（物理电子学专业论文）光纤与光纤技术的光线光学理论研究.pdf

摘要 光纤的发明和发展对生产生活及军事等领域都有很大的影响，光纤 的发展取得了辉煌的成就，但仍有巨大的潜力有待开发。本文对光纤的 发展及光纤技术做了综述，回顾了光纤的发展历程，略述了光纤的几个 应用技术领域并对近几年光纤技术的几个热点及它们的发展状况和面i 临 的问题做了简要的叙述，为对光纤及光纤技术研究感兴趣的人提供了有 意义的参考。在对光纤及光纤研究做出综述的基础上，对光纤理论做了 深入探讨，力求从理论上尝试寻找解决光纤问题根本途径。先对传统的 波动光学理论做了概括，主要利用光线光学的理论对光在折射率分布不 同光纤中的传输做出了分析，并从光线光学出发引入量子力学的观点， 建立了光线量子论的理论体系，应用该理论对光波导、光纤中的光模式、 光孤子理论、光纤耦合几个光纤应用领域做了初步探讨，提出了新的展 望。 关键词：光纤技术；波动光学；光线光学；光线量子论；折射率势阱 一、一 一一 一一“ a b s t r a c t a sw ek r l o w , t h ei n v e n t i o na n dd e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rh a sb r o u g h t g r e a ti n f i u e n e et oo u rs o c i e t y g r e a ra c h i e v e m e n th a sb e e na c h i e v e di nt h e f i e l do fo p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g yi nt h ep a s ty e a r s b u tt h e r ei ss t i l lc a p a c i o u s s p a c ew a i t i n gt ob ee x p l o i t e di nt h ef i e l d t h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e r a n df i b e rt e c h n o l o g ya r eo v e r v i e w e di nt h i sp a p e lt h e h i s t o r yo fo p t i c a lf i b e r d e v e l o p m e n ti sr e c a l l e d s o m ep o p u l a rf i e l d s o fo p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g y s t u d ya n dt h ef a c i n gp r o b l e m si nt h ef i e l d sa r es i m p l yd e s c r i b e d ，w h i c hc a r l s u p p l ys o m ei n s t r u c t i v e r e f e r e n c et ot h e i n v e s t i g a t o r s a c c o r d i n g t ot h e o v e r v i e wo f o p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g y , t h eo p t i c a lf i b e rt h e o r yi sd e e p l ys t u d i e d i no r d e rt of i n da l le f f e c t i v es o l u t i o nt os e t t l et h ep r o b l e m si nf i b e r t e c h n o l o g y f i r s t l y , w a v eo p t i c s o fo p t i c a lf i b e ri s s i m p l y s u m m a r i z e d t h e nt h e p r o p a g a t i o no f d i 腩r e n tk i n do f f i b e r si sa n a l y z e da c c o r d i n g t ot h er a yo p t i c s t h en o v e li d e at h a tt h eq u a n t u mt h e o r yi si n t r o d u c e di nt h er a yo p t i c sh a s b e e nb r o u g h tf o r w a r d ，a n dt h et h e o r ys y s t e mo f q u a n t i z e dr a yo p t i c sh a sb e e n p r i m a r i l yc o n s t r u c t e di nt h ep a p e la c c o r d