第二章光纤通信的物理学基础

1光纤通信简明教程总学时数40周学时4光纤通信原理)(m85.03.155.1197519761980损耗kmdB/2.020全面表达光纤损耗特性197020dB/km现0.2dB/km袁国良李元元编著主要参考书方强《光纤通信》西安电子科技大学出版社孙学康《光纤通信技术》北京邮电大学出版社2目录第1章光纤通信概述第2章光纤的物理学基础第3章光纤第4章光源和光发射机第5章光检测器和光接收机第6章光纤通信系统与工程第7章SDH技术第8章光放大和色散补偿技术第9章波分复用技术第10章光纤通信的高新技术32.1光的本质2.2光的反射、折射和全反射2.3波动光学2.4光的吸收、色散和散射2.5激光原理第2章光纤通信的物理学基础本章内容42.1光的本质（1）光线是直线传播的利用全反射性质可以让光线沿着管道传播（2）光具有波动性具有干涉、衍射和偏振等现象用电磁场理论解释（3）光的量子性具有吸收、色散和散射等现象用量子力学理论解释一束光波就是一束光子流，光子不但具有能量E和动量p，还具有波长λ和频率ν：hE光是电磁波，具有波动性和粒子性/hp第2章光纤通信的物理学基础52.1光的本质光电效应1、每种金属都有一个确定的截止频率γ0，当入射光的频率低于γ0时，不论入射光多强，照射时间多长，都不能从金属中释放出电子。2、对于频率高于γ0的入射光，从金属中释放出的电子的最大动能与入射光的强度无关，只与光的频率有关。频率越高释放出的电子的动能就越大。3、对于频率高于γ0的入射光，即使入射光非常微弱，照射后也能立即释放出电子。第2章光纤通信的物理学基础62.2光的反射、折射和全反射当光从光密介质射入光疏介质时，且入射角大于临界角时，将发生光的全反射现象。第2章光纤通信的物理学基础72.3波动光学1、光的电磁理论•1865年麦克斯韦在总结前人实验的基础上，得出麦克斯韦方程组(描写电磁场分布变化规律的一组微分方程)，并预言电磁波的存在。•电磁场理论指出光是一种电磁波。•通常所说的可见光的波长范围在0.4～0.76μm之间，而常用的光纤通信系统工作在近红外区，波长为0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。第2章光纤通信的物理学基础8真空中的电磁波具有以下性质：(1)电磁波是横波(2)E和H(3)E和H(4)电磁波的传播速度与光相同，表明光波也是一种电磁波(5)电磁场的能量和能流可以用能量密度和能流密度来描述2.3波动光学第2章光纤通信的物理学基础92.3波动光学2、光的干涉1）光的相干性光矢量：在光波中，产生感光作用与生理作用的主要是电场强度E，所以电矢量E称为光矢量。由频率相同，振动方向相同，相位相同或相位差保持恒定的两个相干波源所发出的波是相干波，在两束相干波相遇的区域里，有些点振动始终加强，有些点的振动始终减弱或完全抵消，即产生干涉现象第2章光纤通信的物理学基础102）获得相干光的基本方法将一光源上同一点发出的光波分成两束，使它们经过不同的传播，然后在某一空间区域相遇，发生迭加。在此过程中，将每一个波列光都分成两个频率相同、震动方向相同、相位差恒定的波列，则这两个波列就是相干光。通常用下列两种方法获得相干光：①分波振面法②分振幅法2.3波动光学第2章光纤通信的物理学基础112.3波动光学3）光的干涉规律如果两束相干光都在同一媒质（如空气）中传播，则两束相干光之间的相位差完全由它们所经过的几何路程差r2-r1来确定，即如果光通过不同媒质时，光波的波长将随媒质不同而变化，所以两相干光之间的相位差就不能只由它们的几何路程来决定。而由它们的光程差来决定。)(212rr第2章光纤通信的物理学基础122.3波动光学3）光的干涉规律几何路程与光程的区别：在经典光学理论中：光的几何路程是由光所经过的光学器件的距离决定的，而光程是由光的几何路程和光所经过的介质特性(折射率)决定的。第2章光纤通信的物理学基础13光程与光程差两束光波在媒质中传播时其相位差为则nr叫做光程。相当于把光在不同媒质中的传播都折算成光在真空中传播。