1、光纖光學總結說明 :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、光纖通信優點 寬帶寬 ,低損耗 ,保密性好 ,易鋪設 2、光纖介質圓柱光波導,充分約束光波的橫向傳輸(橫向沒有輻射泄漏),縱向實現長距離傳輸。基本結構 :纖芯、包層、套塑層 光波導 :約束光波傳輸的媒介 導波光 :受到約束的光波 光波導三要素 : “ 芯 / 包” 結構 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的光纖 ; 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 ;改變芯經與結構參數,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、 光纖就是一種介質光波導無傳導電流 ; 無自由電荷 ; 線性各向同性3、 邊界條件 :在兩種介質交界面上電磁場矢量的E(x,y)與 H(x,y)切向分量要連續,D 與 B 的法向分量連續 : 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域彎曲。5、 光纖波導光波傳輸特征 : 光纖光學總結在縱向 (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、只有相位求解波導場方程可得本征解及相應的本征值。通常將本征解定義為“ 模式” 、 每一個模式對應于沿光波導軸向傳播的一種電磁波 ;每一個模式對應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、模式就是波導結構的固有電磁共振屬性的表征。給定的波導中能夠存在的模式及其性質就是已確定了的,外界激勵源只能激勵起光波導中允許存在的模式而不會改變模式的固有性質。( 與 及邊界條件均由光纖本身決定,與外界激勵源無關 ) 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定分布 ,這種具有穩定光強分布的電磁波 ,稱為橫模。橫模 (表現在光斑形狀 )的分布就是與光波傳輸區域的

4、橫向 (xy 面)結構相關的 ; 相長干涉 條件 :2 nLK縱模就是與激光腔長度相關的 ,所以叫做“ 縱?！?縱模就是指頻率而言的。根據場的縱向分量 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為HE(EH)模,有時也出現TE(TM)模。7、縱向傳播常數物理意義 :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 數值分立

5、 ,對應一組導模 ; 不同的導模對應于同一個b 數值 ,我們稱這些導模就是簡并的; 8、歸一化頻率給定光纖中 ,允許存在的導模由其結構參數所限定。光纖的結構參數可由其歸一化頻率 V 表征: V 值越大 ,允許存在的導模數就越多。9、 橫向傳播常數 (U、W) U 導模在芯區中的駐波場的橫向振蕩頻率W 導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，導模轉化為輻射模，導模截止遠離截止條件：W 10、相速度 ,群速度場在包層中不存在，導模被約束在纖 芯中，約束最強，遠離截止光纖光學總結11 群延時與色散群延時 :光脈沖行經單位長度距離所需時間。色散 :不同模式

6、之間會產生不同的群延時 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 :在子午平面上傳輸的光線。偏斜光線 :與纖軸既不相交又不限于單一平面之內的光線。2、 數值孔徑 : 定義光纖數值孔徑 NA 為入射媒質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。應注意 ,光纖的數值孔徑只決定于光纖的折射率 ,而與光纖的幾何尺寸無關 ,這一點與普通的光學系統有所不同。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。5、 結論 1: 多模階躍光纖通信容量并不高 ! 結論 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、 光纖就是一種介質光波導 ,具有如下特點 : 無傳導電流 ; 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; 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 : 光纖光學總結臨近截止 : W=0 , 場在包層中不衰減遠離截止 : W

8、 , 場在包層中不存在10、色散曲線結構參數給定的光纖中 ,模式分布就是固定的?？筛鶕菊髦捣匠淌嚼脭抵涤嬎愕玫礁鲗鞑コ?與光纖歸一化頻率 V 值的關系曲線 ,稱之為色散曲線。因此 ,本征值方程又叫色散方程。11、弱導光纖弱導光纖：n 1n 2,k 0n 1k 0n 2,亦即：k 0n 1k 0n 2光線與纖軸的夾角小;芯區對光場的限制較弱; 消逝場在包層中延伸較遠。弱導光纖場的特點 : 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 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=0 時,LP0m 模式只有兩重簡并LP模偏振態 : LP m 模的簡并態就是以光纖的弱導近似為前提的 ; 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 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。模式的截止與遠離截止 : 遠離截止 : 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模遠離截止 :導模功率幾乎全部集中在纖芯中傳輸。導模鄰近截止 :對于低階模 ,導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 光纖光學總結 一一對應 ,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, 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、光線分類判據光纖光學總結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 相同的導模具有相同的縱向傳播常數,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,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場方

