光纤技术及应用第一章

1、光纤技术及应用第一章第1页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一目录1 光纤技术概论2 介质光波导基础3 光纤传输4 光源与光放大器光调制光探测器7 光纤传输器件8 光纤系统9 光纤传感 10 微波光子学11 大规模光子集成及其系统应用若干专题：第2页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/22参考书目光纤通信日 末松安晴 伊贺健一 科学出版社光纤通信, 杨祥林，国防工业出版社 光纤通信技术Mynbaev等著，机械工业出版社光纤传感技术与应用，王惠文， 国防工业出版社 第3页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/2

2、3几个有用的网站和学术期刊中国光纤在线/，CHINA通信网，网络电信，慧聪网激光光电子频道，光纤新闻网IEEE Photonics Technology letters, Journal of Lightwave Technology, IEEE journal of Quantum Electronics, IEEE journal of selected Quantum Electronics, Optics Letters, Optics Express第4页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/24考试方式30平时70期末第5页，共72页，2022年，5

3、月20日，17点53分，星期一2022/9/25信息技术和产业的重要性（1）信息技术第6页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/26信息技术和产业的重要性（2）信息技术第7页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/27信息技术和产业的重要性（3）电子商务：2008年中国电子商务市场交易额达到24000亿元，同比增值达到41.2%，其中B2B市场仍是总交易额的构成主体，C2C基本维持现状，B2C将提速发展。2005年美国电子商务市场交易额达到了2.6万亿美，iResearch预计2008该交易额将会超过7万亿美元2007年江苏省电子信

4、息产业实现销售收入超万亿元的历史性突破，达1.2万亿元，是2002年的7倍，5年年均增速48.5%；电子信息产业占全省工业销售收入的比重达20%，占全国信息产业的比重达21%。无论是863项目还是国防项目，30以上直接与信息技术相关国家核心竞争力所在！第8页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/28 第一章 光纤技术概论1.1 光纤通信技术1.2 光纤通信系统概述1.3 光纤传感和新型光纤技术第9页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/29 什么是通信 通信是各种形式信息的转移或传递 通信的演变：语言交流， 手势等（原始）；书信(

5、古代);电报、 电话(近代);光纤、无线通信（现代）； 未来的通信： 光通信, 无线通信, 量子通信？1.1 光纤通信技术载波传输媒介调制信息接收第10页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/210电话声音/电波电波/声音载波传输媒介（电线）调制信息接收第11页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/211现代通信是各种电磁波的应用10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELF

6、VFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空间波长，m频率，Hz电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质通信波段划分及相应传输媒介第12页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/212光纤通信 什么是光纤通信 利用光作为信息的载波信号，并通过 光纤来传送信息的通信系统。 光纤通信是二十世纪一个非常重大的成就，它改变了人们的交流方式， 使跨洋的交流变得更容易， 更流行，使人类所在的地球更像是一个世界村载波光纤调制信息接收第13页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/2

7、13用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息现代通信方式示意图用户终端交换设备接入网电复接设备传输系统第14页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/214 现代通信方式示意图用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端信息信息用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备信息信息光纤通信经过30年的技术发展目前正在淘汰着其他的有线通信方式卫星激光通信第15页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，

8、星期一2022/9/215 数字光纤通信系统的组成由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。光源调制器驱动电路光发射机放大器光电二极管判决器光接收机光纤光纤中继器光纤通信系统第16页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/216光纤通信发展需要的关键和器件载波光纤调制信息接收光源低损耗光纤Photonic Integrated CircuitsPIC在信息技术上，PIC将像IC一样，造就信息技术一种革命性的发展第17页，共72页，2022年，5

9、月20日，17点53分，星期一2022/9/217光纤通信的发展过程雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年 贝尔的光电话激光器(发送源）光纤(传输介质)1960 Maiman发明红宝石激光器1962 半导体激光器诞生(GaAs 870nm)70 年代室温工作LD(GaAsAI 850nm)1300、1550nm 多模LD单模LD1951 医用玻璃纤维(损耗1000dB/km)1966 高锟 理论预言1970 康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发单模光纤第18页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2

10、022/9/218最早的现代光通信 1870年贝尔发明了“光电话”光源：太阳光光检测器：硅光电池传输媒质：大气送话器振动器受话器阳光反射镜透镜透镜硅光电池抛物面贝尔光电话的缺点传输媒质：大气的不稳定性光源：太阳光的不稳定性光检测器：硅光电池的响应问题容量：单路第19页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/219光纤通信的发展过程载波光纤调制信息接收光源低损耗光纤20世纪70年代：新型半导体激光器与光检测器的寿命都达到了10万小时1979年发现了光纤1310nm/1550nm的低损耗窗口，光纤的衰减系数一下降到0.2dB/km。第20页，共72页，2022年，5月

