電子信息導(dǎo)論第十章光電信息技術(shù)

1、第十章 光電信息技術(shù)電子信息技術(shù)導(dǎo)論電子信息技術(shù)導(dǎo)論編制編制 葛葛 華華第十章第十章 光電信息技術(shù)光電信息技術(shù)1234一、神奇的激光一、神奇的激光二、光纖通信二、光纖通信三、自由空間光通信三、自由空間光通信四、激光雷達(dá)四、激光雷達(dá)5五、光電信息處理五、光電信息處理六、我國的光電子科學(xué)與技術(shù)六、我國的光電子科學(xué)與技術(shù)提綱提綱 小結(jié)小結(jié)一、一、 神奇的激光神奇的激光（一）激光的發(fā)明（一）激光的發(fā)明（二）激光的特性（二）激光的特性（三）無處不在的激光應(yīng)用（三）無處不在的激光應(yīng)用19601960年美國休斯公司年輕的物理學(xué)家年美國休斯公司年輕的物理學(xué)家MaimanMaiman發(fā)發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激

2、光器，光的亮度是明了世界上第一臺紅寶石激光器，光的亮度是太陽表面的太陽表面的4 4倍。倍。從此世界進(jìn)入了光電信息技術(shù)從此世界進(jìn)入了光電信息技術(shù)技術(shù)的新的時代。技術(shù)的新的時代。（一）（一） 激光的發(fā)明激光的發(fā)明一、神奇的激光一、神奇的激光梅曼（梅曼（Maiman)一、神奇的激光一、神奇的激光1. 激光原理激光原理 激光的英文：激光的英文：譯名：受激輻射光放大譯名：受激輻射光放大-LASER(鐳射鐳射)Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森的建議將年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森的建議將“鐳射鐳射”

3、定名為定名為“激激光光”。（一）（一） 激光的發(fā)明激光的發(fā)明何謂何謂“受激輻射受激輻射”？愛因斯坦從量子論觀點出發(fā)，于愛因斯坦從量子論觀點出發(fā)，于1916年提出了一套全新理論，包括年提出了一套全新理論，包括原子自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。其中原子自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。其中受激輻射過程是產(chǎn)生激光的物理基礎(chǔ)。受激輻射過程是產(chǎn)生激光的物理基礎(chǔ)。21EhEE21EhEE1E2E一、神奇的激光一、神奇的激光（一）（一） 激光的發(fā)明激光的發(fā)明受激輻射示意圖受激輻射示意圖受激輻射光是人造光，它與自然光相比有受激輻射光是人造光，它與自然光相比有不同的特性。不同

4、的特性。 2. 激光發(fā)明的背景激光發(fā)明的背景受激輻射躍遷受激輻射躍遷愛因斯坦愛因斯坦微波激射器微波激射器湯斯湯斯(Townes)開放式諧振腔開放式諧振腔湯斯、肖洛湯斯、肖洛紅寶石激光器紅寶石激光器梅曼梅曼1916195419581960一、神奇的激光一、神奇的激光（一）（一） 激光的發(fā)明激光的發(fā)明3. 發(fā)明激光的意義發(fā)明激光的意義激光是激光是2020世紀(jì)以來人類的世紀(jì)以來人類的又一個重大發(fā)明，又一個重大發(fā)明，被譽(yù)為被譽(yù)為最快的刀、最準(zhǔn)的尺、最最快的刀、最準(zhǔn)的尺、最亮的光和神奇的激光。亮的光和神奇的激光。一、神奇的激光一、神奇的激光（一）（一） 激光的發(fā)明激光的發(fā)明v 激光的發(fā)明對學(xué)科建設(shè)的影響

5、激光的發(fā)明對學(xué)科建設(shè)的影響開創(chuàng)開創(chuàng)新的學(xué)科新的學(xué)科光學(xué)工程光學(xué)工程光通信光通信激光與光激光與光電工程電工程集成光學(xué)集成光學(xué)光電器件光電器件光纖與光光纖與光纖傳感纖傳感光信息光信息處理處理一、神奇的激光一、神奇的激光（一）（一） 激光的發(fā)明激光的發(fā)明v 激光器的發(fā)展激光器的發(fā)展1961年年He-Ne激光器激光器1963年二氧化碳激光器年二氧化碳激光器一、神奇的激光一、神奇的激光（一）（一） 激光的發(fā)明激光的發(fā)明1970年年GaAs半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器1966年染料激光器年染料激光器一、神奇的激光一、神奇的激光（一）（一） 激光的發(fā)明激光的發(fā)明v 激光的出現(xiàn)引起照明技術(shù)革命激光的出現(xiàn)引起照明技

6、術(shù)革命半導(dǎo)體照明取半導(dǎo)體照明取代傳統(tǒng)照明方代傳統(tǒng)照明方式，具有節(jié)能、式，具有節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)環(huán)保等諸多優(yōu)點。這是照明點。這是照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。然趨勢。一、神奇的激光一、神奇的激光（一）（一） 激光的發(fā)明激光的發(fā)明1. 高方向性高方向性激光光束發(fā)散度極小，只有激光光束發(fā)散度極小，只有0.001rad，接近于平行光，激光的高方，接近于平行光，激光的高方向性使其在傳播過程中始終像一條筆直的線，不易發(fā)散。一束激光向性使其在傳播過程中始終像一條筆直的線，不易發(fā)散。一束激光射射20km遠(yuǎn)的光斑只有碗口大。遠(yuǎn)的光斑只有碗口大。v 應(yīng)用應(yīng)用(1)科學(xué)家與科學(xué)家與1962年測出了地球與月球的

