光纤光学第一章

1、光光 纤纤 光光 学学周向阳周向阳教材：教材：1 饶云江饶云江. 光纤技术光纤技术. 科学出版社，科学出版社，2006.参考文献：参考文献：1 廖延彪廖延彪. 光纤光学光纤光学. 清华大学出版社，清华大学出版社，2001.2 刘德明，向清，黄德修刘德明，向清，黄德修.光纤光学光纤光学.国防工业出国防工业出版社，版社，2000.3 Jeff Hecht 著，贾东方著，贾东方 译译.光纤光学光纤光学.人民邮电人民邮电出版社，出版社，2004.Content：ch1 ch1 绪论绪论ch2 ch2 光纤拉制与成缆光纤拉制与成缆ch3 ch3 光纤传输理论光纤传输理论ch4 ch4 新型光纤和新型光纤

2、和光纤的基本特性光纤的基本特性ch5 ch5 光无源器件光无源器件ch7 ch7 光纤传感技术光纤传感技术ch8 ch8 光纤通信技术光纤通信技术u 时间的逻辑时间的逻辑光纤发展的历史链条；光纤发展的历史链条；u 认识的逻辑认识的逻辑理论发展的逻辑轨迹；理论发展的逻辑轨迹；u 学习的逻辑学习的逻辑在知识的学习过程中，学会分析在知识的学习过程中，学会分析与解决问题。与解决问题。u 本课程尝试按照本课程尝试按照“学习的逻辑学习的逻辑”，以解决问题为，以解决问题为核心，围绕问题及其解决方案与途径，来组织教学。核心，围绕问题及其解决方案与途径，来组织教学。学习方法：学习方法：Ch1 绪论绪论1.1 光

3、纤的发展历程光纤的发展历程1.2 光纤技术基础光纤技术基础1.3 光纤与通信网络光纤与通信网络1.4 光纤与传感技术光纤与传感技术1.5 光纤技术的发展趋势光纤技术的发展趋势讲述光纤光学的起源、研究范畴及其发展现状。讲述光纤光学的起源、研究范畴及其发展现状。1.1 光纤的发展历程光纤的发展历程1 1）远古时期，可见光的视觉通信。）远古时期，可见光的视觉通信。2 2）18701870年，英国的廷年，英国的廷达尔（达尔（TyndallTyndall）演示）演示了光在一束细水流中进了光在一束细水流中进行全内反射传输的现象。行全内反射传输的现象。使用全内反射来解决光使用全内反射来解决光可以保持在一个弯

4、曲的可以保持在一个弯曲的介质内部传输的问题。介质内部传输的问题。3）1910年，年，Deby和和Hondros用波动理论对电介质中的用波动理论对电介质中的光路理论进行了分析；光路理论进行了分析；4) 19274) 1927年，年，BairdBaird、HansellHansell等人提出了用电介质光等人提出了用电介质光纤传递光学图象的设想；纤传递光学图象的设想；5) 1929-19305) 1929-1930年：美国的哈纳尔（年：美国的哈纳尔（HanaelHanael）和德国的）和德国的拉姆（拉姆（LammLamm）先后拉制出石英光纤，并用于光线和图）先后拉制出石英光纤，并用于光线和图象的短距

5、离传输；象的短距离传输；6 6）19511951年，光导纤维镜年，光导纤维镜(Fiberscope)(Fiberscope) ，并用于医用，并用于医用图像传输。图像传输。7 7）19531953年，英国的纳林德尔年，英国的纳林德尔卡帕尼（卡帕尼（Narinder Narinder KapanyKapany）发明芯包双层结构的光导纤维（光纤）。）发明芯包双层结构的光导纤维（光纤）。8 8）2020世纪世纪6060年代，无线激光通信。年代，无线激光通信。9 9）2020世纪世纪6060年代后期和年代后期和7070年代早期，钢制波导管光年代早期，钢制波导管光通信。通信。1010）19661966年，

