光纤光学

1.2 光纤技术基础
大致了解光纤的基本结构； 大致了解光纤的基本结构； 熟悉常见光纤的材料； 熟悉常见光纤的材料； 并初步了解光纤的应用场合。 并初步了解光纤的应用场合。
序
对于不用的应用场合， 对于不用的应用场合，应该根据需求选用不用类 型的特殊光纤。 型的特殊光纤。
决定光纤性能的因素就是光纤纤芯——包层结构 包层结构 决定光纤性能的因素就是光纤纤芯 和构成光纤的材料成分。 和构成光纤的材料成分。 各类型的通信光纤有不同的特殊要求： 各类型的通信光纤有不同的特殊要求：
3 The Feature of Optical Fiber
几何特性+光学特性+传输特性+ 几何特性+光学特性+传输特性+机械特性
几何特性：纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度； 几何特性：纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度； 光学特性：折射率分布、 、 和截止波长； 光学特性：折射率分布、NA、MFD和截止波长； 和截止波长 传输特性：损耗（衰减）、带宽和色散； 传输特性：损耗（衰减）、带宽和色散； ）、带宽和色散 机械特性：抗拉、抗弯、抗扭曲、抗磨损性能。 机械特性：抗拉、抗弯、抗扭曲、抗磨损性能。
12） 1978年 Hill博士首次将光学反射镜 12） 1978年，加拿大的 K. Hill博士首次将光学反射镜 或滤波器写入光纤，开拓了光纤光栅研究与应用。 或滤波器写入光纤，开拓了光纤光栅研究与应用。 13） 20世纪80年代末期，波长为1.55 μm的EDFA研制成 13） 20世纪80年代末期，波长为1.55 μm的EDFA研制成 世纪80年代末期 功并投入实用， 功并投入实用，将光纤通信的波段移到光纤最低的损耗 窗口。成为光纤通信发展史上另一个重要的里程碑。 窗口。成为光纤通信发展史上另一个重要的里程碑。 14） 之后，随着光纤通信的迅猛发展， 14） 之后，随着光纤通信的迅猛发展，出现了多种新型 波导结构光纤和新材料光纤，并在通信、传感、照明、 波导结构光纤和新材料光纤，并在通信、传感、照明、 医学、军事、航空航天等领域得到广泛的应用。 医学、军事、航空航天等领域得到广泛的应用。
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
1.3 光纤与通信网络
1、1880年，美国人贝尔（BELL）发明了光电话系统。 、 年 美国人贝尔（ ）发明了光电话系统。
M A L B N
弧光灯
送话器
光话机原理图
2、 1960年，美国人梅曼（MAIMAN）发明第一台红宝石激光器。 、 年 美国人梅曼（ ）发明第一台红宝石激光器。
短距离传输，要求芯径要大，尽可能多收集光能量。 短距离传输，要求芯径要大，尽可能多收集光能量。 长距离传输，则要求芯径小，单模传输，实现高速传输。 长距离传输，则要求芯径小，单模传输，实现高速传输。
1 The Structure of Optical Fiber
光纤是由纤芯、包层所构成的光波传输介质， 光纤是由纤芯、包层所构成的光波传输介质，一般 是由纤芯 所构成的光波传输介质 为双层或多层同心圆柱形细丝，为轴对称结构。 为双层或多层同心圆柱形细丝，为轴对称结构。
6、1976年，美国在 、 年 美国在ATLANTA进行世界第一个光纤通信 进行世界第一个光纤通信 的实验，速率44.7Mb/s，距离10km。 的实验，速率 ，距离 。
一、全球海底网络与陆地网络
1）1986年在北海海底铺设第一条国际海底光纤链路，连 ） 年在北海海底铺设第一条国际海底光纤链路， 年在北海海底铺设第一条国际海底光纤链路 接英格兰和比利时。 接英格兰和比利时。 2）1988年又开通第一条跨大西洋的海底光缆线路，长 ） 年又开通第一条跨大西洋的海底光缆线路， 年又开通第一条跨大西洋的海底光缆线路 6500公里（TAT-8项目）。到 1996年，采用 公里（ 项目） 公里 项目 年 采用WDM技术扩 技术扩 。（TAT-12&TAT-13项目） 项目） 容。（ 项目 3）1989年，美国与日本间的第一条太平洋光缆线路开通 ） 年 4）至1996年，共建成 条跨大西洋的光缆线路。至1997年 ） 条跨大西洋的光缆线路。 年 共建成7条跨大西洋的光缆线路 年 全球光缆互联线路网投入运行，光缆总长2.8万 。 全球光缆互联线路网投入运行，光缆总长 万km。 5）1993年10月，世界最长的一条陆上光缆在中国开通； ） 年 月 世界最长的一条陆上光缆在中国开通； 从北京到海南，全长4700公里。随后又与亚太 个国家或 公里。 从北京到海南，全长 公里 随后又与亚太9个国家或 地区联合建成亚太海底光缆网，总长1100公里。 公里。 地区联合建成亚太海底光缆网，总长 公里
