1、諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)Nobel Prize and OpticsNobel Prize and Optics光通訊光通訊光光通訊通訊 光纖通訊與光纖通訊與高高錕錕 光通訊特點(diǎn)和系統(tǒng)組成光通訊特點(diǎn)和系統(tǒng)組成 光纖通光纖通信信 光光纖的工作原理纖的工作原理 光纖通光纖通信元件信元件2009諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)v英英國華裔科學(xué)家高錕國華裔科學(xué)家高錕v美國科學(xué)家威拉德美國科學(xué)家威拉德博伊爾和喬治博伊爾和喬治史密斯史密斯The Nobel Prize in Physics 2009 was divided, one half awarded to Charles Kuen Kao for

2、 groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication, the other half jointly to Willard S. Boyle and George E. Smith for the invention of an imaging semiconductor circuit the CCD sensor.高錕的貢獻(xiàn)高錕的貢獻(xiàn)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)主席約瑟夫諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)主席約瑟夫努德努德格倫用一根光纖電纜形象地解釋了高錕

3、的重格倫用一根光纖電纜形象地解釋了高錕的重要成就：早在要成就：早在1966年，高錕就取得了光纖物年，高錕就取得了光纖物理學(xué)上的突破性成果，他計(jì)算出如何使光在理學(xué)上的突破性成果，他計(jì)算出如何使光在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這項(xiàng)成果最終光導(dǎo)纖維中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這項(xiàng)成果最終促使光纖通信系統(tǒng)問世，而正是光纖通信為促使光纖通信系統(tǒng)問世，而正是光纖通信為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展鋪平了道路。當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展鋪平了道路。 高錕高錕 簡簡介介 中文名：高錕中文名：高錕英文名：英文名：Charles K. Kao于于1933年出生于江蘇省金山年出生于江蘇省金山縣（現(xiàn)上海金山區(qū)）縣（現(xiàn)上海金山區(qū)）幼年住在上海法租界。祖父

4、高吹萬是晚清著名詩人，革命家，南社的重要成員。父親是律師，曾就讀于Michigan Law School。 1948年全家移居臺(tái)灣。年全家移居臺(tái)灣。1949年，又移民香港，他進(jìn)年，又移民香港，他進(jìn)入入St. Josephs College就讀中學(xué)。就讀中學(xué)。1953年進(jìn)入年進(jìn)入Woolwich Polytechnic in London就讀，就讀，1957年畢業(yè)年畢業(yè) （B.Sc. in Electrical Engineering）高錕高錕 簡介簡介1957年年，進(jìn)，進(jìn)入國際電話電報(bào)公司入國際電話電報(bào)公司(ITT)，在其英國子公司，在其英國子公司標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)電話與準(zhǔn)電話與電纜有限公司電纜有限公司(

5、Standard Telephones and Cables Ltd.)任工程任工程師（微波）。師（微波）。1960年，他進(jìn)入年，他進(jìn)入ITT設(shè)于英國的歐洲中央研究機(jī)構(gòu)設(shè)于英國的歐洲中央研究機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)有標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)有限公司，在那里工作了十年，其職位從研究科學(xué)家升至研究經(jīng)理限公司，在那里工作了十年，其職位從研究科學(xué)家升至研究經(jīng)理。其。其間獲博士學(xué)位（間獲博士學(xué)位（University College London）。從從1957年開始，高錕即從事光導(dǎo)纖維在通訊領(lǐng)域運(yùn)用的研究。年開始，高錕即從事光導(dǎo)纖維在通訊領(lǐng)域運(yùn)用的研究。1964年，他提出在電話網(wǎng)絡(luò)中以光代替電流，以玻璃纖維代替導(dǎo)線。年，

