光纤通信的物理学基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,光 纤 通 信 简 明 教 程,总学时数,40,周学时,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 李元元 编著,主要参考书,方强,光纤通信,西安电子科技大学出版社,孙学康,光纤通信技术,北京邮电大学出版社,2,目 录,第,1,章 光纤通信概述,第,2,章 光纤的物理学基础,第,3,章 光纤,第,4,章 光源和光发射机,第,5,章 光检测器和光接收机,第,6,章 光纤通信系统与工程,第,7,章,SDH,技术,第,8,章 光放大和色散补偿技术,第,9,章 波分复用技术,第,10,章 光纤通信的高新技术,3,2.1,光的本质,2.2,光的反射、折射和全反射,2.3,波动光学,2.4,光的吸收、色散和散射,2.5,激光原理,第,2,章 光纤通信的物理学基础,本章内容,4,2.1,光的本质,（,1,）光线是直线传播的,利用全反射性质可以让光线沿着管道传播,（,2,）光具有波动性,具有干涉、衍射和偏振等性质,（,3,）光的量子性,一束光波就是一束光子流，光子不但具有能量,E,和动量,p,，还具有波长,和频率,：,光是电磁波，具有波动性和粒子性,第,2,章 光纤通信的物理学基础,5,2.1,光的本质,光电效应,1,、每种金属都有一个确定的截止频率,0,，当入射光的频率,低于,0,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。,2,、对于频率高于,0,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,释放出的电子的动能就越大。,3,、对于频率高于,0,的入射光，即使入射光非常微弱，照射,后也能立即释放出电子。,第,2,章 光纤通信的物理学基础,6,2.2,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,临界角时，将发生光的全反射现象。,第,2,章 光纤通信的物理学基础,7,2.3,波动光学,1,、光的电磁理论,1865,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,(,描写电磁场分布变化规律的一组微分方程,),，,并预言电磁波的存在。,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,0.4,0.76m,之间，而常用的光纤通信系统工作在近红外区，波长为,0.8,1.8m,，对应的频率为,167,375THz,。,第,2,章 光纤通信的物理学基础,8,真空中的电磁波具有以下性质：,(1),电磁波是横波,(2)E,和,H,同相位,(3)E,和,H,幅值成正比,(4),电磁波的传播速度与光相同，表明光波也是一种电磁波,(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,2.3,波动光学,第,2,章 光纤通信的物理学基础,9,2.3,波动光学,2,、光的干涉,1,）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,是电场强度,E,，所以电矢量,E,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,定的两个相干波源所发出的波是相干波,，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,终减弱或完全抵消，即产生干涉现象,第,2,章 光纤通信的物理学基础,10,2,）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,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,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,，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：,分波振面法,分振幅法,2.3,波动光学,第,2,章 光纤通信的物理学基础,11,2.3,波动光学,3,）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，,则两束相干光之间的相位差完全由它们所经过的,几何,路程,差,r,2,-,r,1,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,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,光程差,来决定。,第,2,章 光纤通信的物理学基础,12,2.3,波动光学,3,）光的干涉规律,几何路程与光程的区别：,在经典光学理论中：,光的,几何路程,是由光所经过的光学器件的距离决定的,，,而,光程,是由光的几何路程和光所经过的介质特性,(,折射率,),决定的,。,第,2,章 光纤通信的物理学基础,13,光程与光程差,两束光波在媒质中传播时其相位差为,则,nr,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。,当两束相干光在不同媒质传播时，,对干涉加强,(,亮纹,),和减弱,(,暗纹,),条件起决定作用不是这两束光的几何路程,差，而是光程差,。且满足如下规律：,（干涉加强）,（干涉减弱）,第,2,章 光纤通信的物理学基础,14,光的干涉应用,薄膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有,4,个方面：,1,、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。,2,、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。,3,、用于制作激光器的谐振腔。,4,、制作高分辨率的光谱仪器用于分析光谱线的精细结构。,第,2,章 光纤通信的物理学基础,15,1,）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。,当障碍物的线度和光的波长可以相比时就会发生光的,衍射现象。