強(qiáng)-光纖光學(xué)第一講

教學(xué)要求物理光學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法。先導(dǎo)課程：課程要求:掌握光纖光學(xué)基本概念和重要結(jié)論學(xué)習(xí)分析和解決問(wèn)題的思路與方法注重物理內(nèi)涵而不必拘泥于繁雜的數(shù)

算授課形式:課堂講授課堂提問(wèn)與課堂測(cè)驗(yàn)與習(xí)題課考試:

閉卷成績(jī):

考試70%；平時(shí)成績(jī)30%(課堂測(cè)驗(yàn)/作業(yè)).2015-03-11?

HUST

2015教學(xué)參考書《光纖光學(xué)》

劉德明、向清、黃德修《光纖技術(shù)及其應(yīng)用》劉德明、向清、黃德修《導(dǎo)波光學(xué)》

范崇澄、彭吉虎《光波導(dǎo)理論與技術(shù)》李玉權(quán)等“Optical

Waveguide

Theory”

Snyder

A

W.“Understand

fiber-optical

communication”

公眾平臺(tái)名稱為：“華

光纖光學(xué)教學(xué)平臺(tái)”，

為：“HUSTFO”2015-03-11?

HUST

2015課程內(nèi)容與進(jìn)度安排緒論(2學(xué)時(shí))光纖光學(xué)的基本方程(4學(xué)時(shí))階躍折射率分布光纖(8學(xué)時(shí))漸變折射率分布光纖(8學(xué)時(shí))光纖的特征參數(shù)與測(cè)試技術(shù)(8學(xué)時(shí))光纖無(wú)源及有源器件(8學(xué)時(shí))光纖的連接與耦合(2學(xué)時(shí)))光子晶體光纖(特種光纖與光纜(光纖應(yīng)用技術(shù)())2015-03-11?

HUST

2015第一章：緒論信息時(shí)代需要光纖通信光波是理想的信息載體光纖是神奇的信息傳輸光纖通信的發(fā)展與演變光纖信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)及應(yīng)用——“中國(guó)·光谷”2015-03-11?

HUST

2015科技發(fā)展的兩個(gè)典型例子飛行器信息時(shí)代需要光纖通信2015-03-11?

HUST

2015In

the

last

100

years

….in

Transportation2015-03-11?

HUST

20152015-03-11?

HUST

20152015-03-11?

HUST

20152015-03-11?

HUST

20152015-03-11?

HUST

20155galaxy

note

II2015-03-11?

HUST

20152015-03-11?

HUST

2015A

well-knownChinese

saying:“秀才不出門，能知天下事”——“A

truly

knowledgeablescholar

can

know

everythingunder

the

heaven

without

leaving

his

house.”?在古代，讀成千上萬(wàn)本書！在今天，漫游Internet

網(wǎng)絡(luò)！信息時(shí)代：信息家庭化、化、電視、傳真、數(shù)字廣播家庭影院、

點(diǎn)播、

晰度電視可視

、可視會(huì)議、家庭辦公計(jì)算機(jī)、互連網(wǎng)、電子郵件學(xué)習(xí)、

、資訊檢索交易、金融業(yè)務(wù)、社區(qū)服務(wù)安全

、

系統(tǒng)、智能家庭？2015-03-11?

HUST

2015信息傳輸速率與媒介的容量信息傳輸速率–

Audio:9.6-128kbit/s–

TV:1-6Mbit/s–

HDTV:10-100Mbit/s通信媒介傳輸速率：–

/微波：140

Mbit/s–同軸電纜：60Mbit/s–光纖：50Tbit/s2015-03-11?

HUST

2015光波是理想的信息載體電磁波：交變的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，交變的磁場(chǎng)又會(huì)激起交變的電場(chǎng)，這種電場(chǎng)、磁場(chǎng)無(wú)限地交變產(chǎn)生，合稱電磁場(chǎng)。這種交變的電開去，這就是電磁波。磁場(chǎng)會(huì)在空間以波的形式由近及遠(yuǎn)地光也是一種電磁波麥克斯韋1865年電磁場(chǎng)理論赫茲1888年實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波存在2015-03-11?

