光通信技术与网络.ppt

1、2020/9/8,1,光与现代科技讲座,第八章 光通信技术与网络,2020/9/8,2,光与现代科技讲座,云南大学信息学院通信工程系 宗 容第八章 光通信技术与网络,光与现代科技,2020/9/8,3,光与现代科技讲座,第一章 绪论 2 第二章 光源与激光器 2 第三章 光纤与光学传感技术 4 第四章 激光在现代医学中的应用 4 第五章 激光在军事技术中的应用 4 第六章 激光在现代工业和加工中的应用 4 第七章 光与信息技术 4 第八章 光通信技术与网络 6 第九章 光学成像、全息与显示技术 2 第十章 光电集成与纳米技术 2,2020/9/8,4,第八章 光通信技

2、术与网络,8.1 光通信原理 8.1.1 光通信的发展与现状 8.1.2 光通信的特点 8.1.3 光通信系统的组成与分类 8.2 光通信的器件 8.2.1 光源 8.2.2 光检测器 8.2.3 光无源器件 8.2.4 光放大器 8.3 光纤通信系统与网络 8.3.1数字光通信系统 8.3.2光纤辅助系统,8.3.3光超长波长光通信系统 8.3.4多信道光波通信系统 8.3.5光纤孤子系统 8.3.6光纤通信网络 8.4 无线激光通信 8.4.1 微波通信与无线激光通信 8.4.2 无线激光通信的基本原理 8.4.3 空间无线激光通信进展 8.4.4 激光水下通信,2020/9/8,5,8.

3、1.1 光纤通信的发展与现状,一、光通信的发展史 二、先进国家光纤通信的发展 三、我国光纤通信事业的发展 四、云南省光纤通信事业发展 五、光纤通信的发展趋势,8.1 光纤通信的原理,2020/9/8,6,一、光通信的发展史,光通信：利用光进行信息传输的一种通信方式。 光通信的发展主要经历了三个发展阶段 可视通信 激光大气通信 光纤通信,2020/9/8,7,1、可视通信,古代的烽火台、烟火传递单个信息 18世纪末信号灯、船舰使用的灯塔、旗语等 近代战争中的信号弹，抗战时期的消息树等 1792年用中继器使机械代码信息传送100km，有效速率小于1b/s 之后很长一段时间电取代了光,2020/9/

4、8,8,电通信,19世纪30年代：电报、莫尔斯代码，传输速率310b/s，中继可达1000km 1866年，第一条越洋电报电缆系统投入运营 1876年，发明了电话，电信号通过连续变化电流的模拟形式传输 1940年，第一代同轴电缆系统投入使用，3MHz系统，可传300路音频信号或1路视频信号，但当频率超过100MHz时，电缆损耗迅速增加 1948年，4GHz的微波系统投入运营，利用110GHz的电磁载波及相关调制技术传递信号，可工作于100Mb/s 1975年最先进同轴系统投入运营,速率可达274 Mb/s，中继约1km 到70年代，电通信获得的最大BL不超过100 (Mb/s)km,2020/

5、9/8,9,2、激光大气通信,60年代初，人们利用二氧化碳激光器进行激光大气通信实验 由于其传输介质是地球周围的大气层，而大气层又存在着对光的严重吸收，散射作用和天气变化影响等缺点，使得激光大气通信在通信距离、稳定性、可靠性方面受到严重影响 60年代中期一度振兴的激光大气通信研究处于停滞状态,2020/9/8,10,3、光纤通信,光纤(Fibre)光导纤维的简称 光纤通信以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。 容量 频率f 光波 光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微米级，频率为1014Hz，紫外光、可见光、红外光属于光波的范畴,2020/9/8,11,电磁波波段划分和常用传输媒质-

6、1,2020/9/8,12,电磁波波段划分和常用传输媒质-2,2020/9/8,13,红外光：波长 0.75m 紫外光：波长 0.4m 可见光： 0.4m 0.75m ,其波长范围能被人眼感觉到 目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内， 即波长 为: 0.81.8m 频率 f 为 : (3.751.67)1014Hz 可分为短波长段： 0.85m， 长波长段： 1.31m和 1.55m 这是目前所采用的三个通信窗口,2020/9/8,14,光纤通信的问世，有两大难题： 1、光源 2、传光媒质 第一个难题：光源很多，需相干光源，且工作稳定 到1960年美国人Maiman发明了第一台红宝石激光器

7、，但工作时间不长,2020/9/8,15,激光特点,1、能量高度集中 2、频率单一 3、方向性好 4、相干性好（频率、相位、偏振方向、传播方向一致）,2020/9/8,16,第二个难题：传输媒质1,1950年，光在光纤中传输问题开始了理论研究 1951年，发明了医用光导纤维，但损耗太大 60年代，提出许多方法，用气体透镜系列进行光限制传输 1966年，英籍华人高琨(K.C.Kao)博士提出：电沿着导线传输，光也能沿着线传，可利用SiO2石英玻璃制成低损耗光纤的设想。 他揭示了低损耗光纤的可能性，使光通信的研究工作又获得了生机，此时期光纤杂质太高，其损耗超过了1000dB/km,2020/9/8

