电子科大光纤技术第一章(OK).ppt

1、光 纤 技 术,电子科技大学 通信学院 吴宇,Email:,Tel:61830278,课程目标：,使同学们能够掌握光纤的基本知识、对光纤通信与传感技术中相应器件、组件、系统有初步的认识，了解光纤通信和传感系统在光学物理层上的一些系统设计。,教材与参考资料,教材：光纤技术，饶云江，科学出版社，2006,1Jeff Hecht，光纤光学.贾东方,余震虹等译.北京，人民邮电出版社，2004,参考资料:,2 袁国良，光纤通信原理.北京，清华大学出版社，2004,3靳伟，阮双琛等，光纤传感技术新进展，科学出版社，2006,第一章 绪论 （2） 第二章 光纤拉制及成缆（2） 第三章 光纤传输理论 （3）

2、第四章 新型光纤和光纤的基本特性(2) 第五章 光无源器件 (3) 第六章 光有源器件 (3) 第七章 光纤传感技术(4) 第八章 光通信技术 (3) 其它: 复习(1)和答疑(1) 成绩构成； 考试70%，平时成绩30%(包括考勤、作业、课堂等),大致的时间安排(24次),第一章 绪论,1.1 历史回顾 1.2 光纤技术基础 1.3 光纤与通信网络 1.4 光纤与传感技术 1.5 光纤技术的发展 1.6 本章小结 思考与练习,内容提要：,前言,现代通信技术,通讯业务,电话系统 有线电视和视频业务 国际互联网和数据业务 特殊的通讯业务,电磁波波谱与通讯应用:光纤传输的光在可见光和近红外段,1.

3、1 历史回顾,(1). 古代通信：很早就用光传送信息：俄罗斯用火、我国用烽火台的狼烟等报敌情；,20世纪60年代早期，激光的发现激发了人们对光通信的研究兴趣:但还没有远距离的传输管道，激光传输有限，还不能商业化 在未找到光传输的管道以前，人们通过提高信号载波频率，用射频信号传输信息：发现从无线电到微波可以数十倍提高信息运载能力，但载波超过100GHz时，微波进入红外区，衰减大，传输短，仍不能商业化 后来,人们用一种波导结构来传输超高频(Ultra High Frequency，UHF)电磁波.该波导结构是一种横截面似矩形或圆形，内径几厘米，两端开口的钢制管。在20世纪60年代后期和70年代早期

4、，贝尔实验室设计并制作出了每单元拥有238，000个语音信道的波导装置（频分）。,(2). 光通信的发展： I、光纤的发展,当载波频率提高到光波频率时，如何对光导向呢？人们开始考虑光纤：一种由玻璃或塑料制成的透明易弯的长纤维，并且根据斯涅耳定律（反射定律），使其在全内反射条件下，可使光在光纤内部传输的介质。 1870年，英国物理学家Joan Tyndall验证了光可以在一个弯曲的水流中传播（如下图） 1951年，研究人员才设计出第一个光导纤维镜（Fiber scope），它可以用于传输人体内部器官的图像（无包层，短距离传输）。 1953年，在伦敦皇家科学技术学院工作的Narinder Kapa

5、ny开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的光导纤维，这也就诞生了今天所使用的光纤的结构，“光纤”这个名词就是Kapany给出的。但是，由于材料和制作工艺原因，光纤的损耗达1000dB/km，仍不能商用到光通信中,再后来，人们将载波频率提高到光波频率，即是将通信链路推向了光传输这个人类通信史上非常重大的技术发展阶段。,(2). 光通信的发展（续1）：,水流的光全反射实验,1966年，华裔科学家高锟(Charles Kao)博士在英国发表了一篇论文“用于光频率的绝缘纤维表面波导管”。指出：光纤材料固有损耗很小，由瑞利散射决定；大损耗是由其杂质（过渡金属离子）产生的；若把金属离子含量降低到10-6以下，

