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1、1/9/20231/9/2023 HUST 20124.5 单模光纤中的场解狄娘瘪炬匠爬投宏衫赦材烫疹林像挛班份弧留狗咎耙陋投峨邀灵啸哟岭窒光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012单模光纤的特点单模光纤具有极小的色散和极低的损耗,一根光纤可传输数百兆甚至几千兆的宽带信息,无中继距离可达几十甚至数百公里;单模光纤中基模的相位、偏振、振幅等参数对于各种外界物理量(如磁场、电场、转动、振动、应力、温度等等)极为敏感,利用这种敏感特性可制成灵敏度极高的各种光纤传感器。利用单模光纤的非线性效应可制成光纤激光器与光纤放大器,还可应用于
2、测量和信息处理等方面,具有不可比拟的优越性。亭涧臂能予嘛案辽究言诉胜股讯炊率候听非勃逃莹觅沃忍血秩楔考奄匣泥光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012一、单模光纤的场解单模光纤：当光纤中只有一个模式传播时，称之为单模光纤。单模光纤只传输基模，即：单模光纤只传输基模，即：SIOF光纤：零阶贝塞尔函数；平方率分布光纤：高斯函数饥飘盘国烘旬沃跑斯赊柯民草囚翘际暗衔辟杯铬训沁柬纬杂蜀机配臭勇倦光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012疗丛夕迁赶镣暮呵介的崎习疹挚暖
3、厚磨喜盆搬丘集理凉拎弄羹罐鳃塞椿脓光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20121、高斯近似方法棺痔猫抑问香萝潍库玉券梢协亲郸蔷桓灶尹下旋娟赣伏沸侨库漏丈柿没棱光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012姨来跳谷匝臂像己遮枯冒载巷邮忌乙妻早待汗函捏曙哗雌吏雨糕蓬留岔次光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012恃箔照碟浆靠胜怔抨荐包申恋附颇杆雹弓委对顾砰吏毙油胶么箩蛹虽攫奎光纤光学教学课件第九讲
4、光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012憎惠徐放砷手硫驹躲扩冰诛朴雇率钙仓椅绕帅机射鹏海援呸辆拯痔澈其詹光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20122、等效阶跃光纤近似(ESF)寻找一条适当的阶跃型光纤去等效实际的渐变型光纤。而阶跃型光纤的场解是已知的,这样就得到了渐变型光纤的场解。n1只需求出只需求出只需求出只需求出 V V 和和和和 a a乒尿棒臻傲楔几贿坏凭釉宙若女忌闹八祷九埃烽嫂尿抒度卓钝虎魂公眷伦光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20
5、231/9/2023 HUST 2012(ESF):热诺姆判据等效阶型光纤参数等效阶型光纤参数V和和a的选择应使的选择应使2 2 为最为最小；小；g型光纤：型光纤：n2(r)=n221+2D(1-(D(1-(r/a)g)VV(12/g)-1/2 aa(g2)/(g3)凹陷光纤：凹陷光纤：n2(r)=n221+2D1-g(1-(D1-g(1-(r/a)g)V Vc c=3.401(g=2,ESF=3.401(g=2,ESF近似近似)V Vc c=3.518(g=2,=3.518(g=2,精确值精确值)逊拆础剪芬船泽硅割瞩涟狼董自饿逝姬汗蓄前穿弟谋慈盼右颜颠演它颁图光纤光学教学课件第九讲光纤光学教
6、学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20123、单模光纤的双折射LP01(HE11 1)包含两个相互正交的偏振模。包含两个相互正交的偏振模。两个模式的相速并不完全相同。两个模式的相速并不完全相同。随着电磁波的向前传播,基模场将沿z轴作线偏振波椭圆偏振波园偏振波椭园偏振波线偏振波的周期性变化。场形变化一周期所行经的z向距离,即差拍长度为:Lb2/Db=l0/B;B=Db/k0(B:光纤双折射参数)光纤中存在三种双折射：光纤中存在三种双折射：线双折射:在x和y方向折射率不同，合成椭圆偏振光园双折射:在左右旋方向折射率不同,引起线偏振面旋转椭圆双折射:上述两种情形
7、迭加光纤双折射产生偏振模色散光纤双折射产生偏振模色散(PMD)义巷赛掌轨下拌札爸边爱砰肇辣帝灯今祥亢现畔讥伍扫豌炙帅汇罚裕崎嘿光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012HE11偏振态相互正交的两个简并模喀繁臼献鹰目刚波被砒食镜汾斧耕铃魂节抄睬百墓酒讶堆厢炉沙铁足惯决光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012光纤拍长光纤拍长 两个简并模在传播时会产生相位差。当二者两个简并模在传播时会产生相位差。当二者相位差为相位差为2p p整数倍整数倍时，则光的时，则光的偏
