光波技術基礎part1 (2)課件

導波光學區(qū)域光纖與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室聽說過嗎？躺在床上能和外教一對一練英語口語！適合職場中的你！

免費體驗史上最牛英語口語學習，太平洋英語教學大綱第一章光導波理論的一般問題§1-1歷史與現狀§1-2導波光學的基本問題§1-3光導波理論的基本研究方法第二章幾何光學方法§2-1射線方程§2-2一維限制光波導中的光線§2-3二維限制光波導中的光線第三章波動光學方法§3-1基本方程§3-2平面及條型光波導場解與模式理論§3-3光導纖維的場解§3-4光纖的模式理論§3-5單模光纖第四章導波光束的調制§4-1光波調制的一般概念§4-2晶體的電-光特性§4-3光波導的電-光調制§4-4定向耦合型調制器/開關第五章光波導中的傳輸損耗§5-1損耗起因和損耗譜§5-2本征吸收及瑞利散射損耗§5-3雜質吸收§5-4彎曲損耗§5-5彎曲過渡損耗§5-6連接損耗第六章信號沿線性光波導傳輸時的畸變§6-1脈沖沿線性光波導傳輸時畸變的起因及描述方法§6-2光纖的色散及其對系統(tǒng)的影響§6-3光纖非線性及其對系統(tǒng)的影響總學時：54授課方式：講課+自學主要內容（根據需要有所取舍）：參考資料《光波導理論與技術》李玉權等人民郵電出版社《導波光學》范崇澄北京理工大學出版社

《非線性光纖光學》，G.P.Agrawal,天津大學出版社，10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空間波長，m頻率，Hz電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電頻段劃分傳輸介質光纖導波光學是研究波長范圍大體為10-1～10μm的電磁波在各種波導結構中傳播特性的科學。利用光傳遞信息的歷史至少可以追溯到我國古代的烽火臺從近代科技發(fā)展史來看，一個重要事件是：1880年貝爾繼發(fā)明電話之后又發(fā)明了“光話”：以日光為光源、大氣為傳輸媒質，在200m內實現了語音信號的傳遞。貝爾電話系統(tǒng)在這里，將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動而得到強弱變化的反射光束，這個過程就是調制。貝爾本人認為這是他一生中最重要發(fā)明，但由于可靠的高強度光源和穩(wěn)定的低損耗傳輸媒質均未解決而一直未能實用激光器亮度高、譜線窄、方向性好，它的發(fā)明和應用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。

1960年梅曼發(fā)明了紅寶石激光器紅寶石激光器[美國梅曼(Maiman)，1960]傳輸介質問題：利用玻璃中的全反射原理傳光早已為人熟知，并已經用來在短距離（米級）內傳光園截面介質光波導中場分布模式的理論和實驗研究也由E.Snitzer等在1961年發(fā)表但直到60年代中期，最好的光學玻璃的傳輸損耗仍高達1000dB/km意味著：如果要在一公里長的光纖末端檢測到一個波長為1μm的光子（其能量為hv=6.625×10-34×3×1014~2×10-19J）,在其始端應輸入的能量為2×1081J,這將遠遠超過太陽系形成以來其全部輻射能量的總和由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質，對光通信的研究曾一度走入了低潮。光纖的誕生在似乎毫無希望的局面下，高錕等在1996年發(fā)表了一篇被后來的歷史證明為具有劃時代意的論文③，提出利用帶有包層材料的石英玻璃光學纖維，其損耗可能低于20dB/km，從而可以用作通信媒質。1970年，光纖誕生！！康寧玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纖。光纖通信正式開始！