张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章
光纤通信原理及基础知识
t D • Δ PMD= pmd * LΛ0.5
•
PMD Link
y=
1
n
n k 1
x
2 k
1 2
• PMDQ :99.99% probability of 100000 y
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散受限的最大理 论传输距离
偏振模色散受限的最大理论传输距离
光纤的通信原理及基础知识
第一章 光纤通信的基本原理 第二章 光纤的基本结构和分类 第三章 光纤的基本参数 第四章 光纤的制造方法
第一章 光纤、光缆的基本知识
§1.1 光纤通信的基本原理
信号 处理
发送端
光波导
信号 处理
接收端
光纤通信的基本原理
频谱分配
电磁波谱
低频
高频
微波
直流电
LW MW KW UKW dm cm
微观弯曲损耗：是指光纤受到不均匀应力的作
用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。
光纤的基本参数
参数典型值 光纤的光学及传输特性参数之一------
• 模场直径： • 衰减系数：
• 色散系数：
• 偏振模色散：
• 截止波长： • 弯曲损耗：
•1310nm: 8-10m; 1550nm: 9-11m
包层(SiO2+F )掺氟二氧化硅
125 µm
标准单模光纤
标准梯度折射率分布多模光纤
涂层(acrylic) 250 µm
涂层 250 µm
涂层
力学影响的防护
塑料光纤
涂层 1000 µm
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按材料分类：
光纤光学课件第一章
幻灯片 1
光纤光学 第一章
光纤传输的基本理论
W-C Chen
幻灯片 2 §1. 前言
Foshan Univ.
低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤在工程上的 使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
NA ni sinim n12 n22 n1 2
*相对折射率差:
(n12 n22 ) / 2n12
约束光： z zc
*折射光: z zc
幻灯片 14 *渐变折射率分布：
子午光线：渐变折射率分布
n(r) n1 1 2(r / a)2 1/2 n2
0ra ra
*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。 轨迹曲线在光纤端面投影线仍 是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。
波动理论的数学基础——麦克斯韦方程：
H D/ t J
E B / t
D
B 0
幻灯片 20 从麦克斯韦方程组出发导出一般波导介质中电场的波动方程
2E
(E
)
E
2E t 2
J t
由
E
B
E
t
B
( H )
t
t
根据恒等式关系，有
10
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 26
模式的基本性质
当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须求解波导场方程。其方法是首先求出
纵向场分量 Ez 和 Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。求出 Ez 和 Hz，再通过
麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。
光纤技术与应用(第1章)
第一章 绪论
2010-03-12
安徽大学物理与材料科学学院
29
《光纤技术与应用》
第一章 绪论
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包层 n2
纤芯 n1
n1>n2
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《光纤技术与应用》
第一章 绪论
光纤结构
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的
第一章 绪论
光纤的发展史与里程碑
1870年,英国皇家学会的John Tyndall演示了光在一束 细水流中进行全内反射传输的现象。
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《光纤技术与应用》
第一章 绪论
1910年，Deby和Hondros用波动理论对电介质中的 光路理论进行了分析
