非线性光纤光学第一章绪论
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光纤光学课件第一章
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
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。
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。
非线性光学晶体的制备及性质研究
非线性光学晶体的制备及性质研究第一章绪论非线性光学是指当电磁波在介质中传播时，由于介质的非线性光学性质，电磁波的形态会发生改变，常见的形式包括倍频。
在光电子技术、通信技术、信息处理和量子光学等领域得到广泛应用。
非线性光学晶体是实现非线性光学过程的关键材料，其制备和性质研究具有重要意义。
第二章非线性光学晶体的制备常见的非线性光学晶体包括：KDP、ADP、BBO、LBO、KTP等。
其制备方法主要包括水溶液法、水热法、溶胶凝胶法、真空蒸发法等。
水溶液法制备非线性光学晶体，是指将金属或氧化物的水溶液、加入葡萄糖等再制剂，通过蒸发或冷却结晶法，合成非线性光学晶体。
水热法制备非线性光学晶体，是指在高温高压的水热条件下，用反应前体在水合条件下反应，经过几天甚至几周的反应时间，最终通过自然冷却，得到非线性光学晶体。
溶胶凝胶法制备非线性光学晶体，是将碳酸钾溶解于丙酮、乙醇等有机溶剂中，加入SiO2、TiO2等控制剂，经过基底涂覆、烘干、烧结等多道工序，最终得到非线性光学晶体。
真空蒸发法制备非线性光学晶体，是指在高真空下，将材料加热到几百度，使其蒸发，通过凝结到基底表面的材料，得到非线性光学晶体。
第三章非线性光学晶体的性质研究非线性光学晶体具有重要的非线性光学性质，如二次谐波发生、光学波混频、三次和四次和频发生、自调制等。
其中，二次谐波发生是非线性光学晶体最常见的现象。
其效应基于双折射现象。
二次谐波光的极化强度正比于两个激光波的极化强度的乘积。
除此之外，非线性光学晶体还表现出自旋调制装置、加倍器、非线性图片形成等性质。
在研究中，非线性光学晶体的性质主要通过实验方法得到。
研究者通常使用双频激光，对光学器件进行测量，得到二次谐波发生的数据，并通过该数据确定非线性光学晶体的性质参数，如非线性系数、相位匹配角、角度容限等。
第四章非线性光学晶体的应用非线性光学晶体广泛应用于光通信、光信息交换、激光雷达、高强度激光器等领域。
其中，常见应用包括：第一，倍频器。
非线性光纤光学第一章-绪论ppt课件.ppt
折射率分布函数
✓归一化频率 归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。
V ak0
n12 n22
12
2 a
NA
2
an1
2
V值越大，能够传播的模式越多！ 可传播的模式数
M 1V2 2
V 2.405 时，只传输基模。
归一化频率与归一化传输常数的关系曲线
✓单模光纤截止波长
当V<2.405时，光纤只能传输基模一个模式，其他模式 均被截止。满足单模传输条件的最小波长称为截止波长，
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。
表示光纤性质的光学参数
✓ 相对折射率差(阶跃光纤) 相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数， 其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难易程度。
n12 n22 2n12
包层折射率 纤芯折射率
✓数值孔径（NA）
n1 n2 > n0
n0
<max
A B
>max
B
>c
< c 900_ c
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
非线性光学课件
1.1.2 非线性光学是现代光学的分支学科
“传统光学”——基于自发辐射 的普通光源的光学
“现代光学”——基于受激辐射 的激光光源的光学
1.1.3 非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科
（物质响应现象）
导致
光
物质极化、磁化，产生感生电流等等
改变原来 的光场
物质对光的反作用
产生
使物质产生 电磁场辐射
• 主动非线性光学效应的特点是：光与介质间会发生能量交 换，介质的物理参量与光场强度有关。
1.1.4非线性光学现象是高阶极化现象
在线性光学范畴，采用极化强度P(r, t)来解释所观察到的介质 中的吸收、折射及色散等现象。
P(r,t)0(1)E(r,t)
式中， 是真空介电常数； ( 1 ) 是介质的线性极化率。 0
光与物质的相互作用原理
非线性光学(激光为光源)与线性光学(普通光为 光源)有本质的区别，两种情况下，在光与物质 相互作用或光波之间的相互作用中所表现的特 性不同。
1.非线性光学与线性光学的主要区别
2.被动非线性光学与主动非线性光学
• 被动非线性光学效应的特点是：光与介质间无能量交换， 而不同频率的光波间能够发生能量交换。
+ E + :E E +
非线性光学效应的定义：
凡物质对于外加电磁场的响应，并不是外加电磁场振幅的 线性函数的光学现象，均属于非线性光学效应的范畴。
—————Bloembergen
Bloembergen是非线性光学理论的奠基人。他提出了一个能 够描述液体、半导体和金属等物质的许多非线性光学现象 的一般理论框架。他和他的学派在以下三个方面为非线性 光学奠定了理论基础： –物质对光波场的非线性响应及其描述方法； –光波之间以及光波与物质之间相互作用的理论； –光通过界面时的非线性反射和折射的理论。
赵凯华光学非线性光学_1
非线性光学Nonlinear Optics绪论叶佩弦，1934 -，中国科学院物理研究所研究员绪论§0光学的发展1.几何光学：反射、折射2.波动光学：衍射、干涉3.非线性光学4.量子光学：…..绪论线性光学1.光束在空间或介质中的传播是互相独立的，几个光束可以通过光束的交叉区域继续独立传播而不受其他光束的干扰；2.光束在传播过程中，由于衍射、折射和干涉等效应，光束的传播方向会发生改变，空间分布也会有所变化，但光的频率不会在传播过程中改变；3.介质的主要光学参数，如折射率、吸收系数等，都与入射光的迁都无关，只是入射光的频率和偏振方向的函数。
绪论非线性光学1.介质被激光照射，可以产生新频率的光束2.两个光束在传播过程中经过交叉区域后，其强度会互相传递，此消彼长3.介质的光学参数随入射光强变化……Bloembergen:凡物质对于外加电磁场的响应，并不是外加电磁场振幅的线性函数，都属于非线性光学效应的范畴绪论§1、光场中的非简谐振子Anharmonic Oscillator1.简谐振子模型简谐振子在外力作用下的运动方程振子质量本征频率衰减系数外力回复力mωΓmFf =xm 20ω−)1.1(2022F x x dt d x dt d =+Γ+ω绪论§1、光场中的非简谐振子物理表示：外场下原子中的电子运动模型1）无外场，无衰减情况下电子以频率ω在原点附近的x 方向上作周期振动2）外加光场其解为：表示电子在原点附近作受迫振荡12cos ()i t i t E t e e ωωεωε−==+2/()q i ti tf mm F qE m ee ωωε−===+()..x x c c ω=+2220()qi t mx ei εωωωωω⋅=−−Γ绪论§1、光场中的非简谐振子单个原子的电子：电偶极矩对于介质，电极化强度：与外场的振幅成正比若存在多个不同频率的外场，则产生的电极化强度为不同频率的加，不存在交叉项。
非线性电子电路第一章绪论课件
对接收装置的要求：增益高，选择性好。