低損耗的基本思想（1）用純石英為主體材料并摻雜氧化物等以形成所需的折射率分布（2）采用氣相沉積技術作為基本工藝，直到今天仍是各種制造光纖方法（如改進的化學氣象沉積法MCVD、外氣相沉積法OVD、軸向氣相沉積法VAD、等離子體化學氣象沉積法PCVD等）的核心。前者保證了優(yōu)良的物理化學性能，而后者使工藝方法極為靈活并有助于材料的“自提純”，保證了低損耗光纖：新一代傳輸媒質目前量產石英單模光纖的損耗已可降至0.20dB/km(波長1.55μm)以下，實驗室紀錄更低達0.151dB/km。此外，石英基光纖的頻帶寬、色散低、抗拉強度高、抗干擾性強、資源豐富等一系列特點使之成為理想的新一代傳輸媒質。新型光纖：摻鉺光纖、色散補償光纖、光子晶體光纖…光纖通信70年代初的另一重要事件，是實現了半導體激光器的室溫連續(xù)運轉。隨著光源、調制、接收、中繼、耦合、光纖的熔接與活動連接等單元技術的發(fā)展，使光纖通信受到了空前的重視，單信道的調制速率由107b/s提升至1011b/s，并從實驗室研究迅速變?yōu)榫哂芯薮笊鐣洕б娴漠a業(yè)。光纖、集成光子學和集成光電子學是現代光纖通信的基礎光纖傳感環(huán)境因素的變化對光波導中光的傳輸特性（光強、相位）。從70年代后導波光學器件在信號獲取方面的功能也日益受人們的重視，目前已制成對壓力、應力、應變、位移、速度、加速度、轉動、液位、流速、流量、溫度、電壓、電流、電場、磁場、伽瑪射線以及化學成分等數十個物理的光波導（主要是光纖）傳感裝置，其中有些人已轉入商品生產。由于信息的獲取在現代社會中日益增長的重要性，這方面的研究開發(fā)工作也是導波光學應用的熱點之一。八十年代以來出版的部分參考書光波導基本理論與計算：1.A.J.Adams,AnIntroductiontoOpticalWaveguides,JohnWileyandSons,NewYork,1981.2.A.W.SnyderandJ.D.Love,OpticalWaveguideTheory,ChapmanandHall,London,1983.3.H.A.Haus,WavesandFieldsinOptoelectronics,PrenticeHall,1984.4.T.Tamir,Guided-WaveOptoelectronics,2ndEd.,Springer-Verlag,1990.6.K.Okamoto,FundamentalsofOpticalWaveguides,AcademicPress,SanDiego,2000.7.K.KawanoandT.Kitoh,IntroductiontoOpticalWaveguideAnalysis,JohnWiley&Sons,NewYork,2001.光纖非線性:1.G.P.Agrawal,NonlinearFiberOptics(3rdEd.),AcademicPress,SanDiego,2001.2．G.P.Agrawal,ApplicationsofNonlinearFiberOptics,AcademicPress,SanDiego,2001.光纖通信系統(tǒng):1.T.Li(Ed.),TopicsinLightwaveTransmissionSystems,AcademicPress,SanDiego,1992.2.L.Kazovsky,S.BennedettoandA.Willner,OpticalFiberCommunicationSystems,ArtechHouse,1996.3.I.P.KaminowandT.L.Koch(Ed.),OpticalFiberTelecommunications(IIIA,B),AcademicPress,SanDiego,1997.4.I.P.KaminowandT.Y.Li(Ed.),OpticalFiberTelecommunications(IVA,B),AcademicPress,SanDiego,2002.5.