7、精確距離。年測出了地球與月球的精確距離。(2)高方向性保證聚焦到極高功率密度，可將激光器用于精細(xì)加工、雕高方向性保證聚焦到極高功率密度，可將激光器用于精細(xì)加工、雕刻等工藝中，還可制造高能激光武器，生成大功率激光束?？痰裙に囍?，還可制造高能激光武器，生成大功率激光束。（二）（二） 激光的特性激光的特性一、神奇的激光一、神奇的激光地球至月球地球至月球38萬公里萬公里月球上光斑直徑約2Km大功率激光束發(fā)大功率激光束發(fā)射實驗的照片。射實驗的照片。一、神奇的激光一、神奇的激光（二）（二） 激光的特性激光的特性1. 高方向性高方向性2. 單色性單色性v 單色光源單色光源光的顏色由光的波長或頻率決定，一定的

8、波長對應(yīng)一定的顏色，發(fā)光的顏色由光的波長或頻率決定，一定的波長對應(yīng)一定的顏色，發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源。氦燈、氪燈、氫燈等都是典型射單種顏色光的光源稱為單色光源。氦燈、氪燈、氫燈等都是典型單色光源。單色光源。v 激光的單色性激光的單色性激光波長分布范圍窄，顏色極純，其單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一個普通激光波長分布范圍窄，顏色極純，其單色性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一個普通單色光源，可看做近似單波長的性能極佳的單色光源。單色光源，可看做近似單波長的性能極佳的單色光源。一、神奇的激光一、神奇的激光（二）（二） 激光的特性激光的特性3. 高亮度高亮度 高亮度激光束經(jīng)透鏡聚焦后，高亮度激光束經(jīng)透鏡聚焦后，能在焦點附

9、近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上能在焦點附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬度的高溫，使任何材料被燒熔、萬度的高溫，使任何材料被燒熔、汽化。因而可用于加工、切割，汽化。因而可用于加工、切割，或用于激光武器。或用于激光武器。一、神奇的激光一、神奇的激光（二）（二） 激光的特性激光的特性美美國國陸陸基基反反導(dǎo)導(dǎo)激激光光裝裝置置4. 高相干性高相干性 相干性很好的激光，才能把相干性很好的激光，才能把它聚焦成極細(xì)的光束，也才能它聚焦成極細(xì)的光束，也才能提取光波流中的相位信息，才提取光波流中的相位信息，才有激光信息處理的強(qiáng)大功能。有激光信息處理的強(qiáng)大功能。一、神奇的激光一、神奇的激光（三）無處不在的激光應(yīng)用（三）無處不在的激光應(yīng)用

10、1. 光通信光通信 激光為現(xiàn)代通信提供了優(yōu)質(zhì)的信息載體，成就了有巨大市場的光通信產(chǎn)業(yè)。激光為現(xiàn)代通信提供了優(yōu)質(zhì)的信息載體，成就了有巨大市場的光通信產(chǎn)業(yè)。光通信類型光通信類型3 水下水下光通信光通信光在水光在水下傳輸下傳輸2自由空間自由空間 光通信光通信光在大氣或者光在大氣或者宇宙中傳輸宇宙中傳輸光纖光纖通信通信1光在光纖光在光纖 中傳輸中傳輸2. 光存儲光存儲 激光唱片機(jī)激光唱片機(jī)(CD機(jī)機(jī))是利用是利用光存儲的產(chǎn)品，光存儲的產(chǎn)品，是由電子線是由電子線路、電子機(jī)械和激光頭構(gòu)成路、電子機(jī)械和激光頭構(gòu)成的綜合電子系統(tǒng)。的綜合電子系統(tǒng)。 激光影碟機(jī)（激光影碟機(jī)（VCD/DVD）等。等。一、神奇的激光

11、一、神奇的激光激光影碟機(jī)激光影碟機(jī)激光唱片機(jī)激光唱片機(jī)3. 激光照排技術(shù)激光照排技術(shù) 激光照排是印刷技術(shù)的激光照排是印刷技術(shù)的一次革命性進(jìn)步。它是將一次革命性進(jìn)步。它是將文字通過計算機(jī)分解為點文字通過計算機(jī)分解為點陣，然后控制激光在感光陣，然后控制激光在感光底片上掃描，用曝光點的底片上掃描，用曝光點的點陣組成文字和圖像。現(xiàn)點陣組成文字和圖像?，F(xiàn)在我國已廣泛應(yīng)用的漢字在我國已廣泛應(yīng)用的漢字排版技術(shù)就采用了激光照排版技術(shù)就采用了激光照排。排。 一、神奇的激光一、神奇的激光（三）無處不在的激光應(yīng)用（三）無處不在的激光應(yīng)用激光照排機(jī)激光照排機(jī)4. 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用v 外科手術(shù)中的激光刀外科

