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3第三章 光纤传输的波动理论

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光纤技术及应用第三章

光纤技术及应用第三章
光纤技术及应用
Optical Fiber Technology and Its Application
2021/7/22
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1
第3章
光
纤
Optic fiber
2021/7/22
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2
引言
1、光纤（optic fiber）----是指能够传导光波的圆柱形介质波 导。它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引 导光波沿着光纤轴线方向传播。
本章介绍光纤的结构与分类、光波在光纤中的传输原理。 第四章讲光纤的传输特性（损耗、色散、偏振、非线性效应）
2021/7/22
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3、光纤的结构、分类 纤芯（芯层）core：其折射率较高 , （用来导光）.
包层coating：其折射率较低，提供在纤芯内发生光全反射的条 件.
保护层jacket——保护光纤不受外界微变应力的作用、防水等作 用。 光纤横截面半径为几十至几百微米，长度从几十厘米到 上千千米。
所以梯度光纤中导模光线的 最大延迟时间为：
ma xmin2nc12
.
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梯度光纤中导模光线的最大延迟 时间
ma xmin2nc12
与阶跃光纤的最大延迟时间相比较:
max12n c1n1n 2n2n c1
平方律光纤的色散小很多。 （3）梯度光纤的数值孔径 采用近似方法导出：
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将光纤芯层分成许多薄层：每一层内，折射率可近似看成常 数，而且折射率沿径向向外逐层递减
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3.2 光纤的波动光学理论
光纤属于介质圆波导，分析导光原理很复杂， 可用两种理论进行：
w用波动理论讨论导光原理(复杂、精确) w采用射线理论分析导光原理(简单、近似)

光纤通信第二版课后答案顾畹仪.docx

光纤通信第二版课后答案顾畹仪.docx

光纤通信第二版课后答案顾畹仪【篇一：光纤通信系统中常用的调制方法】txt> 一．光纤通信概况1. 发展1966 年，美籍华人高锟(c.k.kao) 和霍克哈姆(c.a.hockham) 发表论文，预见了低损耗的光纤能够用于通信，敲开了光纤通信的大门，引起了人们的重视。

1970 年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20db ／km 的光纤，光纤通信时代由此开始。

由于光纤通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，备受业内人士青睐，发展非常迅速。

光纤通信系统的传输容量从1980 年到2000 年增加了近一万倍，传输速度在过去的10 年中大约提高了100 倍。

2. 基本组成光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。

最基本的光纤通信系统由光发射机、光纤线路和光接收机组成，具体如下图所示二．光调制与解调1. 基本概念类似于电通信中对高频载波的调制与解调，在光通信中叶对光信号进行调制与解调。

不管是模拟系统还是数字系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。

光载波经过光纤线路传输到接收端，再由接收机通过解调把光信号转换为电信号。

2. 常用的调制方式根据调制和光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两类。

直接调制方法是把要传送的信息转变为电信号注入ld 或led ，从而获得相应的光信号，是采用电源调制的方法。

间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，有电光调制、磁光调制、声光调制、电吸收效应和共振吸收效应等。

本文将详细介绍现在常用的是电光调制和声光调制两种。

三、调制方式的详细介绍1. 直接调制(1)调制原理直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。

传统的pdh 和2.5gbit/s 速率以下的sdh 系统使用的led 或ld 光源基本上采用的都是这种调制方式。

第三章 阶跃与渐变折射率光纤的波动理论分析—4

第三章 阶跃与渐变折射率光纤的波动理论分析—4

因为这种额外增加的模式，可能会干扰基模并相互影响， 从而引起系统性能下降。普通阶跃折射率单模光纤(例如 工程中最常用的G652单模光纤)通常工作于1. 31 m 波段，对其截止波长范围，按ITU-T的G652建议，规定 为 1.10m c 1.28 m 。 (2)模场直径 对阶跃多模光纤与单模光纤的研究均表明，光在纤芯与 包层界面发生全反射时，尚有少部分光能量渗人到包层中， 这些溢出的光能量会在包层中的某一个深度处反射回纤芯， 即可视为芯中电磁场在径向有延伸。
图3.24 常规最小色散单模光纤的构成原理图
3. 2渐变折射率光纤的标量近似理论分析
作为非均匀光波导的渐变折射率光纤，其光线光学的分析方法 相对较简单且实用，内容已如第2章第2节所述，其波动光学的 求解过程则相当复杂。渐变折射率光纤的矢量理论分析(如微扰 法、数值积分法、多层分割法等)虽然严密，但用它来求解光波 场十分困难。为此，需采用求解标量波动方程的近似方法，诸 如WKBJ法、变分法、级数展开法、多层分割法等。其中， WKBJ法是Wentzel,Kramers,Brillouin,Jeffregs等提出的一种应 用量子力学解薛定愕方程的求解标量波动方程近似方法。它的 优点是适合于求解渐变折射率多模光纤的传导模问题，并可提 供对传导模的深人理解，便于理解其与物理图像的对应关系。 它不限于平方律分布，且能得出较简单有用的计算公式。其缺 点是，对低次模和邻近截止的模式计算不准。
将(3. 173)式变换，可以导出特定波长 纤最大芯径 Dm 的限制条件:
条件下单模光
（3.175）
Dm 2am
2.405
2 n12 n2
上式表明，阶跃光纤必须芯径足够小，才能实现基模单 一模式的传输。 在单模光纤的设计中，需要重点考虑的因索是光纤芯径。 为了避免由于制造误差而导致光纤中传输模式的偏差，确 保单模传输，通常单模光纤芯径的设计值要比由(3. 175 ) 式决定的最大芯径极限值 Dm 要小一些；