解决方案：
发射机和接收机借助线性和非线性电子线路对携有信 息的电信号进行变换和处理。除放大外，最主要有调制、 解调。
调制是远距离传输的基础。在通信系统中起着至关重要的作 用。它的主要技术作用是将基带信号变换成符合特定信道传输要 求的信号形式；同时，也是为在一个物理通路中传输多路信号 （实现信道多路复用）以及非线提性电高子电信路第号一章抗绪论干扰能力的技术基础。
书山有路勤为径
学海无崖苦作舟
非 线 性 电 子 电 路
非线性电子电路第一章绪论
先修课程
• 电路分析基础 • 线性电子电路 • 信号与系统等
非线性电子电路第一章绪论
1.1 非线性电子线路的作用
一、线性电子电路与非线性电子电路
电子器件严格讲是非线性的，但依使用条件不同，表现 的非线性程度不同。为此，有如下两种应用：
跟踪 fc。
可见，有用信号在不
同频率上进小行信放号大放大—器—超
实用通信系统的实现得依靠三个方面的技术支持：
传感器技术、信号处理技术、信号传输技术
非线性电子电路第一章绪论
进入框图
通信系统的基本模型
现代通信系统在传输信息的技术手段和方法上有了 显著的进步，但通信系统仍可概括地用下图来表示：
输入信息 输入变换器
发送设备
信道
接收设备
输出变换器
非线性电子电路第一章绪论
调为幅小信接号谐收振放机大器的，作组成框图为多：级固定调
用：选频（选有用抑制无
谐的小信号放
用信号）放大（有用信号
大器，作用： 放大中频信号。
解调，从 中频调幅 波还原所 传送的调 制信号。
产生频率为
fL =|fc + fI |(或 fL = fc - fI ) 的高频等幅
解决方案：
发射机和接收机借助线性和非线性电子线路对携有信 息的电信号进行变换和处理。除放大外，最主要有调制、 解调。
调制是远距离传输的基础。在通信系统中起着至关重要的作 用。它的主要技术作用是将基带信号变换成符合特定信道传输要 求的信号形式；同时，也是为在一个物理通路中传输多路信号 （实现信道多路复用）以及非线提性电高子电信路第号一章抗绪论干扰能力的技术基础。
书山有路勤为径
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非 线 性 电 子 电 路
非线性电子电路第一章绪论
先修课程
• 电路分析基础 • 线性电子电路 • 信号与系统等
非线性电子电路第一章绪论
1.1 非线性电子线路的作用
一、线性电子电路与非线性电子电路
电子器件严格讲是非线性的，但依使用条件不同，表现 的非线性程度不同。为此，有如下两种应用：
跟踪 fc。
可见，有用信号在不
同频率上进小行信放号大放大—器—超
实用通信系统的实现得依靠三个方面的技术支持：
传感器技术、信号处理技术、信号传输技术
非线性电子电路第一章绪论
进入框图
通信系统的基本模型
现代通信系统在传输信息的技术手段和方法上有了 显著的进步，但通信系统仍可概括地用下图来表示：
输入信息 输入变换器
发送设备
信道
接收设备
输出变换器
非线性电子电路第一章绪论
调为幅小信接号谐收振放机大器的，作组成框图为多：级固定调
用：选频（选有用抑制无
谐的小信号放
用信号）放大（有用信号
大器，作用： 放大中频信号。
解调，从 中频调幅 波还原所 传送的调 制信号。
产生频率为
fL =|fc + fI |(或 fL = fc - fI ) 的高频等幅
非线性光学-绪论-第一章
忽略
2、学科特点
线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线
性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性 叠加原理
非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，
在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不 同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不 成立
激光技术催生非线性光学的出现并推动了其 发展。
1965年，Bloembergen等人出版《Nonlinear Optical phenomena》一书，基本建立了以非线性 介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理论
2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990）
发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔
展开各种非线性光学效应的应用研究：
4）是认知和了解物质材料的一种重要手段；
通过强光与物质相互作用的研究，可以获得有关物质的组成、结构、状态、 能量耦合和转移等材料内部的信息。它和材料研究紧密相关。
5）是促进基础理论发展的一种动力。
1997年诺贝尔物理奖得主
Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips
2001年诺贝尔物理奖得主
Eric A. Cornell (USA)
Wolfgang Ketterle (Germany)
Carl E. Wieman (USA)
"for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates"
2、学科特点
线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系，在线
性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性 叠加原理
非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系，
在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不 同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不 成立
激光技术催生非线性光学的出现并推动了其 发展。
1965年，Bloembergen等人出版《Nonlinear Optical phenomena》一书，基本建立了以非线性 介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理论
2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990）
发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔
展开各种非线性光学效应的应用研究：
4）是认知和了解物质材料的一种重要手段；
通过强光与物质相互作用的研究，可以获得有关物质的组成、结构、状态、 能量耦合和转移等材料内部的信息。它和材料研究紧密相关。
5）是促进基础理论发展的一种动力。
1997年诺贝尔物理奖得主
Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips
2001年诺贝尔物理奖得主
Eric A. Cornell (USA)
Wolfgang Ketterle (Germany)
Carl E. Wieman (USA)
"for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates"
非线性光学课件
光参量放大器： 利用非线性光 学效应，通过 控制输入光的 参量如振幅、 相位、偏振态 等实现光信号
的放大。
光参量振荡器： 利用非线性晶 体产生特定波 长的激光输出， 具有频率稳定、 波长可调谐等