6、他提出在電話網(wǎng)絡(luò)中以光代替電流，以玻璃纖維代替導(dǎo)線。1965年，在年，在以大量實(shí)以大量實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一篇論文中提出以石英基玻璃纖維作驗(yàn)為基礎(chǔ)的一篇論文中提出以石英基玻璃纖維作長程信息傳遞，將帶來一場(chǎng)通訊業(yè)的革命，并提出當(dāng)玻璃纖維損耗率長程信息傳遞，將帶來一場(chǎng)通訊業(yè)的革命，并提出當(dāng)玻璃纖維損耗率下降到下降到20分貝公里時(shí)，光纖維通訊就會(huì)成功。分貝公里時(shí)，光纖維通訊就會(huì)成功。1966年，在標(biāo)準(zhǔn)電話實(shí)驗(yàn)室與何克漢共同提出光纖可以用作通信媒年，在標(biāo)準(zhǔn)電話實(shí)驗(yàn)室與何克漢共同提出光纖可以用作通信媒介。介。高高錕在電磁波導(dǎo)、陶瓷科學(xué)（包括光纖制造）方面獲錕在電磁波導(dǎo)、陶瓷科學(xué)（包括光纖制造）方面獲28項(xiàng)專利項(xiàng)

7、專利。高錕高錕 簡簡介介1970到到1974年高錕教授在香港中文大學(xué)擔(dān)任電子學(xué)系教授及講座教授，年高錕教授在香港中文大學(xué)擔(dān)任電子學(xué)系教授及講座教授，1974年又返回年又返回ITT工作。當(dāng)時(shí)，光纖領(lǐng)域進(jìn)入前生產(chǎn)階段。他在位于工作。當(dāng)時(shí)，光纖領(lǐng)域進(jìn)入前生產(chǎn)階段。他在位于美國弗吉尼亞州勞諾克的光電產(chǎn)品部擔(dān)美國弗吉尼亞州勞諾克的光電產(chǎn)品部擔(dān) 任主任科學(xué)家，后擢升為工任主任科學(xué)家，后擢升為工程主任。程主任。 1982年，他被年，他被ITT公司任命為首位公司任命為首位“ITT執(zhí)行科學(xué)家執(zhí)行科學(xué)家”，主要在康尼迪，主要在康尼迪克州的先進(jìn)技術(shù)中心工作，克州的先進(jìn)技術(shù)中心工作，1985年則在德國的年則在德國的S

8、EL 研究中心工作。與研究中心工作。與此同時(shí)，他也擔(dān)任耶魯大學(xué)特朗布爾學(xué)院兼職教授及研究員。此同時(shí)，他也擔(dān)任耶魯大學(xué)特朗布爾學(xué)院兼職教授及研究員。1986年，年，他被任命為合作研究主任。他也在標(biāo)準(zhǔn)電話電纜下屬的標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)他被任命為合作研究主任。他也在標(biāo)準(zhǔn)電話電纜下屬的標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室作研究。室作研究。1987年年10月，高錕從英國回到香港，并出任香港中文大學(xué)第三任校長。月，高錕從英國回到香港，并出任香港中文大學(xué)第三任校長。從從1987年到年到1996年任職期間，他為中文大學(xué)羅致了大批人才，使中大年任職期間，他為中文大學(xué)羅致了大批人才，使中大的學(xué)術(shù)結(jié)構(gòu)和知識(shí)結(jié)構(gòu)更加合理。在與內(nèi)地科技界的交流合作

9、中，他的學(xué)術(shù)結(jié)構(gòu)和知識(shí)結(jié)構(gòu)更加合理。在與內(nèi)地科技界的交流合作中，他主張主張“一步一步把雙方的聯(lián)系實(shí)際化一步一步把雙方的聯(lián)系實(shí)際化”。高錕高錕 簡簡介介高錕于高錕于1996年當(dāng)選為中年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士。由國科學(xué)院外籍院士。由于他的杰出貢獻(xiàn)，于他的杰出貢獻(xiàn)，1996年，中科院紫金山天文年，中科院紫金山天文臺(tái)將一顆于臺(tái)將一顆于1981年年12月月3日發(fā)現(xiàn)的國際編號(hào)為日發(fā)現(xiàn)的國際編號(hào)為“3463”的小行星命名的小行星命名為為“高錕星高錕星” 由于他取得的成果，有超過由于他取得的成果，有超過10億公里的光纜以閃電般億公里的光纜以閃電般的速度通過寬帶互聯(lián)網(wǎng)，為全球各地的辦事處和家居的速度通過寬帶互

