《光电子技术》课件：第三章 光通信.ppt

1、第三章第三章 光通信光通信 林承友林承友2016.5.182022-3-5 本章主要内容本章主要内容3.1 通信知识简介通信知识简介3.2 光纤通信概论光纤通信概论3.3 光纤通信中的光电子器件光纤通信中的光电子器件2022-3-5 3.1 通信知识简介通信知识简介2022-3-5 3.1 通信知识简介通信知识简介 自古以来，自古以来，通信通信就是人们的基本需求之就是人们的基本需求之一，这种需求促使人们设法发明能一，这种需求促使人们设法发明能将信息从将信息从一个地方传送到另一个遥远地方的系统一个地方传送到另一个遥远地方的系统。 古代，人们通过古代，人们通过书信书信、飞鸽传书飞鸽传书、烽火烽火报

2、警报警等方式进行信息传递。到了今天，随着等方式进行信息传递。到了今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了科学水平的飞速发展，相继出现了无线电无线电，固定电话固定电话，移动电话移动电话，互联网互联网甚至甚至可视电话可视电话等各种通信方式。等各种通信方式。2022-3-5 通信的定义通信的定义 国际电信联盟（国际电信联盟（ITU-TITU-T）把通信定义为）把通信定义为“按按照一致同意的协定以照一致同意的协定以某种方式某种方式经过经过某种途径某种途径将将信息信息从从发出者发出者传递给传递给接受者接受者的全过程的全过程”。n什么是通信？什么是通信？n通通- -传送传送，信，信- -信息信息；信息的传

3、送信息的传送通信系统的基本组成通信系统的基本组成 通信方式：通信方式：所有通信系统都是将用户的信息（例如语言、图所有通信系统都是将用户的信息（例如语言、图像和数据等）像和数据等）调制调制到载送信息的到载送信息的载体载体上，然后经上，然后经传输介质传输介质传传送到收信方，收信方再用送到收信方，收信方再用解调解调手段，从载有信息的手段，从载有信息的载体载体中将中将用户的信息取出，达到通信的目的。用户的信息取出，达到通信的目的。 通信系统：通信系统：发送机发送机，信道信道（传输媒介），（传输媒介），接收机接收机。 通信载体：通信载体：电磁波电磁波（载波载波），如无线电波，微波，光波（可），如无线电波

4、，微波，光波（可见光与红外），见光与红外），X X射线等。射线等。 载波是光波的通信方式称为光通信。载波是光波的通信方式称为光通信。各种通讯技术对电磁波的使用各种通讯技术对电磁波的使用2022-3-5 通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介 自由空间波长自由空间波长/m频率频率/Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVF VLFLFMF HFVHF UHF SHF EHF电力、电话电力、电话电波（无线，有线）电波

5、（无线，有线）微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星通信卫星通信/移动通信移动通信AM无线电无线电FM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质大气大气TV光纤光纤通信通信2022-3-5 3.2 光纤通信概论光纤通信概论3.2 光纤通信概论光纤通信概论2022-3-5 3.2.1 光纤通信的定义光纤通信的定义3.2.2 光纤简介光纤简介3.2.3 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成3.2.4 光纤通信的特点光纤通信的特点3.2.1 光纤通信的定义光纤通信的定义2022-3-5 光通信光通信指的是一切运用指的是一切运用光波光波作为作为载体载体而传送而传送信息的

6、所有通信方式的总称。信息的所有通信方式的总称。 光纤通信光纤通信就是就是以以光波光波作为作为载波载波和和以以光纤光纤作为作为传输媒介传输媒介的一种通信方式的一种通信方式。3.2.2 光纤简介光纤简介 光纤光纤(optical fiber)：光导纤维光导纤维的简称，是的简称，是一种介质圆柱一种介质圆柱光波导光波导，它能够约束并引导，它能够约束并引导 光波在其内部或表面附近沿其轴线方向向光波在其内部或表面附近沿其轴线方向向前传播。前传播。2022-3-5 光纤的基本结构光纤的基本结构 光纤是高度透明的玻璃丝，具有三层结构光纤是高度透明的玻璃丝，具有三层结构: 纤芯纤芯：SiO2(99.9999%)

