光子器件与光通信系统.ppt
光纤通信及其发展,光纤通信基本知识光波分复用,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,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。,n1,n2,n1,SIF,GIF,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5060m，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50m，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10 m，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。,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）0.85m附近，损耗24dB/km;（2）1.31 m附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55 m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（Mbpskm）表示。三类光纤中SMF最高，GIF次之，SIF最低。,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1.31 m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1.55 m色散为零，损耗小，适用于大容量长距离传输G.654：1.55 m损耗最小的SMF，1.31 m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。,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）。,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。,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（19661976年），从基础研究到商业应用的开发时期，实现了短波长（0.85 m）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（19761986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1.55 m）,实现了1.31m、传输速率140565Mb/s的单模光纤传输系统（PDH），其无中继距离为50100km；第三阶段（1986年），全面深入开展新技术研究，实现了1.55 m单模光纤通信系统（SDH），速率达2.510Gb/s,无中继距离为100150km；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。,光纤通信基本知识光纤通信特点与应用,传输容量很大：2.5G10G/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109）中继距离很长（50150km）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,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,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（N1），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。,光波分复用原理,光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）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）。,WDM原理图,波分复用技术的发展概况,BWDM：利用1.3和1.55m附近两个低损耗窗口构成两个波长的WDM系统DWDM：在1.55(1.501.60)m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）。DWDMEDFAG.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：4010Gb/s 实验室：8240Gb/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,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,光波分复用传输系统,双 纤 双 向 单 纤 双 向,IP,ITUT DWDM 标称波长,频率(THz)波长(nm)频率(THz)波长(nm)频率(THz)波长(nm)196.100 1528.77 194.800 1538.98 193.500 1549.32 196.000 1529.55 194.700 1539.77 193.400 1550.12 195.900 1530.33 194.600 1540.56 193.300 1550.92 195.800 1531.12 194.500 1541.35 193.200 1551.72 195.700 1531.90 194.400 1542.14 193.100 1552.52 195.600 1532.68 194.300 1542.94 193.000 1553.33 195.500 1533.47 194.200 1543.73 192.900 1554.13 195.400 1534.25 194.100 1544.53 192.800 1554.94 195.300 1535.04 194.000 1545.32 192.700 1555.75 195.200 1535.82 193.900 1546.12 192.600 1556.55 195.100 1536.61 193.800 1546.92 192.500 1557.36 195.000 1537.40 193.700 1547.72 192.400 1558.17 194.900 1538.19 193.600 1548.51 192.300 1558.98 频 率 间 隔=100GHz 波 长 间 隔 约 0.8nm 192.200 1559.79 192.100 1560.61,WDM系统波长信道中心频率,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,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,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,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,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,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,其中,2.光纤倾斜损耗,3.光纤端面间隙损耗,其中Z是端面间隙，K=n1/n2,4.光纤端面多次反射（Snell反射）引起的损耗,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,NA1NA2,NA1NA2,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。,FC型连接器的插头、转换器和内部结构,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,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,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 SCFC，STFC，FCSC，FCST，SCST，STSC6.各种裸光纤转接器,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(22)耦合器、Y形（12）耦合器、星形（NN，N2）耦合器以及树形耦合器等。,光耦合器的技术参数1.插入损耗（Insertion Loss）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（Excess Loss）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。,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（Coupling Ratio）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。,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。,熔融拉锥系统示意图,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,Ei1,Ei2,Eo1,Eo2,传输矩阵,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,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,树形耦合器拼接示意图,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。光隔离器中使用的光学元件1.光纤准直器 自聚焦透镜,2.法拉第旋转器（Farady Rotator）法拉第磁致旋光效应：在外加磁场B作用下，某些原本各向同性的介质变成旋光性物质，偏振光通过该物质时其偏振面发生旋转。(1)对于给定的磁光材料，光振动面旋转的角度与光在该物质中通过的距离L和磁感应强度成正比，VLBV是材料的特性常数，称韦尔代常数，单位是：分/特斯拉米。(2)磁致旋光不可逆性。当光传播方向平行于磁场时，若法拉第效应表现为左旋，则当光线逆反时，法拉第效应表现为右旋。,3 偏振器（Polarizer）a.双折射晶体（偏振分束器）,楔形双折射晶体偏振分束器,b.薄膜起偏分束器c.线栅起偏器d.玻璃起偏器,光隔离器的结构和工作原理1.偏振相关型光隔离器,2.偏振无关型光隔离器,偏振无关型光隔离器结构二,偏振无关型光隔离器结构三,光隔离器的技术参数1.插入损耗（1.0dB）2.反向隔离度（35dB）表征隔离器对反向传输光的衰减能力。,3.回波损耗（50dB）在隔离器输入端测得的返回光功率与输入光功率的比值。4.偏振相关损耗（PDL）（0.2dB）5.30dB隔离度带宽（20nm）,
