2.6光波在光纤波导中的传播
本节讨论光波在光纤波导中的传播的传播性质。
1. 光纤波导的结构及弱导性
光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导。光纤的典型结构如图1所示，它由纤芯、包层和护套三部分组成。波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义为纤芯和包层间的相对折射率差
2/])(1[21
2n n -=? (2.6-1) 当01.0
1
21n n n -≈? (2.6-2) 这即为光纤波导的弱导条件。光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。
(a)
多模光纤 12.5m (d) 图1 典型光纤的结构、折射率分布和尺寸范围 一般介质波导截面上的折射率分布可以用指数型分布表示为 ?? ???≥=?-=≤ ??-=)()21()()0()(21)(22/112/11a r n n r n a r a r n r n α (2.6-3) 2. 光束在光纤波导中的传播特性 射线理论的基础是光线方程 )(d d )(d d r n s r r n s ?=?? ???? (2.6-4) r ：空间光线上某点的位置矢量，s ：该点到光线到原点的路径长度，)(r n ：折 射率的空间分布。应用上式，结合初始条件，原则上就可确定任意已知折射率分 布)(r n 介质光线的轨迹。 ⑴ 阶跃光纤中光波的传播 均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全反射。光纤可视为圆柱波导，在圆柱波导中，光线的轨迹可以在通过光纤轴线的主截面内，如图2(a)所示，也可以不在通过光纤轴线的主截面内，如图2(b)所示。为完整的确定一条光线，必须用两个参量，即光线在界面的入射角 和光线与光纤轴线的夹角。 2 (a) P 2(b) 图2 阶跃折射率光纤纤芯内的光纤路径 (a) 子午光线的锯齿路径； (b) 偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影 ① 子午光线 当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大于界面临界角1 210sin n n -=θ时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。 设光线从折射率为n 0的介质通过波导端面中心点入射，进入波导后按子午光线传播。根据折射定律，当产生全反射时，要求01θθ>，因此有 2/122210 0)(1sin n n n -≤? (2.6-5) 一般情况下，n 0=1（空气），则子午光线对应的最大入射角称为光纤的数值孔径 NA n n m m =-=2/12221)(0) (sin ? (2.6-6) 它代表光纤的集光本领。在弱到条件下 2/11)2(?n NA ≈ (2.6-7) ② 斜射光线 当入射光线不通过光纤轴线时，传导光线将不在一个平面内，这种光线称为斜射光线。 如果将其投影到端截面上，就会更清楚地看到传导光线将完全限制在两个共轴圆柱面之间，其中之一是纤芯-包层边界，另一个在纤芯中，其位置由角度1和1决定，称为散焦面。 显然，随着入射角1的增大，内散焦面向外扩大并趋近为边界面。在极限情况下，光纤端面的光线入射面与圆柱面相切（1=90），在光纤内传导的光线演变为一条与圆柱表面相切的螺线，两个散焦面重合。 当满足全反射条件121/sin n n ≥θ时，得到波导内允许的最大轴线角)(0s m ?为 O (a) O (b) 图3阶跃光纤中的斜射光线 γ ?γ?cos sin cos )(sin 1)(012/12221) (0n n n n m m s m =-= (2.6-8) 当120==n n （空气）时，最大入射角为 γ ??cos sin sin )(0) (0m m s m = (2.6-9) 式中)(0m m ?是传导子午光线的最大入射角。 在圆柱界面上一点A 处所有可能的入射光线可分为三部分： A. 非导引光线（折射光线）。 B. 导引光线。 C. 泄漏光线（隧道光线）。 ③不同光程引发的光脉冲的弥散 阶跃光纤中与光纤轴成不同夹角的导引光线，在轴向经过同样距离时，各自走过的光程是不同的。因此，若有一个光脉冲在入射端激发起各种不同角度的导引光线，那么由于每根光线经过的光程不同，就会先后到达终端，从而引起光脉冲宽度的加宽，称为光脉冲的弥散。 光线经过轴向距离L 所花的最长和最短时间差为 ?τc Ln c Ln cn Ln 11221Δ=-= (2.6-10) 可见，光脉冲弥散正比于，愈小， 就愈小。 ⑵渐变折射率光纤 我们只讨论平方率梯度光纤中光波的传播特性。平方律折射率分布光纤的n (r )可表示为 ??? ???????? ??-=221221)(a r n r n ? (2.6-11) ①平方律梯度光纤中的光线轨迹 由光纤理论可以证明子午光线轨迹按正弦规律变化 )sin(0z r r Ω= (2.6-12) 式中r 0、由光纤参量决定。 可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质，又称自聚焦光纤，如图 4所示。 一段/4（=2/）长的自聚焦光纤与光学透镜作用相似，可以会聚光线和成像。两者的不同之处在于，一个是靠球面的折射来弯曲光线；一个是靠折射率的梯度变化来弯曲光线。自聚焦透镜的特点是尺寸很小，可获得超短焦距， 可弯曲成像等。这些都是一般透镜很难或根本不能做到的。可以证明，自聚焦透镜的焦距（焦点到主平面的距离）f 为 ) sin()0(1z n f ΩΩ= (2.6-13) f 随z 的变化如图5所示， z =/4时，f =f min 。 z Q P Q (a) (c) 图4 渐变折射率分布光纤纤芯内光线的路径及其在纤芯横截面上的投影 (a) 子午光线路径；(b) 斜射光线路径；(c) 投影和角向间的夹角(r ) f min =1/n (0) 1/n (0) 图5 自聚焦光纤的透镜特性 (a) 子午光线；(b) f 的周期变化 ②平方律折射率分布光纤中光线的群迟延和最大群迟延差 光线经过单位轴向长度所用的时间称为比群迟延τ即单位长度的群迟延。