現(xiàn)代光電子技術(shù) (全套研究生教學(xué)教案)

第一講光學(xué)發(fā)展史（3學(xué)時）參考書物理學(xué)史引言古代光學(xué)發(fā)展史古希臘歐幾里德《幾何原本》《反射光學(xué)》、托勒密《光學(xué)》：幾何光學(xué)基本現(xiàn)象幾何光學(xué)時期幾何光學(xué)的建立開普勒研究折射定律，入射角與折射角不成正比，發(fā)現(xiàn)全反射荷蘭斯涅爾定律：n1sin1=n2sin2笛卡爾的解釋：微粒說，光密中速度快法國費馬解釋：費馬原理，最?。O值）光程原理。光的微粒說與波動說－本性認識微粒說：笛卡爾－牛頓波動說：荷蘭惠更斯波動光學(xué)時期1801年Tomas.Young貢獻：雙縫實驗。法國Fresnel貢獻：惠更斯－菲涅爾原理1818年法國科學(xué)院征文，證明光的微粒說，菲涅爾提交論文。法國馬呂斯提出偏振：馬呂斯定律楊、菲涅爾、阿拉果合作研究偏振光干涉實驗，提出光是橫波。1850年傅科測量水中光速，波動說最后勝利。物理光學(xué)時期麥克斯韋（Maxwell）電磁理論電磁波－矢量亥姆霍茲方程（赫茲實驗驗證）電磁波譜（長波、中波、短波、微波、紅外、可見光、紫外、X射線、射線）菲涅爾公式（電磁場邊界條件）B和D法向方向連續(xù)，E和H切向方向連續(xù)菲涅爾公式以及折射和反射時和振幅（強度）比，n相差越大，反射越多菲涅爾反射：水2%，玻璃4%，鉆石15%左右經(jīng)典光學(xué)建立在電磁學(xué)豐厚土壤上，9世紀末基本成熟現(xiàn)代光學(xué)及現(xiàn)代物理學(xué)19世紀末經(jīng)典物理的成就經(jīng)典物理學(xué)危機邁克爾遜－莫雷實驗、黑體輻射實驗、光電效應(yīng)實驗等。量子論黑體輻射實驗（維恩輻射公式）短波符合（瑞利－金斯公式）長波符合，紫外災(zāi)難1900年德國普朗克公式德國普朗克公式的解釋－量子假說1905年愛因斯坦光量子假說，解釋光電效應(yīng)康普頓散射實驗1913年丹麥玻爾原子模型（電子軌道量子化，能量量子化，頻率量子化）量子力學(xué)的誕生1923法國德布羅伊波粒二象性（1927年戴維遜－革未實驗驗證電子衍射）1925年德國海森堡建立矩陣力學(xué)（矩陣力學(xué)，對易原理，量子力學(xué)誕生、測不準原理）1926年奧地利薛定諤創(chuàng)立波動方程（借鑒哈密頓方程）（物質(zhì)波意義，玻恩統(tǒng)計解釋）量子力學(xué)應(yīng)用（激光理論，激光器）相對論的誕生邁克爾遜－莫雷實驗的目的及意義（Maxwell方程組不滿足協(xié)變，x/=x+vt，只適用于絕對參照系－以太）當時認為光速是相對于絕對坐標系的速度（邁克爾遜－莫雷實驗測試光速相對地球的速度，但無法測出，即無法證實以太漂移）荷蘭洛倫茲貢獻－修正坐標變換（洛倫茲變換）（但認為存在絕對時間）法國彭加勒貢獻（提出光速在真空中不變，認為絕對運動不存在，但未拋棄以太）愛因斯坦狹義相對論（1905年提出，同年獲蘇黎世大學(xué)博士）（如何統(tǒng)一光速不變原理和相對性原理，絕對時間空間）（四維空間，間隔不變－因果關(guān)系）（Sagnac效應(yīng)證明）愛因斯坦獨立創(chuàng)建廣義相對論（引力問題，慣性參照系－所有參照系）（廣義協(xié)變，引力引起時空彎曲）激光的誕生1917年愛因斯坦《關(guān)于輻射的量子力學(xué)》，預(yù)言受激輻射1954年微波量子放大器出現(xiàn)（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）1958年肖洛、湯斯提出激光建議1960年梅曼制作第一臺紅寶石激光器，激光誕生1961年氦氖激光器（連續(xù)運轉(zhuǎn)）1962年半導(dǎo)體激光器1964年氬離子激光器、二氧化碳激光器、釹玻璃激光器激光特點高簡并度、高相干性、高亮度、方向性好激光理論原子與光的相互作用經(jīng)典（偶極子、電磁波）、半經(jīng)典（原子能級、電磁波）、全量子（原子能級、場振子）現(xiàn)代光學(xué)分支儀器光學(xué