光纤积分视场单元焦比测试方法研究

光纤积分视场单元焦比测试方法研究

本论文（□在授予学位后即可 □在授予学位 12 个月后 □解密后）由哈尔滨 工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。
作者（签字）：
导师（签字）：
日期： 年 月 日
年月日
光纤积分视场单元焦比测试方法研究
摘要
随着三维成像技术的不断成熟，它已经逐渐成为了一项重要的天文观测技术，其中 采用积分视场单元是三维成像光谱技术中最主要的方法。积分视场单元（Integral Field Unit，简称 IFU）是望远镜非常重要的一个设备，它能够将望远镜焦面处收集到的光信 息输入到光谱测试仪中，因此光信息的好坏直接影响到光谱分析的好坏。IFU 作为传输 光信息的载体有着非常重要的作用，本文基于实验室自行研究设计的 11×11×2 IFU，通 过实验设计、性能测试以及图像分析等方面对 IFU 的整体焦比退化性能进行研究。
哈尔滨工程大学硕士学位论文
was used as the basis for measuring the emergent focal ratio of optical fibers of IFU. After getting the effective width of the bar, a linear fitting between position and width was conducted to measure the output focal ratio of optical fibers of IFU as F/#out=7.18. With 10% of peak light intensity taken as the threshold, the optical field of strip spot was binarized to work out the output focal ratio of optical fibers of IFU as F/#out=7.20.

光缆(Optical Fiber)的概述理论

光缆(Optical Fiber)的概述理论

2.1 光纤结构和类型2.1.1光纤结构1、光纤概念：(1)光纤：光纤是光导纤维的简称（2)光纤材料：SiO2 二氧化硅（玻璃）、塑料和卤化物光纤（3）光纤结构：由纤芯和包层组成。

即裸纤（4）光纤作用：纤芯传输光信号；包层使光信号封闭在纤芯中传播。

光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。

纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。

包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。

设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。

2.1.2光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由）制成的光纤。

高纯度石英（SiO21.光纤主要有三种基本类型，(1)突变型多模光纤（Step-Index Fiber,SIF）(2)渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber,GIF）(3)单模光纤（Single-Mode Fiber,SMF）相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤典型特种单模光纤(a) 双包层；(b) 三角芯；(c) 椭圆芯2a 2an 1n 2n 3(a)(b)(b)′2.特种单模光纤最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图，这些光纤的特征如下。

(1)双包层光纤色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber,DFF ）色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber,DSF ）(2)三角芯光纤(3)椭圆芯光纤双折射光纤或偏振保持光纤。

3.主要用途：(1)突变型多模光纤:只能用于小容量短距离系统。

(2)渐变型多模光纤:适用于中等容量中等距离系统。

(3)单模光纤:用在大容量长距离的系统。

(4)特种单模光纤:大幅度提高光纤通信系统的水平(5)1.55μm色散移位光纤:实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。

