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光纖技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN:9787030173560
- 條形碼:9787030173560 ; 978-7-03-017356-0
- 裝幀:暫無
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>>
光纖技術(shù) 內(nèi)容簡介
《光纖技術(shù)》對光纖技術(shù)進(jìn)行了全面的科學(xué)總結(jié)和歸納。第1章回顧了光纖技術(shù)、光纖通信與光纖傳感技術(shù)的發(fā)展過程和趨勢;第2章介紹了光纖光纜的一些基本特性以及現(xiàn)在工廠中常用的一些成纜方法;第3章從幾何光學(xué)和模式理論的角度闡述了光纖的傳輸理論;第4章在傳輸理論的基礎(chǔ)上介紹了新型光纖及其基本傳輸特性;第5、6章分別介紹了基于光纖的常用無源和有源光纖器件的基本原理;第7章介紹了光纖傳感器的類別、傳感原理、復(fù)用原理以及解調(diào)原理等,此外還介紹了幾種常用的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的原理;第8章介紹了光通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和幾種比較前沿的光纖通信技術(shù)。
光纖技術(shù) 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 歷史回顧 1
1.2 光纖技術(shù)基礎(chǔ) 4
1.3 光纖與通信網(wǎng)絡(luò) 6
1.4 光纖與傳感技術(shù) 9
1.5 光纖技術(shù)的發(fā)展 13
1.6 小結(jié) 19
思考與練習(xí) 20
參考文獻(xiàn) 20
第2章 光纖拉制及成纜 22
2.1 光纖的分類 22
2.2 光纖材料 23
2.3 光纖的拉制 26
2.4 光纖成纜技術(shù) 34
2.5 小結(jié) 49
思考與練習(xí) 50
參考文獻(xiàn) 50
第3章 光纖傳輸理論 51
3.1 基本結(jié)構(gòu) 51
3.2 光線理論 52
3.3 模式理論 59
3.4 單模光纖中的偏振現(xiàn)象 71
3.5 光在非正規(guī)光波導(dǎo)中的傳輸 80
3.6 小結(jié) 86
思考與練習(xí) 86
參考文獻(xiàn) 86
第4章 新型光纖和光纖的基本特性 88
4.1 不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的石英光纖 88
4.2 其他材料光纖 95
4.3 光纖的傳輸特性 103
4.4 小結(jié) 125
思考與練習(xí) 126
參考文獻(xiàn) 127
第5章 光無源器件 129
5.1 光纖連接器 129
5.2 光纖耦合器 132
5.3 光隔離器 138
5.4 光環(huán)行器 146
5.5 光纖光柵 151
5.6 光學(xué)濾波器 162
5.7 光開關(guān) 167
5.8 光波分復(fù)用器件 172
5.9 小結(jié) 176
思考與練習(xí) 176
參考文獻(xiàn) 178
第6章 光有源器件 180
6.1 光調(diào)制器 180
6.2 光源 184
6.3 光探測器 201
6.4 光放大器 205
6.5 小結(jié) 220
思考與練習(xí) 221
參考文獻(xiàn) 221
第7章 光纖傳感技術(shù) 223
7.1 引言 223
7.2 光纖法珀傳感器 234
7.3 光纖白光干涉?zhèn)鞲衅?251
7.4 光纖光柵傳感器 258
7.5 光纖陀螺傳感器 268
