光纖光學(xué)總結(jié)

1、說明：重點放在了二三四章以及第五章前面部分，別的則比較縮略。第一章1.光纖通信優(yōu)點寬帶寬，低損耗，保密性好，易鋪設(shè)2.光纖介質(zhì)圓柱光波導(dǎo)，充分約束光波的橫向傳輸（橫向沒有輻射泄漏），縱向?qū)崿F(xiàn)長距離傳輸?；窘Y(jié)構(gòu)：纖芯、包層、套塑層光波導(dǎo)：約束光波傳輸?shù)拿浇閷?dǎo)波光：受到約束的光波光波導(dǎo)三要素：“芯 / 包”結(jié)構(gòu)凸形折射率分布，n1>n2低傳輸損耗3.光纖分類通信用 和非通信用4. 單模光纖：只允許一個模式傳輸?shù)墓饫w；多模光纖：光纖中允許兩個或更多的模式傳播。5. 如何改善光纖的傳輸特性：減少OH- ，降低損耗；改變芯經(jīng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，色散位移；改變折射率分布，降低非線性6.光纖制備工藝預(yù)制棒：

2、MCVD OVD VAD PCVD 之后為光纖拉絲，套塑，成纜工藝。第二章1.理論根基2.2. 光纖是一種介質(zhì)光波導(dǎo)，具有如下特點：無傳導(dǎo)電流；無自由電荷；線性各向同性3. 邊界條件：在兩種介質(zhì)交界面上電磁場矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要連續(xù),D與B的法向分量連續(xù)： 4.由程函方程推得射線方程，再推得光線總是向折射率高的區(qū)域彎曲。5. 光纖波導(dǎo)光波傳輸特征： 在縱向（軸向）以“行波”形式存在，橫向以“駐波”形式存在。場分布沿軸向只有相位變化，沒有幅度變化。6.模式求解波導(dǎo)場方程可得本征解及相應(yīng)的本征值。通常將本征解定義為“模式”. 每一個模式對應(yīng)于沿光波導(dǎo)軸向傳播的一種電磁波；每一

3、個模式對應(yīng)于某一本征值并滿足全部邊界條件;模式具有確定的相速群速和橫場分布.模式是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的固有電磁共振屬性的表征。給定的波導(dǎo)中能夠存在的模式及其性質(zhì)是已確定了的,外界激勵源只能激勵起光波導(dǎo)中允許存在的模式而不會改變模式的固有性質(zhì)。(和及邊界條件均由光纖本身決定，與外界激勵源無關(guān))橫模光波在傳輸過程中，在光束橫截面上將形成具有各種不同形式的穩(wěn)定分布，這種具有穩(wěn)定光強分布的電磁波，稱為橫模。橫模（表現(xiàn)在光斑形狀）的分布是和光波傳輸區(qū)域的橫向（xy面）結(jié)構(gòu)相關(guān)的；相長干涉 條件：2 nLK 縱模是與激光腔長度相關(guān)的，所以叫做“縱?！?，縱模是指頻率而言的。根據(jù)場的縱向分量Ez和Hz的存在與否,可將模

4、式命名為: (1)橫電磁模(TEM): EzHz0; (2)橫電模(TE): Ez0, Hz0; (3)橫磁模(TM): Ez0, Hz0; (4)混雜模(HE或EH):Ez0, Hz0。 光纖中存在的模式多數(shù)為HE(EH)模,有時也出現(xiàn)TE(TM)模。7.縱向傳播常數(shù)物理意義：z方向單位長度位相變化率; 波矢量k的z-分量b實際上是等相位面沿z軸的變化率； b數(shù)值分立，對應(yīng)一組導(dǎo)模； 不同的導(dǎo)模對應(yīng)于同一個b數(shù)值，我們稱這些導(dǎo)模是簡并的；8.歸一化頻率給定光纖中,允許存在的導(dǎo)模由其結(jié)構(gòu)參數(shù)所限定。光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)可由其歸一化頻率V表征: V值越大，允許存在的導(dǎo)模數(shù)就越多。9. 橫向傳播常數(shù)（U