《光波导理论教学课件》3.3均匀光纤

《光波导理论教学课件》3.3均匀光纤

光纤的损耗是指光在传播过程中，由于散射、吸收和弯曲等因素引起的光功率衰减。
光纤的损耗系数是衡量光在光纤中传播时功率衰减程度的物理量，其大小与波长、光纤材料和制造工艺等因素有关。
降低光纤的损耗是光纤通信技术发展的重要方向之一，也是提高光纤通信系统性能的关键。
光纤的损耗特性是评估光纤性能的重要参数之一，它直接影响光纤通信系统的传输距离和可靠性。
《光波导理论教学课件》3.3均匀光纤
目录
均匀光纤的基本概念 均匀光纤的光传播特性 均匀光纤的应用 均匀光纤的发展趋势与挑战
01
CHAPTER
均匀光纤的基本概念
均匀光纤是指纤芯和包层折射率分布均匀的光纤，是光纤中最基本的结构。
定义
具有低损耗、高带宽、低色散等优点，是实现高速、远距离通信的关键器件。
Hale Waihona Puke 光纤传感技术均匀光纤在光纤激光器中起到关键的作用，其结构稳定、光学性能优良，能够实现高效的光能量转换和传输。
光纤激光器在材料加工、医疗、科研等领域具有广泛的应用前景，为各行业的创新发展提供了新的动力和机遇。
光纤激光器是一种利用光纤作为增益介质制造的激光器，具有高效率、高亮度、窄线宽等优点。
光纤激光器
了解光纤的色散特性对于光纤通信系统的设计、优化和性能评估具有重要意义。
03
CHAPTER
均匀光纤的应用
1
2
3
光纤通信系统是利用光波在光纤中传输信息的一种通信方式，具有传输容量大、传输距离远、抗电磁干扰等优点。
均匀光纤作为光纤通信系统中的重要组成部分，用于传输信号，实现信息的快速、安全传输。
光纤通信系统广泛应用于电信、移动通信、互联网等领域，对现代信息社会的发展起着至关重要的作用。

光纤传输基本理论.完整版ppt资料


根本理论涉及内容
• 光纤模式的鼓励(或光的入射) • 光纤中的模式分布(或光纤传播轨迹) • 模式的传播速度(或光线的时延) • 模式沿光纤横截面场分布； • 光信号的传输损耗； • 光信号的畸变； • 模式的偏振特性； • 模式的耦合；
麦克斯韦方程与亥姆霍兹方程
• 光纤是一种介质光波导，这种波导有如下特点：
• 亥姆霍兹方程有一个重要的特征：
• 拉普拉斯算符 函数 与一常数 2
作用在函数 上的结果等于该 的乘积。
• 这一类方程在数学 2上称k为2本征方程，常数ｋ称
为本征值。因此，波动理论的实质是对于给定的
边界条件下求本征方程的解－本征解及其对应的 本征值，数学上称为本征值问题。
• 光纤波导中，电磁波在纵向(轴向)以“行波〞的形式存 在，在横向以“驻波〞的形式存在。其特征是：场分 布沿轴向的变化只表达在相位上，场强度不随轴向传 播距离而变化(假设光纤中无模式耦合，也不存在损耗 与增益)。
〔2〕波动理论法 这是一种严格的分析方法，严格性在于： a.) 从光波的本质特性－电磁波出发，通过求解电
磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁场的场分布，具 有理论上的严谨性。
b.) 未作任何前提近似，因此适用于各种折射率分 布的单模光纤和多模光纤。
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 主要特点
几何光学方法 << d 光线 射线方程 折射/反射定理 约束光线
•
a). 无传导电流；b). 无自由电荷；c). 线性
各向同性；
•
那么其中传H 播的D 电磁/波t 遵从以下麦克斯韦
方程： EB/t
D 0
B0 同时各量满足物质方程：
D
E
B H
• 光纤中电磁场传播的另一个重要特性是：两种介质 交 界处(光纤纤壁)处电磁场满足边界条件，即 E与 H的 切向分量以及 D与 B的法向分量均连续，其数学表达

第三章 阶跃与渐变折射率光纤的波动理论分析—3


' ' J0 (u ) K0 ( w) 0 uJ 0 (u ) wK 0 ( w)
（3.145）
为去掉贝塞尔函数的微分形式，利用贝塞尔函数的递推公式 ' (3. 103)式 Z0 Z1 ，变换改写上式应有
uJ 0 (u ) wK0 (w) =J1 (u) K1 ( w)
（3.146）
当模截止时， ( ) 0 ，经推导变换(略)上式右端 0 ，因 而应有
（3.149）
利用贝塞尔函数的递推公式并经变换(详略)，得到变换后EH模 的本征方程形式:
uJ n (u ) wK n ( w) =J n 1 (u ) K n 1 ( w)
（3.150）
，
当模截止，即 0 (• 0 )时，经推导证明上式右端 即有 0
uJ n (u ) =0 J n 1 (u )
m
对于这种弱波导条件下，采用标量近似解法得到的 LPm 模，又可称之为“标量模”。 (1)LP模的截止方程、模分布规律及简并 为了分析得到线性偏振模的截止方程，需以 0 ， 0 即作为导波截止的条件。 由 式
时，可利用 K m ( )的如下渐近公式代入(3. 157)式右端:
LPm 模的本征方程(3. 157) uJ m1 (u ) wK m1 ( w)，当模截止、 0 J m (u ) K m ( w)
2 ' n (1)' n (1) n 2 ' n (1)' n (1) n
1 k2 n( 1) 2 t 2
2
( J H )( J H ) ( J H )( J H ) 0
为方便尔后的简化分析，并取较通用的表示形式，需对上述 本征方程做变换，并令

