第一章 緒論—1

1、光纖光學(xué)與光纖應(yīng)用技術(shù)緒論緒論 光纖光學(xué)與光纖應(yīng)用技術(shù)是20世紀(jì)50年代以后，伴隨著激光技術(shù)、微電子技術(shù)同步迅速崛起的近代光學(xué)與光電高、新技術(shù)領(lǐng)域的重要分支。近60年來光纖應(yīng)用技術(shù)在光纖傳感、光纖傳像、傳光照明、能量傳輸與信號(hào)控制，特別是在光纖通信等民用與軍工的廣泛領(lǐng)域獲得了重要而大量的應(yīng)用，尤其在信息技術(shù)領(lǐng)域正表現(xiàn)出越來越強(qiáng)大的生命力以及廣闊的應(yīng)用前景，因而也必然是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)。相應(yīng)地，作為研究光信息(光信號(hào)、光線或圖像)在光學(xué)纖維這種透明圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)中傳輸機(jī)理、特性、規(guī)律、制作工藝、器件與應(yīng)用的“光纖光學(xué)”，則是近60年來迅速發(fā)展并日臻完善并成熟起來的近代光學(xué)領(lǐng)域的一

2、門嶄新的分支學(xué)科。 從更高層面認(rèn)識(shí)，光纖技術(shù)是屬于光波導(dǎo)技術(shù)的一個(gè)方面，而通常所指的光波導(dǎo)技術(shù)，則應(yīng)包括以圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)為特征的光纖技術(shù)和以平板或帶狀介質(zhì)光波導(dǎo)為特征的集成光路技術(shù);與其相對(duì)應(yīng)，從學(xué)科角度可以認(rèn)為，與光波導(dǎo)技術(shù)相對(duì)應(yīng)的是導(dǎo)波光學(xué)，它應(yīng)包括:對(duì)應(yīng)于光纖技術(shù)的光纖光學(xué)和對(duì)應(yīng)于集成光路技術(shù)的集成光學(xué)(參見圖1)。本書研究的主要內(nèi)容包括:光在圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)(即光纖光學(xué))以及光纖與相關(guān)器件的應(yīng)用技術(shù)。光纖中的傳輸機(jī)理、特性與規(guī)律圖圖1 光波導(dǎo)技術(shù)與導(dǎo)波光學(xué)的對(duì)應(yīng)光波導(dǎo)技術(shù)與導(dǎo)波光學(xué)的對(duì)應(yīng)關(guān)系關(guān)系 1.光纖光學(xué)與光纖應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧光纖光學(xué)與光纖應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧 光纖光學(xué)旱期實(shí)

3、驗(yàn)室研究的緩慢發(fā)展階段，是從1852年英國(guó)丁達(dá)爾(J. Tyndall)研究證實(shí)光線可沿盛水的彎曲通道經(jīng)全反射向前傳播開始的，持續(xù)了將近100年;光纖光學(xué)與光纖技術(shù)的主要發(fā)展階段是近60年，期間大體經(jīng)歷了如下的三個(gè)階段。 （1）起步與上升階段(1950-1970年)。從1951-1952年，荷的范希爾(A. C. S. VanHeel)、英國(guó)的霍普金斯(H. H. Hopkins)與美國(guó)的卡帕尼(N. S. Kapany)同時(shí)分別開展了實(shí)用光纖與光纖束結(jié)構(gòu)與制作的研究;1955年希斯喬威茲解決了光纖包層的光絕緣問題;1956年卡帕尼提出了“纖維光學(xué)”或稱“光纖光學(xué)”新學(xué)科的命名;1958年卡帕

4、尼提出了拉制復(fù)合光纖的新工藝;1960年美國(guó)首先研制出光纖傳像束，爾后即興起了光纖醫(yī)用窺鏡傳輸圖像以及傳光的應(yīng)用;1960年由Theodore Maiman研制的第一臺(tái)激光器問世，解決了光通信的光源問題;1966年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、華裔科學(xué)家高銀首先提出了以光纖傳輸線取代傳統(tǒng)電纜線，用光波導(dǎo)傳輸光信息的概念，從而奠定了光纖通信的理論基礎(chǔ);1970年美國(guó)康寧公司首先拉制出損耗低至20 dB/km的通信用石英光纖，為光纖通信的實(shí)用化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。概括這一階段的基本標(biāo)志是: 工藝上制成完善可以實(shí)用的光纖; 各種光纖傳像器件(柔性的光纖傳像束與剛性的光纖面板等)與傳光器件的制作工藝水平與應(yīng)用首先成熟;