当两束相干光在不同媒质传播时，对干涉加强(亮纹)和减弱(暗纹)条件起决定作用不是这两束光的几何路程差，而是光程差δ。且满足如下规律：nr2,...3,2,1)(,...3,2,121kkkk（干涉加强）（干涉减弱）第2章光纤通信的物理学基础14光的干涉应用薄膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有4个方面：1、是利用薄膜反射时，使某些波长的光因干涉而减弱，以增加透射光的强度，这种薄膜称为增透膜。2、是利用薄膜表面反射时，使某些波长的光因干涉而加强，以减少透射光的强度，这种薄膜称为增反膜。3、用于制作激光器的谐振腔。4、制作高分辨率的光谱仪器用于分析光谱线的精细结构。第2章光纤通信的物理学基础151）光的衍射现象光波能绕过障碍物继续传播的现象叫光的衍射。当障碍物的线度和光的波长可以相比时就会发生光的衍射现象。利用光的衍射现象可以制作光网络中的光学器件，例如分光器、波分复用器、波分解复用器等。2.3波动光学2、光的衍射第2章光纤通信的物理学基础164、光的偏振光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，但并不能确定光是横波还是纵波，光的偏振现象清楚地证明了光是横波。2.3波动光学第2章光纤通信的物理学基础172.3波动光学①光的偏振现象线偏振光光矢量只沿一个固定的方向振动的光自然光平均来看，光矢量对于光的传播方向呈轴对称均匀分布，没有任何一个方位更占优势，这种光称为自然光。部分偏振光自然光在传播过程中，由于外界的某种作用，造成各个振动方向上的强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光叫作部分偏振光。4、光的偏振第2章光纤通信的物理学基础182.3波动光学②起偏和检偏从自然光获得偏振光的过程叫起偏。偏振片允许通过的光振动方向，称作偏振化方向，也叫透光轴。检验偏振光的过程，称为检偏。利用偏振片可以起偏和检偏4、光的偏振第2章光纤通信的物理学基础19③马吕斯定律自然光入射到偏振片上，透射光满足马吕斯定律：I=I0cos2α式中：α=0时，I=I0，透射光强最大；α=π/2时，I=I0，透射光强为零；0απ/2时，透射光强介于0和I0之间。利用马吕斯定律可以解释检偏的过程。2.3波动光学4、光的偏振第2章光纤通信的物理学基础20④反射起偏.布儒斯特定律自然光入射在两种各向同性介质的分界面上时，反射光和折射光都成为部分偏振光。反射光的偏振化程度与入射角有关。当入射角（自然光）等于某一特定值时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光，这个特定的入射角叫做起偏振角，称为布儒斯特角。其反射光和折射光的传播方向相互垂直。即0i2.3波动光学0i0090ri21120tannnni4、光的偏振第2章光纤通信的物理学基础21⑤光在两种各向同性的媒质的分界面上折射时，只有一束折射光线。但是，当一束自然光进入各向异性晶体时，例如光线进入方解石晶体后，会分裂成为两束折射光线，它们沿不同方向折射，称为双折射现象。2.3波动光学4、光的偏振第2章光纤通信的物理学基础222.4光的吸收、色散和散射光的吸收、色散、散射都是光波与物质的相互作用过程。要用量子力学解释1(1)吸收的线性规律光的吸收是指光波通过介质后，光强减弱现象。吸收的线性规律为：称为布格尔定律当光的强度不大时，光的吸收线性规律很精确，但是光的强度很大时（特别是激光），出现了光与物质的非线性相互作用过程，此时吸收系数α依赖于光的强度。zeII0第2章光纤通信的物理学基础23(2)光的吸收与波长的关系物质对某些波长的光的吸收特别强烈，即吸收系数α随λ的改变而急剧变化，就称为选择吸收。在无线通信中，就要考虑大气对电磁波的吸收问题。光纤对可见光和紫外线具有强烈的选择吸收性，但对于近红外“窗口”是透明的，所以我们选择0.8-1.8μm的波长进行光纤通信。