非线性光纤光学第一章-绪论PPT课件
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单模光纤和多模光纤
2021
11
2021
12
光纤的类型（3）—按制做光纤的材料分类：
✓ 石英系光纤
光这纤种的光损纤耗的低纤，芯强和度包和层可是靠由性高较纯高度，的目S前iO应2掺用有最适广当泛的。杂质制成，这种
✓ 石英芯、塑料包层光纤
将高纯度的石英玻璃作纤芯，而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作 为包层的阶跃型光纤。其特点是：易于和发光二极管（LED）光源结合， 损耗也较小，非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。
1300、1550nm 多模LD
单模LD
1970 康宁制出低损耗光纤 (20dB/km)
1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km) 低损耗窗口光纤开发
单模光纤
2021
6
EDFA
光纤通信最具代表性技术：
掺铒光纤放大EDFA和波分复用WDM
2021
7
光纤通信的发展现状和趋势
单路速率不断提升，
2Fra Baidu bibliotek21
14
折射率引导型光 子晶体光纤（图 中A、C、D）和 光子带隙引导型 光纤（图中的E、 G、I）。
不同结构的光子晶体光纤
2021
15
光纤的类型（4）—按表面涂层结构分类有：
紧套光纤：光纤不能在塑套管内活动 松套光纤：光纤能在塑套管内活动
2021
16
光纤的类型（5）—按工作波长分类有：
✓ 短波长光纤： 早期使用的光纤波长都在0.6～0.9μm范围内(典型值 为0.85μm)，把在此波长范围内工作的光纤称为短 波长光纤。 ✓ 长波长光纤： 把波长在1.3lμm和1.55μm区域内工作的光纤称为长 波长光纤。
第一章 绪论
1. 光纤与光纤通信 2. 光纤概述 3. 光纤的损耗特性 4. 光纤的色散特性 5. 光纤非线性效应
2021
1
1. 光纤与光纤通信
光纤的发展历史
(a) 全内反射
1841 瑞士 丹尼尔·科拉登
光源
光束被限制在喷射
的水流中传播
2021
2
(b) 玻 璃 光 导 ： 20 世 纪 20 年 代 ， 美 国 电 子 工 程 师 Clarence W. Hansell首先申请了利用玻璃光纤（实际 上就是非常纤细的小棒）传输图像的专利。德国医生 Heinrich Lamm在1930年首先制作了图像传输光纤束。
(c) 意识到全内反射的重要性：Moller Hansen用人造黄 油覆盖在玻璃外以产生全内反射，但结果不实用。
(d) “包层”(cladding)概念的提出: 1951年，美国光物 理学家 Brian O’ Brien和Van Heel分别独自提出了 “包层”概念。Van Heel使用蜂蜡和塑料，比黄油实用。 1956年底，密歇根大学的一个本科生Larry Curtiss制 作了第一个包裹良好的玻璃包层光纤，用低折射率的玻璃 管熔化到高折射率的玻璃棒上202。1 随后发展成塑料包层。 3
已达到10、20、40Gb/s 采用OTDM技术甚至 可达1.28Tb/s
光纤通信
一根光纤中可同时传输一百 多路信号，采用特殊技术 甚至可以同时传输1022路；
采用DWDM技术实现了 数十Tb/s的传输容量
超高速
大容量
网络化 长距离
各种通信技术的快速 发展使上千甚至上万公 里的长距离传输成为可能
全光网成为目前光通信 领域最热门的话题之一
光纤和通信
➢ 古希腊人用烽火来传播特洛伊战争的消息—最早的光通信
➢ 1953 年 ， 在 伦 敦 皇 家 科 学 技 术 学 院 工 作 的 Narinder Kapany开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的包层纤维， 这也就诞生了今天所用光纤的结构，“光纤”这个词就是 Kapany给出的。
➢ 1960年 Mainman 制作出第一台激光器才引发人们对光 通信的关注。但是最初光纤的损耗很大，只传输3m就可 以损失掉一半的能量，传输20m就只剩下1％。用在胃部 检查还可以,用于光通信不可能。
2021
8
2. 光纤概述
结构及其分类
✓ 光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。 ✓ 光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层。
包层 纤芯
涂覆层
光纤的基本结构
✓ 特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并
在光纤中传递下去。
2021
9
光纤的类型（1）
根据纤芯折射率径向分布的不同，可分为：
阶跃型（均匀）光纤和渐变型（梯度）光纤
阶跃光纤(a)与渐变光纤(b)的横截面和折射率分布
2021
10
光纤的类型（2）
✓ 光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传播的模的 数量不同