楊祥林，光纖通信系統(tǒng)，國防工業(yè)出版社，北京，2000.摻鉺光纖放大器:1.E.Desurvire,Erbium-dopedFiberAmplifiers-PrincplesandApplications,JohnWileyandSons,NewYork,1994.2.P.C.Becker,N.A.OlssonandJ.R.Simpson,Erbium-dopedFiberAmplifiers-FundamantalsandTechnology,AcademicPress,SanDiego,1999.二、光波導基本結構與模式在與截面垂直的縱向上，波導無限延伸；折射率分布只是橫向坐標的函數在光波導中，如果光在橫向受到充分的約束而沒有輻射或泄漏，就可能沿實現遠距離傳輸。這種情況稱為導波模；反之，光在橫向上如果有輻射，則稱為輻射模折射率定則：在柱型光波導結構中，光在橫方向上總是趨于集中在折射率最大或波相速最慢的區(qū)域中，沿縱向傳播類型最簡單的光波導在橫向上只有一維限制，稱平面光波導或薄膜光波導。為了對光實現有效的導引，橫向應有二維限制，對應于各種條形光波導和光纖。光波導中的折射率橫向分布，可以是階躍型的（稱階躍光波導），也可以是漸變型的（稱漸變光波導）。為使光脈沖在傳播過程中由于色散引起的變形小，光波導的折射率差別一般都不大，在10-2～10-3量級。這一點對于簡化分析十分有利。最大量使用的光波導是光纖。除“芯區(qū)”和“包層區(qū)”外，還有各種防護涂層和護套，用以保護表面并大大改善光纖的機械性能四、基本研究方法之一：幾何光學方法當光波波長λ遠小于光波導的橫向尺寸時,可以近似認為λ→0,從而忽略表征光的波動性的衍射現象,獲得發(fā)散角為零的光錐--光線。因此，稱為光線（幾何）光學方法。光線可以表示光的傳播方向和強度，但不能考慮場的相位和振動方向（偏振態(tài)）以及由此導致的各種現象。幾何光學方法的主要特點是：（1）光線的入射角只要能形成完全內反射，即可得到約束光，故其入射角可在一定范圍內連續(xù)變化；（2）約束光在橫向上完全限制在芯區(qū)或散焦面以內，其外的光場完全被忽略。這與λ→0的前提是一致的。五、基本研究方法之二：波動光學方法嚴格說來，前述光波導的諸基本問題應該用電磁場方法求解。寫出電磁場應滿足的波動方程和橫向邊界條件，從而解出場的橫向分布（本征函數）和縱向傳播常數（本征值）。每組解對應于一個模式，因此亦稱為模式場方法。特點除嚴格性以外，還在于：（1）模式場的縱向傳播規(guī)律（本征值）與其橫向分布規(guī)律（本征函數）互相聯系。對于無橫向輻射的導波模，意味著縱向傳輸與橫向諧振完全對應故其本征值只能在一定范圍內取有限個分立值。本方法中的導波模與幾何光學方法中的約束光相比，當波導中的導波模式數很多（通常有數十至數百個以上，稱為多模光波導）時，各模式傳播常數相差極?。沪恕?時導波模個數趨于無限多，本征值的分立譜趨于連續(xù)譜，說明幾何光學方法是波動光學方法的零波長近似。換言之，在處理多模光波導時，兩種方法所得結果相當一致。（2）既使對于沒有橫向輻射的導波模，在全反射面以外也存在電磁場。這與幾何光學中約束光只存在于全反射面以內的結論不同。從物理上進一步考察，全反射面以內的電磁場分布必須滿足橫向諧振條件（完全內反射應使相位關系滿足疊加條件），故其沿橫向變化必為振蕩形（類似于某種駐波）；其外的電磁場分布由于受到無橫向輻射及無窮遠為零的限制，一定是某種類似于負指數型的衰減場。波長越短，其橫向衰減率將越大；當λ→0時，全反射面以外的場可以忽略，再一說明幾何光學方法是波動光學方法的零波長近似，注意：由于某一確定的導波模式的電磁場是一個統(tǒng)一整體，故在全反射面內、外的場具有相同的縱向傳播規(guī)律求解方法電磁場處理方法雖然嚴格，但不幸的是：除了很少幾種折射率分布規(guī)律之外，波動方程常常不能得到嚴格的解析解。這時通常需用以下兩類方法：（1）數值解。可以適用于各種實際的折射率分