6、高锟博士（年，高锟博士（“光纤之父光纤之父”）发表著名论文）发表著名论文“用于光频率的绝缘纤维表面波导管用于光频率的绝缘纤维表面波导管”。首次明确提出，。首次明确提出，通过通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的改进制备工艺，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损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km20dB/km的光纤，的光纤，从而使光纤可用于通信之中从而使光纤可用于通信之中。1111）19701970年，美国的年，美国的Coring Glass Coring Glass Corporation Corporation 采用化采用化学气相沉积法

7、学气相沉积法CVDCVD工艺工艺制出世界上第一根通制出世界上第一根通信用光纤。信用光纤。1212） 19781978年，加拿大的年，加拿大的 K. HillK. Hill博士首次将光学反射镜博士首次将光学反射镜或滤波器写入光纤，开拓了光纤光栅研究与应用。或滤波器写入光纤，开拓了光纤光栅研究与应用。1313） 2020世纪世纪8080年代末期，波长为年代末期，波长为1.55 m1.55 m的的EDFAEDFA研制成研制成功并投入实用，将光纤通信的波段移到光纤最低的损耗功并投入实用，将光纤通信的波段移到光纤最低的损耗窗口。成为光纤通信发展史上另一个重要的里程碑。窗口。成为光纤通信发展史上另一个重要

8、的里程碑。1414） 之后，随着光纤通信的迅猛发展，出现了多种新型之后，随着光纤通信的迅猛发展，出现了多种新型波导结构光纤和新材料光纤，并在通信、传感、照明、波导结构光纤和新材料光纤，并在通信、传感、照明、医学、军事、航空航天等领域得到广泛的应用。医学、军事、航空航天等领域得到广泛的应用。1.2 光纤技术基础光纤技术基础u 大致了解光纤的基本结构；大致了解光纤的基本结构；u 熟悉常见光纤的材料；熟悉常见光纤的材料；u 并初步了解光纤的应用场合。并初步了解光纤的应用场合。对于不用的应用场合，应该根据需求选用不用类对于不用的应用场合，应该根据需求选用不用类型的特殊光纤。型的特殊光纤。各类型的通信光

9、纤有不同的特殊要求：各类型的通信光纤有不同的特殊要求： 短距离传输，要求芯径要大，尽可能多收集光能量。短距离传输，要求芯径要大，尽可能多收集光能量。 长距离传输，则要求芯径小，单模传输，实现高速传输。长距离传输，则要求芯径小，单模传输，实现高速传输。决定光纤性能的因素就是光纤纤芯决定光纤性能的因素就是光纤纤芯包层结构包层结构和构成光纤的材料成分。和构成光纤的材料成分。序序1 The Structure of Optical Fiber光纤光纤是由是由纤芯、包层纤芯、包层所构成的光波传输介质，一般所构成的光波传输介质，一般为双层或多层同心圆柱形细丝，为轴对称结构。为双层或多层同心圆柱形细丝，为轴

10、对称结构。纤芯纤芯的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯内传输。的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯内传输。包层包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。护作用。（由纤芯和包层组成的光纤常称为裸纤，若直接使用，（由纤芯和包层组成的光纤常称为裸纤，若直接使用， 由由于裸露在环境中于裸露在环境中, 容易受到外界温度、容易受到外界温度、 压力、压力、 水气的侵蚀水气的侵蚀等，等， 因而实际中应用的光纤都在裸光纤的外面增加了）因而实际中应用的光纤都在裸光纤的外面增加了）涂敷层涂敷层, 用来用来缓冲外界的压力缓冲外界的压力, 增加光纤的抗拉、增