5、 光纖在通信中的大規(guī)模應(yīng)用正孕育著突破，光纖通信的理論與工程基礎(chǔ)已經(jīng)初步解決; 光纖光學(xué)的初步理論體系已經(jīng)建立，光纖光學(xué)的新學(xué)科已經(jīng)基本形成。(2)全面興起與發(fā)展階段(1970-1990年)。這一階段的主要進(jìn)展與標(biāo)志是: 長(zhǎng)距離通信光纖的需求促進(jìn)了多種光纖類型研制的完善與光纖制造工藝的成熟，各種類型光纖相繼問世，從階躍多模光纖到漸變折射率多模光纖，進(jìn)而發(fā)展到階躍單模 光纖。構(gòu)成長(zhǎng)距離光纖通信工程基礎(chǔ)的光纖類型與各種無源光器件已形成基本體系，解決了光纖的最佳選擇(單模光纖)，光纖產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)已經(jīng)建立;低損耗、低色散單模光纖的研究進(jìn)展，促進(jìn)了光纖主要應(yīng)用領(lǐng)域光纖通信的蓬勃發(fā)展，光纖通信先后經(jīng)歷了三

6、代通信系統(tǒng)的發(fā)展。從短波長(zhǎng)(0. 85um)、多模光纖通信系統(tǒng)(第一代)，到長(zhǎng)波長(zhǎng)(1. 31um)、多模和單模光纖通信系統(tǒng)(第二代)，再到長(zhǎng)波長(zhǎng)(1. 31 um)單模光纖實(shí)用化通信系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用(第三代)，其傳輸信號(hào)為準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PITH)的各次群信號(hào)，傳輸距離為50 km左右; 光纖傳感技術(shù)獲得迅速發(fā)展，70余種功能型與非功能型光纖傳感器相繼問世，研究異?；钴S; 梯度折射率光纖的研究進(jìn)展，促進(jìn)了梯度折射率光學(xué)與微型光學(xué)的發(fā)展;此外，塑料光纖、紅外光纖等多種特種光纖獲得迅速發(fā)展。(3)以現(xiàn)代光纖通信作為最重要應(yīng)用方向的飛速發(fā)展階段(1990年至今)。 隨著現(xiàn)代信息社會(huì)與信息技術(shù)對(duì)光纖

7、傳輸距離與通信容量進(jìn)一步提高的迫切需求，從進(jìn)一步降低色散、實(shí)現(xiàn)低損耗并抑制四波混頻等非線性效應(yīng)，以及適應(yīng)W IBM與 EIFA等應(yīng)用的要求，單模光纖從常規(guī)的單模光纖(G. 652光纖)發(fā)展演變出多種新型的單模通信光纖品種，如G652A、G652B、G652C(全波光纖)和G652D等光纖，色散位移光纖(G.653),截止波長(zhǎng)位移光纖G. 654)、非零色散位移光纖(G. 655A, G.655B,G.655C)和G. 656、G657光纖等，從而形成了適應(yīng)不同用途需要的單模通信光纖品種的配套體系;波分復(fù)用(WDM、DWDM）、摻餌光纖放大器(EDFA)等新器件、光無源與光有源器件等相繼問世并實(shí)

8、用化，奠定了新一代光纖通信系統(tǒng)的新技術(shù)及光互連、光邏輯門、光子開關(guān)、變頻、路由器等多種新型技術(shù)基礎(chǔ); 光纖通信系統(tǒng)從20世紀(jì)90年代初開始進(jìn)入第四代光纖通信系統(tǒng)，即傳輸體制以同步數(shù)字體系(SDH)取代準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)，從而使光纖通信網(wǎng)跨入第二代網(wǎng)絡(luò)同步光網(wǎng)絡(luò)(又稱光電混合網(wǎng)絡(luò))，同時(shí)傳輸波長(zhǎng)從1. 31 um轉(zhuǎn)向1. 55um，開始采用WDM與EDAF技術(shù)，傳輸速率達(dá)2. 5 Gb/s，中繼距離達(dá)80 km;經(jīng)歷了近20年的發(fā)展歷程，到20世紀(jì)末光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入第五代光纖通信系統(tǒng)階段，波分復(fù)用(WDM、DWDM)技術(shù)已進(jìn)入全面實(shí)用化，光纖傳輸容量獲得大的突破，以光孤子作為信息載體