✓ 多模光纤 2a=50 m
✓ 单模光纤 2a=4~10 m
2021
13
✓ 光子晶体光纤——PCF 折射率导引光纤 （TIR-PCF〕
光子带隙导引光纤 （ PBG-PCF〕
晶格：三角空气柱包层＋Silica柱芯 原理：低等效包层折射率－全内反射 特性：次高阶模截止带宽内单模传输
晶格：六角空气柱包层＋空气柱芯
原理：光子带隙限制局域单模传输
特性：带隙窗口(数m)内单模传输
✓ 塑料光纤
纤芯和包层都用塑料（聚合物）做成，纤芯直径为1000μm，比单模石 英光纤大100倍，接续简单，易于弯曲，施工容易。
✓ 多组分玻璃光纤
多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的SiO2为主，还包含有碱金属、 碱土金属、铝、硼的氧化物的总称。其特点是：折射率一般比石英玻璃 高，n=1.49~1.54，可以用来制作大数值孔径（NA＝0.2~0.6）的光 纤。熔融温度比石英系玻璃低一些，在1400摄氏度以下；抗压抗拉强 度低于石英玻璃。
2021
5
光纤通信的历史
•雏形：古代烽火、手旗、灯光 1880年 贝尔的光电话
激光器(发送源）
光纤(传输介质)
1960 Maiman发明红宝石激光器 1951 医用玻璃纤维(损耗1000dB/km) 1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm) 1966 高锟 理论预言
70 年代室温工作LD (GaAsAI 850nm)
2021
4
➢ 20世纪60年代，光纤损耗超过1000dB/km；1966年， 高锟预言高纯度的光纤可以传输光500m还剩余10％的能 量，当时听起来是神话。
➢ 1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km (1m附 近波长区)
➢ 1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在1.55 m处) －低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了 光纤通信的时代。
单模光纤和多模光纤
2021
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光纤的类型（3）—按制做光纤的材料分类：
✓ 石英系光纤
光这纤种的光损纤耗的低纤，芯强和度包和层可是靠由性高较纯高度，的目S前iO应2掺用有最适广当泛的。杂质制成，这种
✓ 石英芯、塑料包层光纤
将高纯度的石英玻璃作纤芯，而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作 为包层的阶跃型光纤。其特点是：易于和发光二极管（LED）光源结合， 损耗也较小，非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。
1300、1550nm 多模LD
单模LD
1970 康宁制出低损耗光纤 (20dB/km)
1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km) 低损耗窗口光纤开发
单模光纤
2021
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EDFA
光纤通信最具代表性技术：
掺铒光纤放大EDFA和波分复用WDM
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光纤通信的发展现状和趋势
单路速率不断提升，
2Fra Baidu bibliotek21
14
折射率引导型光 子晶体光纤（图 中A、C、D）和 光子带隙引导型 光纤（图中的E、 G、I）。
不同结构的光子晶体光纤
2021
15
光纤的类型（4）—按表面涂层结构分类有：
紧套光纤：光纤不能在塑套管内活动 松套光纤：光纤能在塑套管内活动
2021
16
光纤的类型（5）—按工作波长分类有：
✓ 短波长光纤： 早期使用的光纤波长都在0.6～0.9μm范围内(典型值 为0.85μm)，把在此波长范围内工作的光纤称为短 波长光纤。 ✓ 长波长光纤： 把波长在1.3lμm和1.55μm区域内工作的光纤称为长 波长光纤。
第一章 绪论
1. 光纤与光纤通信 2. 光纤概述 3. 光纤的损耗特性 4. 光纤的色散特性 5. 光纤非线性效应
2021
1
1. 光纤与光纤通信
光纤的发展历史
(a) 全内反射
1841 瑞士 丹尼尔·科拉登
光源
光束被限制在喷射
的水流中传播
2021
2
(b) 玻 璃 光 导 ： 20 世 纪 20 年 代 ， 美 国 电 子 工 程 师 Clarence W. Hansell首先申请了利用玻璃光纤（实际 上就是非常纤细的小棒）传输图像的专利。德国医生 Heinrich Lamm在1930年首先制作了图像传输光纤束。
(c) 意识到全内反射的重要性：Moller Hansen用人造黄 油覆盖在玻璃外以产生全内反射，但结果不实用。
