光纤光学-绪论

第一章绪论光纤及其发展历史光纤的分类与制备光纤光学的研究内容及研究方法本课程的要求及建议PREFACE(序言）

Whystudythiscourse?为什么学What’sitstudyoninthecourse?

学什么Howtostudythecourse?如何学光纤光学光如何在光波导中传播模式理论损耗和色散耦合模理论光在光波导中有哪些物理效应光纤通信光纤传感如何对光信号进行发送、调制、接收和处理非线性效应光器件光调制信息时代两大技术支撑微电子技术计算机技术光纤通信技术微电子技术计算机技术光纤通信技术信息时代§1-1光纤及其发展历史

光通信与早期光学纤维（1960’S以前）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技术的广阔应用领域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，光通信是人类早期进行远距离通信的主要方式……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。大气激光通信简介光载波的频率高达1014～1015Hz，理论上，仅单一光载波信道的传输速率即可达10Tbit/s(1T=1000G=1012)，是微波系统的数千至上万倍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、传输介质和接收设备在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，根本无法付诸实施光通信的必要性与技术困难介质光波导是一种能够将光波限制在其内部或表面附近，从而引导光波沿确定的路径传播的介质几何结构。

介质光波导Developedin1954byvanHeel,Hopkins&KapanyDevelopedin1954byvanHeel,Hopkins&Kapany

激光器亮度高、谱线窄、方向性好，它的发明和应用，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。

1960年梅曼发明了红宝石激光器红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]但直到60年代中期，最好的光学玻璃的传输损耗仍高达1000dB/km这意味着在1km的光纤上传输1000nm的光信号，当入纤光能为2×1081J时，收端才能收到一个光子。光纤之父1966年，高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文《用于光频的光纤表面波导》,指明通过“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”这一发展方向,奠定了现代光通信——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20dB/km，从而可以用作通信媒质。

1998年，高锟（左）在英国接受IEE授予的奖章

2009年获得诺贝尔物理奖光纤之父OpticalFiberin1970’S1969年，日本NTT，VAD，>100dB/km1970年，美国Corning，OVD，20dB/km，4dB/km1974年，美国AT&T，MCVD，性能更优越1976年，荷兰Philips，PCVD，性能相当1979年，整体水平：0.33dB/km@1.31微米,0.2dB/km@1.55微米光纤损耗谱光纤损耗定义为每单位长度光纤功率衰减分贝数损耗低（0.2dB/km，中继距离50～100km，铜缆为1～5km）传输容量大（单根光纤400nm，50THz，每根光缆可容纳数十～数百芯光纤）重量轻，体积小（27g/kmfiber）石英资源丰富，光纤成本低系统造价与维护成本大幅降低抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，保密性强通信质量高（光纤系统误码率优于10－10）光纤通信的巨大优势光纤通信系统的组成World-wideNetwork第一代:

工作波段为0.8μm，BL约为500Mb/s.km第二代:

工作波段为1.3μm的光波，BL约为85Gb/s.km

第三代:

工作波段为1.55μm的光波，BL约1000Gb/s.km

第四代:

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，BL约为2000Gb/s.km第五代:

以光孤子脉冲为通信载体，采用OTDM和WDM联合复用为通信手段，以超大容量、超高速率为特征的通信方式1Tbit/s的传输能力相当于1秒钟传送：300年泰晤士报；10万路电视；120万路电话；1000万因特网用户大容量光传输系统的发展德国科学家让一根光纤的数据传输速度达到每秒26T，相当于700张DVD

三网合一:高质量生活householdOnlineshoppingNetworkgameOnlinelibraryTele-educationE-commerceE-governmentVideotelephoneHDTVBrowse/downloadVideoconferenceTele-medicine光纤通信发展趋势及关键技术光波分复用技术；相干光纤通信技术；超长波长光纤通信；光孤子通信；全光通信。光存储技术产业光纤传感技术产业激光技术产业光纤通信技术产业发光与显示技术产业武汉-中国光谷光纤技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网

AONDWDMOADMOTDMFTTC,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光纤技术的应用领域寂寞了二十多年的“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。集成光学的概念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，集成晶体管已达到

106个之多Intel研究人员日前研制出世界上最快的硅基光学调制器—多核光互连Intel（50Gbps）的速度移动数据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，极大地提高电脑性能和节约能源光纤激光器激光攻击导弹天文观测基准星点式光纤液位传感器适用于高、低液位报警密封加油控制LEDPIN液体LEDPIN液体本课程学习内容：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理论

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

光纤器件

光纤连接与耦合

光纤应用技术模式理论新应用新型光纤的制作工艺Tomáš

ČižmárandKishan

Dholakia

OpticsExpress,Vol.19,Issue20,pp.18871-18884(2011)

参考书目：李玉权，《光波导理论与技术》，北京：人民邮电出版社，2002.余守宪，《导波光学物理基础》，北京：北方交通大学出版社，2002.Synder，《光波导理论》廖延彪，《光纤光学-原理与应用》，北京：清华大学出版社，2008.教材：刘德明等，《光纤光学》（第二版），北京：科学出版社，2008.先导课程：数学物理方法，电磁场与电磁波，物理光学学习要求：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§1-2光纤制造技术简介

光纤制造工艺概述（化学气相沉积法）（等离子体化学气相沉积法）（管外气相沉积法）（气相轴向沉积法）光缆光缆基本结构光缆基本要素：缆芯、加强元件、护层

光纤的类别多模光纤与单模光纤Multimodefiber:multipleraysfollowdifferentpaths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Singlemodefiber:onlydirectpathpropagatesinfiber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（SIOF）（GIOF）实用光纤主要的三种基本类型

(a)阶跃型光纤；(b)渐变型光纤；

（c）单模光纤

纤芯直径

相对折射率

数值孔径

归一化频率

光纤的基本结构参数光纤的直径包括纤芯直径2a和包层直径2b。一般光纤总粗小于150µm。典型单模光纤芯径约10µm，多模阶跃光纤芯径约62.5µm，多模渐变型光纤芯径约50µm，但它们的包层外径一般均取125µm。对称性波导不对称性导2a

纤芯直径

相对折射率差光纤对光场的约束能力及光纤端面的受光能力当n1与n2相差极小时，Δ也极小，这种光纤称为弱导光纤，对于弱导光纤，其相对折射率可近似表示为：一般n1只略大于n2；单模光纤Δ＝0.3％，多模光纤Δ＝1％。

数值孔径N.A.（NumericalAperture）2a为光纤端面最大接收角的正弦

归一化频率V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；自由空间波长表示在光纤中传播模式多少的参数a和N.A.越小，V越小，在光纤中的传播模式越少。一般地，当V<2.405时，只有基模能传播；而当V>2.405时，为多模传输态。

光纤的基本特性

色散

损耗损耗和色散对光信号的影响光纤损耗的来源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传输速度的现象，是限制单一波长上传输容量的主要因素。光纤色散

光纤色散的来源附录：学好光电，就业广阔光存储返回光谷产业大气和自由空间是天然的光学信道。在无障碍情况下，光信号可以通过大气进行传输，构成所谓空间光通信系统。空间光通信系统所面临的困难：稳定性问题：尘埃、雨雪、大雾可