最新-光纖通信與光電子器件轉(zhuǎn)杭電庫(kù)-PPT課件

1、授課教師：王天樞電話(huà):mail: 光通信器件與技術(shù)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(guó)防工業(yè)出版社 光纖通信, Joseph C.Palais, 王江平等譯, 電子工業(yè)出版社Fiber-Optic Communications Technology, Djafar K. Mynbaev, Lowell L. Scheiner eds., Pearson Educ

2、ation,Inc.,2019. 光纖通信技術(shù)，科學(xué)出版社，2019 (國(guó)外高校電子信息類(lèi)優(yōu)秀教材)IEEE & IEE & OSANichols. Wang2第1章光纖通信與光電子器件Nichols. Wang3Contents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(jiǎn)介 光無(wú)源器件光接收機(jī) Nichols. Wang4光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語(yǔ)傳送信息。 Nichols. Wang5 1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話(huà)音的“光電話(huà)”。貝爾光電話(huà)是現(xiàn)代光通信的雛型。 1960年，美國(guó)人梅曼(Maima

3、n)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器， 給光通信帶來(lái)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。Nichols. Wang6在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)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(méi)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（ Optical Fiber ）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)。Nichols. W

4、ang7指明通過(guò)“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向。Nichols. Wang8高錕博士2019年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)翹ichols. Wang9 1970年，光纖研制取得了重大突破：美國(guó)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(kāi)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4 dB/km。 1973 年，美國(guó)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(huà)(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長(zhǎng)1.2m)。

5、此后的 10 年中，波長(zhǎng)為1.55 m的光纖損耗：1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限。 光纖Nichols. Wang10 1970年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展：美國(guó)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(zhǎng))。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(huà)公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激

6、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(wàn)小時(shí)。 1979年美國(guó)電報(bào)電話(huà)(AT&T)公司和日本電報(bào)電話(huà)公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55 m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Nichols. Wang11 實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展 1976 年，美國(guó)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(guó)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34 Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)， 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。 1

7、983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線(xiàn)。 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(kāi)，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。光纖通信Nichols. Wang12光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段： 第一階段(19661976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)時(shí)期。 第二階段(19761986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(19862019年)，這是以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面

8、深入開(kāi)展新技術(shù)研究的時(shí)期。Nichols. Wang13國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀 1976年美國(guó)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(zhǎng)從0.85 m發(fā)展到1.31 m和1.55 m(短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)），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(lái)國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。 在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。Nichols. Wang14光纖通

9、信整體發(fā)展時(shí)間表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m單模1.55m直接檢測(cè)光孤子光放大器1.55m相干檢測(cè)系統(tǒng)性能(Gb/sKm）Nichols. Wang15光纖光纖：光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種能利用光的全反射作用來(lái)傳導(dǎo)光線(xiàn)的透明度極高的(玻璃)纖維。Nichols. Wang16光纖分類(lèi)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

10、模光纖SM;多模光纖MM多模光纖的纖芯直徑為5062.5m，包層外直徑125m，單模光纖的纖芯直徑為8.3m，包層外直徑125m。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(zhǎng): short 0.80.9m；long 1.01.7m； Ultra long above 2mNichols. Wang17普通單模光纖的衰減隨波長(zhǎng)變化示意圖0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長(zhǎng)（m）6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口 C 波段15251565nm 1.57 1.62 L

11、波段Nichols. Wang18 G.652光纖即常規(guī)單模光纖，在1310nm波長(zhǎng)工作時(shí)，理論色散值為零；在1550nm波長(zhǎng)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(zhǎng)工作時(shí)性能最佳，又稱(chēng)為色散移位光纖。零色散點(diǎn)從1310nm移至1550nm波長(zhǎng)區(qū)。G.654光纖截止波長(zhǎng)移位的單模光纖，它的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低1550nm波長(zhǎng)處的衷減。主要應(yīng)用于需要很長(zhǎng)再生段距離的海底光纖通信。G.655光纖又稱(chēng)之為非零色散移位單模光纖，零色散點(diǎn)移至1570nm或15101520nm附近，使1550nm處具有一定的色散值。色散受限距離達(dá)

