1、光 纖 技術(shù),1.1 歷史回顧“導(dǎo)光”的歷史,中國古代烽火臺 1854年：英國的廷達(dá)爾(Tyndall)就觀察到光在水與空氣分界面上作全反射以致光隨水流而彎曲的現(xiàn)象 1929-1930年：美國的哈納爾(Hanael)和德國的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纖并用于光線和圖象的短距離傳輸,“光纖之父”-高錕博士,1966年：高錕博士發(fā)表他的著名論文“光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)”首次明確提出,通過改進(jìn)制備工藝,減少原材料雜質(zhì) , 可使石英光纖的損耗大大下降 , 并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖,從而使光纖可用于通信之中。 1970年,康寧玻璃公司率先研制成功損耗為20dB/km的石英光纖,取得

2、了重要的技術(shù)突破。,爆炸性發(fā)展,自一九七年以后，世界各發(fā)達(dá)國家對光纖通信的研究傾注了大量的人力與物力，其來勢之兇，規(guī)模之大、速度之快遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的意料之外，從而使光纖通信技術(shù)取得了極其驚人的進(jìn)展。從光纖的衰耗看：七O年：20dB/km七二年： 4 dB/km七四年：1.1dB/km七六年：0.5dB/km七九年：0.2dB/km九O年：0.14dB/km它已經(jīng)接近石英光纖的理論衰耗極限值0.1dB/km。,光纖通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),光發(fā)送 端機(jī),光中繼 放大,光接收 端機(jī),電發(fā)送 端機(jī),電接收 端機(jī),光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展,76年，美國在亞特蘭大開通了世界上第一個(gè)實(shí)用化光纖通信系統(tǒng)。碼率為45Mb/

3、s，中繼距離為10km。80年，多模光纖通信系統(tǒng)商用化（140Mb/s），并著手單模光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)工作。90年，單模光纖通信系統(tǒng)進(jìn)入商用化階段（565Mb/s），并著手進(jìn)行零色散位移光纖和波分復(fù)用及相干通信的現(xiàn)場試驗(yàn)，而且陸續(xù)制定同步數(shù)字體系（SDH）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。93年，SDH產(chǎn)品開始商用化（622Mb/s 以下）。95年，2.5Gb/s 的SDH產(chǎn)品進(jìn)入商用化階段。96年，10Gb/s 的SDH產(chǎn)品進(jìn)入商用化階段。97年，采用波分復(fù)用技術(shù)（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH產(chǎn)品試驗(yàn)取得重大突破。此外，在光孤子通信、超長波長通信和相干光通信方面也正在取得巨大進(jìn)展,光纖通信

4、：21世紀(jì)的“信息高速公路”,以光信號作為載波，以光纖為傳輸媒介 光纖帶寬極寬、通信容量極大 光纖重量輕、韌性好、易于鋪設(shè) 光纖損耗極低, 使無中繼通信距離更長 保密性好、絕緣性好 抗干擾、抗輻射、抗腐蝕 成本低、節(jié)約金屬線材,信息傳輸速率與媒介的容量,信息傳輸速率 Audio: 9.6-128 kbit/s TV: 1-6 Mbit/s HDTV: 10-100 Mbit/s 通信媒介傳輸速率： 衛(wèi)星/微波：140 Mbit/s 同軸電纜：60 Mbit/s 光纖：50 Tbit/s,光通信速率的不斷提升,速率(Mb/s)容納電話(路） 230 8120 34480 1551920 6227

5、680 1.25 Gb/s154360 2.5 Gb/s30720 10 Gb/s122880 40 Gb/s491520 160 Gb/s1966080,采用波分復(fù)用技術(shù), 可以同時(shí)傳輸1000個(gè)信道,可容納電話100億路，意味著: 全世界的人可以同時(shí)通過一根光纖打電話!,光纖技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,光纖傳感器 光波的強(qiáng)度、相位、偏振特性 以及光纖散射、彎曲損耗 和其它傳輸特性對外界物理參數(shù)的變化 已經(jīng)多種實(shí)用的光纖傳感器。,光纖光學(xué)信息處理、照明與顯示光纖、內(nèi)窺光纖、光纖面板、激光光纖、激光手術(shù)光纖、電力輸送光纖即其它應(yīng)用方面,1.2 光纖技術(shù)基礎(chǔ),光纖的結(jié)構(gòu) 涂覆層 195250m 包層 125

