2022年光纖光學(xué)總結(jié)

1、光纖光學(xué)總結(jié)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。基本結(jié)構(gòu) :纖芯、包層、套塑層 光波導(dǎo) :約束光波傳輸?shù)拿浇?導(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 ,n1n2 低傳輸損耗3、光纖分類 通信用 與非通信用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)與結(jié)構(gòu)參數(shù),色

2、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 :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,具有如下特點 : 、2、 光纖就是一種介質(zhì)光波導(dǎo)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)與 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,再推得光線總就是向折射率高的區(qū)域彎曲。5、 光纖波導(dǎo)光波傳輸特征 : 光纖光學(xué)總結(jié)在縱向 (軸向 )以“ 行波” 形式存在 變化 ,沒有幅度變化。6、模式,橫向以“ 駐波” 形式存在。場分布沿軸向

3、只有相位求解波導(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與橫場分布、模式就是波導(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)就是已確定了的,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)。( 與 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 )的分布就是與光波傳輸區(qū)域的

4、橫向 (xy 面)結(jié)構(gòu)相關(guān)的 ; 相長干涉 條件 :2 nLK縱模就是與激光腔長度相關(guān)的 ,所以叫做“ 縱?！?縱模就是指頻率而言的。根據(jù)場的縱向分量 Ez與 Hz 的存在與否 ,可將模式命名為 : (1)橫電磁模 (TEM): EzHz0; (2)橫電模 (TE): Ez0, Hz 0; (3)橫磁模 (TM): Ez 0, Hz0; (4)混雜模 (HE或 EH):Ez 0, Hz 0。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 實際上就是等相位面沿 z 軸的變化率 ; b 數(shù)值分立

5、 ,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)模就是簡并的; 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、W) U 導(dǎo)模在芯區(qū)中的駐波場的橫向振蕩頻率W 導(dǎo)模在包層中消逝場的衰減速度，W 越大，衰減越快，截止條件：W 0 場在包層中不衰減，導(dǎo)模轉(zhuǎn)化為輻射模，導(dǎo)模截止遠(yuǎn)離截止條件：W 10、相速度 ,群速度場在包層中不存在，導(dǎo)模被約束在纖 芯中，約束最強，遠(yuǎn)離截止光纖光學(xué)總結(jié)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

6、之間會產(chǎn)生不同的群延時 第三章,這種群延時引起的脈沖展寬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NA n i sin im n 1 2 n 2 2 n 1 2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) ,這一點與普通的光學(xué)系統(tǒng)有所不同。3、 相對折射率差 : (2 n 1n2)/22 n 12

7、4、 光纖的通信容量正比于光纖的傳輸帶寬,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、 光纖就是一種介質(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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)離截止 : 光纖光學(xué)總結(jié)臨近截止 : W=0 , 場在包層中不衰減遠(yuǎn)離截止 : W

8、 , 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 ,模式分布就是固定的?？筛鶕?jù)本征值方程式利用數(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)光纖弱導(dǎo)光纖：n 1n 2,k 0n 1k 0n 2,亦即：k 0n 1k 0n 2光線與纖軸的夾角小;芯區(qū)對光場的限制較弱; 消逝場在包層中延伸較遠(yuǎn)。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(yuǎn)大于縱向分量 ; 可以在直角坐標(biāo)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(dāng)0 時,每一個 LP

9、m 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 ,即只有徑向變化,沒有角向變化。當(dāng)=0 時,LP0m 模式只有兩重簡并LP模偏振態(tài) : LP m 模的簡并態(tài)就是以光纖的弱導(dǎo)近似為前提的 ; 實際上 ,n1 與 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就是光纖基模。模式的截止與遠(yuǎn)離截止 : 遠(yuǎn)離截止 : W , 場在包層中不存在臨近截止 : W