12、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):Nichols. Wang19 光纖通信頻譜10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015Wave length（m）Electric phoneRadio TVmicrowaveinfraredVisible light雙鉸線(xiàn)同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無(wú)線(xiàn)電FM無(wú)線(xiàn)電Nichols. Wang20 光是一種電磁波可見(jiàn)光350nm750nm光纖通信所用的波長(zhǎng)8001600nm

13、光的反射、折射全反射1450 1490 1530 1570 1610 1650S+ S C L L+ Wave length (nm)Nichols. Wang21 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(huà)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(zhǎng)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?xún)H與玻璃的純度(或者說(shuō)透明度)有關(guān)，高質(zhì)量望遠(yuǎn)鏡的鏡頭其損耗超過(guò)500dB/km，目前通信用光纖的最低損耗可低于0.2 dB/km。光纖通信的優(yōu)點(diǎn)Nich

14、ols. Wang22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(xiàn),電氣化鐵路及高壓設(shè)備等電器干擾，可以與高壓電線(xiàn)平行架設(shè)，還可制成復(fù)合光纜。無(wú)串話(huà)，保密性好通信質(zhì)量高。線(xiàn)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。Nichols. Wang23 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(guò)小(20CM)在偏僻地區(qū)存在有供電困難問(wèn)題Nichols. Wang24 光纖通信系統(tǒng)Nichols. Wang25 光纖通信鏈路基本結(jié)構(gòu)Nicho

15、ls. Wang261988年，在美國(guó)與英國(guó)、法國(guó)之間敷設(shè)了越洋的海底光纜（TAT-8）系統(tǒng)，全長(zhǎng)6700公里。這條光纜含有3對(duì)光纖，每對(duì)的傳輸速率為280Mbs，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(lái)。1989年，跨越太平洋的海底光纜（全長(zhǎng)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(guó)登陸的國(guó)際海底光纜系統(tǒng)是1993年12月建成的中國(guó)日本（C-J）海底光纜系統(tǒng)。2019年2月中韓海底光纜建成開(kāi)通，分別在我國(guó)青島和韓國(guó)泰安登陸、全長(zhǎng)549公里。2019年11月，我國(guó)參與建設(shè)

16、的球海底光纜系統(tǒng)（FLAG）建成并投入運(yùn)營(yíng)，這是第一條在我國(guó)登陸的洲際光纜系統(tǒng)，分別在英國(guó)、埃及、印度、泰國(guó)、日本等12個(gè)國(guó)家和地區(qū)登陸，全長(zhǎng)27000多公里，其中中國(guó)段為622公里。2019年。中國(guó)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(guó)家和地區(qū)登陸，全長(zhǎng)達(dá)38000公里，是世界上最長(zhǎng)的海底光纜，采用先進(jìn)的8波長(zhǎng)波分復(fù)用技術(shù)，主干路由的設(shè)計(jì)容量高達(dá)40Gb/s Sea-Me-We 3 。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。Nichols. Wang27 Nichols. Wang28單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收

17、和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。光纖通信器件Nichols. Wang291、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(xiàn)寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定， 器件壽命長(zhǎng)Nichols. Wang30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(jiǎn)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(kāi)，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。Nichols. Wang31 (a) 直接調(diào)制； (b) 間接調(diào)制(外調(diào)制) Nichols. Wang322、光接收機(jī)功能：是把從光纖線(xiàn)路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)組成部分：耦合器，光電檢測(cè)器，解調(diào)器組成框圖：電子電路光輸入耦合器光電檢測(cè)器解調(diào)器電信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)參數(shù)：接收機(jī)靈敏度，定為BER10-9條件下，所要 求的最小平無(wú)接收功率。檢測(cè)方式：直接檢測(cè)和外差檢測(cè)Nich