1 诺贝尔奖与光学诺贝尔奖与光学 —激光及其应用激光及其应用 2009诺贝尔物理学奖 授予英国华裔科学家高锟授予英国华裔科学家高锟 美国科学家威拉德美国科学家威拉德· 博伊尔和乔治博伊尔和乔治· 史密斯史密斯 高锟的贡献 诺贝尔物理学奖评选委员会主席约瑟诺贝尔物理学奖评选委员会主席约瑟 夫夫· 努德格伦用一根光纤电缆形象地解努德格伦用一根光纤电缆形象地解 释了高锟的重要成就：早在释了高锟的重要成就：早在1966年，年， 高锟就取得了光纤物理学上的突破性高锟就取得了光纤物理学上的突破性 成果，他计算出如何使光在光导纤维成果，他计算出如何使光在光导纤维 中进行远距离传输，这项成果最终促中进行远距离传输，这项成果最终促 使光纤通信系统问世，而正是光纤通使光纤通信系统问世，而正是光纤通 信为当今互联网的发展铺平了道路信为当今互联网的发展铺平了道路 • 高锟 简介 中文名：高锟中文名：高锟 英文名：英文名：Charles K. Kao 于于1933年出生于江苏省年出生于江苏省 金山县（现上海金山区）金山县（现上海金山区） 拥有英美双重国籍，目拥有英美双重国籍，目 前在香港和美国轮流居前在香港和美国轮流居 住。
住 2 • 高锟 简介 1957年，高锟读博士时进入国际电报公司年，高锟读博士时进入国际电报公司(ITT)，在其英国子公，在其英国子公 司司——标准与电缆有限公司标准与电缆有限公司(Standard Telephones and Cables Ltd.)任工程师任工程师 1960年，他进入年，他进入ITT设于英国的欧洲中央研究机构设于英国的欧洲中央研究机构——标准电信实验标准电信实验 有限公司，在那里工作了十年，其职位从研究科学家升至研究经理有限公司，在那里工作了十年，其职位从研究科学家升至研究经理 从从1957年开始，高锟即从事光导纤维在通讯领域运用的研究年开始，高锟即从事光导纤维在通讯领域运用的研究 1964年，他提出在网络中以光代替电流，以玻璃纤维年，他提出在网络中以光代替电流，以玻璃纤维 代替导线代替导线 1965年，在以无数实验为基础的一篇论文中提出以石英基年，在以无数实验为基础的一篇论文中提出以石英基 玻璃纤维作长程信息传递，将带来一场通讯业的革命，并玻璃纤维作长程信息传递，将带来一场通讯业的革命，并 提出当玻璃纤维损耗率下降到提出当玻璃纤维损耗率下降到20分贝／公里时，光纤维通分贝／公里时，光纤维通 讯就会成功。
讯就会成功 1966年，在标准实验室与何克汉共同提出光纤可以用年，在标准实验室与何克汉共同提出光纤可以用 作通信媒介高锟在电磁波导、陶瓷科学（包括光纤制造）作通信媒介高锟在电磁波导、陶瓷科学（包括光纤制造） 方面获方面获28项专利 • 高锟 简介 1970到到1974年高锟教授在香港中文大学担任电子学系教授年高锟教授在香港中文大学担任电子学系教授 及讲座教授，及讲座教授，1974年又返回年又返回ITT工作当时，光纤领域进入工作当时，光纤领域进入 前生产阶段他在位于美国弗吉尼亚州劳诺克的光电产品前生产阶段他在位于美国弗吉尼亚州劳诺克的光电产品 部担部担 任主任科学家，后擢升为工程主任任主任科学家，后擢升为工程主任 1982年，他被年，他被ITT公司任命为首位“公司任命为首位“ITT执行科学家”，主执行科学家”，主 要在康尼迪克州的先进技术中心工作，要在康尼迪克州的先进技术中心工作，1985年则在德国的年则在德国的 SEL 研究中心工作与此同时，他也担任耶鲁大学特朗布研究中心工作与此同时，他也担任耶鲁大学特朗布 尔学院兼职教授及研究员尔学院兼职教授及研究员1986年，他被任命为合作研究年，他被任命为合作研究 主任。