10、聯(lián)網(wǎng)，為全球各地的辦事處和家居提供數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù) “Ideas do not always come in a flash, but by diligent trial-and-error experiments that take time and thought.”Microwave communication Millimeter waves at 35 to 70 GHz could have a much higher transmission capacity. But the waters were uncharted and the challenges enormous, si

11、nce radio waves at such frequencies could not be beamed over long distances due to beam divergence and atmospheric absorption. The waves had to be guided by a waveguide. And in the 1950s, research and development work on low-loss circular waveguides in the HE11 mode was started. A trial system was d

12、eployed in the 1960s. Huge sums were invested, and more were planned, to move this system into the pre-production stage. Get Optical? “I joined the long-haul waveguide group led by Dr. Karbowiak at STL. I was excited to see an actual circular waveguide. I was assigned to look for new methods for mic

13、rowave and optical transmission.” The development of the laser in the 1960s gave the telecom community a great dose of optimism that optical communication could be just around the corner. Coherent light was to be the new information carrier with capacity 105 times higher than point-to-point microwav

14、es based on the simple comparison of frequencies: 31015 Hz (3000 THz) for light versus 3109 Hz (3 GHz) for microwaves.These experiments were struggles in desperation, to control light traveling over long distances.Working on optical fibers “When Dr. Karbowiak decided to emigrate to Australia, I took

15、 over as the project leader and recommended that the team should investigate the loss mechanism of dielectric materials for optical fibers.”Working on optical fibers“Over the next two years, the team worked towards its goals. We were all novices in the physics and chemistry of materials and in tackl

16、ing new electromagnetic wave problems. But we made very credible progress in considered steps. “We searched the literature, talked to experts, and collected material samples from various glass and polymer companies. “We also worked on the theories and developed measurement techniques to carry out a

17、host of experiments.”“We developed an instrument to measure the spectral loss of very low-loss material, as well as one for scaled simulation experiments to measure fiber loss due to mechanical imperfections.”“Both theory and simulated experiments supported our approach.”Push the idea “In the next f

18、ew years, I traveled the globe to push my idea: to Japan, where enduring friendships were made dating from those early days; to research labs in Germany, in the Netherlands and elsewhere to spread the news. It was obvious to me that until more and more jumped on the bandwagon, the use of glass fiber

19、s would not take off. There was widespread skepticism, but I remained steadfast. The global telephony industry is huge, too large to be changed by a single person or even a single country, but I was stubborn and I remained optimistic; slowly others were converted into believers.”光通信在日常生活中的作用光通信在日常生活

20、中的作用 改變了整個(gè)世改變了整個(gè)世界界如果環(huán)繞全如果環(huán)繞全球的光纖是球的光纖是單根的，其單根的，其總長超過總長超過10億公里億公里 足足夠繞地球夠繞地球25,000次以次以上。每年增上。每年增加加1億公里。億公里。-高錕獲獎(jiǎng)高錕獲獎(jiǎng)感感言言(movie)光通信應(yīng)用光通信應(yīng)用 烽火臺(tái)、燈光閃爍、旗語、信號(hào)燈等烽火臺(tái)、燈光閃爍、旗語、信號(hào)燈等 視覺通信視覺通信 采用光波作為載波來傳遞信息的通信方采用光波作為載波來傳遞信息的通信方式式 光通光通信信光波通信的必要性和優(yōu)越性光波通信的必要性和優(yōu)越性 一般電波頻率一般電波頻率1MHz ,(MHz=106Hz) 微波頻率微波頻率 1GHz (GHz=109

