光通信基础知识

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1、24/5/2007光通信基础知识光通信基础知识24/5/2007光学基础知识24/5/2007光的本质电磁波光的本质电磁波10111010109(1km)108107106(1m)105104103(1mm)102101(1m)10-110-210-3(1nm)10-410-510-610-710-910-1010-8波长波长(nm) 1064104波长波长(m)6103510376062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线长电磁场长电磁场无线电波无线电波微波微波X 射线射线 射线射线宇宙射线宇宙射线1.71031.

2、2103SiO2 fiber24/5/2007为什么发展光通信？为什么发展光通信？香农定理（Shannon Theory）：C 指信息运载能力（比特/秒，bps), BW0（BandW0idth）是链路带宽（Hz），SNR是信噪比。电信系统的运载信息能力与其带宽成正比，而带宽与载体的频率成正比。光纤通信系统的信息载体采用光所有可用信号中具有最高频率的载体，这也正是光纤通信系统具有最高的运载信息能力以及它们之所以成为现代电信的关键技术的原因。（注：带宽大概是载波信号频率的10。）一根同轴电缆能够支持13000个信道，陆地上的微波链路最多可以支持20000个信道，卫星链路可以支持100000个信道

3、，而一根光纤通信链路，能够同时支持300000个双向语音信道。24/5/2007单模光纤(SMF)&多模光纤(MMF)1.在石英光纤中，ITU-T建议，标准单模光纤的直径为810m，标准多模光纤的纤芯直径为50m、62.5m，它们的包层的直径均为125m。2.对光纤较佳的运行波段，多模光纤运行波长为850nm或1300nm,而单模光纤运行波长则为1310nm或1550nm。24/5/2007波动光学的基本原理波动光学的基本原理1. 干涉的基本原理：干涉的基本原理：干涉是波的一个重要特征。光是电磁波，它也能产生干涉现象。在日常生活中可以观察到许多干涉现象，如水上的油膜在光的照射下显现出彩色花纹，

4、肥皂泡在阳光下显示出五彩图案等等。各种光学元件镀的增透膜，W0DM中常用的Filter等也都利用了光的干涉原理。2. 衍射的基本原理：衍射的基本原理：光在传播路径上遇到障碍物时，在障碍物之后，光的传播就偏离原来直线传播的方向，并且使光强分布在空间上变为不均匀，这种现象就是光的衍射现象。由于光波的波长短，所以光的衍射现象不易觉察。而声波的波长长，容易发生衍射现象。所以有“未见其人，先闻其声”。3. 偏振的基本原理：偏振的基本原理：按照电矢量在垂直于传播方向的平面内振动状态的不同，偏振光有不同的偏振态（或偏振结构）。实际中最常见的光的偏振态有五种：自然光、部分线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和线偏振

5、光。立体电影就是利用光的偏振性。油膜干涉现象正三边形孔衍射图样双折射晶体o光和e光都是线偏振光24/5/2007应用举例光的干涉滤光片示意图AR Coating滤光片示意图AR Coating24/5/2007应用举例光的偏振Isolator (隔离器）E-beamO-beamE-beamO-beamDdE-beamO-beamE-beamO-beam功能图原理图Wedgegarnet24/5/2007通信系统发送器接收器信息（语音，视频，数据）信息（语音，视频，数据）链路传输介质一个点到点的电信系统24/5/2007EDFPumpLasersWDMIsolatorTapCouplerPDWD

6、MIsolatorTapCouplerPDDevices Applications (EDFA Module)24/5/2007TX1TX2TX3TX4RX1RX2RX3RX4WDMWDMMUXDEMUXPowerLinePre-amplifier外形图光传输网络24/5/2007为什么要用 WDM模块Example:4signals,100kmspanlengthwithregenerationWithout DWDM4 x 100 km fibre4 EDFATx - 1Tx - 2Tx - 3Tx - 4Rx - 1Rx - 2Rx - 3Rx - 4OAOAOAOAWith DWDM4

7、 ch Mux & Demux1 x 100 km fibre1 EDFAOARx - 1Rx - 2Rx - 3Rx - 4Tx - 1Tx - 2Tx - 3Tx - 4WDM ModulesMXDMX24/5/2007光纤通信系统中的器件光纤通信系统中的器件 波分复用波分复用薄膜滤波器薄膜滤波器光纤光柵光纤光柵列阵波导光柵列阵波导光柵全息光柵全息光柵光环行器光环行器光交错复用器光交错复用器分波分波/合波摸合波摸块块增益放大增益放大光纤放大器光纤放大器光隔离器光隔离器分路耦合器分路耦合器泵浦激光器泵浦激光器光增益平衡器光增益平衡器光衰减器光衰减器半导体光放大半导体光放大器器光开关光开关光插