优点。低频率的光输
出。
非线性光学应用
光通信领域应用
添加副标题
非线性光学课件
汇报人：
目录
PART One
添加目录标题
PART Three
非线性光学原理
PART Two
非线性光学概述
PART Four
非线性光学材料
PART Five
非线性光学器件
PART Six
非线性光学应用
单击添加章节标题
非线性光学概述
定义与性质
非线性光学的定 义
非线性光学的性 质
光孤子通信
光纤放大器
光纤激光器
光纤传感技术
生物医学领域应用
光学显微镜：利用非线性光学效应提高显微镜的成像质量，能够观察更细 微的结构。
光镊技术：通过非线性光学效应产生的光场束缚和操控细胞、病毒等生物 微粒，为生物医学研究提供新的工具。
光学成像：利用非线性光学成像技术可以对生物组织进行高分辨率、高对 比度的成像，提高医学诊断的准确性和效率。
非线性折射率
定义：非线性折射 率是指材料在强光 作用下折射率随光 强的变化而变化的 现象
产生原因：与材 料中的微观结构 和分子排列有关
表现形式：在强光 作用下，材料折射 率会发生变化，导 致光的传播方向发 生改变
应用领域：在光 学通信、光学成 像等领域有着广 泛的应用前景
非线性吸收系数
定义：非线性吸收系数是描述物质在强光作用下非线性吸收特性的参数 影响因素：包括光强、光束宽度、物质浓度等 计算方法：通过实验测量或理论计算得到 应用领域：在光学通信、光学传感等领域有着广泛的应用
非线性光学第一章
1965年，Bloembergen等人出版《Nonlinear Optical phenomena》一书，基本建立了以非线性 介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理论
2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990）
发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔
展开各种非线性光学效应的应用研究：
线性光学
非线性光学
单束光在介质中传播，通过干涉、衍 某一频率的入射光，可通过与介质的相
射、折射可以改变空间能量的分布和 互作用转换成其它频率的光（如倍频），
传播方向，但与介质不发生能量的交 还可以产生一系列在光谱上周期分布的
换，不改变光的频率
不同频率和光强（受激拉曼散射）
多束光在介质中交叉传播，不发生能 量相互交换，不改变各自的频率
非线性科学（量子力学、相对论）
线性和非线性 (数学和物理上) 非线性科学，目前有六个主要研究领域，即： 混沌 (Chaos) 孤子波（Soliton） 分形（Fractal） 模式形成（Pattern formation） 元胞自动机（Cellular automata） 复杂系统 (Complex system)
Stanford University Stanford, CA, USA
Collège de France; École Normale Supérieure Paris, France
National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA
4）非线性光学研究的未来发展趋势
非线性 光学规 律研究 的发展
趋势
研究对象从稳态过程转向动态；所用光源从连续、宽脉 冲转向纳秒、皮秒、飞秒甚至阿秒超短脉冲；从强光非 线性研究到弱光非线性研究；从基态－激发态跃迁非线 性光学研究转向激发态－更高激发态跃迁非线性光学研 究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象； 从二能级模型研究转向多能级模型；研究物质的尺度从 宏观尺度（衍射光学），到介观（纳米）尺度（近场光 学），再到微观尺度（量子光学）。
2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990）
发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔
展开各种非线性光学效应的应用研究：
线性光学
非线性光学
单束光在介质中传播，通过干涉、衍 某一频率的入射光，可通过与介质的相
射、折射可以改变空间能量的分布和 互作用转换成其它频率的光（如倍频），
传播方向，但与介质不发生能量的交 还可以产生一系列在光谱上周期分布的
换，不改变光的频率
不同频率和光强（受激拉曼散射）
多束光在介质中交叉传播，不发生能 量相互交换，不改变各自的频率
非线性科学（量子力学、相对论）
线性和非线性 (数学和物理上) 非线性科学，目前有六个主要研究领域，即： 混沌 (Chaos) 孤子波（Soliton） 分形（Fractal） 模式形成（Pattern formation） 元胞自动机（Cellular automata） 复杂系统 (Complex system)
Stanford University Stanford, CA, USA
Collège de France; École Normale Supérieure Paris, France
National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA
4）非线性光学研究的未来发展趋势
非线性 光学规 律研究 的发展
趋势
研究对象从稳态过程转向动态；所用光源从连续、宽脉 冲转向纳秒、皮秒、飞秒甚至阿秒超短脉冲；从强光非 线性研究到弱光非线性研究；从基态－激发态跃迁非线 性光学研究转向激发态－更高激发态跃迁非线性光学研 究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象； 从二能级模型研究转向多能级模型；研究物质的尺度从 宏观尺度（衍射光学），到介观（纳米）尺度（近场光 学），再到微观尺度（量子光学）。
1激光与非线性光学—1
不锈钢切割样品
有机玻璃切割样品
16
激光打标
在工件上打标记、商标、计算机制版等等。
左图为: 系列激光打标机深 左图为 LX-3系列激光打标机深 系列激光打标机 圳市星辰激光技术有限公司 系统组成：聚光腔、连续YAG 系统组成 激光电源、声光Q开关、声光Q 开关驱动器、F-θ镜头、扫描振 镜系统、冷水机组、升降台、 计算机控制系统和标记软件等 几大部件
空间激光通讯 激光通信 光纤通讯
激光在信息技 术中的应用
激光信息 处理
激光印刷 全息照相 光学存储 光计算
23
激光在生物医学中的应用
激光眼科 激光外科 激光口腔科 激光耳鼻喉科
激光在医学和生 物学中的应用
激光皮肤科 光动力疗法（PDT） 激光辐照血液疗法 激光针灸
24
弱相干光学层析技术（OCT）
技术指标： 技术指标
激光范围：905纳米一级安全激光 测距范围：LRM1200 20-1200米 LRM1500 20-1500米 测速系统技术参数 LRMPRO1000 20-1500 米 激光类型：905纳米一级安全激光 测距精度：+/-1米 测速范围： 测速精度:+/-1km/h
22
激光在信息技术中的应用
§1.2激光的基本特点 单色性好
稳频单频特种He－Ne Laser，∆λ/ λ可达1010~10-13量级；激光出现以前，单色性最好 的光源为氪－86灯，λ＝605.7nm，∆λ＝ 0.00047nm, ∆λ/ λ=10-6量级
方向性好
衍射极限，通常mrad量级； 波长1微米的激光，光束直径1mm时，发散角 约为1mrad；这样一束激光在10Km处光斑只 有2cm。
17
左图为: 左图为 SZL600型印字轮激光雕刻机 型印字轮激光雕刻机
非线性光纤光学第一章 导论要点
11
How do you பைடு நூலகம்tudy?
