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1、2023/8/31,光纤光学,主讲人：光学与电子信息工程学院/光通信与光网络系Tel：Email:,2023/8/31,教学要求,先导课程：物理光学、数学物理方法。课程要求:1.掌握光纤光学基本概念和重要结论 2.学习分析和解决问题的思路与方法 3.注重物理内涵而不必拘泥于繁杂的数学运算授课形式:1.课堂讲授 2.课堂提问与讨论 3.课堂练习与习题课考试:闭卷成绩:闭卷考试70%，课堂测验20%，作业10%,2023/8/31,教学参考书,光纤光学 刘德明、向清、黄德修光纤技术及其应用刘德明、向清、黄德修导波光学 范崇澄、彭吉虎光波导理论与技术李玉权等“Optical Waveguide Th
2、eory”Snyder A W.“Understand fiber-optical communication”网址：http:/:1128/course/Arts_03/index.html?courseId=fa4d8bce2ba4,2023/8/31,课程内容与进度安排,绪论(4学时)光纤光学的基本方程(2学时)阶跃折射率分布光纤(6学时)渐变折射率分布光纤(6学时)光纤的特征参数与测试技术(6学时)光纤无源及有源器件(10学时)光纤的连接与耦合(4学时)光子晶体光纤(2学时)特种光纤与光缆(自学)光纤应用技术(自学),2023/8/31,“光通信”历史悠久,最早的光通信(中国古代烽火台
3、、手旗、灯光)公元前11世纪，西周王朝，烽火台白天点狼粪，晚上燃柴火“狼烟四起”,2023/8/31,1880年，A.G.Bell 首次利用太阳光进行通信，通信距离仅213米，这是Bell在他所有的发明中最得意的一个-Photophone，奠定了今天光通信的基础。,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。但是，普通光源强度和纯度都成为制约光通信发展的因素。,第一个光电话系统：现代光通信的开端,2023/8/31,频率为100太赫兹的红宝石激光器美国梅曼(Maiman)，1960,激光器的发明和应用，光通信进入一个崭新的阶段，它具有亮度高、谱线
4、窄、方向性好!,2023/8/31,大气光通信：受气象条件的影响，通信不稳定,地下光波通信：先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验。但反射波导和透镜波导造价昂贵，调整、维护困难。,没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质！,2023/8/31,光纤的雏形,1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察到光在水与空气分界面上作全反射以致光随水流而弯曲的现象。,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并用于光线和图象的短距离传输。,2023/8/31,1966年,高锟（Chals Gao）和霍克哈母(George Hockham)预言了用基于光
5、学全反射原理的光导纤维来传输光的的可能性.,光纤是神奇的信息传输媒体,2023/8/31,“光纤之父”高锟博士,1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介质纤维表面波导”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。光纤的损耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km,致使光纤通信在世界范围内形成了一个充满活力的新兴产业。,2023/8/31,瑞典皇家科学院常任秘书贡诺厄奎斯特在记者招待会上说，高锟“在有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面取得了突破性成就”，他将获得2010年物理学奖一半
6、的奖金，共500万瑞典克朗(约合70万美元)。,高锟与诺贝尔奖,2023/8/31,低损耗光纤的研制,1970年，美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973年，美国贝尔实验室的光纤损耗降低到2.5 dB/km。1974年，贝尔实验室将损耗进一步降低到1.1 dB/km。1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(工作波长1.2 mm)。目前，波长为1.55 mm的标准光纤损耗为 0.2 dB/km。,2023/8/31,14,什么是光纤？,光纤导光的原理？,光纤:是一种介质园柱光波导
7、,它能够约束并导引光波 在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播,2023/8/31,15,2023/8/31,光纤的演变（标准化）,G.651光纤：工作波长850nm；多模；损耗：3dB/kmG.652光纤：常规单模光纤，零色散波长1310nm；最低损耗窗口1550 nmG.653光纤：DSF，零色散波长1550nm；最低损耗窗口1550 nmG.655光纤：NDSF，Lucent：零色散波长1530nm；Corning：1570nm大有效面积光纤：LEAF 降低非线性效应的影响。色散补偿光纤：全波光纤：消除OH的吸收损耗G.657光纤：弯曲不敏感单模光纤,通信窗口：由0.85、1.31、1