在非均匀介质中，光线的轨迹是弯曲的。沿光线轨迹经过距离s 所用的时间为 ?=s nds c 0 1τ (2.6-14) 详细计算表明最大的群迟延差为 2 2)(2 021min max min max ?τ?τττττ?==-=-=c L n L (2.6-15) 可以看到，平方律分布光纤中的群迟延只有阶梯折射率分布光纤的 /2。 3. 光束在光纤波导中的衰减和色散特性 ⑴光纤的衰减 若P i 、P o 分别为光纤的输入、输出光功率，L 是光纤长度。衰减系数定义 为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即 )dB/km (log 1010o i P P L =α (2.6-16) 光纤衰减有下列两种主要来源：吸收损耗和散射损耗。 ①吸收损耗 材料吸收损耗是一种固有损耗，不可避免。我们只能选择固有损耗较小的材料来做光纤。石英在红外波段内吸收较小，是优良的光纤材料。 有害的杂质吸收主要是由于光纤材料中含有Fe ，Co ，Ni ，Mn ，Cu ，V ，Pt ，OH 等离子。 ②散射损耗 由于光纤制作工艺上的不完善，例如有微气泡或折射率不均匀以及有内应力，光能在这些地方会发生散射，使光纤损耗增大。 另一种散射损耗的根源是所谓瑞利散射。 光纤中尚存在所谓布里渊和拉曼散射损耗。 ⑵光纤色散、带宽和脉冲展宽参量间的关系。 ①光纤的色散 光纤的色散会使脉冲信号展宽，即限制了光纤的带宽或传输容量。一般说来，单模光纤的脉冲展宽与色散有下列关系： λτ?δ??=L d (2.6-17) 即由于各传输模经历的光程不同而引起的脉冲展宽。 单模光纤色散的起因有下列三种：材料色散、波导色散和折射率分布色散。 ②光纤的带宽 光脉冲展宽与光纤带宽有一定关系。实验表明光纤的频率响应特性H (f )近似为高斯型，如图2-32所示。 2ln )/(2) 0()()(c f f e P f P f H -== (2.6-18) f c 是半功率点频率。显然有 dB 3) 0()(log 10)(log 10-==P f P f H c c (2.6-19) 因此，f c 称为光纤的3dB 光带宽。 导体激光器与单模光纤耦合效率的分析fH,w ` [ dx#i/Ka# 一、引言] 7% CL.2Q 随着光纤加工工艺和制造技术的日益提高，在光纤通讯与光纤传感中的传输损耗已经降低到了0.154dB/km的极限程度。而光源与光纤的耦合损耗问题越来越显得突出。在光纤通讯中，由于在多模光纤中各传输模的群延迟不同，所以限制了它的应用场合［1］；而在光纤传感中，多模光纤与光源的耦合相对单模光纤来说容易得多，但由于单模光纤具有较高的横向分辨力，在一些特殊的传感测试场合，还必须使用单模光纤［2］。所以，改善和提高半导体激光光源与单模光纤的耦合效率成为国内外研究的焦点。npT(iP`") 由于单模光纤的芯径只有多模光纤的十分之一，即5～10μm左右，加上激光器在垂直于结平面方向有较大的发散光束角，所以，简单的套筒式耦合无法获得较高的耦合效率［3］。况且，激光器与光纤轴线的对中容许误差只有1μm，增大了SLD-SMF光耦合的难度。为了减小SLD-SMF间的光耦合损耗，激光器的模场半径（光点尺寸）应与光纤的模场半径相互匹配起来，也就是说，使激光器的椭圆形模场转换为光纤的圆形模场，这可以通过在SLD-SMF间使用透镜来实现［4］。迄今为止，已有许多种用不同形状的透镜进行模式匹配的方法，如柱状透镜法、半球透镜法、四角锥形半椭圆透镜法、共焦透镜法及柱状透镜与自聚焦透镜组合法等［5，6］；也可以用一些特种加工技术，如通过拉伸被加热的光纤端头使其形成尖锥状或在研磨后熔融光纤的末梢以及用光刻技术［7～11］直接在光纤的端头处加工出各种形状的微透镜。2d"@g* 本文将对一些典型的SLD-SMF光耦合方式进行理论上的分析，并给出一些具有实用价值的数据。并从耦合效率与成本双重角度给出了适合于实际工程应用的几种耦合方式的优选率。2-v?T6<2 i*DP:$c 二、耦合特性的理论分析1 ]_!4{f 当单模光纤的归一化频率V在1.9≤V≤2.4范围内时，对在单模光纤内光能量分布采用高斯场近似，误差在1%以内。所以，采用高斯光束模场分布来分析计算和比较各种耦合方式的耦合效率及实用性是完全可行的。SLD-SMF直接耦合原理如图1所示。图中w0为单模光纤的模场半宽，其值在理论上在计算过程中相当烦琐，在工程实际中常由下式近似［12］：jS9 ,Z" (1) h,34JYq0 (z=0,w∥1=2μm) ^NXQ>Arg b>*'C3!LF 图3耦合效率与两轴相错角度和距离的关系'O(4mysc 实验五 反射式光纤位移传感器 一、实验目的 了解反射式光纤位移传感器的结构，学习和掌握最简单、最基本的光纤位移传感器的原理和应用。 二、基本原理 反射强度调制式光纤传感器具有准确、结构简单、价格低廉等优点，广泛应用于各种位移、压力和温度传感器中。反射式光纤位移传感器的基本结构如图5-1所示，其中发射光纤通常由一根光纤构成，接收光纤有时候由单根光纤构成，而有些时候为了提高光的接收效率也经常由多根光纤构成。本实验采用的传光型光纤，它是由两根光纤的一端熔合后组成的Y 型光纤，一根作为发射光纤，端部与光源相接发射光束；另一根作为接收光纤，端部与光电转换器相接接收反射光。两根光纤熔合后的端部是工作端也称传感探头，截面为半圆分布即D 型结构。由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电压信号。 图5-1 反射式光纤位移传感器示意图 传光型光纤反射式位移传感器的发射调制方法，可用等效分析法来分析。首先，画出接收光纤关于反射体的镜像，然后计算出该镜像接收光纤在发射光纤纤端光场中所接收到的光强值，最后将该光强值乘以反射体的反射率R ，作为传感器的最后输出光强。如图5-2中的a 图所示。 接收光纤的镜像坐标即它的等效坐标位置为F （2z ，d ），这里z 为发射接收光纤的端面与反射体之间的距离，d 为发射光纤轴心到接收光纤轴心之间的距离，由此可以获得接收光纤接收到的光强为： ]] )/(1[exp[])/(1[)(2 2/30202222/3020c c tg a z a d tg a z RI z I θζσθζσ+-?