第1章光纖通信與光電子器件

授課教師：王天樞電話mail:wangts@光通信器件與技術(shù)2參考資料《光纖通信用光電子器件和組件》,黃章勇,北京郵電大學(xué)出版社《光通信器件與系統(tǒng)》，J.H.Franz，徐宏杰等譯，電子工業(yè)出版社《光通信器件》,(德)N.Grote,H.Venghaus王景山，沈欣捷，孫瑋譯，國防工業(yè)出版社光纖通信,JosephC.Palais,王江平等譯,電子工業(yè)出版社Fiber-OpticCommunicationsTechnology,DjafarK.Mynbaev,LowellL.Scheinereds.,PearsonEducation,

Inc.,

2001.光纖通信技術(shù)，科學(xué)出版社，2002(國外高校電子信息類優(yōu)秀教材)IEEE&IEE&OSA3第1章光纖通信與光電子器件4Contents光放大器光纖光纜

光調(diào)制器

光發(fā)射機(jī)

光纖通信系統(tǒng)簡介光無源器件光接收機(jī)

隨著上世紀(jì)80年代數(shù)值電子技術(shù)的崛起，計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)以及智能化綜合的信息技術(shù)產(chǎn)生，引發(fā)了以信息革命為標(biāo)志的人類發(fā)展的第三次浪潮，短短的三十年時(shí)間，其迅猛的發(fā)展和財(cái)富的積累遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過之前的第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命。然而，科學(xué)家們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)光子器件響應(yīng)時(shí)間比電子更快達(dá)3～6個(gè)數(shù)量級(jí)，在通信容量方面比電子更大3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，5特別是激光光纖和光電成像技術(shù)的發(fā)明，使得當(dāng)今世界信息技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)已由電子信息技術(shù)轉(zhuǎn)向光電子信息技術(shù)，光電信息產(chǎn)業(yè)將成為21世紀(jì)發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)，光電信息產(chǎn)業(yè)將成為21世紀(jì)高科技主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。黃尚廉院士曾經(jīng)說：“光電信息產(chǎn)業(yè)是一個(gè)典型的高科技產(chǎn)業(yè)，它的最大特征是智力性和創(chuàng)新性，關(guān)鍵是人才。67光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀?原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語傳送信息。

8?1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。?1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。9在這個(gè)時(shí)期，美國麻省理工學(xué)院的研究人員利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文《光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》，指出了利用光纖（OpticalFiber

）進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。10指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向。11高錕博士

1998年在英國接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)?2

?1970年，光纖研制取得了重大突破：美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖，把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段。

?1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。

?1973年，美國貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。

?1976年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。

?此后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。光纖13?1970年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展：美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

?1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。

?1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。

?1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時(shí)。

?1979年美國電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑光源14

實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

?1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

?1980年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。

?1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。

?1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線。

?隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。

?第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。光纖通信15光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：

?第一階段(1966~1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。?第二階段(1976~1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。

?第三階段(1986~1996年)，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。16國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀

1976年美國在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm(短波長向長波長），傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價(jià)格不斷下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。在許多發(fā)達(dá)國家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。17光纖通信整體發(fā)展時(shí)間表1974197619781980198219841986198819901992

100000

1000010001001010.1

0.8μm多模1.3μm單模1.55μm直接檢測(cè)光孤子光放大器1.55μm相干檢測(cè)系統(tǒng)性能(Gb/s?Km）18光纖光纖：光導(dǎo)纖維的簡稱，是一種能利用光的全反射作用來傳導(dǎo)光線的透明度極高的(玻璃)纖維。19光纖分類根據(jù)材料:石英光纖、玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物碲化物光纖等。塑料光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）制成。根據(jù)傳輸模式:單模光纖SM;多模光纖MM

多模光纖的纖芯直徑為50~62.5μm，包層外直徑125μm，單模光纖的纖芯直徑為8.3μm，包層外直徑125μm。根據(jù)折射率分布:階躍（Step-index），漸變折射率（graded-index）根據(jù)工作波長:short0.8～0.9μm；long1.0～1.7μm；Ultralongabove2μm20普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62L波段21

G.652光纖即常規(guī)單模光纖，在1310nm波長工作時(shí)，理論色散值為零；在1550nm波長工作時(shí)，傳輸損耗最低，但色散系數(shù)較大。單通路速率達(dá)到STM-64時(shí)，需要采取色散調(diào)節(jié)手段。G.653光纖在1550nm波長工作時(shí)性能最佳，又稱為色散移位光纖。零色散點(diǎn)從1310nm移至1550nm波長區(qū)。G.654光纖截止波長移位的單模光纖，它的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低1550nm波長處的衷減。主要應(yīng)用于需要很長再生段距離的海底光纖通信。G.655光纖又稱之為非零色散移位單模光纖，零色散點(diǎn)移至1570nm或1510…1520nm附近，使1550nm處具有一定的色散值。色散受限距離達(dá)數(shù)百公里?？梢杂行У臏p少波分復(fù)用系統(tǒng)的四波混頻的影響。根據(jù)ITU標(biāo)準(zhǔn):22