8、,17,第二个难题：传输媒质3,1970年，美国康宁公司研究出损耗为20 dB/km的光纤，在1 m附近波长使光纤进行远距离传输成为可能 同时，在1970年美国AT&T公司发明了半导体激光器（GaAlAs），体积小，可在室温下连续工作，正好适应了这一要求 1970年被称为光纤通信的元年，高琨被称为光纤之父,2020/9/8,18,光纤通信发展可粗略分三个阶段,19661976年，从基础研究到商业应用的开发时期 19761986年，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 19861996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,2020/9/8,19,三个

9、阶段的系统比较,2020/9/8,20,二、先进国家光纤通信的发展,世界上已形成北美、西欧和远东三个光纤通信发达地区，代表国家为：美国、英国和日本 美国78年建成第一条市话光纤，82年建成第一条长途，到1993年止，已建成通信系统200多个，光纤总长达27万km以上 美国有五大光纤工程：东部走廊，东部和西部干线，大西洋和太平洋洲际海底干线,2020/9/8,21,先进国家光纤通信的发展1,全长达3400km横贯日本南北的大干线 法国比亚里茨的“光纤城”等 世界主要电信产品供应商，如：Lucent, Nortol, Alcatel, NEC, Siemens, Macosi, Fujitsu等都

10、把光纤通信放在相当重要位置，投入大量人力、资金进行研究开发，并分别取得重大进展，创造了一个个新的世界记录，许多原以家电产品为主闻名的厂商如：Toshiba, Sony或计算机厂商Cisco, Canon, 3M也纷纷加入光纤通信的行列，成果斐然,2020/9/8,22,先进国家光纤通信的发展2,世界先进国家提出FTTx战略，即：光纤到路边(FTTC)、大楼(FTTB)、办公室(FTTO)、小区(FTTZ)、用户(FTTH)等 世界上最大的三个长途电信公司美国的AT&T、MCI、SPRINT公司，光纤化程度已分别高达100、88和100,2020/9/8,23,2020/9/8,24,三、我国光

11、纤通信事业的发展,我国的光通信起步较早，70年代初就开始了大气传输光通信的研究，随之又进行光纤和光电器件的研究，自1977 年初，研制出第一根石英光纤起，跨过一道道难关，取得一个又一个零的突破。如今回顾起来，所经历的“里程碑”依然历历在目 。 光缆器件系统应用自主研发技术等 1977年，武汉邮电科学研究院研制出中国第一根阶跃折射率分布多模光纤，其在0.85m的衰减系数为300dB/km，长度为17 m；研制出 Si-APD 。 1978年，阶跃光纤的衰减降至 5 dB/km 。研制出短波长多模梯度光纤，即 G.651 光纤。研制出 GaAs-LD 。 1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为

12、1dB/km 。建成 5.7 km , 8 Mbit/s 光通信系统试验段。,2020/9/8,25,我国光纤通信事业的发展1,1980年，1300nm 窗口衰减降至 0.48dB/km ，1550nm 窗口衰减为 0.29dB/km 。研制出短波长用的 GaAlAs-LD 。 1981年，研制出长波长用的 InGaAsP-LD 和 PIN 探测器。多模光纤活动连接器进入实用。研制出 34Mbit/s 光传输设备。 1982年，研制成功长波长用的激光器组件和探测器组件（PIN-FET）。研制出光合波分波器、光耦合器、光衰减器、滤光器等无源器件。研制出 140Mbit/s 光传输设备。 1984

13、年，武汉、天津34Mbit/s市话中继光传输系统工程建成（多模）。,2020/9/8,26,我国光纤通信事业的发展2,1985年，研制出1300nm 单模光纤，衰减达0.40dB/km 。 1986年，研制出动态单纵模激光器。 1987年底，建成了第一个国产的长途光通信系统，由武汉至荆州，全长约250km，传输34Mb/s信号 1988年，全长245km的武汉荆州沙市 34Mbit/s 多模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。扬州高邮34Mbit/s 单模光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。 1989年，汉阳汉南140Mbit/s 单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。,2020/9/8,27

14、,我国光纤通信事业的发展3,1990年，研制出 G.652 标准单模光纤，最小衰减达 0.35dB/km 。到1992年降至0.26dB/km 。成功地研制出1550nm分布反馈激光器（DFB-LD）。 1991年，研制出 G.653 色散位移光纤。最小衰减达 0.22dB/km 。研制出 565Mbit/s 光传输设备。合肥芜湖140Mbit/s 单模光传输系统工程通过国家鉴定验收， 这是第一条全国产化的长途直埋单模光纤光缆线路，全长150km左右，光缆首次从水下跨越长江。 1992年，研制出掺铒光纤EDF 。研制出可调谐DFBLD 和泵浦源LD ；FC-PC陶瓷单模光纤活动连接器通过邮电部

15、鉴定。,2020/9/8,28,我国光纤通信事业的发展4,1993年，在掺铒光纤放大器的研究上取得突破性进展，小信号增益达25dB。上海无锡565Mbit/s 单模光传输系统工程通过邮电部鉴定验收。该工程的建成，在国内外产生了重大影响。 1995年，研制出 STM-1、STM-4 SDH设备。 1996年，研制出 STM-16 SDH设备。 1997年，研制出G.655 非零色散位移光纤。研制出应变多量子阱DFB激光器，STM-1、STM-4 收/发模块和STM-16接收模块。 1997年， 成都攀枝花622Mbit/s SDH 光传输工程通过邮电部鉴定验收；咸宁622Mbit/s SDH双自

