光纤技术复习资料全.docx
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光纤技术复习资料全
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《光纤技术》复习资料
第一章绪论
要求:
1、了解光纤的基本结构和基本特性;
2、充分认识光纤传感和光纤通信在现代工农业生产、军事、科研及日常生活中
的作用和地位,明确学习目的;
3、了解光纤技术的发展动向;
4、知道本课程的学习方法。
具体:
1、光纤的定义:
光纤是“光导纤维”的简称,是指能够约束并导引光波在其内部
或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。
2、光纤的结构:
主要由纤芯、包层和涂敷层构成。
其中纤芯的折射率比包层要
高。
纤芯和包层的折射率差引起光在纤芯内发生全内反射,从而使光在纤芯内传
播。
3、通信光纤的标准包层直径是125m,涂敷层的直径大约是250m。
4、常用的光纤材料有纯石英(SiO2)、玻璃和塑料。
5、列举光纤相对于金属导线的优点(至少5点):
如容量大、抗电磁干扰、电绝
缘、本质安全;灵敏度高;体积小、重量轻、可绕曲;测量对象广泛;对被测介
质影响小;便于复用,便于成网;损耗低;防水、防火、耐腐蚀;成本低、储量
丰富等。
6、光纤通信所占的波长范围大概是0.81.7m。
7、1953年,在伦敦皇家科学技术学院开发出了用不同光学玻璃作纤芯和包层的
包层纤维,由此导致光纤的诞生。
8、1966年,光纤之父高锟博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题,
发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因。
9、目前,FTTH(光纤到户)是宽带接入的一种理想模式,各国发展迅猛。
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10、目前流行的“三网合一”指的是将现存三个网络:
电信网、有线电视网和计
算机网的信号在同一个光纤网络中传输。
11、光纤被喻为信息时代的神经。
第二章光纤拉制及成缆
要求:
1、了解光纤的分类方法和光纤的种类,理解各种不同种类光纤之间的区别及每
种光纤的特点;
2、知道光纤的制作材料及要求;
3、了解光纤预制棒的制造原理和工艺;
4、知道各种光缆结构和材料的用途。
具体:
1、光纤的分类:
按照光纤横截面折射率分布不同分为:
阶跃光纤和渐变光纤(折
射率在纤芯中保持恒定,在芯与包层界面突变的光纤称为阶跃光纤,折射率
在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。
);
按照纤芯中传输模式的多少分类可分为:
单模光纤和多模光纤;
按照光纤的组成材料分类可分为:
石英光纤、玻璃光纤、塑料光纤、液芯光
纤和氟化物光纤等。
而多模光纤又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。
通信光纤的标准包层直径是125m,塑料护套的直径约250m。
2、在选择制造光纤的材料时,应主要考虑的因素有:
纯度高、透明度高、折射
率径向分布易于精确控制。
3、目前广泛采用的提纯方法是“精馏—吸附—精馏综合提纯法”。
4、在光纤的折射率控制上,有三种方法从而形成三种光纤:
一是匹配包层光纤:
增加纤芯折射率,包层的折射率不变;二是塑料包层光纤:
纤芯的折射率不变,
降低包层折射率;三是凹陷包层光纤:
增加纤芯折射率,降低包层折射率。
5、在光纤的拉制过程中,制棒、拉丝、涂敷是其中三个很重要的工序。
6、所有四种气相沉积法中,成本最低的是棒外气相沉积法,沉积效率最高的是
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等离子气相沉积法,沉积速率最高的是轴向气相沉积法,同心度最高的是改进的
气相沉积法。
7、光纤成缆的原因:
一是使光纤操作起来更加容易,二是为了保护光纤。
8、光缆中的基本结构及各部分的主要作用:
强度元件:
增强光缆的抗拉强度;
填充物:
固定各单元的位置;
缓冲层:
用于保护缆芯免受径向挤压;
内护套:
径向阻水、抗弯、抗侧压、增大层间摩擦力;
钢丝铠装层:
增强光缆的耐侧压和抗拉、抗弯和抗扭绞能力;
外护套:
径向阻水、耐磨、防机械损伤、抗弯、防腐、阻燃等。
9、光缆的基本结构按子缆(缆芯)组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。
按铺设方式可分为:
直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆。
按松紧状态可分为:
紧结构光缆、松结构光缆和半紧半松结构光缆。
10、各类光缆的适用范围和及其相应的铺设方法(复习作业)。
第三章光纤传输理论
要求:
复习光纤的基本结构,掌握光纤中的传播条件,子午光线的传播特性,了解各类光纤的传播特点,重点掌握阶跃光纤的单模条件,以及偏振的表示方法。
1、学会用几何光学方法研究光在光纤中的传输,理解数值孔径和相对折射率差
的概念;
2、掌握光在渐变型折射率光纤中传输光学方程的推导,理解光纤自聚焦的概念
和条件;
3、知道用模式理论研究光在光纤中的传输问题的处理方法和解题思路;
4、掌握模式的概念,理解矢量模和标量模、本征模和耦合模、归一化频率与归
一化截止频率的区别;
5、理解并掌握光纤中的单模传输条件;
6、理解单模光纤中的双折射,了解保偏光纤的种类和工作原理,掌握偏振的表
示方法;
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7、知道非正规光波导的特征和种类;
8、理解布拉格光纤光栅和长周期光栅的基本概念。
具体:
1、光纤中的传输条件:
全反射。
全反射有两大条件:
光必须是从光密介质进入
光疏介质;入射角要大于或等于入射角。
2、子午光线与子午面的定义:
通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面,子午
面内的光线称为子午光线。
3、数值孔径的定义:
NAn0sinmaxn12n22(计算)。
NA的大小反映了光纤
接收入射光的能力,是表征光纤特性的重要参数之一。
4、入射光线的孔径角反映了光纤对于光线的可接收范围。
孔径角的计算。
5、相对折射率差的计算。
6、弱导光纤的定义:
满足在横截面内折射率变化很小,即光纤导光能力很弱的
光纤称为弱导光纤。
7、渐变型光纤中,不同光线具有相同轴向速度的现象称为自聚焦现象,这种光
纤称为自聚焦光纤。
例题:
自聚焦光纤横截面上折射率分布具有什么规律?
