1、光纖的線性與非線性效應概述1. 緒論1.1 光纖的特點1.2 光纖的歷史1.3 光纖的應用2. 光纖的線性效應2.1 損耗2.1.1 起因2.1.2 影響2.2 色散2.2.1 空間色散2.2.2 時間色散2.2.3 偏振模色散3. 光纖的非線性效應3.1 非線性效應產生的原因3.2 自相位調制3.3 受激拉曼散射3.4 受激布里淵散射3.5 非線性效應的重要性結論1. 緒論1.1 光纖的特點光纖是光導纖維的簡稱。 是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射 原理而達成的光傳導工具。光纖有單模光纖和多模光纖之分： 單模光纖采用窄芯線， 使用激光作為發光 源，所以其地散極小；另外激光是發一個方

2、向射入光纖，而且僅有一束，使用其 信號比較強， 可以應用于高速度、 長距離的應用領域中， 便也合得它的成本相對 更高；而多模光纖則更廣泛地應用于短距離或相對速度更低一些的領域中， 它采 用 LED 作為光源，使用寬芯線，所以其散較大；在加上整個光纖內有以多個角 度射入的光，所以其信號不如單模光纖好，但相對低的價格是它的優勢。主要的特點：抗干擾性強： 由于光纖中傳輸的是光束， 光束是不會受外界電 磁干擾影響；保密性強：由于傳輸的是光束，所以本身不會向外幅射信號，有效 地防止了竊聽； 傳輸速度快： 光纖是至今為止傳輸速度最快的傳輸介質， 能輕松 達到 1000Mbps ；傳輸距離長：它的主減極小，

3、在較大的范圍內是一個常數，在 許多情況下幾乎可以忽略不計的，在這方面比電纜優越很多。1.2 光纖的歷史1870 年的一天，英國物理學家丁達爾到皇家學會的演講廳講光的全反射原 理，他做了一個簡單的實驗： 在裝滿水的木桶上鉆個孔， 然后用燈從桶上邊把水 照亮。結果使觀眾們大吃一驚。人們看到，放光的水從水桶的小孔里流了出來， 水流彎曲， 光線也跟著彎曲， 光居然被彎彎曲曲的水俘獲了。 當入射角大于某一 角度時，折射光線消失，全部光線都反射回水中。表面上看，光好像在水流中彎 曲前進。實際上，在彎曲的水流里，光仍沿直線傳播，只不過在內表面上發生了 多次全反射，光線經過多次全反射向前傳播。后來人們造出一種

4、透明度很高、粗細像蜘蛛絲一樣的玻璃絲玻璃纖維， 當光線以合適的角度射入玻璃纖維時， 光就沿著彎彎曲曲的玻璃纖維前進。 由于 這種纖維能夠用來傳輸光線，所以稱它為光導纖維。1880 年，美國電話發明家貝爾就已經研究并成功地發送與接收了光電話。 1881年，貝爾宣讀了一篇題為關于利用光線進行聲音的產生與復制的論文， 報導了他的光電話裝置。1930年至 1932 年間，日本在東京的日本電報公司與每日新聞社之間實現了 3.6 公里的光通信， 但在大霧大雨天氣里效果很差。 第二次世界大戰期間， 光電話發 展成為紅外線電話，因為紅外線肉眼看不見，更有利于保密。 1854 年，英國的 廷德爾在英國皇家學會的

5、一次演講中指出， 光線能夠沿盛水的彎曲管道進行反射 而傳輸，并用實驗證實了這個想法。1927 年，英國的貝爾德首次利用光全反射現象制成石英纖維可解析圖像， 并且獲得了兩項專利。1951 年，荷蘭和英國開始進行柔軟纖維鏡的研制。1953 年，荷蘭人范赫爾把一種折射率為 1.47 的塑料涂在玻璃纖維上，形成 比玻璃纖維芯折射率低的套層， 得到了光學絕緣的單根纖維。 但由于塑料套層不 均勻，光能量損失太大。1960 年 7 月世界上第一臺紅寶石激光器出現了。 1961 年 9 月由中國科學院 長春光學精密機械研究所研制成功中國第一臺紅寶石激光器。20 世紀 60 年代，有的實驗室用氦、氖氣體激光器做

