光纤光学6.5
光纤光学及技术应用学什么
光纤光学及技术应用学什么光纤光学及技术应用学是一个涉及光纤理论、光纤器件、光网络以及光纤传感等多个方面的学科。
光纤光学是以光纤为研究对象的光学学科，主要围绕光纤的制备、光信号的传输与调控等方面展开研究。
光纤技术应用学则是以光纤技术在各个领域的应用为重点，包括通信、医疗、军事、工业等多个领域。
光纤光学及技术应用学主要涉及的内容包括：1. 光纤的制备与表征：研究光纤的材料、结构、制备工艺以及光学性能等方面，通过对光纤的表征与分析，为其应用提供基础支持。
2. 光纤通信系统：研究光纤在通信系统中的应用，包括光纤通信原理、光纤通信网络结构、光纤通信器件等方面，为高速、大容量、长距离的光纤通信提供技术支持。
3. 光纤传感技术：利用光纤的特性，设计并研究光纤传感器，用于测量温度、压力、光强等物理量，广泛应用于医疗、环境监测、工业控制等领域。
4. 光纤激光器及光纤放大器：研究光纤激光器及光纤放大器的原理、结构和性能，广泛应用于光通信、激光加工、医疗美容等领域。
5. 光纤成像技术：研究利用光纤进行光学成像的技术，包括光纤显微镜、光纤内窥镜等，广泛应用于医学影像、工业检测等领域。
光纤光学及技术应用学的发展对于提高通信技术、促进医疗技术进步、拓展工业应用等方面具有重要意义。
在通信领域，光纤技术的应用可以实现高速、大容量的信息传输，为信息社会的发展提供了基础保障。
在医疗领域，光纤传感技术的应用可以实现对人体各种生理参数的实时监测，为医学诊断和治疗提供了新的手段。
在工业领域，光纤激光器及光纤传感器的应用可以提高生产效率、改善产品质量，为工业自动化和智能制造提供了技术支持。
随着信息社会的不断发展，对通信技术的需求不断增加，光纤通信系统作为当前主要的信息传输方式之一，对其性能和可靠性有更高的要求，因此光纤光学及技术应用学研究的重点之一是提高光纤通信系统的技术水平，研究新型光纤器件、光纤网络技术以及光纤通信系统的安全性和稳定性。
光纤光学基础知识
光纤光学基础知识嘿，朋友们！今天咱们来唠唠光纤光学，这可是个超级有趣又神秘的玩意儿呢。
你可以把光纤想象成超级高速的光滑梯。
光就像一个个调皮的小小孩，哧溜一下就沿着这个滑梯跑下去了，速度那叫一个快啊，比火箭还火箭。
光纤呢，就负责把这些小光孩安全地送到目的地，而且这个滑梯特别细，细得就像一根超级超级瘦的面条，感觉一阵微风就能把它吹断，但实际上它可坚韧着呢。
光纤里面的全反射现象就更有趣了。
这就好比光在光纤里玩反弹球游戏。
光碰到光纤的壁，就像球碰到墙壁一样，弹回来继续跑，而且每次都弹得特别精准，一点都不跑偏。
要是人能有这么厉害的反射能力，那打篮球都不用愁投篮不准啦，光靠反弹就能把球弄进篮筐。
光纤的传输带宽啊，大得就像宇宙一样。
可以想象它是一个超级大的货车，能拉好多好多数据这个“货物”。
不管是视频、音频还是各种复杂的信息，在它眼里都像小蚂蚁一样轻松就能运输。
而那些传统的传输方式呢，就像小三轮，拉不了多少东西，还跑得慢。
说到光纤的材料，那也是相当讲究的。
就像给光做一个豪华的住宅，既要透明又要坚韧。
这材料就像超级英雄的铠甲，保护着里面的光，让光可以在里面无忧无虑地奔跑，不会受到外界的干扰。
要是这个材料有一点点瑕疵，就像房子漏了个洞，光可能就跑丢了，那可就麻烦大了。
光纤的弯曲也很神奇。
你以为它弯了光就过不去了？错！光纤就像一个柔软的小蛇，不管怎么弯曲，光都能顺着它的身体走。
这就好比你在一个弯弯曲曲的迷宫里，有个超级厉害的导航（光），不管迷宫怎么拐，导航都能准确带你找到出口（目的地）。
光纤光学在通信领域的地位那可是相当高啊。
它就像通信界的国王，统治着整个数据传输的王国。
没有它，我们现在的网络世界就会变得乱糟糟的，就像一群没头的苍蝇到处乱撞。
光纤还有一个厉害的地方就是保密性好。
这就像给数据穿上了一层隐身衣，别人想偷看都看不到。
光在光纤里就像一个神秘的特工，悄悄地传递着重要信息，外面那些想搞破坏的“坏蛋”根本找不到它的踪迹。
第5章-光纤光学ppt课件光纤的特征参数与测试技术
如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制 速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展 宽值为 : D = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。
课堂测验(7)
1. 哪些因素限制光通信传输距离？ 2. 一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率
为2.5 mW时，输入光功率为多少？ 3. 为什么光纤在1.55μm的波长损耗比1.3μm波长小? 4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？ 5. 三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散
光纤的损耗
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
光纤的损耗谱
不断拓展的光纤窗口波长
2004年