7.6 其他類型光纖傳感器 276
7.7 小結(jié) 279
思考與練習(xí) 279
參考文獻(xiàn) 280
第8章 光纖通信技術(shù) 281
8.1 光纖通信系統(tǒng)概述 281
8.2 光復(fù)用技術(shù) 286
8.3 相干光通信 304
8.4 光孤子通信技術(shù) 309
8.5 全光通信網(wǎng) 318
8.6 小結(jié) 324
思考與練習(xí) 324
參考文獻(xiàn) 324
光纖技術(shù) 節(jié)選
第1章 緒論 20世紀(jì)后幾十年,以光纖通信為代表的信息技術(shù)在信息領(lǐng)域內(nèi)掀起了一場波瀾壯闊的革命,極大地推動了人類向信息社會邁進(jìn)的步伐。在這場革命中,半導(dǎo)體激光器、光導(dǎo)纖維(俗稱光纖)以及摻鉺光纖放大器的研制成功極大地推動了光通信的實用化,它們在光通信的發(fā)展歷史上具有里程碑的意義。其中以光纖作為基礎(chǔ)的各種技術(shù)發(fā)展尤為迅速。 本書將系統(tǒng)地向讀者展示基于光纖的各種技術(shù)。本章介紹光纖技術(shù)的發(fā)展歷程以及光纖與通信和傳感的關(guān)系,從而揭示光纖在這兩大領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用;第2~4章介紹光纖的成纜技術(shù)、基本特性及基本傳輸理論;第5、6章介紹基于光纖的各種有源和無源器件的基本原理、結(jié)構(gòu)及簡單應(yīng)用;第7、8章詳細(xì)介紹光纖傳感與光纖通信方面的應(yīng)用技術(shù)等,希望能給讀者提供一幅比較完整的光纖技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖。 1.1 歷史回顧 在很久以前,人類就開始用火(實質(zhì)是利用光)來發(fā)送消息。例如,在古代以色列,人們用火來表明一個月的開始;在中世紀(jì)早期,俄羅斯士兵用點火通報敵情;我國古代在長城上修建烽火臺,通過施放狼煙通報敵人入侵等?梢姡藗儚倪h(yuǎn)古時代就以*原始的方式試圖使用光在兩個較遠(yuǎn)的地點間發(fā)送某種信息。因為光的可見性和易于使用,這種傳送消息(通信)的方式變得非常實用,但有限的傳輸距離和傳輸信息量使得這種原始通信方式難以得到廣泛的應(yīng)用。 20世紀(jì)60年代早期激光的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了科學(xué)家和工程師對光通信的研究興趣,但是在空氣中進(jìn)行若干次實驗嘗試后,由于空氣中水分對激光的吸收以及惡劣氣候的影響,激光傳輸距離有限,仍然不能商業(yè)應(yīng)用。很顯然,人們必須找尋另外一種傳輸光信號的媒介或管道,只有有了這種傳輸光的管道才能使光通信變得實用。 在未找到光傳輸?shù)墓艿酪郧,科學(xué)家和工程師先是從提高信號載波的頻率入手進(jìn)行研究,*后發(fā)現(xiàn)從無線電頻率到微波的轉(zhuǎn)移可以數(shù)十倍地提高一個給定系統(tǒng)的信息運載能力,但是,在信號載波超過100GHz后,微波與紅外區(qū)域相重疊,這時空氣中的微波衰減達(dá)到相當(dāng)高的程度,以至于它只能在非常短的距離間傳輸,很顯然,這樣的系統(tǒng)仍然不能商業(yè)應(yīng)用。 隨后人們開始使用一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來傳輸超高頻(ultra high frequency,UHF)電磁波,這些波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是一種橫截面頗似矩形、兩端開口的鋼制管。