光子学应用课件

2020 3 3 1 光子学应用 光纤通信技术光信息存储技术光纤传感技术 2020 3 3 2 光子学应用 光子学的应用包括光信息的传输 光纤通信 计算机光互联 光信息处理 光计算 光交换 光信息获取 光学与光纤传感 光信息存储 光盘 及光信息显示等五方面 2020 3 3 3 光子学应用 光子与电子结合形成了具有强大生命力的信息光电子技术与产业 光纤通信已成为通信产业的支柱之一 光计算机 电子计算机的光互连目前尚未进入实用阶段 光信息采集技术如光纤传感 光纤陀螺 光纤水听器等 已开始实用化 光存贮技术中 各种光盘 可擦写的光盘 已随着计算机应用和CD或VCD DVD等深入到百姓的日常生活中了 各种大屏幕光信息显示装置如液晶显示 等离子体显示等也日渐普及 已部份取代电子显象管 光子技术业己形成巨大的产业 2020 3 3 4 光子学应用 2020 3 3 5 光纤通信的发展历程 1980年开始 数字光纤通信采用异步复接 PDH 方案 在美国以三次群DS3标记 码率44 7Mb s 通672话路或一路数字电视 1987年美国巳广泛使用36 DC3即码率为1 668Gb s 通24192话路或36路电视 1988年 CCITT颁布数字通信同步复接 SDH 系统的建议 G 707同步复接比特率体制 G 708同步复接系统的网络节点接口 NNI 方案 G 709同步复接系统的结构 等等规定 从此在世界范围统一了同步复接方案 同步复接从4次群开始OC 3码率155Mb s 以后按N倍乘复接 OC 12为622Mb s OC 48为2 488Gb s OC 192为10Gb s等 2020 3 3 6 光纤通信技术 2020 3 3 9 光纤通信技术 2020 3 3 10 光纤通信技术 2020 3 3 11 光纤通信技术 在波分复用WDM的条件下 EDFA是透明的对各个不同光源的信道都一样得到放大 系统特别简洁 采用光 电 光中继器时 每个中继器只对一个波长的信道起中继放大的作用 因此对这一级就必须用n个中继器来替代一个放大器 在WDM条件下 使用EDFA将大大降低通信网络的成本 2020 3 3 12 光纤通信技术 图解 从 IM DD 光纤通信系统发展的历程 可以看出从1974年到1994年的20年间光纤通信的容 量大约以每4年增加一个数量级的速率发展 并经历过五个发展阶段 0 8微米短波长 多模光纤 1 3微米长波长 单模光纤 1 5微米 单模光纤 1 5微米相干光通信 未实用化 1 5微米EDFA WDM通信等五个阶段 2020 3 3 13 光纤通信技术 美国国家研究委员会化了4年时间 于1998年发表详细报告 确定21世纪光科学和工程的研究发展领域 其核心就是针对信息光子学领域中的前沿科学工程问题开展基础性研究和应用 以满足美国21世纪经济持续发展的需要 其中 以光子作为信息传播载体的光通信科学和技术是关键的研究发展领域 是全功能发挥互联网作用的无可替代的物理层基础 自1995年来的发展证实了上述论断的正确性 2020 3 3 14 2020 3 3 15 光纤通信技术 95年以后 IP网业务急剧增长 以6 9个月翻一番的速度迅猛发展 被称为新摩尔定律 大家对计算机芯片每18个月翻一番 带来了计算机的迅速个人化和家庭化已有深刻印象 同样 由IP业务引起的全光通信的革命势必导至21世纪人类社会经济和文明的巨大变革 2020 3 3 16 光纤通信技术 上图表明 全光通信的新摩尔定律正以更快的速度引起网络的深刻革命 大约在2002年 数据业务量将超过话音业务量 达到35Tb s 美国 2020 3 3 17 光纤通信技术 光纤通信自1976年第一条光纤通信线路开通之后 经过20余年的发展 