◆光纖通信頻譜10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015Wavelength（m）ElectricphoneRadioTVmicrowaveinfraredVisiblelight雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電23

光是一種電磁波可見光350nm～750nm光纖通信所用的波長800～1600nm光的反射、折射全反射145014901530157016101650S+SCLL+

Wavelength(nm)24

頻帶寬，通信容量大理論上講一根單模光纖可利用的帶寬達(dá)20THz(1THz=1012Hz)以上，現(xiàn)在最先進(jìn)的光纖通信系統(tǒng)達(dá)400GHz，而一路電話帶寬約占4KHz頻帶，一路彩色電視約占6MHz頻帶。損耗低，中繼距離長銅纜的損耗特性與纜的結(jié)構(gòu)尺寸及所傳輸信號(hào)的頻率有關(guān)，光纜的損耗特性僅與玻璃的純度(或者說透明度)有關(guān)，高質(zhì)量望遠(yuǎn)鏡的鏡頭其損耗超過500dB/km，目前通信用光纖的最低損耗可低于0.2dB/km。光纖通信的優(yōu)點(diǎn)25具有抗電磁干擾能力光導(dǎo)纖維是絕緣體材料，不受輸電線,電氣化鐵路及高壓設(shè)備等電器干擾，可以與高壓電線平行架設(shè)，還可制成復(fù)合光纜。無串話，保密性好通信質(zhì)量高。線徑細(xì)，重量輕，柔軟可制成大芯數(shù)高密度光纜。單芯光纜可安裝在飛機(jī)、火箭、潛艇及航天飛機(jī)上。節(jié)約有色金屬，原材料資源豐富可節(jié)約大量銅金屬。26

光纖的缺點(diǎn)質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度低光纖切斷和接續(xù)需要一定的工具，設(shè)備和技術(shù)分路，耦合不靈活光纖，光纜彎曲半徑不能過小(>20CM)在偏僻地區(qū)存在有供電困難問題27

◆光纖通信系統(tǒng)28

光纖通信鏈路基本結(jié)構(gòu)291988年，在美國與英國、法國之間敷設(shè)了越洋的海底光纜（TAT-8）系統(tǒng)，全長6700公里。這條光纜含有3對(duì)光纖，每對(duì)的傳輸速率為280Mb／s，中繼站距離為67公里。這是第一條跨越大西洋的通信海底光纜，標(biāo)志著海底光纜時(shí)代的到來。1989年，跨越太平洋的海底光纜（全長13200公里）也建設(shè)成功，從此，海底光纜就在跨越海洋的洲際海纜領(lǐng)域取代了同軸電纜，遠(yuǎn)洋洲際間不再敷設(shè)海底電纜。第一個(gè)在中國登陸的國際海底光纜系統(tǒng)是1993年12月建成的中國——日本（C-J）海底光纜系統(tǒng)。1996年2月中韓海底光纜建成開通，分別在我國青島和韓國泰安登陸、全長549公里。1997年11月，我國參與建設(shè)的球海底光纜系統(tǒng)（FLAG）建成并投入運(yùn)營，這是第一條在我國登陸的洲際光纜系統(tǒng)，分別在英國、埃及、印度、泰國、日本等12個(gè)國家和地區(qū)登陸，全長27000多公里，其中中國段為622公里。1999年。中國電信和新加坡等地的電信公司共同發(fā)起的亞歐海底光纜系統(tǒng)，該系統(tǒng)連接亞洲、歐洲和大洋洲，在33個(gè)國家和地區(qū)登陸，全長達(dá)38000公里，是世界上最長的海底光纜，采用先進(jìn)的8波長波分復(fù)用技術(shù)，主干路由的設(shè)計(jì)容量高達(dá)40Gb/sSea-Me-We3

。光纖通信將朝著交換智能化和光電子器件集成化的方向發(fā)展。30

31單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。光纖通信器件321、光發(fā)送機(jī)組成框圖：

光源調(diào)制器通道耦合器電信號(hào)輸入光輸出驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，dbm概念光源光譜特性：輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長33電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式

直接調(diào)制

用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。

外調(diào)制

把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。34

(a)直接調(diào)制；(b)間接調(diào)制