5、、W）10.相速度，群速度11群延時與色散群延時：光脈沖行經(jīng)單位長度距離所需時間。色散：不同模式之間會產(chǎn)生不同的群延時，這種群延時引起的脈沖展寬第三章1. 子午平面：與纖軸相交且與纖壁垂直的平面。 子午光線：在子午平面上傳輸?shù)墓饩€。偏斜光線：與纖軸既不相交又不限于單一平面之內(nèi)的光線。2. 數(shù)值孔徑: 定義光纖數(shù)值孔徑NA為入射媒質(zhì)折射率與最大入射角的正弦值之積,即 反映光纖接收光的能力，NA越大，光纖收集光的能力增大，增加了光源與光纖的耦合效率。應(yīng)注意，光纖的數(shù)值孔徑只決定于光纖的折射率，而與光纖的幾何尺寸無關(guān)，這一點和普通的光學(xué)系統(tǒng)有所不同。3. 相對折射率差: 4. 光纖的通信容量正比于光

6、纖的傳輸帶寬，或單位長度光纖光脈沖展寬的倒數(shù)。5. 結(jié)論1: 多模階躍光纖通信容量并不高!結(jié)論2:多模階躍光纖不適合于傳輸圖像!（不聚焦） 若考慮偏斜光線的傳播，光纖的傳輸帶寬比僅考慮子午光線時要小6. 光纖是一種介質(zhì)光波導(dǎo)，具有如下特點：無傳導(dǎo)電流；無自由電荷；線性各向同性。7.光纖模式分類8. TE0m模與TMom在臨近截止與遠離截止時具有相同的本征值，即兩種模式處于簡并態(tài);在截止與遠離截止之間其本征值并不相同，稱為簡并擊破。 9.模式的截止與遠離截止: 臨近截止: W=0 , 場在包層中不衰減遠離截止: W, 場在包層中不存在10.色散曲線結(jié)構(gòu)參數(shù)給定的光纖中,模式分布是固定的?？筛鶕?jù)本

7、征值方程式利用數(shù)值計算得到各導(dǎo)模傳播常數(shù)與光纖歸一化頻率V值的關(guān)系曲線,稱之為色散曲線。因此,本征值方程又叫色散方程。11.弱導(dǎo)光纖光線與纖軸的夾角??；芯區(qū)對光場的限制較弱；消逝場在包層中延伸較遠。弱導(dǎo)光纖場的特點：HE+1,m模式與EH-1,m色散曲線相近；場的橫向分量線偏振，且遠大于縱向分量；可以在直角坐標系中討論問題可以得到簡化的本征解與本征值方程LP模的簡并：當>0時，每一個LPm模式有四重簡并：徑向兩種模式：沿x或y方向偏振；角向兩種變化：cosf 或 sinf當=0時，LP0m模式只有兩重簡并，即只有徑向變化，沒有角向變化。LP模偏振態(tài)：LPm模的簡并態(tài)是以光纖的弱導(dǎo)近似為前

8、提的；實際上,n1和n2不可能相等,因此HE+1,m模與EH-1,m模的傳播常數(shù)不可能絕對相等,即兩者的相速并不完全相同；隨著電磁波的向前傳播,場將沿z軸作線偏振波橢圓偏振波園偏振波橢園偏振波線偏振波的周期性變化；LP01是光纖基模。 模式的截止與遠離截止: 遠離截止: W, 場在包層中不存在臨近截止: W=0 , 場在包層中不衰減導(dǎo)模遠離截止:導(dǎo)模功率幾乎全部集中在纖芯中傳輸。導(dǎo)模鄰近截止:對于低階模，導(dǎo)模功率幾乎全部在包層之中傳輸；對于高階模(1)，仍有相當大一部分功率在纖芯中傳輸。2m+L相同則縱向傳播常數(shù)也相同。模式的出射角與主模標號成正比,并與模式群序號p一一對應(yīng),高階模出射角大,低

9、階模出射角小第四章2.3.軸向運動特點：相速: Vp/c/ 恒為常數(shù)這說明漸變折射率分布光纖(GIOF)中的光線沿z軸傳播的相速度恒定不變, 與光線的軸向夾角z無關(guān),這是一個與均勻折射率分布光纖(SIOF)完全不同的重要特點(SIOF中不同角度的光線軸向速度不同)。4.GIOF帶寬大于SIOF，為什么？5.光線分類判據(jù)6.平方率分布GIOF: 對于近軸子午光線可以很好會聚: 自聚焦光纖雙曲正割分布GIOF: 對于所有子午光線可以很好會聚: 理想分布對于傾斜光線特例(螺旋光線)很好會聚。7.簡并模平方率光纖中，2m+l相同的導(dǎo)模具有相同的縱向傳播常數(shù)，即他們是簡并的。平方率分布光纖基模場分布為高

