1、光纖光學與光纖應用技術緒論緒論 光纖光學與光纖應用技術是20世紀50年代以后，伴隨著激光技術、微電子技術同步迅速崛起的近代光學與光電高、新技術領域的重要分支。近60年來光纖應用技術在光纖傳感、光纖傳像、傳光照明、能量傳輸與信號控制，特別是在光纖通信等民用與軍工的廣泛領域獲得了重要而大量的應用，尤其在信息技術領域正表現(xiàn)出越來越強大的生命力以及廣闊的應用前景，因而也必然是21世紀最有發(fā)展前景的技術與產業(yè)。相應地，作為研究光信息(光信號、光線或圖像)在光學纖維這種透明圓柱介質光波導中傳輸機理、特性、規(guī)律、制作工藝、器件與應用的“光纖光學”，則是近60年來迅速發(fā)展并日臻完善并成熟起來的近代光學領域的一

2、門嶄新的分支學科。 從更高層面認識，光纖技術是屬于光波導技術的一個方面，而通常所指的光波導技術，則應包括以圓柱介質光波導為特征的光纖技術和以平板或帶狀介質光波導為特征的集成光路技術;與其相對應，從學科角度可以認為，與光波導技術相對應的是導波光學，它應包括:對應于光纖技術的光纖光學和對應于集成光路技術的集成光學(參見圖1)。本書研究的主要內容包括:光在圓柱介質光波導(即光纖光學)以及光纖與相關器件的應用技術。光纖中的傳輸機理、特性與規(guī)律圖圖1 光波導技術與導波光學的對應光波導技術與導波光學的對應關系關系 1.光纖光學與光纖應用技術發(fā)展的簡要回顧光纖光學與光纖應用技術發(fā)展的簡要回顧 光纖光學旱期實

3、驗室研究的緩慢發(fā)展階段，是從1852年英國丁達爾(J. Tyndall)研究證實光線可沿盛水的彎曲通道經全反射向前傳播開始的，持續(xù)了將近100年;光纖光學與光纖技術的主要發(fā)展階段是近60年，期間大體經歷了如下的三個階段。 （1）起步與上升階段(1950-1970年)。從1951-1952年，荷的范希爾(A. C. S. VanHeel)、英國的霍普金斯(H. H. Hopkins)與美國的卡帕尼(N. S. Kapany)同時分別開展了實用光纖與光纖束結構與制作的研究;1955年希斯喬威茲解決了光纖包層的光絕緣問題;1956年卡帕尼提出了“纖維光學”或稱“光纖光學”新學科的命名;1958年卡帕

4、尼提出了拉制復合光纖的新工藝;1960年美國首先研制出光纖傳像束，爾后即興起了光纖醫(yī)用窺鏡傳輸圖像以及傳光的應用;1960年由Theodore Maiman研制的第一臺激光器問世，解決了光通信的光源問題;1966年諾貝爾獎獲得者、華裔科學家高銀首先提出了以光纖傳輸線取代傳統(tǒng)電纜線，用光波導傳輸光信息的概念，從而奠定了光纖通信的理論基礎;1970年美國康寧公司首先拉制出損耗低至20 dB/km的通信用石英光纖，為光纖通信的實用化奠定了技術基礎。概括這一階段的基本標志是: 工藝上制成完善可以實用的光纖; 各種光纖傳像器件(柔性的光纖傳像束與剛性的光纖面板等)與傳光器件的制作工藝水平與應用首先成熟;

5、 光纖在通信中的大規(guī)模應用正孕育著突破，光纖通信的理論與工程基礎已經初步解決; 光纖光學的初步理論體系已經建立，光纖光學的新學科已經基本形成。(2)全面興起與發(fā)展階段(1970-1990年)。這一階段的主要進展與標志是: 長距離通信光纖的需求促進了多種光纖類型研制的完善與光纖制造工藝的成熟，各種類型光纖相繼問世，從階躍多模光纖到漸變折射率多模光纖，進而發(fā)展到階躍單模 光纖。構成長距離光纖通信工程基礎的光纖類型與各種無源光器件已形成基本體系，解決了光纖的最佳選擇(單模光纖)，光纖產業(yè)化的基礎已經建立;低損耗、低色散單模光纖的研究進展，促進了光纖主要應用領域光纖通信的蓬勃發(fā)展，光纖通信先后經歷了三