21、Hz) 光頻率光頻率1014Hz，比微波快，比微波快45個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí) 通信容量通信容量(速率速率)與載波頻率成正比與載波頻率成正比 光波通信可以滿足大容量通信的需要光波通信可以滿足大容量通信的需要 基本的光通信系統(tǒng)基本的光通信系統(tǒng) 信息信息處理處理：電信號(hào)：電信號(hào) 模擬信號(hào)模擬信號(hào)隨時(shí)間連續(xù)變化：音頻、視頻隨時(shí)間連續(xù)變化：音頻、視頻 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)只取離散值只取離散值,bit1,bit0:計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)采樣采樣量化量化編碼編碼 電信號(hào)電信號(hào)通過直接調(diào)制光源或用外調(diào)制器通過直接調(diào)制光源或用外調(diào)制器調(diào)制光源調(diào)制光源光信號(hào)傳輸光信號(hào)傳輸光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光通信

22、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 空間通信或光纖通信：空間通信或光纖通信： 信號(hào)調(diào)制在激光束上，通過光發(fā)送機(jī)，信號(hào)調(diào)制在激光束上，通過光發(fā)送機(jī)， 并以大氣或光纖作通信信道，并以大氣或光纖作通信信道， 再通過接收機(jī)把信號(hào)還原再通過接收機(jī)把信號(hào)還原輸入信號(hào)輸入信號(hào)通信信道發(fā)送機(jī)發(fā)送機(jī)接收機(jī)接收機(jī)輸出信號(hào)輸出信號(hào)光發(fā)送機(jī)組成光發(fā)送機(jī)組成 電信號(hào)調(diào)制在激光束上，通過光發(fā)送機(jī)，電信號(hào)調(diào)制在激光束上，通過光發(fā)送機(jī)， 光信號(hào)輸出光信號(hào)輸出,并以大氣或光纖作通信信道并以大氣或光纖作通信信道 電信號(hào)輸入電信號(hào)輸入光源光源控制電路控制電路光信號(hào)輸出光信號(hào)輸出調(diào)制器調(diào)制器信道耦合器信道耦合器光接收機(jī)組成光接收機(jī)組成通過光探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化

23、為電信號(hào)通過光探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),并通并通過解調(diào)器恢復(fù)為原來的電信號(hào)過解調(diào)器恢復(fù)為原來的電信號(hào) 電信號(hào)輸出電信號(hào)輸出信道耦合器信道耦合器電路電路光信號(hào)輸入光信號(hào)輸入光探測(cè)器光探測(cè)器解調(diào)器解調(diào)器兩種光學(xué)通信方式兩種光學(xué)通信方式 光纖光纜通信光纖光纜通信 (有線通信有線通信)重點(diǎn)介紹重點(diǎn)介紹 激光空間通信激光空間通信 (無線通信無線通信) 激光束作為信息載體進(jìn)行空間通信激光束作為信息載體進(jìn)行空間通信( (包括大氣包括大氣空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間太空間) ) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：大通信容量、低功耗、重量輕、體積小大通信容量、低功耗、重量輕

24、、體積小、保密性強(qiáng)。適用近距離或外空間的通信保密性強(qiáng)。適用近距離或外空間的通信 缺點(diǎn)：受氣候影響、受大氣散射、吸收嚴(yán)重，缺點(diǎn)：受氣候影響、受大氣散射、吸收嚴(yán)重，能量損失大能量損失大光通信必須解決的兩個(gè)問題光通信必須解決的兩個(gè)問題有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì) 解決方法：光學(xué)纖維解決方法：光學(xué)纖維-石英石英(醫(yī)用醫(yī)用) 1966年高錕提出光纖傳輸理論年高錕提出光纖傳輸理論 1970年低損耗石英光纖制成年低損耗石英光纖制成頻率穩(wěn)定、高強(qiáng)度的、可靠的載波光源頻率穩(wěn)定、高強(qiáng)度的、可靠的載波光源 解決方法：激光器解決方法：激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器光纖通信光纖通信光纖通信光纖通