在20世紀(jì)60年代后期和70 年代早期,貝爾實驗室的研究人員設(shè)計并制作出了每單元擁有238000個語音信道的波導(dǎo)裝置,盡管這些新的波導(dǎo)設(shè)備將原先矩形的橫截面重新設(shè)計成了圓形,但它們?nèi)允悄欠N舊式的內(nèi)徑為幾厘米的兩端開口的鋼管,從價格、安裝、維護(hù)等一些實用觀點來看,它們?nèi)允鞘值托У,所以這種波導(dǎo)裝置仍然不能大規(guī)模應(yīng)用。 接下來,研究人員將載波頻率提高到光波的頻率范圍,即是將通信鏈路的發(fā)展推向了光傳輸這個人類通信史上非常重大的技術(shù)發(fā)展階段。 當(dāng)將載波頻率提高到光波的頻率范圍時,如何對光進(jìn)行導(dǎo)向呢、首先,需要開發(fā)一種實用的導(dǎo)向設(shè)備,它可以用像銅線傳導(dǎo)電流那樣的方式對光進(jìn)行傳輸,這也就意味著要發(fā)展一種靈活且易于安裝與維護(hù)的導(dǎo)向設(shè)備。相比于鋼制波導(dǎo)管,靈活必須是這種潛在導(dǎo)向設(shè)備的關(guān)鍵特征。于是研究人員開始考慮光纖——一種由玻璃或塑料制成的透明易彎的長纖維,并且根據(jù)斯涅耳定律(反射定律),借助于使用全內(nèi)反射可以使光能在光纖內(nèi)部傳輸。 1870年,英國物理學(xué)家Joan Tyndall驗證了光可以在一個彎曲的水流中傳播。這就證明了全內(nèi)反射現(xiàn)象的存在。但是,直到1951年,研究人員才設(shè)計出**個光導(dǎo)纖維鏡(fiberscope),它可以用于傳輸人體內(nèi)部器官的圖像。1953年,在倫敦皇家科學(xué)技術(shù)學(xué)院工作的Narinder Kapany開發(fā)出了用不同光學(xué)玻璃作芯和包層的包層纖維,這也就誕生了今天所用光纖的結(jié)構(gòu),“光纖”這個名詞就是Kapany給出的。但是如果光纖要成為光導(dǎo)設(shè)備——基本特征是要能長距離傳輸,這就有一個新的問題需要解決,即光衰減(隨著光的傳輸,光的能量減小的現(xiàn)象)。那就是說,當(dāng)光通過長距離從輸入端傳輸?shù)捷敵龆藭r,在輸出端輸出的能量一定不能小于接收端探測器能探測的*小光強(qiáng)。 1966年,華裔科學(xué)家高錕(Charles Kao)博士在英國發(fā)表了一篇具有里程碑意義的論文“用于光頻率的絕緣纖維表面波導(dǎo)管”,這篇論文被認(rèn)為是打開通往光纖技術(shù)大門的鑰匙。高錕博士針對當(dāng)時玻璃纖維傳輸損耗高達(dá)1000dB/km 的情況指出:“這樣大的傳輸損耗不是石英玻璃光纖本身固有的基本特性,而是由于材料中帶有雜質(zhì),如含有過渡金屬離子產(chǎn)生的。材料本身的損耗是由瑞利散射決定的,它隨波長的四次方而下降,其損耗是很低的。因此,有可能制造出適用于長距離通信的低損耗光纖。如果把材料中金屬離子含量的質(zhì)量比降低到10-6以下,則可使光纖的傳輸損耗下降到10dB/km 以下,再通過改進(jìn)拉絲工藝的熱處理來提高材料的均勻性,就可以把損耗降至每千米幾分貝以下。” 高錕博士的工作是光纖通信領(lǐng)域中的一個真正的突破,因為他明確地指出,要解決的主要技術(shù)問題是突破以往普通玻璃光纖在損耗方面的局限。一旦問題清楚了,接下來的任務(wù)就是如何制造具有低衰減的光纖。1970 年,康寧公司(Corning Glass Corporation)的Rober Maurer、Donald Keck和Peter Schultz根據(jù)高錕博士的思想,采用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝**個制出衰減少于20dB/km 的光纖,與同軸電纜5~10dB/km 的損耗相比,還不能說是優(yōu)秀的指標(biāo),但已是通信工程師可以接受的損耗,成為世界上公認(rèn)的**根通信用光導(dǎo)纖維。