)幾何光學(xué)為主，以計算機輔助設(shè)計為主（CAOD5、Optiwave、Rsoft、Zmax）現(xiàn)代光學(xué)儀器：相干檢測技術(shù)，激光測距儀，光度計、光譜分析儀等薄膜光學(xué)波動光學(xué)菲涅爾公式增透膜、冷光膜、DWDM及GFF紅外光學(xué)紅外夜視儀、溫度傳感器微光學(xué)（MOMES）MEMES、光纖器件（隔離器、環(huán)形器、濾波器等）、納米技術(shù)導(dǎo)波光學(xué)、集成光學(xué)、光纖光學(xué)波導(dǎo)：微波與光，條形波導(dǎo)與光纖；LiNbO3，SiO2，GaAs；Y波導(dǎo)、外調(diào)制器、生化（物）及醫(yī)用光學(xué)信息光學(xué)及全息術(shù)物、像、傳遞函數(shù)，透鏡的Fourier變換特性、白光全息術(shù)光計算光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)及光開關(guān)自適應(yīng)光學(xué)儀器光學(xué)與微機電結(jié)合，自動反饋及控制非線性光學(xué)P與E的非線性，n與E的關(guān)系（克爾效應(yīng)），Stokes光（Raman及Bruion散射）光通信

第二講光的干涉及衍射（3學(xué)時）參考書Goodman統(tǒng)計光學(xué)波動光學(xué)：干涉和衍射衍射理論：惠更斯－菲涅爾原理：光線基本傳播規(guī)律，物象變換關(guān)系波長越短，直線性越好(P)(P/)rzx0、y0x(P)(P/)rzx0、y0x、y（r>>）菲涅爾近似：（＝0，z>>x,y）菲涅爾衍射：除相位因子，象是物的空間傅里葉變換：空間頻率，信息光學(xué)的基礎(chǔ)夫瑯和費近似：（相位因子=1）：象是物的二維空間傅里葉變換，透鏡的成象夫瑯和費單縫圓孔衍射：夫瑯和費圓孔衍射：（sin=0.61/RAiry斑84%，衍射極限）：孔徑限制分辨率單縫衍射統(tǒng)計特性：幾率波光波的相干性（分振幅－時間和分波面－空間）時間相干性邁克爾遜干涉儀（Mach-Zender干涉儀）K1=K2=1時：。為自相干函數(shù)。復(fù)相干度：0<()<1，復(fù)數(shù)部分為相位差。由光源時間相干性（光源的光譜）決定光譜對時間相干性的影響對于Gauss線型光源對于Lorentzz線型光源對于矩型光源相干時間及相干長度對于Gauss線型光源對于Lorentzz線型光源對于矩型光源一般定義相干長度為空間相干性Young氏雙縫實驗QQＰ1r2Ｐ2r1S不考慮時間相干性，考慮非相干光源互相干性的傳播（VanCittert-Zernike定理）相干面積光源尺寸越小，距離越遠，相干面積越大。分析Young氏雙縫實驗（光源大小、縫距離、光源與縫的距離）激光的優(yōu)點具有好的時間相干性和空間相干性第三講輻射理論（3學(xué)時）參考書沈柯《激光原理教程》（一、二、三章）激光發(fā)展簡介光和物質(zhì)（原子）的相互作用，電子躍遷引起發(fā)光（紅外，可見、紫外）理論基礎(chǔ)：經(jīng)典電磁學(xué)、原子物理、量子力學(xué)1917年愛因斯坦《關(guān)于輻射的量子力學(xué)》，預(yù)言受激輻射，光放大的可能（Laser）1954年微波量子放大器出現(xiàn)（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）1958年肖洛、湯斯提出激光建議1960年梅曼制作第一臺紅寶石激光器，激光（現(xiàn)代光學(xué)）誕生激光理論簡介（電磁場和原子的相互作用）經(jīng)典：偶極子、電磁波。很少用半經(jīng)典：量子力學(xué)（原子能級）、電磁場。常用全量子：量子力學(xué)（原子能級）、量子電動力學(xué)（電磁場量子化、場振子）。