光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò).ppt

1、2020/9/8,1,光與現(xiàn)代科技講座,第八章 光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò),2020/9/8,2,光與現(xiàn)代科技講座,云南大學(xué)信息學(xué)院通信工程系 宗 容第八章 光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò),光與現(xiàn)代科技,2020/9/8,3,光與現(xiàn)代科技講座,第一章 緒論 2 第二章 光源與激光器 2 第三章 光纖與光學(xué)傳感技術(shù) 4 第四章 激光在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 4 第五章 激光在軍事技術(shù)中的應(yīng)用 4 第六章 激光在現(xiàn)代工業(yè)和加工中的應(yīng)用 4 第七章 光與信息技術(shù) 4 第八章 光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò) 6 第九章 光學(xué)成像、全息與顯示技術(shù) 2 第十章 光電集成與納米技術(shù) 2,2020/9/8,4,第八章 光通信技

2、術(shù)與網(wǎng)絡(luò),8.1 光通信原理 8.1.1 光通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 8.1.2 光通信的特點(diǎn) 8.1.3 光通信系統(tǒng)的組成與分類 8.2 光通信的器件 8.2.1 光源 8.2.2 光檢測(cè)器 8.2.3 光無(wú)源器件 8.2.4 光放大器 8.3 光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò) 8.3.1數(shù)字光通信系統(tǒng) 8.3.2光纖輔助系統(tǒng),8.3.3光超長(zhǎng)波長(zhǎng)光通信系統(tǒng) 8.3.4多信道光波通信系統(tǒng) 8.3.5光纖孤子系統(tǒng) 8.3.6光纖通信網(wǎng)絡(luò) 8.4 無(wú)線激光通信 8.4.1 微波通信與無(wú)線激光通信 8.4.2 無(wú)線激光通信的基本原理 8.4.3 空間無(wú)線激光通信進(jìn)展 8.4.4 激光水下通信,2020/9/8,5,8.

3、1.1 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀,一、光通信的發(fā)展史 二、先進(jìn)國(guó)家光纖通信的發(fā)展 三、我國(guó)光纖通信事業(yè)的發(fā)展 四、云南省光纖通信事業(yè)發(fā)展 五、光纖通信的發(fā)展趨勢(shì),8.1 光纖通信的原理,2020/9/8,6,一、光通信的發(fā)展史,光通信：利用光進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式。 光通信的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段 可視通信 激光大氣通信 光纖通信,2020/9/8,7,1、可視通信,古代的烽火臺(tái)、煙火傳遞單個(gè)信息 18世紀(jì)末信號(hào)燈、船艦使用的燈塔、旗語(yǔ)等 近代戰(zhàn)爭(zhēng)中的信號(hào)彈，抗戰(zhàn)時(shí)期的消息樹等 1792年用中繼器使機(jī)械代碼信息傳送100km，有效速率小于1b/s 之后很長(zhǎng)一段時(shí)間電取代了光,2020/9/

4、8,8,電通信,19世紀(jì)30年代：電報(bào)、莫爾斯代碼，傳輸速率310b/s，中繼可達(dá)1000km 1866年，第一條越洋電報(bào)電纜系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng) 1876年，發(fā)明了電話，電信號(hào)通過(guò)連續(xù)變化電流的模擬形式傳輸 1940年，第一代同軸電纜系統(tǒng)投入使用，3MHz系統(tǒng)，可傳300路音頻信號(hào)或1路視頻信號(hào)，但當(dāng)頻率超過(guò)100MHz時(shí)，電纜損耗迅速增加 1948年，4GHz的微波系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)，利用110GHz的電磁載波及相關(guān)調(diào)制技術(shù)傳遞信號(hào)，可工作于100Mb/s 1975年最先進(jìn)同軸系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng),速率可達(dá)274 Mb/s，中繼約1km 到70年代，電通信獲得的最大BL不超過(guò)100 (Mb/s)km,2020/

5、9/8,9,2、激光大氣通信,60年代初，人們利用二氧化碳激光器進(jìn)行激光大氣通信實(shí)驗(yàn) 由于其傳輸介質(zhì)是地球周圍的大氣層，而大氣層又存在著對(duì)光的嚴(yán)重吸收，散射作用和天氣變化影響等缺點(diǎn)，使得激光大氣通信在通信距離、穩(wěn)定性、可靠性方面受到嚴(yán)重影響 60年代中期一度振興的激光大氣通信研究處于停滯狀態(tài),2020/9/8,10,3、光纖通信,光纖(Fibre)光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱 光纖通信以光波為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。 容量 頻率f 光波 光波是人們最熟悉的電磁波，其波長(zhǎng)在微米級(jí)，頻率為1014Hz，紫外光、可見(jiàn)光、紅外光屬于光波的范疇,2020/9/8,11,電磁波波段劃分和常用傳輸媒質(zhì)-

6、1,2020/9/8,12,電磁波波段劃分和常用傳輸媒質(zhì)-2,2020/9/8,13,紅外光：波長(zhǎng) 0.75m 紫外光：波長(zhǎng) 0.4m 可見(jiàn)光： 0.4m 0.75m ,其波長(zhǎng)范圍能被人眼感覺(jué)到 目前光纖通信使用的波長(zhǎng)范圍是在近紅外區(qū)內(nèi)， 即波長(zhǎng) 為: 0.81.8m 頻率 f 為 : (3.751.67)1014Hz 可分為短波長(zhǎng)段： 0.85m， 長(zhǎng)波長(zhǎng)段： 1.31m和 1.55m 這是目前所采用的三個(gè)通信窗口,2020/9/8,14,光纖通信的問(wèn)世，有兩大難題： 1、光源 2、傳光媒質(zhì) 第一個(gè)難題：光源很多，需相干光源，且工作穩(wěn)定 到1960年美國(guó)人Maiman發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器

7、，但工作時(shí)間不長(zhǎng),2020/9/8,15,激光特點(diǎn),1、能量高度集中 2、頻率單一 3、方向性好 4、相干性好（頻率、相位、偏振方向、傳播方向一致）,2020/9/8,16,第二個(gè)難題：傳輸媒質(zhì)1,1950年，光在光纖中傳輸問(wèn)題開始了理論研究 1951年，發(fā)明了醫(yī)用光導(dǎo)纖維，但損耗太大 60年代，提出許多方法，用氣體透鏡系列進(jìn)行光限制傳輸 1966年，英籍華人高琨(K.C.Kao)博士提出：電沿著導(dǎo)線傳輸，光也能沿著線傳，可利用SiO2石英玻璃制成低損耗光纖的設(shè)想。 他揭示了低損耗光纖的可能性，使光通信的研究工作又獲得了生機(jī)，此時(shí)期光纖雜質(zhì)太高，其損耗超過(guò)了1000dB/km,2020/9/8

8、,17,第二個(gè)難題：傳輸媒質(zhì)3,1970年，美國(guó)康寧公司研究出損耗為20 dB/km的光纖，在1 m附近波長(zhǎng)使光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸成為可能 同時(shí)，在1970年美國(guó)AT&T公司發(fā)明了半導(dǎo)體激光器（GaAlAs），體積小，可在室溫下連續(xù)工作，正好適應(yīng)了這一要求 1970年被稱為光纖通信的元年，高琨被稱為光纖之父,2020/9/8,18,光纖通信發(fā)展可粗略分三個(gè)階段,19661976年，從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期 19761986年，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 19861996以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)，全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期,2020/9/8,19,三個(gè)

