张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章
光纤通信原理及基础知识
t D • Δ PMD= pmd * LΛ0.5
•
PMD Link
y=
1
n
n k 1
x
2 k
1 2
• PMDQ :99.99% probability of 100000 y
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散受限的最大理 论传输距离
偏振模色散受限的最大理论传输距离
光纤的通信原理及基础知识
第一章 光纤通信的基本原理 第二章 光纤的基本结构和分类 第三章 光纤的基本参数 第四章 光纤的制造方法
第一章 光纤、光缆的基本知识
§1.1 光纤通信的基本原理
信号 处理
发送端
光波导
信号 处理
接收端
光纤通信的基本原理
频谱分配
电磁波谱
低频
高频
微波
直流电
LW MW KW UKW dm cm
微观弯曲损耗：是指光纤受到不均匀应力的作
用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。
光纤的基本参数
参数典型值 光纤的光学及传输特性参数之一------
• 模场直径： • 衰减系数：
• 色散系数：
• 偏振模色散：
• 截止波长： • 弯曲损耗：
•1310nm: 8-10m; 1550nm: 9-11m
包层(SiO2+F )掺氟二氧化硅
125 µm
标准单模光纤
标准梯度折射率分布多模光纤
涂层(acrylic) 250 µm
涂层 250 µm
涂层
力学影响的防护
塑料光纤
涂层 1000 µm
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按材料分类：
光纤光学课件第一章
幻灯片 1
光纤光学 第一章
光纤传输的基本理论
W-C Chen
幻灯片 2 §1. 前言
Foshan Univ.
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。光纤在工程上的 使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
NA ni sinim n12 n22 n1 2
*相对折射率差:
(n12 n22 ) / 2n12
约束光： z zc
*折射光: z zc
幻灯片 14 *渐变折射率分布：
子午光线：渐变折射率分布
n(r) n1 1 2(r / a)2 1/2 n2
0ra ra
*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。 轨迹曲线在光纤端面投影线仍 是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。
波动理论的数学基础——麦克斯韦方程：
H D/ t J
E B / t
D
B 0
幻灯片 20 从麦克斯韦方程组出发导出一般波导介质中电场的波动方程
2E
(E
)
E
2E t 2
J t
由
E
B
E
t
B
( H )
t
t
根据恒等式关系，有
10
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 26
模式的基本性质
当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须求解波导场方程。其方法是首先求出
纵向场分量 Ez 和 Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。求出 Ez 和 Hz，再通过
麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。
光纤技术与应用(第1章)
第一章 绪论
2010-03-12
安徽大学物理与材料科学学院
29
《光纤技术与应用》
第一章 绪论
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包层 n2
纤芯 n1
n1>n2
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《光纤技术与应用》
第一章 绪论
光纤结构
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的
第一章 绪论
光纤的发展史与里程碑
1870年,英国皇家学会的John Tyndall演示了光在一束 细水流中进行全内反射传输的现象。
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《光纤技术与应用》
第一章 绪论
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
1927年，Baird、Hansell等人提出了用电介质光纤传 递光学图象的设想
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《光纤技术与应用》
第一章 绪论
令边候举放烽炮，若见敌一、二人至百余人举放一 烽一炮，烽二炮，千人以上三烽三炮，五千以上四 烽四炮，万人以上五烽五炮。”而在有的防区还有 自订的传报宣府镇上西路各台夜则悬灯。悬灯的长 竿分为三等，竿上悬灯均染成红色，以数量不等作 为军情缓急、的区分。 “合设烟墩，并看守堠夫，务必时加提调整点，须要 广积秆草，昼望，遇有警急，昼则举烟，夜则举 火，接递通报，毋致损坏，有误军情声息”；
