光纖技術(shù) 1章

1、光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù) 1.1 1.1 歷史回顧歷史回顧“導(dǎo)光導(dǎo)光”的歷史的歷史光纖技術(shù)光纖技術(shù)“光纖之父光纖之父”-高錕博士高錕博士l1970年年, ,康寧玻璃公司率先研制成功損耗為康寧玻璃公司率先研制成功損耗為20dB/km的石英光纖的石英光纖, ,取得了重要的技術(shù)突破。取得了重要的技術(shù)突破。光纖技術(shù)光纖技術(shù)爆炸性發(fā)展爆炸性發(fā)展自一九七年以后，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)光纖通信的研究?jī)A注了大自一九七年以后，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)光纖通信的研究?jī)A注了大量的人力與物力，其來(lái)勢(shì)之兇，規(guī)模之大、速度之快遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了量的人力與物力，其來(lái)勢(shì)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

2、得了極其驚人的進(jìn)展。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：從光纖的衰耗看：七七O年：年：20dB/km七二年：七二年： 4 dB/km七四年：七四年：1.1dB/km七六年：七六年：0.5dB/km七九年：七九年：0.2dB/km九九O年：年：0.14dB/km它已經(jīng)接近石英光纖的理論衰耗極限值它已經(jīng)接近石英光纖的理論衰耗極限值0.1dB/km。光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)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)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展n7676年，美國(guó)在亞特蘭大開(kāi)通了世界上第一個(gè)實(shí)用

3、化光纖通信年，美國(guó)在亞特蘭大開(kāi)通了世界上第一個(gè)實(shí)用化光纖通信系統(tǒng)。碼率為系統(tǒng)。碼率為45Mb/s45Mb/s，中繼距離為，中繼距離為10km10km。8080年，多模光纖通年，多模光纖通信系統(tǒng)商用化（信系統(tǒng)商用化（140Mb/s140Mb/s），并著手單模光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)），并著手單模光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作。試驗(yàn)工作。9090年，單模光纖通信系統(tǒng)進(jìn)入商用化階段（年，單模光纖通信系統(tǒng)進(jìn)入商用化階段（565Mb/s565Mb/s），并著），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(chǎng)試驗(yàn)，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(chǎng)試驗(yàn)，而且陸續(xù)制定同步數(shù)字體系（而且陸續(xù)制定同步數(shù)字

4、體系（SDHSDH）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。9393年，年，SDHSDH產(chǎn)品開(kāi)始商用化（產(chǎn)品開(kāi)始商用化（622Mb/s 622Mb/s 以下）。以下）。9595年，年，2.5Gb/s 2.5Gb/s 的的SDHSDH產(chǎn)品進(jìn)入商用化階段。產(chǎn)品進(jìn)入商用化階段。9696年，年，10Gb/s 10Gb/s 的的SDHSDH產(chǎn)品進(jìn)入商用化階段。產(chǎn)品進(jìn)入商用化階段。9797年，采用波分復(fù)用技術(shù)（年，采用波分復(fù)用技術(shù)（WDMWDM）的）的20Gb/s 20Gb/s 和和40Gb/s 40Gb/s 的的SDHSDH產(chǎn)品試驗(yàn)取得重大突破。產(chǎn)品試驗(yàn)取得重大突破。此外，在光孤子通信、超長(zhǎng)波長(zhǎng)通信和相干光通信方面也

5、正此外，在光孤子通信、超長(zhǎng)波長(zhǎng)通信和相干光通信方面也正在取得巨大進(jìn)展在取得巨大進(jìn)展 光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖通信：光纖通信：2121世紀(jì)的世紀(jì)的“信息高速公路信息高速公路”光纖技術(shù)光纖技術(shù)信息傳輸速率與媒介的容量信息傳輸速率與媒介的容量光纖技術(shù)光纖技術(shù)光通信速率的不斷提升光通信速率的不斷提升光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域光纖技術(shù)有源無(wú)源器件光纖通信干線光交換接入網(wǎng) DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H 位移、振動(dòng) 溫度、壓力 應(yīng)變、應(yīng)力 電流、電壓 電場(chǎng)、磁場(chǎng) 流量、濃度可以測(cè)量70 多個(gè)物理化學(xué)量 廣告顯示牌 激光手術(shù)刀 儀表照明 工藝裝飾 電力輸送 光纖面板 醫(yī)用內(nèi)窺鏡 潛望

