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光纤技术及应用Optical Fiber Technology and Appliations一、课程基本情况课程类别：专业任选课程课程学分：2学分课程总学时：32学时，其中讲课：32学时，实验（含上机）：0学时，课外0学时课程性质：选修开课学期：第5学期先修课程：大学物理、高等数学、线性代数、电磁场与电磁波等适用专业：光电信息科学与工程及相关专业本科生教材：石顺祥、孙艳玲等编著《光纤技术及应用》（第一版），华中科技大学出版社，2009 年。
开课单位：物理与光电工程学院二、课程性质、教学目标和任务光纤技术及应用主要以光的电磁理论为基础，系统地讲解介质波导的基本知识，包括波导中的射线光学理、模式及模式耦合。
光纤的基本原理及传输特性、光纤系统中光源、光探测器、光隔离器和光定向耦合器等光纤元器件的基本原理和它们的特征参量，以及光纤的制作，并在此基础上介绍了光纤通信技术、光纤传感技术及系统的相关器件的基础知识。
本课程的授课对象为光电信息科学与工程专业本科生，为选修课，通过本课程的学习使学生了解波导的基本知识，掌握光波在光纤中的传输原理和传输特性，以及实用的光纤传输器件和光纤通信，光纤传感按技术的基础理论及应用，具备一定的实践动手能力，对学生以后其他课程的学习就业开展和国家通信事业建设都具有重要的意义。
三、教学内容和要求第1章.光传输的理论基础（2学时）绪论麦克斯韦方程和波动方程1.1平面光涉及其在介质界面上的反射和折射程函方程与光线方程⑴了解：了解光纤技术的起源和开展及应用，光的电磁理论。
⑵理解：麦克斯韦方程和其边界条件及光波的波动方程，全反射时的故事■哈恩斯位移，局部平面波的概念,理解处理光传输问题的两种理论方法:射线光学方法和几何光学方法。
⑶掌握:平面光涉及其在介质界面上的反射和折射定律，尤其是全反射，及全反射时的相移。
第2章.平板介质波导（3课时）理想平板波导的射线光学理论：均匀及非均匀平面光涉及在平板波导中的传输2.1理想平板波导的波动光学分析：平板波导中的、导模、辐射模、泄漏模、消失模模式的正交性和完备性2.2非理想波导中的模式耦合：周期性平板波导及波导问的模式耦合了解：。
《光纤传感技术与应用》复习提纲第一章光纤传感器1．1．1 光纤传感器的定义及分类传像光纤的作用传感器光振幅相位光纤传感器的基本原理偏振态波长温度压力光纤传感器可以测量的物理量磁场、电场位移转动用方框图表示光纤传感原理示意图（图1-1-1 光纤传感原理示意图）传感型：利用外界因素改变光纤中光的强度（振幅）、相位、偏振态或波长（频率），从而对外界因素进行讲师和数据传输的，称为传感型（功功能型光纤传感器。
特点是传感合一（信息获取和传输都在光纤中完成。
光纤传感器分类传光型：利用其他敏感元件测得物理量，由光纤进行数据传输。
特点是充分利用现有传感器，便于推广应用。
散射型干涉型（相位型）按传感原理分类：偏振型微弯型荧光型1．1．2 光纤传感器的特点（1）抗电磁干扰、绝缘、耐腐蚀；适用于强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境下使用。
（2）灵敏度高；长光纤可以灵敏地探测光波的干涉，适用于测量水声、加速度、位移、温度、磁场。
（3）重量轻、体积小、形状可变；（4）测量对像广泛；力学、物理、核物理、航空、航天。
（5）对被测介质影响小；（6）便于复用，便于成网；（7）成本低1．2 振幅调制传感型光纤传感器（1）什么是：利用外界因素引起的光纤中光强的变化来探测物理量等各种参量的光纤传感器称为振幅调制传感型光纤传感器。
改变微弯状态改变耦合条件（2）用来改变光纤中光强的办法改变吸收特性改变折射率分布1．2．1 光纤微弯传感器原理：利用微弯损耗的变化，来探测外界物理量的变化。
微弯损耗：多模光纤微弯时，部分芯模能量转化为包层模能量。
通过测量芯模能量或包层能量的变化来测量位移或振动等参量。
光纤微弯传感器原理图1．2．2 光纤受抑全内反射传感器一、透射式原理：全内反射缺点：需要精密的机械调整和固定装置，不利于现场环境使用。
透射式光纤受抑全内反射传感器简图二、反射式原理：也可以利用外界介质折射率变化，改变临界全反射条件，使反射光强变弱，从而测量外界物理量变化。
光纤技术及应用复习题1~5《光纤技术及应用》复习题第一章1、写下电场强度和磁场强度在两种介质界面所满足用户的边界条件方程。
