【正文】 謝謝觀看 /歡迎下載 BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH 。用光纖制成傳感器系統(tǒng)，用在化學(xué)試劑、石油天然氣、礦井等特殊環(huán)中都是十分可靠的。相比之下應(yīng)用光纖在經(jīng)濟(jì)效益方面占有極大的優(yōu)勢(shì)。光纖的基本材料是二氧化硅，地球上的硅儲(chǔ)藏量可以認(rèn)為是取之不盡的。在普通的同軸電纜線路上，中繼站距離僅數(shù)公里就需設(shè)一個(gè)，而跨大西洋的海底光纖系統(tǒng)每 50km才裝一個(gè)中繼站，總共只有 120個(gè)中繼站，不僅大大降低了建設(shè)線路的成本、減輕了維護(hù)負(fù)擔(dān)，并且還大大提高了系統(tǒng)的可靠性。作為比較傳統(tǒng)的用銅做導(dǎo)線的同軸電纜的損耗為5至 l0dB/km，而 。這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)在軍事保密通信、銀行財(cái)會(huì)管理網(wǎng)絡(luò)及許多要求保密的應(yīng)用中受到特別的歡迎。 ? (4）光纖通信具有很好的保密性。芯區(qū)中的光場(chǎng)通常在包層的內(nèi)區(qū)就會(huì)衰減至零，因此即使在有多根光纖結(jié)集在同一光纜中的情況下，它們彼此間亦不會(huì)有相互干擾。 ? (3) 光線具有極好的抗電磁干擾特性?？梢詫⑷舾筛饫w集合制成光纜，盡管在成纜過(guò)程中為提高光纜抗拉強(qiáng)度，也必須有金屬的加固及抗拉構(gòu)造，但無(wú)論是尺寸或重量光纜都要比傳統(tǒng)的金屬電纜要都優(yōu)勝得多。從前面我們展示的關(guān)于光纖的結(jié)構(gòu)示意圖可以看到，真正傳光的是光纖的芯區(qū)，單模光纖的芯區(qū)直徑僅10um左右。許多在傳統(tǒng)的同軸電纜條件下是不可思議的事情，有了光纖通信技術(shù)后，將方便地或很快得以實(shí)現(xiàn)。目前已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)中有一項(xiàng)十分有意義的計(jì)劃，就是向分布極其廣泛的辦公室及家庭提供寬頻帶綜合數(shù)字化服務(wù)。就目前的技術(shù)來(lái)說(shuō)，拓展光纖頻帶利用率的最好辦法是采用波分復(fù)用技術(shù)，一根光纖可以在同時(shí)傳輸多個(gè)光信號(hào)，使每個(gè)具有不同的中心波長(zhǎng)的光信號(hào)，可以在一根光纖上并行傳輸。經(jīng)過(guò)這樣一系列的過(guò)程才能完成通電話的任務(wù)。在光通信系統(tǒng)中需首先將語(yǔ)音變換成電的模擬信號(hào)，再變換成電的數(shù)字信號(hào)并放大到足夠的強(qiáng)度后去調(diào)制半導(dǎo)體激光二極管。目前受到限制的因素主要在相關(guān)配套的其它光電子器件及微電子器件。光纖在 5 1013 Hz的頻帶寬度，這就相當(dāng)于可同時(shí)傳送 3億 4千萬(wàn)路電話。以常用的電話為例，單路電話占用頻帶為 4kHz，但光通信是用數(shù)字通信的方式，使用碼率的系統(tǒng)，碼率的單位為比特／秒 (bit/s）或千比特／秒（ kbit/s)。目前大量應(yīng)用信號(hào)或載體都是在微波波段，其頻率為 l010Hz量級(jí)，而光纖通信使用的光載波，頻率在 1014 Hz量級(jí)。光纖應(yīng)用的特點(diǎn)主要是以下幾個(gè)方面。 ? ? 光纖在光通信方面在其早期發(fā)展中已顯示出許多優(yōu)點(diǎn)。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(guò)長(zhǎng)江的水下光纜）、京漢廣等等，短距離的系統(tǒng)更是不計(jì)其數(shù)。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家及我國(guó)都已宣布：干線大容量通信線路以后不再新建以金屬為傳導(dǎo)媒質(zhì)的同軸電纜，而全部采用光纜。以后又有若干條跨洋海底光纜被投人使用。 1988年，第一條跨越大西洋海底，連結(jié)美國(guó)東海岸同歐洲大陸的光纜開(kāi)通。用稀土元素鉺摻雜的光纖，在 ，通過(guò)受激輻射可以將1,55um的信號(hào)放大，做成在線光放大器，使長(zhǎng)途干線光纖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大為改進(jìn)。這方面的研究以及與之相匹配的半導(dǎo)體激光器、探測(cè)器等器件均已成功。一方面是因?yàn)橐远趸铻榛静牧系墓饫w原本在 ，可以達(dá)到，但同時(shí)在該點(diǎn)材料的色散比較嚴(yán)重，大大限制了應(yīng)用帶寬。