光纤光学_第1章

null光纤光学 （Optical Fiber Optics） 中南民族大学电信学院 钟志有 E-mail: zhongzhiyou@163.com Tel.: 18971632816光纤光学 （Optical Fiber Optics） 中南民族大学电信学院 钟志有 E-mail: zhongzhiyou@163.com Tel.: 18971632816教学参考书： A. 学校图书馆： 1. 光纤光学（廖延彪编著；清华大学出版社）TN25　0012 2. 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）TN929.11　1914 3. 光纤技术（饶云江主编；科学出版社）TN929.11　2513教学参考书： A. 学校图书馆： 1. 光纤光学（廖延彪编著；清华大学出版社）TN25　0012 2. 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）TN929.11　1914 3. 光纤技术（饶云江主编；科学出版社）TN929.11　25134. 光纤通信原理（邓大鹏等编著；人民邮电出版社） TN929.11　7747 5. 光纤通信（张宝富等编著；西安电子科技大学出版社） TN929.11　1233 6. 光纤通信原理与技术（马军山主编；人民邮电出版社） TN929.11　17324. 光纤通信原理（邓大鹏等编著；人民邮电出版社） TN929.11　7747 5. 光纤通信（张宝富等编著；西安电子科技大学出版社） TN929.11　1233 6. 光纤通信原理与技术（马军山主编；人民邮电出版社） TN929.11　1732B. 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） 2. 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；北京理工大学出版社）B. 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） 2. 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；北京理工大学出版社）教学目的： 1.掌握光纤中光传输的基本理论和基础知识； 2.熟悉光纤、光缆的特性及其相关参数的测试方法； 3.了解光纤、光缆的相关应用。教学目的： 1.掌握光纤中光传输的基本理论和基础知识； 2.熟悉光纤、光缆的特性及其相关参数的测试方法； 3.了解光纤、光缆的相关应用。null教学内容： 第1章　绪论 第2章　光纤中的波动及射线理论基础 第3章　光纤（光缆）及其相关性质 第4章　光纤的传输理论 第5章　光纤传感技术应用介绍第1章　绪论 主要内容： 光纤技术的发展历程 光纤与通信技术的关系 光纤与传感技术的关系第1章　绪论 主要内容： 光纤技术的发展历程 光纤与通信技术的关系 光纤与传感技术的关系1.1 光纤光学 　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用的一门学科 　名词“光纤”出现于20世纪50年代1.1 光纤光学 　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用的一门学科 　名词“光纤”出现于20世纪50年代光纤光学的研究对象：光导光纤 　　光纤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Snell（斯涅耳）定律（反射定律），借助于使用全内反射可以使光能在光纤内部传输。 光纤光学的研究对象：光导光纤 　　光纤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Snell（斯涅耳）定律（反射定律），借助于使用全内反射可以使光能在光纤内部传输。 光导光纤的特点：有界性 　　光波在光纤中横向受边界限制，纵向可无限延伸，其光学特性和大块媒质的光学特性有很大差别，其中许多特性还在研究之中。 光导光纤的特点：有界性 　　光波在光纤中横向受边界限制，纵向可无限延伸，其光学特性和大块媒质的光学特性有很大差别，其中许多特性还在研究之中。 1.2 光纤的发展历程 1870年，英国物理学家Joan Tyndall验证光可以在一个弯曲的水流中传播，证明了全内反射现象的存在。 1951年，设计第一个光导纤维镜，可用于传播人体内部器官的图像。 1953年，伦敦皇家科学技术学院的Narinder Kapany开发现在所用的光纤，“光纤”一名由Kapany给出。1.2 光纤的发展历程 1870年，英国物理学家Joan Tyndall验证光可以在一个弯曲的水流中传播，证明了全内反射现象的存在。 1951年，设计第一个光导纤维镜，可用于传播人体内部器官的图像。 1953年，伦敦皇家科学技术学院的Narinder Kapany开发现在所用的光纤，“光纤”一名由Kapany给出。　　光纤要成为光导设备，其基本特征是能够长距离传输，需要解决“光衰减”问题。 　　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不能小于接收端探测器能探测的最小光强。 1966年，华裔科学家高锟（Charles Kao）博士在英国发表一篇具有里程碑意义的论文： “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。　　光纤要成为光导设备，其基本特征是能够长距离传输，需要解决“光衰减”问题。 　　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不能小于接收端探测器能探测的最小光强。 