,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。,2.3,波动光学,2,、光的衍射,第,2,章 光纤通信的物理学基础,16,4,、光的偏振,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,了光是横波。,2.3,波动光学,第,2,章 光纤通信的物理学基础,17,2.3,波动光学,光的偏振现象,线偏振光,光矢量只沿一个固定的方向振动的光,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,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方向占优势，这种光叫作部分偏振光。,4,、光的偏振,第,2,章 光纤通信的物理学基础,18,2.3,波动光学,起偏和检偏,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 叫透光轴。检验偏振光的过程，称为检偏。利用偏振片可以起偏和检偏,4,、光的偏振,第,2,章 光纤通信的物理学基础,19,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：,I=I,0,cos2,式中：,=0,时，,I=I,0,，透射光强最大；,=/2,时，,I=I,0,，透射光强为零；,0,N2,这时受激吸收,受激辐射 无光放大,要获得光放大，就必须有高能级粒子数,N2,大于低能级,粒子数,N1,的分布，称为粒子数反转分布。,要想光放大必须：受激辐射,受激吸收,即,N2 N1,粒子数反转,2.5,激光原理,第,2,章 光纤通信的物理学基础,29,2,激活物,2.5,激光原理,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，又叫增益物质。用增益系数,G,表示,是光波波长，,是光频宽度，,n,是增益物质的折射率，,2,是高能级,E,2,上的粒子寿命，,N,是两能级上的粒子反转分布浓度即,N2,N1,第,2,章 光纤通信的物理学基础,30,2,激活物,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：,要有激活介质或增益介质（光放大）。,要有激励或称为泵浦。（从外界输入能量）,2.5,激光原理,第,2,章 光纤通信的物理学基础,31,3,光学谐振腔,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。,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。激光必须是全同光子（,同频率、同相位、同方向,）。,2.5,激光原理,第,2,章 光纤通信的物理学基础,32,3,光学谐振腔,a,：辐射光平行于谐振腔轴线。,b,：辐射光往返一次的相位差等于,2,的整数倍。即：,L,激光输出,部分反射镜,反射镜,Z,M,1,r,1,M,2,r,1,谐振腔长度,振荡过程,谐振条件,根据折射率,n,的定义（,n,C/v,）和 物理学中,v/f,的关系 有,所以有：,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,n,0m,为谐振腔输出至空气中的光的谐振波长,第,2,章 光纤通信的物理学基础,33,3,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,d,i,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；,r,1,、,r,2,是反射镜,M,1,、,M,2,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，激光器就越容易起振。,第,2,章 光纤通信的物理学基础,34,光学谐振腔,选频作用,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，将其他方向和频率的光抑制掉。,第,2,章 光纤通信的物理学基础,35,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,1,）激光工作物质,2,）激励源,3),光学谐振腔,第,2,章 光纤通信的物理学基础,36,4,激光的模式,输出激光的影响因素有：,光学谐振腔的腔长,L,的影响,光学谐振腔反射镜的大小和形状的影响,分别称为,纵模特性和横模特性,。,(1),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,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,越小，单色性越好。激光就有很好的单色性。,第,2,章 光纤通信的物理学基础,37,4,激光的模式,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,。,(1),纵模特性,第,2,章 光纤通信的物理学基础,38,4,激光的模式,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,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。,(1),纵模特性,第,2,章 光纤通信的物理学基础,39,4,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,纵模的激光器称为单纵模激光器,。,纵模数越少，单色性就越好，单纵模激光器是理想的光源。,(1),纵模特性,第,2,章 光纤通信的物理学基础,40,4,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,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,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,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,分布，两者统称为激光的模式。,(2),横模特性,第,2,章 光纤通信的物理学基础,