諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)激光及其應(yīng)用

諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)

—激光及其應(yīng)用

激光在光通信中的應(yīng)用烽火臺(tái)、燈光閃爍、旗語(yǔ)、信號(hào)燈等——視覺通信采用光波作為載波來(lái)傳遞信息的通信方式

——光通信光波通信的必要性和優(yōu)越性一般電波頻率～1MHz,(MHz=106Hz)微波頻率~1GHz(GHz=109Hz)光頻率～1014Hz，比微波快4～5個(gè)數(shù)量級(jí)通信容量(速率)與載波頻率成正比光波通信可以滿足大容量通信的需要

1850-2000年期間比特距離積(BL)的增加。1974-1996光通信技術(shù)上的進(jìn)步。五代光纖通信系統(tǒng)比特距離積的增加。1996年底已鋪設(shè)的洲際光纖通信系統(tǒng)基本的光通信系統(tǒng)

傳輸?shù)男畔ⅲ弘娦盘?hào)模擬信號(hào)—隨時(shí)間連續(xù)變化：音頻、視頻數(shù)字信號(hào)—只取離散值,bit1,bit0:計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù) 模擬信號(hào)——數(shù)字信號(hào) 采樣——量化——編碼電信號(hào)——通過(guò)直接調(diào)制光源或用外調(diào)制器調(diào)制光源——光信號(hào)傳輸光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)空間通信或光纖通信：信號(hào)調(diào)制在激光束上，通過(guò)光發(fā)送機(jī)，并以大氣或光纖作通信信道，再通過(guò)接收機(jī)把信號(hào)還原輸入信號(hào)通信信道發(fā)送機(jī)接收機(jī)輸出信號(hào)光發(fā)送機(jī)組成電信號(hào)調(diào)制在激光束上，通過(guò)光發(fā)送機(jī)，光信號(hào)輸出,并以大氣或光纖作通信信道

電信號(hào)輸入光源控制電路光信號(hào)輸出調(diào)制器信道耦合器光接收機(jī)組成通過(guò)光探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),并通過(guò)解調(diào)器恢復(fù)為原來(lái)的電信號(hào)電信號(hào)輸出信道耦合器電路光信號(hào)輸入光探測(cè)器解調(diào)器兩種光學(xué)通信方式光纖光纜通信(有線通信)—重點(diǎn)介紹激光空間通信(無(wú)線通信)--激光束作為信息載體進(jìn)行空間通信(包括大氣空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間)優(yōu)點(diǎn)：大通信容量、低功耗、重量輕、體積小、保密性強(qiáng)。適用近距離或外空間的通信缺點(diǎn)：受氣候影響、受大氣散射、吸收嚴(yán)重，能量損失大衛(wèi)星激光通信以激光為傳輸媒介，在衛(wèi)星之間建立光通信鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)難點(diǎn):衛(wèi)星光鏈路的空間瞄準(zhǔn)、捕捉和跟蹤存在背景光的影響

終端之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)

衛(wèi)星之間的通信距離遠(yuǎn)

對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求高(升空后維護(hù)困難)SMART-1號(hào)（2007年9月3日撞擊月球的空間探測(cè)器）與地面進(jìn)行激光通信測(cè)試模擬圖激光空間通信衛(wèi)星激光通信示意圖，載有激光終端的OICETS衛(wèi)星于2005年8月24日成功升空

光通信必須解決的兩個(gè)問(wèn)題有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)——

解決方法：光學(xué)纖維-石英(醫(yī)用)1966年高錕提出光纖傳輸理論

1970年低損耗石英光纖制成頻率穩(wěn)定、高強(qiáng)度的、可靠的載波光源——

解決方法：激光器——半導(dǎo)體激光器光纖通信光纖通信——光限制在很細(xì)的管道中傳輸優(yōu)點(diǎn)：低損耗——150km（光纖）~10-20km（同軸電纜）——轉(zhuǎn)發(fā)器間距長(zhǎng)大的帶寬——15000GHz（光纖）~10GHz（微波通信系統(tǒng)）——傳輸容量大無(wú)電磁干擾——無(wú)串音，不受電站、高壓傳輸?shù)挠绊懺牧县S富、便宜，光纖重量較銅輕光纖通信圖光導(dǎo)纖維

光的折射定理全反射：

當(dāng)入射角大于臨界角θc

介質(zhì)2的光不再折射到介質(zhì)1(條件n2>n1)，全部反射到介質(zhì)2。折射定律：n2sinθin=n1sinθzθc=

arcsin(n1/n2)光纖的結(jié)構(gòu)：內(nèi)層的折射率大光在光纖中的傳播路徑纖芯包層波導(dǎo)材料：?jiǎn)文２ＡЧ饫w實(shí)際光纖的結(jié)構(gòu)：光在光纖中的傳播路徑填料輸電管道緊固體光纖用于光纖通信的

最合適的激光波長(zhǎng)玻璃光纖材料紅外吸收和色散曲線色散損耗光纖中的色散色散——光脈沖經(jīng)過(guò)一段距離的傳輸后逐漸展寬，信號(hào)畸變失真。（激光光源并非絕對(duì)單色光。不同頻率的光波，傳輸速度不同）。1.38mm色散為零1.55mm有色散,用色散光纖等技術(shù)補(bǔ)償光纖通信中的光學(xué)元件光源的要求合適的發(fā)光波長(zhǎng):光纖的低損耗區(qū)足夠的輸出功率，長(zhǎng)距離傳輸可靠性高，壽命長(zhǎng)光譜寬度窄，降低光纖的色散效應(yīng)聚光性好，耦合效率高光開關(guān)速度必須短于10皮秒——數(shù)據(jù)傳輸調(diào)制方便光纖通信中的光學(xué)元件激光是用于光纖通信的理想光源:單色性、高強(qiáng)度半導(dǎo)體激光器：體積小、易耦合進(jìn)光纖、易調(diào)制、波長(zhǎng)合適電光調(diào)制器調(diào)制的目的——通過(guò)改變激光的位相、振幅、頻率、偏振，使連續(xù)光調(diào)制為隨時(shí)間改變的脈沖光輸出，以對(duì)應(yīng)所需傳輸?shù)碾娦盘?hào)。調(diào)制的方法：直接調(diào)制法——在激光二極管上直接加調(diào)制電源外部調(diào)制法——在激光輸出端外加調(diào)制直接調(diào)制法：電信號(hào)到光信號(hào)的直接調(diào)制直接調(diào)制法：電信號(hào)到光信號(hào)的直接調(diào)制外界調(diào)制法體調(diào)制器全光纖調(diào)制器集成光學(xué)調(diào)制器——平面波導(dǎo)器件原理同光纖（全反射）電光效應(yīng)——某些特定材料，外加電場(chǎng)作用后，光的折射率會(huì)發(fā)生變化。光信號(hào)在光纖長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，有損耗，需中繼器放大