8、.55到S波(1.491.53)、C波(1.531.57)、L波(1.571.61),2023/8/31,信息传输速率与媒介的容量,信息传输速率Audio:9.6-128 kbit/sTV:1-6 Mbit/sHDTV:10-100 Mbit/s3D HDTV:2.5Gbit/s通信媒介传输速率：卫星/微波：140 Mbit/s同轴电缆：60 Mbit/s光纤：50 Tbit/s,2023/8/31,当今世界范围的光纤敷设情况,2023/8/31,美国光纤敷设情况,2023/8/31,中国光纤敷设情况,2023/8/31,2023/8/31,光纤通信的发展与演变,2023/8/31,光纤通信系
9、统基本结构,23,光发送 端机,光中继 放大,光接收 端机,电发送 端机,电发送 端机,2010-3-2,HUST 2010,光纤通信：21世纪的“信息高速公路”,通信技术对生活的影响 信息高速公路、信息社会、互联网、信息爆炸、电子邮件、有线电视、高清电视、视频聊天、网络电视、网络游戏、在线影院、移动通信（3G）等等,2023/8/31,HUST 2010,2010-3-2,2023/8/31,半导体通信光源的出现,1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光
10、器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。1976年，日本NTT研制出波长为1.3 mm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。1979年，美国电报电话(AT&T)公司和日本NTT研制成功波长为1.55 mm的半导体激光器。,光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。,2023/8/31,光纤通信系统的发展,1976年，美国在亚特兰大进行世界上第一个实用光纤通信系统的现场试 验1976年和1978年，日本先后进行了速率为 34 Mb/s 的阶跃多模光纤通信 系统和速率为100
11、Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用1983年，敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线1988年，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8 海底光缆通信系统1989年，第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统 建成,2023/8/31,光通信速率的不断提升,速率(Mb/s)容纳电话(路）2308120344801551920 6227680 1.25 Gb/s1543602.5 Gb/s3072010 Gb/s12288040 Gb/s491520 160 Gb/s1966080 50 Tbit/s 上亿,2023/8
12、/31,第一代：19661979(从基础研究到商业应用的开发时期)激光器(GaAs)波长0.8 m，多模光纤，最大中继距离10 km(当时的同轴电缆系统中继距离为1 km)，比特率在10100 Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。,光纤通信的四个发展阶段,2023/8/31,第二代：上世纪80年代早期(通过减小光纤色散)激光器(InGaAs)波长1.3 m，单模光纤，最大中继距离50 km，比特率2.0Gb/s。光纤的损耗限制了中继距离，当时的损耗为 0.5 dB/km。,2023/8/31,第三代：上世纪80年代后期初90年代初(通过降低光纤损耗)激光器(InGaAsP)波长1.5
13、5m，单模(色散位移)光纤，比特率2.510 Gb/s，最大中继距离100 km。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。,2023/8/31,第四代：上世纪90年代之后(通过引入WDM和全光放大技术)激光器(InGaAsP)波长1.55 m，单模光纤，采用波分复用技术和光放大技术，单个波长信道比特率2.510 Gb/s，传输距离14000 km，并提出光通信智能化的概念,2023/8/31,中国的通信链,器件供应商,设备制造商,服务支持商,2023/8/31,光纤信息传输的特点及应用,2023/8/31,光纤通信的主要特性,大容量：马路越宽，允许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。如果把通信线路比
14、作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，允许传输的信息越多，通信容量就越大。,目前的光纤容量已经达到十多个Tbits/s160 Gb/s1966080,2023/8/31,损耗低、中继距离长,中继站多：传输线路的成本高、维护不方便、运行不可靠石英光纤在1.55 mm波长区的损耗可低到0.16 dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多。例：同轴电缆通信的中继距离只有几千米，最长的微波通信是 50 千米左右，而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米。,2023/8/31,抗干扰能力强,对于通信系统而言，最主要的干扰是电磁干扰。现有的电通信系统无法令人满意地解决这个问题。例：电话线和电缆一
