【正文】 們可以認(rèn)為，激光出現(xiàn)之前的光學(xué)的研究基本上是弱光束在介質(zhì)中的傳播、反射、折射、干涉、衍射、線性吸收與線性散射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象滿足光波的迭加原理，可以稱之為線性光學(xué)。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)，在這里原來的關(guān)于波一般的疊加原理不再成立。光的非線性效應(yīng)原本是比較弱的，只有在激光光源出現(xiàn)后，非線性光學(xué)的理論研究和應(yīng)用研究才有可能大力開展。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)。 ? 第八章 光纖和光的傳輸 ? ? ? 光的波動(dòng)特性決定了光是可以被傳播的，與普通的傳播不一樣能夠稱之為光的傳輸，就需要對(duì)光傳播的方向和強(qiáng)度進(jìn)行人為的控制。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。 ? 通信就普通意義來講，是各種形式信息的轉(zhuǎn)移或傳遞。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，復(fù)原成原來的樣式。例如傳統(tǒng)的調(diào)幅無線電廣播，是將音頻信息（低于 l0kHz）加載到數(shù)百乃至上千 Hz的無線電波上，經(jīng)空中傳送到各個(gè)收音機(jī)，再解調(diào)出各種聲音信息。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。 圖 ? 圖 （波長）表，頻率由左向右不斷升高。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)，無線電通信及廣播開始為人類服務(wù)。當(dāng)人們掌握了數(shù)十至數(shù)百 MHz的載波技術(shù)時(shí)，電視成為人民生活的一部分。數(shù)千至數(shù)萬 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。為了取得更快、更好的通信方式，科學(xué)界總是在不懈地追求更高頻率（或更短的載波波長）電磁波的操控技術(shù)。 ? 在微波及毫米波之后，進(jìn)一步開拓了光波波段，首先是紅外區(qū)。早在 1880年電話發(fā)明家貝爾就提出“光電話”的想法，并做了先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)。嘗試用話音去調(diào)制通過膜孔的太陽光，以陽光做載體將話音傳到接收端。盡管此實(shí)驗(yàn)僅僅達(dá)到 200m距離，而且音質(zhì)很差，但所展示的概念卻成為當(dāng)今光通信的最基礎(chǔ)的理念。 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。另一困難的原因是光在大氣中傳播受到風(fēng)霜雨雪、塵霧等各種天氣因素或環(huán)境的嚴(yán)重干擾，通信質(zhì)量難以保證，致使許多研究結(jié)果始終未能大量推廣應(yīng)用。 ? 經(jīng)過不懈的努力，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。從前面的章節(jié)中我們已經(jīng)了解了，特別是處于紅外區(qū)的光頻率比最高的微波頻率還要高出 3~4個(gè)數(shù)量級(jí)，這無疑是十分誘人的發(fā)展區(qū)域。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。由激光器發(fā)出的光還可以進(jìn)行調(diào)制，這一成就促進(jìn)了大氣光通信技術(shù)的發(fā)展，并陸續(xù)出現(xiàn)了一些實(shí)用化通信系統(tǒng)。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，而且只能在無障礙、無阻攔的環(huán)境中才能實(shí)現(xiàn)通信。因此，大氣光通信的實(shí)際應(yīng)用只能被限于建筑物之間或固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)與控制中心之間，距離大致數(shù)百米，適用對(duì)象十分有限。 ? 1966年有人提出用介質(zhì)光波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維來取代傳統(tǒng)的僅有導(dǎo)電作用的金屬電纜，用導(dǎo)波光來傳送信息的設(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。從 20世紀(jì) 70年代初光纖通信實(shí)用化以來，光纖通信技術(shù)得到極大的發(fā)展，目前石英光纖在 85 um、 和 ，衰減特性已接近理論上的極限值。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)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 ? 光纖的結(jié)構(gòu)與分類 ? 光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，是一種重要和常用的光波導(dǎo)材料。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。 ? ? 光纖通常是一種由高度透明的石英（或其它材料）經(jīng)較復(fù)雜的工藝?yán)贫傻墓獠▽?dǎo)材料。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。這其中纖芯和包層是光纖結(jié)構(gòu)的主體，對(duì)光波的傳播起著決定性作用。