光通信基礎知識

光通信基礎知識第1頁，共67頁。光學基礎知識第2頁，共67頁。光的本質－－－電磁波10111010109(1km)108107106(1m)105104103(1mm)102101(1m)10-110-210-3(1nm)10-410-510-610-710-910-1010-8波長(nm)1064104波長(μm)6103510376062259757749245539030020010極遠遠中近紅橙黃綠藍紫近遠極遠紫外線可見光紅外線長電磁場無線電波微波X射線射線宇宙射線1.71031.2103SiO2fiber第3頁，共67頁。為什么發(fā)展光通信？香農定理（ShannonTheory）：C指信息運載能力（比特/秒，bps),BW0（BandW0idth）是鏈路帶寬（Hz），SNR是信噪比。電信系統(tǒng)的運載信息能力與其帶寬成正比，而帶寬與載體的頻率成正比。光纖通信系統(tǒng)的信息載體采用光－－所有可用信號中具有最高頻率的載體，這也正是光纖通信系統(tǒng)具有最高的運載信息能力以及它們之所以成為現(xiàn)代電信的關鍵技術的原因。（注：帶寬大概是載波信號頻率的10％。）一根同軸電纜能夠支持13000個信道，陸地上的微波鏈路最多可以支持20000個信道，衛(wèi)星鏈路可以支持100000個信道，而一根光纖通信鏈路，能夠同時支持300000個雙向語音信道。第4頁，共67頁。單模光纖(SMF)&多模光纖(MMF)1.在石英光纖中，ITU-T建議，標準單模光纖的直徑為8~10μm，標準多模光纖的纖芯直徑為50μm、62.5μm，它們的包層的直徑均為125μm。2.對光纖較佳的運行波段，多模光纖運行波長為850nm或1300nm,而單模光纖運行波長則為1310nm或1550nm。第5頁，共67頁。波動光學的基本原理1.干涉的基本原理：干涉是波的一個重要特征。光是電磁波，它也能產生干涉現(xiàn)象。在日常生活中可以觀察到許多干涉現(xiàn)象，如水上的油膜在光的照射下顯現(xiàn)出彩色花紋，肥皂泡在陽光下顯示出五彩圖案等等。各種光學元件鍍的增透膜，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：光在傳播路徑上遇到障礙物時，在障礙物之后，光的傳播就偏離原來直線傳播的方向，并且使光強分布在空間上變?yōu)椴痪鶆?，這種現(xiàn)象就是光的衍射現(xiàn)象。由于光波的波長短，所以光的衍射現(xiàn)象不易覺察。而聲波的波長長，容易發(fā)生衍射現(xiàn)象。所以有“未見其人，先聞其聲”。3.偏振的基本原理：按照電矢量在垂直于傳播方向的平面內振動狀態(tài)的不同，偏振光有不同的偏振態(tài)（或偏振結構）。實際中最常見的光的偏振態(tài)有五種：自然光、部分線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光和線偏振光。立體電影就是利用光的偏振性。油膜干涉現(xiàn)象正三邊形孔衍射圖樣雙折射晶體o光和e光都是線偏振光第6頁，共67頁。應用舉例－光的干涉濾光片示意圖ARCoating濾光片示意圖ARCoating第7頁，共67頁。應用舉例－光的偏振Isolator(隔離器）E-beamO-beamE-beamO-beamDdE-beamO-beamE-beamO-beam功能圖原理圖Wedgegarnet第8頁，共67頁。通信系統(tǒng)發(fā)送器接收器信息（語音，視頻，數據）信息（語音，視頻，數據）鏈路傳輸介質一個點到點的電信系統(tǒng)第9頁，共67頁。EDFPumpLasersWDMIsolatorTapCouplerPDWDMIsolatorTapCouplerPDDevicesApplications(EDFAModule)第10頁，共67頁。TX1TX2TX3TX4RX1RX2RX3RX4WDMWDMMUXDEMUXPowerLinePre-amplifier外形圖光傳輸網絡第11頁，共67頁。為什么要用WDM模塊

Example:4signals,100kmspanlengthwithregenerationWithoutDWDM4x100kmfibre4EDFATx-1Tx-2Tx-3Tx-4Rx-1Rx-2Rx-3Rx-4OAOAOAOAWithDWDM4chMux&Demux1x100kmfibre1EDFAOARx-1Rx-2Rx-3Rx-4Tx-1Tx-2Tx-3Tx-4WDMModulesMXDMX第12頁，共67頁。光纖通信系統(tǒng)中的器件