11、20日，17点53分，星期一2022/9/220第21页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/221TXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RP

12、TR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTX

13、TX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTXTXTXMUX120 km120 km120 kmDEMX革命性的光纤通信技术：波分复用技术（WDM） 掺饵光纤放大器（EDFA）1989年掺铒光纤放大器EDFA的研制成功第22页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/222光纤通信技术的主要优点光纤传输的频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等多种业务；不受电磁干扰，保密性好；耐高温、高压、抗腐蚀，工

14、作可靠；光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属(如铜、铝)，且直径小、重量轻。第23页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/223 光纤通信的优点-容量大 7.04(Tb/s)64(kb/s/路)=1.1(亿路电话)0000000000000001111111118kHz第24页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/224 光纤的优点-尺寸小、重量轻，抗腐蚀 第25页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/225 光纤通信的优点-保密性强，抗电磁干扰可达一千多芯！第26页，共72页，2022年，5月20

15、日，17点53分，星期一2022/9/226 光纤的优点-节约有色金属、传输损耗低第27页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/227光纤通信技术的发展可分为工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第一代70年代850nm多模多模10100Mb/s10Km第二代80年代初1300nm多模单模多模100Mb/s1.7Gb/s20Km50Km第三代80年代中90年代初1550nm单模单模2.5Gb/s10Gb/s100Km第28页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/228光纤通信技术的发展可分为（续）工作波长光纤激光器比特率B中继距离L

16、第四代90年代1550nm单模单模2.5Gb/s10Gb/s21000Km（环路）1500Km光放大系统第五代1550nm单模单模波分复用WDM单路速率:40,160,640Gb/s信道数:8,16,64,128,1022超长传输距离:27000Km(Loop) 6380(Line)目前研究内容WDM光网络，全光分组交换，高速光时分复用，100Gbit/s传输，GPON/EPON/WDM-PON,微波光子学，大规模光子集成第29页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/229单根光纤通信容量不断突破？第30页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一

17、2022/9/230 世界网络业务的数据化趋势电话业务将逐渐由主角成为配角！Year end 1997Voice growth assumed 10%Data growth assumed 50%Voice/Data crossover at 2002第31页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/231网络数据容量发展趋势传输容量 5Tb/s 10Tb/s 10-40Tb/s 单纤波长 100-200 200-500 500-1000 信道速率2.5-10Gb/s 10-40Gb/s 160Gb/s-1Tb/s 可用带宽 100nm 200nm 400nm 支撑

18、技术OADM/OXC 光路由、 全光交换、DWDM自适光包、 光信号 OTDM、QPSK、 应色散补偿 处理、光3R、 光路集成、 波长变换 保密通信2000 2010 2020来源: 林金桐教授（北邮）第32页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/232 截止2008 年12 月31 日，中国网民规模达到2.98 亿人，普及率达到22.6%，超过全球平均水平, 年增长率为41.9%。 宽带网民规模达到2.7 亿人，占网民总体的90.6%。 手机上网网民规模达到11760 万人，较2007 年增长了133%。 农村网民规模增长迅速，网民规模达到8460 万人，较

19、2007 年增长60.8%，增速远远超过城镇（35.6%）远端大楼远端大楼远端大楼端局光网络通信澳大利亚总理陆克文7日宣布，政府将投入420亿澳元(约合300亿美元)，用8年时间建设一个覆盖全国的超高速光纤宽带网络。 第33页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/233IPTV3G无线WLAN互联网高清电视电话光纤无论无线网络和互联网络，其核心承载网络都是光网络光网络是核心承载网络-现状背景：由于目前95%以上网络信息通过光纤传输 核心光网络第34页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/234EducationTelephoneT

20、ravelEntertainmentHealthAll services Network traffic is growing!The whole world is in my mind!Demand for Broad bandwidthOptical networkingShoppingBanking21世纪的通信业务第35页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/235国内现状1963年 开始光通信的研究1974年 研究光纤通信1984年34Mb/s市内电话；1987年34Mb/s长途电话线路（武汉荆州）250km。“六五”、“七五”、“八五”铺设“八纵八横

