光纖光學(xué)學(xué)習(xí)指南

1、第一部分.光纖光學(xué)需要掌握的基本概念與重要結(jié)論第一章.緒論（4學(xué)時(shí)）光纖的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：大容量；低損耗；抗干擾能力強(qiáng)；保密性好；體積小重量輕；材料取之不 竭；抗腐蝕耐高溫。缺點(diǎn)：易折斷；連接分路困難；怕水；怕彎曲。光纖的分類重點(diǎn)掌握（1）光纖的結(jié)構(gòu)，纖芯、包層、涂覆層的特點(diǎn)與作用（2）階躍折射率分布光纖（SIOF）與漸變折射率分布光（GIOF）的特點(diǎn)與區(qū)別，折射 率分布形式。一些基本參數(shù)的意義與其表達(dá)式：相對(duì)折射差的意義與表達(dá)式； 折射率分布參數(shù)g的意義（當(dāng)g=8時(shí)為SIOF，當(dāng)g=2時(shí)為平方率分布光纖， 當(dāng)g=1時(shí)為三角分布光纖）。（3）單模光纖與多模光纖的特點(diǎn)與區(qū)別（傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)，芯徑的大小

2、，歸一化頻 率）；歸一化頻率的意義與表達(dá)式（階躍單模光纖的判據(jù)：V2.405，漸變單 模光纖的判據(jù):V3.508。注意我們經(jīng)常見到的2.405是對(duì)階躍光纖而言的）。簡單了解其它種類的光纖，例如保偏光纖與有源光纖（后面的課程會(huì)學(xué)到）。光纖的制備工藝簡單的了解一下。第二章.光纖光學(xué)的基本方程（2學(xué)時(shí)）分析光纖波導(dǎo)的兩種理論“幾何光學(xué)方法”與“波動(dòng)光學(xué)理論”的應(yīng)用條件（幾何光學(xué)方法：芯徑遠(yuǎn) 大于光波長；波動(dòng)光學(xué)理論：芯徑與波長可比例）與特點(diǎn)。由麥克斯韋方程組出發(fā)推導(dǎo)波導(dǎo)場方程（1）“三次分離”，基本過程以及能夠這樣分離的依據(jù)“電磁”分離：由麥克斯韋方程組到波動(dòng)方程“時(shí)空”分離：由波動(dòng)方程到亥姆霍茲方

3、程“橫縱”分離：由亥姆霍茲方程到波到場方程SIOF與GIOF中光線方程的意義，即SIOF與GIOF中光線的傳播形式模式及其基本性質(zhì)（1）模式的基本概念與定義TEM、TE、TM、HE、EH模式的特點(diǎn) 縱向傳播常數(shù)P橫向傳播常數(shù)W、U的意義（重點(diǎn)了解W的意義），以及W、U、V之間的關(guān)系（4）截止與遠(yuǎn)離截止的概念與基本條件（W=0截止，W= 8遠(yuǎn)離截止）（5）相速度、群速度、群延時(shí)的基本概念（6）線偏振模的概念第三章.階躍折射率分布光纖（6學(xué)時(shí)）幾何光學(xué)分析方法主要掌握一些基本的概念，“子午光線”與“偏斜光線”的定義；數(shù)值孔徑 的表達(dá)式，以及其物理意義（標(biāo)志著光纖收光能力以及與光源耦合時(shí)偶和效率的

4、大小），數(shù)值孔徑與傳輸帶寬的關(guān)系（成反比）。波導(dǎo)場方程及導(dǎo)模本征解本征值方程對(duì)于這兩節(jié)不必拘泥于復(fù)雜的計(jì)算與推導(dǎo)過程，只需了解計(jì)算的基本思想， 理解本征值方程的物理意義。模式分析（1）了解如何由本征值方程推導(dǎo)出TE、TM、HE、EH各模式的截止與遠(yuǎn)離截止的 條件。了解色散曲線的定義，看懂色散曲線（不同的V值對(duì)應(yīng)的導(dǎo)模種類），了解 基模HE模的定義。弱導(dǎo)光纖與線偏振模 弱導(dǎo)光纖的基本條件(n牝n ),弱導(dǎo)光纖場的基本特點(diǎn)(HE 與EH 有 12l+1,ml-1,m相似的色散曲線等)。了解LP%的模式簡并特性，以及其偏振態(tài)(拍頻)。了解LP&模式的導(dǎo)模截止與遠(yuǎn)離截止條件(分為l =。與l。0兩種情