1927年，Baird、Hansell等人提出了用电介质光纤传 递光学图象的设想
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《光纤技术与应用》
第一章 绪论
令边候举放烽炮，若见敌一、二人至百余人举放一 烽一炮，烽二炮，千人以上三烽三炮，五千以上四 烽四炮，万人以上五烽五炮。”而在有的防区还有 自订的传报宣府镇上西路各台夜则悬灯。悬灯的长 竿分为三等，竿上悬灯均染成红色，以数量不等作 为军情缓急、的区分。 “合设烟墩，并看守堠夫，务必时加提调整点，须要 广积秆草，昼望，遇有警急，昼则举烟，夜则举 火，接递通报，毋致损坏，有误军情声息”；
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《光纤技术与应用》
光通信的发展
第一章 绪论
原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲 人用旗语传送信息。 缺点：信息量小，受环境影响大
任意折射率剖面光纤LP11模归一化截止频率的计算
4 附录：MATLAB 程序及计算步骤
程序： % LP11：任意折射率剖面光纤 LP 模截止频率计算 clear all g=1; %设置折射率参数
m=5*(g+2);%设置 C(k)的计算项数 a=zeros(1,m); a(g)=1; %=============计算系数 b================= b=zeros(1,m+2); b=sym(b); syms V; b(g+2)=a(g)*(V^2); %=============系数 b 计算完毕============
g = ∞ 时即阶跃型光纤，阶跃型光纤的计算有其成熟的方法，本文不详细讨 论。 Nhomakorabea4
3 参考文献
[1] 曾维友. 基于磁光薄膜波导的集成光隔离器的研究[硕士论文].电子科技大学, 2007 [2] 吴重庆.光波导理论（第 2 版）. 北京:清华大学出版社, 2005 [3] 张伟刚.光纤光学原理及应用. 天津:南开大学出版社, 2008 [4] 求是科技.MATLAB7.0 从入门到精通. 北京:人民邮电出版社, 2006
以 y 为求解方向的场为例， （1） （2）带入（3） ，整理得到： 1 ' 2 2 r m2 '' Ey + ⋅ Ey + (k 0 n1 − β 2 ) − 2∆ ⋅ k 02 n12 f ( ) − 2 E y = 0 r a r 令 y ( ρ ) = E y (r a ) ，带入（4）得： （4）
%=============计算系数 C================= C=zeros(1,m+2); C=sym(C); C(0+1)='1'; C(1+1)='0'; syms bC; bC=sym(0);
光纤技术及应用复习题1-5
《光纤技术及应用》复习题第一章1、写出电场强度和磁场强度在两种介质界面所满足的边界条件方程。
（并会证明）2、TE波、TM波分别指的是什么？3、平面光波发生全反射的条件。
当入射角大于临界角时，入射光能量将全部反射4、古斯-哈恩斯位移指的是什么？其物理本质是什么？证明实际光的反射点离入射点有一段距离，称为古斯-哈恩斯位移。
（相隔约半个波长）实质：光的传播不能简单视为平面光波的行为，必须考虑光是以光束的形式传播，即时空间里的一条极细的光束也是由若干更加细的光线组成的5、写出光线方程，并证明在各向同性介质中光为直线传播。
对于均匀波导，n为常数，光线以直线形式传播第二章1、平板波导的结构，分类。
结构：一般由三层构成：折射率n1中间波导芯层，折射率n2下层介质为衬底，折射率n3上层为覆盖层；n1>n2 , n1>n3。
且一般情况下有 n1>n2> n32、均匀平面光波在平板波导中存在的模式有：导模、衬底辐射模、波导辐射模（各有什么特点）。
（入射角与临界角之间的关系以及各种模式相对应的传播常数所满足的条件）P12。
P17-18图满足全反射的光线并不是都能形成导模，还必须满足一定的相位条件。
P13（导模的传输条件）3、在平板波导中TE0模为基模，因为TE模的截止波长是所有导模中最长的。
P144、非均匀平面光波在平板波导中的模式有：泄露模、消失模5、平板波导中的简正模式具有：稳定性、有序性、叠加性、和正交性。
6、模式的完备性指的是?P24在平板波导中，导模和辐射模构成了一个正交、完备的简正模系，平板波导中的任意光场分布都可以看成这组正交模的线性组合。
7、波导间的模式耦合指的是？P31当两个波导相距很远时，各自均以其模式独立地传播，无相互影响；当两个波导相距很近时，由于包层中场尾部的重叠，将会发生两个波导间的能量交换，称之为波导间的模式耦合。
作业题：2-7、2-8第三章1、什么是光纤？光纤的结构，分类，并画出相应的折射率分布。
光纤光学-第2章-光纤光学原理及应用(第二版)-张伟刚-清华大学出版社