光纤通信复习重点

光纤通信复习重点题型：填空、选择、判断30’、问答40’、计算30’第一章概论光纤通信的优点☆☆1）容许频带很宽,传输容量很大2）损耗很小,中继距离很长,且误码率很小3）重量轻,体积小4）抗电磁干扰性能好5）泄露小,保密性能好6）节约金属材料,有利于资源合理使用光纤通信系统的基本组成作用：1）信息源：把用户信息转换为原始电信号,这种信号称为基带信号2）电发射机：把信息源传递过来的模拟信号转换成数字信号PCM3）光发射机：把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术吧光信号最大限度地注入光纤线路;4）光纤线路：把来自光发射机的光信号,以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机; 5）光接收机：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号,并经其后的电接收机放大和处理后恢复成基带电信号;光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成,光检测器是光接收机的核心;光接收机最重要的特性参数数灵敏度；6）电接收机：把接收的电信号转换为基带信号,最后由信息宿恢复用户信息；说明：光发射机之前和光接收机之后的电信号段,光纤通信所用的技术和设备和电缆通信相同,不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输；注：计算题3个,全来自第二第三章的课后习题第二章光纤和光缆光纤结构光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝;相对折射率差典型值△=n1-n2/n1,△越大,把光能量束缚在纤芯的能力越强,但信息传输容量确越小光纤类型三种基本类型图突变型多模光纤：纤芯折射率为n1保持不变,到包层突然变为n2;这种光纤一般纤芯直径2a=50~80 μm,光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变大;渐变型多模光纤：纤芯中心折射率最大为n1,沿径向r向外围逐渐变小,直到包层变为n2;这种光纤一般纤芯直径2a为50μm,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变小;单模光纤：折射率分布和突变型光纤相似,纤芯直径只有8~10 μm,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播;因为这种光纤只能传输一个模式两个偏振态简并,所以称为单模光纤,其信号畸变很小;光纤传输原理 展宽 衰减的原因 1）突变型多模光纤2）数值孔径：定义临界角θc 的正弦为数值孔径NANA 表示光纤接收和传输光的能力,NA 或θc 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;对于无损耗光纤,在θc 内的入射光都能在光纤中传输;NA 越大,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信号畸变越大,因而限制了信息传输容量; 时间延迟:这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽,或称为信号畸变;由此可见,突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后,其时间延迟不同而产生的; 3）渐变型多模光纤 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点; 自聚焦效应：不同入射角相应的光线,虽然经历的路程不同,但是最终都会聚在同一点上;渐变型多模光纤具有自聚焦效应,不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上,而且这些光线的时间延迟也近似相等; 光纤传输的波动理论 单模光纤的模式特性 1单模条件和截止波长传输模式数目随V 值的增加而增多;当V 值减小时,不断发生模式截止,模式数目逐渐减少;特别值得注意的是当V<时,只有HE11LP01一个模式存在,其余模式全部截止;HE11称为基模,由两个偏振态简并而成;由此得到单模传输条件为可以看到,对于给定的光纤n1、n2和a 确定,存在一个临界波长λc,当λ<λc 时,是多模传输,当λ>λc 时,是单模传输,这个临界波长λc 称为截止波长; 2）光强分布和模场半径通常认为单模光纤基模 HE11的电磁场分布近似为高斯分布 Ψr=Aexp式中,A 为场的幅度,r 为径向坐标,w0为高斯分布1/e 点的半宽度,称为模场半径; 3）双折射把两个偏振模传输常数的差βx-βy 定义为双折射Δβ, 通常用归一化双折射β来表示∆≈-=212212n n n NA ∆≈==∆cL n NA c n L c n L c 12121)(22θτ405.222221≤-n n a λπ])([2w r -ββββββ)(y x -=∆=式中, =βx+βy/2为两个传输常数的平均值;把两个正交偏振模的相位差达到2π的光纤长度定义为拍长Lb= 光纤传输特性损耗和色散是光纤最重要的传输特性;损耗限制系统的传输距离,色散则限制系统的传输容量;☆☆☆☆☆三种色散模式色散是由于不同模式的传播时间不同而产生的,它取决于光纤的折射率分布,并和光纤材料折射率的波长特性有关;材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变,以及模式内部不同波长成分的光实际光源不是纯单色光,其传播时间不同而产生的;这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度;波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的,它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差;说明：色散对光纤传输系统的影响,在时域和频域的表示方法不同;从频域上看,色散限制了传输信号的带宽；从时域上看,色散引起信号脉冲的展宽; 