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1、第一章绪论1.1.光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件。光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。光存储器件分为光盘(包括 CD、VCD、DVD、LD 等)、光驱、光盘塔等。2.2.谈谈你对光电子技术的理解。光电子技术
2、主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。3.3.谈谈光电子技术各个发展时期的情况。20 世纪 60 年代，光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。20 世纪 70 年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的成熟特别是量子阱激光器的问世以及 CCD 的问世。20 世纪 80 年代，出现了大功率量子阱阵列激光器；半导体光学双稳态功能器件的得到了迅速发展；也出现了保偏光纤、光纤传感器，光纤放大器和光纤激光器。0 2 世纪 90
3、年代，掺铒光纤放大器(EDFA)问世，光电子技术在通信领域取得了极大成功，形成了光纤通信产业；。另外，光电子技术在光存储方面也取得了很大进展，光盘已成为计算机存储数据的重要手段。1 2 世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的增强等都更加依赖于信息的广度、深度和速度。举出几个你所知道的光电子技术应用实例。如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。据你了解，继阴极射线管显示（CRTCRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？等离子体显示（PD
4、P），液晶显示（LCD），场致发射显示（EL）。1 1第二章 光学基础知识与光场传播规律填空题光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等。光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定，最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。两束光相长干涉的条件是 =m(m=0,1,2,LL)为光程差。两列同频平面简谐波振幅分别为 E01、E02，位相差为 ，则其干涉光强为E+E+2E E cos ，两列波干涉相长的条件为=2m(m=0,1,2,LL)2201波长的光经过孔径 D 的小孔在焦距 f 处的衍射爱里斑半
5、径为1.22f。D0201 02在玻璃(r=2.25,r=1)上涂一种透明的介质膜以消除红外线(=0.75m)的反射。求该介质膜应有的介电常量及厚度。如紫外线(=0.42 m)垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？n=r=1.5正 入 射 时，当 n=n0nG时，膜 系 起 到 全 增 透 作 用1.5=1.225，正入射下相应的薄膜厚度最薄为n=n0nG=1.0h=0=0.75=0.153m4n41.225正入射时，反射率为n222nh222nh0nG(nn)cos+(n)sin0Gn00正=nn222nh222nh+(0 G+n)sin(n+n)cos0G0n0(n
6、n)2cos20G=3.57%n222nh222nh0nG(n+nG)cos+(+n)sin0n2nh000有两个具有共轭复振幅的单色波，具有相同的频率，其复值分别为U(r)及U*(r)。比较它们 的 强 度、波 前 和 波 前 法 线。以 平 面 波 U(r)=Aexp(jk(x+y)U(r)=(A r)exp(jkr)为例。)与 球 面 波22平面波U(r)=Aexp(jk(x+y)的强度I=A2,因波前可以是任意的曲面，故它的波前2即为波前函数U(r)，波前法线垂直于波前。它的共轭波U*(r)=Aexp(jk(x+y)前法线垂直于波前。球面波U(r)=(Ar)exp(j k r)的强度为
7、I=(Ar)2，波前函数即该波表达式，波前法线垂直于波前。它的共轭波U*(r)=(Ar)exp(j k r)的强度为I=(Ar)2，波前函数即该波表达式，波前法线垂直于波前。光束垂直投射在无限大不透明的环状小孔（半径为a a 和b b，abab）上，发生夫琅和费衍射，求光强度dI的角分布。见物理光学)的强度I=A2，波前函数同样是该波的表达式，波2一束波长为 0.50.5 m的光波以450角从空气入射到电极化率为2j0.6 的介质表面上，求此光波在介质中的方向（折射角）。光波在介质中的衰减系数。n2=1+2=3n=3662n=arcsin2由nsin=nsin得sin=112266衰减系数r=
