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一、光纤特性
阶跃型光纤的光纤结构如图1所示，主要组成部分包括纤芯、包层和涂覆。其折射率分布满足下式：
式中，n1、n2、a和b分别对应光纤中的纤芯折射率、包层折射率、纤芯半径和包层半径。光纤的归一化频率
，即光纤的截止频率。光纤支持的模式数N和归一化频率之间满足式(1-2)，因此影响光纤支持模式的主要因素有波长、纤芯半径以及纤芯和包层的折射率差。单模光纤只支持一种模式即LP01模式，此时，归一化频率满足0< V < 2.4048。当光纤求解出的N小于10时，此时为少模光纤；当光纤求解出的N大于10时，此时为多模光纤。
图1 阶跃型光纤的折射率剖面图与对应的折射分布特征
图2所示为一个典型AX2+BY→AB+YX2 的ALD反应周期，主要分为四步：首先，气相反应前驱体AX2化学吸附在基底材料表面，直至达到饱和；其次，高纯氮气进行反应腔吹扫，去除多余前驱体材料AX2及反应副产物，对反应腔进行净化；然后，气相前驱体BY引入反应腔，与吸附在基底表面的AX2发生化学反应，两个前驱体之间会发生置换反应，并产生相应的副产物，直至AX2完全消耗，达到化学饱和，反应会自动终止；最后，高纯氮气进行反应腔吹扫，去除多余前驱体材料BY及反应副产物YX2，对反应腔进行净化。一个ALD循环周期只生长单层原子层，反应周期可自动循环生长，因此，薄膜厚度可精确控制。ALD的生长是自限制性的，体现在一定剂量前驱体沉积在基底表面将会饱和吸附，因此，不需要精确控制其前驱体剂量，这也是其它沉积技术无法比拟的。生长速率是ALD沉积的一个关键参数，定义为一个ALD循环周期所生长的厚度，单位为Å/cycle。薄膜生长速率一般小于单原子层，是由于表面活性点有限以及化学吸附表面庞大配体之间的位阻现象造成的。
图2 ALD生长循环示意图
前驱体材料的选择对于ALD的成功沉积至关重要，一种理想的前驱体材料需具备以下品质：
（1）在较低（0-500℃）的沉积温度下，易挥发。ALD要求前驱体在进入反应腔时具有良好的挥发性，这样，能够保证反应剂有效地传输，避免前驱体流量对原子层沉积反应的影响；
（2）为保证反应剂能够充分地填充覆盖基底材料的表面，以便在理想的时间范围内形成单分子层化学吸附，前驱体必须有足够高的蒸汽压。前驱体物质可以是液体或气体，也可以是固体材料，但固体材料需加热挥发；
（3）热稳定性好，不会在沉积温度下自我分解。不稳定的反应前驱体将破坏薄膜生长的自限制性，从而影响薄膜厚度的均匀性和准确性，甚至污染薄膜；
（4）容易吸附在基底表面。前驱体物质必须能够迅速在材料表面进行化学吸附，保证在较短的时间内达到饱和吸附或与材料表面基团快速有效的反应，使表面膜具有高的纯度，避免在反应器中发生气相反应而增加薄膜缺陷；
（5）易于用惰性气体清理。沉积过程中，在不同前驱体脉冲注入之间必须要通入惰性气体以清理反应腔。惰性气体的注入不仅能隔离不同前驱体脉冲，防止反应前驱体在反应腔中发生气相反应，同时具有净化反应腔的作用。惰性气体脉冲注入能够带出过量的前驱体物质、反应副产物以及从反应腔壁脱附的材料；
（6）可以与其他前驱体材料充分反应、不会刻蚀基底和反应膜等。
ALD沉积纳米薄膜主要是通过前驱体之间的交互化学反应实现自约束性生长，该工艺需经过精细调节和优化相关参数，包括脉冲时间、温度、压力和组分等，以实现准确的厚度控制。ALD沉积过程中，吸附分子与固体表面的相互作用，形成化学键，属于不可逆化学吸附。图3（a）所示为ALD的饱和曲线，生长速率随脉冲时间迅速增长，直至达到饱和条件，之后，生长速率为常数，不会随脉冲时间变化而变化，因此，图3（a）反映了ALD过程的自约束特性。
图3 （a）ALD饱和曲线；（b）ALD温度窗口曲线
作为ALD的基础条件，反应温度起着两个主要作用：提供原子层沉积反应所需的激活能量和帮助清除单原子层形成过程中的多余反应物。ALD沉积薄膜的生长速率跟反应温度密切相关，在不同的温度范围，生长速率与温度的函数关系不同。图3（b）所示为ALD温度窗口，在ALD窗口外，以下几点原因将导致其生长速率受限，破坏自限制性：（A）前驱体与基底表面进行的吸附和反应是一个热能激发过程，在较低温度时，容易造成反应速率慢，导致反应不充分；（B）温度较低时，反应前驱体冷凝在基底表面或多分子层吸附；（C）和（D）温度较高时，容易造成前驱体的解吸附或沉积材料的热分解。在ALD温度窗口，生长速率与反应温度之间的关系存在四种情况。在L1所示的温度范围内，生长速率不随温度变化而变化，保持稳定，这种现象只会发生在空间位阻导致的饱和以及活性点不随温度变化而改变情况下。一般情况下，在ALD温度窗口内，生长速率是取决于反应温度的，受温度影响或增长（L3）、或降低（L2）、或先增长后降低（L4）。目前，ALD沉积速率介于0.3-1.5 Å/cycle。
前驱体的气压也是一个重要参数，温度同样还会影响前驱体蒸汽压，从而影响剂量与脉冲时间的优化。前驱体材料有固态、液态、气态三类，气体前驱体剂量易通过流量控制。然而，液态和固态前驱体需通过加热获得较高的蒸汽压，从而控制其反应剂量。
综上所述，ALD掺杂技术对纳米掺杂材料的组分和沉积厚度可以精确控制，同时，前驱体材料的选择性也非常丰富，它充分利用原子层沉积与表面饱和反应特点，所制备的纳米材料既具有高纯度又具有高密度，既平整又具有高度的保型性，即使对纵宽比高达100:1的结构也可实现良好的阶梯覆盖，已被广泛应用于高品质纳米材料的制备。
三、 改进的化学气相沉积技术基本原理
改进的化学气相沉积技术（MCVD）主要是利用高纯度的载气，将不同高纯度化学原材料SiCl4、GeCl4、POCl3等从鼓泡瓶中载出，经石英基管外侧高温加热，导入到石英基管内进行化学反应，形成亚微米级SiO2、GeO2、P2O5等颗粒沉积在石英基管内表面，达到掺杂的效果，最后塌缩、收棒成具有不同掺杂特性的光纤预制棒。
