專業(yè)導(dǎo)論_光纖技術(shù)

1、黎 敏 Ph.DEmail: Office: 物理樓 508 2Title in here1.信息獲取2.信息傳輸3.信息處理傳感傳感通信通信計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)3內(nèi)容提要 光、光纖及其特性 光纖傳感器基礎(chǔ)及研究熱點(diǎn) 光纖通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀4 物理學(xué)角度物理學(xué)角度光電磁波或者光子（電磁能量量子）光電磁波或者光子（電磁能量量子）光的波動(dòng)性和粒子性光的波動(dòng)性和粒子性光電磁波電磁波光子光子研究光的傳輸研究光的傳輸研究光的發(fā)射和接收研究光的發(fā)射和接收5(2) 電磁波譜 我們稱之為我們稱之為“光光”的東西，只不過是電磁的東西，只不過是電磁輻射頻譜的一小部分輻射頻譜的一小部分可見光可見光紫外線紫外線紅外線紅外線光

2、譜光譜X X射線射線r r射線射線微波微波無線電波無線電波6（3）光的反射和折射 幾何光學(xué)：幾何光學(xué)：光沿直線傳播的射線光沿直線傳播的射線光射線在介質(zhì)表面發(fā)生反射和折射（光射線在介質(zhì)表面發(fā)生反射和折射（彎曲）彎曲）7折射率折射率 真空光速真空光速c: 被認(rèn)為是宇宙中的速度極被認(rèn)為是宇宙中的速度極限限 光穿過透明介質(zhì)時(shí)往往傳播得慢一些，減慢程度取決于材料的屬性和密度 介質(zhì)的折射率介質(zhì)的折射率 真空光速和介質(zhì)中光速之比真空光速和介質(zhì)中光速之比 負(fù)折射率材料負(fù)折射率材料vacmatvnv 8Snell定理定理n1n2IRT12sinsinnInT 9121221sin,nnthennnifc光疏光密

3、光的全內(nèi)反射12122211sinsinsinsinnnnn10光纖的歷史 瑞士，物理學(xué)家科拉登 第一次應(yīng)用：噴泉（歌?。?；水幕電影 1880s 沃勒專利替代愛迪生的電燈； 20世紀(jì)，玻璃棒導(dǎo)光牙醫(yī)； 直到1960s 激光出現(xiàn)、1970s 香港人高錕 20dB/km11光纖的基本結(jié)構(gòu) n1 n212模式的概念物理圖形：電磁場(chǎng)物理圖形：電磁場(chǎng)的空間分布的空間分布數(shù)學(xué)：數(shù)學(xué)：Maxwell 方程的解方程的解13模式與光纖的類型 單模光纖SM：)(,rna14光纖的類型15特種光纖16172、傳感與傳感器、光纖傳感 什么是傳感？ 什么是傳感器？ 什么是光纖傳感？18光纖中傳輸光的主要特性參數(shù)損耗、相

4、位、波長(zhǎng)、偏振態(tài) 損耗 強(qiáng)度調(diào)制型 相位 相位調(diào)制型 波長(zhǎng) 波長(zhǎng)調(diào)制型 偏振態(tài)偏振態(tài)調(diào)制型19強(qiáng)度調(diào)制型20相位調(diào)制型21波長(zhǎng)調(diào)制型波長(zhǎng)調(diào)制型光纖光柵nc ncleffBn21pm 1 0.1C 22偏振態(tài)調(diào)制型 偏振態(tài)？偏振光？ 立體電影2324（1） 智能材料25（1） 智能材料 航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用 智能型士兵 智能型降落傘 大型建筑物橋梁、大壩的監(jiān)測(cè)26（1）智能材料嵌入式光纖傳感器制造高溫藍(lán)寶石光纖嵌入陶瓷材料的光纖編織在復(fù)合材料中 的多模光纖(carbon/resin-epoxy)編織在紡織材料中 的多模光纖27（1）智能材料航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用采用了FBG傳感器陣列的自適應(yīng)機(jī)翼D

5、aimlerChrysler AG裝有FBG氣體溫度傳感器陣列的太空船模型CL-7528（2）智能型士兵在服裝材料紡織的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光纖和導(dǎo)線織入的全自動(dòng)化。2930（2）智能材料橋梁、大壩的監(jiān)測(cè)picoWave ReferenceDETECTORFFP-TFCOUPLERDAQ-CARDPC orLAPTOP3132（2）光纖陀螺及慣導(dǎo)系統(tǒng) Sagnac干涉儀 結(jié)構(gòu) 優(yōu)勢(shì)： 無活動(dòng)部件 無非線性效應(yīng) 無閉鎖區(qū)LDPD耦合器12ccwcwRC8nA033（2）光纖陀螺及慣導(dǎo)系統(tǒng) 美國(guó) Honeywell 1/hr Northrop Gruman 法國(guó)JAE 三軸慣導(dǎo)系統(tǒng)34（2）光纖陀螺及慣導(dǎo)