8、分复用光插分复用器器光交叉联接光交叉联接器器波长变换器波长变换器可调滤波器可调滤波器可调激光器可调激光器开关交换开关交换发送接收发送接收信号激光器信号激光器光调制器光调制器光电探测器光电探测器锁波器锁波器光发送摸块光发送摸块光接收摸块光接收摸块光收发摸块光收发摸块产品超过产品超过 9000 品种品种系统管理系统管理光性能监控光性能监控管理管理摸块摸块色散补偿器色散补偿器偏振模色散偏振模色散管理管理摸块摸块24/5/2007这些器件用在哪里？这些器件用在哪里？通信网络：24/5/2007信息服务业信息服务业材料供应商材料供应商电信运营商电信运营商设备供应商设备供应商器件供应商器件供应商信息技术食

9、物链信息技术食物链24/5/2007光通信器件的分类 光器件按不同的特性和功能的分类光器件按不同的特性和功能的分类:光无源器件光无源器件 Optical Passive Devices（光被动器件）光被动器件）光有源器件光有源器件 Optical Active Devices ( 光主动器件光主动器件 )24/5/2007Passive ProductsWDM/ CouplingAmplifier ComponentsAttenuatorProductsSwitching MOMSPBCVCBVSAInterleaverTFF D/CWDMGFFMATT ArrayMVInterconnect

10、sSNES VOAFFCVCFFFC/ TFF CombinerCable AssyAdaptersTerminatorsWavelockerCirculatorMATTDIL, TO, -packageManual SwitchMEMsFixed AttenuatorsIsolatorHybrids24/5/2007无源器件主要分为：1、光连接器(Connector):光纤、器件之间的连接2、光分光器/耦合器(Coupler):光信号的耦合/分配3、光衰减器(Attenuator):光功率衰减4、光隔离器(Isolator):偏振相关型、偏振无关型5、光环行器(Circulator):固定顺

11、序光路6、光开关(Switch):光路的通断、选择7、波分复用(WDM)器件:多路波长信号的合波、分波,密集波分复用(DWDM)器件：您即将接触到的光学产品您即将接触到的光学产品无源器件（PASSIVE）-被动器件（光-光传输）Passive Products24/5/2007Active ProductsSourcing laserPump laserModulatorOA EDFACircuit pack9xx4w/uncooled2.5Gb/sAPECooled TOSACW1550980180/300/36010Gb/sPDEDFA15dBmUncooled TOSATunable A

12、PD10Gb/sPIN10Gb/sPINLarge areaAPD2.5Gb/s14xx 300mw24/5/2007有源器件（ACTIVE）-主动器件（光电-电光转换）有源器件有：1、信号光源：信号光源：光信号的发射光信号的发射2、泵浦光源：泵浦光源：光信号的放大光信号的放大3、探测器：探测器： 光信号的探测等。光信号的探测等。4、光调制器光调制器: 光信号的光调制和波长变换等。光信号的光调制和波长变换等。5、光放大器光放大器: 光信号的放大光信号的放大您即将接触到的光学产品您即将接触到的光学产品Active Products24/5/2007光器件常用光学材料光器件常用光学材料24/5/2

13、007透镜透镜FocusProfileofConventionalLens(Homogeneousindex)ProfileofGRINLensFocusC LensG Lens 自聚焦透镜自聚焦透镜(格林透镜格林透镜)24/5/2007常见透镜的比较常见透镜的比较24/5/2007GRINLENS是指材料的折射率按一定规律渐变分布的透镜。按其折射率分布规律的类型有：A)axial-gradientindexlensB)radial-gradientindexlensC)spherical-gradientindexlens其中axial-gradientindexlens常用于connect

14、or,collimator,switch,isolator,WDM,etc.24/5/2007GRINLENSZ0.04mm80.51.80+0/-0.02mm0.5+0.05/-0.20mmN.A.=0.4624/5/2007GRIN Lens ParametersWavelength(nm)TypeSLW&SLCSLHN.A.0.46(55)0.60(74)Dia.(nm)11.82341.81060N01.59401.61941.63940.5990.3290.2960.2010.1490.419Z(0.25P)2.624.775.317.8510.543.741300N01.59161

15、.61651.63600.5970.3270.2950.1990.1480.418Z(0.25P)2.634.805.327.8910.593.761560N01.59011.61741.63400.5960.3260.2940.1990.1480.417Z(0.25P)2.644.825.327.8910.633.7724/5/2007A)Sol-GelProcessB)Chemical-vapor-deposition(CVD)methodC)IonExchangeTechniqueD)ThermalDiffusionTechniqueIonExchangeTechniqueisoften