10、斯函數(shù)，其模場半徑W0為基模場的振幅衰減到最大值的1/e時場分布的半寬度。8.WKB法 對于任意折射率分布的光纖 ,不可能通過嚴格求解波導(dǎo)場方程獲得解析解。WKB法基本思想: 導(dǎo)模場分布的變化主要體現(xiàn)在相位的變化上可以將場解分解為 緩慢變化的振幅函數(shù)與快速變化的相位函數(shù)的乘積。9. 弱導(dǎo)光纖中存在線偏振模主模式標號: p=2m+l+110.場的輸出特性輸出近場圖：光纖輸出端面光功率沿半徑r的分布。輸出遠場圖：光纖輸出端面足夠遠處，光纖輸出光功率沿角度的分布。11.單模光纖的特點：（當光纖中只有一個模式傳播時，稱之為單模光纖）單模光纖具有極小的色散和極低的損耗，單模光纖中基模的相位、偏振、振幅等

11、參數(shù)對于各種外界物理量(如磁場、 電場、轉(zhuǎn)動、振動、應(yīng)力、溫度等等)極為敏感。（1）高斯近似：用高斯近似來描述單模光纖的場。（2）等效階躍光纖近似(ESF)尋找一條適當?shù)碾A躍型光纖去等效實際的漸變型光纖。而階躍型光纖的場解是已知的, 這樣就得到了漸變型光纖的場解。等效階型光纖參數(shù)V和a的選擇應(yīng)使2 2 為最小；12.單模光纖的雙折射LP01 (HE11)包含兩個相互正交的偏振模。兩個模式的相速并不完全相同。隨著電磁波的向前傳播,基模場將沿z軸作線偏振波橢圓偏振波園偏振波橢園偏振波線偏振波的周期性變化。場形變化一周期所行經(jīng)的z向距離,即差拍長度為: Lb2/Db=l0 / B; B=Db/k0

12、(B:光纖雙折射參數(shù))光纖中存在三種雙折射：線雙折射:在x和y方向折射率不同，合成橢圓偏振光園雙折射:在左右旋方向折射率不同,引起線偏振面旋轉(zhuǎn)橢圓雙折射:上述兩種情形迭加光纖雙折射產(chǎn)生偏振模色散(PMD)問題：1.一根空心玻璃管能否傳光？為什么？2.光纖纖芯變粗時，允許存在的模式數(shù)目如何變化？3.光纖中傳播的光波有何特征？4.推導(dǎo)波導(dǎo)場方程經(jīng)歷了哪幾種分離變量？5.本征方程有什么特點？6.模式是什么？7.如何唯一確定一個模式？8.由射線方程推導(dǎo)光線軌跡，只需要知道什么？9.漸變折射率分布光纖中光線如何傳播？為什么？10.模場耦合是什么意思？1.為什么光纖要采用“芯包結(jié)構(gòu)”？2.“單模光纖”中有

13、幾個導(dǎo)模？如果要求光纖只傳輸一個導(dǎo)模,應(yīng)如何設(shè)計光纖?3.簡述波動光學(xué)分析方法的基本思路.說明從麥克斯韋方程到波導(dǎo)場方程三次分離變量的理論依據(jù)。4.波導(dǎo)場方程具有什么樣的數(shù)學(xué)特征？5.模式的內(nèi)涵是什么？在單模光纖中能否激勵起LP11模式？為什么？6.從射線方程分別定性說明光線在SIOF和GIOF中的軌跡曲線。7.從廣義折射定理說明為什么光線總是向折射率高的區(qū)域彎曲。8.說明光纖數(shù)值孔徑的物理意義。9.說明內(nèi)散焦面、外散焦面和輻射散焦面的物理意義。10.SIOF中子午光線的內(nèi)、外散焦面半徑各是多少？1.子午光線的主要特征是什么?2.推導(dǎo)SIOF數(shù)值孔徑表達式; GIOF的數(shù)值孔徑有何不同?3.為

