光纤通信及其器件的研究进展毕业论文.doc

本科毕业论文学 院 物理电子工程学院 专 业 物理学 年 级 姓 名 论文题目 光纤通信及其器件的研究进展 指导教师 职称 目 录摘 要1Abstract1引言 11光纤通信概述12光纤通信的特点2 2.1频带极宽通信容量大22.2损耗低，中继距离长22.3抗电磁干扰能力强22.4无串扰，保密性好23光纤通信技术的发展趋势3 3.1超大容量、超长距离传输33.2光孤子通信33.3全光网络44光纤通信器件的种类和特点 44.1光源44.2光检测器54.3光放大器54.4光无源器件6结论7参考文献7光纤通信及其器件的研究进展摘 要：光纤通信技术是当前发展的最为迅速的科技之一，其应用已经进入人们的日常生活，本文将从光纤通信的原理和发展进行分析，并对光纤通信器件的研究和应用进行深入探究。关键词：光纤通信、器件、发展进程、研究应用 The research progress of optical fiber communication and devicesAbstract：Optical fiber communication technology is currently one of the fastest growing technology, applications of optical fiber communication has entered People's Daily life, this article will from the principle of optical fiber communication and the development is analyzed, and the research and application of optical fiber communication devices for further inquiry. Key words：Optical fiber communication, devices, the development process、Research and application 引言光纤通信以其容量大、传输距离远、信号串扰小、保密性能好、抗电磁干扰强、传输质量佳、难于窃听、寿命长等特点备受人们青睐，得到迅速发展。目前光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域，成为信息通信发展的主流，我们期望的全光网络将会很快到来。1光纤通信概述光纤是一种介质波导，由折射系数为的纤芯和折射系数为的包层构成，当时,光波就能在其中传送。光纤通信是利用光作为信息载体，以光纤作为传输的通信方式。在光纤通信系统中，作为载波的光波频比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或导波管的损耗低得多，所以说光纤通信的容量要比微波通信大几十倍。光纤是用玻璃材料构造的，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路，光纤之间的串绕非常小；光波在光纤中传输，不会因为光信号泄漏而担心传输的信息被人窃听；光纤的芯很细，由多芯组成光缆的直径也很小，所以用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地下管道拥挤的问题1。2光纤通信的特点2.1 频带极宽，通信容量大光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，光纤的可用带宽较大一般在10GHz以上使光纤通信系统具有较大的通信容量，而金属电缆存在的分布电容和分布电感实际起到了低通滤波器的作用使传输频率带宽以及信息承载能力受到限制。现代光纤通信系统能够将速率为几十Gb/s以上的信息传输上百英里，允许大约数百万条话音和数据信道同时在一根光缆中传输。 2.2 损耗低，中继距离长目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤损耗可低于0.20dB/km，其传输损耗比其它任何传输介质的损耗都低，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其他介质构成的系统长得多。由于中继站数目的减少，系统成本和复杂性可大大降低，带来更好的经济效益。2.3 抗电磁干扰能力强光纤通信系统避免了电缆间由于相互靠近而引起的电磁干扰。金属电缆发生干扰的主要原因就是金属导体向外泄漏电磁波，而光纤原材料是由石英制成的绝缘体材料，绝缘性好，不易被腐蚀。与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为释放的电磁干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆1。2.4 无串扰，保密性好在电磁波传输的过程中，电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰，容易被窃听，保密性差，而光纤不向外辐射能量很难用金属感应器对光缆进行窃听，因此它比常用的铜缆保密性好的多2。除此之外光纤通信还有寿命长；抗噪声干扰；重量轻、易铺设；原材料来源丰富；光缆维护比较安全等优点。正是因为光纤通信的这些优点，光纤通信得到广泛的推广和应用。3光纤通信技术的发展趋势3.1超大容量、超长距离传输波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容量，在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景。近年来波分复用系统发展迅猛，目前1. 