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1、授课教师：王天枢授课教师：王天枢电话电话:13396595933Email:光通信器件与技术光通信器件与技术参考资料参考资料光纤通信用光电子器件和组件光纤通信用光电子器件和组件, ,黄章勇黄章勇, ,北京邮电大学出版社北京邮电大学出版社v光通信器件与系统光通信器件与系统，J.H.Franz，徐宏杰等译，电子工业，徐宏杰等译，电子工业出版社出版社v光通信器件光通信器件,(德德)N.Grote,H.Venghaus王景山，沈欣捷，王景山，沈欣捷，孙玮译，国防工业出版社孙玮译，国防工业出版社v光纤通信光纤通信,JosephC.Palais,王江平等译王江平等译,电子工业出版社电子工业出版社vFibe
2、r-OpticCommunicationsTechnology,DjafarK.Mynbaev,LowellL.Scheinereds.,PearsonEducation,Inc.,2001.光纤通光纤通信技术，科学出版社，信技术，科学出版社，2002(国外高校电子信息类优秀教材国外高校电子信息类优秀教材)vIEEE&IEE&OSANichols. Wang2第第1章章光纤通信与光电子器件光纤通信与光电子器件Nichols. Wang3Contents光放大器光放大器 光纤光缆光纤光缆 光调制器光调制器 光发射机光发射机 光纤通信系统简介光纤通信系统简介 光无源器件光无源器件光接收机光接收机
3、Nichols. Wang4光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 原原始始形形式式的的光光通通信信:中中国国古古代代用用“烽烽火火台台”报报警警，欧欧洲洲人人用旗语传送信息。用旗语传送信息。Nichols. Wang5 1880年年，美美国国人人贝尔(Bell)发明明了了用用光光波波作作载波波传送送话音音的的“光光电话”。贝尔光光电话是是现代光通信的代光通信的雏型。型。1960年年，美美国国人人梅梅曼曼(Maiman)发发明明了了第第一一台台红红宝宝石石激激光光器器，给给光光通通信信带带来来了了新新的的希希望望。激激光光器器的的发发明明和和应应用用，使使沉沉睡睡了了80年的光通信进
4、入一个崭新的阶段。年的光通信进入一个崭新的阶段。Nichols. Wang6在在这这个个时时期期，美美国国麻麻省省理理工工学学院院的的研研究究人人员员利利用用He-Ne激激光光器器和和CO2激光器进行了大气激光通信试验。激光器进行了大气激光通信试验。由由于于没没有有找找到到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介介质质，对对光光通通信信的的研研究究曾曾一一度走入了低潮。度走入了低潮。1966年，英籍年，英籍华裔学者裔学者高高锟(C. K. Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C. A. Hockham)发表了关于表了关于传输介介质新概念的新概念的论文文光光频率的介率的介质纤维表面波表面波导 ，
5、指出了利用光，指出了利用光纤（ Optical Fiber ）进行信息行信息传输的的可能性和技可能性和技术途径，奠定了途径，奠定了现代光通信代光通信光光纤通信通信的基的基础。Nichols. Wang7指指明明通通过过“原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离离通通信信使用的低损耗光纤使用的低损耗光纤”这一发展方向。这一发展方向。Nichols. Wang8高锟博士高锟博士1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章Nichols. Wang91970年年，光光纤纤研研制制取取得得了了重重大大突突破破：美美国国康康宁宁(Corning)公公司司研研制制成成功功损
6、损耗耗20dB/km的石英光纤，把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。的石英光纤，把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年年，美美国国贝贝尔尔(Bell)实实验验室室的的光光纤纤损损耗耗降降低低到到2.5dB/km。1974年年降降低到低到1.1dB/km。1976年年，日日本本电电报报电电话话(NTT)公公司司将将光光纤纤损损耗耗降降低低到到0.47dB/km(波波长长1.2m)。此此后后的的10年年中中，波波长长为为1.55m的的光光纤纤损损耗耗：1979年年是是0.20dB/km，198
7、4年年是是0.157dB/km，1986年年是是0.154dB/km，接接近近了了光光纤纤最最低低损损耗耗的的理理论论极限。极限。光光纤Nichols. Wang101970年年，光光纤纤通通信信用用光光源源取取得得了了实实质质性性的的进进展展：美美国国贝贝尔尔实实验验室室、日日本本电电气气公公司司(NEC)和和前前苏苏联联先先后后研研制制成成功功室室温温下下连连续续振振荡荡的的镓镓铝铝砷砷(GaAlAs)双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器(短短波波长长)。虽虽然然寿寿命命只只有有几几个个小小时时，但但它它为为半半导导体体激激光光器的发展奠定了基础。器的发展奠定了基础。1973年，半导体