5、況討論)掌握l,m與V的關(guān)系式以及光纖中傳輸?shù)哪Ｊ娇倲?shù)的計(jì)算式(注意這都是在Um即V很大的情況才能成立)。重點(diǎn)掌握在V值較小的情況下計(jì)算和分析光纖中傳導(dǎo)的精確模式(記住幾個(gè) 低階模式的截止時(shí)的V值，例如：LP模為截止時(shí)V=2.405； LP與LP模截, r4, r110221止時(shí) V=3.823 ； LP31 截止時(shí) V=5.136)。重點(diǎn)掌握LP頃模式分布圖的畫法，記住纖芯中的場的分布的表達(dá)式(LP頃模 式的分布圖大致可以總結(jié)為：徑向的亮斑數(shù)為m，角向的亮斑數(shù)為21，對(duì)于 l =0中心為亮斑，l豐0中心為暗斑)。了解主模標(biāo)號(hào)的概念第四章.漸變折射率分布光纖(6學(xué)時(shí))幾何光學(xué)分析方法掌握廣義折

6、射定律、“折射型光纖”“反射型光纖”的概念；以及光線在GIOF 與SIOF傳播的區(qū)別(GIOF傳輸?shù)膸挻笥赟IOF)。 看懂g(r)曲線，學(xué)會(huì)畫g(r)曲線；理解“約束光線” “泄露光線”以及“折 射光線”還有“內(nèi)散焦面”以及“外散焦面”這些概念，掌握上面的三種光 線分別存在的條件，重點(diǎn)能夠在g(r)曲線上標(biāo)出這三種光線，以及內(nèi)散焦面 半徑、外散焦面半徑、輻射散焦面半徑還有光纖芯徑的位置。(3) 了解平方率光纖與雙曲正割光纖中的光纖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)(平方率：不同角度的 近軸光線會(huì)匯聚到一點(diǎn)；雙曲正割：對(duì)于所有的光線都有很好的匯聚)掌握 聚焦參數(shù)*膏以及節(jié)距P的表達(dá)式。波導(dǎo)場方程及模式性質(zhì)學(xué)會(huì)看懂“

7、模式分析圖”，理解“導(dǎo)?！?、“泄露模”、“輻射模”的基本概念 以及它們存在的條件（理解它們與“約束光線”、“泄露光線”以及“折射光線” 的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系）平方率分布光纖中的導(dǎo)模場平方率分布光纖是目前唯一可以用已知函數(shù)表示其場分布的光纖，了解其本 征解的特點(diǎn)，了解其本征值方程及其物理意義，掌握基模場半徑（MFR）的概念。任意折射率分布光纖中的導(dǎo)模場了解WKB法的基本思想；記住光纖中導(dǎo)?？倲?shù)的表達(dá)式（M =-k2）； 2（ g + 2）將當(dāng)g=2時(shí)其本征值方程與平方率光纖中解得的作比較。單模光纖中的場解了解單模光纖的特點(diǎn)，簡單的了解等效階躍光纖的基本思想與方法，簡單的 了解單模光纖中的雙折射。第五章

8、.光纖的特征參數(shù)與測試技術(shù)（6學(xué)時(shí)）光纖的損耗重點(diǎn)掌握“光纖損耗a ”以及“光纖損耗系數(shù)以的定義與表達(dá)式，以及它 們之間的關(guān)系式（a =4.34a f ）；還有光功率常用單位dBm與mW之間的換算 關(guān)系。（2）吸收損耗。了解“本征吸收”的定義（又分為紫外和紅外本征吸收）；“雜質(zhì) 吸收”的定義重點(diǎn)理解OH根離子吸收的特點(diǎn)；“原子缺陷吸收”做簡單的了 解。（3）散射損耗。分為瑞利散射、受激喇曼散射、受激布里淵散射，了解它們的特 點(diǎn)（非線性散射、存在功率閾值），重點(diǎn)的了解瑞利散射的特點(diǎn)（線性散射、 與波長的四次方成反比、不可被消除）。（4）彎曲損耗。分為宏彎損耗、過渡彎曲損耗和微彎曲損耗，了解它們的

