光纤光学重要知识点

重要概念光波导、光纤分类、子午光线、数值孔径、传输容量、传光传像特性、散焦面、广义折射率定理、光线轨迹及特点、光线分类重要公式射线方程、散焦面半径、折射率分布、数值孔径 重要概念模式定义及性质、模式分类及场分布特点、模式简并、线偏振模、主模、分离变量法、传播常数、导模截止与远离截止、基模场分布函数、基模偏振特性、色散曲线分析、模式确定及数目分析、导模光斑分布图、模式输出特性、WKB近似方法思路重要公式波导场方程、截止与远离截止条件、单模工作条件、模式数目、归一化工作频率、模群精确模式数目。 重要概念损耗机理、光通信窗口、色散机理、色散补偿、损耗测试的三种方法（后向散射法OTDR）、不同型号的通信光纤性能。重要公式材料色散与波导色散的计算、脉冲展宽的计算、模场半宽的计算、截止波长的计算 重要概念自聚焦透镜的成像特性、光纤耦合器/WDM器件的工作原理及设计、光隔离器/环行器的工作原理及设计、光纤光栅的工作原理及设计、光纤激光器与放大器的工作原理及设计。重要公式准直透镜输出光束半径和发散角、耦合器分支功率计算、不同耦合比对应的最小耦合长度、光纤光栅中心波长。 重要概念光纤连接损耗来源、光纤连接损耗特点、透镜耦合系统、光束变换特性、有源对准（局部损耗法）。重要公式端面反射损耗计算、模场失配损耗计算、朗伯光源耦合损耗计算、半导体激光器耦合效率计算。 习题复习 1.设计一种光波导结构，其传光波导层为平板形状，标出折射率结构。2.从数学上证明，在均匀折射率介质中，光纤轨迹为直线传播。3.如果已经知道光纤中只允许1个模式存在，能否通过外界激励获得2个模式传播？4.“纵横关系式”有何作用？5.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。 31.说明从波动方程到波导场方程两次分离变量的依据。2.波导场方程具有什么样的数学特征？3.说明光线在SIOF和GIOF中的轨迹曲线是什么样的。4.传播常数的的物理意义是什么。5.说明V、U、W参数的物理意义及其相互关系。6.说明光波导数值孔径的物理意义7.子午光线的主要特征是什么? 8.光线时延差影响光通信的什么性能？9.在什么条件下才可以唯一确定光波导中的模式？10.在纤芯和包层中选取的贝赛尔函数分别具有什么数学特征？ 1. SIOF波导场方程具有什么数学特征？2.写出SIOF中波导场方程的解。3.写出SIOF中导模场的切向分量。4.写出SIOF中推导本征值方程的主要数学步骤。5.写出SIOF中TE01、TE02、TE03在临近截止和远离截止时的本征值。6.为什么Vc2.405只适应于SIOF？ 1. GIOF的数值孔径有何不同?2.分别说明内散焦面、外散焦面、辐射散焦面的物理意义。3.为什么GIOF又称为“折射型”光纤？4. GIOF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。 1.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。2. SIOF与GIOF中哪个导模数目更多？3.已知平方率分布光纤V=2，求基模模场半径。4.写出平方率分布光纤中LP10,15模式的本征值。5.说明高斯近似最大激发效率判据的物理意义。6.说明等效阶跃光纤近似的物理意义。 61.自聚焦透镜与球透镜成象的异同点?常用的自聚焦透镜有哪几种?2.如图1所示的光纤耦合器 ,L为1/2耦合长度,计算input 1=100mw, input 2=0mw求 output 1,output 2各为多少? input1=50mw, input2= 50mw,且波长相同,求output1 为多少? 图1 标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度 6 nm，传输10 公里距离，色散脉冲展宽值为 : D = 17ps/nm/km 6 nm 10 km = 1020 ps对于 1 Gbps速率的光脉冲，脉宽约为 1 ns. 如果脉冲展宽达到脉宽的20，则系统将不能工作。上述情形显然不适合于1 Gbps速率，因为脉冲展宽已经达到100；但是对于 155 Mbps速率系统没有问题，因为 其脉冲宽度为 6.5 ns，20的展宽为1300ps。如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展宽值为 : D = 17ps/nm/km .02 nm 10 km = 3.4 ps显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。 模拟考试一、选择题（下列各题四个备选答案中只有一个正确答案，请将其代号写在题干前面的括号内。每小题1.5分，共30分）二、简答题（每小题5分，共20分）三、设计题（每小题10分，共20分） 四、计算题 (共30分) 选择题1 有关光纤中传输的模式，下列哪一个命题是错误的？ A ：对于结构参数给定的光纤，其中传输的模式是唯一确定的； B：TE01、TM01和HE21模具有相同的截止频率； C：每一个模式都有自己对应的截止频率； D：HE11模是唯一不能截止的模式。 选择题2光纤中能够支持的模式由光纤波导本身决定，但光纤中能够激励出的模式与很多因素有关，问光纤中实际能够激励出的模式与下列哪些因素无关： A、入射光源的光功率； B、入射介质的折射率； C、光的入射角； D、入射点的位置。 