他也在标准电缆下属的标准电信实验室作研究他也在标准电缆下属的标准电信实验室作研究 1987年年10月，高锟从英国回到香港，并出任香港中文大学月，高锟从英国回到香港，并出任香港中文大学 第三任校长从第三任校长从1987年到年到1996年任职期间，他为中文大学年任职期间，他为中文大学 罗致了大批人才，使中大的学术结构和知识结构更加合理罗致了大批人才，使中大的学术结构和知识结构更加合理 在与内地科技界的交流合作中，他主张“一步一步把双方在与内地科技界的交流合作中，他主张“一步一步把双方 的联系实际化”的联系实际化” • 高锟 简介 由于他取得的成果，有超过由于他取得的成果，有超过10亿公里的光缆以闪电般的速亿公里的光缆以闪电般的速 度通过宽带互联网，为全球各地的办事处和家居提供数据度通过宽带互联网，为全球各地的办事处和家居提供数据 高锟于高锟于1996年当选为中年当选为中 国科学院外籍院士由国科学院外籍院士由 于他的杰出贡献，于他的杰出贡献，1996 年，中科院紫金山天文年，中科院紫金山天文 台将一颗于台将一颗于1981年年12月月 3日发现的国际编号为日发现的国际编号为 ““3463”的小行星命名的小行星命名 为“高锟星”为“高锟星” 照片摄于照片摄于 “高锟星”“高锟星” 命名仪式上命名仪式上 3 光通信应用光通信应用 烽火台、灯光闪烁、旗语、信号烽火台、灯光闪烁、旗语、信号 灯等灯等 ——视觉通信视觉通信 采用光波作为载波来传递信息的采用光波作为载波来传递信息的 通信方式通信方式 ——光通信光通信 光波通信的必要性和优越性光波通信的必要性和优越性 一般电波频率～一般电波频率～1MHz ,(MHz=106Hz) 微波频率微波频率~1GHz (GHz=109Hz) 光频率～光频率～1014Hz，比微波快，比微波快4～～5个数量级个数量级 通信容量通信容量(速率速率)与载波频率成正比与载波频率成正比 光波通信可以满足大容量通信的需要光波通信可以满足大容量通信的需要 基本的光通信系统基本的光通信系统 • 传输的信息：电信号传输的信息：电信号 模拟信号模拟信号—随时间连续变化：音频、视频随时间连续变化：音频、视频 数字信号数字信号—只取离散值只取离散值,bit1,bit0:计算机数据计算机数据 模拟信号模拟信号——数字信号数字信号 采样采样——量化量化——编码编码 电信号电信号——通过直接调制光源或用外调制器通过直接调制光源或用外调制器 调制光源调制光源——光信号传输光信号传输 光通信系统结构光通信系统结构 空间通信或光纤通信：空间通信或光纤通信： 信号调制在激光束上，通过光发送机，信号调制在激光束上，通过光发送机， 并以大气或光纤作通信信道，并以大气或光纤作通信信道， 再通过接收机把信号还原再通过接收机把信号还原 输入信号输入信号 通信信道通信信道 发送机发送机 接收机接收机 输出信号输出信号 4 光发送机组成光发送机组成 电信号调制在激光束上，通过光发送机，电信号调制在激光束上，通过光发送机， 光信号输出光信号输出,并以大气或光纤作通信信道并以大气或光纤作通信信道 电信号输入电信号输入 光源光源 控制电路控制电路 光信号输出光信号输出 调制器调制器 信道耦合器信道耦合器 光接收机组成光接收机组成 通过光探测器将光信号转化为电信号通过光探测器将光信号转化为电信号,并通并通 过解调器恢复为原来的电信号过解调器恢复为原来的电信号 电信号输出电信号输出 信道耦合器信道耦合器 电路电路 光信号输入光信号输入 光探测器光探测器 解调器解调器 两种光学通信方式两种光学通信方式 •光纤光缆通信光纤光缆通信 (有线通信有线通信)—重点介绍重点介绍 •激光空间通信激光空间通信 (无线通信无线通信) ----激光束作为信息载体进行空间通信激光束作为信息载体进行空间通信( (包包 括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、 星际间、太空间星际间、太空间) ) 优点：优点：大通信容量、低功耗、重量轻、体积大通信容量、低功耗、重量轻、体积 小小、保密性强。
