张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章

《光纤技术及应用》复习题第一章1、写出电场强度和磁场强度在两种介质界面所满足的边界条件方程。

（并会证明）2、TE波、TM波分别指的是什么？3、平面光波发生全反射的条件。

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？证明实际光的反射点离入射点有一段距离，称为古斯-哈恩斯位移。

（相隔约半个波长）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。

对于均匀波导，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：一般由三层构成：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。

且一般情况下有 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图满足全反射的光线并不是都能形成导模，还必须满足一定的相位条件。

P13（导模的传输条件）3、在平板波导中TE0模为基模，因为TE模的截止波长是所有导模中最长的。

P144、非均匀平面光波在平板波导中的模式有：泄露模、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，导模和辐射模构成了一个正交、完备的简正模系，平板波导中的任意光场分布都可以看成这组正交模的线性组合。

7、波导间的模式耦合指的是？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。

作业题：2-7、2-8第三章1、什么是光纤？光纤的结构，分类，并画出相应的折射率分布。

光纤光学》《光纤光学第二章光纤光学的基本理论南开大学张伟刚教授第2 章光纤光学的基本理论2.1 引论2.2 光纤的光线理论222.3光纤的波动理论2.1引论2.1.1光线理论可以采用几何光学方法分析光线的入1.优点：的多模光纤时2.不足：2.1.2波动理论2.不足：2.1.3分析思路麦克斯韦方程光线理论波动理论2.2光纤的光线理论 2.2.1程函方程问题2.1：(r , t )z y x e z e y ex r ˆˆˆ++=G ),(t r E G G ),(t r H G G G G G G G G )0,0(0===t r E E )0,0(0===t r H H )(r G φφ=(2.1) 00ik i t E E e ϕω−+=G G (2.2)00ik i t H H e ϕω−+=G G 000)()()(000E e e E e E E ik ik ik G G G G ×∇+×∇=×∇=×∇−−−φφφik ik −−G G []φφφ00000)()(e E ik e E ×∇−×∇=φ0ik e E ik E −×∇−×∇=G G (2.3)[]φ000)((2.3)G G G G (24)[]φφφ000000)()(ik ik e H ik H e H H −−×∇−×∇=×∇=×∇(2.4) (21)(22)(25)(28)(2.1)(2.2)(2.5)(2.8)B ∂G G t E ∂−=×∇G (2.5)(26)t D H ∂∂=×∇G (2.6)G G 0=⋅∇D (2.7)(28)0=⋅∇B (2.8)(2.9)(2.10)(2.9)E D G G ε=G G (210)）HB μ=(2.10) 因光纤为透明介质（无磁性），于是0μμ≈ωi t =∂∂φμωμ0000ik e H c ik H i E −−=−=×∇G G G (2.11) φεωε0ik e E i c ik E i H −==×∇G G G (2.12) 00()(2.32.3))(2.112.11))(2.42.4))(2.122.12))G G G −=−000000)(H c ik E ik E μφ×∇×∇00000)(E c ik H ik H G G G εφ=×∇−×∇1G G G ∇=−(213)00000)(E ik H c E ××∇μφ1H k E c H G G G ×∇=+×∇ε(2.13) (2.14) 0000)(ik φ()H G 0[]000200)(1)(1)(1)(E c E E E G G G G εφφφφμφ−=∇−∇⋅∇=×∇×∇000c c c μμ(2.15)λ→0000)(H c E G G μφ=×∇(2.16) 00)(E c H G G εφ−=×∇(2.17)问题2.2：(2.15)(2.16)000E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G (2.18a) (218b)∇∇G G (2.18b)0E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G 、、三个矢量相互垂直三个矢量相互垂直！！0E 0H ϕ∇(2.1(2.188)(2.1(2.155)r c εεμεμφ===∇00221)((2.19)22(220)με00)(n =∇φ(2.20)G G =)()(r n r ∇φ(2.21)221)G (2.21)“程函方程” ()r φ程函方程的物理意义：讨论讨论：r G ∇()φ)(r G φ∇“”n r G 场源()(2.2.2121))),,(),,(),,(),,(2222z y x n z z y x y z y x x z y x =⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+⎥⎤⎢⎡∂∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂φφφ(2.22)⎦⎣问题2.3：(2.2.2121))2.2.2 光线方程根据折射率分布，可由程函方程求出光程函()r Gφ为此，可从程函方程出发推导光线方程。

