光纤光学-绪论

1、第第1页页光纤及其发展历史光纤及其发展历史光纤的分类与制备光纤的分类与制备光纤光学的研究内容及研究方法光纤光学的研究内容及研究方法本课程的要求及建议本课程的要求及建议第第2页页第第3页页光纤光纤光学光学光如何在光波导中光如何在光波导中传播传播模式理论模式理论损耗和色散损耗和色散耦合模理论耦合模理论光在光波导中有光在光波导中有哪些物理效应哪些物理效应光纤光纤通信通信光纤光纤传感传感如何对光信号进行如何对光信号进行发送、调制、发送、调制、接收和处理接收和处理非线性非线性效应效应光器件光器件光调制光调制第第4页页信息时代信息时代两大技术支撑两大技术支撑微电子技术微电子技术计算机技术计算机技术光纤通信

2、技术光纤通信技术微微电电子子技技术术计计算算机机技技术术光光纤纤通通信信技技术术信息时代第第5页页1-1 光纤及其发展历史光纤及其发展历史 光通信与早期光学纤维（光通信与早期光学纤维（1960S 以前）以前）高锟的发现与光纤技术的兴起高锟的发现与光纤技术的兴起光纤通信的巨大优势及其在通信领域的重要地位光纤通信的巨大优势及其在通信领域的重要地位光纤技术的广阔应用领域光纤技术的广阔应用领域第第6页页人类早期的通信活动人类早期的通信活动广义而言，通信是指异地间的信息传送，事实上，光通信是广义而言，通信是指异地间的信息传送，事实上，光通信是人类早期进行远距离通信的主要方式人类早期进行远距离通信的主要方

3、式第第7页页光源：光谱频带太宽，无合适的光源；光源：光谱频带太宽，无合适的光源；传输媒质：光波在大气中的传输极不稳定。传输媒质：光波在大气中的传输极不稳定。大气激光通信简介大气激光通信简介第第8页页光载波的频率高达光载波的频率高达10141015Hz，理论上，仅单一光载波信道的传，理论上，仅单一光载波信道的传输速率即可达输速率即可达10Tbit/s (1T = 1000G = 1012)，是微波系统的数千至，是微波系统的数千至上万倍上万倍光波波长为微米量级，能量集中、器件尺寸小、功耗低光波波长为微米量级，能量集中、器件尺寸小、功耗低其大容量和宽带宽是数字通信网得以建立和发展的基础其大容量和宽带

4、宽是数字通信网得以建立和发展的基础然而：然而：一个通信系统的建立，需要具备适当的载波振荡器、调制方式、一个通信系统的建立，需要具备适当的载波振荡器、调制方式、传输介质和接收设备传输介质和接收设备在在1960年以前，来自普通光源光载波的光谱特性和噪声特性以年以前，来自普通光源光载波的光谱特性和噪声特性以及高频调制方式的缺乏使光通信的潜在优势仅仅具有理论上的意及高频调制方式的缺乏使光通信的潜在优势仅仅具有理论上的意义，根本无法付诸实施义，根本无法付诸实施光通信的必要性与技术困难光通信的必要性与技术困难第第9页页介质光波导介质光波导是一种能够将光波限制在其内是一种能够将光波限制在其内部或表面附近，从

5、而引导光波沿确定的路部或表面附近，从而引导光波沿确定的路径传播的介质几何结构。径传播的介质几何结构。 介质光波导介质光波导Developed in 1954 by van Heel, Hopkins & KapanyDeveloped in 1954 by van Heel, Hopkins & Kapany第第10页页 激光器亮度高、谱线窄、方向性好，它的发明和应激光器亮度高、谱线窄、方向性好，它的发明和应用，用， 使沉睡了使沉睡了8080年的光通信进入一个崭新的阶段。年的光通信进入一个崭新的阶段。 19601960年梅曼发明了红宝石激光器年梅曼发明了红宝石激光器红宝石激光器美国梅曼(Mai