+= 其中，0I 为光源的光强，σ为表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，它的值为1，0a 为光纤的纤芯半径，ζ为光源种类及光源与光纤耦合情况有关的调制参数， c θ为发射光纤的最大出射角。此函数的曲线形状如图5-2中的b 图所示。 reflector 设计前的准备 Zemax公司感谢Suss MicroOptics SA公司的Reinhard Voelkel博士提供本文使用到的实验数据。 我们同时提供本文的的日文版本 本文描述了一种商用的光纤耦合器，系统使用SUSS MicroOptics FC-Q-250微透镜阵列来耦合两根康宁（Corning）SMF-28e光纤。如下图所示： 供应商提供的上述元件的参数如下：单模光纤，康宁SMF-28e 数值孔径 0.14纤芯直径8.3μm 模场直径@1.31μm 9.2±0.4μm 微透镜阵列，SUSS MicroOptics SMO39920 基片材料熔融石英基片厚度 0.9mm内部透过率 >0.99透镜直径240μm 透镜节距250μm 曲率半径330μm 圆锥常数（Conic constant） 0数值孔径 0.17附件中的文件single mode coupler.zmx是整个系统的Zemax文件。请注意一下几点： 物面到透镜的距离和透镜到像面的距离设定为0.1mm，是因为这比较接近实际情况。后面经过优化过程时候，这个尺寸还会发生变化；透镜到像面的距离使用了Pick-up solve，以确保和前面的物面到透镜的距离之间相等。既然两组透镜 和光纤之间是完全一致的（在制造公差之内），因而整个系统也就应该是空间反演对称和轴对称的（either way round）；两个透镜之间的距离设定为2mm，因为这个是实验中使用的数据。同样地，这个距离后面也将会被严格的优化；系统孔径光阑设定为根据光阑尺寸浮动（float by stop size），而光阑设定在第一个透镜的后表面。这就意味着系统的孔径光阑由透镜的实际孔径决定。因而光纤的模式在这个系统中传输的过程中，就有可能受限于透镜的实际孔径。在这个例子中，光纤的模式要比透镜的实际孔径小很多。当心“数值孔径”的多种不同定义。它有可能指的是边缘光束倾角的正弦值，有可能是光强降低到1/e2时的光束倾角的正弦值（我们将会看到Zemax会在不同的场合使用这两种定义），也有可能定义为光强降到1%峰值强度时光束倾角的正弦值，康宁便使用这种定义。这些非常重要！孔径上定义了高斯切趾（Gaussian apodization），用来产生光束的高斯分布。当前这只是一种近似，后面将会做进一步的精确的计算。透镜孔径的大部分区域是衍射受限的光学质量的，并且被光纤模式照射到的区域是衍射受限的。 使用旁轴高斯光束计算旁轴高斯光束算法是最简单可以用来分析光纤耦合的分析方法。不过，这种方法只能获得对系统性能初步的了解。 第四章 电磁波的传播 1.考虑两列振幅、偏振方向相同、频率分别为ωωd +和ωωd -的线偏振平面波，沿z 轴方向传播。 (a)求合成波，证明波振幅非常数，而是一个波；(b)求合成波的相位传播速度和振幅传播速度。 解：设两列波的电场表达式分别为：)cos()(),(1101t z k t ω-=x E x E ；)cos()(),(2202t z k t ω-=x E x E 则，合成波为12 12 12 12 120(,)(,)2()cos( )cos( )2 2 2 2 k k k k t t z t z t ωωωω++--=+=- - E E x E x E x 其中dk k k +=1，dk k k -=2；ωωωd +=1，ωωωd -=2 所以002()cos()cos(d d )2()exp[()]cos(d d )kz t k z t i kz t k z t ωωωω=-?-?=-?-?E E x E x 相速由t kz ωφ-=确定：d d p z v t k ω = = ；群速由t d z dk ?-?=ωφ'确定，d d d d g z v t k ω= = 2.平面电磁波以=θ45°从真空入射到2=r ε的介质，电场垂直于入射面，求反射系数和折射系数。 解：根据折射定律 222111 sin sin " n μεθθμε= =,可得：30 θ''=o 据菲涅耳公式得:2 1212cos cos "23cos cos "23 R εθεθεθεθ? ?--== ? ?+ +? ? ,23123 T R =-=+ 3.可见平面光波由水入射到空气，入射角为60°，证明这时将会发生全反射，并求折射波沿表面传 播的相速度和透入空气的深度。该波在空气中的波长为501028.6-?=λcm ，水的折射率为n =1.33。 解：由折射定律得，临界角1arcsin 48.75601.33c θθ?? ==?<=? ??? ，所以，将会发生全反射。 由于sin 90sin x k k θ''=o ，所以折射波相速度3sin sin sin 2 p x v c v c k k n ωωθ θ θ ''== = = = ''水 透入空气的深度为15 1 2 2 21 1.710 2sin n λκπ θ--= ≈?-cm 4.频率为ω的电磁波在各向异性介质中传播时，若H B D E ,,,仍按)(t i e ω-?x k 变化，但D 不再与E 平行。 (a)证明0=?=?=?=?E B D B D k B k ，但一般0≠?E k ; (b)证明2 2 [()] k ωμ -?= E k E k D ; (c)证明能流S 与波矢k 一般不在同一方向上。 证明：(a)由0??=B ，得：0) (0)(0=?=?=??=??-?-?B k B k B B x k x k i e i e t i t i ωω，0=?∴B k ，可知：B k ⊥ 由()()000i t i t e i e i ωω?-?-????=?=?=k x k x D =D k D k B 得：0=?D k ，可知：⊥k D 由D H k H H x k ωωi i e t i -=?