少用速率方程：最常用輻射量度學(xué)和光度學(xué)的一些概念輻射量度學(xué)光度學(xué)輻射能量（W）=683lm(.555)光通量（流明lm）輻射強度（W.sr-1）發(fā)光強度（坎德拉cd=lm.sr-1）輻射亮度（W.m-2sr-1）光亮度（cd.m-2）（不能提高）輻射照度（W.m-2）光照度（勒克斯lx=lm.m-2）黑體輻射實驗及Plank公式光的模式及量子狀態(tài)（g非常大）波動特性（Maxwell方程的一個解）：由邊界條件決定量子狀態(tài)：（由測不準原理決定）h3為六維空間的一個相格（每個光子的體積）。三維動量空間光子簡并度每個狀態(tài)的平均光子數(shù)，服從玻色－愛因斯坦統(tǒng)計（玻色子和費米子），10-3－10-5Plank公式（一定頻率范圍內(nèi)的能量分布）光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射（速率方程）EE2E1h21=E2-E1d21自發(fā)輻射（阻尼振蕩）－自發(fā)輻射速率受激吸收及受激輻射（強迫振蕩）－受激吸收（輻射）速率愛因斯坦對Plank公式的解釋及愛因斯坦系數(shù)的關(guān)系光譜線的線型及寬度（共振，受激輻射系數(shù)與譜線形狀的關(guān)系）線型函數(shù)（Fourier變換，時域/頻域）自然寬度及碰撞加寬（洛倫茲函數(shù)）e-t都普勒加寬（高斯函數(shù)）均勻加寬和非均勻加寬（所有原子及部分原子）均勻加寬：所有工作物質(zhì)對光譜線函數(shù)都用相同的貢獻，例如自然線寬及碰撞加寬都屬于均勻加寬，其線型函數(shù)為洛倫茲函數(shù)。非均勻加寬：某一部分工作物質(zhì)只對光譜線函數(shù)中某一頻率有貢獻，都普勒加寬屬于非均勻加寬，其線型函數(shù)為高斯函數(shù)。非均勻加寬會產(chǎn)生增益燒孔效應(yīng)，會導(dǎo)致激光器的多模振蕩。氣體激光器：均勻加寬或都普勒加寬固體及晶體激光器：庫倫力引起非均勻加寬晶體激光器：增益和損耗激光實際上是一種光放大：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation光在介質(zhì)中的損耗：（布格爾定律）原因：受激吸收和受激輻射，自發(fā)輻射的影響要小一二個數(shù)量級?？紤]：v=dz/dt，B12=B21：光在介質(zhì)中的增益系數(shù)：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（負溫度狀態(tài)）玻爾茲曼分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)率三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)兩能級系統(tǒng)不可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（Ｎ2不可能大于Ｎ1）泵浦、亞穩(wěn)態(tài)（壽命ms量級）、一般激發(fā)態(tài)（壽命10ns量級）三能級系統(tǒng)E1E2激光下能級激光上能級（亞穩(wěn)態(tài)）E3E1E2激光下能級激光上能級（亞穩(wěn)態(tài)）E3EE3E2E4激光上能級（亞穩(wěn)態(tài)）激光下能級E1四能級系統(tǒng)

比值為100（紅寶石），盡量選擇四能級系統(tǒng)第四講光的增益特性（3學(xué)時）參考書沈柯《激光原理教程》（第三章）光在物質(zhì)中的傳輸增益或吸收由上下能級的粒子數(shù)決定通常物質(zhì)表現(xiàn)為吸收，實現(xiàn)增益必須由外部泵浦打破平衡，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)三能級或四能級系統(tǒng)，泵浦頻率要大于輻射頻率泵浦方式：光泵浦或電泵浦增益曲線與原子輻射譜曲線相同增益飽和三能級系統(tǒng)的速率方程組：當泵浦光為零時：其中：，完全吸收；，光強不變令：增益/頻率曲線，小信號增益系數(shù)，飽和光強，增益均勻下降增益由反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的濃度決定非均勻加寬與增益燒孔效應(yīng)非均勻加寬情況，Ｎ與有關(guān)，將出現(xiàn)增益燒孔現(xiàn)象放大自發(fā)輻射（超發(fā)射光、ASE光）用途：光纖陀螺、PMD測試、白光干涉儀、濾波器等形成過程：雙向過程ＩASE－ＩASE＋ASE－ASE＋泵浦光光強z=0閾值長度最佳長度LＩASE－ＩASE＋ASE－ASE＋泵浦光光強z=0閾值長度最佳長度L正反向熒光光強變化關(guān)系（先計算各點粒子數(shù)反轉(zhuǎn)率）熒光光強與長度的關(guān)系閾值長度。