6、man)，1960第第11页页但直到但直到60年代中期，最好的光学玻璃的传输损耗仍年代中期，最好的光学玻璃的传输损耗仍高达高达1000dB/km这意味着在这意味着在1km的光纤上传输的光纤上传输1000nm的光信号，的光信号，当入纤光能为当入纤光能为21081J时，收端才能收到一个光子。时，收端才能收到一个光子。第第12页页v19661966年，高锟年，高锟(C.K.Kao)(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham(C.A.Hockham) )发表了关于传输介质新概念的论文发表了关于传输介质新概念的论文用于光频的光用于光频的光纤表面波导纤表面波导, , 指明通过指明通过“

7、原材料的提纯制造出适原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向这一发展方向, , 奠定了现代光通信奠定了现代光通信光纤通信的基础。光纤通信的基础。 高锟指出光纤的高损耗来自石英中的杂质，通过对高锟指出光纤的高损耗来自石英中的杂质，通过对原材料的提纯可以制作出适合长距离通信的低损耗，原材料的提纯可以制作出适合长距离通信的低损耗，其损耗可能低于其损耗可能低于20dB/km，从而可以用作通信媒，从而可以用作通信媒质。质。第第13页页 1998年，高锟（左）年，高锟（左）在英国接受在英国接受IEE授予的授予的奖章奖章 2009年获得诺贝尔物年获得诺贝

8、尔物理奖理奖第第14页页Optical Fiber in 1970S1969年，日本年，日本NTT，VAD，100dB/km1970年，美国年，美国Corning，OVD，20dB/km，4dB/km 1974年，美国年，美国AT&T，MCVD，性能更优越，性能更优越1976年，荷兰年，荷兰Philips，PCVD，性能相当，性能相当1979年，整体水平：年，整体水平：0.33dB/km 1.31微米微米, 0.2dB/km 1.55微米微米光纤损耗谱光纤损耗谱10lg()(dB/km)outinPPL光纤损耗定义为每单位长度光纤损耗定义为每单位长度光纤功率衰减分贝数光纤功率衰减分贝数第第15

9、页页v损耗低（损耗低（0.2dB/km，中继距离，中继距离50100km，铜缆为，铜缆为15km）v传输容量大（单根光纤传输容量大（单根光纤400nm，50THz，每根光缆可容纳，每根光缆可容纳数十数百芯光纤）数十数百芯光纤）v重量轻，体积小（重量轻，体积小（27g/km fiber）v石英资源丰富，光纤成本低石英资源丰富，光纤成本低v系统造价与维护成本大幅降低系统造价与维护成本大幅降低v抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，保密性强抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，保密性强v通信质量高（光纤系统误码率优于通信质量高（光纤系统误码率优于1010）光纤通信的巨大优势光纤通信的巨大优势第第16页页第第17页页

10、World-wide Network第第19页页第一代第一代: 工作波段为工作波段为0.8m0.8m，BLBL约为约为500Mb/s.km第二代第二代: 工作波段为工作波段为1.3m1.3m的光波，的光波，BLBL约为约为85Gb/s.km 第三代第三代: 工作波段为工作波段为1.55m1.55m的光波，的光波，BLBL约约1000Gb/s.km 第四代第四代: 采用光放大器增加中继距离，采用频分和波分采用光放大器增加中继距离，采用频分和波分 复用增加比特率为特征，复用增加比特率为特征，BLBL约为约为2000Gb/s.km第五代第五代: 以光孤子脉冲为通信载体，采用以光孤子脉冲为通信载体，采