=??=??-?0)(][，得() 0ωμ ???=-=B k B B D ，可知：B D ⊥ 由B E k E E x k ωωi i e t i -=?=??=??-?0)(][，得()0ω ???= =k E E B E ，可知：B E ⊥ 易知D E k ,,共直于B 的面，又D k ⊥，所以，当且仅当D E //时，k E ⊥。所以，一般0≠?E k 。 (b)2 2 2 () ()k ωμωμ ??-?=- = k k E E k E k D (c)由于ωμ ?= k E H ，2 () ()E ωμωμ ??-?=?= = E k E k k E E S E H 由于一般情况下0≠?E k ，所以能流S 与波矢k 一般不在同一方向上。 5.有两个频率和振幅都相等的单色平面波沿z 轴传播，一个波沿x 方向偏振，另一个沿 y 方向偏振， 《光波导与光纤通信》课程教学大纲 一、《光波导与光纤通信》课程说明 （一）课程代码：08131013 （二）课程英文名称：Fundamentals of Light Wave Guide & Fibre Optical Communication （三）开课对象：应用物理学专业本科生 （四）课程性质： 光波导与光纤通信应用物理学专业本科生的专业选修课。其预修课程有大学物理、数理方法、通信原理等。本课程的目的本课程的目的是让学生掌握光纤通信的基本概念，基本理论和基本技术，了解光纤通信的发展现状。 （五）教学目的： 本课程的目的是让学生掌握光纤通信的基本概念，基本理论和基本技术，了解光纤通信的发展现状，更好地适应社会需要。 （六）教学内容： 光纤通信是现代通信网的重要组成部分,本课程内容主要包括光波导和光纤的基本理论和性质;半导体、激光器、光检测器、光放大器等光纤通信器件的基本理论和性质;光发射机、光接收机的基本理论和性质;光纤通信系统的构成、设计方式以及光纤通信中各种新技术、新发展。 （七）学时数、学分数及学时数具体分配 学时数： 54 学时 分数： 3学分 学时数具体分配： （八）教学方式 以课堂讲授为主要授课方式 （九）考核方式和成绩记载说明 考核方式为考试。严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40% ，期末成绩占60% 。二、讲授大纲与各章的基本要求 第一章概论 教学要点： 通过本章学习，使学生掌握光纤通信的发展史及其发展方向，光纤通讯的优点及特点。 1.了解光纤通信的发展状况。 2.理解光纤通信的特点。 教学时数：2学时 教学内容： 第一节光纤通信的发展概况 第二节光纤通信的特点 光在大气中传播及应用 大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空气折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性。 1.大气衰减 激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间重新分配）。吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。 （1）大气分子吸收 大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。 大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。 大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。 H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。 表1中对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。 篇一：光纤测量实验报告 光纤测量实验报告 课程名称：光纤测量 实验名称： 耦合器光功率分配比的测量 学院：电子信息工程学院专业：通信与信息系统班级：研1305班 姓名：韩文国 学号：13120011 实验日期：2014年4月22日指导老师：宁提纲、李晶 耦合器光功率分配比的测量 一、实验目的： 1. 理解光纤耦合器的工作原理； 2. 掌握光纤耦合器的用途和使用方法； 3. 掌握光功率计的使用方法。 二、实验装置：ld激光器，1 ×2光纤耦合器，2 ×2光纤耦合器，tl-510型光功率计，光纤跳线若干。 1. ld激光器 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（gaas）、硫化镉（cds）、磷化铟(inp)、硫化锌(zns)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。本实验用的ld激光器中心频率是1550nm。 2. 光功率计 光功率计（optical power meter ）是指用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。在光纤系统中，测量光功率是最基本的，非常像电子学中的万用表；在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。 3. 耦合器 光纤耦合器是一种用于传送和分配光信号的光纤无源器件，是光纤系统中使用最多的光无源器件之一，在光纤通信及光纤传感领域占有举足轻重的地位。光纤耦合器一般具有以下几个特点:一是器件由光纤构成，属于全光纤型器件;二是光场的分波与合波主要通过模式耦合来实现;三是光信号传输具有方向性。光纤耦合器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。对于波导式光纤耦合器，一般是一种具有y型分支的元件，由一根光纤输入的光信号可用它加以等分。 在本实验中所用的1 ×2耦合器光功率分配比理论值为1:9，而2 ×2耦合器光功率分配比理论值为1:1。 三、实验内容： 测量耦合器两输出端的功率，计算功率分配比。 