光纖光學(xué)-緒論

第一章緒論光纖及其發(fā)展歷史光纖的分類與制備光纖光學(xué)的研究?jī)?nèi)容及研究方法本課程的要求及建議PREFACE(序言）

Whystudythiscourse?為什么學(xué)What’sitstudyoninthecourse?

學(xué)什么Howtostudythecourse?如何學(xué)光纖光學(xué)光如何在光波導(dǎo)中傳播模式理論損耗和色散耦合模理論光在光波導(dǎo)中有哪些物理效應(yīng)光纖通信光纖傳感如何對(duì)光信號(hào)進(jìn)行發(fā)送、調(diào)制、接收和處理非線性效應(yīng)光器件光調(diào)制信息時(shí)代兩大技術(shù)支撐微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)光纖通信技術(shù)微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)光纖通信技術(shù)信息時(shí)代§1-1光纖及其發(fā)展歷史

光通信與早期光學(xué)纖維（1960’S以前）高錕的發(fā)現(xiàn)與光纖技術(shù)的興起光纖通信的巨大優(yōu)勢(shì)及其在通信領(lǐng)域的重要地位光纖技術(shù)的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域人類早期的通信活動(dòng)廣義而言，通信是指異地間的信息傳送，事實(shí)上，光通信是人類早期進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的主要方式……光源：光譜頻帶太寬，無合適的光源；傳輸媒質(zhì)：光波在大氣中的傳輸極不穩(wěn)定。大氣激光通信簡(jiǎn)介光載波的頻率高達(dá)1014～1015Hz，理論上，僅單一光載波信道的傳輸速率即可達(dá)10Tbit/s(1T=1000G=1012)，是微波系統(tǒng)的數(shù)千至上萬倍光波波長(zhǎng)為微米量級(jí)，能量集中、器件尺寸小、功耗低其大容量和寬帶寬是數(shù)字通信網(wǎng)得以建立和發(fā)展的基礎(chǔ)然而：一個(gè)通信系統(tǒng)的建立，需要具備適當(dāng)?shù)妮d波振蕩器、調(diào)制方式、傳輸介質(zhì)和接收設(shè)備在1960年以前，來自普通光源光載波的光譜特性和噪聲特性以及高頻調(diào)制方式的缺乏使光通信的潛在優(yōu)勢(shì)僅僅具有理論上的意義，根本無法付諸實(shí)施光通信的必要性與技術(shù)困難介質(zhì)光波導(dǎo)是一種能夠?qū)⒐獠ㄏ拗圃谄鋬?nèi)部或表面附近，從而引導(dǎo)光波沿確定的路徑傳播的介質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)。

介質(zhì)光波導(dǎo)Developedin1954byvanHeel,Hopkins&KapanyDevelopedin1954byvanHeel,Hopkins&Kapany

激光器亮度高、譜線窄、方向性好，它的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。

1960年梅曼發(fā)明了紅寶石激光器紅寶石激光器[美國(guó)梅曼(Maiman)，1960]但直到60年代中期，最好的光學(xué)玻璃的傳輸損耗仍高達(dá)1000dB/km這意味著在1km的光纖上傳輸1000nm的光信號(hào)，當(dāng)入纖光能為2×1081J時(shí)，收端才能收到一個(gè)光子。光纖之父1966年，高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文《用于光頻的光纖表面波導(dǎo)》,指明通過“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向,奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。高錕指出光纖的高損耗來自石英中的雜質(zhì)，通過對(duì)原材料的提純可以制作出適合長(zhǎng)距離通信的低損耗，其損耗可能低于20dB/km，從而可以用作通信媒質(zhì)。

1998年，高錕（左）在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)?/p>

2009年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)光纖之父OpticalFiberin1970’S1969年，日本NTT，VAD，>100dB/km1970年，美國(guó)Corning，OVD，20dB/km，4dB/km1974年，美國(guó)AT&T，MCVD，性能更優(yōu)越1976年，荷蘭Philips，PCVD，性能相當(dāng)1979年，整體水平：0.33dB/km@1.31微米,0.2dB/km@1.55微米光纖損耗譜光纖損耗定義為每單位長(zhǎng)度光纖功率衰減分貝數(shù)損耗低（0.2dB/km，中繼距離50～100km，銅纜為1～5km）傳輸容量大（單根光纖400nm，50THz，每根光纜可容納數(shù)十～數(shù)百芯光纖）重量輕，體積?。?7g/kmfiber）石英資源豐富，光纖成本低系統(tǒng)造價(jià)與維護(hù)成本大幅降低抗電磁干擾，不易串音，抗雷擊，保密性強(qiáng)通信質(zhì)量高（光纖系統(tǒng)誤碼率優(yōu)于10－10）光纖通信的巨大優(yōu)勢(shì)光纖通信系統(tǒng)的組成World-wideNetwork第一代:

工作波段為0.8μm，BL約為500Mb/s.km第二代:

工作波段為1.3μm的光波，BL約為85Gb/s.km

第三代:

工作波段為1.55μm的光波，BL約1000Gb/s.km

第四代:

采用光放大器增加中繼距離，采用頻分和波分復(fù)用增加比特率為特征，BL約為2000Gb/s.km第五代:

以光孤子脈沖為通信載體，采用OTDM和WDM聯(lián)合復(fù)用為通信手段，以超大容量、超高速率為特征的通信方式1Tbit/s的傳輸能力相當(dāng)于1秒鐘傳送：300年泰晤士報(bào)；10萬路電視；120萬路電話；1000萬因特網(wǎng)用戶大容量光傳輸系統(tǒng)的發(fā)展德國(guó)科學(xué)家讓一根光纖的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到每秒26T，相當(dāng)于700張DVD

三網(wǎng)合一:高質(zhì)量生活householdOnlineshoppingNetworkgameOnlinelibraryTele-educationE-commerceE-governmentVideotelephoneHDTVBrowse/downloadVideoconferenceTele-medicine光纖通信發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)光波分復(fù)用技術(shù)；相干光纖通信技術(shù)；超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信；光孤子通信；全光通信。光存儲(chǔ)技術(shù)產(chǎn)業(yè)光纖傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)光纖通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)光與顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)武漢-中國(guó)光谷光纖技術(shù)有源無源器件光纖通信干線光交換接入網(wǎng)

AONDWDMOADMOTDMFTTC,B,O,H

位移、振動(dòng)溫度、壓力應(yīng)變、應(yīng)力電流、電壓電場(chǎng)、磁場(chǎng)流量、濃度可以測(cè)量70多個(gè)物理化學(xué)量廣告顯示牌激光手術(shù)刀儀表照明工藝裝飾電力輸送光纖面板醫(yī)用內(nèi)窺鏡潛望鏡

光子集成光電子集成集成光路光收發(fā)模塊光接入模塊光開關(guān)模塊光放大模塊信息獲取信息傳輸信息處理其它應(yīng)用光纖技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域寂寞了二十多年的“集成光學(xué)”的概念重又受到人們的關(guān)注，并發(fā)展成為“集成光子學(xué)”和“集成光電子學(xué)”：在很小的空間范圍內(nèi)，將具有多種功能的導(dǎo)波光學(xué)器件、光電子器件和電子電路集成在一起，以提高性能、降低成本。值得注意的是，這里的“集成”主要是指各種功能的集成，而不是像集成電路那樣強(qiáng)調(diào)單位面積內(nèi)的元件數(shù)。集成光學(xué)的概念1969年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Miller提出集成概念集成電路最早的集成電路

1997年，集成晶體管已達(dá)到

106個(gè)之多Intel研究人員日前研制出世界上最快的硅基光學(xué)調(diào)制器—多核光互連Intel（50Gbps）的速度移動(dòng)數(shù)據(jù)硅光子學(xué)的通信領(lǐng)域應(yīng)用取得里程碑式進(jìn)展，證實(shí)未來電腦可用光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。英特爾實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)端至端硅光子連接，這將對(duì)電腦設(shè)計(jì)產(chǎn)生革命性影響，極大地提高電腦性能和節(jié)約能源光纖激光器激光攻擊導(dǎo)彈天文觀測(cè)基準(zhǔn)星點(diǎn)式光纖液位傳感器適用于高、低液位報(bào)警密封加油控制LEDPIN液體LEDPIN液體本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容：階躍光纖模式理論

光纖光學(xué)的基本方程，一維平面光波導(dǎo)的傳輸理論

光纖模式理論梯度光纖模式理論

光纖特性參數(shù)與測(cè)試技術(shù)

光纖器件

光纖連接與耦合

光纖應(yīng)用技術(shù)模式理論新應(yīng)用新型光纖的制作工藝Tomá?