i n g t ot h eq u a n t i z e dr a yo p t i c s t h e m o d e so f w a v e g u i d ea n do p t i c a lf i b e r s o l i t o nt h e o r ya n dt h ef i b e rc o u p l i n g a r ei n i t i a l l ys t u d i e d k e yw o r d s ：f i b e rt e c h n o l o g y ；w a v eo p t i c s ；r a yo p t i c s ；q u a n t i z e dr a y o p t i c s ；p o t e n t i a l w e l lo fr e f l e c t i v ei n d e x 刖吾 以光波载息并进行信息传递的优点很早就为人们所共识，自从低 损耗光纤问世三十多年以来，光纤光学与技术已形成一个声势浩大的技 术领域和社会产业。光纤与光纤技术这一科学领域的研究引起了广泛的 兴趣。光纤在探测领域及通信领域的应用很快就显示出了它的极大魅 力，尤其是在通信领域中的应用。光纤的发明催生出了整个信息时代， 信息高速公路的建设引起了各个国家的重视。本文的目的是从光线光学 和光线量子论出发比较系统的论述光纤光学与技术发展的理论问题和 技术热点，试图为光纤技术发展作出理论准备。 本文第一、二章为对光纤光学感兴趣的j - ，f f 3 提供一个关于光纤光 学技术和应用的综述，以此引起人们以光纤光学这门学科的兴趣。由于 低损耗光纤的问世和光纤通信的兴起极大地刺激了光纤光学、集成光学 和信息光学的发展。光学存储技术的出现满足了人们对信息传输的容量 和速度的更高要求，从而引发了以光纤技术和激光技术为先导的光学技 术的革命，迎来了以光信息技术为主导的信息时代。在光信息技术中光 纤技术是发展最迅速、最广泛和社会经济效益最大的技术领域，因此这 二章也概述了光纤技术的热点问题。第三章简要介绍了光纤光学中常用 的波动光学理论，并分析了平板波导和光纤中的光模式。第四章阐述了 光线光学理论，我们认为这是光纤光学和光纤技术中重要的理论基础。 并以此理论详细讨论了平板波导和各种折射率分布光纤模式本征方程。 第五章重点描写了研究光纤的新理论一光线量子力学理论。应用光线量 子力学理论分析了平板波导中的光模式并建立了光纤中的光模式本征 方程，并研究了光纤技术中几个重要的问题。第六章简要概述了近年来 发展起来的新领域：光纤放大器及光纤激光器、光孤子通信技术、光纤 耦合新理论探讨以及备受人们关注的光子晶体光纤，并对它们的发展做 出了展望 第一章绪论( 光纤与光纤技术概述) 1 1 低损耗光纤的问世 光纤也称光导纤维或光缆。是由s i o ，材料拉制成的玻璃丝，早 在4 0 年代就有人提出光导纤维的问题，由于损耗太大，没有多少用处， 中断了研究，自从集成光学提出以后，介质薄膜导光问题也提出来， 又开始探索光导纤维的问题“1 。人们很快就设想有线光通信问题，1 9 65 年m i 11 e r 指导了透镜波导的研究成果”1 ，启发了光纤是类透镜的设想。 19 6 6 年英国标准电信研究所英藉华人k c k a o 和g a - h o k h a r n 提 出降低玻璃纤维损耗到20 d b k m ，这给光纤通信的可能性带来了新的 希望。事隔二年k c k a o 和a d a r e s 报导了他们做出了在0 8 5 删光 波段，衰减为5 d b 砌的s i o ，玻璃块，由此激发了世界各国科学家研究 光纤通信的积极性，19 7 0 年美国康宁玻璃公司宣布研制成功衰减为 2 0 d bk m 的玻璃纤维“1 ，这就是世界首次光导纤维诞生，从此世界各国 都竞相开展光纤通信的研究，到1 9 75 年贝尔实验室的实用光纤通信系 统出现，各种新型低损光纤相继出现，应该说通信光纤的设计和制造已 经达到了相当成熟的程度。到1 9 8 0 年在1 5 5 i 聊波段上的光纤衰减已 达到了0 2 d b k m ”1 ，这个值已经接近了理论值。可见低损耗光纤的制 造水平已经很高了，现在光纤制造正向两个方向发展，其一是长距离低 损耗单模光纤的制造，以期实现1 0 公里无中继的光纤通讯，其二是特 种新型光纤的制造，例如孤子通信光纤，掺e r 等稀土元素的发光光纤， 耐高温( 10 1 度以上) 光纤，供航天使用，多像素的传像束光纤等。我们 看到光纤材料的突破导致了光纤通信的诞生，所以低损耗光纤的研制成 功，不仅对光纤通信的技术起到决定性的影响，而且也是光学材料研究 的重大突破，随着光纤通信技术发展，光纤传感测量也出现了，而且对 光纤制造和光纤技术应用提出更高更多的要求，因此各种应用光纤应运 而生，形成了声势浩大的光纤技术产业。 1 2 光纤通信的兴起 光纤通信已经形成了巨大的技术产业，产生了深远的社会经济影 响，目前光纤通信已经深入到千家万户，光纤通信技术也已形成了集成 光学中独立的技术领域 光纤通信是光通信的基础上发展起来的，只是由于是低损耗光纤的 技术突破，使得有线光通信成为可能。