光纤光学

教材：[1]饶云江.光纤技术.科学出版社，2006.参考文献：[1]廖延彪.光纤光学.清华大学出版社，2001.[2]刘德明，向清，黄德修.光纤光学.国防工业出版社，2000.[3]JeffHecht著，贾东方译.光纤光学.人民邮电出版社，2004.Content：ch1绪论ch2光纤拉制与成缆ch3光纤传输理论ch4新型光纤和光纤的基本特性ch5光无源器件ch7、ch8光纤的应用时间的逻辑——光纤发展的历史链条；认识的逻辑——理论发展的逻辑轨迹；学习的逻辑——在学习已有知识的过程中，学会如何在遇到问题时，进行分析与解决。按照“学习的逻辑”，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。学习方法：Ch1绪论1.1光纤的发展历程1.2光纤技术基础1.3光纤与通信网络1.4光纤与传感技术1.5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。1.1光纤的发展历程1）远古时期，可见光的视觉通信。2）1870年，英国的廷达尔（Tyndall）演示了光在一束细水流中进行全内反射传输的现象。使用全内反射来解决光可以保持在一个弯曲的介质内部传输的问题。3）1910年，Deby和Hondros用波动理论对电介质中的光路理论进行了分析；4)1927年，Baird、Hansell等人提出了用电介质光纤传递光学图象的设想；5)1929-1930年：美国的哈纳尔（Hanael）和德国的拉姆（Lamm）先后拉制出石英光纤，并用于光线和图象的短距离传输；6）1951年，光导纤维镜(Fiberscope)，并用于医用图像传输。7）1953年，英国的纳林德尔·卡帕尼（NarinderKapany）发明芯包双层结构的光导纤维（光纤）。8）20世纪60年代，无线激光通信。9）20世纪60年代后期和70年代早期，钢制波导管光通信。10）1966年，高锟博士（“光纤之父”）发表著名论文“用于光频率的绝缘纤维表面波导管”。首次明确提出，通过改进制备工艺，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20dB/km的光纤，从而使光纤可用于通信之中。11）1970年，美国的CoringGlassCorporation采用化学气相沉积法CVD工艺制出世界上第一根通信用光纤。12）1978年，加拿大的K.Hill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。13）20世纪80年代末期，波长为1.55μm的EDFA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窗口。成为光纤通信发展史上另一个重要的里程碑。14）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、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大致了解光纤的基本结构；熟悉常见光纤的材料；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型的特殊光纤。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。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——包层结构和构成光纤的材料成分。序1TheStructureofOpticalFiber光纤是由纤芯、包层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。纤芯的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯内传输。包层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。（由纤芯和包层组成的光纤常称为裸纤，若直接使用，由于裸露在环境中,容易受到外界温度、压力、水气的侵蚀等，因而实际中应用的光纤都在裸光纤的外面增加了）涂敷层,用来缓冲外界的压力,增加光纤的抗拉、抗压强度，并改善光纤的温度特性和防潮性能等。导波光：受到约束的光波光波导：约束光波传输的媒介介质光波导三要素：–“芯/包”结构–凸形折射率分布，n1n2–低传输损耗光波导的基本概念2TheMaterialofOpticalFiber石英系光纤：通常有极小的掺杂，最常用的光纤。全塑光纤：成本低，数值孔径大，但传输损耗大。外塑内石英光纤：应用于常要求较大弯曲的通信场合。氟化物光纤（红外光纤）：传输远红外光损耗小。液芯光纤：纤芯为液体，满足特定要求。3TheFeatureofOpticalFiber几何特性+光学特性+传输特性+机械特性几何特性：纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；光学特性：折射率分布、NA、MFD和截止波长；传输特性：损耗（衰减）、带宽和色散；机械特性：抗拉、抗弯、抗扭曲、抗磨损性能。4TheApplicationsofOpticalFiber图象光纤（光纤像束）：由数万根长度一定、直径为10微米左右的光学纤维，两端按照一一对应的关系紧密排列集结为一体的能够直接接收和传递图像的光学纤维成像器件。纤芯较粗、包层较薄，可使光纤传光效率提高；同时减小每根光纤的尺寸，通过增加光纤束的数量来提高图象传输的分辨率。照明光纤：芯径大，包层薄，提高收集光功能效率高和使用寿命（传输大功率光能量）。通信光纤：小纤芯，厚包层，易于实现光信号的单模长距离传输。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广阔应用领域1.3光纤与通信网络1、1880年，美国人贝尔（BELL）发明了光电话系统。