大于閾值長度線性關(guān)系。SLD光源PP型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體PN結(jié)（有源區(qū)）SLD光源為超發(fā)射發(fā)光二極管，其發(fā)光特性介于半導(dǎo)體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）之間。它的光譜特性類似LED，但輸出功率要大很多。SLD光源照片及內(nèi)部結(jié)構(gòu)SLD管腳1、8之間是致冷電阻，2、3為熱敏電阻，4、5之間是發(fā)光管。主要指標尾纖出纖功率中心波長及光譜寬度光譜調(diào)制度（Ripple）在對數(shù)坐標下測出光譜曲線上峰值波長與鄰近模式極小值處的光強Pmax、Pmin，待測器件的光譜調(diào)制度m為：尾纖偏振串音SFS光源ASE光源結(jié)構(gòu)摻鉺光纖摻鉺光纖980nm激光器IPＩASE＋×WDM1ＩASE－×熔接點熔接點1端2端WDM2×熔接點熒光光強：斜率效率，單向可達10mW光譜：不平坦，1532nm峰值，譜寬5nm，希望20－30nm增益平坦濾波器（GFF）加長周期光柵，反射GFF：薄膜技術(shù)，微金屬化封裝平坦度0.1dB左右，但與泵浦功率有關(guān)第五講激光諧振腔及高斯光束（3學(xué)時）參考書周炳琨《激光原理》（第二章）放大自發(fā)輻射（ASE）單程放大，屬于熒光性質(zhì)，模式較多諧振腔濾波諧振腔種類：平面平等腔（F－P腔）、共焦腔、高損耗腔、環(huán)形腔、復(fù)合腔等諧振腔的作用：濾波，減少光的模式諧振腔駐波條件縱模及振蕩頻率：駐波條件/2諧振腔（反射腔）本征頻率環(huán)形腔本征頻率自由光譜范圍（FSR）（FreeSpaceRange）反射腔：環(huán)形腔：激光縱模對于Ｌ為1米，F(xiàn)SR＝1.5108Hz，對應(yīng)，=2/2L=0.0002nm多縱模振蕩氣體激光器（He-Ne）：=109，L=1m，F(xiàn)SR=1.5108，7縱模固體激光器（紅寶石）：=61010，L=3－4半導(dǎo)體激光器：=100nm，=51013，L=0.諧振腔內(nèi)的增益與損耗－激光建立開始：穩(wěn)定：均勻加寬：單縱模振蕩非均勻加寬：多縱模振蕩諧振腔內(nèi)的光場－衍射的自再現(xiàn)菲涅爾－基爾霍夫衍射積分自再現(xiàn)條件方形鏡腔內(nèi)光場（直角坐標系下分離變量法）－橫模的概念：高斯光束厄米－高斯函數(shù)（TEMmn）基模高斯函數(shù)（TEM00）TEMTEM00TEM10TEM01TEM01TEM11高階橫模（TEMmn）圓形鏡腔內(nèi)光場（柱坐標系下分離變量法）拉蓋爾－高斯函數(shù)TEMTEM00TEM02TEM20TEM01TEM10高階橫模（TEMmn）基模高斯光束傳輸－遠場發(fā)散角zrzrL=2F0光場分布（沿z方向傳輸）腰的傳播變粗、腰越大，發(fā)散角越小。