维普资讯 http://www.cqvip.com ２ＯＯ６年１２月 增刊 实验科学与技术 光学工程概述’ 刘涛”。张洪波 （电子科技大学成都６１００５４） 摘要：介绍光学工程在光测量和光纤通信中的运用及未来的发展趋势。光测量主要通过激光 发生干涉（衍射），利用干涉（衍射）条纹的级次进行定标、精确测量，利用零级条纹色偏最小原 理。对条纹级次进行自动判断；利用光脉冲的高次谐波，测量电场。光通信主要介绍了相干光通 信技术、波分复用技术、拉曼光放大器、及全光网络。 关键词：光测量；干涉条纹；光纤通信；波分复用；拉曼光放大器 中图分类号：ＴＮ２９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－４５５０（２００６）０７－００３５—０４ Ａ Ｂｒｉｅｆ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＬＩＵ Ｔａｏ，ＺＨＺＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｂｅ （Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐ￣ｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｒｅｎｄ ｆ ｏＯｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ ｈｅ叩。ｔ ｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｆｂｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ。ｗｅ ｃｏｕｌｄ ｃａｌｌｂｒａｔｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ（ｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ）ｆｒｉｎｇｅ ｏｒ－ ｄｅｒｓ；ｔｈｅ ｆｒｉｎｇｅ ｏｒｄｅｒｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｏｒｄｅｒ ｆｒｉｎｇｅｓ ｍｉｎｉｍｕｍ ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ；ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｌｅｄ Ｃａｎ ｂｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｈｉｇｈｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｃａｌｅｓ．Ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｅｃｈｎｉｔｑｕｅ，ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｉｔｐｌｅｘｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ， Ｒａｍａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ Ａｌｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｉｎｇｅ；ｏ￣ｃａｌ ｆｉｅｒ ｂｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉ。 ｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｉｔｐｌｅｘｉｎｇ；Ｒａｍａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ １ 引 言 光学工程，简单来说就是光学在工程上的应 用。在２０世纪６ｏ年代，随着激光器的出现，光学 这门古老的学科，被注入了新的活力。激光器可以 无线电波的带宽的潜力几乎已被挖尽，于是人们把 目光投向了频率更高的光。随着用于通信系统的傅 里叶变换被引人光学系统成像理论，这成为现代光 学工程重大发展的新起点。 光学工程是一个范围很广的学科。它是在光 学、激光技术、物理电子学、微电子学、固体物理 输出功率很高、脉冲宽度很窄的光束。