10、=0 , 場在包層中不衰減導(dǎo)模遠(yuǎn)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(dāng)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(biāo)號成正比,并與模式群序號p 光纖光學(xué)總結(jié) 一一對應(yīng) ,高階模出射角大 ,低階模出射角小 第四章2、nndznr 0coszr 0nrcoszrConstds3、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), 這就是一個與均勻折射率分布

11、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)光纖光學(xué)總結(jié)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),即她們就是簡并的。平方率分布光纖基模場分布為高斯函數(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(yán)格求解波導(dǎo)場方

12、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光纖光學(xué)總結(jié) 主模式標(biāo)號 : p=2m+l+1 10、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(yuǎn)場圖 :光纖輸出端面足夠遠(yuǎn)處,光纖輸出光功率沿角度的分布。11、單模光纖的特點:(當(dāng)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與極低的損耗,單模光纖中基模的相位、偏振、振幅等參數(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

13、描述單模光纖的場。(2)等效階躍光纖近似 (ESF) 尋找一條適當(dāng)?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就是已知的, 這樣就得到了漸變型光纖的場解。等效階型光纖參數(shù)V 與 a 的選擇應(yīng)使 22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 (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 與 y

14、 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、模式就是什么？7、如何唯一確定一個模式？光纖光學(xué)總結(jié)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、模場耦合就是什么意思？1、為什么光纖要采用“ 芯包結(jié)構(gòu)” ？2、“ 單模光纖” 中有幾個導(dǎo)模？如果要

15、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)涵就是什么？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與 GIOF 中的軌跡曲線。7、從廣義折射定理說明為什么光線總就是向折射率高的區(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、外散焦面與輻射散焦面的物理意義。10、SIOF中子午光線的內(nèi)、外散焦面半徑各就是多少？1、子午光線的主要特征就是什么 ? 2、推導(dǎo) SIOF數(shù)值孔徑表達(dá)式 ; GIOF的數(shù)值孔徑有何

16、不同 ? 3、為什么 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、隧道光線與折射光線的特點。6、分別說明導(dǎo)模、漏模與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、漏模與輻射模對應(yīng)于約束光線、隧道光線與折射光線。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就是獨立滿足波導(dǎo)場方程？寫出該波導(dǎo)場方程式。

17、3、SIOF中波導(dǎo)場方程具有什么數(shù)學(xué)特征？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(yuǎn)離截止的物理意義就是什么 遠(yuǎn)離截止時的本征值。?寫出 SIOF中 TE01、TE02、TE03在臨近截止與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)目就是多少？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Vc10Gbit/s) 的傳輸系統(tǒng) ,偏振模色散越嚴(yán)重 ; （8）由于偏振模色散的隨機性 ,一般僅能對偏振模色散

18、的平均效應(yīng)進(jìn)行補償。色散與展寬的關(guān)系正、負(fù)色散均導(dǎo)致脈沖展寬 ;但利用正、負(fù)色散可補償光脈沖的展寬。6、啁啾 :光的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)分布光纖光學(xué)總結(jié)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(yuǎn)場法12、帶寬測量 時域法 ,頻域法1

19、3、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 :就就是一段自聚焦光纖,折射率平方分布光纖。2、光耦合器 :傳送與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(jìn)行合波或以不同的方式(波長、光功率 ) 進(jìn)行分波。光纖光學(xué)總結(jié)耦合長度 : 針對具體的波長 , 光能量從一個光纖完全進(jìn)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就是禁止的。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

20、理 , 光波通過置于磁場中的法拉第旋光片時 , 光波的偏振方向總就是沿與磁場 (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 3 輸出。光總就是按規(guī)定的路徑傳輸。5、光纖光柵(1) 基本定義通過對纖芯折射率的調(diào)制形成光柵; ; 光柵形成區(qū)域改變光纖中的模式形成光柵的強弱與折射率的調(diào)制成正比。(2) 如何實現(xiàn)纖芯的折射率調(diào)制在石英光纖中引入缺陷 : 增強光吸收 ; 通過摻雜改變折射率 ; 稠化石英 , 增加密度 : 直接來增加 n 值; 通過紫外光照射光