光纤光学学习指南.docx

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光纤光学学习指南

第一部分.光纤光学需要掌握的基本概念与重要结论

第一章．绪论（4学时）

1.光纤的优缺点

优点：

大容量；低损耗；抗干扰能力强；保密性好；体积小重量轻；材料取之不竭；抗腐蚀耐高温。

缺点：

易折断；连接分路困难；怕水；怕弯曲。

2.光纤的分类

重点掌握

（1）光纤的结构，纤芯、包层、涂覆层的特点与作用

（2）阶跃折射率分布光纤（SIOF）与渐变折射率分布光（GIOF）的特点与区别，折射率分布形式。

一些基本参数的意义与其表达式：

相对折射差

的意义与表达式；折射率分布参数g的意义（当g=

时为SIOF，当g=2时为平方率分布光纤，当g=1时为三角分布光纤）。

（3）单模光纤与多模光纤的特点与区别（传输的模式数，芯径的大小，归一化频率）；归一化频率的意义与表达式（阶跃单模光纤的判据：

V<2.405，渐变单模光纤的判据：

V<3.508。

注意我们经常见到的2.405是对阶跃光纤而言的）。

简单了解

其它种类的光纤，例如保偏光纤与有源光纤（后面的课程会学到）。

3.光纤的制备工艺

简单的了解一下。

第二章．光纤光学的基本方程（2学时）

1.分析光纤波导的两种理论

“几何光学方法”与“波动光学理论”的应用条件（几何光学方法：

芯径远大于光波长；波动光学理论：

芯径与波长可比例）与特点。

2.由麦克斯韦方程组出发推导波导场方程

（1）“三次分离”，基本过程以及能够这样分离的依据

“电磁”分离：

由麦克斯韦方程组到波动方程

“时空”分离：

由波动方程到亥姆霍兹方程

“横纵”分离：

由亥姆霍兹方程到波到场方程

（2）SIOF与GIOF中光线方程的意义，即SIOF与GIOF中光线的传播形式

3.模式及其基本性质

（1）模式的基本概念与定义

（2）TEM、TE、TM、HE、EH模式的特点

（3）纵向传播常数

横向传播常数W、U的意义（重点了解W的意义），以及W、U、V之间的关系

（4）截止与远离截止的概念与基本条件（W=0截止，W=

远离截止）

（5）相速度、群速度、群延时的基本概念

（6）线偏振模的概念

第三章．阶跃折射率分布光纤（6学时）

1.几何光学分析方法

主要掌握一些基本的概念，“子午光线”与“偏斜光线”的定义；数值孔径的表达式，以及其物理意义（标志着光纤收光能力以及与光源耦合时偶和效率的大小），数值孔径与传输带宽的关系（成反比）。