7、,少量掺少量掺GeO2或或P2O5以以提高折射率提高折射率 包层包层：纯：纯SiO2，或掺杂，或掺杂B2O4 以降低折射率以降低折射率 涂覆层涂覆层：环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，起：环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，起保护作用保护作用纤芯包层涂覆层8-10，50um125um光纤的导光原理光纤的导光原理 光纤的导光原理光纤的导光原理全反射全反射（Total Internal Reflection）纤芯折射率为纤芯折射率为n n1 1包层折射率为包层折射率为n n2 2n1n2光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播。向前传播。 c=arcs

8、in( n2 / n1)2022-3-5 18701870年，英国物理学家年，英国物理学家廷德尔廷德尔把把光照射到盛水的容器内，从出水光照射到盛水的容器内，从出水口向外倒水时，光线也沿着水流口向外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象。传播，出现弯曲现象。 光可以光可以“走弯路走弯路”：全反射全反射。 将这种能够引导光传播的媒介称将这种能够引导光传播的媒介称为为光波导光波导。一直以来人类从未放弃过对理想光波导的寻找，经过不懈的一直以来人类从未放弃过对理想光波导的寻找，经过不懈的努力，人们发现了透明度很高的努力，人们发现了透明度很高的石英玻璃纤维（石英玻璃纤维（SiO2光纤）光纤）可以传播光。

9、可以传播光。光纤的发展历史光纤的发展历史光纤的发展历史光纤的发展历史2022-3-5 纯纯SiOSiO2 2是已知的对光损耗最小的材料！是已知的对光损耗最小的材料！对导对导光材料的研究集中在光材料的研究集中在石英玻璃纤维石英玻璃纤维上！上！ 先制成先制成无包层玻璃光纤无包层玻璃光纤，用于光线和图象的短距，用于光线和图象的短距离传输；后离传输；后发现使用包层能够改善光纤的特性。发现使用包层能够改善光纤的特性。 光纤在光纤在2020世纪世纪5050年代进入实用，主要用于医疗，年代进入实用，主要用于医疗，如胃镜，只能短距离成像，损耗很大。如胃镜，只能短距离成像，损耗很大。 到到2020世纪世纪606

10、0年代中期，光纤损耗仍在年代中期，光纤损耗仍在1000dB/km1000dB/km以以上上，很多人对光纤通信丧失了信心。，很多人对光纤通信丧失了信心。 dB/km10lginoutLP P光纤损耗分贝（光纤损耗分贝（dBdB）表示：）表示：20dB20dB的衰减表示输出功率仅剩的衰减表示输出功率仅剩1 1，1000dB/km1000dB/km的损耗意味着的损耗意味着这种光纤根本无法用于信号传输这种光纤根本无法用于信号传输!衰减为衰减为 1000 dB/km1000 dB/km, , 远远达不到实用的水平远远达不到实用的水平, ,如何如何降低衰减降低衰减, ,从而达到实用的水平（从而达到实用的水

11、平（20dB/km20dB/km）? ?dB 10lginoutP P19661966年，英籍华人年，英籍华人高锟高锟（Charles Kao,1933Charles Kao,1933年生于上海年生于上海) )发表堪称光纤通信开山之作的论文发表堪称光纤通信开山之作的论文光频介质纤维光频介质纤维表面波导表面波导。文章从理论角度指出：文章从理论角度指出：利用带有包层的石英玻璃纤维，可望将损耗降低利用带有包层的石英玻璃纤维，可望将损耗降低到到20dB/km(20dB/km(达到电缆水平达到电缆水平) )；玻璃损耗太高主要由其中的杂质离子导致玻璃损耗太高主要由其中的杂质离子导致；通过进一步降低杂质浓度

12、，可以获得远远低于通过进一步降低杂质浓度，可以获得远远低于20dB/km20dB/km的损耗值！的损耗值！转折点转折点高锟的伟大预言！高锟的伟大预言！ 指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信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使用的低损耗光纤”这一发展方向。这一发展方向。光纤之父光纤之父高锟高锟 1933年，出生于中国上海，先后于年，出生于中国上海，先后于1957年和年和1965年在伦敦大学获得电机工程学士和博士学年在伦敦大学获得电机工程学士和博士学位。位。 1987年，担任香港中文大学校长。年，担任香港中文大学校长。 1990年，获选美国国家工程院院士，年，获选美