其工艺操作主要分工艺准备和沉积掺杂制棒两阶段。在工艺准备阶段：在专用氢氧焰玻璃加工车床上将反应基管接上普通头管组成连接管。待冷却后在洗管机里清洗，结束后将其放在层流柜里备用。同时，将切割、清洁好的尾管和头管存放于层流柜备用。其玻璃车床主要由电气柜系统、充料系统、车床系统、灰粒废气收集系统几部分组成。在制棒阶段：用贺利氏基管作为反应管，利用 MCVD 车床氢氧焰为加热源，前端通入不同比例的高纯SiCl4、GeCl4，反应生成二氧化硅和二氧化锗疏松体颗粒。疏松体颗粒在热泳作用下，沉积在喷灯下游的反应管内壁，当喷灯经过疏松体颗粒时将之玻璃化。为了改善沉积性能和一些光学性能参数，还需加入一些辅助性气体如三氯氧磷、六氟化硫等。当沉积结束后，在一定的压力条件下缩棒成掺杂实心光纤预制棒。
一般来说，光纤纤芯是由高纯的二氧化硅加少量掺杂材料，如GeO2，P2O5等组成。主要是为了提高光纤纤芯的折射率。光纤的包层是由二氧化硅加少量低折射率掺杂材料，如SiF4与B2O3等构成的，成分上的差异让其的折射率略低于光纤纤芯，其中纤芯与包层折射率差大约为0.0060左右，这两部分构成了光纤的光波导结构，如图4所示。
对单模光纤来说，纤芯的直径大约在8.0-10.0 μm，包层直径为125.0 μm；对多模光纤来说，纤芯直径大约在50.0 μm或62.5 μm，包层直径为125.0 μm。质量优良光纤的同心度和不圆度一般误差都非常小。涂覆层又叫石英光纤保护层，主要由硅胶或者环氧树脂组成，主要作用是保护光纤的光波导结构。由于涂覆层的存在，光纤才具有良好的韧性和较强的机械强度，延长使用寿命。光纤涂覆层的外直径一般在250.0-300.0 μm。
图4 芯层与包层折射率结构特征
图5 光纤端面芯层与包层折射率差的分布特征
纤芯包层折射率差与纤芯折射率是光纤数值孔径的重要影响因素。数值孔径大小代表光纤接受光能力强弱，如式（4-4）所式。数值孔径数值越大表示接受光强的聚集能力越强。但不是数值孔径越大光纤就越好，数值孔径超过一定范围，将严重影响带宽。因此在选择光纤时，应根据要求选择适合的数值孔径。另外，一个数值孔径相关的参数，归一化频率如下公式，当归一化频率V < 2.405为标准单模光纤。
MCVD工艺的沉积原理主要是反应微粒的热泳现象，指温度梯度不为零的气体或悬浮微粒从温度高的地方向温度低的地方移动的一种现象，既微粒向较冷区域运动现象。对于理想气体，热泳运动主要与温度相关，一般情况温差越大，热泳现象表现得越强烈越明显。对于非理想气体，影响因素比较多，通常现象也较复杂。MCVD工艺的沉积机理主要是热泳效应。即在有温度差的情况下，原料微粒在石英基管内从高温区域向低温区域运动。当反应基管内的原材料在高温作用下形成悬浮的微粒，这些微粒与通入气流中粒子碰撞下发生移动，高温区域粒子运动能量大，作用力大。当粒子移动到温度低于气流温度区域，由于温度降低使得微粒就在此处发生沉积，沉积在石英基管内壁。而那些没反应的粒子随通入气流带动随之排出，如图6所示。在MCVD工艺沉积过程，先沉积内包层，再沉积芯层。内包层沉积主要用高纯氧作为载体，沉积原料主体为SiCl4，掺杂材料为C2F6、SF6，在高温条件下发生反应。MCVD工艺制造光纤预制棒过程，可以运用仿真软件对MCVD沉积工艺过程进行模拟，从而获得微粒沉积过程的温度场分布图，其工艺原理如图6所示。由温度场分布图可以获得微粒的流线图，微粒将沿着流线进行运动。通过理论仿真可以深入研究微粒的热迁移机理。如对玻璃的沉积量与运载气体的速度、原料的蒸汽压、沉积过程石墨炉温度控制、移动速度等关键参数进行优化，提高MCVD工艺的沉积率和生产效率。
图6 MCVD工艺沉积原理示意图
MCVD工艺在完成沉积工艺后，接下来就要进行塌缩，也就是石英基管缩棒过程，最后形成光纤预制棒。石英管的缩棒是利用玻璃连续熔融可变性特性实现。在高温条件下，管外表面张力和管内表面张力发生粘性流动引起石英管的塌缩。石英管在MCVD车床带动下旋转，正下方加热慢慢平移，对石英管进行加热以确保其能粘性流动，从而实现塌缩，如图7所示。
图7 MCVD 缩棒工艺过程
四、 特种光纤拉丝塔基本原理
光纤拉丝塔主要包括送棒单元、石墨加热炉、涂覆装置单元、紫外固化装置单元及收线装置单元五部分。光纤拉丝主要是指将制备好的光纤预制棒，利用石墨炉加热熔融后拉制成一定直径要求的光纤，并保证其纤芯/包层直径比和折射率分布稳定的工艺操作过程。拉丝操作过程最重要的技术是如何保证纤芯/包层直径均匀、纤芯/包层同心度偏差小与折射率分布匀均一致性，以及光纤表面不能损伤等。如果光纤直径波动较大，则由于光纤结构不完善会引起光纤波导散射损耗，同时，在光纤熔接时，熔接损耗也会增大，如果光纤表面损伤，将影响光纤机械强度与使用寿命；因此，在控制光纤拉丝工艺流程时，必须保证使各工艺参数，如加热炉温度、送棒速度、拉丝速度、拉丝张力、丝径控制等保持协调稳定。涂覆工艺是将拉制成的裸光纤表面涂覆树酯涂料，其作用是保护纤芯不受外界环境的损伤，如弯曲、压力与剪切力作用等，提高光纤的机械强度；同时，也可以阻止水分与气体的渗入，防止光纤不易受湿气与污染物的损害。
图8 光纤预制棒拉丝示意图/p>
光纤拉丝技术是一种通过控制加热炉温度，使得光纤预制棒受热呈熔融状态后，依靠重力作用向下流动，然后通过外力作用将其拉制成为不同丝径的玻璃纤维，冷却并涂覆后形成光纤的过程，如图8所示。在正常状态下，若光纤预制棒的送棒速度为V送棒，光纤的拉丝速度为v，光纤预制棒的外径为D，拉丝成裸光纤的外径为d，光纤预制棒熔融前的棒体容积：
，熔融后拉丝成光纤的容积为：
。简化后获得光纤拉丝速度与送棒速度的关系式：
光纤拉丝中几个重要的几何参数：
光纤直径不圆度：
。
光纤平均直径：
