固體物理學第1講 緒論

光纖光學緒論廖延彪黎敏1.纖維光學發(fā)展史第一階段：可行性研究1854英國J.Tyndall發(fā)現：1927英國J.C.Baird提出：用光纖（利用光的全內反射原理）傳像1929美國C.W.Hanaell

通過試驗證實：石英光纖用于電視傳輸的可能性1930德國H.Lamm提出：用柔軟的光纖束傳像用Φ40μm石英光纖束規(guī)則排列可構成胃鏡問題：光纖的制造工藝不成熟

第二階段：完善工藝、建立理論工藝上制成了完善的光纖；光纖元件開始應用1951，荷蘭VanHeel、英國Hopins&Kapany用Φ10μm光纖做傳像束：效果不佳問題：漏光、排列工藝1951A.C.S.VanHeel制成有包層的光纖問題：包層厚度不均勻：芯—包分界面不平整1954-1960改進拉絲和排絲工藝

可彎曲、分辨率較好的光纖傳像束

醫(yī)療儀器1957制成：閃爍發(fā)光纖維：高能粒子探測1961制成：用銨玻材料的光纖建立纖維光學理論，光纖光學—獨立的新學科1956英國N.S.Kapany命名：FiberOptics第三階段：制成低損光纖、促進光纖應用特點：低損耗光纖1979年：0.2dB/km@1.55μm低色散光纖單波長、零色散梯度折射率纖維透鏡結果：應用：光纖通信—OFC：opticalfibercommunications；光纖傳感—OFS：opticalfibersensors衍生新學科導波光學WaveguideOptics光纖光學FiberOptics微光學Micro-Optics梯度折射率光學（變折射率光學）GradientIndexOptics第三階段：制成低損光纖、促進光纖應用1966，K.C.Kao(高錕)、Hockman(英國標準電信研究所)預計：石英光纖中損耗可<20dB/km，可用于通信1970，Corning公司：制成20dB/km石英光纖

1972，觀察到單模光纖中受激刺曼散射（SRS-StimulatedRamanScattering）受激布里淵散射（SBS-StimulatedBrillouinScattering）1973提出：光纖中出現光孤子（光纖中色散和非線性效應相互作用的結果）1980觀察到纖維光學(1956年命名）微通道板（1960）光學纖維面板(1958)

密碼傳像等應用內窺鏡圖象變換器象增強器應用非相關束傳光束1953相關束傳象束1958

梯度折射率分布特種光纖色散補償光纖零色散光纖摻雜光纖晶體光纖(1982)

梯度折射率透鏡(1969)導光束、信號顯示器光纖傳感器(1977)

低損耗光纖(1970)

塑料光纖紅外光纖(1966)

光子晶體光纖(1999)

應用光學集成光學電子技術新發(fā)展梯度折射率光學(1978)

微型光學（1982）導波光學光纖通信（1973）引出分支學科電子光學普通光纖階躍折射率分布2、光纖的基本特征2.1全反射原理（totalinternalreflection)123123123corecladding2、光纖的基本特征2.2主要參數半徑r：芯（core）、包層（cladding）折射率n(r)：折射率分布，折射率差Δn數值孔徑：N.A.(numericalaperature)損耗a：dB/km,dB/m色散雙折射2.3光纖的類型傳輸的模式數量單模光纖：只能傳輸一種模式的光纖纖芯直徑小（2a=2-12μm）芯-皮折射率差也?。é?0.0005-0.01）。多模光纖：能同時傳輸多種模式纖芯直徑大（2a=50-500μm）,芯-皮折射率差大（Δ=（n1-n2）/n1=0.01-0.02）;纖芯折射率分布的方式階躍折射率光纖：纖芯折射率均勻，芯-包層分界面處折射率發(fā)生突變（或階躍）梯度折射率光纖：纖芯折射率是光纖半徑的函數2.4傳輸的偏振態(tài)非偏振保持光纖（簡稱非保偏光纖）不能傳輸偏振光偏振保持光纖（簡稱保偏光纖）單偏振光纖:

只能傳輸一種偏振模式高雙折射光纖:

只能傳輸兩正交偏振模式、且傳

播速度相差很大低雙折射光纖:

傳播速度近于相等圓保偏光纖:

傳輸圓偏振光2.5制造光纖的材料高純度熔石英：材料損耗低<1dB/km；多組分玻璃纖維芯-包層折射率差大

制造大N.A.光纖材料損耗大，在可見光波段一般為1dB/m；塑料光纖：成本低、材料損耗大、溫度性能差紅外光纖:近/中紅外（1-5μm或-10μm）透明液芯光纖:纖芯為液體晶體光纖CrystalFiber光子晶體纖PhotonicCrystalFiber紅外/紫外光纖Infrared/UVFiber摻雜光纖/增數光纖/去敏光纖2.6光纖制造方法內氣相氧化法MCVD-modifiedchemicalvapordepositionprocess(改進的氣相沉積法)PCVD-plasmachemicalvapordepositionprocess（等離子體化學氣相沉積法）外氣相氧化法OVD-outsidevapordeposition外（氣相）沉積法IVD—insidevapordepositionVAD—vaporaxialdeposition軸向（氣相）沉積法管棒法雙坩堝法3、光纖的應用信號傳輸–光纖通信（長距離）通信—單模（短距離、局域網）通信—多模光纖、塑料光纖信號采集–光纖傳感強度、相位、偏振、波長調制

圖像傳輸—傳像束（像素）多組分玻璃、石英玻璃·能量傳輸—多模、大芯徑、大孔徑

·光纖器件—單模、多模4、主要研究課題4.1光纖設計單模光纖：各種色散光纖：色散位移、色散平坦光纖、色散補償光纖、分光散光纖各種摻雜光纖雙折射光纖（保偏光纖）多模光纖各種摻雜光纖、紅外光纖、塑料光纖、大芯經、大NA光纖4.2制造工藝及性能測試工藝改進、材料提純、測試方法4.3應用光纖器件制作有源器件：光纖激光器、放大器、調制器無源器件：光纖偏振器、隔離器、衰減器、耦合器信息傳輸語音（光纖通信）、圖像、模擬/數字信號、微波信號信息提取光纖傳感：可探測多種物理量、化學量等?！つ芰總鬏敿す饧庸?、醫(yī)療—光纖可傳輸100W量級激光5、本課程內容1.光纖傳輸的光線理論：均勻/變折射率光纖2.光纖傳輸的波動理論：均勻/變折射率光纖3.單模光纖的傳輸理論4.光纖的特性：

損耗、色散、偏振5.外界因素引起的光纖系統的損耗6.特種光纖7.光纖特征參數的測量器件8.無源與有源光纖器件9.光纖應用實例

教材與參考書目《光纖光學》(第2版)廖延彪黎敏清華大學出版社2013

主要參考書:劉德森等《纖維光學》科學出版社1987葉培大等《光波導技術基本理論》人民郵電出版社1988吳重慶《光纖理論》清華大學出版社2000葉培大《光纖理論》知識出版社1986SnyderAwetal，OpticalWaveguideTheoryChampmanandHall,1983Jeunhome

LueB，Single-ModeFiberOptics-PrinciplesandApplicationsMarcelDekker,Inc.大越孝敬（劉時衡等譯），《通信光纖》人民郵電出版社MarcuseD，TheoryofDielectricalOpticalWaveguides，AcademicPress,1974

中譯本：劉弘度譯，《介質光波導理論》，人民郵電出版社，1982-BornMandWolfE.楊葭蓀等.光學原理.電子工業(yè)出版社，2005-廖延彪，光學原理與應用，電子工業(yè)出版社，2006-季家镕，高等光學教程—光學的基本電磁理論，科學出版社，2007-吳重慶，光波導理論，清華大學出版社，2000-JEFFHECHT賈東方等譯光纖光學人民郵電出版社，2004-劉德森等.微小光學與微透鏡陣列.科學出版社，2013-SnyderAWandLoveJD.周幼威等譯.光波導理論.人民郵電