光纤光学》《光纤光学第二章光纤光学的基本理论南开大学张伟刚教授第2 章光纤光学的基本理论2.1 引论2.2 光纤的光线理论222.3光纤的波动理论2.1引论2.1.1光线理论可以采用几何光学方法分析光线的入1.优点：的多模光纤时2.不足：2.1.2波动理论2.不足：2.1.3分析思路麦克斯韦方程光线理论波动理论2.2光纤的光线理论 2.2.1程函方程问题2.1：(r , t )z y x e z e y ex r ˆˆˆ++=G ),(t r E G G ),(t r H G G G G G G G G )0,0(0===t r E E )0,0(0===t r H H )(r G φφ=(2.1) 00ik i t E E e ϕω−+=G G (2.2)00ik i t H H e ϕω−+=G G 000)()()(000E e e E e E E ik ik ik G G G G ×∇+×∇=×∇=×∇−−−φφφik ik −−G G []φφφ00000)()(e E ik e E ×∇−×∇=φ0ik e E ik E −×∇−×∇=G G (2.3)[]φ000)((2.3)G G G G (24)[]φφφ000000)()(ik ik e H ik H e H H −−×∇−×∇=×∇=×∇(2.4) (21)(22)(25)(28)(2.1)(2.2)(2.5)(2.8)B ∂G G t E ∂−=×∇G (2.5)(26)t D H ∂∂=×∇G (2.6)G G 0=⋅∇D (2.7)(28)0=⋅∇B (2.8)(2.9)(2.10)(2.9)E D G G ε=G G (210)）HB μ=(2.10) 因光纤为透明介质（无磁性），于是0μμ≈ωi t =∂∂φμωμ0000ik e H c ik H i E −−=−=×∇G G G (2.11) φεωε0ik e E i c ik E i H −==×∇G G G (2.12) 00()(2.32.3))(2.112.11))(2.42.4))(2.122.12))G G G −=−000000)(H c ik E ik E μφ×∇×∇00000)(E c ik H ik H G G G εφ=×∇−×∇1G G G ∇=−(213)00000)(E ik H c E ××∇μφ1H k E c H G G G ×∇=+×∇ε(2.13) (2.14) 0000)(ik φ()H G 0[]000200)(1)(1)(1)(E c E E E G G G G εφφφφμφ−=∇−∇⋅∇=×∇×∇000c c c μμ(2.15)λ→0000)(H c E G G μφ=×∇(2.16) 00)(E c H G G εφ−=×∇(2.17)问题2.2：(2.15)(2.16)000E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G (2.18a) (218b)∇∇G G (2.18b)0E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G 、、三个矢量相互垂直三个矢量相互垂直！！0E 0H ϕ∇(2.1(2.188)(2.1(2.155)r c εεμεμφ===∇00221)((2.19)22(220)με00)(n =∇φ(2.20)G G =)()(r n r ∇φ(2.21)221)G (2.21)“程函方程” ()r φ程函方程的物理意义：讨论讨论：r G ∇()φ)(r G φ∇“”n r G 场源()(2.2.2121))),,(),,(),,(),,(2222z y x n z z y x y z y x x z y x =⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+⎥⎤⎢⎡∂∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂φφφ(2.22)⎦⎣问题2.3：(2.2.2121))2.2.2 光线方程根据折射率分布，可由程函方程求出光程函()r Gφ为此，可从程函方程出发推导光线方程。
光纤光学原理及应用-第5章
K1 (W1 ) K0 (W1)K2 (W1)
(5.13)
图5.3给出了沿ox偏振的奇、偶LP11模的电场分布。
(a)坐标系
(b)奇模(sinθ)
(c)偶模(cosθ)
图5.3 沿ox偏振的奇、偶LP11模的电场分布示意图
13
张伟刚教授主讲《光纤光学》课程
(3)模场的分布
图5.4给出了U∼Ｖ和Ｕ1∼Ｖ的关系曲线。求出U、
(5.10)
其中,
[x,
y]和
⎡cosθ
⎢ ⎣
sin
θ
⎤ ⎥ ⎦
有四种可能组合,
U
和W
应满足：
V 2 = U 2 +W 2
U1
J2 (U ) J1(U )
=
W1
K2 (W ) K1(W )
(5.11)