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。在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合也有不加涂敷層和護(hù)套的光纖，稱為裸光纖。 ? 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。纖芯的直徑一般為幾到幾十微米，一些應(yīng)用于特殊用途的光纖常常被做得很粗。 ? 包層是一緊貼纖芯的材料層，包層的外徑一般為 100~200um。包層的構(gòu)成材料一般為純二氧化硅，有時(shí)也摻雜微量的三氧化二硼 (B2O3)或四氧化二硅 (Si2O4)，主要可以用以來降低包層的折射率。由于光纖是利用光的全反射原理來傳輸光線的，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。 ? 常用的涂敷層的材料一般為環(huán)氧樹脂、硅橡膠等高分子材料，外徑約為 250um。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。護(hù)套的材料一般為尼龍或其它有機(jī)材料，用于增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。 ? 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。光纜由纜芯、護(hù)套和外護(hù)層三部分組成。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。圖 。 圖 光纖的結(jié)構(gòu)圖次 ? 光纖可按不同方式進(jìn)行分類。 ? 最常用的是按光纖橫截面上折射率的徑向分布來區(qū)分，可分為階躍型光纖和漸變型光纖。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。而在漸變型光纖中，纖芯的折射率是不平均的，具有一個(gè)梯度，在軸線上最大，然后沿著橫截面的徑向按一定的規(guī)律逐漸減少，直到纖芯與包層的交界處為止，呈一個(gè)連續(xù)變化的梯度，如圖 (b)所示，所以也叫做梯度光纖。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。 ? ? 也有按傳光原理來區(qū)分光纖，可分為反射型光纖和折射型光纖。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。按同樣的道理，在折射型光纖中，由于折射率的連續(xù)變化而使得光線不斷改變方向，所以折射型光纖也就是漸變型光纖，其運(yùn)動(dòng)軌跡一般為曲線。 ? 還有按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ絹韰^(qū)分，可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖只允許單一的基本傳輸模式（基模）通過，而多模光纖則允許若干個(gè)模式通過。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。 光纖斷面及相應(yīng)折射率分布 圖 ? 按光纖的制作材料來區(qū)分，可分為石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖和晶體光纖等多種。石英光纖損耗低，性能好，主要用于通信，故又稱通信光纖。多組分玻璃光纖由普通光學(xué)玻璃拉制而成，它的損耗較大，主要用來做傳輸光束和傳輸像束等。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。晶體光纖用晶體材料制成，可用做光纖激光器或放大器。 ? 根據(jù)應(yīng)用對(duì)象，光纖也有按波長來區(qū)分，可分為傳輸紫外、可見光和紅外等幾種。在光通信領(lǐng)域中按照頻率通常分為短波長 (~)光纖、長波長（ ~）光纖和超長波長 (2um以上 )光纖。若按使用過程中的損耗程度來區(qū)分，又可分為高損耗光纖、中損耗光纖和低損耗光纖。如需長距離傳播信號(hào)，要求光纖損耗盡可能小，因此，因此低損耗（ ~5 db/km）的光纖是主要選擇，其傳播距離可達(dá)到幾公里到 100公里以上。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。 ? 此外，還有一些新型的光纖，如有源光纖（包括激光光纖及發(fā)光光纖）以及非線性光纖等，可另行進(jìn)行分類。 ? 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)。 ? (1)直徑 ? 光纖的直徑包括纖芯直徑 2a，包層直徑 2b。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。但從光纖的聯(lián)接、耦合和減小損耗等方面來考慮，光纖以粗為宜。綜合兩者因素，一般光纖總的直徑不能大于 150um。典型的單模光纖芯徑約 10um，多模階躍光纖芯徑 ，多模漸變型光纖芯徑約 50um，它們的包層外徑一般均取 125um.。 （ 2）數(shù)值孔徑 ? 數(shù)值孔徑定義為光纖可能接受外來入射光的最大受光角（ ）的正弦與入射區(qū)折率的乘積。 ? ? 從 ，只有 θ1＞ θc = arcsin(n1/n2)的光線才能在光纖中進(jìn)行傳播（其中 n1為纖芯的射率， n2為包層折射率， n0為空氣折射率），所以有 ? ? NA = n0sinmax （ ） ? 這里 NA代表了光纖接收入射光的能力，只有 φ＜ φmax的光錐內(nèi)的光才可能在光纖中發(fā)生全反射面向前的傳播。對(duì)于波長 λ= n1=， n2=，可算得 NA＝ 。 ? （ 3）相對(duì)折射率差△ ? 光線在光纖中的傳播特性不僅與 n1和 n2有關(guān)，還與相對(duì)折射率差有密切關(guān)系。的大小