HUST

2015在電磁波譜中，光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長(zhǎng)范圍為：300

m~

6×10?3

m。2015-03-11?

HUST

2015電磁波譜頻率(Hz)波長(zhǎng)

(m)radiomicrowave

infraredultraviolet106

107108

109

1010

1011

1012

1013

10141016

1017100

101

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-610-7

10-8

10-9(10-6

m=1m;

10-9

m

= 1nm)光譜visible700

nm2015-03-11?

HUST

2015400

nm光子的頻率為1014Hz量級(jí)，即有很寬的信息帶寬。比微波的頻率（109Hz量級(jí)）高5個(gè)量級(jí)比無(wú)線電頻率（40-850MHz）高6-7個(gè)量級(jí)頻率波長(zhǎng)

=

光速f

=

c

= 3

x

108

m/s若=1

m=1000

nm,

f=3

x

1014

Hz=300

THz發(fā)送信號(hào)的頻率越高(波長(zhǎng)越短)，可載送的信息量就越多目前使用的光載波頻率~190

THz2015-03-11?

HUST

2015光子吸收與輻射BandgapConduction

bandValence

band光波光線折射反射n0n1n02015-03-11?

HUST

2015光的反射與折射2015-03-11?

HUST

2015光的2015-03-11?

HUST

2015光的衍射2015-03-11?

HUST

2015“光通信”——?dú)v史悠久最早的光通信(中國(guó)古代烽火臺(tái)、手旗、燈光)公元前11世紀(jì)，西周 ，烽火臺(tái)白天點(diǎn)狼糞，晚上燃柴火——“狼煙四起”2015-03-11?

HUST

2015弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動(dòng)而得到強(qiáng)弱變化的反射光束，這個(gè)過(guò)程就是調(diào)制。但是，普通光源強(qiáng)度和純度都成為制約光通信發(fā)展的因素。第一個(gè)光

系統(tǒng)：現(xiàn)代光通信的開端1880年，A.G.Bell

首次利用

光進(jìn)行通信，通信距離僅213米，這是Bell在他所有的發(fā)明中最得意的一個(gè)---Photophone，奠定了今天光通信的基礎(chǔ)。2015-03-11?

HUST

2015頻率為100太赫茲的紅寶石激光器[梅曼(Maiman)，1960]激光器的發(fā)明和應(yīng)用，光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段，它具有亮度高、譜線窄、方向性好!2015-03-11?

HUST

2015大氣光通信：受氣象條件的影響，通信不穩(wěn)定光波通信：先后出現(xiàn)過(guò)反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等驗(yàn)。但反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)造價(jià)昂貴，調(diào)整、通信的實(shí)。沒(méi)有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)！2015-03-11?

HUST

2015光纖的雛形1854年：英國(guó)的廷達(dá)爾(Tyndall)就觀察到光在水與空氣分界面上作全反射以致光隨水流而彎曲的現(xiàn)象。1929-1930年：

的哈納爾(Hanael)和德國(guó)的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纖并用于光線和圖象的短距離傳輸。2015-03-11?

HUST

20151966年,高錕（Chals

Gao）和霍克哈母(Ge e

Hockham)了用基于光學(xué)全反射原理的光導(dǎo)纖維來(lái)傳輸光的的可能性.光纖是神奇的信息傳輸2015-03-11?

HUST

2015“光纖之父”——高錕博士1966年：高錕博士

他的著名“光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)”首次明確提出,通過(guò)改進(jìn)

工藝,減少原材料雜質(zhì)

,

可使石英光纖的損耗大大下降

,

并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖,從而使光纖可用于通信之中。光纖的損耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km,致使光纖通信在世界范圍內(nèi)形成了一個(gè)充滿

的新興產(chǎn)業(yè)。2015-03-11?

HUST

2015瑞典 常任

貢諾·厄奎斯特在

招待會(huì)上說(shuō)，高錕“在有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面

取得了突破性成就”，他將獲得2010年物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共500萬(wàn)瑞典克朗(約合70萬(wàn)

)

。高錕與獎(jiǎng)2015-03-11?

