光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)

1、光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一1目 錄第1章 光纖通信概述第2章 光纖的物理學(xué)基礎(chǔ)第3章 光纖第4章 光源和光發(fā)射機第5章 光檢測器和光接收機第6章 光纖通信系統(tǒng)與工程第7章 SDH技術(shù)第8章 光放大和色散補償技術(shù)第9章 波分復(fù)用技術(shù)第10章 光纖通信的高新技術(shù)第2頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一22.1 光的本質(zhì) 2.2 光的反射、折射和全反射2.3 波動光學(xué)2.4 光的吸收、色散和散射2.5 激光原理 第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)本章內(nèi)容第3頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一32.1 光的本質(zhì)（

2、1）光線是直線傳播的 利用全反射性質(zhì)可以讓光線沿著管道傳播（2）光具有波動性 具有干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象 用電磁場理論解釋（3）光的量子性 具有吸收、色散和散射等現(xiàn)象 用量子力學(xué)理論解釋 一束光波就是一束光子流，光子不但具有能量E 和動量p ，還具有波長和頻率：光是電磁波，具有波動性和粒子性第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第4頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一42.1 光的本質(zhì)光電效應(yīng)1、每種金屬都有一個確定的截止頻率0，當(dāng)入射光的頻率低于0 時，不論入射光多強，照射時間多長，都不能從金屬中釋放出電子。2、對于頻率高于0的入射光，從金屬中釋放出的電子的最大動能與入射光的強度無

3、關(guān)，只與光的頻率有關(guān)。頻率越高釋放出的電子的動能就越大。3、對于頻率高于0的入射光，即使入射光非常微弱，照射后也能立即釋放出電子。第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第5頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一52.2 光的反射、折射和全反射當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，且入射角大于臨界角時，將發(fā)生光的全反射現(xiàn)象。第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第6頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一62.3 波動光學(xué)1、光的電磁理論1865年麥克斯韋在總結(jié)前人實驗的基礎(chǔ)上，得出麥克斯韋方程組(描寫電磁場分布變化規(guī)律的一組微分方程)，并預(yù)言電磁波的存在。電磁場理論指出光是一種電磁波。通

4、常所說的可見光的波長范圍在0.40.76m之間，而常用的光纖通信系統(tǒng)工作在近紅外區(qū)，波長為0.81.8m，對應(yīng)的頻率為167375THz。 第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第7頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一7真空中的電磁波具有以下性質(zhì)：(1)電磁波是橫波(2)E 和 H 同相位(3)E 和 H 幅值成正比(4)電磁波的傳播速度與光相同，表明光波也是一種電磁波(5)電磁場的能量和能流可以用能量密度和能流密度來描述 2.3 波動光學(xué)第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第8頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一82.3 波動光學(xué)2、光的干涉1）光的相干性光矢量：在光波

5、中，產(chǎn)生感光作用與生理作用的主要是電場強度E，所以電矢量E稱為光矢量。由頻率相同，振動方向相同，相位相同或相位差保持恒定的兩個相干波源所發(fā)出的波是相干波，在兩束相干波相遇的區(qū)域里，有些點振動始終加強，有些點的振動始終減弱或完全抵消，即產(chǎn)生干涉現(xiàn)象第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第9頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一92）獲得相干光的基本方法 將一光源上同一點發(fā)出的光波分成兩束，使它們經(jīng)過不同的傳播，然后在某一空間區(qū)域相遇，發(fā)生迭加。在此過程中，將每一個波列光都分成兩個頻率相同、震動方向相同、相位差恒定的波列，則這兩個波列就是相干光。通常用下列兩種方法獲得相干光： 分波振面法

6、分振幅法2.3 波動光學(xué)第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第10頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一102.3 波動光學(xué)3）光的干涉規(guī)律 如果兩束相干光都在同一媒質(zhì)（如空氣）中傳播，則兩束相干光之間的相位差完全由它們所經(jīng)過的幾何路程差r2 - r1來確定，即 如果光通過不同媒質(zhì)時，光波的波長將隨媒質(zhì)不同而變化，所以兩相干光之間的相位差就不能只由它們的幾何路程來決定。而由它們的光程差來決定。第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第11頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一112.3 波動光學(xué)3）光的干涉規(guī)律 幾何路程與光程的區(qū)別： 在經(jīng)典光學(xué)理論中：光的幾何路程是由光所經(jīng)過

