光纤光学总复习

光纤光学复习光纤光学的基本理论什么是光纤？介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。

基本结构：纤芯、包层、套塑层Typical Dimension for Silica Fibers:SMF: 8~10 μm core, 125 μm claddingMMF: 50, 62.5, 100 um core, 125 um claddingIndex profile:Step vs. Graded vs. multi-step…光纤按纤芯折射率分布分类：a. 阶跃折射率分布光纤（SIOF）b. 渐变折射率分布光纤（GIOF）有关SIOF与GIOF光纤错误的观点是：SIOF是反射型光纤，而GIOF是折射型光纤；GIOF的通信容量比SIOF的通信容量大；弱导近似下，SIOF存在线偏振模，而GIOF不存在线偏振模；GIOF可以用作透镜成像，而SIOF则不能成像。

光纤传输模式分类：传输的模式总数：2)2(2V g gM +=V 为归一化频率，Δλπ=−=221022210n an n a k V 阶跃单模光纤的的确切判据：V < 2.405单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。

光纤光学的研究方法几何光学方法波动光学方法适用条件λ << dλ ∼ d研究对象光线模式基本方程射线方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题研究内容光线轨迹模式分布光线理论与波动理论分析思路2011-04-29光线方程的推导rv r dr+v v drv ds (),,Q x yz d dr n n ds ds ⎛⎞⇒=∇⎜⎟⎝⎠vSIOF中光线的传播数值孔径:定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积,即Δ=−==2sin 12221n n n n NA im i θ物理意义与光纤传输速率的关系数值孔径NA是光纤的一个重要参数，下列哪些命题是错误的？NA越大，光纤的收光能力越大；NA越大，光纤的收光角越大；NA越大，光源与光纤的耦合效率越高；NA越大，多模光纤的模式色散越小。

光纤总复习一1光的自聚焦定义：不同的射线具有相同的轴向速度的现象解释：在渐变型的光纤中，纤心轴线处的折射指数最大，n随r的增加而逐渐减小。

由于v=c/r,靠近轴线处，射线速度慢，远离轴线处的速度快。

当光纤中的射线传输相同的轴线长度时，靠近轴线处的射线需要的时间长，但路程短；而远离轴线处的射线需要的时间短，但路程长。

如果折射指数n的分布取得合适，则可使不同的射线沿着不同的轨迹在相同的时间内走完规定的轴线长度。

即，光纤具有不同条件的子午线，如果他们的空间周期长度相同，则最终这些子午线同时到达终端，在光线中产生自聚焦。

2色散位移单模光纤：将零点色散点移动至1.55um处的光纤。

即，在1.55um的处，材料色散和波导色散互相补偿，在这个波长的单模光纤的总色散为零。

色散平坦光纤：在整个光纤通信的长波段（1.3―1.6um）都保持低损耗和低色散的光纤。

3光纤的色散：光纤的传输信号由不同的频率和不同的模式成分构成，有不同的传播速度，将引起脉冲波形的形状发生变化。

光脉冲在光纤的传输，随传输的距离加大，脉冲波形在时间上发生了展宽。

模式色散（存在多模光纤中，单模没有）：光纤的不同模式，在同一波长下，各自的相位常数为Bmn不同,所引起的色散材料色散：光纤本身的折射指数n和波长成非线性关系，从而使光的传播速度随波而变化所引起的色散。

波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输，其相位常数不同所引起的色散。

4光纤的非线性效应：一类是散射的作用而产生的，如：受激拉曼散射和受激布里渊散射，一类是光纤的折射指数随光的强度变化而引起的，自相位调制，交叉相位调制，四波混频受激拉曼散射：强光信号输入光纤后，引发介质中的分子振动，对入射光调制后产生新的光频，从而对入射光产生散射作用。

5．自发辐射：在不受外界的影响下，高能级的电子不稳定，自发地从高能级跃迁到低能级，发射出光子的频率为f=（E2-E1）/h.特点：它是自发跃迁，发出的是非相干光。

光纤光学复习题答案1. 光纤光学中，光信号在光纤中传输的基本原理是什么？答案：光信号在光纤中传输的基本原理是全内反射。

当光信号从光纤的中心轴向侧面传播时，由于光纤的折射率分布特性，光线会在光纤的内壁上发生全内反射，从而使得光信号能够在光纤内沿轴向方向传播。

2. 光纤的折射率分布有哪些类型？答案：光纤的折射率分布主要有三种类型：阶跃型、梯度型和W型。

阶跃型光纤的折射率在纤芯和包层之间有一个突变；梯度型光纤的折射率从纤芯到包层逐渐变化；W型光纤的折射率分布则呈现出W形状，即在纤芯和包层之间有多个折射率变化区域。

