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光纤技术

作者：饶云江

出版社：科学出版社出版时间：2006-08-01

开本： 16开 页数： 325

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光纤技术版权信息

ISBN：9787030173560
条形码：9787030173560 ; 978-7-03-017356-0
装帧：暂无
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
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工学

光纤技术内容简介

《光纤技术》对光纤技术进行了全面的科学总结和归纳。第1章回顾了光纤技术、光纤通信与光纤传感技术的发展过程和趋势；第2章介绍了光纤光缆的一些基本特性以及现在工厂中常用的一些成缆方法；第3章从几何光学和模式理论的角度阐述了光纤的传输理论；第4章在传输理论的基础上介绍了新型光纤及其基本传输特性；第5、6章分别介绍了基于光纤的常用无源和有源光纤器件的基本原理；第7章介绍了光纤传感器的类别、传感原理、复用原理以及解调原理等，此外还介绍了几种常用的光纤传感网络的原理；第8章介绍了光通信系统的基本结构和几种比较前沿的光纤通信技术。

光纤技术目录

目录
前言
第1章绪论 1
1.1 历史回顾 1
1.2 光纤技术基础 4
1.3 光纤与通信网络 6
1.4 光纤与传感技术 9
1.5 光纤技术的发展 13
1.6 小结 19
思考与练习 20
参考文献 20
第2章光纤拉制及成缆 22
2.1 光纤的分类 22
2.2 光纤材料 23
2.3 光纤的拉制 26
2.4 光纤成缆技术 34
2.5 小结 49
思考与练习 50
参考文献 50
第3章光纤传输理论 51
3.1 基本结构 51
3.2 光线理论 52
3.3 模式理论 59
3.4 单模光纤中的偏振现象 71
3.5 光在非正规光波导中的传输 80
3.6 小结 86
思考与练习 86
参考文献 86
第4章新型光纤和光纤的基本特性 88
4.1 不同波导结构的石英光纤 88
4.2 其他材料光纤 95
4.3 光纤的传输特性 103
4.4 小结 125
思考与练习 126
参考文献 127
第5章光无源器件 129
5.1 光纤连接器 129
5.2 光纤耦合器 132
5.3 光隔离器 138
5.4 光环行器 146
5.5 光纤光栅 151
5.6 光学滤波器 162
5.7 光开关 167
5.8 光波分复用器件 172
5.9 小结 176
思考与练习 176
参考文献 178
第6章光有源器件 180
6.1 光调制器 180
6.2 光源 184
6.3 光探测器 201
6.4 光放大器 205
6.5 小结 220
思考与练习 221
参考文献 221
第7章光纤传感技术 223
7.1 引言 223
7.2 光纤法珀传感器 234
7.3 光纤白光干涉传感器 251
7.4 光纤光栅传感器 258
7.5 光纤陀螺传感器 268
7.6 其他类型光纤传感器 276
7.7 小结 279
思考与练习 279
参考文献 280
第8章光纤通信技术 281
8.1 光纤通信系统概述 281
8.2 光复用技术 286
8.3 相干光通信 304
8.4 光孤子通信技术 309
8.5 全光通信网 318
8.6 小结 324
思考与练习 324
参考文献 324