A. 来上课（Why bother coming to class?）；
B. 去练习（查文献+推导+完成作业+模拟）; C. 相互之间多交流、多合作。
多动脑、勤动手 多读文献，少qq (不要跟陌生人说话！！！)。
12
第一章 导论
About optical fibers 〇 认识光纤； 〇 了解光纤特性: ☆ 线性特性: 吸收(损耗, 衰减), 色散; ☆ 非线性特性: 自相位调制, 受激散射, 四波混频. 〇 了解光纤通信 About light (self-studying)
9
How do I teach？
讲授
讲方法：学习方法，研究方法。
讨论
Sometimes, I would like to discuss some questions with you. To ask questions and express your ideas! And, because I will tailor the class to your background. (Give background survey.)
14
Remember some useful numbers
玻璃中的光速 v = c / n 其中 c = 3 x 108 m/s, n ~ 1.5 频率 × 波长 = 光速 e.g. for 1.5mm, frequency = 200THz 波长用microns (微米mm) and nanometres (纳米nm)来衡量 频率用 吉赫兹（GHz，109 Hz）来衡量 A WDM channel spacing at 1.55mm might be 1nm - what is this in frequency? About 125GHz 0.8nm ~ 100GHz - well worth remembering! An optical amplifier has a pass band of 30-40nm ie ~4THz 脉冲宽度用皮秒(ps, 10-12 s)或飞秒 (fs, 10-15 s) 来衡量
How do you பைடு நூலகம்tudy?
A. 来上课（Why bother coming to class?）；
B. 去练习（查文献+推导+完成作业+模拟）; C. 相互之间多交流、多合作。
多动脑、勤动手 多读文献，少qq (不要跟陌生人说话！！！)。
12
第一章 导论
About optical fibers 〇 认识光纤； 〇 了解光纤特性: ☆ 线性特性: 吸收(损耗, 衰减), 色散; ☆ 非线性特性: 自相位调制, 受激散射, 四波混频. 〇 了解光纤通信 About light (self-studying)
9
How do I teach？
讲授
讲方法：学习方法，研究方法。
讨论
Sometimes, I would like to discuss some questions with you. To ask questions and express your ideas! And, because I will tailor the class to your background. (Give background survey.)
14
Remember some useful numbers
玻璃中的光速 v = c / n 其中 c = 3 x 108 m/s, n ~ 1.5 频率 × 波长 = 光速 e.g. for 1.5mm, frequency = 200THz 波长用microns (微米mm) and nanometres (纳米nm)来衡量 频率用 吉赫兹（GHz，109 Hz）来衡量 A WDM channel spacing at 1.55mm might be 1nm - what is this in frequency? About 125GHz 0.8nm ~ 100GHz - well worth remembering! An optical amplifier has a pass band of 30-40nm ie ~4THz 脉冲宽度用皮秒(ps, 10-12 s)或飞秒 (fs, 10-15 s) 来衡量
非线性光学
~ ( , E 2 ) n( ) 3 Re( (3) ) E 2 非线性折射率： n xxxx 8n (3 - 1.3.2)
其中，假设光场为线偏振，且偏振方向为 x。
6
7、非线性
光纤中的非弹性散射：
5月17-24日
1、拉曼散射和受激拉曼散射 SRS
fout 为拉曼散射光 fin fin = fout + f ； 石英系光纤 f ~ 13.2 THz 在光波频段 光学声子 f 增益谱与泵浦波长相关（ 3-图8.1）
DCF 光纤 SMF 光纤
DCF 光纤
数十到数百米
光信号 接收端机 光耦合器 反向泵浦激光 器及控制电路
SSMF 8 m ，受激拉曼散射的阈值 ~ 500mW DCF 4~5 m，受激拉曼散射的阈值 ~ 100mW
10
7、非线性
2、拉曼光纤放大器
5月17-24日
优点主要包括：
1、频带宽（13.2THz ~100nm，增加泵浦源可以拓宽放大器的增益频带）； 2、噪声系数低（低于 EDFA，光纤中自发拉曼散射的效率很低 106）。
当光纤转变为非线性传输系统时，其电偶极子的极化强度 P 与 电场的关系满足非线性关系：
P 0{ (1) E ( 2) EE (3) EEE } (3-1.3.1)
其中 n 是三维空间的 n + 1 阶张量，元素个数为 3 n + 1。
1、拉曼散射和受激拉曼散射 SRS
fout 为拉曼散射光 fin fin = fout + f ； 石英系光纤 f ~ 13.2 THz 在光波频段 fsingal = fout 光学声子 f 增益谱与泵浦波长相关（ 3-图8.1）
其中，假设光场为线偏振，且偏振方向为 x。
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7、非线性
光纤中的非弹性散射：
5月17-24日
1、拉曼散射和受激拉曼散射 SRS
fout 为拉曼散射光 fin fin = fout + f ； 石英系光纤 f ~ 13.2 THz 在光波频段 光学声子 f 增益谱与泵浦波长相关（ 3-图8.1）
DCF 光纤 SMF 光纤
DCF 光纤
数十到数百米
光信号 接收端机 光耦合器 反向泵浦激光 器及控制电路
SSMF 8 m ，受激拉曼散射的阈值 ~ 500mW DCF 4~5 m，受激拉曼散射的阈值 ~ 100mW
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7、非线性
2、拉曼光纤放大器
5月17-24日
优点主要包括：
1、频带宽（13.2THz ~100nm，增加泵浦源可以拓宽放大器的增益频带）； 2、噪声系数低（低于 EDFA，光纤中自发拉曼散射的效率很低 106）。
当光纤转变为非线性传输系统时，其电偶极子的极化强度 P 与 电场的关系满足非线性关系：
P 0{ (1) E ( 2) EE (3) EEE } (3-1.3.1)
其中 n 是三维空间的 n + 1 阶张量，元素个数为 3 n + 1。
1、拉曼散射和受激拉曼散射 SRS
fout 为拉曼散射光 fin fin = fout + f ； 石英系光纤 f ~ 13.2 THz 在光波频段 fsingal = fout 光学声子 f 增益谱与泵浦波长相关（ 3-图8.1）
非线性光学课件第一章
极化率表示：
电极化强度：
P 1 j 0 1 j E j Nex 1 j .