。
芯包层同心度误差：纤芯与包层几何中心的最大距离。
光纤几何参数跟拉丝工艺条件与石墨加热炉温度稳定控制紧密相关。
光纤拉丝塔拉丝过程主要包括四步骤：首先，将已经测量好参数的光纤预制棒固定到拉丝塔的夹具上，通过送棒单元将光纤预制棒送到高温炉中，在高温下，光纤预制棒受热逐渐发生相变，转变为熔融状态，坠头在重力作用下缓慢向下移动，此时在高温炉高温区的预制棒直径在坠头作用下快速变细；其次，当坠头运动出高温炉后，经裸光纤直径测量仪测量其直径，并在空气自然冷却和氦冷却管的作用下，快速冷却至室温，重新转变为固态；然后，通过辅助牵引单元，以恒定速度对光纤进行拉制，此时光纤直径快速变小，当裸光纤直径小于拉丝模具孔径一定值时开始进行穿丝，并以此通过一次涂覆单元、一次固化单元、内涂直径测径仪、二次涂覆单元、二次固化单元以及外涂直径测径仪，裸光纤将完成两次涂覆与三次光纤直径测量；最后，确保光纤直径、光纤内涂覆直径与外涂覆直径符合光纤基本参数要求时，将光纤通过牵引单元牵引到收线机单元，完成光纤的上盘操作。此时完成光纤拉丝与上盘，观察控制光纤预制棒送棒速度、光纤拉丝速度、高温炉温及拉丝张力等参数进行闭环协同调控，即可完成光纤的拉制。
在光纤拉制过程中，通过观测光纤测径仪及拉丝张力仪实时测量的直径与张力，对拉制参数进行调控，其中光纤拉丝速度与预制棒的送棒速度，以及石墨炉加热温度协调控制对整个光纤拉丝过程起到至关重要的作用，只有合适的送棒速度与之匹配的拉丝速度，才能保证在拉丝速度逐渐增加的过程中，保证光纤直径的均匀性。通过对所有工艺参数精确调控，才能完成光纤拉制的协同闭环控制，以此保证光纤拥有最好的光学性能及机械强度。
作为光纤拉丝重要单元之一，石墨炉的温度控制对于拉丝过程起到重要作用，其原因主要包括两点：第一为坠头的下落时间，如果高温炉内石墨件发生氧化，则炉内温度无法快速上升到目标温度，则对光纤预制棒相变过程产生不好的影响，会使坠头形成速度变慢，增加其坠落时间；第二是对拉丝过程中温度的精准控制，在光纤拉制过程中，随着光纤拉丝速度增加，需要通过调控石墨炉温度对光纤张力进行协同控制，如石墨炉无法精确进行炉温控制，则会影响光纤熔融状态的本征性能。因此，石墨炉温的稳定加热非常重要，加热之前需要对高温炉进行清扫及检修，保证炉体内部的清洁度与气密性。光纤拉丝前，需要清扫高温炉，并检查石墨件状态，是否需要更换；然后对其进行抽真空操作，检查其气密性；在升温之前需检查冷却水及氩气阀门是否打开；最后，光纤拉制结束后，需等待炉体温度降至室温后方可关闭冷却水及气体阀门，以此保护高温炉不被破坏。
图9 光纤拉丝塔工作过程
五、 特种光纤模式测量基本原理
1. 光纤模式理论
光的本质是电磁波，凡是能引导和限制电磁波传输的系统都可以称之为波导，光纤就是一种圆对称结构的纵向均匀光波导。当给定一个光波导时，其性质以及其支持的模式就已经确定了，外界的激励源只能激励出光纤中允许存在的模式，而不会改变模式的固有性质。模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征，其本质是电磁波的电磁场在空间上的分布，因此可以利用麦克斯韦(Maxwell)方程进行模式的求解，微分形式的Maxwell方程组由以下四个表达式组成：
式中，E为电场强度矢量，H为磁场强度矢量，B为磁感应强度矢量，D为电位移矢量，J为电流密度矢量，为电荷密度。由于光纤是一种各向同性线性介质，因此这种介质中存在下述的物质方程：
式中，为介电常数，为磁导率。
将上述物质方程代入Maxwell方程组，并使的取值近似为零后，有如下简化后的标量波动方程：
当光纤为理想光纤时，可以假设光纤材料为线性、无损、各向同性的电介质，若同时为阶跃型光纤，则可以将其假设为一种介质均匀的无限大的直圆柱系统，其包层可以沿径向无限延伸。根据以上假设，有理想阶跃型光纤在圆柱坐标系下的电磁场表达式为：
将上述表达式代入到简化后的波动方程，可以得到对应的圆柱坐标系下的波动方程的纵向分量为：
在纵向均匀介质光波导中的柱坐标系下，只有和两个分量满足亥姆赫兹方程，对于其他四个横向分量
，
，
和，
均可利用Maxwell方程组在圆柱坐标系下用纵向分量表示。
利用分离变量法对上述方程进行解耦求解，另
，将其代入上述亥姆霍兹方程(2-11)中进行求解，得到沿传播方向的解为：
驻波的状态变化为：
当r在不同位置时，会有不同的边界条件，因此有如下的不同解：
式(2-15)和式(2-16)为贝塞尔(Bessel)函数，其中为芯径，和分别为纤芯折射率和包层折射率。由于在纤芯范围内的电场具有界性，因此选择第一类正态Bessel函数
，其中L为Bessel函数的阶数，Bessel函数对于求解模式的能场分布至关重要。令
，可以将在光纤纤芯和包层区域中的传播方向上的电场分量EZ分别表示为：
磁场分量HZ分别表示为：
式中，A、B均为常数，U为纤芯中横向归一化传播常数，W为包层中横向归一化衰减常数，二者可以分别用如下公式表达：
而归一化截止频率V可以用U和W表示：
将式(2-21)和式(2-22)代入式(2-23)有一般的归一化频率表达式：
归一化频率是判断光纤传输模式数量的重要参数，V的取值与工作波长
、光纤的结构参数a、n1和n2直接相关，当光纤芯径大时，a与
的比值就越大，归一化截止频率V相应的会增加，光纤传播模式数随V值的增加而增加。
对上述波动方程运用边界条件进行求解，可以得到阶跃折射率光纤中模式的本征方程：
虽然求解本征方程可以得到光纤支持模式的精确解，但其直观意义不明确且比较复杂，所以通常研究弱导近似条件下的本征方程，弱导近似的条件为：
此时，本征方程可简化为：
当
且
时，
得出横电场模，即TE模；当
且
时，得出横电磁模，即TM模。根据理论推导可知，当且仅当时， TE模和TM模才会在光纤中存在，即TE模和TM模的本征方程为：