8、k(0.6)=0.6=1.3107输出波长632.8632.8nm的 H He e N Ne e 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆 Z Zn nS S 和T hF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.51.5 和 2.52.5。问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于 99.599.5？意：设 玻 璃 的 折 射 率 nG 1.5由 题2H2PnHn()n0nnLG 0.995，即=nn22P+(H)H0nnnLG2正，022.51()2P1.551.51.5 0.9975即 0.0025()2P1.5 1.997522.531+()2P1.51.51.55()2P 532.72P=1
9、2.3P7故至少涂覆 7 个双层。3 有 mm 个相距为 d d 的平行反射平面。一束光以倾角投射反射面。设每一反射平面仅反射3 3一小部分光，大部分光投射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明sin=2d时，合成的反射波强度达到最大值，这一角度称为 BraggBragg 角。d dd d因各辐射波的反射波幅值相等，当它们反射波叠加，相位依次相差2 的整数倍时，合成的反射波强度达到最大值，最简单情况下，相位相差2。2=2d时，反射波强度达到最大值。如图所示：k2dsin=2即2dsin=2故当sin 从麦克斯韦通式（2 22828）出发，推导波动方程（2 24444）。BE=对该式取旋度左边(E
10、)=(E)2Et(B)右边（由B=H+M）=(H+M)000ttDD由H=J+=E+J+上式stt D=(E+J+M0 ts)t2DEJs=0000(M)t2ttt在电介质中，一般有M=0,从而=0，B=0H，于是上式可化为2DEJ(E)00sE02ttt22(0E+P)00E Js0ttt24 4第三章 激光原理与技术1.1.填空最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960 年由美国家的梅曼制作的 红宝石激光器。光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散与频率的关系，虚部表示物质吸收与频率的关系。激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。激光产生的充分条件是阈值条件和增益
11、饱和效应，必要条件包括粒子数反转分布和减少振荡模式数。今有一个球面谐振腔，r1=1.5m,r2=-1m,L=80cm,它属于稳定腔。2.2.试简单说明以下光电子学术语的科学含义：受激辐射(画出二能级图)处于激发态 E2 上的原子，在频率为21的外界光信号作用下，从 E2 能级跃迁到 E1 能级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为h 21、与外界光信号处于同一状态的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样，在一个入射光子作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激发射过程。谱线的多普勒加宽多普勒展宽是由于气体物质中作热运动的发光粒子所产生的辐射的多普
12、勒频移引起的。谱线的自然加宽自然加宽是由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上寿命有限所形成的。光放大光束在激活介质中传播时，设入射端面处光强为 I0(),距离 x 处光强为 I()，且N1g1 0可见光强在激活介质中不断=I()=(N212121()g22121放大，为此，我们引入激活介质的增益系数G()dI()G()=I()dx式中，dI()是传播距离dx时的光强的增量。这说明：介质的增益系数在数值上等于光束强度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。由于dI()0，因而G()0，所以G()可以表示光在激活介质当中的放大特性。3.3.计算与推导 0.50.5 mm 时，什么温度