在光纤通信以前的光通信，实际 上是以光讯号在大气中的传输完成信息的传递，古时候的烽火台，现代 交通的红绿灯，战争用的信号弹，都是以光讯号传递信息，早在1 8 8 0 年a g b e l l 就发明了光学电话”1 ，他采用普遍光源做载波在大气空间传 送声音，实现2 0 0 m 距离的语言信息传递，光学电话的发明是光通信的 一个进步，因为它实现了人工载息的调制工作，这在今天是粗糙了。但 跟古代的信号传递相比是进步许多因此光学电话一直被人们关注，但 是由于通信容量和距离一直落后于电话，实用价值不大，这里面的技术 原因有二点：其一没有好的载息光源，即没有跟无线电波那样的相干性 好的光源；其二是光在空气中传输，受到的振动比较大，在极短的距离 上信息就被干扰源淹没了。直到1 9 6 0 年t g m a i n m a n 发明第一台激光器 “1 ，19 6 2 年半导体激光器发明，一种理想的高强度相干光源出现，提 供光通信的新光源，解决了光通信中长期停顿的一个难题，接着在1 9 6 8 年0 8 5 a n 波段的低损光纤研制成功，使有线光通信成为可能，到1 9 7 0 年贝尔实验室的第一部光缆电话网络的试验成功，拉开了光纤通信的帷 幕，人类通信技术进入了一个新的里程碑。 光纤通信技术的出现，立刻引起了世人的瞩目，得到了高速发展。 到1 9 75 年就已走向现场实验阶段，此后各种实用光纤通信系统相继出 现，到1 9 8 0 年1 5 5 u m 波段的光纤衰减已经达到了0 2 d b k m 的水平”1 ， 从此光纤通信向长距离无中继的方向发展。 光纤通信可用的电磁波段是很宽的，从0 8 a n 到1 7 w n ，达到 2 1 05 g h z 的频带宽度，比微波段高1 万倍，而电波通信仅为 3 1 0 2 g h z ，高出上千倍光纤自身容纳的频带宽度也比电线宽的多， 多模光纤达到1 g 爿z ，单模光纤达到1 0 0 1 0 0 0 g h z ，因此光纤通信的 容量特别大。此外由于光纤的高速大容量信息传输，造价低廉，不受电 磁干扰，资源丰富的优点，被认为是通信史上一次根本性的变革，至今 为止，光纤通信已在全世界范围内向实用目标发展，正迅速取代电波通 信。 光纤通信系统的商业应用紧随光纤的研究与开发的步伐”。光纤的 发明催生出了整个信息时代工作在o 8 1 x m 波段的第一代光纤系统于 1 9 7 8 年投入使用，这种系统的速率范围在5 0 10 0 m b s ，中继距离为 1 0 k m 。与同轴电缆相比，较大的中继距离对系统设计者来说是一个重大 的鼓舞，可以减小对中继站的安装和维护费用。 如果光波系统的工作波长在光纤损耗小于l d b k m 的1 3 a n 波段 上，则中继距离可以大大提高，而且在这个波段上光纤具有最小的色散， 于是人们的发展工作在1 3 , a n 附近的i n g a a s p 半导体激光器和探测器 上下功夫，1 9 7 7 年研制出这样的激光器第二代光纤通信系统出现在 八十年代早期，中继距离超过了2 0 k m ，但由于受多模光纤中模式色散 的影响，速率被限制在1 0 1 ) m b s 以下，1 9 8 1 年在实验室验证了传输距 离为4 4 k m ，速率为4 g b s 的单模光纤系统，这些成果很快走向商用， 1 9 8 7 年实现了中继距离为50 k m ，速率为1 7 g b s 的1 3 2 m 波长第二代商 用化光纤传输系统。 第三代光纤传输系统的中继距离受限于光纤在1 3 t m 波长上的损 耗( 典型值为0 4 d b t m ) 。光纤的最小损耗位于1 5 5 p m 波长附近，1 9 7 9 年实现了在该波长位置上o 2 d b k m 损耗的光纤，但由于在1 5 5 _ , m 波长 上光纤具有较大的色散，使得第三代光纤通信迟迟实现不了。色散问题 可以通过使用在1 5 5 p m 波长附近具有最小色散的色散位移光纤或控制 激光器光谱，使其单纵摸工作而获得解决。八十年代里- h 4 f l 按照这两条 途径不断地探索着，1 9 8 5 年在实验室里实现了速率为4 g b s 传输距离 超过10 0 k m 的结果，1 9 9 0 年，工作在1 5 5波长速率为的,am2 4 g b s 第三代光纤通信系统实现商用化 第四代光纤通信系统以频分复用增加速率和使用光放大器增加中 继距离为标志，可以采用或不采用相干接收的方式，采用直接检测方式， 已经实现了在2 5 g b s 速率上传输4 50 0 k m 和1 t g b s 速牢上传输 15 0 0 k i n 的结果利用环型结构，已经证实在2 4 g b s 速率上传输 2 1 0 0 0 k m 和5 g b s 速率上传输1 43 0 0 k m 的可能性。从l9 9 0 年开始，光 放大器正引起光纤通信领域里发生着一次变革。 目前，人们已经涉足第五代光纤通信系统的研究和开发，这种系 统基于一个基本概念一一光孤子，即由于光纤非线性效应与光纤色散相 互抵消，使光脉冲在无损耗的光纤中保持其形状不变地传输的现象。尽 管这个概念早在1 9 7 3 年就被提出，但直到19 8 8 年才在实验室内得到证 实1 9 8 9 年掺铒光纤放大器开始被用于光孤子放大，从此后许多系 统实验都证实了光孤子通信的可能性。 尽管光纤通信从诞生到现在仅仅只二十多年时间，但其发展十分迅 速并在一定程度上已经成熟起来。 