6、代通信系統(tǒng)的發(fā)展。從短波長(0. 85um)、多模光纖通信系統(tǒng)(第一代)，到長波長(1. 31um)、多模和單模光纖通信系統(tǒng)(第二代)，再到長波長(1. 31 um)單模光纖實用化通信系統(tǒng)的大規(guī)模應用(第三代)，其傳輸信號為準同步數(shù)字體系(PITH)的各次群信號，傳輸距離為50 km左右; 光纖傳感技術獲得迅速發(fā)展，70余種功能型與非功能型光纖傳感器相繼問世，研究異常活躍; 梯度折射率光纖的研究進展，促進了梯度折射率光學與微型光學的發(fā)展;此外，塑料光纖、紅外光纖等多種特種光纖獲得迅速發(fā)展。(3)以現(xiàn)代光纖通信作為最重要應用方向的飛速發(fā)展階段(1990年至今)。 隨著現(xiàn)代信息社會與信息技術對光纖

7、傳輸距離與通信容量進一步提高的迫切需求，從進一步降低色散、實現(xiàn)低損耗并抑制四波混頻等非線性效應，以及適應W IBM與 EIFA等應用的要求，單模光纖從常規(guī)的單模光纖(G. 652光纖)發(fā)展演變出多種新型的單模通信光纖品種，如G652A、G652B、G652C(全波光纖)和G652D等光纖，色散位移光纖(G.653),截止波長位移光纖G. 654)、非零色散位移光纖(G. 655A, G.655B,G.655C)和G. 656、G657光纖等，從而形成了適應不同用途需要的單模通信光纖品種的配套體系;波分復用(WDM、DWDM）、摻餌光纖放大器(EDFA)等新器件、光無源與光有源器件等相繼問世并實

8、用化，奠定了新一代光纖通信系統(tǒng)的新技術及光互連、光邏輯門、光子開關、變頻、路由器等多種新型技術基礎; 光纖通信系統(tǒng)從20世紀90年代初開始進入第四代光纖通信系統(tǒng)，即傳輸體制以同步數(shù)字體系(SDH)取代準同步數(shù)字體系(PDH)，從而使光纖通信網(wǎng)跨入第二代網(wǎng)絡同步光網(wǎng)絡(又稱光電混合網(wǎng)絡)，同時傳輸波長從1. 31 um轉向1. 55um，開始采用WDM與EDAF技術，傳輸速率達2. 5 Gb/s，中繼距離達80 km;經歷了近20年的發(fā)展歷程，到20世紀末光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展進入第五代光纖通信系統(tǒng)階段，波分復用(WDM、DWDM)技術已進入全面實用化，光纖傳輸容量獲得大的突破，以光孤子作為信息載體

9、的光孤子傳輸系統(tǒng)以及相干光通信系統(tǒng)、全光通信系統(tǒng)等先進的光纖通信方式與系統(tǒng)正逐步進入實用化并取代常規(guī)通信方式，基于多波長傳輸與波長交換技術的全光網(wǎng)絡成為網(wǎng)絡升級的優(yōu)選方案，集成各種新興技術與新興光器件的 “摻餌光纖放大器(EDFA)+波分復用(WDM)+非零色散光纖(NZDSF)+光電集成 電路(OEIC)”模式，正在成為光纖通信系統(tǒng)的代表性方向。2、光纖的主要優(yōu)點、光纖的主要優(yōu)點 光纖作為一種介質光波導、光信號的傳輸線，它相對于金屬傳輸線具有如下的主要優(yōu)點: 具有極寬的傳輸帶寬，可使通信容量獲得極大提高，比同軸電纜大5個量級，可提供寬頻帶的綜合數(shù)字化服務; 具有極低的損耗，良好的透明性，可實

10、現(xiàn)無中繼的長距離傳輸，損耗最低可控制到0. 1一0. 2 dB/km; 光纖是絕緣介質，傳輸光信號抗電磁干擾性好，且同一光纜中的多根光纖之間的相互干擾小。因此，信號傳輸?shù)谋Ｃ苄院茫沂芨蓴_小，傳輸質量易于保證; 尺寸、體積小，質量輕，柔韌性好，適宜鋪設、彎曲。光纜同比相應電纜具有極大優(yōu)越性; 光纖的原材料Si0:蘊藏豐富，可節(jié)約大量有色金屬(銅)材料。 正是由于光纖具有上述諸多的突出優(yōu)點，因而它獲得了廣泛而大量的應用。 3.光纖的主要應用領域光纖的主要應用領域 光纖的優(yōu)良特性，使之在光纖通信、傳感、傳像、傳光照明與能量信號傳輸?shù)榷喾矫娴念I域被廣泛而大量應用，并已成為當今信息世界的新興支柱產業(yè)，

