第2章 光纖與導(dǎo)光原理教案.doc

天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院教案紙題目：第2章 光纖與導(dǎo)光原理（1）講授內(nèi)容提要：2.1 光的基本性質(zhì)一、光的電磁理論 二、光的基本性質(zhì)三、光的傳播原理 教學(xué)目的：1、了解光的電磁理論2、掌握光的基本性質(zhì)3、掌握光傳播過程的基本現(xiàn)象教學(xué)重點(diǎn)： 1、光的基本性質(zhì)2、光的傳輸原理教學(xué)難點(diǎn)：1、F-P干涉儀 2、光的傳播原理采用教具和教學(xué)手段：PPT課件與板書結(jié)合授課時(shí)間： 年 月 日 授課地點(diǎn)： 1 教學(xué)樓 416 教室注：此頁為每次課首頁，教學(xué)過程后附；以每次（兩節(jié)）課為單元編寫教案。天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院教案紙2.1 光的基本性質(zhì)一、光的電磁理論 P8-101、光是物質(zhì)無線電波、光、射線 -頻率f（波長）不同（利用無線電波頻譜圖進(jìn)行說明，講清光纖通信所用波長范圍）2、基本參數(shù)波長、頻率f（）、波(光)速c、能量（光強(qiáng)I）C=.f3、波動方程：E=E0 cos(tkZ+)時(shí)域：隨t作正弦規(guī)律變化空間域：X、Y、Z、K（波矢量）二、光的基本性質(zhì)1、光是橫波（定義：橫波、縱波-振動方向、傳播方向）2、E、H的相位關(guān)系-同相3、E、H的幅值關(guān)系-成正比4、光速-（真空、空氣、介質(zhì)中的傳播速度不同）5、光強(qiáng)I= P10 （2-1-25）三、光的傳播原理1、光的反射與折射反射：入射角=反射角 法線折射：sini/ sint=v1/v2 = 常數(shù)注：反射、折射-光的可逆性2、全反射TIR(Total Internal Reflection)材料的折射率n，比較i與t的大小，只有ti（即n2n1）才可能全反射。（提出臨界角的概念）臨界角是哪個角（入射、反射、折射）什么時(shí)候的入射角？3、折射率與Snell定律折射率n：sini/ sint=v1/v2 v1用真空中的c,即sini/ sint=v1/v2 =c/v=n（該材料的折射率） n1Snell定律：即sini/ sint=v1/v2=（c/ v2）/(c/ v1)=n2/n1- Snell定律4臨界角c由sini/ sint= n2/n1t=900時(shí)，i=c 則c =sin-1(n2/n1)天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院教案紙題目：第2章 光纖與導(dǎo)光原理（2）講授內(nèi)容提要：2.1 光的基本性質(zhì)四、光的相干性 五、光的偏振六、光的吸收、色散、散射 教學(xué)目的：1、了解光矢量的概念，相干波的條件2、掌握F-P干涉儀的結(jié)構(gòu)和原理3、掌握自然光的啟偏和檢偏方法4、掌握光的吸收和散射的定量計(jì)算教學(xué)重點(diǎn)： 1、F-P干涉儀的結(jié)構(gòu)和原理2、光的吸收和散射的定量計(jì)算教學(xué)難點(diǎn)：光纖的損耗及色散采用教具和教學(xué)手段：課件與板書結(jié)合授課時(shí)間： 年 月 日 授課地點(diǎn)： 1 教學(xué)樓 416 教室注：此頁為每次課首頁，教學(xué)過程后附；以每次（兩節(jié)）課為單元編寫教案。天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院教案紙四、光的相干性1、光矢量感光、生理作用-E-光矢量（H隱含）2、光的相干性相干波：頻率相同、振動方向相同、相位相同（或保持一個固定值）干涉：相長干涉（同相位） 相消干涉（反向）3、F-P干涉儀的結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)：性能參數(shù)五、光的偏振1、自然光與偏振光線偏振 偏振面 自然光的表示方法2、啟偏 檢偏偏振片的結(jié)構(gòu)與作用馬呂斯定律：I=I0cos2六、光的吸收、色散、散射1、吸收：布格爾定律：I = I0e-L吸收系數(shù) 傳播距離L 作業(yè)：P51 2-112、散射n=n()- 正常色散： 反常色散3、散射：I = I0e-L：I = I0e-（+）L天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院教案紙題目：第2章 光纖與導(dǎo)光原理（3）講授內(nèi)容提要：2.2 光纖的結(jié)構(gòu)和類型教學(xué)目的：1、了解信號傳輸對傳輸材料的基本要求；2、了解光纖的結(jié)構(gòu)和類型；3、掌握光纖折射率分布對模間色散的影響；4、掌握光纖接收角的計(jì)算方法；5、掌握數(shù)值孔徑、相對折射率差的概念與計(jì)算方法。教學(xué)重點(diǎn)： 1、光纖的結(jié)構(gòu)與類2、光纖結(jié)構(gòu)對傳輸特性的影響；3、光纖的主要參數(shù)，數(shù)值孔徑、相對折射率差、光纖接收角的計(jì)算。