如何理解高斯光束：光場分布高斯光束的變換矩陣光學(xué)：幾何光學(xué)，偏振態(tài)（Jones矩陣），薄膜光學(xué)，高斯光束（比較幾何光學(xué)）自由空間矩陣：，薄透鏡矩陣：ABCD定律：高斯光束的自由空間的變換薄透鏡對基模高斯光束的變換物象關(guān)系l=時：l/=F；l=F時：l/=F高斯光束的聚焦及準直（望遠系統(tǒng)）光斑越小，角度越大；反之亦然第六講激光功率及光譜特性（3學(xué)時）參考書周炳琨《激光原理》激光器的閾值PPth（Ith）PP（I）閾值條件（增益大于損耗）閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度（光強觀點）閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度（光子觀點）紅寶石激光器：1017/cm-3；釹玻璃激光器：1018/cm-3；YIG激光器：1016/cm-3三能級系統(tǒng)閾值功率只和工作物質(zhì)有關(guān)，四能級系統(tǒng)閾值功率還和損耗有關(guān)閾值電流，飽和功率（光強）激光的建立源于自發(fā)輻射，1個光子－2個光子－4個光子，在諧振腔中實現(xiàn)放大；通過模式競爭，最后為單?；蚨鄠€模式。建立過程為ns量級。激光器的光譜特性自發(fā)輻射譜寬（線型函數(shù)g()）諧振腔自由光譜范圍FSR無源諧振腔的譜寬激光器（有源腔）的譜線寬度有源諧振腔理想譜線寬度應(yīng)為零譜寬由自發(fā)輻射引起，增益小于損耗，有限波列長度（阻尼振蕩）He-Ne激光器為10-3Hz量級，為線寬極限FP半導(dǎo)體激光器（1nm/100GHz）、DFB激光器（0.1nm/10GHz－10MHz）、DBR激光器（<1M）光纖激光器kHz與諧振腔本征模寬度（增加腔長）平方成正比，與輸出功率成反比單模激光器的輸出功率00I+I-ILG=3.0G=3.0300.20.40.60.81.0TIo/Is21=0=0.1=0.2=0.3=0.5輸出光功率與透過率之間的關(guān)系0.30246810GTm0.20.1=0.1=0.005=0.01=0.05最佳透過率與增益和損耗之間的關(guān)系激光器的最佳透過率激光器的噪聲相位噪聲：強度噪聲：散粒噪聲（ShotNoise）和拍頻噪聲噪聲由自發(fā)輻射引起激光的注入鎖定選模技術(shù)橫模選擇減小菲涅爾數(shù)（N=S/L），加光闌，非穩(wěn)腔縱模選擇減小腔長，加入復(fù)合腔（F-P腔），加濾波器、注入鎖定等環(huán)形激光陀螺（RLG）Sagnac效應(yīng)對于0.01/h陀螺，f約0.02Hz。cwcwccw模合理論，越接近，耦合系數(shù)越大。激光陀螺的“死區(qū)”及模式耦合模式耦合：對于環(huán)形腔激光器，正反行波頻率接近一定程度時，頻率會完全相同。偏頻技術(shù)：機械抖動、磁光偏頻激光器的調(diào)Q技術(shù)為了獲得超短脈沖（武器、測距、空間通信）調(diào)整腔內(nèi)損耗（Q值），得到大量反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，突然減小損耗，ns量級兆瓦級脈沖。調(diào)Q方法電光調(diào)Q（改變折射率及偏振方向）、聲光調(diào)Q（衍射，改變方向，電壓低，但速度慢）調(diào)Q時間極限（L/C）：ns量級，由腔長決定激光器的鎖模技術(shù)達到ps至fs量級千兆瓦級超短脈沖，時間為振蕩周期量級使個縱模的相位保持確定關(guān)系鎖模方式：振幅調(diào)制（f=v/2L）、相位調(diào)制第十一講平面介質(zhì)波導(dǎo)（3學(xué)時）參考書秦秉坤孫雨南《介質(zhì)光波導(dǎo)及其應(yīng)用》波導(dǎo)源于微波。傳輸及束縛。平面波導(dǎo)、條形波導(dǎo)（帶狀波導(dǎo)）和圓柱形波導(dǎo)（光纖）光線理論和波動理論（為主）。波導(dǎo)截面很?。ù笈c?。?，不可忽略波動性Maxwell方程組（適于所的波導(dǎo)），邊界條件求解。平面波導(dǎo)：一維邊界條件。條形波導(dǎo)：二維直角坐標。光纖：二維柱坐標。求解傳播常數(shù)、模式、截止波長等全反射cn2n1k1=n1k0k2=n2k0Gauss-Heisson位移數(shù)值孔徑NA（入射、出射光的角度，與耦合效率有關(guān)）波矢量k：空間傳播特性（E=E0exp[j(t-kr)]）（縱向）傳播常數(shù)（模式傳播速度、色散）折射定律另一形式：（縱向）傳播常數(shù)相同（n1sin1=n2sin2）。