11、加光纤的抗拉、 抗压强度，抗压强度， 并改善光纤的温度特性和防潮性能等并改善光纤的温度特性和防潮性能等。l 导波光：受到约束的光波导波光：受到约束的光波l 光波导光波导：约束光波传输的媒介：约束光波传输的媒介l 介质光波导三要素：介质光波导三要素：“芯芯 / / 包包”结构结构凸形折射率分布，凸形折射率分布，n n1 1nn2 2低传输损耗低传输损耗光波导的基本概念光波导的基本概念2 The Material of Optical Fiber石英系光纤石英系光纤：通常有极小的掺杂，最常用的光纤：通常有极小的掺杂，最常用的光纤 。全塑光纤全塑光纤：成本低，数值孔径大，但传输损耗大。：成本低，数值

12、孔径大，但传输损耗大。外塑料内石英光纤外塑料内石英光纤：应用于常要求较大弯曲的通信场合。：应用于常要求较大弯曲的通信场合。氟化物光纤氟化物光纤（红外光纤）：传输远红外光损耗小。（红外光纤）：传输远红外光损耗小。液芯光纤液芯光纤：纤芯为液体，满足特定要求。：纤芯为液体，满足特定要求。3 The Feature of Optical Fiber几何特性：纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；几何特性：纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；光学特性：折射率分布、光学特性：折射率分布、NA、MFD和截止波长；和截止波长；传输特性：损耗（衰减）、带宽和色散；传输特性：损耗（衰减）、带宽和色散；机械特性：抗拉、抗

13、弯、抗扭曲、抗磨损性能。机械特性：抗拉、抗弯、抗扭曲、抗磨损性能。4 The Applications of Optical Fiber图象光纤图象光纤（光纤像束光纤像束）：由数万根长度一定、直径由数万根长度一定、直径为为10微米左右的光学纤维，微米左右的光学纤维，两端按照一一对应的关系两端按照一一对应的关系紧密排列集结为一体的能紧密排列集结为一体的能够直接接收和传递图像的够直接接收和传递图像的光学纤维成像器件。光学纤维成像器件。纤芯较粗、包层较薄，可纤芯较粗、包层较薄，可使光纤传光效率提高；同使光纤传光效率提高；同时减小每根光纤的尺寸，时减小每根光纤的尺寸，通过增加光纤束的数量来通过增加光纤

14、束的数量来提高图象传输的分辨率。提高图象传输的分辨率。照明光纤：照明光纤：芯径大，包层薄，提高芯径大，包层薄，提高收集光功能效率收集光功能效率高高和使用寿命（传输大功率光能量）。和使用寿命（传输大功率光能量）。通信光纤：通信光纤：小纤芯，厚包层，易于实现光信小纤芯，厚包层，易于实现光信号的单模长距离传输。号的单模长距离传输。光纤技术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 仪表照明 工艺装饰 电力输送 光纤面

15、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获取信息传输信息传输信息处理信息处理其它应用其它应用光纤技术的广阔应用领域1.3 光纤与通信网络光纤与通信网络1、1880年，美国人贝尔（年，美国人贝尔（BELL）发明了光电话系统。）发明了光电话系统。光话机原理图光话机原理图弧光灯弧光灯ABMNL送话器送话器2、 1960年，美国人梅曼（年，美国人梅曼（MAIMAN）发明第一台红宝石激光器。）发明第一台红宝石激光器。3、1966年，英国华裔科学家高锟（年，英国华裔科学家高锟（C.K.Kao）提出介质）提出介质新概念的理论，奠定现代

16、光纤通信的理论基础，新概念的理论，奠定现代光纤通信的理论基础， 被称为被称为光纤通信之父。光纤通信之父。4、1970年，美国康宁玻璃公司首先研制出损耗为年，美国康宁玻璃公司首先研制出损耗为20db/km光纤。光纤。1974年年1.1dB1973年年2.5dB1984年年0.157dB1972年年4dB1978年年0.2dB1986年年0.154dB5、1970年，日本研制出室温下连续工作的激光器。年，日本研制出室温下连续工作的激光器。1973年年7000小时小时1977年年10万小时万小时6、1976年，美国在年，美国在ATLANTA进行世界第一个光纤通信进行世界第一个光纤通信的实验，速率的实