6、鏡 光子集成 光電子集成 集成光路 光收發(fā)模塊 光接入模塊 光開(kāi)關(guān)模塊 光放大模塊信息獲取信息傳輸信息處理其它應(yīng)用光纖技術(shù)光纖技術(shù)n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(duì)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)用方面光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)1.2 1.2 光纖技術(shù)基礎(chǔ)光纖技術(shù)基礎(chǔ)n光纖的結(jié)構(gòu)n涂覆層 195250mn包層 125 mn纖芯 單模光纖直徑 810 mn基本結(jié)構(gòu)n導(dǎo)光的纖芯和折射率低的包層1.纖芯的折射率：可以是均勻的或變化的光纖技術(shù)光纖

7、技術(shù)n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)、傳感等等光纖技術(shù)光纖技術(shù)n光纖特性n 損耗：n色散：n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技術(shù)光纖技術(shù)光纖與通信網(wǎng)絡(luò)光纖與通信網(wǎng)絡(luò)光纖技術(shù)光纖技術(shù)3 3、衛(wèi)星系統(tǒng)與光纖網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星系統(tǒng)與光纖網(wǎng)絡(luò)4 、光纖到戶、光纖到戶光纖技術(shù)光纖技術(shù)1.4 1.4 光纖與傳感技術(shù)光纖與傳感技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)1 1光纖光柵傳感光纖光柵傳感光纖技術(shù)光纖技術(shù)2 2光纖法布里珀羅傳感器光纖法布里珀羅傳感器光纖技術(shù)光纖技術(shù)3 3光纖白光干涉?zhèn)鞲衅鞴饫w白光干涉?zhèn)鞲衅鞴饫w技術(shù)

8、光纖技術(shù)5 5光纖陀螺傳感技術(shù)光纖陀螺傳感技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)6 6、其它光纖傳感技術(shù)、其它光纖傳感技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)1.5 1.5 光纖技術(shù)的發(fā)展光纖技術(shù)的發(fā)展光纖技術(shù)光纖技術(shù)1.5 1.5 光纖技術(shù)的發(fā)展光纖技術(shù)的發(fā)展光纖技術(shù)光纖技術(shù)1.5 1.5 光纖技術(shù)的發(fā)展光纖技術(shù)的發(fā)展光纖技術(shù)光纖技術(shù)2 2 光纖通訊技術(shù)的發(fā)展光纖通訊技術(shù)的發(fā)展光纖技術(shù)光纖技術(shù)3 3 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展光纖傳感技術(shù)的發(fā)展光纖傳感器的研究動(dòng)向：光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)n通信光纖通信光纖n非通信光纖非通信光纖光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖的進(jìn)一步分類光纖的進(jìn)一步分類光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖的進(jìn)一步分類光纖的

9、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；特殊涂層光纖；雙或多包層光纖、耐輻射光纖；光纖技術(shù)光纖技術(shù)改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法光纖技術(shù)光纖技術(shù) 光纖技術(shù)光纖技術(shù)n美國(guó)美國(guó)Co rn ing 公司開(kāi)發(fā)的。其公司開(kāi)發(fā)的。其后后OVD 工藝又有不斷改進(jìn)工藝又有不斷改進(jìn). 目前目前已開(kāi)發(fā)出第七代工藝已開(kāi)發(fā)出第七代工藝, 使生產(chǎn)效率使生產(chǎn)效率提高和降低了生產(chǎn)成本大幅度提高和降低了生產(chǎn)成本大幅度;光纖技術(shù)光纖技