13、下自发辐射率与受激辐射率相等？T=300KT=300K 时，什么波长下5 5自发辐射率相等？自发辐射率为 A21，受激辐射率为 W21。w21=B21(21)。A8h 3n3由爱因斯坦关系式可知：21=321Bc2138h 3n21由普朗克公式可知：(21)=c3，1exp(h 21)1kT，h 3由题意 A21W21，故exp(21)1=1，kT33348 3h ln 2hc ln 26.63 10(3 10)0.69313321T=7.1910 Kkk31.381023(0.5106)3当 T=300K 时，hc3ln26.631034(3108)30.6931=2.997 1012kT1
14、.3810233003=1.442 104MHe-Ne 激光器的反射镜间距为 0.2m，求最靠近 632.8nm 跃迁谱线中心的纵模阶数、纵模频率间隔。如果增益曲线宽度为1.5109Hz,则可能引起的纵模总数是多少？气体的折射率n 1c由q=q 得2nL2nL2 10.25q=6.32109632.8 10c31088纵模频率间隔 q=7.510 Hz2nL210.291.5 10T实际振荡纵模总数 q=+1=+1=387.510 q 7m3 红宝 石 激 光 器 的 工 作 物 质 有 特 性：NN=5 10/c21、300K 处，1=2 1011Hz，=3103s，=4.3261014Hz
15、，n=1.78,求其在中心频率处的增益sg(0)系数G()。一维电子振荡器在电磁场 E(t)作用下的运动方程如式（32），推导简谐电场与简谐振6%()的表达式。子条件下，复极化率d2xdx2电子运动方程为m2=m 0 xm e E，在简谐电场和简谐振子条件下，则瞬时电dtdt场E(t)与位置偏移x(t)为x(t)=x()ejtE(t)=E()ejtE()、x()表示对应于频率 的振幅值，将 x(t)、E(t)代入运动方程，并求解得eE()x()=2m(20)+jr在平面光波场作用下，原子在光场作用下产生感应极化，形成电偶极振子p=ex=Re(p()ejt)e2E()p()=2m(20)+jr设
16、单位体积中原子数为 N，则介质极化强度P=Np=Re(P()ejt)Ne2E()P()=0()E()2)+jrm(20又P()=()E()=()j()0E04.4.简述题1Ne2()=2m(20)+jr 简述激光的特点。激光的特点主要表现在以下四个方面：激光具有激光极好的方向性激光的单色性非常好激光的相干性好激光具有极高的亮度和单色亮度。信息光电子技术中所用的光源，着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。激光正是满足这些条件的最好的光源。分析单色辐射场与连续辐射场与粒子体系相互作用情况。单色辐射场与粒子体系的相互作用如图 38 所示，粒子线型函数为 g()，中心频率为0，谱线宽
17、度为，辐射场的中心频率为。单色辐射场与粒子体系相互作用过程，要求粒子体系的展宽要0，带宽为7 7远 大 于 辐 射 场 宽 度，即 与间 满 足 公 式，很 小，于 是dNst=N B221g()()d中被积函数只有在21(dt)+0附近一个很窄的范围 内不为零。且在示为内g()可以认为不便，于是单色辐射场能量密度可表()=()()2 21dN221st=21N Bg()()()d=N B g()()=NW()(dt)+2 2121W()=B g()()=A c21218n3h 332A c2I21 Ig()()=g()=8n2h 38n3h g()式 中，sc()I=nW（单位：）为光辐射强
18、度。m2上式表明由于谱线宽度，和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率0并不一定要精确位于g()的中心频率0处才能产生受激辐射，而是在0附近一定频率范围内均可，跃迁概率的大小取决于单色光场中心频率相对于线型函数中心频率 的位置，越小，则0000W 越大，当 时，受激跃迁概率最大。这种相互作用不仅与、B210021有关，而且还与g()有关。连续辐射光场与粒子体系相互作用当连续辐射光场与粒子体系相互作用时（图39），满足条件，于是(dN21dt)s t=N2Bg()()d 中被积函数只有在0附近很小的范围内（21+量级）才不为零，且 内可以认为()近似为常量()0，于是+2 21221dNst21=