16、愈环互连系统工程通过建设部门初验,2020/9/8,29,我国光纤通信事业的发展5,1997年，武汉邮电科学研究院将自行研制出的622Mbit/s和2.5Gbit/s光纤通信系统分别安装到湖北的咸宁至通城，海南的海口至三亚进行现场试验。 1998年， 海口三亚2.5Gbit/s 光传输系统工程通过邮电部鉴定验收，该工程全长322km，仅在万宁设一个中继站，海口万宁的中继距离为172km，仅在发送机中使用一个EDFA就实现了这一超长中继。研制出OADM、OXC样机。 1999 年， 82.5Gbit/s DWDM系统通过国家验收。研制出STM-64 SDH设备。IP over SDH 的建议被I

17、TU-T确认。 ,2020/9/8,30,我国光纤通信事业的发展6,八五期间，只要用于干线线路，均用光纤，建起了除拉萨、台湾外22条大干线，光缆总长度达10万公里，基本建成了除拉萨外覆盖省会城市和沿海开发城市的光缆干线网 九五期间，到2000年建设以光缆为主体的长途干线网，新建省际省内光缆干线10万公里。到1998年，基础网建设取得重大成果。“八纵八横”干线光缆传输网全部建成。“九五”干线光缆计划提前2年完成。,2020/9/8,31,我国光纤通信事业的发展7,仅1998年，全年新建成13条长途光缆干线，完成了14条长途光缆干线的扩容工程；全国电信光缆总长达100万公里。 现在，一个覆盖全国以

18、光缆为主、卫星和数字微波为辅，集数字化传输、程控化交换为一体的通信网络已基本建成。,2020/9/8,32,我国光纤通信事业的发展8,中国光通信技术的发展，经历了许多曲折和困难，有研发初期的技术封锁，基础和配套工业设施跟不上，资金投入的不足，人才资源缺乏等。但我国光通信界的同行们为发展自己的民族光通信事业，克服了重重困难，掌握了光纤、器件、系统等各方面的关键技术，逐渐走进了国际光通信的先进行列。特别是在主要技术上，都有自己的特色和创新，如1B1H的光线路码型、自己特色的网络管理系统、能构成自愈环的PDH设备、自行设计的全套SDH专用芯片、在线升级的SDH设备、通过LAPS实现的IP over

19、SDH等，形成了自己的知识产权，为进一步发展打下了良好的基础。,2020/9/8,33,2020/9/8,34,我国国际光缆的建设,自1988年第一条跨越大西洋的海底光缆建成以来，世界范围内建成的国际光缆系统已达几十个，国际光缆网络，特别是国际海缆，已成为国际间通信的主要媒介。 中国电信自1989年开始参与国际光缆建设，先后建成了中日光缆、中韩光缆等国际光缆，并在全球十几条海底光缆中参与投资建设，购买容量。,2020/9/8,35,我国国际光缆的建设1,1、中日光缆 (C-J FOSC) 2、中韩光缆 (CKC) 3、环球海底光缆(FLAG) 4、亚欧陆地光缆(TAE) 5、中国-东南亚陆地光

20、缆(CSC) 6、亚欧海底光缆系统(SEA-ME-WE3) 7、中美海底光缆系统(China-US Cable Network),2020/9/8,36,2020/9/8,37,我国国际光缆的建设2,中国电信还在APC、APCN、TPC-5、NPC、TAT12/13等十几条国际海缆中投资购买了容量，今后还将根据业务需求进一步增加投资购买容量，连接与我国没有直达光缆的国家和地区。中国电信通达世界的国际光缆网络将为其在21世纪的发展与竞争创造一个广阔的舞台。,2020/9/8,38,台湾地震影响海底光纤,2006年12月26日晚20点25分，台湾发生7.2级地震，使众多路由经过台湾的海光缆系统陆续

21、发生中断，其中有亚太一号、亚太二号、中美、亚欧三号、Flag、C2C等，中断点在台湾以南公里的海域，造成我国大陆至台湾地区、美国、欧洲等方向的通信线路大量中断，有关地区互联网访问质量及话音、专线业务等受到一定影响。与中国电信相关的海缆中断情况如下： 中美海缆于12月26日 20:25 距离台湾枋山登陆站 9.7公里左右发生中断； 亚欧三号海缆于12月26日 20:25 距离台湾枋山登陆站 9.7公里左右发生中断；,2020/9/8,39,台湾地震影响海底光纤,亚太二号海缆S7于12月27日 00:06 距离台湾淡水登陆站904公里左右发生中断； 亚太二号海缆S3于12月27日 02:00 距离

22、崇明登陆站2100公里左右（靠近台湾处）发生中断； Flag光缆亚太系统于12月26日 20:43 在韩国到香港段中断； Flag光缆亚欧段于12月27日 04:56 在香港到上海段中断。 以上情况使中国电信到北美、台湾等方向的互联网电路大量中断，到欧洲、亚太等方向的专线、话音电路部分中断。,2020/9/8,40,中美海底光缆示意图,台湾地震,2020/9/8,41,中美光缆系统路由结构示意图,2020/9/8,42,海底光缆的具体修复过程如下：,1、机器人潜下水后，通过扫描检测，找到破损海底光缆的精确位置。 2、机器人将浅埋在泥中的海底光缆挖出，用电缆剪刀将其切断。船上放下绳子，由机器人系

