光波技术基础part170024
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• 前者保证了优良的物理化学性能，而后者使工 艺方法极为灵活并有助于材料的“自提纯”， 保证了低损耗
光纤：新一代传输媒质
• 目前量产石英单模光纤的损耗已可降至 0.20dB/km(波长1.55μm)以下，实验室纪录更低 达0.151dB/km。
• 此外，石英基光纤的频带宽、色散低、抗拉强 度高、抗干扰性强、资源丰富等一系列特点使 之成为理想的新一代传输媒质。
• 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
• 意味着：
– 如果要在一公里长的光纤末端检测到一个波长为1μm的光子（其能 量为hv=6.625×10-34×3×1014~2×10-19J）,在其始端应输入的能 量为2×1081J,这将远远超过太阳系形成以来其全部辐射能量的总和
• 新型光纤：掺铒光纤、色散补偿光纤、光子晶 体光纤…
集成光子学/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
• 实现光信号的各种处理（开关、调制、 合波、分波、滤波、整形、交换等等）
光纤通信
• 70年代初的另一重要事件，是实现了半导体激 光器的室温连续运转。
红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
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。
传输介质问题：
• 利用玻璃中的全反射原理传光早已为人熟知，并已 经用来在短距离（米级）内传光
• 园截面介质光波导中场分布模式的理论和实验研究 也由E.Snitzer等在1961年发表
✓贝尔本人认为这是他一生中最重要发明，但由于可靠 的高强度光源和稳定的低损耗传输媒质均未解决而一 直未能实用
利用光进行通信的困难在于:
• 没有合适的光源，一般光源方向性和相 干性太差，类似于噪声，无法调制
• 没有合适的传输介质，由于光频极高， 透过障碍的能力很差。（必须通过低损 耗介质波导传输）
1960年梅曼发明了红宝石激光器
• 光纤非线性: – 1. G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics (3rd Ed.), Academic Press, San Diego,2019.
• 随着光源、调制、接收、中继、耦合、光纤的 熔接与活动连接等单元技术的发展，使光纤通 信受到了空前的重视，单信道的调制速率由 107b/s 提升至1011b/s，并从实验室研究迅速变 为具有巨大社会经济效益的产业。
• 光纤、集成光子学和集成光电子学是现代光纤 通信的基础
光纤传感
• 环境因素的变化对光波导中光的传输特性（光强、相 位）。
• 康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗 20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！
低损耗的基本思想
• （1）用纯石英为主体材料并掺杂氧化物等以 形成所需的折射率分布
• （2）采用气相沉积技术作为基本工艺，直到 今天仍是各种制造光纤方法（如改进的化学气 象沉积法MCVD、外气相沉积法OVD、轴向气 相沉积法VAD、等离子体化学气象沉积法 PCVD等）的核心。
• 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对 光通信的研究曾一度走入了低潮。
光百度文库的诞生
• 在似乎毫无希望的局面下，高锟等在 2019年发表了一篇被后来的历史证明为 具有划时代意的论文③，提出利用带有 包层材料的石英玻璃光学纤维，其损耗 可能低于20dB/km，从而可以用作通信媒 质。
高锟（左）2019年在英国 接受IEE授予的奖章
•
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。
1970年，光纤诞生！！
八十年代以来出版的部分参考书
• 光波导基本理论与计算： – 1. A. J. Adams, An Introduction to Optical Waveguides, John Wiley and Sons, New York, 1981. – 2. A. W. Snyder and J. D. Love, Optical Waveguide Theory, Chapman and Hall, London, 1983. – 3. H. A. Haus, Waves and Fields in Optoelectronics, Prentice Hall, 1984. – 4. T. Tamir, Guided-Wave Optoelectronics, 2nd Ed., Springer-Verlag, 1990. – 6. K. Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides, Academic Press, San Diego,2000. – 7. K. Kawano and T. Kitoh, Introduction to Optical Waveguide Analysis, John Wiley & Sons, New York, 2019.