展开全部

光纤技术节选

第1章绪论　　20世纪后几十年，以光纤通信为代表的信息技术在信息领域内掀起了一场波澜壮阔的革命，极大地推动了人类向信息社会迈进的步伐。在这场革命中，半导体激光器、光导纤维(俗称光纤)以及掺铒光纤放大器的研制成功极大地推动了光通信的实用化，它们在光通信的发展历史上具有里程碑的意义。其中以光纤作为基础的各种技术发展尤为迅速。　　本书将系统地向读者展示基于光纤的各种技术。本章介绍光纤技术的发展历程以及光纤与通信和传感的关系，从而揭示光纤在这两大领域中的广泛应用；第2~4章介绍光纤的成缆技术、基本特性及基本传输理论；第5、6章介绍基于光纤的各种有源和无源器件的基本原理、结构及简单应用；第7、8章详细介绍光纤传感与光纤通信方面的应用技术等，希望能给读者提供一幅比较完整的光纤技术发展蓝图。　　1.1 历史回顾　　在很久以前，人类就开始用火(实质是利用光)来发送消息。例如，在古代以色列，人们用火来表明一个月的开始；在中世纪早期，俄罗斯士兵用点火通报敌情；我国古代在长城上修建烽火台，通过施放狼烟通报敌人入侵等。可见，人们从远古时代就以*原始的方式试图使用光在两个较远的地点间发送某种信息。因为光的可见性和易于使用，这种传送消息(通信)的方式变得非常实用，但有限的传输距离和传输信息量使得这种原始通信方式难以得到广泛的应用。　　20世纪60年代早期激光的发现激发了科学家和工程师对光通信的研究兴趣，但是在空气中进行若干次实验尝试后，由于空气中水分对激光的吸收以及恶劣气候的影响，激光传输距离有限，仍然不能商业应用。很显然，人们必须找寻另外一种传输光信号的媒介或管道，只有有了这种传输光的管道才能使光通信变得实用。　　在未找到光传输的管道以前，科学家和工程师先是从提高信号载波的频率入手进行研究，*后发现从无线电频率到微波的转移可以数十倍地提高一个给定系统的信息运载能力，但是，在信号载波超过100GHz后，微波与红外区域相重叠，这时空气中的微波衰减达到相当高的程度，以至于它只能在非常短的距离间传输，很显然，这样的系统仍然不能商业应用。　　随后人们开始使用一种波导结构来传输超高频(ultra high frequency，UHF)电磁波，这些波导结构是一种横截面颇似矩形、两端开口的钢制管。在20世纪60年代后期和70 年代早期，贝尔实验室的研究人员设计并制作出了每单元拥有238000个语音信道的波导装置，尽管这些新的波导设备将原先矩形的横截面重新设计成了圆形，但它们仍是那种旧式的内径为几厘米的两端开口的钢管，从价格、安装、维护等一些实用观点来看，它们仍是十分低效的，所以这种波导装置仍然不能大规模应用。　　接下来，研究人员将载波频率提高到光波的频率范围，即是将通信链路的发展推向了光传输这个人类通信史上非常重大的技术发展阶段。　　当将载波频率提高到光波的频率范围时，如何对光进行导向呢、首先，需要开发一种实用的导向设备，它可以用像铜线传导电流那样的方式对光进行传输，这也就意味着要发展一种灵活且易于安装与维护的导向设备。相比于钢制波导管，灵活必须是这种潜在导向设备的关键特征。于是研究人员开始考虑光纤——一种由玻璃或塑料制成的透明易弯的长纤维，并且根据斯涅耳定律(反射定律)，借助于使用全内反射可以使光能在光纤内部传输。　　1870年，英国物理学家Joan Tyndall验证了光可以在一个弯曲的水流中传播。这就证明了全内反射现象的存在。但是，直到1951年，研究人员才设计出**个光导纤维镜(fiberscope)，它可以用于传输人体内部器官的图像。1953年，在伦敦皇家科学技术学院工作的Narinder Kapany开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的包层纤维，这也就诞生了今天所用光纤的结构，“光纤”这个名词就是Kapany给出的。但是如果光纤要成为光导设备——基本特征是要能长距离传输，这就有一个新的问题需要解决，即光衰减(随着光的传输，光的能量减小的现象)。