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《光纤技术与应用》
光通信的发展
第一章 绪论
原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲 人用旗语传送信息。 缺点：信息量小，受环境影响大
任意折射率剖面光纤LP11模归一化截止频率的计算
4 附录：MATLAB 程序及计算步骤
程序： % LP11：任意折射率剖面光纤 LP 模截止频率计算 clear all g=1; %设置折射率参数
m=5*(g+2);%设置 C(k)的计算项数 a=zeros(1,m); a(g)=1; %=============计算系数 b================= b=zeros(1,m+2); b=sym(b); syms V; b(g+2)=a(g)*(V^2); %=============系数 b 计算完毕============
g = ∞ 时即阶跃型光纤，阶跃型光纤的计算有其成熟的方法，本文不详细讨 论。 Nhomakorabea4
3 参考文献
[1] 曾维友. 基于磁光薄膜波导的集成光隔离器的研究[硕士论文].电子科技大学, 2007 [2] 吴重庆.光波导理论（第 2 版）. 北京:清华大学出版社, 2005 [3] 张伟刚.光纤光学原理及应用. 天津:南开大学出版社, 2008 [4] 求是科技.MATLAB7.0 从入门到精通. 北京:人民邮电出版社, 2006
以 y 为求解方向的场为例， （1） （2）带入（3） ，整理得到： 1 ' 2 2 r m2 '' Ey + ⋅ Ey + (k 0 n1 − β 2 ) − 2∆ ⋅ k 02 n12 f ( ) − 2 E y = 0 r a r 令 y ( ρ ) = E y (r a ) ，带入（4）得： （4）
%=============计算系数 C================= C=zeros(1,m+2); C=sym(C); C(0+1)='1'; C(1+1)='0'; syms bC; bC=sym(0);
光纤技术及应用复习题1-5
《光纤技术及应用》复习题第一章1、写出电场强度和磁场强度在两种介质界面所满足的边界条件方程。
（并会证明）2、TE波、TM波分别指的是什么？3、平面光波发生全反射的条件。
当入射角大于临界角时，入射光能量将全部反射4、古斯-哈恩斯位移指的是什么？其物理本质是什么？证明实际光的反射点离入射点有一段距离，称为古斯-哈恩斯位移。
（相隔约半个波长）实质：光的传播不能简单视为平面光波的行为，必须考虑光是以光束的形式传播，即时空间里的一条极细的光束也是由若干更加细的光线组成的5、写出光线方程，并证明在各向同性介质中光为直线传播。
对于均匀波导，n为常数，光线以直线形式传播第二章1、平板波导的结构，分类。
结构：一般由三层构成：折射率n1中间波导芯层，折射率n2下层介质为衬底，折射率n3上层为覆盖层；n1>n2 , n1>n3。
且一般情况下有 n1>n2> n32、均匀平面光波在平板波导中存在的模式有：导模、衬底辐射模、波导辐射模（各有什么特点）。
（入射角与临界角之间的关系以及各种模式相对应的传播常数所满足的条件）P12。
P17-18图满足全反射的光线并不是都能形成导模，还必须满足一定的相位条件。
P13（导模的传输条件）3、在平板波导中TE0模为基模，因为TE模的截止波长是所有导模中最长的。
P144、非均匀平面光波在平板波导中的模式有：泄露模、消失模5、平板波导中的简正模式具有：稳定性、有序性、叠加性、和正交性。
6、模式的完备性指的是?P24在平板波导中，导模和辐射模构成了一个正交、完备的简正模系，平板波导中的任意光场分布都可以看成这组正交模的线性组合。
7、波导间的模式耦合指的是？P31当两个波导相距很远时，各自均以其模式独立地传播，无相互影响；当两个波导相距很近时，由于包层中场尾部的重叠，将会发生两个波导间的能量交换，称之为波导间的模式耦合。
作业题：2-7、2-8第三章1、什么是光纤？光纤的结构，分类，并画出相应的折射率分布。
光纤光学-第2章-光纤光学原理及应用(第二版)-张伟刚-清华大学出版社
光纤光学》《光纤光学第二章光纤光学的基本理论南开大学张伟刚教授第2 章光纤光学的基本理论2.1 引论2.2 光纤的光线理论222.3光纤的波动理论2.1引论2.1.1光线理论可以采用几何光学方法分析光线的入1.优点：的多模光纤时2.不足：2.1.2波动理论2.不足：2.1.3分析思路麦克斯韦方程光线理论波动理论2.2光纤的光线理论 2.2.1程函方程问题2.1：(r , t )z y x e z e y ex r ˆˆˆ++=G ),(t r E G G ),(t r H G G G G G G G G )0,0(0===t r E E )0,0(0===t r H H )(r G φφ=(2.1) 00ik i t E E e ϕω−+=G G (2.2)00ik i t H H e ϕω−+=G G 000)()()(000E e e E e E E ik ik ik G G G G ×∇+×∇=×∇=×∇−−−φφφik ik −−G G []φφφ00000)()(e E ik e E ×∇−×∇=φ0ik e E ik E −×∇−×∇=G G (2.3)[]φ000)((2.3)G G G G (24)[]φφφ000000)()(ik ik e H ik H e H H −−×∇−×∇=×∇=×∇(2.4) (21)(22)(25)(28)(2.1)(2.2)(2.5)(2.8)B ∂G G t E ∂−=×∇G (2.5)(26)t D H ∂∂=×∇G (2.6)G G 0=⋅∇D (2.7)(28)0=⋅∇B (2.8)(2.9)(2.10)(2.9)E D G G ε=G G (210)）HB μ=(2.10) 因光纤为透明介质（无磁性），于是0μμ≈ωi t =∂∂φμωμ0000ik e H c ik H i E −−=−=×∇G G G (2.11) φεωε0ik e E i c ik E i H −==×∇G G G (2.12) 00()(2.32.3))(2.112.11))(2.42.4))(2.122.12))G G G −=−000000)(H c ik E ik E μφ×∇×∇00000)(E c ik H ik H G G G εφ=×∇−×∇1G G G ∇=−(213)00000)(E ik H c E ××∇μφ1H k E c H G G G ×∇=+×∇ε(2.13) (2.14) 0000)(ik φ()H G 0[]000200)(1)(1)(1)(E c E E E G G G G εφφφφμφ−=∇−∇⋅∇=×∇×∇000c c c μμ(2.15)λ→0000)(H c E G G μφ=×∇(2.16) 00)(E c H G G εφ−=×∇(2.17)问题2.2：(2.15)(2.16)000E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G (2.18a) (218b)∇∇G G (2.18b)0E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G 、、三个矢量相互垂直三个矢量相互垂直！！0E 0H ϕ∇(2.1(2.188)(2.1(2.155)r c εεμεμφ===∇00221)((2.19)22(220)με00)(n =∇φ(2.20)G G =)()(r n r ∇φ(2.21)221)G (2.21)“程函方程” ()r φ程函方程的物理意义：讨论讨论：r G ∇()φ)(r G φ∇“”n r G 场源()(2.2.2121))),,(),,(),,(),,(2222z y x n z z y x y z y x x z y x =⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+⎥⎤⎢⎡∂∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂φφφ(2.22)⎦⎣问题2.3：(2.2.2121))2.2.2 光线方程根据折射率分布，可由程函方程求出光程函()r Gφ为此，可从程函方程出发推导光线方程。
光纤光学原理及应用-第5章
K1 (W1 ) K0 (W1)K2 (W1)
(5.13)
图5.3给出了沿ox偏振的奇、偶LP11模的电场分布。
(a)坐标系
(b)奇模(sinθ)
(c)偶模(cosθ)
图5.3 沿ox偏振的奇、偶LP11模的电场分布示意图
13
张伟刚教授主讲《光纤光学》课程
(3)模场的分布
图5.4给出了U∼Ｖ和Ｕ1∼Ｖ的关系曲线。求出U、
(5.10)
其中,
[x,
y]和
⎡cosθ
⎢ ⎣
sin
θ
⎤ ⎥ ⎦
有四种可能组合,
U
和W
应满足：
V 2 = U 2 +W 2
U1
J2 (U ) J1(U )
=
W1
K2 (W ) K1(W )
(5.11)
(5.12)
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张伟刚教授主讲《光纤光学》课程
为使总功率满足归一化条件，应有：
E1 =
2 μ0 ⋅ U1 ⋅ π a2n1 ε0 V
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张伟刚教授主讲《光纤光学》课程
(2)高斯近似法 由图5.5可见, 基模LP01模的分布形状类似高斯
分布, 可考虑用高斯函数对精确的场分布进行近 似，该函数是不截尾抛物线折射率分布的LP01模 精确场的分布函数。
采用使LP01模达到最大耦合效率的高斯场分布 来近似实际的精确场分布。利用式(5.5a)和式(5.9),
高斯近似法具有较好的准确度，该曲线还给出了 泄漏到包层中的功率随波长而增加的情况，即导模 所携带的功率是如何扩展进包层的。
(2)给定半径内的功率比
在半径为 r0 的圆柱内, 由式(5.19), 采用高斯近似， 可得到
⎛ −2⎜
光纤课件第一章
c＝3×108m/s
即波长在0.8μ m～1.8μ m之 间，属于近红外波段。 λ＝c/f
1MHz（兆赫兹） ＝106 Hz
1GHz（吉赫兹） ＝109 Hz
0.8μ m～0.9μ m称为短波长
1μm（微米）＝ 1THz（太赫兹）
10−6m
＝1012Hz
波段
1nm（纳米）＝ 1PHz（拍赫兹）
10−9m
强度调制—直接检测通信系统 （IM/DD）
(4)光纤的维修比较困难,需要专用工具。
光纤通信系统的基本组成
基本光纤传输系统 基本光纤传输系统有三个组成部分： 1.光发射机 2.光纤线路 3.光接收机
光发射机
光发射机的功能： 是把电信号转换为光信号，实现电/光转换， 并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线 路中。
光发射机的组成形式
光发射机的组成形式
光发射机的组成
光发射机由光源、 驱动器、调制器和信道耦合 器组成。
光源是光发射机的核心。 光发射机的性能基本上取决于光源的特性。