與此同時,以半導(dǎo)體砷化鎵為基體的新一代激光二極管、發(fā)光二極管以及光探測器等器件也有突破性進(jìn)展。它們的尺寸及光點大小均同光導(dǎo)纖維較為配合。尤其令人驚奇的是,這種光源發(fā)射的光波波長在0.8~0.9μm,而二氧化硅材料光導(dǎo)纖維的**個低損耗窗口也正好落在0.85μm 附近。兩方面的研究都有急速進(jìn)展。*初半導(dǎo)體激光二極管工作壽命極短,僅數(shù)小時,并且要在低溫環(huán)境中工作。到1973年,已取得在室溫30℃連續(xù)工作1000h的好結(jié)果,1977年達(dá)到7000h。同時光纖的損耗也大幅度下降,1976年在0.85μm 窗口達(dá)到1.6dB/km,已經(jīng)是同軸電纜所望塵莫及的,光纖通信開始了工業(yè)化生產(chǎn)及商業(yè)化應(yīng)用的新時期。1977 年在美國芝加哥城的兩個電話局間開通了世界上**條商用光纖通信系統(tǒng)。自那時以后,技術(shù)又有很多新發(fā)展。首先是開發(fā)了損耗更低、色散量小的1.31μm 波長,該波長處光纖的損耗降到0.5dB/km 左右。由于二氧化硅的材料色散同光纖的波導(dǎo)色散在1.31μm 處幾乎抵消,該波長又稱零色散波長。在半導(dǎo)體激光器方面,研究成功InGaAsP/InP材料的長波長器件同1.31μm 窗口相配合,從而使1.31μm 成為長途干線光纖通信的主角。近幾年來,在1.55μm 波長處的研究又非;钴S。一個原因是二氧化硅材料系的光纖在1.55μm 處具有*低損耗,可以達(dá)到0.2dB/km,但可惜的是該點的色散較嚴(yán)重,限制應(yīng)用帶寬。為此,大量研究工作投入到所謂色散位移光纖,即改變普通單模的結(jié)構(gòu),使其零色散點由1.31μm 移到1.55μm,以獲得色散及損耗均*低的理想情況。這方面的研究以及與之配合的半導(dǎo)體激光器、探測器等器件均已成功。1.55μm 波段研究工作活躍的另一個原因是近幾年摻鉺光纖放大器異軍突起。用稀土元素鉺摻雜的光纖,在1.48μm 或0.98μm 波長的較強(qiáng)激光功率泵浦下,通過受激輻射可以將1.55μm 的信號放大,做成在線光放大器,使長途干線光纖系統(tǒng)的設(shè)計大為改進(jìn)。目前供使用的摻雜光纖放大器工作在1.55μm。 至20世紀(jì)80年代初,世界各地開通的光纖通信線路已達(dá)上千條。除用作電話通信外,也用于數(shù)據(jù)傳輸、閉路電視、工業(yè)控制與監(jiān)測,以及軍事。1988年,**條跨越大西洋海底,連接美國東海岸同歐洲大陸的光纜開通。1989 年4 月,從美國西海岸經(jīng)夏威夷及關(guān)島,連接日本及菲律賓的跨太平洋海底光纜開通服務(wù)。*近又有第三條跨大西洋海底光纜要投入使用。這些都是耗資若干億美元的浩大通信工程。在陸地上的推廣應(yīng)用更是日新月異。工業(yè)發(fā)達(dá)國家及我國均已宣布:干線大容量通信線路不再新建同軸電纜,而全部鋪設(shè)光纜。我國光纖通信起步不晚,但由于有各種限制因素,直到20世紀(jì)80年代中期才開始在推廣應(yīng)用及工業(yè)基礎(chǔ)方面取得長足進(jìn)步。干線系統(tǒng)中比較著名的有南沿海工程、滬寧漢干線、蕪湖至九江(含過長江的水下光纜)、京漢廣等,短距離的系統(tǒng)更是不計其數(shù)。在武漢、上海、西安、北京、天津等地建立了幾家規(guī)模較大、水平較高的光纖、光纜制造廠,另外還有一批與之配套的光電子器件的工廠及研究所,為光纖通信在我國廣泛推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。到2001年底全國鋪設(shè)光纜總長度已達(dá)149.5萬公里,其中長途干線光纜33.5萬多公里,本地中繼網(wǎng)光纜線路75.5萬多公里,接入網(wǎng)光纜線路37萬多公里。