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1、光纤光学第1章 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望教学参考书：教学参考书：A.学校图书馆：学校图书馆：1.光纤光学（廖延彪编著；清华大学出版社）光纤光学（廖延彪编著；清华大学出版社）TN250012 2.光纤技术理论基础与应用（孙雨南等编著；北京理工光纤技术理论基础与应用（孙雨南等编著；北京理工大学出版社）大学出版社）TN929.1119143.光纤技术（饶云江主编；科学出版社）光纤技术（饶云江主编；科学出版社）TN929.1125134.光纤通信原理
2、（邓大鹏等编著；人民邮电出版社）光纤通信原理（邓大鹏等编著；人民邮电出版社）TN929.1177475.光纤通信（张宝富等编著；西安电子科技大学出版社）光纤通信（张宝富等编著；西安电子科技大学出版社）TN929.1112336.光纤通信原理与技术（马军山主编；人民邮电出版社）光纤通信原理与技术（马军山主编；人民邮电出版社）TN929.111732B.学校超星数字图书馆：学校超星数字图书馆：1.光纤光学（刘德明等编著；国防工业出版社）光纤光学（刘德明等编著；国防工业出版社）2.光纤光学（廖延彪编著；清华大学出版社）光纤光学（廖延彪编著；清华大学出版社）3.光纤技术及应用（彭吉虎等编著；北京理工大
3、学出版社）光纤技术及应用（彭吉虎等编著；北京理工大学出版社）教学目的：教学目的：1.掌握光纤中光传输的基本理论和基掌握光纤中光传输的基本理论和基础知识；础知识；2.熟悉光纤、光缆的特性及其相关参熟悉光纤、光缆的特性及其相关参数的测试方法；数的测试方法；3.了解光纤、光缆的相关应用。了解光纤、光缆的相关应用。教学内容：第第1章绪论章绪论第第2章光纤中的波动及射线理论基础章光纤中的波动及射线理论基础第第3章光纤（光缆）及其相关性质章光纤（光缆）及其相关性质第第4章光纤的传输理论章光纤的传输理论第第5章光纤传感技术应用介绍章光纤传感技术应用介绍第第1章绪论章绪论主要内容：主要内容：光纤技术的发展历程
4、光纤技术的发展历程光纤与通信技术的关系光纤与通信技术的关系光纤与传感技术的关系光纤与传感技术的关系1.1 光纤光学光纤光学它是光学的分支之一它是光学的分支之一它是研究光导纤维的光学特性及其应它是研究光导纤维的光学特性及其应用的一门学科用的一门学科名词名词“光纤光纤”出现于出现于20世纪世纪50年代年代光纤光学的研究对象：光纤光学的研究对象：光导光纤光导光纤光纤光纤是一种由玻璃或塑料制成的透是一种由玻璃或塑料制成的透明易弯曲的长纤维，并且根据明易弯曲的长纤维，并且根据Snell（斯（斯涅耳）定律（反射定律），借助于使用涅耳）定律（反射定律），借助于使用全内反射全内反射可以使光能在光纤内部传输。可
5、以使光能在光纤内部传输。光导光纤的特点：光导光纤的特点：有界性有界性光波在光纤中光波在光纤中横向受边界限制横向受边界限制，纵纵向可无限延伸向可无限延伸，其光学特性和大块媒质，其光学特性和大块媒质的光学特性有很大差别，其中许多特性的光学特性有很大差别，其中许多特性还在研究之中。还在研究之中。1.2 光纤的发展历程光纤的发展历程1870年，英国物理学家年，英国物理学家Joan Tyndall验证光可以在一验证光可以在一个弯曲的水流中传播，证明了个弯曲的水流中传播，证明了全内反射现象全内反射现象的存在。的存在。1951年，设计第一个年，设计第一个光导纤维镜光导纤维镜，可用于传播人体，可用于传播人体内
6、部器官的图像。内部器官的图像。1953年，伦敦皇家科学技术学院的年，伦敦皇家科学技术学院的Narinder Kapany开发现在所用的光纤，开发现在所用的光纤，“光纤光纤”一名由一名由Kapany给出。给出。光纤要成为光导设备，其基本特征是光纤要成为光导设备，其基本特征是能够长能够长距离传输距离传输，需要解决，需要解决“光衰减光衰减”问题。问题。光通过长距离从输入端传输到输出端时，在光通过长距离从输入端传输到输出端时，在输出端输出的能量一定输出端输出的能量一定不能小于不能小于接收端探测器能接收端探测器能探测的最小光强。探测的最小光强。1966年年，华裔科学家，华裔科学家高锟高锟（Charles
7、 Kao）博士在）博士在英国发表一篇具有英国发表一篇具有里程碑意义里程碑意义的论文：的论文：“用于光频率的绝缘纤维表面波导管用于光频率的绝缘纤维表面波导管”，打开通往光纤技术大门的钥匙。打开通往光纤技术大门的钥匙。20092009年年 NobelNobel奖奖起起针对当时玻璃光纤本身针对当时玻璃光纤本身传输损耗高传输损耗高达达1000 dB/km的情况，指出的情况，指出“这样大的传输损耗这样大的传输损耗不是不是石英玻璃光纤本身石英玻璃光纤本身固有固有的基本特性，而是由于材料中带有的基本特性，而是由于材料中带有杂质杂质，如含有过渡，如含有过渡元素离子产生的。材料本身的损耗是由元素离子产生的。材料
