第十一讲光子器件与光通信系统

第十一讲光子器件与光通信系统第1页，共51页，2023年，2月20日，星期四光纤通信基本知识

光纤传输系统的基本组成光纤通信：以光导纤维（光纤）为传输媒质，以光波为载波，实现信息传输。光纤传输系统的基本组成光纤线路光源光调制器光检测器基带处理基带处理基带电信号基带电信号调制电信号解调电信号已调光信号光发射机光接收机第2页，共51页，2023年，2月20日，星期四光纤通信基本知识

光纤的传光原理构成光纤的材料是石英纤维（SiO2）;光纤由内芯和包层组成，芯的折射率略大于包层，利用光在内芯的折射或在芯与包层界面上的全反射实现光的传播。n1n2n1SIFGIF第3页，共51页，2023年，2月20日，星期四光纤通信基本知识

光纤基本类型突变折射率型多模光纤（SIF）：纤芯直径＝50～60μm，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。渐变折射率型多模光纤（GIF）：纤芯直径＝50μm，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。单模光纤（SMF）：纤芯很细，直径约10μm，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。第4页，共51页，2023年，2月20日，星期四光纤通信基本知识

光纤传输特性传输损耗，由材料吸收和杂质散射等因素引起。有三个低损耗窗口：（1）0.85μm附近，损耗2~4dB/km;（2）1.31μm附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55μm附近，损耗约0.2dB/km。色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散、波导色散等，引起接收的信号脉冲展宽，从而限制了信息传输速率。中继器间距受损耗限制和色散限制。色散限制用距离带宽积（Mbps·km）表示。三类光纤中SMF最高，GIF次之，SIF最低。第5页，共51页，2023年，2月20日，星期四光纤通信基本知识

实用光纤标准G.651：GIF型光纤，适用于中小容量和中短距离；G.652：常规单模光纤，第一代SMF，在波长1.31μm处色散为零，传输距离只受损耗限制，适用于大容量传输；G.653：色散移位光纤，第二代SMF，在波长1.55μm色散为零，损耗小，适用于大容量长距离传输G.654：1.55μm损耗最小的SMF，1.31μm处色散为零；G.655：非零色散光纤，是新一代的SMF，适用于波分复用系统，提供更大的传输容量。第6页，共51页，2023年，2月20日，星期四光纤通信基本知识

光发射机光源：·发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。·激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。第7页，共51页，2023年，2月20日，星期四光纤通信基本知识

光接收机光检测器的功能：光信号的解调（O/E）光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。第8页，共51页，2023年，2月20日，星期四光纤通信基本知识

光纤通信发展阶段1966年高琨指出了用光纤进行信息传输的可能性和技术途径；第一阶段（1966～1976年），从基础研究到商业应用的开发时期，实现了短波长（0.85μm）低速率（45或34Mb/s）多模光纤通信系统，无中继距离约10km；第二阶段（1976～1986年），大发展时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长发展到长波长（1.31和1.55μm）,实现了1.31μm、传输速率140～565Mb/s的单模光纤传输系统（PDH），其无中继距离为50～100km；第三阶段（1986年～），全面深入开展新技术研究，实现了1.55μm单模光纤通信系统（SDH），速率达2.5~10Gb/s,无中继距离为100～150km；1996年后，研发波分复用光纤通信系统，每波长传输速率10或40G及光波网络。第9页，共51页，2023年，2月20日，星期四光纤通信基本知识