9、定義以 及產(chǎn)生原因。光纖的色散與帶寬了解光纖色散的影響(使光脈沖展寬降低通信容量)。掌握色散的分類，模間色散、材料色散、波導(dǎo)色散；了解多模光纖與單模光 纖中色散的種類；理解這三種色散產(chǎn)生的原因；色散的單位(ps/km.nm)。材料色散。折射率對(duì)波長的二階導(dǎo)，了解色散反常色散的概念(正常色散： 材料色散小于0，長波長跑得快)。波導(dǎo)色散。恒為負(fù)值，調(diào)整光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參量改變波導(dǎo)色散值，獲得零色 散位移光纖。了解光纖的分類：G.651、G.652、G.653、G.655、G.656。分別為多模光纖、 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖、零色散位移光纖、非零色散位移光纖以及全光光纖，了解它 們的性質(zhì)和應(yīng)用。偏振模色散的定義

10、與產(chǎn)生的原因。簡單的了解光脈沖展寬的推導(dǎo)過程(頻率啁啾可以對(duì)光脈沖進(jìn)行壓縮)。簡單了解均方脈寬與傳輸帶寬的關(guān)系。單模光纖模場半徑和截止波長了解單模光纖中模場在光纖橫截面上的近視分布函數(shù)，了解模場半徑的定義 方法，了解截止波長的表達(dá)式以及其物理意義。光纖參數(shù)的測試技術(shù)知道光纖的特征參數(shù)：損耗、折射率分布、帶寬、數(shù)值孔徑、模場直徑、截 止波長。穩(wěn)態(tài)注入”與“滿注入”以及“模式穩(wěn)態(tài)分布”的概念。了解“擾模器”、“濾模器”、“包層模剝除器”的基本結(jié)構(gòu)框圖與基本工作原 理。損耗的測量方法：“切斷法”、“插入損耗法” “背向散射法”，了解它們的原 理和它們的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)掌握背向散射法，學(xué)會(huì)畫OTDR的測量

11、曲線(注意 每段光纖的長度曲線的斜率為該段光纖的損耗)、入射端和出射端以及活動(dòng) 連接處的菲涅爾反射、熔融焊接點(diǎn)的損耗，光纖的斷點(diǎn)等)。簡單的了解折射率分布、帶寬、色散、數(shù)值孔徑以及模場半徑的測試方法與 原理。仔細(xì)閱讀截止波長測量的傳導(dǎo)功率法和模場半徑法。第六章.光纖無源及有源器件(10學(xué)時(shí))光無源器件與光有源器件的定義以及具體的種類自聚焦透鏡GRIN自聚焦透鏡的基本結(jié)構(gòu)，折射率分布(平方率分布)，與普通的球面透鏡相比的優(yōu)點(diǎn)，基本的參量：半徑、聚焦參數(shù)、透鏡的長度(用節(jié)距表示)。 自聚焦工作的機(jī)理(光線在GRIN中沿正弦曲線傳輸，正弦曲線的周期為一 個(gè)節(jié)距P，由一點(diǎn)發(fā)出的不同方向的光線會(huì)匯聚到一

12、點(diǎn))幾種重要的自聚焦透鏡以及其應(yīng)用：“準(zhǔn)直透鏡”、“耦合透鏡”、“等高成像 透鏡”，了解它們的基本原理。學(xué)會(huì)計(jì)算光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后的束寬與發(fā)散角。光纖定向耦合器(1)耦合器的作用與分類。耦合器的工作原理(兩根靠的很近的光纖的模場的相互耦合，注意傳輸相同 波長的耦合器與傳輸不同波長的波分復(fù)用耦合器的區(qū)別)。(3) 了解耦合器的基本參數(shù)：耦合比、附加損耗、插入損耗、隔離度，耦合器的 制作方法(熔融拉錐法)。重點(diǎn)掌握簡單耦合器的計(jì)算問題。光隔離器與光環(huán)形器了解光隔離器與光環(huán)形器的作用，學(xué)會(huì)使用光隔離器與光環(huán)形器搭建簡單的 光學(xué)系統(tǒng)。光纖光柵長周期光柵與Bragg光纖光柵的定義與區(qū)別(光柵周期、耦合方式

