9奇妙的光纤

奇妙的光纤一、通信技术的分类电通信电通信通信技术通信技术{有线通信有线通信无线通信无线通信光通信光通信{有线光通信（光纤通有线光通信（光纤通信）信）无线光通信（空间光通无线光通信（空间光通信）信）二、光通信的历史光通信指的是一切运用光作为载体而传送信息的通信方式11、难忘烽火台、难忘烽火台筑在长城沿线的险要处和交通要道上白天掺有狼粪的柴草，使浓烟直上云霄夜里加有硫磺和硝石的干柴，使火光通明2、话说望远镜、话说望远镜发明于发明于1717世纪中叶世纪中叶..能够放大远方物体的张角，人眼的分辨角大约是能够放大远方物体的张角，人眼的分辨角大约是1 1 分，而望分，而望远镜能使人眼能看清角距更小的细节远镜能使人眼能看清角距更小的细节望远镜的作用望远镜的作用..望远镜能将光线集中起来，使人眼看到本看不到的暗弱望远镜能将光线集中起来，使人眼看到本看不到的暗弱物体发出的光线物体发出的光线目前世界上最大的望远镜是位于夏威夷的凯克望远镜，直径1010米米,由3636面面1.81.8米的六角型镜面拼合而成。米的六角型镜面拼合而成。3、贝尔的光电话、贝尔的光电话1876年年发明了电话发明了电话1880年年成功地进行了光电话的实验成功地进行了光电话的实验光源光源弧光灯或者太阳光弧光灯或者太阳光调制调制光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上，震动片随着话音光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息话音信息““承载承载””在光波上在光波上解调解调装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成话音信息的光波反射到硅光电池上，硅光电池将光能转换成电流电流光话的苦恼能见度光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制光源普通的可见光源频率不稳定、不单一，带有““噪声噪声””关键技术必须有稳定的、低损耗的传输媒质必须要找到高强度的、可靠的光源4、、世界第一台激光器世界第一台激光器1960年7月8日，美国科学家梅曼发明了红宝石激光器55、光纤诞生、光纤诞生文本框: 光也可以“走弯路” 光也可以光也可以““走弯路走弯路””文本框: 1870年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，这好象不符合光只能直线传播的定律。实际上，这时光仍是沿直线传播，只不过在水流中出现了光反射现象，因而光是以折线方式前进的。光也可以“走弯路”。 18701870年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射到盛年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，这好象不符合光只能直线传播的定律。实际上，这时弯曲现象，这好象不符合光只能直线传播的定律。实际上，这时光仍是沿直线传播，只不过在水流中出现了光反射现象，因而光光仍是沿直线传播，只不过在水流中出现了光反射现象，因而光是以折线方式前进的。光也可以是以折线方式前进的。光也可以““走弯路走弯路””。。经过不懈的努力，人们发现了透明度很高的石英玻璃丝可以传光。这种玻璃丝叫做光学纤维，简称““光纤光纤””。但是它的。但是它的衰减损衰减损耗耗很大，只能传送很短的距离。直到很大，只能传送很短的距离。直到2020世纪世纪6060年代，最好的玻璃年代，最好的玻璃纤维的衰减损耗仍在每公里纤维的衰减损耗仍在每公里10001000分贝分贝以上，也就是说传输的信号以上，也就是说传输的信号只剩下亿百分之一，是无论如何也不可能用于通信的。只剩下亿百分之一，是无论如何也不可能用于通信的。世界上第一根低损耗的石英光纤是在19701970年年，由美国康宁玻，由美国康宁玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡普隆、凯克成功地制成了传输损耗每千米只有输损耗每千米只有2020分贝分贝的光纤。这标志着光纤用于通信有了的光纤。这标志着光纤用于通信有了实现的可能性。实现的可能性。高锟，英国华裔科学家，19331933年年1111月月4出生于上海，19661966年年77月，高锟就光纤传输的前景月，高锟就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论发表了具有重大历史意义的论文，文，《《光频率的介质纤维表面光频率的介质纤维表面波导波导》》。首次从理论上论证了。首次从理论上论证了光导纤维作为光波传输手段的光导纤维作为光波传输手段的可能性，为纤维光学做出了重可能性，为纤维光学做出了重大贡献。大贡献。