光纖光學總復習-2010

1、2024/3/31,《光纖光學》總復習,2024/3/31,,光纖光學的基本理論,什么是光纖？,介質圓柱光波導，充分約束光波的橫向傳輸（橫向沒有輻射泄漏），縱向實現長距離傳輸。基本結構：纖芯、包層、套塑層,Typical Dimension for Silica Fibers:SMF: 8~10 mm core, 125 mm claddingMMF: 50, 62.5, 100 um core, 125 um cladding

2、Index profile:Step vs. Graded vs. multi-step…,2024/3/31,光纖按纖芯折射率分布分類：,a. 階躍折射率分布光纖（SIOF）,b. 漸變折射率分布光纖（GIOF）,2024/3/31,光纖傳輸模式分類：,傳輸的模式總數：,單模光纖：只允許一個模式傳輸的光纖；,多模光纖：光纖中允許兩個或更多的模式傳播。,2024/3/31,光纖光學的研究方法,2024/3/31,光線理論與波動

3、理論分析思路,2024/3/31,光線方程的推導,2024/3/31,SIOF中光線的傳播,數值孔徑: 定義光纖數值孔徑NA為入射媒質折射率與最大入射角的正弦值之積,即,物理意義與光纖傳輸速率的關系,2024/3/31,GIOF中光線的傳播（子午光線）,同一光線： 值相同；不同光線： 值不同！,：第一射線不變量,由光線的入射條件所決定！,光線分類、特征及其激勵條件：,約束光線,隧道光線,折射光線,2024/3/31,GIOF中子午

4、光線的軌跡,平方律分布的光纖、雙曲正割折射率分布光纖,2024/3/31,模式分類、特征及其激勵條件：,導模,泄漏模,輻射模,導模分析中的重要參量及其物理意義,橫向傳播常數（U、W）,2024/3/31,SIOF模式分析的基本過程,基模模場的表示式,導模的分類及其特征,導模的截止與遠離截止條件,2024/3/31,導模截止與遠離截止條件: 模式臨近截止遠離截止 *除了HE1m模式以外,U不

5、能為零模式本征值 b、l 滿足：,2024/3/31,色散曲線及其物理含義,2024/3/31,光纖的單模工作條件,弱導光纖的特征,線偏振模基模模場的表示,線偏振模與精確模式間的關系,導模的數目（估計）、,模組與主模標號、,模斑,2024/3/31,平方率光纖中的導模場的特征,平方率光纖中的基模場的表達式,模場半徑的概念,WKB的基本思想,任意折射率分布的本征值方程,模式容積,2024/3/31,SIOF、平方率單模光纖中的場解,任

6、意折射率分布單模光纖中的場解的求解方法,2024/3/31,光纖的特性及特征參數測量,損耗的定義及來源,光纖的衰減系數與損耗的關系：,2024/3/31,通信窗口：由0.85mm、1.31mm、1.55mm到S波(1.49mm~1.53mm)、 C波(1.53mm~1.57mm)、L波(1.57mm~1.61mm)。,2024/3/31,光纖的彎曲損耗,光纖發(fā)生彎曲,波導內完全內反射遭破壞,波導模

7、轉化為泄漏模甚至輻射模,引起彎曲損耗,,,彎曲損耗的種類：宏彎曲、微彎曲、過渡彎曲,2024/3/31,光纖色散概念與種類,各類色散的計算、色散位移概念,2024/3/31,2024/3/31,光纖的演變,G.651光纖：工作波長850nm；多模；損耗：3dB/kmG.652光纖：常規(guī)單模光纖，零色散波長1310nm ；最低損耗窗口1550 nmG.653光纖：DSF，零色散波長1550nm ；最低損耗窗口1550 nmG.655

8、光纖：NDSF，Lucent：零色散波長1530nm；Corning：>1570nm大有效面積光纖：LEAF 降低非線性效應的影響。色散補償光纖：全波光纖： 消除OH的吸收損耗,通信窗口：由0.85、1.31、1.55到S波(1.49~1.53)、C波(1.53~1.57)、 L波(1.57~1.61),2024/3/31,光纖中色散與脈沖展寬的關系,如何利用色散實現脈沖壓縮？