在式(2-28)中，当
时，可以导出TE模；当
时，可以导出TM模。当
时，光纤中不会出现TE模和TM模，称此时光纤中的模式为混合模，即EH模或HE模，它们的特征方程分别为式(2-29)和(2-30)：
至此，得到了光纤中所有模式的Bessel函数形式的特征方程，这些特征方程都只含有U或W的变量。当工作波长和阶数L的值确定后，将值代入Bessel函数即可得到相对应的解，此时，每一个U值的解即对应着一个特定的模式。
2. 涡旋光束
1992年Allen等提出光束的轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）概念，带轨道角动量的光束一般称为涡旋光束，其每一个光子均具有涡旋相位因子 eilθ，因此携带L=lh的轨道角动量（其中，l为拓扑荷数，也叫角向系数;θ为方位角，也叫径向指数；h为约化普朗克常量）。由于OAM拓扑荷数的无限性以及不同OAM模式的正交性，因此携带不同OAM的涡旋光束可在同一信道中复用。能够稳定传输OAM模式的光纤称为涡旋光纤，设计特殊的涡旋光纤是稳定、大容量OAM模式传输的关键。自此，对涡旋光束（OAM光束）的研究在其微粒操控、高容量高速率的大规模光通信、量子信息处理、超分辨显微成像等许多领域具有重要潜在价值与应用，吸引了人们越来越多的关注与研究兴趣。
在光纤通信领域，利用OAM光束作为载波的模分复用技术成为通信容量瓶颈的潜在解决方法之一。结合OAM模式的特殊性以及低损耗长距离传输的要求，设计符合条件的光纤（涡旋光纤）是光轨道角动量复用传输的关键。涡旋光纤的设计在满足相邻本征模式间有效折射率差大于1×10-4量级的情况下，追求更多OAM模式稳定传输，同时实现低平坦色散、低非线性系数、低限制损耗、大模场面积和高模式纯度。
1、OAM光纤的理论分析
光纤中的本征模式包含四种：TE模、TM模、EH模和HE模。光纤中的OAM模和LP模都可以看作是本征模的叠加，而
模式是由相位差为
的同一阶本征奇偶模线性叠加而成的，l为拓扑荷数，m为径向阶数，一般取值为1，具体叠加方式如下：
OAM 模的偏振一般为矢量圆偏振，上标“±”代表左旋或右旋圆偏振方向，下标“±”代表OAM光束波前旋转方向，j代表
相位。当l≥2时，
模式组包含4个OAM模；当l=1时，
模式叠加式为式（3-1）和（3-3），但式（3-3）中TM0，m与TE0，m
具有不同的传播常数，简并形成的OAM模式不稳定，所以此时包含2个OAM模；l=0对应光纤基模。
综合式（3-1）~（3-3）并结合光纤中LP矢量模式叠加原理可以得出，理论上能够稳定传输带轨道角动量光束的光纤设计必须满足以下几个条件：
第一，组成LP模式的本征模式组间有效折射率差Δneff>10-4，避免耦合成LP模式，使OAM模式可以稳定传输，以及构成OAM模式同一阶本征奇偶模的传播常数相同；
第二，涡旋光纤应具有良好的传输特性，可以在较大的波长范围内具有低限制损耗、低平坦色散、低非线性系数；
第三，设计的光纤应该有匹配环状OAM模场的光纤剖面结构，以及要避免激励更高的径向阶数（避免m>1）。
2、轨道角动量光纤分类
由于OAM模式具有很多独一无二的特性，普通的光纤并不能支持OAM模式的稳定传输，因此，设计一种支持OAM模式传输的特殊光纤结构至关重要。目前己经有很多种支持OAM模式传输的光纤结构被提出，包括涡旋光纤，环形光纤（RCF），微结构光纤，反抛物线渐变折射率光纤等，其中RCF和微结构光纤由于其良好的特性引起了研究者们的广泛关注。
（1）支持OAM模式的普通环形光纤（RCF）
2009年，Ramachandran团队首次提出并进行基于OAM的光纤数据传输实验，证明光纤中可以传输涡旋光束。2011年Bozinovic等设计出可以传输阶数l=±1涡旋光束的光纤，并于2013年实验证明光纤中OAM模式复用可以传输太比特每秒量级的信息，之后很多学者研究设计了涡旋光纤并侧重提升传输性能。2012年丹麦技术大学研究组通过实验证明了环状光纤适合传输OAM光束。环状光纤是在纤芯和包层之间设计一层高折射率层(传输层)，OAM光束在这个区域中传输，如图（a）。常见的环状光纤为芯-环光纤，通过对纤芯折射率的控制，形成可以传输OAM光的涡旋光纤，纤芯类型包括固体芯、空气芯和折射率呈倒抛物线分布的纤芯。其中，固体纤芯是通过掺杂实现纤芯、传输层及包层之间较大的折射率差，需借助光学器件完成信息传输，实际应用的领域较少。相比于固体纤芯，空气纤芯的折射率为1，实现了包层、传输层及纤芯之间最大的折射率差，使支持传输的OAM模式数增加，但存在损耗大、寿命短、传输距离不理想等缺点。为了弥补上述两种光纤的缺点，有学者提出了纤芯折射率为倒抛物线分布的光纤，此类光纤的模式间有效折射率差比较大，部分模式的群速度色散接近零平坦色散，这对光纤中OAM模式的长距离传输具有很大的意义，但其支持传输的模式数量较少。
图10 支持OAM模式传输的光纤结构示意图
仅通过改变环状光纤纤芯的折射率来实现OAM模传输并不能满足实际光纤通信对OAM模式传输数量以及传输距离的要求，因此有研究者通过改进环状光纤传输层等方式来改善传输特性。在传输层外面加了一层下陷层和高折射率层。下陷层的存在增加了能够稳定传输的OAM模式数量，但需要对色散进行补偿且传输距离有限；而加入高折射率层，一方面增大了模式间的有效折射率差，使传输稳定、损耗降低，另一方面它对材料要求较低，可降低成本;此外，将传输层与纤芯用包层隔开，设计了如图(b)所示的双导模区环状光纤，以达到分别传输OAM模式和基模的目的，两个导模区串扰可以忽略，极大优化了传输性能，该结构光纤也可以应用在量子通信领域。此外，针对高密度OAM的空分复用，多环光纤的结构以及在短距离传输时模间串扰和环间串扰可以忽略，且具有对材料的要求比较宽泛(低损耗的材料即可)等特点，该光纤在实际应用方面有很大的潜力。同时，将光纤中独立的环状部分加入沟槽如图（c），沟槽使得环间串扰降低，且整体的环数有所增加，光纤结构更加紧实的同时降低了对环的不圆度及光纤弯曲度的要求。相比单信道传输，上述两种结构设计使得传输总容量提高了数万倍，总频谱效应提高了数百倍。