(5.12)
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张伟刚教授主讲《光纤光学》课程
为使总功率满足归一化条件，应有：
E1 =
2 μ0 ⋅ U1 ⋅ π a2n1 ε0 V
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张伟刚教授主讲《光纤光学》课程
(2)高斯近似法 由图5.5可见, 基模LP01模的分布形状类似高斯
分布, 可考虑用高斯函数对精确的场分布进行近 似，该函数是不截尾抛物线折射率分布的LP01模 精确场的分布函数。
采用使LP01模达到最大耦合效率的高斯场分布 来近似实际的精确场分布。利用式(5.5a)和式(5.9),
高斯近似法具有较好的准确度，该曲线还给出了 泄漏到包层中的功率随波长而增加的情况，即导模 所携带的功率是如何扩展进包层的。
(2)给定半径内的功率比
在半径为 r0 的圆柱内, 由式(5.19), 采用高斯近似， 可得到
⎛ −2⎜
光纤课件第一章
c＝3×108m/s
即波长在0.8μ m～1.8μ m之 间，属于近红外波段。 λ＝c/f
1MHz（兆赫兹） ＝106 Hz
1GHz（吉赫兹） ＝109 Hz
0.8μ m～0.9μ m称为短波长
1μm（微米）＝ 1THz（太赫兹）
10−6m
＝1012Hz
波段
1nm（纳米）＝ 1PHz（拍赫兹）
10−9m
强度调制—直接检测通信系统 （IM/DD）
(4)光纤的维修比较困难,需要专用工具。
光纤通信系统的基本组成
基本光纤传输系统 基本光纤传输系统有三个组成部分： 1.光发射机 2.光纤线路 3.光接收机
光发射机
光发射机的功能： 是把电信号转换为光信号，实现电/光转换， 并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线 路中。
光发射机的组成形式
光发射机的组成形式
光发射机的组成
光发射机由光源、 驱动器、调制器和信道耦合 器组成。
光源是光发射机的核心。 光发射机的性能基本上取决于光源的特性。
光源的种类
目前广泛使用的光源有三种 半导体激光器LD 半导体发光二极管LED 动态单纵模分布反馈激光器DFB
半导体激光器LD： 调制速率高、发光谱线窄、发散角小、容易
光通信与光信号 电通信：是以高频电磁波作为载波传输信息
如： 微波通信的电磁载波频率为GHz. 传输的是电信号。
光通信：是以光波作为载波传输信息 传输的是光信号。
光波实质也是电磁波。 频率高达1014 Hz～1015 Hz。
光纤通信的光波波谱
光纤通信中的光波波谱在
167THz～375THz之间，
电/光调制
光发射机把电信号电转换为光信号的过程(常简 称为电/光或E/O转换) ，是通过电信号对光波的 调制而实现的。 实现光通信，首先要解决如何将信号加载到光源 发射的光载波上，即光的调制。
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预制棒的生产 主要预制棒生产厂家有康宁、朗讯、 阿尔卡特及日本藤仓、古河等 主要有四种工艺：
MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition ) OVD (Outside Vapor Deposition) VAD (Vapor Axial Deposition)汽相沿轴 沉淀积法 PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition)等离子体化学汽相淀积
Targ et ro d
Dep o si ted Ge d o p ed SiO 2
Ro tat e man d rel
(a)
(b)
Cl ear so l id g las s p refo rm
(c)
Draw n fi ber
Schematic illustration of OVD and the p reform preparation for fiber drawing. (a) Reaction of gases in the burner flame produces glass soot that deposits on to the outside surface of the mandrel. (b) The mandrel is removed and the hollow porous soot preform is consolidated; the soot particles are sintered, fused, together to form a clear glass rod. (c) The consolidated glass rod is used as a preform in fiber drawing.