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
大？为什么？ 6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？
习题：5.4~5.11
《光纤光学教学课件》第十九讲
光纤传感器的原理与分类
原理
光纤传感器利用光在光纤中的传输特性变化来检测各种物理量（如温度、压力、 位移、速度等）的变化。当外界参数作用于光纤时，光纤中光的强度、相位、波 长等会发生改变，从而检测出外界参数的变化。
分类
根据不同的分类标准，光纤传感器可以分为多种类型。按工作原理可分为功能型 和非功能型；按被测物理量可分为强度型、干涉型、偏振型和分布式光纤传感器 等；按应用领域可分为工业、环境、医疗和军事等领域的光纤传感器。
04 新型光纤技术及发展趋势
CHAPTER
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型光纤，其结构由石英、聚合物或复合材料制成，具有光子 带隙特性。
光子晶体光纤具有高非线性、低损耗、低色散等优点，在光通信、光传感、激光等 领域具有广泛的应用前景。
光子晶体光纤的制造工艺主要包括微纳加工、化学气相沉积等，其应用场景包括光 子晶体激光器、光子晶体光纤传感器等。
光纤的传输损耗
光纤的传输损耗
光纤在传输过程中会因为吸收、散射和弯曲等原因产生能量损耗，这些损耗限 制了光信号的传输距离和信号质量。
减小传输损耗的方法
通过采用低损耗光纤、优化光纤制造工艺、减小光纤弯曲半径等方法可以减小 光纤的传输损耗。
02 光纤通信系统概述
CHAPTER
光纤通信系统的组成
光纤
传输光信号的介质，由石英等 材料制成。
在成本方面，多模光纤制造成本较低，而单模光纤制 造成本较高。
光纤技术的发展趋势
未来光纤技术的发展将更加注重高带宽、高速率、低损耗、低色散等方 面。新型光纤材料和制造工艺的不断涌现，将推动光纤技术的进一步发 展。
新型光纤技术还包括光子晶体光纤、光子带隙光纤等，这些光纤具有优 异的光学性能和潜在的应用前景。
光纤光学基础知识
光纤的传输特性
➢弯曲损耗(Bending Loss)
如图5所示，光线在光纤平直部分的A点以临界角α1入 射，全部反射，在弯曲部分的B点以角度α2(<α1)入射， 不再发生全反射，部分光能量因折射而泄漏，此即光
纤弯曲损耗。
A
α1
B
α2
图5.光纤的弯曲损耗
光纤的传输特性
✓宏弯曲损耗
光纤弯曲半径R大于临界值Rc，因弯曲引起的损耗很 小，可以忽略；弯曲半径小于临界值，损耗按指数规
NA子 (r) n0 sin 0 n2 (r) n22
➢光纤数值孔径与其折射率分布有关，阶跃折射率光 纤纤芯各点数值孔径相同，渐变折射率光纤中心点数 值孔径最大，在纤芯与包层界面数值孔径为0。 数值孔径反映光纤接收光的能力，Corning SMF-28单 模光纤、InfiniCor 50/125um多模光纤、InfiniCor 62.5 /125um多模光纤数值孔径分别为0.14、0.20、0.275。
V a 2 0
n12 n22
V越小，则光纤限制光泄漏的能力越弱，允许传输的
模式数量越少。当V<2.405时，光纤中只有一个模式
可以传播，成为单模光纤。
光纤中的传播模式
为了满足单模条件，单模光纤的纤芯包层折射率差和 纤芯直径均比多模光纤小。 ➢在保证单模传输的前提下，V值应尽可能取髙值，以 提升光纤导光能力，避免弯曲损耗。 根据波动理论分析，继续减小V值，仍不能将最后一 个模式截止，即此模式被牢牢限制在纤芯中传播，这 也是单模光纤的微弯曲损耗较多模光纤小的原因。
0.5
0.2
0.1
0.6 0.8 1.0 1.2
1.5
2.0
波长(um)
图4.石英光纤损耗谱典型曲线
光纤光学原理及应用
光纤光学原理及应用光纤是一种能够传输光信号的细长柔软的光导纤维。
它的原理基于光的全反射现象，具有高速率、大容量、低损耗和抗电磁干扰等优势，因此在通信、医疗、工业、军事等领域有着广泛的应用。
光纤的基本构成包括纤芯、包层和包覆层。
纤芯是光信号传输的核心部分，由高折射率的物质制成；包层是围绕纤芯的一层低折射率的物质，起到光线在纤芯内的全反射作用；包覆层则是为了保护纤芯和包层而存在的。
光纤的工作原理基于光的全反射现象。
当光线从密度较大的介质射入密度较小的介质时，会发生一定的折射。
当入射角大于临界角时，光线会完全反射回原介质中。
光纤利用了这个原理，将光线完全反射在纤芯内部，从而实现光信号的传输。
光纤的应用非常广泛，其中最主要的应用领域之一就是通信。
光纤通信利用光纤传输光信号，以取代传统的电信号传输方式。
相比传统的铜缆，光纤具有更高的传输速率和更大的传输容量，可以满足现代高速宽带通信的需求。
光纤通信已经成为现代通信网络的重要组成部分。
除了通信领域，光纤在医疗领域也有着广泛的应用。
光纤光学技术可以用于内窥镜的制造，通过将光纤引入人体内部，医生可以观察和诊断患者的内部状况。
这种技术非常重要，特别是在微创手术和胃肠道检查中，可以减少患者的痛苦和创伤。
光纤还可以应用于工业和军事领域。
在工业中，光纤传感器可以用于测量和监测温度、压力和应力等参数。
这种传感器具有高精度、可靠性高和抗干扰能力强的特点。
