第1章光纖通信與光電子器件

授課教師：王天樞電話mail:wangts@光通信器件與技術2參考資料《光纖通信用光電子器件和組件》,黃章勇,北京郵電大學出版社《光通信器件與系統(tǒng)》，J.H.Franz，徐宏杰等譯，電子工業(yè)出版社《光通信器件》,(德)N.Grote,H.Venghaus王景山，沈欣捷，孫瑋譯，國防工業(yè)出版社光纖通信,JosephC.Palais,王江平等譯,電子工業(yè)出版社Fiber-OpticCommunicationsTechnology,DjafarK.Mynbaev,LowellL.Scheinereds.,PearsonEducation,

Inc.,

2001.光纖通信技術，科學出版社，2002(國外高校電子信息類優(yōu)秀教材)IEEE&IEE&OSA3第1章光纖通信與光電子器件4Contents光放大器光纖光纜

光調制器

光發(fā)射機

光纖通信系統(tǒng)簡介光無源器件光接收機

隨著上世紀80年代數(shù)值電子技術的崛起，計算機、互聯(lián)網(wǎng)以及智能化綜合的信息技術產生，引發(fā)了以信息革命為標志的人類發(fā)展的第三次浪潮，短短的三十年時間，其迅猛的發(fā)展和財富的積累遠遠超過之前的第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命。然而，科學家們在研究中發(fā)現(xiàn)光子器件響應時間比電子更快達3～6個數(shù)量級，在通信容量方面比電子更大3個數(shù)量級以上，5特別是激光光纖和光電成像技術的發(fā)明，使得當今世界信息技術的競爭焦點已由電子信息技術轉向光電子信息技術，光電信息產業(yè)將成為21世紀發(fā)展最快的產業(yè)，光電信息產業(yè)將成為21世紀高科技主導產業(yè)。黃尚廉院士曾經說：“光電信息產業(yè)是一個典型的高科技產業(yè)，它的最大特征是智力性和創(chuàng)新性，關鍵是人才。67光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀?原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息。

8?1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。?1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。9在這個時期，美國麻省理工學院的研究人員利用He-Ne激光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質，對光通信的研究曾一度走入了低潮。1966年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關于傳輸介質新概念的論文《光頻率的介質纖維表面波導》，指出了利用光纖（OpticalFiber

）進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎。10指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向。11高錕博士

1998年在英國接受IEE授予的獎章12

?1970年，光纖研制取得了重大突破：美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖，把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。

?1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。

?1973年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。

?1976年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。

?此后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。光纖13?1970年，光纖通信用光源取得了實質性的進展：美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質結半導體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激光器的發(fā)展奠定了基礎。

?1973年，半導體激光器壽命達到7000小時。

?1976年，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。

?1977年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到10萬小時。

?1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm的連續(xù)振蕩半導體激光器。1970年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑光源14

實用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

?1976年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。

?1980年，美國標準化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應用。

?1976年和1978年，日本先后進行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗。

?1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線。

?隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。

?第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設得到了全面展開，促進了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。光纖通信15光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段：

?第一階段(1966~1976年)，這是從基礎研究到商業(yè)應用的開發(fā)時期。?第二階段(1976~1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發(fā)展時期。

?第三階段(1986~1996年)，這是以超大容量超長距離為目標、全面深入開展新技術研究的時期。16國內外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀

1976年美國在亞特蘭大進行的現(xiàn)場試驗，標志著光纖通信從基礎研究發(fā)展到了商業(yè)應用的新階段。此后，光纖通信技術不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長從0.85μm發(fā)展到1.31μm和1.55μm(短波長向長波長），傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。隨著技術的進步和大規(guī)模產業(yè)的形成，光纖價格不斷下降，應用范圍不斷擴大。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎設施的支柱。在許多發(fā)達國家，生產光纖通信產品的行業(yè)已在國民經濟中占重要地位。17光纖通信整體發(fā)展時間表1974197619781980198219841986198819901992

100000

1000010001001010.1

0.8μm多模1.3μm單模1.55μm直接檢測光孤子光放大器1.55μm相干檢測系統(tǒng)性能(Gb/s?Km）18光纖光纖：光導纖維的簡稱，是一種能利用光的全反射作用來傳導光線的透明度極高的(玻璃)纖維。19光纖分類根據(jù)材料:石英光纖、玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物碲化物光纖等。塑料光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）制成。根據(jù)傳輸模式:單模光纖SM;多模光纖MM

多模光纖的纖芯直徑為50~62.5μm，包層外直徑125μm，單模光纖的纖芯直徑為8.3μm，包層外直徑125μm。根據(jù)折射率分布:階躍（Step-index），漸變折射率（graded-index）根據(jù)工作波長:short0.8～0.9μm；long1.0～1.7μm；Ultralongabove2μm20普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62L波段21