6Tbit/s的WDM系统已经大量商用，同时全光传输距离也在大幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用(OTDM) 技术，与WDM通过增加单根光纤中传输的信道数来提高其传输容量不同，OTDM技术是通过提高单信道速率来提高传输容量，其实现的单信道最高速率达640Gbit/s3。仅靠OTDM 和WDM来提高光通信系统的容量毕竟有限，可以把多个 OTDM信号进行波分复用，从而大幅提高传输容量。偏振复用(PDM) 技术可以明显减弱相邻信道的相互作用。由于归零(RZ)编码信号在超高速通信系统中占空较小，降低了对色散管理分布的要求，且RZ编码方式对光纤的非线性和偏振模色散(PMD)的适应能力较强，因此现在的超大容量WDM/OTDM通信系统基本上都采用RZ编码传输方式。WDM / OTDM 混合传输系统需要解决的关键技术基本上都包括在OTDM和WDM通信系统的关键技术中4。3.2光孤子通信光纤孤子通信是利用光纤的非线性所产生的孤子脉冲来传递信息的一种通信，当入射到光纤中的光功率小时，光纤可以认为是线性系统，当入纤光功率足够强时，光纤即成为非线性系统，并将产生受激布里渊散射、受激拉曼散射和光孤子脉冲现象。光孤子产生的原因实质是由于光纤的非线性特性补偿光纤中的色散效应，因而使光脉冲波形在传播过程中始终维持不变。由于光孤子脉冲具有自整形的特性，能保持皮秒级脉宽，以及其幅度能传输到极远的距离，所以可用于超大容量、超长距离的光纤通信系统中。特别是出现了掺饵光纤放大器后，光孤子技术与掺饵光纤放大器技术相结合的高速率长距离的光孤子通信试验系统不断出现，如美国贝尔实验室已经成功实现了将激光脉冲信号传输了5920km，还利用光纤环实现了5Gbit/s、传输15000km的单信道孤子通信系统和10Gbit/s传输11000km的双信道波分复用孤子通信系统；日本利用普通光缆线路成功地进行了超高20Tbit/s、远距离1000km的孤立波通信，日本电报电话公司推出了速率为10Gbit/s、传输12000km的直通光弧子通信实验系统。在我国，光弧子通信技术的研究也有一定的成果，国家“863”研究项目成功地进行了OTDM光弧子通信关键技术的研究实现了20Gbit/s、105km的传输。近年来，时域上的亮孤子、正色散区的暗孤子、空域上展开的三维光弧子等，由于它们完全由非线性效应决定，不需要任何静态介质波导而备受国内外研究人员的重视5。3.3全光网络未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段, 也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化， 但在网络结点处仍采用电器件, 限制了目前通信网干线总容量的进一步提高，因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。全光网络以光节点代替电节点，节点之间也是全光化，信息始终以光的形式进行传输与交换， 交换机对用户信息的处理不再按比特进行，而是根据其波长来决定路由。全光网络具有良好的透明性、开放性、兼容性、可靠性和可扩展性, 并能提供巨大的带宽、超大容量、极高的处理速度和较低的误码率, 网络结构简单, 组网非常灵活，可以随时增加新节点而不必安装信号的交换和处理设备。当然全光网络的发展并不可能独立于众多通信技术之中，它必须要与因特网、ATM网、移动通信网等相融合6。目前，全光网络的发展仍处于初期阶段，但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看，形成一个真正的以WDM技术与光交换技术为主的光网络层，建立纯粹的全光网络，消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势, 更是未来信息网络的核心，也是通信技术发展的最高级别，更是理想级别7。4光纤通信器件的种类和特点4.1光源光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）。半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器优点有：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。半导体发光二极管和半导体激光器类似，也是一个PN结，也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管记作LED，是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层，以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区，其厚度为0.10.2m左右。半导体发光二极管的结构公差没有激光器那么严格，而且无谐振腔。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。LED是外加正向电压工作的器件。在正向偏压作用下，N区的电子将向正方向扩散，进入有源层，P区的空穴也将向负方向扩散，进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用，而被封闭在有源层内，就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的电子，经跃迁与空穴复合时，将产生自发辐射光。半导体发光二极管的优点有：结构简单，体积小，工作电流小，使用方便，成本低，所以在光电系统中的应用极为普遍。4.2光检测器常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。目前的光检测器基本能满足了光纤传输的要求，在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1mW左右。为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。