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基在态室，温而 下是 激激 光发 下态能级E2，的所粒以子
数子很数少反， 转因 比而 三能E3和级E系2间统的容粒易 E1
实现。
n4
(快）
(慢） n3 N2
n1
四能级系统
10
光纤 Optical Fibers
光纤
驱动电路
光源
调制器
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
激光
光导纤维：简称“光纤”，是
发生全反射的条件
① 光从光密介质进入光疏介质； ② 入射角等于或大于临界角．
光纤的结构
• 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
树脂被覆层 包层 芯
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。
光纤之父 高锟
以玻璃制造一条比头发还 要 纤细 的 光 纤， 代 替 体 积 庞 大 的 千 百 万 条 铜 线， 作 为 传 送 容 量 几 近 无 限 的 信 息 传 送 管 道。
60年代，光纤损耗超过1000dB/km
光纤的发展
• 60年代，光纤损耗超过1000dB/km • 1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km
材料的光学性能
Optical Properties of Materials
杜宇雷 材料科学与工程学院
二能级系统不能充当激光工作物质,因 为其不能实现粒子反转。
1、 自发辐射
处于高能级态的粒子自 发跃迁到低能级态，并 同时向外辐射出一个光 子（自发辐射只与原子 本身性质有关，与辐射 场的 (） 无关） 。
N2 > N1
热平衡时，不 同能级的原子 数服从玻尔兹 曼分布
En
N n e kT
N e 2
E2 E1 kT
N1
<1
热平衡不会产生激光！
7
二能级系统不能充当激光工作物质,因
为其不能实现粒子反转。
如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效 的激励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到 上能级E2。设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别 为n1和n2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分 别为A21、W12和W21。因为W12=W21=W。E2能级上粒子数n2 的速率方程为
一种能利用光的全反射作用来传导 光线的透明度极高的玻璃纤维。
光纤概念的提出
Kao, K.C. and Hockham, G.A., “Dielectric-fibre Surface Waveguides for Optical Frequencies （《光频率的介质纤维表面波导》）
", Proc. I.E.E. Vol. 113, No. 7, July 1966, pp. 1151-1158.
• 缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦 合，需要使用半导体激光器激励。
按光纤截面上折射率分布分类
按照截面上折射率分布的不同可以将光 纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF) 和渐变型光纤(Graded-Index Fiber，GIF)， 其折射率分布如图所示。
根据芯区折射率径向分布的不同，可分为： 不同的折射率分布，传输特性完全不同
E2 N2
h
E1 N1
(） 为辐射场能量密度
自发跃迁概率：A21
dn21 dt
sp
1 n2
单位时间、单位体积内，E2 上粒 子的减少为：
dn2 dt
dn21 dt
sp
A21 n2
A21 为自发辐射跃迁的 爱因斯坦系数，表示单位 时间内从高能态E2到低能 态E1发生自发辐射跃迁的 几率。只与物质自身的性 质有关。
多模光纤直径为几十至上 百微米，与光波长相比大得多， 因此，许多模式的光波进入光 纤后都能满足全反射条件，在 光纤中得到正常的传输。在光 纤的输出端可以看到光强度分 布的不同花样，即在输出端出 现多个亮斑，一个亮斑代表多 模光纤所传输的一种模式的光 波。
单模光纤的直径只有3~10μm，同光波的波长接近。 在这样细的光纤中，只有沿着光纤轴线方向传播的一 种模式的光波满足全反射条件，在光纤中得到正常的 传输。其余模式的光波由于不满足全反射条件，在光 纤中传送一段距离后很快就被淘汰。
弯曲的玻璃棒能传光
1870年，英国物理学 家丁达尔在皇家学会的演 讲厅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，放出的水 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。
全反射 不同介质的折射率不同，我们把折射率 较小的介质称为光疏介质，折射率较大的介质称为 光密介质．光疏介质和光密介质是相对的．
阶跃光纤
High-order Mode (Longer path)
所有大于临
界角 的光线 Axial Mode (shortest path)
C
core
都被限制在纤
cladding Low-order Mode (shorter path)
芯内。
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的 途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速 度传播，但到达光纤输出端的时间却不同， 出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。
光纤的类型
光纤的分类方法很多，既可以按照光纤 截面折射率分布来分类，又可以按照光 纤中传输模式数的多少、光纤使用的材 料或传输的工作波长来分类。
按传输模式的数量分类
按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分 为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模 光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
介质
θ1 N' A
N
θ2
B
O
空气
介质
θ1 A
N'
折射角θ2 为90°时，会发生什么情况？
光由光密介质射入光疏介质时，同时发生反射和 折射，折射角大于入射角，随着入射角的增大，反 射光线越来越强，折射光线越来越弱，当折射角增 大到90°时，折射光线完全消失，只剩下反射光线， 这种现象叫做全反射．
N
N
Multimode Step-Index
光线以折线形状传输，脉冲信号畸变大，用于 近距离传输
Multimode Graded-Index
光线以曲线形状传输，脉冲信号畸变相对较小， 比阶跃型传输距离更大，传输距离更长
Single Mode
光线以直线传输，脉冲信号畸变小，用于长距 离高速传输，当前光纤发展的主流