适用近距离或外空间的通信、保密性强适用近距离或外空间的通信 缺点：受气候影响、受大气散射、吸收严重，缺点：受气候影响、受大气散射、吸收严重， 能量损失大能量损失大 卫星激光通信卫星激光通信 以激光为传输媒介，在卫星之间建立以激光为传输媒介，在卫星之间建立 光通信链路，实现数据传输的技术光通信链路，实现数据传输的技术 难点难点: •卫星光链路的空间瞄准、捕捉和跟踪卫星光链路的空间瞄准、捕捉和跟踪 •存在背景光的影响存在背景光的影响 •终端之间有相对运动终端之间有相对运动 •卫星之间的通信距离远卫星之间的通信距离远 •对系统的可靠性要求高对系统的可靠性要求高( (升空后维护困难升空后维护困难) ) 5 SMART-1号（号（2007年年9月月3日撞击月球的空间探测日撞击月球的空间探测 器）与地面进行激光通信测试模拟图器）与地面进行激光通信测试模拟图 激光空间通信激光空间通信 卫星激光通信示意图，卫星激光通信示意图，载有激光终端的载有激光终端的 OICETSOICETS卫星于卫星于20052005年年8 8月月2424日成功升空日成功升空 光通信必须解决的两个问题光通信必须解决的两个问题 •有稳定的、低损耗的传输媒质有稳定的、低损耗的传输媒质—— 解决方法：光学纤维解决方法：光学纤维-石英石英(医用医用) 1966年高锟提出光纤传输理论年高锟提出光纤传输理论 1970年低损耗石英光纤制成年低损耗石英光纤制成 •频率稳定、高强度的、可靠的载波光源频率稳定、高强度的、可靠的载波光源—— 解决方法：激光器解决方法：激光器——半导体激光器半导体激光器 光纤通信光纤通信 光纤通信光纤通信——光限制在很细的管道中传输光限制在很细的管道中传输 优点：优点： •低损耗低损耗——150km（光纤）（光纤）~10-20km（同（同 轴电缆）轴电缆）——转发器间距长转发器间距长 •大的带宽大的带宽——15000GHz（光纤）（光纤）~ 10GHz （微波通信系统）（微波通信系统）——传输容量大传输容量大 •无电磁干扰无电磁干扰——无串音，不受电站、高压无串音，不受电站、高压 传输的影响传输的影响 •原材料丰富、便宜，光纤重量较铜轻原材料丰富、便宜，光纤重量较铜轻 6 光纤通信图光纤通信图 光导纤维光导纤维 •光的折射定理光的折射定理 n2n1全反射：全反射： 当入射角大于临界角当入射角大于临界角θc 介质介质2的光不再折射的光不再折射 到介质到介质1 (条件条件n2 >n1) ，全部反射到介质，全部反射到介质2。
折射定律：折射定律： n2sinθin= n1sinθz θ c= arcsin (n1 /n2) •光纤的结构：内层的折射率大光纤的结构：内层的折射率大 光在光纤中光在光纤中 的传播路径的传播路径 claddingcore纤芯纤芯 包层包层 波导材料：波导材料： 单模玻璃光纤单模玻璃光纤 •实际光纤的结构：实际光纤的结构： 光在光纤中的传播路径光在光纤中的传播路径 Tension memberBuffer layersDucts for power feed wiresCoated optical fiber填料填料 输电管道输电管道 紧固体紧固体 光纤光纤 7 用于光纤通信的用于光纤通信的 最合适的激光波长最合适的激光波长 玻璃光纤材料红外吸收和色散曲线玻璃光纤材料红外吸收和色散曲线 1.3 m1.55 mLossDispersionWavelength色散色散 损耗损耗 光纤中的色散光纤中的色散 色散色散——光脉冲经过一段距离的传输后光脉冲经过一段距离的传输后 逐渐展宽，信号畸变失真激光光源逐渐展宽，信号畸变失真激光光源 并非绝对单色光不同频率的光波，传并非绝对单色光不同频率的光波，传 输速度不同）。
输速度不同） 1.38 m m色散为零色散为零 1.55 m m有色散有色散, ,用。