(d) “包层”(cladding)概念的提出: 1951年，美国光物 理学家 Brian O’ Brien和Van Heel分别独自提出了 “包层”概念。Van Heel使用蜂蜡和塑料，比黄油实用。 1956年底，密歇根大学的一个本科生Larry Curtiss制 作了第一个包裹良好的玻璃包层光纤，用低折射率的玻璃 管熔化到高折射率的玻璃棒上202。1 随后发展成塑料包层。 3
已达到10、20、40Gb/s 采用OTDM技术甚至 可达1.28Tb/s
光纤通信
一根光纤中可同时传输一百 多路信号，采用特殊技术 甚至可以同时传输1022路；
采用DWDM技术实现了 数十Tb/s的传输容量
超高速
大容量
网络化 长距离
各种通信技术的快速 发展使上千甚至上万公 里的长距离传输成为可能
全光网成为目前光通信 领域最热门的话题之一
光纤和通信
➢ 古希腊人用烽火来传播特洛伊战争的消息—最早的光通信
➢ 1953 年 ， 在 伦 敦 皇 家 科 学 技 术 学 院 工 作 的 Narinder Kapany开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的包层纤维， 这也就诞生了今天所用光纤的结构，“光纤”这个词就是 Kapany给出的。
➢ 1960年 Mainman 制作出第一台激光器才引发人们对光 通信的关注。但是最初光纤的损耗很大，只传输3m就可 以损失掉一半的能量，传输20m就只剩下1％。用在胃部 检查还可以,用于光通信不可能。
2021
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2. 光纤概述
结构及其分类
✓ 光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。 ✓ 光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层。
包层 纤芯
涂覆层
光纤的基本结构
✓ 特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并
在光纤中传递下去。
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光纤的类型（1）
根据纤芯折射率径向分布的不同，可分为：
阶跃型（均匀）光纤和渐变型（梯度）光纤
阶跃光纤(a)与渐变光纤(b)的横截面和折射率分布
2021
10
光纤的类型（2）
✓ 光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传播的模的 数量不同
✓ 多模光纤 2a=50 m
✓ 单模光纤 2a=4~10 m
2021
13
✓ 光子晶体光纤——PCF 折射率导引光纤 （TIR-PCF〕
光子带隙导引光纤 （ PBG-PCF〕
晶格：三角空气柱包层＋Silica柱芯 原理：低等效包层折射率－全内反射 特性：次高阶模截止带宽内单模传输
晶格：六角空气柱包层＋空气柱芯
原理：光子带隙限制局域单模传输
特性：带隙窗口(数m)内单模传输
✓ 塑料光纤
纤芯和包层都用塑料（聚合物）做成，纤芯直径为1000μm，比单模石 英光纤大100倍，接续简单，易于弯曲，施工容易。
✓ 多组分玻璃光纤
多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的SiO2为主，还包含有碱金属、 碱土金属、铝、硼的氧化物的总称。其特点是：折射率一般比石英玻璃 高，n=1.49~1.54，可以用来制作大数值孔径（NA＝0.2~0.6）的光 纤。熔融温度比石英系玻璃低一些，在1400摄氏度以下；抗压抗拉强 度低于石英玻璃。
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光纤通信的历史
•雏形：古代烽火、手旗、灯光 1880年 贝尔的光电话
激光器(发送源）
光纤(传输介质)
1960 Maiman发明红宝石激光器 1951 医用玻璃纤维(损耗1000dB/km) 1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm) 1966 高锟 理论预言
70 年代室温工作LD (GaAsAI 850nm)
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➢ 20世纪60年代，光纤损耗超过1000dB/km；1966年， 高锟预言高纯度的光纤可以传输光500m还剩余10％的能 量，当时听起来是神话。
➢ 1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km (1m附 近波长区)
➢ 1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在1.55 m处) －低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了 光纤通信的时代。