1、授課教師：王天樞授課教師：王天樞電話電話:mail: 光通信器件與技術光通信器件與技術2http:/參考資料參考資料光纖通信用光電子器件和組件光纖通信用光電子器件和組件, ,黃章勇黃章勇, ,北京郵電大學出版社北京郵電大學出版社v 光通信器件與系統光通信器件與系統，J.H.Franz，徐宏杰等譯，電子工業，徐宏杰等譯，電子工業出版社出版社v 光通信器件光通信器件, (德德)N. Grote, H. Venghaus 王景山，沈欣捷，王景山，沈欣捷，孫瑋譯，國防工業出版社孫瑋譯，國防工業出版社 v 光纖通信光纖通信, Joseph C.Palais, 王江平等譯王江平等

2、譯, 電子工業出版社電子工業出版社v Fiber-Optic Communications Technology, Djafar K. Mynbaev, Lowell L. Scheiner eds., Pearson Education, Inc., 2001. 光纖通光纖通信技術，科學出版社，信技術，科學出版社，2002 (國外高校電子信息類優秀教材國外高校電子信息類優秀教材)v IEEE & IEE & OSA3http:/第第1章章光纖通信與光電子器件光纖通信與光電子器件4http:/Contents光放大器光放大器 光纖光纜光纖光纜 光調制器光調制器 光發射機光發射機

3、 光纖通信系統簡介光纖通信系統簡介 光無源器件光無源器件光接收機光接收機 v 隨著上世紀隨著上世紀 8 0 年代數值電子技術的崛年代數值電子技術的崛起，起， 計算機計算機 、 互互 聯網以及智能化綜合的聯網以及智能化綜合的信息技術產生，信息技術產生， 引發了以信息革命為標志引發了以信息革命為標志的人類發展的第三次浪潮，短短的三十年的人類發展的第三次浪潮，短短的三十年時間，時間， 其其 迅猛的發展和財富的積累遠遠超迅猛的發展和財富的積累遠遠超過之前的第一次工業革過之前的第一次工業革 命和第二次工業革命和第二次工業革命。然而，命。然而， 科學家們在研究中發現光子科學家們在研究中發現光子 器器件響應

4、時間比電子更快達件響應時間比電子更快達 3 6個數量級個數量級，在通信容量，在通信容量 方面比電子更大方面比電子更大 3 個數量級個數量級以上，以上，5http:/ 特別是激光光纖和光電特別是激光光纖和光電 成像技術的發明，成像技術的發明， 使得當今世界信息技術的競爭焦點已由使得當今世界信息技術的競爭焦點已由 電電子信息技術轉向光電子信息技術，子信息技術轉向光電子信息技術， 光電信光電信息產業將成為息產業將成為 2 1 世紀發展最快的產業，世紀發展最快的產業， 光電信息產業將成為光電信息產業將成為 2 1 世紀高世紀高 科技主導科技主導產業。產業。 黃尚廉院士曾經說：黃尚廉院士曾經說： “ 光

5、電信息光電信息產業是一產業是一 個典型的高科技產業，它的最大個典型的高科技產業，它的最大特征是智力性和創新性，特征是智力性和創新性， 關鍵是人才關鍵是人才。67http:/光纖通信發展的歷史和現狀光纖通信發展的歷史和現狀 原始形式的光通信原始形式的光通信:中國古代用中國古代用“烽火臺烽火臺”報警，歐洲報警，歐洲人用旗語傳送信息。人用旗語傳送信息。 8 1880年，美國人貝爾年，美國人貝爾(Bell)發明了用光波作載波傳送話音的發明了用光波作載波傳送話音的“光電話光電話”。貝爾光電話是現代光通信的雛型。貝爾光電話是現代光通信的雛型。 1960年，美國人梅曼年，美國人梅曼(Maiman)發明了第一

6、臺紅寶石激光器，發明了第一臺紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望。激光器的發明和應用，給光通信帶來了新的希望。激光器的發明和應用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。年的光通信進入一個嶄新的階段。9http:/在這個時期，美國麻省理工學院的研究人員利用在這個時期，美國麻省理工學院的研究人員利用He - Ne激光器和激光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。激光器進行了大氣激光通信試驗。由于沒有找到由于沒有找到穩定可靠和低損耗的傳輸介質穩定可靠和低損耗的傳輸介質，對光通信的研究曾對光通信的研究曾一度走入了低潮。一度走入了低潮。1966年，英籍華裔學者年，英籍華裔學者高錕高錕(

7、C. K. Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C. A. Hockham)發表了關于傳輸介質新概念的論文發表了關于傳輸介質新概念的論文光頻率的介質纖維光頻率的介質纖維表面波導表面波導 ，指出了利用光纖（，指出了利用光纖（ Optical Fiber ）進行信息傳輸的）進行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了現代光通信可能性和技術途徑，奠定了現代光通信光纖通信光纖通信的基礎。的基礎。10http:/指明通過指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信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使用的低損耗光纖”這一發展方向。這一發展方向。11http:/高錕博士高錕博士1998年在英國接受年在英

8、國接受IEE授予的獎章授予的獎章12http:/ 1970年，光纖研制取得了重大突破：美國康寧年，光纖研制取得了重大突破：美國康寧(Corning)公司研制成功公司研制成功損耗損耗20dB/km的石英光纖，把光纖通信的研究開發推向一個新階段。的石英光纖，把光纖通信的研究開發推向一個新階段。 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。 1973 年，美國貝爾年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降年降低到低到1.1dB/km。 1976 年，日本電報電話年，日本電報電話(NTT)