13、国国家工程院院士，1996年年当选为中国科学院外籍院士。当选为中国科学院外籍院士。 2009年，因其在年，因其在“在纤维中传送光以达成光学在纤维中传送光以达成光学通讯的开创性（通讯的开创性（groundbreaking）成就）成就”， 获得获得。上世纪六十年代高锟在英国上世纪六十年代高锟在英国标准电讯公司实验室研究光标准电讯公司实验室研究光导纤维技术导纤维技术光纤之父光纤之父高锟高锟20092009年高锟在瑞典接受瑞典年高锟在瑞典接受瑞典国王颁发的诺贝尔奖章国王颁发的诺贝尔奖章高锟发明通信光纤的故事高锟发明通信光纤的故事1.高锟高锟从小就迷恋化学和无线电，童年就自制成了炸药和收音机从小就迷恋化

14、学和无线电，童年就自制成了炸药和收音机；2.1957年开始在英国国际电话电报公司（年开始在英国国际电话电报公司（ITT）子公司工作，与）子公司工作，与科学家科学家Toni Karbowiak和博士生和博士生Hockham共同致力于光传输的共同致力于光传输的研究，他们先开始尝试在多层平面薄膜里传输光，但光泄露严研究，他们先开始尝试在多层平面薄膜里传输光，但光泄露严重。重。3.1964年澳大利亚年澳大利亚University of New South Wales花重金说服了花重金说服了Karbowiak去任教，而高锟接管了去任教，而高锟接管了Karbowiak主管位置继续专主管位置继续专注于光波导

15、的研究。注于光波导的研究。4.1966年，年，高锟高锟与与Hockham共同合作，通过无数次的实验和计算共同合作，通过无数次的实验和计算，发表了题为，发表了题为光频介质纤维表面波导光频介质纤维表面波导的著名论文。相关理的著名论文。相关理论引起了世界通信技术的一次革命，为人类进入光波导新纪元论引起了世界通信技术的一次革命，为人类进入光波导新纪元打开了大梦。打开了大梦。2022-3-5 成功成功=兴趣兴趣+执着执着+严谨！严谨！2022-3-5 一篇文章奠定了整个光纤通信产业的基础！一篇文章奠定了整个光纤通信产业的基础！高锟也因此被世界誉为高锟也因此被世界誉为“光纤之父光纤之父” 1970年美国康

16、宁年美国康宁(Corning)玻璃公司宣布玻璃公司宣布制作出了损耗为制作出了损耗为20dB/km（0.85um）的）的石英光纤。石英光纤。 以纯石英为主体，掺杂不同氧化物获得所需以纯石英为主体，掺杂不同氧化物获得所需要的折射率分布；要的折射率分布； 以气相沉积工艺制作预制棒，拉制出光纤。以气相沉积工艺制作预制棒，拉制出光纤。上述两个思路直到现在仍是光纤制作基础。上述两个思路直到现在仍是光纤制作基础。19701970光纤通信元年！光纤通信元年！光纤通信时代正式到来！光纤通信时代正式到来！恰恰也是恰恰也是19701970年，美国贝尔实年，美国贝尔实验室成功地研制出能在室温下验室成功地研制出能在室温

17、下连续工作的半导体激光器。连续工作的半导体激光器。低损耗光纤的研制低损耗光纤的研制1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到年降低到1.1dB/km。1977年，日本电报电话公司年，日本电报电话公司(NTT)实现了最低损耗实现了最低损耗1.55m波波长的传输。长的传输。在以后的在以后的 10 年中，工作波长为年中，工作波长为1.55m的光纤损耗：的光纤损耗：1979年是年是0.20dB/km，1984年是年是0.15

18、7dB/km，1986年是年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。接近了光纤最低损耗的理论极限。 低损耗光纤的研制低损耗光纤的研制目前，波长为目前，波长为1.55um的标准光纤损耗为的标准光纤损耗为0.2dB/km18:1625 光纤通信常用的三个低损耗窗口：光纤通信常用的三个低损耗窗口：0.85 0.85 m m 、1.31 1.31 m m 、1.55 1.55 m m0.2dB/km0.2dB/km0.5dB/km0.5dB/km2dB/km2dB/km2022-3-51 1按传输波长分类按传输波长分类 短波长光纤短波长光纤的波长为的波长为0.80.80.9m0.9m