理想的单模光纤没有模式色散,只有材料色散和波导色散;材料色散和波导色散总称为色度色散,常简称为色散,它是传播时间随波长变化的产生的;光纤损耗光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离;在最一般的条件下,在光纤内传输的光功率P 随距离z 的变化,可以用 表示;α是损耗系数;吸收损耗：由SiO 2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的;散射损耗：主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷引起; 光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为： α= +B+CW λ+IR λ+UV λA 为瑞利散射系数,B 为结构缺陷散射产生的损耗,CW λ、IR λ和UV λ分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗; 第三章 通信用光器件 光源光源是光发射机的关键器件,其功能是把电信号转换为光信号;半导体激光器是向半ββ∆2apdz dp -=4λA导体PN 节注入电流,实现粒子数反转分布,产生受激辐射,在利用谐振腔的正反馈,实现光放大而产恒激光震荡的;工作原理：半导体激光器是向半导体PN 结注入电流实现粒子数翻转分布,产生受激辐射,实现光放大,在利用谐振腔的正反馈而产生激光振荡的;基本结构：结构中间有一层厚~ μm 的窄带隙P 型半导体,称为有源层；两侧分别为宽带隙的P 型和N 型半导体, 称为限制层;三层半导体置于基片衬底上,前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗FP 谐振腔; 三种跃迁：受激吸收：处于低能级E1的电子,在入射光作用下,它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上；自发辐射：在高能级E2的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量转换为光子辐射出去；受激辐射：在高能级E2的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量产生光辐射； 能级跃迁：电子在E1和E2两个能级之间跃迁,吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件,即 E2-E1=hf 12,其中 h=×10-34J ·s,为普朗克常数,f 12为吸收或辐射的光子频率； 受激辐射和自发辐射光的区别：它们的特点很不相同;受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同,这种光称为相干光;自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的,其频率和方向分布在一定范围内,相位和偏振态是混乱的,这种光称为非相干光; 粒子数分布：低能级E1和处于高能级E2E2>E1的原子数分别为N1和N2;当系统处于热平衡状态时,存在下面的分布)12(exp 12kTE E N N --=k=10-23为玻尔兹曼常数,T 为热力学温度 N1>N2,即受激吸收大于受激辐射;当光通过这种物质时,光强按指数衰减, 这种物质称为吸收物质；正常状态N2>N1,即受激辐射大于受激吸收,当光通过这种物质时,会产生放大作用,这种物质称为激活物质;粒子数反转分布 如何实现粒子数反转分布：半导体激光器是向半导体PN 结注入电流,实现粒子数反转分布；发射波长：半导体激光器的发射波长取决于倒带的电子跃迁到价带时所释放的能量;这个能量近似等于禁带宽度；EgEg24.1hc ==λ不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg,所以有不同的发射波长光谱特性：随着驱动电流的增加,纵模模数逐渐减少,谱线宽度变窄； 随着调制电流增大,纵模模数增多,光谱密度变宽; 弛张频率：弛张频率f r 是调制频率的上限,在接近f r 处,数字调制要产生弛张震荡,模拟调制要产生非线性失真;温度特性：激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流I th 随温度升高而增大,二是外微分量子效率ηd 随温度升高而减小;温度升高时,I th 增大,ηd 减小,输出光功率明显下降,达到一定温度时,激光器就不激射了;当以直流电流驱动激光器时,阈值电流随温度的变化更加严重;当对激光器进行脉冲调制时,阈值电流随温度呈指数变化,在一定温度范围内,可以表示为)ex p(00th T T I I =I 0为常数,T 为结区的热力学温度,T 0为激光器材料的特征温度 发光二极管 对应的看看就可以发光二极管LED 的工作原理与激光器LD 有所不同, LD 发射的是受激辐射光,LED 发射的是自发辐射光;发光二极管的优点：和激光器相比,发光二极管输出光功率较小,谱线宽度较宽,调制频率较低;但发光二极管性能稳定,寿命长,输出光功率线性范围宽, 而且制造工艺简单,价格低廉; 光检测器光电二极管工作原理光电效应光电效应：在PN 结界面上,由于电子和空穴的扩散运动,形成内部电场;内部电场使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动,最终使能带发生倾斜, 在PN 结界面附近形成耗尽层;在耗尽层,会形成光生漂移电流;在中性区会形成光生扩散电流;当与P 层和N 层连接的电路断开时,便会在两端产生电动势;说明:光生漂移电流分量和光生扩散电流分量的总和即为光生电流； 光无源器件小知识点 考小题 无计算 连接器：实现光纤与光纤之间可拆卸连接 接头：实现光纤与光纤之间的永久性连接光耦合器：把一个输入的光信号分配给多个输出,或者把多个输入的光信号复合成一个输出;分为：T 型耦合器.星型耦合器.定向耦合器.