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1、光纤技术专题,饶云江 长江特聘教授,电子科技大学通信与信息工程学院 Email: 二零零五年九月,提 纲,专题一：光纤激光器 专题二：光纤到户（FTTH）技术,Optical Fiber Technology Group,光纤激光器的发展现状,激光器和光纤激光器的基本原理 几种实用型光纤激光器,激光器的基本原理,激光器的基本原理是光受激辐射的放大 激光器的三个组成部分：泵浦源，工作物资，谐振腔 短脉冲激光器的产生：锁模技术,光纤激光器的基本原理,光纤激光器的基本结构光纤激光器中的工作物资是掺杂光纤，光纤环是谐振腔，一般采用半导体激光器泵浦 光纤激光器的优点 短脉冲光纤激光器：高速短脉冲光纤激
2、光器，超短脉冲光纤激光器,几种实用的光纤激光器,宽带ASE光纤光源 大功率双掺杂光纤激光器 窄线宽光纤激光器 短脉冲光纤激光器,宽带ASE光源,ASE光源的概念 ASE是英文Amplified Spontaneous Emission的缩写。激光器在形成激射之前，自发辐射光出射，因此在整个增益区都有光发出。 ASE光源的应用 广泛应用于光无源器件和光通信器件的测试中，如在光纤光栅、薄膜滤波器和光纤耦合器光无源器件中。采用ASE 光源与采用白光源和可调谐激光光源相比，可提高功效10 倍以上。,宽带ASE光源 1,美国Polaronyx公司的宽带ASE光源 波长：15251610nm 功率：5-1
3、4dBm 增益平坦度：5dB 输出稳定性（15分钟）：0.005-0.01 dB 输出稳定性（8小时）：0.02-0.05dB,宽带ASE光源 2,深圳朗光的ASE光源 波长：15251610nm 功率：10 dBm 输出稳定性（15分钟）：0.02 dB 输出稳定性（8小时）：0.05dB,大功率光纤激光器,实现大功率输出的主要技术 采用包层泵浦技术，采用特种光纤作为增益介质，同时采用特种材料制造光纤 大功率光纤激光器的应用 激光加工，激光医疗和军事,大功率双掺杂光纤激光器 1,英国SPI公司的大功率光纤激光器 redPOWERTM 高功率光纤激光模块-1550nm 输出最大可达 4W，波长
4、1.5 m redPOWERTM 紧凑激光模块 (2W-10W) 最大输出可达10W，波长1m,大功率双掺杂光纤激光器 2,俄罗斯IPG公司的大功率光纤激光器YLR-SM Series 100W to 1.5kW output Optical Power 1060 to 1080nm Wavelength Range 100khrs Estimated Pump Diode MTBF,光纤激光器打标系统,大功率双包层光纤激光器打标系统的光路图 JDS Uniphases Continuous Wave (CW) Fiber Laser Marking (FLM) System,光纤激光器打标系
5、统的应用 1,激光雕刻，右图为激光雕刻的示意图 下图为激光雕刻的图形,光纤激光器打标系统的应用 2,光纤激光器可以用于材料的改性，右图为示意图 下图为材料改性的例子,光纤激光器打标系统的应用 3,大功率光纤激光器可以用于激光切割和剥离。右图为示意图 下图为剥离出来的图形,连续激光和脉冲激光打标的比较,下图左图为连续打标系统的效果，右图为脉冲激光打标系统的效果。,光纤激光器和其它激光器比较,和二氧化碳激光器比较 可以有更高峰值功率脉冲激光，可以加工的材料种类更多 使用方便，采用光纤传输可以有更大的扫描范围 能量转换效率高，光纤激光器的电光转换效率为25，而二氧化碳激光器只有5 光束质量好,和YA
6、G激光器比较 光光转换效率高，光纤激光器的转换效率为70，YAG只有20 使用寿命长， 无需复杂的冷却系统。 容易调节 光纤传输，不怕污染，光束质量好,光纤激光器与YAG固体激光器的比较,窄线宽光纤激光器,实现窄线宽的相关技术 主要采用光纤光栅或者光纤F-P干涉仪等滤波器进行线宽压缩 窄线宽光纤激光器的应用 窄线宽光纤激光器的相关长度长，在相关光通信系统，光纤传感系统，光学测量系统有很好的应用前景。,DBR型窄线宽光纤激光器,窄线宽光纤激光器 1,NP Photonics 公司的窄线宽光纤激光器 Very narrow linewidth (long coherent length) 3 kH
7、z Up to 150 mW output power Single longitudinal mode Single polarization operation,窄线宽光纤激光器 2,美国Polonyx公司的窄线宽光纤激光器 linewidth 5 kHz Up to 200 mW output power 输出稳定性（8小时）：0.05dB,超窄线宽光纤激光器在光纤传感中的应用,它的基本应用原理就是频率调制连续波技术（FMCW），在FMCW技术中，激光输出频率围绕它的中心频率不断变化，而激光的一部分光被耦合进一个有固定反射率的参考臂中，在外差相干探测系统中，该参考臂就充当了一个本地振荡器
8、的作用。充当传感作用的是另一跟很长的光纤。从传感光纤反射回来的激光与来自本地振荡器的参考光一起混合产生一个光拍频，该频率与它所经历的时间延迟差相对应。传感光纤上的远处信息就可以通过测量光谱分析仪上的光电流的拍频来获取。传感光纤上的分布式反射可以是最简单的瑞利后向散射。通过这种相干探测技术，敏感度低至-100db的信号都能很轻易地探测到。对于任何一套相干FMCW技术系统而言，最关键的部分是要一台相干长度很长的光源来实现很高的空间精度和大的测量范围。,超窄线宽光纤激光器在激光测距中的应用,基于FMCW技术原理，超窄线宽光纤激光器能够广泛应用于几百公里的激光目标指示和激光测距，从而可以十分低成本地搭
