第1章 光纤通信与光电子器件

1、授课教师：王天枢授课教师：王天枢电话电话:mail: 光通信器件与技术光通信器件与技术2http:/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, Joseph C.Palais, 王江平等译王江平等

2、译, 电子工业出版社电子工业出版社v Fiber-Optic Communications Technology, Djafar K. Mynbaev, Lowell L. Scheiner eds., Pearson Education, 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)v IEEE & IEE & OSA3http:/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4http:/Contents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

3、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 v 随着上世纪随着上世纪 8 0 年代数值电子技术的崛年代数值电子技术的崛起，起， 计算机计算机 、 互互 联网以及智能化综合的联网以及智能化综合的信息技术产生，信息技术产生， 引发了以信息革命为标志引发了以信息革命为标志的人类发展的第三次浪潮，短短的三十年的人类发展的第三次浪潮，短短的三十年时间，时间， 其其 迅猛的发展和财富的积累远远超迅猛的发展和财富的积累远远超过之前的第一次工业革过之前的第一次工业革 命和第二次工业革命和第二次工业革命。然而，命。然而， 科学家们在研究中发现光子科学家们在研究中发现光子 器器件响应时间比电子更快达

4、件响应时间比电子更快达 3 6个数量级个数量级，在通信容量，在通信容量 方面比电子更大方面比电子更大 3 个数量级个数量级以上，以上，5http:/ 特别是激光光纤和光电特别是激光光纤和光电 成像技术的发明，成像技术的发明， 使得当今世界信息技术的竞争焦点已由使得当今世界信息技术的竞争焦点已由 电电子信息技术转向光电子信息技术，子信息技术转向光电子信息技术， 光电信光电信息产业将成为息产业将成为 2 1 世纪发展最快的产业，世纪发展最快的产业， 光电信息产业将成为光电信息产业将成为 2 1 世纪高世纪高 科技主导科技主导产业。产业。 黄尚廉院士曾经说：黄尚廉院士曾经说： “ 光电信息光电信息产

5、业是一产业是一 个典型的高科技产业，它的最大个典型的高科技产业，它的最大特征是智力性和创新性，特征是智力性和创新性， 关键是人才关键是人才。67http:/光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 原始形式的光通信原始形式的光通信:中国古代用中国古代用“烽火台烽火台”报警，欧洲报警，欧洲人用旗语传送信息。人用旗语传送信息。 8 1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的发明了用光波作载波传送话音的“光电话光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。贝尔光电话是现代光通信的雏型。 1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，

6、发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。年的光通信进入一个崭新的阶段。9http:/在这个时期，美国麻省理工学院的研究人员利用在这个时期，美国麻省理工学院的研究人员利用He - Ne激光器和激光器和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。由于没有找到由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾对光通信的研究曾一度走入了低潮。一度走入了低潮。1966年，英籍华裔学者年，英籍华裔学者高锟高锟(C. K. Ka

7、o)和霍克哈姆和霍克哈姆(C. A. Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文发表了关于传输介质新概念的论文光频率的介质纤维光频率的介质纤维表面波导表面波导 ，指出了利用光纤（，指出了利用光纤（ Optical Fiber ）进行信息传输的）进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。的基础。10http:/指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信原材料的提纯制造出适合于长距离通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。11http:/高锟博士高锟博士1998年在英国接受年在英国接受IEE授予

8、的奖章授予的奖章12http:/ 1970年，光纤研制取得了重大突破：美国康宁年，光纤研制取得了重大突破：美国康宁(Corning)公司研制成功公司研制成功损耗损耗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4 dB/km。 1973 年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降年降低到低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降

9、低到公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长波长1.2m)。 此后的此后的 10 年中，波长为年中，波长为1.55 m的光纤损耗：的光纤损耗：1979 年是年是0.20 dB/km，1984年是年是0.157 dB/km，1986 年是年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论接近了光纤最低损耗的理论极限。极限。 光纤光纤13http:/ 1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展：美国贝尔实验室、日年，光纤通信用光源取得了实质性的进展：美国贝尔实验室、日本电气公司本电气公司(NEC)和前苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷和前苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(Ga

10、AlAs)双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器(短波长短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。光器的发展奠定了基础。 1973 年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到7000小时。小时。 1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷的铟镓砷磷(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年美国电报电话年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司

11、研制成功发射波公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为长为1.55 m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14http:/ 实用光纤通信系统的发展实用光纤通信系统的发展 1976 年，美国在亚特兰大年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。系统的现场试验。 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 年和年和 1978 年，日本先后进行了速率为年，日本先后进

12、行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通的突变型多模光纤通信系统，信系统， 以及速率为以及速率为100 Mb/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光缆长途干线。 随后，由美、日、随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通海底光缆通信系统于信系统于1988年建成。年建成。 第一条横跨太平洋第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于1989年建成。从年建成。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

13、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。光纤通信光纤通信15http:/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： 第一阶段第一阶段(19661976年年)，这是从基础研究到商业应用，这是从基础研究到商业应用的开发时期。的开发时期。 第二阶段第二阶段(19761986年年)，这是以提高传输速率和增加，这是以提高传输速率和增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。 第三阶段第三阶段(19861996年年)，这是以超大容量超长距离为，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入

14、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。16http:/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年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。发展到了商业应用的新阶段。 此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85 m发展到发展到1.31 m和和1.55 m(短波长向长波长），传输速率从几十短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十发展到几十Gb/s。 随着技术的进步和大规模产

15、业的形成，光纤价格不断下降，应用范围随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。不断扩大。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。国家信息基础设施的支柱。 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。位。17http:/光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000

16、 1000 100 10 1 0.1 0.8m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放大器光放大器1.55m相干检测相干检测系统性能系统性能(Gb/sKm）18http:/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。19http:/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

17、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: short 0.80.9m；long 1.01.7m； Ultra long above 2m20http:/

18、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0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5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）6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段21http:/ nG.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ST

19、M-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

20、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:22http:/ 光纤通信频谱光纤通信频谱10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015Wave length（m）Electric phoneRadio TVmicrowaveinfraredVi

21、sible light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23http:/ n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全反射全反射1450 1490 1530 1570 1610 1650S+ S C L L+ Wave length (nm)24http:/ n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

22、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，目前通信用光纤的最低损耗可低于低于0.2 dB/km。光纤通信的优点光纤通信的优点25http:/n具有

23、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，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。26htt

24、p:/ 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(20CM)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27http:/ 光纤通信系统光纤通信系统28http:/ 光纤通信链路基本结构光纤通信链路基本结构29http:/n1988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

25、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199

26、3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

27、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，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。30http:/ 31http:/单向传输的光纤通信系统，包括单向传输的光纤通信系