第1章光纤通信与光电子器件

授课教师：王天枢电话mail:wangts@光通信器件与技术2参考资料《光纤通信用光电子器件和组件》,黄章勇,北京邮电大学出版社《光通信器件与系统》，J.H.Franz，徐宏杰等译，电子工业出版社《光通信器件》,(德)N.Grote,H.Venghaus王景山，沈欣捷，孙玮译，国防工业出版社光纤通信,JosephC.Palais,王江平等译,电子工业出版社Fiber-OpticCommunicationsTechnology,DjafarK.Mynbaev,LowellL.Scheinereds.,PearsonEducation,

Inc.,

2001.光纤通信技术，科学出版社，2002(国外高校电子信息类优秀教材)IEEE&IEE&OSA3第1章光纤通信与光电子器件4Contents光放大器光纤光缆

光调制器

光发射机

光纤通信系统简介光无源器件光接收机

随着上世纪80年代数值电子技术的崛起，计算机、互联网以及智能化综合的信息技术产生，引发了以信息革命为标志的人类发展的第三次浪潮，短短的三十年时间，其迅猛的发展和财富的积累远远超过之前的第一次工业革命和第二次工业革命。然而，科学家们在研究中发现光子器件响应时间比电子更快达3～6个数量级，在通信容量方面比电子更大3个数量级以上，5特别是激光光纤和光电成像技术的发明，使得当今世界信息技术的竞争焦点已由电子信息技术转向光电子信息技术，光电信息产业将成为21世纪发展最快的产业，光电信息产业将成为21世纪高科技主导产业。黄尚廉院士曾经说：“光电信息产业是一个典型的高科技产业，它的最大特征是智力性和创新性，关键是人才。67光纤通信发展的历史和现状•原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。

8•1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。•1960年，美国人梅曼(Maiman)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，使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。9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CO2激光器进行了大气激光通信试验。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的研究曾一度走入了低潮。1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文《光频率的介质纤维表面波导》，指出了利用光纤（OpticalFiber

）进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。10指明通过“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”这一发展方向。11高锟博士

1998年在英国接受IEE授予的奖章12

•1970年，光纤研制取得了重大突破：美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤，把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。

•1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。

•1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。

•1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。

•此后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。光纤13•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(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。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。

•1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。

•1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。

•1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。

•1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55μm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光源14

实用光纤通信系统的发展

•1976年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。

•1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。

•1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模光纤通信系统，以及速率为100Mb/s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。

•随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。

•第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光纤通信15光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：

•第一阶段(1966~1976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。•第二阶段(1976~1986年)，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。

•第三阶段(1986~1996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。16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0.85μm发展到1.31μm和1.55μm(短波长向长波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。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。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。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。17光纤通信整体发展时间表1974197619781980198219841986198819901992

100000

1000010001001010.1

0.8μm多模1.3μm单模1.55μm直接检测光孤子光放大器1.55μm相干检测系统性能(Gb/s•Km）18光纤光纤：光导纤维的简称，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的(玻璃)纤维。19光纤分类根据材料: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化物光纤等。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。根据传输模式:单模光纤SM;多模光纤MM

多模光纤的纤芯直径为50~62.5μm，包层外直径125μm，单模光纤的纤芯直径为8.3μm，包层外直径125μm。根据折射率分布:阶跃（Step-index），渐变折射率（graded-index）根据工作波长:short0.8～0.9μm；long1.0～1.7μm；Ultralongabove2μm20普通单模光纤的衰减随波长变化示意图0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰减（dB/km）第一窗口第二窗口波长——λ（μm）6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62L波段21

G.652光纤即常规单模光纤，在1310nm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。单通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。G.653光纤在1550nm波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零色散点从1310nm移至1550nm波长区。G.654光纤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。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。G.655光纤又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至1570nm或1510…1520nm附近，使1550nm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。根据ITU标准:22

◆光纤通信频谱10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015Wavelength（m）ElectricphoneRadioTVmicrowaveinfraredVisiblelight双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电23

光是一种电磁波可见光350nm～750nm光纤通信所用的波长800～1600nm光的反射、折射全反射145014901530157016101650S+SCLL+

Wavelength(nm)24

频带宽，通信容量大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400GHz，而一路电话带宽约占4KHz频带，一路彩色电视约占6MHz频带。损耗低，中继距离长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(或者说透明度)有关，高质量望远镜的镜头其损耗超过500dB/km，目前通信用光纤的最低损耗可低于0.2dB/km。光纤通信的优点25具有抗电磁干扰能力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干扰，可以与高压电线平行架设，还可制成复合光缆。无串话，保密性好通信质量高。线径细，重量轻，柔软可制成大芯数高密度光缆。单芯光缆可安装在飞机、火箭、潜艇及航天飞机上。节约有色金属，原材料资源丰富可节约大量铜金属。26

光纤的缺点质地脆，机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具，设备和技术分路，耦合不灵活光纤，光缆弯曲半径不能过小(>20CM)在偏僻地区存在有供电困难问题27

◆光纤通信系统28

光纤通信链路基本结构291988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6700公里。这条光缆含有3对光纤，每对的传输速率为280Mb／s，中继站距离为67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。1989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。第一个在中国登陆的国际海底光缆系统是1993年12月建成的中国——日本（C-J）海底光缆系统。1996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549公里。1997年11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27000多公里，其中中国段为622公里。1999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33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8波长波分复用技术，主干路由的设计容量高达40Gb/sSea-Me-We3

。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。30

31单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。光纤通信器件321、光发送机组成框图：

光源调制器通道耦合器电信号输入光输出驱动电路结构参数：发送功率，dbm概念光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长33电信号对光的调制的实现方式

直接调制

用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。

外调制

把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。34

(a)直接调制；(b)间接调制