19、N Bg()()d=N B()(dt)0+g()d=N B()=NW22102 21式中，(0)为连续辐射光场在粒子线型函数中心频率0处的单色能量密度。可见，连续辐射场中只有频率等于粒子体系中心频率0的那部分辐射场才能引发粒子体系受激辐射，其他部分实际上被粒子体系所散射。8 试推导爱因斯坦关系式。设一个原子系统有两特定能级EE1、E2，（1 1，相应地有d()0，表示21g2g1光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时，光能密度将不断增加。我们称这种状态的物质为激活介质。要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一：在反转分布能级间的受激发射可以沿
20、各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质，难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。由于光束 在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。光在谐振腔内传播时，由于R2 1，光在镜面上总有一部分投射损失，且镜面和激活介质总还存在着西都、散射等损
21、失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，这就是说，记挂更年期必须满足某个条件才能“起振”，称这个条件为振荡阈值条件。往返一次光束强度变化过程为I1=I0GI1RI2GI3RL,I2=2,I3=L,I4=1，于是I=I RRG240 1 2 L如果I4 I0，则随着振荡的不断进行，光强逐渐加强，形成有效的激光振荡。课件，形成激光振荡的条件为 I4 I0于是，激光振荡必须满足的最起码条件为RRG2=1由之可得增益的阈值为1G()th=lnR1R22Lg又G()=(N1 N)Kg()th21g21 2 L1111于是由此还可推出激光振荡的反转粒子数阈值公式g4 g(
22、N1N)=1 lnR1R21lnRR1 2=221 thK 2Lg()A g Lg()g2212理论和时间结果表明：当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定成都时，增益系数将随光强的增大而减小，即G()应写为G(,I)。这种G(,I)随着I 的增大而减小的现象，称为增益饱和效应。它是激光器建立稳态振荡过程的稳定振荡条件。设想某种工作物质在泵浦作用下（无外加光场）实现了粒子数反转，即NN102 0N=g2g100当外加光强出现时，感应了E2EE2的受激吸收，两种过程的概1的受激发射和E1N率相等（W=W）,由于1N2，因而E E 的粒子数大于E E 的粒子数，
23、其21122112g1g2结果使新平衡下的反转粒子数 N Nth仍成立，激光继续产生，腔内光子数密度 仍急剧增加，受激辐射造成的N 减少速率也继续增大，超过泵浦引起的增长率，N 开始减小，直到时刻，N 又回到阈值 N Nth。第三阶段（t3t4），t3之后，N 0，即受激辐射大于零，因而N 继续减少，但减少速率便小，直到t=t4时刻，增加速率等于减小速率，N 达到极小值。第四阶段（t4=t5），t4之后，N 的增加率再次占优势，直到 t5时刻，再次达到阈值Nth，将开始下一轮振荡。在整个氙灯泵浦时间内，以上四个阶段不断重复，形成了依稀类的尖峰结构，而且，泵浦越强，尖峰形成越快，尖峰时间间隔越小
24、。激光调 Q 技术于锁模技术的脉宽分别在哪个量级？调 Q 技术可以产生脉宽107109s 量级、峰值功率 MW 量级的巨脉冲，锁模技术可以产生10121013s量级的超短脉冲。常见的调 Q Q 方法有哪几种？分别简述之。转镜调 Q 技术将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔的反射损耗可达到1515调 Q 目的。染料调 Q 技术利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调 Q 的方法称为染料调 Q 技术，这种调Q 开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调Q 技术。染料对该
25、激光器振荡波长的光有强烈的吸收作用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小。当染料盒插入谐振腔内时，激光器开始泵浦此时腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈，腔损耗很大，Q 值很低，不能形成激光；随着泵浦的继续，亚稳态上离子越积越多，腔内光强逐渐增大，吸收逐渐减小，Q 值不断增大；泵浦光大到一定值时，染料对该波长的光变为透明，称为染料漂白，此时 Q 值达到最大，相当于 Q 开关开启，于是激光器输出一个强的激光脉冲。电光调 Q 技术某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个方向上加电压，就可以使通过它的偏光改变振动方向，且外加电压的数值与振动放下嘎那的改变之间有一定的函数关系，再辅以其他光学元件，就可以