25、信光限制在很細(xì)的管道中傳輸光限制在很細(xì)的管道中傳輸優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：低損耗低損耗150km（同軸電纜（同軸電纜10-20km）轉(zhuǎn)發(fā)器間距長轉(zhuǎn)發(fā)器間距長大的帶寬大的帶寬15000GHz（微波通信系統(tǒng)（微波通信系統(tǒng) 10GHz）傳輸容量大傳輸容量大無電磁干擾無電磁干擾無串音，不受電站、高壓無串音，不受電站、高壓傳輸?shù)挠绊憘鬏數(shù)挠绊懺牧县S富、便宜，光纖重量較銅輕原材料豐富、便宜，光纖重量較銅輕光纖通信圖光纖通信圖光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維 光的折射定理光的折射定理n2n1全反射：全反射： 當(dāng)入射角大于臨界角當(dāng)入射角大于臨界角c 介質(zhì)介質(zhì)2的光不再折射的光不再折射到介質(zhì)到介質(zhì)1 (條件條件n2 n1) ，全部反射到

26、介質(zhì)，全部反射到介質(zhì)2。折射定律：折射定律：n2sinin= n1sinz c= arcsin (n1 /n2)光在光纖中光在光纖中的傳播路徑的傳播路徑claddingcore纖芯纖芯包層包層波導(dǎo)材料：波導(dǎo)材料：單模玻璃光纖單模玻璃光纖光纖的結(jié)構(gòu)：內(nèi)層的折射率光纖的結(jié)構(gòu)：內(nèi)層的折射率大大Tension memberBuffer layersDucts for power feed wiresCoated optical fiber填料填料輸電管道輸電管道緊固體緊固體光纖光纖實(shí)際光纖的結(jié)構(gòu)實(shí)際光纖的結(jié)構(gòu)用于光纖通信用于光纖通信的最的最合適的激光波長合適的激光波長玻璃光纖材料紅外吸收和色散曲線玻璃

27、光纖材料紅外吸收和色散曲線1.3 m1.55 mLossDispersionWavelength色散色散損耗損耗光纖中的色散光纖中的色散色散色散光脈沖經(jīng)過一段距離的傳輸后光脈沖經(jīng)過一段距離的傳輸后逐漸展寬，信號(hào)畸變失真。（激光光源逐漸展寬，信號(hào)畸變失真。（激光光源并非絕對(duì)單色光。不同頻率的光波，傳并非絕對(duì)單色光。不同頻率的光波，傳輸速度不同。需要用多個(gè)波長的光傳輸輸速度不同。需要用多個(gè)波長的光傳輸多路信號(hào)。）多路信號(hào)。）1.38 m m色散為零色散為零1.55 m m有色散有色散, ,用色散光纖等技術(shù)補(bǔ)償用色散光纖等技術(shù)補(bǔ)償光纖通信中的光學(xué)元件光纖通信中的光學(xué)元件對(duì)對(duì)光源的要求光源的要求合適的

28、發(fā)光波長合適的發(fā)光波長:光纖的低損耗區(qū)光纖的低損耗區(qū)足夠的輸出功率，長距離傳輸足夠的輸出功率，長距離傳輸可靠性高，壽命長可靠性高，壽命長光譜寬度窄，降低光纖的色散效應(yīng)光譜寬度窄，降低光纖的色散效應(yīng)聚光性好，耦合效率高聚光性好，耦合效率高光開關(guān)速度必須短于光開關(guān)速度必須短于10皮秒皮秒數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸調(diào)制方便調(diào)制方便光纖通信中的光學(xué)元件光纖通信中的光學(xué)元件激光是用于光纖通信的理想光源激光是用于光纖通信的理想光源: 單色性、高強(qiáng)度單色性、高強(qiáng)度半導(dǎo)體激光器：體積小、易耦合進(jìn)光半導(dǎo)體激光器：體積小、易耦合進(jìn)光纖、易調(diào)制、波長合適纖、易調(diào)制、波長合適電光調(diào)制器電光調(diào)制器調(diào)制的目的調(diào)制的目的通過改變激光