19、，主要，主要包括包括0.85m0.85m窗口窗口。 长波长光纤长波长光纤的波长为的波长为1.31.31.6m1.6m，主要，主要包括包括1.31m1.31m和和1.55m1.55m两个窗口。两个窗口。 短波长光纤主要用于短距离市话中继线短波长光纤主要用于短距离市话中继线路或专用通信网等线路；长波长光纤主要用路或专用通信网等线路；长波长光纤主要用于干线传输。于干线传输。光纤的分类光纤的分类2022-3-5 2 2按光纤的材料分类按光纤的材料分类 （1 1）石英玻璃光纤）石英玻璃光纤：以：以二氧化硅二氧化硅为主要材料，适为主要材料，适当添加改变折射率的材料制成。这种类型的光纤耐火性当添加改变折射率

20、的材料制成。这种类型的光纤耐火性能高，损耗低，是目前应用最广泛的光纤。能高，损耗低，是目前应用最广泛的光纤。 （2 2）多组分玻璃光纤）多组分玻璃光纤：由：由二氧化硅、氧化钠、氧二氧化硅、氧化钠、氧化钙等多组分玻璃材料化钙等多组分玻璃材料组成。这种类型的光纤损耗较低，组成。这种类型的光纤损耗较低，但可靠性较差。但可靠性较差。 （3 3）石英芯塑料包层光纤）石英芯塑料包层光纤：纤芯材料是：纤芯材料是石英石英，包，包层用层用硅树脂硅树脂。 （4 4）塑料光纤）塑料光纤：纤芯和包层均由：纤芯和包层均由塑料塑料制成。这种制成。这种类型的光纤价格便宜，但损耗较大，可靠性不高。类型的光纤价格便宜，但损耗较

21、大，可靠性不高。光纤的分类光纤的分类2022-3-53 3按折射率分布分类按折射率分布分类 有有阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤和和渐变折射率光纤渐变折射率光纤。 光纤的分类光纤的分类（a a）阶跃型光纤阶跃型光纤 （Step-Index FiberStep-Index Fiber，SIFSIF）（b b）渐变型光纤渐变型光纤（Graded-Index FiberGraded-Index Fiber，GIFGIF）2022-3-54按传输按传输模式模式分类分类 （1）多模光纤）多模光纤 光纤中传输多种模式时，这种光纤被称为多模光光纤中传输多种模式时，这种光纤被称为多模光纤。由于多模光纤的纤芯直径较

22、粗，既可以采用纤。由于多模光纤的纤芯直径较粗，既可以采用阶阶跃折射率分布跃折射率分布，也可以采用，也可以采用渐变折射率分布渐变折射率分布，目前，目前多采用后者。多采用后者。 （2）单模光纤）单模光纤 光纤中只传输一种模式（基模），其余的高次模光纤中只传输一种模式（基模），其余的高次模全部截止，这种光纤被称为单模光纤。单模光纤由全部截止，这种光纤被称为单模光纤。单模光纤由于纤芯较细，一般采用于纤芯较细，一般采用阶跃折射率分布阶跃折射率分布。光纤的分类光纤的分类多模光纤多模光纤 d=50d=50 m m单模光纤单模光纤d=8d=81010 m m多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤2022-3-5

23、315国际电信联盟国际电信联盟(ITU-T)制定了统一的光纤标准制定了统一的光纤标准(G 标准标准)。光纤的分类光纤的分类0.180.182022-3-5 光源调制器驱动电路光发射机放大器光电二极管判决器光接收机光纤光纤光纤中继器由由光发射机光发射机、光纤光纤、中继器中继器与与光接收机光接收机等基本等基本单元组成。此外还包括一些单元组成。此外还包括一些互连互连与与光信号处理光信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器器、光开关及路由器、分插复用器ADMADM等。等。3.2.3 3.2.3 光纤通信系统的组成光纤通信系统

24、的组成1.1.光发射机光发射机 光发射机的作用是将光发射机的作用是将电信号转换为光信号电信号转换为光信号，并送进光纤中，并送进光纤中进行传输。进行传输。光发射机一般由光发射机一般由驱动电路驱动电路、光源光源和和调制器调制器构成。构成。光源是光发射机的核心部件。目前光纤通信系统中常用的光光源是光发射机的核心部件。目前光纤通信系统中常用的光源有源有发光二极管发光二极管LEDLED和和激光二极管激光二极管LDLD两种。激光二极管发射激两种。激光二极管发射激光，功率大，波谱窄，适用于大容量、远距离的光纤通信系光，功率大，波谱窄，适用于大容量、远距离的光纤通信系统；发光二极管发射荧光，功率小，波谱宽，适

