第一章绪论—1

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1、光纤光学与光纤应用技术绪论绪论 光纤光学与光纤应用技术是20世纪50年代以后，伴随着激光技术、微电子技术同步迅速崛起的近代光学与光电高、新技术领域的重要分支。近60年来光纤应用技术在光纤传感、光纤传像、传光照明、能量传输与信号控制，特别是在光纤通信等民用与军工的广泛领域获得了重要而大量的应用，尤其在信息技术领域正表现出越来越强大的生命力以及广阔的应用前景，因而也必然是21世纪最有发展前景的技术与产业。相应地，作为研究光信息(光信号、光线或图像)在光学纤维这种透明圆柱介质光波导中传输机理、特性、规律、制作工艺、器件与应用的“光纤光学”，则是近60年来迅速发展并日臻完善并成熟起来的近代光学领域的一

2、门崭新的分支学科。 从更高层面认识，光纤技术是属于光波导技术的一个方面，而通常所指的光波导技术，则应包括以圆柱介质光波导为特征的光纤技术和以平板或带状介质光波导为特征的集成光路技术;与其相对应，从学科角度可以认为，与光波导技术相对应的是导波光学，它应包括:对应于光纤技术的光纤光学和对应于集成光路技术的集成光学(参见图1)。本书研究的主要内容包括:光在圆柱介质光波导(即光纤光学)以及光纤与相关器件的应用技术。光纤中的传输机理、特性与规律图图1 光波导技术与导波光学的对应光波导技术与导波光学的对应关系关系 1.光纤光学与光纤应用技术发展的简要回顾光纤光学与光纤应用技术发展的简要回顾 光纤光学旱期实

3、验室研究的缓慢发展阶段，是从1852年英国丁达尔(J. Tyndall)研究证实光线可沿盛水的弯曲通道经全反射向前传播开始的，持续了将近100年;光纤光学与光纤技术的主要发展阶段是近60年，期间大体经历了如下的三个阶段。 （1）起步与上升阶段(1950-1970年)。从1951-1952年，荷的范希尔(A. C. S. VanHeel)、英国的霍普金斯(H. H. Hopkins)与美国的卡帕尼(N. S. Kapany)同时分别开展了实用光纤与光纤束结构与制作的研究;1955年希斯乔威兹解决了光纤包层的光绝缘问题;1956年卡帕尼提出了“纤维光学”或称“光纤光学”新学科的命名;1958年卡帕

4、尼提出了拉制复合光纤的新工艺;1960年美国首先研制出光纤传像束，尔后即兴起了光纤医用窥镜传输图像以及传光的应用;1960年由Theodore Maiman研制的第一台激光器问世，解决了光通信的光源问题;1966年诺贝尔奖获得者、华裔科学家高银首先提出了以光纤传输线取代传统电缆线，用光波导传输光信息的概念，从而奠定了光纤通信的理论基础;1970年美国康宁公司首先拉制出损耗低至20 dB/km的通信用石英光纤，为光纤通信的实用化奠定了技术基础。概括这一阶段的基本标志是: 工艺上制成完善可以实用的光纤; 各种光纤传像器件(柔性的光纤传像束与刚性的光纤面板等)与传光器件的制作工艺水平与应用首先成熟;

5、 光纤在通信中的大规模应用正孕育着突破，光纤通信的理论与工程基础已经初步解决; 光纤光学的初步理论体系已经建立，光纤光学的新学科已经基本形成。(2)全面兴起与发展阶段(1970-1990年)。这一阶段的主要进展与标志是: 长距离通信光纤的需求促进了多种光纤类型研制的完善与光纤制造工艺的成熟，各种类型光纤相继问世，从阶跃多模光纤到渐变折射率多模光纤，进而发展到阶跃单模 光纤。构成长距离光纤通信工程基础的光纤类型与各种无源光器件已形成基本体系，解决了光纤的最佳选择(单模光纤)，光纤产业化的基础已经建立;低损耗、低色散单模光纤的研究进展，促进了光纤主要应用领域光纤通信的蓬勃发展，光纤通信先后经历了三