16、usedfortheGRINLENSnow.Method of Manufacture of GRIN LENS24/5/2007K+Na+GRINLENSRODSALTIon-exchange technique24/5/20071.折射率分布函数n0为轴线折射率、A为透镜的聚焦常数、r为离轴距离。ParametersofGRINLens24/5/20072.光线在Lens中的传播轨迹为式中x0yo是光线在lens注入面（z=0）注入点的坐标，z为lens的长度。是光线常数，且ParametersofGRINLens24/5/20073.GRINLens的数值孔径N.A.a为GRINLens

17、的半径描述GRINLENS收集光线的最大孔径角。数值孔径自中心至边缘不是常值，中心轴上最大，边缘点处最小。NSG公司GRINLens的类型有SLS,SLW,SLH，N.A.分别为0.37(43o),0.46(55o),0.60(74o)。ParametersofGRINLens24/5/20074.节距（pitch）指光线在GRINLens中所走过的一个完整周期的长度L。在光纤通信用的器件中，常采用的是1/4(L)节距的GRINLens。PointSource0.25pitchParametersofGRINLens24/5/2007CollimatedBeamPointSource0.25p

18、itch0.5pitch1.0pitchParametersofGRINLens24/5/2007MoldedAsphericalLensMetalRingMoldedLensMetalringneededforlaserweldingCostislimitedbythemountingofthemetalringLensmaterialshouldbeflexiblebutislimitedbyCTEmatchingtothemetalringLensoptimizationisdifficultduetotheshrinkageofglassBatch-to-batchuniformity

19、shouldbegood.24/5/2007C-LensAllowanglepolishingattheentrancelikeGRIN,reducingasphericalaberrationFocallengthissomewhatflexible,scaledwiththediameterUniformityawaittobeprovenduetohand-polishingMaterialisflexible,allowingCTEmatchingRD24/5/2007GRINMoldedAsphericalLensC-LensFabricationMethodDiffusionMol

20、dingHand-PolishedIL(dB)forSMF280.150.050.120.050.150.05CostHMLUniformity,Batch-to-batchGoodGoodFairFocalLength2mm1.3/1.8/2.5mm2mmIndexofRefraction1.591.871.75Outerdiameter=1.8mmFlexible1.8mmCTE(ppm)108.8/11(holder)3Lenses:limitedchoices24/5/2007GRINLENS的应用用于用于CollimatorCollimated beamFiber endReal i

21、mage of the fiber endGrin Lenses(0.23 pitch)24/5/2007GRINLENS的应用Positioner #2 Positioner #1 用于Isolator24/5/2007GRINLENS的应用用于Isolatorx,y,zGrin Lenses(0.23 pitch)24/5/2007GRIN LENS 的的应用用另外，有提出：由于单片GRINLens难以同时满足单模光纤的小芯径（约810m)小数值孔径的要求（一般为0.11），而采用两片GEINLens构成耦合系统，这样可进一步降低器件的插损。24/5/2007ApplicationofGR

22、INLENSApplicationinWDMGrin Lens(0.25 pitch)Grin Lens(0.25 pitch)24/5/2007BasicInternalStructureNaked Common StructureCenter tubePigtail SleeveFTAC or G LensComments: 1.Isolator, FWDM,AHC,AHX,PMFC and SPFI are based on some common materials as above chart.2.PBC and Circulator are special design, mate

23、rials are different from other products.24/5/2007Isolator CoreFilterPanda PM FiberPanda PM FiberDouble Clad FiberAHXNaked structurePMFCSPFIIsolatorFWDMAHCDCF AHCGeneral productsHybrid& double cladding fiber productsPM series products24/5/20071 晶体分类均质晶体、单轴晶体和双轴晶体2 单轴晶体中的双折射现象3BirefringenceCrystals(Ti

24、O2,LiNbO3,YVO4,CaCO3)4 双折射晶体在光通信中的应用5Magnetic-OpticalCrystalsCrystals晶体24/5/2007若，则为正单轴晶体，其光率体图为图a若，则为负单轴晶体，其光率体图为图b光轴光轴光轴光轴a正单轴晶体b负单轴晶体（ n e no）（n e no）xxyynononene单轴晶体中的双折射现象24/5/2007o光是一个光矢量的振动方向垂直于自己的主平面的线偏振光，即它的振动方向始终与光轴垂直；e光则为光矢量的振动方向在自己的主平面内的线偏振光。当晶体光轴在入射面内时，o光和e光的主平面重合，两者的光矢量的振动方向互相垂直。一般情况下，