2.4光的吸收、色散和散射第2章光纤通信的物理学基础242(1)色散的概念色散是介质的折射率n随光波波长λ变化的现象(2)正常色散介质的折射率n是随波长λ的增加而减小的色散叫正常色散。(3)反常色散反常色散是介质的折射率n随着波长λ的增加而增加，与正常色散正好相反。)(fn2.4光的吸收、色散和散射第2章光纤通信的物理学基础253散射(1)当光通过不均匀介质时，会偏离原来的方向而向四周传播，这种现象称为光的散射。(2)线性散射散射光的频率等于入射光的频率，散射光中没有新频率的光产生，这类散射称为线性散射。(3)非线性散射散射光中除了入射光的频率或谱线之外，还有新频率的光或新谱线产生，这类散射称为非线性散射。拉曼散射和布里渊散都属于非线性散射。2.4光的吸收、色散和散射第2章光纤通信的物理学基础262.5激光原理光波光子光是电磁波－具有确定的波波光是粒子－由光粒子构成长和频率（具有波动性）。光子流（具有吸收和辐射的粒子特性）。古典物理量子物理光具有波粒二象性一个光子的能量E与光波频率f的关系是E＝hfh＝6.626×10-34J·S（焦耳·秒）称为普朗克常数波粒二象性是同一客观物质－－光在不同场合下表现出来的两种同样真实的属性。当光在空间传播时主要表现出其波动性；而当光与物质相互作用时，光的行为又表现出粒子性。激发态能量基态能级图第2章光纤通信的物理学基础272.5激光原理1自发辐射、受激辐射和受激吸收光和物质的相互作用有三个主要过程：①：无外界激发，自发产生。①：在外界激发下产生。①：频率、相位、②：辐射的光子是多频率的。②：外界激发能量要满足偏振方向相同。③：辐射的方向、相位不同。hf＝E2－E1②：相干光③：非相干光③：光放大f＝（E2－E1)/hE2E1光光光光受激吸收PIN自发辐射LED受激辐射LD第2章光纤通信的物理学基础282激活物（光的放大）激光是通过受激辐射来实现光的放大。在热平衡条件下，电子在各能级上的分布遵循费米能级统计规律，即低能级上的电子数多（N1），高能级上的电子数少（N2）。正常状态N1N2这时受激吸收受激辐射无光放大要获得光放大，就必须有高能级粒子数N2大于低能级粒子数N1的分布，称为粒子数反转分布。要想光放大必须：受激辐射受激吸收即N2N1粒子数反转2.5激光原理第2章光纤通信的物理学基础292激活物2.5激光原理增益系数G：处于粒子数反转分布的工作物质称为激活物质，又叫增益物质。用增益系数G表示λ是光波波长，Δƒ是光频宽度，n是增益物质的折射率，τ2是高能级E2上的粒子寿命，ΔN是两能级上的粒子反转分布浓度即N2－N1NfnG228第2章光纤通信的物理学基础302激活物因此，实现粒子数反转是产生激光的必要条件。而形成粒子数反转，必须具备下述两个条件：要有激活介质或增益介质（光放大）。要有激励或称为泵浦。（从外界输入能量）2.5激光原理第2章光纤通信的物理学基础313光学谐振腔增益物质（激活物）只能使光得到放大，要形成激光振荡还必须要有光学谐振腔。因为在其激励下的受激辐射是随机的，所辐射的光的相位、频率、和方向是互不相关的。激光必须是全同光子（同频率、同相位、同方向）。2.5激光原理第2章光纤通信的物理学基础323光学谐振腔a：辐射光平行于谐振腔轴线。b：辐射光往返一次的相位差等于2π的整数倍。即：L激光输出部分反射镜反射镜ZM1r＝1M2r1谐振腔长度mLm2mmmmmmffvCn000mnLnmm20nLCmCfmm200①振荡过程②谐振条件根据折射率n的定义（n＝C/v）和物理学中λ＝v/f的关系有所以有：当满足上式时，即可在腔中形成谐振m为整数，λm是与m相对应的谐振腔中的光波长nλ0m为谐振腔输出至空气中的光的谐振波长第2章光纤通信的物理学基础333光学谐振腔③阈值条件激光器能产生振荡的最低限度称为激光器的阈值阈值条件为di是除反射镜透射损耗以外的其它所有损耗所引起的衰减系数；L是谐振腔的长度；r1、r2是反射镜M1、M2的反射系数。阈值大小决定于光学谐振腔内的固有损耗，损耗越小，阈值条件越低，激