可以得到：
1
j
N e / m
2
0 D j
.
极化率表示：
三阶非线性极化率为：
3 ijkl q , m , n , p
ijk 2 , 2 , 1 E j 2 Ek 1
2
2 0 ijk 2 , 1 , 2 E j 1 Ek 2 .
2
jk
二次谐波产生：
P i 3 0 ijk 2 , 1 , 1 E j 1 Ek 1 .
n
电极化和电场关系表达式：
Pi m n 0 ijk m n , n , m E j n Ek m .
2 jk
nm
2 ijk m n , n , m
表示二阶非线性极化率张量的分量。
和频产生：
2 Pi 3 0 ijk 2 , 1 , 2 E j 1 Ek 2 jk
2 jk
nm
我们需要确定六个张量
2 2 2 ijk 1 , 3 , 2 , ijk 1 , 2 , 3 , ijk 2 , 3 , 1 , 2 2 2 ijk , , , , , , 2 1 3 ijk 3 1 2 ijk 3 , 2 , 1
对于非共振激发的极化率的数量级为：
1 2 3
1,
1 2
/ Eat 1.94 10
12
m /V,
/ Eat 3.78 1024 m2 / V 2 .
非线性光纤光学1
单色平面波： P = （3）电磁场能量密度
E0
2
2ωμ 0
k=
H0
2
2ωε 0
k
[W.m-2] [J.m-3]
1 1 w = εE 2 + μ 0 H 2 2 2
光的粒子性
E = hω , p = hk
单位体积内的光子数（光子密度）：
w N= hω
光子流密度：
1 2 1 w = εE + μ 0 H 2 2 2
电磁场的能量和能流
（1）电磁场能量守恒定律
∇ ⋅ (E × H ) = −
∂ ⎛1 1 ⎞ μ 0 H 2 + εE 2 ⎟ ⎜ ∂t ⎝ 2 2 ⎠
∂B ∂D ∂B ∂D ∇×E = − , ∇×H = ∇ ⋅ (E× H) = H ⋅ (∇ × E) − E ⋅ (∇ × H) = −H ⋅ − E ⋅ ∂t ∂t ∂t ∂t
全内反射和临界角
n2 θi > θc = sin n1
Snell定律
E i = E i 0 e − j k i ⋅ r E r = E r 0 e − j k r ⋅ r E t = E t 0 e − jk t ⋅ r
选择坐标系使kix=0:
k i = e y k iy + e z k iz
n × E i 0 e − i ( k i ⋅ r − ωt ) + E r 0 e − i ( k r ⋅ r − ωt ) = n × E t 0 e − i ( k t ⋅ [ n 2 − sin 2 θ i ]1 2 Et 0 2 cos θ i = r⊥ = , t⊥ = = 2 2 12 Ei 0 cos θ i + [ n − sin θ i ] Ei 0 cos θ i + [ n 2 − sin 2 θ i ]1 2
E0
2
2ωμ 0
k=
H0
2
2ωε 0
k
[W.m-2] [J.m-3]
1 1 w = εE 2 + μ 0 H 2 2 2
光的粒子性
E = hω , p = hk
单位体积内的光子数（光子密度）：
w N= hω
光子流密度：
1 2 1 w = εE + μ 0 H 2 2 2
电磁场的能量和能流
（1）电磁场能量守恒定律
∇ ⋅ (E × H ) = −
∂ ⎛1 1 ⎞ μ 0 H 2 + εE 2 ⎟ ⎜ ∂t ⎝ 2 2 ⎠
∂B ∂D ∂B ∂D ∇×E = − , ∇×H = ∇ ⋅ (E× H) = H ⋅ (∇ × E) − E ⋅ (∇ × H) = −H ⋅ − E ⋅ ∂t ∂t ∂t ∂t
全内反射和临界角
n2 θi > θc = sin n1
Snell定律
E i = E i 0 e − j k i ⋅ r E r = E r 0 e − j k r ⋅ r E t = E t 0 e − jk t ⋅ r
选择坐标系使kix=0:
k i = e y k iy + e z k iz
n × E i 0 e − i ( k i ⋅ r − ωt ) + E r 0 e − i ( k r ⋅ r − ωt ) = n × E t 0 e − i ( k t ⋅ [ n 2 − sin 2 θ i ]1 2 Et 0 2 cos θ i = r⊥ = , t⊥ = = 2 2 12 Ei 0 cos θ i + [ n − sin θ i ] Ei 0 cos θ i + [ n 2 − sin 2 θ i ]1 2
非线性光学PPT课件
光与介质相互作用，介质的物理参量如极 化率、吸收系数、折射率等是光场强度的 函数(非线性吸收和色散、光克尔效应、 自聚焦)
光束通过光学系统，入射光强与透射光强 之间呈非线性关系，从而实现光开关(光 限制、光学双稳、各种干涉仪开关)
多束光在介质中交叉传播，各光束的相 光束之间可以相互传递相位信息，而且两
Nonlinear Optics 非线性光学
2019/11/23
1
第1章 绪 论
§1.1 非线性光学的意义
1.1.1非线性光学是非线性物理学的分支学科
非线性物理学是研究在物质间宏观强相互作用下普遍存 在着的非线性现象，也就是作用和响应之间的关系是非线性 的现象。非线性光学是非线性物理学的一个分支，它是描述 强光与物质发生相互作用的规律。非线性光学在激光发明之 后迅速发展起来，它所揭示的大量新现象极大地丰富了非线 性物理学的内容。
(E) (1) (2) E E (3) 2 (1) (2) (E) (3) (E2 )
16
§1.2 非线性光学的主要研究内容
两大类：
1)光在非线性介质中传播时由于和介质发生非线性作用 自身所受的影响；
2)介质本身在光作用下的性质，由此可以推断介质内部 的结构及其变化---非线性光谱学。
10
• 若入射光是激光，光强比普通光高几个数量级，极化强度 展开为光场的幂级数，要考虑高幂次项的作用。
极化强度 P(r,t) 按入射光频信号电场 E(r,t) 的幂级数
展开的形式为：
P
=
(1)
0
E
0(2)
:
EE
(3)
0
EEE
= PL PNL
光束通过光学系统，入射光强与透射光强 之间呈非线性关系，从而实现光开关(光 限制、光学双稳、各种干涉仪开关)
多束光在介质中交叉传播，各光束的相 光束之间可以相互传递相位信息，而且两
Nonlinear Optics 非线性光学
2019/11/23
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第1章 绪 论
§1.1 非线性光学的意义
1.1.1非线性光学是非线性物理学的分支学科
非线性物理学是研究在物质间宏观强相互作用下普遍存 在着的非线性现象，也就是作用和响应之间的关系是非线性 的现象。非线性光学是非线性物理学的一个分支，它是描述 强光与物质发生相互作用的规律。非线性光学在激光发明之 后迅速发展起来，它所揭示的大量新现象极大地丰富了非线 性物理学的内容。
(E) (1) (2) E E (3) 2 (1) (2) (E) (3) (E2 )
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§1.2 非线性光学的主要研究内容
两大类：
1)光在非线性介质中传播时由于和介质发生非线性作用 自身所受的影响；
2)介质本身在光作用下的性质，由此可以推断介质内部 的结构及其变化---非线性光谱学。
10
• 若入射光是激光，光强比普通光高几个数量级，极化强度 展开为光场的幂级数，要考虑高幂次项的作用。