光源的种类
目前广泛使用的光源有三种 半导体激光器LD 半导体发光二极管LED 动态单纵模分布反馈激光器DFB
半导体激光器LD： 调制速率高、发光谱线窄、发散角小、容易
光通信与光信号 电通信：是以高频电磁波作为载波传输信息
如： 微波通信的电磁载波频率为GHz. 传输的是电信号。
光通信：是以光波作为载波传输信息 传输的是光信号。
光波实质也是电磁波。 频率高达1014 Hz～1015 Hz。
光纤通信的光波波谱
光纤通信中的光波波谱在
167THz～375THz之间，
电/光调制
光发射机把电信号电转换为光信号的过程(常简 称为电/光或E/O转换) ，是通过电信号对光波的 调制而实现的。 实现光通信，首先要解决如何将信号加载到光源 发射的光载波上，即光的调制。
光纤光学-1-3公开课获奖课件
2024/10/1
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角向运动
分析φ分量方程: n dr d d nr d 0
dS dS dS dS
有：
I ＝n r2dφ/dz
＝r0n(r0)sinθz(r0)cosθφ(r0)
I ---- 第二射线不变量
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角向运动特点
• 光线旳角动量：
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园柱坐标系与光线入射条件
(dr／dS) |r0 ＝sinθz(r0)sinθφ(r0)
z
ez
e
(r dφ／dS)|r0 ＝sinθz(r0)cosθφ(r0)
(dz／dS)|r0 ＝ cosθz(r0)
r
rrˆ
zzˆ
x
r
z
er
r0
r0d
z dz
ds
r0
dr
y
e
er
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2
nr
0 rr1 rl1 rg1
a rg 2 rl 2
rl 3
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r
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约束光线
条件:
n2＜n(r0) cosθz(r0)＜n1
光线存在区域: rg1 < r < rg2
内散焦面半径：rg1 外散焦面半径：rg2
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隧道光线
条件:
n2> n(r0) cosθz(r0)>√n22－(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
r2ω=r2dφ/dt=
Ic/
2n 恒为常数
• 这表白,光线角向运动速度将取决于光线
轨迹到纤轴距离r:在最大旳r处光线转动最
光纤光学第三版
光纤光学第三版光纤光学是一门关于光的传输和控制的学科，它在现代通信领域发挥着重要作用。
光纤光学技术的发展和应用，为人们的生活带来了巨大的改变。
本文将简要介绍光纤光学的基本原理和应用。
第一章：光纤光学的基本原理光纤光学的基本原理是利用光的全反射特性，将光信号沿光纤传输。
光纤由一个中心的光导芯和一个包围在外面的光折射层组成。
光信号在光导芯中传播时会发生全反射，从而实现光的传输。
光纤光学的主要优势是其传输速度快、容量大、抗干扰能力强等特点。
第二章：光纤光学的应用光纤光学在通信领域有着广泛的应用。
光纤通信是目前最常用的高速通信方式，它具有传输速度快、带宽大、信号衰减小等优点。
光纤通信不仅广泛应用于电话、互联网等常见通信领域，还被用于卫星通信、军事通信等特殊领域。
光纤传感技术也是光纤光学的重要应用之一。
光纤传感技术可以实现对温度、压力、光强等物理量的测量和监测。
这种传感技术具有高灵敏度、抗干扰能力强等特点，广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。
第三章：光纤光学的发展趋势随着科学技术的不断进步，光纤光学技术也在不断发展。
光纤光学在高速通信、数据存储、传感技术等方面的应用将进一步扩展。
光纤光学的发展趋势包括提高传输速度、增加传输容量、提高传输质量等。
光纤光学在医疗领域也有着广阔的前景。
光纤光学可以用于内窥镜、激光手术等医疗设备中，为医生提供更好的诊断和治疗手段。
总结：光纤光学是一门重要的学科，它在通信、传感和医疗等领域发挥着重要作用。
随着科学技术的不断进步，光纤光学技术将进一步发展并应用于更多领域。
光纤光学的发展将为人们的生活带来更多的便利和可能性。
让我们一起期待光纤光学的美好未来！。
光纤光学第1章
1970年，康宁（Corning）公司采用化学气相沉积 （CVD）工艺第一个抽出衰减小于20 dB/km的光 纤，成为世界上公认的第一根通信用光导纤维。
……………. 性能优异的各种光纤涌现。
广泛应用：如电话通信，数据传输，闭路电视， 工业控制与监测，军事等。
1988年，第一条跨越大西洋海底，连接美国东海 岸同欧洲大陆的光缆开通；……..
光纤工业已经进入显著的繁荣期。
在过去的20年里，一根光纤所能承载的最大 数据率差不多平均每年翻一番，比电子行业的摩 尔定律（每18个月翻一番）还要快。
1.4 光纤与通信网络（续）
（1）全球海底网络 （2）陆地网络 （3）卫星系统与光纤网络 （4）光纤到户 （5）局域网
1.5 光纤与传感技术
人类进入信息时代，信息的获取技术是
