光纤光学总复习-2010.ppt

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1、12/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤光学总复习12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤光学的基本理论什么是光纤？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。有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。基本结构：纤芯、包层、套塑层基本结构：纤芯、包层、套塑层nTypical Dimension for Silica Fibers:nSMF:810 mm core,125 mm claddingnMMF:50,62.5,100 um core,

2、125 um claddingnIndex profile:nStep vs.Graded vs.multi-step12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010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）12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤传输模式分类：传输的模式总数：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。12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤光学的研究方法12/21/202

3、212/21/202212/21/2022 HUST 2010光线理论与波动理论分析思路12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光线方程的推导12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010SIOF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,即物理意义与光纤传输速率的关系12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010GIOF中光线的传播（子午光线）同一光线：同一光线：值相同；不同光线：值相同；不同光线：值不同！值不同！：第一射线不变量：第一射线不变量

4、,由光线的入射条件所决定！由光线的入射条件所决定！光线分类、特征及其激励条件：约束光线隧道光线折射光线12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010GIOF中子午光线的轨迹平方律分布的光纤、双曲正割折射率分布光纤等光程条件光线间延迟小传输速率高12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010模式分类、特征及其激励条件：导模泄漏模辐射模导模分析中的重要参量及其物理意义纵向传播常数（b）、归一化频率（V）、横向传播常数（U、W）12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010SIOF模式分析的基本过程

5、基模模场的表示式导模的分类及其特征导模的截止与远离截止条件12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010导模截止与远离截止条件导模截止与远离截止条件:模式临近截止远离截止*除了HE1m模式以外,U不能为零模式本征值模式本征值 b b、l 满足：满足：12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010色散曲线及其物理含义12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤的单模工作条件弱导光纤的特征线偏振模基模模场的表示线偏振模与精确模式间的关系导模的数目（估计）、模组与主模标号、模斑12/21/20

6、2212/21/202212/21/2022 HUST 2010平方率光纤中的导模场的特征平方率光纤中的基模场的表达式模场半径的概念WKB的基本思想任意折射率分布的本征值方程模式容积12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010SIOF、平方率单模光纤中的场解任意折射率分布单模光纤中的场解的求解方法12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤的特性及特征参数测量损耗的定义及来源光纤的衰减系数与损耗的关系：12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口第

7、三传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收紫外吸收紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射0.22.5损损 耗耗(dB/km)波波 长长(nm)通信窗口：由通信窗口：由0.85m mm、1.31m mm、1.55m mm到到S波波(1.49m mm1.53m mm)、C波波(1.53m mm1.57m mm)、L波波(1.57m mm1.61m mm)。12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤的弯曲损耗光纤发生弯曲波导

8、内完全内反射遭破坏波导模转化为泄漏模甚至辐射模引起弯曲损耗弯曲损耗的种类：宏弯曲、微弯曲、过渡弯曲12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤色散概念与种类各类色散的计算、色散位移概念12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 201012/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤的演变(1)G.651光纤：工作波长光纤：工作波长850nm；多模；损耗：多模；损耗：3dB/km(2)G.652光纤：常规单模光纤，零色散波长光纤：常规单模光纤，零色散波长1310nm；最低损耗窗口最低损耗窗口

9、1550 nm(3)G.653光纤：光纤：DSF，零色散波长零色散波长1550nm；最低损耗窗口最低损耗窗口1550 nm(4)G.655光纤：光纤：NDSF，Lucent：零色散波长零色散波长1530nm；Corning：1570nm(5)大有效面积光纤：大有效面积光纤：LEAF 降低非线性效应的影响。降低非线性效应的影响。(6)色散补偿光纤：色散补偿光纤：(7)全波光纤：全波光纤：消除消除OH的吸收损耗的吸收损耗通信窗口：由通信窗口：由0.85、1.31、1.55到到S波波(1.491.53)、C波波(1.531.57)、L波波(1.571.61)12/21/202212/21/20221

10、2/21/2022 HUST 2010光纤中色散与脉冲展宽的关系如何利用色散实现脉冲压缩？光纤的传输带宽12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤的设计：损耗、色散、非线性；折射率、光纤的设计：损耗、色散、非线性；折射率、折射率分布、掺杂折射率分布、掺杂光纤的制作：预制棒（光纤的制作：预制棒（MCVD、OVD、VAD、PCVD）、拉丝、涂覆、成缆）、拉丝、涂覆、成缆12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤的模场半径、截止波长的定义光纤损耗的测量数值孔径的测量模场直径的测量截止波长的测量OTDR的基本原理、测量