四、实验原理： 2 ×2 光纤耦合器亦称x型光纤耦合器，它是一种应用最为广泛的定向耦合器件。该种耦合器主要依靠倏逝场的作用实现耦合，使两根光纤纤芯相互靠近，可以实现光功率的有效耦合。 仪器与电子学院实验报告 （操作性实验） 班级： 学号： 学生姓名： 实验题目：反射式光纤位移传感器特性实验 一、实验目的 1）掌握反射光纤位移传感器工作原理； 2）掌握反射光纤位移传感器静态特性标定方法。 二、实验仪器及器件 光纤、光电转换器、光电变换器、电压表、支架、反射片、测微仪。 三、实验内容及原理 反射式光纤位移传感器的工作原理如图3所示，光纤采用Y 型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。 图1 反射式光纤位移传感器原理及输出特性曲线 四、实验步骤 1、观察光纤结构：本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。 2、将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬反射片( 即 电涡流片)。 3、振动台上装上测微仪，开启电源，光电变换器Vo端接电压表。旋动测微仪，带动振 动平台，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时Vo输出为最小。然后旋动测微仪，使反射镜面离开探头，每隔0.5mm取一Vo电压值填入下表，作出V—X曲线。 4、根据所测数据求出平均值后，在坐标纸上画出输出电压-位移特性曲线（分前坡和后坡）， 计算灵敏度S=，并在坐标纸上画出V—X关系线性、灵敏度、重复性、迟滞曲线。 五、实验测试数据表格记录 表1 六、实验数据分析及处理 1、线性度： 图2 线性曲线 矩形波导中电磁波的传播模式 [摘要] 人类进入21世纪的信息时代，电子与信息科学技术在飞速发 展，要求人们制造各种高科技的仪器。在电磁学领域，能约束或引导电磁波能量定向传输的传输线或装置是导波系统。．矩形波导适用于频率较高的频段，但当频率足够高的时候，可以使多个波导模式同时工作， 所以我们有必要对波导中的电磁波传播模式参数进行研究 关键词：矩形波导 TM 波 TE 波 矩形波导由良导体制作而成，一般为了提高导电性能和抗腐蚀性能，在波导内壁镀上一层高电导率的金或银， 它是最常见的波导，许多波导元件都是由矩形波导构成的。为了简化分析，在讨论中我们将波导的良导电体壁近似为理想导电壁。由前面的讨论我们知道，矩形波导中不能传输TEM 波，只能传输TE 波和TM 波。设矩形波导宽为a,高为b,（a>b ）沿Z 轴放置，如图（1）所示。下面分别求解矩形波导中传输的TE 波和TM 波。 1TM 波 对于TM 波，z z E H ,0=可以表示为; z jk z z e y x E z y x E -=),(),,(0 (1) 式中),(0y x E 满足齐次亥姆霍兹方程，故有 0),(),(02 02 =+?y x E k y x E c (2) 采用分离变量法解此方程，在直角坐标系中，令 ) ()(),(0y Y x X y x E = (3) 0)()(2 ''=+x X k x X x 将（3）式代入（2）式中，并在等式两边同除以)()(y Y x X 得： 0) ()()()(2 ''''=++c k y Y y Y x X x X (4) 上式中第一项仅是X 的函数，第二项仅是Y 的函数，第三项是与X 、Y 无关的常数，要使上式对任何X 、Y 都成立，第一和第二项也应分别是常数，记为： 2 ''2 '') ()()()(y x k y Y y Y k x X x X -=-= 这样就得到两个常微分议程和3个常数所满足的方程： (5) 0)()(2 ''=+y Y k y Y y (6) 222y x c k k k += (7) 常微分方程（5）和（6）的通解为 )sin()cos()(21x k C x k C x Y x x += (8) )sin()cos()(43y k C y k C y Y y y += (9) 将（8）式和（9）式代入（3）式，再代入（1）式，就得到z E 的通解为 [][] z jk y y x x z z e y k C y k C x k C x k C z y x E -++=)sin()cos()sin()cos(),,(4321 由矩形波导理想导电壁的边界条件0=E ，确定上式中的几个常数，在4个理想导电壁上，z E 是切向分量，因此有： （1） 在0=X 的波导壁上，由0),,0(==z y x E z 得01=C ； （2） 在0=Y 的波导壁上，由0),0,(==z y x E z 得03=C ； （3） 在a X =的波导壁上，要使0),,(==z y a x E z 有0)sin(=a k x ，从而必须有 πm a k x =，其中 3,2.,1=m 为整数，由此得 a m k x π = （10） （4）在b X =的波导壁上，要使0),,(==z b y x E z 有，0)sin(=b k y 从而必定有πn b k y =，其中 3,2.,1=n 也为整数，由此得 实验二电磁波的传播 实验目的： 1、掌握时变电磁场电磁波的传播特性； 2、熟悉入射波、反射波和合成波在不同时刻的波形特点； 3、理解电磁波的极化概念，熟悉三种极化形式的空间特点。 实验原理： 平面电磁波的极化是指电磁波传播时，空间某点电场强度矢量E随时间变化的规律。若E的末端总在一条直线上周期性变化，称为线极化波；若E末端的轨迹是圆（或椭圆），称为圆（或椭圆）极化波。若圆运动轨迹与波的传播方向符合右手（或左手）螺旋规则时，则称为右旋（或左旋）圆极化波。线极化波、圆极化波和椭圆极化波都可由两个同频率的正交线极化波组合而成。 