信息技术的关键，传感技术是获取信息的主
要技术途径，获取信息是利用信息的先决条 件。
传感器是一种能按一定规律将各种被检
测的物理量转换成便于处理的量（如电、磁 等）的器件。
世界各国对传感器技术的研究和开发都 极为重视：
日本将传感器列为20世纪80年代大力发 展的5项重要技术之首，又将传感器研发确 定为20世纪90年代的发展的重点；
通信光纤的标准包层直径是125μm，塑料 护套的直径约为250μm 。
传像光纤的直径小到几个微米，一些特殊 用途光纤则可能有几毫米。
1.3.2 光纤材料
纤芯材料：多数光纤几乎是纯石英，加入少
量掺杂物的目的是改变纤芯或包层的折射率。
(1) 通信光纤材料：纯二氧化硅（SiO2）; (2) 医用传像光纤、照明光纤：低纯度玻璃； (3) 还有一些光纤：塑料制造，更灵活易用；
光纤的基本结构是导光的纤芯和外面低折 射率的包层，不同类型光纤的纤芯和包层的几 何尺寸差别很大。
[物理]第1章 光纤传输的基本理论ppt课件
![[物理]第1章 光纤传输的基本理论ppt课件](https://img.taocdn.com/s3/m/52649ca5fe4733687f21aa63.png)
n2
n1
2a
–数值孔径: 定义光纤数值孔径NA为入射媒质
折射率与最大入射角的正弦值之积,即
N子 A n 0s in 0 n 1 2 n 2 2
–总光路长度S’: S '
L
co s
–总反射次数η’:' L tan
2a 光电工程学院
西安工业大学
1.2.2倾斜光线：均匀折射率分布
• 光线轨迹： (螺旋折线)
z
光电工程学院
〔2〕光线分类
西安工业大学
• 子午光线：
• 限制在子午平面内传播的光线；
• 与光轴相交；
• 入射光线、反射光线和分界面的法线 三者均在子午面内。
• 倾斜光线：
• 轨迹曲线不限制在一个平面内
• 不过光轴
光电工程学院
西安工业大学
典型光线传播轨迹
反射型
折射型
光电工程学院
西安工业大学
1.2.1子午光线：均匀折射率分布
光电工程学院
轴向运动特点
西安工业大学
• 相速: Vp＝ω/β＝c/ n 恒为常数 • 这阐明渐变折射率分布光纤(GIOF)中的光线
沿z轴传播的速度恒定不变, 与光线的轴向夹 角θz无关,这是一个与均匀折射率分布光纤 (SIOF)完全不同的重要特点(SIOF中不同角度 的光线轴向速度不同)
光电工程学院
–导光条件: n2 nn1
光电工程学院
西安工业大学
1.3.1程函方程
E(r)E 0(r)ex p ik 0 [r]〔1.3.1〕 H (r)H 0(r)ex p ik 0 [r]
rn rds
Er E0rexpik0r expik0r E0r E0rexpik0r ik0r E0rexpik0r
带宽距离积
多模色散，是指发射端的脉冲同时激励起许多模式，由于不同模式的群速度不同导致各个脉冲到达接收端的时刻不同而引起的展宽现象。
若用光线理论(适用于多模光纤)来说明，可以把多模色散视为各个光线轨迹沿光纤轴向的平均速度不同所造成的。
设光波在纤芯中的速度为v ，由图可知，子午光线沿光纤轴向的速度为v z =v cosθ。
当θ=00，子午光线传输最快；当θ=900-Φc 时，12n n cos =θ，子午光线传输最慢。
子午光线传输所用的最短时间和最长时间分别为 cLn νL νLt 1max min === 22112min max cn Ln n n νL νL t =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛== 于是，在传输距离L 内，子午光线传输所用的最短时间和最长时间的时延差为Δt n n -n c Ln t -t τmin 2211min max ≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅== 上式说明时延差τ与相对折射率差△成正比。
从模式分析的角度而言，当入射光的频率固定时，△越小，则光纤中可以传输的模式越少，因而时延差也就越小。
例如，对于n 1=1.6，△=1%的光纤而言，τ=50ns/km ，它对应于可传输的频带宽度(带宽)约为20MHz 。
光纤越长，时延差越大，可传输的带宽就越窄。
对于SI POF，其传输带宽通常为5MHz km作用，传输带宽不仅为其材料色散所限制，而且随着SI POF芯径的提高，其传输带宽还会降低，这是由于输入脉冲通过SI POF时将展宽；SI POF带宽低，这主要因为模式色散影响所致。
模式色散还直接与光纤芯径和NA相关，以空气为皮层PMMA为芯的POF在场为100m和芯径为1000μm的POF系统中，高次模光有较长的光程，以最大入射角入射的光线和沿光纤中心传播的光线之间的行程差为5.1m，这相当于25.5ns的时延，故这种POF带宽被限于10MHz以内。
而对于GI POF，由于其折射率从起轴中心至边缘呈二次方折射率分布(仅指抛物线型)，其值是逐渐降低的，而光在光纤中的传输速率同其媒质折射率成反比，故无论是低次模还是高次模，其传输速度几乎是相等的，传输后的波形并不发生展宽，从而保证了GI POF有较高的传输带宽，即使它的直径粗，其带宽亦很大。
张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章
光纤通信系统基本结构
光发送 端机
电发送 端机
光中继 放大
光接收 端机
电发送 端机
4
光纤通信：21世纪的“信息高速公路”
以光信号作为载波，以光纤为传输媒介 光纤带宽极宽、通信容量极大 光纤重量轻、韧性好、易于敷设 光纤损耗极低, 使无中继通信距离更长 保密性好、绝缘性好 抗干扰、抗辐射、抗腐蚀 成本低、节约金属线材