26、构成 一个快速光开关，达到调 Q 目的。声光调 Q 技术如图 331 所示，声光器件在腔内按布拉格条件放置。当外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重，Q 值很低，不能形成激光振荡；但这一阶段，光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累，一定史家后，瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通过晶体，Q 值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。分别简述几种常见的激光锁模实现方法。激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，起振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场得相干叠加，输出为一超短脉
27、冲，且残余相干得模越多，不均于分布越尖锐，则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定得方法称为锁模，相应得技术称为锁模技术。实现锁模的方法有很多，大致分为一下几类：主动锁模是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制起实现模式锁定，要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。被动锁模类似染料被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振腔环路中点，使相反方向的两个脉冲精确同步地到达吸收体，发生碰撞，产生相干叠加效应，从而获得有效锁模的碰撞锁模方式。自锁模这是一种通过增益调制来实现锁
28、模的方法。用一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器，在两个激光器光腔长度相等的情况下，激光器的增益收到调制，在最大增益时形成一个脉冲更窄的序列脉冲输出，这就是自锁模技术，或称同步锁模技术。激光选模技术分哪几类？采取某些手段限制参与振荡的模式数目，有关技术称为激光选模技术，一般分为四类：一是激光谱线选择，二是激光偏振选择，第三类时压缩振荡激光束的发散角、从而改善其方向性的横模选择技术，第四类是用于限制振荡激光频数目的纵模选择技术。16第四章 光波导技术基础1 10 0MM某光纤传输的波段为0.80.9m。若每一路电话带宽为4kHz，每套彩电节目带宽1010 MM1 10 0MM1 10M0
29、M H Hz z，则该光纤理论上可传送多少路电话或多少套彩电节目？c光纤传输的频率f=,故它传输波段为3.33310143.751014，f=0.417 1014,0.417101410能传播的电话数目N1=1.041041030.4171014能传播的彩电数目N2=101066=4.1710 什么是光波导？平面介质光波导中几类模式各有何特点？光波导就是能使光低损耗传输的通道，它将光限制在一定路径中向前传播，减少了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。如图 41 和 42 所示：c 12c 13此 时，上、下 界 面 均 满 足 全 反 射 条 件。在
30、满 足 相 位 匹 配 方 程：2k0n1213=m2(m=0,1,2,L)1dcosm 的不同取值对应于横向驻波波节数，每一个m 值对应一个稳定的横向分布，这种波导中稳定的场分布称为导波模式，简称导模。这说明：并未满足 c 12c 13n1的所有角入射的光场均可形成导波，对于一定波长的光波，只有满足上式的 角入射的光波才可形成导波。即只有某些大于c 12的m（mc 12）才能形成导波，且 m 越大，m越小，即小的入射角度相应的模式阶次高，z 向单位长度内导模上下振荡次数多。c 13c 12在n1、n3界面反射，n1、n2界面投射，光线向衬底n2辐射，不再形成导波，称为衬底辐射模c 13各面均