9、的光孤子傳輸系統(tǒng)以及相干光通信系統(tǒng)、全光通信系統(tǒng)等先進(jìn)的光纖通信方式與系統(tǒng)正逐步進(jìn)入實(shí)用化并取代常規(guī)通信方式，基于多波長(zhǎng)傳輸與波長(zhǎng)交換技術(shù)的全光網(wǎng)絡(luò)成為網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的優(yōu)選方案，集成各種新興技術(shù)與新興光器件的 “摻餌光纖放大器(EDFA)+波分復(fù)用(WDM)+非零色散光纖(NZDSF)+光電集成 電路(OEIC)”模式，正在成為光纖通信系統(tǒng)的代表性方向。2、光纖的主要優(yōu)點(diǎn)、光纖的主要優(yōu)點(diǎn) 光纖作為一種介質(zhì)光波導(dǎo)、光信號(hào)的傳輸線，它相對(duì)于金屬傳輸線具有如下的主要優(yōu)點(diǎn): 具有極寬的傳輸帶寬，可使通信容量獲得極大提高，比同軸電纜大5個(gè)量級(jí)，可提供寬頻帶的綜合數(shù)字化服務(wù); 具有極低的損耗，良好的透明性，可實(shí)

10、現(xiàn)無中繼的長(zhǎng)距離傳輸，損耗最低可控制到0. 1一0. 2 dB/km; 光纖是絕緣介質(zhì)，傳輸光信號(hào)抗電磁干擾性好，且同一光纜中的多根光纖之間的相互干擾小。因此，信號(hào)傳輸?shù)谋Ｃ苄院茫沂芨蓴_小，傳輸質(zhì)量易于保證; 尺寸、體積小，質(zhì)量輕，柔韌性好，適宜鋪設(shè)、彎曲。光纜同比相應(yīng)電纜具有極大優(yōu)越性; 光纖的原材料Si0:蘊(yùn)藏豐富，可節(jié)約大量有色金屬(銅)材料。 正是由于光纖具有上述諸多的突出優(yōu)點(diǎn)，因而它獲得了廣泛而大量的應(yīng)用。 3.光纖的主要應(yīng)用領(lǐng)域光纖的主要應(yīng)用領(lǐng)域 光纖的優(yōu)良特性，使之在光纖通信、傳感、傳像、傳光照明與能量信號(hào)傳輸?shù)榷喾矫娴念I(lǐng)域被廣泛而大量應(yīng)用，并已成為當(dāng)今信息世界的新興支柱產(chǎn)業(yè)，

11、需求非常旺盛(例如，今后承擔(dān)電信業(yè)務(wù)的大多數(shù)電纜將被光纜取代)。另外，對(duì)光纖技術(shù)應(yīng)用的迫切需求，不僅表現(xiàn)在民用領(lǐng)域，在軍用領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用潛力。 光纖與光纖技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括: 進(jìn)行一維(時(shí)間)的信息傳輸。包括遠(yuǎn)程光纖通信(含洲際海底光纜通信、陸地的國(guó)際與國(guó)內(nèi)長(zhǎng)途通信)、區(qū)域網(wǎng)與城域網(wǎng)通信、互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸、本地接人網(wǎng)傳輸?shù)?此外，在軍用上包括艦載、機(jī)載、車載及陸軍的戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略光纖通信系統(tǒng)，以及光纖制導(dǎo)中的雙向信息傳輸。 光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于各種用途的功能型與非功能型光纖傳感器。 進(jìn)行二維圖像的傳輸、增強(qiáng)與變換：-二維圖像傳輸:如光纖傳像束(柔性器件)、光纖面板(剛性器件);-二維圖像增強(qiáng)