越大：越平行光軸橫向傳播常數(shù)Gauss-Heisson位移：類似量子力學(xué)勢阱貫穿，光纖理論及耦合理論基礎(chǔ)平面介質(zhì)波導(dǎo)d為m量級，n1>n2>n3。全反射條件：ddn2n1k1=n1k0k2=n2k0n3xzyk3=n3k0p和q分別為兩側(cè)襯底的衰減系數(shù)。1/p和1/q分別為兩側(cè)襯底的穿透深度，為波長量級。為連續(xù)解，根據(jù)Maxwell方程組及邊界條件可得到分立解。Maxwell方程組均勻折射率波導(dǎo)中，得到矢量Helmholtz方程直解坐標系求解E=Ex+Ey+Ez，H=Hx+Hy+Hz，/y＝0TE模與TM?！鶷E模（Ey、Hx、Hz：Ex=Ez=Hy=0）和TM模（Hy、Ex、Ez：Hx=Hz=Ey=0，）EEHTExz0d直角坐標分量：TE模：邊界條件：x=0及x=d處，Ey和Hz（Ey/x）連續(xù)。得到特征方程：TE模特征方程駐波條件，菲涅爾公式計算全反射相移ddn2n1n3TE0TE1TE2數(shù)值解法。h、p、q均為和k0（）的函數(shù)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及確定后即可解出。分立解（TEn）特征方程（-方程）TE2TE1TE0cn2k2n1TE2TE1TE0cn2k2n1k0截止條件截止方程：截止波長：對稱波導(dǎo)截止波長（基模截止波長為）截止厚度：對稱波導(dǎo)單模條件：TM模特征方程第十二講光纖原理（3學(xué)時）參考書秦秉坤孫雨南《介質(zhì)光波導(dǎo)及其應(yīng)用》（第二章）條形波導(dǎo)種類：LiNbO3（LiTaO3）、SiO2、GaAs。制作工藝：光刻工藝，集成光學(xué)Ti擴散工藝、質(zhì)子交換工藝芯/包層結(jié)構(gòu)：芯（core）、包層（clading）TETEMxmnTEMxmnXTEMymnTEMymnY模式：TEMxmn，TEMymn，基模：TEMx00，TEMy00。光纖簡介發(fā)展：1966年高錕博士論文，1970年美國Corning公司結(jié)構(gòu)：芯/包層/涂敷層結(jié)構(gòu)，圓柱型對稱纖芯（core）：6－9；包層（cladding）：125；涂覆層（coating）：250；250250125（n2）8（n1）種類：單模光纖、多模光纖（塑料光纖、階躍漸變）、特種光纖（保偏、耐高溫、抗輻照）制造工藝：制預(yù)制棒（MCVD、OVD、VAD）（SiO2、GeO2），拉絲光線理論子午光線與空間光纖空間光線：模數(shù)越高，離中心越遠數(shù)值孔徑NA（入射、出射光的角度，與耦合效率有關(guān)）單模光纖：(0.003-0.01)，NA(0.1-0.2),5-10；多模光纖：(0.01-0.03)，NA(0.2-0.4)；通信單模光纖：NA(0.11-0.12)、6.3、1.458/1.463、0.003、85.3保偏光纖：NA(0.17-0.18)、9.8、1.458/1.468、0.007、83.3光纖矢量解矢量Helmholtz方程算符分解為軸向和橫向分量場分解為軸向和橫向分量只有z分量滿足矢量Helmholtz方程，解Ez，Hz。Er、E、Hr、H可通過z分量導(dǎo)出分離變量法：得到：，m：角方向模式數(shù)歸一化參數(shù)（結(jié)構(gòu)參數(shù)）：其中：邊界條件求解：解U、W（）r=a處，切向分量E和H連續(xù)，特征方程只能通過數(shù)值計算求解精確波型m=0，TE、TM模（E、H可分離開）TE：E、Hr、Hz；TM：H、Er、Ez；子午光線m0：E、H無法分離開，六個分量，HE0n、EH0n模模式定義：m、n分別為切向及徑向的量子數(shù)HEmn、EHmn（HE11、HE2l、EH11、EH12……截止條件（無法滿足全反射）隨著減小，U增加，W減小。全反射條件：W＝0。m=0，TE、TM模：截止方程TE01，TM01TE02，TM02TE03，TM03U（V）2.405.528.65意義：V>U時，該模才有可能出現(xiàn)m>0，且m1，HE模HE21HE31HE41HE22U（V）2.403.835.135.52m=1，HE模HE11*（基模）HE12HE13U（V）03.837.01m>0，EH模EH11EH21EH31EH12U（V）3.835.136.387.01矢量?？