6、了傳送電視信號和 20 路電話的實驗。也有的公司制成了語言信道試驗性通信系統，最大傳輸距離為 600 米。到 80年代初激光通信已進入應用發展階段。1966 年英籍華人高錕博士首次明確提出利用光導纖維進行激光通信的設 想，并為此獲得了 1979年 5月由瑞士國王頒發的國際伊利申通信獎金。1968 年，日本兩家公司聯合宣布研制成了一種新型無套層光纖，它能聚集 和成像，稱作聚焦纖維。同期，美國宣布制成液體纖維，它是利用石英毛細管充 以高透明液構成的。這兩種光纖的光耗損很難降低，所以實用價值不大。1970 年美國康寧公司用高純石英生產出世界上第一根耗損率為每公里 20 分 貝的套層光纖， 開創了光纖

7、通信的新篇章， 使通信光纖研究躍進了一大步。 一根 光纖可以傳輸 150 萬路電話和 2 萬套電視。1976 年日本在大孤附近的奈良縣開始籌建世界上第一個完全用光纜實現光 通信的實驗區，到 1978年7月已擁有 300個用戶。（實際上光通信系統使用的不 是單根光導纖維， 而是由許多光纖維聚集在一起組成的光纜。 一根直徑為 1 厘米 的光纜，里面有近百根光導纖維。光纜和電纜一樣可以架在空中，埋入地下，也 可以鋪設在海底，它的出現使激光通信進入實際應用階段。 ）1979 年趙梓森拉制出我國自主研發的第一根實用光纖，被譽為“中國光纖 之父” 進入實用階段以后， 光纖通信的應用發展極為迅速， 應用的光

8、纖通信系統已經多 次更新換代。70年代的光纖通信系統主要是用多模光纖， 應用光纖的短波長 （850 納米）波段，（1納米=1000兆分之一米，即米）。80年代以后逐漸改用長波長 （1310 納米），光纖逐漸采用單模光纖， 到 90 年代初，通信容量擴大了 50 倍，達到 2.5Gb /s。進入90年代以后，傳輸波長又從1310納米轉向更長的1550納米波長，并 且開始使用光纖放大器、波分復用（WDM技術等新技術。通信容量和中繼距離 繼續成倍增長。 廣泛地應用于市內電話中繼和長途通信干線， 成為通信線路的骨 干。1990年光纖應用于區域網絡及其他短距離傳輸。2005年 FTTH(Fiber To

9、 The Home) 光纖直接到家庭。1.3 光纖的應用塑料光纖作為短距離通信網絡的理想傳輸介質， 在未來家庭智能化、 辦公自 動化、工控網絡化。 車載機載通信網、 軍事通信網以及多媒體設備中的數據傳輸 中具有重要的地位。通過塑料光纖，我們可實現智能家電(家用PC HDTV電話、數字成象設備、家庭安全設備、空調、冰箱、音響系統、廚用電器等)的聯網，達到家庭自 動化和遠程控制管理， 提高生活質量； 通過塑料光纖， 我們可實現辦公設備的聯 網，如計算機聯網可以實現計算機并行處理， 辦公設備間數據的高速傳輸可大大 提高工作效率，實現遠程辦公等。在低速局域網的數據速率小于100Mbps時，100 米范

10、圍內的傳輸用SI型塑料光纖即可實現；150Mbps50米范圍內的傳輸可用小 數值孔徑POF實現。POF在制造工業中可得到廣泛的應用。通過轉換器，POF可以與RS232RS422 100Mbps以太網、令牌網等標準協議接口相連，從而在惡劣的工業制造環境中提 供穩定、可靠的通信線路。 能夠高速地傳輸工業控制信號和指令， 避免因使用金 屬電纜線路而受電磁干擾導致通信傳輸中斷的危險。POF重量輕且耐用，可以將車載機通信網絡和控制系統組成一個網絡， 將微型計算機、 衛星導航設備、 移動 電話、傳真等外設納入機車整體設計中， 旅客還可通過塑料光纖網絡在座位上享 受音樂、電影、視頻游戲、購物、 Internet 等服務。在軍事通信上，POF正在被開發用于高速傳輸大量的第三、保密信息，如利 用POF重量輕、可撓性好、連接快捷，適用于在身配戴的特點，用于士兵穿戴式 的輕型計算機系統， 并能夠插入通信網絡下載、 存儲、發送、接收關鍵任務信息， 且在頭盔顯示器中顯示。綜上所述， 隨著科技的發展， 塑料光纖的應用領域越來越廣， 其市場的發展 會越來越廣闊。 國外在塑料光纖的應用開發上已取得了較大的成果， 且不斷在在 加大新的應用研究投入， 我國許多地區已經有廠商開始投入研發生產， 因此產業 界更應就光纖的