9、階段的系統(tǒng)比較,2020/9/8,20,二、先進(jìn)國(guó)家光纖通信的發(fā)展,世界上已形成北美、西歐和遠(yuǎn)東三個(gè)光纖通信發(fā)達(dá)地區(qū)，代表國(guó)家為：美國(guó)、英國(guó)和日本 美國(guó)78年建成第一條市話光纖，82年建成第一條長(zhǎng)途，到1993年止，已建成通信系統(tǒng)200多個(gè)，光纖總長(zhǎng)達(dá)27萬(wàn)km以上 美國(guó)有五大光纖工程：東部走廊，東部和西部干線，大西洋和太平洋洲際海底干線,2020/9/8,21,先進(jìn)國(guó)家光纖通信的發(fā)展1,全長(zhǎng)達(dá)3400km橫貫日本南北的大干線 法國(guó)比亞里茨的“光纖城”等 世界主要電信產(chǎn)品供應(yīng)商，如：Lucent, Nortol, Alcatel, NEC, Siemens, Macosi, Fujitsu等都

10、把光纖通信放在相當(dāng)重要位置，投入大量人力、資金進(jìn)行研究開發(fā)，并分別取得重大進(jìn)展，創(chuàng)造了一個(gè)個(gè)新的世界記錄，許多原以家電產(chǎn)品為主聞名的廠商如：Toshiba, Sony或計(jì)算機(jī)廠商Cisco, Canon, 3M也紛紛加入光纖通信的行列，成果斐然,2020/9/8,22,先進(jìn)國(guó)家光纖通信的發(fā)展2,世界先進(jìn)國(guó)家提出FTTx戰(zhàn)略，即：光纖到路邊(FTTC)、大樓(FTTB)、辦公室(FTTO)、小區(qū)(FTTZ)、用戶(FTTH)等 世界上最大的三個(gè)長(zhǎng)途電信公司美國(guó)的AT&T、MCI、SPRINT公司，光纖化程度已分別高達(dá)100、88和100,2020/9/8,23,2020/9/8,24,三、我國(guó)光

11、纖通信事業(yè)的發(fā)展,我國(guó)的光通信起步較早，70年代初就開始了大氣傳輸光通信的研究，隨之又進(jìn)行光纖和光電器件的研究，自1977 年初，研制出第一根石英光纖起，跨過(guò)一道道難關(guān)，取得一個(gè)又一個(gè)零的突破。如今回顧起來(lái)，所經(jīng)歷的“里程碑”依然歷歷在目 。 光纜器件系統(tǒng)應(yīng)用自主研發(fā)技術(shù)等 1977年，武漢郵電科學(xué)研究院研制出中國(guó)第一根階躍折射率分布多模光纖，其在0.85m的衰減系數(shù)為300dB/km，長(zhǎng)度為17 m；研制出 Si-APD 。 1978年，階躍光纖的衰減降至 5 dB/km 。研制出短波長(zhǎng)多模梯度光纖，即 G.651 光纖。研制出 GaAs-LD 。 1979年，研制出多模長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖，衰減為

12、1dB/km 。建成 5.7 km , 8 Mbit/s 光通信系統(tǒng)試驗(yàn)段。,2020/9/8,25,我國(guó)光纖通信事業(yè)的發(fā)展1,1980年，1300nm 窗口衰減降至 0.48dB/km ，1550nm 窗口衰減為 0.29dB/km 。研制出短波長(zhǎng)用的 GaAlAs-LD 。 1981年，研制出長(zhǎng)波長(zhǎng)用的 InGaAsP-LD 和 PIN 探測(cè)器。多模光纖活動(dòng)連接器進(jìn)入實(shí)用。研制出 34Mbit/s 光傳輸設(shè)備。 1982年，研制成功長(zhǎng)波長(zhǎng)用的激光器組件和探測(cè)器組件（PIN-FET）。研制出光合波分波器、光耦合器、光衰減器、濾光器等無(wú)源器件。研制出 140Mbit/s 光傳輸設(shè)備。 1984

13、年，武漢、天津34Mbit/s市話中繼光傳輸系統(tǒng)工程建成（多模）。,2020/9/8,26,我國(guó)光纖通信事業(yè)的發(fā)展2,1985年，研制出1300nm 單模光纖，衰減達(dá)0.40dB/km 。 1986年，研制出動(dòng)態(tài)單縱模激光器。 1987年底，建成了第一個(gè)國(guó)產(chǎn)的長(zhǎng)途光通信系統(tǒng)，由武漢至荊州，全長(zhǎng)約250km，傳輸34Mb/s信號(hào) 1988年，全長(zhǎng)245km的武漢荊州沙市 34Mbit/s 多模光纜通信系統(tǒng)工程通過(guò)郵電部鑒定驗(yàn)收。揚(yáng)州高郵34Mbit/s 單模光纜通信系統(tǒng)工程通過(guò)郵電部鑒定驗(yàn)收。 1989年，漢陽(yáng)漢南140Mbit/s 單模光傳輸系統(tǒng)工程通過(guò)郵電部鑒定驗(yàn)收。,2020/9/8,27

14、,我國(guó)光纖通信事業(yè)的發(fā)展3,1990年，研制出 G.652 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，最小衰減達(dá) 0.35dB/km 。到1992年降至0.26dB/km 。成功地研制出1550nm分布反饋激光器（DFB-LD）。 1991年，研制出 G.653 色散位移光纖。最小衰減達(dá) 0.22dB/km 。研制出 565Mbit/s 光傳輸設(shè)備。合肥蕪湖140Mbit/s 單模光傳輸系統(tǒng)工程通過(guò)國(guó)家鑒定驗(yàn)收， 這是第一條全國(guó)產(chǎn)化的長(zhǎng)途直埋單模光纖光纜線路，全長(zhǎng)150km左右，光纜首次從水下跨越長(zhǎng)江。 1992年，研制出摻鉺光纖EDF 。研制出可調(diào)諧DFBLD 和泵浦源LD ；FC-PC陶瓷單模光纖活動(dòng)連接器通過(guò)郵電部

15、鑒定。,2020/9/8,28,我國(guó)光纖通信事業(yè)的發(fā)展4,1993年，在摻鉺光纖放大器的研究上取得突破性進(jìn)展，小信號(hào)增益達(dá)25dB。上海無(wú)錫565Mbit/s 單模光傳輸系統(tǒng)工程通過(guò)郵電部鑒定驗(yàn)收。該工程的建成，在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了重大影響。 1995年，研制出 STM-1、STM-4 SDH設(shè)備。 1996年，研制出 STM-16 SDH設(shè)備。 1997年，研制出G.655 非零色散位移光纖。研制出應(yīng)變多量子阱DFB激光器，STM-1、STM-4 收/發(fā)模塊和STM-16接收模塊。 1997年， 成都攀枝花622Mbit/s SDH 光傳輸工程通過(guò)郵電部鑒定驗(yàn)收；咸寧622Mbit/s SDH雙自