6、系統(tǒng) 日本： Mitsubishi precision Co. & 空間及宇航所M-V火箭系統(tǒng)3536（3）工業(yè)工程傳感器安裝嵌入式FBG溫度傳感器陣列的發(fā)電機(jī)定子法國(guó) Alstom 公司的鐵路部 Transport S.A.領(lǐng)導(dǎo)研制的一種安裝了FBG的智能型新型復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架。37（3）工業(yè)工程類傳感器海底聲納拖纜38（3）工業(yè)工程類傳感器電力工業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)p.33安裝于BC 水電站的Ingledow 站的NXVCT （Canada)安裝于Quebec水電站的Rolls Royee 站的NXVCT （Canada)39光纖通信技術(shù) 基本構(gòu)架 網(wǎng)絡(luò)分布 發(fā)展方向40每一種通信方式背后最

7、原始的驅(qū)動(dòng)力是？ Transmission fidelity Data rate Transmission distanceFire signal Greeks in 8th century b.c. 烽火戲諸侯Only optical or acoustical before 19th centurySamuel F.B.Morse 1838, era of e-communications“1996 Telecommunications Act”Internet Transmitter Receiver Signals Signals Voice, video, dataVoice, vi

8、deo, dataPropagating media LinksNode 2Node kNode 1Node 3Link Link Node 2Node kNode1Node 3Node 1Node 2Node 3Server Link Node kNode 2Node kNode 1Node 3Skype v.s. QQ41UltravioletVisible Infrared10-6 mLaser beamsTelephoneData, video1014 Hz1015 Hz2.55m800 nm100 km100 MHzMillimeterwaves1 c mMicrowaveradio

9、NavigationSatellite-to-satelliteMicrowave relayEarth-to-satelliteRadar 100 GHzUHF TV10 cmSuper highFrequency (SHF)Ultra highFrequency (UHF)Very highFrequency (VHF)HighFrequency (HF)Media Frequency (MF)LowFrequency (LF)Very lowFrequency (VLF)AudioWaveguide10 m100 m10 km1 km1 mCoaxialcableWire pairs10

10、 GHz1 GHz10 MHz1 MHz100 kHz10 kHz1 kHzLongwave radioShortwave radioMobile, AeronautialVHF TV and FMMobile radioBusinessAmateur radioInternationalCitizens bandAM broadcastingAeronauticalSubmarine cableNavigationTransoceanic radioTelephoneTelegraphWavelength工作頻段AudioVedio42Elements of an OF transmissi

11、on link Elements: transmitter, cable, receiver, Additional: amplifier, connector, coupler, splice, and regenerator Cable most important element Installation: aerially, in ducts, undersea, bury underground Limitation of installation and manufacturing : 100mn km/individual cable Practical consideratio

12、ns: reel size, cable weight actual length/single cable section Shorter duct; longer aerial & burial, undersea Attenuation f() Fig.1-7Fig.1-5Fig.1-643Basic network informationTDM: time division multiplexing )/(sbRN Type of serviceData rateVideo on demand/interactive TV1.56 Mb/sVideo games12 Mb/sR

13、emote education1.53 Mb/sElectronic shopping1.56 Mb/sData transfer or telecommuting13 Mb/sVideoconferencing0.3842 Mb/sVoice(single channel)64 kb/sExamples of rates for some voice, video and data services44Consists ofFig. 1-2: Digital transmission hierarchy in North American phone network45Digital mul

14、tiplexing levels used in North America, Europe and JapanBit rate (Mb/s)Digital multiplexing levelNumber of 64-kb/s channelsNorth AmericaEuropeJapan010.0640.0640.0641241.544302.048483.1523.1522966.3126.3121208.448348034.36832.06467244.376134491.053144097.72841920139.2644032274.1765760397.20046Commonl

15、y used SONET & SDH transmission ratesSONET levelElectrical levelLine rate (Mb/s)SDH equivalentOC-1STS-151.84- OC-3STS-3155.52STM-1OC-12STS-12622.08STM-4OC-24STS-241244.16STM-8OC-48STS-482488.32STM-16OC-96STS-964976.64STM-32OC-192STS-1929953.28(10Gb/s)STM-64OC: optical carrier, STS: synchronous t

16、ransport signal, STM: synchronous transport moduleATM: asynchronous transfer modeISDL: integrated services digital network 47Evolution of fiber optic systems Transmission capacity: Bit-rate distance = BL, L-repeater spacingSince 1974, a 10-fold/4yrs increase Major technologies spurred the growth:Opt

17、ical fiber, light sources, photo-detectors, optical amplifiers GTE in LA, AT&T in Chicago, 850nm, 45140Mb/s, 10km MMF SMF (large bandwidth, 2.5Gb/s, 40km)Dispersion DSF (2.5Gb/s, 90km) Optical amplifier boost to transmission capacity (EDFA) Soliton nondispersive pulse: 10Gb/s, 12,200km High-quality LDs & PDs 10Gb/s Single WDM early 1990s (8 STM-16 wavelengths per fiber) mid 1990s: EDFAs + WDM48Fig.1-4 SEA-ME-WE-3 undersea WDM cable networkRoute of the SEA-ME-WE-3 cableUndersea network topologiesWavelength connectivity of a segment of Se