光纤光学第三版光纤光学是一门关于光的传输和控制的学科，它在现代通信领域发挥着重要作用。

光纤光学技术的发展和应用，为人们的生活带来了巨大的改变。

本文将简要介绍光纤光学的基本原理和应用。

第一章：光纤光学的基本原理光纤光学的基本原理是利用光的全反射特性，将光信号沿光纤传输。

光纤由一个中心的光导芯和一个包围在外面的光折射层组成。

光信号在光导芯中传播时会发生全反射，从而实现光的传输。

光纤光学的主要优势是其传输速度快、容量大、抗干扰能力强等特点。

第二章：光纤光学的应用光纤光学在通信领域有着广泛的应用。

光纤通信是目前最常用的高速通信方式，它具有传输速度快、带宽大、信号衰减小等优点。

光纤通信不仅广泛应用于电话、互联网等常见通信领域，还被用于卫星通信、军事通信等特殊领域。

光纤传感技术也是光纤光学的重要应用之一。

光纤传感技术可以实现对温度、压力、光强等物理量的测量和监测。

这种传感技术具有高灵敏度、抗干扰能力强等特点，广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。

第三章：光纤光学的发展趋势随着科学技术的不断进步，光纤光学技术也在不断发展。

光纤光学在高速通信、数据存储、传感技术等方面的应用将进一步扩展。

光纤光学的发展趋势包括提高传输速度、增加传输容量、提高传输质量等。

光纤光学在医疗领域也有着广阔的前景。

光纤光学可以用于内窥镜、激光手术等医疗设备中，为医生提供更好的诊断和治疗手段。

总结：光纤光学是一门重要的学科，它在通信、传感和医疗等领域发挥着重要作用。

随着科学技术的不断进步，光纤光学技术将进一步发展并应用于更多领域。

光纤光学的发展将为人们的生活带来更多的便利和可能性。

让我们一起期待光纤光学的美好未来！。

多模色散，是指发射端的脉冲同时激励起许多模式，由于不同模式的群速度不同导致各个脉冲到达接收端的时刻不同而引起的展宽现象。

若用光线理论(适用于多模光纤)来说明，可以把多模色散视为各个光线轨迹沿光纤轴向的平均速度不同所造成的。

设光波在纤芯中的速度为v ，由图可知，子午光线沿光纤轴向的速度为v z =v cosθ。

当θ=00，子午光线传输最快；当θ=900-Φc 时，12n n cos =θ，子午光线传输最慢。

子午光线传输所用的最短时间和最长时间分别为 cLn νL νLt 1max min === 22112min max cn Ln n n νL νL t =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛== 于是，在传输距离L 内，子午光线传输所用的最短时间和最长时间的时延差为Δt n n -n c Ln t -t τmin 2211min max ≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅== 上式说明时延差τ与相对折射率差△成正比。

从模式分析的角度而言，当入射光的频率固定时，△越小，则光纤中可以传输的模式越少，因而时延差也就越小。

例如，对于n 1=1.6，△=1%的光纤而言，τ=50ns/km ，它对应于可传输的频带宽度(带宽)约为20MHz 。

光纤越长，时延差越大，可传输的带宽就越窄。

对于SI POF，其传输带宽通常为5MHz km作用，传输带宽不仅为其材料色散所限制，而且随着SI POF芯径的提高，其传输带宽还会降低，这是由于输入脉冲通过SI POF时将展宽；SI POF带宽低，这主要因为模式色散影响所致。

模式色散还直接与光纤芯径和NA相关，以空气为皮层PMMA为芯的POF在场为100m和芯径为1000μm的POF系统中，高次模光有较长的光程，以最大入射角入射的光线和沿光纤中心传播的光线之间的行程差为5.1m，这相当于25.5ns的时延，故这种POF带宽被限于10MHz以内。

而对于GI POF，由于其折射率从起轴中心至边缘呈二次方折射率分布(仅指抛物线型)，其值是逐渐降低的，而光在光纤中的传输速率同其媒质折射率成反比，故无论是低次模还是高次模，其传输速度几乎是相等的，传输后的波形并不发生展宽，从而保证了GI POF有较高的传输带宽，即使它的直径粗，其带宽亦很大。

