光纤通信的物理学基础.ppt

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1、光光纤纤通通信信简简明明教教程程总学时数总学时数 40 40 周学时周学时 4 4光纤通信原理全面表达光纤损耗特性 1970 20 dB/km 现 0.2 dB/km袁国良袁国良李元元李元元编著编著主要参考书主要参考书 方强光纤通信方强光纤通信 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 孙学康光纤通信技术孙学康光纤通信技术 北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社1目目 录录第第1 1章章 光纤通信概述光纤通信概述第第2 2章章 光纤的物理学基础光纤的物理学基础第第3 3章章 光纤光纤第第4 4章章 光源和光发射机光源和光发射机第第5 5章章 光检测器和光接收机光检测器和光接收机第第6 6章章

2、 光纤通信系统与工程光纤通信系统与工程第第7 7章章 SDH SDH技术技术第第8 8章章 光放大和色散补偿技术光放大和色散补偿技术第第9 9章章 波分复用技术波分复用技术第第1010章章 光纤通信的高新技术光纤通信的高新技术22.1 2.1 光的本质光的本质 2.2 2.2 光的反射、折射和全反射光的反射、折射和全反射2.3 2.3 波动光学波动光学2.4 2.4 光的吸收、色散和散射光的吸收、色散和散射2.5 2.5 激光原理激光原理 第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础本章内容本章内容32.1 2.1 光的本质光的本质（1 1）光线是直线传播的）光线是直线传播的 利用

3、全反射性质可以让光线沿着管道传播利用全反射性质可以让光线沿着管道传播（2 2）光具有波动性）光具有波动性 具有干涉、衍射和偏振等现象具有干涉、衍射和偏振等现象 用电磁场理论解释用电磁场理论解释（3 3）光的量子性）光的量子性 具有吸收、色散和散射等现象具有吸收、色散和散射等现象 用量子力学理论解释用量子力学理论解释 一束光波就是一束光子流，光子不但具有能量一束光波就是一束光子流，光子不但具有能量E E 和动量和动量p p ，还具有波长，还具有波长和频率和频率：光是电磁波，具有波动性和粒子性光是电磁波，具有波动性和粒子性第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础42.1 2.1 光

4、的本质光的本质光电效应光电效应1 1、每种金属都有一个确定的截止频率、每种金属都有一个确定的截止频率0，当入射光的频率，当入射光的频率低于低于0时，不论入射光多强，照射时间多长，都不能从金时，不论入射光多强，照射时间多长，都不能从金属中释放出电子。属中释放出电子。2、对于频率高于、对于频率高于0的入射光，从金属中释放出的电子的最的入射光，从金属中释放出的电子的最大动能与入射光的强度无关，只与光的频率有关。频率越高大动能与入射光的强度无关，只与光的频率有关。频率越高释放出的电子的动能就越大。释放出的电子的动能就越大。3、对于频率高于、对于频率高于0的入射光，即使入射光非常微弱，照射的入射光，即使

5、入射光非常微弱，照射后也能立即释放出电子。后也能立即释放出电子。第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础52.2 2.2 光的反射、折射和全反射光的反射、折射和全反射当光从光密介质射入光疏介质时，且入射角大于当光从光密介质射入光疏介质时，且入射角大于临界角时，将发生光的全反射现象。临界角时，将发生光的全反射现象。第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础62.3 2.3 波动光学波动光学1 1、光的电磁理论、光的电磁理论18651865年麦克斯韦在总结前人实验的基础上，得出麦年麦克斯韦在总结前人实验的基础上，得出麦克斯韦方程组克斯韦方程组(描写电磁场分布变化规律的

