光纖光學(xué)和光纖通信發(fā)展現(xiàn)狀及研究目的

1、1、 光纖光學(xué)和光纖通信發(fā)展現(xiàn)狀及研究目的 1、發(fā)展現(xiàn)狀 上個(gè)世紀(jì)70年代光纖制造技術(shù)和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的突破性發(fā)展，光纖通信以成為現(xiàn)代社會(huì)最主要的通信手段之一。在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著非常重要的作用。光纖通信作為一種新興的通信技術(shù)，近年來，它以飛快的發(fā)展速度和廣泛的應(yīng)用范圍，對(duì)社會(huì)生活影響越來越深，成為了世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志和未來種信息傳輸?shù)闹饕绞健?目前，中國光纖通信行業(yè)處在一個(gè)大變革、大發(fā)展的時(shí)代，是決定光纖通信行業(yè)未來發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，如果抓住機(jī)遇，把握好發(fā)展方向，對(duì)于中國光纖通信行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有積極的意義。首先，光纖通信具有容量大和傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，在未來的發(fā)展中，要充分利用這些

2、特點(diǎn)，以特點(diǎn)來支撐先進(jìn)技術(shù)的開發(fā)，以市場需要來引導(dǎo)發(fā)展方向。其次，在當(dāng)前的金融危機(jī)影響下，各國都在加緊基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，來提升經(jīng)濟(jì)增長。寬帶基礎(chǔ)建設(shè)也是基礎(chǔ)建設(shè)的一部分，我國政府也明確提出，在下一代互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，要以光纖接入網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為主，以網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。下一代互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)作為在我國擴(kuò)大內(nèi)需的重大投資方向，將為光纖通信業(yè)帶來巨大的發(fā)展機(jī)遇。 2、實(shí)驗(yàn)研究目的本實(shí)驗(yàn)利用通信用單模光纖和可見光（紅光）半導(dǎo)體激光器對(duì)光纖通信過程進(jìn)行一個(gè)開放的、原理性的模擬，以其通過實(shí)際操作，對(duì)光纖本身的光學(xué)特性和半導(dǎo)體激光器的電光特性進(jìn)行一個(gè)初步的研究，使我們對(duì)光纖和半導(dǎo)體激光器有一個(gè)基本的了解與認(rèn)識(shí)。同時(shí)

3、，對(duì)光纖通信過程中的全反射理論和波導(dǎo)理論等基礎(chǔ)理論、光波作為載波傳遞信息以及信息的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)有一定的了解與認(rèn)識(shí)。2、 基礎(chǔ)知識(shí)1、全反射原理是實(shí)現(xiàn)光纖通信的理論基礎(chǔ)。光纖技術(shù)是一種利用全反射原理，使光纖和圖像能夠沿著彎曲路徑從一端傳送到另一端的信息處理技術(shù)。如圖1： 光疏介質(zhì)n2 i2 折射光 光密介質(zhì)n1 i1 入射光 圖1 光的全反射原理圖 當(dāng)光線從光密介質(zhì)入射到光束介質(zhì)中時(shí)，則有 n1sini1=n2sini2 （1） 其中n1、n2 分別為光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)的相對(duì)折射率。 而隨著光線入射角i1 的增大，折射角i2也增大，當(dāng)入射角i1等于某一角度時(shí)，折射角為90度；當(dāng)入射角繼續(xù)增大，

4、就不會(huì)有折射光線，光全部被反射，這種對(duì)光線只有反射而沒有折射的現(xiàn)象，稱之為全反射。入射角i稱之為臨界角，其值取決于相鄰介質(zhì)折射率的比值。 i=arcsin(n2/n1) （2） 2.光纖的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí) 光纖的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，每根纖維的直徑約為幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米，分內(nèi)外 兩層，內(nèi)層是高折射率材料的玻璃纖維芯，外層是低折射率的玻璃或塑料等。纖維芯 料和外層材料之間形成良好的光學(xué)界面。 圖2 光纖結(jié)構(gòu)示意圖 這樣，當(dāng)光線以入射角i0從折射率為n0的介質(zhì)投射到導(dǎo)光纖維的端面上，經(jīng)折 射進(jìn)入導(dǎo)光纖維后，將以角i入射到芯料和外層材料之間的界面上。只要i0合適即 i0<arcsin(n22-n12)1