6、损耗可降到10 dB/km以下；若再改进热处理提高均匀性，损耗可降到几个dB/km。高锟的工作是光纤通信领域的一个真正突破，具有里程碑意义的。他明确了要解决的技术问题及其方法。 清楚问题后就是制作：1970年，康宁公司(Corning Glass Corporation)的Rober Maurer、Donald Keck和Peter Schultz根据高锟博士的思想，采用化学气相沉积（CVD）工艺第一个制出衰减少于20dB/km的光纤，比同轴电缆5-l0dB/km的损耗略大，但已为可接受的损耗，是世界上公认的第一根通信用光导纤维。,(2). 光通信的发展（续2）：,光纤损耗的降低（光纤材料发展

7、的主要因素，结构发展还有色散）,(2). 光通信的发展（续3）： II、半导体器件的发展,该光源的光波长在0.8-0.9mm，而二氧化硅材料光纤的第一个低损耗窗口也正好在0.85mm附近。且两方面的研究进展较快：（1）最初半导体激光二极管的寿命短，仅数小时，且在低温环境工作；至1973年，可在室温30连续工作1000小时，1977年达到7000小时。（2）同时光纤的损耗也大幅度下降，1976年在0.85mm窗口达到1.6dB/km，是同轴电缆所望尘莫及，光纤通信开始了工业化及商业化应用。,以半导体砷化镓（ 0.85mm 区域）为基体的新一代激光二极管、发光二极管以及光探测器等器件也有突破性进展

8、。它们的尺寸、光点大小、波长范围等与光导纤维较为一致。,(2). 光通信的发展（续4）： III、光通信网络的发展,1 1977年在美国芝加哥城的两电话局间开通了世界上第一条商用光纤通信系统。 此后，技术又有很多新发展： 1首先开发了损耗更低、色散量小的1.31mm波长（材料色散与波导色散几乎抵消，为0色散波长；该波长处的损耗约0.5dB/km左右） 2在半导体激光器方面，也研究成功InGaAsP/InP材料的长波长器件，同1.31mm窗口相配合，使1.31mm成为长途干线光纤通信的主角。 3近几年来，在1.55mm波长处的研究又很活跃： i 损耗更低（0.2dB/km，但色散大，可改变结构实

9、现色散位移，达到损耗和色散均低的效果）；ii 1.55mm处的半导体激光器和探测器也极为成功；iii光纤放大器（如EDFA）发展成熟,2至1980年代初，世界各地的光纤通信线路已上千条。 31988年，开通了第一条跨越大西洋海底，连结美国东海岸同欧洲大陆的光缆。 41989年4月，从美国西海岸经夏威夷及关岛，连结日本及菲律宾的跨太平洋海底光缆又开通。最近又有第三条跨大西洋海底光缆要投入使用。 5我国：光纤通信起步不晚，因各种因素（经济实力、技术条件、政策），到1980年代中才在推广应用及基础方面得到发展。 到2001年底，铺设光缆总长达149.5万公里，其中长途干线光缆33.5万多公里，本地中

10、继网光缆线路75.5万多公里，接入网光缆线路37万多公里 到2002年3月，我国“八横八纵”格状国家光通信骨干网基本建成。 近两年来，我国铺设光缆已转向城域网等局部性网络。随着光通信的发展，我国数据传输速度和质量将进一步得到提高。,1.2 光纤技术基础,(1). 光纤结构：简单,1通信光纤是芯小、包层厚，其标准包层直径是125m，塑料护套的直径约250m（便于操作和保护光纤内部的玻璃表面，防止刮痕或其他机械损伤）； 2传像光纤束（内窥镜用）中单根光纤的直径小到几微米，包层薄； 3传能量（照明）光纤的芯大（可到几毫米），包层薄； 4特殊用途光纤可有多层结构(光纤激光器用双包层光纤:增加耦合效率)

