光纤光学总复习-2010

*©HUST2010《光纤光学》总复习*©HUST2010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 TypicalDimensionforSilicaFibers: SMF:8~10mmcore,125mmcladding MMF:50,62.5,100umcore,125umcladding Indexprofile: Stepvs.Gradedvs.multi-step…*©HUST2010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）*©HUST2010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。*©HUST2010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d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PAGE12*©HUST2010光线理论与波动理论分析思路*©HUST2010光线方程的推导*©HUST2010SIOF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*©HUST2010GIOF中光线的传播（子午光线）同一光线：值相同；不同光线：值不同！光线分类、特征及其激励条件：约束光线隧道光线折射光线*©HUST2010GIOF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*©HUST2010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横向传播常数（U、W）*©HUST2010SIOF模式分析的基本过程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*©HUST2010 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b、l满足：*©HUST2010色散曲线及其物理含义*©HUST2010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*©HUST2010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*©HUST2010SIOF、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*©HUST2010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：*©HUST2010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)。*©HUST2010光纤的弯曲损耗光纤发生弯曲波导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*©HUST2010光纤色散概念与种类各类色散的计算、色散位移概念*©HUST2010*©HUST2010光纤的演变 G.651光纤：工作波长850nm；多模；损耗：3dB/km G.652光纤：常规单模光纤，零色散波长1310nm；最低损耗窗口1550nm G.653光纤：DSF，零色散波长1550nm；最低损耗窗口1550nm G.655光纤：NDSF，Lucent：零色散波长1530nm；Corning：>1570nm 大有效面积光纤：LEAF降低非线性效应的影响。 色散补偿光纤： 全波光纤：消除OH的吸收损耗通信窗口：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)*©HUST2010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*©HUST2010光纤的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ：损耗、色散、非线性；折射率、折射率分布、掺杂光纤的制作：预制棒（MCVD、OVD、VAD、PCVD）、拉丝、涂覆、成缆*©HUST2010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、测量精度、分辨率、动态范围等*©HUST2010*©HUST2010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*©HUST2010光纤耦合器R11'2'1*©HUST2010对相同波长、相同光功率的耦合会产生3dB损耗。R1'12S1*©HUST2010*©HUST2010*©HUST2010光隔离器*©HUST2010光环行器*©HUST2010光纤光栅*©HUST2010*©HUST2010*©HUST2010色散补偿应用*©HUST2010OADM应用*©HUST2010掺铒光纤放大器EDFA：Erbium－DopedFiberAmplifierGain>Loss����������������������������������ASE����1550nm������������������������EDF����1550nm��������������������Gain=Loss���Gain<Loss�����������������������ASE������������������1480nm����980nm����*©HUST2010亚稳态基态激发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*©HUST2010*©HUST2010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＋激光谐振腔用已学的光纤器件构建光纤激光器自发辐射荧光受激辐射激光受激辐射饱和激光*©HUST2010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*©HUST2010各种光纤连接损耗的特点：（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Δ的偏差会引起较大的损耗，其量级可达0.05～0.2dB；（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。*©HUST2010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*©HUST2010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*©HUST2010光纤活动连接器种类：*©HUST2010光纤与光源间的耦合技术：半导体激光的发光特性：①近场不对称；②远场光斑不对称；③具有很大的发散角。影响耦合损耗的因素：①场型失配；②场分布非园对称性；③模场半径失配；④菲尔反射损耗；⑤透镜相差损耗。常见的几种变换透镜*©HUST2010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。*©HUST2010 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*©HUST20102、验证双曲正割折射率分布满足光程条件：*©HUST2010*©HUST20103、已知模截止时，设NA＝0．21，(1)若，求的值；(2)若a＝5mm．求值。解：(1)3.94mm(2)=1.65mm*©HUST20104、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*©HUST20105、标准通信光纤芯径50mm，数值孔径0.2，求其中传输模群的最大主模标号*©HUST20106、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 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 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： 材料色散； 波导色散； 模间色散； 偏振模色散。*©HUST20107、3dB损耗相当于光透射率是多少？则透过率*©HUST20108、为什么光纤在1.55mm波长的损耗比1.3mm波长小？在低损耗光纤中，一切损耗均可解释为瑞利散射，而在1.3mm处瑞利散射损耗大于在1.55mm处的损耗*©HUST20109、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<1>画出OTDR测得的背向散射功率随光纤长度变化关系，并加以说明。<2>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。acb*©HUST2010（2）由公式得出OTDR空间分辨率为0.1m*©HUST201010、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4.77dBm*©HUST201011、如下图所示的应用于1.55mm的波分复用（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。*©HUST2010 （1）50×2×0.2dB/km+2×1dB=22dB （2）损耗为3dB内，由题目提供公式可得：*©HUST201012、选择如下器件：半导体激光器（LD）,波分复用光纤耦合器（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。*©HUST2010（1）工作原理：①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。②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。980nmLD泵浦激光输出EDF＃1＃1＃2＃2*©HUST2010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#2FBG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*©HUST2010补充题：经两段不同的色散光纤传播，出射恰好达到色散补偿。求D1，L1，D2，L2之间的关系。光脉冲：经L1传输后，得到：*©HUST2010令：经L2传输后，得到：*©HUST2010*©HUST2010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*©HUST2010我的办公室：武汉光电国家实验室B204电话：87792242－804欢迎同学们来答疑、交流！