6、一组微分描写电磁场分布变化规律的一组微分方程方程)，并预言电磁波的存在。并预言电磁波的存在。电磁场理论指出光是一种电磁波。电磁场理论指出光是一种电磁波。通常所说的可见光的波长范围在通常所说的可见光的波长范围在0.40.40.76m0.76m之间，之间，而常用的光纤通信系统工作在近红外区，波长为而常用的光纤通信系统工作在近红外区，波长为0.80.81.8m1.8m，对应的频率为，对应的频率为167167375THz375THz。第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础7真空中的电磁波具有以下性质：真空中的电磁波具有以下性质：(1)(1)电磁波是横波电磁波是横波(2)E(2)E 和

7、和 H H 同相位同相位(3)E(3)E 和和 H H 幅值成正比幅值成正比(4)(4)电磁波的传播速度与光相同，表明光波也是一种电磁波电磁波的传播速度与光相同，表明光波也是一种电磁波(5)(5)电磁场的能量和能流可以用能量密度和能流密度来描述电磁场的能量和能流可以用能量密度和能流密度来描述 2.3 2.3 波动光学波动光学第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础82.3 2.3 波动光学波动光学2、光的干涉、光的干涉1 1）光的相干性）光的相干性光矢量：在光波中，产生感光作用与生理作用的主要光矢量：在光波中，产生感光作用与生理作用的主要是电场强度是电场强度E E，所以电矢量，

8、所以电矢量E E称为光矢量。称为光矢量。由频率相同，振动方向相同，相位相同或相位差保持恒由频率相同，振动方向相同，相位相同或相位差保持恒定的两个相干波源所发出的波是相干波定的两个相干波源所发出的波是相干波，在两束相干波，在两束相干波相遇的区域里，有些点振动始终加强，有些点的振动始相遇的区域里，有些点振动始终加强，有些点的振动始终减弱或完全抵消，即产生干涉现象终减弱或完全抵消，即产生干涉现象第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础92）获得相干光的基本方法）获得相干光的基本方法将一光源上同一点发出的光波分成两束，使它们经将一光源上同一点发出的光波分成两束，使它们经过不同的传播，然

9、后在某一空间区域相遇，发生迭加。过不同的传播，然后在某一空间区域相遇，发生迭加。在此过程中，将在此过程中，将每一个波列光都分成两个频率相同、震每一个波列光都分成两个频率相同、震动方向相同、相位差恒定的波列动方向相同、相位差恒定的波列，则这两个波列就是相，则这两个波列就是相干光。通常用下列两种方法获得相干光：干光。通常用下列两种方法获得相干光：分波振面法分波振面法分振幅法分振幅法2.3 2.3 波动光学波动光学第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础102.3 2.3 波动光学波动光学3）光的干涉规律）光的干涉规律 如果两束相干光都在同一媒质（如空气）中传播，如果两束相干光都在同

10、一媒质（如空气）中传播，则两束相干光之间的相位差完全由它们所经过的则两束相干光之间的相位差完全由它们所经过的几何几何路程路程差差r2-r1来确定，即来确定，即如果光通过不同媒质时，光波的波长将随媒质不同如果光通过不同媒质时，光波的波长将随媒质不同而变化，所以两相干光之间的相位差就不能只由它们而变化，所以两相干光之间的相位差就不能只由它们的几何路程来决定。而由它们的的几何路程来决定。而由它们的光程差光程差来决定。来决定。第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础112.3 2.3 波动光学波动光学3）光的干涉规律）光的干涉规律几何路程与光程的区别：几何路程与光程的区别：在经典光学理

11、论中：在经典光学理论中：光的光的几何路程几何路程是由光所经过的光学器件的距离决定的是由光所经过的光学器件的距离决定的，而而光程光程是由光的几何路程和光所经过的介质特性是由光的几何路程和光所经过的介质特性(折射折射率率)决定的决定的。第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础12光程与光程差光程与光程差两束光波在媒质中传播时其相位差为两束光波在媒质中传播时其相位差为则则nr叫做光程。相当于把光在不同媒质中的传播都折叫做光程。相当于把光在不同媒质中的传播都折算成光在真空中传播。算成光在真空中传播。当两束相干光在不同媒质传播时，当两束相干光在不同媒质传播时，对干涉加强对干涉加强(亮纹亮