25、用于小容量统；发光二极管发射荧光，功率小，波谱宽，适用于小容量、短距离的光纤通信系统。、短距离的光纤通信系统。 发光二极管发光二极管2.2.光纤光纤 光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介( (信道信道) )，将光信号由一处送到另一处，将光信号由一处送到另一处。光缆光缆则是由若干根则是由若干根光纤组成，依据使用的需要，光纤数目可以由几根光纤组成，依据使用的需要，光纤数目可以由几根到数千根不等。到数千根不等。 3. 3.光中继器光中继器 光中继器是将传输一段距离后的光信号进行放大，以实光中继器是将传输一段距离后的光信号进行放大，以实现远距离传输。现远距离传输

26、。传统的光中继器采用的是传统的光中继器采用的是光电光光电光(O-E-O)(O-E-O)的方式的方式 再放大再放大(re-amplifying)(re-amplifying)、再整形（、再整形（re-shapingre-shaping）、再定）、再定时（时（re-timingre-timing）“3R”3R”中继器中继器 自从掺铒光纤放大器问世以后，光中继实现了自从掺铒光纤放大器问世以后，光中继实现了全光中继全光中继（O-OO-O）， “1R1R”中继器（中继器（re-amplifyingre-amplifying）4.4.光接收机光接收机 光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成光接收机的作用

27、是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。原始的电信号。光电转换主要由光电转换主要由光电探测器光电探测器来完成来完成，探测方式有，探测方式有直接检测直接检测和和外差检测外差检测两种。目前常用两种。目前常用的光电检测器有的光电检测器有PINPIN光电二极管光电二极管和和雪崩光电二极管雪崩光电二极管（APDAPD）两种。后者在转换的同时，还可利用雪崩两种。后者在转换的同时，还可利用雪崩效应对光信号进行放大，有利于提高接收灵敏度。效应对光信号进行放大，有利于提高接收灵敏度。 雪崩光电二极管雪崩光电二极管PIN光电二极管光电二极管3.2.5 光纤通信的特点光纤通信的特点2022-3-5 光纤通信：以光纤

28、通信：以光波光波作为作为载波载波；以；以光纤光纤作为作为传输媒介传输媒介1. 频率高、频带宽、容量大频率高、频带宽、容量大 频带的宽窄代表传输容量的大小频带的宽窄代表传输容量的大小。载波频率。载波频率越高，可以传输信号的频带宽度就越宽，传输的越高，可以传输信号的频带宽度就越宽，传输的容量也就越大（容量也就越大（香农定理香农定理）。）。2022-3-5 2. 损耗小，中继距离长损耗小，中继距离长 目前常用光纤损耗为目前常用光纤损耗为0.2dB/km，甚至更低，直，甚至更低，直观地说，就是光传送观地说，就是光传送15公里，其强度还有原来公里，其强度还有原来的一半。的一半。 中继距离长中继距离长:一

29、般光纤通信系统的中继距离为几十公一般光纤通信系统的中继距离为几十公里，有的达一百多公里。而电缆通信系统中，中继距里，有的达一百多公里。而电缆通信系统中，中继距离为几公里。所以离为几公里。所以光纤通信适合于长距离干线通信光纤通信适合于长距离干线通信，特别是对于跨洋通信来说，具有重大意义特别是对于跨洋通信来说，具有重大意义 单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再加上光单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再加上光纤放大器，则可以直通上万公里而不需要再生中继。纤放大器，则可以直通上万公里而不需要再生中继。2022-3-5 3. 3. 保密性能好保密性能好 由于光纤的特殊结构，光波只能在光纤中由于光

30、纤的特殊结构，光波只能在光纤中传播，泄露极其微弱，很难窃听光纤中的传输传播，泄露极其微弱，很难窃听光纤中的传输信号。另外，光纤中传输的激光，频率极高，信号。另外，光纤中传输的激光，频率极高，不易被拦截、窃听。因此光纤通信是当前最具不易被拦截、窃听。因此光纤通信是当前最具保密性的战略通信手段之一保密性的战略通信手段之一 。4. 4. 抗干扰能力强抗干扰能力强 由于光纤是绝缘体，不怕雷击和高压等电由于光纤是绝缘体，不怕雷击和高压等电磁干扰。同时，光波的频率极高，而各种干扰磁干扰。同时，光波的频率极高，而各种干扰频率一般较低，故其抗干扰能力极强。频率一般较低，故其抗干扰能力极强。 2022-3-5