8、本身的损耗是由瑞利散射瑞利散射决定决定的，它的，它随波长的四次方而下降随波长的四次方而下降，其损耗是很低的。因，其损耗是很低的。因此，有可能制造出适合于长距离通信的低损耗光纤。此，有可能制造出适合于长距离通信的低损耗光纤。如果把材料中的金属离子含量的质量比降低到如果把材料中的金属离子含量的质量比降低到10-6以以下下，则可使光纤的传输损耗下降到，则可使光纤的传输损耗下降到10 dB/km以下，再以下，再通过改进拉丝工艺的热处理来提高材料的通过改进拉丝工艺的热处理来提高材料的均匀性均匀性，都，都可以把损耗降至每千米几分贝以下可以把损耗降至每千米几分贝以下”。1970年，年，康宁（康宁（Corni
9、ng）公司）公司采用化学气相沉积采用化学气相沉积（CVD）工艺第一个抽出衰减小于）工艺第一个抽出衰减小于20 dB/km的光的光纤，成为世界上公认的纤，成为世界上公认的第一根通信用光导纤维第一根通信用光导纤维。.性能优异的各种光纤涌现。性能优异的各种光纤涌现。广泛应用：广泛应用：如电话通信，数据传输，闭路电视，如电话通信，数据传输，闭路电视，工业控制与监测，军事等。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；岸同欧洲大陆的光缆开通；.在工业发达国家及我国：干线大容量通信线路在工业发达国家及我国：干线大容量通
10、信线路不再新建同轴电缆，而全部铺设光缆。不再新建同轴电缆，而全部铺设光缆。在我国，在我国，干线系统干线系统中有：南沿海工程、沪宁汉中有：南沿海工程、沪宁汉干线、芜湖到九江（含过长江的水下光缆）、京汉干线、芜湖到九江（含过长江的水下光缆）、京汉广等，短距离的系统不计其数。广等，短距离的系统不计其数。在武汉、上海、西安、北京、天津等地建立了在武汉、上海、西安、北京、天津等地建立了几家规模较大、水平较高的光纤、光缆制造厂。几家规模较大、水平较高的光纤、光缆制造厂。2001年，全国铺设光缆总长度达年，全国铺设光缆总长度达149.5万公里，万公里，其中长途干线光缆其中长途干线光缆33.5多公里，本地中继
11、网光缆线多公里，本地中继网光缆线路路75.5万多公里，接入网光缆线路万多公里，接入网光缆线路37万多公里。万多公里。到到2002年年3月，我国月，我国“八横八纵八横八纵”格状格状国家光国家光通信骨干网通信骨干网也已基本建成。也已基本建成。我国铺设光缆的方向已经转向我国铺设光缆的方向已经转向城域网等局部城域网等局部性网络性网络。1.3 光纤技术基础光纤技术基础1.3.1 光纤结构光纤结构纤芯：纤芯：由折射率比周围由折射率比周围包层略高的光学材料制包层略高的光学材料制成。其直径根据光纤类成。其直径根据光纤类型而定，一般通信用单型而定，一般通信用单模光纤直径为模光纤直径为8-10m；包层：包层：直径
12、一般为直径一般为125m；涂敷层：涂敷层：直径为直径为195-250m；光纤的基本结构光纤的基本结构是导光的纤芯和外面低折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。何尺寸差别很大。高清晰度图像传输光纤（高清晰度图像传输光纤（传像光纤传像光纤）：芯）：芯径小，包层薄；径小，包层薄；传输高功率能量的传输高功率能量的照明光纤照明光纤：一般具有更：一般具有更粗的纤芯和更薄的包层；粗的纤芯和更薄的包层；通信光纤通信光纤：小纤芯，厚包层，纤芯折射率：小纤芯，厚包层，纤芯折射率到包层折射率的变化是到包层折射率的变化是阶跃阶跃变化，纤
13、芯折射率变化，纤芯折射率可以是均匀的，也可能是可以是均匀的，也可能是渐变渐变的；的；通信光纤通信光纤的标准包层直径是的标准包层直径是125m，塑料，塑料护套的直径约为护套的直径约为250m。传像光纤传像光纤的直径小到几个微米，一些的直径小到几个微米，一些特殊特殊用途光纤用途光纤则可能有几毫米。则可能有几毫米。1.3.2 光纤材料光纤材料纤芯材料：纤芯材料：多数光纤几乎是多数光纤几乎是纯石英纯石英，加入少，加入少量量掺杂物掺杂物的目的是改变纤芯或包层的折射率。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（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
14、玻璃；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；还有一些光纤：塑料制造，更灵活易用；包层材料：包层材料：少数光纤使用少数光纤使用塑料塑料；涂敷层材料：涂敷层材料：一般为塑料，机械保护。一般为塑料，机械保护。1.3.3 光纤特性光纤特性机械特性：机械特性：光纤坚硬而又弯曲灵活，强度极光纤坚硬而又弯曲灵活，强度极大；大；光学性质：光学性质：取决于结构和成分，最明显的就取决于结构和成分，最明显的就是损耗或信号衰减特性等。是损耗或信号衰减特性等。光纤是绝缘体，它不能直接传输电信号和能量。1.4 光纤与通信网络光纤与通信网络光纤的带宽和具有吸引力的特征使其成为理光纤的