波分復用薄膜濾波器光纖光柵列陣波導光柵全息光柵光環(huán)行器光交錯復用器分波/合波摸塊增益放大光纖放大器光隔離器分路耦合器泵浦激光器光增益平衡器光衰減器半導體光放大器光開關光插分復用器光交叉聯(lián)接器波長變換器可調濾波器可調激光器開關交換發(fā)送接收信號激光器光調制器光電探測器鎖波器光發(fā)送摸塊光接收摸塊光收發(fā)摸塊產品超過9000品種系統(tǒng)管理光性能監(jiān)控管理摸塊色散補償器偏振模色散管理摸塊第13頁，共67頁。這些器件用在哪里？通信網絡：第14頁，共67頁。信息服務業(yè)材料供應商電信運營商設備供應商器件供應商信息技術食物鏈第15頁，共67頁。光通信器件的分類光器件按不同的特性和功能的分類:光無源器件OpticalPassiveDevices（光被動器件）光有源器件OpticalActiveDevices(光主動器件)第16頁，共67頁。PassiveProductsWDM/CouplingAmplifierComponentsAttenuatorProductsSwitchingMOMSPBCVCBVSAInterleaverTFFD/CWDMGFFMATTArrayMVInterconnectsSNESVOAFFCVCFFFC/TFFCombinerCableAssyAdaptersTerminatorsWavelockerCirculatorMATTDIL,TO,-packageManualSwitchMEMsFixedAttenuatorsIsolatorHybrids第17頁，共67頁。無源器件主要分為：1、光連接器(Connector):光纖、器件之間的連接2、光分光器/耦合器(Coupler):光信號的耦合/分配3、光衰減器(Attenuator):光功率衰減4、光隔離器(Isolator):偏振相關型、偏振無關型5、光環(huán)行器(Circulator):固定順序光路6、光開關(Switch):光路的通斷、選擇7、波分復用(WDM)器件:多路波長信號的合波、分波,密集波分復用(DWDM)器件：您即將接觸到的光學產品無源器件（PASSIVE）-被動器件（光-光傳輸）PassiveProducts第18頁，共67頁。ActiveProductsSourcinglaserPumplaserModulatorOAEDFACircuitpack9xx4w/uncooled2.5Gb/sAPECooledTOSACW1550980180/300/36010Gb/sPDEDFA15dBmUncooledTOSATunableAPD10Gb/sPIN10Gb/sPINLargeareaAPD2.5Gb/s14xx300mw第19頁，共67頁。有源器件（ACTIVE）-主動器件（光電-電光轉換）有源器件有：1、信號光源：光信號的發(fā)射2、泵浦光源：光信號的放大3、探測器：光信號的探測等。4、光調制器:光信號的光調制和波長變換等。5、光放大器:光信號的放大您即將接觸到的光學產品ActiveProducts第20頁，共67頁。光器件常用光學材料第21頁，共67頁。透鏡FocusProfileofConventionalLens(Homogeneousindex)ProfileofGRINLensFocusCLensGLens自聚焦透鏡(格林透鏡)第22頁，共67頁。常見透鏡的比較第23頁，共67頁。GRINLENS是指材料的折射率按一定規(guī)律漸變分布的透鏡。按其折射率分布規(guī)律的類型有：A)axial-gradientindexlensB)radial-gradientindexlensC)spherical-gradientindexlens其中axial-gradientindexlens常用于connector,collimator,switch,isolator,WDM,etc..第24頁，共67頁。GRINLENSZ0.04mm80.51.80+0/-0.02mm0.5+0.05/-0.20

mmN.A.=0.46第25頁，共67頁。GRINLensParametersWavelength(nm)TypeSLW&SLCSLHN.A.0.46(55o)0.60(74o)Dia.(nm)11.82341.81060N01.59401.61941.63940.5990.3290.2960.2010.1490.419Z(0.25P)2.624.775.317.8510.543.741300N01.59161.61651.63600.5970.3270.2950.1990.1480.418Z(0.25P)2.634.805.327.8910.593.761560N01.59011.61741.63400.5960.3260.2940.1990.1480.417Z(0.25P)2.644.825.327.8910.633.77第26頁，共67頁。A)Sol-GelProcessB)Chemical-vapor-deposition(CVD)methodC)IonExchangeTechniqueD)ThermalDiffusionTechniqueIonExchangeTechniqueisoftenusedfortheGRINLENSnow.MethodofManufacture

ofGRINLENS第27頁，共67頁。

K+

Na+

GRINLENSROD

SALT

Ion-exchangetechnique第28頁，共67頁。1.折射率分布函數

n0為軸線折射率、A為透鏡的聚焦常數、r為離軸距離。

ParametersofGRINLens第29頁，共67頁。2.光線在Lens中的傳播軌跡為

式中x0yo是光線在lens注入面（z=0）注入點的坐標，z為lens的長度。是光線常數，且ParametersofGRINLens第30頁，共67頁。3.GRINLens的數值孔徑N.A.