11、精度、分辨率、动态范围等12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 201012/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010自聚焦透镜光有源与无源器件、自聚焦光纤、自聚焦透镜光有源与无源器件、自聚焦光纤、自聚焦透镜自聚焦透镜与自聚焦光纤的比较自聚焦透镜与自聚焦光纤的比较自聚焦透镜与一般球透镜的比较自聚焦透镜与一般球透镜的比较由射线方程如何得到自聚焦透镜的传输矩阵由射线方程如何得到自聚焦透镜的传输矩阵自聚焦透镜的成像特性、节距的概念自聚焦透镜的成像特性、节距的概念0.23P、0.25P、0.29P自聚焦透镜的成像性质自聚焦透镜的成像性质

12、12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤耦合器12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010对相同波长、相同光功率的耦合会产生3dB损耗。12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 201012/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 201012/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光隔离器12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光环行器12/21/202212/21/202212/2

13、1/2022 HUST 2010光纤光栅12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 201012/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 201012/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010色散补偿应用 Chirped Bragg gratingllonglshort12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010OADM 应用12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010掺铒光纤放大器EDFA：ErbiumDoped Fiber Ampl

14、ifier12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010亚稳态亚稳态Pump Photon980 or 1480 nm SIGNAL PHOTON SIGNAL PHOTON 1550 nm 1550 nm基态基态激发态激发态弛豫弛豫AmplifiedAmplifiedSignalSignal1550 nm1550 nm基态基态铒离子在外界泵浦光的作用下外界信号光引起受激辐射信号光放大12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010隔离器隔离器WDMEDF 隔离器隔离器泵浦激光器泵浦激光器输入信号输入信号输入信号输入信号4,00

15、0GHz1500 1520 1540 1560 1580 1600波长波长12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010掺铒光纤激光器光放大器与激光器的差别光纤激光器光纤放大器激光谐振腔光纤激光器光纤放大器激光谐振腔用已学的光纤器件构建光纤激光器12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤的连接与耦合引起光纤连接损耗的因素：内部损耗因子：光纤结构参数的失配外部损耗因子：光纤调整参数的偏离、端面质量端面反射损耗：光纤活动连接中12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010各种光纤连接损耗的

16、特点：（1）内部损耗因子引起的连接是非互易的；（2）横向失准和角向失准对损耗的影响比纵向损耗大的多，且难调准；（3）多模光纤间的a和的偏差会引起较大的损耗，其量级可达0.050.2dB；（4）单模光纤的内部损耗因子归结为唯一的参数：基模的模场半径；单模光纤由于纤径小，对于横向偏移与角向偏移极为敏感。为保证接续损耗低于0.05dB，要求光纤对准调整误差在十分之几微米之内。12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010内部损耗因子（1）数值孔径不匹配（2）纤芯半径不匹配（3）折射率分布形式不匹配二、单模光纤连接损耗的理论分析模场半径的失配12/21/202212/

17、21/202212/21/2022 HUST 2010光纤固定接头的制作：光纤端面制备光纤对准调节光纤接头焊接固定12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤活动连接器种类：12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤与光源间的耦合技术：半导体激光的发光特性：半导体激光的发光特性：近场不对称；近场不对称；远场光斑不对称；远场光斑不对称；具有很大具有很大的发散角。的发散角。影响耦合损耗的因素：影响耦合损耗的因素：场型失配；场型失配；场分布非园对称性；场分布非园对称性；模场半径失模场半径失配；配；菲尔反射损耗；菲尔反射

18、损耗；透镜相差损耗。透镜相差损耗。常见的几种变换透镜12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010光纤光学作业解答1、证明，并说明上式的物理意义。其中R是光线弯曲的曲率半径，为光纤法向单位变量。12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010说明：表示 的相对变化，R的正负与其变化方向相同，增大时，R为正，故光线总向折射率高的方向弯曲12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 20102、验证双曲正割折射率分布满足光程条件：12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 201

19、012/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 20103、已知模截止时，设NA021，(1)若 ，求 的值；(2)若a5mm求 值。解：(1)3.94mm(2)=1.65mm 12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 20104、一光纤对于 为单模光纤，问（1）对于 的光传播，能传输多少模式？问（2）对于 的光纤传播多少模式？什么模式？(3)上述三种光波激发起的基模场分布有什么不同？这种不同对光的传输特性有什么影响？利用 可以求解传播模式（1）得到V=3.678，可传输（2）得到V=2.017，只能传输12/21/202212/21/2