11、需求非常旺盛(例如，今后承擔電信業(yè)務的大多數(shù)電纜將被光纜取代)。另外，對光纖技術應用的迫切需求，不僅表現(xiàn)在民用領域，在軍用領域也有巨大的應用潛力。 光纖與光纖技術的主要應用領域包括: 進行一維(時間)的信息傳輸。包括遠程光纖通信(含洲際海底光纜通信、陸地的國際與國內長途通信)、區(qū)域網(wǎng)與城域網(wǎng)通信、互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸、本地接人網(wǎng)傳輸?shù)?此外，在軍用上包括艦載、機載、車載及陸軍的戰(zhàn)術、戰(zhàn)略光纖通信系統(tǒng)，以及光纖制導中的雙向信息傳輸。 光纖傳感技術應用于各種用途的功能型與非功能型光纖傳感器。 進行二維圖像的傳輸、增強與變換：-二維圖像傳輸:如光纖傳像束(柔性器件)、光纖面板(剛性器件);-二維圖像增強

12、:如微通道板像增強器;-二維圖像變換:如扭像器、圖像分割器等。傳光照明與能量信號傳輸: -傳光照明、裝飾與光纖工藝制品; -能量傳輸以及信號傳輸與控制。 正是由于光纖以及光纖技術所獨具的優(yōu)越性能以及廣泛而重要的應用領域與前景，因而以光纖通信為最重要代表的光纖技術及產業(yè)已成為當今世界范圍內信息技術領域最重要的支柱產業(yè)之一。光纖類產業(yè)的產值正以每十年50%的增長率快速發(fā)展，而價格則呈數(shù)量級下降，從而產生了巨大的社會與經濟效益，并具有非常廣闊的應用前景。 近30年來，在世界范圍信息技術大發(fā)展的背景下，我國以光纖通信為主體的光纖與光纖技術產業(yè)，取得了長足的發(fā)展和令人矚目的成就。例如，我國在“八五”期間

13、即已建成包含22條光纜干線、總長度為3. 3萬千米的“八縱八橫”大容量光纖通信干線傳輸網(wǎng);“九五”期間我國開始大規(guī)模地建設SIGH網(wǎng)絡，并開通了1 550 nm的通信窗日;200。年我國敷設光纜總長度約720萬千米;2003年年末，我國實際光纖產量已達350萬千米;我國生產的光纖以及預制棒的水平已達到或接近國際先進水平?？梢灶A期，在我國向現(xiàn)代化、信息化快速前進的背景下，光纖通信技術與產業(yè)以及更廣泛的光纖技術與產業(yè)，必將迎來一個更加輝煌發(fā)展的明天，并躋身于世界信息技術發(fā)展強國之列。 本書運用光線光學與波動光學，系統(tǒng)地分析軸對稱圓柱介質光波導光纖(階躍多模、漸變多模、單模光纖)的傳輸機理、特性與規(guī)

14、律(包括進行基本的模式分析)，并在較詳細地介紹光纖、光纜與無源/有源光器件等基本知識的基礎上，全面介紹光纖在通信、傳感、傳像、傳光照明與能量信號傳輸?shù)确矫娴膽?，從而使讀者獲得較系統(tǒng)、全面的光纖光學與光纖應用技術的完整概念。第一篇第一篇光纖光學的基礎理論與知識光纖光學的基礎理論與知識 本篇的主要內容包括:光纖光學即軸對稱圓柱介質光波導的基拙理論，運用光線光學和波動光學兩種方法，研究分析光在圓柱階躍光纖與漸變折射率光纖中的傳輸機理與規(guī)律，求解波導方程，進行模式的基本分析;研究光纖傳輸?shù)膸追N重要特性;介紹光纖的材料、制造、分類與光纜;研究光纖的連接、藕合特性以及幾種重要的無源與有源光器件。上述內容