在军事领域，光纤通信可以实现安全和高速的数据传输，同时光纤传感器也可以用于军事侦察和监测等任务。
总的来说，光纤光学原理和应用为我们提供了一种高速、大容量、低损耗和抗干扰的光信号传输方式。
光纤的应用领域非常广泛，从通信到医疗、工业和军事等领域都有着重要的作用。
随着技术的不断发展和创新，相信光纤光学技术将会在更多领域得到应用和推广。
ASD_FieldSpec_3_Hi-Res地物光谱仪的使用与维护
ASD FieldSpec 3 Hi-Res地物光谱仪的使用与维护Use and Maintenance of ASD FieldSpec 3 Hi-ResSpectrometer余政军1 尹小红1 杨 柳1 袁 涛2 李海林1*（1 湖南农业大学农学院科研公共服务平台，湖南 长沙 410128；2 北京理加联合科技有限公司，北京 100085）Yu Zhengjun 1, Yin Xiaohong 1, Yang Liu 1, Yuan Tao 2, Li Hailin 1*(1 Public Research Service Platform, College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha Hunan 410128;2 LICA United Technology Co., Ltd., Beijin 100085)摘 要：本文介绍了ASD FieldSpec 3 Hi-Res 便携式地物光谱仪的主机结构以及可选配件，阐述了使用仪器时的测量方法、测量环境以及日常保养与维护。
同时，针对测试人员在使用仪器过程中常见的问题进行判断，并提出相应的解决措施，以期为广大科研工作者提供借鉴参考。
关键词：地物光谱仪 测量方法 仪器维护Abstract：This paper introduces the host structure and optional accessories of ASD FieldSpec 3 Hi-Res portable ground object spectrometer. The measurement method, measurement environment, daily maintenance and maintenance of the instrument are described. At the same time, the common problems of testers in the process of using the instrument are judged, and the corresponding solutions are put forward, in order to provide reference for the majority of scientific researchers.Key words：Spectroradiometer Measuring method Care of instrument掌握了正确的测量方法，不仅可以得到准确的实验数据，而且能大大降低仪器的维护成本。
光缆技术说明书(单模)
光缆技术说明书主要技术要求及指标一、光缆中的光纤使用ITU-T G.652建议的美国康宁公司的单模光纤。
每一包中的所有光缆及光缆中的所有光纤为同一型号和同一来源（同一工厂、同一材料、同一制造方法和同一折射率分布）。
每盘光缆保证没有光纤接头。
●模场直径（1310nm）标称值：9.3μm偏差：不超过±0.5μm●模场直径（1550nm）标称值： 10.5μm偏差：不超过±0.8μm●包层直径标称值：125μm偏差：不超过±2μm1310nm波长的模场同心度偏差：小于0.8μm。
包层不圆度：小于1%。
●截止波长截止波长满足下述λcc或λc要求：λc （在2米光纤上测试）：1100～1330nm保证λcc（在20米光缆+2米光纤上测试）：≤1270nm●光纤衰减系数在1310nm波长上的最大衰减系数为0.36dB/km在1285～1330nm波长范围内，任一波长上光纤的衰减系数与1310nm波长上的衰减系数相比，其差值不超过0.05dB/km。
在1550nm波长上的最大衰减系数为0.22dB/km在1480～1580nm波长范围内，任一波长上光纤的衰减系数与1550nm波长上的衰减系数相比，其差值不超过0.05dB/km。
光纤衰减曲线具有良好的线性且无明显台阶。
用光时域反射计（OTDR）检测任意+0.10dB）/2,一光纤时，在1310nm和1550n处500m光纤的衰减值不大于（αmeanαmean是光纤的平均衰减系数。
●光纤在1550nm波长上的弯曲衰减特性以37.5mm的弯曲半径松绕100圈后,衰减增加值小于0.5dB。
●色散零色散波长范围为（1300～1324）nm。
最大零色散点斜率不大于0.093 ps /(nm2.km)。
1288～1339nm范围内色散系数不大于3.5 ps /nm.km。
1271～1360nm范围内色散系数不大于5.3 ps /nm.km。
1550nm波长的色散系数不大于18 ps /nm.km。
