光通信基础知识

光通信基础知识第1页，共67页。光学基础知识第2页，共67页。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(nm)1064104波长(µm)6103510376062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远紫外线可见光红外线长电磁场无线电波微波X射线射线宇宙射线1.71031.2103SiO2fiber第3页，共67页。为什么发展光通信？香农定理（ShannonTheory）：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，而一根光纤通信链路，能够同时支持300000个双向语音信道。第4页，共67页。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8~10μm，标准多模光纤的纤芯直径为50μm、62.5μm，它们的包层的直径均为125μm。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。第5页，共67页。波动光学的基本原理1.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，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：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：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光都是线偏振光第6页，共67页。应用举例－光的干涉滤光片示意图ARCoating滤光片示意图ARCoating第7页，共67页。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Wedgegarnet第8页，共67页。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第9页，共67页。EDFPumpLasersWDMIsolatorTapCouplerPDWDMIsolatorTapCouplerPDDevicesApplications(EDFAModule)第10页，共67页。TX1TX2TX3TX4RX1RX2RX3RX4WDMWDMMUXDEMUXPowerLinePre-amplifier外形图光传输网络第11页，共67页。为什么要用WDM模块

Example:4signals,100kmspanlengthwithregenerationWithoutDWDM4x100kmfibre4EDFATx-1Tx-2Tx-3Tx-4Rx-1Rx-2Rx-3Rx-4OAOAOAOAWithDWDM4chMux&Demux1x100kmfibre1EDFAOARx-1Rx-2Rx-3Rx-4Tx-1Tx-2Tx-3Tx-4WDMModulesMXDMX第12页，共67页。光纤通信系统中的器件

波分复用薄膜滤波器光纤光柵列阵波导光柵全息光柵光环行器光交错复用器分波/合波摸块增益放大光纤放大器光隔离器分路耦合器泵浦激光器光增益平衡器光衰减器半导体光放大器光开关光插分复用器光交叉联接器波长变换器可调滤波器可调激光器开关交换发送接收信号激光器光调制器光电探测器锁波器光发送摸块光接收摸块光收发摸块产品超过9000品种系统管理光性能监控管理摸块色散补偿器偏振模色散管理摸块第13页，共67页。这些器件用在哪里？通信网络：第14页，共67页。信息服务业材料供应商电信运营商设备供应商器件供应商信息技术食物链第15页，共67页。光通信器件的分类光器件按不同的特性和功能的分类:光无源器件OpticalPassiveDevices（光被动器件）光有源器件OpticalActiveDevices(光主动器件)第16页，共67页。PassiveProductsWDM/CouplingAmplifierComponentsAttenuatorProductsSwitchingMOMSPBCVCBVSAInterleaverTFFD/CWDMGFFMATTArrayMVInterconnectsSNESVOAFFCVCFFFC/TFFCombinerCableAssyAdaptersTerminatorsWavelockerCirculatorMATTDIL,TO,-packageManualSwitchMEMsFixedAttenuatorsIsolatorHybrids第17页，共67页。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无源器件（PASSIVE）-被动器件（光-光传输）PassiveProducts第18页，共67页。ActiveProductsSourcinglaserPumplaserModulatorOAEDFACircuitpack9xx4w/uncooled2.5Gb/sAPECooledTOSACW1550980180/300/36010Gb/sPDEDFA15dBmUncooledTOSATunableAPD10Gb/sPIN10Gb/sPINLargeareaAPD2.5Gb/s14xx300mw第19页，共67页。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：光信号的发射2、泵浦光源：光信号的放大3、探测器：光信号的探测等。4、光调制器:光信号的光调制和波长变换等。5、光放大器:光信号的放大您即将接触到的光学产品ActiveProducts第20页，共67页。光器件常用光学材料第21页，共67页。透镜FocusProfileofConventionalLens(Homogeneousindex)ProfileofGRINLensFocusCLensGLens自聚焦透镜(格林透镜)第22页，共67页。常见透镜的比较第23页，共67页。GRINLENS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connector,collimator,switch,isolator,WDM,etc..第24页，共67页。GRINLENSZ0.04mm80.51.80+0/-0.02mm0.5+0.05/-0.20

mmN.A.=0.46第25页，共67页。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页，共67页。A)Sol-GelProcessB)Chemical-vapor-deposition(CVD)methodC)IonExchangeTechniqueD)ThermalDiffusionTechniqueIonExchangeTechniqueisoftenusedfortheGRINLENSnow.MethodofManufacture

ofGRINLENS第27页，共67页。

K+

Na+

GRINLENSROD

SALT

Ion-exchangetechnique第28页，共67页。1.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。