29、的位相、通過改變激光的位相、振幅、頻率、偏振，使連續(xù)光調(diào)制為隨振幅、頻率、偏振，使連續(xù)光調(diào)制為隨時(shí)間改變的脈沖光輸出，以對(duì)應(yīng)所需傳時(shí)間改變的脈沖光輸出，以對(duì)應(yīng)所需傳輸?shù)碾娦盘?hào)。輸?shù)碾娦盘?hào)。調(diào)制的方法：調(diào)制的方法：直接調(diào)制法直接調(diào)制法在激光二極管上直接加在激光二極管上直接加調(diào)制電源調(diào)制電源外部調(diào)制法外部調(diào)制法在激光輸出端外加調(diào)制在激光輸出端外加調(diào)制直接調(diào)制法：直接調(diào)制法：電信號(hào)到光信號(hào)的直接調(diào)制電信號(hào)到光信號(hào)的直接調(diào)制Laser diodeTimeModulatorModulated light intensityInputelectricsignalBiasvoltage直接調(diào)制法：直接調(diào)制法

30、：電信號(hào)到光信號(hào)的直接調(diào)制電信號(hào)到光信號(hào)的直接調(diào)制currentbias currenttime ttelectrical modulation signalModulated optical output外界調(diào)制法外界調(diào)制法體調(diào)制器體調(diào)制器全光纖調(diào)制器全光纖調(diào)制器集成光學(xué)調(diào)制器集成光學(xué)調(diào)制器平面波導(dǎo)器件平面波導(dǎo)器件 原理同光纖（全反射）原理同光纖（全反射）電光效應(yīng)電光效應(yīng)某些特定材料，外加電場(chǎng)作用某些特定材料，外加電場(chǎng)作用后，光的折射率會(huì)發(fā)生變化。后，光的折射率會(huì)發(fā)生變化。LModulated outputCW light inputElectrodeCross section of wav

31、eguide光放大器光放大器光信號(hào)在光纖長距離傳輸過程中，有損耗，光信號(hào)在光纖長距離傳輸過程中，有損耗，需中繼器放大信號(hào)后繼續(xù)傳播。需中繼器放大信號(hào)后繼續(xù)傳播。電中繼器：光電中繼器：光電電光，系統(tǒng)復(fù)雜光，系統(tǒng)復(fù)雜光放大器：實(shí)時(shí)、在線、高增益、低噪聲、光放大器：實(shí)時(shí)、在線、高增益、低噪聲、低損耗；波長、速率、調(diào)制方式透明的直接低損耗；波長、速率、調(diào)制方式透明的直接光放大光放大光纖放大器光纖放大器 摻鉺（摻鉺（Er）光纖放大器，成功用于海底光纜）光纖放大器，成功用于海底光纜 Er3+是增益介質(zhì)是增益介質(zhì)EDFA loop0.98 m 1.55 m Signal (1.55 m)Pump (0.98m)OutputEDFAPumpInput fiberElectronic circuitOutput fiberPhoto-diodeLaser diodeInput fiberInput fiber中繼器（放大器）中繼器（放大器）波分復(fù)用器波分復(fù)用器 問題問題調(diào)制器頻率限制了光纖的容調(diào)制器頻率限制了光纖的容量量 解決方法解決方法從序列調(diào)制模式到平行從序列調(diào)制模式到平行調(diào)制模式，即用波分復(fù)用技術(shù)。調(diào)制模式，即用波分復(fù)用技術(shù)。 用干涉濾波片、光柵用干涉濾波片、光柵波分復(fù)用器波分復(fù)用器12332