光纤技术专题课件

1、光纤技术专题饶云江 长江特聘教授 电子科技大学通信与信息工程学院Email: 二零零五年九月光纤技术专题饶云江 长江特聘教授 提 纲专题一：光纤激光器 专题二：光纤到户（FTTH）技术Optical Fiber Technology Group提 纲专题一：光纤激光器Optical Fiber Te光纤激光器的发展现状激光器和光纤激光器的基本原理几种实用型光纤激光器光纤激光器的发展现状激光器和光纤激光器的基本原理激光器的基本原理激光器的基本原理是光受激辐射的放大激光器的三个组成部分：泵浦源，工作物资，谐振腔短脉冲激光器的产生：锁模技术非轴向模轴向模光谐振腔的选模作用激光器的基本原理激光器的基本

2、原理是光受激辐射的放大非轴向模轴光纤激光器的基本原理光纤激光器的基本结构光纤激光器中的工作物资是掺杂光纤，光纤环是谐振腔，一般采用半导体激光器泵浦光纤激光器的优点短脉冲光纤激光器：高速短脉冲光纤激光器，超短脉冲光纤激光器掺铒光纤隔离器波分复用器980nm泵浦光纤激光器的基本原理光纤激光器的基本结构光纤激光器中的工作物几种实用的光纤激光器宽带ASE光纤光源大功率双掺杂光纤激光器窄线宽光纤激光器短脉冲光纤激光器几种实用的光纤激光器宽带ASE光纤光源宽带ASE光源ASE光源的概念 ASE是英文Amplified Spontaneous Emission的缩写。激光器在形成激射之前，自发辐射光出射，因

3、此在整个增益区都有光发出。ASE光源的应用 广泛应用于光无源器件和光通信器件的测试中，如在光纤光栅、薄膜滤波器和光纤耦合器光无源器件中。采用ASE 光源与采用白光源和可调谐激光光源相比，可提高功效10 倍以上。宽带ASE光源ASE光源的概念宽带ASE光源 1美国Polaronyx公司的宽带ASE光源波长：15251610nm功率：5-14dBm增益平坦度：5dB输出稳定性（15分钟）：0.005-0.01 dB输出稳定性（8小时）：0.02-0.05dB宽带ASE光源 1美国Polaronyx公司的宽带ASE光源宽带ASE光源 2深圳朗光的ASE光源波长：15251610nm功率：10 dBm

4、输出稳定性（15分钟）：0.02 dB输出稳定性（8小时）：0.05dB宽带ASE光源 2深圳朗光的ASE光源大功率光纤激光器实现大功率输出的主要技术 采用包层泵浦技术，采用特种光纤作为增益介质，同时采用特种材料制造光纤大功率光纤激光器的应用 激光加工，激光医疗和军事大功率光纤激光器实现大功率输出的主要技术大功率双掺杂光纤激光器 1英国SPI公司的大功率光纤激光器redPOWERTM 高功率光纤激光模块-1550nm 输出最大可达 4W，波长1.5 mredPOWERTM 紧凑激光模块 (2W-10W) 最大输出可达10W，波长1m大功率双掺杂光纤激光器 1英国SPI公司的大功率光纤激光器大功

5、率双掺杂光纤激光器 2俄罗斯IPG公司的大功率光纤激光器YLR-SM Series100W to 1.5kW output Optical Power1060 to 1080nm Wavelength Range100khrs Estimated Pump Diode MTBF大功率双掺杂光纤激光器 2俄罗斯IPG公司的大功率光纤激光器光纤激光器打标系统大功率双包层光纤激光器打标系统的光路图JDS Uniphases Continuous Wave (CW) Fiber Laser Marking (FLM) System 光纤激光器打标系统大功率双包层光纤激光器打标系统的光路图光纤激光器打标

6、系统的应用 1激光雕刻，右图为激光雕刻的示意图下图为激光雕刻的图形光纤激光器打标系统的应用 1激光雕刻，右图为激光雕刻的示意图光纤激光器打标系统的应用 2光纤激光器可以用于材料的改性，右图为示意图下图为材料改性的例子光纤激光器打标系统的应用 2光纤激光器可以用于材料的改性，右光纤激光器打标系统的应用 3大功率光纤激光器可以用于激光切割和剥离。右图为示意图下图为剥离出来的图形光纤激光器打标系统的应用 3大功率光纤激光器可以用于激光切割连续激光和脉冲激光打标的比较下图左图为连续打标系统的效果，右图为脉冲激光打标系统的效果。连续激光和脉冲激光打标的比较下图左图为连续打标系统的效果，右光纤激光器和其它

