光纤光学——原理与应用.ppt

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;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。1.2光纤的发展历程

1870年，英国物理学家JoanTyndall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NarinderKapany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（CharlesKao）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。;起;针对当时玻璃光纤本身传输损耗高达1000dB/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10dB/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20dB/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、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。;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；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。1.3.3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