17、验，速率44.7Mb/s，距离，距离10km。一、全球海底网络与陆地网络一、全球海底网络与陆地网络1）1986年在北海海底铺设第一条国际海底光纤链路，连年在北海海底铺设第一条国际海底光纤链路，连接英格兰和比利时。接英格兰和比利时。2）1988年又开通第一条跨大西洋的海底光缆线路，长年又开通第一条跨大西洋的海底光缆线路，长6500公里公里（TAT-8项目）项目）。到。到 1996年，采用年，采用WDM技术技术扩容。（扩容。（TAT-12&TAT-13项目项目）3）1989年，美国与日本间的第一条太平洋光缆线路开通。年，美国与日本间的第一条太平洋光缆线路开通。4）至）至1996年，共建成年

18、，共建成7条跨大西洋的光缆线路。至条跨大西洋的光缆线路。至1997年全球光缆互联线路网投入运行，光缆总长年全球光缆互联线路网投入运行，光缆总长2.8万万km。5）1993年年10月，世界最长的一条陆上光缆在中国开通；月，世界最长的一条陆上光缆在中国开通；从北京到海南，全长从北京到海南，全长4700公里。随后又与亚太公里。随后又与亚太9个国家或个国家或地区联合建成亚太海底光缆网，总长地区联合建成亚太海底光缆网，总长1100公里。公里。全球海底光缆网络全球海底光缆网络我国陆地光缆网络我国陆地光缆网络二、光纤到户二、光纤到户1）“最后一公里最后一公里”成为现代电信网络的瓶颈。成为现代电信网络的瓶颈。

19、2）光纤到户较比电缆接入具有优势）光纤到户较比电缆接入具有优势; 光纤到户为无源网络，可靠稳定，维护运营成本低光纤到户为无源网络，可靠稳定，维护运营成本低 光接入带宽大、距离长，网络规模大光接入带宽大、距离长，网络规模大 光纤承载业务种类多（语音、数据、图像、多媒体）光纤承载业务种类多（语音、数据、图像、多媒体） 光纤传输支持的协议灵活，数据格式透明光纤传输支持的协议灵活，数据格式透明 光纤到户实现方式多样（光纤到户实现方式多样（APON、EPON、GPON）3）2004年年4月，武汉电信与烽火公司开通月，武汉电信与烽火公司开通“光纤到光纤到户户 数字家庭数字家庭”应用试点项目，标志我国应用试

20、点项目，标志我国FTTH网络建设网络建设的起步。的起步。4）2005年年8月，美国大范围部署光纤到户。月，美国大范围部署光纤到户。1.4 光纤与传感技术光纤与传感技术传感器技术是一种能按一定规律将各种被检测的物理传感器技术是一种能按一定规律将各种被检测的物理量转换为便于处理的量（如电、磁等）的器件。量转换为便于处理的量（如电、磁等）的器件。1）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。 广泛应用石油化工、矿井、等易燃易爆场合。广泛应用石油化工、矿井、等易燃易爆场合。2）灵敏度高灵敏度高。 广泛应用光纤化学传感器和光纤生物传感器。广泛应用光纤化学传感器和光纤生物传

21、感器。3）重量轻、体积小、可绕曲重量轻、体积小、可绕曲。 应用于航空航天、雷达等狭小空间场合。应用于航空航天、雷达等狭小空间场合。4）便于复用、便于成网便于复用、便于成网。 与光纤通信网构成遥测网和光纤传感网络。与光纤通信网构成遥测网和光纤传感网络。光纤传感器所具有的独特优势：光纤传感器所具有的独特优势：1.5 光纤技术的发展光纤技术的发展1、了解光纤的发展和新型光纤特性。、了解光纤的发展和新型光纤特性。2、了解光纤通信技术的发展趋势。、了解光纤通信技术的发展趋势。3、了解光纤传感技术的发展趋势。、了解光纤传感技术的发展趋势。1、 光纤的发展光纤的发展p 多模光纤多模光纤 p 单模光纤单模光纤