• 从70年代后导波光学器件在信号获取方面的功能也日 益受人们的重视，目前已制成对压力、应力、应变、 位移、速度、加速度、转动、液位、流速、流量、温 度、电压、电流、电场、磁场、伽玛射线以及化学成 分等数十个物理的光波导（主要是光纤）传感装置， 其中有些人已转入商品生产。
• 由于信息的获取在现代社会中日益增长的重要性，这 方面的研究开发工作也是导波光学应用的热点之一。
•利 用光传递信息的历史至少可以追溯到我国古 代的烽火台
•从近代科技发展史来看，一个重要事件是： 1880年贝尔继发明电话之后又发明了“光话”： 以日光为光源、大气为传输媒质，在200m内实 现了语音信号的传递。
贝尔电话系统
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上， 随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程 就是调制。
光纤：新一代传输媒质
• 目前量产石英单模光纤的损耗已可降至 0.20dB/km(波长1.55μm)以下，实验室纪录更低 达0.151dB/km。
• 此外，石英基光纤的频带宽、色散低、抗拉强 度高、抗干扰性强、资源丰富等一系列特点使 之成为理想的新一代传输媒质。
• 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
• 意味着：
– 如果要在一公里长的光纤末端检测到一个波长为1μm的光子（其能 量为hv=6.625×10-34×3×1014~2×10-19J）,在其始端应输入的能 量为2×1081J,这将远远超过太阳系形成以来其全部辐射能量的总和
• 新型光纤：掺铒光纤、色散补偿光纤、光子晶 体光纤…
集成光子学/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
• 实现光信号的各种处理（开关、调制、 合波、分波、滤波、整形、交换等等）
光纤通信
• 70年代初的另一重要事件，是实现了半导体激 光器的室温连续运转。
红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
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。
传输介质问题：
• 利用玻璃中的全反射原理传光早已为人熟知，并已 经用来在短距离（米级）内传光
• 园截面介质光波导中场分布模式的理论和实验研究 也由E.Snitzer等在1961年发表
✓贝尔本人认为这是他一生中最重要发明，但由于可靠 的高强度光源和稳定的低损耗传输媒质均未解决而一 直未能实用
利用光进行通信的困难在于:
• 没有合适的光源，一般光源方向性和相 干性太差，类似于噪声，无法调制
• 没有合适的传输介质，由于光频极高， 透过障碍的能力很差。（必须通过低损 耗介质波导传输）
1960年梅曼发明了红宝石激光器
• 光纤非线性: – 1. G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics (3rd Ed.), Academic Press, San Diego,2019.
• 随着光源、调制、接收、中继、耦合、光纤的 熔接与活动连接等单元技术的发展，使光纤通 信受到了空前的重视，单信道的调制速率由 107b/s 提升至1011b/s，并从实验室研究迅速变 为具有巨大社会经济效益的产业。
• 光纤、集成光子学和集成光电子学是现代光纤 通信的基础
光纤传感
• 环境因素的变化对光波导中光的传输特性（光强、相 位）。
• 康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗 20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！
低损耗的基本思想
• （1）用纯石英为主体材料并掺杂氧化物等以 形成所需的折射率分布
• （2）采用气相沉积技术作为基本工艺，直到 今天仍是各种制造光纤方法（如改进的化学气 象沉积法MCVD、外气相沉积法OVD、轴向气 相沉积法VAD、等离子体化学气象沉积法 PCVD等）的核心。
• 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对 光通信的研究曾一度走入了低潮。
光百度文库的诞生
• 在似乎毫无希望的局面下，高锟等在 2019年发表了一篇被后来的历史证明为 具有划时代意的论文③，提出利用带有 包层材料的石英玻璃光学纤维，其损耗 可能低于20dB/km，从而可以用作通信媒 质。
高锟（左）2019年在英国 接受IEE授予的奖章
•
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。
1970年，光纤诞生！！
八十年代以来出版的部分参考书
• 光波导基本理论与计算： – 1. A. J. Adams, An Introduction to Optical Waveguides, John Wiley and Sons, New York, 1981. – 2. A. W. Snyder and J. D. Love, Optical Waveguide Theory, Chapman and Hall, London, 1983. – 3. H. A. Haus, Waves and Fields in Optoelectronics, Prentice Hall, 1984. – 4. T. Tamir, Guided-Wave Optoelectronics, 2nd Ed., Springer-Verlag, 1990. – 6. K. Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides, Academic Press, San Diego,2000. – 7. K. Kawano and T. Kitoh, Introduction to Optical Waveguide Analysis, John Wiley & Sons, New York, 2019.
• 从70年代后导波光学器件在信号获取方面的功能也日 益受人们的重视，目前已制成对压力、应力、应变、 位移、速度、加速度、转动、液位、流速、流量、温 度、电压、电流、电场、磁场、伽玛射线以及化学成 分等数十个物理的光波导（主要是光纤）传感装置， 其中有些人已转入商品生产。
• 由于信息的获取在现代社会中日益增长的重要性，这 方面的研究开发工作也是导波光学应用的热点之一。
•利 用光传递信息的历史至少可以追溯到我国古 代的烽火台
•从近代科技发展史来看，一个重要事件是： 1880年贝尔继发明电话之后又发明了“光话”： 以日光为光源、大气为传输媒质，在200m内实 现了语音信号的传递。
贝尔电话系统
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上， 随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程 就是调制。