8、激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到7000小时。小时。1976年年，日日本本电电报报电电话话公公司司研研制制成成功功发发射射波波长长为为1.3m的的铟铟镓镓砷砷磷磷(InGaAsP)激光器。激光器。1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。万小时。1979年年美美国国电电报报电电话话(AT&T)公公司司和和日日本本电电报报电电话话公公司司研研制制成成功功发发射射波波长为长为1.55m的连续振荡半导体激光器。的连续振荡半导体激光器。1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑年成为光纤通信发展的一个重要里程碑光源光源Nichols. W
9、ang11实用光纤通信系统的发展实用光纤通信系统的发展1976年年，美美国国在在亚亚特特兰兰大大(Atlanta)进进行行了了世世界界上上第第一一个个实实用用光光纤纤通通信信系系统的现场试验。统的现场试验。1980年，美国标准化年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。光纤通信系统投入商业应用。1976年年和和1978年年，日日本本先先后后进进行行了了速速率率为为34Mb/s的的突突变变型型多多模模光光纤纤通通信系统，信系统，以及速率为以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。年敷设了纵贯日本南北的
10、光缆长途干线。随随后后，由由美美、日日、英英、法法发发起起的的第第一一条条横横跨跨大大西西洋洋TAT-8海海底底光光缆缆通通信信系统于系统于1988年建成。年建成。第第一一条条横横跨跨太太平平洋洋TPC-3/HAW-4海海底底光光缆缆通通信信系系统统于于1989年年建建成成。从从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光光纤通信通信Nichols. Wang12光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第第一一阶阶段段(19661976年年)，这这是是从从基基础础研研究
11、究到到商商业业应应用用的开发时期。的开发时期。第第二二阶阶段段(19761986年年)，这这是是以以提提高高传传输输速速率率和和增增加加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第第三三阶阶段段(19861996年年)，这这是是以以超超大大容容量量超超长长距距离离为为目标、全面深入开展新技术研究的时期。目标、全面深入开展新技术研究的时期。Nichols. Wang13国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状1976年年美美国国在在亚亚特特兰兰大大进进行行的的现现场场试试验验，标标志志着着光光纤纤通通信信从从基基础础研研究究发展到了商业应
12、用的新阶段。发展到了商业应用的新阶段。此此后后，光光纤纤通通信信技技术术不不断断创创新新：光光纤纤从从多多模模发发展展到到单单模模，工工作作波波长长从从0.85m发发展展到到1.31m和和1.55m(短短波波长长向向长长波波长长），传传输输速速率率从从几几十十Mb/s发展到几十发展到几十Gb/s。随随着着技技术术的的进进步步和和大大规规模模产产业业的的形形成成，光光纤纤价价格格不不断断下下降降，应应用用范范围围不断扩大。不断扩大。目目前前光光纤纤已已成成为为信信息息宽宽带带传传输输的的主主要要媒媒质质，光光纤纤通通信信系系统统将将成成为为未未来来国家信息基础设施的支柱。国家信息基础设施的支柱。
13、在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。Nichols. Wang14光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表1974197619781980198219841986198819901992 1000001000010001001010.10.8m多模多模1.3m单模单模1.55m直接检测直接检测光孤子光孤子光光放放大大器器1.55m相干检测相干检测系系统统性性能能(Gb/sKm ）Nichols. Wang15光纤光纤光纤：光纤：光导纤维的简称，是一种光导纤维的简称，是一种能利用光的全反射作用来传导光
14、能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的线的透明度极高的(玻璃玻璃)纤维。纤维。Nichols. Wang16光纤分类光纤分类根据材料根据材料:石英光纤、玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物碲石英光纤、玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物碲化物光纤等。化物光纤等。塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成。制成。根据传输模式根据传输模式: 单模光纤单模光纤SM;多模光纤多模光纤MM多模光纤的纤芯直径为多模光纤的纤芯直径为5062.5m，包层外直径，包层外直径125m，单模光纤，单模光纤
15、的纤芯直径为的纤芯直径为8.3m，包层外直径，包层外直径125m。根据折射率分布根据折射率分布: 阶跃阶跃（Step-index），渐变折射率（），渐变折射率（graded-index）根据工作波长根据工作波长: short0.80.9m；long1.01.7m；Ultralongabove2mNichols. Wang17普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）6543210。40。2第三窗口第三窗口C波段波段15251565nm1.571.