HUST

2015光纖(光纜)纖芯包層涂覆層護(hù)套層外護(hù)層à強(qiáng)度元件內(nèi)護(hù)層光纖à纜芯單模：8

~10m多模：50m125m2015-03-11?

HUST

2015低損耗光纖的研制1970年，康寧公司研制成功損耗20

dB/km的石英光纖。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4

dB/km。1973年，

貝爾1974年，貝爾的光纖損耗降低到2.5

dB/km。將損耗進(jìn)一步降低到1.1

dB/km。(NTT)公司將光纖損耗降低到0.471976年， 電報(bào)dB/km(工作波長(zhǎng)1.2

m)。目前，波長(zhǎng)為1.55

m的標(biāo)準(zhǔn)光纖損耗為<0.2

dB/km。2015-03-11?

HUST

20152015-03-11?

HUST

2015光纖的演變（標(biāo)準(zhǔn)化）G.651光纖：工作波長(zhǎng)850nm；多模；損耗：3dB/kmG.652光纖：常規(guī)單模光纖，零色散波長(zhǎng)1310nm

；最低損耗窗口1550

nmG.653光纖：DSF，零色散波長(zhǎng)1550nm

；最低損耗窗口1550

nmG.655光纖：NDSF，Lucent：零色散波長(zhǎng)1530nm；Corning：>1570nm降低非線性效應(yīng)的影響。大有效面積光纖：LEAF色散補(bǔ)償光纖：全波光纖：消除OH的吸收損耗通信窗口：由0.85、1.31、1.55到S波(1.49~1.53)、C波(1.53~1.57)、L波(1.57~1.61)光纖的傳輸容量2015-03-11?

HUST

2015世界范圍的光纖敷設(shè)情況2015-03-11?

HUST

2015CharlottePortlandNewarkSyracuseRochesterColumb

aNew

OrleansNashvilleAustinHoustonTulsaOklahoma

CityAlbuquerquePhoenixAnaheimLas

VegasSalt

Lake

CityColorado

SpringsMilwaukeeDetroitClevelandColumbusCincinnatiSeattleSpokanePortlandSacramentoOaklandKansas

CityLouisvilleLittleRockJacksonvilleFort

Lauderdale

MiamiRaleighRi

ondDenverDallasnapolisPlymouthAtlantaMinneapolis

St.

PaulRedwood

CitySan

oseTampaSanBernardinoArlingtoBaltimore

Wash.D

CFt.

WorthollsRoc

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PkHonoluluOrlandoShermanOaksOjusLos

Angeles

GardenaHamiltonSquare

New

York

CityPittsburghSilverSpringsSan

FranciscoWayneChicagoPlainsHartfordCedarRollingOmah

aSt

LouisSan

FranciscoLos

AngelesAnchorage,AKSan

DiegoGatewayNodeBackbone

NodeRRemote

GSR

Access

RouterRemote

Access

RouterConcentrator

Node

(C9000)CambridgeNYC

ProFvriadmenincgehamStamfordGrand

RapidsBuffaloPhiladelphiAaltoonaBridgepPorrWovhiditeenceGlenview

MeadowsAlbanyN

X

DS3N

X

OC3N

X

OC12N

X

OC48N

XOC192光纖敷設(shè)情況2015-03-11?

HUST

2015中國(guó)光纖敷設(shè)情況2015-03-11?

HUST

20152015-03-11?

HUST

20152015-03-11?

HUST

2015光纖通信的發(fā)展與演變半導(dǎo)體通信光源的出現(xiàn)1970年， 貝爾

、

電氣公司(NEC)和前先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。雖然

只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1973

年，半導(dǎo)體激光器

達(dá)到7000小時(shí)。1976年，

NTT研制出波長(zhǎng)為1.3

m的銦鎵砷磷

(InGaAsP)

激光器。研制的半導(dǎo)體激光器(AT&T)公司和達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。NTT研制成功波長(zhǎng)為1.55

m的半1977

年，貝爾1979年， 電報(bào)導(dǎo)體激光器。光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。2015-03-11?