此類激光器同光纖的 窗口相配合，可以使具有相應(yīng)特性的光纖成為長(zhǎng)途干線光纖通信的主角。由于二氧化硅的材料色散同光纖的波導(dǎo)色散在，故該波長(zhǎng)又稱零色散波長(zhǎng)。 ? 自 20世紀(jì) 70年代的后期開(kāi)始，相關(guān)的光纖技術(shù)又不斷地有很多新的發(fā)展。同時(shí)光纖的損耗也大幅度下降， 1976年在 ，這已經(jīng)是以金屬做芯的同軸電纜所望塵莫及的，由此光纖通信開(kāi)始了工業(yè)化生產(chǎn)及商業(yè)化應(yīng)用的新時(shí)期。早期的半導(dǎo)體激光二極管使用壽命很短，僅數(shù)小時(shí)，并且必須要被置于低溫環(huán)境中才能工作。尤其是這類光源發(fā)射的光波波長(zhǎng)在 ，而二氧化硅材料光導(dǎo)纖維的第一個(gè)低損耗窗口也正好落在 。 ? 與此同時(shí)，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(cè)器等器件也有許多突破性進(jìn)展。 ? 最初，光纖的損耗最高可達(dá) 1000dB/km，經(jīng)過(guò)短短三年左右時(shí)間， 1970年美國(guó)康寧玻璃公司率先制備出了損耗為 20dB/km的光纖。因此不發(fā)生模式色散，可成為寬頻帶光纖。圖 纖。其工作原理是光纖中心部的折射率最高，由中心向外折射率與半徑平方近乎成反比減小，使玻璃折射率具有梯度分布。為防止包層與空氣界面處全反射光的傳播，涂敷了第三層，如圖 所示，在包層與空氣層界面處產(chǎn)生的全反射光，雖然與芯部光線具有不同模式，但也與芯部光線一樣能夠被傳播。一般情況是 n1只略大于 n2，對(duì)單模光纖就有△ =％，多模光纖△ = 1％， ? ? ? 我們已經(jīng)知道主要有階躍折射率型和梯度折射率型兩種形式的光纖。的大小決定了光纖對(duì)光場(chǎng)的約束能力和光纖界面的受光能力。對(duì)于波長(zhǎng) λ= n1=， n2=，可算得 NA＝ 。 （ 2）數(shù)值孔徑 ? 數(shù)值孔徑定義為光纖可能接受外來(lái)入射光的最大受光角（ ）的正弦與入射區(qū)折率的乘積。綜合兩者因素，一般光纖總的直徑不能大于 150um。從機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性的角度考慮光纖的直徑也應(yīng)盡量小，若粗了，很容易折斷。 ? 光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù) ? 結(jié)構(gòu)參數(shù)有纖芯直徑 2a，包層直徑 2b，數(shù)值孔徑 NA，相對(duì)折射率差△，歸一化頻率ν，與折射率分布 n (r)。中損耗極高損耗類型的光纖只能適用于幾十米到 1公里左右這樣較短距離的信號(hào)傳輸。若按使用過(guò)程中的損耗程度來(lái)區(qū)分，又可分為高損耗光纖、中損耗光纖和低損耗光纖。 ? 根據(jù)應(yīng)用對(duì)象，光纖也有按波長(zhǎng)來(lái)區(qū)分，可分為傳輸紫外、可見(jiàn)光和紅外等幾種。塑料光纖是用兩種以上高分子材料共聚而成，價(jià)格低廉，但損耗較大，只能用于短距離的信息傳輸或傳光、傳像等。石英光纖損耗低，性能好，主要用于通信，故又稱通信光纖。標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖的芯徑為 8~10um；而多模光纖的芯徑約為 50~100um，兩種光纖外徑均為 125um。 ? 還有按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ絹?lái)區(qū)分，可分為單模光纖和多模光纖。在階躍型光纖中，光是沿直線傳播的，只有在纖芯與包層的界面發(fā)生全反射后才改變方向，因此反射型光纖是階躍型光纖的另一種稱呼。除了以上兩大類，隨著實(shí)際應(yīng)用需要的不斷提出，還出現(xiàn)了其它形式的折射率分布，如環(huán)形光纖和 W型光纖等。在階躍型的光纖里 ,纖芯和包層各自的折射率都是均勻的，但纖芯的折射率要高于包層的折射率，因此在它們的邊界處，折射率呈一階梯型突變，如圖 （ a）所示。 圖 光纖的結(jié)構(gòu)圖次 ? 光纖可按不同方式進(jìn)行分類。實(shí)際應(yīng)用的光纖在多數(shù)情況下還另有其它加強(qiáng)構(gòu)件。 ? 在實(shí)際應(yīng)用中，將許多根光纖組合在一起，制成光纜，以提高光纖的利用效率。涂敷層能夠增強(qiáng)光纖的柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度和耐老化特性。