11、用OTDMOTDM和和WDMWDM联合联合复用为通信手段，以超大容量、超高速率为特征的通信复用为通信手段，以超大容量、超高速率为特征的通信方式方式第第20页页v1Tbit/s 的传输能的传输能力力相当于相当于1秒钟传送：秒钟传送：300年泰晤士报；年泰晤士报；10万路电视；万路电视；120万路电话；万路电话；1000万因特网用户万因特网用户大容量光传输系统的发展大容量光传输系统的发展第第21页页第第22页页householdOnline shoppingNetwork gameOnline libraryTele-educationE-commerceE-governmentVideo tel

12、ephoneHDTVBrowse/downloadVideo conferenceTele-medicine第第23页页光纤通信发展趋势及关键技术光纤通信发展趋势及关键技术v 光波分复用技术；光波分复用技术；v 相干光纤通信技术；相干光纤通信技术；v 超长波长光纤通信；超长波长光纤通信；v 光孤子通信；光孤子通信；v 全光通信。全光通信。第第24页页第第25页页光纤技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网 AON DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H 位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度可以测量70 多个物理化学量 广告显示牌 激光手术刀 仪表照

13、明 工艺装饰 电力输送 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜 光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块信息获取信息传输信息处理其它应用第第26页页 寂寞了二十多年的“集成光学集成光学”的概念重又受到人们的关注，并发展成为“集成光子学”和“集成光电子学”：在很小的空间范围内，将具有多种功能的导波光学器件、光电子器件和电子电路集成在一起，以提高性能、降低成本。值得注意的是，这里的“集成”主要是指各种功能的集成，而不是像集成电路那样强调单位面积内的元件数。第第27页页 1969年，美国贝尔实验室的Miller提出集成概念集成电路 最早的集成电路 1997年，集成晶体管已

14、达到 106个之多第第28页页第第29页页第第30页页硅光子学的通信领域应用取得里硅光子学的通信领域应用取得里程碑式进展，证实未来电脑可用程碑式进展，证实未来电脑可用光束代替电子信号传输数据。英光束代替电子信号传输数据。英特尔实现了世界上首个端至端硅特尔实现了世界上首个端至端硅光子连接，这将对电脑设计产生光子连接，这将对电脑设计产生革命性影响，极大地提高电脑性革命性影响，极大地提高电脑性能和节约能源能和节约能源第第31页页激光攻击导弹激光攻击导弹天文观测天文观测 基准星基准星第第32页页点式光纤液位传感器LEDPIN液体液体LEDPIN液体液体第第33页页本课程学习内容：本课程学习内容：阶跃光

15、纤模式理论阶跃光纤模式理论 光纤光学的基本方程，一维平面光波导的传输光纤光学的基本方程，一维平面光波导的传输理论理论 光纤模式理论光纤模式理论梯度光纤模式理论梯度光纤模式理论 光纤特性参数与测试技术光纤特性参数与测试技术 光纤器件光纤器件 光纤连接与耦合光纤连接与耦合 光纤应用技术光纤应用技术第第34页页第第35页页模式理论新应用模式理论新应用第第36页页第第38页页Tom imr and Kishan Dholakia Optics Express, Vol. 19, Issue 20, pp. 18871-18884 (2011) 第第39页页参考书目：参考书目：u李玉权，李玉权，光波导理

16、论与技术光波导理论与技术，北京：人民邮电出版，北京：人民邮电出版社，社，2002.u余守宪，余守宪，导波光学物理基础导波光学物理基础，北京：北方交通大学，北京：北方交通大学出版社，出版社，2002.uSynder，光波导理论光波导理论u廖延彪，廖延彪，光纤光学光纤光学-原理与应用原理与应用，北京：清华大学出，北京：清华大学出版社，版社，2008.教材：教材：u刘德明等，刘德明等，光纤光学光纤光学（第二版），北京：（第二版），北京：科学出版社，科学出版社，2008.第第40页页先导课程：先导课程：u数学物理方法，电磁场与电磁波，物理数学物理方法，电磁场与电磁波，物理光学光学学习要求：学习要求：1