16、愈環(huán)互連系統(tǒng)工程通過(guò)建設(shè)部門初驗(yàn),2020/9/8,29,我國(guó)光纖通信事業(yè)的發(fā)展5,1997年，武漢郵電科學(xué)研究院將自行研制出的622Mbit/s和2.5Gbit/s光纖通信系統(tǒng)分別安裝到湖北的咸寧至通城，海南的?？谥寥齺嗊M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 1998年， ?？谌齺?.5Gbit/s 光傳輸系統(tǒng)工程通過(guò)郵電部鑒定驗(yàn)收，該工程全長(zhǎng)322km，僅在萬(wàn)寧設(shè)一個(gè)中繼站，?？谌f(wàn)寧的中繼距離為172km，僅在發(fā)送機(jī)中使用一個(gè)EDFA就實(shí)現(xiàn)了這一超長(zhǎng)中繼。研制出OADM、OXC樣機(jī)。 1999 年， 82.5Gbit/s DWDM系統(tǒng)通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。研制出STM-64 SDH設(shè)備。IP over SDH 的建議被I

17、TU-T確認(rèn)。 ,2020/9/8,30,我國(guó)光纖通信事業(yè)的發(fā)展6,八五期間，只要用于干線線路，均用光纖，建起了除拉薩、臺(tái)灣外22條大干線，光纜總長(zhǎng)度達(dá)10萬(wàn)公里，基本建成了除拉薩外覆蓋省會(huì)城市和沿海開發(fā)城市的光纜干線網(wǎng) 九五期間，到2000年建設(shè)以光纜為主體的長(zhǎng)途干線網(wǎng)，新建省際省內(nèi)光纜干線10萬(wàn)公里。到1998年，基礎(chǔ)網(wǎng)建設(shè)取得重大成果。“八縱八橫”干線光纜傳輸網(wǎng)全部建成?！熬盼濉备删€光纜計(jì)劃提前2年完成。,2020/9/8,31,我國(guó)光纖通信事業(yè)的發(fā)展7,僅1998年，全年新建成13條長(zhǎng)途光纜干線，完成了14條長(zhǎng)途光纜干線的擴(kuò)容工程；全國(guó)電信光纜總長(zhǎng)達(dá)100萬(wàn)公里。 現(xiàn)在，一個(gè)覆蓋全國(guó)以

18、光纜為主、衛(wèi)星和數(shù)字微波為輔，集數(shù)字化傳輸、程控化交換為一體的通信網(wǎng)絡(luò)已基本建成。,2020/9/8,32,我國(guó)光纖通信事業(yè)的發(fā)展8,中國(guó)光通信技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了許多曲折和困難，有研發(fā)初期的技術(shù)封鎖，基礎(chǔ)和配套工業(yè)設(shè)施跟不上，資金投入的不足，人才資源缺乏等。但我國(guó)光通信界的同行們?yōu)榘l(fā)展自己的民族光通信事業(yè)，克服了重重困難，掌握了光纖、器件、系統(tǒng)等各方面的關(guān)鍵技術(shù)，逐漸走進(jìn)了國(guó)際光通信的先進(jìn)行列。特別是在主要技術(shù)上，都有自己的特色和創(chuàng)新，如1B1H的光線路碼型、自己特色的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、能構(gòu)成自愈環(huán)的PDH設(shè)備、自行設(shè)計(jì)的全套SDH專用芯片、在線升級(jí)的SDH設(shè)備、通過(guò)LAPS實(shí)現(xiàn)的IP over

19、SDH等，形成了自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為進(jìn)一步發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。,2020/9/8,33,2020/9/8,34,我國(guó)國(guó)際光纜的建設(shè),自1988年第一條跨越大西洋的海底光纜建成以來(lái)，世界范圍內(nèi)建成的國(guó)際光纜系統(tǒng)已達(dá)幾十個(gè)，國(guó)際光纜網(wǎng)絡(luò)，特別是國(guó)際海纜，已成為國(guó)際間通信的主要媒介。 中國(guó)電信自1989年開始參與國(guó)際光纜建設(shè)，先后建成了中日光纜、中韓光纜等國(guó)際光纜，并在全球十幾條海底光纜中參與投資建設(shè)，購(gòu)買容量。,2020/9/8,35,我國(guó)國(guó)際光纜的建設(shè)1,1、中日光纜 (C-J FOSC) 2、中韓光纜 (CKC) 3、環(huán)球海底光纜(FLAG) 4、亞歐陸地光纜(TAE) 5、中國(guó)-東南亞陸地光

20、纜(CSC) 6、亞歐海底光纜系統(tǒng)(SEA-ME-WE3) 7、中美海底光纜系統(tǒng)(China-US Cable Network),2020/9/8,36,2020/9/8,37,我國(guó)國(guó)際光纜的建設(shè)2,中國(guó)電信還在APC、APCN、TPC-5、NPC、TAT12/13等十幾條國(guó)際海纜中投資購(gòu)買了容量，今后還將根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)一步增加投資購(gòu)買容量，連接與我國(guó)沒(méi)有直達(dá)光纜的國(guó)家和地區(qū)。中國(guó)電信通達(dá)世界的國(guó)際光纜網(wǎng)絡(luò)將為其在21世紀(jì)的發(fā)展與競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)造一個(gè)廣闊的舞臺(tái)。,2020/9/8,38,臺(tái)灣地震影響海底光纖,2006年12月26日晚20點(diǎn)25分，臺(tái)灣發(fā)生7.2級(jí)地震，使眾多路由經(jīng)過(guò)臺(tái)灣的海光纜系統(tǒng)陸續(xù)

21、發(fā)生中斷，其中有亞太一號(hào)、亞太二號(hào)、中美、亞歐三號(hào)、Flag、C2C等，中斷點(diǎn)在臺(tái)灣以南公里的海域，造成我國(guó)大陸至臺(tái)灣地區(qū)、美國(guó)、歐洲等方向的通信線路大量中斷，有關(guān)地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)質(zhì)量及話音、專線業(yè)務(wù)等受到一定影響。與中國(guó)電信相關(guān)的海纜中斷情況如下： 中美海纜于12月26日 20:25 距離臺(tái)灣枋山登陸站 9.7公里左右發(fā)生中斷； 亞歐三號(hào)海纜于12月26日 20:25 距離臺(tái)灣枋山登陸站 9.7公里左右發(fā)生中斷；,2020/9/8,39,臺(tái)灣地震影響海底光纖,亞太二號(hào)海纜S7于12月27日 00:06 距離臺(tái)灣淡水登陸站904公里左右發(fā)生中斷； 亞太二號(hào)海纜S3于12月27日 02:00 距離

22、崇明登陸站2100公里左右（靠近臺(tái)灣處）發(fā)生中斷； Flag光纜亞太系統(tǒng)于12月26日 20:43 在韓國(guó)到香港段中斷； Flag光纜亞歐段于12月27日 04:56 在香港到上海段中斷。 以上情況使中國(guó)電信到北美、臺(tái)灣等方向的互聯(lián)網(wǎng)電路大量中斷，到歐洲、亞太等方向的專線、話音電路部分中斷。,2020/9/8,40,中美海底光纜示意圖,臺(tái)灣地震,2020/9/8,41,中美光纜系統(tǒng)路由結(jié)構(gòu)示意圖,2020/9/8,42,海底光纜的具體修復(fù)過(guò)程如下：,1、機(jī)器人潛下水后，通過(guò)掃描檢測(cè)，找到破損海底光纜的精確位置。 2、機(jī)器人將淺埋在泥中的海底光纜挖出，用電纜剪刀將其切斷。船上放下繩子，由機(jī)器人系