11、。,不同用途的光纤尺寸差异大：,(2). 光纤材料：,多数光纤的基材是纯石英，加入少量掺杂物（锗、氟、硼等）以改变纤芯或包层的折射率，实现光纤结构。 通信一般用最纯的光纤材料是纯二氧化硅（Si02）；医用传像光纤和照明光纤则使用低纯度玻璃制造或用塑料制造的（没有玻璃透明，但灵活易用）。 专用光纤也可用其他材料。例如，氟化物用于红外（在远红外，氟化物比石英更透明），这些光纤有时称为玻璃光纤（因制造光纤的材料是玻璃态或非晶态物质）,(3). 光纤特性；,在机械特性方面：光纤坚硬而又弯曲灵活，相对强度大；细光纤比粗光纤更易弯曲；通信光纤可与人的头发粗细相比，比同样长度的人的胡须要硬得多；光纤弯曲后能

12、恢复到原来笔直的形状（电线不能） ，但光纤的塑性较差（受外力时不能一直延伸，外力过大时会折断）。 注意：虽然光纤坚硬且弯曲灵活，强度大，但如果光纤表面有裂纹，光纤就易损伤（塑料涂层的作用就是防止光纤表面受到损伤）。 光纤的光学性质取决于它们的结构和成分：最明显的是损耗或衰减、色散、偏振等（第3、4章介绍）。,(4).图像传输和成束光纤；,光纤最初是用于图像传输的（光纤束）。 1把光纤束的两头光纤排列相同或一致，则可传输图像； 2光纤束也可传送照明光（光纤的排列不要求一致）。,光纤束可软可硬： 1软光纤束由分离光纤组成，两头固定，中间松散(可有保护结构)。如内窥镜传像束 2硬光纤束将光纤熔合成一

13、个棒，制造时弯曲成想要的形状。特点：硬光纤束比软光纤束的成本低，更细，但不灵活、不柔软。,1.3 光纤与通信网络,光纤的带宽和具有吸引力的特征使其成为理想的线缆传输媒介，没有低损耗光纤就没有现代电信，而光纤技术也决定了相应的接入、传输、信令、交换和连网等技术。 第一次大规模使用光纤网络是在1990年代早期（不是简单的点到点连接，而是实际的网络），所有的长途和本地电话都将光纤作为主要传输介质。电话网络是电信的核心，电信用户都想获得更大的带宽。光纤正好能够满足人们的愿望。 近20年，一根光纤的所传输的最大数据量平均每年翻一番，比电子行业的摩尔定律(每18个月翻一番)还要快。,光通信网有： (1)、

14、全球海底网络：性能要求高的网络 第一条国际海底光纤：连接英格兰和比利时，1986年铺设。 第一条跨大西洋海底光缆（TAT-8）：1988年铺设，由AT (3)、卫星系统与光纤网络 卫星通信可连接地球上的任何点，其不足是：传输能力不如光纤（光纤达50Tbps）；卫星信号延迟大（信号从地面到卫星，再从卫星回地面，距离远大于光纤传输）；受大气条件影响大（光纤受影响小）。光纤网络和卫星系统结合，可取长补短。,(4)、光纤到户（FTTH） 对本地网，是中心局之间、所有远程终端到中心局之间的连接采用光缆。 目前FTTH（还有FTTC、FTTD）的优势：一是无源网络(不供电)；二是高带宽、长距离；三是承载业

15、务的种类多；四是支持的协议灵活。目前，世界数据业务中，带宽成为了瓶颈，而FTTH能解决该问题。 2004.4，武汉电信与烽火公司联合开通“光纤到户数字家庭”试点，家庭数字化进程加快。 2005.8，美国开始大范围部署光纤到户。 目前，FTTH主要由非传统运营商推动，如公用事业公司、市政当局、房屋开发商等。,Service Node,SNI,(VB5),ONU,FTTB,FTTC,Optical Fiber,ATM,-,PON,xDSL,OLT,ONU,NT,NT,Passive Optical Splitter,Q3,Operation,System,Internet,Leased Line,