波分复用器/解复用器光隔离器：非互易器件,只允许光波向一个方向上传输,阻止光波往其他方向特别是反方向传播;环形器：有多个接口的光隔离器；外调制器：为了解决直接调制激光器会产生线性调频的问题；光开关：转换电路,实现光交换;光发射机光发射机基本组成相应的模块对光源有什么要求、电路的作用☆☆对光源的要求：简单题1号嫌疑犯1发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致,即中心波长应在μm、μm和μm附近;光谱单色性要好,即谱线宽度要窄,以减小光纤色散对带宽的限制;2电/光转换效率要高,即要求在足够低的驱动电流下,有足够大而稳定的输出光功率,且线性良好;发射光束的方向性要好,即远场的辐射角要小,以利于提高光源与光纤之间的耦合效率;3允许的调制速率要高或响应速度要快,以满足系统的大传输容量的要求;4器件应能在常温下以连续波方式工作,要求温度稳定性好,可靠性高,寿命长;5此外,要求器件体积小,重量轻,安装使用方便,价格便宜;发射机的电路部分：作用：电路的设计应该以光源为依据,使输出光信号准确反映输入电信号；对调制电路和控制电路的要求：1)输出光脉冲的通断比应大于10,以保证足够的光接收信噪比;2)输出光脉冲的宽度应远大于电光延迟时间,光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短,以便在高速率调制下,输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形.3)对激光器应施加足够的偏置电流,以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡,保证发射机正常工作;4)应采用自动功率控制APC和自动温度控制ATC,以保证输出光功率有足够的稳定性; 线路编码电路必要的原因：因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码,而光源不能发射负脉冲;调制特性效应小知识码型效应：当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时,会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄,幅度减小,严重时可能使单个“１”码丢失,这种现象称为“码型效应”；码型效应的特点：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码,其脉冲明显变小,而且连“0”码数目越多,调制速率越高,这种效应越明显;可以采用“过调制”补偿方法,消除码型效应；弛张震荡：当电流脉冲注入激光器后,输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的震荡; 自脉动现象：某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下,当注入电流达到某个范围时,输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡,这种现象叫做自脉动现象；温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流I th 和外微分量子效率ηd 产生温度升高,阈值电流增加,外微分量子效率减小,输出光脉冲幅度下降； 光接收机 ☆☆☆☆☆☆器流对光检测器的要求：1）波长相应要和光纤低损耗窗口μm,μm 和μm 兼容；2）响应度要高,在一定的接收光功率下,能产生尽可能大的光电流； 3）噪声要尽可能低,能接收微弱光信号,； 4）性能稳定,可靠性高,寿命长,功耗和体积小; 均衡的目的是：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变的电信号进行补偿,使输出信号的波形适合于判决,以消除码间干扰减小误码率;灵敏度的定义：在保证通信质量的条件下,光接收机所需的最小平均接收光功率P min ,并以dBm 为单位;计算公式：定义公式：Pr=10lg 理想光接收机灵敏度：Pr=10lg)](10)min([3dBm w P -><λη2bnhcf基本概念：因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声,只要有光信号输入,就有量子噪声存在； 光接收机的噪声包括光检测器的噪声量子噪声、暗电流噪声、APD 附加噪声、电阻热噪声和前置放大器的噪声; 线路编码有什么要求数字光纤通信系统对线路骂醒的主要要求是保证传输的透明性,具体要求是： 1）能限制信号带宽,减小功率谱中的高低频分量; 2）能给光接收机提供足够的定时信息;3）能提供一定的冗余度,用于平衡码流、误码监测和公务通信;但对高速光纤通信系统,应尽量减小冗余度,以免占用过大的带宽;常用的线路码型为：扰码、mBnB 码和插入码; 第四章 数字光纤通信同步数字系列SDH 帧结构 作用因素 图 简答题2号嫌疑犯字节发送顺序：由上往下发 每行先左后右1）段开销SOH 又可分为再生段开销SOH 和复接段开销LOH 2）信息载荷Payload 3）管理指针单元AU-PTRSDH 环形网的一个突出优点是“自愈”能力; 系统的性能指标 小知识点 掌握为进行系统性能研究,ITU-T 建议中提出了一个数字传输参考模型,称为假设参考连接HRX ；假设参考数字链路HRDL数字光纤通信系统的主要性能指标有：传输速率,误码率,抖动和可靠性 系统的设计往年有计算,今年没有,但有小知识点12345…9顺序数字光纤通信系统设计的主要任务是确定中继距离,一般采用最坏情况设计法来确定中继距离;在光纤传输中,中继距离不但受到光纤损耗限制,而且还受到光纤色散的限制;第七、八章讲过的一些小知识点,你大爷,哪些讲过,臣妾不知道哇1参饵光纤放大器工作波长正好与光纤的最佳波长一致,增益高、噪声系数小、频带宽,在光纤通信系统中可以作为中继放大器,前置放大器和后置放大器;2光波分复用增加了光纤的传输容量,降低了成本；3光交换目前主要有两种方式：空分交换和波分交换4目前光通信系统采用光强调制——直接检测的方式；5相干光通信在接收端采用零差检测或外差检测;6SDH技术的最大优势在于组网上,它的传送网通常采用线形、星形、树形、环形和网孔形拓扑结构;7SDH的特色之一是能利用ADM构成环形自愈网,自愈网结构分为两类：通道倒换环和复用段倒换环;8建议将光传送网分为光通道层OCH、光复用段层OMS和光传输层OTS;9WDM光网络的结点主要有两种功能,即光波长信道的分插复用功能和交叉连接功能,实现这两种功能的网络元件是：OADM和OXC;。