12、纹)和减弱和减弱(暗纹暗纹)条件起决定作用不是这两束光的几何路程条件起决定作用不是这两束光的几何路程差，而是光程差差，而是光程差。且满足如下规律：。且满足如下规律：（干涉加强）（干涉加强）（干涉减弱）（干涉减弱）第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础13光的干涉应用光的干涉应用 薄膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有薄膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有4 4个方面：个方面：1 1、是利用薄膜反射时，使某些波长的光因干涉而减弱，以增、是利用薄膜反射时，使某些波长的光因干涉而减弱，以增加透射光的强度，这种薄膜称为增透膜。加透射光的强度，这种薄膜称为增透膜。2 2、是利用薄膜表面反射

13、时，使某些波长的光因干涉而加强，、是利用薄膜表面反射时，使某些波长的光因干涉而加强，以减少透射光的强度，这种薄膜称为增反膜。以减少透射光的强度，这种薄膜称为增反膜。3 3、用于制作激光器的谐振腔。、用于制作激光器的谐振腔。4 4、制作高分辨率的光谱仪器用于分析光谱线的精细结构。、制作高分辨率的光谱仪器用于分析光谱线的精细结构。第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础141）光的衍射现象）光的衍射现象 光波能绕过障碍物继续传播的现象叫光的衍射。光波能绕过障碍物继续传播的现象叫光的衍射。当障碍物的线度和光的波长可以相比时就会发生光的当障碍物的线度和光的波长可以相比时就会发生光的衍射

14、现象。衍射现象。利用光的衍射现象可以制作光网络中的光学器件，利用光的衍射现象可以制作光网络中的光学器件，例如分光器、波分复用器、波分解复用器等。例如分光器、波分复用器、波分解复用器等。2.3 2.3 波动光学波动光学2、光的衍射、光的衍射第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础154、光的偏振、光的偏振 光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，但并不光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，但并不能确定光是横波还是纵波，光的偏振现象清楚地证明能确定光是横波还是纵波，光的偏振现象清楚地证明了光是横波。了光是横波。2.3 2.3 波动光学波动光学第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的

15、物理学基础162.3 2.3 波动光学波动光学 光的偏振现象光的偏振现象 线偏振光线偏振光 光矢量只沿一个固定的方向振动的光光矢量只沿一个固定的方向振动的光 自然光自然光 平均来看，光矢量对于光的传播方向呈轴对称均匀平均来看，光矢量对于光的传播方向呈轴对称均匀分布，没有任何一个方位更占优势，这种光称为自然光。分布，没有任何一个方位更占优势，这种光称为自然光。部分偏振光部分偏振光 自然光在传播过程中，由于外界的某种作用，造成自然光在传播过程中，由于外界的某种作用，造成各个振动方向上的强度不等，使某一方向的振动比其他各个振动方向上的强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光叫作部分偏振光。

16、方向占优势，这种光叫作部分偏振光。4、光的偏振、光的偏振第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础172.3 2.3 波动光学波动光学 起偏和检偏起偏和检偏 从自然光获得偏振光的过程叫起偏。从自然光获得偏振光的过程叫起偏。偏振片允许通过的光振动方向，称作偏振化方向，也偏振片允许通过的光振动方向，称作偏振化方向，也 叫透光轴。叫透光轴。检验偏振光的过程，称为检偏。检验偏振光的过程，称为检偏。利用偏振片可以起偏和检偏利用偏振片可以起偏和检偏4、光的偏振、光的偏振第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础18马吕斯定律马吕斯定律自然光入射到偏振片上，透射光满足马吕斯定律：