本世纪3 0 年代，有人提出这样的现点：“光通信总有一天会取代有 线和微波接力通信而起主导作用”。该观点反映出光纤通信技术在未来 通信领域中的有效作用，它有着比现代电通信设备明显的优点，在将来 的发展中会占据重要的位置。下面从通信技术的发展过程，可以看出光 纤通信技术发展的必然趋势。 图1 3 i 五代光纤通信的发展 卑代 通信技术的历史，实际上就是逐步提高传输信息量和使用更高载波 频率的过程。例如，在有线通信方面，从一对线传送一路话音发展到利 用载波传送多路电话若进一步把载波频率提高到微波频段，并使用同 轴电缆或波导作传输线路，在一定的相对带宽范围内，随着载波频率增 加。可传送频分制电话达3 0 0 路、9 6 0 路、18 0 0 路、2 7 0 0 路，目前最 高的可达13 0 0 路。使用的载波频率从2 g h z 、4 g h z 、6 g h z 、8 g h z 等，直 到几十千兆赫的毫米波频段 无线通信方面的微波接力和卫星通信，传输数字信号的速率从 2 m b s 、18 t5 m b s 、3 4 m b s 、4 0 0 m b s 或更高。使用的载波频率亦从厘 米波扩展到毫米波频段，并继续向毫米波的高端和亚毫米波发展。 由此可见，不管是有线还是无线通信，随着通信容量的增加，妊 然使用更高的载波频率对光纤通信而言，载波频率为光频，其数值是 很高的例如1 u n 长的光波，相应的频率为3 0 0 t h z ( 兆兆赫) ，哪怕使 用0 1 的相对带宽，其频带宽度可达3 0 0 g h z ，可容纳现有的电通信方 式的全部信息量，所以，光纤通信对高速、宽带的干线而言，有着巨大 的潜在能力。 从将来用户的需要考虑，那时人们不只是通电话，而是要求话音、 丈字、数据以及高质量图象等方面的综合服务，即要求信息的宽频带特 性。为了传送这些信息，码速可达4 0 0 m b s 以上，若使用现有的同轴电 j二8vv一锥馨 缆传输，每隔1 6 k m 就必须设立一个中继站，其技术复杂性和成本都将 是高的。对于光纤通信设备而言，4 0 0 m b s 的码速，以及十几到几十k m 无中继传输是比较容易实现的，现在已有这样的系统投入使用。而且一 根光缆中包含有数根光纤，可供多个用户使用，必然会使成本大大下降， 其实用意义是非常明显的。因此，不管是大容量、长距离的干线通信， 还是宽带特性的用户线路，光纤通信设备都是最好的候选者。 下面，把光纤通信系统与电通信系统作一比较，可以看出，前者 的优点是十分明显的。 ( 1 ) 由于光波的频率很高，可供利用的频带很宽，尤其适合高速、 宽带信息的传输，能在将来的高速通信干线，以及宽带综合服务 通信网络中发挥作用。 ( 2 ) 由于光纤的损耗很小( 现已作到0 2 d b k m 的量级) ，可大大增 加无中继传输距离，这对长途干线通信十分有利例如，4 0 0 m b s 速率的信号，光纤通信系统已达到i o o k m 以上的无中继传输距 离，在采用先进的相干光通信技术后，已将此距离提高到2 7 0 k r a 。 然而，同样速率的同轴电缆通信系统，无中继距离仅为1 6 k m 左 右。 ( 3 ) 在运用频带同时，光纤对每一频率成分的损耗几乎是一样的。 因此，在中继站和接收端采用幅度均衡措施比电信系统简单，甚 至可以不采用。 ( 4 ) 光纤内传播的光能几乎不会向外幅射，因此很难被窃听，也不 会造成同一光缆中各光纤之间的串扰。而电信系统中的电缆，则 不具备上述特性 ( 5 ) 光纤传输线不受电磁干扰这对于电气铁道和电力线附近的通 信极为有利。光纤系统没有发生电火花的危险，因此，在一些要 求防爆的场使用是十分安全的 ( 6 ) 制作玻璃光纤的原料是石英石，来源十分丰富，比起制作电缆 的铜、铅等材料，可以说是取之不竭。另外，光纤缆比电缆的尺 寸小且重量轻，因此便于敷设。 6 表1 一l 光纤通信系统的特点 系统特点效果 低传输损耗中继距离长，可减小线路设备量和成 本 大带宽能力信息容量大，可用于宽带、高速通信 光缆尺寸小、重量轻便于敷设和空间的使用 不受电磁干扰可用于强电磁干扰环境下的通信 没有感应和辐射不产生串扰，不被窃听 1 3 光纤与光纤技术的蓬勃发展 7 0 年代初美康宁公司低损耗光纤问世，拉开了光纤研究和光纤技 术发展的帷幕过去的三十年里在光纤技术的牵引下使光学理论和光学 技术获得了空前的发展，使人类信息交流和信息处理技术取得了根本的 改变，光纤通信和新兴光子技术已根本改变了社会面貌，已经成为这个 时代的技术代表，验证了三十年前日本社会学家提佳辰的预言：光通信 和光集成的出现预示新技术时代就要到来，新兴产业将成为未来社会的 支柱产业。这一新兴产业就是现在的光子技术与光子技术产业，光纤与 光纤技术在光子技术发展进程中有着特殊的作用，它使光通讯走向实用 并发展为强大的社会产业，更替了近百年来通讯技术。 1 3 1 光通讯的飞速发展 近二十年来，光通讯的容量和速度提高了5 6 个数量级，现已单 线速率达到单线速率2 5 g b s 、3 万话路、9 0 年代波分复用技术出现， 通道增加6 4 到1 0 0 个，2 0 0 0 年已研制出8 2 x4 0 g b s = 3 2 8 t b s ，目前世 界上铺设光缆年增长速度为5 0 0 0 万公里，达到2 亿公里，可地球万周 以上。