17、. 掌握光纤光学基本概念和重要结论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注重物理内涵而不必拘泥于繁杂的数学运算第第41页页1-2 光纤制造技术简介光纤制造技术简介 v光纤制造工艺概述光纤制造工艺概述第第42页页（化学气相沉积法）（化学气相沉积法）第第43页页（等离子体化学气相沉积法）（等离子体化学气相沉积法）第第44页页第第45页页（管外气相沉积法）（管外气相沉积法）第第46页页（气相轴向沉积法）（气相轴向沉积法）第第47页页v光缆光缆 光光缆缆基基本本结结构构光缆基本要素：光缆基本要素：缆芯

18、、加强元缆芯、加强元件、护层件、护层第第48页页第第49页页 多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤vMultimode fiber: multiple rays follow different paths优点：芯径大，易于光耦合。缺点：模间色散。适用优点：芯径大，易于光耦合。缺点：模间色散。适用于低速短距离系统于低速短距离系统vSingle mode fiber: only direct path propagates in fiber优点：无模间色散。缺点：不易于光耦合。适用于高速信优点：无模间色散。缺点：不易于光耦合。适用于高速信号的长距离传输号的长距离传输第第50页页（SIOF）（GI

19、OF）第第51页页实用光纤主要的三种基本类型实用光纤主要的三种基本类型 (a) 阶跃型光纤；阶跃型光纤； (b) 渐变型光纤；渐变型光纤； （c） 单模光纤单模光纤 横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c)第第52页页4 纤芯直径纤芯直径4 相对折射率相对折射率4 数值孔径数值孔径4 归一化频率归一化频率 光纤的基本结构参数光纤的基本结构参数第第53页页光纤的直径包括纤芯直径光纤的直径包括纤芯直径2a和包层直径和包层直径2b。一般光纤总粗小。一般光纤总粗小于于150m。典型单

20、模光纤芯径约。典型单模光纤芯径约10m，多模阶跃光纤芯径，多模阶跃光纤芯径约约62.5m，多模渐变型光纤芯径约，多模渐变型光纤芯径约50m，但它们的包层外，但它们的包层外径一般均取径一般均取125m。0z0n1n2n3n23nn对称性波导对称性波导23nn不对称性导不对称性导 2a 纤芯直径纤芯直径第第54页页 相对折射率差相对折射率差光纤对光场的约束能力光纤对光场的约束能力及光纤端面的受光能力及光纤端面的受光能力2212212nnn 当当n1与与n2相差极小时，相差极小时，也极小，这种光纤称为也极小，这种光纤称为弱导光纤弱导光纤，对于弱导光纤，其相对折射率可近似表示为：对于弱导光纤，其相对折

21、射率可近似表示为：121nnn 一般一般n1只略大于只略大于n2；单模光纤；单模光纤0.3，多模光纤，多模光纤1 。第第55页页 数值孔径数值孔径N.A.（Numerical Aperture）iz0n1n2n2a0maxsiniNAn2n2212nn12n为光纤端面最大为光纤端面最大接收角的正弦接收角的正弦第第56页页 归一化频率归一化频率V221200222Vanna光纤中所支持的电磁波模式数量由光纤的具体结构和折射光纤中所支持的电磁波模式数量由光纤的具体结构和折射率分布决定；率分布决定；自由空间波长自由空间波长表示在光纤中传播表示在光纤中传播模式多少的参数模式多少的参数a 和和N.A.越小，越小，V 越小，在光纤中的传播模式越少。一般越小，在光纤中的传播模式越少。一般地，当地，当V2.405时，为时，为多模传输态。多模传输态。第第57页页 光纤的基本特性光纤的基本特性4 色散色散4 损耗损耗第第58页页损耗和色散对光信号的影响损耗和色散对光信号的影响 第第59页页 光纤损耗的来源光纤损耗的来源 第第60页页第第61页页光纤色散是指构成光信号的电磁波各成份在光纤中具有不同光纤色散是指构成光信号的电磁波