16、62L波段波段Nichols. Wang18nG.652光纤光纤n即常规单模光纤，在即常规单模光纤，在1310nm波长工作时，理论色散值为零；在波长工作时，理论色散值为零；在1550nm波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。单通路速率达波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。单通路速率达到到STM-64时，需要采取色散调节手段。时，需要采取色散调节手段。nG.653光纤光纤n在在1550nm波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零色散点从波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零色散点从1310nm移至移至1550nm波长区。波长区。nG.654光纤光纤n截止波长移位的单模光纤，它的设
17、计重点是降低截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低1550nm波长处的衷减。波长处的衷减。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。nG.655光纤光纤n又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至1570nm或或15101520nm附近，使附近，使1550nm处具有一定的色散值。色散受限距处具有一定的色散值。色散受限距离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。根据根据ITU标准标准:Nichols. Wang19光纤通信频谱光纤通
18、信频谱10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015Wavelength（m）ElectricphoneRadioTVmicrowaveinfraredVisiblelight双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电Nichols. Wang20n光是一种电磁波光是一种电磁波n可见光可见光350nm750nmn光纤通信所用的波长光纤通信所用的波长8001600nmn光的反射、折射光的反射、折射n全反
19、射全反射1450 1490 1530 1570 1610 1650S+ S C L L+ Wave length (nm)Nichols. Wang21n频带宽，通信容量大频带宽，通信容量大n理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达20THz(1THz=1012Hz)以上，现在最先进的光纤通信系统达以上，现在最先进的光纤通信系统达400GHz，而一路电话带宽，而一路电话带宽约占约占4KHz频带，一路彩色电视约占频带，一路彩色电视约占6MHz频带。频带。n损耗低，中继距离长损耗低，中继距离长n铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关，光缆铜缆的损耗特性与缆的
20、结构尺寸及所传输信号的频率有关，光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度或者说透明度)有关，高质量望远镜有关，高质量望远镜的镜头其损耗超过的镜头其损耗超过500dB/km，目前通信用光纤的最低损耗可低，目前通信用光纤的最低损耗可低于于0.2 dB/km。光纤通信的优点光纤通信的优点Nichols. Wang22n具有抗电磁干扰能力具有抗电磁干扰能力n光导纤维是绝缘体材料，不受输电线光导纤维是绝缘体材料，不受输电线,电气化铁路及高压设备等电器电气化铁路及高压设备等电器干扰，可以与高压电线平行架设，还可制成复合光缆。干扰，可以与高压电线平行架设，还可制成复合光缆。n无串话
21、，保密性好无串话，保密性好n通信质量高。通信质量高。n线径细，重量轻，柔软线径细，重量轻，柔软n可制成大芯数高密度光缆。可制成大芯数高密度光缆。n单芯光缆可安装在飞机、火箭、潜艇及航天飞机上。单芯光缆可安装在飞机、火箭、潜艇及航天飞机上。n节约有色金属，原材料资源丰富节约有色金属，原材料资源丰富n可节约大量铜金属。可节约大量铜金属。Nichols. Wang23光纤的缺点光纤的缺点n质地脆，机械强度低质地脆，机械强度低n光纤切断和接续需要一定的工具，设备和技术光纤切断和接续需要一定的工具，设备和技术n分路，耦合不灵活分路，耦合不灵活n光纤，光缆弯曲半径不能过小光纤，光缆弯曲半径不能过小(20C
22、M)n在偏僻地区存在有供电困难问题在偏僻地区存在有供电困难问题Nichols. Wang24光纤通信系统光纤通信系统Nichols. Wang25光纤通信链路基本结构光纤通信链路基本结构Nichols. Wang26n1988年，在美国与英国、法国之间敷设了越洋的海底光缆（年，在美国与英国、法国之间敷设了越洋的海底光缆（TAT-8）系统，全长）系统，全长6700公里。这公里。这条光缆含有条光缆含有3对光纤，每对的传输速率为对光纤，每对的传输速率为280Mbs，中继站距离为，中继站距离为67公里。这是第一条跨越大西公里。这是第一条跨越大西洋的通信海底光缆，标志着海底光缆时代的到来。洋的通信海底光