那就是说，当光通过长距离从输入端传输到输出端时，在输出端输出的能量一定不能小于接收端探测器能探测的*小光强。　　1966年，华裔科学家高锟(Charles Kao)博士在英国发表了一篇具有里程碑意义的论文“用于光频率的绝缘纤维表面波导管”，这篇论文被认为是打开通往光纤技术大门的钥匙。高锟博士针对当时玻璃纤维传输损耗高达1000dB/km 的情况指出:“这样大的传输损耗不是石英玻璃光纤本身固有的基本特性，而是由于材料中带有杂质，如含有过渡金属离子产生的。材料本身的损耗是由瑞利散射决定的，它随波长的四次方而下降，其损耗是很低的。因此，有可能制造出适用于长距离通信的低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的质量比降低到10-6以下，则可使光纤的传输损耗下降到10dB/km 以下，再通过改进拉丝工艺的热处理来提高材料的均匀性，就可以把损耗降至每千米几分贝以下。” 　　高锟博士的工作是光纤通信领域中的一个真正的突破，因为他明确地指出，要解决的主要技术问题是突破以往普通玻璃光纤在损耗方面的局限。一旦问题清楚了，接下来的任务就是如何制造具有低衰减的光纤。1970 年，康宁公司(Corning Glass Corporation)的Rober Maurer、Donald Keck和Peter Schultz根据高锟博士的思想，采用化学气相沉积(CVD)工艺**个制出衰减少于20dB/km 的光纤，与同轴电缆5~10dB/km 的损耗相比，还不能说是优秀的指标，但已是通信工程师可以接受的损耗，成为世界上公认的**根通信用光导纤维。与此同时，以半导体砷化镓为基体的新一代激光二极管、发光二极管以及光探测器等器件也有突破性进展。它们的尺寸及光点大小均同光导纤维较为配合。尤其令人惊奇的是，这种光源发射的光波波长在0.8~0.9μm，而二氧化硅材料光导纤维的**个低损耗窗口也正好落在0.85μm 附近。两方面的研究都有急速进展。*初半导体激光二极管工作寿命极短，仅数小时，并且要在低温环境中工作。到1973年，已取得在室温30℃连续工作1000h的好结果，1977年达到7000h。同时光纤的损耗也大幅度下降，1976年在0.85μm 窗口达到1.6dB/km，已经是同轴电缆所望尘莫及的，光纤通信开始了工业化生产及商业化应用的新时期。1977 年在美国芝加哥城的两个电话局间开通了世界上**条商用光纤通信系统。自那时以后，技术又有很多新发展。首先是开发了损耗更低、色散量小的1.31μm 波长，该波长处光纤的损耗降到0.5dB/km 左右。由于二氧化硅的材料色散同光纤的波导色散在1.31μm 处几乎抵消，该波长又称零色散波长。在半导体激光器方面，研究成功InGaAsP/InP材料的长波长器件同1.31μm 窗口相配合，从而使1.31μm 成为长途干线光纤通信的主角。近几年来，在1.55μm 波长处的研究又非常活跃。一个原因是二氧化硅材料系的光纤在1.55μm 处具有*低损耗，可以达到0.2dB/km，但可惜的是该点的色散较严重，限制应用带宽。为此，大量研究工作投入到所谓色散位移光纤，即改变普通单模的结构，使其零色散点由1.31μm 移到1.55μm，以获得色散及损耗均*低的理想情况。这方面的研究以及与之配合的半导体激光器、探测器等器件均已成功。1.55μm 波段研究工作活跃的另一个原因是近几年掺铒光纤放大器异军突起。用稀土元素铒掺杂的光纤，在1.48μm 或0.98μm 波长的较强激光功率泵浦下，通过受激辐射可以将1.55μm 的信号放大，做成在线光放大器，使长途干线光纤系统的设计大为改进。目前供使用的掺杂光纤放大器工作在1.55μm。　　至20世纪80年代初，世界各地开通的光纤通信线路已达上千条。除用作电话通信外，也用于数据传输、闭路电视、工业控制与监测，以及军事。1988年，**条跨越大西洋海底，连接美国东海岸同欧洲大陆的光缆开通。