12、手術(shù)中的激光刀v 在眼科上的精細(xì)應(yīng)用在眼科上的精細(xì)應(yīng)用v 癌癥的診斷和治療癌癥的診斷和治療v 激光醫(yī)療、激光美容激光醫(yī)療、激光美容一、神奇的激光一、神奇的激光（三）無處不在的激光應(yīng)用（三）無處不在的激光應(yīng)用5. 激光武器激光武器激光武器激光武器 類型類型一、神奇的激光一、神奇的激光（三）無處不在的激光應(yīng)用（三）無處不在的激光應(yīng)用按發(fā)射按發(fā)射位置分位置分天基天基陸基陸基艦載艦載車載車載機(jī)載機(jī)載按用途按用途 分分戰(zhàn)術(shù)型戰(zhàn)術(shù)型戰(zhàn)略型戰(zhàn)略型v 戰(zhàn)術(shù)激光武器戰(zhàn)術(shù)激光武器一、神奇的激光一、神奇的激光（三）無處不在的激光應(yīng)用（三）無處不在的激光應(yīng)用激光槍激光槍v 戰(zhàn)略激光武器戰(zhàn)略激光武器前蘇聯(lián)反衛(wèi)、反導(dǎo)系統(tǒng)

13、示意前蘇聯(lián)反衛(wèi)、反導(dǎo)系統(tǒng)示意7. 激光機(jī)械加工激光機(jī)械加工 目前激光已廣泛應(yīng)用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、目前激光已廣泛應(yīng)用到激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、激光熱處理、激光打標(biāo)、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制激光熱處理、激光打標(biāo)、玻璃內(nèi)雕、激光微調(diào)、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復(fù)電路、激光布線技術(shù)、激膜、激光薄膜加工、激光封裝、激光修復(fù)電路、激光布線技術(shù)、激光清洗等。光清洗等。8. 激光在電子工業(yè)、核能、生物學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用激光在電子工業(yè)、核能、生物學(xué)等方面得到廣泛應(yīng)用一、神奇的激光一、神奇的激光（三）無處不在的激光應(yīng)用（三）無處不在的激

14、光應(yīng)用二、二、 光纖通信光纖通信（一）光纖（一）光纖（二）光通信器件（二）光通信器件（三）光波分復(fù)用（三）光波分復(fù)用（四）光通信器件（四）光通信器件（五）光纖網(wǎng)絡(luò)（五）光纖網(wǎng)絡(luò) 通信容量大通信容量大傳輸頻帶寬傳輸頻帶寬傳輸損耗小傳輸損耗小抗電磁干擾抗電磁干擾能力強(qiáng)能力強(qiáng)光纖資源豐光纖資源豐富、便宜富、便宜二、二、 光纖通信光纖通信（一）光纖通信的優(yōu)點（一）光纖通信的優(yōu)點與傳統(tǒng)電通信比較，與傳統(tǒng)電通信比較，光纖通信的優(yōu)點如光纖通信的優(yōu)點如圖：圖：光纖已取代架空明線、微波中繼通原流行通信方式。光纖已取代架空明線、微波中繼通原流行通信方式。亞洲和美洲太平洋海底光纜連接圖亞洲和美洲太平洋海底光纜連接圖

15、二、二、 光纖通信光纖通信2008年年10月投入運營的連接亞洲（上海）和美洲大陸的兆兆級月投入運營的連接亞洲（上海）和美洲大陸的兆兆級(Tbit/s)海底光纜通信系統(tǒng)能容納海底光纜通信系統(tǒng)能容納1920萬人同時通電話，或者同時傳遞萬人同時通電話，或者同時傳遞16萬路萬路高清數(shù)字電視節(jié)目。其他通信方式要實現(xiàn)如此大的通信容量是無法想象高清數(shù)字電視節(jié)目。其他通信方式要實現(xiàn)如此大的通信容量是無法想象的。的。光纖全稱光導(dǎo)纖維光纖全稱光導(dǎo)纖維(optical fiber)，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)器件。維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)器

16、件。1960197019801990至今至今高琨高琨(C.K.Kao)康寧公司康寧公司 (Coring Corp.)提出石英玻璃提出石英玻璃纖維可將光波纖維可將光波約束在其內(nèi)進(jìn)約束在其內(nèi)進(jìn)行光信號傳輸行光信號傳輸研制出損耗為研制出損耗為20dB/km的光的光纖纖光纖損耗不斷光纖損耗不斷下降，達(dá)到下降，達(dá)到0.2dB/km各種特種光纖各種特種光纖不斷涌現(xiàn)，光不斷涌現(xiàn)，光纖損耗接近理纖損耗接近理論極限值論極限值（二）（二） 光纖光纖二、二、 光纖通信光纖通信1. 光纖的結(jié)構(gòu)和分類光纖的結(jié)構(gòu)和分類v 光纖圓柱形結(jié)構(gòu)光纖圓柱形結(jié)構(gòu)由折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和表面涂覆層組成。由折射率較高的纖芯

17、、折射率較低的包層和表面涂覆層組成。二、二、 光纖通信光纖通信（二）（二） 光纖光纖采用芯包結(jié)構(gòu)的原因：引導(dǎo)激光在纖芯中傳播；可減小散射損耗；增采用芯包結(jié)構(gòu)的原因：引導(dǎo)激光在纖芯中傳播；可減小散射損耗；增加光纖機(jī)械強(qiáng)度；防止與外界接觸時纖芯受到的污染。加光纖機(jī)械強(qiáng)度；防止與外界接觸時纖芯受到的污染。v 光纖的分類光纖的分類按光纖中傳播模式數(shù)量來分按光纖中傳播模式數(shù)量來分單模光纖、多模光纖單模光纖、多模光纖單模光纖多模光纖光纖中傳播的光波模式只存在一個模式可容納多個模式纖芯直徑大小采用的光源半導(dǎo)體激光器(LD)發(fā)光二極管(LED)用途長途骨干網(wǎng)接入網(wǎng)或其他特定領(lǐng)域4 12m mm50 100典型