5、/2/n0 (3) 時(shí)，角i將大于臨界角i，這樣入射光線將在界面上發(fā)生全反射。如果導(dǎo)光纖維是圓 柱狀細(xì)絲，則全反射的光線將以相同的角度射到對(duì)面的界面上，并發(fā)生第二次全反射； 以此類推，光線能夠喜在光纖內(nèi)連續(xù)發(fā)生若該次全反射后，射出光纖。 n1n0 n2 i0 圖3 光纖的種類很多現(xiàn)介紹幾種較重要的光纖。 按光纖的折射率分布來劃分,有階躍型光纖、梯度型光纖、環(huán)型光纖及W型光纖等。 按光纖的制作材料來劃分,光纖可分為高純石英光纖,多組分玻璃光纖,液芯光纖,單一材料光纖,塑料包層石英光纖等等。 按光纖所傳導(dǎo)的模來劃分光纖可以分為多模光纖和單模光纖所謂光纖的模,簡單說 來,就是指電磁場在光纖中的傳播方

6、式。光波實(shí)質(zhì)上也是一種電磁波,要知道光波在光纖中如何傳播,需要求解描述電磁場的麥克斯韋方程組,從而得到光波的各種傳播方式,即 各種模。能夠傳導(dǎo)多種模的光纖,稱為多模光纖;只能傳導(dǎo)一種模的光纖,叫單模光纖。在光纖中所能傳導(dǎo)的模數(shù)正比于光纖芯的橫截面積以及光纖軸的折射率與包層之間的折射率的差n,。因此,當(dāng)芯橫截面積與折射率差n:的乘積減小到足夠小的時(shí)候,則光纖就變成只能傳導(dǎo)單一的模,成為單模光纖。 光纖的數(shù)值孔徑：數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對(duì)模式色散的影響。入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個(gè)角度范圍內(nèi)的入射光才可

7、以。這個(gè)角度a 的 正弦值就稱為光纖的數(shù)值孔徑（NAsina），多模光纖NA的范圍一般在0.180.23之間，所以一般有sina=a，即光纖數(shù)值孔徑NAa。在光學(xué)中，數(shù)值孔徑是表示光學(xué)透鏡性能的參數(shù)之一。若平行光線照射在透鏡上，并經(jīng)過透鏡聚焦于焦點(diǎn)處時(shí)，假設(shè)從焦點(diǎn)到透鏡邊緣的仰角為，則取其正弦值，稱之為該透鏡的數(shù)值孔徑。光纖的數(shù)值孔徑大小與纖芯折射率，及纖芯包層相對(duì)折射率差有關(guān)。從物理上看，光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強(qiáng)。從增加進(jìn)入光纖的光功率的觀點(diǎn)來看，NA越大越好，因?yàn)楣饫w的數(shù)值孔徑大些對(duì)于光纖的對(duì)接是有利的。但是NA太大時(shí)，光纖的?；兗哟?，會(huì)

8、影響光纖的帶寬。因此，在光纖通信系統(tǒng)中，對(duì)光纖的數(shù)值孔徑有一定的要求。 NA= (n22-n12)1/2 （4） 調(diào)制: 將各種數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字調(diào)制信號(hào)(已調(diào)信號(hào)或頻帶 信號(hào))； 解調(diào): 在接收端將收到的數(shù)字頻帶信號(hào)還原成數(shù)字基帶信號(hào) 。 調(diào)制就是用基帶信號(hào)去控制載波信號(hào)的某個(gè)或幾個(gè)參量的變化，將信息荷載在其上形成已調(diào)信號(hào)傳輸，目的是把要傳輸?shù)哪M信號(hào)或數(shù)字信號(hào)變換成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)，這就意味著把基帶信號(hào)（信源）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的代通信號(hào)。該信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。調(diào)制可以通過使高頻載波隨信號(hào)幅度的變化而改變載波的幅度、相位或者頻率來