1989 年4 月，从美国西海岸经夏威夷及关岛，连接日本及菲律宾的跨太平洋海底光缆开通服务。*近又有第三条跨大西洋海底光缆要投入使用。这些都是耗资若干亿美元的浩大通信工程。在陆地上的推广应用更是日新月异。工业发达国家及我国均已宣布:干线大容量通信线路不再新建同轴电缆，而全部铺设光缆。我国光纤通信起步不晚，但由于有各种限制因素，直到20世纪80年代中期才开始在推广应用及工业基础方面取得长足进步。干线系统中比较著名的有南沿海工程、沪宁汉干线、芜湖至九江(含过长江的水下光缆)、京汉广等，短距离的系统更是不计其数。在武汉、上海、西安、北京、天津等地建立了几家规模较大、水平较高的光纤、光缆制造厂，另外还有一批与之配套的光电子器件的工厂及研究所，为光纤通信在我国广泛推广应用打下了基础。到2001年底全国铺设光缆总长度已达149.5万公里，其中长途干线光缆33.5万多公里，本地中继网光缆线路75.5万多公里，接入网光缆线路37万多公里。到2002年3月，我国“八横八纵”格状国家光通信骨干网也已基本建成。近两年来，我国铺设光缆的方向已经开始转向城域网等局部性网络，随着光通信的发展，我国数据传输速度和质量将进一步得到改善和提高。　　1.2 光纤技术基础　　虽然透镜可以弯曲光束，反射镜可以偏转光束，但实际上光束在光学仪器之间仍然是沿直线传播的，光的直线传播特性保证了照相机、人的双眼、望远镜和显微镜等结构能正确成像。有时候，我们更希望让光线绕过物体，就可以知道物体之后或者直视观察不到的地方有什么东西，也就可以将光线从一个地方传输到另一个地方，通过这种方式光就可以用来通信、观察、照明等，这就是光纤技术研究的范畴了。下面我们先来了解一些光纤方面的基础知识，这些知识在后续的章节还会详细介绍。　　1. 光纤结构　　光纤的基本结构十分简单。光纤的纤芯是由折射率比周围包层略高的光学材料制作而成的，如图1.1所示。这种光纤结构引起全内反射，从而引导光线在纤芯内传播。　　图1.1 光纤的基本结构　　(a)整圈光纤；(b)光纤横截面　　光纤的基本结构是导光的纤芯和外面低折射率的包层，不同类型光纤的纤芯和包层的几何尺寸差别很大。用于高清晰度图像传输的光纤(传像光纤)其芯径小、包层薄；传输高功率能量的照明光纤则一般具有更粗的纤芯和细薄的包层；用于通信的光纤则是厚包层和小纤芯，纤芯折射率到包层折射率的变化是阶跃变化，纤芯折射率可以是均匀的，也可能是渐变的；还有一些高性能光纤其纤芯和包层之间甚至有多层结构。　　通信光纤的标准包层直径是125μm，塑料护套的直径约250μm，便于操作和保护光纤内部的玻璃表面，防止刮痕或其他机械损伤。而传像光纤束中单根光纤的直径小到只有几个微米，一些特殊用途光纤则可能有几毫米。　　2. 光纤材料　　多数光纤几乎是纯石英，加入少量掺杂物的目的是改变纤芯或包层的折射率。从化学的角度讲，通信用*纯的光纤材料当然是纯二氧化硅，即SiO2；医用传像光纤和照明光纤则使用低纯度玻璃制造；还有一些光纤是用塑料制造的，虽然没有玻璃光纤透明，但是更灵活易用；少数光纤使用塑料作包层材料，但一般情况下塑料都是用于机械保护的外部涂敷层。　　专用光纤也有可能是用其他材料制造的。例如，对于远红外波长，氟化物比石英更透明，因此氟化物有时用于红外波段。这些光纤有时被称为玻璃光纤，因为制造光纤的材料是玻璃态或非晶态物质，但是光纤是由制造材料决定的，如氟化物玻璃光纤。　　3. 光纤特性　　在机械特性方面，光纤坚硬而又弯曲灵活，强度极大。细光纤比粗光纤更容易弯曲。通信光纤的尺寸可以和人的头发的粗细相比，但这种比较也得是在很粗的头发和很细的光纤之间进行。通信光纤比同样长度的人的胡须要硬得多，把它比作单丝钓鱼线很恰当。和电线不同，光纤被弯曲后还能恢复到原来笔直的形状，但光纤在受到外力牵引时不能一直延伸下去，外力过大就会折断光纤。如果光纤表面布满了裂纹，那么光纤就很容

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