12、:如微通道板像增強(qiáng)器;-二維圖像變換:如扭像器、圖像分割器等。傳光照明與能量信號(hào)傳輸: -傳光照明、裝飾與光纖工藝制品; -能量傳輸以及信號(hào)傳輸與控制。 正是由于光纖以及光纖技術(shù)所獨(dú)具的優(yōu)越性能以及廣泛而重要的應(yīng)用領(lǐng)域與前景，因而以光纖通信為最重要代表的光纖技術(shù)及產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今世界范圍內(nèi)信息技術(shù)領(lǐng)域最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。光纖類產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值正以每十年50%的增長(zhǎng)率快速發(fā)展，而價(jià)格則呈數(shù)量級(jí)下降，從而產(chǎn)生了巨大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，并具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 近30年來，在世界范圍信息技術(shù)大發(fā)展的背景下，我國(guó)以光纖通信為主體的光纖與光纖技術(shù)產(chǎn)業(yè)，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和令人矚目的成就。例如，我國(guó)在“八五”期間

13、即已建成包含22條光纜干線、總長(zhǎng)度為3. 3萬千米的“八縱八橫”大容量光纖通信干線傳輸網(wǎng);“九五”期間我國(guó)開始大規(guī)模地建設(shè)SIGH網(wǎng)絡(luò)，并開通了1 550 nm的通信窗日;200。年我國(guó)敷設(shè)光纜總長(zhǎng)度約720萬千米;2003年年末，我國(guó)實(shí)際光纖產(chǎn)量已達(dá)350萬千米;我國(guó)生產(chǎn)的光纖以及預(yù)制棒的水平已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平?？梢灶A(yù)期，在我國(guó)向現(xiàn)代化、信息化快速前進(jìn)的背景下，光纖通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)以及更廣泛的光纖技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，必將迎來一個(gè)更加輝煌發(fā)展的明天，并躋身于世界信息技術(shù)發(fā)展強(qiáng)國(guó)之列。 本書運(yùn)用光線光學(xué)與波動(dòng)光學(xué)，系統(tǒng)地分析軸對(duì)稱圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)光纖(階躍多模、漸變多模、單模光纖)的傳輸機(jī)理、特性與規(guī)

14、律(包括進(jìn)行基本的模式分析)，并在較詳細(xì)地介紹光纖、光纜與無源/有源光器件等基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，全面介紹光纖在通信、傳感、傳像、傳光照明與能量信號(hào)傳輸?shù)确矫娴膽?yīng)用，從而使讀者獲得較系統(tǒng)、全面的光纖光學(xué)與光纖應(yīng)用技術(shù)的完整概念。第一篇第一篇光纖光學(xué)的基礎(chǔ)理論與知識(shí)光纖光學(xué)的基礎(chǔ)理論與知識(shí) 本篇的主要內(nèi)容包括:光纖光學(xué)即軸對(duì)稱圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)的基拙理論，運(yùn)用光線光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)兩種方法，研究分析光在圓柱階躍光纖與漸變折射率光纖中的傳輸機(jī)理與規(guī)律，求解波導(dǎo)方程，進(jìn)行模式的基本分析;研究光纖傳輸?shù)膸追N重要特性;介紹光纖的材料、制造、分類與光纜;研究光纖的連接、藕合特性以及幾種重要的無源與有源光器件。上述內(nèi)容

15、為全面研究光纖應(yīng)用技術(shù)奠定必要的理論基拙。 電磁波的傳播規(guī)律取決于所依賴的具體環(huán)境，例如，是在自由空間中還是在介質(zhì)中。其中，介質(zhì)的種類又包括金屬導(dǎo)體、電介質(zhì)非導(dǎo)體(根據(jù)其磁性特征又可分為磁性物質(zhì)與非磁性物質(zhì))及電離氣體。 光纖是一種介質(zhì)光波導(dǎo)，因此，光波在其中的傳播規(guī)律與特性應(yīng)服從于介質(zhì)中的電磁場(chǎng)理論。本章目的即建立光纖介質(zhì)波導(dǎo)中光線光學(xué)與波動(dòng)光學(xué)兩種分析方法共同的電磁理論基礎(chǔ)。第第1章章 光纖波導(dǎo)的電磁理論基礎(chǔ)光纖波導(dǎo)的電磁理論基礎(chǔ)1. 1 麥克斯韋方程組與物質(zhì)方程組麥克斯韋方程組與物質(zhì)方程組 光波是一種電磁波，光波的波動(dòng)性質(zhì)被包含在描述變化電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組以及表征物質(zhì)電磁性質(zhì)的物質(zhì)方