（并可以证明）2、te波、tm波分别指的是什么？3、平面光波出现全反射的条件。
当入射角大于临界角时，入射光能量将全部反射4、古斯-哈恩斯位移指的是什么？其物理本质是什么？证明实际光的散射点距入射点存有一段距离，称作古斯-哈恩斯加速度。
（相距约半个波长）实质：光的传播不能简单视为平面光波的行为，必须考虑光是以光束的形式传播，即时空间里的一条极细的光束也是由若干更加细的光线组成的5、写出光线方程，并证明在各向同性介质中光为直线传播。
对于光滑波导，n为常数，光线以直线形式传播第二章1、平板波导的结构，分类。
结构：通常由三层形成：折射率n1中间波导芯层，折射率n2下层介质为衬底，折射率n3上层为覆盖层；n1>n2,n1>n3。
且通常情况下存有n1>n2>n32、均匀平面光波在平板波导中存在的模式有：导模、衬底辐射模、波导辐射模（各有什么特点）。
（入射角与临界角之间的关系以及各种模式相对应的传播常数所满足的条件）p12。
p17-18图满足用户全反射的光线并不是都能够构成导模，还必须满足用户一定的增益条件。
p13（导模的传输条件）3、在平板波导中te0模为基模，因为te0模的截止波长是所有导模中最长的。
p144、非光滑平面光波在平板波导中的模式存有：泄漏模、消失模5、平板波导中的简正模式具有：稳定性、有序性、叠加性、和正交性。
6、模式的完备性指的是?p24在平板波导中，导模和电磁辐射模形成了一个拓扑、完善的简正模系，平板波导中的任一光场原产都可以看作这组与拓扑模的线性组合。
7、波导间的模式耦合所指的就是？p31当两个波导相距很远时，各自均以其模式独立地传播，无相互影响；当两个波导相距很近时，由于包层中场尾部的重叠，将会发生两个波导间的能量交换，称之为波导间的模式耦合。
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复习资料1、光纤通信是以为载频，以为传输介质的通信方式。
2、光缆大体上都是由缆芯，和三部分组成。
3、光波分复用传输系统有双纤单向传输和两种结构形式4、LED光源主要用于低速，短距离光波系统的情况，而，中采用LD光源。
5、1966年，英籍华人博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。
6、光纤的和是限制光纤通信线路中继距离的主要因素7、数值孔径（NA）越大，光纤接受光纤的能力就越，光纤与光源之间的耦合效率就越。
8、LED的基本结构可分为两类，即面发光LED 和。
9、光发送机的作用是将转为，并将生成的信号注入。
10、LD是一种阈值器件，它通过受激辐射发光，具有输出功率大，输出光发散角,与单模光纤耦合效率，辐射光谱线窄的特点。
11、光波分复用传输系统有双纤单向传输和两种结构形式12、普通单模光纤G.652的零色散波长是，色散位移光纤G.653的零色散波长是。
13、准同步数字体系有两种制式，一种是以 Mb/s为基群的T系列（日美采用）；另一种是 Mb/s为基群的E系列（中国、欧洲采用）14、光纤通信的最低通信窗口波长是，零色散波长是。
15、允许单模传输的最小波长称为。
16、在一根光纤中同时传输多个不同波长的光载波信号称为复用。
17、温度升高时，LED光源线宽，峰值波长向方向移动。
18、对光检测器的基本要求是高的，低的和快的。
19、光纤的基本特性参数是和色散，其单位分别是dB/Km和。
20、在光通信发展史上，小型光源和两个难题的解决，开创了光通信的时代。
21、确定接收机性能的一个重要参数是接收机灵敏度，它通常定义为在接收机的条件下，所要求的最小平均接收光功率。
22、光纤通信系统一般采用0.85µm、1.31µm、三种波长窗口。
23、光纤通信用光检测器有和。
24、光波复用器件根据分光原理的不同分为、干涉滤波型和。
25、激光器工作必须离开热平衡状态，因此必须使用外部能源泵浦，以实现，这是激光器工作的先决条件。
光纤复习整理-----郭1、物质内部三种跃迁过程，半导体激光器发光原理。
工作物质和泵浦源是实现光的自发发射、受激吸收和受激发射的最基本条件。
自发发射：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列频率为ν=(E2 -E1) /h ) 的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。
