光纤通信的物理学基础.ppt

1 光纤通信简明教程 总学时数40周学时4 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 衍射和偏振等现象用电磁场理论解释 3 光的量子性具有吸收 色散和散射等现象用量子力学理论解释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 76 m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 8 m 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r2 r1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 I0cos2 式中 0时 I I0 透射光强最大 2时 I I0 透射光强为零 0 2时 透射光强介于0和I0之间 利用马吕斯定律可以解释检偏的过程 2 3波动光学 4 光的偏振 第2章光纤通信的物理学基础 20 反射起偏 布儒斯特定律 自然光入射在两种各向同性介质的分界面上时 反射光和折射光都成为部分偏振光 反射光的偏振化程度与入射角有关 当入射角 自然光 等于某一特定值时 反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光 这个特定的入射角叫做起偏振角 称为布儒斯特角 其反射光和折射光的传播方向相互垂直 即 2 3波动光学 4 光的偏振 第2章光纤通信的物理学基础 21 光的双折射现象 光在两种各向同性的媒质的分界面上折射时 只有一束折射光线 但是 当一束自然光进入各向异性晶体时 例如光线进入方解石晶体后 会分裂成为两束折射光线 它们沿不同方向折射 称为双折射现象 2 3波动光学 4 光的偏振 第2章光纤通信的物理学基础 22 2 4光的吸收 色散和散射 光的吸收 色散 散射都是光波与物质的相互作用过程 要用量子力学解释1 光的吸收 1 吸收的线性规律 光的吸收是指光波通过介质后 光强减弱现象 吸收的线性规律为 称为布格尔定律当光的强度不大时 光的吸收线性规律很精确 但是光的强度很大时 特别是激光 出现了光与物质的非线性相互作用过程 此时吸收系数 依赖于光的强度 第2章光纤通信的物理学基础 23 2 光的吸收与波长的关系 物质对某些波长的光的吸收特别强烈 即吸收系数 随 的改变而急剧变化 就称为选择吸收 在无线通信中 就要考虑大气对电磁波的吸收问题 光纤对可见光和紫外线具有强烈的选择吸收性 但对于近红外 窗口 是透明的 所以我们选择0 8 1 8 m的波长进行光纤通信 2 4光的吸收 色散和散射 第2章光纤通信的物理学基础 24 2 色散 1 色散的概念 色散是介质的折射率n随光波波长 变化的现象 2 正常色散 介质的折射率n是随波长 的增加而减小的色散叫正常色散 3 反常色散 反常色散是介质的折射率n随着波长 的增加而增加 与正常色散正好相反 2 4光的吸收 色散和散射 第2章光纤通信的物理学基础 25 3 散射 1 光的散射 当光通过不均匀介质时 会偏离原来的方向而向四周传播 这种现象称为光的散射 2 线性散射 散射光的频率等于入射光的频率 散射光中没有新频率的光产生 这类散射称为线性散射 3 非线性散射 散射光中除了入射光的频率或谱线之外 还有新频率的光或新谱线产生 这类散射称为非线性散射 拉曼散射和布里渊散都属于非线性散射 2 4光的吸收 色散和散射 第2章光纤通信的物理学基础 26 2 5激光原理 光波光子光是电磁波 具有确定的波波光是粒子 由光粒子构成长和频率 具有波动性 光子流 具有吸收和辐射的粒子特性 古典物理量子物理光具有波粒二象性一个光子的能量E与光波频率f的关系是E hfh 6 626 10 34J S 焦耳 秒 称为普朗克常数波粒二象性是同一客观物质 光在不同场合下表现出来的两种同样真实的属性 当光在空间传播时主要表现出其波动性 而当光与物质相互作用时 光的行为又表现出粒子性 第2章光纤通信的物理学基础 27 2 5激光原理 1自发辐射 受激辐射和受激吸收 光和物质的相互作用有三个主要过程 无外界激发 自发产生 在外界激发下产生 频率 相位 辐射的光子是多频率的 外界激发能量要满足偏振方向相同 辐射的方向 相位不同 hf E2 E1 相干光 非相干光 光放大f E2 E1 h 第2章光纤通信的物理学基础 28 2激活物 光的放大 激光是通过受激辐射来实现光的放大 在热平衡条件下 电子在各能级上的分布遵循费米能级统计规律 即低能级上的电子数多 N1 高能级上的电子数少 N2 正常状态N1 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E2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 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di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 r1 r2是反射镜M1 M2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