17、自然光入射到偏振片上，透射光满足马吕斯定律：I=II=I0 0 cos2cos2 式中：式中：=0=0 时，时，I=II=I0 0，透射光强最大；，透射光强最大；=/2=/2 时，时，I=II=I0 0 ，透射光强为零；，透射光强为零；00 N2 N1 N2 这时受激吸收这时受激吸收 受激辐射受激辐射 无光放大无光放大要获得光放大，就必须有高能级粒子数要获得光放大，就必须有高能级粒子数N2N2大于低能级大于低能级粒子数粒子数N1N1的分布，称为粒子数反转分布。的分布，称为粒子数反转分布。要想光放大必须：要想光放大必须：受激辐射受激辐射 受激吸收受激吸收 即即 N2 N1 N2 N1 粒子数反转

18、粒子数反转2.5 2.5 激光原理激光原理第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础282 2 激活物激活物2.5 2.5 激光原理激光原理增益系数增益系数G：处于粒子数反转分布的工作物质称为激活物质，又叫增处于粒子数反转分布的工作物质称为激活物质，又叫增益物质。益物质。用增益系数用增益系数G表示表示是光波波长，是光波波长，是光频宽度，是光频宽度，n 是增益物质的折射率，是增益物质的折射率，2是高能级是高能级E2上的粒子寿命，上的粒子寿命，N是两能级上的粒子反是两能级上的粒子反转分布浓度即转分布浓度即N2N1第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础292 2 激活

19、物激活物 因此，实现粒子数反转是产生激光的必要条件。因此，实现粒子数反转是产生激光的必要条件。而形成粒子数反转，必须具备下述两个条件：而形成粒子数反转，必须具备下述两个条件：要有激活介质或增益介质（光放大）。要有激活介质或增益介质（光放大）。要有激励或称为泵浦。要有激励或称为泵浦。（从外界输入能量）（从外界输入能量）2.5 2.5 激光原理激光原理第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础303 3 光学谐振腔光学谐振腔增益物质（激活物）只能使光得到放大，要形增益物质（激活物）只能使光得到放大，要形成激光振荡还必须要有光学谐振腔。成激光振荡还必须要有光学谐振腔。因为在其激励下的受

20、激辐射是随机的，所辐射因为在其激励下的受激辐射是随机的，所辐射的光的相位、频率、和方向是互不相关的。激光必的光的相位、频率、和方向是互不相关的。激光必须是全同光子（须是全同光子（同频率、同相位、同方向同频率、同相位、同方向）。）。2.5 2.5 激光原理激光原理第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础313 3 光学谐振腔光学谐振腔a a：辐射光平行于谐振腔轴线。：辐射光平行于谐振腔轴线。b b：辐射光往返一次的相位差等于：辐射光往返一次的相位差等于 2 2 的整数倍。即：的整数倍。即：L激光输出部分反射镜反射镜ZM1r1M2r1谐振腔长度振荡过程振荡过程谐振条件谐振条件根据折

21、射率 n 的定义（nC/v）和 物理学中 v/f 的关系 有所以有：所以有：当满足上式时，即可在腔中形成谐振当满足上式时，即可在腔中形成谐振m为整数，m是与m相对应的谐振腔中的光波长n0m为谐振腔输出至空气中的光的谐振波长为谐振腔输出至空气中的光的谐振波长第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础323光学谐振腔光学谐振腔阈值条件 激光器能产生振荡的最低限度称为激光器的阈值 阈值条件为 di是除反射镜透射损耗以外的其它所有损耗所引起的衰减系数；L是谐振腔的长度；r1、r2 是反射镜M1、M2的反射系数。阈值大小决定于光学谐振腔内的固有损耗，损耗越小，阈值条件越低，激光器就越容易起