各光子彼此无关。
LED受激发射：处于高能级：E2的粒子受到光子能量为ε的光照射时，粒子会由于这种入射光的刺激而发射出与入射光一模一样的光子，并跃迁到低能级 E1上。
有相同的偏振方向和传播方向。
LD受激吸收:低能级粒子吸收光子能量跃迁至高能级。
2、LD 采用双异质结结构的好处：（简答题）双异质结中存在的禁带宽度的差加强了对载流子的限制作用，存在的折射率差加强了对光子的限制作用，对光子和载流子限制作用的加强，提高了载流子的利用效率，减小了光子的损失，因而激光器的阈值电流降低，激光器的输出功率提高。
3、常用的线路编码码型：扰码、字变换码、插入型码。
mBnB码的缺点是在信号传输速率不变的情况下提高了线路信号传输速率。
4、PIN与APD的工作原理PIN：让中间吸收层尽量较厚，扩散区尽量变薄是降低扩散分量，提高响应速度的一种方法。
APD：利用雪崩倍增效应实现内部电流增益的半导体光电转换器件。
（不改变量子效率）5、接收机灵敏度基本概念光接收机灵敏度是表征光接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。
6、光隔离器用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。
结构：由起偏器、检偏器和旋光器组成。
（填空题）7、SDH帧结构的组成部分及其作用（简答题）1）信息净负荷，作用：STM-N帧中放置各种业务信息的地方。
2）段开销，作用：对STM-N整体信号流进行性能监控。
3）管理单元指针，作用：定位低速信号在STM-N帧的净负荷中的位置，使低速信号在高速信号中的位置可预知。
光纤复习整理-----郭1、物质内部三种跃迁过程，半导体激光器发光原理。
工作物质和泵浦源是实现光的自发发射、受激吸收和受激发射的最基本条件。
自发发射：大量处于高能级的粒子，各自分别发射一列一列频率为ν=(E2 -E1) /h ) 的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向传播。
各光子彼此无关。
LED受激发射：处于高能级：E2的粒子受到光子能量为ε的光照射时，粒子会由于这种入射光的刺激而发射出与入射光一模一样的光子，并跃迁到低能级 E1上。
有相同的偏振方向和传播方向。
LD受激吸收:低能级粒子吸收光子能量跃迁至高能级。
2、LD 采用双异质结结构的好处：（简答题）双异质结中存在的禁带宽度的差加强了对载流子的限制作用，存在的折射率差加强了对光子的限制作用，对光子和载流子限制作用的加强，提高了载流子的利用效率，减小了光子的损失，因而激光器的阈值电流降低，激光器的输出功率提高。
3、常用的线路编码码型：扰码、字变换码、插入型码。
mBnB码的缺点是在信号传输速率不变的情况下提高了线路信号传输速率。
4、PIN与APD的工作原理PIN：让中间吸收层尽量较厚，扩散区尽量变薄是降低扩散分量，提高响应速度的一种方法。
APD：利用雪崩倍增效应实现内部电流增益的半导体光电转换器件。
（不改变量子效率）5、接收机灵敏度基本概念光接收机灵敏度是表征光接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能力。
6、光隔离器用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。
结构：由起偏器、检偏器和旋光器组成。
（填空题）7、SDH帧结构的组成部分及其作用（简答题）1）信息净负荷，作用：STM-N帧中放置各种业务信息的地方。
2）段开销，作用：对STM-N整体信号流进行性能监控。
3）管理单元指针，作用：定位低速信号在STM-N帧的净负荷中的位置，使低速信号在高速信号中的位置可预知。
《光纤技术》复习资料第一章 绪论要求：1、了解光纤的基本结构和基本特性；2、充分认识光纤传感和光纤通信在现代工农业生产、军事、科研及日常生活中的作用和地位，明确学习目的；3、了解光纤技术的发展动向；4、知道本课程的学习方法。
具体：1、光纤的定义：光纤是“光导纤维”的简称，是指能够约束并导引光波在其部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。
2、光纤的结构：主要由纤芯、包层和涂敷层构成。
其中纤芯的折射率比包层要高。