10、術(shù)nVAD（軸向氣相沉積法）（軸向氣相沉積法）是由日本開(kāi)發(fā)出來(lái)的是由日本開(kāi)發(fā)出來(lái)的, 其工其工作原理與作原理與OVD 相同相同, 不同之不同之處預(yù)制棒的生長(zhǎng)方向是由下處預(yù)制棒的生長(zhǎng)方向是由下向上垂直軸向生長(zhǎng)的。向上垂直軸向生長(zhǎng)的。VAD 的重要特點(diǎn)是可以連續(xù)生產(chǎn)的重要特點(diǎn)是可以連續(xù)生產(chǎn), 適合制造大型預(yù)制棒適合制造大型預(yù)制棒, 從而從而可以拉制較長(zhǎng)的連續(xù)光纖。可以拉制較長(zhǎng)的連續(xù)光纖。光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)n預(yù)制棒的直徑為預(yù)制棒的直徑為1到到2.5cm。n預(yù)制棒被電加熱爐加熱到預(yù)制棒被電加熱爐加熱到1850 2000Cn進(jìn)行拉絲進(jìn)行拉絲n同時(shí)檢測(cè)光纖的直徑和控制拉絲同時(shí)檢測(cè)光纖的直徑和

11、控制拉絲速度速度n光纖外徑光纖外徑(125125m) 進(jìn)行涂敷進(jìn)行涂敷 (250 m)，材料為丙烯酸酯。，材料為丙烯酸酯。 n制成的光纖纏繞在直徑為制成的光纖纏繞在直徑為20cm左左右的轉(zhuǎn)盤(pán)上。右的轉(zhuǎn)盤(pán)上。光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖光纖(光纜光纜)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖光纖( (光纜光纜) )纖芯包層涂覆層護(hù)套層強(qiáng)度元件內(nèi)護(hù)層光纖纜芯外護(hù)層單模：8 10m多模：50m125m光纖技術(shù)光纖技術(shù)課程內(nèi)容課程內(nèi)容l光波如何進(jìn)入光纖？（模式的激勵(lì)）光波如何進(jìn)入光纖？（模式的激勵(lì)）l光波在光纖中如何傳播？光波在光纖中如何傳播？( (模式分布模式分布) )l光纖的基本特征參數(shù)及測(cè)試技術(shù)光纖的基本特征參數(shù)及測(cè)試技術(shù)

12、l光纖有源與無(wú)源器件光纖有源與無(wú)源器件l光纖的連接與耦合光纖的連接與耦合l光子晶體光纖光子晶體光纖l特種光纖特種光纖l光纖應(yīng)用技術(shù)光纖應(yīng)用技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù) 世界電話業(yè)世界電話業(yè) 務(wù)年增長(zhǎng)務(wù)年增長(zhǎng) 率為率為 %，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)年增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)年增長(zhǎng) % 中國(guó)中國(guó) 話音業(yè)務(wù)話音業(yè)務(wù) % 的增長(zhǎng)率，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)率，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) % 增長(zhǎng)增長(zhǎng)光纖技術(shù)光纖技術(shù)YearInternet backboneT3E1STM1STM4STM16STM64cTransport capacity140Mb/s565Mb/sSTM161.7Gb/sSTM64, 4l lSTM64, 2l l

13、STM64, 8l lSTM64, 16l lSTM64, 32l lSystem capacity (Mbps) 101010101010123456198519901995200010 Gb/s Ethernet光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)n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.n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n目前光纖產(chǎn)量每年遞增20-25%n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)光纖技術(shù)光纖技術(shù)光纖技術(shù)n3G的即將啟

14、動(dòng)。運(yùn)營(yíng)商暗自布局，為即將的即將啟動(dòng)。運(yùn)營(yíng)商暗自布局，為即將到來(lái)的到來(lái)的3G運(yùn)營(yíng)做準(zhǔn)備。運(yùn)營(yíng)做準(zhǔn)備。n村通工程的全面鋪開(kāi)也需要大量的光纖光村通工程的全面鋪開(kāi)也需要大量的光纖光纜及相關(guān)通信用產(chǎn)品。纜及相關(guān)通信用產(chǎn)品。n隨著用戶對(duì)帶寬需求的提高隨著用戶對(duì)帶寬需求的提高,技術(shù)的突破和技術(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)新標(biāo)準(zhǔn)的確定以及光纖光纜及相關(guān)元器件價(jià)格的大幅度下降格的大幅度下降,FTTH 出現(xiàn)迅速發(fā)展的勢(shì)頭。出現(xiàn)迅速發(fā)展的勢(shì)頭。n銅價(jià)的迅速飆升進(jìn)一步加速了銅價(jià)的迅速飆升進(jìn)一步加速了“光進(jìn)銅退光進(jìn)銅退”的步伐和的步伐和F T T x接入的浪潮洶涌。接入的浪潮洶涌。光纖技術(shù)光纖技術(shù)F

