《光学光纤》学习笔记第一章

第一章 绪论

1.1光纤起源

光纤引入—信息时代
电话、电视、传真、数字广播；家庭影院、视频点播、高清晰度电视；可视电话、可视会议、家庭办公；计算机、互连网、电子邮件；远程学习、远程诊断、资讯检索；股票交易、金融业务、社区服务；安全监控、报警系统、智能家庭。

信息传输速率与媒介的容量
信息传输速率
Audio: 9.6-128 kbit/s
TV: 1-6 Mbit/s
HDTV: 10-100 Mbit/s
通信媒介传输速率
卫星/微波： 140 Mbit/s
同轴电缆： 60 Mbit/s
光纤： 560 Tbit/s

“光通信”—历史
最早的光通信(中国古代烽火台 、手旗、灯光)
公元前11世纪，西周王朝，烽火台
白天点狼粪，晚上燃柴火——“狼烟四起”

第一个光电话系统：现代光通信的开端
1880年，A.G.Bell 首次利用太阳光进行通信，通信距离仅213米，这是Bell在他所有的发明中最得意的一个—Photophone，奠定了今天光通信的基础。

光纤的雏形
1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察到光在水与空气分界面上作全反射以致光随水流而弯曲的现象。

“光纤之父”——高锟博士
1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介质纤维表面波导”首次明确提出,通过改进制备工艺,减少原材料杂质 , 可使石英光纤的损耗大大下降 , 并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤,从而使光纤可用于通信之中。

瑞典皇家科学院常任秘书贡诺·厄奎斯特在记者招待会上说，高锟“在有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面取得了突破性成就”，他获得2009年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗(约合70万美元) 。

1970年，美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。
1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。
1973年，美国贝尔实验室的光纤损耗降低到2.5 dB/km。
1974年，贝尔实验室将损耗进一步降低到1.1 dB/km。
1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km (工作波长1.2 mm)

目前，波长为1.55 um的标准光纤损耗为< 0.2 dB/km。

光纤通信光源：半导体激光器
1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。
1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。
1976年，日本NTT研制出波长为1.3 mm的铟镓砷磷 (InGaAsP) 激光器。
1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。
1979年，美国电报电话(AT&T)公司和日本NTT研制成功波长为1.55 um的半导体激光器。

光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。

光纤通信系统的发展
1976年，美国在亚特兰大进行世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验
1976年和1978年，日本先后进行了速率为 34 Mb/s 的阶跃多模光纤通信系统和速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验
1980年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用
1983年，敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线
1988年，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统
1989年，第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统建成

二十世纪六十年代早期 ：实验演示了光信号编码传输
七十年代初：发明了低损耗光纤，光纤传输系统真正起步早期光纤是所谓多模光纤，0.8或1.3μm波长
八十年代初，使用单模光纤，1.3μm波长
八十年代末到九十年代初：掺铒光纤放大器(EDFAs)获应用
九十年代后期，16~32个波长的高容量DWDM系统获应用
八十年代后期，应用1.55μm波长使用波分复用（WDM）；第一代光网络产生！光网络技术与器件获得发展；第二代光网络产生！

1.2光纤的优点

1.高速率
2.大容量：马路越宽，允许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，允许传输的信息越多，通信容量就越大。
3.低损耗
4.抗电磁干扰（原因：1. 光纤属绝缘体，不怕雷电和高压2. 电磁干扰不了频率比它们高得多的光信号3. 杰出的抗核辐射能力）
5.保密性强
6.体积小重量轻
7.原材料丰富
8.其他优点：光纤材料不怕腐蚀，可以架在空中，也可埋入地下、深入海底；它有较强的耐高低温能力(-65～200度)，在一般的飞机、舰艇和车辆上都可使用；它可实现多功能传输，同时传递话音、数据、传真、图像等各种信息。

1.3光纤的分类

1、什么是光纤
基本结构：纤芯、包层、涂覆层
介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），并导引
光波在其内部或其表面附近沿轴线方向向前传输（纵向实现长距离传输）。
2、光波导的构成
光波导：约束光波传输的媒介
导波光：受到约束的光波
光波导三要素：“芯 / 包”结构、凸形折射率分布，n1>n2、低传输损耗

3、光纤的分类
按光纤用途进行分类
通信用光纤:用于光纤通信系统
要求损耗低、大容量、低色散以及与系统元器件，比如光源、探测器和光
无源器件之间的高效率耦合等要求。同时，也要求光纤具有良好的机械稳
定性、低廉的成本和抗恶劣环境的性能。
非通信用的光纤:光纤通常要求具有特殊的性能，比如高双折射、物理敏感性强
以及具有非线性等，而在其他方面的要求则相应降低等
传感光纤、传光光纤、传像光纤等特殊用途光纤

按纤芯的折射率分布进行分类
a. 阶跃折射率分布光纤（SIOF）、b. 渐变折射率分布光纤（GIOF）

按光纤中的传输模式进行分类
单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播

按光纤芯包结构进行分类
芯包结构光纤
微结构光纤（光子晶体光纤）{折射率导引光子晶体光纤、带隙导引光子晶体光纤}

光纤的进一步分类
按材料分：
石英、塑料、红外光纤
特种光纤：
保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤
零/非零色散位移光纤；负色散光纤；
特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤

1.4光纤设计与制备

光纤设计与制备
1、如何改善光纤的传输特性：减少OH- ，降低损耗；改变芯经和结构参数，色散位移；改变折射率分布，降低非线性。
2、石英为基本材料：纤芯掺入GeO2和P2O5 使得 n 增加；纤芯掺入B2O3 使得 n 减少。
3、设计问题：折射率剖面分布；掺杂浓度；纤芯与包层尺寸
4、其他情况：并综合考虑：损耗、色散、色散斜率、有效面积、宏弯特性、PMD等。

预制棒法光纤制备工艺
1、清洗（碱洗 除去油脂；酸洗 除去金属氧化物；离子水冲洗）
2、制棒（管外法（管外汽相沉积法（OVD）；汽相轴向沉积法（VAD））、管内法（改进的管内化学气相沉积法（MCVD））；等离子体管内化学气相沉积法（PCVD））
3、拉 丝
4、性能测试
5、包装入库

1.5光纤通信的发展

1.6结语

本章资料全来自学习华中科技大学光纤光学学习笔记！由于光纤通信专业学习者较少，后面的学习就不再发布，相关资料以及学习视频链接分享在下面了！
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