23、在光缆一头，然后将其拉出海面。同时，机器人在切断处安置无线发射应答器。 3、用相同办法将另一段光缆也拉出海面。和检修电话线路一样，船上的仪器分别接上光缆两端，通过两个方向的海底光缆登陆站，检测出光缆受阻断的部位究竟在哪一端。之后，收回较长一部分有阻断部位的海底光缆，剪下。另一段装上浮标，暂时任其漂在海上。,2020/9/8,43,海底光缆的具体修复过程如下：,4、接下来靠人工将备用海底光缆接上中美海底光缆的两个断点。连接光缆接头，可是个“技术含量”极高的活，非一般人能够胜任，必须是经过专门的严格训练、并拿到国际有关组织的执照后的人员，才能上岗操作。像这样的“接头工”，上海电信方面目前只有三四名

24、。 5、备用海底光缆接上后，经反复测试，通讯正常后，就抛入海水。这时，水下机器人又要“上阵”了：对修复的海底光缆进行“冲埋”，即用高压水枪将海底的淤泥冲出一条沟，将修复的海底光缆“安放”进去。,2020/9/8,44,四、云南省光纤通信事业发展,我省最早的光纤线路是1987年建成的市话：昆明安宁海口，全长70多公里。 最早的长途是1991年建成的昆明玉溪。到93年时建成光缆总长约1万公里，除怒江、迪庆外均被覆盖。到1999年光缆通信线路3.2万公里。 我省省内线路多为架空敷设，出省线路多为直埋，平均中继约55km，设备有国产，也有进口。如重庆514厂光纤，美国AT&T,日本富士通，法国赛特，意

25、大利伊达泰尔等,2020/9/8,45,云南省干线光缆网络物理拓扑结构示意图,云南省二级干线光缆传输网3210G DWDM系统采用环型组网结构。全网由2个环组成。 环一：昆明禄丰楚雄南华祥云下关永平保山昌宁云县临沧永平2景谷普饵思茅通关元江化念玉溪昆明 环二：昆明寻甸曲靖陆良师宗设里邱北文山蒙自个旧建水玉溪昆明,2020/9/8,46,省二干拓扑图,2020/9/8,47,云南会议电视覆盖所有县市,云南省采用深圳市华为技术有限公司的View Point会议电视系统组建的德洪、保山、怒江、迪庆、昭通、曲靖、红河、文山、思茅、临沧10个地州本地网会议电视系统于1998年12月26日通过初验。 至此

26、，云南省会议电视已覆盖全省所有县市。,2020/9/8,48,五、光纤通信的发展趋势,1、系统的高速化、网络化 2、光纤的长波长化 3、光缆纤芯的高密化 4、器件的集成化,2020/9/8,49,8.1.2 光纤通信的特点,一、传输频带宽、通信容量大； 二、传输损耗低，无中继距离长，且误码小； 三、抗电磁干扰能力强，抗化学腐蚀 四、光纤通信串话小，保密性强，使用安全； 五、重量轻，体积小，便于运输与敷设； 六、节约有色金属和能源，原材料资源丰富；,2020/9/8,50,光纤通信与其它通信的比较,2020/9/8,51,系统/话路公里相对造价,2020/9/8,52,光缆和电缆的重量和截面积比

27、较,2020/9/8,53,光纤通信的缺点,1、光纤弯曲半径不宜过小 2、光纤的切断和连接操作技术要求十分娴熟 3、分路、耦合操作繁琐 但这些缺点，都已不同程度上得以克服，它们不影响光纤通信的实用。,2020/9/8,54,光纤与其它几种电通信传输介质的特性比较,2020/9/8,55,光纤通信的应用1,1、通信网，包括全球通信网(如横跨大西洋和太平洋的海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干线)、各国的公共电信网(如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线)、各种专用通信网(如电力、铁道、国防等部门的通信、指挥、调度、监控的光缆系统)、特殊通信手段(如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使用

28、的光缆，以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船的内部光缆系统)。,2020/9/8,56,光纤通信的应用2,2、构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网、路由器之间的光纤高速链路。 3、有线电视的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；自动控制系统的数据传输。 4、综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，可实现电话、数据、视频(会议电视、可视电话等)多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。,2020/9/8,57,8.1.3 光纤通信系统的组成及分类,一、组成,2020/9/8,58,组成光纤通信系统各部分的主要作用,1、电发射机：A/D，合

29、并多个用户信号，进行复用。方法：脉冲编码调制(PCM)方式，即进行抽样、量化、编码，抽样频率2f(模拟信号的频带宽度)。 2、光发射机：E/O, 将电发射机送来的电信号转变成适合于光纤传输的光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。 3、光纤线路：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的崎变（失真）和衰减传输到光接收机. 4、光中继器：也称光放大器，对光纤传送的光信号进行放大处理。,2020/9/8,59,组成光纤通信系统各部分的主要作用,5、光接收机：O/E, 将光纤传送来的光信号转变成电信号，送入电接收机进行信号处理。 6、电接收机：D/A，将信号送给各用户。 7、辅助系统：包括监控

30、管理系统、告警处理系统、电源供给系统、公务通信系统、区间通信系统、自动倒换系统，即辅助信号的传输方式的考虑等。 8、备用系统：包括光端机、光缆、光中继部分的备用系统，电端机一般无备用系统。,2020/9/8,60,信号的数字化,信号的数字化：将连续变化的模拟信号转换成离散的数字信号，一般需要完成采样、量化和编码三个步骤,采样是指用每隔一定时间间隔的信号样本值序列代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化 量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量、有一定间隔的离散值。 编码是按照一定的规律，把量化后的离散值用二进制数码表示 上述数字化的过程又