23、在光纜一頭，然后將其拉出海面。同時(shí)，機(jī)器人在切斷處安置無(wú)線發(fā)射應(yīng)答器。 3、用相同辦法將另一段光纜也拉出海面。和檢修電話線路一樣，船上的儀器分別接上光纜兩端，通過(guò)兩個(gè)方向的海底光纜登陸站，檢測(cè)出光纜受阻斷的部位究竟在哪一端。之后，收回較長(zhǎng)一部分有阻斷部位的海底光纜，剪下。另一段裝上浮標(biāo)，暫時(shí)任其漂在海上。,2020/9/8,43,海底光纜的具體修復(fù)過(guò)程如下：,4、接下來(lái)靠人工將備用海底光纜接上中美海底光纜的兩個(gè)斷點(diǎn)。連接光纜接頭，可是個(gè)“技術(shù)含量”極高的活，非一般人能夠勝任，必須是經(jīng)過(guò)專門的嚴(yán)格訓(xùn)練、并拿到國(guó)際有關(guān)組織的執(zhí)照后的人員，才能上崗操作。像這樣的“接頭工”，上海電信方面目前只有三四名

24、。 5、備用海底光纜接上后，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，通訊正常后，就拋入海水。這時(shí)，水下機(jī)器人又要“上陣”了：對(duì)修復(fù)的海底光纜進(jìn)行“沖埋”，即用高壓水槍將海底的淤泥沖出一條溝，將修復(fù)的海底光纜“安放”進(jìn)去。,2020/9/8,44,四、云南省光纖通信事業(yè)發(fā)展,我省最早的光纖線路是1987年建成的市話：昆明安寧海口，全長(zhǎng)70多公里。 最早的長(zhǎng)途是1991年建成的昆明玉溪。到93年時(shí)建成光纜總長(zhǎng)約1萬(wàn)公里，除怒江、迪慶外均被覆蓋。到1999年光纜通信線路3.2萬(wàn)公里。 我省省內(nèi)線路多為架空敷設(shè)，出省線路多為直埋，平均中繼約55km，設(shè)備有國(guó)產(chǎn)，也有進(jìn)口。如重慶514廠光纖，美國(guó)AT&T,日本富士通，法國(guó)賽特，意

25、大利伊達(dá)泰爾等,2020/9/8,45,云南省干線光纜網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖,云南省二級(jí)干線光纜傳輸網(wǎng)3210G DWDM系統(tǒng)采用環(huán)型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。全網(wǎng)由2個(gè)環(huán)組成。 環(huán)一：昆明祿豐楚雄南華祥云下關(guān)永平保山昌寧云縣臨滄永平2景谷普餌思茅通關(guān)元江化念玉溪昆明 環(huán)二：昆明尋甸曲靖陸良師宗設(shè)里邱北文山蒙自個(gè)舊建水玉溪昆明,2020/9/8,46,省二干拓?fù)鋱D,2020/9/8,47,云南會(huì)議電視覆蓋所有縣市,云南省采用深圳市華為技術(shù)有限公司的View Point會(huì)議電視系統(tǒng)組建的德洪、保山、怒江、迪慶、昭通、曲靖、紅河、文山、思茅、臨滄10個(gè)地州本地網(wǎng)會(huì)議電視系統(tǒng)于1998年12月26日通過(guò)初驗(yàn)。 至此

26、，云南省會(huì)議電視已覆蓋全省所有縣市。,2020/9/8,48,五、光纖通信的發(fā)展趨勢(shì),1、系統(tǒng)的高速化、網(wǎng)絡(luò)化 2、光纖的長(zhǎng)波長(zhǎng)化 3、光纜纖芯的高密化 4、器件的集成化,2020/9/8,49,8.1.2 光纖通信的特點(diǎn),一、傳輸頻帶寬、通信容量大； 二、傳輸損耗低，無(wú)中繼距離長(zhǎng)，且誤碼??； 三、抗電磁干擾能力強(qiáng)，抗化學(xué)腐蝕 四、光纖通信串話小，保密性強(qiáng)，使用安全； 五、重量輕，體積小，便于運(yùn)輸與敷設(shè)； 六、節(jié)約有色金屬和能源，原材料資源豐富；,2020/9/8,50,光纖通信與其它通信的比較,2020/9/8,51,系統(tǒng)/話路公里相對(duì)造價(jià),2020/9/8,52,光纜和電纜的重量和截面積比

27、較,2020/9/8,53,光纖通信的缺點(diǎn),1、光纖彎曲半徑不宜過(guò)小 2、光纖的切斷和連接操作技術(shù)要求十分嫻熟 3、分路、耦合操作繁瑣 但這些缺點(diǎn)，都已不同程度上得以克服，它們不影響光纖通信的實(shí)用。,2020/9/8,54,光纖與其它幾種電通信傳輸介質(zhì)的特性比較,2020/9/8,55,光纖通信的應(yīng)用1,1、通信網(wǎng)，包括全球通信網(wǎng)(如橫跨大西洋和太平洋的海底光纜和跨越歐亞大陸的洲際光纜干線)、各國(guó)的公共電信網(wǎng)(如我國(guó)的國(guó)家一級(jí)干線、各省二級(jí)干線和縣以下的支線)、各種專用通信網(wǎng)(如電力、鐵道、國(guó)防等部門的通信、指揮、調(diào)度、監(jiān)控的光纜系統(tǒng))、特殊通信手段(如石油、化工、煤礦等部門易燃易爆環(huán)境下使用

28、的光纜，以及飛機(jī)、軍艦、潛艇、導(dǎo)彈和宇宙飛船的內(nèi)部光纜系統(tǒng))。,2020/9/8,56,光纖通信的應(yīng)用2,2、構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，如光纖以太網(wǎng)、路由器之間的光纖高速鏈路。 3、有線電視的干線和分配網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、銀行、商場(chǎng)、交通和公安部門的監(jiān)控；自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。 4、綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)，分為有源接入網(wǎng)和無(wú)源接入網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻(會(huì)議電視、可視電話等)多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)。,2020/9/8,57,8.1.3 光纖通信系統(tǒng)的組成及分類,一、組成,2020/9/8,58,組成光纖通信系統(tǒng)各部分的主要作用,1、電發(fā)射機(jī)：A/D，合

29、并多個(gè)用戶信號(hào)，進(jìn)行復(fù)用。方法：脈沖編碼調(diào)制(PCM)方式，即進(jìn)行抽樣、量化、編碼，抽樣頻率2f(模擬信號(hào)的頻帶寬度)。 2、光發(fā)射機(jī)：E/O, 將電發(fā)射機(jī)送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成適合于光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)，并用耦合技術(shù)把光信號(hào)最大限度地注入光纖線路。 3、光纖線路：把來(lái)自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的崎變（失真）和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī). 4、光中繼器：也稱光放大器，對(duì)光纖傳送的光信號(hào)進(jìn)行放大處理。,2020/9/8,59,組成光纖通信系統(tǒng)各部分的主要作用,5、光接收機(jī)：O/E, 將光纖傳送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，送入電接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。 6、電接收機(jī)：D/A，將信號(hào)送給各用戶。 7、輔助系統(tǒng)：包括監(jiān)控