单根光纤重量为2 7 克公里，而金属铜线需要2 0 0 公斤公里。 光通讯技术爆炸式的发展，现已发展为多媒体通讯( 声、像、色) 。多 媒体电脑与多媒体容量通讯结合，已发展出誉满全球的i n t e r n e t ，使 信息的获得与交流打破了地域的界限，对人类社会文明与发展作出卓越 的贡献1 。 1 3 2 光纤技术拉动了集成光学技术发展“1 当集成电路出现以后，人们就设想使光学回路集成化，从而促成 光学元件小型化技术出现，但是苦于找不到合适的导光材料和导光薄膜 的制作方法，6 9 年s m i t h 玻璃波导的原理实验完成，制作集成光路的 可行性得到证实，但是设想的技术目标如光计算机、光电视等除了由于 遥远而难以实现而外，就是材料和工艺者不具备，因此集成光学的研究 仍然停留在理论研究和实验演示状态，进展缓慢。自从低损耗光纤出现 不久，19 7 5 年贝尔实验室的光纤通讯系统很快进入现场实验，产生了 轰动，刺激了集成光学的研究进入实质性研究阶段，由于光纤通讯技术 的迅速发展带动了集成光学的理论和实验研究，提出了为光纤通讯系统 制作各种小型化和薄膜化的辅助备件，如平面波导、脊形波导、薄膜调 制器、光分束器、光开关、波导透镜等单元集成光学器件，到80 年代 初集成光学形成了有别于集成电路的理论体系和实验工艺系统，出现了 微细h 口_ r - 即原子、分子水平的加工技术，放弃了传统光学工程的切，抛、 磨等机械加工方法。具体如汽相、液相外延、离子刻蚀、光学刻蚀、电 子束曝光、离子交换和热扩散、m o c v d 、m b e 等先进技术，到9 0 年代初 集成光学形成了光波导制作、光路几何图形和光耦合等三大技术工艺， 现在微细加工技术已经成了强大的微电子工业产业，随着微细加工技术 的发展，光纤通讯也发展为强大的光纤光和光纤技术领域，出现了光纤 传感测量技术。光盘存储技术出现以后又发展出多媒体技术，到9 0 年 代初出了全球的i n t e r n e t 通讯体系，因此光纤通讯技术拉动了集成光 学的学科发展，反过来集成光学又推动了光纤与光纤技术的发展，出现 了梯度光纤、孤子光纤、光纤激光器与放大器、光纤光栅耦合、光子晶 体光纤等新技术及相关制造产业，推动了整个社会经济发展。 1 3 3 光纤技术拉动了激光技术发展1 6 0 年代激光器的发明，6 2 年半导体激光器的发明，被誉为光子技 术时代的起点，特别是半导体激光器是小型化低功率的相干光源，自从 光纤技术出现以后获得了极大地发展，首先是对应光纤低损耗二个窗1 ：7 1 3 3 i o n 和1 5 5 o n 波段的半导体激光器，由于市场需求而随光纤通讯 和光纤传感测量技术同步发展据2 0 0 0 年的统计，半导体激光器产量 达到市场销售额占激光器技术的9 0 以上，目前由于水下通讯和光盘驱 动器的需求，短波长( 可见光、兰绿光) 激光器无论是品种和数量都不能 满足光纤技术发展需要，市场销售差额达到3 0 以上，近年来发展出超 晶格量子阱激光器、光纤激光器和微腔激光器也是因为光纤通讯和光纤 传感对激光器提出宽波段、高精度、高功率要求产生的。 1 3 4 光纤技术发展的问题”“ 光纤技术和激光技术的同步发展取得如此巨失的成就，造就了光 子技术的空前繁荣，但是人们的技术追求也是无止境的，更大的潜力还 很多，目前光纤技术同光学技术一样，进一步的发展需要深入研究光学 理论，已有的波动光学理论无法满足发展的需要，特别是在光进入介质 中传榆时，涉及许多微观物理问题，而波动光学是宏观电磁场理论，有 相当的局限性，所以按光线光学建立一个光传榆的量子理论体系，会更 有利于光纤技术发展，这就是本篇论文的目的和工作。 第二章光纤技术概述 2 1光纤传感测量的兴起“” 光纤通信技术兴起以后，光纤介质传光的特性使人们想到非通信 领域的应用，最突出的是光纤传感技术，它是七十年代末兴起的一门新 技术，光传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可挠曲、体积小、 结构简单及与光纤线路传输的相容性等独特的优点，受到世人的瞩目， 现在已经证明可用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、温 度、流量、浓度、电流、磁场等七十多个物理量的测量，因此光纤传感 技术也称光纤传感测量技术，它的突出特点可以在测量空间狭窄、高温、 强磁等恶劣的环境下做出物理量的测量，这是任何机械和电子传感器无 法做到的，同时光纤传感器的测量是非接触性的非破坏性的测量也是其 他传感器不能相比的。 光纤传感器出现的十多年里，每年都有上千件单项技术申报专利， 大家知道，每种光纤传感器就是一个特定的光学系统，这个光学系统就 是传递信息的媒体，通过光信号在光纤介质中的传输裁息，因此光纤传 感器实际上就是一种专项的信息处理器，大致结构是：敏感元件( 感知 信息的器件) ，光缆、调制器、显示器等主要互连为光中和系统，完成 被测量物理量的感知传办理和观测任务。光纤传感器的分类有几种方 法，一种是按被测的物理量性质分类，如温度光纤传传感器、压力传感 器、速度传感器等，另一种按光信号的调制方式定名的。