极化强度 P(r,t) 按入射光频信号电场 E(r,t) 的幂级数
展开的形式为：
P
=
(1)
0
E
0(2)
:
EE
(3)
0
EEE
= PL PNL
光纤光学第一章
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
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；
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
从而使光纤可用于通信之中。 11）1970年，美国的 Coring Glass
损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤，
Corporation 采用化
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。
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。
光纤传感器所具有的独特优势：
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。
非线性光学 第一章
(1) (1) P (t ) 0 ( ) E ( )e it d
( 2) ( 2) P (t ) d1 d 2 0 (1 , 2 ) : E (1 ) E ( 2 )e i (1 2 )t
( n) ( n) dP(t ) 0 R (t 1 ,..., t n ) | E( 1 )...E ( n )d 1...d n
( 2) (n) P (t ) d 1... d n 0 R (t 1 ,..., t n ) | E ( 1 )...E ( n )
第二章 极化率理论
§1 介质对光场的非线性响应
§2 非线性极化率的经典描述
§3 非线性极化率的量子力学描述
§4 双费曼图法
§5 共振增强的极化率
§6 局域场对极化率的修正
§1
介质对光场的非线性响应
一、电场强度和极化强度的表示方法：
E (r , t ) E0 (r ) cos(t )
虚部对应介质的吸收。
( n 1) P E (n) E原子 P
( n) : n 1 阶张量，张量元一般为复数，实部对应介质的折射率，
E原子 是介质中的原子内场，典型值为 3 1010 V / m
二、学科特点
1、非线性光学（强光光学）与线性光学（弱光光学）的区别：
( 3) ( 3) P (t ) d1 d2 d3 0 (1 , 2 , 3 ) E (1 ) E (2 ) E (3 )e i (1 2 3 )t
入射光场具有分立的频率情况下：
(1) (1) P (t ) 0 (n ) E (n )e int n ( 2) ( 2) P (t ) 0 ( m , n ) : E ( m ) E ( n )e i (
( 2) ( 2) P (t ) d1 d 2 0 (1 , 2 ) : E (1 ) E ( 2 )e i (1 2 )t
( n) ( n) dP(t ) 0 R (t 1 ,..., t n ) | E( 1 )...E ( n )d 1...d n
( 2) (n) P (t ) d 1... d n 0 R (t 1 ,..., t n ) | E ( 1 )...E ( n )
第二章 极化率理论
§1 介质对光场的非线性响应
§2 非线性极化率的经典描述
§3 非线性极化率的量子力学描述
§4 双费曼图法
§5 共振增强的极化率
§6 局域场对极化率的修正
§1
介质对光场的非线性响应
一、电场强度和极化强度的表示方法：
E (r , t ) E0 (r ) cos(t )
虚部对应介质的吸收。
( n 1) P E (n) E原子 P
( n) : n 1 阶张量，张量元一般为复数，实部对应介质的折射率，
E原子 是介质中的原子内场，典型值为 3 1010 V / m
二、学科特点
1、非线性光学（强光光学）与线性光学（弱光光学）的区别：
( 3) ( 3) P (t ) d1 d2 d3 0 (1 , 2 , 3 ) E (1 ) E (2 ) E (3 )e i (1 2 3 )t
入射光场具有分立的频率情况下：
(1) (1) P (t ) 0 (n ) E (n )e int n ( 2) ( 2) P (t ) 0 ( m , n ) : E ( m ) E ( n )e i (
非线性光学课件
光学奠定了理论基础：
–物质对光波场的非线性响应及其描述方法； –光波之间以及光波与物质之间相互作用的理论； –光通过界面时的非线性反射和折射的理论。
其他说法：
介质在强激光场作用下产生的极化强度与入射辐射场强之间
不再是线性关系，而是与场强的二次、三次以至于更高次项 有关，这种关系称为非线性。凡是与非线性有关的光学现象 称为非线性光学现象，属于非线性光学的研究内容。
产生
改变原来 的光场
物质对光的反作用
使物质产生 电磁场辐射
光与物质的相互作用原理
非线性光学(激光为光源)与线性光学(普通光为 光源)有本质的区别，两种情况下，在光与物质 相互作用或光波之间的相互作用中所表现的特 性不同。
1.非线性光学与线性光学的主要区别
线性光学 光在介质中传播，通过干涉、衍射、折 射可以改变光的空间能量分布和传播方 向，但与介质不发生能量交换，不改变 光的频率 多束光在介质中交叉传播，不发生能量 相互交换，不改变各自的频率 光与介质相互作用，不改变介质的物理 参量，这些物理参量只是光频的函数， 与光场强度变化无关 光束通过光学系统，入射光强与透射光 强之间一般成线性关系 非线性光学 一定频率的入射光，可以通过与介质的相 互作用而转换成其他频率的光(倍频等)， 还可以产生一系列在光谱上周期分布的不 同频率和光强的光(受激拉曼散射等) 多束光在介质中交叉传播，可能发生能量 相互转移，改变各自频率或产生新的频率 （三波与四波混频） 光与介质相互作用，介质的物理参量如极 化率、吸收系数、折射率等是光场强度的 函数(非线性吸收和色散、光克尔效应、 自聚焦) 光束通过光学系统，入射光强与透射光强 之间呈非线性关系，从而实现光开关(光 限制、光学双稳、各种干涉仪开关)
(n+1)
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1
光纤的类型（6）—按照ITU-T提出的规范划分:
✓ 多模光纤G.651(MMF)， ✓ 单模光纤G.652（常规单模光纤） ✓ G.653光纤（色散位移光纤） ✓ G.654（低损耗光纤） ✓ G.655（非零色散位移光纤） ✓ G.656光纤（宽带光传输用非零色散位移光纤） ✓ G.657光纤（弯曲不敏感光纤） ✓ 色散平坦光纤（DFF） ✓ 色散补偿光纤（ DCF ）
1
✓〕
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
1
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
用模场直径2w，即光斑
尺寸表示，近似为：
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
2w
2a
w a 0 .6 9 1 .1 6 1 9 V 3 2 2 .8 7 9 V 6
上式在1.2<V<2.14范围内,误差<1%。
归一化模场半径w/a与归一化频率V的关系
例如，V＝2时，几乎75%的模式功率在纤芯内，而当V＝1 时，降到20%，这就是为什么大多数通信光纤的V值在 2<V <2.4。