31、5. 原料丰富、成本低、重量轻、寿命长原料丰富、成本低、重量轻、寿命长 制造光纤的原材料是制造光纤的原材料是石英玻璃（石英玻璃（SiO2），），它在大自然它在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。界中几乎是取之不尽、用之不竭的。 1公斤高纯度的石英玻璃可以制成上万公里的光纤，而公斤高纯度的石英玻璃可以制成上万公里的光纤，而制造制造1公里公里18管的同轴电缆需管的同轴电缆需120公斤的铜，或公斤的铜，或500公斤的铅公斤的铅。 石英玻璃重量轻，使用寿命长，一般为石英玻璃重量轻，使用寿命长，一般为25年以上年以上。 6. 耐高温、耐高压、抗腐蚀、性能稳定、可靠性高耐高温、耐高压、抗腐蚀、性能稳定、

32、可靠性高 2022-3-5 超高速大容量长距离网络化一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输1022路单路速率不断提升，已达到10、20、40Gb/s采用OTDM技术甚至可达640Gb/s各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一保密性好耐高温、高压抗腐蚀材料丰富光纤通信的优点光纤通信的优点2022-3-5 3.3 光纤通信中的光电子器件光纤通信中的光电子器件 3.3.1 光有源器件与无源器件光有源器件与无源器件 3.3.2 光放大器光放大器 3.3.3 波分复用器和解复用器波分复用器和解复用器 3.3.4 其他通

33、信光电子器件其他通信光电子器件433.3.1 3.3.1 光有源器件与无源器件光有源器件与无源器件n光器件类型：光器件类型：n 有源：需要外加能源驱动工作的光器件有源：需要外加能源驱动工作的光器件n 无源：不需要外加能源驱动工作的光器件无源：不需要外加能源驱动工作的光器件44光有源器件光有源器件定义：定义：需要外加能源驱动工作的光器件需要外加能源驱动工作的光器件半导体光源半导体光源(LD,LED)(LD,LED)半导体光探测器半导体光探测器(PD:PIN,APD(PD:PIN,APD）光放大器光放大器(SOA,EDFA)(SOA,EDFA)光波长变换器光波长变换器光调制器光调制器光开关光开关/

34、 /路由器路由器45光无源器件光无源器件定义：定义：不需要外加能源驱动工作的光器件不需要外加能源驱动工作的光器件光纤连接器（固定、活动）光纤连接器（固定、活动）光纤定向耦合器（波长相关性不强）光纤定向耦合器（波长相关性不强）光波分光波分/ /密集波分复用器（密集波分复用器（WDM/DWDMWDM/DWDM，波长相关，波长相关性强性强) )光衰减器（固定、可变）光衰减器（固定、可变）光滤波器（带通、带阻）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅 掺铒光纤放大器技术掺铒光纤

35、放大器技术 EDFA： Erbium-doped Optical Fiber Amplifier 波分复用技术波分复用技术 WDM ： Wavelength Division Multiplexing2022-3-5 光纤通信最具代表性技术光纤通信最具代表性技术3.3.2 光放大器光放大器 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。要里程碑。 光放大器光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用出现之前，光纤通信的中继器采用光光电光电光(O-E-O)变换方式。变换方式。 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长

36、信道，在道，在WDM系统中复杂性和成本倍增系统中复杂性和成本倍增；可实现可实现1R、2R、3R中继中继（ re-amplifying ； re-shaping ； re-timing ） 光放大器：光放大器：光光（光光（O-O）变换方式变换方式 多波长放大、低成本；多波长放大、低成本；只能实现只能实现1R中继中继光放大器的原理光放大器的原理 在泵浦能量（电或光）的作用下，激活介质实现在泵浦能量（电或光）的作用下，激活介质实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过过受激辐射受激辐射实现对入射光的放大。实现对入射光的放大。 光放大器是基于光放大器是基

37、于受激辐射受激辐射原理实现入射光信号放原理实现入射光信号放大的一种器件，其机制与激光器完全相同。实际大的一种器件，其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较没有反馈或反馈较小的激光器。小的激光器。光放大器的主要类型光放大器的主要类型(1)掺杂光纤放大器。掺杂光纤放大器。就是利用掺有稀土金属离子的光就是利用掺有稀土金属离子的光纤作为激光工作物质的一种放大器。纤作为激光工作物质的一种放大器。EDFA就是其中就是其中的典型代表的典型代表(2)传输光纤放大器。传输光纤放大器。可以利用传输光纤作为增益介质可以利用传输光纤作为增益介质，不需要额外的有源