偨Y(jié)EH11模沒有截止，是光纖的基模V>2.4048時，出現(xiàn)二階模HE21、TE01、TM01，V<2.4048是單模光纖要滿足的條件考慮偏振，每個模包括兩個簡并模從全反射理解模式：截止處，W=0，全反射臨界角，光線角度最大。一個模剛出現(xiàn)時，角度最大（包層能量最大），隨著V增加（芯徑增加），角度變?。芰考兄晾w芯）。小至一定程度，下一個模出現(xiàn)。線偏振模（LP模LinearPolarization、標量模）Gloge等人提出，對于光通信，不考慮振動方向，只考慮傳播速度。弱導(dǎo)（n1n1）近似下，光纖模式近似TEM模，可按直角坐標分解。Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz特征方程（r=a場分量連續(xù)）：截止方程（W=0）：矢量模與線偏振模的對應(yīng)關(guān)系V值范圍LPmn模矢量模模式數(shù)02.4048LP01HE1122.40483.8317LP11TE01、TM01、HE2143.83175.1356LP02、LP02HE12、HE31、EH1165.13565.5201LP31HE41、EH2145.52016.3802LP12TE02、TM02、HE2246.38027.0156LP41HE51、EH3147.01567.5883LP22、LP03HE13、HE3267.58838.4172LP51EH41、HE614第十三講單模光纖（3學(xué)時）參考書廖延彪《光纖光學(xué)》單模光纖的特征參數(shù)數(shù)值孔徑（NumericalAperture）影響光纖的彎曲特性測試方法：遠場掃描MFD數(shù)值孔徑（ModeFieldDiameter）采用高斯近似，光強下降為中心最大值1/e2處直徑MFD與波長有關(guān)，越大，MFD越大。1/e1/e2r=01Ir=ar=-aMFD=2ac處，MFD略大于幾何芯徑。Fibercore公司摻鉺光纖參數(shù)DF1500F-980Cut-offWavelength900nm－970nmNumericalAperture0.22－0.24ModeFieldDiameter3.5m（980nm），5.9m（1550截止波長c（CutoffWavelength）工作波長應(yīng)大于c，c一般略小于工作波長。測試方法：波長掃描幾何參數(shù)CladdingDiameter1251m/801CoreCladdingConcentricity<1CoatingDiameter24010m/160測試方法：遠場掃描、近場掃描、變孔徑、橫向位移等機械參數(shù)ProofTest＞1%（100kpsi)單模光纖的損耗（attenuation）0.2dB/km吸收（本征吸收、紅外吸收、紫外吸收、重金屬吸收、OH－吸收）、瑞利散射（天空顏色）、波導(dǎo)缺欠等損耗的定義及計算：3dB/50%；10dB/10%。目前水平：0.2dB/km@1550nm、0.3dB/km@1300nm光纖的色散（dispersion）速度延遲，決定通信系統(tǒng)帶寬模色散多模光纖中最主要的色散材料色散n=n()：增大，n變小，速度增加。波導(dǎo)色散=()：增大，變小，速度變小。材料色散和波導(dǎo)色散可以相互抵消，1.3m零色散（色散系數(shù)B單位：ps/km.nm，通常為2～20。減小譜寬可以減小色散色散位移技術(shù)，G655光纖，損耗小及利用EDFA技術(shù)偏振模色散（PMD）：由雙折射引起特點：與光源譜寬無關(guān)，隨機性。