纤芯的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯内传输。 纤芯的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯内传输。 的折射率比包层稍高 包层为光的传输提供反射面和光隔离， 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保 为光的传输提供反射面和光隔离 护作用。 护作用。 （由纤芯和包层组成的光纤常称为裸纤，若直接使用， 由 由纤芯和包层组成的光纤常称为裸纤，若直接使用， 于裸露在环境中, 容易受到外界温度、 压力、 于裸露在环境中 容易受到外界温度、 压力、 水气的侵蚀 因而实际中应用的光纤都在裸光纤的外面增加了） 等， 因而实际中应用的光纤都在裸光纤的外面增加了） 涂敷层, 用来缓冲外界的压力 增加光纤的抗拉、 缓冲外界的压力, 涂敷层 用来缓冲外界的压力 增加光纤的抗拉、 抗压强度 并改善光纤的温度特性和防潮性能等。 并改善光纤的温度特性和防潮性能等。
照明光纤：芯径大，包层薄，提高收集光功能效率 照明光纤：芯径大，包层薄，提高收集光功能效率
和使用寿命（传输大功率光能量）。 高和使用寿命（传输大功率光能量）。
通信光纤：小纤芯，厚包层， 通信光纤：小纤芯，厚包层，易于实现光信
号的单模长距离传输。 号的单模长距离传输。
光纤技术的广阔应用领域
光纤技术
10）1966年，高锟博士（“光纤之父”）发表著名论文 10）1966年 高锟博士（ 光纤之父” 用于光频率的绝缘纤维表面波导管” 首次明确提出， “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 通过改进制备工艺，减少原材料杂质， 改进制备工艺 损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km 20dB/km的光 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。 从而使光纤可用于通信之中。 11）1970年，美国的 11）1970年 Coring Glass Corporation 采用化 学气相沉积法CVD CVD工艺 学气相沉积法CVD工艺 制出世界上第一根通 信用光纤。 信用光纤。
4 The Applications of Optical Fiber
图象光纤（光纤像束）：
由数万根长度一定、 由数万根长度一定、直径为 10微米左右的光学纤维，两 微米左右的光学纤维， 微米左右的光学纤维 端按照一一对应的关系紧密 排列集结为一体的能够直接 接收和传递图像的光学纤维 成像器件。 成像器件。 纤芯较粗、包层较薄， 纤芯较粗、包层较薄，可使 光纤传光效率提高； 光纤传光效率提高；同时减 小每根光纤的尺寸， 小每根光纤的尺寸，通过增 加光纤束的数量来提高图象 传输的分辨率。 传输的分辨率。
1972年——4dB 年 1973年——2.5dB 年 1974年——1.1dB 年 1978年——0.2dB 年 1984年——0.157dB 年 1986年——0.154dB 年
5、1970年，日本研制出室温下连续工作的激光器。 、 年 日本研制出室温下连续工作的激光器。
1973年——7000小时 年 小时 1977年——10万小时 年 万小时
教材： 教材： [1] 饶云江 光纤技术 科学出版社，2006. 饶云江. 光纤技术. 科学出版社，
参考文献： 参考文献： [1] 廖延彪. 光纤光学 清华大学出版社，2001. 廖延彪 光纤光学. 清华大学出版社， [2] 刘德明，向清，黄德修 光纤光学 国防工业出 刘德明，向清，黄德修.光纤光学 光纤光学.国防工业出 版社，2000. 版社， [3] Jeff Hecht 著，贾东方 译.光纤光学 人民邮电 光纤光学.人民邮电 光纤光学 出版社， 出版社，2004.