12、程獲得解析解。WKB 法基本思想 : 導模場分布的變化主要體現在相位的變化上可以將場解分解為 緩慢變化的振幅函數與快速變化的相位函數的乘積。9、 弱導光纖中存在線偏振模光纖光學總結 主模式標號 : 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與極低的損耗,單模光纖中基模的相位、偏振、振幅等參數對于各種外界物理量 (如磁場、電場、轉動、振動、應力、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) 尋找一條適當的階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V 與 a 的選擇應使 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 ) 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 ,引起線偏振面旋轉橢圓雙折射 :上述兩種情形迭加光纖雙折射產生偏振模色散 (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 ,允許存在的模式數目如何變化？3、光纖中傳播的光波有何特征？4、推導波導場方程經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？光纖光學總結8、由射線方程推導光線軌跡 ,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“ 芯包結構” ？2、“ 單模光纖” 中有幾個導模？如果要

15、求光纖只傳輸一個導模,應如何設計光纖? 3、簡述波動光學分析方法的基本思路、說明從麥克斯韋方程到波導場方程三次分離變量的 理論依據。4、波導場方程具有什么樣的數學特征？5、模式的內涵就是什么？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域彎曲。8、說明光纖數值孔徑的物理意義。9、說明內散焦面、外散焦面與輻射散焦面的物理意義。10、SIOF中子午光線的內、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 SIOF數值孔徑表達式 ; GIOF的數值孔徑有何

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 處光線轉動最慢;在最大的 r 處光線轉動最快; 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關系。導模、漏模與輻射模對應于約束光線、隧道光線與折射光線。8、說明傳播常數 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場方程？寫出該波導場方程式。

17、3、SIOF中波導場方程具有什么數學特征？4、在 SIOF中如何求波導場方程的解？5、寫出 SIOF中推導本征值方程的主要數學步驟。6、導模截止與遠離截止的物理意義就是什么 遠離截止時的本征值。?寫出 SIOF中 TE01、TE02、TE03在臨近截止與7、寫出 SIOF中模式數目與 V 值的關系式。8、根據 SIOF色散曲線分析 ,在 V=4、5 時有那幾個模式存在？總模式數目就是多少？并與模 式數估算公式的結果比較。9、SIOF與 GIOF中哪個導模數目更多？10、為什么單模條件Vc10Gbit/s) 的傳輸系統 ,偏振模色散越嚴重 ; （8）由于偏振模色散的隨機性 ,一般僅能對偏振模色散

18、的平均效應進行補償。色散與展寬的關系正、負色散均導致脈沖展寬 ;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 ,波長越短 ,模場半徑越小。(1) 功率傳輸函數定義模場半徑(2) 最大激發效率定義模場半徑8、注入條件與穩態分布光纖光學總結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、數值孔徑 折射近場法與遠場法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。對光信號進行合波或以不同的方式(波長、光功率 ) 進行分波。光纖光學總結耦合長度 : 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) 方向構成右手螺旋方向旋轉 , 而與光波的傳播方向無關。正、反方向兩次通過法拉第旋光片時 , 偏振方向旋轉角度將迭加而不抵消。4、光環形器定義 : 光由環行器的一個端口( 如端口 1) 輸入 , 沿著環形器傳輸, 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制形成光柵; ; 光柵形成區域改變光纖中的模式形成光柵的強弱與折射率的調制成正比。(2) 如何實現纖芯的折射率調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