光纤光学刘德明光纤光学.ppt

1,光 纤 光 学,刘德明 光电子科学与工程学院 Tel. 87556188 Email: ,2,“导光”的古老历史,中国古代烽火台 1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察到光在水与空气分界面上作全反射以致光随水流而弯曲的现象 1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤并用于光线和图象的短距离传输,3,“光纤之父”-高锟博士,1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介质纤维表面波导”首次明确提出,通过改进制备工艺,减少原材料杂质 , 可使石英光纤的损耗大大下降 , 并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤,从而使光纤可用于通信之中。 1970年,康宁玻璃公司率先研制成功损耗为20dB/km的石英光纤,取得了重要的技术突破。,4,爆炸性发展,自一九七年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之快远远超出了人们的意料之外，从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展。 从光纤的衰耗看： 七O年：20dB/km 七二年： 4 dB/km 七四年：1.1dB/km 七六年：0.5dB/km 七九年：0.2dB/km 九O年：0.14dB/km 光纤的损耗已由1000dB/km下降到已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。 致使光纤通信在世界范围内形成了一个充满活力的新兴产业。,5,光纤通信系统基本结构,光发送 端机,光中继 放大,光接收 端机,电发送 端机,电发送 端机,6,光纤通信：21世纪的“信息高速公路”,以光信号作为载波，以光纤为传输媒介 光纤带宽极宽、通信容量极大 光纤重量轻、韧性好、易于敷设 光纤损耗极低, 使无中继通信距离更长 保密性好、绝缘性好 抗干扰、抗辐射、抗腐蚀 成本低、节约金属线材,7,光纤通信系统的发展,76年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10km。80年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。 90年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散位移光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定同步数字体系（SDH）的技术标准。 93年，SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下）。 95年，2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 96年，10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 97年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破。 此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。,8,Year,2000: “光通信的第一个春天”,9,光纤通信技术产业 激光技术产业 光纤传感技术产业 光存储技术产业 照明与显示技术产业 IC技术产业,武汉-中国光谷,10,“光通信的第二个春天”,3G的即将启动。运营商暗自布局，为即将到来的3G运营做准备。 村村通工程的全面铺开也需要大量的光纤光缆及相关通信用产品。 随着用户对带宽需求的提高,技术的突破和新标准的确定以及光纤光缆及相关元器件价格的大幅度下降,FTTH 出现迅速发展的势头。 铜价的迅速飙升进一步加速了“光进铜退”的步伐和F T T x接入的浪潮汹涌。,11,FTTH光纤到户,12,三网合一: 高质量生活,FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life!,13,光纤技术的应用领域,14,光波导：约束光波传输的媒介 导波光：受到约束的光波 光波导三要素： “芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1n2 低传输损耗,光纤光学: 是一门研究光波在光纤中传播特性的科学 光纤: 是一种介质园柱光波导,它能够约束并导引光波 在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播,15,光纤(光缆),16,光纤的分类,通信光纤 非通信光纤,17,光纤的进一步分类,18,光纤的进一步分类,19,光纤的进一步分类,按材料分： 石英、塑料、红外光纤 特种光纤： 保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤,20,光纤预制棒工艺：MCVD (Modified Chemical Vapore Deposition),MCVD(改进的化学汽相沉积法)工艺为朗讯等公司所采用的方法。