CH1 绪论.doc

导波光学
（摘自李玉全编著的「光波导理论与技术」一书的部分章节）
第一章绪论
当今社会是信息社会，信息技术正在改变着人类社会。在各种各样的信息技术中，光信息技术的地位越来越重要，作用也越来越突出。在信息的产生、采集、显示、传输、存储以及处理的各个环节中，光技术都扮演着重要的角色。20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学技术的蓬勃发展，导波光学（包括集成光学和纤维光学两个分支）已成为光信息技术与科学的基础。
光通信是20世纪70年代以后发展起来的新的通信技术。光通信被认为是通信发展史上一次革命性的进步，它对人类由工业化社会向信息化社会的进步，有着不可估量的推动作用，而光波导理论和光通信器件则是光通信技术的基础。鉴于教学学时的限制，本教材仅对光波导的基本理论、以及它在光通信系统中的应用予以概括性的技术介绍。在介绍具体的光波导理论及应用之前，我们首先简单介绍一下光通信的发展过程。
本教材论述了导波光学的主要理论基础和应用技术。
1.1通信历史的回顾
通信的发展历史总是与人类文明的发展历史紧密相关的。可以认为，人类早期的长途通信手段____烽火台报警通信就是光通信。烽火台通信是现代接力通信的雏形，每个烽火台就是一个通信中继站。当边关有战事时，烽火台点起烽烟，一级接一级地往下传，很快即可将信息送达目的地。当然这种光通信并非现代意义下的光通信，可以称它是目视光通信。这种通信方式的优点是快速，主要缺点是能传输的信息量太小，烽火无法表达边关战事的具体情况。到了中世纪这种烽火台通信又得到了改进，人们用不同颜色的烽烟组合来传递较为复杂的信息。目视光通信在19世纪达到了它的顶峰。18世纪末，法国人夏布（Chappe）发明了扬旗式通信机（又称旗语通信机）。在这种通信方式中，每隔数公里设置一塔，塔上装有三块可活动的木版，木版以不同的运动姿态代表不同的信息，各站以接力方式将信息传到目的地。扬旗通信在拿破仑时代达到了鼎盛时期，在欧洲架设了数千公里的线路。到了19世纪中叶，由于电通信技术的出现，以扬旗通信为代表的目视光通信因其固有的缺点而迅速退出了历史舞台。
1837年美国人莫尔斯发明了电报，标志着人类进入了电通信时代。以后贝尔发明了电话，马可尼、波波夫发明了无线电通信，于是电通信即成为最主要的通信方式。可以说，直到20世纪60年代，电通信在通信领域都居于绝对统治地位。
电通信是以射频电磁波作为信息载体的通信方式，它的发展历程实际上就是所使用的载波频率由低到高的发展过程。可以这么说，电通信的容量几乎是与所使用的载波频率成正比的。随着生产和科学的发展，人们对通信容量的要求越来越高，这就迫使人们不断开发利用频率更高的电磁波频段。20世纪50年代，微波通信技术的发展，尤其是20世纪60年代以后，卫星通信的发展将电通信技术推到了一个顶峰。工作于微波频段的卫星通信技术是人类通信史上一个巨大进步，但微波频段毕竟只有有限的可用频带，它已远远不能满足人类对通信容量的要求，因而开发利用毫米波，甚至远红外波段就成为自然趋势。但令人遗憾的是，在开发毫米波，甚至更短波段的电磁波作为信息载体时，人们遇的了难以逾越的困难。首先是地球周围大气层中的水汽对毫米波、亚毫米波的强烈吸收，以及大气电磁参数的不稳定，导致毫米波和亚毫米波难以作为信息载体而被有效地利用。其次是亚毫米波乃至更高频段电磁波的产生在理论上和技术上都有许多难题，不易解决。在毫米波和亚毫米波作为信息载体应用遇到困难的同时，人们很自然地将注意力又聚集到了光波上。光波有比毫米波要高得多的频率，利用光波作为信息载体，其潜在的通信容量是传统的电通信手段所无法比拟的。当然，现代意义下的光通信绝对不是先前意义的光通信。
现代意义的光通信必须对光波进行高速调制，使其承载高速数据信息，并采取有效措施使之能长距离传输，并能在接收端将其准确再现。显然，要实现现代意义下的光通信必须解决两个最为关键的问题：一是可以高速调制的相干性很好的光源，二是低损耗的光波传输介质。直至20世纪50年代，人们所使用的光源都是非相干光源，这种光源发出的光波，其频谱极宽，相位和偏振态都是随机的，因而难以对其进行高速调制。1960年第一台激光器问世，激光器是基于光的受激辐射放大机理制成的相干性极好的光源，这种光源发出的相干光束即可成为高速数据信息的载体。1970年美国贝尔实验室研制成功的在室温下可以连续工作的半导体激光器，为光通信提供了实用化的光源。光信号的长距离传输同样是至关重要的问题。光波在大气中传播会受到大气中的水汽的强烈吸收，这是人所共知的。