光波导总结资料

1、写出光波导中的麦克斯韦方程，并把光场分解为纵向分量与横向分量，求出混合模式HE与EH模式的横向电场强度与横向磁场强度的点积（用纵向分量表示）（需要有推导过程）

解：在线性、各向同性且时不变的光波导中频域的麦克斯方程为：

2、阶跃平面光波导的TE偶模的表达式为（部分求解）

3、理想无限大平面波导如图，折射率n1>n2，亥姆霍兹方程如下，求TE偶模的表达式，且由这个公式出发，推导出他的特征方程并简单说明W、U、V的物理意义。求TE奇模的表达式，且由这个公式出发，推导出他的特征方程并简单说明W、U、V的物理意义。（完整求解）

4、在双层圆均匀光波导中，用麦克斯韦方程求解出电场和磁场在芯层和包层的纵向分量的表达式，并求出特征方程。

5、画出光隔离器的结构示意图并表示出各部分的名称，简单说明其工作原理。

光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，主要利用磁光晶体的法拉第效应。法拉第效应是法拉第在1845年首先观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转，也称磁致旋光效应。沿磁场方向传输的偏振光，其偏振方向旋转角度θ和磁场强度B与材料长度L的乘积成比例。

对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。（请特别注意旋转的方向和传输的方向关系无关）

6、 如果是你设计三芯光纤，三个芯你会如何安排，画出示意图。假定外径是125um。说明你设计的理由或者原则。

鉴于现有的三芯光纤，单芯的半径是在8~10 ，主要的排列有正三角形排列，中心为圆柱中心，还有一字型，中间的在圆柱中心，两侧对称分布（一字型的类似右边），最主要的区别是第一种三个纤芯没有区别，第二种中间的和两侧的不一样。然后谈谈具体情况具体要求的不同能量耦合区别即可。

实图如下：

7、用耦合模方程理论，求解出uniform fiber Bragg grating的反射率，并利用光纤光栅的反射率和透射率之间的关系，写出均匀光纤光栅的透射率。（光纤光栅的参数为：长度为L，光纤纤芯半径为a，纤芯折射率为，采用写入光纤光栅的掩模板的周期为，折射率调制为∆n）

填空题1

1、坡印廷矢量的表达式

第一项为常数，代表传输功率；第二、三项方向均指向横向，但均为纯虚数，说明有功率在横向振动而不传输。

2、介质中的光速:

3、相关参数：

4、单模传输条件的归一化工作频率条件： $𝑉< 2.4048，$ 单模光纤的芯径为8~10um，在此情况下单模光纤的相对折射率约为0.5%，在单模范围内，波导色散始终为负值。多模光纤的芯径一般有50um、62.5um两种。

5、光纤的色散主要包括：材料色散，剖面色散，波导色散

6、光波导的模式是满足亥姆霍兹方程的一个特解（本征解），满足两个自然边界条件：（1）在波导中心有限；（2）边界趋于无穷时为零。

7、光波导的三个要素：“芯/ 包”结构；凸形折射率分布，n1>n2；低传输损耗

8、 Fiber Bragg grating的中文名称为布拉格光纤光栅

9、光纤纤芯的折射率要比包层的折射率高，为此包层或纤芯掺杂可以改变折射率，掺B、F可以降低折射率，掺Ge ,P 可以提高折射率。这主要是通过改变材料的sellmeyer常数改变色散。色散补偿光纤（DCF）主要通过改变波导的结构来获得在C波段较大负色散的.

10、在归一化频率为2.14\2.32的光纤中，存在的模式为，在理想情况下，这两个模式是完全简并的；如果光纤的理想化特性遭到破坏，这两个模式走离所产生的影响英文名称为PMD（polarization mode dispersion）偏振模色散。