30、管理系統(tǒng)、告警處理系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)、公務(wù)通信系統(tǒng)、區(qū)間通信系統(tǒng)、自動(dòng)倒換系統(tǒng)，即輔助信號(hào)的傳輸方式的考慮等。 8、備用系統(tǒng)：包括光端機(jī)、光纜、光中繼部分的備用系統(tǒng)，電端機(jī)一般無(wú)備用系統(tǒng)。,2020/9/8,60,信號(hào)的數(shù)字化,信號(hào)的數(shù)字化：將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)，一般需要完成采樣、量化和編碼三個(gè)步驟,采樣是指用每隔一定時(shí)間間隔的信號(hào)樣本值序列代替原來(lái)在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化 量化是用有限個(gè)幅度值近似原來(lái)連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量、有一定間隔的離散值。 編碼是按照一定的規(guī)律，把量化后的離散值用二進(jìn)制數(shù)碼表示 上述數(shù)字化的過(guò)程又

31、稱為脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation，PCM)，通常由模擬數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn),fs=(2.1-2.5)fm,2020/9/8,61,2020/9/8,62,光纖通信系統(tǒng)的分類1,二、分類,2020/9/8,63,光纖通信系統(tǒng)的分類2,2020/9/8,64,8.2 光通信的器件,8.2.1 光源 一、光纖通信對(duì)光源的基本要求 二、光通信用的激光光源 三、光源的調(diào)制 四、光源與光纖的耦合及組件 8.2.2 光檢測(cè)器 一、光纖通信對(duì)光檢測(cè)器要求 二、光電檢測(cè)器PD 二、改進(jìn)型光電檢測(cè)器PIN 三、雪崩光電二極管APD 8.2.3 光無(wú)源器件 8.2.4 光放大器,20

32、20/9/8,65,一、光纖通信對(duì)光源的基本要求,光源發(fā)射的峰值波長(zhǎng)，應(yīng)在光纖的低損耗窗口之內(nèi)，即與石英光纖三個(gè)低損耗窗口相適應(yīng)。 有足夠高的穩(wěn)定的輸出光功率，以滿足系統(tǒng)的光中繼段距離的要求。(入纖功率必須有數(shù)十微瓦至數(shù)毫瓦) 有高的電光轉(zhuǎn)換效率，低功率驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng)壽命，高可靠性。 單色性和方向性好，以減少光纖的材料色散，提高光纜和光纖的耦合效率。 易于調(diào)制，響應(yīng)速度快，以利于高速率大容量的數(shù)字信號(hào)的傳輸，溫度特性好 體積小，重量輕，便于安裝和使用，也利于光源和光纖的耦合。,2020/9/8,66,二、光通信用的激光光源,1、半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED,正面發(fā)光型：驅(qū)動(dòng)電流小，輸出功率大； 側(cè)面發(fā)光型

33、：驅(qū)動(dòng)電流大，輸出光功率小，但光束輻射角較小，與光纖耦合效率高，其入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。,圖1雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu),圖2邊發(fā)光LED的結(jié)構(gòu),LED輸出光功率特性,2020/9/8,67,LED性質(zhì),發(fā)射熒光，屬自發(fā)輻射，無(wú)需粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，不是閾值器件 發(fā)射譜線寬，無(wú)諧振腔，無(wú)“選頻”作用 響應(yīng)速度低，方向性差，發(fā)散角大 溫度性能好，輸出光功率線性范圍寬 制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉 壽命長(zhǎng)，可靠性高 應(yīng)用于小容量、短距離的系統(tǒng)中,2020/9/8,68,光通信用的激光光源LD,2、單縱模半導(dǎo)體激光器LD 1)分布反饋激光器 (DFBLD) 2)分布布喇格反射激光器,分布布喇格反射

34、激光器,分布反饋激光器,2020/9/8,69,2、新型激光器,主要介紹三種激光器： 單縱模(SLM)半導(dǎo)體激光器 量子阱（QW）激光器 光纖激光器 1、單縱模(SLM)半導(dǎo)體激光器 SLM的思想是使不同縱模具有不同的腔損耗，而FP腔激光器的損耗不隨模式而變。具有最低光腔損耗電縱模最先達(dá)到閾值并成為支配模式。其它鄰模由于其高損耗而被區(qū)分開，并因高損耗而被阻止從自發(fā)輻射中建立。這些鄰模攜帶的功率在總的輻射功率中一般只占很小一部分(1%)。,2020/9/8,70,單縱模半導(dǎo)體激光器的增益和損耗,2020/9/8,71,單縱模(SLM)半導(dǎo)體激光器,SLM激光器的性能一般用模式抑制因子(MSR)表

35、征，定義為 MSR=Pmm/Psm, Pmm主模功率，Psm主要邊摸功率 SLM半導(dǎo)體激光器可分為兩類： 1、分布反饋(DBF)激光器 DFB激光器 分布布拉格發(fā)射(DBR)激光器 2、耦合腔激光器(C3),2020/9/8,72,(a)結(jié)構(gòu) (b)光反饋,分布反饋(DFB)激光器,2020/9/8,73,DFB激光器,其反饋并不位于端面上，而是分布在整個(gè)光腔長(zhǎng)度上，通過(guò)折射率周期擾動(dòng)的內(nèi)建光柵產(chǎn)生的布拉格散射得到,并使正向和反向傳播的波相互耦合。 DFB機(jī)制產(chǎn)生模式選擇的條件為布拉格條件，只有當(dāng)波長(zhǎng)滿足下式，耦合才發(fā)生。m(B/2n) B布拉格波長(zhǎng)；光柵周期；n模折射率；m代表布拉格散射的階

36、數(shù)； 對(duì)一階布拉格散射(m=1)，正向和反向耦合最強(qiáng)，對(duì)工作于B1.55m的DFB激光器，如果m=1，n=3.3，則235nm，此光柵可用全息照相技術(shù)制造。,2020/9/8,74,DFB激光器中反饋發(fā)生在整個(gè)光腔有源區(qū)長(zhǎng)度上，但DBR激光器中的反饋并不發(fā)生在有源區(qū)內(nèi)。實(shí)際上DBR激光器的末端區(qū)域像一面鏡子，該鏡子對(duì)滿足方程 m(B/2n) 中的B反射率最大，因而光腔損耗對(duì)最靠近B的縱模最小，而對(duì)其它縱模大大增加,兩類用DFB機(jī)制的半導(dǎo)體激光器,2020/9/8,75,DFB激光器比F-P激光器具有如下優(yōu)點(diǎn),單縱模激光器 譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好 動(dòng)態(tài)譜線好 線性好,2020/9/8,76,耦合腔