7、激光器比较和二氧化碳激光器比较可以有更高峰值功率脉冲激光，可以加工的材料种类更多使用方便，采用光纤传输可以有更大的扫描范围能量转换效率高，光纤激光器的电光转换效率为25，而二氧化碳激光器只有5光束质量好和YAG激光器比较光光转换效率高，光纤激光器的转换效率为70，YAG只有20使用寿命长，无需复杂的冷却系统。容易调节光纤传输，不怕污染，光束质量好光纤激光器和其它激光器比较和二氧化碳激光器比较和YAG激光器光纤激光器与YAG固体激光器的比较光纤激光器与YAG固体激光器的比较窄线宽光纤激光器实现窄线宽的相关技术 主要采用光纤光栅或者光纤F-P干涉仪等滤波器进行线宽压缩窄线宽光纤激光器的应用 窄线宽

8、光纤激光器的相关长度长，在相关光通信系统，光纤传感系统，光学测量系统有很好的应用前景。DBR型窄线宽光纤激光器窄线宽光纤激光器实现窄线宽的相关技术DBR型窄线宽光纤激光器窄线宽光纤激光器 1NP Photonics 公司的窄线宽光纤激光器Very narrow linewidth (long coherent length) 20mW高速短脉冲光源对于光时分复用系统，光学取样技术等有重要的意义，高速短脉冲光纤激光器 美国Calmar公司10G皮秒光纤激超短脉冲光纤激光器 1美国Calmar公司飞秒光纤激光器。FPL-0X-XX 波长范围：1535-1560 nm可调或范围内固定重复频率：20M

9、或10-50M可调，脉宽：100fs-1000fs可调或范围内固定，平均输出功率：50-100mW超短脉冲光源可以用做大型激光系统的种子光源，同时在时间定标等领域有重要的应用超短脉冲光纤激光器 1美国Calmar公司飞秒光纤激光器。F超短脉冲光纤激光器 2IPG 公司的飞秒光纤激光器Up to 50kW Peak Power100,000hrs Pump Diodes Life超短脉冲光纤激光器 2IPG 公司的飞秒光纤激光器超短脉冲光纤激光器 3美国Polaronyx公司飞秒光纤激光器（模块） 波长范围：1530-1600 nm内固定重复频率：35-60MHz范围内固定脉宽：100fs（典型

10、）平均功率：100mW峰值功率：0.5-20KW超短脉冲光纤激光器 3美国Polaronyx公司飞秒光纤激光FTTP 光纤通信行业的新亮点 一、光通信行业总趋势 二、FTTP技术发展动向 三、FTTP关键器件 四、FTTP市场新亮点FTTP 光纤通信行业的新亮点 一、光通信行业总趋势一、光通信行业总趋势投资先热后冷引起的行业冬天一、光通信行业总趋势投资先热后冷引起的行业冬天 自2001年投资金额不断下降011Q181亿012Q147亿013Q124亿014Q140亿021Q80 亿022Q92 亿023Q82 亿 自2001年投资金额不断下降011Q181亿泡沫时期世界光器件市场销售变化98A

11、ctual99Actual00Actual01Fcst02FcstDWDMSONET/SDH$1.8B$3.3B$7.1B$4.4B$2.3B1.02.14.92.91.2泡沫时期世界光器件市场销售变化98990001022003年上半年器件行业特点系统公司全面退出，器件公司格局初定5月12日Avanex公司签署最终协议以2003年5月9日每股$1.12的收盘价，总共约$63.5 million的联合交易价收购Alcatel和Corning的光器件业务。市场通过转让、兼并、破产的一轮大洗礼，国际市场器件公司格局基本确定：JDSU、BOOKHAM、AVANEX、FINISAR、TRIQUINT、