18、值62.5 二、二、 光纖通信光纖通信（二）（二） 光纖光纖按光纖纖芯折射率徑向分布來分按光纖纖芯折射率徑向分布來分：二、二、 光纖通信光纖通信（二）（二） 光纖光纖v 光纖的分類光纖的分類階躍折射率光纖階躍折射率光纖漸變折射率光纖漸變折射率光纖2. 光纖的導(dǎo)光原理光纖的導(dǎo)光原理v 兩種分析方法兩種分析方法 光線理論：光線理論：基于幾何光學(xué)原理，可以較好的理解多模光纖的導(dǎo)光原理和特基于幾何光學(xué)原理，可以較好的理解多模光纖的導(dǎo)光原理和特性，當(dāng)纖芯直徑較大時是一種較好的近似分析方法。性，當(dāng)纖芯直徑較大時是一種較好的近似分析方法。導(dǎo)波模式理論：導(dǎo)波模式理論：當(dāng)纖芯直徑與光波波長可比擬時需采用導(dǎo)波光學(xué)

19、理論，所當(dāng)纖芯直徑與光波波長可比擬時需采用導(dǎo)波光學(xué)理論，所以單模光纖常采用模式理論來分析。以單模光纖常采用模式理論來分析。二、二、 光纖通信光纖通信（二）（二） 光纖光纖v 用光線理論分析階躍折射率光纖導(dǎo)光原理用光線理論分析階躍折射率光纖導(dǎo)光原理3. 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性v 損耗損耗光波在光纖中傳播時，隨著傳輸距離的增加其光能量逐漸減弱，即光波能光波在光纖中傳播時，隨著傳輸距離的增加其光能量逐漸減弱，即光波能量產(chǎn)生損耗。量產(chǎn)生損耗。光纖的損耗是限制光纖通信系統(tǒng)光纖的損耗是限制光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的重要因素。傳輸距離的重要因素。目前光纖在波長為目前光纖在波長為1550nm處的處的損耗已經(jīng)

20、降到損耗已經(jīng)降到0.2dB/km。二、二、 光纖通信光纖通信（二）（二） 光纖光纖光纖的損耗曲線光纖的損耗曲線v 色散色散光纖色散是指攜帶光信號的不同波長成分在光纖中傳輸速度不同的物光纖色散是指攜帶光信號的不同波長成分在光纖中傳輸速度不同的物理現(xiàn)象理現(xiàn)象(因為在可見光中，光波的顏色和波長是一一對應(yīng)的，所以將此因為在可見光中，光波的顏色和波長是一一對應(yīng)的，所以將此現(xiàn)象稱為色散現(xiàn)象稱為色散)。隨著通信速率的不斷提高，色散對光纖傳輸速率和傳輸距離限制作用開始隨著通信速率的不斷提高，色散對光纖傳輸速率和傳輸距離限制作用開始顯現(xiàn)，成為影響通信系統(tǒng)傳輸特性的主要因素。顯現(xiàn)，成為影響通信系統(tǒng)傳輸特性的主要因

21、素。二、二、 光纖通信光纖通信（二）（二） 光纖光纖v 非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)光纖結(jié)構(gòu)使得光波以較高能量在較長的傳輸距離中被限制在很小的區(qū)光纖結(jié)構(gòu)使得光波以較高能量在較長的傳輸距離中被限制在很小的區(qū)域內(nèi)，形成十分不利的非線性現(xiàn)象。域內(nèi)，形成十分不利的非線性現(xiàn)象。4. 光纖的制造光纖的制造制造光纖的材料以石英玻璃為主，制造光纖的材料以石英玻璃為主，通過摻入不同的雜質(zhì)成分是的光通過摻入不同的雜質(zhì)成分是的光纖纖芯和包層部分折射率有細(xì)微纖纖芯和包層部分折射率有細(xì)微的差別，滿足光纖的導(dǎo)光原理。的差別，滿足光纖的導(dǎo)光原理。v 光纖制造所用材料光纖制造所用材料v 光纖制作分為兩步光纖制作分為兩步預(yù)制棒的制作預(yù)

22、制棒的制作拉絲拉絲二、二、 光纖通信光纖通信（二）（二） 光纖光纖光纖拉絲設(shè)備原理圖光纖拉絲設(shè)備原理圖1. 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)的作用是將攜帶信息的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，將光信號耦光發(fā)射機(jī)的作用是將攜帶信息的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，將光信號耦合進(jìn)傳輸光纖中。其組成框圖如下所示：合進(jìn)傳輸光纖中。其組成框圖如下所示：（三）（三） 光通信器件光通信器件二、二、 光纖通信光纖通信核心部分是光源，通常采用半核心部分是光源，通常采用半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管，通導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管，通過電信號對光載波進(jìn)行調(diào)制，過電信號對光載波進(jìn)行調(diào)制，實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)2. 光放大器光放大器v 定

