光纤的线性与非线性效应概述

光纤的线性与非线性效应概述 1. 绪论 1.1 光纤的特点 1.2 光纤的历史 1.3 光纤的应用 2. 光纤的线性效应 2.1 损耗 2.1.1 起因 2.1.2 影响 2.2 色散 2.2.1 空间色散 2.2.2 时间色散 2.2.3 偏振模色散 3. 光纤的非线性效应 3.1 非线性效应产生的原因 3.2 自相位调制 3.3 受激拉曼散射 3.4 受激布里渊散射 3.5 非线性效应的重要性 4. 结论 1. 绪论 1.1 光纤的特点 光纤是光导纤维的简称。是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反 射原理而达成的光传导工具。 光纤有单模光纤和多模光纤之分：单模光纤采用窄芯线，使用激光作为发 光源，所以其地散极小；另外激光是发一个方向射入光纤，而且仅有一束，使 用其信号比较强，可以应用于高速度、长距离的应用领域中，便也合得它的成 本相对更高；而多模光纤则更广泛地应用于短距离或相对速度更低一些的领域 中，它采用 LED 作为光源，使用宽芯线，所以其散较大；在加上整个光纤内有 以多个角度射入的光，所以其信号不如单模光纤好，但相对低的价格是它的优 势。 主要的特点：抗干扰性强：由于光纤中传输的是光束，光束是不会受外界 电磁干扰影响；保密性强：由于传输的是光束，所以本身不会向外幅射信号， 有效地防止了窃听；传输速度快：光纤是至今为止传输速度最快的传输介质， 能轻松达到 1000Mbps；传输距离长：它的主减极小，在较大的范围内是一个 常数，在许多情况下几乎可以忽略不计的，在这方面比电缆优越很多。 1.2 光纤的历史 1870 年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原 理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把 水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出 来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。当入射角大 于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在 水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表 面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。 后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝玻璃纤维， 当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由 于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。 1880 年，美国电话发明家贝尔就已经研究并成功地发送与接收了光电话。 1881 年，贝尔宣读了一篇题为关于利用光线进行声音的产生与复制的论文， 报导了他的光电话装置。 1930 年至 1932 年间，日本在东京的日本电报公司与每日新闻社之间实现了 3.6 公里的光通信，但在大雾大雨天气里效果很差。第二次世界大战期间，光电话 发展成为红外线电话，因为红外线肉眼看不见，更有利于保密。1854 年，英国 的廷德尔在英国皇家学会的一次演讲中指出，光线能够沿盛水的弯曲管道进行 反射而传输，并用实验证实了这个想法。 1927 年，英国的贝尔德首次利用光全反射现象制成石英纤维可解析图像， 并且获得了两项专利。 1951 年，荷兰和英国开始进行柔软纤维镜的研制。 1953 年，荷兰人范赫尔把一种折射率为 1.47 的塑料涂在玻璃纤维上，形 成比玻璃纤维芯折射率低的套层，得到了光学绝缘的单根纤维。但由于塑料套 层不均匀，光能量损失太大。 1960 年 7 月世界上第一台红宝石激光器出现了。1961 年 9 月由中国科学院 长春光学精密机械研究所研制成功中国第一台红宝石激光器。 20 世纪 60 年代，有的实验室用氦、氖气体激光器做了传送电视信号和 20 路电话的实验。也有的公司制成了语言信道试验性通信系统，最大传输距离为 600 米。到 80 年代初激光通信已进入应用发展阶段。 1966 年英籍华人高锟博士首次明确提出利用光导纤维进行激光通信的设想， 并为此获得了 1979 年 5 月由瑞士国王颁发的国际伊利申通信奖金。 1968 年，日本两家公司联合宣布研制成了一种新型无套层光纤，它能聚集 和成像，称作聚焦纤维。同期，美国宣布制成液体纤维，它是利用石英毛细管 充以高透明液构成的。这两种光纤的光耗损很难降低，所以实用价值不大。 1970 年美国康宁公司用高纯石英生产出世界上第一根耗损率为每公里 20 分贝的套层光纤，开创了光纤通信的新篇章，使通信光纤研究跃进了一大步。 一根光纤可以传输 150 万路电话和 2 万套电视。 1976 年日本在大孤附近的奈良县开始筹建世界上第一个完全用光缆实现光 通信的实验区，到 1978 年 7 月已拥有 300 个用户。 （实际上光通信系统使用的 不是单根光导纤维，而是由许多光纤维聚集在一起组成的光缆。一根直径为 1 厘米的光缆，里面有近百根光导纤维。光缆和电缆一样可以架在空中，埋入地 下，也可以铺设在海底，它的出现使激光通信进入实际应用阶段。 ） 1979 年赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤 之父” 进入实用阶段以后，光纤通信的应用发展极为迅速，应用的光纤通信系统已经 多次更新换代。70 年代的光纤通信系统主要是用多模光纤，应用光纤的短波长 （850 纳米）波段， （1 纳米=1000 兆分之一米，即米） 。80 年代以后逐渐改用长 波长（1310 纳米） ，光纤逐渐采用单模光纤，到 90 年代初，通信容量扩大了 50 倍，达到 2.5Gbs。进入 90 年代以后，传输波长又从 1310 纳米转向更长的 1550 纳米波长，并且开始使用光纤放大器、波分复用（WDM）技术等新技术。 通信容量和中继距离继续成倍增长。广泛地应用于市内电话中继和长途通信干 线，成为通信线路的骨干。 1990 年光纤应用于区域网络及其他短距离传输。 2005 年 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭。 1.3 光纤的应用 塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质，在未来家庭智能化、办公 自动化、工控网络化。车载机载通信网、军事通信网以及多媒体设备中的数据 传输中具有重要的地位。 通过塑料光纤，我们可实现智能家电（家用 PC、HDTV、电话、数字成象设 备、家庭安全设备、空调、冰箱、音响系统、厨用电器等）的联网，达到家庭 自动化和远程控制管理，提高生活质量；通过塑料光纤，我们可实现办公设备 的联网，如计算机联网可以实现计算机并行处理，办公设备间数据的高速传输 可大大提高工作效率，实现远程办公等。在低速局域网的数据速率小于 100Mbps 时，100 米范围内的传输用 SI 型塑料光纤即可实现；150Mbps50 米范 围内的传输可用小数值孔径 POF 实现。 POF 在制造工业中可得到广泛的应用。通过转换器，POF 可以与 RS232、RS422、100Mbps 以太网、令牌网等标准协议接口相连，从而在恶劣的 工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路。能够高速地传输工业控制信号和 指令，避免因使用金属电缆线路而受电磁干扰导致通信传输中断的危险。POF 重量轻且耐用，可以将车载机通信网络和控制系统组成一个网络，将微型计算 机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中，旅客还可通 过塑料光纤网络在座位上享受音乐、电影、视频游戏、购物、Internet 等服务。 在军事通信上，POF 正在被开发用于高速传输大量的第三、保密信息，如 利用 POF 重量轻、可挠性好、连接快捷，适用于在身配戴的特点，用于士兵穿 戴式的轻型计算机系统，并能够插入通信网络下载、存储、发送、接收关键任 务信息，且在头盔显示器中显示。 综上所述，随着科技的发展，塑料光纤的应用领域越来越广，其市场的发 展会越来越广阔。国外在塑料光纤的应用开发上已取得了较大的成果，且不断 在在加大新的应用研究投入，我国许多地区已经有厂商开始投入研发生产，因 此产业界更应就光纤的研究和发展予以密切注视，