12、INFINEON.2003年上半年器件行业特点系统公司全面退出，器件公司格局初Finisar 2003.4月收购Genoa，获LSOA+1300/1550nmVCSEL产品技术OCP继Cielo Communications后，2003.2.3日又宣布收购Gore Photonics ，或 850nm 、 1310 nm VCSEL paralle moduleVitesse 2003.6.9收购Multilink Technology，把metro 和长途10-Gbit/s transceiver 改造为 光互连back plane transceivers .2.局部兼并收购，调整产品布局

13、Finisar 2003.4月收购Genoa，获LSOA+1Agilent Technologies 2003年2月宣布在马来西亚开辟两家新的R&D和生产厂，面积达550,000 平方英尺，Agilent 40 %的生产在亚太地区， 40%在北美，20%在欧洲，2004年亚太将达到50% ；最近关闭英国的工厂，设备搬迁新加坡Finisar 2001年11月在马来西亚建光模块生产基地，现规模达到1200人，2002年在上海建成无源器件厂，130人；Oplink Communications也把它的无源器件厂建在中国，扩大它在中国的生产规模；中国大陆、台湾、东南亚是国际公司关注的焦点3.地区分工，

14、亚太成为低成本区Agilent Technologies 2003年2月宣布城域和接入产品特点网络密集，节点增多，器件量大，价格敏感投资过剩，技术门槛低，库存量大，竞争者众高端产品市场未启动，低端产品价格大滑坡全光网络技术不成熟，无明显市场热点销库存抢市场4. 价格大战 增产难增收城域和接入产品特点4. 价格大战 增产难增收5. 市场低迷 亏损持续 2003-3-31公 司销售额净亏损销售额净亏损JDSU$166 million$137 millionAGILENT$1.36 billion$112 million BOOKHAM$215 million$39.3 million$34.9mi

15、llion-$30.1millionFINISAR$42.1million -$40.2million $39.8 million$26.2 millionAVANEX$5.4 million$10.4 million$5.5 million-$6.6 millionINFINEONE 1.48 billionE 328 millionE1.47billionE116million VETISSE$40.2 million$25.1 millionOCP$9.6 million$1.7 million$9.5 million-$4.3 millionOPLINK$5.6 million$3.0

16、 million$6.0million-$7.6 million$161 million-$61.6 million2003-6-305. 市场低迷 亏损持续 2003Service NodeSNI (VB5)ONUFTTHFTTBFTTCFTTCabOptical FiberATM-PONxDSLOLTONUNTNTPassive Optical SplitterFTTxQ3Operation SystemInternetLeased LineFrame/CellRelayTelephoneInteractiveVideoTwisted PairONTONTFTTP概念二、FTTP技术发展动

17、向 Service NodeSNI (VB5)ONUFTTHFT1. PON发展简史 British Telecom发展 T-PON (住宅窄带) & B-PON (宽带) (80年代后期)T-PON商业应用 (90年代初期). 近来50k+用户 Continental Europe 各种试验和应用, 包括: DT 计划 OPAL (几个 100k住宅客户在 PON-fed FITL系统)Alcatel Bell Pre-FSAN ATM-PON在安特卫普 ( 90年代初) KPN (荷兰) 小商业区试验(90年代中期) SuperPON (high-split (2k+ subs per P

18、ON) 电视广播系统 (90中期) NTTPi-PON 住宅窄带+ video (90年代中期) 各种 ATM-PON系统, 90年代中租用线 路, ATM接口 3,000+ CO设备 with FSAN-compliant OLTs (and growing!) North AmericaBellSouth, SBC, Verizon, & Qwest 进行的各种试验&应用 (1990年代)使用特殊系统的各种小乡镇 FTTH应用 (90年代) FSAN 在1995年由 BT, NTT, FT, 和 DT成立1. PON发展简史无源光网络（PON） 中度复杂性 Fiber-lean 结构 点对

19、点结构 工作简单 光纤用量多环形结构 (SONET, DWDM)工作复杂原理是 fiber-lean 结构 实际情况见下张片COCustomersCOCustomersCOCustomersSplitter2. 光接入的主要方案：点-点 ，环状，PON无源光网络（PON） 点对点结构环形结构 (SONET, D点对点接入IEEE 于2001年初成立802.3EFM工作组以现有IEEE802.3协议为基础实现在用户接入网传输以太网帧EFM工作组定义了三个拓扑结构核物理层:通过现有铜线以10Mbps以上数据和750米距离完成P-to-P铜线连接使用一根光纤以1Gbps数据在10km内实现P-to-