实验步骤： 1、电磁波的传播 （1）建立电磁波传播的数学模型 （2）利用matlab软件进行仿真 （3）观察并分析仿真图中电磁波随时间的传播规律 2、入射波、反射波和合成波 （1）建立入射波、反射波和合成波的数学模型 （2）利用matlab软件进行仿真 （3）观察并分析仿真图中三种波形在不同时刻的特点和关系 3、电磁波的极化 （1）建立线极化、圆极化和椭圆极化的数学模型 （2）利用matlab软件进行仿真 （3）观察并分析仿真图中三种极化形式的空间特性 实验报告要求： （1）抓仿真程序结果图 （2）理论分析与讨论 1、电磁波的传播 clear all w=6*pi*10^9; z=0::; c=3*10^8; k=w/c; n=5; rand('state',3) for t=0:pi/(w*4):(n*pi/(w*4)) d=t/(pi/(w*4)); x=cos(w*t-k*z); plot(z,x,'color',[rand,rand,rand]) hold on end title(‘电磁波在不同时刻的波形’) 由图形可得出该图形为无耗煤质中传播的均匀电磁波，它具有以下特点：（1）在无耗煤质中电磁波传播的速度仅取决于煤质参数本身，而与其他因素无关。 （2）均匀平面电磁波在无耗煤质中以恒定的速度无衰减的传播，在自由空间中其行进速度等于光速。 2、入射波、反射波、合成波 （1）axis equal; n=0;%改变n值得到不同时刻的电磁波状态z=0:*pi:10*pi; t=n*pi; B=cos(z-t/4); FB=cos(z+t/4); h=B+FB; plot(z,B,'r',z,FB,'b',z,h,'d'); legend('入射波','反射波','合成波'); axis([0 10 ]); （2）axis equal; n=1/4；;%改变n值得到不同时刻的电磁波状态 z=0:*pi:10*pi; t=n*pi; B=cos(z-t/4); FB=cos(z+t/4); h=B+FB; plot(z,B,'r',z,FB,'b',z,h,'d'); legend('入射波','反射波','合成波'); 电磁波在不同时刻的波形 课程设计任务书 学生姓名：专业班级：电子0902 指导教师：工作单位：信息工程学院 题目:自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析 初始条件： （1）掌握光纤技术与应用基本原理 （2）Beamprop软件 （3）计算机 要求完成的主要任务: 设计一个自聚焦光纤，观察其仿真结果，并对耦合效率进行仿真，得到相 应的结果。 时间安排： 2012.6.25做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。 2012.6.25-6.28学习beamprop软件(或Fullwave软件)，查阅相关资料， 复习所设计内容的基本理论知识。 2012.6.29-7.5对自聚焦光纤进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。 2012.7.6 提交课程设计报告，进行答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 目录 摘要.........................................................................................................................I Abstract ................................................................................................................. II 绪论 (1) 1 自聚焦光纤简介 (2) 1.1自聚焦光纤 (2) 1.2 自聚焦光纤的特点 (2) 1.3 自聚焦光纤的主要参数 (3) 2 自聚焦光纤的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 3自聚焦光纤设计仿真 (7) 3.1 Beamprop简介 (7) 3.2 波导绘制及参数设置 (8) 3.3 自聚焦光纤功能仿真 (10) 3.4 自聚焦光纤的耦合效率对比 (11) 4 心得体会 (13) 参考文献 (14) 大学物理实验 光纤技术专题实验 学院 班级 学号 姓名 教师张丽梅 首次实验时间2012年9月17日 浅谈反射式强度型光纤传感器 摘要：本文通过物理实验的经历和收获和查阅相关资料，简要地论述了反射式强度型光纤传感器的工作原理，以及国内外对该类传感器研究现状，指出其存在的问题和解决方法。 关键词：反射式光纤传感器，反射面，强度调制，研究，发展趋势 1引言 通过光纤技术专题实验，我对光纤的结构和一般性质，光纤的耦合、传输及传感特性有了一定的了解，尤其是在做第三个实验“光纤传感”时，对反射式强度型光纤传感器产生了浓厚的兴趣。通过查阅资料等手段，写下了这篇浅显的论文。 2反射式强度型光纤传感器及其原理 反射式强度型光纤传感器（RIM-FOS:Reflective Intensity Modulated Fiber Optic Sensor）具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点，并已在许多物理量 ( 如位移、转速、振动等) 的测量中获得成功应用。其结构原理如图1。 图2 与传统传感器是以机- 电测量为基础相比,，光纤传感器则以光学测量为基础。从本质上分析, 光就是一种电磁波, 其波长范围从极远红外的1nm 到极远紫外线的 10nm。电磁波 的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此, 在讨论光的敏感测量时必须考虑光的电矢量E 的振动。通常用下式表示:E=Asin( ωt+") 式中A—电场E 的振辐矢量; ω—光波的振动频率;"— 光的相位; t—光的传播时间。由上式可见, 只要使光 的强度、偏振态( 矢量A的方向) 、频率和相位等参量 之一随波测量状态的变化而变化, 或者受被测量调制, 那么, 我们就有可能通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位的调制等进行解调, 获得我们所需要 的被测量的信息。最简单的反射式强度型光纤传感 ( RIMFOS)由光源、发送光纤、接收光纤、反射面以及 光电探测器组成.