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2015光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展1976年，在亞特蘭大進(jìn)行世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1976年和1978年，

先后進(jìn)行了速率為

34Mb/s

的階躍多模光纖通信系統(tǒng)和速率為100

Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)1980年， 標(biāo)準(zhǔn)化FT

-

3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用1983年，敷設(shè)了縱貫

南北的光纜長(zhǎng)途干線TAT-81988年，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨海底光纜通信系統(tǒng)，第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4

海底光纜通信系統(tǒng)建成2015-03-11?

HUST

20152015-03-11?

HUST

2015二十世紀(jì)六十年代早期：實(shí)驗(yàn)演示了光信號(hào)編碼傳輸七十年代初：發(fā)明了低損耗光纖，光纖傳輸系統(tǒng)真正起步早期光纖是所謂多模光纖，0.8或1.3μm波長(zhǎng)八十年代初，使用單模光纖，1.3μm波長(zhǎng)八十年代后期，應(yīng)用1.55μm波長(zhǎng)八十年代末到九十年代初：摻鉺光纖放大器(EDFAs)獲應(yīng)用使用波分復(fù)用（WDM）；第一代光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生！九十年代后期，16~32個(gè)波長(zhǎng)的高容量DWDM系統(tǒng)獲應(yīng)用光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與器件獲得發(fā)展；第二代光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生！光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展光通信速率的不斷提升速率(Mb/s)容納(路）2308120344801551.25

Gb/s1543602.5

Gb/s3072010

Gb/s12288040

Gb/s491520160

Gb/s19660802015-03-11?

HUST

2015第一代：1966~1979(從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期)激光器(GaAs)波長(zhǎng)0.8

μm，多模光纖，最大中繼距離10km(當(dāng)時(shí)的同軸電纜系統(tǒng)中繼距離為1

km)，比特率在10~100

Mb/s。多模色散和損耗是限制中繼距離的關(guān)鍵。光纖通信的四個(gè)發(fā)展階段2015-03-11?

HUST

2015第二代：上世紀(jì)80年代早期(通過(guò)減小光纖色散)激光器

(InGaAs)

波長(zhǎng)1.3

μm

，單模光纖，最大中繼距離50km，比特率2.0Gb/s。光纖的損耗限制了中繼距離，當(dāng)時(shí)的損耗為

~0.5

dB/km。2015-03-11?

HUST

2015第三代：上世紀(jì)80年代后期初90年代初(通過(guò)降低光纖損耗)激光器(InGaAsP)波長(zhǎng)1.55μm

，單模(色散位移)光纖，比特率2.5~10Gb/s，最大中繼距離100km。這個(gè)階段的缺點(diǎn)是采用電的方式中繼。2015-03-11?

HUST

2015第四代：上世紀(jì)90年代之后(通過(guò)引入WDM和全光放大技術(shù))激光器(InGaAsP)波長(zhǎng)1.55μm，單模光纖，采用波分復(fù)用技術(shù)和光放大技術(shù)，單個(gè)波長(zhǎng)信道比特率2.5~10

Gb/s，傳輸距離14000km，并提出光通信智能化的概念WDM技術(shù)出現(xiàn)2015-03-11?

HUST

2015中國(guó)的通信鏈器件供應(yīng)商設(shè)備制造商服務(wù)支持商2015-03-11?

HUST

20152015-03-11?

HUST

2015光纖信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)及應(yīng)用光纖通信的主要特性大容量：馬路越寬，允許通過(guò)的車輛越多，交通能力也越大。如果把通信線路比作馬路，那么應(yīng)該說(shuō)是通信線路的頻帶越寬，允許傳輸?shù)男畔⒃蕉啵ㄐ湃萘烤驮酱?。目前的光纖容量已經(jīng)達(dá)到十多個(gè)Tbits/s2015-03-11?

HUST

2015損耗低、中繼距離長(zhǎng)中繼站多：傳輸線路的成本高、

不方便、運(yùn)行不可靠石英光纖在1.55

m波長(zhǎng)區(qū)的損耗可低到0.16

dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低得多。例：同軸電纜通信的中繼距離只有幾千米，最長(zhǎng)的微波通信是50千米左右，而光纖通信系統(tǒng)的最長(zhǎng)中繼距離已達(dá)300千米。2015-03-11?