纤芯和包层的折射率差引起光在纤芯发生全反射，从而使光在纤芯传播。
3、通信光纤的标准包层直径是125m μ，涂敷层的直径大约是250m μ。
4、常用的光纤材料有纯石英（2SiO ）、玻璃和塑料。
5、列举光纤相对于金属导线的优点（至少5点）：如容量大、抗电磁干扰、电绝缘、本质安全；灵敏度高；体积小、重量轻、可绕曲；测量对象广泛；对被测介质影响小；便于复用，便于成网；损耗低；防水、防火、耐腐蚀；成本低、储量丰富等。
6、光纤通信所占的波长围大概是0817..m μ。
7、1953年，在伦敦皇家科学技术学院开发出了用不同光学玻璃作纤芯和包层的包层纤维，由此导致光纤的诞生。
8、1966年，光纤之父高锟博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因。
9、目前，F T T H（光纤到户）是宽带接入的一种理想模式，各国发展迅猛。
10、目前流行的“三网合一”指的是将现存三个网络：电信网、有线电视网和计算机网的信号在同一个光纤网络中传输。
11、光纤被喻为信息时代的神经。
第二章光纤拉制及成缆要求：1、了解光纤的分类方法和光纤的种类，理解各种不同种类光纤之间的区别及每种光纤的特点；2、知道光纤的制作材料及要求；3、了解光纤预制棒的制造原理和工艺；4、知道各种光缆结构和材料的用途。
具体：1、光纤的分类：按照光纤横截面折射率分布不同分为：阶跃光纤和渐变光纤（折射率在纤芯中保持恒定，在芯与包层界面突变的光纤称为阶跃光纤，折射率在纤芯按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。
光纤技术基础复习提纲1 概论1、光纤通信的主要优点是什么?1频带宽、传输容量⼤；2损耗⼩、中继距离长；3重量轻、体积⼩；4抗电磁⼲扰性能好；5泄漏⼩、保密性好；6节约⾦属材料，有利于资源合理使⽤。
2、光纤通信系统有哪⼏个基本组成部分？点对点光纤通信系统通常由光发射机、光纤、光中继器和光接收机四部分组成3、什么是NRZ 和RZ 码？NR Z ：⾮归零码 RZ ：归零码NRZ 码的信号带宽仅为RZ 的⼀半NRZ 的占空⽐等于1，RZ 的占空⽐⼩于或等于0.52 光纤和光缆1、⽤光线光学⽅法简述光纤的导光原理。
光波从折射率较⼤的介质⼊射到折射率较⼩的介质时，当⼊射⾓⼤于临界⾓时，在边界处发⽣全反射。
2、光纤的种类有哪些？什么叫多模光纤？什么叫单模光纤？它们的尺⼨及使⽤场合有什么不同？多模光纤有哪两种？单模光纤⼜有哪⼏种？种类：按折射率分布的变化来分为阶跃光纤和渐变折射率光纤；按其中传播的光波模式数量分为单模光纤和多模光纤。
多模单模：如果光纤只⽀持⼀个传导模式，则称该光纤为单模光纤。
⽀持多个传导模式的光纤称为多模光纤尺⼨：单模光纤芯径⼩（10um 左右），多模光纤芯径⼤（62.5um 或50u m ）。
单模光纤传输适合⾼速⼤容量长距离传输。
多模光纤适⽤于低速短距离传输。
多模光纤有阶跃多模光纤和渐变多模光纤。
单模光纤有G.652光纤、G .653光纤、G .654光纤、G.655光纤、全波光纤和⾊散补偿光纤3、光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么？⽤数值孔径NA 表⽰光线的最⼤⼊射⾓θmax ；θsin 0n NA =max=fd 2 221121221211(2),2n n n n NA n n n --=??=≈ NA 表⽰光纤接收和传输光的能⼒。
NA(或θmax)越⼤，光纤接收光的能⼒越强，从光源到光纤的耦合效率越⾼，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。
但NA越⼤，经光纤传输后产⽣的输出信号展宽越⼤，因⽽限制了信息传输容量。
《物理光学与应用光学》习题及选解第一章习题1-1. 一个线偏振光在玻璃中传播时，表示为：i E ))65.0(10cos(10152t cz-⨯⨯=π，试求该光的频率、波长，玻璃的折射率。
1-2. 已知单色平面光波的频率为z H 1014=ν，在z = 0 平面上相位线性增加的情况如图所示。
求f x ， f y ， f z 。
1-3. 试确定下列各组光波表示式所代表的偏振态： (1))sin(0kz t E E x -=ω，)cos(0kz t E E y -=ω; (2) )cos(0kz t E E x -=ω，)4cos(0πω+-=kz t E E y ;(3) )sin(0kz t E E x -=ω，)sin(0kz t E E y --=ω。