6、 m 纖芯 單模光纖直徑 810 m 基本結(jié)構(gòu) 導(dǎo)光的纖芯和折射率低的包層 纖芯的折射率：可以是均勻的或變化的,光纖材料 1、石英： 應(yīng)用在通信領(lǐng)域 2、低純度玻璃 ： 應(yīng)用在導(dǎo)光和醫(yī)用傳輸圖像 3、塑料： 特點(diǎn)機(jī)械性能好，應(yīng)用在導(dǎo)光、通信、實(shí)驗(yàn)、傳感等等,光纖特性 損耗： 色散： 圖像傳輸與成束光纖 傳輸圖像時(shí)，光纖頭的排列相同,光纖與通信網(wǎng)絡(luò),1、 海底網(wǎng)絡(luò) 1986年 連接英格蘭和比利時(shí) 1988 TAT-8連接歐洲和美洲 1300nm 波長 激光二極管為光源 2002年光通信市場經(jīng)歷低谷期 速率Tbit/s 2、陸地網(wǎng)絡(luò) 全美光纖網(wǎng)絡(luò) 泛歐光網(wǎng)絡(luò) 我國的“八橫八縱”光網(wǎng)絡(luò),3、衛(wèi)星系統(tǒng)

7、與光纖網(wǎng)絡(luò),1 衛(wèi)星通信系統(tǒng) 缺陷：1 信號延遲 2 受大氣的影響 4 、光纖到戶,解決作后1公里問題中心局到遠(yuǎn)程終端用戶的連接 1無源網(wǎng)路 2高寬帶、長距離 3光纖承載的業(yè)務(wù)多 4支持的協(xié)議比較靈活,1.4 光纖與傳感技術(shù),1 傳感技術(shù)：獲取信息的主要途徑 傳感器：能按一定規(guī)律將各種被檢測物理量轉(zhuǎn)換成便于處理的量（如電磁）的期間。,優(yōu)點(diǎn)：1 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全 2 靈敏度高 3 重量輕。體積小、可纏繞 4 測量對象廣泛 5 對被測介質(zhì)影響小。便于在線檢測 6 便于復(fù)用、便于成網(wǎng) 7 成本低,1光纖光柵傳感,1 布拉格光纖光柵：折射率變化周期小于1m的反射式短周期光柵，其反射

8、譜線寬小、中心波長長、設(shè)計(jì)容易等優(yōu)點(diǎn)。 2 長周期光纖光柵周期為幾十m到幾毫米的透射式光纖光柵，其透射譜帶寬大、中心波長或幅度容易手外界環(huán)境的影響,原理：外界壓力、溫度、濃度等的變化引起光纖有效折射率或光柵周期等參數(shù)變化。導(dǎo)致光纖布拉格光柵的諧振波長的變化 傳感信息可以波長編碼，克服強(qiáng)度調(diào)制等傳感器的缺點(diǎn),2光纖法布里珀羅傳感器,技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛,原理：光纖內(nèi)制造出兩個(gè)高反射面，形成微腔，相干光束沿光纖入射時(shí)，在兩個(gè)端面反射后原路返回產(chǎn)生干涉，其干涉輸出信號與微腔的長度密切相干，外界參量改變微腔的長度后，干涉信號也隨著發(fā)生改變。,3光纖白光干涉?zhèn)鞲衅?基于單色光的光纖干涉測量系統(tǒng)：要求單模高

9、相干激光 系統(tǒng)的測量：只能是相對測量 系統(tǒng)對環(huán)境要求嚴(yán)格,基于白光的光纖干涉的測量系統(tǒng)：采用低相干、寬譜光源,5光纖陀螺傳感技術(shù),一種新型角速度敏感原件，易于微型化 分干涉型和諧振型兩種,6、其它光纖傳感技術(shù),基于光子晶體光纖傳感技術(shù)，氣體的測量 基于聚合物的光纖傳感技術(shù)：濕度、生物、化學(xué)、氣體流量等等的傳感 基于光纖激光器的有源腔傳感器：用于測量各種吸收,1.5 光纖技術(shù)的發(fā)展,聚合物/塑料光纖：纖芯粗、柔韌性好、連接方便、耦合效率高、價(jià)格便宜 應(yīng)用：照明、傳感、汽車工業(yè)、短距離通訊、工業(yè)控制等等領(lǐng)域,1.5 光纖技術(shù)的發(fā)展,光子晶體光纖PCF：分折射率導(dǎo)光型實(shí)心PCF和光子能隙導(dǎo)光型空心P

10、CF 應(yīng)用：在光纖通訊系統(tǒng)中應(yīng)用在傳輸光纖和光纖器件 以及在傳感方面的應(yīng)用,1.5 光纖技術(shù)的發(fā)展,其它光纖 1、寬帶光傳輸非零色散位移光纖 2、色散補(bǔ)償光纖 3、無水峰純硅芯非色散位移光纖 4、寬工作波長多模光纖 5、摻稀土光纖,2 光纖通訊技術(shù)的發(fā)展,光網(wǎng)絡(luò)容量的迅速發(fā)展，WDM和TDM技術(shù) 各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，PDH到SDH，多業(yè)務(wù)傳輸平臺 全光網(wǎng)絡(luò) 關(guān)鍵器件：全光光開關(guān)、增益均衡器、上/下分路器、全光交換機(jī),3 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展光纖傳感器的研究動(dòng)向：,深入研究傳感器理論和技術(shù)，解決實(shí)用化問題，發(fā)展新原理的光纖傳感器 開展多參數(shù)傳感及分布式傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究 研究功能完善、可靠及穩(wěn)