16、Frame/Cell,Relay,Telephone,Interactive,Video,Twisted Pair,ONT,ONT,FTTH概念,光纤到户（FTTH）,(5)、局域网 LAN的传输能力一般需要100 Mbps以上，而LAN常以低得多的速率运行，因LAN大部分用铜线相连。 解决方案：换成光纤，但高的安装费用使其受限 （不过，光纤器件，如光纤、塑料纤维、连接器、光电和接口设备等的价格正在下降，使光纤与铜线竞争LAN市场时有优势）。,包含LAN、MAN和WAN网的同步光网络模型概念,1.4 光纤与传感技术,光纤传感器技术经过二十多年的发展，已形成了一个巨大的传感器家族，光纤传感器有很

17、多优点： 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。 灵敏度高。 重量轻、体积小、可挠曲。 测量对象广泛(双刃剑:有窜扰)。 对被测介质影响小，有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。 便于复用，便于成网，可埋入结构体内。 成本低(器件平均成本低,但系统成本高),(1). 光纤光栅传感器；,光纤光栅分为布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅两类 布拉格光纤光栅是一种折变周期小于1um的反射式短周期光栅，其反射谱具有线宽小、中心波长设计容易等优点。 长周期光纤光栅是一种周期为数十微米到毫米量级的透射式光纤光栅，其透射谱的带宽一般较大，其中心波长或幅度容易受到外界环境的影响。（其原理在第七章介绍） 注意:

18、长、短周期光纤光栅仅周期不同，但其性能差异大,(2). 光纤法珀传感器；,光纤法珀传感器（Optical Fiber Fabry-Perot Sensor）是目前成熟、应用广泛的一种光纤传感器。 结构：在光纤内制造出两个高反射层，形成一个腔长为L的微腔。 传感原理：1当相干光沿光纤入射到微腔时，在微腔的两端面反射后沿原路返回，并产生干涉，其干涉信号与微腔的长度相关；2当外界量（力、变形、位移、温度、电压、电流、磁场）作用于微腔时，其腔长L发生变化，导致其干涉信号变化。据此可从干涉信号的变化导出微腔的长度，得到外界参量的变化，实现传感（其原理在第七章介绍）。,(3). 光纤白光干涉传感器,基于光

19、纤干涉的传感系统是物理量检测中最精确的系统之一。 该类系统常用单模(或窄带)高相干激光设备。 其特点是：1精确（用激光波长作标准量，可达纳米至埃级精度）； 但是，2受光学传递函数(OTF)周期的影响，其单值动态范围很小；3系统重新启动时难识别出干涉级数，适于相对测量；4系统对温度、湿度、压力等环境要求高，结构复杂，成本高。,用低相干光源的白光干涉能解决一些难题，可绝对测量，且动态范围大，分辨率（精度）高。 白光干涉测量：使用低相干、宽谱光源（如半导体激光器SLD或发光二极管LED），光程差的改变影响干涉条纹，跟踪干涉条纹的变化以获取信息。该方法常称为“白光”干涉测量方法。（具体原理在第七章介绍

20、） 第一个基于白光干涉的位移传感器是1984年报道的。 近年来，人们不断完善这类系统，得到了广泛的实际应用（激光共焦显微镜、眼睛OCT）。,(4). 光纤陀螺传感技术 光纤陀螺是一种新型角速度敏感元件。1976年Vali和Shorthill 首次报道了光纤陀螺 光纤陀螺发展历史,（line IOC，光纤缠绕技术）,1与传统旋转角度仪器比较，FOG的优点有：预热时间短，寿命长，高可靠，动态范围大，轻，低价。 2与激光陀螺相比：光纤陀螺无闭锁，易微型化，可用于不同精度场合。 FOG应用：包括传统的航空航天，及控制、无人车辆导航、天线或摄像机稳定器等方面。,目前，中低精度光纤陀螺已在市场上出售（主要

21、是在军方），高精度光纤陀螺也正在投入生产。 光纤陀螺分为干涉型（I-FOG）和谐振型（R-FOG）两种。 目前，谐振型陀螺还没实用。,(5). 其它光纤传感技术；,此外，近年还发展了一些新的光纤传感技术： （1）基于光子晶体光纤的传感技术：它可用于一些气体的检测，曲率传感，及增强双光子生物传感等。 （2）基于聚合物光纤的传感技术：它可用作安全检测传感器、湿度传感、生物传感、化学（气体）传感、露点传感、流量传感等；此外，还可传感重要的物理量，如辐射、液面、放电、磁场、折射率、温度、风度、旋度、振动、位移、水声、粒子浓度等。 （3）基于光纤激光器的有源腔传感器：比如用Ring-Down腔技术可进行

