1、光电测试技术课件之五,光电子技术应用实例,从以下六个方面介绍光电子技术在国民经济和军事中的应用：光纤通信 激光雷达 激光制导 红外遥感 红外跟踪制导 光纤传感,7.1 光纤通信,光纤通信一直是光纤最大最广的应用领域。 光纤通信正向超高速、大容量和远距离发展。 光纤通信网则向数字化、综合化、宽带化和智能化方向发展。,7.1.1 光纤通信的发展历史,1966年，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达1000dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损
2、耗不是石英纤维本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属（Fe，Cu等）离子的吸收产生的。因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10-6以下，就可以使光纤损耗减小到10dB/km，再通过改进制造工艺的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。,1970年，光纤研制取得了重大突破，美国康宁公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。同年，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。美国贝尔实验室、日本电气公司（NEC）和前苏联先后突破了半导体激光器在低温（-200）或脉冲激
3、励条件下工作的限制，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷（GaAlAs）双异质结半导体激光器（短波长），为半导体激光器的发展奠定了基础。由于光纤和半导体激光器的技术进步，1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。,1976年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。系统采用GaAlAs激光器做光源，多模光纤做传输介质，速率为44.7Mb/s，传输距离约10公里。 1980年美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。系统采用渐变折射率多模光纤，速率为44.7Mb/s 。 1989年建成第一条横跨太平洋的海底光缆通信系统从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网
4、的发展。,从技术的角度讲，光纤通信已经历了“四代”发展： 第一代：短波长光纤通信系统； 第二代：长波长1.3um的多模光纤和单模光纤通信 系统； 第三代：长波长1.5um单模光纤通信系统； 第四代：相干光纤通信或外差光纤通信（前三代均为直接检测方式）。,7.1.2 光纤通信的优点,通信容量特别大，适合于高速率的数字通信； 传输损耗低，中继距离长； 中继站无需幅度均衡措施，电路简单； 多根光纤可以组成光缆，而且相邻光纤之间几乎没有串音，通信质量有保证； 光沿光纤传播，没有大地电回路，没有接地问题，不受大地电流影响； 不受电磁、静电及人为干扰，特别适用于电气铁路和电力线路的通信应用； 没有电火花产
5、生，在易燃、易爆场合使用（例如矿井中）安全可靠； 窃听困难，保密性好； SiO2原料丰富，取之不竭； 系统尺寸小、重量轻、易于敷设和处理，经济益高。,7.1.3 光纤通信系统的基本组成,图7-1 光纤通信系统的基本组成,信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。 电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号。 信号输入光发射机转换为光信号。 光载波经过光纤线路传输到接收端。 光接收机把光信号转换为电信号。 电接收机把接收的电信号转换为基带信号。 最后由信号宿恢复用户信息。,在整个光纤通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，
6、光纤通信所用技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。,1.光发射机,功能把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。 组成光源、驱动器和调制器。光源是光发射机的核心，光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管（LED）和半导体激光二极管（LD），以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈（DFB）激光器。,光发射机把电信号转换为光信号的过程是通过电信号对光的调制而实现的
7、。目前有直接调制和间接调制（或称外调制）两种。 直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光强随电信号变化。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速度高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。,2.光纤线路,功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。 组成：光纤、光纤接头和光纤连接器。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的
8、电缆。石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85um，1.3um和1.55um有三个损耗很小的波长窗口。在这三个波长窗口损耗分别小于2dB/km，0.4dB/km和0.2dB/km。根据光纤传输特性的特点，光纤通信系统的工作波长都选择在0.85um，1.3um或1.55um，特别是1.3um和1.55um应用更加广泛，因此，作为光源的激光器的发射波长和作为光检测器的光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。,3.光接收机,功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。 组成：由光检测器、放大器和