如光纤强度传 感器，光纤位相传感器，光纤频率传感器等一般以被测量的物理量定 名的居多我们看到无论哪种光纤传感器，光调制器是一个必不可少的 元件，只有通过调制器对参考光进行调制载息和解调探测才能达到测量 的目的，典型的光纤传感器原理绘制图2 1 i 示意图。由示意图可以看 到，传感器的敏感头即是一个调制器，它获取被测量物体的某个物理参 量( 如温度、位移、压力等) 对参数光源进行调制。带有调制信号的参考 光返回到探测器解调，达到测量目的。 近年来，光纤传感技术发展很快，而且都是一些实用传感测量工 具，最早引起人们注目的是光纤陀螺，它用s n a g c 效应，测量运动的旋 转角度，实现了导航器的机械陀螺的小型化和集成化的目标，体积和重 量减少了5 1 0 位，灵敏度提高了2 3 个数量级，是导般技术的重大 突破，技术已经成熟的走向实用阶段，在飞机、轮船等航行器上有广泛 的应用。目前正向光中和集成的方向发展。其次是光纤温度传感器和速 度传感器，也已走向实用阶段。总之，光纤传感技术的出现和蓬勃发展， 正在更新传统的测量工具，比起机械和电子测量有不可比氦的优点，因 此受到使用部门的普遍欢迎。 2 1 i光纤传感器示意图 2 2 单模光纤的发展 从很早开始，人们就意识到了单模光纤传光的的许多好处“”，而 由多模光纤的生产转向了单模光纤的生产尤其是长途干线的光纤通 信，将主要由单模光纤来承担，这主要由于多模光纤中存在的模式色散 严重地干扰了信号的传输和接收因为在多模光纤中最高模式与最低模 式经过的时间不同，如图( 1 5 1 ) 所示，因此到达接收端的时间也不 同，这样就产生了时间延迟f ，这个时间延迟就是色散由于色散的 存在，就可能引起信号问的重叠造成误码或失真，这样信号之间就必 须有间隔，造成信号传输的瓶颈，这就大大降低了信息传输的速度，也 减少了信息传榆容量而单模光纤( 如图1 5 2 ) 由于只能通过一个模 式，所以它的模式色散为零，这样传输的速度和容量就不会受到模式色 散的影响。 单模光纤虽然没有模式色散，但却仍存在材料、结构以及光纤中 的双折射引起的色散“，因此如何减小光纤的色散，增加光纤传输容量 的研究工作从来没有停止过。例如，应用某些材料制造的单模光纤，其 色散( 盯。) 在不同波段的色散可以为正色散，也可以为负色散。而波导色 散( 仃。) 随光纤折射率分布情况而变，因此在不考虑偏振色散的情况下， 单模光纤的总色散仃。+ c r 。，这样可以利用这一特性设计出某一特定波 段色散为零的光纤。为了消除偏振色散，研究人员还设计了特殊的单模 光纤，即保偏光纤。总之在材料和光纤结构设计上，研究人员想出了很 多方法减小或消除色散 图2 2 1 多模光纤的传输路径 i 目“，j i 图2 2 2 单模光纤的传输路径 波分复用技术在单模光纤传输中的应用极大地扩充了光纤的传输 容量”。光波分复用( w a v e l e n g t h d i v is i o n i d u l t i p l a y i n g 简称w d m ) 技术又称光波长分割复用技术，是指在一根光纤中能同时传输多个波长 光信号的一种技术由于不同波长的光信号之间不会产生相互影响，因 此波分复用技术大大提高了光纤的传输容量；光孤子是一种特殊形式的 短脉冲，是光纤色散与非线性相结合的产物，使得光纤传输更在很大程 度上抵消和减小了色散”“。 另外，光纤中传输信号的频谱范围越宽时，产生的材料色散就越 大“，这样为了减小这部分色散，就要压缩激光器所产生的激光频谱范 围，使光源发出的激光频谱范围越窄越好 单模光纤的工作波长有短波长和长波长，短波长是0 8 5 n n ，长波 长是1 3 1 a n 和1 5 5 g n 两种，光纤损耗在1 3 1 a n 为0 3 5 d b 拥，在 1 5 5 # n 为o 2 d b 枷。在长波长1 3 5 0 1 5 2 0 n m 范围，过去因为在1 3 85 n m 附近出现氢氧离子陋一) 的收高峰，光纤损耗太大，以致未能利用。但 据很新的报道，制造过程已想出有效办法消除这一损耗高峰，变成可供 实际使用的新窗口，暂称1 4 0 g n 窗口。这一新窗口的损耗比1 3 l n 窗 口的损耗小，而光色散比1 5 5 t m 窗1 ：7 的色散小“”。 2 3 多媒体与i n t e r n e t ” 随着经济的发展，科学的进步，使得信息的产生更新十分迅速。 各种信息行业也都应运而生。信息与人们的生活日渐密切，人们对信息 的需求与e l 俱增。这就需要更加便利、畅通和高速的信息流通渠道。 i n t e r n e t 的出现恰恰满足了人们的需求。 社会的发展使得信息存术得到极大的发展，光盘存储使得信息存 储不仅可以存储文字、图像信息还可以存储声音、动画，这大大优越于 过去利用磁通量和磁化电流变化进行写读的磁盘。一个光盘存储的信息 量相当于4 0 0 多张磁盘的存储量。光盘存储技术的发展为同时处理大量 信息的多媒体技术奠定了基础。多媒体技术可以利用计算机把文字、图 像、声音、动画等多种媒体综合一体化，进行加工处理。现代社会的 i n t e r n e t 就是利用光纤联成的计算机网络，或称为“信息高路公路”。 由于多媒体电脑之间所处理的信息可以同时有文字、图像、声音和动画 信息，这就需要传输信息的光纤具有极大的传输容量，这样才能使多媒 体电脑以极高的速度进行即时、方便的交流自从19 7 0 年低损耗光纤 问世以来，光纤传输技术以突飞猛进的速度发展。