光纤通信与量子信息

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1、2010年全国高等学校电磁学教学研讨会年会光纤通信和量子信息孙方稳中科院量子信息重点实验室光学与光学工程系中国科学技术大学2010年7月20日*Email:fwsun@ustc.edu.cn光纤量子通信和量子信息操作2光纤量子通信和量子信息操作物质（能量）的传送分离式：交通工分离式：交通工具；具；连续式：管道方式；辐射方式；连续式：管道方式；辐射方式；3光纤量子通信和量子信息操作信息的传送声音：机械波声音：机械波电子信号：电磁波电子信号：电磁波光信号：电磁波光信号：电磁波距离更远！速度更快！安全性更高！4光纤量

2、子通信和量子信息操作提高传输效率（距离）：1.整体传输；2.轨道传输；提高传输速度：光速（电磁波）传输光纤通信提高安全性：量子通信；光纤量子通信5光纤量子通信和量子信息操作大纲：1.光纤及光纤通信2.光纤量子通信---量子密钥分配3.光纤量子信息操作4.其他光学微纳结构6光纤量子通信和量子信息操作大纲：1.光纤及光纤通信2.光纤量子通信---量子密钥分配3.光纤量子信息操作4.其他光学微纳结构7光纤量子通信和量子信息操作1.0如何传输光？8光纤量子通信和量子信息操作1.1光纤的原理---光束的全反射全反射原理光

3、纤中的全反射DanielColladon1842.DanielColladon1842.水柱水柱光波导光波导光线全反射能量损失小远距离传输！9光纤量子通信和量子信息操作1.2光纤的分类模式折射率材料工作波长（微米*）多模光纤阶跃折射率玻璃（石英）光纤短波（0.7-0.9）单模光纤渐变折射率塑料光纤长波（1.1-1.6）特种光纤氟化物光纤超长波（>2）液体光纤单模光纤多模光纤*注：1微米=0.001毫米；头发丝直径约100微米。数据（音频）光纤10光纤量子通信和量子信息操作1.3光纤的结构常用通信光纤结构

4、及尺寸（单位：微米）多模单模材料功能1.纤芯50(E)/8-10SiO掺杂GeO折射率较高，用来2262.5(U)传送光2.包层125125SiO掺杂BO或折射率较低，与纤223F；（成本高）芯一起形成全反射塑料；（成本低）条件3.缓冲层2504.外套400强度大，能承受较大冲击，保护光纤保偏光纤（熊猫光纤）光子晶体光纤11光纤量子通信和量子信息操作1.4光纤的损耗光纤的损耗：1.光散射；2.材料吸收；3.形变：弯曲，挤压；4.杂质和缺陷；5.连接。镜面反射漫反射常用通信光纤损耗(dB/km):850nm：2.

5、3-3.4；1310nm:0.4-0.6;1550nm:0.2-0.3;塑料多模光纤：300；光纤熔接点：0.2/点常用光纤损耗谱12光纤量子通信和量子信息操作1.5光纤的应用1.传输光能：光纤照明；光纤成像；光纤激光器；光纤光谱仪；医学和娱乐方面应用2.测量和传感：测量应力，温度，压强；光纤陀螺；3.传输信息：光纤通信；13光纤量子通信和量子信息操作1.5光纤通信的历史0.1960年代之前：烽火；同轴电缆：损耗5-10dB/km,需要大量中继器；微波：载波频率受限；光纤：损耗1000dB/km；1.1960-

6、1980，第一阶段：1960年，激光的发明，提供了良好的相干光源；1966年，华裔科学家高锟等人理论指出可以制造适合通信的低损耗光纤*；1970年，康宁公司制造出损耗20dB/km光纤；同时代；砷化镓作为材料的半导体激光也被发明出来，激光光源小型化。1976年，第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通信系统在美国亚特兰大诞生；1980年，第一个商用的光纤通信系统问市，速率45Mbit/s；波长800纳米的砷化镓激光作为光源；每10公里需要一个中继器增强信号。14光纤量子通信和量子信息操作1.5光纤通信的历史2.

7、1980年代，第二阶段：1980年，掺铒光纤放大器的发明；直接进行光中继，长距离高速传输成为可能；1981年，单模光纤的发明，克服传输中色散问题；波长1310纳米的磷砷化镓铟激光作为光源；1987年，传输速率为1.7Gbit/s；每50公里需要一个中继器3.第三阶段：1550纳米的激光做光源，光纤中信号损耗低至0.2dB/km；色散迁移光纤的发明解决传输中脉冲扩散问题；传输速率达到2.5Gb/s，中继器的间隔可达到100公里；4.第四阶段：光纤放大器和波分复用技术；2001年，传输速率达10Tb/s*，随后增至

8、14Tb/s；中继器的间隔可达到160公里；5.第五阶段：低损耗无水光纤以及光孤子技术；全光网络。15光纤量子通信和量子信息操作1.6光纤之父---高锟高锟；CharlesKuenKao;1933年11月4日生于上海；光纤通信的先驱，被称为“光纤之父”或者“光纤通信之父”；2009年获诺贝尔物理学奖表扬“在纤维中传送光以达成光学通讯的开拓成就”（for"groundbreakingac