38、光纤，主要有受激拉曼散射，不需要额外的有源光纤，主要有受激拉曼散射( Stimulated Raman Scattering，SRS) 光纤放大器、受光纤放大器、受激布里渊散射激布里渊散射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光纤放大器等。光纤放大器等。 其中光纤拉曼放大器已经实用化其中光纤拉曼放大器已经实用化(3)半导体激光放大器。半导体激光放大器。其结构大体上与激光二极管其结构大体上与激光二极管(Laser Diode，LD)相同，由半导体材料制成，不属于光相同，由半导体材料制成，不属于光纤放大器。纤放大器。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA 掺杂光

39、纤放大器掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的利用掺入石英光纤的稀土离子稀土离子作为作为增益介质增益介质，在，在泵浦光泵浦光的激发下实现光信号的放大，的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂离子决定放大器的特性主要由掺杂离子决定。 工作波长为工作波长为1550nm的的铒铒(Er)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(EDFA) 工作波长为工作波长为1300nm的的镨镨(Pr)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(PDFA) 工作波长为工作波长为1400nm的的铥铥(Tm)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(TDFA) 目前，目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。最为成熟，是光纤通信系统必备器件。EDFA

40、中的中的Er3+能级结构能级结构 泵浦波长可以是泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm； 波长短于波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用的泵浦效率低，因而通常采用980和和1480nm泵浦泵浦。EDFA的工作原理的工作原理 EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。受激辐射放大。信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波( (泵浦光泵浦光) )同沿光纤传输，泵同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子（浦光的能量被

41、光纤中的稀土元素离子（ErEr3+3+）吸收而使其）吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。度不断衰减。EDFA的基本结构的基本结构滤波器滤波器Filter光放大器特性的比较光放大器特性的比较3.3.3 波分复用器与解复用器波分复用器与解复用器 波分复用的基本概念波分复用的基本概念 波分复用器以及解复用器波分复用器以及解复用器2022-3-5 56光波分复用光波分复用WDM的基本概念的基本概念 复用（复用（ Mul

42、tiplexing ）: :在相同的信道上利用相互在相同的信道上利用相互正交的物理量正交的物理量（如频率如频率（或波长（或波长）与时间）与时间）扩大传扩大传输容量的过程！输容量的过程！ 光时分复用（光时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）: :在一根光纤上利用不同的时隙传输多路光信号的一在一根光纤上利用不同的时隙传输多路光信号的一项技术！项技术！2.5Gb/s10Gb/s 技术难点较多：技术难点较多：短脉冲产生（短脉冲产生（ps-fsps-fs) )光延时光延时57光波分复用光波分复用WDM的基本概念的基本概念 光波分复用（光波分复用（WDM，Waveleng

43、th Division Multiplexing）技术：技术：在一根光纤上同时传送多个波长光信号的一项技术。在一根光纤上同时传送多个波长光信号的一项技术。它是在发送端将不同波长的光信号组合起来（它是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用复用），并耦），并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开（合波长的光信号分开（解复用解复用）并作进一步处理，恢复出原）并作进一步处理，恢复出原信号送入不同的终端。信号送入不同的终端。58单模光纤的带宽资源单模光纤的带宽资源1310nm窗口（窗口（1270nm-1350nm）和

44、）和1550nm窗口（窗口（1480nm-1600nm）各有）各有80nm和和120nm低损耗区可用。低损耗区可用。0.2dB/km0.2dB/km0.5dB/km0.5dB/km2dB/km2dB/km高质量激光光源谱宽：高质量激光光源谱宽：0.4nm1.6nm（1550nm附近），是低损耗区附近），是低损耗区宽度的几十分之一或几百分之一。宽度的几十分之一或几百分之一。WDM的分类的分类 DWDM-密集波分复用密集波分复用 信道波长间隔小信道波长间隔小(目前常用为目前常用为0.8或或0.4nm)，总波数可达到，总波数可达到160波以上，一般只用波以上，一般只用40波左右波左右 对激光器波长稳

