下载文档原格式
第三章 阶跃折射率光纤本章知识导图§3-1 几何光学分析法§3.1-1 阶跃折射率光纤中子午光线的传播一、子午光线在任何一根光纤中，通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，它有无穷多个；位于子午面内的光线称为子午光线，它在光纤端面上的投影即为光纤端面上的直径或是一个点。
二、全反射条件• 见图，n1, n2分别为纤芯和包层材料的折射率，n0为周围介质的折射率，在界面上，若满足 • （ 斯涅尔定律 ）则ψ 就是全反射的临界角，记作ψc 。
三、数值孔径四、子午光线的时延差1、渡越时间2、模间色散3、传输带宽4、传输容量限制§3.1-2 斜光线的传播1、 斜光线全反射条件2、斜光线数值孔径,221πψSin n Sin n =3、最大时延差§3-2 波导场方程及导模场解标量模矢量模一、纵向分量的场解纵向分量解的形式：径向分量满足的方程：第一类贝塞尔函数J l(x)可解得：【例题1】光纤的纤芯折射率n1=1.5，包成的折射率n2=1.48，纤芯半径a=2μm，入射光的波长628nm，光纤内的纤壁入射角为φ=850。
求此光纤的归一化频率，芯区的纵向传播常数和横向传播常数，芯区和包成的横向归一化传播常数。
二、模式场解§3-3 本征值方程【新课教学】复习引入： 在芯包层边界（r=a )连续条件：一、阶跃光纤的本征值方程(色散方程）令例如，在弱导近似下(n1≈n2即k1≈k2)§3-4 阶跃光纤的模式分析【教学过程】根据q 的不同取值，可以将模式场分为两类：1、横电模TE定义l=0，且电场只有角向分量的模式，或由 三个电磁场分量组成的模式r z e h h ϕ、、称为横电模。
特征方程为：2、横磁模TM定义l=0，且磁场只有角向分量的模式，或由 三个电磁场分量组成的模式称为横电模。
特征方程为： 3、混合模定义l ≠0，且电磁场都是非零的模式为混合模。
混合模又分两类，称q =1的模为EH 模，q = -1的模称为HE 模。
第三章阶跃折射率光纤本章知识导图§3-1 几何光学分析法教学目标1、了解几何光学分析的基本思路；2、理解数值孔径、时延差的概念；3、了解斜光线与子午光线在传播上差异；教学重点1、理解数值孔径和时延差的概念；2、理解时延差与带宽的关系教学难点1、斜光线时延差的推导教学方法讲授教学形式多媒体学时分配2课时作业无§3.1-1 阶跃折射率光纤中子午光线的传播一、子午光线在任何一根光纤中，通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，它有无穷多个；位于子午面内的光线称为子午光线，它在光纤端面上的投影即为光纤端面上的直径或是一个点。
二、全反射条件•见图，n1, n2分别为纤芯和包层材料的折射率，n0为周围介质的折射率，在界面上，若满足, 22 1πψSinnSinn=•（斯涅尔定律）则ψ就是全反射的临界角，记作ψc。
三、数值孔径四、子午光线的时延差1、渡越时间2、模间色散3、传输带宽4、传输容量限制§3.1-2 斜光线的传播1、斜光线全反射条件2、斜光线数值孔径3、最大时延差§3-2 波导场方程及导模场解圆柱波导中场解的描述形式标量模矢量模一、纵向分量的场解纵向分量解的形式：径向分量满足的方程：第一类贝塞尔函数J l(x)可解得：【例题1】光纤的纤芯折射率n1=1.5，包成的折射率n2=1.48，纤芯半径a=2μm，入射光的波长628nm，光纤内的纤壁入射角为φ=850。
求此光纤的归一化频率，芯区的纵向传播常数和横向传播常数，芯区和包成的横向归一化传播常数。
二、模式场解§3-3 本征值方程【新课教学】复习引入：在芯包层边界（r=a)连续条件：一、阶跃光纤的本征值方程(色散方程）令例如，在弱导近似下(n1≈n2即k1≈k2)§3-4 阶跃光纤的模式分析【教学过程】一、阶跃光纤的四种基本模式模式鉴别参数根据q 的不同取值，可以将模式场分为两类： 1、横电模TE定义l=0，且电场只有角向分量的模式，或由 三个电磁场分量组成的模式称为横电模。
第一部分.光纤光学需要掌握的基本概念与重要结论第一章．绪论1.光纤的优缺点优点：大容量；低损耗；抗干扰能力强；保密性好；体积小重量轻；材料取之不竭；抗腐蚀耐高温。
缺点：易折断；连接分路困难；怕水；怕弯曲。
2.光纤的分类重点掌握(1)光纤的结构，纤芯、包层、涂覆层的特点与作用(2)阶跃折射率分布光纤(SIOF)与渐变折射率分布光(GIOF)的特点与区别，折射率分布形式。
一些基本参数的意义与其表达式：相对折射差∆的意义与表达式；折射率分布参数g的意义（当g=∞时为SIOF，当g=2时为平方率分布光纤，当g=1时为三角分布光纤）。
(3)单模光纤与多模光纤的特点与区别（传输的模式数，芯径的大小，归一化频率）；归一化频率的意义与表达式（阶跃单模光纤的判据：V<2.405，渐变单模光纤的判据：V<3.508。
注意我们经常见到的2.405 是对阶跃光纤而言的）。
简单了解其它种类的光纤，例如保偏光纤与有源光纤（后面的课程会学到）。
3.光纤的制备工艺简单的了解一下。
第二章．光纤光学的基本方程1.分析光纤波导的两种理论“几何光学方法”与“波动光学理论”的应用条件（几何光学方法：芯径远大于光波长；波动光学理论：芯径与波长可比例）与特点。