31、称为脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)，通常由模拟数字(AD)转换器来实现,fs=(2.1-2.5)fm,2020/9/8,61,2020/9/8,62,光纤通信系统的分类1,二、分类,2020/9/8,63,光纤通信系统的分类2,2020/9/8,64,8.2 光通信的器件,8.2.1 光源 一、光纤通信对光源的基本要求 二、光通信用的激光光源 三、光源的调制 四、光源与光纤的耦合及组件 8.2.2 光检测器 一、光纤通信对光检测器要求 二、光电检测器PD 二、改进型光电检测器PIN 三、雪崩光电二极管APD 8.2.3 光无源器件 8.2.4 光放大器,20

32、20/9/8,65,一、光纤通信对光源的基本要求,光源发射的峰值波长，应在光纤的低损耗窗口之内，即与石英光纤三个低损耗窗口相适应。 有足够高的稳定的输出光功率，以满足系统的光中继段距离的要求。(入纤功率必须有数十微瓦至数毫瓦) 有高的电光转换效率，低功率驱动，长寿命，高可靠性。 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光缆和光纤的耦合效率。 易于调制，响应速度快，以利于高速率大容量的数字信号的传输，温度特性好 体积小，重量轻，便于安装和使用，也利于光源和光纤的耦合。,2020/9/8,66,二、光通信用的激光光源,1、半导体发光二极管LED,正面发光型：驱动电流小，输出功率大； 侧面发光型

33、：驱动电流大，输出光功率小，但光束辐射角较小，与光纤耦合效率高，其入纤光功率比正面发光型LED大。,图1双异质结半导体面发光二极管的结构,图2边发光LED的结构,LED输出光功率特性,2020/9/8,67,LED性质,发射荧光，属自发辐射，无需粒子数反转，不是阈值器件 发射谱线宽，无谐振腔，无“选频”作用 响应速度低，方向性差，发散角大 温度性能好，输出光功率线性范围宽 制造工艺简单，价格低廉 寿命长，可靠性高 应用于小容量、短距离的系统中,2020/9/8,68,光通信用的激光光源LD,2、单纵模半导体激光器LD 1)分布反馈激光器 (DFBLD) 2)分布布喇格反射激光器,分布布喇格反射

34、激光器,分布反馈激光器,2020/9/8,69,2、新型激光器,主要介绍三种激光器： 单纵模(SLM)半导体激光器 量子阱（QW）激光器 光纤激光器 1、单纵模(SLM)半导体激光器 SLM的思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，而FP腔激光器的损耗不随模式而变。具有最低光腔损耗电纵模最先达到阈值并成为支配模式。其它邻模由于其高损耗而被区分开，并因高损耗而被阻止从自发辐射中建立。这些邻模携带的功率在总的辐射功率中一般只占很小一部分(1%)。,2020/9/8,70,单纵模半导体激光器的增益和损耗,2020/9/8,71,单纵模(SLM)半导体激光器,SLM激光器的性能一般用模式抑制因子(MSR)表

35、征，定义为 MSR=Pmm/Psm, Pmm主模功率，Psm主要边摸功率 SLM半导体激光器可分为两类： 1、分布反馈(DBF)激光器 DFB激光器 分布布拉格发射(DBR)激光器 2、耦合腔激光器(C3),2020/9/8,72,(a)结构 (b)光反馈,分布反馈(DFB)激光器,2020/9/8,73,DFB激光器,其反馈并不位于端面上，而是分布在整个光腔长度上，通过折射率周期扰动的内建光栅产生的布拉格散射得到,并使正向和反向传播的波相互耦合。 DFB机制产生模式选择的条件为布拉格条件，只有当波长满足下式，耦合才发生。m(B/2n) B布拉格波长；光栅周期；n模折射率；m代表布拉格散射的阶

36、数； 对一阶布拉格散射(m=1)，正向和反向耦合最强，对工作于B1.55m的DFB激光器，如果m=1，n=3.3，则235nm，此光栅可用全息照相技术制造。,2020/9/8,74,DFB激光器中反馈发生在整个光腔有源区长度上，但DBR激光器中的反馈并不发生在有源区内。实际上DBR激光器的末端区域像一面镜子，该镜子对满足方程 m(B/2n) 中的B反射率最大，因而光腔损耗对最靠近B的纵模最小，而对其它纵模大大增加,两类用DFB机制的半导体激光器,2020/9/8,75,DFB激光器比F-P激光器具有如下优点,单纵模激光器 谱线窄，波长稳定性好 动态谱线好 线性好,2020/9/8,76,耦合腔

37、半导体激光器,单纵模工作是通过将光耦合到外光腔实现的。一部分反射光反馈回激光光腔，因为在外光腔发生相移，从外光腔的反馈不一定与激光器光腔内得的光场同相，仅当那些波长几乎与一个外光腔纵模的波长一致的激光模式才能发生同相反馈。,2020/9/8,77,波长可调谐耦合腔半导体激光器,通过简单的旋转光栅，可在较宽范围内对波长实现调谐(典型值为50nm)。缺点是不能单片集成在一起。为提供较强的耦合，可在面对衍射光栅的界面上渡抗反射模，以减小该界面对来自衍射光的反射,外腔激光器,2020/9/8,78,耦合腔半导体激光器,外腔激光器 C3腔激光器Cleaved Coupled Cavity 其制造是通过将