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光纤预制棒工艺：(OVD)
(Outside Vapour Deposition)
美国Corning 公司开发的。 其后OVD 工艺又有不断改进. 目前已开发出第七代工艺, 使 生产效率提高和降低了生产 成本大幅度;
OVD 法又为“管外汽相氧 化法”或“粉尘法”, 其原料 在氢氧焰中水解生成SiO2 微 粉,然后经喷灯喷出, 沉积在 由石英、石墨或氧化铝材料 制成的“母棒”外表面, 经过 多次沉积,去掉母棒, 再将中 空的预制棒在高温下脱水,烧 结成透明的实心玻璃棒, 即为 光纤预制棒。
2021/6/21
Vapo rs: SiCl 4 + GeCl 4 + O2 Fuel: H 2
Burner
Depo sit ed so ot
Dryin g gases
Po rous soo t prefo rm with ho le
Furnace
Prefo rm
Furnace
Target rod
“导光”的古老历史
中国古代烽火台 1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察
到光在水与空气分界面上作全反射以致 光随水流而弯曲的现象 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
光纤光学第三版
光纤光学第三版第一章光纤的基本原理光纤是一种能够传输光信号的特殊材料，它由纤维状的高纯度玻璃或塑料制成。
光纤的核心是一个非常细长的玻璃纤维，外部则包裹着一层称为包层的材料。
光纤的传输原理基于全反射的现象，当光线从光纤的一端入射时，由于光线与接触面的入射角大于临界角，光线会完全被内部反射，从而沿着光纤的长度传输到另一端。
在光纤光学中，我们经常会遇到一些重要的概念，比如光纤的数值孔径、单模光纤和多模光纤等。
数值孔径是用来描述光纤对光线的接受能力的参数，数值孔径越大，光纤的接收能力越强。
单模光纤是指只能传输一种特定模式的光信号，而多模光纤则可以传输多种模式的光信号。
第二章光纤通信系统光纤通信系统是一种利用光纤传输信息的通信方式。
它由光源、调制器、光纤、接收器等组成。
光源是产生高强度的光信号的装置，调制器则用来调制光信号的强度、频率或相位。
光纤作为信息的传输通道，能够将光信号高效、快速地传输到目的地。
接收器则用来接收传输过来的光信号，并将其转换成电信号，供后续处理。
光纤通信系统具有许多优点，比如传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等。
它已经广泛应用于电话、互联网、有线电视和数据中心等领域。
光纤通信系统的发展也推动了信息技术的快速发展，使人们能够更加便捷地进行通信和信息交流。
第三章光纤传感技术光纤传感技术是利用光纤的特殊性质进行测量和监测的技术。
光纤传感器可以将环境中的物理量、化学量或生物量转化为光信号，通过光纤传输到检测仪器进行分析。
光纤传感技术在环境监测、工业生产和医学诊断等领域有着广泛的应用。
光纤传感技术具有高精度、实时性好、抗干扰能力强等优点。
它可以实现对温度、压力、湿度、浓度等多种物理量的测量，而且可以远距离传输信号，适用于复杂环境中的监测任务。
第四章光纤传输系统的性能优化光纤传输系统的性能优化是提高光信号传输质量和可靠性的关键。
在光纤传输过程中，会受到多种因素的影响，比如衰减、色散、非线性等。
为了降低这些影响，可以采取一些措施，比如使用低损耗的光纤材料、优化光纤的结构、增加光纤的数值孔径等。
光纤光学第三版
光纤光学第三版第一章：光纤光学的基本概念光纤光学是一门研究光在纤维中传播和控制的学科。
随着信息技术的发展，光纤光学在通信、传感、医疗等领域得到了广泛的应用。
本章将介绍光纤光学的基本概念，包括光的传播特性、光纤的结构和制备方法等。
1.1 光的传播特性光是一种电磁波，具有波粒二象性。
在光纤中，光的传播遵循光的折射定律和反射定律。
光在光纤中的传播速度取决于光的频率和光纤的折射率。
1.2 光纤的结构光纤是由芯、包层和包覆层组成的。
芯是光信号传输的核心部分，包层用于控制光的传播，包覆层用于保护光纤。
光纤的结构对光的传播特性有重要影响。
1.3 光纤的制备方法光纤的制备方法包括拉制法、外延法和化学气相沉积法等。
拉制法是目前最常用的方法，它通过加热和拉伸光纤预制材料来制备光纤。
第二章：光纤的传输特性光纤的传输特性是指光在光纤中传播过程中的损耗、色散和非线性效应等。
本章将介绍光纤的传输特性及其对光信号传输的影响。
2.1 光纤的损耗光纤的损耗是指光在光纤中传播过程中能量的损失。
主要包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。
降低光纤的损耗是提高光纤传输效率的关键。
2.2 光纤的色散光纤的色散是指光在光纤中传播过程中不同频率的光信号传播速度不同所引起的现象。
主要包括色散的类型、原因和补偿方法等。
2.3 光纤的非线性效应光纤的非线性效应是指光在光纤中传播过程中由于光的强度变化而引起的非线性光学现象。
主要包括自相位调制、受激拉曼散射和自发参量过程等。
第三章：光纤通信系统光纤通信系统是利用光纤传输光信号进行信息交换的系统。
本章将介绍光纤通信系统的基本原理和组成部分。
3.1 光纤通信系统的基本原理光纤通信系统的基本原理是将电信号转换为光信号，通过光纤传输光信号，再将光信号转换为电信号进行信息传输。