15、带宽和具有吸引力的特征使其成为理想的线缆传输媒介。对于通信系统，光纤是具有想的线缆传输媒介。对于通信系统，光纤是具有强大运载信息能力的工具。强大运载信息能力的工具。光纤工业已经进入显著的繁荣期。光纤工业已经进入显著的繁荣期。在过去的在过去的20年里，一根光纤所能承载的最大年里，一根光纤所能承载的最大数据率差不多平均数据率差不多平均每年翻一番每年翻一番，比电子行业的，比电子行业的摩摩尔定律尔定律（每（每18个月翻一番）还要快。个月翻一番）还要快。1.4 光纤与通信网络（续）光纤与通信网络（续）（1）全球海底网络）全球海底网络（2）陆地网络）陆地网络（3）卫星系统与光纤网络）卫星系统与光纤网络（4
16、）光纤到户）光纤到户（5）局域网）局域网1.5 光纤与传感技术光纤与传感技术人类进入人类进入信息时代信息时代，信息的获取技术是，信息的获取技术是信息技术的信息技术的关键关键，传感技术传感技术是获取信息的是获取信息的主主要技术途径要技术途径，获取信息是利用信息的先决条，获取信息是利用信息的先决条件。件。传感器传感器是一种能按一定规律将各种被检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、磁测的物理量转换成便于处理的量（如电、磁等）的器件。等）的器件。世界各国对传感器技术的研究和开发都世界各国对传感器技术的研究和开发都极为重视：极为重视：日本将传感器列为日本将传感器列为20世纪世
17、纪80年代大力发年代大力发展的展的5项重要技术之首，又将传感器研发确项重要技术之首，又将传感器研发确定为定为20世纪世纪90年代的发展的重点；年代的发展的重点；美、英等国也投入巨资进行传感器技术美、英等国也投入巨资进行传感器技术的研发。的研发。光纤传感器技术光纤传感器技术经过经过20多年发展，已形成一个巨多年发展，已形成一个巨大的传感器家族。大的传感器家族。独特优点独特优点:（1）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全；）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全；（2）灵敏度高；）灵敏度高；（3）重量轻、体积小、可挠曲；）重量轻、体积小、可挠曲；（4）测量对象广泛；）测量对象广泛；（5）对被测介质影
18、响小，有利于在医药卫生等具）对被测介质影响小，有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用；有复杂环境的领域中应用；（6）便于复用，便于成网；）便于复用，便于成网；（7）成本低。）成本低。光纤传感技术应用：光纤传感技术应用：工业、制造、土木工程、军用科技、环境保工业、制造、土木工程、军用科技、环境保护、地质勘探、石油探测、生物医学等。护、地质勘探、石油探测、生物医学等。光纤传感器种类：光纤传感器种类：包括湿度、温度、应变、应力、振动、声音包括湿度、温度、应变、应力、振动、声音和压力传感器等。和压力传感器等。（1）光纤光栅传感器）光纤光栅传感器（2）光纤法布里珀罗传感器）光纤法布里珀罗传感器（3）
19、光纤白光干涉传感器）光纤白光干涉传感器（4）光纤陀螺传感技术）光纤陀螺传感技术（5）其他光纤传感技术）其他光纤传感技术1.6 光纤的发展光纤的发展种类：种类：多模光纤多模光纤单模光纤、保偏光纤、单模光纤、保偏光纤、塑料光纤、掺杂光纤、塑料光纤、掺杂光纤、光子晶体光子晶体光纤等数十种；光纤等数十种；材料：材料：石英光纤石英光纤聚合物聚合物/塑料光纤、光塑料光纤、光子晶体光纤、掺稀土光纤等子晶体光纤、掺稀土光纤等1987 年年，E.Yablonovitch 和和S.John 提提出出介介电电常常数数呈呈周周期期性性分分布布的的材材料料可可以以改改变变在在其其中中传传播播的的光光子子的的行行为为，并并称称这这种种材料为材料为光子晶体光子晶体。光光子子晶晶体体是是一一种种折折射射率率周周期期变变化化的的人人工工微微结结构构材材料料，其其典典型型结结构构为为一一个个折折射射率率周周期期变变化化的的三三维维物物体体，周周期期为为光光波波长长量量级级。光光子子晶晶体体的的特特点点是是具具有有光光子子带带隙隙（PBG），频频率率落落在在光子带隙内的电磁波不能在光子晶体中传播。光子带隙内的电磁波不能在光子晶体中传播。图一维周期介质结构图一维周期介质结构光子晶体光纤光子晶体光纤的原理的原理是利用是利用PBG 效应对效应对特定的光波（光子）特定的光波（光子）的限制作用来传播光的限制作用来传播光波。波。