23、義定義直接對光信號進(jìn)行放大直接對光信號進(jìn)行放大光放大器概念的提出及其基本器光放大器概念的提出及其基本器件的研制成功是光纖通信歷史上件的研制成功是光纖通信歷史上的重要突破，使得的重要突破，使得WDM系統(tǒng)成為系統(tǒng)成為可能?？赡堋Ｈ夥糯笃魅〈鷤鹘y(tǒng)中繼器，使得全光放大器取代傳統(tǒng)中繼器，使得通信系統(tǒng)的中繼距離得到極大的增通信系統(tǒng)的中繼距離得到極大的增加。加。二、二、 光纖通信光纖通信（三）（三） 光通信器件光通信器件半導(dǎo)體光纖放大器圖片半導(dǎo)體光纖放大器圖片3. 光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)是在光纖的末端將通過傳輸鏈路接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電光接收機(jī)是在光纖的末端將通過傳輸鏈路接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備

24、，其組成框圖如下：信號的設(shè)備，其組成框圖如下：二、二、 光纖通信光纖通信（三）（三） 光通信器件光通信器件4. 其它光器件其它光器件除了光耦合器、光隔離器、光衰減器等傳統(tǒng)的光電器件外，還有除了光耦合器、光隔離器、光衰減器等傳統(tǒng)的光電器件外，還有光纖光柵、光濾波器、光開關(guān)等新型光電器件。光纖光柵、光濾波器、光開關(guān)等新型光電器件。針對如何增加通信系統(tǒng)帶寬、提高系統(tǒng)性能、提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的通信能針對如何增加通信系統(tǒng)帶寬、提高系統(tǒng)性能、提高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的通信能力，波分復(fù)用是其中最有價值的解決方案。力，波分復(fù)用是其中最有價值的解決方案。波分復(fù)用波分復(fù)用(WDM, Wave Division Multiplex)

25、（四）（四） 光波分復(fù)用光波分復(fù)用二、二、 光纖通信光纖通信波分復(fù)用：波分復(fù)用：利用一根光纖同時傳輸多個不同波長的光信號。把光纖可能應(yīng)利用一根光纖同時傳輸多個不同波長的光信號。把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分為若干個波長，每一個波長作為一個獨立的通道傳輸光信用的波長范圍劃分為若干個波長，每一個波長作為一個獨立的通道傳輸光信號，即在一根光纖中同時傳輸多個波長的光信號可成倍提高光纖利用率。號，即在一根光纖中同時傳輸多個波長的光信號可成倍提高光纖利用率。波分復(fù)用器波分復(fù)用器波分復(fù)用模塊波分復(fù)用模塊二、二、 光纖通信光纖通信（四）（四） 光波分復(fù)用光波分復(fù)用波分復(fù)用技術(shù)的優(yōu)點波分復(fù)用技術(shù)的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，

26、體積小，可靠性高；充分利用光纖的：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可靠性高；充分利用光纖的巨大帶寬資源；可同時傳輸多種不同類型的信號；可更靈活的進(jìn)行光纖通巨大帶寬資源；可同時傳輸多種不同類型的信號；可更靈活的進(jìn)行光纖通信組網(wǎng)。信組網(wǎng)。1. 光纖骨干網(wǎng)光纖骨干網(wǎng)在現(xiàn)代數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)急劇增加以及各種新型業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)所引起的巨大帶寬需在現(xiàn)代數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)急劇增加以及各種新型業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)所引起的巨大帶寬需求下，只有光纖通信技術(shù)才能為現(xiàn)有帶寬業(yè)務(wù)提供強(qiáng)有力的發(fā)展平臺。求下，只有光纖通信技術(shù)才能為現(xiàn)有帶寬業(yè)務(wù)提供強(qiáng)有力的發(fā)展平臺。20世紀(jì)世紀(jì)90年代以來，隨著互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，同步網(wǎng)絡(luò)都將向年代以來，隨著互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，同步網(wǎng)絡(luò)都將

27、向IP網(wǎng)轉(zhuǎn)化，光網(wǎng)轉(zhuǎn)化，光纖骨干網(wǎng)是采用纖骨干網(wǎng)是采用IP over SDH/PDH的技術(shù)體制，有利于這一轉(zhuǎn)化。的技術(shù)體制，有利于這一轉(zhuǎn)化。（五）（五） 光纖網(wǎng)絡(luò)光纖網(wǎng)絡(luò)二、二、 光纖通信光纖通信2. 無源光網(wǎng)絡(luò)無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)對于高速寬帶業(yè)務(wù)的接入，接入網(wǎng)的最終目標(biāo)是實現(xiàn)光纖到戶，從長遠(yuǎn)發(fā)對于高速寬帶業(yè)務(wù)的接入，接入網(wǎng)的最終目標(biāo)是實現(xiàn)光纖到戶，從長遠(yuǎn)發(fā)展開看，寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)展開看，寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)(PON,Passive Optical Network)技術(shù)在未來實現(xiàn)光技術(shù)在未來實現(xiàn)光纖到戶方面具有較好的發(fā)展前景。纖到戶方面具有較好的發(fā)展前景。典型的典型的PON系統(tǒng)包括基于系統(tǒng)包括基于AT

28、M的的PON(APON)、以太網(wǎng)、以太網(wǎng)PON(EPON)、采用、采用通用成幀規(guī)程的通用成幀規(guī)程的GPON三種類型。三種類型。最后一千米的最后一千米的PONPON系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)示意圖二、二、 光纖通信光纖通信（五）（五） 光纖網(wǎng)絡(luò)光纖網(wǎng)絡(luò)三、三、 自由空間光通信自由空間光通信（一）空間光通信的發(fā)展背景和特點（一）空間光通信的發(fā)展背景和特點（二）地面空間光通信的技術(shù)問題（二）地面空間光通信的技術(shù)問題（三）國內(nèi)外研究狀況（三）國內(nèi)外研究狀況1. 發(fā)展背景發(fā)展背景自由空間光通信自由空間光通信(Free Space Optical Communication，F(xiàn)SO)又稱為無線光又稱為無線光通信，包括