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工业界大多采用MCVD制作多模光纤。在石 英管中加氧气及高纯度的卤化物，加热形 成多层折射率不同的玻璃，玻璃再收缩变 成实心棒，即为预制棒，此法很容易控制 预制棒的形状及大小。 预制棒成形后，先作量测，再移到石墨炉 中加热抽丝成为光纤
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为保护其强度， 避免受潮及污 染，必须在裸 光纤表面镀上 保护层，整个 生产流程须 4～5天（预制 棒～2天）。
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光纤(光缆)
纤芯 包层 涂覆层 护套层
单模：8 ~10mm 多模：50mm
125mm
外护层
À强度元件
内护层 光纤 À缆芯
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光纤的分类
通信光纤 非通信光纤
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光纤的进一步分类
17
光纤的进一步分类
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光纤的进一步分类
按材料分： 石英、塑料、红外光纤 特种光纤： 保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
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(Modified Chemical Vapore Deposition)
光纤预制棒工艺：MCVD
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SiCl4、GeCl4 、O2
SiO2、GeO2
2015-5-20
2015-5-20
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Alcatel目前已针对MCVD进行制程上的更新
设计，称为Advanced Plasma & Vapor Deposition(APVD法)。主要不同于MCVD法 之处在于气态物质沉积之后，利用另外一专 用车床机台来熔合沉积物质以构成预制棒， 并以石墨感应炉替代原氢氧焰热源进行熔合。
2 layer
VDSL modem
ONU
VDSL
VLAN Advance Controll IGMP
11
三网合一: 高质量生活
Tele-medicine HDTV Tele-education
Video conference
Online library household
E-commerce E-government
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Dry in g g ases Vap ors : Si Cl4 + GeCl4 + O 2 Fu el : H2 Bu rn er Dep o si ted s o ot P o ro u s s o ot p refo rm wi th h o l e Fu rn ace P reform Fu rn ace
I/O rates = optical wavelength capacity
10 Gb/s Ethernet
3 2 140Mb/s
565Mb/s
Gbit Ethernet Fast Ethernet
T3
STM1
1
Ethernet
E1
Transport capacity Ethernet Standards Internet backbone 2000
广告显示牌 激光手术刀 仪表照明 工艺装饰 电力输送 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜
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光纤光学: 是一门研究光波在光纤中传播特性的科学 光纤: 是一种介质园柱光波导,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
光波导：约束光波传输的媒介 导波光：受到约束的光波 光波导三要素： –“芯 / 包”结构 –凸形折射率分布，n1>n2 –低传输损耗
7
2000: “光通信的第一个春天”
System capacity (Mbps)
10 10 10 10 10 10
6 STM64, 32l STM64, 16l STM64, 8l
5
4
Important Threshold!
1.7Gb/s
STM16
STM64, 4l STM64, 2l
STM64c STM16 STM4
1985
1990
1995
Year
8
武汉-中国光谷
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 照明与显示技术产业 IC技术产业
9
“光通信的第二个春天”
4G的启动。 村村通工程的全面铺开也需要大量的光纤光缆及 相关通信用产品。 随着用户对带宽需求的提高,技术的突破和新标准 的确定以及光纤光缆及相关元器件价格的大幅度 下降,FTTH 出现迅速发展的势头。 铜价的迅速飙升进一步加速了“光进铜退”的步 伐和F T T x接入的浪潮汹涌。
Video telephone
Network game
Browse/download
Online shopping
FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life!
光纤光学
1
“导光”的古老历史
中国古代烽火台 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
2
“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。 1970年,康宁玻璃公司率先研制成功损耗为 20dB/km的石英光纤,取得了重要的技术突破。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6
光纤通信系统的发展
76年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通 信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10km。80年，多模 光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信 系统的现场试验工作。 90年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s）， 并着手进行零色散位移光纤和波分复用及相干通信的现场 试验，而且陆续制定同步数字体系（SDH）的技术标准。 93年，SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下）。 95年，2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 96年，10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 97年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破。 此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也 正在取得巨大进展。
?1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
2015-5-20
VAD
VAD工艺是1977年由日本电报电话公司为避
免与康宁公司的OVD专利的纠纷所发明的连续工
艺。 VAD工艺的化学反应机理与OVD工艺相同， 也是火焰水解。与OVD工艺不同的是，VAD工艺
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光纤预制棒工艺：(OVD) (Outside Vapour Deposition)
美国Corning
公司开发的。 其后OVD 工艺又有不断改进. 目前已开发出第七代工艺, 使 生产效率提高和降低了生产 成本大幅度; OVD 法又为“管外汽相氧化 法”或“粉尘法”, 其原料在 氢氧焰中水解生成SiO2 微粉, 然后经喷灯喷出, 沉积在由石 英、石墨或氧化铝材料制成 的“母棒”外表面, 经过多次 沉积,去掉母棒, 再将中空的 预制棒在高温下脱水,烧结成 透明的实心玻璃棒, 即为光纤 预制棒。
30
OVD工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤： 先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔
玻璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向
是径向由里向外），
再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，
除去残留水份，以求制得一根透明无水份 的光纤预制棒芯棒， OVD工艺最新的发展