31、不满足全反射条件，光线在两个界面上都发生透射，这种模式称为包层辐射模。几何光学和物理光学在分析平面介质光波导中光传输时各自的出发点是什么？几何光学分析法从介质界面观点出发得出，光波导的基本原理是光在介质表面的全反射。物理光学分析是从麦克斯韦方程出发，分析电磁场在三层波导中的分布情况，从而得出波导中光波导传播情况的方法。1717 推导三层平板波导 TMTM 模本征方程。由于H(r,t)=H(x,y)ej(tz)，由麦克斯韦方程 H=D=jEt将场的横向分量用纵向分量表示得H=1(j EzjHz)=jHzxk22yxk22xH=1(j Ez+jHz)=jEzyk22yxk22x对于横磁波，即Hz=
32、0 的波，可得Hx=0H=EyxHy=jExz由此可见，TM 波只有唯一的横向磁场分量Hy。对 TM 波仅需求解波动方程2H+(k2n22)H=0yy由于H(x,y)仅有Hy分量，因而波动方程简化为：波导层2x2H2 22y+(k0n1)Hy=0(dx0)衬底层2x2H(k2 22y+0n2)Hy=0(xd)覆盖层2x2H2 22y+(k0n3)Hy=0(x0)于是其满足导波条件(kn 0)qHy(x)=A cos(hx)(h)sin(hx)(dx0)p(x+d)qeA cos(hx)+()sin(hx)(x d)h22nh=k20 12q=2k2n0 3 式中2p=2k2n0 2h(p+q)
33、p+q且有tan(hd)=h2pqh(1pq2)h此式即为 TM 模的本征方程。推导四层平板波导 TETE 模场分布表达式及其本征方程（设厚衬底层 2 2 上生长波导层 1 1，1 1上覆缓冲层 3 3，这一结构置于空气层4 4 中，且n1n2n3n4）。光纤的基本结构是什么？单独的纤芯可否作为光波导？包层的作用是什么？光纤传输光的基本原理是什么？什么是传输模、辐射模和消逝模？光纤由传导光的纤芯（折射率 n1）和外层的包层（折射率 n2）两同心圆形的双层结构组成，且n1 n2。外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。单独的纤芯不能作为光波导，光波导由纤芯和包层共同组成。包层对纤芯起保护作用，包括
34、增加光纤的机械强度，避免纤芯接触到污染物，以及减少纤芯表面上由于过大的不连续性（即界面两边的折射率差别过大）而引起的散射损耗率。光波在光纤中传播有 3 种模式，导模（传输模），漏模（泄漏模）和辐射模。导模是光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称芯模。其存在条件是 nn2k01k0。在纤芯内电磁场按振荡形式分布，为驻波场或传播场，在包层内场的分布按指数函数衰减，为衰减场，模场的能量被闭锁在纤芯内沿轴线Z 方向传播。漏模是在纤芯及距纤壁一定距离的包层中传播的光波长，又称包层模。其存在条件是n2k0=。在纤芯中的没长能量可通过一定厚度的“隧道”泄漏导包层中，形成振荡形式，但其振幅很小，传输损耗也很小。
35、辐射模在纤芯和包层中均为传输场，其存在条件是 n2k0。在此条件下，波导完全处于介质状态，光波在纤芯与包层的界面上因不满足全反射条件而产生折射，模场能量向包层逸出，光纤失去对光波场功率的限制作用。1919 设有一平面介质波导，各层折射率分别为n1=2 2.2 21 1,=2 2.2 21 1,=2 2.2 21 1,=2 2.2 21 1,n3=1,=1,=1,=1,=1,=1,=1,=1,波导层厚度d=4.6m。n2=2.1,=2.1,=2.1,=2.1,=2.1,=2.1,=2.1,=2.1,3若总反射相移为2，则当入射光波长为1.31m时，波导中能传输的模式总数是多少？要想传输单漠，波导
36、层厚度应如何设计？若要传输1.55m的入射激光，重复、的计算。归一化频率V=2d2224.6106n1n2=2.2122.121.31106=4.8356传播模数m10(V12+13)=1(4.8356 0.75)=4.08562故传播模式总数为 5。由题意m1得1(V12+13)12V1.75得d1.750m2 n2n2=1.66512归一化频率V=2d2224.6106n1n2=2.2122.12=4.086901.55106传播模数m1(V12+13)=1(4.0869 0.75)=3.33692故传播模式总数为 4。由题意m1得1(V12+13)12V1.75得d1.7502 n2n2
37、=1.970m12 波长为1.3 m的光射入单模阶跃折射率光纤，其芯区与包层折射率分别为n1=1.52，n2=1.42若将其至于空气（折射率为 1 1）中，则其数值孔径、最大入射角及芯径分别为多少？若将其置于水（折射率为 1.331.33）中呢？数值孔径N.A.=n21n22=1.5221.422=0.542N.A.=n0sinmax得=arcsin 0.542=32.820max2020由于是单模传播，故V 2.4052a22nn 2.4051202.40502a1nn2122=1.836m数值孔径N.A.=2221.521.42=0.542n2n=12N.A.=n0sinmax得0.542
