张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章
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14
光纤(光缆)
护套层 纤芯 包层 涂覆层
单模：8 ~10mm 125mm 多模：50mm
10
VoIP IP
Network CATV DTV HDTV
FTTH光纤到户
OLT
Personal User
VoIP IP TV …
GovΒιβλιοθήκη Baidurnment
10/100/1000 Base-T/SX/LX
UNI
PON
Fiber
ONU
Dist.
In house
19 layer
VDSL modem In house
3
爆炸性发展
自一九七０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 光纤的损耗已由1000dB/km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 形成了一个充满活力的新兴产业。
6
光纤通信系统的发展
76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。
7
2000: “光通信的第一个春天”
System capacity (Mbps)
10 6
STM64, 32l
I/O rates
=
STM64, 16l
10 5
STM64, 8l STM64, 4l
optical wavelength
10 4
Important Threshold!
STM64, 2l
STM64c
4
光纤通信系统基本结构
光发送 端机
电发送 端机
光中继 放大
光接收 端机
电发送 端机
5
光纤通信：21世纪的“信息高速公路”
以光信号作为载波，以光纤为传输媒介 光纤带宽极宽、通信容量极大 光纤重量轻、韧性好、易于敷设 光纤损耗极低, 使无中继通信距离更长 保密性好、绝缘性好 抗干扰、抗辐射、抗腐蚀 成本低、节约金属线材
2 layer
VDSL modem
ONU
VDSL
VLAN Advance Controll IGMP
11
三网合一: 高质量生活
Video conference
Tele-medicine
HDTV
Online library
household
Tele-education
E-commerce E-government
1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介 质纤维表面波导”首次明确提出,通过改进制 备工艺,减少原材料杂质 , 可使石英光纤的损 耗大大下降 , 并有可能拉制出损耗低于 20dB/km的光纤,从而使光纤可用于通信之中。 1970年,康宁玻璃公司率先研制成功损耗为 20dB/km的石英光纤,取得了重要的技术突破。
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
13
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
光波导：约束光波传输的媒介 导波光：受到约束的光波 光波导三要素： –“芯 / 包”结构 –凸形折射率分布，n1>n2 –低传输损耗
capacity
10 3
1.7Gb/s 565Mb/s
STM16
Gbit Ethernet
10 Gb/s Ethernet
STM16
STM4
10 2
140Mb/s
Fast Ethernet
STM1
10 1 Ethernet
Transport capacity
T3
Ethernet Standards
Internet backbone
E1
1985
1990
1995
2000
Year
8
武汉-中国光谷
光纤通信技术产业 激光技术产业 光纤传感技术产业 光存储技术产业 照明与显示技术产业 IC技术产业
9
“光通信的第二个春天”
4G的启动。 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。 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。 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。
Video telephone
Network game
Browse/download
Online shopping
FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life!
12
光纤技术的应用领域
光纤技术
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
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
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
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
光纤光学
1
“导光”的古老历史
中国古代烽火台 1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察
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 1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和 德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤 并用于光线和图象的短距离传输
2
“光纤之父”----高锟博士
光纤(光缆)
护套层 纤芯 包层 涂覆层
单模：8 ~10mm 125mm 多模：50mm
10
VoIP IP
Network CATV DTV HDTV
FTTH光纤到户
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GovΒιβλιοθήκη Baidurnment
10/100/1000 Base-T/SX/LX
UNI
PON
Fiber
ONU
Dist.
In house
19 layer
VDSL modem In house
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爆炸性发展
自一九七０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 光纤的损耗已由1000dB/km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 形成了一个充满活力的新兴产业。
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光纤通信系统的发展
76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。
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2000: “光通信的第一个春天”
System capacity (Mbps)
10 6
STM64, 32l
I/O rates
=
STM64, 16l
10 5
STM64, 8l STM64, 4l
optical wavelength
10 4
Important Threshold!
STM64, 2l
STM64c
4
光纤通信系统基本结构
光发送 端机
电发送 端机
光中继 放大
光接收 端机
电发送 端机
5
光纤通信：21世纪的“信息高速公路”
以光信号作为载波，以光纤为传输媒介 光纤带宽极宽、通信容量极大 光纤重量轻、韧性好、易于敷设 光纤损耗极低, 使无中继通信距离更长 保密性好、绝缘性好 抗干扰、抗辐射、抗腐蚀 成本低、节约金属线材
2 layer
VDSL modem
ONU
VDSL
VLAN Advance Controll IGMP
11
三网合一: 高质量生活
Video conference
Tele-medicine
HDTV
Online library
household
Tele-education
E-commerce E-government
1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介 质纤维表面波导”首次明确提出,通过改进制 备工艺,减少原材料杂质 , 可使石英光纤的损 耗大大下降 , 并有可能拉制出损耗低于 20dB/km的光纤,从而使光纤可用于通信之中。 1970年,康宁玻璃公司率先研制成功损耗为 20dB/km的石英光纤,取得了重要的技术突破。
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
13
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
光波导：约束光波传输的媒介 导波光：受到约束的光波 光波导三要素： –“芯 / 包”结构 –凸形折射率分布，n1>n2 –低传输损耗
capacity
10 3
1.7Gb/s 565Mb/s
STM16
Gbit Ethernet
10 Gb/s Ethernet
STM16
STM4
10 2
140Mb/s
Fast Ethernet
STM1
10 1 Ethernet
Transport capacity
T3
Ethernet Standards
Internet backbone
E1
1985
1990
1995
2000
Year
8
武汉-中国光谷
光纤通信技术产业 激光技术产业 光纤传感技术产业 光存储技术产业 照明与显示技术产业 IC技术产业
9
“光通信的第二个春天”
4G的启动。 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。 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。 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。
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FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life!
12
光纤技术的应用领域
光纤技术
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
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
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
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
光纤光学
1
“导光”的古老历史
中国古代烽火台 1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察
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 1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和 德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤 并用于光线和图象的短距离传输
2
“光纤之父”----高锟博士