?i?márandKishan

Dholakia

OpticsExpress,Vol.19,Issue20,pp.18871-18884(2011)

參考書目：李玉權(quán)，《光波導(dǎo)理論與技術(shù)》，北京：人民郵電出版社，2002.余守憲，《導(dǎo)波光學(xué)物理基礎(chǔ)》，北京：北方交通大學(xué)出版社，2002.Synder，《光波導(dǎo)理論》廖延彪，《光纖光學(xué)-原理與應(yīng)用》，北京：清華大學(xué)出版社，2008.教材：劉德明等，《光纖光學(xué)》（第二版），北京：科學(xué)出版社，2008.先導(dǎo)課程：數(shù)學(xué)物理方法，電磁場(chǎng)與電磁波，物理光學(xué)學(xué)習(xí)要求：1.掌握光纖光學(xué)基本概念和重要結(jié)論2.學(xué)習(xí)分析和解決問題的思路與方法3.注重物理內(nèi)涵而不必拘泥于繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算§1-2光纖制造技術(shù)簡(jiǎn)介

光纖制造工藝概述（化學(xué)氣相沉積法）（等離子體化學(xué)氣相沉積法）（管外氣相沉積法）（氣相軸向沉積法）光纜光纜基本結(jié)構(gòu)光纜基本要素：纜芯、加強(qiáng)元件、護(hù)層

光纖的類別多模光纖與單模光纖Multimodefiber:multipleraysfollowdifferentpaths優(yōu)點(diǎn)：芯徑大，易于光耦合。缺點(diǎn)：模間色散。適用于低速短距離系統(tǒng)Singlemodefiber:onlydirectpathpropagatesinfiber優(yōu)點(diǎn)：無模間色散。缺點(diǎn)：不易于光耦合。適用于高速信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸（SIOF）（GIOF）實(shí)用光纖主要的三種基本類型

(a)階躍型光纖；(b)漸變型光纖；

（c）單模光纖

纖芯直徑

相對(duì)折射率

數(shù)值孔徑

歸一化頻率

光纖的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)光纖的直徑包括纖芯直徑2a和包層直徑2b。一般光纖總粗小于150μm。典型單模光纖芯徑約10μm，多模階躍光纖芯徑約62.5μm，多模漸變型光纖芯徑約50μm，但它們的包層外徑一般均取125μm。對(duì)稱性波導(dǎo)不對(duì)稱性導(dǎo)2a

纖芯直徑

相對(duì)折射率差光纖對(duì)光場(chǎng)的約束能力及光纖端面的受光能力當(dāng)n1與n2相差極小時(shí)，Δ也極小，這種光纖稱為弱導(dǎo)光纖，對(duì)于弱導(dǎo)光纖，其相對(duì)折射率可近似表示為：一般n1只略大于n2；單模光纖Δ＝0.3％，多模光纖Δ＝1％。

數(shù)值孔徑N.A.（NumericalAperture）2a為光纖端面最大接收角的正弦

歸一化頻率V光纖中所支持的電磁波模式數(shù)量由光纖的具體結(jié)構(gòu)和折射率分布決定；自由空間波長(zhǎng)表示在光纖中傳播模式多少的參數(shù)a和N.A.越小，V越小，在光纖中的傳播模式越少。一般地，當(dāng)V<2.405時(shí)，只有基模能傳播；而當(dāng)V>2.405時(shí)，為多模傳輸態(tài)。

光纖的基本特性

色散

損耗損耗和色散對(duì)光信號(hào)的影響光纖損耗的來源光纖色散是指構(gòu)成光信號(hào)的電磁波各成份在光纖中具有不同傳輸速度的現(xiàn)象，是限制單一波長(zhǎng)上傳輸容量的主要因素。光纖色散

光纖色散的來源附錄：學(xué)好光電，就業(yè)廣闊光存儲(chǔ)返回光谷產(chǎn)業(yè)大氣和自由空間是天然的光學(xué)信道。在無障礙情況下，光信號(hào)可以通過大氣進(jìn)行傳輸，構(gòu)成所謂空間光通信系統(tǒng)。空間光通信系統(tǒng)所面臨的困難：穩(wěn)定性問題：塵埃、雨雪、大霧可