1、光纤的结构、光纤的结构纤芯折射率较高，完成光信号的传输包层折射率较低，将光封闭在纤芯内，并保护纤芯增加光纤的机械强度涂覆层保护光纤三、光导纤维根据纤芯折射率分布的不同，可分为两类光纤，纤心折射率n11为为常数的光纤叫做常数的光纤叫做均匀折射率光纤均匀折射率光纤，其折射率分布呈阶跃型，所以，其折射率分布呈阶跃型，所以也叫阶跃折射率光纤；纤心折射率也叫阶跃折射率光纤；纤心折射率nn11沿径向向外连续减小的光纤沿径向向外连续减小的光纤叫做非均匀折射率光纤，也叫做叫做非均匀折射率光纤，也叫做渐变折射率光纤渐变折射率光纤2、光纤导光原理、光纤导光原理在光纤中，光是依靠在在光纤中，光是依靠在纤芯纤芯和和包层包层两种介质分界面上的两种介质分界面上的全反全反射射向前传播的。射入光纤的光线有两种，向前传播的。射入光纤的光线有两种，一种是穿过光纤纤芯一种是穿过光纤纤芯轴线的光线，叫子午光线轴线的光线，叫子午光线，子午光线在光纤内沿锯齿形的折线，子午光线在光纤内沿锯齿形的折线前进。前进。另一种是斜光线，它不穿过纤芯的轴线另一种是斜光线，它不穿过纤芯的轴线。从光纤的端面。从光纤的端面上看，斜光线的传播轨迹呈多边形折线状。上看，斜光线的传播轨迹呈多边形折线状。设有一束子午光线以入射角设有一束子午光线以入射角θθ00从空气进入折射率为从空气进入折射率为nn11的纤的纤芯，只有当芯，只有当θθ00小于某一数值小于某一数值θθmm时，才能使入射光线在纤芯和包层时，才能使入射光线在纤芯和包层的分界面上的入射角的分界面上的入射角..大于全反射所需要的临界角中大于全反射所需要的临界角中..cc。。根据折根据折射定律有：射定律有：.......=cmnn.πθ2sinsin1012sinnnc=.2221sinnnm.=θ则数值孔径可表示为文本框: 凡是入射角.0小于.m的子午光线，都可以在光纤中靠全反射向前传输。否则，光线将在界面上发生折射并通过包层射出，使光不能沿光纤向前传播。所以，sin.m是反映光纤传光性能的一个重要参数，称之为光纤的数值孔径。凡是入射角凡是入射角θθ00小于小于θθmm的子午光线，都可以在光纤中靠全反射向前的子午光线，都可以在光纤中靠全反射向前传输。否则，光线将在界面上发生折射并通过包层射出，使光不传输。否则，光线将在界面上发生折射并通过包层射出，使光不能沿光纤向前传播。所以，能沿光纤向前传播。所以，sinsinθθmm是反映光纤传光性能的一个重是反映光纤传光性能的一个重要参数，称之为光纤的数值孔径。要参数，称之为光纤的数值孔径。数值孔径的值小于或等于数值孔径的值小于或等于11。当数值孔径等于。当数值孔径等于11时，时，θθmm=90=90。。这种这种情况下所有入射的子午光线都能在光纤内传播。因此，光纤的数情况下所有入射的子午光线都能在光纤内传播。因此，光纤的数值孔径表示光纤接受入射光的能力。数值孔径越大，接受光的能值孔径表示光纤接受入射光的能力。数值孔径越大，接受光的能力越强。若将纤芯与包层的相对折射率表示为力越强。若将纤芯与包层的相对折射率表示为121nnn.=ΔΔ≈2sin1nmθ3、光纤的优点、光纤的优点....汗牛充栋汗牛充栋信道的频带宽，国外实验室中光纤的传输速率已达信道的频带宽，国外实验室中光纤的传输速率已达7Tbit/s 7Tbit/s ....特快列车特快列车光纤的损耗低，中继站少光纤的损耗低，中继站少....百毒不侵百毒不侵光纤通信的抗干扰能力强光纤通信的抗干扰能力强..随处可见原材料是二氧化硅，资源丰富..瘦身专家光缆的体积小、重量轻..细细道来光纤的使用环境温度范围宽，受温度、季节等的变化影响很小；并且使用寿命很长。44、光纤制造、光纤制造制造光纤的方法很多，目制造光纤的方法很多，目前主要有：管内前主要有：管内CVD(CVD(化学汽化学汽相沉积相沉积))法，棒内法，棒内CVDCVD法，法，PCVD(PCVD(等离子体化学汽相沉积等离子体化学汽相沉积))法和法和VAD(VAD(轴向汽相沉积轴向汽相沉积))法。法。但不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高但不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯线。光纤的制造要求每道工序都要相当精密，由计算机控制。线。光纤的制造要求每道工序都要相当精密，由计算机控制。11、光纤通讯、光纤通讯文本框: 四、光纤的应用四、光纤的应用四、光纤的应用文本框: 1970年，第一根具有实用通讯价值的光纤由美国康宁玻璃公司率先拉制成功，其损耗为20 dB/km。到20世纪80年代初，世界各地开通的光纤通信电路已达上千条．除用作电话通讯外，也用于数据传输、闭路电视、工业控制及监测以及军事目的。1988年，第一条连结欧美大陆的海底光缆建成并投入使用。我国近年来光纤通讯也有长足的发展。已经建成的光纤干线有南沿海干线、沪宁汉干线、京汉广干线等，短距离的系统更是数目众多。