7、的光學(xué)器件的距離決定的， 而光程是由光的幾何路程和光所經(jīng)過的介質(zhì)特性(折射率)決定的。第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第12頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一12 光程與光程差 兩束光波在媒質(zhì)中傳播時其相位差為 則 nr 叫做光程。相當(dāng)于把光在不同媒質(zhì)中的傳播都折算成光在真空中傳播。 當(dāng)兩束相干光在不同媒質(zhì)傳播時，對干涉加強(亮紋)和減弱(暗紋)條件起決定作用不是這兩束光的幾何路程差，而是光程差。且滿足如下規(guī)律： （干涉加強）（干涉減弱）第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第13頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一13光的干涉應(yīng)用 薄膜干涉原理在鍍膜技術(shù)中的應(yīng)用主

8、要有4個方面：1、是利用薄膜反射時，使某些波長的光因干涉而減弱，以增加透射光的強度，這種薄膜稱為增透膜。2、是利用薄膜表面反射時，使某些波長的光因干涉而加強，以減少透射光的強度，這種薄膜稱為增反膜。3、用于制作激光器的諧振腔。4、制作高分辨率的光譜儀器用于分析光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)。第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第14頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一141）光的衍射現(xiàn)象 光波能繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫光的衍射。當(dāng)障礙物的線度和光的波長可以相比時就會發(fā)生光的衍射現(xiàn)象。 利用光的衍射現(xiàn)象可以制作光網(wǎng)絡(luò)中的光學(xué)器件，例如分光器、波分復(fù)用器、波分解復(fù)用器等。2.3 波動光學(xué)2、光的衍

9、射第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第15頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一154、光的偏振 光的干涉和衍射現(xiàn)象揭示了光的波動性，但并不能確定光是橫波還是縱波，光的偏振現(xiàn)象清楚地證明了光是橫波。2.3 波動光學(xué)第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第16頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一162.3 波動光學(xué) 光的偏振現(xiàn)象 線偏振光 光矢量只沿一個固定的方向振動的光 自然光 平均來看，光矢量對于光的傳播方向呈軸對稱均勻分布，沒有任何一個方位更占優(yōu)勢，這種光稱為自然光。 部分偏振光 自然光在傳播過程中，由于外界的某種作用，造成各個振動方向上的強度不等，使某一方向的振動比

10、其他方向占優(yōu)勢，這種光叫作部分偏振光。 4、光的偏振第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第17頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一172.3 波動光學(xué) 起偏和檢偏 從自然光獲得偏振光的過程叫起偏。 偏振片允許通過的光振動方向，稱作偏振化方向，也 叫透光軸。 檢驗偏振光的過程，稱為檢偏。 利用偏振片可以起偏和檢偏4、光的偏振第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第18頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一18馬呂斯定律自然光入射到偏振片上，透射光滿足馬呂斯定律： I=I0 cos2 式中：=0 時，I=I0 ，透射光強最大； =/2 時，I=I0 ，透射光強為零； 0 N2

11、這時受激吸收 受激輻射 無光放大要獲得光放大，就必須有高能級粒子數(shù)N2大于低能級粒子數(shù)N1的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 要想光放大必須： 受激輻射 受激吸收 即 N2 N1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2.5 激光原理第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第28頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一282 激活物2.5 激光原理增益系數(shù) G： 處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)稱為激活物質(zhì)，又叫增益物質(zhì)。 用增益系數(shù) G 表示 是光波波長， 是光頻寬度，n 是增益物質(zhì)的折射率，2 是高能級 E2 上的粒子壽命，N 是兩能級上的粒子反轉(zhuǎn)分布濃度即N2 N1第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第29頁，共40頁，2022