已成为全球性长途通信的主力 所谓 信息高速公路 就是由光缆组成的全球性的干线网络 时至今日 数据 语音 图象三者组成局域网LAN 城域网 MAN 广域网 WAN 有线电视网 CATV 等 无一不是用光缆构成的 通信技术的进步与光纤技术的进步是相互促进 相辅相成的 光纤技术经过 阶跃多模光纤 梯度多模光纤 单模光纤 1300nm下为零色散 色散位移光纤 1550nm零色散 非零色散位移光纤 色散补偿 光纤放大器 EDFA 与波分复用技术 WDM 的发展 2020 3 3 18 光纤通信技术的未来 目前IM DD方式的光纤通信正通过DWDM技术向一条光纤传输1000Gbits s 1Tbits s 40 x25Gbits s 以上的方向发展 扩大1550nm的通带 研究L波段的EDFA 1570 1610nn 这样DWDM将发展到80个波段的波分复用 将1310 1550nm两个低损耗波段打通 可用的波长范囤将达300 400nm 安排400 500个波分复用 DWDM OTDM技术再下一步 可能是以光孤子脉冲 DWDM方式向1Tbits s以上的码率发展 除此以外 以外差方式的相干光通信也将随着光子器件的完善而进一步发展 现在可以清楚看到新的世纪将是光通信的世纪 2020 3 3 19 340Gb s WDM传输成功 1999 日本KDD用大芯径光纤种DSF相间配置克服光非线性和色散斜率引起的性能恶化 成功地在6054km距离上 进行了340 32x10 66Gb s的DWDM实验 每一信道S N 16 1dB 32个ch 的平均Q值 16 2dB 误码率 10E 9 2020 3 3 20 FBG在光纤色散补偿方面的突破 3M公司在OFC IOOC 99会上展示了 带宽 10nm 损耗 0 25dB m ch 的FBG FBG的色散D 1360ps nm 时延抖动小于 品质因数可达400ps nm以上 FBG的长度为通常的4倍 该器件用已改善10Gb s通信系统的性能LaserComm公司开发出 空间模转换 器件用于控制光纤的色散与噪声 提高10Gb s信号的有效的功率 120ch 的DWDM产品在EDFA的C波段安排64个50Gb s的ch 在L波段也安排64个50Gb s的ch 在这种应用中光源的波长稳定性非常重要 日本住友制造了在C与L两个波段的DFB LD 日产1000个 2020 3 3 21 亚太二号 海底光缆动工 该网将存上海与汕头登陆 以满足未来对IP与电子商务的需求 连接中 新加坡 韩 日 澳五国的海底光缆2000年动工2002年竣工 每对光纤传输速率 640Gb s 用4对光纤组成自愈环网 1999年我国对光传输设备市场规模约200 300亿元 SDH万余部 光端机36万端 系统12万套 光纤接入网推进3万多km 1999上半年光纤接入网建设接近150万线 台湾光电子 1998年产值60亿美元 5年内升至150亿美元KMI公司预测塑料光纤POF年增长34 1998达5000万美元 主要用于工厂自动化 用户电子设备及网络 DWDM市坏1998为22亿美元 1999为 94亿 Lucent占市场的29 2020 3 3 22 西门子单光纤传送3 2Tbits s Lucent的EDFA带宽84 3nm 100 x100Gb sor200 x5 Gb s G 25dB NF 6dB Pout 25dBm 到2000年底 中国的长途网达22万km 省网14万km微波干线 40个地球站组成 西门子成功进行了80 x40Gbits s 3 2Tb s 传送40km 西门子还将试验40Gb s的TDM系统 Lucent最近研制出WaveStarOpticAir系统采用最新的激光器 放大器 接收机 