38、一常规多模激光器在中间解理，使激光器分为长度大致相等的两部分，并由窄的空气间隙(宽约为1m)分开。只要间隙不太宽，解理面的反射率(约为30)允许两段间有足够的耦合，通过调节注入到作为模式控制器的一个光腔段的电流，就可在20nm的调谐范围内调节C3激光器的波长。但调谐并不连续。,2020/9/8,79,波长可调谐耦合腔半导体激光器,C3腔激光器,2020/9/8,80,耦合腔半导体激光器,多段DBR激光器 采用多段DFB和DBR激光器的设计方案，可实现稳定性和可调谐性兼容的SLM激光器。它由三段组成，分别为有源段，相位控制段和布拉格段。可通过注入不同大小的电流分别偏置，注入到布拉格段的电流导致折

39、射率变化，改变布拉格波长。注入到相位控制段的电流导致折射率变化，改变从DBR反馈的相位。通过控制这三段的电流，激光波长能在57nm范围内连续调节。由于它的波长由在布拉格段的内建光栅决定，这种激光器工作稳定，对相干通信系统是很有用的.,2020/9/8,81,波长可调谐耦合腔半导体激光器,多段DBR激光器,2020/9/8,82,多纵模激光器发展到单纵模激光器的演化过程,2020/9/8,83,2、量子阱（QW）激光器,基本结构与普通的双异质结激光器结构类似，只是有源区的厚度很薄，通常的DH激光器为：10002000 (1=10-10m)，而QW仅为百埃甚至更小（几十埃），从而使窄带隙的有源区为

40、导带中的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱，从而带来一系列优越的性质，如极低的域值电流、很高的输出光功率、窄的发射谱线、发射波长可调谐、弱温度依赖关系等，被称为“理想激光器”。,2020/9/8,84,量子阱激光器可以只含1个量子阱(单量子阱)，也可以含多个量子阱，还可以在内部制造波纹光栅，构成量子阱分布反馈(QW-DBF)激光器，从而获得更窄的谱线宽度和更好的性能。 下面给出InGaAs-InGaAsP多量子阱分布反馈(MQW-DFB)激光器的结构图和能带图。此激光器含有4个量子阱，阱的厚度仅为70，发射谱线可减少到2MHz左右。,2020/9/8,85,MQW-DFB量子阱激光器,2020

41、/9/8,86,3、光纤激光器,掺饵光纤激光器 利用光纤光栅技术把掺饵光纤相隔一定长度的两处写入光栅，两光栅之间相当于谐振腔，用980nm或1480nm泵浦激发激光，铒离子就会产生增益放大。由于光栅的选频作用，谐振腔只能反馈某一特定波长的光，输出单频激光，再经过隔离器输出线宽较窄、功率高和噪声低的激光。,2020/9/8,87,光纤激光器构成图,2020/9/8,88,由5段铒光纤光栅可构成具有5个波长的激光器,a.构成图,b.频谱图,2020/9/8,89,光纤激光器,光纤光栅DFB激光器 把光纤布拉格光栅作为半导体激光二极管的外腔反射镜，就可以制作成性能优异的光纤光栅DFB激光器。 该激光

42、器不仅输出激光的线宽窄，易与光纤耦合，而且通过对光栅加以纵向拉伸力或改变LD的调制频率就能控制输出激光的频率和模式。,2020/9/8,90,光纤激光器,下面a图中线宽小于50KHz，边模抑制比大于30dB，当用1.2Gbit/s的信号调制时，啁啾（chirp）小于05MHz。 下面b图可通过改变光纤外腔的长度实现波长调谐；或改变半导体激光器的电信号调制频率，也可改变波长。实验表明，当调制频率从440.5MHz变化到444.5MHz时，波长可从1523.5nm变化到1509.0nm,调谐范围达14.5nm. 对波分复用应用，不同激光器调制频率是固定的，为了改变波长，不同激光器的外腔要选择不同的

43、光纤光栅。,2020/9/8,91,光纤光栅DFB激光器,a.,b.波长可调谐,2020/9/8,92,三、光源的调制,1)直接调制(内调制) 直接调制是利用电信号直接改变半导体激光器的注入电流，来获得与电信号相对应的光强信号。 直接调制包括模拟信号调制(图1)和数字信号调制(图2)。,图1模拟信号调制 (a)LED模拟信号调制 (b)LD模拟信号调制,图2数字信号调制 (a)LED数字信号调制 (b)LD数字信号调制,2020/9/8,93,2)间接调制(外调制) 调制信号不是直接加在激光器上，而是加在调制器上，其优点是：无附加啁啾，可实现高速率调制。它是利用一些材料(LiNbO3、GaAs

44、、LiTaO3)的电光效应、磁光效应、声光效应来实现的。电光效应是指外电场加到晶体上引起晶体折射率变化的现象。,直接调制会导致激光产生频率啁啾，使激光器线宽展宽，而且在单模光纤中传输时由于色散作用将使非线性失真增大，因此调制速率不能过高，一般只用于低速率系统。,图3 LiNbO3电光效应强度调制器,2020/9/8,94,四、光源与光纤的耦合及组件,目前，面发光LED与边发光LED同多模光纤的耦合效率可分别达到1和10，边发光LED与单模光纤的耦合效率小于1。可以看出对于LED直接耦合效率是非常低的，这主要是因为LED发散角比较大的原因。要提高耦合效率，需要采用透镜耦合方式。 透镜耦合(图51