23、缆，标志着海底光缆时代的到来。n1989年，跨越太平洋的海底光缆（全长年，跨越太平洋的海底光缆（全长13200公里）也建设成功，从此，海底光缆就在跨越海洋公里）也建设成功，从此，海底光缆就在跨越海洋的洲际海缆领域取代了同轴电缆，远洋洲际间不再敷设海底电缆。的洲际海缆领域取代了同轴电缆，远洋洲际间不再敷设海底电缆。n第一个在中国登陆的国际海底光缆系统是第一个在中国登陆的国际海底光缆系统是1993年年12月建成的中国月建成的中国日本（日本（C-J）海底光缆系统。）海底光缆系统。n1996年年2月中韩海底光缆建成开通，分别在我国青岛和韩国泰安登陆、全长月中韩海底光缆建成开通，分别在我国青岛和韩国泰安
24、登陆、全长549公里。公里。n1997年年11月，我国参与建设的球海底光缆系统（月，我国参与建设的球海底光缆系统（FLAG）建成并投入运营，这是第一条在我国登）建成并投入运营，这是第一条在我国登陆的洲际光缆系统，分别在英国、埃及、印度、泰国、日本等陆的洲际光缆系统，分别在英国、埃及、印度、泰国、日本等12个国家和地区登陆，全长个国家和地区登陆，全长27000多多公里，其中中国段为公里，其中中国段为622公里。公里。n1999年。中国电信和新加坡等地的电信公司共同发起的亚欧海底光缆系统，该系统连接亚洲、欧年。中国电信和新加坡等地的电信公司共同发起的亚欧海底光缆系统，该系统连接亚洲、欧洲和大洋洲，
25、在洲和大洋洲，在33个国家和地区登陆，全长达个国家和地区登陆，全长达38000公里，是世界上最长的海底光缆，采用先进的公里，是世界上最长的海底光缆，采用先进的8波长波分复用技术，主干路由的设计容量高达波长波分复用技术，主干路由的设计容量高达40Gb/s Sea-Me-We 3 。n光纤通信将朝着交换智能化和光电子器件集成化的方向发展。光纤通信将朝着交换智能化和光电子器件集成化的方向发展。Nichols. Wang27Nichols. Wang28单单向向传传输输的的光光纤纤通通信信系系统统，包包括括发发射射、接接收收和和作作为为广广义义信信道道的的基本基本光纤传输系统光纤传输系统。光光纤通信器
26、件通信器件Nichols. Wang291 1 1 1、光发送机、光发送机、光发送机、光发送机组成框图：组成框图：组成框图：组成框图： 光光光光源源源源调制器调制器调制器调制器通道耦合器通道耦合器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：发送功率，发送功率，发送功率，发送功率，dbmdbm概念概念概念概念光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和输出光功率足够大，调制频率足够
27、高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长器件寿命长器件寿命长器件寿命长Nichols. Wang30电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式直接调制直接调制 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，使输出光随电信号变化而实现的。 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。 外调制外调制 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率高，缺点是技术复杂，
28、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。Nichols. Wang31 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制) Nichols. Wang322 2 2 2、光接收机、光接收机、光接收机、光接收机功能：功能：功能：功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，是把从光纤线路输出、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并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：组成部分：组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：电子电路电子电路电子电路电子
29、电路光输入光输入耦合器耦合器耦合器耦合器光电检测器光电检测器光电检测器光电检测器解调器解调器解调器解调器电信号输出电信号输出结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度，定为，定为BER10BER10-9-9条件下，所要条件下，所要 求的最小平无接收功率。求的最小平无接收功率。检测方式：检测方式：检测方式：检测方式：直接检测直接检测直接检测直接检测和和外差检测外差检测外差检测外差检测Nichols. Wang33光放大器光放大器Nichols. Wang34光无源器件光无源器件v光耦合器光耦合器couplersv光隔离器光隔离器isolatorsv光
30、衰减器光衰减器attenuatorsv光纤连接器光纤连接器connectorsv波分复用器波分复用器/解复用器解复用器wavelength-division multiplexers/demultiplexersv光开关光开关switchesNichols. Wang35课程安排课程安排n光纤通信与光电子器件光纤通信与光电子器件 nLED及组件及组件 nLD及组件及组件 n光探测器和光接收机组件光探测器和光接收机组件 n光纤激光器和光放大器光纤激光器和光放大器 n光调制器光调制器 n光无源器件光无源器件 nDWDM光发射和接收器件光发射和接收器件 共共64学时，每周学时，每周4学时（学时（2学时复习）学时复习）Nichols. Wang36