21、”光纤线路总长约七万公里传输码率：从140Mb/s2.5Gb/s，10Gb/s，40Gb/s已开始研究。低档无源器件大量生产DFB（量子阱）激光器和EDFA研制成功，可供应用光设备研发发展迅速高速电子器件、波导器件尚有差距第36页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/236作为校园网的骨干传输网第37页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/237关键原材料光纤预制棒网络管理系统测试设备光纤光缆光传输/交换设备光无源器件光有源器件运营商网络集成商光纤通信的产业链第38页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022

22、/9/238 第一章 光纤技术概论1.1 光纤通信技术1.2 光纤通信系统概述1.3 光纤传感和新型光纤技术第39页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/239 数字光纤通信系统的组成由光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机等基本单元组成。此外还包括一些互连与光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。光源调制器驱动电路光发射机放大器光电二极管判决器光接收机光纤光纤中继器1.2 光纤通信系统概述第40页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/240光纤的研究光纤：将光信号从光发射机无失真地

23、传送到光接收机。基本特性参数：损耗（dB/km）：直接影响通信距离。色散（ps/nm.km）：将引起光脉冲信号展宽和码间串扰，影响通信距离和容量。为实现高速长距离传输，要求光纤具有低损耗和低色散特性。第41页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/241近四十年的努力寻找合适的光纤，实用化的光损耗为20dB/km (99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km (99.995%/m);新的实用化光纤不断涌现第42页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/242突破色散限制传输光纤的改进（1） ：G.653色

24、散位移光纤EDFA频带0.10.20.30.40.50.6衰减 (dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm) 20 10 0-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652第43页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/243传输光纤的改进（2） ： G.655非零色散位移光纤17ps/nm.kmEDFA频带0.10.20.30.40.50.6衰减 (dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm) 20 10 0-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.65

25、2G.655第44页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/244光发射机光发射机由光源、调制器和信道耦合器组成。光信号是用电信号调制光载波产生的。直接调制：通过改变注入电流直接调制半导体光源的输出。带有啁啾，影响通信系统性能。外调制：增加一调制器，适于高速系统应用。光源驱动电路调制器信号输入通道耦合器光发射机结构框图第45页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/245调制前光载波的形式为： E(t)=Acos(0t+)调制方式模拟通信可采用调幅、调频、调相等多种调制方式。采用数字调制时，相应地称为幅移键控（ASK）、频移键控（FS

26、K）、相移键控（PSK）；信号只有两种状态的ASK称为通断键控（OOK），这是当前的数字通信系统通常使用的格式，属于强度调制-直接检测（IM-DD）通信方式，是通信方式中最简单、最初级的方式。目前还有新的调制格式DPSK，QPSK电场振幅载频相位研究的愈来愈多第46页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/246光发射机的参数(1)发送光功率（dBm） P=10 lg P(mW) / 1(mW) 以1mW为基准的、用分贝表示的功率。表示功率的绝对值。 功率(mW)10010210.50.10.010.001功率(dBm)+20+10+30-3-10-20-30第4

27、7页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/247分贝的定义把信号功率与某个绝对值或某个噪声功率进行比较。分贝：功率比值，用相当简单的方式表示很大比值。 dB=10 lg P2 / P1 P2 、 P1 -光功率 功率比10N10210.50.110-NdB+10N+10+30-3-10-10N如：功率增加一倍，表明增益是3dB；功率减小到一半，表明损耗是3dB。分贝是一比值或相对单位。光纤损耗6dB通过光纤后，功率减小到25%连接器损耗1dB通过连接器后，功率减小到80%第48页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/248光接收机

28、光接收机：将光信号变换为电信号，再进行放大、再生。数字通信系统的性能用误码率BER来衡量。BER定义为错误识别比特的平均几率。接收机性能的重要参数是接收机灵敏度：在接收机BER10-9的条件下，所要求的最小平均接收光功率。接收灵敏度取决于信噪比，亦即取决于干扰接收信号的各种噪声源，是所有可能的噪声机制影响的累加，当然也与比特率有关。第49页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/249 第一章 光纤技术概论1.1 光纤通信技术1.2 光纤通信系统概述1.3 光纤传感和新型光纤技术第50页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/2501