13、、對(duì)光 的作用等的區(qū)別)。一些特殊的光柵的折射率分布以及它們的作用。啁啾光柵：加寬反射譜、變 跡光柵(切趾光柵)：減小旁瓣、閃耀光柵等。Bragg光柵的作用，反射光譜，Bragg波長以及其意義。長周期光柵的作用，透射光譜，諧振波長。光纖光柵的制備方法，內(nèi)部寫入法、全息干涉法、相位掩膜法。重點(diǎn)了解相 位掩膜法。光纖光柵的作用：重點(diǎn)理解色散補(bǔ)償、增益平坦、光分插復(fù)用器。光纖放大器與光纖激光器傳統(tǒng)光-電-光中繼的優(yōu)缺點(diǎn)，全光放大器的與缺點(diǎn)。光纖放大器的工作原理。泵浦波長的選擇；980nm與1480nm泵浦的優(yōu)缺點(diǎn);鉺離子的三能級(jí)簡化圖(亞穩(wěn)態(tài))；放大器的放大、噪聲以及衰減產(chǎn)生的機(jī) 理。摻鉺光纖放大器

14、的基本結(jié)構(gòu)，前向、后向、雙向泵浦的結(jié)構(gòu)與優(yōu)缺點(diǎn)。摻鉺光纖放大器的噪聲系數(shù)以及增益(與光纖長度以及泵浦功率的關(guān)系)。摻鉺光纖放大器的增益譜(增益譜的擴(kuò)展與平坦)。摻鉺光纖放大器的應(yīng)用。光纖激光器的特點(diǎn)，與光纖放大器的區(qū)別。光纖激光器諧振腔(條形腔、環(huán)形腔)的構(gòu)建方法。(學(xué)會(huì)使用反射鏡、FBG、 光纖環(huán)形鏡、光纖環(huán)形器、光隔離器、波分復(fù)用器構(gòu)建諧振腔)。第七章.光纖的連接與耦合(4學(xué)時(shí))光纖-光纖的連接損耗連接損耗的定義。引起連接損耗的原因，內(nèi)部損耗因子(、g、，非互易)與外部損耗因子。不同的損耗因子對(duì)不同光纖的影響。多模光纖：內(nèi)部損耗因子影響大；單模 光纖：外部損耗因子影響大。橫向偏移、縱向偏移

15、、角向偏移的基本模型，對(duì)于它們所引起的損耗的具體 的計(jì)算簡單了解一下；菲涅爾發(fā)射損耗的定義計(jì)算與折射率匹配法。光纖的固定接續(xù)了解光纖固定連接的大致過程：首先端面制備，然后進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，最后進(jìn)行連 接。光纖端面制備的方法：刻痕拉斷法、研磨拋光法，了解這兩種方法的基本過 程。光纖的對(duì)準(zhǔn)：右、佰滄直接對(duì)準(zhǔn)：V型槽法、三棒法、套管法 有源對(duì)準(zhǔn)、二次對(duì)準(zhǔn)工、佰混淮透射率法* 隹局部損耗法簡單的了解這些方法的基本過程。光纖的固定：膠粘技術(shù)、機(jī)械夾持技術(shù)、熔融焊接技術(shù)，簡單的了解它們的 基本方法。簡單的了解FC、SC、ST、LC、MU等各種類型的連接器，知道它們使用什么 類型的法蘭盤。光纖-光源的耦合了解耦合效

16、率的定義，了解影響耦合效率的因素。了解朗伯光源基本特性以及影響光纖與朗伯光源偶效率的因素。簡單了解光纖與邊發(fā)光以及面發(fā)光LED的耦合。光纖與LD的耦合。簡單地了解引起連接損耗的各種因素，簡單地了解常用 的耦合透鏡。第八章光子晶體光纖(2學(xué)時(shí))1、了解折射率導(dǎo)光型和空芯光子帶隙型光子晶體光纖的工作原理及特性。2、了解折射率導(dǎo)光型光子晶體光纖可以實(shí)現(xiàn)無截止單模導(dǎo)光的原因。3、了解光子晶體光纖的制備工藝。第二部分.學(xué)習(xí)分析和解決問題的思路與方法光纖光學(xué)是一門有一定難度但是又是非?；A(chǔ)和重要的課程，本課程中會(huì)涉 及一些比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算有很多公式需要理解與記憶，同時(shí)還有許多概念與過 程需要我們?nèi)ゾ唧w去