22、吸收谱分析量，其灵敏度达1ppm(10-6)。现在Ring-Down腔技术已应用于测量各种吸收，如等粒子体、火焰辐射、超声喷射和气体分子吸收等。,1.5 光纤技术的发展,(1). 光纤的发展,在光纤种类方面，从最早的多模光纤，到现在的单模光纤、保偏光纤、掺杂光纤、塑料光纤、光纤晶体光纤等，已有数十种光纤来满足人们的不同需求。目前的发展主要在于：,聚合物/塑料光纤（制作、应用） 光子晶体光纤（结构、制作、理论、应用） 其它光纤（制作）,宽带光传输非零色散位移光纤（G.656光纤） 色散补偿光纤（DCF） 宽工作波长多模光纤 掺稀土光纤,1聚合物/塑料光纤（POF） 特点：芯径大(0.3-3mm)

23、，有柔韧性好、连接方便、耦合效率高、较高的带宽、耐震动、抗辐射、价格便宜、施工方便等 应用：1）是短距离信息传输的较理想介质（可用于汽车总线布线、家庭网络、消费电子、工业控制、军事、航空航天、传感器、小型光盘系统、个人计算机、短距离数据通信等）； 2）在传感领域也有重要应用。 不足：传输带宽、温度稳定性和长期可靠性不够。 采用梯度折射率的聚合物光纤(GIPOF)： 可见光损耗10dB/km，带宽l GHzkm，-4080C稳定工作 近几年，微结构聚合物光纤(MPOF)聚合物光子晶体光纤正成为聚合物光纤的研究亮点。,2光子晶体光纤(PCF) 1991在光子晶体基础上提出，1996 Russel小

24、组制造出第1根光子晶体光纤。 特点：低损耗、低色散、低非线性，可能是下一代光传输介质。 PCF在光纤通信系统中的应用包括：传输光纤和光纤器件。 1）传输光纤的主要目标是改进工艺和结构，降低衰耗（现1550nm衰减为0.37 dB/km）。 PCF光纤传输实验：NTT公司用PCF实验10km长8x10Gbps波分复用；C.Peucheret等人用PCF实验5.6km长40Gbps（ 1550nm）。 2）器件方面：PCF可构成光纤激光器、光纤放大器，已有研究进展的有：光波长变换、拉曼放大器、光孤子激光器、光纤光栅和连续谱超宽带光源等（调整PCF结构尺寸，实现性能指标）。 3）传感方面前景好：因宽

25、带，传感容量大；PCF上可加工微传感结构，如光栅，可掺铒，加工F-P腔等。 目前，PCF的研究重点是：理论模型、制造工艺、性能测量、实验研究、应用探索（光通信与传感）等。,基于光子晶体光纤的压力传感器,基于光子晶体光纤的光纤陀螺,(2). 光纤通信技术的发展,在光纤通信方面，现在有三个快速发展的趋势：,第一是迅速增加光网络容量: 目前主要用波分复用(Wavelength-division Multiplexing，WDM)和时分复用（Time-division Multiplexing，TDM）技术。 波分复用：将几个波长的信号在同一光纤上传输。 时分复用：在一路光载波上，分成多个时隙，将多个信号源的光脉冲交叉排列在时隙上，形成更高速的光脉冲序列。 目前，1全波光纤可用带宽400nm（需宽带光放大：拉曼放大），WDM发展为DWDM（频率间隔200GHz以下）； 2单信道从2.5G发展到40G（近于电子速率上限），近年有单信道速率640G的实验报道（色散、光孤子、相干通信）,第二是各种数据业务的迅速增加 除语音业务外，其他如视频业务迅速增长。为此，光网