在图一中S 为光源, D 为检测器。光 源S 发出的光经发送 光纤束全反射传播, 到达反射面( 被测物) , 射 进入接收光纤束再次全反射传播到达检测器D, 测器D 输出相应的电信号U0。 U0=f( d) 在光纤芯半径r、光纤的数值孔径NA、反射面、 检测器已确定情况下, 输出电压U0 只是位移d 的函数。所以通过分析输出电压U0, 可以得到相应位移d的数值, 这样可以实现非接触微小位移的精密测量。 第四章 电磁波的传播 1.电磁波波动方程222 2 2222110,0E B E B c t c t ???-=?-=??,只有在下列那种情况下成 立 A ．均匀介质 B.真空中 C.导体内 D. 等离子体中 2.电磁波在金属中的穿透深度 A ．电磁波频率越高,穿透深度越深 B.导体导电性能越好, 穿透深度越深 C. 电磁波频率越高,穿透深度越浅 D. 穿透深度与频率无关 答案： C 3.能够在理想波导中传播的电磁波具有下列特征 A ．有一个由波导尺寸决定的最低频率,且频率具有不连续性 B. 频率是连续的 C. 最终会衰减为零 D. 低于截至频率的波才能通过. 答案：A 4.绝缘介质中，平面电磁波电场与磁场的位相差为 A ．4π B.π C.0 D. 2π 答案：C 5.下列那种波不能在矩形波导中存在 A ． 10TE B. 11TM C. m n TEM D. 01TE 答案：C 6.平面电磁波E 、B 、k 三个矢量的方向关系是 A ． B E ?沿矢量k 方向 B. E B ?沿矢量k 方向 C.B E ?的方向垂直于k D. k E ?的方向沿矢量B 的方向 答案：A 7.矩形波导管尺寸为b a ? ,若b a >,则最低截止频率为 A ． μεπa B. μεπ b C. b a 11+μεπ D. a 2 με π 答案：A 8．亥姆霍兹方程220,(0)E k E E ?+=??=对下列那种情况成立 A ．真空中的一般电磁波 B. 自由空间中频率一定的电磁波 C. 自由空间中频率一定的简谐电磁波 D. 介质中的一般电磁波 答案：C 9.矩形波导管尺寸为b a ? ,若b a >,则最低截止频率为 课程设计任务书 学生姓名：助人为乐专业班级：不计得失 指导教师：一定过工作单位：信息工程学院 题目:自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析初始条件： 计算机、beamprop或Fullwave软件 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、课程设计工作量：2周 技术要求： （1）学习beamprop软件。 （2）设计自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析 （3）对自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合进行beamprop软件仿真工作。 3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。 时间安排： 第1天做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。 第2-5天学习beamprop软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。 第6-9天对自聚焦光纤的设计进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。 第10天提交课程设计报告，进行答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 目录 摘要........................................................................................................................ I Abstract .................................................................................................................. II 1绪论. (1) 1 自聚焦光纤简介 (2) 1.1自聚焦光纤 (2) 1.2 自聚焦光纤的特点 (2) 1.3 自聚焦光纤的主要参数 (3) 2 自聚焦光纤的应用 (4) 2.1 聚焦和准直 (4) 2.2 光耦合 (5) 2.3 单透镜成像 (6) 3自聚焦光纤设计仿真 (7) 3.1 Beamprop简介 (7) 3.2 波导绘制及参数设置 (8) 3.3 自聚焦光纤功能仿真 (10) 3.4 自聚焦光纤的耦合效率对比 (11) 4 心得体会 (12) 参考文献 (13) 五、注意事项 1.不得随意摇动和插拔面板上的各种元器件，以免造成实验仪不能正常工作。 2.光纤传感器弯曲半径不得小于5㎝，以免折断。 3.旋动螺旋测微丝杆尾帽中出现咔咔声表示不能继续前进，不能超过其量程。 4.在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。 5.不得用手触摸反射面，以免影响实验结果。 六、实验操作 1）光路与机械系统组装调试实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 图3 光纤传感器安装示意图 2.将发射和接收部分接入电路，探测器输出信号处理电路不接调零电路，输出端U0接入电路板上电压表。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.选择智能可调档位200mv或者2v档位。 5.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 6.关闭电源。 2）发光二极管驱动实验1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.仅仅把发射部分接入电路。