3.2 光纤通信系统的组成部分光纤通信系统由光源、光纤、光接收器和信号处理器等组成。
光源产生光信号，光纤传输光信号，光接收器接收光信号并转换为电信号，信号处理器对电信号进行处理。
《光纤光学原理及应用》之基础理论学习方法探讨
《光纤光学原理及应用》之基础理论学习方法探讨作者：张丽娟秦祖军王新强王月娥来源：《高教学刊》2017年第03期摘要：通过理论的学习，可以描述研究对象的规律并解释其意义和做出预测。
目前学生一方面不重视理论学习，另一方面所学的理论无法融会贯通，并在此基础上进行应用和创新。
文章以《光纤光学原理及应用》这门课为例，从概念内涵的拓展和理论推导过程的分解和具体化等方面入手，在一定程度上解决了学生存在的基本概念掌握模糊、基本理论推导思路不清、公式应用无从下手等问题。
关键词：理论学习；概念内涵；理论推导；过程分解；过程具体化中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）03-0092-02一、概述我们看到，有的学生不重视课程中的基础理论的学习[1]，比较趋向于直接应用公式求解相关的问题，而不确定公式的来龙去脉以及应用背景，导致勉强能做与公式相关度很高的题目，而对一些综合性和灵活性的题目，甚至是一些变形后的题目，学生往往不知所措；还有一些学生知道基础理论课程的重要性，也认真去学习基础理论，但做不到融会贯通[2]，更不能解决具体问题以及创造性地应用所学的知识。
《光纤光学原理及应用》[3]的基础理论部分可以概括为用线性理论（用线性方程求光线轨迹）和波动理论（用波导场方程求模式场解）分析光波在光纤中的传输特性。
若要游刃有余的运用方程求解具体波导中光线轨迹和模式场解，并在此基础上分析光线和模式特性，必须掌握基于电磁理论的线性方程和波动方程推导过程，这样才能界定方程的应有条件和背景，为后面解决实际问题提供有效的指导思路。
在教学中发现学生在学光纤光学原理时存在几个具体问题：1.对基本概念内涵挖掘不深[4，5]；2.对基本理论推导思路不清[6]；3.对公式应用无从下手。
对于第一个问题，主要从深度和广度上去挖掘概念的内涵；对第二和第三个问题，主要从理论推导过程的分解和具体化，以及设计题目的引入和知识点的连贯性方面进行了尝试。
张伟刚-光纤光学原理与应用-第二章_光纤光学的基本理论
代入光线方程展开式：
用 n 乘 K 有:
dn r dr dn dr dn nK e r n r dr ds ds ds ds
eR
n’
上式表明折射率梯度矢量位于光线的切面内
dr/ds
n n’ >n
重写曲率矢量和光线方程展开式：
d 2r 1 K eR 2 R ds dn r dr dn dr dn nK e r n r dr ds ds ds ds
S r {S r E 0 } n 2E 0 0
A B C
利用矢量恒等式
A
C B A B C
2
得到
{S r S r }E 0 n E 0 0
即 或
S r S r n 2
程函方程
2、射线方程
r ：光线传播路径S上某点的矢径 dr/ds:传播路径切线方向上单位矢量, 根据相位梯度的定义，矢量dr/ds方向与相位梯度方向 一致，大小等于：
由程函方程 S(r ) n r
dr S r ds S r
z
dr/ds dr 路径S
dr S r ds n(r)
s
b
r
其解为矢量直线方程：
r sa b
a和b是常矢量，在均匀介质中光线路经沿矢量a前进，并通 过r=b点。 d dr 物理意义： ds ds 表示光线路径的曲率变化量。
d ds
dr ds
0 表示光线路径为直线。
例2：光线在折射率具有球对称分布媒质中的传播 球对称：折射率仅仅是半径r的函数
2
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19
预制棒的生产 主要预制棒生产厂家有康宁、朗讯、 阿尔卡特及日本藤仓、古河等 主要有四种工艺：
MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition ) OVD (Outside Vapor Deposition) VAD (Vapor Axial Deposition)汽相沿轴 沉淀积法 PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition)等离子体化学汽相淀积
Targ et ro d
Dep o si ted Ge d o p ed SiO 2
Ro tat e man d rel
(a)
(b)
Cl ear so l id g las s p refo rm
(c)
Draw n fi ber
Schematic illustration of OVD and the p reform preparation for fiber drawing. (a) Reaction of gases in the burner flame produces glass soot that deposits on to the outside surface of the mandrel. (b) The mandrel is removed and the hollow porous soot preform is consolidated; the soot particles are sintered, fused, together to form a clear glass rod. (c) The consolidated glass rod is used as a preform in fiber drawing.