11、定型高的基礎(chǔ)元器件,3、研究功能完善、可靠及穩(wěn)定型高的基礎(chǔ)元器件,開發(fā)光纖傳感器用特殊光纖 提高有源、無源器件的穩(wěn)定性和可靠性 深入研究檢測系統(tǒng),g=1，三角折射率分布光纖。,通信光纖 非通信光纖,光纖的進(jìn)一步分類,模式: 光纖中傳輸?shù)囊环N電磁波，不同的模式在橫截面光功率的分布形狀不同。 波長和折射率參數(shù)確定后，光纖中允許傳播的數(shù)目只與纖芯半徑有關(guān),光纖的進(jìn)一步分類,按材料分： 石英 純度高, 通信 塑料 成本低,損耗大，導(dǎo)彈制導(dǎo)，宇宙航行等 紅外光纖 極低理論損耗,用于跨洋通信等 特種光纖： 保偏(單偏振)光纖；有源光纖；晶體光纖、發(fā)光光纖、增敏光纖 零/非零色散位移光纖；負(fù)色散光纖； 特殊

12、涂層光纖；雙或多包層光纖、耐輻射光纖；,1.3 光纖的制備工藝光纖預(yù)制棒工藝：MCVD(Modified Chemical Vapore Deposition),MCVD(改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法)工藝為朗訊等公司所采用的方法。MCVD工藝是一種以氫氧焰熱源，發(fā)生在高純度石英玻璃管內(nèi)進(jìn)行的氣相沉積。 MCVD工藝的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為高溫氧化。 MCVD工藝是由沉積和成棒兩個(gè)工藝步驟組成。沉積是獲得設(shè)計(jì)要求的光纖芯折射率分布，成棒是將巳沉積好的空心高純石英玻璃管熔縮成一根實(shí)心的光纖預(yù)制棒芯棒。,光纖預(yù)制棒工藝：PCVD(Plasma Chemical Vapour Deposition ),長飛公司采用

13、的就是這種工藝。PCVD 與MCVD 的工藝相似之處是，它們都是在高純石英玻璃管管內(nèi)進(jìn)行氣相沉積和高溫氧化反應(yīng)。所不同之處是熱源和反應(yīng)機(jī)理， PCVD工藝用的熱源是微波，其反應(yīng)機(jī)理為微波加熱產(chǎn)生等離子使氣體電離。離子重新結(jié)合時(shí)釋放出的熱能熔化反應(yīng)物形成透明的石英玻璃沉積薄層。 PCVD方法可以更為準(zhǔn)確地控制光纖的折射率分布。而且沉積效率高, 沉積速度快, 有利于消除SiO 2 層沉積過程中的微觀不均勻性, 從而大大降低光纖中散射造成的本征損耗, 適合制備復(fù)雜折射率剖面的光纖。,光纖預(yù)制棒工藝：(OVD) (Outside Vapour Deposition),美國Co rn ing 公司開發(fā)的

14、。其后OVD 工藝又有不斷改進(jìn). 目前已開發(fā)出第七代工藝, 使生產(chǎn)效率提高和降低了生產(chǎn)成本大幅度; OVD 法又為“管外汽相氧化法”或“粉塵法”, 其原料在氫氧焰中水解生成SiO2 微粉,然后經(jīng)噴燈噴出, 沉積在由石英、石墨或氧化鋁材料制成的“母棒”外表面, 經(jīng)過多次沉積,去掉母棒, 再將中空的預(yù)制棒在高溫下脫水,燒結(jié)成透明的實(shí)心玻璃棒, 即為光纖預(yù)制棒。,VAD（軸向氣相沉積法）是由日本開發(fā)出來的, 其工作原理與OVD 相同, 不同之處預(yù)制棒的生長方向是由下向上垂直軸向生長的。VAD 的重要特點(diǎn)是可以連續(xù)生產(chǎn), 適合制造大型預(yù)制棒, 從而可以拉制較長的連續(xù)光纖。,光纖預(yù)制棒工藝：VAD (V