3. 光纤通信中，单模光纤和多模光纤的区别是什么？答案：单模光纤和多模光纤的主要区别在于它们传输光信号的模式数量。

单模光纤只能传输一个模式的光信号，而多模光纤可以传输多个模式的光信号。

单模光纤具有较高的带宽和较低的色散，适用于长距离传输；多模光纤则适用于短距离传输，成本较低。

4. 光纤通信中，色散是如何产生的？答案：光纤通信中的色散主要是由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，导致不同波长的光信号在光纤中传播速度不同，从而产生时间延迟，这种现象称为色散。

色散可以分为材料色散和波导色散，材料色散与光纤材料的折射率特性有关，波导色散与光纤的几何结构有关。

5. 光纤通信中，衰减是如何产生的？答案：光纤通信中的衰减主要是由于光纤材料的吸收和散射造成的。

吸收衰减是由于光纤材料对光信号的能量吸收，导致光信号强度减弱；散射衰减是由于光信号在光纤内部的散射作用，使得光信号的能量分散，导致光信号强度降低。

此外，光纤的弯曲、连接和接头也会引起额外的衰减。

6. 光纤通信系统中，常用的光纤连接器有哪些？答案：光纤通信系统中常用的光纤连接器包括FC、SC、ST、LC、MU和MPO等类型。

FC连接器采用螺纹连接，具有较好的连接稳定性；SC连接器采用卡槽式连接，安装方便；ST连接器采用卡口式连接，操作简便；LC连接器体积较小，适用于高密度连接；MU连接器适用于微型光纤；MPO连接器则适用于多芯光纤的连接。

光纤复习整理光纤复习整理-----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。

一、名词解释1.光纤光栅（P144）：通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅2.数值孔径：入射媒质折射率与最大入射角的正弦之积3.基模模场半径(P101)：基模场在光纤的横截面分布曲线中心最大值e-1处所对应的半径。

4.子午光线：子午面上传播的光线5.光隔离器（P140）：是一种基于法拉第旋转的非互易性的传输器件，只允许光波沿着一个方向传输（光信号沿着指定正方向传输时损耗低，光路被接通），而另一个方向的传输是禁止的。

6.平均能流密度（P20）：在足够长的观测时间内平均单位时间内通过单位面积的能量。

能流密度（百度）：在一定的空间范围内，单位面积所取得的或单位重量能源所能产生的某种能源的能量或功率。

7.相速度（P19）：场的等相位面沿Z轴的传播速度。

群速度（P19）：光脉冲或波包的中心或光能量沿Z轴的传播速度，也即场的等幅面沿z 轴的传播速度。

8.群速度色散：在高速大容量的光纤通信中，由于光纤介质表现出非线性，光脉冲包络的形状会发生变化，这种影响光信号的接收的变化成为群速度色散9.光无源器件（P122）：有光纤式和光纤耦合分立元件两种，前者利用自身特性直接实现功能，后者利用光学元件对光的传播特性进行交换，并用透镜奖器件和光纤耦合。

10.自聚焦透镜（P122）：芯径大，长度短，数值孔径大，光线在其中的传播轨迹为正弦曲线。

由一点发出的不同角度的光线经过一周期的传播后又汇聚到另一点的类似平方律折射率分布光纤。

11.模式色散：在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，到达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽12.传播常数（P17具体看书）：纵向传播常数β：导模的相位在Z轴单位长度上的变化量，波矢在Z轴上的投影β=K·e z=nk0cosθz；横向传播常数：波矢k的横向分量，U和W分别反映了导模在芯区中的驻波场的横向振荡频率，W值则反映了导模在包层中的消逝场的衰减速度二、简答题1.光纤导光的基本原理全反射原理2.什么是光纤的色散？光纤的色散主要有几种？其对光纤通信有何影响？在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成分或不同的模式分量以不同的速度传播到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象叫做光纤的色散。

光纤光学复习孙军强光纤光学的基本理论什么是光纤？介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。

基本结构：纤芯、包层、套塑层⏹Typical Dimension for Silica Fibers:⏹SMF: 8~10 μm core, 125 μm cladding⏹MMF: 50, 62.5, 100 um core, 125 um cladding⏹Index profile:⏹Step vs. Graded vs. multi-step…光纤按纤芯折射率分布分类：a. 阶跃折射率分布光纤（SIOF）b. 渐变折射率分布光纤（GIOF）有关SIOF与GIOF光纤错误的观点是：SIOF是反射型光纤，而GIOF是折射型光纤；GIOF的通信容量比SIOF的通信容量大；弱导近似下，SIOF存在线偏振模，而GIOF不存在线偏振模；GIOF可以用作透镜成像，而SIOF则不能成像。

光纤传输模式分类：传输的模式总数：2)2(2V g gM +=V 为归一化频率，∆λπ=-=221022210n an n a k V 阶跃单模光纤的的确切判据：V < 2.405单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。