ParametersofGRINLens第29页，共67页。2.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ParametersofGRINLens第30页，共67页。3.GRINLens的数值孔径N.A.

a为GRINLens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)。

ParametersofGRINLens第31页，共67页。4.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。

PointSource0.25pitchParametersofGRINLens第32页，共67页。CollimatedBeamPointSource0.25pitch0.5pitch1.0pitchParametersofGRINLens第33页，共67页。MoldedAsphericalLensMetalRingMoldedLensMetalringneededforlaserweldingCostislimitedbythemountingofthemetalringLensmaterialshouldbeflexiblebutislimitedbyCTEmatchingtothemetalringLensoptimizationisdifficultduetotheshrinkageofglassBatch-to-batchuniformityshouldbegood.第34页，共67页。C-LensAllowanglepolishingattheentrancelikeGRIN,reducingasphericalaberrationFocallengthissomewhatflexible,scaledwiththediameterUniformityawaittobeprovenduetohand-polishingMaterialisflexible,allowingCTEmatchingRD第35页，共67页。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页，共67页。GRINLENS的应用用于CollimatorCollimatedbeamFiberendRealimageofthefiberendGrinLenses(0.23pitch)第37页，共67页。GRINLENS的应用Positioner#2Positioner#1用于Isolator

第38页，共67页。GRINLENS的应用用于Isolator

x,y,zGrinLenses(0.23pitch)第39页，共67页。GRINLENS的应用另外，有提出：由于单片GRINLens难以同时满足单模光纤的小芯径（约8~10μm)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。第40页，共67页。ApplicationofGRINLENS

ApplicationinWDM

GrinLens(0.25pitch)GrinLens(0.25pitch)第41页，共67页。BasicInternalStructureNakedCommonStructureCentertubePigtailSleeveFTACorGLensComments:Isolator,FWDM,AHC,AHX,PMFCandSPFIarebasedonsomemonmaterialsasabovechart.PBCandCirculatorarespecialdesign,materialsaredifferentfromotherproducts.第42页，共67页。IsolatorCoreFilterPandaPMFiberPandaPMFiberDoubleCladFiberAHXNakedstructurePMFCSPFIIsolatorFWDMAHCDCFAHCGeneralproductsHybrid&doublecladdingfiberproductsPMseriesproducts第43页，共67页。1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

(TiO2,LiNbO3,YVO4,CaCO3)4双折射晶体在光通信中的应用5Magnetic-OpticalCrystalsCrystals晶体第44页，共67页。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a正单轴晶体b负单轴晶体（

ne>no）（ne<no）xxyynononene单轴晶体中的双折射现象第45页，共67页。o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，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光的振动方向第46页，共67页。

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LiNbO3第47页，共67页。铌酸锂晶体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):a

a=2.0x10-6/K,

a

c=2.2x10-6/K光谱透过范围:340nm~4600nm折射系数及双折射系数:

ne=2.1456,no=2.2201;Dn=

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

no-ne=0.0731@1550nm

双折射晶体LiNbO3第48页，共67页。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YVO4第49页，共67页。钒酸钇晶体的主要性能μm（高透过度)

莫氏硬度:5（与玻璃相似）

热膨胀系数:αa=4.43×10-6/K;αc=11.37×10-6/K湿度敏感性:不潮解晶类:正光性单轴晶n0=na=nb,ne=nc

折射率、双折射（△n=ne-n0)和离散角（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

双折射晶体YVO4第50页，共67页。e-beamo-beame-beamo-beam

dForwardpropagating

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

O-beamO-beamE-beamE-beamS1S2S3d1d2LApplicationinIsolator第52页，共67页。1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磁光晶体第53页，共67页。Magnetic-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0.8~1.6μm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、镓、钬或铽等元素的薄膜材料。第54页，共67页。PolarizerAnalyzerFaradayRotatorPolarizerAnalyzerFaradayRotatorForwardtransmissionBackwardtransmissionIsolator(SingleStageMOFI)第55页，共67页。FaradayRotatorPolarizer1FaradayRotator1ForwardtransmissionBackwardtransmissionPolarizer1Polarizer2Polarizer3FaradayRotator1FaradayRotator2Polarizer345°90°90°135°45°90°Polarizer2FaradayRotator2Isolator(DualStageMOFI)第56页，共67页。AnalyzerFaradayRotator(Garnet)PolarizerCylindricalMagnetMOFIHousing(Au-plated)MOFICapMOFI第57页，共67页。1.1~1.5mm9.0mmNoAirBubbles(Epoxycolor:Darkbrown)3.2mmCollimatorWavelength=1520~1580nmInsertionLoss<0.15dBReturnLoss>65dBTensileLoad>5NWorkingDistance:10mm第58页，共67