到9 0 年代，光纤传 输速率已经达到了每秒1 0 0 0 0 兆比特，相当于在一对只有头发丝1 1 0 粗细的光纤里可以同时开通1 2 5 0 0 0 0 路电话，其发展速度是惊人的。光 纤传输所具有的大容量、高速率的特点恰好满足了人们的需求，使光纤 通信网成为i n t e r n e t 这一“信息高速公路”的基础为了更好地满足 不断发展的信息社会的需求，人们正在研究更高的带宽和传输速率的光 纤。信息网逐渐铺设下路边，铺设到每个家庭，这也极大地推进了光纤 光学及光纤通信的发展 2 4孤子光纤简介”钔 尽管在1 9 73 年h a s e g a w a 等就理论上预言光纤中可传输孤子。但 由于当时没有波长在反常色散区的低损耗光纤和相就的光源，这一理论 长时间未能付诸实现直到1 9 8 0 年，b e l i 实验室才使用使用1 5 5 z m 的 锁模色心激光器和低损耗光纤首次在实验室观察到了光孤子”。这是光 孤子研究中划时代的工作，从此光孤子的研究进入了理论与实验互相促 进的新阶段。 随着低损耗光纤及全光放大技术以波分复用技术的发展的发展， 光孤子通信越来越显示出诱人的前景。19 8 9 年，日本n t t 的n a k a s a w a 等在实验中首次使用导体激光器泵浦的掺铒光纤放大器( e d f a ) 来补偿 能量损耗。19 9 0 年起b e l l 实验室开始了光孤子波分复用技术的实验研 究。 实验研究的不断进展也推动着光孤子理论研究的不断深入。在光 孤子提出后的近二十年的时间里，人们借助计算机或利用解析的方法对 光孤子的产生、传输、放大等各个环结进行了相 - 3 充分的研究。在光孤 子传输理论方面，与光孤子通信密切相关的问题有孤子间相互作用、损 耗、双折射、光纤不均匀性、放大器噪声等对孤子稳定传输的影响等等。 近年来，由于实验的推动，人q f l 开始将较多的注意力投向孤子在使用 e d f a 进行周期性能量补偿的超长距离光纤中的传输问题。 除了采用集总式e d f a 进行能量补偿外，关、英、日等也提出了利 用长距离掺铒光纤传输光孤子，这样可实现分布式放大。n t t 用这一方 案实现了5 g b i t s 、1 8 2 k m 的孤子传输。分布式放大当然是最理想的能 量补偿手段，但用掺铒光纤同时作为放大媒质与传输媒质的方案能否实 用将取决于未来能否制造出价格低廉的低损耗、低色散掺铒光纤。 如何实现上百g b i t s 的长距离孤子传输也是理论与实验中正在探 索的问题因为高阶色散以及喇曼自频移使得超短孤子在光纤中不能稳 定传输。19 9 1 年n a k a z a w a 等理论上提出可利用超短孤子在增益带宽受 限的掺铒光纤中传输时的绝热自限抑制孤子自频移，实现超短孤子的长 距离稳定传输。 放大器的自发发射噪声将导致孤子中心频率的抖动，进而引起孤 子到达时间的抖动。而g o r d o n - h a u s 效应，限制了光孤子通信系统的最 大传输容量。为此，研究者们提出了在每一级e d f a 后面加一带通滤波 器以及对孤子整形和重新定时的技术。“分布孤子通信”方案是在动态 孤子通信基础上，在每一级e d f a 前面加一段几公里长的正色散光纤以 补偿孤子脉冲的频率c h ir p ，计算机模拟表明可将放大间距延长到 1 0 0 k m 2 5 光纤放大器与光纤激光器 光纤放大器与光纤激光器，它们的主要特点是：转换效率训， 激光阈值低。原因是光纤的芯径很小，在纤芯内易于形成高功率密度， 光纤的几何形状又具有很低的体积与表面比，再加上在单模状态下激光 与泵浦光可充分耦合。器件体积小、灵活原因是光纤本身有极好的 柔挠性，而激光器的腔镜又可直接镀在光纤的端面，或采用光纤定向耦 合器方式构成谐振腔。激光输出谱线多，单色性好，调谐范围宽。原 因是光纤基质有很宽的荧光谱，光纤可调参数多，选择范围大，因此可 产生多激光谱线，再配之以波长选择器，即可获得相当宽的调范围。 2 5 1 光纤放大器 光纤通信中用光纤来传输光信号。它受到两方面的限制：损耗和 色散。就损耗而言，目前光纤损耗的典型值在1 3 o n 波段为0 3 5 d b 女， 而在1 5 5 n n 波段为0 2 5 d b 拥。由光纤损耗限制的光纤无中继传输距离 为50 1o o k m 。在长距离光纤通信系统中，延长通信距离的方法是采用 中继器。目前大量应用的是光一电一光中继：首先将光信号转换为电信 号，在电信号上进行放大、再生、重定时等信息处理这后，再将电信号 转换为光信号，经光纤传送出去。这样通过加入级连的电再生中继器可 以建成很长的光纤传输系统。第一根越洋的光纤的工程建于本世纪8 0 年代，总距离6 7o o k m ，隔7 0 k m 进行一次再生中继。但是，这样的光一 电一光中继需要光接收机和光发射机来进行光一电和电一光转换，设备 复杂，成本昂贵，维护运转不便 近几年迅速发展起来的光放大器，尤其是掺铒光纤放大器( e d f a e r b l d i l l d o p e df i b e r ) ，在光纤通信技术上引发了一场革命在长途 干线通信中，它可使光信号直接在光域进行 1 、在w d m 光纤通信系统中的应用w d m 是在一根光纤上同时传输多 个光载波波长不同的光信号的通信方式。