可放置在屋顶 窗口上通过空气进行点对点的话音 数据或视频传送 大大推动了LAN系统的发展 在校园网中也可得到应用 将来还可采用WDM技术增容 2020 3 3 23 光信息存储技术 光学存储的概念是1966年提出的 在激光全息术研究背景下发展的全息存储技术是第一代光存储器 第二代始于1972年 采用逐比特记录技术 制成小型数字化的声盘与视盘 并用激光二极管 LD 来读出 第三代光存储器则始于1978年 它采用LD和逐比特读 写技术 研究计算机用的光存储系统 2020 3 3 24 光信息存储技术 激光发明之后 就有较多的单位加入研究 1969年荷兰菲利浦公司研究激光电视录像盘 1972年展出了播放电视节目的光盘系统 1978年美国Magnavax公司开始出售VH 8000型电视光盘播放机 80年代初 美 日 荷等相继形成产品 如声盘CD 只读存储光盘 CD ROM 等 对于一次写入系统和可擦除重写的磁光盘 相变存储系统等都在紧张的研究 进入90年代 发展更加迅速 不但出现了直接重写的磁光 相变光盘系统 而且近年来对高密度CD HDCD 技术 更是得到了迅速发展 其可能首先用于数字视盘 DVD 并可望得到广泛的应用 2020 3 3 25 光信息存储技术 光盘存储较之磁存储技术有下面几个优点 i 存储密度高 一张130mm直径的光盘可存储1000Mb 为硬磁盘的几十倍 软盘的几百倍 ii 存储寿命长 10年以上 iii 具有非接触式读 写信息性能 光头与光盘相距1 2mm 不会磨损盘片 iv 信息的载噪比 CNR 高 光盘CNR在50dB以上 多次读出也不降低 v 信息位价格低 光盘可容易大量复制 其信息位价格比磁记录价格低几十倍 2020 3 3 26 光盘存储原理 光盘存储技术存储介质无机材料与有机材料二种 存储机理一次相变写入 磁光和相变可多次擦写 最早光存储材料是Te基合金薄膜 用激光脉冲加热Te合金 从晶态变成非晶态 反射率差可达40 Te合金的缺点是晶体温度仅为100C 所以在室温下 很容易丢失记录点 Se GeTe Sb2Se等合金性能有改善 有机相变材料有许多优点 熔化或软化点温度较低 热传导性较小 记录密度高 成本低 近年来研究是针对 降低擦除时间 提高擦写次数 提高稳定性 2020 3 3 27 一次性写入光盘存储介质 一次性写入光盘是利用激光光斑在存储介质中形成不可逆变化的微区 这些微区就记录下信息 i 烧蚀型 利用激光的热效应在存储介质上烧蚀出信息坑孔 通常用的光盘以聚甲苯丙烯酸甲酯 PMMA 为衬底 厚度1 2mm 上面溅射一层介质薄层 用 2830A的激光 聚焦在1 2 m范围内烧蚀出坑孔而记下信息 ii 起泡型 存储介质由聚合物 高熔点金属膜层薄膜组成 激光照射使聚合物分解排出气体起泡 致使上层的金属膜隆起 这样 由信息泡与周围介质膜的反射率形成的差异而达到信息的读出 2020 3 3 28 iii 熔线型 存储介质是用离子刻蚀的硅薄膜 表面呈绒面结构 反射很弱 当激光光斑照射在绒面上时熔成镜面 形成反差 而达到信息的存储和读出 iv 合金化型 记录介质是Pt Si Rh Si或Au Si制成双层结构 激光加热的微区将二薄层熔成合金 形成反差记录 v 相变型 存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜 利用激光热效应和光效应使照射的微区发生相变 形成反差 一次性写入光盘存储介质 2020 3 3 29 可擦写相变光盘存储介质 2 可擦重写相变光盘可擦重写相变光盘是利用记录下介质在两个稳定态之间可逆I II相变状态之间的变化 从而实现可反复擦写 i 在结晶态相 相 之间可逆地变化 较多采用 族元素半导体制成的化合物薄膜 