20、P光纤连接使用一根光纤以1Gbps数据在10km内实现P-to-MP光纤连接P-to-P光纤连接特点：采用802.3z1000Base-LX技术标准单纤双向技术，2001年我公司向北美销售大量Diplexer Trsnsceiver用到这种接入技术（Winfirst）双方收发器对称，可充分利用其带宽点对点接入IEEE 于2001年初成立802.3EFM工作组COCO 多个客户在单一的 中心局终端 有效使用光纤 有效汇聚 单独按客户顺序服务 而非成群服务 维修可能影响业务 服务顺序预定日期通常 无法顾及所有其它考虑 环状结构通常用于点对点系统.环状结构接入COCO环状结构接入 因为多个客户共用各

21、接入点的成本可与铜线竞争 增加或减少客户不影响正常业务 结构可开拓现有馈线和侧面设备 PON是目前唯一能够迅速和低成本供应接入设备的结构TDMNetworkSplitter TaperSplice PointOLTDataNetwork 现有客户10/100BaseTONT主要馈线路由器支 线 现有客户10/100BaseTONT 新增客户DS1s/E1s10/100BaseTONTSDH/OC-n,DS3,E3SDH/OC-ncDS1s/E1sDS1s/E1s无源光网络（PON） 因为多个客户共用各接入点的成本可与铜线竞争TDMSplitA-PON 传送ATM,已制定FSAN(Full Se

22、rvice Access Network)标准G.983.1,工作组推荐纳入ITU建议G.983.2. A-PON的缺点：ATM部件的高成本决定了A-PON 成本高；用固定时隙信元结构产生低工作效率A-PON 传送ATM,已制定FSAN(Full Ser最初应用现有业务 (DS1 & E1) 和 EthernetCentral OfficeTDMNetworkSplitterOLTDataNetworkSmall BusinessDS1s / E1s10/100BaseTONTA-PON 小型业务最初应用现有业务 (DS1 & E1) 和 Ethernet EPON Ethernet PON，

23、使用Ethernet作为PON的主要传输方 式， 以千兆速率工作，标准正在IEEE制定（Alloptic Inc. Salira Optical Network Systems ） EPON Ethernet PON，使用EtherneCentral OfficeOLTTDMNetworkSplitter1:4 Splitter Curb/Pole.ONT.ONT.ONT.ONTDataNetworkPSTNSmall BusinessDS1s / E1s10/100BaseTONT 对新楼和重建, PON 可以比HFC, VDSL, or high-speed ADSL 更便宜 住宅和小商业

24、用户可用相同的基础结构服务 Voice & Data住宅语音和数据业务Central OfficeOLTTDMSplitter1: BPON结构图 (ITU G.983, 622 Mbps downstream/155 Mbps upstream) BPON结构图 (ITU G.983, 622 Mbps Central OfficeTDMNetworkSplitter1:4 Splitter Curb/Pole.ONT.ONT.ONT.ONTVideo Source(QPSK, 64QAM, ?)n:1 Combiner Central OfficeOLTDataNetworkPSTNSma

25、ll BusinessDS1s10/100BaseTONTVoice, Data, & VideoVoice & Data Entertainment video can be added later No network rearrangement needed for existing customers住宅语音、 数据 & 电视服务Central OfficeTDM1:4 Splitter.PON的趋势远程、高速化BPON 和APON (ATM PON)相同, 对宽带业务如video有覆盖能力。APON 是基于 ATM的 PON 传输技术，作为FSAN部分内容，由 90家的营运商工作组提

26、出。BPON作为 ITU 规范 G.983x得到 认可，支持上下行线路622 Mbit/s速率EPON 立足于 Ethernet PON,使用 Ethernet作为PON的主要传输方法 ，EPON 以千兆速率工作，标准正在IEEE制定PON的趋势远程、高速化BPON 和APON (ATM PGPON (ITU G.984, 1.2 Gbps downstream/622 Mbps upstream）同APON, 对宽带业务video有覆盖能力，成为 ITU 规范G.984x，支持上下行线622 Mbit/s速率GPON 使用更快的方式 (最新产品达到 2.5 Gbit/s), 以Sonet兼容