9、,光纖的傳輸帶寬,2024/3/31,光纖的設計：損耗、色散、非線性；折射率、折射率分布、摻雜,光纖的制作：預制棒（MCVD、OVD、VAD、PCVD）、拉絲、涂覆、成纜,2024/3/31,光纖的模場半徑、截止波長的定義,光纖損耗的測量數值孔徑的測量模場直徑的測量截止波長的測量,OTDR的基本原理、測量精度、分辨率、動態(tài)范圍等,2024/3/31,2024/3/31,自聚焦透鏡,光有源與無源器件、自聚焦光纖、自聚焦透鏡,自聚焦透

10、鏡與自聚焦光纖的比較,自聚焦透鏡與一般球透鏡的比較,由射線方程如何得到自聚焦透鏡的傳輸矩陣,自聚焦透鏡的成像特性、節(jié)距的概念,0.23P、0.25P、0.29P自聚焦透鏡的成像性質,2024/3/31,光纖耦合器,2024/3/31,對相同波長、相同光功率的耦合會產生3dB損耗。,2024/3/31,2024/3/31,2024/3/31,光隔離器,2024/3/31,光環(huán)行器,2024/3/31,光纖光柵,2024/3/31,2024

11、/3/31,2024/3/31,色散補償應用,2024/3/31,OADM 應用,2024/3/31,摻鉺光纖放大器,EDFA：Erbium－Doped Fiber Amplifier,2024/3/31,,,,,,,,亞穩(wěn)態(tài),,,,,,,,,,,,,,基態(tài),激發(fā)態(tài),基態(tài),鉺離子在外界泵浦光的作用下,,外界信號光引起受激輻射,,信號光放大,2024/3/31,2024/3/31,摻鉺光纖激光器,光放大器與激光器的差別,光纖激光器＝光纖放

12、大器＋激光諧振腔,用已學的光纖器件構建光纖激光器,2024/3/31,光纖的連接與耦合,引起光纖連接損耗的因素：,,內部損耗因子：光纖結構參數的失配,外部損耗因子：光纖調整參數的偏離、端面質量,端面反射損耗：光纖活動連接中,2024/3/31,各種光纖連接損耗的特點：,（1）內部損耗因子引起的連接是非互易的；（2）橫向失準和角向失準對損耗的影響比縱向損耗大的多，且難調準；（3）多模光纖間的a和Δ的偏差會引起較大的損耗，其量級可達0.

13、05～0.2dB ；（4）單模光纖的內部損耗因子歸結為唯一的參數：基模的模場半徑；單模光纖由于纖徑小，對于橫向偏移與角向偏移極為敏感。為保證接續(xù)損耗低于0.05dB，要求光纖對準調整誤差在十分之幾微米之內。,2024/3/31,內部損耗因子,（1）數值孔徑不匹配,（2）纖芯半徑不匹配,（3）折射率分布形式不匹配,二、單模光纖連接損耗的理論分析,模場半徑的失配,2024/3/31,光纖固定接頭的制作：,光纖端面制備,,光纖對準調節(jié),,光

14、纖接頭焊接,,固定,2024/3/31,光纖活動連接器種類：,2024/3/31,光纖與光源間的耦合技術：,半導體激光的發(fā)光特性：①近場不對稱； ②遠場光斑不對稱； ③ 具有很大的發(fā)散角。,影響耦合損耗的因素：①場型失配； ②場分布非園對稱性； ③ 模場半徑失配； ④菲爾反射損耗； ⑤透鏡相差損耗。,常見的幾種變換透鏡,2024/3/31,光纖光學作業(yè)解答,1、證明，并說明上式的物理意義。其中R是光線彎曲的曲率半徑， 為光纖法

15、向單位變量。,2024/3/31,說明： 表示 的相對變化，R的正負與其變化方向相同， 增大時，R為正，故光線總向折射率高的方向彎曲,2024/3/31,2、驗證雙曲正割折射率分布滿足光程條件：,2024/3/31,2024/3/31,3、已知模截止時， 設NA＝0．21，(1)若 ， 求 的值；(2)若a＝5mm．求 值。,解：

16、,(1),3.94mm,(2),=1.65mm,2024/3/31,4、一光纖對于 為單模光纖，,問（1）對于 的光傳播，能傳輸多少模式？問（2）對于 的光纖傳播多少模式？什么模式？(3)上述三種光波激發(fā)起的基模場分布有什么不同？這種不同對光的傳輸特性有什么影響？ 利用