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1 。
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
1
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
(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1射率的玻璃棒上。随后发展成塑料包层。
当V<2.405时，光纤只能传输基模一个模式，其他模式 均被截止。满足单模传输条件的最小波长称为截止波长，
c2V can1
22an1 2(m)
2.405
1
✓单模光纤模场直径（MFD）
e=2.71828
对单模光纤，2a与处 于同一量级，由于衍射 效应，模场强度有相当 一部分处于包层中，不 易精确测出2a的精确值， 因而只有结构设计上的 意义，在应用中并无实 际意义，实际应用中常
✓ 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。
➢ 非汽相沉积法
✓ 多组分玻璃法 ✓ 凝胶法 ✓ 机械成形光纤预制棒法
1
化学气相沉积法(CVD) ✓ 美国康宁公司1970年首先得到20dB／km的低损耗光纤所
采用的方法，它是光纤制造采用的基本工艺。 ✓ 这种工艺必须满足两个要求，即高纯度和精确控制折射率
分布。
S i C l 4 + O 2 S i O 2 + 2 C l 2 ; S i C l 4 + 2 H 2 O S i O 2 + H C l
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
1
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。
1
1
1
N A = 2 n 1 ( n 1 ) 2 n 1 ( 2 ) 2 1 .4 6 ( 2 0 .0 0 3 ) 2 0 .1 1 3
最 大 可 接 收 角 s i n m a x N A / n 0 0 . 1 3 3 / 1 或 者 m a x 6 . 5
单 模 传 输 的 条 件 是 V 2 . 4 0 5 , 对 应 的 截 止 波 长 为
1
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) 1300、1550nm 多模LD
非线性光纤光学第一章绪论
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
1
(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。
【V，Pcore Ptotal ，但是V>2.405后，就不是单模运转了！】
1
举 例：
1. 纤芯折射率n1=1.468，包层折射率n2=1.447，假如光源波 长为1300nm，计算单模光纤的纤芯半径是多少？
解 ： 当 V2 .4 0 5 时 可 以 实 现 单 模 传 输 ， 于 是
V2a1 n12n2 22.405
✓ 多模光纤 2a=50 m
✓ 单模光纤 2a=4~10 m 外径： 2b=125m
单模光纤和多模光纤
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1
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
c 2 a N A /2 .4 0 5 1 .1 8 m
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光纤制造
原料制备 原料提纯 制棒 拉丝 涂敷 筛选 合格光纤
纯度分析 质量控制
性能测量
制造光纤的工艺流程
1
(1)制作预制棒
➢ 汽相沉积法
✓ CVD－化学汽相沉积法 ✓ MCVD—改进的化学汽相沉积法 ✓ PCVD－等离子体化学汽相沉积法 ✓ OVD－棒外汽相沉积法 ✓ VAD－轴向汽相沉积法
• 但 NA 越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信 息传输容量。所以要根据使用场合，选择适当的 NA。
1
✓折射率分布系数 折射率分布系数是用来描述折射率变化规律的物理量。
纤芯中心的折射率
折射率分布系数
n(r) n(0) 12(r) r a a
n(r) n2
r a 纤芯半径
折射率分布函数
最 大 的 角 应 该 是 使 c 。 在
n0 / n1 界面，根据斯奈尔(Snell)定律，得
到
sin max
sin 90o c
n1 n0
全 反 射 时 满 足 ， sinc n2 n1 ， 将此式
代入上式，得到
sinmax
n12 n22 1 2 n0
当光从空气进入光纤时， n0 1，所以
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。
损失
n2
消逝波
A 全反射
n1 n2
不同入射角的光线
• 不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定角度范围内的光线产生的折射光线 才能在光纤中传输。假如在光纤端面的入射角是 ，在波导内光线与垂直于光纤 轴线的夹角是 。 > c(临界角)的光线将发生全反射，而 < c的光线将进入包 层泄漏出去。
• 为了光能够在光纤中传输，入射角 必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生 全发射而返回纤芯，1并以曲折形状向前传播。
1
➢ 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。
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✓归一化频率 归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。
V a k 0n 1 2 n 2 212 2aN A 2 a n 12
V值越大，能够传播的模式越多！ 可传播的模式数
光纤的类型（6）—按照ITU-T提出的规范划分:
✓ 多模光纤G.651(MMF)， ✓ 单模光纤G.652（常规单模光纤） ✓ G.653光纤（色散位移光纤） ✓ G.654（低损耗光纤） ✓ G.655（非零色散位移光纤） ✓ G.656光纤（宽带光传输用非零色散位移光纤） ✓ G.657光纤（弯曲不敏感光纤） ✓ 色散平坦光纤（DFF） ✓ 色散补偿光纤（ DCF ）
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✓〕
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
1
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
用模场直径2w，即光斑
尺寸表示，近似为：
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
2w
2a
w a 0 .6 9 1 .1 6 1 9 V 3 2 2 .8 7 9 V 6
上式在1.2<V<2.14范围内,误差<1%。
归一化模场半径w/a与归一化频率V的关系