15、般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁路附近铺设。光纤为什么具有强抗干扰能力？1.光纤属绝缘体，不怕雷电和高压2.电磁干扰不了频率比它们高得多的光信号3.杰出的抗核辐射能力据专家测算，如果在美国本土中心上空 463千米处爆炸一颗原子弹，1 秒钟内即可使全美国所有的电缆通信系统失效。但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。,比微波的频率（109Hz量级）高5个量级比无线电频率（40-850MHz）高6-7个量级,2023/8/31,保密性强,电通信方式很容易被人窃听1.电缆通信：只要在电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别 的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。2.无线通信方式
16、：无线电波在大气中传播，甚至充斥全球，很 容易被人窃听。3.密码学的发展使加密往往也无济于事光纤通信是保密性能最好的通信方式之一-光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波。即使在 拐弯非常厉害的地方，漏出包层的光也微乎其微。,2023/8/31,体积小、重量轻,1千克高纯度石英玻璃 成千上万千米光纤120吨铜和 500 吨铅 1000千米的 8 管同轴电缆18管同轴电缆每米重11千克，而同等容量的光缆每米重90克光纤体积小、重量轻、柔软易弯曲、铺设非常方便。可广泛应用于航天航空、汽车电子等领域。,2023/8/31,光纤的原材料取之不竭,电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右光
17、纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了 一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭,2023/8/31,其它优点,光纤材料不怕腐蚀，可以架在空中，也可埋入地下；它有较强的耐高低温能力(-65200度)，在一般的飞机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息。,2023/8/31,缺点,光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。1.容易折断(比如经常被挖断)2.光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等)3.光纤通信过程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大损耗)4.光纤怕弯曲(导致损耗增加)(弯曲半径不小于30mm),案例：新
18、疆某地区大雪导致光纤故障(2006年10月报道)原因：光缆没有防护好被冰雪包裹，并由于冰雪压力和热胀冷缩导致光纤弯曲,2023/8/31,光纤技术的应用领域,2023/8/31,光纤通信系统的应用,通信网络,公用电信网：核心网、城域网,光纤接入网,海底光缆及洲际通信网,无线通信网,2023/8/31,能源系统,电力、煤炭系统的监视、控制和管理电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不受干扰。尤其在观测雷击 的时候能起到电设备不可替代的作用。煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不能太大，这又导致传输 距离受限。而如果采用光纤系统
19、，很多设备可以无源化，即保证 了安全，又能实现远距离监控。,2023/8/31,铁路、地铁和高速公路通信及监控网络系统铁路通信网特点：1.节点多，分支、插入话路频繁2.通信量大小不一，需求不同(传输电话、数据、图像)3.要求有强抗电磁干扰能力除了光纤通信，没有哪一种通信方式能满足这些要求,交通系统,2023/8/31,光纤制导武器：光纤制导导弹、光纤制导鱼雷需要获得实时的目标图像同时要求控制线轻巧水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。1.浮游载体需要传回声纳信号和遥测信号(都是视频信号)2.舰体对浮游载体进行控制雷达：要求保证雷达室与作战情报中心之间信息传输的抗干扰能力和保密性，要能保证作战情报中心的安全(长途控制),军事,2023/8/31,利用传像束的内窥镜激光手术刀,医疗器械,激光手术中，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯。目前大多数医疗激光可以通过石英光纤来实现拐弯，因此激光手术刀又叫光纤手术刀。,2023/8/31,机载电子,2023/8/31,光纤通信技术产业激光技术产业光纤传感技术产业光存储技术产业发光与显示技术产业,武汉-中国光谷,
