第2章 光纤与导光原理教案.doc

天津理工大学中环信息学院教案纸题目：第2章 光纤与导光原理（1）讲授内容提要：2.1 光的基本性质一、光的电磁理论 二、光的基本性质三、光的传播原理 教学目的：1、了解光的电磁理论2、掌握光的基本性质3、掌握光传播过程的基本现象教学重点： 1、光的基本性质2、光的传输原理教学难点：1、F-P干涉仪 2、光的传播原理采用教具和教学手段：PPT课件与板书结合授课时间： 年 月 日 授课地点： 1 教学楼 416 教室注：此页为每次课首页，教学过程后附；以每次（两节）课为单元编写教案。天津理工大学中环信息学院教案纸2.1 光的基本性质一、光的电磁理论 P8-101、光是物质无线电波、光、射线 -频率f（波长）不同（利用无线电波频谱图进行说明，讲清光纤通信所用波长范围）2、基本参数波长、频率f（）、波(光)速c、能量（光强I）C=.f3、波动方程：E=E0 cos(tkZ+)时域：随t作正弦规律变化空间域：X、Y、Z、K（波矢量）二、光的基本性质1、光是横波（定义：横波、纵波-振动方向、传播方向）2、E、H的相位关系-同相3、E、H的幅值关系-成正比4、光速-（真空、空气、介质中的传播速度不同）5、光强I= P10 （2-1-25）三、光的传播原理1、光的反射与折射反射：入射角=反射角 法线折射：sini/ sint=v1/v2 = 常数注：反射、折射-光的可逆性2、全反射TIR(Total Internal Reflection)材料的折射率n，比较i与t的大小，只有ti（即n2n1）才可能全反射。（提出临界角的概念）临界角是哪个角（入射、反射、折射）什么时候的入射角？3、折射率与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（该材料的折射率） n1Snell定律：即sini/ sint=v1/v2=（c/ v2）/(c/ v1)=n2/n1- Snell定律4临界角c由sini/ sint= n2/n1t=900时，i=c 则c =sin-1(n2/n1)天津理工大学中环信息学院教案纸题目：第2章 光纤与导光原理（2）讲授内容提要：2.1 光的基本性质四、光的相干性 五、光的偏振六、光的吸收、色散、散射 教学目的：1、了解光矢量的概念，相干波的条件2、掌握F-P干涉仪的结构和原理3、掌握自然光的启偏和检偏方法4、掌握光的吸收和散射的定量计算教学重点： 1、F-P干涉仪的结构和原理2、光的吸收和散射的定量计算教学难点：光纤的损耗及色散采用教具和教学手段：课件与板书结合授课时间： 年 月 日 授课地点： 1 教学楼 416 教室注：此页为每次课首页，教学过程后附；以每次（两节）课为单元编写教案。天津理工大学中环信息学院教案纸四、光的相干性1、光矢量感光、生理作用-E-光矢量（H隐含）2、光的相干性相干波：频率相同、振动方向相同、相位相同（或保持一个固定值）干涉：相长干涉（同相位） 相消干涉（反向）3、F-P干涉仪的结构和原理结构：性能参数五、光的偏振1、自然光与偏振光线偏振 偏振面 自然光的表示方法2、启偏 检偏偏振片的结构与作用马吕斯定律：I=I0cos2六、光的吸收、色散、散射1、吸收：布格尔定律：I = I0e-L吸收系数 传播距离L 作业：P51 2-112、散射n=n()- 正常色散： 反常色散3、散射：I = I0e-L：I = I0e-（+）L天津理工大学中环信息学院教案纸题目：第2章 光纤与导光原理（3）讲授内容提要：2.2 光纤的结构和类型教学目的：1、了解信号传输对传输材料的基本要求；2、了解光纤的结构和类型；3、掌握光纤折射率分布对模间色散的影响；4、掌握光纤接收角的计算方法；5、掌握数值孔径、相对折射率差的概念与计算方法。教学重点： 1、光纤的结构与类2、光纤结构对传输特性的影响；3、光纤的主要参数，数值孔径、相对折射率差、光纤接收角的计算。教学难点：1、光纤结构及折射率的分布2、光纤接收角的分析计算采用教具和教学手段：板书与PPT结合，科普视频（光纤通信）授课时间： 年 月 日 授课地点： 1 教学楼 416 教室注：此页为每次课首页，教学过程后附；以每次（两节）课为单元编写教案。