2.波导场方程及导模本征解

3.本征值方程

对于这两节不必拘泥于复杂的计算与推导过程，只需了解计算的基本思想，理解本征值方程的物理意义。

4.模式分析

（1）了解如何由本征值方程推导出TE、TM、HE、EH各模式的截止与远离截止的条件。

（2）了解色散曲线的定义，看懂色散曲线（不同的V值对应的导模种类），了解基模HE11模的定义。

5.弱导光纤与线偏振模

（1）弱导光纤的基本条件（

），弱导光纤场的基本特点（

有相似的色散曲线等）。

（2）了解

的模式简并特性，以及其偏振态（拍频）。

（3）了解

模式的导模截止与远离截止条件（分为

两种情况讨论）

（4）掌握

以及光纤中传输的模式总数的计算式（注意这都是在

即V很大的情况才能成立）。

（5）重点掌握在V值较小的情况下计算和分析光纤中传导的精确模式（记住几个低阶模式的截止时的V值，例如：

LP11模为截止时V=2.405；LP02与LP21模截止时V=3.823；LP31截止时V=5.136）。

（6）重点掌握

模式分布图的画法，记住纤芯中的场的分布的表达式（

模式的分布图大致可以总结为：

径向的亮斑数为m，角向的亮斑数为2

，对于

=0中心为亮斑，

中心为暗斑）。

（7）了解主模标号的概念

第四章．渐变折射率分布光纤（6学时）

1.几何光学分析方法

（1）掌握广义折射定律、“折射型光纤”“反射型光纤”的概念；以及光线在GIOF与SIOF传播的区别（GIOF传输的带宽大于SIOF）。

（2）看懂

曲线，学会画

曲线；理解“约束光线”“泄露光线”以及“折射光线”还有“内散焦面”以及“外散焦面”这些概念，掌握上面的三种光线分别存在的条件，重点能够在

曲线上标出这三种光线，以及内散焦面半径、外散焦面半径、辐射散焦面半径还有光纤芯径的位置。

（3）了解平方率光纤与双曲正割光纤中的光纤传输的特点（平方率：

不同角度的近轴光线会汇聚到一点；双曲正割：

对于所有的光线都有很好的汇聚）掌握聚焦参数

以及节距P的表达式。

2.波导场方程及模式性质

学会看懂“模式分析图”，理解“导模”、“泄露模”、“辐射模”的基本概念以及它们存在的条件（理解它们与“约束光线”、“泄露光线”以及“折射光线”的一一对应关系）

3.平方率分布光纤中的导模场

平方率分布光纤是目前唯一可以用已知函数表示其场分布的光纤，了解其本征解的特点，了解其本征值方程及其物理意义，掌握基模场半径（MFR）的概念。

4.任意折射率分布光纤中的导模场

了解WKB法的基本思想；记住光纤中导模总数的表达式（

）；将当g=2时其本征值方程与平方率光纤中解得的作比较。

5.单模光纤中的场解

了解单模光纤的特点，简单的了解等效阶跃光纤的基本思想与方法，简单的了解单模光纤中的双折射。

第五章．光纤的特征参数与测试技术（6学时）

1.光纤的损耗

（1）重点掌握“光纤损耗

”以及“光纤损耗系数

”的定义与表达式，以及它们之间的关系式（

=4.34

）；还有光功率常用单位dBm与mW之间的换算关系。

（2）吸收损耗。

了解“本征吸收”的定义（又分为紫外和红外本征吸收）；“杂质吸收”的定义重点理解OH根离子吸收的特点；“原子缺陷吸收”做简单的了解。

（3）散射损耗。

分为瑞利散射、受激喇曼散射、受激布里渊散射，了解它们的特点（非线性散射、存在功率阈值），重点的了解瑞利散射的特点（线性散射、与波长的四次方成反比、不可被消除）。

（4）弯曲损耗。

分为宏弯损耗、过渡弯曲损耗和微弯曲损耗，了解它们的定义以及产生原因。

2.光纤的色散与带宽

（1）了解光纤色散的影响（使光脉冲展宽降低通信容量）。

（2）掌握色散的分类，模间色散、材料色散、波导色散；了解多模光纤与单模光纤中色散的种类；理解这三种色散产生的原因；色散的单位（ps/km.nm）。

（3）材料色散。

折射率对波长的二阶导，了解色散反常色散的概念（正常色散：

材料色散小于0，长波长跑得快）。

（4）波导色散。

恒为负值，调整光纤波导的结构参量改变波导色散值，获得零色散位移光纤。

（5）了解光纤的分类：

G.651、G.652、G.653、G.655、G.656。

分别为多模光纤、标准单模光纤、零色散位移光纤、非零色散位移光纤以及全光光纤，了解它们的性质和应用。

（6）偏振模色散的定义与产生的原因。

（7）简单的了解光脉冲展宽的推导过程（频率啁啾可以对光脉冲进行压缩）。

（8）简单了解均方脉宽与传输带宽的关系。

3.单模光纤模场半径和截止波长

了解单模光纤中模场在光纤横截面上的近视分布函数，了解模场半径的定义方法，了解截止波长的表达式以及其物理意义。

4.光纤参数的测试技术

（1）知道光纤的特征参数：

损耗、折射率分布、带宽、数值孔径、模场直径、截止波长。

（2）稳态注入”与“满注入”以及“模式稳态分布”的概念。

（3）了解“扰模器”、“滤模器”、“包层模剥除器”的基本结构框图与基本工作原理。

（4）损耗的测量方法：

“切断法”、“插入损耗法”“背向散射法”，了解它们的原理和它们的优缺点，重点掌握背向散射法，学会画OTDR的测量曲线（注意每段光纤的长度曲线的斜率为该段光纤的损耗）、入射端和出射端以及活动连接处的菲涅尔反射、熔融焊接点的损耗，光纤的断点等）。