选择题3主模式号为14的模群中所含的精确模式总数为： A、14； B、26； C、28； D、7 选择题4通常将光纤通信划分为三个传输窗口，其主要原因是： A、光纤的弯曲损耗； B、OH吸收损耗； C、过渡金属离子吸收； D、瑞利散射损耗。 选择题5线偏振模的模斑为： A、径向亮斑数为2m，角向亮斑数为 l，而且中心为暗； B、径向亮斑数为m，角向亮斑数为2l，而且中心为暗； C、径向亮斑数为2l，角向亮斑数为m，而且中心为亮； D、径向亮斑数为l，角向亮斑数为2m，而且中心为亮。 选择题6光纤的损耗是由许多不同因素造成的，其中不可能消除的因素是： A、弯曲损耗； B、OH吸收； C、过度金属离子吸收； D、瑞利散射 选择题7一光信号在光纤中传播了5000m,功率损耗了15%，该光纤的损耗是 A、0.14dB/km； B、0.71dB/km； C、0.64dB/km； D、0.32dB/km。 选择题8对于1330nm的单模光纤，当入射光中心波长为1550nm，光谱宽度为10nm时，不可能存在的色散是哪一个？ A、模间色散； B、材料色散； C、波导色散； D、偏振模色散。 选择题9数值孔径NA是光纤的一个重要参数，下列哪些命题是错误的？ A、NA越大，光纤的收光能力越大； B、NA越大，光纤的收光角越大； C、NA越大，光源与光纤的耦合效率越高； D、NA越大，多模光纤的模式色散越小。 选择题10下列光纤的色散，由小到大的排列次序为： A、多模的GIOF、多模SIOF、单模光纤； B、多模SIOF、多模的GIOF、单模光纤； C、单模光纤、多模的GIOF、多模SIOF； D、多模SIOF、单模光纤、多模的GIOF 选择题11以下那一种是非零色散位移光纤： A、G655光纤； B、G653光纤； C、G652光纤； D、G651光纤。 选择题12有关光纤中的色散论述错误的是： A、色散的存在使光纤通信系统的传输速率降低、传输容量变小； B、色散位移的目的是使零色散波长与最低损耗波长一致； C、正色散的光纤使光脉冲展宽，而负色散的光纤使光脉冲压缩，所以，负色散的光纤也成为色散补偿光纤； D、通过适当调整光纤波导的结构参量可使波导色散和材料色散互相抵消 选择题13以下关于自聚焦透镜论述错误的是： A、0.25节距的GRIN的物方焦点在透镜入射平面上 B、0.25节距的GRIN，同一点离轴入射，出射仍为平行光线 C、0.25节距的GRIN，不同入射点的斜平行线入射，出射位置不同； D、自聚焦透镜的长度一般以节距来表示。 选择题14下列光波长不属于通常所说的光纤的三个传输窗口是： A、0.85mm； B、1.31mm； C、1.48mm； D、1.55mm。 选择题15有关G.652光纤，以下命题哪个是错误的： A、工作在1310nm波长时，损耗是通信容量的主要限制因素； B、工作在1550nm波长时，色散是通信容量的主要限制因素； C、工作在1550nm波长时，损耗与色散均是通信容量的主要限制因素； D、工作在850nm波长时，损耗与色散均是通信容量的主要限制因素； 选择题16标准单模光纤纤芯直径一般为： A、10mm B、10 nm C、80 mm D、100 nm 选择题17关于光纤连接损耗，以下那一种说法是错误的： A、光纤间的连接损耗与光的传输方向无关； B、对于单模光纤，模场半径的不匹配是光纤损耗主要因素； C、通过充以折射率匹配液，可大大降低光纤端面间菲涅尔反射损耗； D、多模光纤的连接损耗可用几何光学进行分析计算。 选择题18有关光纤光栅的命题，哪一个是不对的： A、光纤光栅的理论基础是模式耦合理论； B、长周期光纤光栅可应用于OADM中； C、长周期光纤光栅可用作EDFA的增益均衡； D、Bragg光纤光栅可应用于光纤激光器中。 选择题19光时域反射仪（OTDR）不能够完成的功能有： A、光纤端面的判断； B、光纤色散大小的测量； C、光纤断点的判断； D、光纤长度的测量。 选择题20以下命题哪个是错误的： A、掺铒光纤激光器中谐振腔是不可缺少的； B、EDFA与掺铒光纤激光器的工作机理均为受激辐射； C、EDFA的增益与泵浦功率大小有关； D、EDFA的增益与信号光功率大小无关。 设计题1请用如下器件：980/1550nm的波分复用耦合器、2/8 Y型耦合器、光环形器、光纤隔离器、Bragg光纤光栅、980nm半导体激光器、一段掺铒光纤，单模光纤若干米，分别构成光纤放大器与激光器，画出结构示意图，并简单介绍工作原理 。 设计题2有一卷大约几十公里长的光纤需要测量其长度，现有一段100米可以测试的光纤与需测量的光纤具有相同的参数，试设计三种测量方法用以测量光纤长度 。 计算题1某光纤出现故障，用OTDR仪表进行测量。OTDR发射的周期性矩形脉冲的宽度10ns，测得光脉冲从光纤始端返回光纤始端的时间为3s，已知光纤纤芯折射率n1=1.5，（1）问此光纤故障点距始端距离有多长？（2）该OTDR判断故障点的误差为多少？（3）若OTDR能测的损耗范围为32dB,想用它测试78 km的光缆线路，光缆的衰减系数为0.3 dBkm，问OTDR能否看到末端的衰减曲线？ 计算题2某抛物线分布光纤，n1=1.5，=0.001，纤芯直径2a=50m，当用波长0=0.85m的光激励时，试求： （1）光纤的最大数值孔径；（2）光纤的截止波长；（3）基模的模场半径；（4）模式总数。