17、 可以求解傳播模式（1）得到V=3.678，可傳輸（2）得到V=2.017，只能傳輸,2024/3/31,5、標準通信光纖芯徑50 mm，數值孔徑0.2，求其中傳輸模群的最大主模標號,2024/3/31,6、哪些因素限制光通信傳輸距離？光通信傳輸距離主要取決于光纖的損耗和色散。光纖損耗包括：光纖材料的吸收損耗：1.本征吸收；2.雜質吸收；3. 散射損耗（瑞利散射）和非線性散射損耗（受激拉曼散射，受激布里淵散

18、射）； 4.彎曲損耗（主要包括宏彎損耗，微彎損耗和過渡彎曲損耗）。光纖色散包括：材料色散； 波導色散； 模間色散；偏振模色散。,2024/3/31,7、3dB損耗相當于光透射率是多少？,,則透過率,2024/3/31,8、為什么光纖在1.55mm 波長的損耗比1.3 mm 波長小？,在低損耗光纖中，一切損耗均可解釋為瑞利散射，而在1.3 mm 處瑞利散射損耗大于在1.55mm 處的損耗,2024/3/31,9、 如

19、下圖所示，由a,b,c三段光纖連接成待測光纖，其中a,b是同種光纖。且它們的損耗比c大畫出OTDR測得的背向散射功率隨光纖長度變化關系，并加以說明。如OTDR發(fā)射的矩形脈沖脈寬為1ns，待測光纖的纖芯折射率為1.5.求該OTDR的空間分辨率是多少米？,圖中曲線d線段是由于耦合設備和光纖前端面菲涅爾反射引起的回波脈沖；a,b,c線段是光脈沖沿具有均勻特性的光纖段傳播時的背向散射曲線。由于a,b光纖比c光纖損耗要大。所以a,b段較c段陡

20、，斜率比c段大。線段突起的點為光纖連接點。e線段為終端菲涅爾反射引起的回波脈沖。,2024/3/31,（2）由公式 得出OTDR空間分辨率為0.1m,2024/3/31,10、如下圖所示的光纖型耦合器，若從a、b兩端輸入相同波長的光信號，問（1）注入光功率均為0dBm，c端的最大輸出為多少？（2）當a端為0dBm，b端為3dBm，c端的最大輸出為多少？若從a、b兩端輸入不同波長的光信號，問（3）注入光功率均為0dBm，c端的最大輸

21、出為多少？（4）當a端為0dBm，b端為3dBm，c端的最大輸出為多少dBm？ (說明計算理由),(1) c端最大輸出為0dBm(2) c端最大輸出為3dBm(3) c端最大輸出為3dBm(4) c端最大輸出為4.77dBm,2024/3/31,11、如下圖所示的應用于1.55mm的波分復用（WDM）光纖放大器系統(tǒng)，光信號間的頻率間隔為 ，光纖的損耗為0.2dB/km，光纖與放大器間連接損耗為1dB

22、，兩者對所有的WDM信道均相同。（1）求用于彌補光纖損耗的放大器增益；（2）若放大器的增益線型可近似為： ，假設只有在3dB的增益帶寬內的波長才能適應系統(tǒng)，求該WDM系統(tǒng)的最大波長數目。,2024/3/31,（1）50×2×0.2dB/km+2×1dB=22dB（2）損耗為3dB內，由題目提供公式可得：,2024/3/31,12、 選擇如下器件：半導體激光器（LD）,波分復用光纖耦合器（WDM），

23、Tap光纖耦合器（TAP）,光隔離器（ISO），摻鉺光纖（EDF）以及Bragg光纖光柵和長周期光纖光柵若干只，設計（1）增益平坦的光纖放大器;(2)二波長輸出光纖激光器，畫出結構示意圖，標注器件設計參數及光波長參數，并簡單介紹工作原理。,2024/3/31,（1）工作原理：①級聯一個或多個長周期光纖光柵通過陷波濾波，使增益變得平坦。②用不同泵浦光級聯，通過優(yōu)化各段光纖的長度可以獲得增益平坦的摻鉺光纖光纖放大器。,（2）方法1：

24、工作原理：#1，#2分別對應著反射中心波長為的反射型Bragg光柵，這樣就可以產生二波長激光。,2024/3/31,方法2：工作原理：LD泵浦光耦合進EDF放大，通過環(huán)行器進入2端，經過#1和#2 FBG選擇反射波長進入諧振腔在放大，產生二波長激光由耦合器輸出。,2024/3/31,補充題：,經兩段不同的色散光纖傳播，出射恰好,達到色散補償。求D1，L1，D2，L2之間的關系。,,光脈沖：,經L1傳輸后，得到：,,2024/3/31