光电检测器工作时，电信号完全不延迟是不可能的，但是必须限制在一个范围之内，否则光电检测器将不能工作。随着光纤通信系统的传输速率不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求8。4.3光放大器在光纤通信系统中，随着传输速率的增加，传统的0/E/0中继方式的成本迅速增加，用光放大的方法来替代传统的中继方式，光放大器直接放大光信号，使得整个系统更加简单和灵活，掺铒光纤放大器（EDFA）是目前及未来一段时间的主要选择。EDFA为光纤通信带来巨大的经济利益，并在光纤通信中扮演着重要角色，人们在不断解决它在网络技术中遇到的各种技术问题，如它在DWDM系统中的动态增益、带宽增益平坦型EDFA的自动增益控制9。EDFA以掺铒光纤作为增益介质，利用980nm和1480nm泵浦作为泵浦光源，使铒离子Er(3+)粒子数反转，信号光入射使亚稳态Er(3+)粒子受激辐射，产生信号放大。EDFA主要优点是增益高、噪声低、输出功率大、连接损耗低、高泵浦光子效率，且工作波长在1.531.56Lm范围(C波段)，与光纤最小损耗窗口一致。EDFA主要由掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成，它的放大能力的好坏主要取决于其增益特性。随着传输距离的延长，在传输光纤上需要增加更多级的EDFA，这时,增益值的控制显得更加重要。另外，EDFA的带宽还不够大，只利用了光纤低损耗窗口的一部分，而WDM长距离传输系统要求放大器能对S+C+L三波段同时放大且增益平坦。目前，对于宽带宽的DWDM，光放大方式已由单一的放大模式向混合放大模式发展，如把拉曼放大器和EDFA结合可组成混合放大器10 。4.4光无源器件4.4.1光纤耦合器光纤耦合器是光纤通信技术发展早期就出现的一类光纤器件，目前的用途也相当广泛。光纤藕合器制造技术已经成熟，其标志是20世纪80年代出现的无腐蚀熔融拉锥技术。这种技术出现后，人们在提高光纤耦合器的性能、降低生产成本和自动化生产等方面做了探索性的工作，然而没有取得突破性进展。现在，正在广泛使用的各种耦合器仍然使用这种技术生产。光纤藕合器的制造技术门槛比光纤连接器稍高一点，资金的需求也大一点，因此，以前进人的厂家并不多。最近几年尤其是光纤通信的爆炸性发展以来，中国大陆不少厂家介人光纤藕合器的生产，这为在中国大陆发展光纤祸合器制造业奠定了基础。4.4.2 光隔离器与光环行器光隔离器和光环行器都是非互易性光纤器件，即它们使光信号只能沿着光纤定向传输而不能反向传输。作为光纤通信中的功能器件，它的应用广泛。由于有晶体加工的基础，因此，中国大陆有能力做好这一类光纤器件。事实上，中国大陆早已是发达国家的光隔离器和光环行器零件的加工基地。所以，我们应该充分发挥自己的长处，把光隔离器和光环行器做好11。4.4.3 光开关光开关是一种光路控制器件，起着切换光路的作用，在光纤传输网络和各种光交换系统中，可由微机控制实现分光交换，实现各终端之间、终端与中心之间信息的分配与交换智能化；在普通的光传输系统中，可用于主备用光路的切换，也可用于光纤、光器件的测试及光纤传感网络中，使光纤传输系统，测量仪表或传感系统工作稳定可靠，使用方便12。4.4.4 波长转换器全光波长转换器是波分复用光网络及全光交换网络中的关键部件。 波长转换器有多种结构和机制，目前研究较为成熟的是以半导体光放大器为基础的波长转换器，包括交叉增益饱和调制型、交叉相位调制型以及四波混频型波长转换器等13。4.4.5 波分复用器在一根光纤内同时传送几个不同波长的光信号通信方式收做波分复用，采用波分复用技术，只要在发送端和接收端增加少量的合波、分波设备，就可以大幅度增加光纤的传输容量，提高经济效益。对于已经铺设的光缆，采用波分复用技术，也可实现多路传输，起到降低成本和扩充容量的作用。波分复用器在光路中起到合波和分波的作用，它把不同波长的光信号汇集（合波）到一根光纤中传输，到了接收端，又把由光纤传输来的复用光信号重新分离（分波）出来。根据分光原理的不同，波分复用器又可分为枝镜型、干涉模型和衍射光栅型三种，目前市场上的产品大多数是衍射光栅型14。波分复用器的主要指标有插入损耗、串音损耗、波长间隔和复用路数等。插入损耗是指因使用波分复用器而带来的光功率损耗，一般在15dB左右。串音损耗表示波分复用器对各波长的分隔程度。串音衰耗越大越好，应大于20dB。 4.4.6 光纤光栅光纤光栅是新近发展起来且成为研究热点的一类光纤器件。尽管现在有许多光纤光栅的制造方法，但是，其主流产品仍然是利用光纤折射率的紫外光敏特性制成的。用光纤光栅不仅可以制成许多不同功能的光纤器件用于光纤通信领域，使用光纤光栅可以改善各种激光光源的性能，使其波长稳定、频谱变窄、波长可调、多波长输出，也可以改善光纤放大器的性能(改善增闪益谱的均匀性)，在光传输线路里制成色散补偿器件，也可以做成DWDM和OADM器件以及各种滤波器。在光纤光栅领域，我国大陆的许多单位开展了研究工作，这为中国在光纤光栅产业里有所作为奠定了基础。鉴于光纤光栅广泛的应用前景，我们应该加快光纤光栅的产业化步伐15。总结：在快速发展的信息通信时代，光纤通信技术以其独有的优势快速发展并日渐成熟，而21世纪的光纤通信技术必将迎来一个飞速发展的新高潮，向着高速率、大容量、高性能的全光网络发展。参考文献：1 白建春光纤通信技术的发展及其应用J甘肃科技，2010，(3)：342 龚倩 高速超长距离光传输技术 北京邮电大学出版社，2005，35-363 王治国光纤通信技术的特点和发展趋势探讨J甘肃科技，2012，(13)：284 刘俭辉丁永奎，贾东方等Tbit/s 超大容量光纤通信系统的研究进展 J光学技术，2003，29(4) ：408-4105 何淑贞王晓梅光通信技术的新飞跃 J网络电信，2004，(2)：36-396 黄伯恒全光网络探索 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