29、大氣空間光通信和宇宙空間光通信。通信，包括大氣空間光通信和宇宙空間光通信。20世紀(jì)世紀(jì)80年代后，隨著空間衛(wèi)星通信的飛速發(fā)展，空間光通信成了未來衛(wèi)年代后，隨著空間衛(wèi)星通信的飛速發(fā)展，空間光通信成了未來衛(wèi)星通行的主要手段。近來各國重新開始了對星通行的主要手段。近來各國重新開始了對FSO的研究，使得的研究，使得FSO開始應(yīng)開始應(yīng)用于公用電信網(wǎng)，接入家庭和個人用戶。用于公用電信網(wǎng)，接入家庭和個人用戶。（一）空間光通信的發(fā)展背景和特點（一）空間光通信的發(fā)展背景和特點三、三、 自由空間光通信自由空間光通信2. 技術(shù)特點技術(shù)特點(1) 空間光通信信道容量大，光發(fā)射定向性好?？臻g光通信信道容量大，光發(fā)射定向

30、性好。(2) 空間激光通信系統(tǒng)具有功耗低，體積小，重量輕，容量價格比高?？臻g激光通信系統(tǒng)具有功耗低，體積小，重量輕，容量價格比高。(3) 宇宙空間光通信沒有地球大氣層對激光傳播的的影響。宇宙空間光通信沒有地球大氣層對激光傳播的的影響。(4) 空間光通信架設(shè)機(jī)構(gòu)靈活，對市政建設(shè)影響較小。空間光通信架設(shè)機(jī)構(gòu)靈活，對市政建設(shè)影響較小。(5) 自由空間光通信系統(tǒng)便于和地面光纖網(wǎng)絡(luò)連接，運行的協(xié)議透明，自由空間光通信系統(tǒng)便于和地面光纖網(wǎng)絡(luò)連接，運行的協(xié)議透明，能使用多種現(xiàn)有協(xié)議體制。能使用多種現(xiàn)有協(xié)議體制。三、三、 自由空間光通信自由空間光通信（一）空間光通信的發(fā)展背景和特點（一）空間光通信的發(fā)展背景和

31、特點1. 大氣對地面空間光通信傳輸?shù)挠绊懘髿鈱Φ孛婵臻g光通信傳輸?shù)挠绊懶盘栙|(zhì)量隨著傳輸距信號質(zhì)量隨著傳輸距離增加而迅速惡化，離增加而迅速惡化，大氣作用主要包括大大氣作用主要包括大氣的折射引起的波前氣的折射引起的波前失真、折射會導(dǎo)致光失真、折射會導(dǎo)致光束信號的閃爍、彎曲束信號的閃爍、彎曲和擴(kuò)散。采用多發(fā)多和擴(kuò)散。采用多發(fā)多收接收技術(shù)。收接收技術(shù)。FSO四發(fā)四收光天線四發(fā)四收光天線（二）（二） 地面空間光通信的技術(shù)問題地面空間光通信的技術(shù)問題三、三、 自由空間光通信自由空間光通信2. 系統(tǒng)性能對天氣非常敏感系統(tǒng)性能對天氣非常敏感晴天通信效果較好，而雨、霧和雪對傳輸質(zhì)量的影響較大。其中霧的晴天通信效

32、果較好，而雨、霧和雪對傳輸質(zhì)量的影響較大。其中霧的影響最大。解決方法包括增大發(fā)射功率，增大發(fā)射口徑等。影響最大。解決方法包括增大發(fā)射功率，增大發(fā)射口徑等。三、三、 自由空間光通信自由空間光通信（二）（二） 地面空間光通信的技術(shù)問題地面空間光通信的技術(shù)問題3. 大風(fēng)和地震的影響大風(fēng)和地震的影響由于由于FSO設(shè)備通常安裝在高樓上，大風(fēng)和地震引起建筑物的晃動會造設(shè)備通常安裝在高樓上，大風(fēng)和地震引起建筑物的晃動會造成光路的偏移，所以光鏈路之間的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤至關(guān)重要。成光路的偏移，所以光鏈路之間的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤至關(guān)重要。通常采用自動控制方法，用偏光法和動態(tài)跟蹤法。通常采用自動控制方法，用偏光法和動

33、態(tài)跟蹤法。4. 激光的安全問題激光的安全問題超過一定功率的激光可能對人眼產(chǎn)生傷害，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的超過一定功率的激光可能對人眼產(chǎn)生傷害，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)。能量傷害。所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)。1. 國外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀國外一些大的電信運營商開始試用國外一些大的電信運營商開始試用FSO系統(tǒng)。系統(tǒng)。1998年年Lucent制造了一套制造了一套10Gb/s的的FSO實驗系統(tǒng)，并與實驗系統(tǒng)，并與2000年商用。年商用。Lightpointe公司可提供具有電信等級傳輸質(zhì)量的公司可提供具有電信等級傳輸質(zhì)量的FSO設(shè)備。設(shè)備。Airfiber公司公