6、代通信系统的发展。从短波长(0. 85um)、多模光纤通信系统(第一代)，到长波长(1. 31um)、多模和单模光纤通信系统(第二代)，再到长波长(1. 31 um)单模光纤实用化通信系统的大规模应用(第三代)，其传输信号为准同步数字体系(PITH)的各次群信号，传输距离为50 km左右; 光纤传感技术获得迅速发展，70余种功能型与非功能型光纤传感器相继问世，研究异常活跃; 梯度折射率光纤的研究进展，促进了梯度折射率光学与微型光学的发展;此外，塑料光纤、红外光纤等多种特种光纤获得迅速发展。(3)以现代光纤通信作为最重要应用方向的飞速发展阶段(1990年至今)。 随着现代信息社会与信息技术对光纤

7、传输距离与通信容量进一步提高的迫切需求，从进一步降低色散、实现低损耗并抑制四波混频等非线性效应，以及适应W IBM与 EIFA等应用的要求，单模光纤从常规的单模光纤(G. 652光纤)发展演变出多种新型的单模通信光纤品种，如G652A、G652B、G652C(全波光纤)和G652D等光纤，色散位移光纤(G.653),截止波长位移光纤G. 654)、非零色散位移光纤(G. 655A, G.655B,G.655C)和G. 656、G657光纤等，从而形成了适应不同用途需要的单模通信光纤品种的配套体系;波分复用(WDM、DWDM）、掺饵光纤放大器(EDFA)等新器件、光无源与光有源器件等相继问世并实

8、用化，奠定了新一代光纤通信系统的新技术及光互连、光逻辑门、光子开关、变频、路由器等多种新型技术基础; 光纤通信系统从20世纪90年代初开始进入第四代光纤通信系统，即传输体制以同步数字体系(SDH)取代准同步数字体系(PDH)，从而使光纤通信网跨入第二代网络同步光网络(又称光电混合网络)，同时传输波长从1. 31 um转向1. 55um，开始采用WDM与EDAF技术，传输速率达2. 5 Gb/s，中继距离达80 km;经历了近20年的发展历程，到20世纪末光纤通信系统的发展进入第五代光纤通信系统阶段，波分复用(WDM、DWDM)技术已进入全面实用化，光纤传输容量获得大的突破，以光孤子作为信息载体

9、的光孤子传输系统以及相干光通信系统、全光通信系统等先进的光纤通信方式与系统正逐步进入实用化并取代常规通信方式，基于多波长传输与波长交换技术的全光网络成为网络升级的优选方案，集成各种新兴技术与新兴光器件的 “掺饵光纤放大器(EDFA)+波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF)+光电集成 电路(OEIC)”模式，正在成为光纤通信系统的代表性方向。2、光纤的主要优点、光纤的主要优点 光纤作为一种介质光波导、光信号的传输线，它相对于金属传输线具有如下的主要优点: 具有极宽的传输带宽，可使通信容量获得极大提高，比同轴电缆大5个量级，可提供宽频带的综合数字化服务; 具有极低的损耗，良好的透明性，可实

10、现无中继的长距离传输，损耗最低可控制到0. 1一0. 2 dB/km; 光纤是绝缘介质，传输光信号抗电磁干扰性好，且同一光缆中的多根光纤之间的相互干扰小。因此，信号传输的保密性好，且受干扰小，传输质量易于保证; 尺寸、体积小，质量轻，柔韧性好，适宜铺设、弯曲。光缆同比相应电缆具有极大优越性; 光纤的原材料Si0:蕴藏丰富，可节约大量有色金属(铜)材料。 正是由于光纤具有上述诸多的突出优点，因而它获得了广泛而大量的应用。 3.光纤的主要应用领域光纤的主要应用领域 光纤的优良特性，使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等多方面的领域被广泛而大量应用，并已成为当今信息世界的新兴支柱产业，