光纖光學第一章課件

光纖光學周向陽gxzxy08@21教材：[1]饒云江.光纖技術.科學出版社，2006.參考文獻：[1]廖延彪.光纖光學.清華大學出版社，2001.[2]劉德明，向清，黃德修.光纖光學.國防工業(yè)出版社，2000.[3]JeffHecht著，賈東方譯.光纖光學.人民郵電出版社，2004.Content：ch1緒論ch2光纖拉制與成纜ch3光纖傳輸理論ch4新型光纖和光纖的基本特性ch5光無源器件ch7光纖傳感技術ch8光纖通信技術時間的邏輯——光纖發(fā)展的歷史鏈條；認識的邏輯——理論發(fā)展的邏輯軌跡；學習的邏輯——在知識的學習過程中，學會分析與解決問題。本課程嘗試按照“學習的邏輯”，以解決問題為核心，圍繞問題及其解決方案與途徑，來組織教學。學習方法：Ch1緒論1.1光纖的發(fā)展歷程1.2光纖技術基礎1.3光纖與通信網(wǎng)絡1.4光纖與傳感技術1.5光纖技術的發(fā)展趨勢講述光纖光學的起源、研究范疇及其發(fā)展現(xiàn)狀。1.1光纖的發(fā)展歷程1）遠古時期，可見光的視覺通信。2）1870年，英國的廷達爾（Tyndall）演示了光在一束細水流中進行全內(nèi)反射傳輸?shù)默F(xiàn)象。使用全內(nèi)反射來解決光可以保持在一個彎曲的介質(zhì)內(nèi)部傳輸?shù)膯栴}。3）1910年，Deby和Hondros用波動理論對電介質(zhì)中的光路理論進行了分析；4)1927年，Baird、Hansell等人提出了用電介質(zhì)光纖傳遞光學圖象的設想；5)1929-1930年：美國的哈納爾（Hanael）和德國的拉姆（Lamm）先后拉制出石英光纖，并用于光線和圖象的短距離傳輸；6）1951年，光導纖維鏡(Fiberscope)

，并用于醫(yī)用圖像傳輸。7）1953年，英國的納林德爾·卡帕尼（NarinderKapany）發(fā)明芯包雙層結構的光導纖維（光纖）。8）20世紀60年代，無線激光通信。9）20世紀60年代后期和70年代早期，鋼制波導管光通信。10）1966年，高錕博士（“光纖之父”）發(fā)表著名論文“用于光頻率的絕緣纖維表面波導管”。首次明確提出，通過改進制備工藝，減少原材料雜質(zhì)，可使石英光纖的損耗大大下降，并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖，從而使光纖可用于通信之中。11）1970年，美國的CoringGlassCorporation采用化學氣相沉積法CVD工藝制出世界上第一根通信用光纖。12）1978年，加拿大的K.Hill博士首次將光學反射鏡或濾波器寫入光纖，開拓了光纖光柵研究與應用。13）20世紀80年代末期，波長為1.55μm的EDFA研制成功并投入實用，將光纖通信的波段移到光纖最低的損耗窗口。成為光纖通信發(fā)展史上另一個重要的里程碑。14）之后，隨著光纖通信的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了多種新型波導結構光纖和新材料光纖，并在通信、傳感、照明、醫(yī)學、軍事、航空航天等領域得到廣泛的應用。1.2光纖技術基礎大致了解光纖的基本結構；熟悉常見光纖的材料；并初步了解光纖的應用場合。對于不用的應用場合，應該根據(jù)需求選用不用類型的特殊光纖。各類型的通信光纖有不同的特殊要求：短距離傳輸，要求芯徑要大，盡可能多收集光能量。長距離傳輸，則要求芯徑小，單模傳輸，實現(xiàn)高速傳輸。決定光纖性能的因素就是光纖纖芯——包層結構和構成光纖的材料成分。序1TheStructureofOpticalFiber光纖是由纖芯、包層所構成的光波傳輸介質(zhì)，一般為雙層或多層同心圓柱形細絲，為軸對稱結構。纖芯的折射率比包層稍高，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機械保護作用。（由纖芯和包層組成的光纖常稱為裸纖，若直接使用，由于裸露在環(huán)境中,容易受到外界溫度、壓力、水氣的侵蝕等，因而實際中應用的光纖都在裸光纖的外面增加了）涂敷層,用來緩沖外界的壓力,