光纤光学第三版第一章光纤的基本原理光纤是一种能够传输光信号的特殊材料，它由纤维状的高纯度玻璃或塑料制成。

光纤的核心是一个非常细长的玻璃纤维，外部则包裹着一层称为包层的材料。

光纤的传输原理基于全反射的现象，当光线从光纤的一端入射时，由于光线与接触面的入射角大于临界角，光线会完全被内部反射，从而沿着光纤的长度传输到另一端。

在光纤光学中，我们经常会遇到一些重要的概念，比如光纤的数值孔径、单模光纤和多模光纤等。

数值孔径是用来描述光纤对光线的接受能力的参数，数值孔径越大，光纤的接收能力越强。

单模光纤是指只能传输一种特定模式的光信号，而多模光纤则可以传输多种模式的光信号。

第二章光纤通信系统光纤通信系统是一种利用光纤传输信息的通信方式。

它由光源、调制器、光纤、接收器等组成。

光源是产生高强度的光信号的装置，调制器则用来调制光信号的强度、频率或相位。

光纤作为信息的传输通道，能够将光信号高效、快速地传输到目的地。

接收器则用来接收传输过来的光信号，并将其转换成电信号，供后续处理。

光纤通信系统具有许多优点，比如传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等。

它已经广泛应用于电话、互联网、有线电视和数据中心等领域。

光纤通信系统的发展也推动了信息技术的快速发展，使人们能够更加便捷地进行通信和信息交流。

第三章光纤传感技术光纤传感技术是利用光纤的特殊性质进行测量和监测的技术。

光纤传感器可以将环境中的物理量、化学量或生物量转化为光信号，通过光纤传输到检测仪器进行分析。

光纤传感技术在环境监测、工业生产和医学诊断等领域有着广泛的应用。

光纤传感技术具有高精度、实时性好、抗干扰能力强等优点。

它可以实现对温度、压力、湿度、浓度等多种物理量的测量，而且可以远距离传输信号，适用于复杂环境中的监测任务。

第四章光纤传输系统的性能优化光纤传输系统的性能优化是提高光信号传输质量和可靠性的关键。

在光纤传输过程中，会受到多种因素的影响，比如衰减、色散、非线性等。

为了降低这些影响，可以采取一些措施，比如使用低损耗的光纤材料、优化光纤的结构、增加光纤的数值孔径等。

光纤光学第三版第一章：光纤光学的基本概念光纤光学是一门研究光在纤维中传播和控制的学科。

随着信息技术的发展，光纤光学在通信、传感、医疗等领域得到了广泛的应用。

本章将介绍光纤光学的基本概念，包括光的传播特性、光纤的结构和制备方法等。

1.1 光的传播特性光是一种电磁波，具有波粒二象性。

在光纤中，光的传播遵循光的折射定律和反射定律。

光在光纤中的传播速度取决于光的频率和光纤的折射率。

1.2 光纤的结构光纤是由芯、包层和包覆层组成的。

芯是光信号传输的核心部分，包层用于控制光的传播，包覆层用于保护光纤。

光纤的结构对光的传播特性有重要影响。

1.3 光纤的制备方法光纤的制备方法包括拉制法、外延法和化学气相沉积法等。

拉制法是目前最常用的方法，它通过加热和拉伸光纤预制材料来制备光纤。

第二章：光纤的传输特性光纤的传输特性是指光在光纤中传播过程中的损耗、色散和非线性效应等。

本章将介绍光纤的传输特性及其对光信号传输的影响。

2.1 光纤的损耗光纤的损耗是指光在光纤中传播过程中能量的损失。

主要包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。

降低光纤的损耗是提高光纤传输效率的关键。

2.2 光纤的色散光纤的色散是指光在光纤中传播过程中不同频率的光信号传播速度不同所引起的现象。

主要包括色散的类型、原因和补偿方法等。

2.3 光纤的非线性效应光纤的非线性效应是指光在光纤中传播过程中由于光的强度变化而引起的非线性光学现象。

主要包括自相位调制、受激拉曼散射和自发参量过程等。

第三章：光纤通信系统光纤通信系统是利用光纤传输光信号进行信息交换的系统。

本章将介绍光纤通信系统的基本原理和组成部分。

3.1 光纤通信系统的基本原理光纤通信系统的基本原理是将电信号转换为光信号，通过光纤传输光信号，再将光信号转换为电信号进行信息传输。

3.2 光纤通信系统的组成部分光纤通信系统由光源、光纤、光接收器和信号处理器等组成。

光源产生光信号，光纤传输光信号，光接收器接收光信号并转换为电信号，信号处理器对电信号进行处理。

《光纤光学原理及应用》之基础理论学习方法探讨作者：张丽娟秦祖军王新强王月娥来源：《高教学刊》2017年第03期摘要：通过理论的学习，可以描述研究对象的规律并解释其意义和做出预测。

目前学生一方面不重视理论学习，另一方面所学的理论无法融会贯通，并在此基础上进行应用和创新。

文章以《光纤光学原理及应用》这门课为例，从概念内涵的拓展和理论推导过程的分解和具体化等方面入手，在一定程度上解决了学生存在的基本概念掌握模糊、基本理论推导思路不清、公式应用无从下手等问题。

关键词：理论学习；概念内涵；理论推导；过程分解；过程具体化中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）03-0092-02一、概述我们看到，有的学生不重视课程中的基础理论的学习[1]，比较趋向于直接应用公式求解相关的问题，而不确定公式的来龙去脉以及应用背景，导致勉强能做与公式相关度很高的题目，而对一些综合性和灵活性的题目，甚至是一些变形后的题目，学生往往不知所措；还有一些学生知道基础理论课程的重要性，也认真去学习基础理论，但做不到融会贯通[2]，更不能解决具体问题以及创造性地应用所学的知识。

《光纤光学原理及应用》[3]的基础理论部分可以概括为用线性理论（用线性方程求光线轨迹）和波动理论（用波导场方程求模式场解）分析光波在光纤中的传输特性。

若要游刃有余的运用方程求解具体波导中光线轨迹和模式场解，并在此基础上分析光线和模式特性，必须掌握基于电磁理论的线性方程和波动方程推导过程，这样才能界定方程的应有条件和背景，为后面解决实际问题提供有效的指导思路。

在教学中发现学生在学光纤光学原理时存在几个具体问题：1.对基本概念内涵挖掘不深[4，5]；2.对基本理论推导思路不清[6]；3.对公式应用无从下手。

对于第一个问题，主要从深度和广度上去挖掘概念的内涵；对第二和第三个问题，主要从理论推导过程的分解和具体化，以及设计题目的引入和知识点的连贯性方面进行了尝试。