14、什么GIOF又稱為“折射型”光纖？4.GIOF中光線角向運動有何特點？光線角向運動速度將取決于光線軌跡到纖軸距離r：在最大的r處光線轉(zhuǎn)動最慢;在最大的r處光線轉(zhuǎn)動最快；5.分別說明約束光線、隧道光線和折射光線的特點。6.分別說明導(dǎo)模、漏模和輻射模的場分布特點？7.簡述三種光線與三類模式的對應(yīng)關(guān)系。 導(dǎo)模、漏模和輻射模對應(yīng)于約束光線、隧道光線和折射光線。8.說明傳播常數(shù)b有何物理意義。9.說明V、U、W的物理意義。10.在什么條件下可以唯一確定光纖中的模式？1.“縱橫關(guān)系式”有何作用？2.光場分量的哪一個分量總是獨立滿足波導(dǎo)場方程？寫出該波導(dǎo)場方程式。 3.SIOF中波導(dǎo)場方程具有什么數(shù)學(xué)特征？

15、4.在SIOF中如何求波導(dǎo)場方程的解？5.寫出SIOF中推導(dǎo)本征值方程的主要數(shù)學(xué)步驟。6.導(dǎo)模截止與遠離截止的物理意義是什么?寫出SIOF中TE01、TE02、TE03在臨近截止和遠離截止時的本征值。 7.寫出SIOF中模式數(shù)目與V值的關(guān)系式。8.根據(jù)SIOF色散曲線分析，在V=4.5時有那幾個模式存在？總模式數(shù)目是多少？并與模式數(shù)估算公式的結(jié)果比較。 9.SIOF與GIOF中哪個導(dǎo)模數(shù)目更多？ 10.為什么單模條件Vc<2.405只適應(yīng)于SIOF？平方率光纖單模條件Vc是多少?1.弱導(dǎo)光纖中組成線偏振模式的理論依據(jù)是什么？2.為什么LP0m模式只有兩重簡并？3.實際光纖中傳播的模式是線

16、偏振模式嗎？為什么？4.畫出LP6,8模式場分布示意圖。5.高階模式與低階模式哪個輸出角度大？6.畫出階躍分布光纖與平方率分布光纖基模場解函數(shù)曲線示意圖。7.說明高斯近似最大激發(fā)效率判據(jù)的物理意義。8.說明等效階躍光纖近似的物理意義。 9.已知平方率分布光纖V=2，求基模模場半徑。10.寫出平方率分布光纖中LP10,15模式的本征值。第五章1.損耗的定義：單位長度（km）光纖光功率衰減分貝數(shù)。單位：dB/km2.光纖損耗限制了光信號到達接受機的光功率，同時也限制了光通信系統(tǒng)兩中繼站之間的距離。光纖的損耗與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關(guān)，因此決定了光纖通信的不同傳輸窗口，850，1300，1550nm三

17、個通信窗口。3.損耗來源： 光纖材料的吸收與散射損耗； 光纖的微彎與宏彎損耗； 光纖的連接與耦合損耗。（1） 吸收損耗：本征吸收，紫外本征吸收，紅外本征吸收。(1) 紫外吸收 光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級，同時引 起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長范圍(2) 紅外吸收 光波與光纖晶格相互作用，一部分光波能量傳 遞給晶格，使其振動加 劇，從而引起的損耗（2） 雜質(zhì)吸收：機械諧波吸收（3） 散射損耗4.彎曲損耗5.色散與光脈沖展寬（1）色散使信號不同的成分傳播速度不同，使信號在目的端產(chǎn)生碼間干擾，給信號的最后判決造成困難。（2）色散對光纖通信系統(tǒng)的影響及其補償?shù)姆椒ǎ汗饫w色散限制了

18、光纖通信系統(tǒng)的傳輸帶寬;光纖的傳輸速率越高，色散對系統(tǒng)的影響越明顯；色散可以通過對光纖的設(shè)計而降低，在通信系統(tǒng)中也可通過色散補償模塊加以補償；通過對通信用光源的選擇，減少光纖色散的影響。（3）色散種類色散在傳輸信號的反映上即為群延時。群延時：光脈沖行進單位軸向距離所需的時間。色散定義：即光源譜寬為1nm時，光脈沖信號傳播1km所引起的脈沖展寬的ps數(shù)。單位：光纖通信中影響傳輸特性的因素： 減小傳輸速率； 減小傳輸距離； 減小光源譜寬。（2）多模光纖中的模間色散在多模光纖中，不同的模式以不同的群速度傳輸;光脈沖由不同的模式支持傳輸，就會導(dǎo)致色散；SIOF光纖的模間色散比GIOF的模間色散大；利用