9、相关电路组成。光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：PIN光电二极管和雪崩光电二极管。光接收机的检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测器直接把光信号转换为电信号，设备简单、经济实用，是当前光纤通信系统普遍采用的方式。外差检测的难点是需要频率非常稳定，相位和偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模激光器，优点是有很高的接收灵敏度。,目前，实用光纤通信系统普遍采用直接调制-直接检测方式。外调制-外检测方式的技术复杂，但是传输速率和接收灵敏度很高，是很有发展前途的通信方式。,7.1.4 光纤通信新技术,放大 波分复用,1.掺
10、铒光纤放大器,工作原理 铒离子（Er3+）有三个能级，其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。 当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态（13）。 但是激发态是不稳定的， Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态（21），产生受激辐射光，因而信号光得到放大。这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收使基态Er3+尽可能跃迁到激发态。,优点 工作波长正好落在光纤通信最佳波段（1500nm160
11、0nm）； 其主体是一段光纤，与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB； 增益高，约为3040dB； 饱合输出光功率大； 增益特性与光偏振态无关； 噪声指数上，一般为4dB7dB； 用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统； 频带宽，在1500nm窗口，频带宽度为20nm40nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量，“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带增加传输容量最有效的方法； 在光缆线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，可延长干线网的传输距离。,2.光波分复用原理,光波分复用（Wavelength Division Multiplexing，即WDM）技术在一根光纤
12、中同时传输多个波长光信号的一项技术。基本原理在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（解复用），并作进一步处理，当恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。,优点： 充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，降低成本； 可以在同一根光纤中用不同的波长传输不同类型的信号，有利于数字信号和模拟信号的兼容； 可以用单根光纤实现双向通信； 对已经建成的光纤通信系统，只要原系统的功率富余度较大，可进一步增容而不需对原系统做大的改动。,7.1.5 光纤通信局域网,局域网 局域网的主要
13、任务是在彼此相互连接的设备之间，提供数据信息通信的服务，将计算机联网，建立起办公自动化、生产调度自动化和实验室自动化等一系列自动化系统。 研究和设计适合于光纤通信局域网的最佳拓扑结构，适用于光纤通信局域网的拓扑结构主要有T形（总线型）、环型和星形三种。,7.1.6 综合业务数字网（ISDN）,国际上公认，全国公用数字通信网的发展目标，就是建立采用光纤传输综合数字信息的通信网，称之为B-ISND（光纤-综合业务数字网）,光纤通信 激光雷达 激光制导 红外遥感 红外跟踪制导 光纤传感,7.2 激光雷达,种类 激光跟踪雷达 激光制导雷达 激光成像雷达 多普勒激光测速雷达 激光障碍回避雷达 激光气象雷
14、达等,雷达概念形成于20世纪初。雷达是英文radar的音译，为Radio Detection And Ranging的缩写，意为无线电检测和测距的电子设备。雷达是一种利用电磁波能从远距离外发现目标并测定其位置的电子装备，具有发现目标快，全天候工作等特点。,使用形式 地面固定式 有车载 船载 机载 航天器载式 探测方式：直接探测和外差探测之分。激光雷达尽管大规模投入实用有一定距离，但一开始其种类就名目繁多，发展很快，前景看好。,优点 分辨率高； 抗干扰能力强； 体积小。,波束发散1的微波雷达，从1500m上空照射地面， 能形成直径约26米的圆，在此圆内的地形起伏就很难分辨。 使用激光雷达在同样的
15、高度时，地面光斑直径仅十几厘米， 因此可以分辨出地形的细节。,从地面照射到月球上达到1km2 的光斑， 激光发射天线的直径39cm就够了，而微波雷达天线 要求达到这个水平，则直径要达几公里才行。,缺点：扫描困难，光频带来传输性能不好凡是微波雷达的不足，正是激光雷达的优点；而激光雷达的缺点，恰恰又是微波雷达的优点。因此，在实际使用中，常常要利用二者之间的互补性而将它们配合起来使用，比如先用微波雷达做警戒扫描，一旦发现目标，立即引导激光雷达实施精密跟踪，获得满意效果。,7.2.2 激光雷达原理,组成激光雷达发射系统、接收系统和信息处理系统。构成激光雷达发射系统最基本的组件是激光器和发射望远镜。激光
16、雷达的接受系统主要由接收望远镜、滤光器和光电探测器组成。用于空间搜索、跟踪和坐标测量的激光雷达系统结构： 激光辐射源产生探测信号，探测信号的形状由控制电路决定，为了提高探测信号的方向性，所产生的激光束经光学发射准直，输出的激光束发散角一般为110mrad。,经目标反射后的回波信号由光学接收系统接收，经过窄带干涉滤光片之后，再由光电探测器变成电信号，经放大器放大后的信号从接收单元的输出端送入处理单元。 处理单元还加入参考信号，由被接收的回波信号与参考信号的时间差（即光信号往返目标的传播时间）便能测出距离。目标的角坐标被同时测量。坐标的信息通常以数字的形式表示。 为控制激光束瞄准的精度，广泛采用与发射和接收单元的光学装置共轴的光学瞄准器。,7.2.3 激光雷达的应用,激光雷达的检测对象可以分为测距离、跟踪及观测环境状态两大类。前者就是应用激光雷达系统从地面、飞机、航船和空间平台上对人们感兴趣的目标进行测距和跟踪。后者则是以远距离测量环境状态为目的，对大气、水域、陆地的各种状态进行测量。,