到2002年3月,我國“八橫八縱”格狀國家光通信骨干網(wǎng)也已基本建成。近兩年來,我國鋪設(shè)光纜的方向已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向城域網(wǎng)等局部性網(wǎng)絡(luò),隨著光通信的發(fā)展,我國數(shù)據(jù)傳輸速度和質(zhì)量將進(jìn)一步得到改善和提高。 1.2 光纖技術(shù)基礎(chǔ) 雖然透鏡可以彎曲光束,反射鏡可以偏轉(zhuǎn)光束,但實際上光束在光學(xué)儀器之間仍然是沿直線傳播的,光的直線傳播特性保證了照相機(jī)、人的雙眼、望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等結(jié)構(gòu)能正確成像。有時候,我們更希望讓光線繞過物體,就可以知道物體之后或者直視觀察不到的地方有什么東西,也就可以將光線從一個地方傳輸?shù)搅硪粋地方,通過這種方式光就可以用來通信、觀察、照明等,這就是光纖技術(shù)研究的范疇了。下面我們先來了解一些光纖方面的基礎(chǔ)知識,這些知識在后續(xù)的章節(jié)還會詳細(xì)介紹。 1. 光纖結(jié)構(gòu) 光纖的基本結(jié)構(gòu)十分簡單。光纖的纖芯是由折射率比周圍包層略高的光學(xué)材料制作而成的,如圖1.1所示。這種光纖結(jié)構(gòu)引起全內(nèi)反射,從而引導(dǎo)光線在纖芯內(nèi)傳播。 圖1.1 光纖的基本結(jié)構(gòu) (a)整圈光纖;(b)光纖橫截面 光纖的基本結(jié)構(gòu)是導(dǎo)光的纖芯和外面低折射率的包層,不同類型光纖的纖芯和包層的幾何尺寸差別很大。用于高清晰度圖像傳輸?shù)墓饫w(傳像光纖)其芯徑小、包層;傳輸高功率能量的照明光纖則一般具有更粗的纖芯和細(xì)薄的包層;用于通信的光纖則是厚包層和小纖芯,纖芯折射率到包層折射率的變化是階躍變化,纖芯折射率可以是均勻的,也可能是漸變的;還有一些高性能光纖其纖芯和包層之間甚至有多層結(jié)構(gòu)。 通信光纖的標(biāo)準(zhǔn)包層直徑是125μm,塑料護(hù)套的直徑約250μm,便于操作和保護(hù)光纖內(nèi)部的玻璃表面,防止刮痕或其他機(jī)械損傷。而傳像光纖束中單根光纖的直徑小到只有幾個微米,一些特殊用途光纖則可能有幾毫米。 2. 光纖材料 多數(shù)光纖幾乎是純石英,加入少量摻雜物的目的是改變纖芯或包層的折射率。從化學(xué)的角度講,通信用*純的光纖材料當(dāng)然是純二氧化硅,即SiO2;醫(yī)用傳像光纖和照明光纖則使用低純度玻璃制造;還有一些光纖是用塑料制造的,雖然沒有玻璃光纖透明,但是更靈活易用;少數(shù)光纖使用塑料作包層材料,但一般情況下塑料都是用于機(jī)械保護(hù)的外部涂敷層。 專用光纖也有可能是用其他材料制造的。例如,對于遠(yuǎn)紅外波長,氟化物比石英更透明,因此氟化物有時用于紅外波段。這些光纖有時被稱為玻璃光纖,因為制造光纖的材料是玻璃態(tài)或非晶態(tài)物質(zhì),但是光纖是由制造材料決定的,如氟化物玻璃光纖。 3. 光纖特性 在機(jī)械特性方面,光纖堅硬而又彎曲靈活,強(qiáng)度極大。細(xì)光纖比粗光纖更容易彎曲。通信光纖的尺寸可以和人的頭發(fā)的粗細(xì)相比,但這種比較也得是在很粗的頭發(fā)和很細(xì)的光纖之間進(jìn)行。通信光纖比同樣長度的人的胡須要硬得多,把它比作單絲釣魚線很恰當(dāng)。和電線不同,光纖被彎曲后還能恢復(fù)到原來筆直的形狀,但光纖在受到外力牽引時不能一直延伸下去,外力過大就會折斷光纖。如果光纖表面布滿了裂紋,那么光纖就很容
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