12、年，5月20日，4點59分，星期一292 激活物 因此，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。 而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須具備下述兩個條件： 要有激活介質(zhì)或增益介質(zhì)（光放大）。 要有激勵或稱為泵浦。 （從外界輸入能量）2.5 激光原理第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第30頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一303 光學(xué)諧振腔 增益物質(zhì)（激活物）只能使光得到放大，要形成激光振蕩還必須要有光學(xué)諧振腔。 因為在其激勵下的受激輻射是隨機的，所輻射的光的相位、頻率、和方向是互不相關(guān)的。激光必須是全同光子（同頻率、同相位、同方向）。2.5 激光原理第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第31頁，共40頁，

13、2022年，5月20日，4點59分，星期一313 光學(xué)諧振腔a：輻射光平行于諧振腔軸線。b：輻射光往返一次的相位差等于 2 的整數(shù)倍。即： L激光輸出部分反射鏡反射鏡ZM1r1M2r1諧振腔長度 振蕩過程 諧振條件根據(jù)折射率 n 的定義（nC/v）和 物理學(xué)中 v / f 的關(guān)系 有所以有：當(dāng)滿足上式時，即可在腔中形成諧振m為整數(shù)，m是與m相對應(yīng)的諧振腔中的光波長n0m為諧振腔輸出至空氣中的光的諧振波長第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第32頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一323 光學(xué)諧振腔 閾值條件 激光器能產(chǎn)生振蕩的最低限度稱為激光器的閾值 閾值條件為 di是除反射鏡透射

14、損耗以外的其它所有損耗所引起的衰減系數(shù)；L是諧振腔的長度；r1、r2 是反射鏡M1、M2的反射系數(shù)。 閾值大小決定于光學(xué)諧振腔內(nèi)的固有損耗，損耗越小，閾值條件越低，激光器就越容易起振。第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第33頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一33光學(xué)諧振腔 選頻作用 光學(xué)諧振腔還具有選頻作用，因為要產(chǎn)生激光就必須選擇傳播方向和頻率一定的某一光信號優(yōu)先放大，將其他方向和頻率的光抑制掉。 第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第34頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一34產(chǎn)生激光的條件綜上所述要能產(chǎn)生激光，必須具備以下三個條件1）激光工作物質(zhì)2）激勵源3)

15、 光學(xué)諧振腔第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第35頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一354激光的模式 輸出激光的影響因素有： 光學(xué)諧振腔的腔長L的影響 光學(xué)諧振腔反射鏡的大小和形狀的影響 分別稱為縱模特性和橫模特性。 (1) 縱模特性 原子從高能級躍遷到低能級產(chǎn)生輻射時，由于躍遷的能級不同，粒子碰撞時間的隨機性，所發(fā)出的普線總有一定的寬度，既有一定的頻率范圍，稱為頻寬。頻寬越小，單色性越好。激光就有很好的單色性。第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第36頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一364激光的模式 激光的單色性來自于腔內(nèi)形成的穩(wěn)定駐波，在激光諧振腔內(nèi)，每一

16、個諧振頻率對應(yīng)一個駐波模式，也就對應(yīng)著沿縱向傳播的一種振蕩模式。這種縱向振蕩模式稱為縱模。 (1) 縱模特性第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第37頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一374激光的模式 縱模實際上是諧振腔所允許的光場縱向穩(wěn)定分布的模式。諧振腔內(nèi)工作物質(zhì)受激輻射的普線有一定的頻寬，每一縱模普線也有一定的頻寬，相鄰兩個縱模的頻率差稱為縱模間隔，普線頻寬與縱模間隔的比值就是縱模個數(shù)。(1) 縱模特性第2章 光纖通信的物理學(xué)基礎(chǔ)第38頁，共40頁，2022年，5月20日，4點59分，星期一384激光的模式 輸出多個縱模的激光器稱為多縱模激光器，能產(chǎn)生單個縱模的激光器稱為單縱模激光器。 縱模數(shù)越少，單色性就越好，單縱模激光器是理想的光源。(1) 縱