光纤通信特点与应用传输容量很大：2.5G～10G/波长；每光纤采用波分复用技术，可容纳几十至上百个波长；每根光缆可含几十至上百根光纤。传输质量很高，误码率很低（小于10－9）中继距离很长（50～150km）抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好应用广泛：大容量骨干网、计算机局域网与广域网、光纤接入网、有线电视网等第10页，共51页，2023年，2月20日，星期四波分复用信道复用技术光波分复用原理点对点光波分复用传输系统第11页，共51页，2023年，2月20日，星期四信道复用技术信道复用：在同一信道上同时传输N路或N个用户的信息（N>1），其基本方法是将该信道划分为N个子信道。频分复用（FDM）：各子信道占用不同的频带，用滤波器分路；新发展的技术有正交频分复用（OFDM）、编码正交频分复用（COFDM）。时分复用（TDM）：各子信道占用不同的时隙，用门分路；又有同步时分复用和异步时分复用（又称统计时分复用）之分。码分复用（CDM）：各子信道采用不同的相互正交的码序列，用相关器分路。光波分复用（WDM）：各子信道采用不同的光载波，用光滤波器分路。第12页，共51页，2023年，2月20日，星期四光波分复用原理光波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的技术。发送端复用（OMUX）：组合不同波长的光信号并耦合到同一根光纤中。接收端解复用（ODMX）：分离不同波长的光信号并作进一步处理。中继放大：经过一定距离的传输后，要用宽带放大器对光信号进行放大；目前普遍采用掺铒光纤放大器（EDFA）。第13页，共51页，2023年，2月20日，星期四WDM原理图第14页，共51页，2023年，2月20日，星期四波分复用技术的发展概况BWDM：利用1.3和1.55µm附近两个低损耗窗口构成两个波长的WDM系统DWDM：在1.55

(1.50~1.60)µm窗口，同时用8，16或更多个波长，其中各波长之间的间隔约为1.6nm，0.8nm或更小，对应于200GHz,100GHz或更窄的频率间隔，得到广泛应用（以下用WDM表示）。DWDM＋EDFA＋G.655光纤＋光子集成，是长途光纤宽带传输的主要技术方向。目前水平：商用系统：40×10Gb/s实验室：82×40Gb/s=3.28Tb/s基于WDM和波长选路的光传送网已成为主要的核心网第15页，共51页，2023年，2月20日，星期四WDM的特点利用多个波长并行传输，突破电子电路的速率极限，减小了光纤色散的影响，充分利用光纤的巨大带宽资源，使单根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍、几十倍甚至几百倍各波长的信道相对独立，可同时传输不同类型、不同速率的信号可降低对O/E，E/O器件要求在光域传输的透明性好高度的组网灵活性、经济性和可靠性第16页，共51页，2023年，2月20日，星期四光波分复用传输系统MUXDMX光纤SDH光发射机光放大器接口1ATM光接收机接口2W12W光域

接口：可提供不同的业务，支持不同的协议光发射机（E/O）：可工作于不同波长的激光器光波分复用器光放大器光波分解复用器：分离不同波长的光信号光接收机（O/E）：灵敏度应与波长无关举例：W=32，Rb=10Gb/s，传输距离500km，放大器间距125km双纤双向单纤双向IP第17页，共51页，2023年，2月20日，星期四ITU－TDWDM标称波长频率(THz)波长(nm)频率(THz)波长(nm)频率(THz)波长(nm)196.1001528.77194.8001538.98193.5001549.32196.0001529.55194.7001539.77193.4001550.12195.9001530.33194.6001540.56193.3001550.92195.8001531.12194.5001541.35193.2001551.72195.7001531.90194.4001542.14

193.1001552.52195.6001532.68194.3001542.94193.0001553.33195.5001533.47194.2001543.73192.9001554.13195.4001534.25194.1001544.53192.8001554.94195.3001535.04194.0001545.32192.7001555.75195.2001535.82193.9001546.12192.6001556.55195.1001536.61193.8001546.92192.5001557.36195.0001537.40193.7001547.72192.4001558.17194.9001538.19193.6001548.51192.3001558.98频率间隔=100GHz波长间隔约0.8nm192.2001559.79192.1001560.61第18页，共51页，2023年，2月20日，星期四WDM系统波长信道中心频率

第19页，共51页，2023年，2月20日，星期四光无源器件连接功率耦合功率调节单向传输波长选择交换、开关复用、解复用调制、解调编码、解码色散处理缓存、存储逻辑处理光无源器件的功能第20页，共51页，2023年，2月20日，星期四分类