这种材料缺点是 相之间对光的反差较小 不太实用 ii 非晶态 和非晶态 之间的相变 介质如As2S3 As2Te2等 激光束使材料以 光白化 Photebleaching 和 光黑化 Photodarking 之间往复相变 但这种相变反差也偏小 故不适用 2020 3 3 30 可擦写相变光盘存储介质 iii 玻璃态与晶态之间的相变 这是一种已经实用化了的材料 已有报道GeTe Sb2Te4合金表现出快速结晶的性能 用8mw 50ns可使100nm厚的GeSb2Te4薄膜结晶 可以重复读写105次 线速度达22m s 在重复写入频率为5 7MHz的情况下 可获得大于50dB的CNR和 22dB的擦除率 记录和擦除的光功率分别为22mw和10mw 97年初 这种可擦除的相变光盘产品已推出 如设在美国的Canon公司和菲利浦公司 2020 3 3 31 提高光盘存储密度的方法 我们在介绍园孔光衍射时曾经使用爱里 Airy 斑公式 1 22 D 但在光存储技术中 由于光的衍射角很大 且光学镜头的数值孔径NA n sin 因此我们利用的公式变成为了提高记录密度 即减小光斑的直径D 所以要求光波长 要用短波长的紫外光到浅红光 且光学透镜的数值孔径角NA要尽量大 日本Sony公司用Nd YAG KTP倍频产生532nm的绿光 实现了三倍密度的CD盘 300mm盘可放90分钟 一个信息位的直径约在0 5 m左右 2020 3 3 32 提高光盘存储密度的方法 2020 3 3 33 光子技术应用之三 光纤传感器 本节将介绍光子技术在传感技术方面的应用 光纤传感器虽然种类繁多 用途不一 调制的原理与机制也各不相同 但是 总起来看不外通过光纤来传输已调制光的强度 偏振态 频率和相位或利用光纤对弯曲 压力 形变 振动 电场 磁场等外界参量的敏感来构造光纤传感器 下面我们择要介绍几种典型的光纤传感器 2020 3 3 34 光纤温度传感器 光纤温度传感器是近几年发展起来的新技术 也是工业中应用最多的光纤传感器之一 按照调制原理有相干型和非相干型两类 在非相干型中 它又可分为辐射温度计 半导体吸收式温度计 荧光温度计等 在相干型中 有偏振干涉 相位干涉以及分布式温度传感器等 这里仅介绍辐射式与分布式二种 2020 3 3 35 光纤温度传感器 式中 M T 是黑体发射的光谱辐射亮度 单位为 第一辐射常数C1 3 74 10 12 W cm 2 第二辐射常数C2 hc 1 44 cm K 为光谱辐射波长 单位为 m T为黑体辐射 绝对K 温度 辐射温度传感器属于被动式温度测量 其测量原理是黑体辐射定律 辐射源发射的光谱辐射亮度分布可用普朗克公式改写为 2020 3 3 36 光纤温度传感器 黑体光谱亮度同波长 与温度T的关系如下图所示 当温度达500K时 开始出现暗红色的辐射 随着温度的增加 亮度也逐渐加强 利用光电检测器测量亮度即光强的变化 就能检测温度 这就是单波长测量的原理 2020 3 3 37 单波长测温的框图如图所示 被测辐射能量由探头中的物镜会聚 用滤色镜限制工作光谱范围后经传光束送到探测器 探测器把光强信号变换成电信号 经过线性化 V I转换 A D转换 在数字电压表上读出被测温度 为保持仪器的测量精度和稳定性 将探测器 滤色镜和前置放大器等 置于恒温器中 以减少外界环境因素的影响 光纤温度传感器 2020 3 3 38 光纤温度传感器 2020 3 3 39 光纤温度传感器 光纤辐射温度计在冶金 窑炉 高频淬火 涡轮发动机 电站 油库等方面获得广泛的应用 表五为美国LAND仪器公司生产的系列产品 辐射温度计的主要优点是 非接触测量 可测运动物体的瞬间温度 响应速度快 没有一般温度计的热平衡时间 抗电磁干扰 可作为高温