1-4. 在椭圆偏振光中，设椭圆的长轴与x 轴的夹角为α，椭圆的长、短轴各为2a 1、2a 2，E x 、E y 的相位差为ϕ。
求证：ϕαcos 22tan 220000y x y x E E E E -=。
1-5.已知冕牌玻璃对0.3988μm 波长光的折射率为n = 1.52546，11m 1026.1/--⨯-=μλd dn ，求光在该玻璃中的相速和群速。
1-6. 试计算下面两种色散规律的群速度（表示式中的v 表示是相速度）：(1)电离层中的电磁波，222λb c v +=，其中c 是真空中的光速，λ是介质中的电磁波波长，b 是常数。
(2)充满色散介质（)(ωεε=，)(ωμμ=）的直波导管中的电磁波，222/a c c v p -=εμωω，其中c 真空中的光速，a 是与波导管截面有关的常数。
1-7. 求从折射率n = 1.52的玻璃平板反射和折射的光的偏振度。
入射光是自然光，入射角分别为︒0，︒20，︒45，0456'︒，︒90。
1-8. 若入射光是线偏振的，在全反射的情况下，入射角应为多大方能使在入射面内振动和垂直入射面振动的两反射光间的相位差为极大？这个极大值等于多少？1-9. 电矢量振动方向与入射面成45°的线偏振光，入射到两种透明介质的分界面上，若入射角︒=501θ，n 1 = 1，n 2 = 1.5，则反射光的光矢量与入射面成多大的角度？若︒=601θ时，该角度又为多1-2题用图大？1-10. 若要使光经红宝石（n = 1.76）表面反射后成为完全偏振光，入射角应等于多少？求在此入射角的情况下，折射光的偏振度P t 。
1、光与物质相互作用光可以被物质吸收也可以从物质中发射；在研究光与物质的相互作用时，存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收、受激辐射。
其中,半导体二极管的工作原理基于自发辐射,半导体激光器的工作机理基于受激辐射,光电检测器的工作原理机理基于受激吸收。
自发辐射：物质原子中的电子在未受到外界激发的情况下，高能级E2上的电子由于不稳定，自发地向低能级E1跃迁，在跃迁的过程中，多余的能量以发光的形式表现出来，这个过程称为自发辐射 。
受激吸收：物质在外来光子的激发下，低能级E1上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级E2上，这个过程叫做受激吸收受激辐射：当受到外来光子的激发时，跃迁到低能级E1上，同时放出一个能量为12E E h -=υ的光子，由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做 2、隔离器的组成功能和原理：光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。
原理：对于正向入射的信号光，通过起偏器后成 为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。
对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻作用：防止光路中的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。
应用：光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统等。
按性能分类：偏振相关型和偏振无关型两类光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。
偏振方向的旋转只与磁场强度的方向有关，而与光传播的方向无关。
由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。
光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成光纤无源器件。
传输损耗低、抗电磁干扰、质量轻、柔韧、化学稳定及电绝缘。
3、光纤光栅的原理及解调。
光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成光纤无源器件。