單位：ps/km1/2限制通信帶寬的最后瓶頸，對目前2.5G系統(tǒng)影響不大光纖的帶寬（Bandwidth）2.5G、10G、40G、160G單模光纖的連接：熔接：單模－多模（單向）；單模－單模（雙向），光纖熔接機活動連接：FC/PC/APC、SC、ST單模光纖的偏振特性本征模：圓偏振模（HE11及HE-11）和線偏振模HE11x及HE11y）理想單模光纖具有線偏振及圓偏振的保持能力雙折射（birefringence）及偏振串音實際光纖由自身缺欠及外界影響，無法保持偏振態(tài)低雙折射光纖盡量圓，各向同性（理想球）PandaBow-TiePandaBow-TieEllipticalcoreEllipticalJaccket高雙折射光纖（保偏光纖PolarizationMaintaining）大的各向異性（自身雙折射），遠大于處界影響單偏振光纖大的幾何不對稱，彎曲性能不同偏振串音：代表保偏光纖的偏振保持能力。當線偏振光沿光纖的一個光軸入射時，當傳輸一定距離后，光功率串擾到另一光軸的大小叫偏振串音。定義為：Py為串擾功率，P0為總功率。偏振串音單位是dB，始終是負值。拍長（Beatlength）：第十四講光纖無源器件（3學(xué)時）參考書廖延彪《光纖光學(xué)》（第四章）光纖無源器件原理及工藝有源器件：光源（光發(fā)射機）、探測器（光接收機）、光放大器無源器件：種類很多（耦合器、WDM、DWDM、隔離器、環(huán)形器、偏振器、消偏器、濾波器、光開關(guān)、調(diào)制器、光纖光柵等）主要工藝：熔燒拉錐法、集成光學(xué)法、微光學(xué)法（MOMES，MEMS）梯度透鏡（GrinLens）（1/4節(jié)自聚焦透鏡）－微光學(xué)（鼓狀透鏡）光纖耦合器（Coupler）ininout1out2耦合理論（由波導(dǎo)的畸變引起，由微擾理論解出，理想波導(dǎo)無耦合）考慮同種光纖（相等傳播常數(shù)），并考慮邊界條件，可得：保偏光纖耦合器：匹配型光纖，打結(jié)工藝，平燒工藝波分復(fù)用器（WDMWaveDivisionMultipler）：耦合系數(shù)與波長有關(guān)主要用于通信和EDFA（980/1550、1480/1550、1310/1550）光纖濾波器（Filter）：耦合系數(shù)對波長敏感優(yōu)點：全光纖結(jié)構(gòu)、損耗??；缺點：精度低，不便批量生產(chǎn)，無法實現(xiàn)窄帶光纖隔離器（Isolator）－Farady效應(yīng)（非互易）梯度透鏡梯度透鏡梯度透鏡偏振器偏振器YIG晶體磁場偏振相關(guān)型偏振無關(guān)型梯度透鏡梯度透鏡梯度透鏡偏振器偏振器YIG晶體磁場光纖環(huán)形器（二向：AB、BC；三向：AB、BC、CA）偏振相關(guān)和偏振無關(guān)型光纖偏振器單模光纖偏振器石英底座石英底座光纖SiO2MgOAl2O3保偏光纖偏振器（研磨型、線圈型和微光集成型）光纖消偏器Lyot消偏器，對光譜平均和超出相干長度長度2：1主要對矩形光源，45非常敏感相位調(diào)制器－集成光學(xué)（損耗大）保偏光纖保偏光纖單模光纖波導(dǎo)電極光源調(diào)制（2.5G）－啁啾現(xiàn)象（Chirp折射率受到調(diào)制）10G、40G需外調(diào)制集成光學(xué)工藝（鈦擴散、質(zhì)子交換）－改變折射率LiNbOLiNbO3TiTi鈦擴散工藝：（清洗、甩膠、光刻、堅膜、鍍膜、擴散、制作電極）質(zhì)子交換工藝：（苯甲酸中反應(yīng)）光開關(guān)機械式光開關(guān)（速度慢、壽命短）原理：通過電磁繼電器切換光通道波導(dǎo)波導(dǎo)電極電光式光開關(guān)（集成光學(xué)工藝、速度快、損耗大、壽命長）原理：通過Kerr光電效應(yīng)切換光通道磁光式光開關(guān)（速度較快、損耗較小、壽命較長）原理：通過Farady效應(yīng)切換光通道光纖布拉格光柵折射率周期畸變折射率周期畸變紫外光敏光纖，紫外曝光，產(chǎn)生折射率周期用于濾波、溫度、應(yīng)力傳感、光纖通信等第十五講光纖傳感技術(shù)（3學(xué)時）光纖陀螺光纖陀螺的檢測精度說明：和c是真空中的光波長和光速，與介質(zhì)折射率無關(guān)。單位：（rad/s），S（rad）。對于1.3m波長，S=0.01611*L*D*（rad）假設(shè)L=500m，D=85m