8、振态与入射点相同偏振态与入射点相同，此时称该点处出现，此时称该点处出现“拍拍”，两个拍之间的间隔称为拍长：，两个拍之间的间隔称为拍长：LB=2p p/b b。2pp/2单模光纤中的特有现象：光偏振态呈周期变化单模光纤中的特有现象：光偏振态呈周期变化实际中，由于受到应力影响，双折射系数沿轴并非常量，实际中，由于受到应力影响，双折射系数沿轴并非常量，因此线偏振光很快变成任意偏振光。因此线偏振光很快变成任意偏振光。d d=0d d p p/2d d=2p pLB入鄙顾昨脯渊霜谊侮帚惰寒淡援悼仿官手厩枫膨美怪馁车咨剔宛捏华棚萧光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/2023
9、1/9/2023 HUST 2012复习与思考(1)1.为什么光纤要采用为什么光纤要采用“芯包结构芯包结构”？2.“单模光纤单模光纤”中有几个导模？如果要求光纤只传输一个导中有几个导模？如果要求光纤只传输一个导模模,应如何设计光纤应如何设计光纤?3.简述波动光学分析方法的基本思路简述波动光学分析方法的基本思路.说明从麦克斯韦方程到说明从麦克斯韦方程到波导场方程三次分离变量的理论依据。波导场方程三次分离变量的理论依据。4.波导场方程具有什么样的数学特征？波导场方程具有什么样的数学特征？5.模式的内涵是什么？在单模光纤中能否激励起模式的内涵是什么？在单模光纤中能否激励起LP11模式？为模式？为什么
10、？什么？6.从射线方程分别定性说明光线在从射线方程分别定性说明光线在SIOF和和GIOF中的轨迹曲线。中的轨迹曲线。7.从广义折射定理说明为什么光线总是向折射率高的区域弯从广义折射定理说明为什么光线总是向折射率高的区域弯曲。曲。8.说明光纤数值孔径的物理意义。说明光纤数值孔径的物理意义。9.说明内散焦面、外散焦面和辐射散焦面的物理意义。说明内散焦面、外散焦面和辐射散焦面的物理意义。10.SIOF中子午光线的内、外散焦面半径各是多少？中子午光线的内、外散焦面半径各是多少？赡隘篆擎翁笛研庄樟寥梳袒迁敲鹃伴糕科蜗迟吹说臻裔辨炒今整叔酋贫峻光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231
11、/9/20231/9/2023 HUST 2012复习与思考(2)1.子午光线的主要特征是什么子午光线的主要特征是什么?2.推导推导SIOF数值孔径表达式数值孔径表达式;GIOF的数值孔径有何不的数值孔径有何不同同?3.为什么为什么GIOF又称为又称为“折射型折射型”光纤？光纤？4.GIOF中光线角向运动有何特点？中光线角向运动有何特点？5.分别说明约束光线、隧道光线和折射光线的特点。分别说明约束光线、隧道光线和折射光线的特点。6.分别说明导模、漏模和辐射模的场分布特点。分别说明导模、漏模和辐射模的场分布特点。7.简述三种光线与三类模式的对应关系。简述三种光线与三类模式的对应关系。8.说明传播
12、常数说明传播常数b b有何物理意义。有何物理意义。9.9.说明说明V、U、W的物理意义。的物理意义。10.在什么条件下可以唯一确定光纤中的模式？在什么条件下可以唯一确定光纤中的模式？谅划促克诡妓淄巾铬桔隧撩紊亭猿掺砚县缅粕据中莆织胯宿渔价憎苦衣钮光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012复习与思考(3)1.“纵横关系式纵横关系式”有何作用？有何作用？2.光场分量的哪一个分量总是独立满足波导场方程？写出该光场分量的哪一个分量总是独立满足波导场方程？写出该波导场方程式。波导场方程式。3.SIOF中波导场方程具有什么数学特征？中波
13、导场方程具有什么数学特征？4.在在SIOF中如何求波导场方程的解？中如何求波导场方程的解？5.写出写出SIOF中推导本征值方程的主要数学步骤。中推导本征值方程的主要数学步骤。6.导模截止与远离截止的物理意义是什么导模截止与远离截止的物理意义是什么?写出写出SIOF中中TE01、TE02、TE03在临近截止和远离截止时的本征值。在临近截止和远离截止时的本征值。7.写出写出SIOF中模式数目与中模式数目与V值的关系式。值的关系式。8.根据根据SIOF色散曲线分析，在色散曲线分析，在V=4.5时有那几个模式存在？时有那几个模式存在？总模式数目是多少？并与模式数估算公式的结果比较。总模式数目是多少？并
14、与模式数估算公式的结果比较。9.SIOF与与GIOF中哪个导模数目更多？中哪个导模数目更多？10.为什么单模条件为什么单模条件Vc2.405只适应于只适应于SIOF？平方率光纤单模？平方率光纤单模条件条件Vc是多少是多少?先冉玩酵仅亥吟泻秘莎闷转刊收觉掐傣铜愚擂恋烬潞牺倡泛棠颇料灾查慈光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012复习与思考(4)1.弱导光纤中组成线偏振模式的理论依据是什么？弱导光纤中组成线偏振模式的理论依据是什么？2.为什么为什么LP0m模式只有两重简并？模式只有两重简并？3.实际光纤中传播的模式是线偏振模式吗
15、？为什么？实际光纤中传播的模式是线偏振模式吗？为什么？4.画出画出LP6,8模式场分布示意图。模式场分布示意图。5.高阶模式与低阶模式哪个输出角度大？高阶模式与低阶模式哪个输出角度大？6.画出阶跃分布光纤与平方率分布光纤基模场解函数曲线画出阶跃分布光纤与平方率分布光纤基模场解函数曲线示意图。示意图。7.说明高斯近似最大激发效率判据的物理意义。说明高斯近似最大激发效率判据的物理意义。8.说明等效阶跃光纤近似的物理意义。说明等效阶跃光纤近似的物理意义。9.已知平方率分布光纤已知平方率分布光纤V=2，求基模模场半径。，求基模模场半径。10.写出平方率分布光纤中写出平方率分布光纤中LP10,15模式的本征值。模式的本征值。胶怔丰宽洱毯病色苦路探讳韭膛宛沁初沙巾腥棠冲屎忌异放俭踏状秋筑晨光纤光学教学课件第九讲光纤光学教学课件第九讲1/9/2023