由于光纖是利用光的全反射原理來(lái)傳輸光線的，只有光從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)時(shí)才能發(fā)生全反射現(xiàn)象，所以纖芯折射率總要比包層的折射率高。 ? 包層是一緊貼纖芯的材料層，包層的外徑一般為 100~200um。 ? 纖芯的主要成分為二氧化硅 (SiO2),具有較高的折射率，有的在其中摻雜極少量的其它材料，如二氧化鍺 (GeO2),五氧化二磷 (P2O5 )等，可以達(dá)到提高纖芯的折射率的目的。涂敷層與護(hù)套具有隔離雜散光、提高光纖強(qiáng)度和保護(hù)光纖等的作用。光纖的結(jié)構(gòu)如圖 ，典型的光纖結(jié)構(gòu)為多層同軸圓柱體，一般是由折射率較高的纖芯、折射率較低的包層以及涂敷層和護(hù)套等幾個(gè)部分構(gòu)成。它利用光的透射和全反射原理將光波能量約束在波導(dǎo)材料的界面內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線方向傳播。由于光纖的傳輸損耗低、信息容量大、抗電磁干擾能力強(qiáng)、尺寸小、質(zhì)量輕、有利于敷設(shè)和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，并配以不斷發(fā)展的激光技術(shù)，使得光纖在通信、傳感以及其它領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 ? 1966年有人提出用介質(zhì)光波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維來(lái)取代傳統(tǒng)的僅有導(dǎo)電作用的金屬電纜，用導(dǎo)波光來(lái)傳送信息的設(shè)想，引起學(xué)術(shù)界及實(shí)業(yè)界的極大興趣，并由此奠定了光纖通信的理論基礎(chǔ)，推動(dòng)了實(shí)用化光導(dǎo)纖維制造工藝的研究。但這類通信系統(tǒng)對(duì)于前面提到的各種天氣干擾因素仍無(wú)法克服，例如，雨水能造成 30db/km的衰減，濃霧甚至可造成高達(dá) 120db/km的衰減，而且只能在無(wú)障礙、無(wú)阻攔的環(huán)境中才能實(shí)現(xiàn)通信。由激光器發(fā)出的相干光具備極高的方向性，傳輸很遠(yuǎn)也不至于散發(fā)而減弱。 ? 經(jīng)過(guò)不懈的努力，本世紀(jì) 60年代初，發(fā)明了紅寶石激光器，獲得了強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通光的相干光。 20世紀(jì)早期，就有不少科學(xué)家致力于光通信的研究，但進(jìn)展不大，主要的原因是缺乏理想的光源。嘗試用話音去調(diào)制通過(guò)膜孔的太陽(yáng)光，以陽(yáng)光做載體將話音傳到接收端。 ? 在微波及毫米波之后，進(jìn)一步開(kāi)拓了光波波段，首先是紅外區(qū)。數(shù)千至數(shù)萬(wàn) MHz的微波波段，提供了如雷達(dá)、衛(wèi)星通信、微波通信等強(qiáng)有力的手段。當(dāng)人們掌握了數(shù)百至數(shù)千 kHz的電磁波的發(fā)射和接收技術(shù)時(shí)，無(wú)線電通信及廣播開(kāi)始為人類服務(wù)。這種用電磁波進(jìn)行通信的信息容量可以用所能調(diào)制的頻帶寬度來(lái)表示，能獲得多大的調(diào)制帶寬，又受制于載體的頻率有多高，載體頻率越高，能傳送的信息容量就越大。為了達(dá)到通信的目的，通?？偸窍葘M傳送的信息設(shè)法加載（或調(diào)制）到某種載體上，被調(diào)制的載體傳送到目的地后，再將所需信息從載體上解脫出來(lái)，復(fù)原成原來(lái)的樣式。利用受控的光波傳遞能量和信息，這就是光通信，近代光通信技術(shù)的發(fā)展是近代人類物質(zhì)文明高度發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。非線性光學(xué)效應(yīng)將在光學(xué)倍頻與混頻、受激拉曼散射等很多方面的應(yīng)用上顯現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。激光是一種強(qiáng)光，強(qiáng)光在介質(zhì)中傳播，出現(xiàn)了很多新的現(xiàn)象，如諧波的產(chǎn)生、光參量振蕩、光的受激散射、光束自聚焦、多光子吸收、光致透明和光子回波等，研究這些現(xiàn)象的學(xué)科稱為非線性光學(xué)，在這里原來(lái)的關(guān)于波一般的疊加原理不再成立。目前美國(guó)、日本及歐洲都建立了相當(dāng)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室