45、定性要求高，需配置温控电路对激光器波长稳定性要求高，需配置温控电路 一般用于跨数省的干线工程，需要昂贵的一般用于跨数省的干线工程，需要昂贵的EDFA和更昂贵的拉和更昂贵的拉曼放大器，以保证长距离的传输曼放大器，以保证长距离的传输 CWDM-粗波分复用粗波分复用 信道波长间隔大信道波长间隔大(一般为一般为20nm)，系统总波数，系统总波数4、8、16等都有，等都有，常用常用8波波 对激光器波长稳定性的要求低对激光器波长稳定性的要求低 主要用于满足城域网的建设，所以一般可不加装放大器，成主要用于满足城域网的建设，所以一般可不加装放大器，成本低廉，高带宽，在中短距离光传输中赢得了大量市场本低廉，高带

46、宽，在中短距离光传输中赢得了大量市场WDM的实现的实现 WDM技术的实现依靠技术的实现依靠波分复用器波分复用器和和解复用器解复用器波分复用波分复用(WDM)(WDM)系统框图系统框图EDFAEDFA在在WDMWDM系统中的应用系统中的应用WDMWDM的出现极大的降低了系统的出现极大的降低了系统的复杂度和成本的复杂度和成本光波分复用器光波分复用器/解复用器解复用器 光波分复用器光波分复用器/解复用器解复用器是波分复用系统的关键是波分复用系统的关键器件。其功能是将多个波长不同的光信号复合后送器件。其功能是将多个波长不同的光信号复合后送入同一根光纤中传送（入同一根光纤中传送（波分复用器波分复用器）或

47、将在一根光）或将在一根光纤中传送的多个不同波长的光信号分解后送入不同纤中传送的多个不同波长的光信号分解后送入不同的接收机（的接收机（解复用器解复用器）。）。 波分复用器和解复用器也分别被称为波分复用器和解复用器也分别被称为合波器合波器和和分波器分波器，是一种与波长有关的光纤耦合器。，是一种与波长有关的光纤耦合器。 光波分复用器光波分复用器/解复用器性能的优劣对于解复用器性能的优劣对于WDM系统的传输质量有决定性的影响。系统的传输质量有决定性的影响。 64光波分复用器光波分复用器/解复用器的分类解复用器的分类 根据制造的特点，波分复用器根据制造的特点，波分复用器/解复用解复用器器件大致有熔融拉锥

48、型、介质薄膜型和器器件大致有熔融拉锥型、介质薄膜型和光栅型等几种类型。光栅型等几种类型。p 熔融拉锥型熔融拉锥型p 介质薄膜型介质薄膜型p 光栅型光栅型p 阵列波导型阵列波导型 介质薄膜型波分复用器介质薄膜型波分复用器 介质薄膜型波分复用器介质薄膜型波分复用器是由多个是由多个介质薄膜干涉滤波器介质薄膜干涉滤波器构成的器构成的器件。件。 介质薄膜干涉滤波器是由若干层不同材料，不同折射率的介质介质薄膜干涉滤波器是由若干层不同材料，不同折射率的介质薄膜按照设计要求叠加而成的。通过对薄膜厚度的设计可以实薄膜按照设计要求叠加而成的。通过对薄膜厚度的设计可以实现薄膜对一定波长的光反射（或透射），其他波长的

49、光透射（现薄膜对一定波长的光反射（或透射），其他波长的光透射（或反射），各层反射光叠加，就可以在滤波器前端面形成很强或反射），各层反射光叠加，就可以在滤波器前端面形成很强的反射光（或透射光），从而形成所要求的滤波特性。的反射光（或透射光），从而形成所要求的滤波特性。介质薄膜干涉滤波器介质薄膜干涉滤波器波分复用波分复用/解复用器解复用器2022-3-5 3.3.4 通信光器件通信光器件 光器件的作用光器件的作用：是构成光纤通信系统的必：是构成光纤通信系统的必备元件。实现光信号的连接、能量分路备元件。实现光信号的连接、能量分路/合合路、波长复用路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰解复用、光路转换

50、、能量衰减、方向阻隔、光减、方向阻隔、光-电电-光转换、光信号放大、光转换、光信号放大、输出、探测、光信号调制等功能。输出、探测、光信号调制等功能。 光器件发展趋势：光器件发展趋势：集成化、全光化集成化、全光化2022-3-5 q光连接器光连接器Connectorq光衰减器光衰减器Attenuatorq光耦合器光耦合器Couplerq光隔离器与环行器光隔离器与环行器Isolators & Circulators q光调制器光调制器Modulatorsq光开光光开光Switchesq光波长转换器光波长转换器Converter通信光器件通信光器件68光器件与电器件的类比光器件与电器件的类比2022