45、9)是在光源与光纤之间放置球透镜(图a)或将光纤端面加工成球面(图b、c)，耦合效率可显著提高。面发光LED的耦合效率可达到15，边发光LED同多模光纤的耦合效率可达到30。,面发光LED与光纤的透镜耦合,(1)LED与光纤的耦合,2020/9/8,95,(2)LD与光纤的耦合。 LD的发光面尺寸及发散角均比LED小，因此与相同数值孔径的光纤的耦合效率要高得多。在直接耦合的情况下，LD与多模光纤的耦合效率可以高于70。与单模光纤的耦合效率主要决定于光源辐射光与光纤基模的匹配程度。单模光纤模场半径与LD模场半径的失配使得直接耦合效率不高，通常为1020。欲提高耦合效率，同样需要采用透镜耦合方式。

46、,LD与光纤的透镜耦合,2020/9/8,96,（3)半导体激光器组件 长波长半导体激光器产品常以组件的形式出现，组件通常包括LD管芯、PD、热沉、制冷器、热敏电阻及光纤等，如图所示，使用者只需配置相应的驱动电路和控制电路。,LD组件,2020/9/8,97,激光器组件,为便于在光纤通信发射机上使用，常将激光器LD与其控制件组成组件。,该组件装在一个91321mm3的全密封盒内，有14腿双列引线，可配用标准插座,2020/9/8,98,LD组件的构成实例,2020/9/8,99,8.2.2 光检测器,光检测器，又称检波器、探测器 作用：接收光信号，完成光信号转变为电信号的一种有源器件 一、光纤

47、通信对光检测器要求 二、光电二极管PD 三、改进型光电二极管PIN 四、雪崩光电二极管APD,2020/9/8,100,一、光纤通信对光检测器要求,高的光电转换效率 足够快的响应速度 高的接收灵敏度 低的功耗 稳定、可靠、便宜,2020/9/8,101,二、光电二极管PD,工作原理：加反向电压(与自建场方向相同)，有光照(hfEg)价带中电子吸收光子能量，跃到导带(受激吸收)成为自由电子 过程：在电场作用下， 耗尽区内： 电子(漂移) N区 N区 空穴(漂移) P区 P区 (光 电流) 完成光/电变换 条件： hfEg 或 hc/Eg，截止波长c=1.24/Eg 凡是 c的光，才有光电效应，,

48、2020/9/8,102,三、改进型光电二极管PIN,结构：PIN 三层结构 原理：hfEg (光照)受激吸收电子漂移扩散形成光生电流 好处：量子效率高，响应速度快 SiPIN，响应波长0.51m,响应时间几个ns GePIN，响应波长1.11.6m,响应时间20多个ns,PIN光电二极管的结构,2020/9/8,103,四、雪崩光电二极管APD,结构：在N、P区大量掺杂，使各自的多数载流子浓度变大 特点：可承受很高的反向偏压 PIN：020V，APD：20150V 原理：加高反偏电压耗尽区形成强电场光照(克服Eg) 形成初始载流子有高能量(或运动速度很快) 运行中高速碰撞产生新生载流子(由碰

49、撞产生)新生载流子和原始载流子再撞击电子浓度瞬时猛增电流急剧增长 “雪崩”、“倍增” 完成光/转换,2020/9/8,104,APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）,2020/9/8,105,APD结构图,我国高速接收器件的研制相对落后，目前的通信结构为2.5Gbs，但10GbS的PINTIA光接收器组件已达国际先进水平。 国外10Gbs的技术已很成熟，已经进人实用阶段，而单纤传输40Gbs光信号的技术还没有真正进入实用阶段。,2020/9/8,106,8.2.3 光无源器件,光纤连接器 光耦合器 波分复用/解复用器与光滤波器 光隔离器与光环行器 光衰减器 光开关 调制器,2020/9/8

50、,107,一个完整的光纤通信系统，除了光纤、光源和光检测器外，还需要许多配套的功能部件，特别是无源器件，它们对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。 光无源器件：本身不发光，不放大，不产生光电转换的光学器件。 作用：连接光波导和光路；控制光的传播方向；控制光功率达分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；合波、分波等。 虽然对各种器件的特性有不同要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成。,2020/9/8,108,按器件在传输线路上所发挥的功能可分为：光纤连接器、耦合器、合/分路器、光开关、光衰

51、减器、光隔离器、光环形器等。,2020/9/8,109,一、光纤连接器,连接器是实现光纤与光纤之间连接的器件。 应满足的要求： 连接损耗要小 装拆方便（操作方便）； 稳定性好；指连接后，插入损耗随时间、环境的变化不大 重复性好；一般要求重复使用次数大于1000次 互换性好；要求同一种型号的活动连接器可以互换 体积小，重量轻，成本低 光纤连接器分为两类： 活动连接器“活接头”，主要用于光纤线路两端与端机的连接中 固定连接器不能拆卸，或只能进行破坏性拆卸的连接器，俗称“死接头”,2020/9/8,110,光纤固定接头的方法,2020/9/8,111,带状阵列式连接器,2020/9/8,112,二、