G.652光纖即常規(guī)單模光纖，在1310nm波長工作時，理論色散值為零；在1550nm波長工作時，傳輸損耗最低，但色散系數(shù)較大。單通路速率達到STM-64時，需要采取色散調節(jié)手段。G.653光纖在1550nm波長工作時性能最佳，又稱為色散移位光纖。零色散點從1310nm移至1550nm波長區(qū)。G.654光纖截止波長移位的單模光纖，它的設計重點是降低1550nm波長處的衷減。主要應用于需要很長再生段距離的海底光纖通信。G.655光纖又稱之為非零色散移位單模光纖，零色散點移至1570nm或1510…1520nm附近，使1550nm處具有一定的色散值。色散受限距離達數(shù)百公里?？梢杂行У臏p少波分復用系統(tǒng)的四波混頻的影響。根據(jù)ITU標準:22

◆光纖通信頻譜10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015Wavelength（m）ElectricphoneRadioTVmicrowaveinfraredVisiblelight雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電23

光是一種電磁波可見光350nm～750nm光纖通信所用的波長800～1600nm光的反射、折射全反射145014901530157016101650S+SCLL+

Wavelength(nm)24

頻帶寬，通信容量大理論上講一根單模光纖可利用的帶寬達20THz(1THz=1012Hz)以上，現(xiàn)在最先進的光纖通信系統(tǒng)達400GHz，而一路電話帶寬約占4KHz頻帶，一路彩色電視約占6MHz頻帶。損耗低，中繼距離長銅纜的損耗特性與纜的結構尺寸及所傳輸信號的頻率有關，光纜的損耗特性僅與玻璃的純度(或者說透明度)有關，高質量望遠鏡的鏡頭其損耗超過500dB/km，目前通信用光纖的最低損耗可低于0.2dB/km。光纖通信的優(yōu)點25具有抗電磁干擾能力光導纖維是絕緣體材料，不受輸電線,電氣化鐵路及高壓設備等電器干擾，可以與高壓電線平行架設，還可制成復合光纜。無串話，保密性好通信質量高。線徑細，重量輕，柔軟可制成大芯數(shù)高密度光纜。單芯光纜可安裝在飛機、火箭、潛艇及航天飛機上。節(jié)約有色金屬，原材料資源豐富可節(jié)約大量銅金屬。26

光纖的缺點質地脆，機械強度低光纖切斷和接續(xù)需要一定的工具，設備和技術分路，耦合不靈活光纖，光纜彎曲半徑不能過小(>20CM)在偏僻地區(qū)存在有供電困難問題27

◆光纖通信系統(tǒng)28

光纖通信鏈路基本結構291988年，在美國與英國、法國之間敷設了越洋的海底光纜（TAT-8）系統(tǒng)，全長6700公里。這條光纜含有3對光纖，每對的傳輸速率為280Mb／s，中繼站距離為67公里。這是第一條跨越大西洋的通信海底光纜，標志著海底光纜時代的到來。1989年，跨越太平洋的海底光纜（全長13200公里）也建設成功，從此，海底光纜就在跨越海洋的洲際海纜領域取代了同軸電纜，遠洋洲際間不再敷設海底電纜。第一個在中國登陸的國際海底光纜系統(tǒng)是1993年12月建成的中國——日本（C-J）海底光纜系統(tǒng)。1996年2月中韓海底光纜建成開通，分別在我國青島和韓國泰安登陸、全長549公里。1997年11月，我國參與建設的球海底光纜系統(tǒng)（FLAG）建成并投入運營，這是第一條在我國登陸的洲際光纜系統(tǒng)，分別在英國、埃及、印度、泰國、日本等12個國家和地區(qū)登陸，全長27000多公里，其中中國段為622公里。1999年。中國電信和新加坡等地的電信公司共同發(fā)起的亞歐海底光纜系統(tǒng)，該系統(tǒng)連接亞洲、歐洲和大洋洲，在33個國家和地區(qū)登陸，全長達38000公里，是世界上最長的海底光纜，采用先進的8波長波分復用技術，主干路由的設計容量高達40Gb/sSea-Me-We3

。光纖通信將朝著交換智能化和光電子器件集成化的方向發(fā)展。30

31單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。光纖通信器件321、光發(fā)送機組成框圖：

光源調制器通道耦合器電信號輸入光輸出驅動電路結構參數(shù)：發(fā)送功率，dbm概念光源光譜特性：輸出光功率足夠大，調制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長33電信號對光的調制的實現(xiàn)方式

直接調制

用電信號直接調制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。這種方案技術簡單，成本較低，容易實現(xiàn)，但調制速率受激光器的頻率特性所限制。

外調制

把激光的產生和調制分開，用獨立的調制器調制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。外調制的優(yōu)點是調制速率高，缺點是技術復雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復用和相干光通信系統(tǒng)中使用。34

(a)直接調制；(b)間接調制