38、=arcsin=24.050max1.33由于是单模传播，故V 2.4052a22nn 2.4051202.40502a1nn2122=1.836 m1.458的单模阶跃折射率光1=波长1.55 m的光从空气中射入纤芯直径8 m、纤芯折射率n纤中，求若包层折射率n2=1.448，求其数值孔径与最大入射角。包层折射率应在何范围内方能维持单模传输？包层折射率为n2=1.453时的模式有效折射率。数值孔径N.A.=0222n2n2=1.4581.448=0.171最大入射角由归一化频率由 nsinmax=0.17得=arcsin 0.17=9.8150max2aV=N.A.1.450810221.4
39、58n22.40561.5510得出2 2由归一化传播常量2n2=2kn2effn222 220 2b=n2nknkn12010 2和=kn(1 b)V2得出0 1k2n2a210 10.5在弱导条件nn21k0n1故21有效折射率ne fn1.4581=W光功率注入到 500m500mW，则每公里光纤5 500m00m 将505 500m00m 5 500m00m 长的光纤中，若末端收到功率为38B/k m？若光纤长 5K5K 5 5K K MM，则输出光功率为多少？的损耗为多少d5 5K K 5 5KMKM10P1050光纤损耗=lgi=lg=2.38dB/k mzP0.538o10P由2
40、.38=lgi5PoPo=3.23 W得502.38=2lgPo0.85 m，0=0=40nm，多模光纤 设计一个小型光纤通信系统，用 LEDLED 光源，d2ndn5110211=3.510 m3.510 m2n1.5，=0.01，材料色散d01=，d0。5 10 mW，光源功率P=1m W，光纤传输损耗为min=若探测器最小可探测功率P输出功率=10 lg输入功率）2d B/k m（用 d dB B 表示的光纤损耗，输入输出耦合损耗共5dB,5dB,试求损耗限制的最大传输距离Lmax。若采用阶跃折射率光纤，试计算由于材料色散与模间色散引起得脉冲展宽。若传输脉冲速率为10Mbit/s，求色散
41、限制得最大传输距离Lmax。=2），重复得计算，并比较结果。若采用平方律折射率渐变光纤（410lg1 由题意：2=Lmax51045L=L=14kmmaxmax2Lmax=16.5KM,又因为输入输出耦合损失为 5dB，由材料色散引起的脉冲展宽d n1n1 k m00=3.4ns/cd202由模间色散引起的脉冲展宽Nd(k0n1)m=1=cdk0d n1(n+d n(n)=41.5ns/k mk110=)=ccdkc10d002222波导色散和材料色散相比小的多，故多模波导中光脉冲的总群延差为=m+n38.1 ns/km传输脉冲速率为10Mbit/s，相邻脉冲之间的时间间隔t=107s105n
42、st=2624.7km由色散所决定的最大的传输距离Lmax当采用平方率折射率渐变光纤时，由材料色散引起的脉冲展宽d n1n1 k m00=3.4ns/cd202若采用平方率渐变光纤，则脉冲展宽减小为阶跃光纤的，即小约两个数量级。采用渐变2多模光纤对于增大光纤传输带宽具有极其重要的意义。试简单分析光纤通信与其他通信方式相比的优点和特点，并分析玻璃光纤的色散与吸收损耗，说明光纤通信使用的波长范围和使用的光源。光纤通信的光源具有比通常通讯用无线电波高得多的频率，因而能传递的信息容量是无线电波的104倍；相干性好，因而易于信息加载；方向性强、发散角小，因而能传输较远的距离。光波导与光纤的损耗不断减小，
43、为光信息传输提供了优良的传输介质，光传输还有易于保密、传输速度快等许多优点。光纤损耗分为吸收损耗，散射损耗和辐射损耗。吸收损耗当光波通过任何透明物质时，都要使组成这种物质的分子中不同振动状态之间和电子的能级之间发生跃迁。在发生这种能级跃迁时，物质吸收入射光的能量（其中一部分转换成热能储存在物质内）引起光的损耗。包括本征吸收损耗、杂质吸收损耗和原子缺陷损耗 3 种。由于光纤制作工艺上的不完善，例如有微气泡或折射率不均于以及有内应力，光能在这些地方会发生散射，使光纤损耗增大。另一种散射损耗的根源是所谓瑞利散射，即光波遇到与波长大小可比拟的带有随机起伏的不均匀质点时发生的散射。瑞利散射损耗与波长四次
44、方成正比，这类损耗发生在小功率信号传输时。光纤中尚存在所谓布里渊和拉曼散射损耗。它们是光纤中引起的非线性散射损耗，一般在多模光纤中光能的密度较小，这类损耗主要发生于大功率信号传输时。光纤通信使用的波长范围为 0.81.6 m，使用的光源为 LED、LD。由模间色散引起的脉冲展宽N2dn2=1 1(nm)=0.2075ns/km10c2d02ct=481927.7km由色散所决定的最大的传输距离Lmax 分析光孤子的形成机制。光纤中光孤子产生的激励是光纤色散与光纤自相位调制（SPM）两种因素制约的结果。色23散效应使一个脉冲波形散开，该波形的不同频率分量的传播速度不同，利用光纤的非线性光学特性，