11、影响光输传输特性的参数有：色散、损耗、非线性；

12、EDFA的三种泵浦方式分别是：前向泵浦、双向泵浦、反向泵浦，一般采用的泵浦光源波长为980nm或1480nm

13、光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生自发辐射、受激辐射、受激吸收三种物理过程

14、光纤通信系统中，高功率信号传输时，能量密度过高会引起明显的非线性，使信号严重畸变。

15、2012年中国移动上的光纤通信系统单信道最高速率是100 Gbps。

16、有源器件和无源器件的区别和列举和英文名：

有源:半导体光源（LD,LED）、光纤探测器（阈值）（PIN PAD），光纤激光器OFL，光放大器SOA,EDFA，光波长转换器XPM,FWM，光调制器EA LiNbO3，光开关/调制器（基于光纤和基于半导体的分类）（OS）
无源器件：光连接器FC/PC FC/APC，耦合器/分支器，光分插复用器OADM，光衰减器，光滤波器，光隔离器与环形器

17、真空中1550nm处的波数为

19、光纤式自聚焦透镜(GRIN)用的光纤的折射率理想分布是平方率折射率分布

20、光隔离器是利用光在磁场中偏振方向法拉第效应原理工作的，一个合格的光隔离器，单偏振光入射光与出射光的偏振夹角是45°。

21、请记住高琨先生的写法，是王字旁，不要写成金字旁。

22、二层光波导的归一化传输常数b的表达式为

填空题2

已知G.652光纤在1550nm处的色散为17ps/nm.km，那么光纤在波长处的b2＝-21.7 。如果G.652单模光纤的色散零点为1300nm，那么波长为小于1300nm的范围时，光纤工作为正常色散区，波长大于1300nm时，光纤工作在反常色散区。如果不考虑单模光纤的波导色散，此种光纤的色散零点应该为1.273um
DCF的在1550nm处的色散为-119ps/nm.km，G.652光纤在1550nm处的色散为17 ps/nm.km，实现140km的G.652光纤传输，需要的色散补偿光纤长度为17*140/119
波导的折射率减少到原来的1/M时，波长λ处的波导色散与原来波长处的波导色散相等。
DWDM系统传输的信道为1000个，每个信道输入的光功率为0dBm（1mw），单模光纤的直径为8um，那么这个通信系统中纤芯中的光功率密度为。
假设普通单模光纤的纤芯折射率为1.5，光在这种光纤中通过1m的距离需要的时间为。
一个2X2的耦合器，从端口1输入4dBm的光，由于损耗从端口3、4输出的功率分别为0.75dBm 和0.25dBm，如果从端口4输入10dBm的光，从端口1输出的光与端口2输出的光能量之比为。
一个2x2耦合器，从1端口输入的功率为1mW，用光功率计测得3端口的功率为0.45dBm，4端口的功率为0.4dBm，耦合器的额外损耗是。
一个理想2X2的光耦合器，1和2为输入端口，3和4 为输出端口，1的直通臂是3，从1端口输入时，3端口的功率是输入功率的37%，现从4端口输入，那么1端口的功率占的百分比是 63% 。

解析：耦合器对应的功率比（必须化为实际功率计算）不变，即1和3直通，4是1的耦合。2和4互为直通臂，2和3互为耦合臂，不管从哪个方向传播，所占总的比例是相同的，主要是元件的互易性所决定的。损耗一般最小是3dB。

（1）dB是功率增益的单位，表示一个相对值；

（2）dBm是一个表示功率绝对值的单位；

（3）dB之间只有加减，没有乘除。

在dB，dBm计算中，要注意基本概念。比如前面说的 0dBw = 10lg1W = 10lg1000mw = 30dBm；又比如，用一个dBm 减另外一个dBm时，得到的结果是dB。如：30dBm - 0dBm = 30dB。按照定义算

经验算法：

　　有个简便公式：0dBm=0.001W 左边加10=右边乘10 所以0+10dBM=0.001*10W 即10DBM=0.01W 故得20DBM=0.1W 30DBM=1W 40dBM=10W 还有左边加3=右边乘2，如40+3dBM=10*2W，即43dBm=20W，这些是经验公式，好用的。所以-50dBm=0dBm-10-10-10-10-10=1mW/10/10/10/10/10=0.00001mW。

9.某种光纤的归一化频率为2.4，数值孔径为0.16，光纤的直径为8微米，那么光纤的截止波长为 1.67um 。

解析：