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文檔簡介
1、2024/3/31,《光纖光學(xué)》總復(fù)習(xí),2024/3/31,,光纖光學(xué)的基本理論,什么是光纖?,介質(zhì)圓柱光波導(dǎo),充分約束光波的橫向傳輸(橫向沒有輻射泄漏),縱向?qū)崿F(xiàn)長距離傳輸?;窘Y(jié)構(gòu):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?shù)哪J娇倲?shù):,單模光纖:只允許一個模式傳輸?shù)墓饫w;,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(xué)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(dǎo),2024/3/31,SIOF中光線的傳播,數(shù)值孔徑: 定義光纖數(shù)值孔徑NA為入射媒質(zhì)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(guān)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(dǎo)模,泄漏模,輻射模,導(dǎo)模分析中的重要參量及其物理意義,橫向傳播常數(shù)(U、W),2024/3/31,SIOF模式分析的基本過程,基模模場的表示式,導(dǎo)模的分類及其特征,導(dǎo)模的截止與遠離截止條件,2024/3/31,導(dǎo)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(dǎo)光纖的特征,線偏振?;D龅谋硎?線偏振模與精確模式間的關(guān)系,導(dǎo)模的數(shù)目(估計)、,模組與主模標(biāo)號、,模斑,2024/3/31,平方率光纖中的導(dǎo)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(shù)測量,損耗的定義及來源,光纖的衰減系數(shù)與損耗的關(guān)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(dǎo)內(nèi)完全內(nèi)反射遭破壞,波導(dǎo)模
7、轉(zhuǎn)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(yīng)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(guān)系,如何利用色散實現(xiàn)脈沖壓縮?
9、,光纖的傳輸帶寬,2024/3/31,光纖的設(shè)計:損耗、色散、非線性;折射率、折射率分布、摻雜,光纖的制作:預(yù)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(shù)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(zhì),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(chǎn)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(yīng)用,2024/3/31,OADM 應(yīng)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(xué)的光纖器件構(gòu)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(nèi)部損耗因子:光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的失配,外部損耗因子:光纖調(diào)整參數(shù)的偏離、端面質(zhì)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(nèi)部損耗因子引起的連接是非互易的;(2)橫向失準(zhǔn)和角向失準(zhǔn)對損耗的影響比縱向損耗大的多,且難調(diào)準(zhǔn);(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(nèi)部損耗因子歸結(jié)為唯一的參數(shù):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(zhǔn)調(diào)整誤差在十分之幾微米之內(nèi)。,2024/3/31,內(nèi)部損耗因子,(1)數(shù)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(zhǔn)調(diào)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(shù):,半導(dǎo)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(xué)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(fù)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)通信光纖芯徑50 mm,數(shù)值孔徑0.2,求其中傳輸模群的最大主模標(biāo)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(zhì)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(dǎo)色散; 模間色散;偏振模色散。,2024/3/31,7、3dB損耗相當(dāng)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(guān)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(shè)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(dāng)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(dāng)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(yīng)用于1.55mm的波分復(fù)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(shè)只有在3dB的增益帶寬內(nèi)的波長才能適應(yīng)系統(tǒng),求該WDM系統(tǒng)的最大波長數(shù)目。,2024/3/31,(1)50×2×0.2dB/km+2×1dB=22dB(2)損耗為3dB內(nèi),由題目提供公式可得:,2024/3/31,12、 選擇如下器件:半導(dǎo)體激光器(LD),波分復(fù)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(shè)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(jié)構(gòu)示意圖,標(biāo)注器件設(shè)計參數(shù)及光波長參數(shù),并簡單介紹工作原理。,2024/3/31,(1)工作原理:①級聯(lián)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(lián),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(yīng)著反射中心波長為的反射型Bragg光柵,這樣就可以產(chǎn)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(jīng)過#1和#2 FBG選擇反射波長進入諧振腔在放大,產(chǎn)生二波長激光由耦合器輸出。,2024/3/31,補充題:,經(jīng)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(guān)系。,,光脈沖:,經(jīng)L1傳輸后,得到:,,2024/3/31
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