在利用激光 做光学实验时。出现了许多以前不曾有过的现象， 学、电磁场理论、计算机技术以及信息与通信工程 －ｆ３内容全新的学 使得研究介质极化的非线性光学效应以及如何利用 发展与支持的基础上建立起来的－这些效应的非线性光学得到发展。并应用于各个领 科。 域中。信息产业是从２０世纪五、六十年代崛起的 一本文对光学工程在激光测量和光纤与光纤通信 技术两个方面的应用进行简要的介绍。 个一日千里的行业，随着信息流量的不断扩大， ・［收稿日期］２００６—０７—１４ ・・ 【作者简介］刘 涛（１９８３一），男，本科生，就读于光电信息学院。 一３５— 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２ＯＯ６年ｌ２月 增刊 ２激光测量简介 由于光的波长是纳米数量级的，所以它的精确 寿命约为ｌ０万ｈ。在各种光传感器中，以衍射光 栅为基础的传感器较有特色，它不仅具有干涉法所 特有的高分辨率，而且制作简单，成本也低，同时 质量也易于监控。 在应用经典的干涉、衍射制成各种传感器的同 时，光学测量技术还在不断有新的突破ｌ２ Ｊ。国外 有报道，在以ｐｓ为单位的高速电子脉冲测量方式 中提出一种以产生光学第二谐波为基础的测量方 式。当激光聚焦在器件上，测光束与电场之间发生 度是普通测量仪器所无法比拟的。 例如对一个测量液晶盒间隙的新型高精度测厚 仪进行定标¨ 可以考虑用三种定标方法：用具有 更高精度的测厚仪、用压电器件和用激光分振幅干 涉法。对于第一种方案，由于被定标的测厚仪的精 度大于已有的任何一种测厚仪，因此，此法难以实 现。对于第二种方案，我们可以选择合适的压电材 料，常用压电常数不大于１０一。—ｎ／Ｖ数量级，显 然，分辨能力可以达到很高；将多个压电元件串 连，也可以在较低的电压下得到足够大的测量变化 范围。但是，这种方法存在零点漂移，所以厚度的 绝对值很难确定。第三种方案如图１所示，实际上 就是利用激光等厚干涉的条纹级次确定光劈上的相 应点的间隙厚度，由此得到一系列可作为标准厚度 的间隙。平行的Ｈｅ—Ｎｅ激光投射到光劈上，根据 等厚干涉的理论，会产生明暗相间的等厚干涉条 纹，不同的间隙厚度对应不同的级次。激光干涉法 的最大优越性在于易于得到确切可靠的零点，精度 准确，能给出一系列标准化厚度值，且制作简单、 观察直观、应用方便。 图１激光分振幅干涉法 ， 由于光学方法用于尺度测量有很宽的测量范围 和很高的分辨率，所以以光电传感器为代表的一些 光测量技术得以蓬勃发展。比如，在２００ ｉｎｌｎ范围 得到２０ ｎｍ测量误差的优良结果，已用于微电子学 参考掩模定标，这种参数是通过建立光测量设备得 到的，当工作范围很窄时，它能把误差限制到几纳 米。目前尺度检验开发是以干涉术为基础，这基本 上与半导体激光器的成功生产有关，这种激光器的 特点是小巧、价廉、辐射功率和波长快速可调。现 在半导体激光器能提供的激光，相关长度可以达到 ２０ ｍ，激光源的连续激光作用功率可达１００ ｍｗ， 一３６一 耦合作用，凡是出现电场的地方，就会产生第二次 谐波，如果没有发现谐波，或者谐波非常微弱，则 表示该处没有电场。这种测量技术，可以给出整个 元件的电场分布情况。其最大优点就是测试人员不 需外接任何装置或晶体，不需额外的制造程序，只 要将激光指向元件或电路的任何位置，该处的电场 即可轻易测量出来。同时，响应时间很短，可以达 到０．０１ ｐｓ，可以应用到测量高频率要求很高频率 相应的测量仪器当中。 光学除应用于尺度测量外，在测量的自动化控 制领域也有很大的作用。比如在液晶盒间隙的测量 仪中，我们除了定标外，还应对干涉条纹进行高精 度的自动测量【３】。要首先解决干涉条纹级次的正 确识别。条纹间距的正确测量实际是指具有相同级 次的条纹间距测量，如何准确识别条纹级次是实现 准确测量的重要一步。对于白光干涉通常零级亮条 纹的亮度最高，因而可通过对基准条纹与信号条纹 的零级亮条纹的识别来进行测量，但是由于光场的 不均匀与量程扩大，亮条纹容易发生跳级现象，从 而妨碍了测量精度的提高。针对这个问题，应用色 彩对比法，可以消除应用亮度法常见的跳级现象， 从而实现了干涉条纹级次的正确判断。色彩对比法 的基本出发点是应用了零级条纹色偏最小原理，即 所对应的红、绿、蓝亮度之比最小原理，条纹亮点 的确定应用了条纹亮度按余弦分布的特征，通过 ＣＣＤ像元电平比较可准确地对亮点进行认定。 随着社会的进步，科学的发展，技术上对精度 的要求越来越高，光测量仪器以其卓越的优点，必 将被越来越广泛的使用。 ２光通信简介 光纤通信是现代光学和电子学相结合的综合应 用技术，从１９６６年有人首次提出光纤可用于通信 的“神话”预言，到１９７０年８月，美国康宁公司首 次研制成功耗损为２０ ｄＢ／ｋｍ的石英光纤，再到本 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年ｌ２月 增刊 实验科学与技术 世纪初，日本和法国成功研制出高容量的ＷＤＭ系 除电路瓶颈对系统的影响。在长距离光通信网中， 统，短短几十年间，光纤通信的应用已遍及长途干 系统更新与升级不需要更换硬件设施。掺铒光放大 线、海底通信、局域网、有线电视等领域。其发展 器（ＥＤＦＡ）的工作波长【４】，与光纤的低损耗窗口一 速度之快，应用范围之广，规模之大，涉及学科之 致，是最具吸引力和最为成熟的光纤放大器，目前 多，是以前任何一项新技术所不能与之相比的。 ＥＤＦＡ的生产已经商品化并得到大量应用。然而， 光纤通信的新技术主要有：光放大技术、光波 随着光纤通信技术的进一步发展，对光纤传输速 分复用技术、相干光通信技术、全光通信技术等。 率、带宽和距离的要求越来越高，对光纤放大器也 与无线电通信一样，光通信系统也由直接光强 提出了更高的要求。传统的掺铒光纤放大器存在带 度调制、直接光检测，向超外差光通信或相干光通 宽较窄、噪声较高等诸多不足，已不能完全满足需 信发展。相干光通信的出现，为光通信实现大容 要，而拉曼光纤放大器（ＲＦＡ） 的放大范围更宽、 量、高速率、长距离传输开辟了一条新的途径。其 噪声指数更低，是满足这些要求的理想产品，是实 基本原理与无线电波的超外差检测相类似，在接收 现高速率、大容量、长距离光纤传输的关键器件， 端设置一个本振激光器，接收时，通过耦合器把经 目前拉曼光纤放大器已成为光通信领域中的新热 由光纤传过来的光信号与本振激光一起加到光电检 点。拉曼光纤放大器的工作原理基于石英光纤中的 测器上，在光电变换过程中形成差频，然后经由解 非线性效应——受激拉曼散射。如果一个弱信号光 调后，便可得到发送端要传送的电信号。采用外差 与一强泵浦光同时在光纤中传输，并使弱信号光波 检测的相干光通信由于接收灵敏度高，故中继距离 长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，那么泵浦光将会 就可以增加；由于具有很高的频率选择性，故可以 转移一部分能量到弱信号光，弱信号光即可得到放 进行高密度的波分复用；利用其高选择性，可以进 大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器称为拉 一步提高光纤低损耗窗口的利用率，大大提高传输 曼光纤放大器。拉曼光纤放大器的优点很多：增益 容量。 波长由泵浦光波长决定，理论上可对光纤窗口内任 波分复用技术就是在同一根光纤中同时传输两 一波长的信号进行放大，包括光纤的整个低损耗区 个或多个不同频率的光载波信号的技术。由于单路 （１ ２７０一ｌ ６７０ ｎｍ）；增益频谱比较宽，单波长泵 波长的传输速率是有上限的，它主要受限集成电路 浦可实现４０砌范围的有效增益，而ＥＤＦＡ由于能 硅材料和镓砷材料的电子迁移率，其次受限于传输 级跃迁机制所限，增益带宽只有１００ ｎｍ左右；增 媒介的色散和极化模色散。因而进一步扩容的唯一 益介质为传输光纤本身，因为放大是沿光纤分布而 现实的出路就是转向光的复用方式。采用波分复用 不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较 技术可以大大提高光纤的传输容量，在不铺设新光 小，从而可降低非线性效应的干扰，与ＥＤＦＡ相比 缆的条件下，增加原有线路的容量，这样可节省大 优势相当明显；拉曼光纤放大器的噪声指数低，可 量资金。光复用技术有很多，目前只有ＷＤＭ和 以有效降低系统总噪声，提高系统的信噪比，从而 ＤＷＤＭ复用方式进入大规模的商用阶段。ＷＤＭ技 延长无中继传输距离及总传输距离。由于这些优 术一出现，就迅速得到了广泛的应用，１９９５年后， 点，拉曼光纤放大器必将在未来宽带、高速、长距 国际上大容量ＤＷＤＭ系统开始商用，全球范围内 离光传输系统中发挥重要的作用。 迅速形成了采用ＤＷＤＭ系统对现有光纤通信系统 全光网络，就是网络到用户节点的信号始终保 容量进行扩容的浪潮。同时，ＷＤＭ技术复用的波 持光的形式，中间没有电的转换。全光网是光纤通 段由常规的Ｃ波段向长波段Ｌ和短波段Ｓ拓展。 