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3.喇曼光纤放大器 利用普通 光纤的非线性效应
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2、掺杂光纤放大器及其放大特性
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光放大器的工作原理
(2) 受激辐射 (1) 能量注入
2018/3/8
Single-wavelength: 40 Gb/s
TETRETREMTREMTREMTREMTREMTRTEMR1ERTMR3P1RETM1RT3P1REMT01RRT3P1REMT01RRT3P1REMT01RRTP31REMT01RRT3P1REMT01RRT3P1REM0R1RRT31P1RM0R13PRRPT131M01RTP3R1RTP131010RRTR3PR1TP13101R0RTR3PR1TP13101R0RRTP3R1TP131010RRTR3PR1TP13101R0RRT3PR1TP13101R0RRT3P1TPR31101R0RPTR13TR1P310RR01TPR31R1T3P10RR1TP031RR1TP310R1RT0P31RR1T3P10RR1TP031RR1TP310RR1T0P31RR1TP310RR1TP031RR1T3P10R1TP0R31RTP13R01R1T0RP31RT1R3P0R110RT3PR11RT3P011RRT3P101RRT3P011RRTP3101RRT3P011RRT3P101RRT3P101RRT3P101RRTP3011RRTP3101RRT3P011RT3P0R1RT3P1R01R1T0R1P3RT1RP03R101RTP3R1RT1P3101RRT3P0R1R1TP3101RRTP30R1RT1P3101RRT3P01RR1TP3101RRT3P0R1RT1P3101RRT3P0R1RT1P3101RT3PR0R1TP31R011RT0RPR3T11R3P01RR1T0PR311RT3P10RR1TP3011RRTP310RR1TP3011RRTP310RR1TP3011RRTP310RR1TP3011RRTP310RR1TP3011RRTP310R1TP30R1RTP31R01R1T0R3P1RT1RP30R110RT3PR11RTP3101RRT3P011RRTP3101RRTP0311RRTP3101RRTP3011RRTP3101RRTP031R1RTP3101RRTP3011RRTP3101RT3P0R1RTP31R101RT0RP3R1T1R3P10R10RT3PR11RTP3101RRTP3011RRT3P101RRTP3011RRT3P101RRT3P011RRT3P101RRT3P011RRT3P101RRTP3011RRT3P101RT3P0R1RTP3101RT0R1TP3RT10R01ERTT3PR10R1ERRTT3P10R1ERMRTTP310REM1RRTT3P10R1ERMRTT3P10R1ERMRTTP310R1EMRTT3P0R1TRMET0ETRRMRETMREMTREMTREMTREMTREMTREMRMM
2018/3/8
放大的自发发射噪声 （ASE）
1550nm 光信号输入
泵浦光输入 （1480nm 或 980nm）
掺铒光纤（EDF）
放大的自发发射噪声 （ASE）
1550nm 光信号输出
Gain>Loss
Gain<Loss
泵浦光输出
透明点 （Gain=Loss）
2018/3/8 © HUST 2012
光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制
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2018/3/8
掺铒光纤放大 器
EDFA：Erbium－Doped Fiber Amplifier
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
掺铒光纤放大器的发展历程
• 1964年报道了掺杂光纤放大器的研究； • 此后的25年间，缺乏很好的有源光纤、泵浦光源； • 1989年英国南安普顿大学研制出掺铒光纤放大器，
OC-48 OC-48 OC-48
OC-48 OC-48 OC-48
OC-48 OC-48 OC-48
OC-48 OC-48 OC-48
OC-48 OC-48 OC-48
OC-48
Commercially Available Now: ~160 wavelengths x 10Gbps ~1.6T b/s
Amplified Signal 1550 nm
基态
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2018/3/8
铒离子在外界泵浦光的作用
下 激发态
粒子数反转产生自发辐射
产生噪声
亚稳态
Pump Photon 980 or 1480 nm
NO SIGNAL PHOTON 1550 nm
Spontaneous Emission Around 1550 nm
