光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)

光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共四十頁，2022年，8月28日1目錄第1章光纖通信概述第2章光纖的物理學(xué)基礎(chǔ)第3章光纖第4章光源和光發(fā)射機第5章光檢測器和光接收機第6章光纖通信系統(tǒng)與工程第7章SDH技術(shù)第8章光放大和色散補償技術(shù)第9章波分復(fù)用技術(shù)第10章光纖通信的高新技術(shù)第二頁，共四十頁，2022年，8月28日22.1光的本質(zhì)2.2光的反射、折射和全反射2.3波動光學(xué)2.4光的吸收、色散和散射2.5激光原理

第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)本章內(nèi)容第三頁，共四十頁，2022年，8月28日32.1光的本質(zhì)（1）光線是直線傳播的利用全反射性質(zhì)可以讓光線沿著管道傳播（2）光具有波動性具有干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象

用電磁場理論解釋（3）光的量子性具有吸收、色散和散射等現(xiàn)象

用量子力學(xué)理論解釋一束光波就是一束光子流，光子不但具有能量E和動量p

，還具有波長λ和頻率ν：光是電磁波，具有波動性和粒子性第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第四頁，共四十頁，2022年，8月28日42.1光的本質(zhì)光電效應(yīng)1、每種金屬都有一個確定的截止頻率γ0，當(dāng)入射光的頻率低于γ0

時，不論入射光多強，照射時間多長，都不能從金屬中釋放出電子。2、對于頻率高于γ0的入射光，從金屬中釋放出的電子的最大動能與入射光的強度無關(guān)，只與光的頻率有關(guān)。頻率越高釋放出的電子的動能就越大。3、對于頻率高于γ0的入射光，即使入射光非常微弱，照射后也能立即釋放出電子。第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第五頁，共四十頁，2022年，8月28日52.2光的反射、折射和全反射當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，且入射角大于臨界角時，將發(fā)生光的全反射現(xiàn)象。第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第六頁，共四十頁，2022年，8月28日62.3波動光學(xué)1、光的電磁理論1865年麥克斯韋在總結(jié)前人實驗的基礎(chǔ)上，得出麥克斯韋方程組(描寫電磁場分布變化規(guī)律的一組微分方程)，并預(yù)言電磁波的存在。電磁場理論指出光是一種電磁波。通常所說的可見光的波長范圍在0.4～0.76μm之間，而常用的光纖通信系統(tǒng)工作在近紅外區(qū)，波長為0.8～1.8μm，對應(yīng)的頻率為167～375THz。第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第七頁，共四十頁，2022年，8月28日7真空中的電磁波具有以下性質(zhì)：(1)電磁波是橫波(2)E和H同相位(3)E和H幅值成正比(4)電磁波的傳播速度與光相同，表明光波也是一種電磁波(5)電磁場的能量和能流可以用能量密度和能流密度來描述2.3波動光學(xué)第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第八頁，共四十頁，2022年，8月28日82.3波動光學(xué)2、光的干涉1）光的相干性光矢量：在光波中，產(chǎn)生感光作用與生理作用的主要是電場強度E，所以電矢量E稱為光矢量。由頻率相同，振動方向相同，相位相同或相位差保持恒定的兩個相干波源所發(fā)出的波是相干波，在兩束相干波相遇的區(qū)域里，有些點振動始終加強，有些點的振動始終減弱或完全抵消，即產(chǎn)生干涉現(xiàn)象第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第九頁，共四十頁，2022年，8月28日92）獲得相干光的基本方法將一光源上同一點發(fā)出的光波分成兩束，使它們經(jīng)過不同的傳播，然后在某一空間區(qū)域相遇，發(fā)生迭加。在此過程中，將每一個波列光都分成兩個頻率相同、震動方向相同、相位差恒定的波列，則這兩個波列就是相干光。通常用下列兩種方法獲得相干光：①分波振面法②分振幅法2.3波動光學(xué)第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第十頁，共四十頁，2022年，8月28日102.3波動光學(xué)3）光的干涉規(guī)律

如果兩束相干光都在同一媒質(zhì)（如空氣）中傳播，則兩束相干光之間的相位差完全由它們所經(jīng)過的幾何路程差r2

-r1來確定，即如果光通過不同媒質(zhì)時，光波的波長將隨媒質(zhì)不同而變化，所以兩相干光之間的相位差就不能只由它們的幾何路程來決定。而由它們的光程差來決定。第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日112.3波動光學(xué)3）光的干涉規(guī)律幾何路程與光程的區(qū)別：