9、實(shí)現(xiàn)。而解調(diào)是調(diào)制的反過程，通過具體的方法從已調(diào)信號(hào)的參量變化中將恢復(fù)原始的基帶信號(hào)。調(diào)制過程用于通信系統(tǒng)的發(fā)端。在接收端需將已調(diào)信號(hào)還原成要傳輸?shù)脑夹盘?hào)，也就是將基帶信號(hào)從載波中提取出來以便預(yù)定的接受者（信宿）處理和理解的過程。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、光纖的端面處理 為了使激光在輸出和輸出時(shí)有一理想狀態(tài)，如較高的耦合效率，均勻?qū)ΨQ的光 斑和模式。一般均需要對(duì)光纖的端面進(jìn)行處理。一般光纖端面的處理有兩種方法。 一 種是使用專用刀具進(jìn)行切割，另一種是研磨處理。本實(shí)驗(yàn)中，采取較為簡單的手工刀具切割，以使光纖表面較為平整。 （1） 用光纖剝皮鉗去光纖兩端的涂覆層，長約10mm （2） 在5mm處用光纖刻

10、刀劃一下，用力不要過大，以不使光纖斷裂為限； （3） 在刻劃處輕輕彎曲纖芯，使之?dāng)嗔眩?（4） 將光纖的一端放入光纖夾中，伸出長度約10mm，放入三維光纖架中； （5） 將光纖的另一端放入光纖座的刻槽中，伸出約10mm； 2、光纖的耦合和耦合效率 在本實(shí)驗(yàn)中光纖的耦合是指將激光從光纖端面輸入光纖，以使激光可沿著光纖進(jìn)行傳輸。在這里我們采用了一套有五個(gè)自由度的調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行光纖的耦合（半導(dǎo)體激光器被固定在一個(gè)二自由度的角度調(diào)整架上，光纖固定在一個(gè)三自由度的直線調(diào)整架上）。 首先，我們將經(jīng)過端面處理的光纖放入光纖夾中夾緊。然后裝入三維光纖調(diào)整架中固定。通過五個(gè)自由度反復(fù)、細(xì)致的調(diào)整，是經(jīng)過聚焦的激光

11、，焦點(diǎn)盡量準(zhǔn)確地、垂直地落在光線的端面上，以使盡量多的激光進(jìn)入光纖。由于激光的焦點(diǎn)和光纖的端面過于明亮、細(xì)小，因此我們無法用肉眼來判斷光纖的耦合狀況。因此，我們將從光纖的另 一端（輸出端）通過觀察輸出光的強(qiáng)弱（光功率）和光斑的情況來判定耦合的情況。當(dāng)我們將激光耦合進(jìn)光纖后，我們可以在輸入端后面的一段光纖壁上看到漏出來的一些激光（光纖成紅色），這是一些不滿足光纖全反射條件的光，從光纖壁上漏出來的結(jié)果。 我們也可以在光纖的任何一段通過強(qiáng)烈彎曲光纖的方法，通過觀察這種泄露情況。這是因?yàn)閺?qiáng)烈的彎曲破壞了該處光纖的軸方向，使一部分光線的全反射條件被破壞，激光從纖芯中泄露出來進(jìn)入了涂覆層中。光纖的彎曲會(huì)改變光纖中的光的傳輸模式、光強(qiáng)和偏振狀態(tài)。我們可以通過觀察輸出端的光斑來觀察這些現(xiàn)象。這也是光纖干擾的理論依據(jù)。 耦合效率反應(yīng)反映了進(jìn)