为什么光线在这样的光纤中传输会产生自聚焦现象?
(自答)
(提示:
因为从轴心向径向方向光纤的折射率逐渐减小,沿轴向传播的光,路径短但光速小,而离轴线越远的光,折射率越小,光速越大,尽管路径远,也能与轴线附近的光同时到达,因而表现为自聚焦。
)
8、光纤中传播的模式可分为三类:
传导模:
满足全反射条件的那些模式。
其光场分布特点是:
在纤芯内为驻波场或行波场,波场功率被限制在纤芯内传播。
辐射模:
不满足全反射条件的模式,其电磁场不限于光纤芯区而可径向辐射
至无穷远。
辐射模在纤芯和包层之中均为行波场,光纤失去了对光波场功率的限制作用。
漏泄模:
以临界角入射的光线,在纤芯内传播时,光波场功率透过一定厚度的“隧道”泄漏到包层之中,在包层中沿传播方向为衰减的行波场。
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例题:
你能说出这三种模式的区别么?
9、能够推导亥姆霍兹方程。
10、截止波长的计算公式:
c
Dn12
n22
。
单模光纤的截止波长表示所能
2.4
传输单模的最短波长,若波长比此更短,光纤将会传输双模或多模。
(计算)
11、保偏光纤的定义,以及保偏光纤是如何保偏的:
能保持在其中传播的光波的
偏振态不变的光纤称为保偏光纤。
保偏光纤的保偏特性即人为地对纤芯几何性质
或折射率分布的对称性造成很大的差异,使得两个正交偏振摸之间具有相当大的
传输常数差,即模间交叉耦合系数变得很小,于是光纤能够在较长距离保持原有
的传输偏振态,因此能够起到保偏的作用。
12、在保偏光纤中,双折射效应越强,波长越短,保持传输光偏振态越好。
13、本征模与耦合模之间既有联系又有区别:
联系是它们都是在光纤中传输的模
式;区别是本征模相对独立,模式间没有能量交换,耦合模彼此间有能量交换。
14、模场直径与纤芯直径是不同的概念,在普通的折射率分布及典型波长上,
,
模场直径比单模光纤纤芯大。
3ei1
,
15、偏振的表示方法,重点掌握单位向量表示法(琼斯矩阵法)、如
3ei(1
90)
这是右旋偏振光,强度为6(如何计算?
)。
16、非正规光波导的主要特征是折射率分布在纵向上不均匀。
目前研究较多的非正规光波导:
布拉格光纤光栅(又称为短周期光栅或反射光栅)和长周期光纤光栅(又称为透射光栅)。
3.1、阶跃型光纤纤芯和包层的折射率分别为:
n1=1.465,n2=1.460,试计算:
(1)相对折射率差;
(2)光纤的数值孔径。
解答:
(1)、=n12
n22
1.4652
1.4602
0.00341
2n12
2
1.4652
2
2
2
2
0.121
(2)、NAn1
n2
1.465
1.460
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3.2、阶跃型光纤中n1=1.466,n2=1.460。
(1)光纤放置在水中(n0=1.330),求光从水中入射到光纤端面的最大接收角度;
(2)光纤放置在空气中,求数值孔径NA。
解答:
(1)、nsi0xamNA
NAn12n22
结合两式,得
sin
n12
n22
1.4662
1.460
2
max
n0
1.330
0.0996
得:
max
5.7170
(2)、NA
2
2
2
2
0.132
n1
n2
1.466
1.460
注:
错解:
NA
sin
max
0099
.
3.3、a.对于一单模光纤,其2a=8.3μm,NA=0.125,它的截止波长是多少?
b.如果工作波长为1310nm,这个光纤可以只传输一个模式吗?
解答:
(1)、
D
n12
n22
c
2.4
3.14
.8
3.0125
2.4
1.36m
(2)、因为1310nm1.36m,所以这个光纤不能只传输一个模式,而会传输多
模。
注:
错解:
因为1310nm1.36m,所以这个光纤只能传输一个模式。
(P67:
单模光纤的截止波长表示所能传输单模的最短波长,若波长比此更短,光纤将会传输双模或多模。
)
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3.4、一根阶跃折射率光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.448,n2=1.444,
该光纤工作在1.310μm和1.550μm两个波长上。
求该光纤为单模光纤时的最大纤芯直径。
解答:
关键在于截止波长是多少。
这里应该以小的波长为准。
因为单模光纤的截止波长表示所能传输单模的最短波长。
D
n12
n22
c
2.4
而需
c
所以
D
n12
n22
2.4
所以D
2.4
n12n22
2.41.31
3.141.44821.4442
9