《光纤通信技术》1

3
本课程的主要内容
• 本课程将系统讲述光纤，光发射机、光接受机、光网络、 光电器件方面的基本原理和关键技术。
网络 点到点系统 模块（发射机，接收机） 器件（光纤，激光器，探测器） 材料（硅，二氧化硅）
2009­3­19
OE of HUST
4
章节
• 第一章：导言 （Introduction） • 第二章：光纤（Optical Fiber ） • 第三章：光发射机 （Optical Transmitter） • 第四章：光接收机（Optical Receiver） • 第五章：光纤通信系统的设计（Design of Fiber­optic Communication System） ； • 第六章：前沿新技术
2009­3­19
OE of HUST
5
第一章 导言
1.1 光的本性（复习） 1.2 光纤通信发展的历史回顾（了解） 1.3 光纤通信系统的基本组成及特点（掌握） 1.4 光纤通信中的一些基本概念（掌握）
2009­3­19
OE of HUST
6
1.1 光的本性
• 光既具有波粒二象性：既可以将光看作是由光子组成的粒 子流，也可以将光看成光波； • 相应的在分析光电器件时可以采取两种不同的观点（理 论）：
2009­3­19 OE of HUST 8
2009­3­19
OE of HUST
9
光的偏振
• 光的偏振态是指在垂直于光波传播方向z的平面内光矢量E 的振动状态； • 如果光矢量只沿一个固定方向振动，称它为线偏振光。如 果光矢量的振动方向周期性的旋转，其轨迹呈一（椭） 圆，则称它（椭）圆偏振光。 • （椭）圆偏振光可以视为两个在同一方向上传播的频率相 同、振动方向互相垂直的线偏振光波的叠加。
2009­3­19 OE of HUST 12
2009­3­19
OE of HUST
13
光的全反射
• 光波从光密介质折射进入到光疏介质时，有可能发生全反 射。发生全反射的临界角θ 为： c
­1 θ =sin (n /n ) c 2 1
• 入射角大于全反射角θ 的光线将会发射全反射。 c
液体激光器 染料激光器 300nm～800nm
• 自由光通信：大气光通信、水下光通信； • 现代光通信一般指“光纤波导光通信”，即利用低损耗的光 纤波导进行光的传输，避免外界的影响，从而实现持久可 靠的通信。
2009­3­19 OE of HUST 23
• 提出了空心式光波导管、薄膜式光波导、透镜阵列式光波 导等多种传光方式。 • 但由于这些光波导系统体积庞大，不便于安装和使用，只 有当光束与管道的轴线严格对中时才能有效传输，这对于 长距离通信是很难做到的，因而未能得到实际推广应用。
– 光电光式结构复杂，成本较高。 – 全光中继方式中采用光放大器补偿光信号的衰减目前DWDM通信 系统中普遍采用的中继方式。
2009­3­19
OE of HUST
33
2009­3­19 OE of HUST 20
光（波）通信
• 通信系统可以利用电信号，也可以利用光信号作为载体进 行信息的传输； • 利用光波作为载体进行信息传输称为光（波）通信。例如： 中国古代的烽火台，现在用以指挥交通的红绿灯以及战争 中采用的信号弹均可算作光（波）通信 。
2009­3­19
OE of HUST
ຫໍສະໝຸດ Baidu21
真正意义上的光通信应起源于1880年贝尔发明的“光电话”。由 于各种技术条件的限制，这种光电话实验只传输200m，而且传输质 量不高。在光电话问世后一段漫长的时间里，由于缺乏高亮度的， 稳定可靠的光源和低损耗的传输媒质，光通信的进展缓慢。
透镜1
反 射 镜 硅光电池 凹面镜 受话器
– 半导体激光器（LD）； – 发光二极管（LED）；
• 信号调制：直接调制、间接调制
2009­3­19 OE of HUST 29
• 发射机波段划分： C波段 1530～1565nm; L波段 1570~1610nm; S波段 1460~1530nm；
2009­3­19
充气管道
透镜
2009­3­19
OE of HUST
24
• 1966年高琨博士提出可以利用光纤作为光信号的传输介 质，因此被认为是光纤之父。他提出可通过降低光纤中杂质 浓度的方法将光纤损耗从1000dB/km（20m传输后功率下降 为1％）降低到20dB/km； • 1970年美国Corning公司将光纤损耗降低到20dB/km， 因此这一年被认为是光纤诞生的一年（1979年Corning公 司将光纤损耗降低到0.2dB/km，已接近理论极限值）；
OE of HUST
15
光的单色性
• 普通光源发出的光，其颜色成分复杂，谱线宽度比较大； • 激光器发出的光是具有良好的单色性，这是激光器区别于 普通光源的一个重要的特点。 （常见的通信用单纵模工作 半导体激光器，其谱线宽度约为0.2nm ） • 占据较窄波长范围的单色光不是单一波长（或频率）的 光，称它为“准单色光”； • 将光强I等于最大光强I 一半的波长范围Δλ称为“谱线 max 宽度”（FWHM，­3dB），Δλ愈小，谱线宽度越窄，光 的单色性越好；
E = E1 + E2 I = I1 + I 2
2009­3­19
OE of HUST
18
1.1.2 光的粒子性
• 光是一种以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子或称为 光量子。光的能量不像光的波动性理论所说的那样是分布 在波阵面上，而是集中在光子之中； • 光子具有一定的频率，频率为f的光子具有的能量为
æ E ö æ E ö ç ÷ = ç ÷ ( x, y, z , t ) è H ø è H ø