例如，V＝2时，几乎75%的模式功率在纤芯内，而当V＝1 时，降到20%，这就是为什么大多数通信光纤的V值在 2<V <2.4。
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1 。
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
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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
(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1射率的玻璃棒上。随后发展成塑料包层。
当V<2.405时，光纤只能传输基模一个模式，其他模式 均被截止。满足单模传输条件的最小波长称为截止波长，
c2V can1
22an1 2(m)
2.405
1
✓单模光纤模场直径（MFD）
e=2.71828
对单模光纤，2a与处 于同一量级，由于衍射 效应，模场强度有相当 一部分处于包层中，不 易精确测出2a的精确值， 因而只有结构设计上的 意义，在应用中并无实 际意义，实际应用中常
✓ 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。
➢ 非汽相沉积法
✓ 多组分玻璃法 ✓ 凝胶法 ✓ 机械成形光纤预制棒法
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化学气相沉积法(CVD) ✓ 美国康宁公司1970年首先得到20dB／km的低损耗光纤所
采用的方法，它是光纤制造采用的基本工艺。 ✓ 这种工艺必须满足两个要求，即高纯度和精确控制折射率
分布。
S i C l 4 + O 2 S i O 2 + 2 C l 2 ; S i C l 4 + 2 H 2 O S i O 2 + H C l
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
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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。
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N A = 2 n 1 ( n 1 ) 2 n 1 ( 2 ) 2 1 .4 6 ( 2 0 .0 0 3 ) 2 0 .1 1 3
最 大 可 接 收 角 s i n m a x N A / n 0 0 . 1 3 3 / 1 或 者 m a x 6 . 5
单 模 传 输 的 条 件 是 V 2 . 4 0 5 , 对 应 的 截 止 波 长 为
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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) 1300、1550nm 多模LD
非线性光纤光学第一章绪论
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
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(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。
【V，Pcore Ptotal ，但是V>2.405后，就不是单模运转了！】
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举 例：
1. 纤芯折射率n1=1.468，包层折射率n2=1.447，假如光源波 长为1300nm，计算单模光纤的纤芯半径是多少？
解 ： 当 V2 .4 0 5 时 可 以 实 现 单 模 传 输 ， 于 是
V2a1 n12n2 22.405
✓ 多模光纤 2a=50 m
✓ 单模光纤 2a=4~10 m 外径： 2b=125m
单模光纤和多模光纤
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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
c 2 a N A /2 .4 0 5 1 .1 8 m
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光纤制造
原料制备 原料提纯 制棒 拉丝 涂敷 筛选 合格光纤
纯度分析 质量控制
性能测量
制造光纤的工艺流程
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(1)制作预制棒
➢ 汽相沉积法
✓ CVD－化学汽相沉积法 ✓ MCVD—改进的化学汽相沉积法 ✓ PCVD－等离子体化学汽相沉积法 ✓ OVD－棒外汽相沉积法 ✓ VAD－轴向汽相沉积法
• 但 NA 越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信 息传输容量。所以要根据使用场合，选择适当的 NA。
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✓折射率分布系数 折射率分布系数是用来描述折射率变化规律的物理量。
纤芯中心的折射率
折射率分布系数
n(r) n(0) 12(r) r a a
n(r) n2
r a 纤芯半径
折射率分布函数
最 大 的 角 应 该 是 使 c 。 在
n0 / n1 界面，根据斯奈尔(Snell)定律，得
到
sin max
sin 90o c
n1 n0
全 反 射 时 满 足 ， sinc n2 n1 ， 将此式
代入上式，得到
sinmax
n12 n22 1 2 n0
当光从空气进入光纤时， n0 1，所以
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。
损失
n2
消逝波
A 全反射
n1 n2
不同入射角的光线
• 不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定角度范围内的光线产生的折射光线 才能在光纤中传输。假如在光纤端面的入射角是 ，在波导内光线与垂直于光纤 轴线的夹角是 。 > c(临界角)的光线将发生全反射，而 < c的光线将进入包 层泄漏出去。
• 为了光能够在光纤中传输，入射角 必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生 全发射而返回纤芯，1并以曲折形状向前传播。
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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。
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✓归一化频率 归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。
V a k 0n 1 2 n 2 212 2aN A 2 a n 12
V值越大，能够传播的模式越多！ 可传播的模式数