37、半導(dǎo)體激光器,單縱模工作是通過(guò)將光耦合到外光腔實(shí)現(xiàn)的。一部分反射光反饋回激光光腔，因?yàn)樵谕夤馇话l(fā)生相移，從外光腔的反饋不一定與激光器光腔內(nèi)得的光場(chǎng)同相，僅當(dāng)那些波長(zhǎng)幾乎與一個(gè)外光腔縱模的波長(zhǎng)一致的激光模式才能發(fā)生同相反饋。,2020/9/8,77,波長(zhǎng)可調(diào)諧耦合腔半導(dǎo)體激光器,通過(guò)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)光柵，可在較寬范圍內(nèi)對(duì)波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧(典型值為50nm)。缺點(diǎn)是不能單片集成在一起。為提供較強(qiáng)的耦合，可在面對(duì)衍射光柵的界面上渡抗反射模，以減小該界面對(duì)來(lái)自衍射光的反射,外腔激光器,2020/9/8,78,耦合腔半導(dǎo)體激光器,外腔激光器 C3腔激光器Cleaved Coupled Cavity 其制造是通過(guò)將

38、一常規(guī)多模激光器在中間解理，使激光器分為長(zhǎng)度大致相等的兩部分，并由窄的空氣間隙(寬約為1m)分開。只要間隙不太寬，解理面的反射率(約為30)允許兩段間有足夠的耦合，通過(guò)調(diào)節(jié)注入到作為模式控制器的一個(gè)光腔段的電流，就可在20nm的調(diào)諧范圍內(nèi)調(diào)節(jié)C3激光器的波長(zhǎng)。但調(diào)諧并不連續(xù)。,2020/9/8,79,波長(zhǎng)可調(diào)諧耦合腔半導(dǎo)體激光器,C3腔激光器,2020/9/8,80,耦合腔半導(dǎo)體激光器,多段DBR激光器 采用多段DFB和DBR激光器的設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性和可調(diào)諧性兼容的SLM激光器。它由三段組成，分別為有源段，相位控制段和布拉格段?？赏ㄟ^(guò)注入不同大小的電流分別偏置，注入到布拉格段的電流導(dǎo)致折

39、射率變化，改變布拉格波長(zhǎng)。注入到相位控制段的電流導(dǎo)致折射率變化，改變從DBR反饋的相位。通過(guò)控制這三段的電流，激光波長(zhǎng)能在57nm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。由于它的波長(zhǎng)由在布拉格段的內(nèi)建光柵決定，這種激光器工作穩(wěn)定，對(duì)相干通信系統(tǒng)是很有用的.,2020/9/8,81,波長(zhǎng)可調(diào)諧耦合腔半導(dǎo)體激光器,多段DBR激光器,2020/9/8,82,多縱模激光器發(fā)展到單縱模激光器的演化過(guò)程,2020/9/8,83,2、量子阱（QW）激光器,基本結(jié)構(gòu)與普通的雙異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)類似，只是有源區(qū)的厚度很薄，通常的DH激光器為：10002000 (1=10-10m)，而QW僅為百埃甚至更?。◣资＃?，從而使窄帶隙的有源區(qū)為

40、導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴創(chuàng)造了一個(gè)勢(shì)能阱，從而帶來(lái)一系列優(yōu)越的性質(zhì)，如極低的域值電流、很高的輸出光功率、窄的發(fā)射譜線、發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)諧、弱溫度依賴關(guān)系等，被稱為“理想激光器”。,2020/9/8,84,量子阱激光器可以只含1個(gè)量子阱(單量子阱)，也可以含多個(gè)量子阱，還可以在內(nèi)部制造波紋光柵，構(gòu)成量子阱分布反饋(QW-DBF)激光器，從而獲得更窄的譜線寬度和更好的性能。 下面給出InGaAs-InGaAsP多量子阱分布反饋(MQW-DFB)激光器的結(jié)構(gòu)圖和能帶圖。此激光器含有4個(gè)量子阱，阱的厚度僅為70，發(fā)射譜線可減少到2MHz左右。,2020/9/8,85,MQW-DFB量子阱激光器,2020

41、/9/8,86,3、光纖激光器,摻餌光纖激光器 利用光纖光柵技術(shù)把摻餌光纖相隔一定長(zhǎng)度的兩處寫入光柵，兩光柵之間相當(dāng)于諧振腔，用980nm或1480nm泵浦激發(fā)激光，鉺離子就會(huì)產(chǎn)生增益放大。由于光柵的選頻作用，諧振腔只能反饋某一特定波長(zhǎng)的光，輸出單頻激光，再經(jīng)過(guò)隔離器輸出線寬較窄、功率高和噪聲低的激光。,2020/9/8,87,光纖激光器構(gòu)成圖,2020/9/8,88,由5段鉺光纖光柵可構(gòu)成具有5個(gè)波長(zhǎng)的激光器,a.構(gòu)成圖,b.頻譜圖,2020/9/8,89,光纖激光器,光纖光柵DFB激光器 把光纖布拉格光柵作為半導(dǎo)體激光二極管的外腔反射鏡，就可以制作成性能優(yōu)異的光纖光柵DFB激光器。 該激光

42、器不僅輸出激光的線寬窄，易與光纖耦合，而且通過(guò)對(duì)光柵加以縱向拉伸力或改變LD的調(diào)制頻率就能控制輸出激光的頻率和模式。,2020/9/8,90,光纖激光器,下面a圖中線寬小于50KHz，邊模抑制比大于30dB，當(dāng)用1.2Gbit/s的信號(hào)調(diào)制時(shí)，啁啾（chirp）小于05MHz。 下面b圖可通過(guò)改變光纖外腔的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧；或改變半導(dǎo)體激光器的電信號(hào)調(diào)制頻率，也可改變波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)調(diào)制頻率從440.5MHz變化到444.5MHz時(shí)，波長(zhǎng)可從1523.5nm變化到1509.0nm,調(diào)諧范圍達(dá)14.5nm. 對(duì)波分復(fù)用應(yīng)用，不同激光器調(diào)制頻率是固定的，為了改變波長(zhǎng)，不同激光器的外腔要選擇不同的

43、光纖光柵。,2020/9/8,91,光纖光柵DFB激光器,a.,b.波長(zhǎng)可調(diào)諧,2020/9/8,92,三、光源的調(diào)制,1)直接調(diào)制(內(nèi)調(diào)制) 直接調(diào)制是利用電信號(hào)直接改變半導(dǎo)體激光器的注入電流，來(lái)獲得與電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)。 直接調(diào)制包括模擬信號(hào)調(diào)制(圖1)和數(shù)字信號(hào)調(diào)制(圖2)。,圖1模擬信號(hào)調(diào)制 (a)LED模擬信號(hào)調(diào)制 (b)LD模擬信號(hào)調(diào)制,圖2數(shù)字信號(hào)調(diào)制 (a)LED數(shù)字信號(hào)調(diào)制 (b)LD數(shù)字信號(hào)調(diào)制,2020/9/8,93,2)間接調(diào)制(外調(diào)制) 調(diào)制信號(hào)不是直接加在激光器上，而是加在調(diào)制器上，其優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)附加啁啾，可實(shí)現(xiàn)高速率調(diào)制。它是利用一些材料(LiNbO3、GaAs