信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。光的传输 近两年来，超大容量的ＤＷＤＭ系统的发展不仅彻 速率在不断提高，在这种超高速的网络中，如果继 底发掘了无穷无尽的光纤传输链路的容量，而且为 续采用原有的网络节点设备，将使整个网络变得庞 ＩＰ业务的发展和下一代光传输网打下了基础。这 大复杂难以实现。采用电信号处理信息将给高速传 一技术通过增加复用的通路数目，提高每一路的传 输带来电子瓶颈，超高速带来的经济效益将被转接 输速率，单纤双向传输可进一步提高系统的传输容 费用的升高而抵消，因此全光联网是唯一的出路。 量。 全光网络由于打破了光电转换的瓶颈，可以实 光放大器在光通信系统中具有重要作用，因为 现超大容量的网络流量。同时，全光网具有网络的 仅需要很少的电子线路就可以直接实现光放大，消 可扩展性，网络节点数和业务量不断增长，而不影 一３７— 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２ＯＯ６年ｌ２月 增刊 响原有的网络结构；全光网络的透明性，允许混合 潜力。 不同体制、格式、速率的信号，允许互连现有和未 来的新系统；全光网络还具有可重构性，使网络的 参考文献 组构更加灵活。由于采用无源的光器件，故障率下 降，使全光网络具有更高的可靠性和可维护性。全 ［１］吴金谦，叶玉堂，刘永智，等．液晶和间晾厚度测 光网的建立将形成端到端的“虚波长”通路，实现 量仪的激光份振幅干涉定标［Ｊ］．计量与测试技术， 用户端到端的全光网络连接，这使电路之间的调配 １９９６（３）：３—５． 转接变得很简单方便。可见，建立纯粹的全光网， ［２］春光．光学测量技术的新突破［Ｊ］．仪器仪表，１９９７ 消除光电瓶颈，完全符合网络的分层化，简化了网 （３）：５１． 络结构，提高了网络的可靠性。 ［３］刘永智，叶玉堂，刘旭，等．偏振干涉条纹的高精度 自动检测［Ｊ］．电子科技大学学报，１９９８，２７（１）：５８一 ＇． ３结束语 ６０． 。 ［４］桂厚义．光纤通信技术的现状及发展趋势［Ｊ］．江西 随着科技的进步，还将会不断涌现出新的技 通信科技，２００４，３：１０一ｌ３ ：．， 术，以前一些不被看好的器件又会重新进入我们的 ［５］王传林，阮双琛，余重秀，等 控曼光纤放大器的 视野。可以预见，光学工程作为一门新兴的学科， 原理及其应用［Ｊ］．深堋大学学报理工版，２００４，２１ 无论是在光通信还是在光测量方面，在将来都大有 （１）：８６—９Ｏ． （上接第３０页） 制输出管开启。由仿真波形可知，这种基于计数器 也为低电平。计数器对时钟信号计数，当计数结果 设计的数字控制电路能够满足我们最初提出的目 为ｌＯ时（二进制为１０１０），ＳＨ２为低电平，延时一 标，因此可以用到ＣＴＩＡ型红外读出电路中。 ●个时钟后，ｃｔｒ。也为低电平。因为开关管为ＰＭＯＳ ● 管，低电平则开通，，由以上分析可知，上图给出 ５结束语 ． 的电路可以为ＣＴＩＡ型红外读出电路提供数字控制 基于计数器设计的ＣＴＩＡ型红外读出电路的时 信号，保证其正常工作。 序控制电路，结构简单，性能稳定，控制方便，但 该电路结构在Ｃａｄｅｎｃｅ平台上的仿真结果波形 是开机初期会有一个工作周期的不确定状态存在。 图如图５所示。 如果设置合理的置位复位的控制，就可以消除开机 ——＿——］厂 状态的不确定性，从而使工作的状态更合理，虽然 这意味着要另外用一些逻辑器件，但这是值得的。 由于前级探测器选用的不同，积分时间也不同，采 １］厂—— 用这种结构比其他结构更有优势。这些仅仅是从理 论和仿真的方面给出了一些数据和波形，实际效果 ］厂————一 将在实验中得到验证。 ‘ ＣＬＫ］几ｆ１几ｆ］ｎ几几几几几几ｎ ｎ ｎ 参考文献 ＲＥＳＥＴ厂——————一 ［１］刘卫国，金娜．集成非制冷热成像探澍阵列［Ｍ］．北 京：国防工业出版杜，２００４． 图５控制电路在Ｃａｄｅｎｃｅ平台上的仿真波形图 ［２］王利平．红外焦平面探测器的读出电路［Ｊ］．光学技 术，２ＯＯＯ，２６（２）：１２３—１２５ ． 通常所加时钟信号ＣＬＫ频率为１００ ｋＨｚ，周期 ［３］袁祥辉．红外焦平面ＣＭＯＳ单元读出电路［Ｊ］．半导体 为ｌ０ 。如果选取积分电容Ｃ。为ｌ ｐＦ，那么一 光电，１９９９，２０（２）：８７—９５． 个比较合理的积分时间是８０ ８。那么从ＳＨ。到 ［４］Ｊｏｈｎ Ｆ Ｗ．数字设计原理与实践［Ｍ］．３版．北京：机 将经历８个时钟周期。积分完毕后，由ｃｌｒ。控 械工业出版社，２Ｏ０３． 一３８一