• 如何加长传输距离 –光-电-光中继 –相干光通信，提高接收灵敏度 –直接光放大
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
传统的光-电-光中继
O－E－O Regenerator Optical fiber
Optical fiber
1
PD
LD
1
对每一波长要分别处理，不适WDM系统； 由于电的参与，处理速度受到限制；
第六章光纤无源及有源器件
2018/3/8
1、引言
六、掺铒光纤放大器
光纤放大器——光通信技术的发展的必然
• 光通信的发展历程 ——扩大容量，增长距离 • 光纤通信的容量有多大？ • 光纤中光信号能传多远？ • 全光放大器给光纤通信领域带来的革命
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
OA
120 km
OA
120 km
OA
120 km
OC-48 OC-48 OC-48 OC-48
OA
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Optical Amplifiers and WDM - 10 Gb/s
4 fibers 1 fiber; 12 regenerators 1 optical amplifier
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48 Optical
OC-48
OC-48 OC-48
AmplifierOC-48Fra bibliotekOC-48
OC-48
OC-48
16-wavelength WDM: 40 Gb/s
16 fibers 1 fiber 48 regenerators 1 optical amplifier
基态
基态
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
铒离子在外界信号光的作用
下 激发态
引起铒离子受激吸收跃迁
信号光吸收
亚稳态
No Pump Photon 980 or 1480 nm
基态
SIGNAL PHOTON 1550 nm
Attenuated Signal 1550 nm
基态
2018/3/8 © HUST 2012
在较短的光纤内（15m），使信号放大1000倍 （30dB）。
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铒离子在硅基石英光纤中的能级分布
2H11 2 4S3 2 2F9 2 4I9 2 4I11 2
4I13 2
514nm 532nm 667nm 800nm 980nm
1480nm 1600nm(?)
• 800nm：可由半导体激光器产生，但会产生激发态吸收，基态 的粒子泵浦到激发态后，不是弛豫到亚稳态，而是在吸收泵 浦光后，向更高的能级跃迁，消耗泵浦光功率。
• 980nm：铒离子相当于三能级系统完全的粒子数反转，噪声特 性好，但泵浦效率不高；
• 1480nm：铒离子相当于二能级系统完全的粒子数反转，泵浦 效率高，但噪声特性也变差。
光纤通信的容量有多大
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如何提高数据率 电复用 光复用 波分复用 (WDM) 光时分复用 (OTDM)
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光纤中光信号能传多远
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• 普通单模光纤的损耗谱 窗口： 1.3m， ~0.4dB/km; 1.55 m, ~ 0.25dB/km 全波光纤，1.3~1.5 m
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前向泵浦方式 隔离器
WDM
输入信号 泵浦激光器
后向泵浦方式
EDF 隔离器 输入信号
隔离器 EDF 输入信号
WDM 隔离器
泵浦激光器
输入信号
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双向泵浦方式 隔离器
EDF
WDM
隔离器
输入信号 泵浦激光器
泵浦激光器
输入信号
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2018/3/8 © HUST 2012
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选择1480nm或980nm作为泵浦光波长
• 980nm泵浦
• 1480nm泵浦
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完全粒子数反 转
低的粒子数反 转
噪声小、效率 低
量子效率高、噪声大 。
2018/3/8
选择1480nm或980nm作为泵浦光波长，掺铒光纤放大器的特性对比
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