25、o光的主平面和e光的主平面不完全重合，因而两光矢量的振动方向也不完全相互垂直。单轴晶体中的o光e光的振动方向24/5/2007铌酸锂晶体是一种很重要的晶体，被广泛地使用在各种不同的应用中。它也是一种较好的双折射晶体。虽然它的双折射率差比钒酸钇小很多，但由于它的价格低廉，目前被广泛地应用在光纤隔离器中。双折射晶体LiNbO324/5/2007铌酸锂晶体的主要性能的主要性能晶体结构:三角晶系,空间点群R3C摩氏硬度：5热膨胀系数(25oC):aa=2.0x10-6/K,ac=2.2x10-6/K光谱透过范围:340nm4600nm折射系数及双折射系数:ne=2.1456,no=2.2201;Dn=

26、no-ne=0.07451310nmne=2.1381,no=2.2112;Dn=no-ne=0.07311550nm双折射晶体LiNbO324/5/2007钒酸钇晶体是一种优良的双折射晶体，机械性能和化学性能良好，双折射率差值大，透过波段宽,因此成为制作光束分离器，棱镜偏振器、光学隔离器、波分复用器、密集波分复用器等光学偏振元件的理想材料。双折射晶体YVO424/5/2007钒酸酸钇晶体的主要性能晶体的主要性能透透过范范围: 0.45-4.8m（高透高透过度度 ) 莫氏硬度莫氏硬度: 5（与玻璃相似）（与玻璃相似） 热膨膨胀系数系数: a=4.4310-6 /K; c=11.3710-6 /

27、K 湿度敏感性湿度敏感性:不潮解不潮解 晶晶类: 正光性正光性单轴晶晶n0=na=nb,ne=nc 折射率、双折射（折射率、双折射（n=ne-n0)和离散角（和离散角（在在45） n0=1.9929，ne=2.2154， n=0.2225，=6.04，at 0.63m n0=1.9500， ne=2.1554， n=0.2054，=5.72，at 1.30m 双折射晶体YVO424/5/2007e-beamo-beame-beamo-beamdForward propagatingApplicationinIsolator24/5/2007E-beamO-beamBackward propag

28、atingO-beamO-beamE-beamE-beamS1S2S3d1d2LApplicationinIsolator24/5/20071光隔离器对所用的磁光晶体材料要求为：高的Verdet常数（V）、V的温度系数和波长系数尽量小2光隔离器常用的磁光晶体材料有两种：YIG晶体（石榴石单晶）高性能磁光晶体Magnetic-opticCrystal磁光晶体24/5/2007Magnetic-opticCrystal磁光晶体1YIG晶体为隔离器所用的传统磁光晶体材料，其波长范围在0.81.6m之间。它需强永久磁场，且价格昂贵，因而逐渐被新型材料代替。2高性能磁光晶体是一种在石榴石单晶上生成的掺镱

29、、镓、钬或铽等元素的薄膜材料。24/5/2007PolarizerAnalyzerFaradayRotatorPolarizerAnalyzerFaradayRotatorForward transmissionBackward transmissionIsolator (Single Stage MOFI)24/5/2007FaradayRotatorPolarizer 1FaradayRotator 1Forward transmissionBackward transmissionPolarizer 1Polarizer 2Polarizer 3FaradayRotator 1Farad

30、ayRotator 2Polarizer 345 90 90 135 45 90 Polarizer 2FaradayRotator 2Isolator (Dual Stage MOFI)24/5/2007AnalyzerFaradayRotator(Garnet)PolarizerCylindrical MagnetMOFI Housing (Au-plated)MOFI CapMOFI24/5/20071.11.5mm9.0mmNo Air Bubbles(Epoxy color: Dark brown)3.2mmCollimator1.Wavelength=15201580nm2.Ins

31、ertionLoss65dB4.TensileLoad5N5.WorkingDistance:10mm24/5/2007UVAdhesiveEpoxyCollimator Assembly24/5/2007AlignfacesCollimator AssemblyMark24/5/2007Collimator AssemblySS Tube (lens holder)24/5/2007q FTA Special Process TEC PrincipleCommonFibercore9umTECFibercore25um24/5/2007q FTA Special Process TEC Pr

32、incipleCommonFibercore9umFireCutfiberinthemiddleoffiber24/5/20071.Lead solder /Lead-free solder2.GS (All epoxy, All glass)3.Laser welding4.Glass solder5.Laser solder五种工艺技术五种工艺技术24/5/2007MOM Switch - PartsDavid Melanson, Central engineering24/5/2007下周讲课内容1.Coupler2.PLC and AWG3. WDM4.Isolator5. Switch6. VOAFMEA