a為GRINLens的半徑

描述GRINLENS收集光線的最大孔徑角。數值孔徑自中心至邊緣不是常值，中心軸上最大，邊緣點處最小。NSG公司GRINLens的類型有SLS,SLW,SLH，N.A.分別為0.37(43o),0.46(55o),0.60(74o)。

ParametersofGRINLens第31頁，共67頁。4.節(jié)距（pitch）指光線在GRINLens中所走過的一個完整周期的長度L。

在光纖通信用的器件中，常采用的是1/4(L)節(jié)距的GRINLens。

PointSource0.25pitchParametersofGRINLens第32頁，共67頁。CollimatedBeamPointSource0.25pitch0.5pitch1.0pitchParametersofGRINLens第33頁，共67頁。MoldedAsphericalLensMetalRingMoldedLensMetalringneededforlaserweldingCostislimitedbythemountingofthemetalringLensmaterialshouldbeflexiblebutislimitedbyCTEmatchingtothemetalringLensoptimizationisdifficultduetotheshrinkageofglassBatch-to-batchuniformityshouldbegood.第34頁，共67頁。C-LensAllowanglepolishingattheentrancelikeGRIN,reducingasphericalaberrationFocallengthissomewhatflexible,scaledwiththediameterUniformityawaittobeprovenduetohand-polishingMaterialisflexible,allowingCTEmatchingRD第35頁，共67頁。GRINMoldedAsphericalLensC-LensFabricationMethodDiffusionMoldingHand-PolishedIL(dB)forSMF280.150.050.120.050.150.05CostHMLUniformity,Batch-to-batchGoodGoodFairFocalLength~2mm1.3/1.8/2.5mm2mmIndexofRefraction1.591.871.75Outerdiameter=1.8mmFlexible1.8mmCTE(ppm)108.8/11(holder)3Lenses:limitedchoices第36頁，共67頁。GRINLENS的應用用于CollimatorCollimatedbeamFiberendRealimageofthefiberendGrinLenses(0.23pitch)第37頁，共67頁。GRINLENS的應用Positioner#2Positioner#1用于Isolator

第38頁，共67頁。GRINLENS的應用用于Isolator

x,y,zGrinLenses(0.23pitch)第39頁，共67頁。GRINLENS的應用另外，有提出：由于單片GRINLens難以同時滿足單模光纖的小芯徑（約8~10μm)小數值孔徑的要求（一般為0.11），而采用兩片GEINLens構成耦合系統(tǒng)，這樣可進一步降低器件的插損。第40頁，共67頁。ApplicationofGRINLENS

ApplicationinWDM

GrinLens(0.25pitch)GrinLens(0.25pitch)第41頁，共67頁。BasicInternalStructureNakedCommonStructureCentertubePigtailSleeveFTACorGLensComments:Isolator,FWDM,AHC,AHX,PMFCandSPFIarebasedonsomemonmaterialsasabovechart.PBCandCirculatorarespecialdesign,materialsaredifferentfromotherproducts.第42頁，共67頁。IsolatorCoreFilterPandaPMFiberPandaPMFiberDoubleCladFiberAHXNakedstructurePMFCSPFIIsolatorFWDMAHCDCFAHCGeneralproductsHybrid&doublecladdingfiberproductsPMseriesproducts第43頁，共67頁。1晶體分類均質晶體、單軸晶體和雙軸晶體2單軸晶體中的雙折射現(xiàn)象3BirefringenceCrystals