27、的普通帧协议（GFP）打包业务，GPON 成为ITU的 G.984x规范。最新的三个GPON 标准：G.984.1, G.984.2和G.984.3 G.984.1是GPON系统的一般特性标准， 如结构、速率、距离 、安全性G.984.2指定速率高达2.5Gbps 至少是早先标准速率的两倍G.984.3 含盖了用Gigabit PON有效携带voice, video 和 data的整个协议 厂商：美国FlexLight, Alcatel 公司GPON (ITU G.984, 1.2 Gbps dowG-PON交换机和用户之间的距离至少20 km条件下，下行速率高达 2.5 Gbit/s ，上行

28、速率高达1.25 Gbit/s ；传输业务包括 Ethernet和Ethernet VLAN, TDM, E1, 以及T1 使用Sonet帧的一种 普通帧协议 (GFP)； （美国FlexLight 公司是代表厂商2002年6月首次宣布产品 ） FTTH PON供应商Optical Solutions Inc. 认为现在还不需要千兆速率 ， We can do everything for small to medium-sized businesses, including four phone lines, 100-BaseT, and analog or switched video 。

29、G-PON交换机和用户之间的距离至少20 km条件下，下行速三、FTTP关键器件光分支器（Spliter）单纤双向双端口组件和模块 (Diplxer Transceiver)单纤双向三端口组件和模块 (Triplxer Transceiver)突发式光模块 (Burst Transceiver)视频卡（ Video Cards）三、FTTP关键器件光分支器（Spliter）单纤双向双端口组件和模块特点：1310/1550 nm 双波长组件/模块1310/1310 nm单波长组件模块低成本规模化生产单纤双向双端口组件和模块特点：单纤双向三端口组件工作原理1310/1490/1550nm 三波长三

30、端口光纤1310nm1550nm接 收1550nm发 射1490nm接收1310nm单纤双向三端口组件工作原理1310/1490/1550nm 三端口器件要求关键技术要求隔离度高串扰小模拟失真指标好灵敏度高回损低PHOTON器件指标:隔离度高 -47dB灵敏度好 0.80A/W模拟失真小 -70dB工艺技术：性能稳定，可靠性高，一致性好 三端口器件要求关键技术要求突发式模块ONU与OLT的上行通信采用时分多址接入（TDMA）方式为一点对多点的突发通信各不同光网络单元（ ONU ）上行信号到达光线路终端（ OLT ）由于距离原因功率差别很大ONU接收机必须及时跟踪输入信号功率控制放大增益ONU发

31、射机LD用于稳定光输出的APC也必须高速工作突发式模块ONU与OLT的上行通信采用时分多址接入（TDMA四、FTTP光纤通信产业新亮点 FTTP机会6月19 日美国最大的3家本地营运商BellSouth 公司, SBC Communications公司和 Verizon Communications公司发表了盼望已久的光纤到房屋（FTTP）的需求计划建议（RFP）需求建议计划已经发到不公开的“12到24”家设备供应商手中 RFP中营运公司技术专业组以PON标准为基础，如国际电讯联盟(ITU)的G.983技术规范和Telcordia的GR-909 标准四、FTTP光纤通信产业新亮点 FTTP机会

32、FTTP市场状况 NTT2002年9月开始配置日立的 PON 设备，已经配置 60,000台以上，为10万住宅和商业用户服务；另有10万用户可望今夏中期使用PON北美地区前两年大力推行点对点方式近来以Alloptic Inc. 和Salira Optical Network Systems Inc. 为首，积极推行千兆宽带PON技术的应用；Optical Solutions 推出FiberPath 500 FTTP系统，使用 BPON(ITU G.983, 622 Mbps downstream/155 Mbps upstream) or GPON (ITU G.984, 1.2 Gbps downstream/622 Mbps upstream) 网络协议. Salira Optical Network Systems Inc 等正开拓亚洲市场寻求机会 (see Salira Scores in China; Flexlight Funded ).FTTP市场状况 NTT2002年9月开始配置日立的 PONFTTP的市场预测1.5-M