19、光線傳輸模型，可以分析模間色散。在多模SIOF光纖中，模間色散最大;光纖內(nèi)傳輸?shù)哪Ｊ皆蕉?，模間色散越大；（4） 降低模間色散的方法采用GIOF，減小不同模式間的群速度差異;采用單模光纖（SMF），減少光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目選擇最佳的折射率分布（5） 材料色散材料色散是折射率對波長的二階導(dǎo)數(shù)，屬折射率隨波長的非線性變化。材料色散小于0，正常色散區(qū);長波長光傳播快，短波長光傳播慢!（負色散值）。材料色散大于0，反常色散區(qū);短波長光傳播快，長波長光傳播慢!（正色散值）。（6） 色散位移光纖的原理在1.3mm1.7mm范圍內(nèi)任何波長，通過適當調(diào)整光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參量（a, 和g），總可以獲得零色散，這就是

20、色散位移光纖所依據(jù)的原理，將零色散波長從1.3mm移至1.55mm，可以使其與最低損耗波長一致。（7） 偏振模色散光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕钠駪B(tài)是隨機變化的；光纖中由于殘余機械應(yīng)力的存在，光纖不是嚴格的各向同性介質(zhì)；起因：光纖制備中的應(yīng)力、溫度、彎曲使光纖不具備圓柱的對稱性，從而引入了雙折射效應(yīng);光纖中傳輸?shù)墓饷}沖激勵了多個偏振模式；各個偏振模式在光纖中傳輸?shù)乃俣炔幌嗤?；對高速率?gt;10Gbit/s）的傳輸系統(tǒng)，偏振模色散越嚴重；由于偏振模色散的隨機性，一般僅能對偏振模色散的平均效應(yīng)進行補償。（8） 色散與展寬的關(guān)系正、負色散均導(dǎo)致脈沖展寬；但利用正、負色散可補償光脈沖的展寬。6.啁啾：光的

21、瞬時頻率隨時間而改變。7.模場半徑 模場半徑作為描述單模光纖光能量傳輸集中程度的參量。W0 為模場半徑，即為 1/e2 光場強度的半徑。模場半徑與工作波長有關(guān)，波長越短，模場半徑越小。(1) 功率傳輸函數(shù)定義模場半徑(2) 最大激發(fā)效率定義模場半徑8.注入條件與穩(wěn)態(tài)分布9.損耗測量切斷法，插入損耗法，背向散射法OTDR光時域反射儀10.折射率分布測量折射率近場法，端面反射法，近場掃描法11.數(shù)值孔徑折射近場法與遠場法12.帶寬測量時域法，頻域法13.色散測量相移法14.模場半徑橫向位移法15.截止波長測量傳到功率法，模場半徑法第六章1.自聚焦透鏡：就是一段自聚焦光纖，折射率平方分布光纖。2.光

22、耦合器：傳送和分配光信號的無源器件，光從一個端口輸入，從另一個或多個端口輸出。對光信號進行合波或以不同的方式（波長、光功率） 進行分波。耦合長度：針對具體的波長，光能量從一個光纖完全進入另一個光纖的長度。3.光隔離器定義：光隔離器只允許光波沿著一個方向傳輸，而光的另一個方向的傳輸是禁止的。光信號沿著指定正方向傳輸時損耗低，光路被接通；光信號沿著反方向傳輸時損耗大，光路被阻斷。原理：法拉第磁光原理，光波通過置于磁場中的法拉第旋光片時，光波的偏振方向總是沿與磁場（H）方向構(gòu)成右手螺旋方向旋轉(zhuǎn)，而與光波的傳播方向無關(guān)。正、反方向兩次通過法拉第旋光片時，偏振方向旋轉(zhuǎn)角度將迭加而不抵消。4.光環(huán)形器定義：光由環(huán)行器的一個端口（如端口 1）輸入，沿著環(huán)形器傳輸，將從端口2輸出；由端口2輸入，則由端口