34、司2002年發(fā)表了融合光和毫米波的無線通信系統(tǒng)。年發(fā)表了融合光和毫米波的無線通信系統(tǒng)。Canon公司也在公司也在FSO領(lǐng)域有著較好的發(fā)展。領(lǐng)域有著較好的發(fā)展。（三）國內(nèi)外研究狀況（三）國內(nèi)外研究狀況三、三、 自由空間光通信自由空間光通信2. 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)國內(nèi)FSO的發(fā)展還基本處于起步階段，桂林三十四所、中科院成都光電技的發(fā)展還基本處于起步階段，桂林三十四所、中科院成都光電技術(shù)研究所等單位先后推出了自己的術(shù)研究所等單位先后推出了自己的FSO樣機(jī)，樣機(jī)，2003年上海鐵通引入年上海鐵通引入FSO設(shè)設(shè)備，是我國電信運營商對于備，是我國電信運營商對于FSO設(shè)備的首次規(guī)模應(yīng)用。設(shè)備的首次

35、規(guī)模應(yīng)用。（三）國內(nèi)外研究狀況（三）國內(nèi)外研究狀況三、三、 自由空間光通信自由空間光通信自由空間光通信，尤其是星際自由空間光通信，尤其是星際（衛(wèi)星）間光通信在迅速發(fā)展中。（衛(wèi)星）間光通信在迅速發(fā)展中。四、四、 激光雷達(dá)激光雷達(dá)（一）激光雷達(dá)的原理及類型（一）激光雷達(dá)的原理及類型（二）激光雷達(dá)的應(yīng)用（二）激光雷達(dá)的應(yīng)用1. 激光雷達(dá)原理激光雷達(dá)原理激光雷達(dá)的基本原理是由雷達(dá)發(fā)激光雷達(dá)的基本原理是由雷達(dá)發(fā)送一個光信號，經(jīng)過目標(biāo)反射后送一個光信號，經(jīng)過目標(biāo)反射后被接收機(jī)接收，通過測量反射光被接收機(jī)接收，通過測量反射光返回的時間來確定與目標(biāo)的距離；返回的時間來確定與目標(biāo)的距離；通過測量反射剛的多普勒頻

36、移或通過測量反射剛的多普勒頻移或測量兩個或多個距離來計算目標(biāo)測量兩個或多個距離來計算目標(biāo)的運動速度。的運動速度。激光雷達(dá)激光雷達(dá)(LiDAR, Light Laser Detection and Ranging)是激光探測及測距的簡稱。是激光探測及測距的簡稱。（一）（一） 激光雷達(dá)的原理及類型激光雷達(dá)的原理及類型四、四、 激光雷達(dá)激光雷達(dá)激光雷達(dá)模型激光雷達(dá)模型2. 激光雷達(dá)類型激光雷達(dá)類型四、四、 激光雷達(dá)激光雷達(dá)（一）（一） 激光雷達(dá)的原理及類型激光雷達(dá)的原理及類型v 按探測技術(shù)的不同分類按探測技術(shù)的不同分類直接探測型直接探測型相干探測型相干探測型v 按不同功能分類按不同功能分類跟蹤雷達(dá)跟

37、蹤雷達(dá)運動目標(biāo)指示雷達(dá)運動目標(biāo)指示雷達(dá)流速測量雷達(dá)流速測量雷達(dá)風(fēng)剪切探測雷達(dá)風(fēng)剪切探測雷達(dá)目標(biāo)識別雷達(dá)目標(biāo)識別雷達(dá)成像雷達(dá)成像雷達(dá)振動傳感雷達(dá)振動傳感雷達(dá)直升機(jī)障礙物規(guī)避激光雷達(dá)直升機(jī)障礙物規(guī)避激光雷達(dá)機(jī)載海洋激光雷達(dá)機(jī)載海洋激光雷達(dá)水下成像激光雷達(dá)水下成像激光雷達(dá)機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備四、四、 激光雷達(dá)激光雷達(dá)（一）（一） 激光雷達(dá)的原理及類型激光雷達(dá)的原理及類型激光多普勒雷達(dá)測速系統(tǒng)激光多普勒雷達(dá)測速系統(tǒng)四、四、 激光雷達(dá)激光雷達(dá)（一）（一） 激光雷達(dá)的原理及類型激光雷達(dá)的原理及類型激光散射測量雷達(dá)系統(tǒng)激光散射測量雷達(dá)系統(tǒng)四、四、 激光雷達(dá)激光雷達(dá)（一）（一） 激光雷達(dá)的原理及類

38、型激光雷達(dá)的原理及類型激光雷達(dá)（可用于氣象、環(huán)保及遙感等）激光雷達(dá)（可用于氣象、環(huán)保及遙感等）四、四、 激光雷達(dá)激光雷達(dá)（一）（一） 激光雷達(dá)的原理及類型激光雷達(dá)的原理及類型四、四、 激光雷達(dá)激光雷達(dá)激光雷達(dá)應(yīng)用十分廣泛！激光雷達(dá)應(yīng)用十分廣泛！激光雷達(dá)是光、機(jī)、電相結(jié)激光雷達(dá)是光、機(jī)、電相結(jié)合的電子信息系統(tǒng)。合的電子信息系統(tǒng)。五、五、 光電信息處理光電信息處理（二）激光全息技術(shù)及應(yīng)用（二）激光全息技術(shù)及應(yīng)用（三）光電信息處理的應(yīng)用（三）光電信息處理的應(yīng)用（一）幾個概念（一）幾個概念光電信息光電信息技術(shù)技術(shù)光信息光信息傳輸傳輸光信息光信息探測探測光信息光信息轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換光電信光電信息處理息處理五、五

