《光纤光学教学课件》第一讲.ppt
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1、 HUST 20122021/7/91光纤光学光纤光学光学与电子信息工程学院光学与电子信息工程学院/光通信与光网络系光通信与光网络系Tel:Email:HUST 20122021/7/92教学要求 先导课程:先导课程:。课程要求课程要求:1.1.掌握光纤光学基本概念和重要结论掌握光纤光学基本概念和重要结论 2.2.学习分析和解决问题的思路与方法学习分析和解决问题的思路与方法 3.3.注重物理内涵而不必拘泥于繁杂的数学运算注重物理内涵而不必拘泥于繁杂的数学运算 授课形式授课形式:1.1.课堂讲授课堂讲授 2.2.课堂提问与讨论课堂提问与讨论 3.3.课堂练习与习题课课堂练习与习题课 考试考试:闭
2、卷闭卷 成绩成绩:闭卷考试闭卷考试70%70%,课堂测验,课堂测验20%20%,作业,作业10%10%HUST 20122021/7/93教学参考书光纤光学光纤光学 刘德明、向清、黄德修刘德明、向清、黄德修光纤技术及其应用光纤技术及其应用刘德明、向清、黄德修刘德明、向清、黄德修导波光学导波光学 范崇澄、彭吉虎范崇澄、彭吉虎光波导理论与技术光波导理论与技术李玉权等李玉权等“Optical Waveguide Theory”Snyder A W.“Understand fiber-optical communication”网址:网址:http:/:1128/course/Arts_03/inde
3、x.html?courseId=fa4d8bce2ba4 HUST 20122021/7/94 绪论绪论(4学时学时)光纤光学的基本方程光纤光学的基本方程(2学时学时)阶跃折射率分布光纤阶跃折射率分布光纤(6学时学时)渐变折射率分布光纤渐变折射率分布光纤(6学时学时)光纤的特征参数与测试技术光纤的特征参数与测试技术(6学时学时)光纤无源及有源器件光纤无源及有源器件(10学时学时)光纤的连接与耦合光纤的连接与耦合(4学时学时)光子晶体光纤光子晶体光纤(2学时学时)特种光纤与光缆特种光纤与光缆(自学自学)光纤应用技术光纤应用技术(自学自学)HUST 20122021/7/95“光通信”历史悠久最早
4、的光通信(中国古代烽火台中国古代烽火台 、手旗、灯光、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”HUST 20122021/7/9618801880年,年,A.G.Bell A.G.Bell 首次利用太阳光进行通信,通信距离仅首次利用太阳光进行通信,通信距离仅213213米,这是米,这是BellBell在他所有的发明中最得意的一个在他所有的发明中最得意的一个-Photophone-Photophone,奠定了今天光通信的基础。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弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上,随声音的振
5、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。通信发展的因素。第一个光电话系统:现代光通信的开端 HUST 20122021/7/97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、谱线窄、方向性好!HUST 20122021/7/98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。没有找到稳没有找到稳定可
6、靠和低定可靠和低损耗的传输损耗的传输介质!介质!HUST 20122021/7/99光纤的雏形18541854年:英国的廷达尔年:英国的廷达尔(Tyndall)(Tyndall)就观察到光在水与空气分界面上作全反射以致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。光随水流而弯曲的现象。1929-19301929-1930年:美国的哈纳尔年:美国的哈纳尔(Hanael)(Hanael)和德国的拉姆和德国的拉姆(Lamm)(Lamm)先后拉制出石英光先后拉制出石英光纤并用于光线和图象的短距离传输。纤并用于光线和图象的短距离传输。HUST 20122021/7/91019661966
7、年年,高锟高锟(Chals GaoChals Gao)和)和霍克哈母霍克哈母(George Hockham)(George Hockham)预言了用基于光学全反射原理的预言了用基于光学全反射原理的光导纤维光导纤维来传输光的的可能性来传输光的的可能性.光纤是神奇的信息传输媒体光纤是神奇的信息传输媒体 HUST 20122021/7/911“光纤之父”高锟博士 19661966年:高锟博士发表他的著名论文年:高锟博士发表他的著名论文“光频介质纤维表面波光频介质纤维表面波导导”首次明确提出首次明确提出,通过改进制备工艺通过改进制备工艺,减少原材料杂质减少原材料杂质 ,可使石英光纤的损耗大大下降可使石
8、英光纤的损耗大大下降 ,并有可能拉制出损耗低于并有可能拉制出损耗低于20dB/km20dB/km的光纤的光纤,从而使光纤可用于通信之中。从而使光纤可用于通信之中。光纤的损耗已由光纤的损耗已由1000dB/km下降到下降到0.16dB/km,致使光纤通信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。在世界范围内形成了一个充满活力的新兴产业。HUST 20122021/7/912 瑞典皇家科学院常任秘书贡诺瑞典皇家科学院常任秘书贡诺厄奎斯特在记者招待会上厄奎斯特在记者招待会上说,说,高锟高锟“在有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面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取
9、得了突破性成就”,他将获得,他将获得2010年物理学奖一半的奖年物理学奖一半的奖金,共金,共500万瑞典克朗万瑞典克朗(约合约合70万美元万美元)。HUST 20122021/7/913低损耗光纤的研制1970年,美国康宁公司研制成功损耗年,美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。的石英光纤。1972年,康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到年,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年,贝尔实验室将损耗进一步降低到1.1 dB/km。197
10、6年,日本电报电话年,日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(工作波长工作波长1.2 mm)。目前,波长为目前,波长为1.55 mm的标准光纤损耗为的标准光纤损耗为 n1n1光的全内反射光纤光纤:是一种介质园柱光波导是一种介质园柱光波导,它能够约束并导引光波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在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播 HUST 20122021/7/91515 HUST 20122021/7/916光纤的演变(标准化)G.651光纤:工作波长光纤:工作波长850nm;多模;损耗:;多模;损耗:3dB/kmG.