44、、LiTaO3)的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電光效應(yīng)是指外電場(chǎng)加到晶體上引起晶體折射率變化的現(xiàn)象。,直接調(diào)制會(huì)導(dǎo)致激光產(chǎn)生頻率啁啾，使激光器線寬展寬，而且在單模光纖中傳輸時(shí)由于色散作用將使非線性失真增大，因此調(diào)制速率不能過(guò)高，一般只用于低速率系統(tǒng)。,圖3 LiNbO3電光效應(yīng)強(qiáng)度調(diào)制器,2020/9/8,94,四、光源與光纖的耦合及組件,目前，面發(fā)光LED與邊發(fā)光LED同多模光纖的耦合效率可分別達(dá)到1和10，邊發(fā)光LED與單模光纖的耦合效率小于1?？梢钥闯鰧?duì)于LED直接耦合效率是非常低的，這主要是因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)散角比較大的原因。要提高耦合效率，需要采用透鏡耦合方式。 透鏡耦合(圖51

45、9)是在光源與光纖之間放置球透鏡(圖a)或?qū)⒐饫w端面加工成球面(圖b、c)，耦合效率可顯著提高。面發(fā)光LED的耦合效率可達(dá)到15，邊發(fā)光LED同多模光纖的耦合效率可達(dá)到30。,面發(fā)光LED與光纖的透鏡耦合,(1)LED與光纖的耦合,2020/9/8,95,(2)LD與光纖的耦合。 LD的發(fā)光面尺寸及發(fā)散角均比LED小，因此與相同數(shù)值孔徑的光纖的耦合效率要高得多。在直接耦合的情況下，LD與多模光纖的耦合效率可以高于70。與單模光纖的耦合效率主要決定于光源輻射光與光纖基模的匹配程度。單模光纖模場(chǎng)半徑與LD模場(chǎng)半徑的失配使得直接耦合效率不高，通常為1020。欲提高耦合效率，同樣需要采用透鏡耦合方式。

46、,LD與光纖的透鏡耦合,2020/9/8,96,（3)半導(dǎo)體激光器組件 長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品常以組件的形式出現(xiàn)，組件通常包括LD管芯、PD、熱沉、制冷器、熱敏電阻及光纖等，如圖所示，使用者只需配置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路和控制電路。,LD組件,2020/9/8,97,激光器組件,為便于在光纖通信發(fā)射機(jī)上使用，常將激光器LD與其控制件組成組件。,該組件裝在一個(gè)91321mm3的全密封盒內(nèi)，有14腿雙列引線，可配用標(biāo)準(zhǔn)插座,2020/9/8,98,LD組件的構(gòu)成實(shí)例,2020/9/8,99,8.2.2 光檢測(cè)器,光檢測(cè)器，又稱檢波器、探測(cè)器 作用：接收光信號(hào)，完成光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的一種有源器件 一、光纖

47、通信對(duì)光檢測(cè)器要求 二、光電二極管PD 三、改進(jìn)型光電二極管PIN 四、雪崩光電二極管APD,2020/9/8,100,一、光纖通信對(duì)光檢測(cè)器要求,高的光電轉(zhuǎn)換效率 足夠快的響應(yīng)速度 高的接收靈敏度 低的功耗 穩(wěn)定、可靠、便宜,2020/9/8,101,二、光電二極管PD,工作原理：加反向電壓(與自建場(chǎng)方向相同)，有光照(hfEg)價(jià)帶中電子吸收光子能量，躍到導(dǎo)帶(受激吸收)成為自由電子 過(guò)程：在電場(chǎng)作用下， 耗盡區(qū)內(nèi)： 電子(漂移) N區(qū) N區(qū) 空穴(漂移) P區(qū) P區(qū) (光 電流) 完成光/電變換 條件： hfEg 或 hc/Eg，截止波長(zhǎng)c=1.24/Eg 凡是 c的光，才有光電效應(yīng)，,

48、2020/9/8,102,三、改進(jìn)型光電二極管PIN,結(jié)構(gòu)：PIN 三層結(jié)構(gòu) 原理：hfEg (光照)受激吸收電子漂移擴(kuò)散形成光生電流 好處：量子效率高，響應(yīng)速度快 SiPIN，響應(yīng)波長(zhǎng)0.51m,響應(yīng)時(shí)間幾個(gè)ns GePIN，響應(yīng)波長(zhǎng)1.11.6m,響應(yīng)時(shí)間20多個(gè)ns,PIN光電二極管的結(jié)構(gòu),2020/9/8,103,四、雪崩光電二極管APD,結(jié)構(gòu)：在N、P區(qū)大量摻雜，使各自的多數(shù)載流子濃度變大 特點(diǎn)：可承受很高的反向偏壓 PIN：020V，APD：20150V 原理：加高反偏電壓耗盡區(qū)形成強(qiáng)電場(chǎng)光照(克服Eg) 形成初始載流子有高能量(或運(yùn)動(dòng)速度很快) 運(yùn)行中高速碰撞產(chǎn)生新生載流子(由碰

49、撞產(chǎn)生)新生載流子和原始載流子再撞擊電子濃度瞬時(shí)猛增電流急劇增長(zhǎng) “雪崩”、“倍增” 完成光/轉(zhuǎn)換,2020/9/8,104,APD載流子雪崩式倍增示意圖（只畫出電子）,2020/9/8,105,APD結(jié)構(gòu)圖,我國(guó)高速接收器件的研制相對(duì)落后，目前的通信結(jié)構(gòu)為2.5Gbs，但10GbS的PINTIA光接收器組件已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。 國(guó)外10Gbs的技術(shù)已很成熟，已經(jīng)進(jìn)人實(shí)用階段，而單纖傳輸40Gbs光信號(hào)的技術(shù)還沒(méi)有真正進(jìn)入實(shí)用階段。,2020/9/8,106,8.2.3 光無(wú)源器件,光纖連接器 光耦合器 波分復(fù)用/解復(fù)用器與光濾波器 光隔離器與光環(huán)行器 光衰減器 光開關(guān) 調(diào)制器,2020/9/8

50、,107,一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除了光纖、光源和光檢測(cè)器外，還需要許多配套的功能部件，特別是無(wú)源器件，它們對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少的。 光無(wú)源器件：本身不發(fā)光，不放大，不產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換的光學(xué)器件。 作用：連接光波導(dǎo)和光路；控制光的傳播方向；控制光功率達(dá)分配；控制光波導(dǎo)之間、器件之間和光波導(dǎo)與器件之間的光耦合；合波、分波等。 雖然對(duì)各種器件的特性有不同要求，但是普遍要求插入損耗小、反射損耗大、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、體積小、價(jià)格便宜、便于集成。,2020/9/8,108,按器件在傳輸線路上所發(fā)揮的功能可分為：光纖連接器、耦合器、合/分路器、光開關(guān)、光衰

51、減器、光隔離器、光環(huán)形器等。,2020/9/8,109,一、光纖連接器,連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間連接的器件。 應(yīng)滿足的要求： 連接損耗要小 裝拆方便（操作方便）； 穩(wěn)定性好；指連接后，插入損耗隨時(shí)間、環(huán)境的變化不大 重復(fù)性好；一般要求重復(fù)使用次數(shù)大于1000次 互換性好；要求同一種型號(hào)的活動(dòng)連接器可以互換 體積小，重量輕，成本低 光纖連接器分為兩類： 活動(dòng)連接器“活接頭”，主要用于光纖線路兩端與端機(jī)的連接中 固定連接器不能拆卸，或只能進(jìn)行破壞性拆卸的連接器，俗稱“死接頭”,2020/9/8,110,光纖固定接頭的方法,2020/9/8,111,帶狀陣列式連接器,2020/9/8,112,二、