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 3）光电探测器PD接收实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.仅仅把接收部分接入电路。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 4）光纤位移传感器输出信号放大处理实验 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座孔和探测器PD座孔上，把光纤传感器探头安装在光纤卡架上。 2.将发射和接收部分接入电路，探测器输出信号处理电路接调零电路，输出端U0接入电压表。 3.调节光纤传感器探头，使探头与反射面接触。 4.打开电源开关，调节螺旋测微丝杆使光纤传感器离开反射面某一距离后维持不动，调节增益旋钮，观察电压表显示变化，并分析。 5.关闭电源。 5) 光纤位移传感器输出信号误差补偿电路 1.按照图3安装光纤传感器，把输入光纤、输出光纤分别插入实验板上的光源座 7 第四章 电磁波的传播 §4.1 平面电磁波 1、电磁场的波动方程 （1）真空中 在0=ρ，0=J 的自由空间中，电磁强度E 和磁场强度H 满足波动方程 012222=??-?t E c E （4.1.1） 012 222=??-?t H c H （4.1.2） 式中 80 010997925.21 ?== μεc 米/秒 （4.1.3） 是光在真空中的速度。 （2）介质中 当电磁波在介质内传播时，介质的介电常数ε和磁导率μ一般地都随电磁波 的频率变化，这种现象叫色散。这时没有E 和H 的一般波动方程，仅在单色波 （频率为ω）的情况下才有 012222=??-?t E v E （4.1.4） 012 222=??-?t H v H （4.1.5） 式中 ()()() ωμωεω1 = v （4.1.6） 是频率ω的函数。 2、亥姆霍兹方程 在各向同性的均匀介质内，假设0=ρ，0=J ，则对于单色波有 ()()t i e r E t r E ω-= , （4.1.7） ()()t i e r H t r H ω-= , （4.1.8） 这时麦克斯韦方程组可化为 () εμω ==+?k E k E , 02 2 （4.1.9） 0=??E （4.1.10） E i H ??-=μω （4.1.11） （4.1.9）式称为亥姆霍兹方程。由于导出该方程时用到了0=??E 的条件，因此，亥姆霍兹方程的解只有满足0=??E 时，才是麦克斯韦方程的解。 3、单色平面波 亥姆霍兹方程的最简单解是单色平面波 ()()t r k i e E t r E ω-?= 0, （4.1.12） ()()t r k i e H t r H ω-?= 0, （4.1.13） 式中k 为波矢量，其值为 λ π εμω2= =k （4.1.14） 平面波在介质中的相速度为 εμ ω 1 = = k v P （4.1.15） 式中ε和μ一般是频率ω的函数。 光纤耦合实验报告 一.实验目的 将一束空间平行光（红外1068nm或者紫外）耦合进光纤里，本实验是耦合红外1068nm激光 二.实验原理 1.光纤耦合头：一个透镜mount在一可调焦距的耦合装置上， 我们实验室用的型号有（） 2.光纤型号（） 一束平行光通过耦合头里的可调节透镜，使光聚焦至光纤里面 三.实验仪器 激光器（波长1068nm），光纤耦合头，光功率计，光纤（波长1068nm），45ｏ反射镜，透镜（如果需要光斑需要整形）,红外探片，尺子 四.实验步骤 1. 首先，调节45ｏ反射镜，使需要耦合的平行光束平行于光路平台（高度约为75mm） P 2. 用光功率计测量一下耦合前的光功率并记下 3. 安装耦合头，将耦合头固定在支架上（耦合头中心轴到支架底部的高度约为75mm），将支架摆放在光学平台上，调节45ｏ反射镜和支架，使平行光束基本恰好通过耦合头，此时用探片在耦合头后方观察时，呈均匀的圆斑状，说明光束基本打到透镜的轴心上，将支架固定在平台上即可。 4. 取出光纤使光纤的一头用胶带固定在光功率计探头上，另一头安装在耦合头上 5. 首先，调节功率计的量程约为纳瓦级别，此时，可看到功率计上示数为十几或是几十纳瓦（），然后，调节45ｏ反射镜和支架上的旋钮，观察功率计示数并使之最大，接着调节透镜聚焦（功率计示数会有大的波动），使功率计示数最大，接着再次调节45ｏ反射镜和支架，使功率计示数最大，再次调节透镜聚焦，使功率计示数最大，这样迭代下去，一直使功率计 P 示数最大为止，读出示数 1 6. 计算耦合效率10ηP =P 五.实验总结 1. 调节光纤耦合需要很大的耐心，掌握正确的方法原理实验难点，总会调很高的效率. 2. 影响光纤耦合的效率有： ○ 1.光路是否等高同轴，平行光束是否恰好通过透镜中心 ○ 2.光纤头是否被污染， ○ 3.光斑质量（大小）是否需要整形 ○ 4.耦合头的选择 注意事项 1.由于红外激光对眼的视网膜具有不可修复性伤害，所以不许人的眼线与光线所走的水平面重合，更不许用眼激光直接打进眼睛，做好光线格挡，避免光束外露，以免对人体造成伤害。 2.光纤很脆，需小心拿放，以免折断。 3.光纤头不得长时间暴露空气中，更不得触碰，以免受到污染（若光纤头脏了，需用专业试纸擦拭）。 4.光束耦合好后，光纤的另一头不得朝着人体的方向，更不得对着人眼，以免激光对人体产生伤害。导体激光器与单模光纤耦合效率的分析
实验五反射式光纤位移传感器实验
光纤耦合
第4章-电磁波的传播
(完整版)光波导与光纤通信课程教学大纲
光在大气中的传播及应用
光纤耦合实验报告
反射式光纤位移传感器特性实验
矩形波导中电磁波的传播模式
电磁波的传播
自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析
浅谈反射式强度型光纤传感器
电动力学_郭芳侠_电磁波的传播
光电课设：自聚焦光纤的设计及其与标准单模光纤的耦合效率分析
反射式光纤传感器原理操作步骤
第四章电磁波的传播
光纤耦合实验报告
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