15、TTH2 layerIn house19 layerDist.ONUFiberVDSL modemVDSL modemVDSLPersonal UserGovernmentONUOLTVoIPIP TVVLANAdvance ControllIGMPPON10/100/1000Base-T/SX/LXUNIIn house光纖技術(shù)光纖技術(shù)householdOnline shoppingNetwork gameOnline libraryTele-educationE-commerceE-governmentVideo telephoneHDTVBrowse/downloadVideo conf

16、erenceTele-medicine FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life! 光纖技術(shù)光纖技術(shù)n2009 年包括設(shè)備儀器和光纜一起的美國(guó)年包括設(shè)備儀器和光纜一起的美國(guó)FTTH市場(chǎng)總額可以達(dá)到市場(chǎng)總額可以達(dá)到32 億美元億美元,期間的年期間的年復(fù)合增長(zhǎng)率為復(fù)合增長(zhǎng)率為54%。n日本政府將日本政府將FTTH的普及程度視為國(guó)家信息化的普及程度視為國(guó)家信息化先進(jìn)程度的標(biāo)志。預(yù)計(jì)先進(jìn)程度的標(biāo)志。預(yù)計(jì)2007 年將達(dá)年將達(dá)773 萬(wàn)戶。萬(wàn)戶。市場(chǎng)占有率

17、約為市場(chǎng)占有率約為40%。n目前韓國(guó)的寬帶普及率已達(dá)目前韓國(guó)的寬帶普及率已達(dá)20%，位于國(guó)際，位于國(guó)際前列，預(yù)計(jì)前列，預(yù)計(jì)2007 年底將實(shí)現(xiàn)年底將實(shí)現(xiàn)100%的家庭寬帶的家庭寬帶接入。接入。光纖技術(shù)光纖技術(shù)中國(guó)已有運(yùn)營(yíng)商中國(guó)已有運(yùn)營(yíng)商- 制造廠和政府在推動(dòng)制造廠和政府在推動(dòng)FTTH商用試商用試驗(yàn)。例如：驗(yàn)。例如：n武漢光谷工作小組實(shí)施武漢長(zhǎng)飛公寓試點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了武漢光谷工作小組實(shí)施武漢長(zhǎng)飛公寓試點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了158 戶的戶的三網(wǎng)融合。三網(wǎng)融合。n武漢電信紫菘小區(qū)武漢電信紫菘小區(qū)FTTH工程，該工程首期容量為工程，該工程首期容量為400余戶。余戶。北京網(wǎng)通的北京網(wǎng)通的EPON 研究及試驗(yàn)，廣州電信研究及試

18、驗(yàn)，廣州電信EPON寬帶接入試寬帶接入試驗(yàn)。驗(yàn)。n一些運(yùn)營(yíng)商一些運(yùn)營(yíng)商(如長(zhǎng)城寬帶、北京通信如長(zhǎng)城寬帶、北京通信) 甚至開(kāi)始了甚至開(kāi)始了FTTH的試的試商用商用,專家預(yù)計(jì)在未來(lái)的專家預(yù)計(jì)在未來(lái)的23 年年,我國(guó)我國(guó)FTTH的發(fā)展將有很大的發(fā)展將有很大的空間。的空間。光纖技術(shù)光纖技術(shù)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);光纖技術(shù)光纖技術(shù)教學(xué)要求教學(xué)要求n先導(dǎo)課程：先導(dǎo)課程：。n課程要求課程要求: 1. 掌握光纖光學(xué)基本概念和重要結(jié)論掌握光纖光學(xué)基本概念和重要結(jié)論 2. 學(xué)習(xí)分析和解決問(wèn)題的思路與方法學(xué)習(xí)分析和解決問(wèn)題的思路與方法 3. 注重物理內(nèi)涵而不必拘泥于繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算注重物理內(nèi)涵而不必拘泥于繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算n授課形式授課形式: 1. 課堂講授課堂講授 2. 課堂提問(wèn)與討論課堂提問(wèn)與討論 3.