2015-5-20
工业界大多采用MCVD制作多模光纤。在石 英管中加氧气及高纯度的卤化物，加热形 成多层折射率不同的玻璃，玻璃再收缩变 成实心棒，即为预制棒，此法很容易控制 预制棒的形状及大小。 预制棒成形后，先作量测，再移到石墨炉 中加热抽丝成为光纤
2015-5-20
为保护其强度， 避免受潮及污 染，必须在裸 光纤表面镀上 保护层，整个 生产流程须 4～5天（预制 棒～2天）。
14
光纤(光缆)
纤芯 包层 涂覆层 护套层
单模：8 ~10mm 多模：50mm
125mm
外护层
À强度元件
内护层 光纤 À缆芯
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光纤的分类
通信光纤 非通信光纤
16
光纤的进一步分类
17
光纤的进一步分类
18
光纤的进一步分类
按材料分： 石英、塑料、红外光纤 特种光纤： 保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
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2015-5-20
(Modified Chemical Vapore Deposition)
光纤预制棒工艺：MCVD
24
SiCl4、GeCl4 、O2
SiO2、GeO2
2015-5-20
2015-5-20
2015-5-20
Alcatel目前已针对MCVD进行制程上的更新
设计，称为Advanced Plasma & Vapor Deposition(APVD法)。主要不同于MCVD法 之处在于气态物质沉积之后，利用另外一专 用车床机台来熔合沉积物质以构成预制棒， 并以石墨感应炉替代原氢氧焰热源进行熔合。
2 layer
VDSL modem
ONU
VDSL
VLAN Advance Controll IGMP
11
三网合一: 高质量生活
Tele-medicine HDTV Tele-education
Video conference
Online library household
E-commerce E-government
2015-5-20
Dry in g g ases Vap ors : Si Cl4 + GeCl4 + O 2 Fu el : H2 Bu rn er Dep o si ted s o ot P o ro u s s o ot p refo rm wi th h o l e Fu rn ace P reform Fu rn ace
I/O rates = optical wavelength capacity
10 Gb/s Ethernet
3 2 140Mb/s
565Mb/s
Gbit Ethernet Fast Ethernet
T3
STM1
1
Ethernet
E1
Transport capacity Ethernet Standards Internet backbone 2000
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
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光纤光学: 是一门研究光波在光纤中传播特性的科学 光纤: 是一种介质园柱光波导,它能够约束并导引光波 在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播
光波导：约束光波传输的媒介 导波光：受到约束的光波 光波导三要素： –“芯 / 包”结构 –凸形折射率分布，n1>n2 –低传输损耗
7
2000: “光通信的第一个春天”
System capacity (Mbps)
10 10 10 10 10 10
6 STM64, 32l STM64, 16l STM64, 8l
5
4
Important Threshold!
1.7Gb/s
STM16
STM64, 4l STM64, 2l
STM64c STM16 STM4
1985
1990
1995
Year
8
武汉-中国光谷
光纤通信技术产业 激光技术产业 光纤传感技术产业 光存储技术产业 照明与显示技术产业 IC技术产业
9
“光通信的第二个春天”
4G的启动。 村村通工程的全面铺开也需要大量的光纤光缆及 相关通信用产品。 随着用户对带宽需求的提高,技术的突破和新标准 的确定以及光纤光缆及相关元器件价格的大幅度 下降,FTTH 出现迅速发展的势头。 铜价的迅速飙升进一步加速了“光进铜退”的步 伐和F T T x接入的浪潮汹涌。
Video telephone
Network game
Browse/download
Online shopping
FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life!
光纤光学
1
“导光”的古老历史
中国古代烽火台 1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察 到光在水与空气分界面上作全反射以致 光随水流而弯曲的现象 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
2
“光纤之父”----高锟博士
1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介 质纤维表面波导”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。 1970年,康宁玻璃公司率先研制成功损耗为 20dB/km的石英光纤,取得了重要的技术突破。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6
光纤通信系统的发展
76年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通 信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10km。80年，多模 光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信 系统的现场试验工作。 90年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s）， 并着手进行零色散位移光纤和波分复用及相干通信的现场 试验，而且陆续制定同步数字体系（SDH）的技术标准。 93年，SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下）。 95年，2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 96年，10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 97年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破。 此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也 正在取得巨大进展。
?1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
2015-5-20
VAD
VAD工艺是1977年由日本电报电话公司为避
免与康宁公司的OVD专利的纠纷所发明的连续工
艺。 VAD工艺的化学反应机理与OVD工艺相同， 也是火焰水解。与OVD工艺不同的是，VAD工艺
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光纤预制棒工艺：(OVD) (Outside Vapour Deposition)
美国Corning
公司开发的。 其后OVD 工艺又有不断改进. 目前已开发出第七代工艺, 使 生产效率提高和降低了生产 成本大幅度; OVD 法又为“管外汽相氧化 法”或“粉尘法”, 其原料在 氢氧焰中水解生成SiO2 微粉, 然后经喷灯喷出, 沉积在由石 英、石墨或氧化铝材料制成 的“母棒”外表面, 经过多次 沉积,去掉母棒, 再将中空的 预制棒在高温下脱水,烧结成 透明的实心玻璃棒, 即为光纤 预制棒。
30
OVD工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤： 先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔
玻璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向
是径向由里向外），
再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，
除去残留水份，以求制得一根透明无水份 的光纤预制棒芯棒， OVD工艺最新的发展