HUST

2015能力強(qiáng)對(duì)于通信系統(tǒng)而言，最主要的干擾是電磁干擾?，F(xiàn)有的電通信系統(tǒng)無(wú)法令人滿意地解決這個(gè)問(wèn)題。例： 線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè)。光纖為什么具有強(qiáng) 能力？光纖屬絕緣體，不怕雷電和高壓電磁干擾源不了頻率比它們高得多的光信號(hào)杰出的抗核輻射能力據(jù) 測(cè)算，如果在 本土中心上空

463千米處一顆 ，1

秒鐘內(nèi)即可使全

所有的電纜通信系統(tǒng)失效。但光纖通信線路卻照樣暢通無(wú)阻，基本不受影響。2015-03-11?

HUST

2015性強(qiáng)電通信方式很容易電纜通信：只要在電纜附近(甚至幾公里以外)設(shè)置一個(gè)特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。無(wú)線通信方式：無(wú)線電波在大氣中

，甚至充斥全球，很容易

。學(xué)的發(fā)展使加密往往也無(wú)濟(jì)于事光纖通信是 性能最好的通信方式之一-光在光纖中傳輸時(shí)不會(huì)跑出光纖和向外輻射電磁波。即使在拐彎非常厲害的地方，漏出包層的光也微乎其微。2015-03-11?

HUST

2015體積小、重量輕1千克高純度石英玻璃

成千上萬(wàn)千米光纖120噸銅和500

噸鉛

1000千米的8

管同軸電纜18管同軸電纜每米重11千克，而同等容量的光纜每米重90克光纖體積小、重量輕、柔軟易彎曲、鋪設(shè)非常方便?？蓮V泛應(yīng)用于航天航空、 等領(lǐng)域。2015-03-11?

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2015光纖的原材料取之不竭電線主材：銅、鉛等有色金屬，預(yù)計(jì)只夠使用50年左右光纖主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地殼的化學(xué)成分中占了一半以上，可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭2015-03-11?

HUST

2015其它優(yōu)點(diǎn)光纖材料不怕腐蝕，可以架在空中，也可埋入地

下；它有較強(qiáng)的耐高低溫能力(-65~200度)，在一般的飛機(jī)、艦艇和車輛上都可使用；它可實(shí)現(xiàn)多功能傳輸，同時(shí)傳遞話音、數(shù)據(jù)、傳真、圖像等各種信息。2015-03-11?

HUST

2015缺點(diǎn)光纖通信有許多優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點(diǎn)。容易折斷(比如經(jīng)常被挖斷)光纖連接

(斷面是否垂直、焊接點(diǎn)是否有氣泡等)光纖通信過(guò)程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大損耗)光纖怕彎曲(導(dǎo)致?lián)p耗增加)案例： 某地區(qū)大雪導(dǎo)致光纖故障

(2006年10月

)原因：光纜沒(méi)有防護(hù)好被冰雪 ，并由于冰雪壓力和熱脹冷縮導(dǎo)致光纖彎曲2015-03-11?

HUST

2015光纖技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域光纖技術(shù)位移、振動(dòng)溫度、壓力應(yīng)變、應(yīng)力電流、電壓電場(chǎng)、磁場(chǎng)流量、濃度可以測(cè)量70

多個(gè)物理化學(xué)量有源無(wú)源器件光纖通信干線光交換接入網(wǎng)

AONDWDMOADMOTDMFTTC,B,O,H光子集成

光電子集成集成光路

光收發(fā)模塊光接入模塊光開關(guān)模塊光放大模塊顯示牌激光手術(shù)刀儀表照明

工藝裝飾

電力輸送

光纖面板

醫(yī)用內(nèi)窺鏡潛望鏡信息獲取信息傳輸信息處理其它應(yīng)用2015-03-11?

HUST

2015光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用XXiAAnnTToooEEuuurrrooopppeeTooJJappaannHHohhhhotttTToSSouttthhheasttttAAsiaYYiiin

nnggUUrrruummKKooorrrlllaaRRuuuoo

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