光纤光学的研究方法几何光学方法波动光学方法适用条件λ << dλ ~ d研究对象光线模式基本方程射线方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题研究内容光线轨迹模式分布光线理论与波动理论分析思路2015/11/20光线方程的推导rr dr+ drds (),,Q xyz d dr n n ds ds ⎛⎫⇒=∇ ⎪⎝⎭SIOF中光线的传播数值孔径:定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积,即∆=-==2sin 12221n n n n NA im i θ物理意义与光纤传输速率的关系数值孔径NA是光纤的一个重要参数，下列哪些命题是错误的？NA越大，光纤的收光能力越大；NA越大，光纤的收光角越大；NA越大，光源与光纤的耦合效率越高；NA越大，多模光纤的模式色散越小。

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。

第一章光纤的基本理论1 •光纤的结构纤芯、包层、涂覆层2 •纤芯和包层的作用纤芯：位于光纤屮心，直径2a 为5〜75 u m,作用是传输光波。

包层：位于纤芯外层，直径2b 为:L00〜150 u m z 作用是将光波限制在纤芯中。

3 •阶跃光纤纤芯折射率和包层折射率的定性关系为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率nl 小，即光纤导光的条件能nl>n2。

4 •按照支持的模式数量对光纤进行分类单模光纤：单模光纤在给定的工作波长上只传输单一基模。

多模光纤：多模光纤纤芯内传输多个模式的光波。

5. 对光纤中传输的光采用射线光学分析法的前提：光纤尺寸与光波长的定性关系射线光学理论：当光波导尺寸远大于光波长时，对忽略光波长用光射线代表光能量传输路线的方法。

波动光学理论：求解满足边界条件的麦克斯韦方程组的光场。

6•阶跃光纤的子午光线传输路径（以最大入射角为临界角分析各种情况）7•数值孔径的定义，计算，及其与光纤聚光能力、模式色散的定性关系数值孔径：表征光纤的聚光能力NA = sin ^max = - V2A 由此可以看出，比、n?差别越大，即△越大，光纤收集射线的能力越强。

最大群时延差与相对折射率差△成正比，使用弱导波光纤有助于减少模式色散。

时延差限制了多模阶跃折射率光纤的传输带宽。

△越大，模式色散越大，限制光纤传输带宽8•渐变折射率光纤对阶跃光纤的哪个缺点进行了改善（采用渐变折射率光纤的目的是减小多模光纤的模式色散）① 、同样的入射角，传输路径变短（入射角为零除外），从而减小最大群时延差。

② 、离轴心越远，传播速度越快（v=c/n ）,进一步减小最大群时延差。

适当选择折射率分布，可以使不同入射角的光线有人致相等的光程。

9•阶跃光纤的归一化频率计算（只有特定入射角的光波才会在光纤中传递能量）V — Vt/2 + W 2 — Hj 2 — nfka — V2An ）Z:06Z k （） = -人）U —导波的归一化径向相位常数，W —导波的归一化径向哀减常数，a —光纤的半径，△—光纤的相对折射率差，叫一纤芯折射率，入一 工作波长 V-8值情况下的儿点结论：① 、W-*8：w>0,光纤导波。

《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。

光纤光学总结说明：重点放在了二三四章以及第五章前面部分，别的则比较缩略。

第一章1.光纤通信优点宽带宽，低损耗，保密性好，易铺设2.光纤介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。

基本结构：纤芯、包层、套塑层光波导：约束光波传输的媒介导波光：受到约束的光波光波导三要素：“芯 / 包”结构凸形折射率分布，n1>n2低传输损耗3.光纤分类通信用和非通信用4. 单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。

5. 如何改善光纤的传输特性：减少OH- ，降低损耗；改变芯经和结构参数，色散位移；改变折射率分布，降低非线性6.光纤制备工艺预制棒：MCVD OVD VAD PCVD之后为光纤拉丝，套塑，成缆工艺。

第二章1.理论根基2.2. 光纤是一种介质光波导，具有如下特点：①无传导电流；②无自由电荷；③线性各向同性3. 边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续,D与B 的法向分量连续：4.由程函方程推得射线方程，再推得光线总是向折射率高的区域弯曲。

5. 光纤波导光波传输特征：在纵向（轴向）以“行波”形式存在，横向以“驻波”形式存在。

场分布沿轴向只有相位变化，没有幅度变化。

6.模式求解波导场方程可得本征解及相应的本征值。

通常将本征解定义为“模式”. 每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波；每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件;模式具有确定的相速群速和横场分布.模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。

给定的波导中能够存在的模式及其性质是已确定了的,外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。

(χ和β及边界条件均由光纤本身决定，与外界激励源无关)横模光波在传输过程中，在光束横截面上将形成具有各种不同形式的稳定分布，这种具有稳定光强分布的电磁波，称为横模。

横模（表现在光斑形状）的分布是和光波传输区域的横向（xy 面）结构相关的；相长干涉条件：2 nL＝Kλ纵模是与激光腔长度相关的，所以叫做“纵模”，纵模是指频率而言的。