原理：RCF的高折射率横截面可以使相邻矢量模式间拥有大的有效折射率差，能够避免高阶矢量模式耦合成LP模式，保证OAM模式的稳定传输。
（2）支持OAM模式的微结构光纤
相比于普通RCF，微结构光纤具有很多独一无二的特性，其中一点是不需要复杂的掺杂工艺就可以实现大的纤芯包层折射率差，除此之外，微结构光纤拥有更多的光纤结构参数，可以通过调节参数以获得更好的光纤性能。目前，根据微结构光纤的包层结构，已报道的支持OAM模式传输的微结构光纤可以分为三类，为六边形（或三角形）光子晶体光纤（PCF），环形微结构光纤和Kagome结构光子晶体光纤。
基于光子晶体光纤的涡旋光纤设计与基于传统光纤的涡旋光纤设计原理类似，主要是为了形成一个高折射率的环形层用于涡旋光束的传输。六角光子晶体光纤，第一个用于OAM光束传输的光子晶体光纤是以AS2S3为背景材料设计的六角结构光子晶体光纤，它是对环状光纤的一种模仿，之后也相继出现了很多六角结构的设计，光纤的六角结构存在较大的不足，例如不能提供足够的圆对称，使得支持的OAM模式质量差，限制损耗、非线性系数和色散等特性不是很理想。圆形微结构光纤，在导模区利用方面取得了一些进展,出现了双导模区的涡旋光纤等。
涡旋光纤的研究成果已经相当丰富，比较分析发现，目前支持的相邻本征模式间有效折射率差最好的情况可达0.01以上，可有效抑制光纤中矢量模式的耦合。另外，支持传输的最多OAM模式数也已经达到110个，这在大容量OAM模分复用（MDM）光纤通信系统中具有潜在的应用。现有研究中的部分光纤支持OAM模式纯度在理论上接近100%，可有效降低模式串扰的影响。其他表征涡旋光纤传输性能的参数也在逐步优化，如实现了低平坦色散、低非线性系数（小于2.65W-1/km）、低限制损耗（小于10-9dB/m）。值得注意的是，利用涡旋光纤实现在OAM复用传输的实验在传输距离上有所增加，已知最长传输距离为50km。涡旋光纤的设计主要是采用类环结构使相邻矢量模式之间形成较高的有效折射率差，这可以确保OAM模式能够稳定传输，并不断在材料、结构上进行结构优化以提高传输性能。
3. 低相干数字全息理论
在低相干数字全息测量系统中，通过CCD记录的数字全息干涉图可以表示为：
其中，(x,y)定义了CCD的像素位置，ΔT为CCD的曝光时间。当参与干涉的两束信号光分别为空间光和待测光纤的某个模式时，频域中的电场可以表示为：
其中，αm为第m阶模式的模式权重，
为第m阶模式的横场分布，
为第m阶模式对应的幅度谱，
为第m阶模式的相位；
为参考臂中自由空间光的横场分布，
为自由空间光的幅度谱，
为自由空间光的相位。假定所有的模式表现为相同的光谱激发，则
，待测光束的光谱
。设为待测光纤长度，
为第m阶模式的传播常数，
为自由空间光的传播常数，c为光速。物光波中模式的相位
可以表示为：
同理可得参考臂中自由空间光的相位 
为：
其中，Lr为空间光路的长度，d为延时器的光程。将公式(5-35)代入到公式(5-34)中，并假设背景强度为I0(x,y)，物光波中的模式与参考光波发生干涉后的强度表示为Iint(x,y)，则通过CCD捕捉到的光强度表示为背景强度和干涉强度的叠加：
I0(x,y)和Iint(x,y)展开分别为：
根据公式(5-39)和公式(5-40)可知，I0不受延时器的影响，Iint随着延时器的
int
为光谱的中心频率。对于公式(5-41)中的相位差
通过泰勒级数展开，可得
的表达式：
其中，角频率差
表示干涉仪两臂之间的相位不匹配，
表示延时器的延时量，
表示群延时，
表示干涉仪两臂之间的色散不匹配，
为 
的泰勒系数。将公式(5-41)代入到公式(5-40)中可得下式：
上式为物光波中的模式、自由空间光的光谱以及色散不匹配项
相乘的傅里叶逆变换，
为第m阶模式的延时，不同的模式与参考光波有着不同的延时差。借助互相关曲线Cmr(t)可以将公式(5-44)改写成如下式所示：
表示第m阶模式的互相关曲线，它受到群延时色散
和输入谱 
形状的影响，
表示第m阶模式的延时分量。当参考臂为零色散的自由空间光时，互相关函数中只包含待测光纤的色散信息。
以低相干干涉测量为理论基础，在离轴数字全息系统中，物光波与参考光波之间存在着干涉夹角，记录的全息图的光强分布可以表示为：
其中 
为空间光的归一化强度，
其中 
为第m阶模式的归一化强度，f0为x方向上的载频，与干涉夹角成正比。将公式(5-45)进行欧拉变换，对于第m阶模式，可以得到：
其中，
。对
进行二维傅里叶变换后，它在频域上可以由f0分离成三个部分：
其中，
，
和
分别为背景项和第m阶模式的1级项。通过频域滤波过滤掉公式(5-47)中的背景项以及1级项后，其计算结果为：
在每个延时τ处，通过将频率域的像素值进行叠加得到干涉的能量，便可以构建一条时域模式能量曲线，如图11所示。
图11 时域模式能量曲线
由于传播常数的不同，不同群速度的模式在时域上会相互分离，每一个模式都会与参考光波发生干涉，当第m阶模式与参考光的光程相匹配，即τ=τm时，曲线中会出现峰值。因此峰值的数量就表示光纤中的模式数量，峰值的高度表示第m阶模式的能量占比αm，峰值的位置表示在测量波长下第m阶模式的传输延时τm。
实验仪器设备
主要的实验仪器包括：原子沉积设备、手套箱、MVCD光纤预制棒制备车床、特种光纤拉丝塔、激光器、延时装置、光路汇总装置、光纤裁剪盘、剥线钳、光纤切割具。
1、原子层沉积技术实验设备
ALD设备中包括HS300、HS500的两个高温源腔。反应腔包括反应外腔、反应内腔，及液体源料腔。