在經(jīng)典光學(xué)理論中：光的幾何路程是由光所經(jīng)過的光學(xué)器件的距離決定的，而光程是由光的幾何路程和光所經(jīng)過的介質(zhì)特性(折射率)決定的。第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日12光程與光程差兩束光波在媒質(zhì)中傳播時其相位差為則nr叫做光程。相當(dāng)于把光在不同媒質(zhì)中的傳播都折算成光在真空中傳播。當(dāng)兩束相干光在不同媒質(zhì)傳播時，對干涉加強(亮紋)和減弱(暗紋)條件起決定作用不是這兩束光的幾何路程差，而是光程差δ。且滿足如下規(guī)律：（干涉加強）（干涉減弱）第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日13光的干涉應(yīng)用薄膜干涉原理在鍍膜技術(shù)中的應(yīng)用主要有4個方面：1、是利用薄膜反射時，使某些波長的光因干涉而減弱，以增加透射光的強度，這種薄膜稱為增透膜。2、是利用薄膜表面反射時，使某些波長的光因干涉而加強，以減少透射光的強度，這種薄膜稱為增反膜。3、用于制作激光器的諧振腔。4、制作高分辨率的光譜儀器用于分析光譜線的精細結(jié)構(gòu)。第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日141）光的衍射現(xiàn)象

光波能繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫光的衍射。當(dāng)障礙物的線度和光的波長可以相比時就會發(fā)生光的衍射現(xiàn)象。利用光的衍射現(xiàn)象可以制作光網(wǎng)絡(luò)中的光學(xué)器件，例如分光器、波分復(fù)用器、波分解復(fù)用器等。2.3波動光學(xué)2、光的衍射第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日154、光的偏振

光的干涉和衍射現(xiàn)象揭示了光的波動性，但并不能確定光是橫波還是縱波，光的偏振現(xiàn)象清楚地證明了光是橫波。2.3波動光學(xué)第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日162.3波動光學(xué)①光的偏振現(xiàn)象

線偏振光光矢量只沿一個固定的方向振動的光

自然光平均來看，光矢量對于光的傳播方向呈軸對稱均勻分布，沒有任何一個方位更占優(yōu)勢，這種光稱為自然光。

部分偏振光自然光在傳播過程中，由于外界的某種作用，造成各個振動方向上的強度不等，使某一方向的振動比其他方向占優(yōu)勢，這種光叫作部分偏振光。4、光的偏振第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日172.3波動光學(xué)②起偏和檢偏

從自然光獲得偏振光的過程叫起偏。

偏振片允許通過的光振動方向，稱作偏振化方向，也

叫透光軸。

檢驗偏振光的過程，稱為檢偏。

利用偏振片可以起偏和檢偏4、光的偏振第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日18馬呂斯定律自然光入射到偏振片上，透射光滿足馬呂斯定律：

I=I0cos2α

式中：α=0時，I=I0，透射光強最大；

α=π/2時，I=I0

，透射光強為零；0<α<π/2時，透射光強介于0和I0之間。利用馬呂斯定律可以解釋檢偏的過程。2.3波動光學(xué)4、光的偏振第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日19④反射起偏.布儒斯特定律自然光入射在兩種各向同性介質(zhì)的分界面上時，反射光和折射光都成為部分偏振光。反射光的偏振化程度與入射角有關(guān)。當(dāng)入射角（自然光）等于某一特定值時，反射光是光振動垂直于入射面的線偏振光，這個特定的入射角叫做起偏振角，稱為布儒斯特角。其反射光和折射光的傳播方向相互垂直。即2.3波動光學(xué)4、光的偏振第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日20⑤光的雙折射現(xiàn)象光在兩種各向同性的媒質(zhì)的分界面上折射時，只有一束折射光線。但是，當(dāng)一束自然光進入各向異性晶體時，例如光線進入方解石晶體后，會分裂成為兩束折射光線，它們沿不同方向折射，稱為雙折射現(xiàn)象。2.3波動光學(xué)4、光的偏振第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日212.4光的吸收、色散和散射光的吸收、色散、散射都是光波與物質(zhì)的相互作用過程。要用量子力學(xué)解釋1光的吸收(1)吸收的線性規(guī)律光的吸收是指光波通過介質(zhì)后，光強減弱現(xiàn)象。吸收的線性規(guī)律為：稱為布格爾定律當(dāng)光的強度不大時，光的吸收線性規(guī)律很精確，但是光的強度很大時（特別是激光），出現(xiàn)了光與物質(zhì)的非線性相互作用過程，此時吸收系數(shù)α依賴于光的強度。第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日22(2)光的吸收與波長的關(guān)系物質(zhì)對某些波長的光的吸收特別強烈，即吸收系數(shù)α隨λ的改變而急劇變化，就稱為選擇吸收。在無線通信中，就要考慮大氣對電磁波的吸收問題。光纖對可見光和紫外線具有強烈的選擇吸收性，但對于近紅外“窗口”是透明的，所以我們選擇μm

的波長進行光纖通信。2.4光的吸收、色散和散射第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日232色散