光话机原理图弧光灯ABMNL送话器2、1960年，美国人梅曼（MAIMAN）发明第一台红宝石激光器。3、1966年，英国华裔科学家高锟（C.K.Kao）提出介质新概念的理论，奠定现代光纤通信的理论基础，被称为光纤通信之父。4、1970年，美国康宁玻璃公司首先研制出损耗为20db/km光纤。1974年——1.1dB1973年——2.5dB1984年——0.157dB1972年——4dB1978年——0.2dB1986年——0.154dB5、1970年，日本研制出室温下连续工作的激光器。1973年——7000小时1977年——10万小时6、1976年，美国在ATLANTA进行世界第一个光纤通信的实验，速率44.7Mb/s，距离10km。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6500公里（TAT-8项目）。到1996年，采用WDM技术扩容。（TAT-12&TAT-13项目）3）1989年，美国与日本间的第一条太平洋光缆线路开通4）至1996年，共建成7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2.8万km。5）1993年10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4700公里。随后又与亚太9个国家或地区联合建成亚太海底光缆网，总长1100公里。全球海底光缆网络我国陆地光缆网络二、光纤到户1）“最后一公里”成为现代电信网络的瓶颈。2）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（APON、EPON、GPON）3）2004年4月，武汉电信与烽火公司开通“光纤到户·数字家庭”应用试点项目，标志我国FTTH网络建设的起步。4）2005年8月，美国大范围部署光纤到户。1.4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。广泛应用石油化工、矿井、等易燃易爆场合。2）灵敏度高。广泛应用光纤化学传感器和光纤生物传感器。3）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。4）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。光纤传感器所具有的独特优势：1.5光纤技术的发展1、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。3、了解光纤传感技术的发展趋势。1、光纤的发展多模光纤单模光纤保偏光纤掺杂光纤塑料光纤光子晶体光纤一、聚合物/塑料光纤POF塑料光纤与石英光纤：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。塑料光纤与同缆电缆：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；广泛用于汽车总线布线、家庭网络、工业自动化、短距离光纤通信、传感器等领域。国外：20世纪70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PMMA（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200db/km；而进入90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60db/km；2000年，日本开发出的GIPOF光纤，其衰减系数已降至41db/km，而且它的带宽（另一个重要的参数）也达到100兆以上，成为良好的多媒体信息传输媒介。国内：2003年，四川汇源光通信股份公司开发了PMMA阶跃型塑料光纤，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138db/km的低损耗。2006年，由中科院，深圳大圣光电技术有限公司合作，联合开发出PMMA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153db/km的通信用塑料光纤。二、光子晶体光纤PhotonicCrystalFiber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则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。无截止单模不同寻常的色度色散极好的非线性效应双折射效应优良的双折射效应奇特特性：光子晶体光纤的发展1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。1996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PCF。莫斯科大学A.M.Zheltikov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。2001年，英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。2003年1月，Wadsworth等人报导了高功率PCF激光器，实现单横模运转。2004年，清华大学理论上计算了PCF的色散值，用于色散补偿，可缩短了色散补偿光纤的长度。三、其他通信光纤宽带光传输非零色散位移光纤色散补偿光纤DCF无水峰纯硅芯非零色散位移光纤宽工作波长多模光纤掺稀土光纤2、光纤通信技术的发展光网络容量的迅速增加；各种数据业务的迅速增加；全光网络的发展。3、光纤传感技术的发展深入研究传感原理与技术，解决实用化问题，发展新原理的光纤传感器；开展多参数传感及分布式传感网络系统的研究；研究功能完善、可靠性及稳定性高的基础元器件。