1.按功能分光连接器件光耦合器件光隔离器件光开关器件光滤波器件光复用器件光调制器件光编码器件光交换器件光存储器件光逻辑器件第21页，共51页，2023年，2月20日，星期四2.按结构类型分光纤器件光纤光栅器件平面波导器件微光机械器件集成器件第22页，共51页，2023年，2月20日，星期四光连接器件是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤之间可拆卸（活动）连接的光无源器件，它还具有将光纤与有源器件、光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。光连接器件第23页，共51页，2023年，2月20日，星期四连接器的主要指标:连接损耗回波损耗在光纤连接处，后向反射光相对于输入光的比率的分贝数。3.重复性和互换性第24页，共51页，2023年，2月20日，星期四影响连接损耗的因素光纤连接时，由于光纤纤芯直径、数值孔径、折射率分布的差异以及横向错位、角度倾斜、端面间隙、端面形状、端面光洁度等因素的影响，都会产生连接损耗。1.纤芯错位损耗第25页，共51页，2023年，2月20日，星期四其中2.光纤倾斜损耗第26页，共51页，2023年，2月20日，星期四3.光纤端面间隙损耗其中Z是端面间隙，K=n1/n24.光纤端面多次反射（Snell反射）引起的损耗第27页，共51页，2023年，2月20日，星期四5.纤芯（或模场）尺寸失配引起的连接损耗6.数值孔径失配引起的连接损耗NA1≧NA2NA1﹤NA2第28页，共51页，2023年，2月20日，星期四连接器的品种、型号连接器的组成部分：连接器插头、光缆跳线、转换器、变换器、裸光纤连接器。1.FC系列连接器FC型连接器是一种罗纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器。第29页，共51页，2023年，2月20日，星期四FC型连接器的插头、转换器和内部结构第30页，共51页，2023年，2月20日，星期四2.SC系列连接器SC型连接器采用插拔连接，外壳使用工程塑料制作、矩形结构，便于密集安装，可以制成多芯连接器。SC型插头SC型转换器第31页，共51页，2023年，2月20日，星期四3.ST型连接器ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构。ST型连接器的插头与转换器第32页，共51页，2023年，2月20日，星期四4.不同型号插头相互连接的转换器FC/SC，FC/ST，SC/ST5.不同种类的变换器SC→FC，ST→FC，FC→SC，FC→ST，SC→ST，ST→SC6.各种裸光纤转接器第33页，共51页，2023年，2月20日，星期四光耦合器件光耦合器（Coupler）是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。从端口形式上划分，它包括X型(2×2)耦合器、Y形（1×2）耦合器、星形（N×N，N>2）耦合器以及树形耦合器等。第34页，共51页，2023年，2月20日，星期四光耦合器的技术参数1.插入损耗（InsertionLoss）插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对于全部输入光功率的减少值。2.附加损耗（ExcessLoss）附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值。第35页，共51页，2023年，2月20日，星期四附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映器件制作过程带来的固有损耗；而插入损耗表示各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素，更考虑了分光比的影响。3.分光比（CouplingRatio）分光比是耦合器各输出端口的输出功率与输入功率的比值。第36页，共51页，2023年，2月20日，星期四光耦合器的制作方法1.蚀刻法2.研磨法3.熔融拉锥法熔融拉锥法是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在高温下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。第37页，共51页，2023年，2月20日，星期四熔融拉锥系统示意图第38页，共51页，2023年，2月20日，星期四光纤耦合器的工作原理根据耦合模理论，耦合器的振幅传输特性可以用下式表示Ei1Ei2Eo1Eo2传输矩阵第39页，共51页，2023年，2月20日，星期四式中，l是耦合区长度，光波传输常数，是耦合系数，与耦合区宽度、纤芯折射率有关。由上式可得耦合器的功率传输矩阵第40页，共51页，2023年，2月20日，星期四星形耦合器和树形耦合器的制作方法直接拉制法和基本单元拼接法星形耦合器拼接示意图第41页，共51页，2023年，2月20日，星期四树形耦合器拼接示意图第42页，共51页，2023年，2月20日，星期四光隔离器光隔离器的作用是使光信号从输入光纤进入时，可以畅通无阻地通过，从隔离器的输出端输出，损耗很小；而光信号从相反方向进入隔离器，损耗非常大，光信号被衰减，在光纤输入端没有光信号输出。光隔离器可分为偏振相关和偏振无关两种。光隔离器中使