1927年 Baird、Hansell等人提出了用电介质光 4) 1927年，Baird、Hansell等人提出了用电介质光 纤传递光学图象的设想； 纤传递光学图象的设想； 1929-1930年 美国的哈纳尔（Hanael） 5) 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， 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； 象的短距离传输； 6）1951年，光导纤维镜(Fiberscope) ，并用于医用 1951年 光导纤维镜(Fiberscope) 图像传输。 图像传输。 卡帕尼（ 7）1953年，英国的纳林德尔·卡帕尼（Narinder 1953年 英国的纳林德尔 卡帕尼 Kapany）发明芯包双层结构的光导纤维（光纤）。 Kapany）发明芯包双层结构的光导纤维（光纤）。 8）20世纪60年代，无线激光通信。 20世纪60年代，无线激光通信。 世纪60年代 9）20世纪60年代后期和70年代早期，钢制波导管光 20世纪60年代后期和70年代早期， 世纪60年代后期和70年代早期 通信。 通信。
3、1966年，英国华裔科学家高锟（C.K.Kao）提出介质 、 年 英国华裔科学家高锟（ ） 新概念的理论，奠定现代光纤通信的理论基础， 新概念的理论，奠定现代光纤通信的理论基础， 被称为 光纤通信之父。 光纤通信之父。
4、1970年，美国康宁玻璃公司首先研制出损耗为 、 年 20db/km光纤。 光纤。 光纤
石英系光纤：通常有极小的掺杂， 石英系光纤：通常有极小的掺杂，最常用的光纤 。 全塑光纤：成本低，数值孔径大，但传输损耗大。 全塑光纤：成本低，数值孔径大，但传输损耗大。 外塑内石英光纤：应用于常要求较大弯曲的通信场合。 外塑内石英光纤：应用于常要求较大弯曲的通信场合。 氟化物光纤（红外光纤）：传输远红外光损耗小。 氟化物光纤（红外光纤）：传输远红外光损耗小。 ）：传输远红外光损耗小 液芯光纤：纤芯为液体，满足特定要求。 液芯光纤：纤芯为液体，满足特定要求。
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
有源无源器件 光纤通信干线 光交换接入网 AON DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H
光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块

Ch1 绪论 讲述光纤光学的起源、研究范畴及其发展现状。 讲述光纤光学的起源、研究范畴及其发展现状。 1.1 光纤的发展历程 1.2 光纤技术基础 1.3 光纤与通信网络 1.4 光纤与传感技术 1.5 光纤技术的发展趋势
1.1 光纤的发展历程
1）远古时期，可见光的视觉通信。 远古时期，可见光的视觉通信。 2）1870年，英国的廷达 1870年 Tyndall） 尔（Tyndall）演示了光 在一束细水流中进行全 内反射传输的现象。 内反射传输的现象。 使用全内反射来解决光 可以保持在一个弯曲的 介质内部传输的问题。 介质内部传输的问题。 3）1910年，Deby和Hondros用波动理论对电介质中的 ） 年 和 用波动理论对电介质中的 光路理论进行了分析； 光路理论进行了分析；
Content： ： ch1 绪论 ch2 光纤拉制与成缆 ch3 光纤传输理论 ch4 新型光纤和光纤的基本特性 ch5 光无源器件 ch7、 ch7、ch8 光纤的应用
学习方法： 学习方法：
时间的逻辑——光纤发展的历史链条； 光纤发展的历史链条； 时间的逻辑 光纤发展的历史链条 认识的逻辑——理论发展的逻辑轨迹； 理论发展的逻辑轨迹； 认识的逻辑 理论发展的逻辑轨迹 学习的逻辑——在学习已有知识的过程中，学会 在学习已有知识的过程中， 学习的逻辑 在学习已有知识的过程中 如何在遇到问题时，进行分析与解决。 如何在遇到问题时，进行分析与解决。 按照“学习的逻辑”，以解决问题为核心，围绕 按照“学习的逻辑” 以解决问题为核心， 问题及其解决方案与途径，来组织教学。 问题及其解决方案与途径，来组织教学。
光波导的基本概念
导波光： 导波光：受到约束的光波 光波导： 光波导：约束光波传输的媒介 介质光波导三要素： 介质光波导三要素：
–“芯 / 包”结构 “ –凸形折射率分布，n1>n2 凸形折射率分布， 凸形折射率分布 –低传输损耗 低传输损耗
2 The Material of Optical Fiber