天津理工大学中环信息学院教案纸2.2 光纤的结构和类型一、信号传输对光纤的要求1、对传输光纤的要求传输衰减小、波形失真小、抗干扰能力强、传输容量大2、目前的常用传输介质电线电缆 光纤光缆 空中电磁波 Fiber 是最好的传输材料二、光纤的结构和类型1、结构纤芯-光路包层-反射面涂覆层-保护光纤导光过程，纤芯、包层作用示意图 P53光源位置n0 （） 、入射角n1 （i ）、 反射角n1 （r ）折射角n2 （t）2、种类原材料分：石英光纤：(GeO2.SiO2和P2O5做纤芯，用B2O3.SiO2做包层)玻璃、塑料折射率径向分布：阶跃：芯- n1 包层- n2渐变：芯-n（r） 包层- n2模式数量分：单模 多模三、常见光纤性能比较G651-多模光纤G652-5-各种单模光纤四、光纤的接收角1、接收角的概念接收角、入射角、反射角、最大接收角、法线位置-分清折射率：n0、n1、n2-分清Snell定律（两次）2、扩大接收角的意义与方法五、光纤的重要参数1、相对折射率差定义：=(n12-n22) /2n12为阶跃型光纤相对折射率差， 是光纤的一个重要参数。相对折射率差的计算结论： =(n1-n2) /n12、数值孔径NANA=( n12-n22)1/2NA=( n12- n22) = sin max n1 (2)1/2 数值孔径取值范围在0.10.3之间。本地数值孔径NA(r)= n(r)2-n(a)21/2今日作业(上交)天津理工大学中环信息学院教案纸题目：第2章 光纤与导光原理（4）讲授内容提要：2.3 光纤的传输特性 一、分析方法说明 二、光的波动理论 三、光在光纤中传输模式及基本计算 四、模场分布五、光纤的损耗特性 六、光纤的色散特性教学目的：1、了解光纤内的传输模式的概念；2、掌握光纤V参数的含义及计算方法；3、掌握光纤的损耗及色散的计算方法。教学重点： 1、掌握光纤V参数的含义及计算方法；2、掌握光纤的损耗及色散的计算方法。教学难点：1、光纤V参数概念的引入及计算方法；2、光纤色散概念及计算方法。采用教具和教学手段：板书与PPT结合授课时间： 年 月 日 授课地点： 1 教学楼 416 教室注：此页为每次课首页，教学过程后附；以每次（两节）课为单元编写教案。天津理工大学中环信息学院教案纸2.3 光纤的传输特性一、分析方法说明1、几何光学(射线光学)入射角i大于临界角c的光线，才能在纤芯与包层的反射面处形成全反射；不同路径的光波在光纤内只有相长干涉，才能在光纤中传输。2、注意(1)对于多模光纤，d/远大于波长(d=50-100m，=0.83m)，可用几何光学分析。(2)对于单模光纤，d/与波长在同一个数量级， （d=8.3m，=1.55m），就必须用波导理论来分析导光原理和传输特性。二、光的波动理论 1、E:电场强度 D=E:电感强度2、H:磁场强度 B= H:磁感应强度3、波阻抗 Z0=(0/0)1/2 =377 三、光在光纤中传输模式1、归一化变量 U W-b V2、光纤的V参数V=2a( n12- n22)/=2a n1 (2) 1/2/=2a NA/3、光纤的截止波长cc=2a( n12- n22)/2.4054、标量模LPmn m表示沿圆周方向光场出现最大值的对数； n表示沿半径方向光场出现最大值的个数.5、阶跃光纤的传输 当V2.405时，只有基模LP01传输。基模LP01对所有的V参数都存在，是永不截止的模式，因此称LP01为基模或主模；当光纤的V参数为2.405V7时，再按NV2/2计算。四、模场分布 1、单模光纤场分布：模场直径：MFD=2a+2 MFD2a(V+1)/V 2、模场图基本计算：例2-3-例2-6五、 光纤的损耗特性1、衰减系数衰减= 10lg(Pin/ Pout) (dB)衰减系数L = /L=10lg(Pin/ Pout) /L （dB/km）2、光纤的损耗原因吸收损耗 散射损耗 辐射损耗 外套损耗3、光纤通信的低损耗窗口 第一低损耗窗口短波长