高温舟：装载固体源
热源腔HS500：使用高温舟装载固体源，在腔内实现源的前驱温度加热
热源腔HS300：装载易氧化的固体源，作用类似于但不同于高温舟，装源装置完全密封。
反应腔外腔：装载反应腔内腔，包括进气口和出气口，辅助内腔加热
反应腔内腔：反应腔进行化合物反应实现原子层沉积的腔体
液源：通过鼓泡的方式通入反应腔，常见的液源如H20，铝源等。
图1 原子层沉积设备TFS-200
2、 手套箱
以无水、无氧、无尘的超纯环境保存前驱体原材料；进行固源的称量和高温舟的装料，保证装源过程无污染。
图2 手套箱
3、 MCVD光纤预制棒制备车床
主要单元为：气柜系统、充料系统、车床系统、灰粒废气收集系统。
气柜系统：各种反应气体和吹扫气体通过软件控制和流量控制；
充料系统：各种反应原料和吹扫气体通过软件控制和流量控制；
车床系统：包括氢氧焰为加热源、石墨加热炉、高温计、旋转机构、移动机构；
灰粒废气收集系统：由于MCVD不能将反应气体所产生的反应物全部沉积在基管内壁，其余灰粒和反应废气需要灰粒收集系统收集，由废气管路送至Scrubber进行处理达到合格排放。
图3 MCVD光纤预制棒制备车床
4、 特种光纤拉丝塔
特种光纤拉丝塔结构，包括夹具/送棒单元、石墨拉丝炉、光纤直径测量仪、冷却单元、辅助牵引单元、涂覆单元、固化单元、收线机、主操作界面、电控柜和模具清洗柜等。
图4 特种光纤拉丝塔
5、激光器
以光纤作为激光增益介质的激光器，由增益介质，泵浦源和谐振腔三个部分组成。
图5 激光器
6、延时装置
通过延时器可以改变参考路的光程，实现与待测路的干涉。
图6 延时装置
7、光路汇总装置
参考路和待测路的光束在此处汇总，由CCD拍摄图像；
图7 光路汇总装置
8、光纤裁剪盘利用软件控制，设定所需长度，从光纤轴上裁剪出相应长度的光纤。
图8 裁剪盘
9、剥线钳
剥除光纤表面涂敷层的工具，具有大、中、小三种刀口
图9 剥线钳
10、光纤切割具
用于切割像头发一样细的光纤，切好光纤末端是平整的才可以用于器件封装、冷接、和放电熔接。
图10 光纤切割具
实验步骤
一、原子层沉积技术实验
1、进入原子层沉积技术实验
进入上海大学特种光纤制备及模式分析虚拟仿真实验，点击开始实验，并选择ALD实验，选择进入该实验。进入特种光纤制备及模式分析虚拟仿真系统平台，开始ALD实验，如下图所示。
图1 虚拟仿真系统界面
2、打开水电气阀门开关
通过点击界面左侧齿轮，选择打开水电气按钮，打开控制阀门，如下图所示。
图2 打开水电气阀门界面图
3、实验前准备：解真空
通过WASD控制，到左边电脑面前。观察气压数值，为真空状态，需先解真空。
图3 ALD-Control界面
点左下角Valves---vent解真空。
图4 ALD-Valves界面
气压显示解真空后状态。
图5 解真空后-Control界面
4、实验前准备：反应腔装载基管
移至ALD设备，打开外反应腔盖子取出内反应腔（装载基管）并关闭盖门。
图6 ALD反应腔
点击内腔基管装载口，放入基管，盖上装载口。
图7 内腔装载基管
装回大反应腔，并将密封盖盖上。
图8 装载好基管后放置进反应腔
5、实验前准备：取出高温舟
移至ALD源腔，取出装料舟，并关闭源腔阀门。
图9 源腔取出高温舟
6、实验前准备：手套箱抽解真空，高温舟装载前驱体源料
移至手套箱，点击真空泵开关，解真空后打开手套箱真空过渡仓-外舱门。
图10 手套箱外舱门-打开真空泵开关
图11 打开手套箱外舱门
点击ALD处装料托盘——自动移至手套箱真空仓。关闭舱门后，三次抽真空-解真空过程（注意左下角气压表），保证舱内空气洁净。
图12 手套箱外仓-三次抽真空解真空
点击装料后，动画展示过程。
图13 装料过程展示
直接打开外舱门-取出托盘。
图14 打开手套箱外仓门-取出高温舟
并在关闭舱门后，抽真空（仪器非操作状态均为真空）后关闭真空泵。
图15 关闭手套箱外仓门-抽真空
7、移至ALD设备-打开源腔门，装进高温舟，关闭源腔门。
图16 打开源腔门-装载高温舟
8、实验前准备：选择实验沉积程序，完成反应腔加热，开始沉积实验
抽真空Pump down，后点击选择正确的输入程序（每种反应对应不同程序）。
图17 ALD-Control界面-选择沉积程序
实验前：观察ALD饱和曲线与温度窗口曲线与源料TG-DSC曲线。
图18 ALD饱和曲线与温度窗口曲线与源料TG-DSC曲线绘制
设置反应腔源腔（TE-HS2）的温度，并点击-加热（Heating）。
图19 ALD-Valves界面-设置源腔/反应腔温度-加热
实验时：观察沉积过程，点击Start batch 观看实验过程。
图20 ALD-Valves界面-设置源腔/反应腔温度-加热
图21 ALD反应腔内-基管沉积过程
9、实验完成，点击数据记录，提交数据。
二、改进的化学气相沉积技术实验
1、选择改进的化学气相沉积技术实验，并进入该实验模块
2、打开水电气阀门开关。。
MCVD工作前需要打开水电气开关，冷却水和保护气体对设备提供保护，同时参与反应的原料也需要载气输送进入基管进行沉积。
点击屏幕左边界面“打开水电气”按钮。
图22 打开水电气开关
点击后打开“水控制开关”、“电气控制开关”、“气阀控制开关”。
图23 水电气开关
2、安装头管到头部夹具上
点击车床左端的盖子。
图24 车床左端盖子
在弹出的窗口中点击“打开夹具”。
图25 弹窗
然后点击“插入头管”，动画演示结束后点击“关闭夹具”，点击窗口中的“×”，关闭盖子。
图26 弹窗
3、安装基管到尾部夹具上
点击车床右端的盖子。
图27 车床右端盖子
在弹出的窗口中点击“打开夹具”。
图28 弹窗
然后点击“插入基管”动画演示结束后点击“关闭夹具”，点击窗口中的“×”，关闭盖子。
图29 弹窗
4、进行校直操作