增加光纖的抗拉、抗壓強度，并改善光纖的溫度特性和防潮性能等。導波光：受到約束的光波

光波導：約束光波傳輸?shù)拿浇榻橘|(zhì)光波導三要素：“芯/包”結構凸形折射率分布，n1>n2低傳輸損耗光波導的基本概念注：2TheMaterialofOpticalFiber石英系光纖：通常有極小的摻雜，最常用的光纖。全塑光纖：成本低，數(shù)值孔徑大，但傳輸損耗大。外塑料內(nèi)石英光纖：應用于常要求較大彎曲的通信場合。氟化物光纖（紅外光纖）：傳輸遠紅外光損耗小。液芯光纖：纖芯為液體，滿足特定要求。3TheFeatureofOpticalFiber幾何特性+光學特性+傳輸特性+機械特性幾何特性：纖芯與包層的直徑、偏心度和不圓度；光學特性：折射率分布、NA、MFD和截止波長；傳輸特性：損耗（衰減）、帶寬和色散；機械特性：抗拉、抗彎、抗扭曲、抗磨損性能。4TheApplicationsofOpticalFiber圖象光纖（光纖像束）：由數(shù)萬根長度一定、直徑為10微米左右的光學纖維，兩端按照一一對應的關系緊密排列集結為一體的能夠直接接收和傳遞圖像的光學纖維成像器件。纖芯較粗、包層較薄，可使光纖傳光效率提高；同時減小每根光纖的尺寸，通過增加光纖束的數(shù)量來提高圖象傳輸?shù)姆直媛?。照明光纖：芯徑大，包層薄，提高收集光功能效率高和使用壽命（傳輸大功率光能量）。通信光纖：小纖芯，厚包層，易于實現(xiàn)光信號的單模長距離傳輸。光纖技術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、振動溫度、壓力應變、應力電流、電壓電場、磁場流量、濃度可以測量70多個物理化學量廣告顯示牌激光手術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模塊光放大模塊信息獲取信息傳輸信息處理其它應用光纖技術的廣闊應用領域注：1.3光纖與通信網(wǎng)絡1、1880年，美國人貝爾（BELL）發(fā)明了光電話系統(tǒng)。光話機原理圖弧光燈ABMNL送話器2、1960年，美國人梅曼（MAIMAN）發(fā)明第一臺紅寶石激光器。3、1966年，英國華裔科學家高錕（C.K.Kao）提出介質(zhì)新概念的理論，奠定現(xiàn)代光纖通信的理論基礎，被稱為光纖通信之父。4、1970年，美國康寧玻璃公司首先研制出損耗為20db/km光纖。1974年——1.1dB1973年——2.5dB1984年——0.157dB1972年——4dB1978年——0.2dB1986年——0.154dB5、1970年，日本研制出室溫下連續(xù)工作的激光器。1973年——7000小時1977年——10萬小時6、1976年，美國在ATLANTA進行世界第一個光纖通信的實驗，速率44.7Mb/s，距離10km。一、全球海底網(wǎng)絡與陸地網(wǎng)絡1）1986年在北海海底鋪設第一條國際海底光纖鏈路，連接英格蘭和比利時。2）1988年又開通第一條跨大西洋的海底光纜線路，長6500公里（TAT-8項目）。到1996年，采用WDM技術擴容。（TAT-12&TAT-13項目）3）1989年，美國與日本間的第一條太平洋光纜線路開通。4）至1996年，共建成7條跨大西洋的光纜線路。至1997年全球光纜互聯(lián)線路網(wǎng)投入運行，光纜總長2.8萬km。5）1993年10月，世界最長的一條陸上光纜在中國開通；從北京到海南，全長4700公里。隨后又與亞太9個國家或地區(qū)聯(lián)合建成亞太海底光纜網(wǎng)，總長1100公里。全球海底光纜網(wǎng)絡我國陸地光纜網(wǎng)絡二、光纖到戶1）“最后一公里”成為現(xiàn)代電信網(wǎng)絡的瓶頸。2）光纖到戶較比電纜接入具有優(yōu)勢;

光纖到戶為無源網(wǎng)絡，可靠穩(wěn)定，維護運營成本低 光接入帶寬大、距離長，網(wǎng)絡規(guī)模大 光纖承載業(yè)務種類多（語音、數(shù)據(jù)、圖像、多媒體） 光纖傳輸支持的協(xié)議靈活，數(shù)據(jù)格式透明