教學(xué)難點(diǎn)：1、光纖結(jié)構(gòu)及折射率的分布2、光纖接收角的分析計(jì)算采用教具和教學(xué)手段：板書與PPT結(jié)合，科普視頻（光纖通信）授課時(shí)間： 年 月 日 授課地點(diǎn)： 1 教學(xué)樓 416 教室注：此頁為每次課首頁，教學(xué)過程后附；以每次（兩節(jié)）課為單元編寫教案。天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院教案紙2.2 光纖的結(jié)構(gòu)和類型一、信號傳輸對光纖的要求1、對傳輸光纖的要求傳輸衰減小、波形失真小、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸容量大2、目前的常用傳輸介質(zhì)電線電纜 光纖光纜 空中電磁波 Fiber 是最好的傳輸材料二、光纖的結(jié)構(gòu)和類型1、結(jié)構(gòu)纖芯-光路包層-反射面涂覆層-保護(hù)光纖導(dǎo)光過程，纖芯、包層作用示意圖 P53光源位置n0 （） 、入射角n1 （i ）、 反射角n1 （r ）折射角n2 （t）2、種類原材料分：石英光纖：(GeO2.SiO2和P2O5做纖芯，用B2O3.SiO2做包層)玻璃、塑料折射率徑向分布：階躍：芯- n1 包層- n2漸變：芯-n（r） 包層- n2模式數(shù)量分：單模 多模三、常見光纖性能比較G651-多模光纖G652-5-各種單模光纖四、光纖的接收角1、接收角的概念接收角、入射角、反射角、最大接收角、法線位置-分清折射率：n0、n1、n2-分清Snell定律（兩次）2、擴(kuò)大接收角的意義與方法五、光纖的重要參數(shù)1、相對折射率差定義：=(n12-n22) /2n12為階躍型光纖相對折射率差， 是光纖的一個重要參數(shù)。相對折射率差的計(jì)算結(jié)論： =(n1-n2) /n12、數(shù)值孔徑NANA=( n12-n22)1/2NA=( n12- n22) = sin max n1 (2)1/2 數(shù)值孔徑取值范圍在0.10.3之間。本地?cái)?shù)值孔徑NA(r)= n(r)2-n(a)21/2今日作業(yè)(上交)天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院教案紙題目：第2章 光纖與導(dǎo)光原理（4）講授內(nèi)容提要：2.3 光纖的傳輸特性 一、分析方法說明 二、光的波動理論 三、光在光纖中傳輸模式及基本計(jì)算 四、模場分布五、光纖的損耗特性 六、光纖的色散特性教學(xué)目的：1、了解光纖內(nèi)的傳輸模式的概念；2、掌握光纖V參數(shù)的含義及計(jì)算方法；3、掌握光纖的損耗及色散的計(jì)算方法。教學(xué)重點(diǎn)： 1、掌握光纖V參數(shù)的含義及計(jì)算方法；2、掌握光纖的損耗及色散的計(jì)算方法。教學(xué)難點(diǎn)：1、光纖V參數(shù)概念的引入及計(jì)算方法；2、光纖色散概念及計(jì)算方法。采用教具和教學(xué)手段：板書與PPT結(jié)合授課時(shí)間： 年 月 日 授課地點(diǎn)： 1 教學(xué)樓 416 教室注：此頁為每次課首頁，教學(xué)過程后附；以每次（兩節(jié)）課為單元編寫教案。天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院教案紙2.3 光纖的傳輸特性一、分析方法說明1、幾何光學(xué)(射線光學(xué))入射角i大于臨界角c的光線，才能在纖芯與包層的反射面處形成全反射；不同路徑的光波在光纖內(nèi)只有相長干涉，才能在光纖中傳輸。2、注意(1)對于多模光纖，d/遠(yuǎn)大于波長(d=50-100m，=0.83m)，可用幾何光學(xué)分析。(2)對于單模光纖，d/與波長在同一個數(shù)量級， （d=8.3m，=1.55m），就必須用波導(dǎo)理論來分析導(dǎo)光原理和傳輸特性。二、光的波動理論 1、E:電場強(qiáng)度 D=E:電感強(qiáng)度2、H:磁場強(qiáng)度 B= H:磁感應(yīng)強(qiáng)度3、波阻抗 Z0=(0/0)1/2 =377 三、光在光纖中傳輸模式1、歸一化變量 U W-b V2、光纖的V參數(shù)V=2a( n12- n22)/=2a n1 (2) 1/2/=2a NA/3、光纖的截止波長cc=2a( n12- n22)/2.4054、標(biāo)量模LPmn m表示沿圓周方向光場出現(xiàn)最大值的對數(shù)； n表示沿半徑方向光場出現(xiàn)最大值的個數(shù).5、階躍光纖的傳輸 當(dāng)V2.405時(shí)，只有基模LP01傳輸?；P01對所有的V參數(shù)都存在，是永不截止的模式，因此稱LP01為基?；蛑髂?；當(dāng)光纖的V參數(shù)為2.405V7時(shí)，再按NV2/2計(jì)算。四、模場分布 1、單模光纖場分布：模場直徑：MFD=2a+2 MFD2a(V+1)/V 2、模場圖基本計(jì)算：例2-3-例2-6五、 光纖的損耗特性1、衰減系數(shù)衰減= 10lg(Pin/ Pout) (dB)衰減系數(shù)L = /L=10lg(Pin/ Pout) /L （dB/km）2、光纖的損耗原因吸收損耗 散射損耗 輻射損耗 外套損耗3、光纖通信的低損耗窗口 第一低損耗窗口短波長