点击车床左下端的喷火器。
图30 喷火器
在弹出窗口中点击“确定”，根据弹出窗口内容学习喷火器使用方法。
图31 弹窗
学习后在弹出窗口中选择“校直”，根据弹出窗内容学习相关知识点。校直动画结束后点击窗口中的“×”，再继续点击“确认要使用喷火器吗？”中的“×”关闭相关窗口。
图32 弹窗
5、进行基管和头管的焊接
移动夹持基管的车床尾部，使基管靠近头管。点击车床尾部处的黑色按钮，该黑色按钮为车床尾部移动的解锁按钮。点击按钮下面的手动轮，实现尾管向头管处移动。
图33 车床尾部解锁按钮和手轮
移动过程中要注意车床尾部不能碰到车床中间的加热炉，可以按照同样的方式点击加热炉下方的解锁黑色按钮后，再点击加热炉下方的手动轮调节加热炉的位置。
图34 加热炉解锁按钮和手轮
待头管和基管靠近接触后，点击使用喷火器，在弹出的菜单窗口中选择“焊接头管基管”，根据弹出窗内容学习相关知识点。
图35 弹窗
6、进行挤圆环操作
为防止加热收棒过程中热量传送到车床导气管上面的旋转接头导致密封圈损坏，需要进行挤圆环处理。在喷火器的菜单框中点击“挤圆环”，如图33所示。根据弹出窗内容学习相关知识点。动画结束后点击窗口中的“×”，再继续点击“确认要使用喷火器吗？”中的“×”关闭相关窗口。
7、安装尾管到尾部夹具上
点击车床右端的盖子。
图36 车床左端盖子
在弹出的窗口中点击“打开夹具”。
图37 弹窗
然后点击“插入尾管”动画演示结束后点击“关闭夹具”，点击窗口中的“×”，关闭盖子。
图38 弹窗
8、进行基管与尾管的焊接
移动夹持尾管的车床尾部，使尾管靠近基管。点击车床尾部处的黑色解锁按钮，如图40所示。点击按钮下面的手动轮，实现尾管向头管处移动。
待尾管和基管靠近接触后，点击使用喷火器，在弹出的菜单窗口中选择“焊接尾管基管”，动画结束后点击窗口中的“×”，再继续点击“确认要使用喷火器吗？”中的“×”关闭相关窗口。
图39 弹窗
9、进行限位器的限位
为限制基管塌缩过程中加热炉的运行范围，需要调节车床两个限位器的位置，分别点击左侧限位器和右侧限位器后，根据弹出窗内容学习相关知识点。
图40 左右限位器
10、进行预制棒的生成
点击电脑旁边的控制柜，根据弹出窗内容学习相关知识点，点击弹出菜单开始预制棒制作，根据弹出窗内容学习相关知识点，学习结束后关闭弹窗。预制棒制作过程动画结束后，弹出关于下棒的弹窗，学习相关知识点。
图41 控制柜
11、拆卸预制棒和尾管，灰粒废气收集箱清扫，车床吹扫、整理，关闭水电气。
点击夹持尾管的车床尾部，在弹出菜单中选择“拆卸尾管”。
图42 弹窗
拆卸尾管过程动画结束后，点击夹持头管的车床头部，在弹出菜单中选择“拆下预制棒”，最后灰粒废气收集箱清扫、车床吹扫、整理，结束整个实验。
图43 弹窗
三、特种光纤拉丝技术实验
1、进入特种光纤拉丝技术实验
进入上海大学特种光纤制备及模式分析虚拟仿真实验，点击开始实验，并选择拉丝塔实验，选择进入该实验。进入光纤制备虚拟仿真系统，开始光纤拉丝实验。
图44 虚拟仿真系统界面
2、打开水电气阀门开关
通过点击界面左侧齿轮，打开水总阀门、气总阀门以及总电闸，并把主操作面板的主机开机，之后打开涂覆加热。
图45 打开水电气阀门界面图
3、按照正确顺序打开各仪器阀门
点击继续试验按钮，仔细阅读注意事项，到拉丝塔顶层按照要求打开氩气阀门和水冷阀门。
图46 水冷及氩气阀门打开界面
4、测量预制棒的规格并安装到炉口
点击返回按钮来到预制棒夹具界面。
图47 预制棒夹具界面
点击左侧继续试验按钮，仔细阅读操作说明后，对光纤预制棒的直径和有效拉丝长度进行测量，并安装预制棒到夹具，点击预制棒夹具处，将预制棒夹紧，防止其在拉制过程中发生移动或旋转，影响实验结果。
图48 预制棒测量及安装界面
图49 旋转卡盘界面
通过放置到炉口按钮将预制棒放置在标准位置，准备拉丝，最后通过点击放置到炉口界面将预制棒送到高温炉中开始加热。
5、完成光纤坠头（Drop）制备
点击继续试验，仔细阅读操作要求后，开始进行Drop操作。
图50 Drop操作界面
将Drop杯放置在高温炉下方后，点击开始操作后，Drop会自动下落，当落到如图52所示的位置，点击右下角的Selt2按钮，将高温炉的模式从升温模式调整为拉丝模式。
图51 Drop下落过程界面
当温度下降到拉丝温度时，退回Drop杯，进行穿丝操作，点击穿丝到测径仪按钮，确定光纤穿过测径仪后点击向下牵引，进行下一项操作，此时界面如图所示，可以实时显示光纤直径。
图52 测径仪工作界面
6、按照正确顺序打开涂覆器
光纤牵引至辅助牵引轮处后，当光纤直径小于涂覆模块内径时，系统出现提示。
图53 系统提示界面
此时点击向下牵引按钮，将光纤穿过涂覆模具。
图54 光纤牵引操作界面
穿丝完成后，在系统提示中点击运行牵引轮按钮，打开牵引轮，完成对光纤的辅助牵引。
图55 牵引轮运行界面
此时点击继续实验按钮，通过界面打开风冷、UV灯以及涂覆开关。注意开启顺序，正确顺序为：先打开两个风冷开关，之后打开两个UV灯，最后开启两个涂覆。
图56 涂覆、风箱及UV灯开关界面
7、确保丝径符合要求后上盘
观察测径仪示数，当显示245后，表示已经成功涂覆，之后点击图57中光纤上盘按钮将光纤绕到收纤盘上。
8、正确调节PID自动拉丝系统
点击继续实验按钮，开始对光纤进行升速操作。图58为拉丝升速界面，要求观察光纤直径，同时通过增加及减少按钮对送棒速度及拉丝速度进行控制，将光纤直径控制在125 μm。光纤直径稳定并且拉丝速度达到20 m/min及以上之后点击PID按钮，进行光纤自动拉制过程。
图57 拉丝升速界面
进行仪器复位，关闭水电气开关，并提交数据。
四、特种光纤模式测量分析技术实验
1、进入特种光纤模式测量分析技术实验
进入上海大学仿真实验，选择特种光纤模式测试分析技术实验，点击开始实验，如图58所示。