光纖到戶實現(xiàn)方式多樣（APON、EPON、GPON）3）2004年4月，武漢電信與烽火公司開通“光纖到戶·數(shù)字家庭”應用試點項目，標志我國FTTH網(wǎng)絡建設的起步。4）2005年8月，美國大范圍部署光纖到戶。1.4光纖與傳感技術傳感器技術是一種能按一定規(guī)律將各種被檢測的物理量轉(zhuǎn)換為便于處理的量（如電、磁等）的器件。1）抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全。廣泛應用石油化工、礦井、等易燃易爆場合。2）靈敏度高。廣泛應用光纖化學傳感器和光纖生物傳感器。3）重量輕、體積小、可繞曲。應用于航空航天、雷達等狹小空間場合。4）便于復用、便于成網(wǎng)。與光纖通信網(wǎng)構成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡。光纖傳感器所具有的獨特優(yōu)勢：1.5光纖技術的發(fā)展1、了解光纖的發(fā)展和新型光纖特性。2、了解光纖通信技術的發(fā)展趨勢。3、了解光纖傳感技術的發(fā)展趨勢。1、光纖的發(fā)展多模光纖單模光纖保偏光纖摻雜光纖塑料光纖光子晶體光纖一、聚合物/塑料光纖POF塑料光纖與石英光纖：纖芯較粗、柔性好、易安裝、易彎曲、易連接、耦合效率高、價格便宜。塑料光纖與同纜電纜：抗干擾能力強，無電磁輻射，保密性好，通信容量大，使用壽命長；廣泛用于汽車總線布線、家庭網(wǎng)絡、工業(yè)自動化、短距離光纖通信、傳感器等領域。國外：20世紀70年代，美國杜邦公司在開始塑料光纖的研制。80年代，日本三菱公司開發(fā)出可用于通信領域的PMMA（聚甲基丙稀酸甲酯）通信用塑料光纖，其光信號損耗參數(shù)已小于200db/km；而進入90年代，日本又開發(fā)出含氟的漸變型通信用塑料光纖，衰減系數(shù)已降至60db/km；2000年，日本開發(fā)出的GIPOF光纖，其衰減系數(shù)已降至41db/km，而且它的帶寬（另一個重要的參數(shù)）也達到100兆以上，成為良好的多媒體信息傳輸媒介。國內(nèi)：2003年，四川匯源光通信股份公司開發(fā)了PMMA階躍型塑料光纖，應用于照明裝飾、汽車工業(yè)、工業(yè)控制、航空航天等領域。目前已達到138db/km的低損耗。2006年，由中科院，深圳大圣光電技術有限公司合作，聯(lián)合開發(fā)出PMMA通信用塑料光纖，其衰減系數(shù)已達200db/km。2006年底，深圳大圣公司研制出衰減系數(shù)達153db/km的通信用塑料光纖。/二、光子晶體光纖PhotonicCrystal

Fiber光子晶體光纖又稱多孔光纖或微結構光纖。由在纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小空氣孔構成，通過這些微小空氣孔對光的約束，實現(xiàn)光的傳導。無截止單模不同尋常的色度色散極好的非線性效應雙折射效應優(yōu)良的雙折射效應奇特特性：/html/06-11/110_1164437592.shtml光子晶體光纖的發(fā)展

1991年，Russell等人根據(jù)光子晶體傳光原理首次提出了光子晶體光纖（PCF）的概念。1996

年，英國南安普頓大學光電研究中心和丹麥技術大學電磁系首先報道了成功制備出PCF。莫斯科大學A.

M.

Zheltikov

等人也進行了包層具有周期分布空氣導孔的多孔光纖的研制。2001年，英國Bath大學Wadsworth等人實現(xiàn)了雙包層光子晶體光纖結構。2003年1月，Wadsworth等人報導了高功率PCF

激光器，實現(xiàn)單橫模運轉(zhuǎn)。2004年，清華大學理論上計算了PCF的色散值，用于色散補償，可縮短了色散補償光纖的長度。三、其他通信光纖寬帶光傳輸非零色散位移光纖色散補償光纖DCF無水峰純硅芯非零色散位移光纖寬工作波長多模光纖摻稀土光纖2、光纖通信技術的發(fā)展光網(wǎng)絡容量的迅速增加；各種數(shù)據(jù)業(yè)務的迅速增加；全光網(wǎng)絡的發(fā)展。3、光纖傳感技術的發(fā)展深入研究