52、光纖耦合器,作用：耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。 該器件對(duì)光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_噪聲。 耦合器大多與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，與波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。,2020/9/8,113,1、耦合器的類型 常用耦合器的四種類型：,2020/9/8,114,光纖型耦合器 (a)定向耦合器 (b)88星形耦合器 (c)由12個(gè)22耦合器組成的88星形耦合器,2020/9/8,115,光纖型波分解復(fù)用器原理,定向耦合器可制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。 光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb

53、, 則Pa=Cos2(CL) ； Pb=Sin2(CL)； L耦合器有效作用長(zhǎng)度；C為取決于光纖參數(shù)和光波長(zhǎng)的耦合系數(shù)。 設(shè)特定波長(zhǎng)為1、2，選擇參數(shù)，調(diào)整L，使得Pa(1)最大時(shí)Pb(1)=0； Pa(2)=0時(shí)， Pb(2)最大。,2020/9/8,116,微器件型：用自聚焦透鏡和分光片、濾光片或光柵等微光學(xué)器件可以構(gòu)成各種耦合器。 分光片：光部分透射，部分反射 濾光片：一個(gè)波長(zhǎng)的光透射，另一個(gè)波長(zhǎng)的光反射 光柵：不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向 波導(dǎo)型：在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來(lái)選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。,20

54、20/9/8,117,微器件型耦合器 (a)T形耦合器 (b)定向耦合器 (c )濾光式解復(fù)用器 (d)光柵式解復(fù)用器,2020/9/8,118,波導(dǎo)型耦合器 (a)T形耦合器 (b)定向耦合器 (c)波分解復(fù)用器,2020/9/8,119,三、波分復(fù)用/解復(fù)用器與光濾波器,熔錐光纖型WDM 干涉濾波器形WDM 光柵型WDM 體型平面或曲面光柵 平面陣列波導(dǎo)光柵 光纖光柵,2020/9/8,120,熔融光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性,2020/9/8,121,介質(zhì)薄膜干涉濾波器型WDM器件的原理示意,2020/9/8,122,介質(zhì)薄膜干涉型WDM器件結(jié)構(gòu),（a）二波分解復(fù)用器,（b）六波分解復(fù)用器

55、,2020/9/8,123,基于MZ干涉儀的集成四通道WDM,2020/9/8,124,體型光柵WDM,（a）采用普通透鏡的WDM,（b）采用棒透鏡的WDM,2020/9/8,125,NN平面陣列波導(dǎo)光柵(AWG)WDM,(a)AWG復(fù)用器,(b)平板波導(dǎo),2020/9/8,126,光纖光柵(FBG)的分類,2020/9/8,127,采用相移FBG的全光纖WDM,2020/9/8,128,光纖布拉格光柵的分類及其光學(xué)特性,2020/9/8,129,波分復(fù)用器的一般性質(zhì),2020/9/8,130,四、光隔離器與光環(huán)行器-1,1、光隔離器 概念：光隔離器是光單向傳輸?shù)囊环N非互易性器件，即光的單向器

56、。其作用是消除光路中不連續(xù)處產(chǎn)生的反射光對(duì)光源、光放大器以及光路系統(tǒng)中產(chǎn)生的不良影響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。 作用：它在光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感、及精密光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中有重要作用。 要求及主要指標(biāo)：插入損耗小(12dB)、隔離度大(反向衰減)(3040dB)、飽和磁場(chǎng)低、價(jià)格便宜、體積小、便于集成 組成：由起偏器、檢偏器及法拉第轉(zhuǎn)子材料所組成的法拉第旋光器等組成。,2020/9/8,131,隔離器的工作原理,2020/9/8,132,光環(huán)行器 (a)三端口 (b)四端口,2020/9/8,133,光環(huán)行器原理圖,2020/9/8,134,五、光衰減器1,1、光衰減器在光纖通信、光信息處理、光

57、學(xué)測(cè)量及計(jì)算中都是不可缺少的一種光無(wú)源器件 功能：在光信息傳輸過(guò)程中對(duì)光功率進(jìn)行預(yù)定量的光衰減。 2、光衰減器的工作機(jī)理主要有三種： (1)耦合型光衰減器：它是通過(guò)輸入、輸出光束對(duì)準(zhǔn)偏差的控制來(lái)改變光耦合量的大小，從而達(dá)到改變衰減量的目的。,2020/9/8,135,光衰減器2,(2)反射型光衰減器：它是在玻璃基片上鍍反射膜作為衰減片。光通過(guò)衰減片時(shí)主要是反射和透射，由膜層厚度的不同來(lái)改變反射量的大小，從而達(dá)到改變衰減量的目的。 為避免反射光的再入射影響衰減性能的穩(wěn)定性，光線不能垂直入射到衰減片上，需將二塊衰減片按一定傾斜角對(duì)稱地排成八字形。（40o，一般取5o或10o） (3)吸收型光衰減器

58、：它是采用光學(xué)吸收材料制成衰減片，對(duì)光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。,2020/9/8,136,光衰減器-3,3、光衰減器按其衰減量的變化可分為三種類型 固定式衰減器：衰減量固定 步進(jìn)可變式衰減器：即階躍式可變，如10dB5 連續(xù)可變式衰減器：如060dB 4、衰減器主要指標(biāo) 插入損耗，衰減量變化范圍，精度及溫度的影響,2020/9/8,137,分檔衰減器,連續(xù)衰減器,2020/9/8,138,六、光開關(guān)1,光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光交換，它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。 要求：插入損耗低、轉(zhuǎn)換重復(fù)性好、開關(guān)速度快、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊 主要指標(biāo)：插入損耗、開關(guān)(轉(zhuǎn)換)速度(ms量級(jí))、消光

59、比：接收機(jī)10lgP通/P斷 分類： 1、機(jī)械式光開關(guān)：利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換 優(yōu)點(diǎn)：插入損耗小，串?dāng)_小，適合各種光纖，技術(shù)成熟 缺點(diǎn)：開關(guān)速度慢，結(jié)構(gòu)不緊湊，容易受振動(dòng)、沖擊的影響，消光比較大,2020/9/8,139,反射鏡,16機(jī)械式光開關(guān),2020/9/8,140,光開關(guān)2,機(jī)械式光開關(guān)可分為鏡可動(dòng)型和光纖可動(dòng)型兩種 2、固體光開關(guān)，又稱非機(jī)械式光開關(guān)：利用磁光效應(yīng)、電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換 優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度快，重復(fù)性好，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，尺寸小，可單片集成 缺點(diǎn)：插入損耗大，串?dāng)_大，應(yīng)予改進(jìn) 3、半導(dǎo)體光波導(dǎo)開關(guān)：通過(guò)改變波導(dǎo)區(qū)內(nèi)折射率達(dá)到光波的導(dǎo)通或截止。,2020/9/8,141,兩類光開關(guān)一般性能,2020/9/8,142,8.2.4 光放大器,一、光放大器分類 二、光放大器的主要功能 三、摻雜光纖放大器,2020/9/8,143,一、光放大器分類,半導(dǎo)體激光放大器(SLA) 法布里珀羅型激光放大器 行波半導(dǎo)體激光放大器 光纖型光放大器 光纖喇曼放大器(FRA) 光纖布里淵放大器(FBA) 光纖參量放大器(FPA) 摻雜光纖