22、振。第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础333光学谐振腔光学谐振腔4选频作用选频作用 光学谐振腔还具有选频作用，因为要产生激光就光学谐振腔还具有选频作用，因为要产生激光就必须选择传播方向和频率一定的某一光信号优先放大，必须选择传播方向和频率一定的某一光信号优先放大，将其他方向和频率的光抑制掉。将其他方向和频率的光抑制掉。第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础34产生激光的条件产生激光的条件综上所述要能产生激光，必须具备以下三个条件综上所述要能产生激光，必须具备以下三个条件1 1）激光工作物质）激光工作物质2 2）激励源）激励源3)3)光学谐振腔光学谐振腔第

23、第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础354激光的模式激光的模式 输出激光的影响因素有：输出激光的影响因素有：光学谐振腔的腔长光学谐振腔的腔长L L的影响的影响 光学谐振腔反射镜的大小和形状的影响光学谐振腔反射镜的大小和形状的影响 分别称为分别称为纵模特性和横模特性纵模特性和横模特性。(1)(1)纵模特性纵模特性 原子从高能级跃迁到低能级产生辐射时，由于跃迁原子从高能级跃迁到低能级产生辐射时，由于跃迁的能级不同，粒子碰撞时间的随机性，所发出的普线总的能级不同，粒子碰撞时间的随机性，所发出的普线总有一定的宽度，既有一定的频率范围，称为频宽。频宽有一定的宽度，既有一定的频率范围，称

24、为频宽。频宽越小，单色性越好。激光就有很好的单色性。越小，单色性越好。激光就有很好的单色性。第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础364激光的模式激光的模式激光的单色性来自于腔内形成的稳定驻波，激光的单色性来自于腔内形成的稳定驻波，在激光谐振腔内，每一个谐振频率对应一个驻在激光谐振腔内，每一个谐振频率对应一个驻波模式，也就对应着沿纵向传播的一种振荡模波模式，也就对应着沿纵向传播的一种振荡模式。这种纵向振荡模式称为纵模式。这种纵向振荡模式称为纵模。(1)纵模特性纵模特性第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础374激光的模式激光的模式纵模实际上是谐振腔所允许的光

25、场纵向稳定分布的模式。纵模实际上是谐振腔所允许的光场纵向稳定分布的模式。谐振腔内工作物质受激辐射的普线有一定的频宽，每一谐振腔内工作物质受激辐射的普线有一定的频宽，每一纵模普线也有一定的频宽，相邻两个纵模的频率差称为纵纵模普线也有一定的频宽，相邻两个纵模的频率差称为纵模间隔，普线频宽与纵模间隔的比值就是纵模个数。模间隔，普线频宽与纵模间隔的比值就是纵模个数。(1)纵模特性纵模特性第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础384激光的模式激光的模式输出多个纵模的激光器称为多纵模激光器，能产生单个输出多个纵模的激光器称为多纵模激光器，能产生单个纵模的激光器称为单纵模激光器纵模的激光器

26、称为单纵模激光器。纵模数越少，单色性就越好，单纵模激光器是理想的光源。纵模数越少，单色性就越好，单纵模激光器是理想的光源。(1)纵模特性纵模特性第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础394激光的模式激光的模式激光腔内与腔轴垂直的横截面内的稳定光场分布叫做激光腔内与腔轴垂直的横截面内的稳定光场分布叫做横模。不同横模的光场分布相差很大。横模。不同横模的光场分布相差很大。基模的光强分布均匀，有较好的空间相干性，是理想的基模的光强分布均匀，有较好的空间相干性，是理想的横模。横模。调节谐振腔可以抑制高阶横模，在腔内放置适当孔径的调节谐振腔可以抑制高阶横模，在腔内放置适当孔径的光阑，都获得基模输出。光阑，都获得基模输出。纵模和横模各从一个侧面反映了谐振腔内光场的稳定纵模和横模各从一个侧面反映了谐振腔内光场的稳定分布，两者统称为激光的模式。分布，两者统称为激光的模式。(2)横模特性横模特性第第2 2章章 光纤通信的物理学基础光纤通信的物理学基础40