（5）简单的了解折射率分布、带宽、色散、数值孔径以及模场半径的测试方法与原理。

仔细阅读截止波长测量的传导功率法和模场半径法。

第六章．光纤无源及有源器件（10学时）

1.光无源器件与光有源器件的定义以及具体的种类

2.自聚焦透镜GRIN

（1）自聚焦透镜的基本结构，折射率分布（平方率分布），与普通的球面透镜相比的优点，基本的参量：

半径、聚焦参数

、透镜的长度（用节距表示）。

（2）自聚焦工作的机理（光线在GRIN中沿正弦曲线传输，正弦曲线的周期为一个节距P，由一点发出的不同方向的光线会汇聚到一点）

（3）几种重要的自聚焦透镜以及其应用：

“准直透镜”、“耦合透镜”、“等高成像透镜”，了解它们的基本原理。

学会计算光束经准直透镜后的束宽与发散角。

3.光纤定向耦合器

（1）耦合器的作用与分类。

（2）耦合器的工作原理（两根靠的很近的光纤的模场的相互耦合，注意传输相同波长的耦合器与传输不同波长的波分复用耦合器的区别）。

（3）了解耦合器的基本参数：

耦合比、附加损耗、插入损耗、隔离度，耦合器的制作方法（熔融拉锥法）。

重点掌握简单耦合器的计算问题。

4.光隔离器与光环形器

了解光隔离器与光环形器的作用，学会使用光隔离器与光环形器搭建简单的光学系统。

5.光纤光栅

（1）长周期光栅与Bragg光纤光栅的定义与区别（光栅周期

、耦合方式、对光的作用等的区别）。

（2）一些特殊的光栅的折射率分布以及它们的作用。

啁啾光栅：

加宽反射谱、变迹光栅（切趾光栅）：

减小旁瓣、闪耀光栅等。

（3）Bragg光栅的作用，反射光谱，Bragg波长以及其意义。

（4）长周期光栅的作用，透射光谱，谐振波长。

（5）光纤光栅的制备方法，内部写入法、全息干涉法、相位掩膜法。

重点了解相位掩膜法。

（6）光纤光栅的作用：

重点理解色散补偿、增益平坦、光分插复用器。

6.光纤放大器与光纤激光器

（1）传统光-电-光中继的优缺点,全光放大器的与缺点。

（2）光纤放大器的工作原理。

泵浦波长的选择；980nm与1480nm泵浦的优缺点；铒离子的三能级简化图（亚稳态）；放大器的放大、噪声以及衰减产生的机理。

（3）掺铒光纤放大器的基本结构，前向、后向、双向泵浦的结构与优缺点。

（4）掺铒光纤放大器的噪声系数以及增益（与光纤长度以及泵浦功率的关系）。

（5）掺铒光纤放大器的增益谱（增益谱的扩展与平坦）。

（6）掺铒光纤放大器的应用。

（7）光纤激光器的特点，与光纤放大器的区别。

（8）光纤激光器谐振腔（条形腔、环形腔）的构建方法。

（学会使用反射镜、FBG、光纤环形镜、光纤环形器、光隔离器、波分复用器构建谐振腔）。

第七章．光纤的连接与耦合（4学时）

1.光纤-光纤的连接损耗

（1）连接损耗的定义。

（2）引起连接损耗的原因，内部损耗因子（

非互易）与外部损耗因子。

（3）不同的损耗因子对不同光纤的影响。

多模光纤：

内部损耗因子影响大；单模光纤：

外部损耗因子影响大。

（4）横向偏移、纵向偏移、角向偏移的基本模型，对于它们所引起的损耗的具体的计算简单了解一下；菲涅尔发射损耗的定义计算与折射率匹配法。

2.光纤的固定接续

（1）了解光纤固定连接的大致过程：

首先端面制备，然后进行对准，最后进行连接。

（2）光纤端面制备的方法：

刻痕拉断法、研磨抛光法，了解这两种方法的基本过程。

（3）光纤的对准:

简单的了解这些方法的基本过程。

（4）光纤的固定：

胶粘技术、机械夹持技术、熔融焊接技术，简单的了解它们的基本方法。

3.光纤的活动连接

简单的了解FC、SC、ST、LC、MU等各种类型的连接器，知道它们使用什么类型的法兰盘。

5.光纤-光源的耦合

（1）了解耦合效率的定义，了解影响耦合效率的因素。

（2）了解朗伯光源基本特性以及影响光纤与朗伯光源偶效率的因素。

（3）简单了解光纤与边发光以及面发光LED的耦合。

（4）光纤与LD的耦合。

简单地了解引起连接损耗的各种因素，简单地了解常用的耦合透镜。

第八章．光子晶体光纤（2学时）

1、了解折射率导光型和空芯光子带隙型光子晶体光纤的工作原理及特性。

2、了解折射率导光型光子晶体光纤可以实现无截止单模导光的原因。

3、了解光子晶体光纤的制备工艺。

第二部分.学习分析和解决问题的思路与方法

光纤光学是一门有一定难度但是又是非常基础和重要的课程，本课程中会涉及一些比较复杂的数学计算有很多公式需要理解与记忆，同时还有许多概念与过程需要我们去具体去理解其原理与物理意义，对于光纤光学的学习我有以下几点个人的总结。

首先，学习一门课程的最基本的要求就是上课认真的听老师的讲解，做好复习与预习的工作，如果一味的选择自学，总会有一些地方无法理解喝着理解的不到位，要把课本与老师上课可PPT结合起来进行学习，二者可以相互补充。