• 可见光是能够引起视觉的电磁波，波长通常在0.39微米到 0.77微米之间；是对应红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种 单色光构成的复色光； • 光纤通信所使用的光波长在近红外附近，不能引起人的视 觉。通常在0.8微米到1.7微米之间，分为0.85微米、 1.31微米、1.55微米三个窗口。
2009­3­19
OE of HUST
25
2009­3­19
OE of HUST
26
• 1970年实现了半导体激光器在室温下连续工作，为光纤 通信提供了体积小，功耗低，容易调制的光源； • 1970小型半导体激光光源和低损耗光纤的同时问世，光 纤通信终于成为现实，1970年是光纤通信的元年；
送话器
振动镜
透镜2
2009­3­19
OE of HUST
22
自由光通信 vs 波导光通信
• 自1960年激光器发明后人们拥有了一种高亮度的光源；
红宝石(694.3nm) , Nd:YAG(1064nm), 固体激光器 气体激光器 半导体激光器（0.33~360 mm)，光纤激光器
+ He­Ne(632.8nm), Ar (488nm), CO (10.6mm) 2
2009­3­19
OE of HUST
27
光纤通信系统的组成
中继器 光发射机 （E/O） 光纤 光纤 光接收机 （O/E）
电端机
电端机 数语 视 据音 频
OE of HUST 28
数 语 据 音
2009­3­19
视 频
光发射机
驱动电路 光源 驱动电路 光源 外调制器
• 光源（Optical Source）提供光载波：
– 当研究光通信中的无源器件（光纤、波分复用器、干涉仪）时，多 运用光的波动性理论； – 当研究光通信中的有源器件（激光器、发光二极管、光电探测器） 时，多运用光的粒子性理论。
2009­3­19
OE of HUST
7
1.1.1 光的波动性
• 光波是一种电磁波，由振荡的电场和磁场组成，可以表示 为：
光纤通信技术
光纤通信技术
2009­3­19
OE of HUST
1
课程学习意义
• 自20世纪70年代以来，光纤通信一直以惊人的速度发展 着，她为通信网络提供了难以想象的传输带宽，成为信息 网络最主要的传输手段； • 目前，无论是在陆地还是海底，在世界范围内都已形成了 拥有巨大传输带宽的光纤通信网络； • 光纤通信系统不仅在骨干网中发挥着重要作用，其巨大带 宽使得光纤成为用户宽带接入的终极解决方案，例如光纤 到户（FTTH）能够为用户提供视频、数据和语音服务； • 本课程能够为今后工作打下良好基础。
OE of HUST
30
光接收机
偏置电路
光探测器(O/E)
电放大器
数据恢复电路
电比特流信号
• 光探测器（Photodetector）将光信号变为电信号。 • 光探测分为：PIN管和APD管； • 信号处理电路：
– 电放大器：对微弱的光电流进行放大和滤波； – 数据恢复电路：确定采样时间和判决阈值，将电信号还原成比 特流信号；
­34 E=hf，式中h＝6.626x10 J­s为普朗克常数；
• 光的能量是光子能量的总和，对于一定频率的光，光子的 数目越多，光的强度就越大；
2009­3­19
OE of HUST
19
1.2 光纤通信的发展历史
• 什么是光纤通信系统？ • 光纤通信系统由哪些部分组成？各有什么功能？ • 光纤通信系统有哪些优点和缺点？ • 如何衡量光纤通信系统的整体性能？ • 分贝、数字信号、调制格式、信号复用的概念？ • 光纤通信技术经历了哪些发展阶段？ • 光纤通信技术的发展路线？现代光纤通信技术的发展趋势如何？ • TDM标准和WDM标准？
2009­3­19 OE of HUST 31
10Gb/s高速PIN探测器
2.5Gb/s小型化APD型光接收模块
2009­3­19 OE of HUST 32
中继器
• 光信号在光纤中传输一段距离后不可避免地会受到各种衰 减，光信号将变得越来越弱，同时受光纤色散的影响，脉 冲展宽会引起信号失真，此时需要对衰减并失真的光信号 进行放大、整形和重新定时，然后再进行传输。 • 中继方式有光电光和全光两种方式：
2009­3­19
OE of HUST
10
2009­3­19
OE of HUST
11
光的折射和反射
• 光在两种折射率不同的介质的交界面上会产生反射和折射 现象； • 反射定律：反射线位于入射线和法线线NN’所决定的平面 内，反射线和入射线处于法线NN’的的两侧，反射角等于 入射角，即θ ’ =θ ； 1 1 • 折射定律：反射线位于入射线和法线线NN’所决定的平面 内，反射线和入射线处于法线NN’的的两侧，入射角和折 射角满足以下关系： sinθ /sinθ =n /n 1 2 2 1
2009­3­19 OE of HUST 2
• 参考教材： – 张新亮，《光纤通信系统与技术》，华中科技大学自 编讲义，2001； – G. P. Agrawal，《光纤通信系统》，清华大学出版 社，2004； • 学习方法：重点掌握基本概念和基本思路；
2009­3­19
OE of HUST
2009­3­19 OE of HUST 16
FWHM­半值全宽
2009­3­19 OE of HUST 17
相干光和非相干光
• 所谓光的干涉是指两列（或几列）光相遇，在空间形成的 明暗交替干涉条纹稳定分布的现象； • 相干光波的频率必须相同，相位差必须恒定，振动方向必 须一致。这三个条件称为相干波条件，满足相干波条件的 光称为相干光，不满足相干波条件的光称为非相干光； • 相干光的叠加是振幅叠加，而非相干光的叠加是场强叠 加；
2009­3­19
OE of HUST
14
光的色散
• “色散”可以直接地由复色光（可见光）通过透明物质（例 如三棱镜）分解成单色光（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫） 这种物理现象观察得到； • 单色性不好的光波在光纤中传输时，会产生复杂的色散现 象，从而引起光信号的失真；
2009­3­19