MCVD工艺是一种以氢氧焰热源，发生在高纯度石英玻璃管内进行的气相沉积。 MCVD工艺的化学反应机理为高温氧化。 MCVD工艺是由沉积和成棒两个工艺步骤组成。沉积是获得设计要求的光纤芯折射率分布，成棒是将巳沉积好的空心高纯石英玻璃管熔缩成一根实心的光纤预制棒芯棒。,21,光纤预制棒工艺：PCVD (Plasma-Activated Vapore Deposition),PCVD 与MCVD 的工艺相似之处是，它们都是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧化反应。所不同之处是热源和反应机理， PCVD工艺用的热源是微波，其反应机理为微波加热产生等离子使气体电离。离子重新结合时释放出的热能熔化反应物形成透明的石英玻璃沉积薄层。 PCVD方法可以更为准确地控制光纤的折射率分布。而且沉积效率高, 沉积速度快, 有利于消除SiO 2 层沉积过程中的微观不均匀性, 从而大大降低光纤中散射造成的本征损耗, 适合制备复杂折射率剖面的光纤。,22,光纤预制棒工艺：(OVD) (Outside Vapour Deposition),美国Co rn ing 公司开发的。其后OVD 工艺又有不断改进. 目前已开发出第七代工艺, 使生产效率提高和降低了生产成本大幅度; OVD 法又为“管外汽相氧化法”或“粉尘法”, 其原料在氢氧焰中水解生成SiO2 微粉,然后经喷灯喷出, 沉积在由石英、石墨或氧化铝材料制成的“母棒”外表面, 经过多次沉积,去掉母棒, 再将中空的预制棒在高温下脱水,烧结成透明的实心玻璃棒, 即为光纤预制棒。,23,VAD（轴向气相沉积法）是由日本开发出来的, 其工作原理与OVD 相同, 不同之处预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。VAD 的重要特点是可以连续生产, 适合制造大型预制棒, 从而可以拉制较长的连续光纤。,光纤预制棒工艺：VAD (Vapour-Phase Axial Deposition),24,拉丝工艺,预制棒被电加热炉加热到 1850 2000 C 进行拉丝 同时检测光纤的直径和控制拉丝速度 光纤外径(125mm) 进行涂敷 (250mm)，材料为丙烯酸酯。 制成的光纤缠绕在直径为20cm左右的转盘上。,25,光纤光学的发展,光纤光学已经愈来愈成为光学与光电子学科领域的一门重要的基础课程。 光纤在通信、传感、信息处理以及在工业和医疗等领域的获得广泛 新型光纤的不断涌现，例如色散位移光纤、色散平坦光纤、色散补偿光纤、全波光纤、双包层光纤以及光子晶体光纤等。 多种光纤光学器件得以发展，例如自聚焦透镜、光纤耦合器、光纤光栅、光纤起偏器、光纤退偏器、光纤调制器、光纤激光器、光纤放大器、光纤衰减器、光纤隔离器与环行器、光纤色散补偿器以及各种光纤传感器等等。,26,课程内容与进度安排,绪论(2学时) 光纤光学的基本方程 (2学时) 阶跃折射率分布光纤 (6学时) 渐变折射率分布光纤 (4学时) 光纤的特征参数与测试技术 (8学时) 光纤无源及有源器件(8学时) 光纤的连接与耦合 (2学时) 光子晶体光纤 (4学时) 特种光纤与光缆 (2学时) 光纤应用技术 (2学时),27,教学要求,先导课程： 物理光学、数学物理方法。 课程要求: 1. 掌握光纤光学基本概念和重要结论 2. 学习分析和解决问题的思路与方法 3. 注重物理内涵而不必拘泥于繁杂的数学运算 授课形式: 1. 课堂讲授 2. 课堂提问与讨论 3. 课堂练习与习题课 考试: 开卷/闭卷相结合. 成绩: 课程考试80%；平时成绩20%(测验、提问).,28,教学参考书,光纤光学（第二版）刘德明、孙军强、鲁平 光纤技术及其应用刘德明、向清、黄德修 导波光学 范崇澄、彭吉虎 光波导理论与技术李玉权等 “Optical Waveguide Theory” Snyder A W. “Understand fiber-optical communication”,29,课程基础知识测验,班号:_ 姓名_ 一、名词解释: 1. 波长与频率; 2. 损耗与色散; 3. 相速与群速; 4. 能流密度; 5. 光波导; 6. 纵模与横模; 7. 传播常数; 8. 数值孔径; 9. 子午光线; 10.本征值. 二、简答: 构成光纤波导的必要条件是什么？ 光纤的包层主要起什么作用？光纤去掉包层其导光特性有何改变？ PCVD工艺与MCVD工艺相比，主要优点是什么？ OVD