(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。
采用光纤通信与传统的铜芯 电缆通信相比有何优势？
1、信息量大：每根光纤理论上可同时通 过10亿路电话。
2、质量小：每公里27g，不怕腐蚀。 3、性能好：抗电磁干扰、保密性强。 4、成本低：每公里1万元左右。
受激吸收
处于低能级态的原子在 一定条件下的辐射场作 用下，吸收一个光子， 跃迁到高能级态。
受激吸收概率：
W12
1 n1
dn12 dt
st
W12 B12 (）
n1 为E1能级上的原子数密度, (）为辐射场能量密度
B12 为爱因斯坦吸收系数, 只与粒子本身的性质有关。
W12 表示单位时间内从低能态E1到高能态E2发生受激吸收 跃迁的几率。
受激辐射
处于高能级态的原子 在一定条件下的辐射 场作用下，跃迁到低 能级态，并同时辐射 出一个与入射光子完 全一样的光子。
受激辐射的概率：
W21
1 n2
dn21 dt
st
W21 B21 ( )
B21 称为爱因斯坦受激发射系数。
W21
表示单位时间内从高能态E2到低能态E1发生受激辐射 跃迁的几率。
• 多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模 式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许 存在多个分离的传导模。
• 优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED 作为光源
• 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输
• 单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光 纤。
• 优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存 在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的 带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。
W12 B12 (）
W21 B21 ( )
A21
dn21 dt
sp
1 n2
受激辐射与受激跃迁几率相等。
w21= w12
从低能级到高能级的自发跃迁几 率为零。
自发跃迁几率与外辐射场无关。 受激跃迁几率与外辐射场成正比。
受激辐射与吸收同时存在，要产生激光必须N2w21 > N1w12 由于w21= w12 即需要
dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2,
当达到稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21) ，可见， 不管激励手段如何强，（A21+W）总是大于W，所以n2 ＜n1。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现 粒子数反转。
激光物质是三能级结构。
如果激励过程使原子从基态
E1以很大概率W抽运到E3能级， 处于E3的原子可以跃迁回到 E2或E1。假定从E3回到E2的概 率A32大大超过从E3回到E1的 概率A31，也超过从E2回到E1 的概率A21，则利用泵浦抽运 可使E2和E1之间形成粒子数 反转。
光纤的结构
包层 芯
树脂被覆层
光纤本身由纤芯和包层构成，纤芯是由高透明固体材料 (如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、塑料等)制成，纤芯的外 面是包层，用折射率较低(相对于纤芯材料而言)的有损耗 (每公里几百分贝)的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。这 样就构成了能导光的玻璃纤维—光纤，光纤的导光能力取 决于纤芯和包层的性质。
多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模 式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输， 除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输 的光波长有关。
高次模
基模
低次模
传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一。若 一种光纤只允许传输一个模式的光波，则称它为单模 光纤。如果一种光纤允许同时传输多个模式的光波， 这种光纤为多模光纤。光学上把具有一定频率，一定 的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式， 或称光的一种波型。
光纤的结构——三层芯线结构
上述光纤是很脆的，还不能付 诸实际应用。要使它具有实用性， 还必须使它具有一定的强度和柔性， 采用三层芯线结构。
在光纤的外面是一次被覆层，主要目的是防止玻璃光纤的玻 璃表面受损伤，井保持光纤的强度。因此，在选用材料和制造技 术上，必须防止光纤产生微弯或受损伤。通常采用连续挤压法把 热可塑硅树脂被覆在光纤外而制成，此层的厚度约100~150μm ，在一次被覆层之外是缓冲层，外径为400μm，目的在于防止 光纤因一次被覆层不均匀或受侧压力作用而产生微弯，带来额外 损耗。因此，必须用缓冲效果良好的低杨氏系数材料作缓冲层， 为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层。 二次被覆层材料的杨氏系数应比一次被覆层的大，而且要求具有 小的温度系数，常采用尼龙，这一层外径常为0.9mm。
B
θ2
O
空气
介质
C
θ3 θ1 N'
A
O
空气
介质
θ3
θ1
A C
N'
折射角θ2 为90°时，发生全反射现象．
在研究全反射现象中，刚好发生全反射的， 即折射角等于90°时的入射角是一个很重要的物理
量，叫做临界角．临界角用C 表示
N
θ1 ≥ 临界角
O 光疏介质 光密介质
θ3 θ1
C
N'
A
ห้องสมุดไป่ตู้发生全反射现象
当光线从光密介质射入 光疏介质时，如果入射角等 于或大于临界角，就发生全 反射现象．
N A
θ2 ＞ θ3
N
A
θ1 O
空气 介质 1
n１ ＜ n2
θ1 O
空气 介质2
θ2
θ3
B N'
B N'
介质1相对介质2是光疏介质
介质1与介质2相对空气都是光密介质
既然光由光密介质射入光疏介质时，折射角大 于入射角，由此可以预料，当入射角增大到一定程 度时，折射角就会增大到90°．
N B
θ2
O
空气
E3
n3
E2
n2
E1
n1
三能级系统
9
激光物质是四能级结构。
子速态较会E反在3和大转，短很转外E量移寿，快。界2之地 到 命 回因由激间跃 较 到E而于励3可。迁 长 基到激下能E到 。 态达光，3实能下EEEE基4221现级， 能 上 。能态粒为然级的所级E1子亚后寿粒以的不数稳迅命子在粒是
E4 E3 E2
模间色散
阶跃光纤
-孔径数(NA)
代表光纤接收光的本领
（示意图）
c i
n1 n0 n2
n0 sini n1 cosc n1 sinc n2 sin 900 n2 cosc