光纤光学光纤传输的基本理论


MAXWELL’S EQUATIONS ∇ · B = 0 ∇ · D = ρ ∇×E = −∂B/∂t ∇×H = J +∂D/∂t From the first line, the normal ponents of D and B are continuous across a dielectric interface From the second line, the tangential ponents of E and H are continuous across a dielectric interface
由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同.
01
单击此处添加小标题
局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax
组层与层之间有细微的折射率变化的薄层, 其中在中心轴线处的层具有的折射率为n1，在包层边界的折射率为n2。这也是制造商如何来制造光纤的方法。
= r1 (1.13)
01
An(0) sin(Az) cos(Az)
cos(Az)
02
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
r
03
这个公式是自聚焦透镜的理论依据。
θ*
由此可见，渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0， 其周期Λ=2π/A=2πa/ ， 取决于光纤的结构参数(a, Δ)， 而与入射角θ0无关。
波动方程
麦克斯韦方程组
时、空坐标分离：亥姆霍兹方程，是关于E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式
单色波：
矢量的Helmholtz方程
空间坐标纵、横分离：得到关于E(x,y)和H(x,y)的方程式；
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3.1 光纤模式理论概述
光波导要研究的主要问题
光纤模式的激励（光的入射） 光纤中的模式分布（光线传播轨迹） 模式的传播速度（光线的时延） 模式沿光纤横截面的场分布 光信号的传输损耗 光信号的畸变 模式的偏振特性 模式的耦合
3.1 光纤模式理论概述 模式——电磁场场形
0


2
H
z
r 2

1 r
H z r

1 r2
2Hz
2

t2H z

0
3.4 阶跃光纤中纵向场分量满足的波动方程的求解 阶跃光纤中的波导方程——求解过程

2Ez r 2

1 r
Ez r

1 r2
2Ez
2

t2 Ez

0


2
H
z
r 2

r
)

CKl (| t | r
A'Yl (t r) ) C'Il (| t
|
r)
？
R(r)

AJl (tr) CKl (r)

为实数
t
t为虚数
ra
ra
其中
t2 k12 2 2 2 k22
t : 纤芯中横向传播常数 : 包层中横向传播常数
第三章 光纤传输的波动理论
主要内容
3.1 光纤模式理论概述 3.2 波动光学基础 3.3 圆柱坐标系中波动方程的建立 3.4 阶跃光纤中纵向场分量满足的波动方程的求解 3.5 阶跃光纤中电磁场分量的具体表达式 3.6 三个重要参数 3.7 运用边界条件得出本征方程 3.8 由本征方程出发讨论模式的分类和性质 3.9 由各类模式对应的本征方程讨论其临近截止和远离截止条件 3.10 若干低阶模式的色散曲线 3.11 阶跃光纤中的线性偏振模 3.12 LP模的场分布形式（与下标l,m的关系） 3.13 导模纵向功率流 3.14 主模式号、模组、模群和模角 3.15 阶跃光纤中导模电力线和磁力线的分布 3.16 阶跃光纤中导模数量 3.17 波动光学结果与几何光学结果的对照 3.18 渐变型折射率光纤波动方程的WKBJ解法 3.19 多模渐变型光纤的模式特性 3.20 单模光纤的模式特性
3.3 圆柱坐标系中波动方程的建立 光纤中电磁波的假设解
光纤波导中，电磁波在纵向（轴向）以“行波”的形式存在，在横向上 以“驻波”的形式存在。即：场分布在轴向的变化只体现在相位上，场 的幅度不随轴向传播距离而变化（前提：光纤中无模式耦合，也不存在 损耗和增益）
假设波导中存在如下形式的模式解
E E0(x ,y )e j(t z ) H H0(x ,y )e j(t z )

Ez

AR(r )()

AJ l(tr )e jl CK l(r )e jl
r a r a
3.5 阶跃光纤中电磁场分量的具体表达式 圆柱坐标系中阶跃光纤电磁场分量的表达式——纤芯中

E
z

AJl (t r)e jl

Er



j
t2
[
A
t
Байду номын сангаас
J
' l
(
t

H



j
t2
[t1 AJl' (t r)
j
l r
BJl (t r)]e jl
3.5 阶跃光纤中电磁场分量的具体表达式
圆柱坐标系中阶跃光纤电磁场分量的表达式——包层中
E
z
Er