52、光纤耦合器,作用：耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。 该器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。 耦合器大多与波长无关，与波长有关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。,2020/9/8,113,1、耦合器的类型 常用耦合器的四种类型：,2020/9/8,114,光纤型耦合器 (a)定向耦合器 (b)88星形耦合器 (c)由12个22耦合器组成的88星形耦合器,2020/9/8,115,光纤型波分解复用器原理,定向耦合器可制成波分复用/解复用器。 光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb

53、, 则Pa=Cos2(CL) ； Pb=Sin2(CL)； L耦合器有效作用长度；C为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。 设特定波长为1、2，选择参数，调整L，使得Pa(1)最大时Pb(1)=0； Pa(2)=0时， Pb(2)最大。,2020/9/8,116,微器件型：用自聚焦透镜和分光片、滤光片或光栅等微光学器件可以构成各种耦合器。 分光片：光部分透射，部分反射 滤光片：一个波长的光透射，另一个波长的光反射 光栅：不同波长的光有不同反射方向 波导型：在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。,20

54、20/9/8,117,微器件型耦合器 (a)T形耦合器 (b)定向耦合器 (c )滤光式解复用器 (d)光栅式解复用器,2020/9/8,118,波导型耦合器 (a)T形耦合器 (b)定向耦合器 (c)波分解复用器,2020/9/8,119,三、波分复用/解复用器与光滤波器,熔锥光纤型WDM 干涉滤波器形WDM 光栅型WDM 体型平面或曲面光栅 平面阵列波导光栅 光纤光栅,2020/9/8,120,熔融光纤型波分复用器结构和特性,2020/9/8,121,介质薄膜干涉滤波器型WDM器件的原理示意,2020/9/8,122,介质薄膜干涉型WDM器件结构,（a）二波分解复用器,（b）六波分解复用器

55、,2020/9/8,123,基于MZ干涉仪的集成四通道WDM,2020/9/8,124,体型光栅WDM,（a）采用普通透镜的WDM,（b）采用棒透镜的WDM,2020/9/8,125,NN平面阵列波导光栅(AWG)WDM,(a)AWG复用器,(b)平板波导,2020/9/8,126,光纤光栅(FBG)的分类,2020/9/8,127,采用相移FBG的全光纤WDM,2020/9/8,128,光纤布拉格光栅的分类及其光学特性,2020/9/8,129,波分复用器的一般性质,2020/9/8,130,四、光隔离器与光环行器-1,1、光隔离器 概念：光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光的单向器

56、。其作用是消除光路中不连续处产生的反射光对光源、光放大器以及光路系统中产生的不良影响，使系统工作稳定。 作用：它在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感、及精密光学测量系统中有重要作用。 要求及主要指标：插入损耗小(12dB)、隔离度大(反向衰减)(3040dB)、饱和磁场低、价格便宜、体积小、便于集成 组成：由起偏器、检偏器及法拉第转子材料所组成的法拉第旋光器等组成。,2020/9/8,131,隔离器的工作原理,2020/9/8,132,光环行器 (a)三端口 (b)四端口,2020/9/8,133,光环行器原理图,2020/9/8,134,五、光衰减器1,1、光衰减器在光纤通信、光信息处理、光

57、学测量及计算中都是不可缺少的一种光无源器件 功能：在光信息传输过程中对光功率进行预定量的光衰减。 2、光衰减器的工作机理主要有三种： (1)耦合型光衰减器：它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。,2020/9/8,135,光衰减器2,(2)反射型光衰减器：它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光通过衰减片时主要是反射和透射，由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。 为避免反射光的再入射影响衰减性能的稳定性，光线不能垂直入射到衰减片上，需将二块衰减片按一定倾斜角对称地排成八字形。（40o，一般取5o或10o） (3)吸收型光衰减器

58、：它是采用光学吸收材料制成衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。,2020/9/8,136,光衰减器-3,3、光衰减器按其衰减量的变化可分为三种类型 固定式衰减器：衰减量固定 步进可变式衰减器：即阶跃式可变，如10dB5 连续可变式衰减器：如060dB 4、衰减器主要指标 插入损耗，衰减量变化范围，精度及温度的影响,2020/9/8,137,分档衰减器,连续衰减器,2020/9/8,138,六、光开关1,光开关的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件。 要求：插入损耗低、转换重复性好、开关速度快、使用寿命长、结构紧凑 主要指标：插入损耗、开关(转换)速度(ms量级)、消光

59、比：接收机10lgP通/P断 分类： 1、机械式光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换 优点：插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟 缺点：开关速度慢，结构不紧凑，容易受振动、冲击的影响，消光比较大,2020/9/8,139,反射镜,16机械式光开关,2020/9/8,140,光开关2,机械式光开关可分为镜可动型和光纤可动型两种 2、固体光开关，又称非机械式光开关：利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换 优点：开关速度快，重复性好，可靠性高，使用寿命长，尺寸小，可单片集成 缺点：插入损耗大，串扰大，应予改进 3、半导体光波导开关：通过改变波导区内折射率达到光波的导通或截止。,2020/9/8,141,两类光开关一般性能,2020/9/8,142,8.2.4 光放大器,一、光放大器分类 二、光放大器的主要功能 三、掺杂光纤放大器,2020/9/8,143,一、光放大器分类,半导体激光放大器(SLA) 法布里珀罗型激光放大器 行波半导体激光放大器 光纤型光放大器 光纤喇曼放大器(FRA) 光纤布里渊放大器(FBA) 光纤参量放大器(FPA) 掺杂光纤