29、.3 光纤传感和新型光纤技术控制传感光信号处理光电二极管电信号处理光纤反馈传感头光纤传感系统一般包含光源、传感头，传输光纤、传感光信号处理部分、光信号接收，电信号处理、控制和反馈等基本单元组成。光纤传感系统应用广泛，不同的应用其相应的传感系统单元差别大。总的来说，光纤传感就是光在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、频率等），因外界因素（如温度、压力、应力、磁场、电场等）的作用而直接或间接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。光源光纤第51页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/251光纤传感器分类强度调制型光纤传感器 Inten

30、sity Modulation OFS相位调制型光纤传感器 Phase Modulation OFS 偏振调制型光纤传感器 Polarization Modulation OFS 波长调制型光纤传感器 Wavelength Modulation OFS简单灵敏复杂可靠第52页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/252强度调制位移传感器光纤光纤相位调制声波传感器第53页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/253波长调制型光纤传感器光纤光栅光栅传感原理图 第54页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9

31、/254惯导传感惯导捷联系统光纤陀螺加速度计第55页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/255光纤传感器的优点在特殊的、复杂的环境里（强磁电、放射性）强抗干扰努力通过光纤，传感信号可集中处理（复杂性降低，可靠性增加）将与将来的网络融和光纤传感器的特点战斧”巡航导弹可携带高功率微波弹电磁炸弹爆炸光纤传感技术还将继续得到强有力的发展第56页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/256光纤传感的优、缺点增敏、去敏长期稳定性低成本新机理多参量优点缺点高灵敏度、高精度、高速度质轻、体小、外形可变环境适应性强；耐腐蚀、无电火花、安全可靠对被

32、测介质影响小被测对象广泛便于复用，便于成网第57页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/257微波光子学微波光子广义上被定义在光信号和高频(大于1 GHz) 电信号之间。微波光子学是微波和光子技术相融合的一个研究方向光子技术和微波、毫米波的集成在远程通信的发展上打开了一个神奇的、充满希望的领域微波信号光子产生微波信号光子传输微波信号光子处理微波信号光子接收微波信号光子网络 主要研究内容光调制器光信号处理微波调制光电探测微波转化为光波光波转化为微波第58页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/258光纤无线系统第59页，共72页，2

33、022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/259 40Gb/s -100Gb/s DWDM EthernetLirst meters WDM PON TDM PON Optical MM-W wireless WDM PON TDM PONInternet AccessFirstMilesMetroWANMetroWANLast MilesLast metersInternet Access10 Gb/s 10 Gb/s 40Gb/s 40Gb/s 100Gb/sper channel Optical MM-W wirelessLong-Haul last cmslast cms

34、10 Gb/s 10 Gb/s Multi-band,MM-W interconnectMulti-bandMM-W interconnect核心光纤网接入网无线网无线网接入网光网络通信技术是支撑信息社会少数核心之一，未来将无处不在，市场越来越大，但是现有的采用分立器件的核心设备面临的极大挑战：（1） 性能难以进一步提升；（2）体积庞大、结构复杂、费用昂贵；能耗成倍增加；下一代网络（无线+光纤)光纤网络迎接光子时代的到来来源: Prof. Gee Kung Chang (Georgia）第60页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/260无线传感网络第61页，共

35、72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/261光纤传感头光纤光电探测及发射无线基站（传感汇聚中心）互联网，移动网温度，应力无线传感网络第62页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/262来源：Intel David S Scott & IBM不久将来：超级计算第63页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/263数据存储（光纤通道）Storage & Tape ArraysAVSWAASApplication Network ServicesMDS 9500BranchWAN, VPN, InternetC

36、atalyst 6500Virtual Firewalls Provides Isolation and Controls AccessHost Protection Cisco Security ManagerVSANs for Storage IsolationDDOS Guard ProtectionApplication-Layer SecurityIntrusion Protection Prevent Outbreak PropagationFC Security Protocol for Authenticating Access来源: Cisco第64页，共72页，2022年，

37、5月20日，17点53分，星期一2022/9/264互联网和3G，4G移动网络的核心网络就是光网络3G网更需要光网络支撑超级计算机迫切需要光互联技术大规模数据存储已经越来越采用光纤通道技术光网络通信将成为21世纪通信领域的支柱技术和产业光网络通信数据容量年增长100%，已超过CPU的摩尔定律(18月-24月翻番）1998年2008年10年容量增加了1000倍！2.6米设备成本和运行成本成倍上升*电力消耗急剧增加*分立器件分立器件来源: 林金桐教授（北邮）第65页，共72页，2022年，5月20日，17点53分，星期一2022/9/265数据日本：预测网络容量未来的10年内将比现在增加1000倍，骨干节点的处理能力将达到