CKl (r)e jl
j
2
[CK
' l
(r
)

n r
DKl (r)]e jl

D E

H B/
：介电常数 ：磁导率
可得出
Ex


j

2 t
(
Ez x

H z y
)
E y


j t2
(
Ez y

H z x
)

H
x



j t2
(
H z x

Ez y
)
H y


j

2 t
(
H z y

Ez x
)

2Ez x2

2Ez y 2
t2Ez
0


2
H
z
x2

2Hz y 2


2 t
H
z

0
3.3 圆柱坐标系中波动方程的建立 圆柱坐标下光纤中电磁波横向场分量与纵向场分量之间的关系
Er


j
t2
(
Ez r


r
H z

3.2 波动光学基础 包含内容
麦克斯韦方程组 波动方程（亥姆霍兹方程） 传播常数 相速度和群速度
k 图（缺）
第二章已讲过
3.2 波动光学基础
传播常数
对于齐次亥姆霍兹方程，当取这些物理量的任一直角分量时，可有下式成立：
此式的通解为 于是可得 其中 传播常数
2u k 2u 0
TEM模 TE模 TM模 HE或EH模
Ez Hz 0
Ez 0, H z 0 Ez 0, H z 0
Ez 0, H z 0
光纤中的模式：HE（EH）模，TE（TM）模
光纤中模式的偏振特性、 场强关系和相位关系3.4
3.8 由本征方程出发讨论模式的分类及性质
阶跃光纤中的模式分析——模式分类

0


1
R(r
[r
)
2
d 2R(r ) dr 2

r
dR(r ) dr

t2r 2R(r )]

l2
3.4 阶跃光纤中纵向场分量满足的波动方程的求解
阶跃光纤中的波导方程——用分离变量解耦
() e jl
()


cosl sin l

R(r)


A
Jl
(t
3.3 圆柱坐标系中波动方程的建立
本征值问题
2u k 2u 0 2u k 2u
如果算符作用于函数等于一个常数g乘以该函数，则该方程称为本征方程。其中 该函数称为算符的本征函数，g是算符的对应于本征函数的本征值。
波动理论的实质：对于给定的边界条件求本征方程的解——本征解及其对应的 本征值，在数学上称之为“本征值问题”。
1 r
H z r

1 r2
2Hz
2

t2H z

0
简化阶跃光纤结构
用分离变量法解耦
在纤芯、包层界面运用边界条件
获得本征方程
3.4 阶跃光纤中纵向场分量满足的波动方程的求解 阶跃光纤中的波导方程——简化阶跃光纤结构
a
n2 n1
b
n0 1
a
n1
b
n2
阶跃光纤实际结构
求解时建立的对应物理模型
u u e( xx y y zz) 0

2 x

2 y


2 z
k2

0
i ji i
(i x, y, z)
相位常数 衰减常数 （传播常数）
i 表示光波沿i方向传播单位距离后的相位改变量
3.2 波动光学基础
相速度和群速度
群速度就是指电磁波的包络传播的速度。实际上就是电磁波实际前进的速度。 相速度就是电磁波相位传播的速度。通俗地讲，就是电磁波形状向前变化的速度。 在波导中，相速度往往比群速度要大。
3.6 三个重要参量
U
2

a
2

2 t

a2 (k02n12


2)
—
—U
: 纤芯中横向归一化传播常数
表示导模在芯区中的驻波场的横向振荡频率
W 2 a2 2 a2 ( 2 k02n22 ) — —W : 包层中横向归一化传播常数
表示导模在包层中的消逝场的衰减速度
V 2 U2 W 2
r

aE
H z

j
2
[
l r
CKl (r)
DKl (r)e jl
DKl'
(r)]e
jl
Hr

j
2
[ 2
l r
CKl (r) DKl' (r)]e jl
H

j
2
[
2CK
' l
(r
)


l r
DKl (r)]e jl
Ez

CKl
(W a
r)e jl
������������形式为衰减的指数函数。
所以当������ → ∞，电磁波在包层中快速衰减，被很好地 束缚在纤芯中——远离截止条件 而当������ → ������时，电磁波在包层中衰减及其缓慢，从包层辐 射出去——临近截止条件
3.9 由各类模式对应的本征方程讨论其临近截止和远离截止条件 由各类模式对应的本征方程讨论其临近截止和远离截止条件
形象一点说，你拿电钻在一个很坚固的墙上钻洞，你会觉得电钻的钻头的螺纹在 旋转时似乎以高速前进，但这只是你的错觉，因为你看到的是螺纹的“相速度”， 虽然很快，但是你的电钻却很慢很慢地向墙内推进，也就是说电钻的总的向前推 进的速度就是“群速度”。如果墙壁很硬，你的电钻根本就钻不进去，电钻向前 推进的速度为“0”，但是你从电钻的螺纹上看却总是觉得电钻是不断钻进去的。