电子科大光纤技术第一章(OK)

光纤技术电子科技大学通信学院吴宇Email:[e-mail]: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[1]JeffHecht，《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）•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1.1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；①20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②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③后来,人们用一种波导结构来传输超高频(UltraHighFrequency，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，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④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。⑤1870年，英国物理学家JoanTyndall验证了光可以在一个弯曲的水流中传播（如下图）⑥1951年，研究人员才设计出第一个光导纤维镜（Fiberscope），它可以用于传输人体内部器官的图像（无包层，短距离传输）。⑦1953年，在伦敦皇家科学技术学院工作的NarinderKapany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⑧1966年，华裔科学家高锟(CharlesKao)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，损耗可降到10dB/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。⑨清楚问题后就是制作：1970年，康宁公司(CorningGlassCorporation)的RoberMaurer、DonaldKeck和PeterSchultz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。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。[3]1988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。[4]1989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：简单图1.1光纤的基本结构(a)整圈光纤(b)光纤横截面(a)涂覆层包层纤芯涂覆层直径195～250um；包层直径一般125um；纤芯直径根据光纤类型而不同，一般通信用单模光纤直径为8um～10um(b)[1]通信光纤是芯小、包层厚，其标准包层直径是125µm，塑料护套的直径约250µm（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)。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)、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&T、英国电信、法国电信等共同进行，长度5600km，载8万个语音信道，单模光纤，波长1300nm，（光电光）再生中继器1个/50km，并用能传输1.6A电流的单独导线为中继器供电（缺点）。1996年连接美国和欧洲的TAT-12和TAT-13用波分复用(Wavelength-divisionMultiplexing)技术提高运载能力，为30万个信道。目前，还有其他几个全球海底项目正在进行之中。总之，现在全世界已用一个庞大的光网络连接在一起。(2)、陆地网络陆地网络比海底网络的性能要求低。目前，全球陆地（尤其是美国和欧洲陆地）已布满了庞大的光纤网络。典型例是泛欧光纤网络：使用波分复用技术，覆盖整个欧洲，已成功将16×10Gbps的信号传输500km(16是波长数，10Gbps是单波长信道能力)。现在，信息传输容量已达到数Tbps，如2001年达到1Tbps，2003年1.5~2Tb/s（距离8000km～9000km），至2010年可达10Tb/s（当然需要相应性能的器件和光纤传输系统）。;(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。ServiceNodeSNI(VB5)ONUFTTBFTTCOpticalFiberATM-PONxDSLOLTONUNTNTPassiveOpticalSplitterQ3OperationSystemInternetLeasedLineFrame/CellRelayTelephoneInteractiveVideoTwistedPairONT