1 光光 纤纤 光光 学学 2 “导光”的古老历史 l l中国古代烽火台中国古代烽火台 l l18541854年：英国的廷达尔年：英国的廷达尔(Tyndall)(Tyndall)就观察就观察 到光在水与空气分界面上作全反射以致到光在水与空气分界面上作全反射以致 光随水流而弯曲的现象光随水流而弯曲的现象 l l1929-19301929-1930年：美国的哈纳尔年：美国的哈纳尔(Hanael)(Hanael)和和 德国的拉姆德国的拉姆(Lamm)(Lamm)先后拉制出石英光纤先后拉制出石英光纤 并用于光线和图象的短距离传输并用于光线和图象的短距离传输 3 “光纤之父”-高锟博士 n n 19661966年：高锟博士发表他的著名论文年：高锟博士发表他的著名论文“ “光频介光频介 质纤维表面波导质纤维表面波导” ”首次明确提出首次明确提出, ,通过改进制备通过改进制备 工艺工艺, ,减少原材料杂质减少原材料杂质 , , 可使石英光纤的损耗可使石英光纤的损耗 大大下降大大下降 , , 并有可能拉制出损耗低于并有可能拉制出损耗低于20dB/km20dB/km 的光纤的光纤, ,从而使光纤可用于通信之中。从而使光纤可用于通信之中。 n n 19701970年年, ,康宁玻璃公司率先研制成功损耗为康宁玻璃公司率先研制成功损耗为 20dB/km20dB/km的石英光纤的石英光纤, ,取得了重要的技术突取得了重要的技术突 破。破。 4 爆炸性发展 n自一九七年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾 注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之 快远远超出了人们的意料之外，从而使光纤通信技术取得 了极其惊人的进展。 从光纤的衰耗看： 七O年：20dB/km 七二年： 4 dB/km 七四年：1.1dB/km 七六年：0.5dB/km 七九年：0.2dB/km 九O年：0.14dB/km n n 光纤的损耗已由光纤的损耗已由1000dB/km1000dB/km下降到下降到已经接近石英光纤的 理论衰耗极限值0.1dB/km。 致使光纤通信在世界范围内致使光纤通信在世界范围内 形成了一个充满活力的新兴产业。形成了一个充满活力的新兴产业。 5 光纤通信系统基本结构 光发送 端机 光中继 放大 光接收 端机 电发送 端机 电发送 端机 6 光纤通信：21世纪的“信息高速公路” hh以光信号作为载波，以光纤为传输媒介以光信号作为载波，以光纤为传输媒介 hh光纤带宽极宽、通信容量极大光纤带宽极宽、通信容量极大 hh光纤重量轻、韧性好、易于敷设光纤重量轻、韧性好、易于敷设 hh光纤损耗极低光纤损耗极低, , 使无中继通信距离更长使无中继通信距离更长 hh保密性好、绝缘性好保密性好、绝缘性好 hh抗干扰、抗辐射、抗腐蚀抗干扰、抗辐射、抗腐蚀 hh成本低、节约金属线材成本低、节约金属线材 7 光纤通信系统的发展 n76年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通 信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10km。80年，多模 光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信 系统的现场试验工作。 90年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s）， 并着手进行零色散位移光纤和波分复用及相干通信的现场 试验，而且陆续制定同步数字体系（SDH）的技术标准。 93年，SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下）。 95年，2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 96年，10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 97年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破。 此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也 正在取得巨大进展。 8 Year 2000: “2000: “光通信的第一个春天光通信的第一个春天” ” Internet backbone T3 E1 STM1 STM4 STM16 STM64c Transport capacity 140Mb/s 565Mb/s STM16 1.7Gb/s STM64, 4l STM64, 2l STM64, 8l STM64, 16l STM64, 32l I/O rates I/O rates = = opticaloptical wavelengthwavelength capacitycapacity Important Threshold!Important Threshold! System capacity (Mbps) 10 10 10 10 10 10 1 2 3 4 5 6 1985199019952000 10 Gb/s Ethernet Ethernet Standards Ethernet Fast Ethernet Gbit Ethernet 9 n n 光纤通信技术产业光纤通信技术产业 n n 激光技术产业激光技术产业 n n 光纤传感技术产业光纤传感技术产业 n n 光存储技术产业光存储技术产业 n n 照明与显示技术产业照明与显示技术产业 n n ICIC技术产业技术产业 武汉武汉- -中国光谷中国光谷 10 “ “光通信的第二个春天光通信的第二个春天” ” n4G的启动。 n村村通工程的全面铺开也需要大量的光纤光缆及 相关通信用产品。 n随着用户对带宽需求的提高,技术的突破和新标准 的确定以及光纤光缆及相关元器件价格的大幅度 下降,FTTH 出现迅速发展的势头。 n铜价的迅速飙升进一步加速了“光进铜退”的步伐 和F T T x接入的浪潮汹涌。 