19701970年，第一根具有实用通讯价值的光纤由美国康宁玻璃公年，第一根具有实用通讯价值的光纤由美国康宁玻璃公司率先拉制成功，其损耗为司率先拉制成功，其损耗为20 dB/km20 dB/km。。到到2020世纪世纪8080年代初，世年代初，世界各地开通的光纤通信电路已达上千条．除用作电话通讯外，也界各地开通的光纤通信电路已达上千条．除用作电话通讯外，也用于数据传输、闭路电视、工业控制及监测以及军事目的。用于数据传输、闭路电视、工业控制及监测以及军事目的。19881988年，第一条连结欧美大陆的海底光缆建成并投入使用。我国近年年，第一条连结欧美大陆的海底光缆建成并投入使用。我国近年来光纤通讯也有长足的发展。已经建成的光纤干线有南沿海干来光纤通讯也有长足的发展。已经建成的光纤干线有南沿海干线、沪宁汉干线、京汉广干线等，短距离的系统更是数目众多。线、沪宁汉干线、京汉广干线等，短距离的系统更是数目众多。文本框: 光纤通讯的迅速发展是因为它具有许多的优点。例如：通信容量大，频带宽，抗干扰性强，功耗低等等。以容量为例，传送一路电话通常需占用的频带宽度为 8000 Hz，传送一路彩色电视节目需占用的频带宽度约为3 MHz．如果用频率为 3000 MHz的微波进行传送，取其频率的1％作为通信带宽，仅有 30 MHz，因而只能同时传送几千门电话或几路电视节目，如果运用波长为0.6 μm的激光在光纤中传输，由于激光的频率高达 108MHz，它的 1％就有106MHz的量级．这样的带宽是微波通信的10光纤通讯的迅速发展是因为它具有许多的优点。例如：通信光纤通讯的迅速发展是因为它具有许多的优点。例如：通信容量大，频带宽，抗干扰性强，功耗低等等。以容量为例，传容量大，频带宽，抗干扰性强，功耗低等等。以容量为例，传送一路电话通常需占用的频带宽度为送一路电话通常需占用的频带宽度为8000 Hz8000 Hz，，传送一路彩色传送一路彩色电视节目需占用的频带宽度约为电视节目需占用的频带宽度约为3 MHz3 MHz．．如果用频率为如果用频率为3000 3000 MHzMHz的微波进行传送，取其频率的的微波进行传送，取其频率的11％作为通信带宽，仅有％作为通信带宽，仅有30 30 MHzMHz，，因而只能同时传送几千门电话或几路电视节目，如果运因而只能同时传送几千门电话或几路电视节目，如果运用波长为用波长为0.6 0.6 μμmm的激光在光纤中传输，由于激光的频率高达的激光在光纤中传输，由于激光的频率高达101088MHzMHz，，它的它的11％就有％就有101066MHzMHz的量级．这样的带宽是微波通的量级．这样的带宽是微波通信的信的101055倍，因此可以同时传送几亿门电话或几十万路电视节倍，因此可以同时传送几亿门电话或几十万路电视节目．目．上图为光纤通信系统的基本组成，它包括发送机、光缆、中上图为光纤通信系统的基本组成，它包括发送机、光缆、中继器和接收机。发送机主要由光源及其相关的驱动电路组成，接继器和接收机。发送机主要由光源及其相关的驱动电路组成，接收机主要由光检测器、放大器和信号恢复电路组成，中继器负责收机主要由光检测器、放大器和信号恢复电路组成，中继器负责放大和整形信号，而光缆作为最主要的部件之一，用于传输光信放大和整形信号，而光缆作为最主要的部件之一，用于传输光信号。一根光缆中通常包括若干根像头发丝一样细的光纤和多种光号。一根光缆中通常包括若干根像头发丝一样细的光纤和多种光纤保护层，用于远距离通讯的光缆中甚至还包含金属导线，以便纤保护层，用于远距离通讯的光缆中甚至还包含金属导线，以便用来对放大光信号的中继器供电。用来对放大光信号的中继器供电。光耦合器光耦合是对同一波长的光功率进行分路或合路。通过光耦合光耦合是对同一波长的光功率进行分路或合路。通过光耦合器，我们可以将两路光信号合成到一路上，如光耦合器示意图器，我们可以将两路光信号合成到一路上，如光耦合器示意图（（aa）所示，）所示，P1P1和和P2P2两路光信号经耦合器后变成了一路输出两路光信号经耦合器后变成了一路输出P3P3。。光复用器把不同波长的信号复合注入到一根光纤中光耦合器还可以对光进光耦合器还可以对光进行分路，如耦合器示意行分路，如耦合器示意图（图（bb）所示，输入的光）所示，输入的光信号信号PinPin经过介质膜的反经过介质膜的反射和折射，分成了两路射和折射，分成了两路信号，当然，这两路信信号，当然，这两路信号的功率比是可以调节号的功率比是可以调节的。的。光隔离器光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。磁光材料放在磁场中，旋转角是4545°°。首先使入口处的起偏。首先使入口处的起偏振器和出口处的检偏振器的偏振化方向彼此相差振器和出口处的检偏振器的偏振化方向彼此相差4545°°。这时，达。这时，达到检偏振器的入射光，因偏振面旋转了到检偏振器的入射光，因偏振面旋转了4545°°，所以能够通过检偏，所以能够通过检偏振器。而从检偏振器反射回来的光，按原路到达起偏振器时，因振器。