图58 虚拟仿真系统界面
2、进入实验界面
熟悉实验元件后，点击进入选择光纤，如图59所示。
图59 光纤选择界面
3、实验前准备：制作样品纤
·将光纤放置在裁剪器上。
图60 裁剪光纤
·点击电脑打开光纤裁剪软件，设定裁剪长度，点击绝对位置运动，裁剪装置开始转动，转过预设的长度后停止。
图61 光纤裁剪界面
·得到预期长度的光纤。
图62 得到待测光纤
·用剥线钳，剥掉光纤两头的涂敷层，长度约1.5cm。
图63 裁剪
·用切割刀裁剪光纤两端。
图64 切割
·将光纤两端均插入耦合器。
图65 插入耦合器
4、实验开始：测量待测光纤
·把样品纤两端分别接入仪器的左右两个接口。
图66 待测路
·把参考纤两端分别接入仪器的左右两个接口。
图67 参考路
·按步骤打开激光器。
图68 激光器
5、实验中：电脑端控制
·打开光纤模式测量软件，初始化系统参数。
图69 测量界面
·设置测量参数、扫描范围，点击粗测开始扫描。
图70 扫描过程
·测量完成，显示模式时域分布曲线。
图71 粗测结果
·设置扫描范围，继续点击细测开始扫描。
图72 扫描过程
·测量完成，显示模式时域分布曲线。
图73 能量分布曲线
·点击模式时域分布曲线，显示对应位置的模式强度分布。
图74 模式强度分布曲线
6、实验完成，点击数据记录，提交数据。
实验教学方法
实验教学中将光纤制备及分析关键技术与虚拟实验技术相结合，采用任务驱动、交互体验、自主探究和项目导向等多元化教学方法，激发学生对特种光纤制备的兴趣，培养学生在光学技术领域的工程素质。实验教学过程包括三个模块：
1）特种光纤知识储备，旨在帮助学生进行特种光纤基础知识梳理和熟悉相应的仿真实验环境，通过预设的问题和任务，激励学生带着探究的心态进入实验学习阶段。
2）光纤制备实验光纤特性分析，引导学生交互开展四个实验操作，分别为ALD掺杂、预制棒制备、光纤拉丝工艺及模式测试分析，将光纤制备与特性分析相关知识点融入实验操作，加深学生对特种光纤的理解。
3）组合实验技术应用，以国家重大项目以及特种光纤的前沿研究为导向，鼓励学生自主探究少模、涡旋、保偏组合实验；学生需要通过撰写实验报告来总结操作技巧、归纳参数变化规律，并全面分析工艺对特种光纤特性的影响；开展团队活动，对实验结果进行应用拓展讨论分析。
通过三层次递进的实验教学设计帮助学生在理论与实践、知识与能力、创新与应用方面有效提升。同时，为加强学生对于知识的理解和实践的掌握，综合应用了案例分析法、观察法、对比法、控制变量法、物理模型法等实验方法。具体的实验教学内容和实验方法如图1所示：
图1 实验流程图
案例分析法：如在原子层沉积技术实验，学生需要对铒纳米掺杂石英基管开展案例分析。通过分析源腔和反应腔温度变化，了解掺杂前驱体源的化学反应原理，从而控制反应周期，进而形成对相关设备结构、功能及工作原理的认知。
观察法：如在原子层沉积技术实验，对原子层沉积技术实验设备如高温舟、热源腔、反应腔、液源等基本组成进行了高度仿真。学生可通过本实验平台对各个模型进行360°旋转以利于观察核心部件的内部组成，且实验过程中可观察掺杂纳米的微观结构、反应过程以及制作工艺，形成对原子层纳米沉积实验相关设备结构、功能及其工作原理的认知。
对比法：如在光纤预制棒制备技术实验，学生可通过特种光纤平台的双重涂覆参数设置进行两种涂覆方案自主设计。当光纤直径小于涂覆模块内径时，需要对光纤实现双层涂覆，否则学生则需回到界面继续修改优化。通过比较不同参数下对涂覆的影响，对比不同方案的优劣。完成实验后，学生可了解到采用双层涂覆可以实现更好的机械强度，进而提升分析设计和辩证思维的能力。
控制变量法：如在光纤拉丝技术实验，学生可以控制温度、气压、下棒速度等参量。通过控制这些参量，学生可以探究光纤的拉制过程中，拉丝温度、气压、拉丝速度、送棒速度、牵引张力等作用对光纤结构的影响，进而了解参量之间相互作用，为实际光纤制备提高拉丝效率和提升光纤性能提供参考。
物理模型法：如在光纤模式分析实验，光纤模式分析涉及了高等光学物理知识、复杂数学模型、光波导理论等多学科知识，其求解过程复杂抽象。采用物理化模型法将抽象的光纤模式分析模型化、具象化，通过一系列实时和离轴数字全息图，结合频域滤波算法可从全息图中提取干涉模式能量，从而为学生深入掌握特种光纤模式分析技术提供了实质性的帮助。
实验考核要求
实验评价体系：
根据学生在实验环节中的完成情况，系统自动依据成绩评价模型对各环节操作步骤进行精准的量化打分，如图1所示。此外，在教师管理模块可查看学生实验报告，进而对报告结果进行“优秀”、“良好”、“中等”和“及格”四个定性的等级评定。
图1 实验步骤量化打分细则
最终评价体系包括理论知识、实践操作、探索创新三个维度，具体地：
1）相应知识题得分结合实验报告“实验原理”模块，判断学生掌握知识的能力，评估优秀的同学进行进阶探索实验，与知识把握不牢的同学进行师生研讨，鼓励学生开展错误原因分析，不断改进实验方案。
2）根据学生在实践操作中的得分以及实验报告的“实验思考”模块总结分析四个实验之间的关联性来评定学生实践操作水平。
3）学生自由组队进行组合实验，教师引导开展创新实验任务，通过综合实验报告应用场景探究、新型光纤设计的部分以及师生讨论情况评定学生的探索创新水平。
课程加入问卷调查，可以及时反馈学生的意见和建议，进而教师调整教学方法，实现“教师强起来”的目的，也为进一步改进和完善实验系统提供实操反馈，达到“管理严起来”的目的。成绩评价模型如图2所示。
图2 成绩评价模型
面向学生要求
（1）专业与年级要求
专业：本实验面向通信工程、光电信息科学与工程、电子信息工程相关专业。
年级要求：大三教学。
（2）基本知识和能力要求等
学生需要掌握物理光学、光子学基础、光电子学、光电图像处理及光纤通信等相关理论知识，具有一定的数学建模与计算机仿真能力。