.5mm，光源波長(zhǎng)為0.85mm,計(jì)算光纖的數(shù)值孔徑、最大可接受角和截至波長(zhǎng)。7、 階躍型光纖的相對(duì)折射指數(shù)差D0.01，纖芯折射率n1=1.48，纖芯半徑a=3mm，要保證單模傳輸，問(wèn)工作波長(zhǎng)應(yīng)如何選擇？8、階躍光纖，若nl1.50, 0=l.3m，試計(jì)算 （1）若= 025，為了保證單模傳輸，其纖芯半徑a應(yīng)取多大？ （2）若取a=5m ，為保證單模傳輸，應(yīng)取多大？ 9、 計(jì)算n1=1.48及n2=1.46的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑。 如果光纖端面外介質(zhì)折射率n=1.00， 則允許的最大入射角max為多少？10、 弱導(dǎo)階躍光纖纖芯和包層折射率指數(shù)分別為n1=1.5， n2=1.45， 試計(jì)算： （1） 纖芯和包層的相對(duì)折射差。