光纖技術(shù)及應用復習題1~5

1、光纖技術(shù)及應用復習題第一章1、寫出電場強度和磁場強度在兩種介質(zhì)界面所滿足的邊界條件方程。（并會證明）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。當入射角大于臨界角時，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？證明實際光的反射點離入射點有一段距離，稱為古斯-哈恩斯位移。（相隔約半個波長）實質(zhì)：光的傳播不能簡單視為平面光波的行為，必須考慮光是以光束的形式傳播，即時空間里的一條極細的光束也是由若干更加細的光線組成的5、寫出光線方程，并證明在各向同性介質(zhì)中光為直線傳播。 對于均勻波導，n為常數(shù)，光線以直線形式傳播第二章1、平板波導的結(jié)構(gòu)，分類。結(jié)構(gòu)：一般

2、由三層構(gòu)成：折射率n1中間波導芯層，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中存在的模式有：導模、襯底輻射模、波導輻射模（各有什么特點）。（入射角與臨界角之間的關(guān)系以及各種模式相對應的傳播常數(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模，還必須滿足一定的相位條件。P13（導模的傳輸條件）3、在平板波導中TE0模為基模，因為TE0模的截止波長是所有導模中最長的。P144、非均勻平面光波在平板波導中的模式有：泄露模、消失模5、平板波導中的簡正模式具有：

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在平板波導中，導模和輻射模構(gòu)成了一個正交、完備的簡正模系，平板波導中的任意光場分布都可以看成這組正交模的線性組合。7、波導間的模式耦合指的是？P31當兩個波導相距很遠時，各自均以其模式獨立地傳播，無相互影響；當兩個波導相距很近時，由于包層中場尾部的重疊，將會發(fā)生兩個波導間的能量交換，稱之為波導間的模式耦合。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，并畫出相應的折射率分布。光纖的相對折射率差。光纖（optic fiber）-是指能夠傳導光波的圓柱形介質(zhì)波導。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 保護層 2、階躍光纖中導模的光線分為：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。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)以及其導光機制。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)，光子晶體的特點可以控制光子的運動。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管排列拉制后在中心形成缺陷孔或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)。應用L引入缺陷：引入非線性介質(zhì)）8、光子晶體光纖的應用。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 長度上的衰減，決定了光信號能在光纖中傳輸?shù)淖钸h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。對于普通的石英光纖，光纖通信的三個窗口指的是：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，傳過一定距離后必然會產(chǎn)生信號失真，這種現(xiàn)象稱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，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。光纖雙折射使兩個正交偏振模式的傳輸常熟不再相等，從而導致偏振態(tài)沿光纖長度方向變化。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)生非線性光學效應？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，低損耗又使得光場在光纖內(nèi)可以獲得相當長的有效非線性作用距離，因此在光纖中產(chǎn)生非線性光學現(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、光纖無源器件包括哪些？有源器件指哪些？光

8、纖無源器件：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、性能指標等。（光纖耦合器、光波分復用器、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的無源器件光纖定向耦合器特點：(a) 器件的主體是光纖，不含其它光學元件；(b) 光的耦合功能是通過光纖中傳輸模式的耦合實現(xiàn)的；(c) 光信號的傳送方向是固定的。光纖耦合器類型(a)部分反射式光纖耦合器(b) 波前分割式光纖耦合器(c )模場耦合式光纖耦合器性能P86-8

9、7光波分復用器屬于波長選擇性耦合器，是一種用來合成不同波長的光信號或者分離不同波長的光信號的無源器件光波分復用器的類型按照光波分復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源器件，用于解決光纖通信中光路中光反射的問題。 光纖隔離器的類型-與偏振有關(guān)光纖隔離器；與偏振無關(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)，同時發(fā)射一個光子。(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或誘導下，從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，同時發(fā)射一個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、波分復用器、光學隔離器組成。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：信號光和泵浦光沿同一方向傳輸；后向泵浦：信號光和泵浦光沿相反方向傳輸；雙向泵浦：泵浦光沿兩個方向同時進入光纖放大器，對信號光雙向泵浦放大。6、泵浦光源的波長是？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用時，將光纖放大器放在傳輸線的中間，在信號傳輸路途上對光信號進行放大。光前置放大：作為光前置放大器應用時，將光纖放大器放在接收端光電檢測器的前

12、面，在光電檢測器進行光電轉(zhuǎn)換之前先對從傳輸光纖中來的光信號進行放大。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，很快就通過非輻射形式（放出聲子）躍遷到壽命較長的亞穩(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)。當亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)大于激光下能級上的粒子數(shù)，即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)時，光纖介質(zhì)具有增益特性，而且當激光腔內(nèi)的增益大于損耗，即滿足振幅閾值條件時，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，光纖的長度L=10Km。試求：（1）光纖的相對折射率差；（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和相對折射率差。解：（1） （2） （3）若將光纖的包層和涂敷層去掉，則相當于包層的折射率n2=1，則2、已知階躍型光纖，纖芯折射率n1=1.485，相對折射率差=0.3%，工作波長0=1.31m，試求： （1）保證光纖單模傳輸時，光纖的纖芯半徑a應為多大？（2）若a=5m，保證光纖單模傳輸時，n2應如何選擇？3、當光在一段長為10km光纖中傳輸時，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，光纖的長度L=10km。試求：（1）子午光線的最大時延差；（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,假如光源波長為1300nm請計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，相對折射率差是0.3%,包層直徑是12.5mm，光源波長為0.85mm,計算光纖的數(shù)值孔徑、最大可接受角和截至波長。7、 階躍型光纖的相對折射指數(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，問工作波長應如何選擇？8、階躍光纖，若nl1.50, 0=l.3m，試計算 （1）若= 025，為了保證單模傳輸，其纖芯半徑a應取多大？ （2）若取a=5m ，為保證單模傳輸，應取多大？ 9、 計算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， 試計算： （1） 纖芯和包層的相對折射差。