15、apour Axial Deposition),光纖拉絲,拉絲工藝,預(yù)制棒的直徑為1到2.5cm。 預(yù)制棒被電加熱爐加熱到1850 2000C 進(jìn)行拉絲 同時(shí)檢測光纖的直徑和控制拉絲速度 光纖外徑(125mm) 進(jìn)行涂敷 (250mm)，材料為丙烯酸酯。 制成的光纖纏繞在直徑為20cm左右的轉(zhuǎn)盤上。,光纖(光纜),光纖(光纜),單模：8 10mm,多模：50mm,125mm,課程內(nèi)容,光波如何進(jìn)入光纖？（模式的激勵(lì)） 光波在光纖中如何傳播？(模式分布) 光纖的基本特征參數(shù)及測試技術(shù) 光纖有源與無源器件 光纖的連接與耦合 光子晶體光纖 特種光纖 光纖應(yīng)用技術(shù),九十年代以來，以因特網(wǎng)為代表的信息技

16、術(shù)革命正在深刻地改變傳統(tǒng)電信概念和體系,因特網(wǎng)的業(yè)務(wù)量 幾乎每69個(gè)月翻一番， 比著名的電腦摩爾定律 （18個(gè)月左右翻番）快23倍,話音業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)寬帶綜合業(yè)務(wù) 世界電話業(yè) 務(wù)年增長 率為 10%，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)年增長 40% 中國 話音業(yè)務(wù) 14% 的增長率，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 400% 增長,Year,2000: “光通信的第一個(gè)春天”,10 Gb/s Ethernet,Tbit技術(shù)到干線網(wǎng),Gbit技術(shù)到辦公室/家庭,Mbit技術(shù)到個(gè)人,帶寬需求,世界光纖產(chǎn)值從96年92億美元, 到2002年198億美元，每6年翻一番. 現(xiàn)在世界上光纖生產(chǎn)速度為3200km/小時(shí)，即每天生產(chǎn)的光纖可繞地球兩周 目前光纖

17、產(chǎn)量每年遞增20-25% 目前光纜產(chǎn)值按應(yīng)用分類為：本地通信51.25%，LAN等20.82%，干線15.81%，CATV 8.6%，其它3.5%,光纖技術(shù)發(fā)展情況,光纖通信技術(shù)產(chǎn)業(yè) 激光技術(shù)產(chǎn)業(yè) 光纖傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè) 光存儲技術(shù)產(chǎn)業(yè) 發(fā)光與顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè),武漢-中國光谷,“光通信的第二個(gè)春天”,3G的即將啟動(dòng)。運(yùn)營商暗自布局，為即將到來的3G運(yùn)營做準(zhǔn)備。 村通工程的全面鋪開也需要大量的光纖光纜及相關(guān)通信用產(chǎn)品。 隨著用戶對帶寬需求的提高,技術(shù)的突破和新標(biāo)準(zhǔn)的確定以及光纖光纜及相關(guān)元器件價(jià)格的大幅度下降,FTTH 出現(xiàn)迅速發(fā)展的勢頭。 銅價(jià)的迅速飆升進(jìn)一步加速了“光進(jìn)銅退”的步伐和F T T x接入

18、的浪潮洶涌。,FTTH光纖到戶,三網(wǎng)合一: 高質(zhì)量生活,FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life!,FTTH Plan in the World,2009 年包括設(shè)備儀器和光纜一起的美國FTTH市場總額可以達(dá)到32 億美元,期間的年復(fù)合增長率為54%。 日本政府將FTTH的普及程度視為國家信息化 先進(jìn)程度的標(biāo)志。預(yù)計(jì)2007 年將達(dá)773 萬戶。市場占有率約為40%。 目前韓國的寬帶普及率已達(dá)20%，位于國際 前列，預(yù)計(jì)2007 年底將實(shí)現(xiàn)100

19、%的家庭寬帶接入。,FTTH Plan in China,中國已有運(yùn)營商- 制造廠和政府在推動(dòng)FTTH商用試驗(yàn)。例如： 武漢光谷工作小組實(shí)施武漢長飛公寓試點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了158 戶的三網(wǎng)融合。 武漢電信紫菘小區(qū)FTTH工程，該工程首期容量為400余戶。北京網(wǎng)通的EPON 研究及試驗(yàn)，廣州電信EPON寬帶接入試驗(yàn)。 一些運(yùn)營商(如長城寬帶、北京通信) 甚至開始了FTTH的試商用,專家預(yù)計(jì)在未來的23 年,我國FTTH的發(fā)展將有很大的空間。,課程安排,課程學(xué)時(shí):40學(xué)時(shí) 第一章: 16學(xué)時(shí); 第二章: 10學(xué)時(shí); 第三章: 10學(xué)時(shí); 第四章: 4學(xué)時(shí);,教學(xué)要求,先導(dǎo)課程：物理光學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法。 課程要求: 1. 掌握光纖光學(xué)基本概念和重要結(jié)論 2. 學(xué)習(xí)分析和解決問題的思路與方法 3. 注重物理內(nèi)涵