39、、 光電信息處理光電信息處理1，光電信息處理是光電信息技術(shù)的重要組成部分光電信息處理是光電信息技術(shù)的重要組成部分（一）幾個概念（一）幾個概念物理電子學(xué)物理電子學(xué)電子信息電子信息光電信息光電信息計算機(jī)技術(shù)計算機(jī)技術(shù)通信技術(shù)通信技術(shù)五、五、 光電信息處理光電信息處理2 2，光電信息處理的學(xué)科組成光電信息處理的學(xué)科組成3，光學(xué)信息處理光學(xué)信息處理光學(xué)信息處理光學(xué)信息處理是一種全光系統(tǒng)，是在傅里葉光學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，研究是一種全光系統(tǒng)，是在傅里葉光學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，研究對各種光學(xué)信息進(jìn)行綜合性處理的技術(shù)。光學(xué)信息處理的發(fā)展目標(biāo)是對各種光學(xué)信息進(jìn)行綜合性處理的技術(shù)。光學(xué)信息處理的發(fā)展目標(biāo)是“光光計算

40、計算”，但目前理論和技術(shù)都還在發(fā)展中。，但目前理論和技術(shù)都還在發(fā)展中。五、五、 光電信息處理光電信息處理（二）（二） 激光全息技術(shù)及應(yīng)用激光全息技術(shù)及應(yīng)用1. 1. 激光全息照相激光全息照相v 定義定義光全息技術(shù)由英籍匈牙利科學(xué)家蓋伯光全息技術(shù)由英籍匈牙利科學(xué)家蓋伯(Dennis Gabor)發(fā)明，設(shè)想記錄一張發(fā)明，設(shè)想記錄一張不經(jīng)任何透鏡，用物體衍射的電子波制作曝光照片不經(jīng)任何透鏡，用物體衍射的電子波制作曝光照片(即全息圖即全息圖)，使該全息，使該全息圖能保持物體的振幅和相位的全部信息，然后用可見光照明全息圖來得到圖能保持物體的振幅和相位的全部信息，然后用可見光照明全息圖來得到放大的物體像。

41、放大的物體像。（一）幾個概念（一）幾個概念v 全息術(shù)的發(fā)展全息術(shù)的發(fā)展1948年第一代全息圖年第一代全息圖1960年激光為全息技術(shù)提供高相干性光源年激光為全息技術(shù)提供高相干性光源1962年離軸全息圖的提出，產(chǎn)生第二代全息圖年離軸全息圖的提出，產(chǎn)生第二代全息圖目前全息術(shù)得到飛速發(fā)展，全息干涉計量、全息存儲、計算全息、數(shù)字目前全息術(shù)得到飛速發(fā)展，全息干涉計量、全息存儲、計算全息、數(shù)字全息等得到了廣泛的應(yīng)用。全息等得到了廣泛的應(yīng)用。五、五、 光電信息處理光電信息處理（二）（二） 激光全息技術(shù)及應(yīng)用激光全息技術(shù)及應(yīng)用1. 1. 激光全息照相激光全息照相五、五、 光電信息處理光電信息處理（二）（二） 激

42、光全息技術(shù)及應(yīng)用激光全息技術(shù)及應(yīng)用2. 激光全息技術(shù)的應(yīng)用激光全息技術(shù)的應(yīng)用1物探物探2防偽防偽商標(biāo)商標(biāo)3醫(yī)療醫(yī)療診斷診斷五、五、 光電信息處理光電信息處理（三）（三） 光電信息處理光電信息處理技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用1大規(guī)模大規(guī)模 存儲存儲4復(fù)雜目復(fù)雜目標(biāo)三維標(biāo)三維 復(fù)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)2光電光電偵察偵察3 導(dǎo)引導(dǎo)引和識別和識別六、我國的光電子科學(xué)與技術(shù)六、我國的光電子科學(xué)與技術(shù)（一）光電產(chǎn)業(yè)（一）光電產(chǎn)業(yè)我國已建立六個光電產(chǎn)業(yè)基地：我國已建立六個光電產(chǎn)業(yè)基地：我國六個我國六個光電產(chǎn)業(yè)光電產(chǎn)業(yè)基地基地武漢武漢北京北京上海上海石家莊石家莊深圳深圳長春長春光纖、光纜、大功率激光器、各類激光加工機(jī)械、激光雷達(dá)、光存儲、半光纖、光纜、大功率激光器、各類激光加工機(jī)械、激光雷達(dá)、光存儲、半導(dǎo)體發(fā)光器件、光全息技術(shù)及產(chǎn)品全面發(fā)展，部分已具國際競爭力。導(dǎo)體發(fā)光器件、光全息技術(shù)及產(chǎn)品全面發(fā)展，部分已具國際競爭力。2001年在武漢年在武漢建立了國家光建立了國家光電子產(chǎn)業(yè)基電子產(chǎn)業(yè)基地地“中國光中國光谷谷”，成為中，成為中國光電子企業(yè)國光電子企業(yè)最集中的地區(qū)，最集中的地區(qū)，其光纖光纜的其光纖光纜的生產(chǎn)規(guī)模達(dá)