2.由麦克斯韦方程组出发推导波导场方程(1)“三次分离”，基本过程以及能够这样分离的依据“电磁”分离：由麦克斯韦方程组到波动方程“时空”分离：由波动方程到亥姆霍兹方程“横纵”分离：由亥姆霍兹方程到波到场方程(2)SIOF与GIOF中光线方程的意义，即SIOF与GIOF中光线的传播形式3.模式及其基本性质(1)模式的基本概念与定义(2)TEM、TE、TM、HE、EH模式的特点(3)纵向传播常数β横向传播常数W、U的意义（重点了解W的意义），以及W、U、V之间的关系(4)截止与远离截止的概念与基本条件（W=0截止，W=∞远离截止）(5)相速度、群速度、群延时的基本概念(6)线偏振模的概念第三章．阶跃折射率分布光纤1.几何光学分析方法主要掌握一些基本的概念，“子午光线”与“偏斜光线”的定义；数值孔径的表达式，以及其物理意义(标志着光纤收光能力以及与光源耦合时偶和效率的大小)，数值孔径与传输带宽的关系（成反比）。
光纤光学课后答案【篇一：光纤应用习题解第1-7章】>1．详述单模光纤和多模光纤的区别（从物理结构，传播模式等方面）a：单模光纤只能传输一种模式，多模光纤能同时传输多种模式。
单模光纤的折射率沿截面径向分布一般为阶跃型，多模光纤可呈多种形状。
纤芯尺寸及纤芯和包层的折射率差：单模纤芯直径在10um左右，多模一般在50um以上；单模光纤的相对折射率差在0.01以下，多模一般在0.01—0.02之间。
2．解释数值孔径的物理意义，并给出推导过程。
a:：na的大小表征了光纤接收光功率能力的大小，即只有落入以m为半锥角的锥形区域之内的光线，才能够为光纤所接收。
3．比较阶跃型光纤和渐变型光纤数值孔径的定义，可以得出什么结论？a：阶跃型光纤的na与光纤的几何尺寸无关，渐变型光纤的na是入射点径向坐标r的函数，在纤壁处为0，在光纤轴上为最大。
4．相对折射率差的定义和物理意义。
n12-n22n1-n2a：d=2n12n1d的大小决定了光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光能力。
5．光纤的损耗有哪几种？哪些是其固有的不能避免，那些可以通过工艺和材料的改进得以降低？a：固有损耗：光纤材料的本征吸收和本征散射。
非固有损耗：杂质吸收，波导散射，光纤弯曲等。
6．分析多模光纤中材料色散，模式色散，波导色散各自的产生机理。
a：材料色散是由于不同的光源频率所对应的群速度不同所引起的脉冲展宽。
波导色散是由于不同的光源频率所对应的同一导模的群速度不同所引起的脉冲展宽。
多模色散是由于不同的导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度所引起的脉冲展宽。
7．单模光纤中是否存在模式色散，为什么？a：单模光纤中只传输基模，不存在多模色散，但基模的两个偏振态存在色散，称为偏振模色散。
8．从射线光学的观点计算多模阶跃光纤中子午光线的最大群时延差。
a：设光纤的长度为l，光纤中平行轴线的入射光线的传输路径最短，为l；以临界角入射到纤芯和包层界面上的光线传输路径最长，为linfc。
第一章绪论¾光纤技术的起源；¾光通信的需求；为什么是光纤；¾光纤及其分类；¾光纤的制作；¾光纤光学的内容及发展通信的发展给社会和人们的生活方式带来革命性的变化通信促进各行业的发展通信网和应用工业自动化电子政务医疗卫生智能家居智慧农业§1 光纤的出现和发展通信改变人们的生活方式4通信网和应用投资理财旅游订票网上购物交友聊天游戏娱乐带来革命性的变化给人们带来的困扰5通信网和应用包括诈骗在内的网络犯罪日益猖獗上网和游戏成瘾个人信息和公司机密的泄露带来革命性的变化交通安全¾通俗讲的通信是人们在日常生活中相互之间传递信息的过程。
（信息是消息中包含的有意义的内容）¾现代通信技术，就是随着科技的不断发展，如何采用最新的技术来不断优化通信的各种方式，让人与人的沟通变得更为便捷、有效。
现代通信技术通信系统有线通信系统有线载波通信光通信架空明线对称电缆同轴电缆空间光通信光纤通信无线通信系统微波中继通信卫星通信移动通信微波散射通信流星余迹通信中继站终端站地面微波中继通信干线己被光纤取代多工作在3000MHz 以上频段，通过中继站接力传输。
60,70年代曾是通信干线的主要方式之一。
数字微波通信：利用波长为1m~1mm 范围内的电磁波通过中继站传输信号的一种通信方式。
注：移动通信、卫星通信、无线接入虽工作在微波频段，但一般不划归于微波通信这一类。
“微波通信”一般是指微波接力通信。
卫星通信：利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信的技术。
优点: 通信距离远，覆盖面大，不受地形条件限制，可达海洋、沙漠、高山。
缺点：可靠性不及光纤、微波中继通信卫星移动通信：指通信双方至少有一方在移动中进行的信息交换的通信。
己成为目前世界最普及的通信工具。
当前主要推广第三代（3G），正在研究发展第四代。
至公用电话网车载台手持机移动电话局基站公用移动电话系统结构示意图光纤通信：是以光波为载频，以光导纤维为传输介质的一种通信方式，其主要特点是频带宽，比常用微波频率高104~105倍。