而从检偏振器反射回来的光，按原路到达起偏振器时，因振动面按同一方向又旋转了振动面按同一方向又旋转了4545°°。和原入射光相比，振动面已发。和原入射光相比，振动面已发生了生了9090°°的旋转，正好与起偏器的方向正交，所以不能通过起偏的旋转，正好与起偏器的方向正交，所以不能通过起偏器。这就形成了光的单向传输系统，故称其为隔离器。器。这就形成了光的单向传输系统，故称其为隔离器。光纤连接器光纤连接器是一种用于连接光纤的器件。它在光纤通信光纤连接器是一种用于连接光纤的器件。它在光纤通信系统和测量仪表中具有不可或缺的地位。可以拆卸，使用灵系统和测量仪表中具有不可或缺的地位。可以拆卸，使用灵活，所以又称为光纤活动连接器或者光纤活动接头。一般活，所以又称为光纤活动连接器或者光纤活动接头。一般的，要求光纤连接器体积小、接入损耗小、可重复拆卸、可的，要求光纤连接器体积小、接入损耗小、可重复拆卸、可靠性高、寿命长、价格便宜等。靠性高、寿命长、价格便宜等。光放大器OFAOFA传统的中继器的基本功能是进行光－电－光转换光放大是指在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。它与激光器不同之处在于光放大器没有反馈机制。半导体激光放大器（SOA）掺铒光纤放大器（EDFA）掺镨光纤放大器（PDFA）非线性OFA光发射机光发射机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路光发射机由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成，其核心是光源及驱动电路。在数字通信中，输入电路将等构成，其核心是光源及驱动电路。在数字通信中，输入电路将输入的信号（如输入的信号（如PCMPCM脉冲）进行整形，变换成适于线路传送的码脉冲）进行整形，变换成适于线路传送的码型后通过驱动电路光源，或者送到光调制器调制光源输出的连续型后通过驱动电路光源，或者送到光调制器调制光源输出的连续光波。为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常要设置一个光波。为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常要设置一个自动的温度控制及功率控制电路。自动的温度控制及功率控制电路。光接收机光接收机可以分为前端、线性通道、时钟提取与数据再生几光接收机可以分为前端、线性通道、时钟提取与数据再生几个部分。个部分。前端：光检测器（或光电变换）的作用是把接收到的光信号转换成光电流。线路通道：主放大器的任务是把前端输出的毫伏级的信号放大到后面信号处理电路所需要的电平。接收机的其余的电路是对信号进行进一步的处理、整形，以提高系统的性能，最后解调出发送信息。时钟提取与数据再生：从接收的数字信号中提取时钟信号，判决电路的目的是把从接收放大器送过来的输入信号与判决门限电平进行比较，并在由恢复时钟决定的抽样时刻决定出是““11””码还是码还是““00””码。码。光纤温度开关水银柱式光纤温度开关1 浸液；2 自聚焦透镜；3 光纤；4 水银２、光纤传感器11223344热双金属式光纤温度开关1 遮光板；2 双金属片遮光式光纤温度计接收接收光源光源1122当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。向产生位移从而使输出光强发生变化。膜片反射式光纤压力传感器Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。距离发生变化，从而使输出光强受到调制。光源光源接收接收YY形光纤束形光纤束壳体壳体PP弹性膜片弹性膜片光纤多普勒流速计由激光光源(氢-氦激光)发出的光(频率为fi)导入光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向振动物体，由于振动物体(被测体)振动，产生散射(频率为fs)，被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为式中fi为入射光频率，fs为散射光频率；n为发生散射介质的折射率；λ为入射光在空气中的波长；ν为被测物体的运动速度。2sifffnvλΔ=.=光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中..微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器DDSSFFFF变形器变形器光纤光纤dd原来光束以大于临界角θCC的角度的角度θθ11在纤芯内传输为全反射；但在在纤芯内传输为全反射；但在微弯处微弯处θθ22光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移等物理量。θθ11θθnn00nn22nn11θθ22θθ33