15、為全面研究光纖應用技術奠定必要的理論基拙。 電磁波的傳播規(guī)律取決于所依賴的具體環(huán)境，例如，是在自由空間中還是在介質中。其中，介質的種類又包括金屬導體、電介質非導體(根據(jù)其磁性特征又可分為磁性物質與非磁性物質)及電離氣體。 光纖是一種介質光波導，因此，光波在其中的傳播規(guī)律與特性應服從于介質中的電磁場理論。本章目的即建立光纖介質波導中光線光學與波動光學兩種分析方法共同的電磁理論基礎。第第1章章 光纖波導的電磁理論基礎光纖波導的電磁理論基礎1. 1 麥克斯韋方程組與物質方程組麥克斯韋方程組與物質方程組 光波是一種電磁波，光波的波動性質被包含在描述變化電磁場的麥克斯韋方程組以及表征物質電磁性質的物質方

16、程組中。兩者將電場強度E和磁感應強度B之間的空間與時間變化聯(lián)系起來。 1. 1. 1麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組 麥克斯韋方程組有其積分形式和微分形式，通常采用如下微分形式的麥克斯韋方程組，求解介質中任一給定點電磁場矢量與時間變化對應關系。 在非各向同性、非均勻、非線性介質的一般條件下，微分形式麥克斯韋方程組的表述形式為: (1.3) (1.4) (1.2)0BEtDHJtDB (1.1) 上述一組線性耦合微分方程組中的(1.1)式、(1.2)式為基本方程，分別表示變化的磁場產生電場，以及由傳導電流(J)和位移電流(D)形成的總電流所產生的磁場;對上兩式取散度并利用電荷不滅定律，即 。則可以得

17、到(1.3)式與(1.4)式。因而后兩式并非獨立方程。 通常稱(1.1)式(1.4）式為麥克斯韋方程組。式中，D為電通量密度矢量，J為電流密度矢量，B為磁感應強度(或磁通量密度)矢量，P表示介質中給定點的自由電荷密度。Jt 應該指出，利用上述方程組還不能求解出介質中給定點確定的E、D、B、H，這是因為尚不知道E、H與D、B之間的具體關系，其具體關系是隨所在的物質而異的。為此，必須研究并確定物質方程組。1. 1. 2物質方程組物質方程組 電磁場的存在與變化總是依賴于介質的，介質的具體情況決定了各有關矢量之間的關系。我們稱反映矢量E、B(電磁場的兩個基本物理量)與D、H、J(引進的輔助場量)之間關

18、系的關聯(lián)方程為“物質方程組”。物質方程組的具體函數(shù)形式取決于如下所述各種介質的具體類型。為區(qū)分不同類型介質，需首先給出如下的各相關定義： 各向同性與各向異性:對介質中的任意給定點，若其各方向的物理性質均相同，則為各向同性;否則，為各向異性，表征其特性的系數(shù)則以張量形式表示。一般地，晶體為各向異性。均勻與非均勻:一種介質若其物理特性不隨空間位置而逐點變化，則為均勻;否則，為非均勻，其特性系數(shù)可表為位置矢量:的函數(shù)形式。則為非線性關系。一些介質在強場作用下呈現(xiàn)非線性特性，這種介質即稱為非線性介質。線性與非線性:若D（J）、H只與E、B的一次項有關，即 均是與E、H無關的常數(shù)，則為線性;若D不僅與E

19、的一次項有關，且與E的高次項有關，以DE函數(shù)關系為例，即可表為如下形式:、 （1.5）ijj, ,=+.jkjklijijkj kj k lDEE EE E E一次項 非 線 性 項 透明:即指=0，因而J=0。，無吸收損耗。透明介質是指光進入其中而其強度不發(fā)生可察覺減弱的物質(如空氣、玻璃)，它們在電學上必為非導體。 無源:即自由電荷密度=0。 根據(jù)上述定義，可給出如下三種主要類型介質的物質方程組形式： 物質為各向異性、非均勻、線性，則其物質方程組可表為 （1.7）( )( )( )( )( )( )D rrE rB rrH r（1.6）式中，、分別表示介質的張量介電系數(shù)和張量磁導率，并以矩陣形式表示(以為例):111213212223313233( )r（1.8）式中， ，r 為介質中不同空間點的位置矢量。因而(1. 6)式可表為( )ijijr111213212223313233xxyzyxyzzxyzDEEEDEEEDEEE（1.9）也可表示為矩陣方程:或將DE之間的線性關系表示為一般式:111213212223313233xxyyzzDEDEDE (1.10)31