17、理解其原理與物理意義，對(duì)于光纖光學(xué)的學(xué)習(xí)我有以下幾點(diǎn) 個(gè)人的總結(jié)。首先，學(xué)習(xí)一門課程的最基本的要求就是上課認(rèn)真的聽老師的講解，做好復(fù) 習(xí)與預(yù)習(xí)的工作，如果一味的選擇自學(xué)，總會(huì)有一些地方無法理解喝著理解的不 到位，要把課本與老師上課可PPT結(jié)合起來進(jìn)行學(xué)習(xí)，二者可以相互補(bǔ)充。其次，學(xué)完了一個(gè)章節(jié)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目偨Y(jié)，整理一下本章節(jié)的具體內(nèi)容，將 每節(jié)課學(xué)的零散的知識(shí)串聯(lián)起來，簡單的看一下課后的習(xí)題，這樣可以加深理解。還有，要注重理解，不要一味的死記硬背，但是對(duì)于一些基本的概念和公式 比如說光纖的折射率分布、相對(duì)折射率差、歸一化頻率等，不要偷懶，要認(rèn)真的 記下來。書中的那些復(fù)雜的計(jì)算和推導(dǎo)要注重理解方

18、法和思路，不要一味的糾結(jié) 于數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程。第三部分.注重物理內(nèi)涵而不拘泥于繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算本書中有很多復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如果我們一味的拘泥于這些復(fù)雜的運(yùn)算過程， 對(duì)每一步計(jì)算都要進(jìn)行推導(dǎo)和演算，這樣會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，而且其中有一些計(jì) 算非常的繁復(fù)，要用到特殊的方法和假設(shè)以及一定的近視，以我們目前的數(shù)學(xué)水 平很難徹底的弄明白。當(dāng)然對(duì)于一些對(duì)這些運(yùn)算非常有興趣的同學(xué)，可以嘗試的 去查閱資料仔細(xì)推導(dǎo)，這樣可以加深理解，一般每一個(gè)章節(jié)后面的附錄都有這些 這些計(jì)算應(yīng)用的文獻(xiàn)。因此對(duì)于這些復(fù)雜的運(yùn)算我們應(yīng)該理性的看待，我們要從 計(jì)算的原理出發(fā)，了解這些計(jì)算基本思路，了解計(jì)算式的物理意義，有時(shí)適當(dāng)?shù)?記住一些重

19、要的結(jié)論。下面我們具體的舉例說明。例一由麥克斯韋方程組出發(fā)推導(dǎo)波到場方程對(duì)于一個(gè)學(xué)電的工科學(xué)生麥克斯韋方程組以及邊界條件是我們需要掌握的 基本常識(shí)，這是我們計(jì)算的前提。我們按照計(jì)算的過程一步一步的分析計(jì)算的基 本思想。首先由光線波導(dǎo)中的麥克斯韋方程組出發(fā)，將電矢量與磁矢量分離的到 波動(dòng)方程；再由波動(dòng)方程，將時(shí)空坐標(biāo)分離可以得到亥姆霍茲方程；然后由亥姆 霍茲方程，將波矢分解為橫向分量與縱向分量就可以得到波導(dǎo)場方程，同時(shí)我們 要知道橫向以及縱向傳播常數(shù)的物理意義。對(duì)于這幾步的推導(dǎo)具體的計(jì)算過程可 以簡單地了解，我們只需要知道為什么要進(jìn)行這樣的分離，并記住每一次分離所 得的計(jì)算結(jié)果。由波到場方程出發(fā)

20、，其方程的解即為光纖中光場的模式，由我們所學(xué)數(shù)學(xué) 物理方程的知識(shí)我們知道這種二階的偏微分方程的解是分立的，每一個(gè)分立的解 即為光場的一個(gè)模式。下面是具體的討論如何求解。具體的解偏微分方程的過程 得思想為：首先根據(jù)光纖的圓對(duì)稱性將徑向與角向分量進(jìn)行分離，將拉普拉斯算 符由直角坐標(biāo)系中變換為柱坐標(biāo)系。對(duì)于角向分量，由其周期性可得角向分量的 表達(dá)式，帶入波導(dǎo)場方程可得關(guān)于進(jìn)行分量的偏微分方程為1階貝塞爾方程，我 們就可以得到場的縱向分量的表達(dá)式，再代入邊界方程就可以得到光纖的本征值 方程。我們只需理解本征值方程的物理意義即可。對(duì)于后面的模式分析即可有本 征值方程作一定變換再帶入相關(guān)的條件求得。例二任意折射率分布光纖中的導(dǎo)模場分析對(duì)于任意折射率分布光纖中的導(dǎo)模場分析，我們無法具