16、程組中。兩者將電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的空間與時(shí)間變化聯(lián)系起來。 1. 1. 1麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組 麥克斯韋方程組有其積分形式和微分形式，通常采用如下微分形式的麥克斯韋方程組，求解介質(zhì)中任一給定點(diǎn)電磁場(chǎng)矢量與時(shí)間變化對(duì)應(yīng)關(guān)系。 在非各向同性、非均勻、非線性介質(zhì)的一般條件下，微分形式麥克斯韋方程組的表述形式為: (1.3) (1.4) (1.2)0BEtDHJtDB (1.1) 上述一組線性耦合微分方程組中的(1.1)式、(1.2)式為基本方程，分別表示變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，以及由傳導(dǎo)電流(J)和位移電流(D)形成的總電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng);對(duì)上兩式取散度并利用電荷不滅定律，即 。則可以得

17、到(1.3)式與(1.4)式。因而后兩式并非獨(dú)立方程。 通常稱(1.1)式(1.4）式為麥克斯韋方程組。式中，D為電通量密度矢量，J為電流密度矢量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(或磁通量密度)矢量，P表示介質(zhì)中給定點(diǎn)的自由電荷密度。Jt 應(yīng)該指出，利用上述方程組還不能求解出介質(zhì)中給定點(diǎn)確定的E、D、B、H，這是因?yàn)樯胁恢繣、H與D、B之間的具體關(guān)系，其具體關(guān)系是隨所在的物質(zhì)而異的。為此，必須研究并確定物質(zhì)方程組。1. 1. 2物質(zhì)方程組物質(zhì)方程組 電磁場(chǎng)的存在與變化總是依賴于介質(zhì)的，介質(zhì)的具體情況決定了各有關(guān)矢量之間的關(guān)系。我們稱反映矢量E、B(電磁場(chǎng)的兩個(gè)基本物理量)與D、H、J(引進(jìn)的輔助場(chǎng)量)之間關(guān)

18、系的關(guān)聯(lián)方程為“物質(zhì)方程組”。物質(zhì)方程組的具體函數(shù)形式取決于如下所述各種介質(zhì)的具體類型。為區(qū)分不同類型介質(zhì)，需首先給出如下的各相關(guān)定義： 各向同性與各向異性:對(duì)介質(zhì)中的任意給定點(diǎn)，若其各方向的物理性質(zhì)均相同，則為各向同性;否則，為各向異性，表征其特性的系數(shù)則以張量形式表示。一般地，晶體為各向異性。均勻與非均勻:一種介質(zhì)若其物理特性不隨空間位置而逐點(diǎn)變化，則為均勻;否則，為非均勻，其特性系數(shù)可表為位置矢量:的函數(shù)形式。則為非線性關(guān)系。一些介質(zhì)在強(qiáng)場(chǎng)作用下呈現(xiàn)非線性特性，這種介質(zhì)即稱為非線性介質(zhì)。線性與非線性:若D（J）、H只與E、B的一次項(xiàng)有關(guān)，即 均是與E、H無關(guān)的常數(shù)，則為線性;若D不僅與E

19、的一次項(xiàng)有關(guān)，且與E的高次項(xiàng)有關(guān)，以DE函數(shù)關(guān)系為例，即可表為如下形式:、 （1.5）ijj, ,=+.jkjklijijkj kj k lDEE EE E E一次項(xiàng) 非 線 性 項(xiàng) 透明:即指=0，因而J=0。，無吸收損耗。透明介質(zhì)是指光進(jìn)入其中而其強(qiáng)度不發(fā)生可察覺減弱的物質(zhì)(如空氣、玻璃)，它們?cè)陔妼W(xué)上必為非導(dǎo)體。 無源:即自由電荷密度=0。 根據(jù)上述定義，可給出如下三種主要類型介質(zhì)的物質(zhì)方程組形式： 物質(zhì)為各向異性、非均勻、線性，則其物質(zhì)方程組可表為 （1.7）( )( )( )( )( )( )D rrE rB rrH r（1.6）式中，、分別表示介質(zhì)的張量介電系數(shù)和張量磁導(dǎo)率，并以矩陣形式表示(以為例):111213212223313233( )r（1.8）式中， ，r 為介質(zhì)中不同空間點(diǎn)的位置矢量。因而(1. 6)式可表為( )ijijr111213212223313233xxyzyxyzzxyzDEEEDEEEDEEE（1.9）也可表示為矩陣方程:或?qū)E之間的線性關(guān)系表示為一般式:111213212223313233xxyyzzDEDEDE (1.10)31