20、02212/21/2022 HUST 20105、标准通信光纤芯径50 mm，数值孔径0.2，求其中传输模群的最大主模标号12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 20106、哪些因素限制光通信传输距离？光通信传输距离主要取决于光纤的损耗和色散。光纤损耗包括：光纤材料的吸收损耗：1.本征吸收；2.杂质吸收；3.散射损耗（瑞利散射）和非线性散射损耗（受激拉曼散射，受激布里渊散射）；4.弯曲损耗（主要包括宏弯损耗，微弯损耗和过渡弯曲损耗）。光纤色散包括：1.材料色散；2.波导色散；3.模间色散；4.偏振模色散。12/21/202212/21/202212/21/202

21、2 HUST 20107、3dB损耗相当于光透射率是多少？则透过率12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 20108 8、为什么光纤在、为什么光纤在1.551.55m mm m 波长的损耗比波长的损耗比1.3 1.3 m mm m 波长波长小？小？在低损耗光纤中，一切损耗均可解释为瑞利散射，而在1.3 m mm m 处瑞利散射损耗大于在1.55m mm m 处的损耗12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 20109、如下图所示，由a,b,c三段光纤连接成待测光纤，其中a,b是同种光纤。且它们的损耗比c大画出OTDR测得的背向散射功

22、率随光纤长度变化关系，并加以说明。如OTDR发射的矩形脉冲脉宽为1ns，待测光纤的纤芯折射率为1.5.求该OTDR的空间分辨率是多少米？图中曲线d线段是由于耦合设备和光纤前端面菲涅尔反射引起的回波脉冲；a,b,c线段是光脉冲沿具有均匀特性的光纤段传播时的背向散射曲线。由于a,b光纤比c光纤损耗要大。所以a,b段较c段陡，斜率比c段大。线段突起的点为光纤连接点。e线段为终端菲涅尔反射引起的回波脉冲。12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010（2）由公式 得出OTDR空间分辨率为0.1m12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2

23、01010、如下图所示的光纤型耦合器，若从a、b两端输入相同波长的光信号，问（1）注入光功率均为0dBm，c端的最大输出为多少？（2）当a端为0dBm，b端为3dBm，c端的最大输出为多少？若从a、b两端输入不同波长的光信号，问（3）注入光功率均为0dBm，c端的最大输出为多少？（4）当a端为0dBm，b端为3dBm，c端的最大输出为多少dBm？(说明计算理由)(1)c端最大输出为0dBm(2)c端最大输出为3dBm(3)c端最大输出为3dBm(4)c端最大输出为4.77dBm12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 201011、如下图所示的应用于1.55mm的

24、波分复用（WDM）光纤放大器系统，光信号间的频率间隔为 ，光纤的损耗为0.2dB/km，光纤与放大器间连接损耗为1dB，两者对所有的WDM信道均相同。（1）求用于弥补光纤损耗的放大器增益；（2）若放大器的增益线型可近似为：，假设只有在3dB的增益带宽内的波长才能适应系统，求该WDM系统的最大波长数目。12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010（1）5020.2dB/km+21dB=22dB（2）损耗为3dB内，由题目提供公式可得：12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 201012、选择如下器件：半导体激光器（LD）,波分复

25、用光纤耦合器（WDM），Tap光纤耦合器（TAP）,光隔离器（ISO），掺铒光纤（EDF）以及Bragg光纤光栅和长周期光纤光栅若干只，设计（1）增益平坦的光纤放大器;(2)二波长输出光纤激光器，画出结构示意图，标注器件设计参数及光波长参数，并简单介绍工作原理。12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010（1）工作原理：级联一个或多个长周期光纤光栅通过陷波滤波，使增益变得平坦。用不同泵浦光级联，通过优化各段光纤的长度可以获得增益平坦的掺铒光纤光纤放大器。（2）方法1：工作原理：#1，#2分别对应着反射中心波长为的反射型Bragg光栅，这样就可以产生二波长激光

26、。12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010方法2：工作原理：LD泵浦光耦合进EDF放大，通过环行器进入2端，经过#1和#2 FBG选择反射波长进入谐振腔在放大，产生二波长激光由耦合器输出。12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010补充题：补充题：经两段不同的色散光纤传播，出射恰好经两段不同的色散光纤传播，出射恰好达到色散补偿。求达到色散补偿。求D1D1，L1L1，D2D2，L2L2之间的关系。之间的关系。光脉冲：光脉冲：经经L1L1传输后，得到：传输后，得到：12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010令：令：经经L2L2传输后，得到：传输后，得到：12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 201012/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010简述包层的存在必要性简述包层的存在必要性包层是一种折射率稍低于纤芯的介质材料一方面可以与纤芯一起构成光波导再一方面，也可以保护纤芯不受外来的污染12/21/202212/21/202212/21/2022 HUST 2010我的办公室：武汉光电国家实验室 B204 电话：87792242804欢迎同学们来答疑、交流！12/21/2022