(1)色散的概念色散是介質(zhì)的折射率n隨光波波長λ變化的現(xiàn)象

(2)正常色散介質(zhì)的折射率n是隨波長λ的增加而減小的色散叫正常色散。

(3)反常色散反常色散是介質(zhì)的折射率n隨著波長λ的增加而增加，與正常色散正好相反。2.4光的吸收、色散和散射第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日243散射(1)光的散射當(dāng)光通過不均勻介質(zhì)時，會偏離原來的方向而向四周傳播，這種現(xiàn)象稱為光的散射。(2)線性散射散射光的頻率等于入射光的頻率，散射光中沒有新頻率的光產(chǎn)生，這類散射稱為線性散射。(3)非線性散射散射光中除了入射光的頻率或譜線之外，還有新頻率的光或新譜線產(chǎn)生，這類散射稱為非線性散射。拉曼散射和布里淵散都屬于非線性散射。2.4光的吸收、色散和散射第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日252.5激光原理光波光子光是電磁波－具有確定的波波光是粒子－由光粒子構(gòu)成長和頻率（具有波動性）。光子流（具有吸收和輻射的粒子特性）。古典物理量子物理光具有波粒二象性一個光子的能量

E

與光波頻率

f

的關(guān)系是E＝hfh＝6.626×10-34J·S（焦耳·秒）稱為普朗克常數(shù)波粒二象性是同一客觀物質(zhì)－－光在不同場合下表現(xiàn)出來的兩種同樣真實的屬性。當(dāng)光在空間傳播時主要表現(xiàn)出其波動性；而當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，光的行為又表現(xiàn)出粒子性。激發(fā)態(tài)能量基態(tài)能級圖第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日262.5激光原理1自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收光和物質(zhì)的相互作用有三個主要過程：①：無外界激發(fā)，自發(fā)產(chǎn)生。①：在外界激發(fā)下產(chǎn)生。①：頻率、相位、②：輻射的光子是多頻率的。②：外界激發(fā)能量要滿足偏振方向相同。③：輻射的方向、相位不同。hf＝E2－E1②：相干光③：非相干光③：光放大f＝（E2－E1)/

hE2E1光光光光受激吸收PIN自發(fā)輻射LED受激輻射LD第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日272激活物（光的放大）激光是通過受激輻射來實現(xiàn)光的放大。在熱平衡條件下，電子在各能級上的分布遵循費米能級統(tǒng)計規(guī)律，即低能級上的電子數(shù)多（N1），高能級上的電子數(shù)少（N2）。正常狀態(tài)N1>N2

這時受激吸收>受激輻射無光放大要獲得光放大，就必須有高能級粒子數(shù)N2大于低能級粒子數(shù)N1的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

要想光放大必須：受激輻射>受激吸收即N2>N1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2.5激光原理第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日282激活物2.5激光原理增益系數(shù)G：

處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)稱為激活物質(zhì)，又叫增益物質(zhì)。用增益系數(shù)G表示λ是光波波長，Δ?是光頻寬度，n是增益物質(zhì)的折射率，τ2是高能級E2上的粒子壽命，ΔN是兩能級上的粒子反轉(zhuǎn)分布濃度即N2－N1第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日292激活物因此，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。

而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須具備下述兩個條件：

要有激活介質(zhì)或增益介質(zhì)（光放大）。

要有激勵或稱為泵浦。（從外界輸入能量）2.5激光原理第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日303光學(xué)諧振腔增益物質(zhì)（激活物）只能使光得到放大，要形成激光振蕩還必須要有光學(xué)諧振腔。

因為在其激勵下的受激輻射是隨機的，所輻射的光的相位、頻率、和方向是互不相關(guān)的。激光必須是全同光子（同頻率、同相位、同方向）。2.5激光原理第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日313光學(xué)諧振腔a：輻射光平行于諧振腔軸線。b：輻射光往返一次的相位差等于2π的整數(shù)倍。即：

L激光輸出部分反射鏡反射鏡ZM1r＝1M2r<1諧振腔長度①振蕩過程②諧振條件根據(jù)折射率n的定義（n＝C/v）和物理學(xué)中λ＝v/f的關(guān)系有所以有：當(dāng)滿足上式時，即可在腔中形成諧振m為整數(shù)，λm是與m相對應(yīng)的諧振腔中的光波長nλ0m為諧振腔輸出至空氣中的光的諧振波長第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日323光學(xué)諧振腔③閾值條件

激光器能產(chǎn)生振蕩的最低限度稱為激光器的閾值閾值條件為di是除反射鏡透射損耗以外的其它所有損耗所引起的衰減系數(shù)；L是諧振腔的長度；r1、r2是反射鏡M1、M2的反射系數(shù)。

閾值大小決定于光學(xué)諧振腔內(nèi)的固有損耗，損耗越小，閾值條件越低，激光器就越容易起振。第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日33光學(xué)諧振腔

③選頻作用

光學(xué)諧振腔還具有選頻作用，因為要產(chǎn)生激光就必須選擇傳播方向和頻率一定的某一光信號優(yōu)先放大，將其他方向和頻率的光抑制掉。第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日34產(chǎn)生激光的條件綜上所述要能產(chǎn)生激光，必須具備以下三個條件1）激光工作物質(zhì)2）激勵源3)光學(xué)諧振腔第2章光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日354．激光的模式輸出激光的影響因素有：

光學(xué)諧振腔的腔長L的影響光學(xué)諧振腔反射鏡的大小和形狀的影響分別稱為縱模特性和橫模