1966年，华裔科学家高锟（Charles Kao）博士在英国发表一篇具有里程碑意义的论文： “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。2009年 Nobel奖null起　　针对当时玻璃光纤本身传输损耗高达1000 dB/km的情况，指出 　　“这样大的传输损耗不是石英玻璃光纤本身固有的基本特性，而是由于材料中带有杂质，如含有过渡元素离子产生的。材料本身的损耗是由瑞利散射决定的，它随波长的四次方而下降，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。如果把材料中的金属离子含量的质量比降低到10-6以下，则可使光纤的传输损耗下降到10 dB/km以下，再通过改进拉丝工艺的热处理来提高材料的均匀性，都可以把损耗降至每千米几分贝以下”。　　针对当时玻璃光纤本身传输损耗高达1000 dB/km的情况，指出 　　“这样大的传输损耗不是石英玻璃光纤本身固有的基本特性，而是由于材料中带有杂质，如含有过渡元素离子产生的。材料本身的损耗是由瑞利散射决定的，它随波长的四次方而下降，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。如果把材料中的金属离子含量的质量比降低到10-6以下，则可使光纤的传输损耗下降到10 dB/km以下，再通过改进拉丝工艺的热处理来提高材料的均匀性，都可以把损耗降至每千米几分贝以下”。1970年，康宁（Corning）公司采用化学气相沉积（CVD）工艺第一个抽出衰减小于20 dB/km的光纤，成为世界上公认的第一根通信用光导纤维。 …………….　性能优异的各种光纤涌现。 广泛应用：如电话通信，数据传输，闭路电视，工业控制与监测，军事等。 1988年，第一条跨越大西洋海底，连接美国东海岸同欧洲大陆的光缆开通；……..1970年，康宁（Corning）公司采用化学气相沉积（CVD）工艺第一个抽出衰减小于20 dB/km的光纤，成为世界上公认的第一根通信用光导纤维。 …………….　性能优异的各种光纤涌现。 广泛应用：如电话通信，数据传输，闭路电视，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不再新建同轴电缆，而全部铺设光缆。 在我国，干线系统中有：南沿海 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 、沪宁汉干线、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。 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。 2001年，全国铺设光缆总长度达149.5万公里，其中长途干线光缆33.5多公里，本地中继网光缆线路75.5万多公里，接入网光缆线路37万多公里。 在工业发达国家及我国：干线大容量通信线路不再新建同轴电缆，而全部铺设光缆。 在我国，干线系统中有：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149.5万公里，其中长途干线光缆33.5多公里，本地中继网光缆线路75.5万多公里，接入网光缆线路37万多公里。 到2002年3月，我国“八横八纵”格状国家光通信骨干网也已基本建成。 我国铺设光缆的方向已经转向城域网等局部性网络。 到2002年3月，我国“八横八纵”格状国家光通信骨干网也已基本建成。 我国铺设光缆的方向已经转向城域网等局部性网络。 1.3 光纤技术基础 1.3.1 光纤结构 纤芯：由折射率比周围 包层略高的光学材料制 成。其直径根据光纤类 型而定，一般通信用单 模光纤直径为8-10μm； 包层：直径一般为125μm； 涂敷层：直径为195-250μm；1.3 光纤技术基础 1.3.1 光纤结构 纤芯：由折射率比周围 包层略高的光学材料制 成。其直径根据光纤类 型而定，一般通信用单 模光纤直径为8-10μm； 包层：直径一般为125μm； 涂敷层：直径为195-250μm； 光纤的基本结构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何尺寸差别很大。 高清晰度图像传输光纤（传像光纤）：芯径小，包层薄； 传输高功率能量的照明光纤：一般具有更粗的纤芯和更薄的包层； 光纤的基本结构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何尺寸差别很大。 高清晰度图像传输光纤（传像光纤）：芯径小，包层薄； 传输高功率能量的照明光纤：一般具有更粗的纤芯和更薄的包层； 通信光纤：小纤芯，厚包层，纤芯折射率到包层折射率的变化是阶跃变化，纤芯折射率可以是均匀的，也可能是渐变的； 通信光纤的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 包层直径是125μm，塑料护套的直径约为250μm 。 传像光纤的直径小到几个微米，一些特殊用途光纤则可能有几毫米。 通信光纤：小纤芯，厚包层，纤芯折射率到包层折射率的变化是阶跃变化，纤芯折射率可以是均匀的，也可能是渐变的； 通信光纤的标准包层直径是125μm，塑料护套的直径约为250μm 。 传像光纤的直径小到几个微米，一些特殊用途光纤则可能有几毫米。1.3.2 光纤材料 纤芯材料：多数光纤几乎是纯石英，加入少量掺杂物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（SiO2）; (2) 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； 包层材料：少数光纤使用塑料； 涂敷层材料：一般为塑料，机械保护。