11 FTTHFTTH光纤到户光纤到户 2 layer In house 19 layer Dist. ONU Fiber VDSL modem VDSL modem VDSL Personal User Government ONU OLT VoIPVoIP IPIP NetworkNetwork CATVCATV DTVDTV HDTVHDTV VoIP IP TV VLAN Advance Controll IGMP PON 10/100/1000 Base-T/SX/LX UNI In house 12 三网合一三网合一: : 高质量生活高质量生活 household Online shopping Network game Online library Tele-education E-commerce E-government Video telephone HDTV Browse/download Video conference Tele-medicine FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life! 13 光纤技术的应用领域 光纤技术 有源无源器件 光纤通信干线 光交换接入网 AON DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H 位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量 广告显示牌 激光手术刀 仪表照明 工艺装饰 电力输送 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜 光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块 信息获取信息传输信息处理其它应用 14 n光波导：约束光波传输的媒介 n导波光：受到约束的光波 n光波导三要素： “芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1n2 低传输损耗 光纤光学: 是一门研究光波在光纤中传播特性的科学 光纤: 是一种介质园柱光波导,它能够约束并导引光波 在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播 15 光纤(光缆) 单模：8 10mm 多模：50mm 125mm 16 光纤的分类光纤的分类 n通信光纤 n非通信光纤 17 光纤的进一步分类 18 光纤的进一步分类 19 光纤的进一步分类 l按材料分： 石英、塑料、红外光纤 l特种光纤： 保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤 2015/5/20 预制棒的生产 q主要预制棒生产厂家有康宁、朗 讯、阿尔卡特及日本藤仓、古河等 q主要有四种工艺： MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition ) OVD (Outside Vapor Deposition) VAD (Vapor Axial Deposition)汽相沿轴 沉淀积法 PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition)等离子体化学汽相淀积 2015/5/20 q工业界大多采用MCVD制作多模光纤。在 石英管中加氧气及高纯度的卤化物，加热 形成多层折射率不同的玻璃，玻璃再收缩 变成实心棒，即为预制棒，此法很容易控 制预制棒的形状及大小。 q预制棒成形后，先作量测，再移到石墨 炉中加热抽丝成为光纤 2015/5/20 q为保护其强 度，避免受潮 及污染，必须 在裸光纤表面 镀上保护层， 整个生产流程 须45天（预 制棒2天 ）。 纤芯 包层 一次涂覆 二次涂覆 2015/5/20 该工艺由AT n n OVD OVD 法又为法又为“ “管外汽相氧化管外汽相氧化 法法” ”或或“ “粉尘法粉尘法” ”, , 其原料在氢氧其原料在氢氧 焰中水解生成焰中水解生成SiO2 SiO2 微粉微粉, ,然后然后 经喷灯喷出经喷灯喷出, , 沉积在由石英、沉积在由石英、 石墨或氧化铝材料制成的石墨或氧化铝材料制成的“ “母母 棒棒” ”外表面外表面, , 经过多次沉积经过多次沉积, ,去去 掉母棒掉母棒, , 再将中空的预制棒在再将中空的预制棒在 高温下脱水高温下脱水, ,烧结成透明的实烧结成透明的实 心玻璃棒心玻璃棒, , 即为光纤预制棒。即为光纤预制棒。 2015/5/20 qOVD工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤： 先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔玻 璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向是径 向由里向外）， 再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，除 去残留水份，以求制得一根透明无水份的光 纤预制棒芯棒， OVD工艺最新的发展经历 从单喷灯沉积到多喷灯同时沉积，由一台设 备一次沉积一根棒到一台设备一次沉积多根 棒 2015/5/20 2015/5/20 VAD工艺是1977年由日本电报电话公司为避 免与康宁公司的OVD专利的纠纷所发明的连续工 艺。 VAD工艺的化学反应机理与OVD工艺相同 ，也是火焰水解。与OVD工艺不同的是，VAD工 艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直 轴向生长的。烧结和沉积是在同一台设备中不同 空间同时完成的，即预制棒连续制造。 VAD 34 VAD（轴向气相沉积法）是由 日本开发出来的, 其工作原理 与OVD 相同, 不同之处预制棒 的生长方向是由下向上垂直轴 向生长的。VAD 的重要特点 是可以连续生产, 适合制造大 型预制棒, 从而可以拉制较长 的连续光纤。 光纤预制棒工艺：光纤预制棒工艺：VAD VAD (Vapour-Phase Axial Deposition)(Vapour-Phase Axial Deposition) 2015/5/20 q VAD工艺的最新发展由70年代的芯、包同 时沉积烧结，到80年代先沉积芯棒再套管的 两步法，再到90年代的粉尘外包层代替套管 制成光纤预制棒。 qVAD的重要特点是可以连续生产，适合制 造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光 纤。 2015/5/20 qPCVD是由Philips研究实验室开发类似于MCVD的一 种技术，但不用氢氧焰进行