11、652光纤:常规单模光纤,零色散波长光纤:常规单模光纤,零色散波长1310nm;最低损耗窗口;最低损耗窗口1550 nmG.653光纤:光纤:DSF,零色散波长,零色散波长1550nm;最低损耗窗口;最低损耗窗口1550 nmG.655光纤:光纤:NDSF,Lucent:零色散波长:零色散波长1530nm;Corning:1570nm大有效面积光纤:大有效面积光纤:LEAF 降低非线性效应的影响。降低非线性效应的影响。色散补偿光纤:色散补偿光纤:全波光纤:全波光纤:消除消除OH的吸收损耗的吸收损耗G.657光纤:弯曲不敏感单模光纤光纤:弯曲不敏感单模光纤通信窗口:由通信窗口:由0.85、1.3
12、1、1.55到到S波波(1.491.53)、C波波(1.531.57)、L波波(1.571.61)HUST 20122021/7/917信息传输速率与媒介的容量 HUST 20122021/7/918当今世界范围的光纤敷设情况 HUST 20122021/7/919CharlottePortlandProvidenceNewarkCedar KnollsSyracuseBuffaloWhite PlainsRochesterColumbiaNew OrleansNashvilleAustinHoustonTulsaOklahomaCityAlbuquerquePhoenixAnaheimLas
13、 VegasSalt LakeCityColoradoSpringsSt.PaulMilwaukeeDetroitClevelandColumbusCincinnatiSeattleSpokanePortlandSacramentoOaklandKansasCityLouisvilleLittle RockJacksonvilleFort LauderdaleMiamiRaleighRichmondDenverDallasIndianapolisPittsburghBaltimorePlymouthAtlantaMinneapolisRedwood CitySan JoseGardenaTam
14、paSanBernardinoArlingtonWash.DCFt.WorthAltoonaNew York CityRochelle PkHonoluluOrlandoSherman OaksOjusLos AngelesHamilton SquareSilver SpringsSan FranciscoWayneChicagoHartfordRollingMeadowsOmahaSt LouisSan FranciscoLos AngelesSan DiegoAnchorage,AKN X OC48Backbone NodeGateway NodeN X DS3N X OC3Concent
15、rator Node(C9000)Remote Access RouterRRemote GSR Access RouterN X OC12CambridgeNYCFraminghamStamfordBridgeportGrand RapidsPhiladelphiaProvidenceGlenviewAlbanyN X OC192美国光纤敷设情况 HUST 20122021/7/920中国光纤敷设情况 HUST 20122021/7/921 HUST 20122021/7/922光纤通信的发展与演变光纤通信的发展与演变 HUST 20122021/7/923光纤通信系统基本结构23光发送 端
16、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:光纤通信:2121世纪的世纪的“信息高速公路信息高速公路”通信技术对生活的影响通信技术对生活的影响 信息高速公路、信息社会、互联信息高速公路、信息社会、互联网、信息爆炸、电子邮件、有线网、信息爆炸、电子邮件、有线电视、高清电视、视频聊天、网电视、高清电视、视频聊天、网络电视、网络游戏、在线影院、络电视、网络游戏、在线影院、移动通信(移动通信(3G3G)等等)等等 HUST 20122021/7/924 HUST 20102010-3-2 HUST 20122021/7/925半导体通信光源的出现19
17、70年,美国贝尔实验室、日本电气公司年,美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后,研制成功室温和前苏联先后,研制成功室温下连续振荡的镓铝砷下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器(短波长短波长)。虽然寿命只有。虽然寿命只有几个小时,但它为半导体激光器的发展奠定了基础。几个小时,但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年,半导体激光器寿命达到年,半导体激光器寿命达到7000小时。小时。1976年,日本年,日本NTT研制出波长为研制出波长为1.3 mm的铟镓砷磷的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。激光器。1977 年,贝尔实验室研制的半导体激光器寿
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