• 前者保证了优良的物理化学性能，而后者使工 艺方法极为灵活并有助于材料的“自提纯”， 保证了低损耗
光纤：新一代传输媒质
• 目前量产石英单模光纤的损耗已可降至 0.20dB/km(波长1.55μm)以下，实验室纪录更低 达0.151dB/km。
• 此外，石英基光纤的频带宽、色散低、抗拉强 度高、抗干扰性强、资源丰富等一系列特点使 之成为理想的新一代传输媒质。
• 新型光纤：掺铒光纤、色散补偿光纤、光子晶 体光纤…
集成光子学/集成光电子学
• 在很小的空间范围内，将具有多种功能 的导波光学器件、光电子器件和电子电 路集成在一起，以提高性能、降低成本
• 实现光信号的各种处理（开关、调制、 合波、分波、滤波、整形、交换等等）
光纤通信
• 70年代初的另一重要事件，是实现了半导体激 光器的室温连续运转。
•从近代科技发展史来看，一个重要事件是： 1880年贝尔继发明电话之后又发明了“光话”： 以日光为光源、大气为传输媒质，在200m内实 现了语音信号的传递。
贝尔电话系统
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上， 随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程 就是调制。
✓贝尔本人认为这是他一生中最重要发明，但由于可靠 的高强度光源和稳定的低损耗传输媒质均未解决而一 直未能实用
理论 • § 3-3光导纤维的场解 • § 3-4 光纤的模式理论 • § 3-5 单模光纤
• 第四章 导波光束的调制 • § 4-1 光波调制的一般概念 • § 4-2 晶体的电-光特性 • § 4-3 光波导的电-光调制 • § 4-4 定向耦合型调制器/开关 • 第五章 光波导中的传输损耗 • §5-1 损耗起因和损耗谱 • §5-2 本征吸收及瑞利散射损耗 • §5-3 杂质吸收 • §5-4 弯曲损耗 • §5-5 弯曲过渡损耗 • §5-6 连接损耗 • 第六章 信号沿线性光波导传输时的畸变 • §6-1 脉冲沿线性光波导传输时畸变的起
• 康宁玻璃公司1970年首先研制出衰耗 20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！
低损耗的基本思想
• （1）用纯石英为主体材料并掺杂氧化物等以 形成所需的折射率分布
• （2）采用气相沉积技术作为基本工艺，直到 今天仍是各种制造光纤方法（如改进的化学气 象沉积法MCVD、外气相沉积法OVD、轴向气 相沉积法VAD、等离子体化学气象沉积法 PCVD等）的核心。
•
1966 年 ， 高 锟 (C.K.Kao) 和 霍 克 哈 姆
(C.A.Hockham) 发 表 了 关 于 传 输 介 质 新 概 念 的 论 文
《用于光频的光纤表面波导》, 指明通过“原材料的
提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”
这一发展方向, 奠定了现代光通信——光纤通信的基
础。
Байду номын сангаас
1970年，光纤诞生！！
利用光进行通信的困难在于:
• 没有合适的光源，一般光源方向性和相 干性太差，类似于噪声，无法调制
• 没有合适的传输介质，由于光频极高， 透过障碍的能力很差。（必须通过低损 耗介质波导传输）
1960年梅曼发明了红宝石激光器
红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
激光器亮度高、谱线窄、方向性好，它的发 明和应用， 使沉睡了80年的光通信进入一个崭 新的阶段。
一、历史与现状
导波光学是研究波长范围大体为10-1～10μm的电 磁波在各种波导结构中传播特性的科学。
频率，Hz
101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015
ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
传输介质问题：
• 利用玻璃中的全反射原理传光早已为人熟知，并已 经用来在短距离（米级）内传光
• 园截面介质光波导中场分布模式的理论和实验研究 也由E.Snitzer等在1961年发表
• 但直到60年代中期，最好的光学玻璃的传输损耗仍 高达1000dB/km
• 意味着：
– 如果要在一公里长的光纤末端检测到一个波长为1μm的光子（其能 量为hv=6.625×10-34×3×1014~2×10-19J）,在其始端应输入的能 量为2×1081J,这将远远超过太阳系形成以来其全部辐射能量的总和
导波光学
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区域光纤与新型光通信系统国家重点实验室
教学大纲
主要内容（根据需要有所取舍）：
总学时：54 授课方式：讲课+自学
• 第一章 光导波理论的一般问题 • § 1-1 历史与现状 • § 1-2 导波光学的基本问题 • § 1-3光导波理论的基本研究方法 • 第二章 几何光学方法 • § 2-1射 线 方 程 • § 2-2一维限制光波导中的光线 • § 2-3二维限制光波导中的光线 • 第三章 波动光学方法 • § 3-1 基本方程 • § 3-2 平面及条型光波导场解与模式
频段 电力、电话 划分
传 输 介 质
无线电、电视
微波
AM无线电 FM无线电 卫星/微波 同轴电缆 双铰线
红外 可见光
光纤
光纤
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
自由空间波长，m
•利 用光传递信息的历史至少可以追溯到我国古 代的烽火台
• 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对 光通信的研究曾一度走入了低潮。
光纤的诞生
• 在似乎毫无希望的局面下，高锟等在 1996年发表了一篇被后来的历史证明为 具有划时代意的论文③，提出利用带有 包层材料的石英玻璃光学纤维，其损耗 可能低于20dB/km，从而可以用作通信媒 质。
高锟（左）1998年在英国 接受IEE授予的奖章
因及描述方法 • §6-2光纤的色散及其对系统的影响 • §6-3 光纤非线性及其对系统的影响
参考资料
➢ 《光波导理论与技术》李玉权等 人民邮电出版社 ➢ 《导波光学》 范崇澄 北京理工大学出版社 ➢ 《非线性光纤光学》，G. P. Agrawal,天津大学出
版社，
第一章： 光导波理论的一般问题