其优点：它充分利用光纤的 潜在带宽，极大的扩展了光纤的传输容量。但是这种通信方式突出问 题是在每一中继站都要将多信道信号分开，送入各自的光设备中去， 通过光一电一光转换过程来对光信号进行处理。这就需要在每个中继 站都要有数量与信道数相对应的光纤设备使w d m 技术发展面临障碍。 掺铒光放大器的实用化使w d m 技术迅速进入实用阶段。掺铒光纤放大 器有数十至上百纳米带宽，可以覆盖相当数量的信道，因而一个掺铒 光纤放大器可代替诸多设备对w d m 系统的多信道光信号进行放大，极 大降低了成本，提高传输质量。现在w d m + e d f a 已成为高速光纤通信网 络发展的主流方向，是新一代光纤传输技术。 2 、 在光纤通信网申的应用e d f a 可以补偿光信号由分路而带来 的损耗，以扩大本地网的网径，增加用户。采用e d f a 的光缆有线电视 传系统已于1 9 9 3 年投入使用这种系统的光的节点数及传输距离直接 与光功率的大小有关采用e d f a 可以扩大c a t v 网的网径和用户数。 我国现已采用e d f a 的光纤c a t v 网。 3 、 在光孤子通信中的应用光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿 光纤的色散作用的一种方式当光纤的非线性和色散二者达到平衡时， 光脉冲的形状将在传输过程申保持不变。光孤子通信的主要问题是光 纤损耗。光孤子脉冲沿光纤传输时其功率逐渐减弱，这将破坏非线性 与色散之间的平衡。解决方法之一就是在光纤传输线路中每隔一定的 距离加一e d f a 来补偿线路损耗，使光孤子在传输过程中保持脉冲形状 不变。可以说e d f a 与光纤中色散、非线性构成了光孤子通信这种新型 通信方式，解决了光纤传输申的损耗与色散问题。 4 、e d f a 在光纤接入网( 比如光纤到户f t t h ) 中也将发挥其作用。e d f a 还可作为一个增益元件放入谐振腔中构成光纤激光器等。 e d f a 的出现改变了光纤通信发展的格局。比如使曾引起人们极大 热情的相干光纤通信技术的研究趋于沉寂。采用相干光纤通信的目的之 一在于提高系统的灵敏度，以延长通信距离，它比常规通信的灵敏度可 提高20 d b 左右。但现在这一目的可以通过e d f a 常规光纤通信设备来完 成。因而，从提高灵敏度这一角度来看，就没有妊要采用价格昂贵、技 术复杂的相干光纤通信技术了。 在科技界，一项技术革新涉及的物理未必很新，其新颖性往往体 现于：该原理一旦在存世已久的技术领域找到应用，它将推动该技术的 发展，使其整体技术水平到达一个新的、更高阶段。但是，历史上这样 的革新并不很多，可以说e d f a 在光纤通信中所起的作用，恰是这样一 个典范 2 5 2 光纤激光器” 当前光纤激光器的发展主要集中在以下几个方面：( i ) 研制全光 纤激光器，实现与光纤通信系统高效率地连接；( 2 ) 光纤布拉格光栅的 性能进一步提高，以便更加有效地应用于光纤激光器中；( 3 ) 光纤激光 器性能进一步提高，如脉宽、谱宽更窄，重复频率、输出功率更高，调 谐范围更宽等；( 4 ) 光纤激光器的实用化。国内外在这些方面的研究状 况如下所述。 国外在光纤激光器方面的研究已经非常成熟。在频率上转化方面， p x i e 和t r g o s m e l l 用钛宝石激光嚣的8 6 0 n m 泵浦几十厘米长的光纤， 通过更换不同的输出镜获得了红，橙、绿、蓝四种颜色的激光，功率分 别为3 0 0 、4 4 、2 0 、3 m w ，斜效率分别为5 2 、l i 5 、l 2 4 、3 ”1 。包 层泵浦上转换光纤激光器的研究工作是国际上的最新研究热点，它在常 规光纤激光器研究工作的基础上，利用频率上转换技术大大扩展了激光 器的频率范围，可获得近红外、可见光乃至更短波长的激光输出。连续 调谐多波长锁模激光器一直是激光技术很活跃的研究领域，l i ”1 等报道 了利用色散补偿光纤( d c f ) 增加腔内色散，在主动锁模光纤环形激光 器中实现了3 个波长的激光输出，并通过调节调制频率，实现了单波长、 双波长的连续调谐“1 、线宽窄到2 k h z 的窄线宽激光器、调谐范围达7 5 n m 的宽调谐光纤激光器以及重复频率达到2 1 g h z 的高重复频率光纤激光 器”1 。在调o 方面的研究，脉宽窄至3 f s 的超短脉冲光纤激光器，结合 运用了时域和频域技术的光纤孤子激光器获得运转。g p l e e s 和 t p n e w s o n 已获得了峰值功率5 4 0 w 、脉宽4 n s 、重复频率2 0 0 h z 的脉 冲光源”1 。采用包层泵浦的掺铒离子光纤激光器的输出已达1 n j ，脉宽 20 0 fs “1 ：而采用啁啾脉冲放大技术，利用掺镱离子光纤放大钛宝石飞 秒激光脉冲达1 4uj ”；对纳秒量级脉宽光脉冲采用多级特殊设计大芯 径掺铒离子光纤放大技术，得到2 5 0uj 的单脉冲能量1 。在高功率方 面，研究人员通过不断改进泵浦方案来提高光纤激光器的输出功率水 平比较有代表性的是麻省宝丽来公司的m m u e n d e l 和新