22、p 保偏光纤保偏光纤 p 掺杂光纤掺杂光纤p 塑料光纤塑料光纤p 光子晶体光纤光子晶体光纤一、聚合物一、聚合物/塑料光纤塑料光纤 POF塑料光纤与石英光纤塑料光纤与石英光纤：纤芯较粗、柔性好、易安装、：纤芯较粗、柔性好、易安装、易弯曲、易连接、耦合效率高、价格便宜。易弯曲、易连接、耦合效率高、价格便宜。塑料光纤与同缆电缆塑料光纤与同缆电缆：抗干扰能力强，无电磁辐射，：抗干扰能力强，无电磁辐射，保密性好，通信容量大，使用寿命长；保密性好，通信容量大，使用寿命长； 广泛用于汽车总线布线、家广泛用于汽车总线布线、家庭网络、工业自动化、短距庭网络、工业自动化、短距离光纤通信、传感器等领域。离光纤通信、

23、传感器等领域。国外：国外：20世纪世纪70年代，美国杜邦公司在开始塑料光纤的研制。年代，美国杜邦公司在开始塑料光纤的研制。80年代，日本三菱公司开发出可用于通信领域的年代，日本三菱公司开发出可用于通信领域的PMMA（聚甲基丙稀酸甲酯）通信用塑料光纤，其光信（聚甲基丙稀酸甲酯）通信用塑料光纤，其光信号损耗参数已小于号损耗参数已小于200db/km；而进入而进入90年代，日本又开发出含氟的渐变型通信用塑年代，日本又开发出含氟的渐变型通信用塑料光纤，衰减系数已降至料光纤，衰减系数已降至60db/km；2000年，日本开发出的年，日本开发出的GIPOF光纤，其衰减系数已光纤，其衰减系数已降至降至41d

24、b/km，而且它的带宽（另一个重要的参数）也，而且它的带宽（另一个重要的参数）也达到达到100兆以上，成为良好的多媒体信息传输媒介。兆以上，成为良好的多媒体信息传输媒介。国内：国内：2003年，四川汇源光通信股份公司开发了年，四川汇源光通信股份公司开发了PMMA阶跃阶跃型塑料光纤，应用于照明装饰、汽车工业、工业控制、型塑料光纤，应用于照明装饰、汽车工业、工业控制、航空航天等领域。目前已达到航空航天等领域。目前已达到138db/km的低损耗的低损耗。2006年，由中科院，深圳大圣光电技术有限公司合作，年，由中科院，深圳大圣光电技术有限公司合作，联合开发出联合开发出PMMA通信用塑料光纤，其衰减系

25、数已达通信用塑料光纤，其衰减系数已达200db/km。2006年底，深圳大圣公司研制出衰减系数达年底，深圳大圣公司研制出衰减系数达153db/km的通信用塑料光纤。的通信用塑料光纤。http:/www.pof- Photonic Crystal Fiber光子晶体光纤又称多孔光纤或微结构光纤光子晶体光纤又称多孔光纤或微结构光纤 。 由在纤芯周围沿着轴向规由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。的约束，实现光的传导。 无截止单模无截止单模 不同寻常的色度色散不同寻常的色度色散 极好的非线性效应双折射效应极

26、好的非线性效应双折射效应 优良的双折射效应优良的双折射效应 奇特特性：奇特特性：http:/ 1991年，年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（出了光子晶体光纤（PCF）的概念。）的概念。 1996 年，英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技年，英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技术大学电磁系首先报道了成功制备出术大学电磁系首先报道了成功制备出PCF。莫斯科大。莫斯科大学学A. M. Zheltikov 等人也进行了包层具有周期分布等人也进行了包层具有周期分布空气导孔的多孔光纤的研制。空气导孔的多孔光纤的研制。 2001年，英国年，英国Bath大学大学Wadsworth等人实现了双包等人实现了双包层光子晶体光纤结构。层光子晶体光纤结构。 2003年年1月，月，Wadswo