1.3.2 光纤材料 纤芯材料：多数光纤几乎是纯石英，加入少量掺杂物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（SiO2）; (2) 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； 包层材料：少数光纤使用塑料； 涂敷层材料：一般为塑料，机械保护。1.3.3 光纤特性 　　机械特性：光纤坚硬而又弯曲灵活，强度极大； 光学性质：取决于结构和成分，最明显的就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。1.3.3 光纤特性 　　机械特性：光纤坚硬而又弯曲灵活，强度极大； 光学性质：取决于结构和成分，最明显的就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 光纤的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。 在过去的20年里，一根光纤所能承载的最大数据率差不多平均每年翻一番，比电子行业的摩尔定律（每18个月翻一番）还要快。 1.4 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。 光纤工业已经进入显著的繁荣期。 在过去的20年里，一根光纤所能承载的最大数据率差不多平均每年翻一番，比电子行业的摩尔定律（每18个月翻一番）还要快。 1.4 光纤与通信网络（续） （1）全球海底网络 （2）陆地网络 （3）卫星系统与光纤网络 （4）光纤到户 （5）局域网1.4 光纤与通信网络（续） （1）全球海底网络 （2）陆地网络 （3）卫星系统与光纤网络 （4）光纤到户 （5）局域网1.5 光纤与传感技术 　　人类进入信息时代，信息的获取技术是信息技术的关键，传感技术是获取信息的主要技术途径，获取信息是利用信息的先决条件。 传感器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、磁等）的器件。 1.5 光纤与传感技术 　　人类进入信息时代，信息的获取技术是信息技术的关键，传感技术是获取信息的主要技术途径，获取信息是利用信息的先决条件。 传感器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、磁等）的器件。 世界各国对传感器技术的研究和开发都极为重视： 　　日本将传感器列为20世纪80年代大力发展的5项重要技术之首，又将传感器研发确定为20世纪90年代的发展的重点； 　　美、英等国也投入巨资进行传感器技术的研发。 世界各国对传感器技术的研究和开发都极为重视： 　　日本将传感器列为20世纪80年代大力发展的5项重要技术之首，又将传感器研发确定为20世纪90年代的发展的重点； 　　美、英等国也投入巨资进行传感器技术的研发。　 光纤传感器技术经过20多年发展，已形成一个巨大的传感器家族。 　　　　独特优点: 　（1）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全； 　（2）灵敏度高； 　（3）重量轻、体积小、可挠曲； 　（4）测量对象广泛； 　（5）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； 　（6）便于复用，便于成网； 　（7）成本低。　 光纤传感器技术经过20多年发展，已形成一个巨大的传感器家族。 　　　　独特优点: 　（1）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全； 　（2）灵敏度高； 　（3）重量轻、体积小、可挠曲； 　（4）测量对象广泛； 　（5）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； 　（6）便于复用，便于成网； 　（7）成本低。光纤传感技术应用： 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。 光纤传感器种类： 包括湿度、温度、应变、应力、振动、声音和压力传感器等。 （1）光纤光栅传感器 （2）光纤法布里－珀罗传感器 （3）光纤白光干涉传感器 （4）光纤陀螺传感技术 （5）其他光纤传感技术光纤传感技术应用： 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。 光纤传感器种类： 包括湿度、温度、应变、应力、振动、声音和压力传感器等。 （1）光纤光栅传感器 （2）光纤法布里－珀罗传感器 （3）光纤白光干涉传感器 （4）光纤陀螺传感技术 （5）其他光纤传感技术1.6 光纤的发展 种类：多模光纤　　单模光纤、保偏光纤、塑料光纤、掺杂光纤、光子晶体光纤等数十种； 材料：石英光纤　　聚合物/塑料光纤、光子晶体光纤、掺稀土光纤等1.6 光纤的发展 种类：多模光纤　　单模光纤、保偏光纤、塑料光纤、掺杂光纤、光子晶体光纤等数十种； 材料：石英光纤　　聚合物/塑料光纤、光子晶体光纤、掺稀土光纤等null　　1987 年，E. Yablonovitch 和S. John 提出介电常数呈周期性分布的材料可以改变在其中传播的光子的行为，并称这种材料为光子晶体。 　　光子晶体是一种折射率周期变化的人工微结构材料，其典型结构为一个折射率周期变化的三维物体，周期为光波长量级。光子晶体的特点是具有光子带隙（PBG），频率落在光子带隙内的电磁波不能在光子晶体中传播。图　一维周期介质结构光子晶体光纤的原理是利用PBG 效应对特定的光波（光子）的限制作用来传播光波。