9、建ISR平台。一套超远距离的激光指示/测距由激光器、准直器和接收器、信号分析仪组成。窄线宽激光器的频率成线性快速调制。通过测量从目标处反射回来的的信号光与参考光一起混频产生光电流便可获取远处的信息。在FMCW技术系统中，激光器的线宽或相干长度决定了测量的距离和敏感度。,短脉冲光纤激光器,主动锁模技术 主动锁模主要采用电光调制器等主动锁模器件进行模式之间的位相锁定，实现短脉冲 被动锁模技术 被动锁模是使用被动饱和吸收体进行脉冲窄化，实现短脉冲和超短脉冲 短脉冲光纤激光器的应用 短脉冲光纤激光器在光通信，光学测量，激光加工等多个领域有很好的应用前景。,高速短脉冲光纤激光器,美国Calmar公司10
10、G皮秒光纤激光器 PSL-10-XX 波长范围：1530-1565 nm可调或范围内固定 重复频率：5-11G可调或10G固定，脉宽：1-10ps可调或范围内固定，平均输出功率：20mW 高速短脉冲光源对于光时分复用系统，光学取样技术等有重要的意义，,超短脉冲光纤激光器 1,美国Calmar公司飞秒光纤激光器。FPL-0X-XX 波长范围：1535-1560 nm可调或范围内固定 重复频率：20M或10-50M可调， 脉宽：100fs-1000fs可调或范围内固定，平均输出功率：50-100mW 超短脉冲光源可以用做大型激光系统的种子光源，同时在时间定标等领域有重要的应用,超短脉冲光纤激光器
11、2,IPG 公司的飞秒光纤激光器 Up to 50kW Peak Power 100,000hrs Pump Diodes Life,超短脉冲光纤激光器 3,美国Polaronyx公司飞秒光纤激光器（模块） 波长范围：1530-1600 nm内固定 重复频率：35-60MHz范围内固定 脉宽：100fs（典型） 平均功率：100mW 峰值功率：0.5-20KW,FTTP 光纤通信行业的新亮点,一、光通信行业总趋势 二、FTTP技术发展动向 三、FTTP关键器件 四、FTTP市场新亮点,一、光通信行业总趋势 投资先热后冷引起的行业冬天,自2001年投资金额不断下降,011Q181亿 012Q14
12、7亿 013Q124亿 014Q140亿 021Q80 亿 022Q92 亿 023Q82 亿,泡沫时期世界光器件市场销售变化,2003年上半年器件行业特点,系统公司全面退出，器件公司格局初定 5月12日Avanex公司签署最终协议以2003年5月9日每股$1.12的收盘价，总共约$63.5 million的联合交易价收购Alcatel和Corning的光器件业务。 市场通过转让、兼并、破产的一轮大洗礼，国际市场器件公司格局基本确定：JDSU、BOOKHAM、AVANEX、FINISAR、TRIQUINT、INFINEON,Finisar 2003.4月收购Genoa，获LSOA+1300/1
13、550nmVCSEL产品技术 OCP继Cielo Communications后，2003.2.3日又宣布收购Gore Photonics ，或 850nm 、 1310 nm VCSEL paralle module Vitesse 2003.6.9收购Multilink Technology，把metro 和长途10-Gbit/s transceiver 改造为 光互连back plane transceivers ,2.局部兼并收购，调整产品布局,Agilent Technologies 2003年2月宣布在马来西亚开辟两家新的R&D和生产厂，面积达550,000 平方英尺，Agilen
14、t 40 %的生产在亚太地区， 40%在北美，20%在欧洲，2004年亚太将达到50% ；最近关闭英国的工厂，设备搬迁新加坡 Finisar 2001年11月在马来西亚建光模块生产基地，现规模达到1200人，2002年在上海建成无源器件厂，130人； Oplink Communications也把它的无源器件厂建在中国，扩大它在中国的生产规模； 中国大陆、台湾、东南亚是国际公司关注的焦点,3.地区分工，亚太成为低成本区,城域和接入产品特点 网络密集，节点增多，器件量大，价格敏感 投资过剩，技术门槛低，库存量大，竞争者众 高端产品市场未启动，低端产品价格大滑坡 全光网络技术不成熟，无明显市场热点
15、 销库存 抢市场,4. 价格大战 增产难增收,5. 市场低迷 亏损持续,$161 million,-$61.6 million,2003-6-30,FTTP概念,二、FTTP技术发展动向,1. PON发展简史 British Telecom 发展 T-PON (住宅窄带) & B-PON (宽带) (80年代后期) T-PON商业应用 (90年代初期). 近来50k+用户 Continental Europe 各种试验和应用, 包括: DT 计划 OPAL (几个 100k住宅客户在 PON-fed FITL系统) Alcatel Bell Pre-FSAN ATM-PON在安特卫普 ( 90
16、年代初) KPN (荷兰) 小商业区试验(90年代中期) SuperPON (high-split (2k+ subs per PON) 电视广播系统 (90中期) NTT Pi-PON 住宅窄带+ video (90年代中期) 各种 ATM-PON系统, 90年代中租用线 路, ATM接口 3,000+ CO设备 with FSAN-compliant OLTs (and growing!) North America BellSouth, SBC, Verizon, & Qwest 进行的各种试验&应用 (1990年代) 使用特殊系统的各种小乡镇 FTTH应用 (90年代) FSAN 在1995年由 BT, NTT, FT, 和 DT成立,无源光网络（PON） 中度复杂性 Fiber-lean 结构,点对点结构 工作简单 光纤用量多,环形结构 (SONET, DWDM) 工作复杂 原理是 fiber-lean 结构 实际情况见下张片,Cu