45、也可产生光脉冲畸变，它可以使脉冲的前沿变慢、后沿便快。这样，当光纤折射率的非线性和群速负色散特性共同作用时，光脉冲在传播过程中可不发生畸变，或脉冲形状随传播距离周期性变化，形成光学孤子，简称光孤子。24第五章光调制技术光信息系统的信号加载与控制1.1.对光进行外调制有哪些典型方式？光外调制是在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过这种调制器时，激光的强度、位相、频率等将发生变化，从而实现调制。激光外调制可分为体调制和光波导调制两类。体调制器的体积交大，所需调制电压和消耗的调制功率都较大；光波导调制器则是制作在薄膜光波导或条形光波导上，因而体积小巧、驱动
46、电压低、功耗小。外调制的基础是外场作用下光与物质的相互作用，其共同物理本质都是外场微扰引起材料的非线性变化，并导致光学各向异性。这种非线性相互作用过程使得通过的光波强度、偏振方向、频率、传播方向、位相等参量发生变化，从而实现了激光的调制。2.2.高级晶族、中级晶族、低级晶族的折射率椭球各有何特点？低级晶族的折射率椭球具有 n1n2n3，因而在其波振面截面图上可以发现有两条光轴，这种晶体称为双轴晶体；中级晶族三个主折射率中有两个主折射率相等，一般取相等的两折射率为nnn1、n2，于是n1=23，这种晶体仅有一条光轴，称为单轴晶体，单轴晶体的波氏面由一个球面和一个旋转椭球面组成，旋转椭球面的旋转轴
47、即为光轴；高级晶族n1=n2=n3，其两个波振面重合，晶体不再呈现双折射，在线性情况下，其特性与各向同性晶体一样，但是在非线性下，会出现高阶介电张量，其情况就与各向同性晶体不同。3.3.什么叫双折射现象？如何确定单轴与双轴晶体的光轴？所谓双折射现象是指光在各向异性介电晶体中传播时，分为两束偏折方向不同的光，向两个方向折射。确定晶体的光轴可由波氏面确定，波氏面由两层曲面组成。两层曲面通常有四个公共点，通过原点和这些公共点连线方向传播的两个波有相同的相速度，这些方向就是光轴的方向。4.4.说明波氏图、折射率图及折射率椭球之间的区别；简述折射率椭球的性质。波氏面图是由波氏 K K 与传播方向的关系决
48、定的一个 K 空间的三维曲面，在这个表面上的任意给定点离开原点的距离等于沿着该方向传播的光波波氏大小。这一波氏面由两层曲面组成。与波氏面图对应的就有折射率面，它表示折射率随传播方向的变化，在这一表面上，任意给定点离开原点的距离等于沿着这个方向传播的光波的折射率。折射率椭球是晶体光学各向异性的几何表示，也叫光率体。它可以确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度。在直角主介电坐标系中，两个波面沿三个主轴的分量可用通式x2y2z2+2+=1表示。式中n1、n2、n3为沿三个主坐标轴的主折射率，在xyz 主介电坐标系n2n2231n中常用nx、ny、nz来直观地表示。有性质：折射率椭球任一矢径的方向，表
49、示光波电位移矢量 D 的一个方向。矢径长度表示D 沿矢径方向振动的光波的折射率。对于任意给定的波氏 k，利用折射率椭球可求光波 D 的偏振方向及相应折射率：通过原点作 k 的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向，两个轴的长度2525n、n为相应的折射率，对应的相速度为c n、c n。5.5.给定折射率椭球和光波波氏方向，如何确定主折射率方向？通过原点作 k 的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向，两个轴的长度n、n为相应的折射率，对应的相速度为c n、c n。6.6.画出正单轴晶体在不同界面与光轴取向关系下双折
50、射情况示意图。参看教材附图e的大小关系如何？写出其折射率椭球表达式，并画出正单轴7.7.正单轴晶体的折射率no、n晶体波氏面截面图。x2y2z2正单轴晶体no0.1s）、中余辉（、短余辉（4m2）1 4m2）为平板显示和体显示；按显示屏幕大小分为超大屏幕（、大屏幕（、中屏幕0.2 1m2）0.2m2）显示；按颜色分为黑白、彩色显示；按显示内容分为数码、（、小屏幕（字符、轨迹、图表、图形、图像显示；按成像空家坐标分为二维平面与三维立体显示；按显示原理分为电子束显示（CRT）、真空荧光显示（VFD）、发光二极管显示（LED）、电致发光显示（ELD）、等离子体显示（PDP）、液晶显示（LCD）、激光