(TiO2,LiNbO3,YVO4,CaCO3)4雙折射晶體在光通信中的應用5Magnetic-OpticalCrystalsCrystals晶體第44頁，共67頁。若，則為正單軸晶體，其光率體圖為圖a若，則為負單軸晶體，其光率體圖為圖b光軸光軸a正單軸晶體b負單軸晶體（

ne>no）（ne<no）xxyynononene單軸晶體中的雙折射現(xiàn)象第45頁，共67頁。o光是一個光矢量的振動方向垂直于自己的主平面的線偏振光，即它的振動方向始終與光軸垂直；e光則為光矢量的振動方向在自己的主平面內的線偏振光。當晶體光軸在入射面內時，o光和e光的主平面重合，兩者的光矢量的振動方向互相垂直。一般情況下，o光的主平面和e光的主平面不完全重合，因而兩光矢量的振動方向也不完全相互垂直。單軸晶體中的o光e光的振動方向第46頁，共67頁。

鈮酸鋰晶體是一種很重要的晶體，被廣泛地使用在各種不同的應用中。它也是一種較好的雙折射晶體。雖然它的雙折射率差比釩酸釔小很多，但由于它的價格低廉，目前被廣泛地應用在光纖隔離器中。

雙折射晶體LiNbO3第47頁，共67頁。鈮酸鋰晶體的主要性能晶體結構:三角晶系,空間點群R3C摩氏硬度：5熱膨脹系數(@25oC):a

a=2.0x10-6/K,

a

c=2.2x10-6/K光譜透過范圍:340nm~4600nm折射系數及雙折射系數:

ne=2.1456,no=2.2201;Dn=

no-ne=0.0745@1310nmne=2.1381,no=2.2112;Dn=

no-ne=0.0731@1550nm

雙折射晶體LiNbO3第48頁，共67頁。釩酸釔晶體是一種優(yōu)良的雙折射晶體，機械性能和化學性能良好，雙折射率差值大，透過波段寬,因此成為制作光束分離器，棱鏡偏振器、光學隔離器、波分復用器、密集波分復用器等光學偏振元件的理想材料。雙折射晶體YVO4第49頁，共67頁。釩酸釔晶體的主要性能μm（高透過度)

莫氏硬度:5（與玻璃相似）

熱膨脹系數:αa=4.43×10-6/K;αc=11.37×10-6/K濕度敏感性:不潮解晶類:正光性單軸晶n0=na=nb,ne=nc

折射率、雙折射（△n=ne-n0)和離散角（ρ在45°）n0=1.9929，ne=2.2154，△n=0.2225，ρ=6.04°，at0.63μmn0=1.9500，ne=2.1554，△n=0.2054，ρ=5.72°，at1.30μm

雙折射晶體YVO4第50頁，共67頁。e-beamo-beame-beamo-beam

dForwardpropagating

ApplicationinIsolator第51頁，共67頁。E-beamO-beamBackwardpropagating

O-beamO-beamE-beamE-beamS1S2S3d1d2LApplicationinIsolator第52頁，共67頁。1光隔離器對所用的磁光晶體材料要求為：

高的Verdet常數（V）、V的溫度系數和波長系數盡量小2光隔離器常用的磁光晶體材料有兩種：YIG晶體（石榴石單晶）高性能磁光晶體Magnetic-opticCrystal磁光晶體第53頁，共67頁。Magnetic-opticCrystal磁光晶體1YIG晶體

為隔離器所用的傳統(tǒng)磁光晶體材料，其波長范圍在0.8~1.6μm之間。它需強永久磁場，且價格昂貴，因而逐漸被新型材料代替。2高性能磁光晶體是一種在石榴石單晶上生成的摻鐿、鎵、鈥或鋱等元素的薄膜材料。第54頁，共67頁。PolarizerAnalyzerFaradayRotatorPolarizerAnalyzerFaradayRotatorForwardtransmissionBackwardtransmissionIsolator(SingleStageMOFI)第55頁，共67頁。FaradayRotatorPolarizer1FaradayRotator1ForwardtransmissionBackwardtransmissionPolarizer1Polarizer2Polarizer3FaradayRotator1FaradayRotator2Polarizer345°90°90°135°45°90°Polarizer2FaradayRotator2Isolator(DualStageMOFI)第56頁，共67頁。AnalyzerFaradayRotator(Garnet)PolarizerCylindricalMagnetMOFIHousing(Au-plated)MOFICapMOFI第57頁，共67頁。1.1~1.5mm9.0mmNoAirBubbles(Epoxycolor:Darkbrown)3.2mmCollimatorWavelength=1520~1580nmInsertionLoss<0.15dBReturnLoss>65dBTensileLoad>5NWorkingDistance:10mm第58頁，共67