其次，学完了一个章节要进行适当的总结，整理一下本章节的具体内容，将每节课学的零散的知识串联起来，简单的看一下课后的习题，这样可以加深理解。

还有，要注重理解，不要一味的死记硬背，但是对于一些基本的概念和公式比如说光纤的折射率分布、相对折射率差、归一化频率等，不要偷懒，要认真的记下来。

书中的那些复杂的计算和推导要注重理解方法和思路，不要一味的纠结于数学推导过程。

第三部分.注重物理内涵而不拘泥于繁杂的数学运算

本书中有很多复杂的数学运算，如果我们一味的拘泥于这些复杂的运算过程，对每一步计算都要进行推导和演算，这样会浪费大量的时间，而且其中有一些计算非常的繁复，要用到特殊的方法和假设以及一定的近视，以我们目前的数学水平很难彻底的弄明白。

当然对于一些对这些运算非常有兴趣的同学，可以尝试的去查阅资料仔细推导，这样可以加深理解，一般每一个章节后面的附录都有这些这些计算应用的文献。

因此对于这些复杂的运算我们应该理性的看待，我们要从计算的原理出发，了解这些计算基本思路，了解计算式的物理意义，有时适当的记住一些重要的结论。

下面我们具体的举例说明。

例一由麦克斯韦方程组出发推导波到场方程

对于一个学电的工科学生麦克斯韦方程组以及边界条件是我们需要掌握的基本常识，这是我们计算的前提。

我们按照计算的过程一步一步的分析计算的基本思想。

首先由光线波导中的麦克斯韦方程组出发，将电矢量与磁矢量分离的到波动方程；再由波动方程，将时空坐标分离可以得到亥姆霍兹方程；然后由亥姆霍兹方程，将波矢分解为横向分量与纵向分量就可以得到波导场方程，同时我们要知道横向以及纵向传播常数的物理意义。

对于这几步的推导具体的计算过程可以简单地了解，我们只需要知道为什么要进行这样的分离，并记住每一次分离所得的计算结果。

由波到场方程出发，其方程的解即为光纤中光场的模式，由我们所学数学物理方程的知识我们知道这种二阶的偏微分方程的解是分立的，每一个分立的解即为光场的一个模式。

下面是具体的讨论如何求解。

具体的解偏微分方程的过程得思想为：

首先根据光纤的圆对称性将径向与角向分量进行分离，将拉普拉斯算符由直角坐标系中变换为柱坐标系。

对于角向分量，由其周期性可得角向分量的表达式，带入波导场方程可得关于进行分量的偏微分方程为

阶贝塞尔方程，我们就可以得到场的纵向分量的表达式，再代入边界方程就可以得到光纤的本征值方程。

我们只需理解本征值方程的物理意义即可。

对于后面的模式分析即可有本征值方程作一定变换再带入相关的条件求得。

例二任意折射率分布光纤中的导模场分析

对于任意折射率分布光纤中的导模场分析，我们无法具体的得到解析解，而是采用WKB的方法进行近视计算，对于WKB法，计算过程比较复杂，我们首先只需要了解这种方法的基本思想，对于推导过程可做简单的了解。

看懂g（r）曲线图，记住模式总数的表达式，并且将得到的本征值方程与平方率法具体算出的本征值方程做比较，了解它们的物理意义。

例三自聚焦透镜

课本上对于自聚焦透镜的分析方法是采用光学元件传输矩阵的方法去推导自聚焦透镜的传输矩阵，再由其传输矩阵来对其传输矩阵进行定量的分析。

传输矩阵相对比较复杂，不容易理解。

我们的对自聚焦透镜的学习应当去进行定性的了解。

根据光线在平方率光纤中是沿正弦轨迹传输，我们可以从图上直观的对自聚焦透镜的传输特性进行了解。

具体的图1所示。

其中正弦的周期即为一个节距，从图1上我们就可直观的了解GRIN的工作机理。

图1自聚焦透镜的传输图

例四耦合器的分析

书上对于耦合器的分析进行的数学推导比较复杂，而且也不便于我们理解，同样的我们也可从图上进行直观的了解。

图2X型耦合器

图2为X型耦合器，由1端口输入的光在1’端口的输出为cos2（Kz），在2’端口的输出为sin2（Kz），同理由2端口输入的光在1’端口的输出为sin2（Kz），在2’端口的输出为cos2（Kz），z为耦合器长度，控制耦合器长度就可以控制其耦合比；K为波长

的函数。

对于其它类型的耦合器也可以类似的分析，对于两端口分别输入不同波长的情况可从以下的图中了解。

图3两端口输入不同波长的耦合器

原理与上面的同波长输入的耦合器相同，此耦合器即为波分复用器。

同理的波分解复用器的原理也可以类似的推出。