9、公司將光纖損耗降低到公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長波長1.2m)。 此后的此后的 10 年中，波長為年中，波長為1.55 m的光纖損耗：的光纖損耗：1979 年是年是0.20 dB/km，1984年是年是0.157 dB/km，1986 年是年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論接近了光纖最低損耗的理論極限。極限。 光纖光纖13http:/ 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、日本電氣公司本電氣公司(NEC)和前蘇聯先后研制成功室溫下連續振蕩的鎵鋁砷和前蘇聯先后研制成功室溫下連續振

10、蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質結半導體激光器雙異質結半導體激光器(短波長短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激光器的發展奠定了基礎。光器的發展奠定了基礎。 1973 年，半導體激光器壽命達到年，半導體激光器壽命達到7000小時。小時。 1976年，日本電報電話公司研制成功發射波長為年，日本電報電話公司研制成功發射波長為1.3 m的銦鎵砷磷的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。激光器。 1977 年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到10萬小時。萬小時。 1979年美國電報電話年美國電報電話(AT&T

11、)公司和日本電報電話公司研制成功發射波公司和日本電報電話公司研制成功發射波長為長為1.55 m的連續振蕩半導體激光器。的連續振蕩半導體激光器。 1970 年成為光纖通信發展的一個重要里程碑年成為光纖通信發展的一個重要里程碑光源光源14http:/ 實用光纖通信系統的發展實用光纖通信系統的發展 1976 年，美國在亞特蘭大年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實用光纖通信進行了世界上第一個實用光纖通信系統的現場試驗。系統的現場試驗。 1980 年，美國標準化年，美國標準化FT - 3光纖通信系統投入商業應用。光纖通信系統投入商業應用。 1976 年和年和 1978 年，日本先后進

12、行了速率為年，日本先后進行了速率為34 Mb/s的突變型多模光纖通的突變型多模光纖通信系統，信系統， 以及速率為以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統的試驗。的漸變型多模光纖通信系統的試驗。 1983年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線。年敷設了縱貫日本南北的光纜長途干線。 隨后，由美、日、隨后，由美、日、 英、法發起的第一條橫跨大西洋英、法發起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通海底光纜通信系統于信系統于1988年建成。年建成。 第一條橫跨太平洋第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光纜通信系統于海底光纜通信系統于1989年建成。從年建成。從此，海底光纜通信系統的建設得

13、到了全面展開，促進了全球通信網的發展。此，海底光纜通信系統的建設得到了全面展開，促進了全球通信網的發展。光纖通信光纖通信15http:/光纖通信的發展可以粗略地分為三個階段：光纖通信的發展可以粗略地分為三個階段： 第一階段第一階段(19661976年年)，這是從基礎研究到商業應用，這是從基礎研究到商業應用的開發時期。的開發時期。 第二階段第二階段(19761986年年)，這是以提高傳輸速率和增加，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展時期。傳輸距離為研究目標和大力推廣應用的大發展時期。 第三階段第三階段(19861996年年)，這是以超大容量超長距離為，這是以超大容量

14、超長距離為目標、全面深入開展新技術研究的時期。目標、全面深入開展新技術研究的時期。16http:/國內外光纖通信發展的現狀國內外光纖通信發展的現狀 1976年美國在亞特蘭大進行的現場試驗，標志著光纖通信從基礎研究年美國在亞特蘭大進行的現場試驗，標志著光纖通信從基礎研究發展到了商業應用的新階段。發展到了商業應用的新階段。 此后，光纖通信技術不斷創新：光纖從多模發展到單模，工作波長從此后，光纖通信技術不斷創新：光纖從多模發展到單模，工作波長從0.85 m發展到發展到1.31 m和和1.55 m(短波長向長波長），傳輸速率從幾十短波長向長波長），傳輸速率從幾十Mb/s發展到幾十發展到幾十Gb/s。

15、隨著技術的進步和大規模產業的形成，光纖價格不斷下降，應用范圍隨著技術的進步和大規模產業的形成，光纖價格不斷下降，應用范圍不斷擴大。不斷擴大。 目前光纖已成為信息寬帶傳輸的主要媒質，光纖通信系統將成為未來目前光纖已成為信息寬帶傳輸的主要媒質，光纖通信系統將成為未來國家信息基礎設施的支柱。國家信息基礎設施的支柱。 在許多發達國家，生產光纖通信產品的行業已在國民經濟中占重要地在許多發達國家，生產光纖通信產品的行業已在國民經濟中占重要地位。位。17http:/光纖通信整體發展時間表光纖通信整體發展時間表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992

16、100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模多模1.3m單模單模1.55m直接檢測直接檢測光孤子光孤子光放大器光放大器1.55m相干檢測相干檢測系統性能系統性能(Gb/sKm）18http:/光纖光纖光纖：光纖：光導纖維的簡稱，是一種光導纖維的簡稱，是一種能利用光的全反射作用來傳導光能利用光的全反射作用來傳導光線的透明度極高的線的透明度極高的(玻璃玻璃)纖維。纖維。19http:/光纖分類光纖分類根據材料根據材料: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?；锕饫w等。塑料光纖

17、是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）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。制成。根據傳輸模式根據傳輸模式: 單模光纖單模光纖SM;多模光纖多模光纖MM多模光纖的纖芯直徑為多模光纖的纖芯直徑為5062.5m，包層外直徑，包層外直徑125m，單模光纖，單模光纖的纖芯直徑為的纖芯直徑為8.3m，包層外直徑，包層外直徑125m。根據折射率分布根據折射率分布: 階躍階躍（Step-index），漸變折射率（），漸變折射率（graded-index）根據工作波長根據工作波長: short 0.80.9m；long 1.01.7m； Ultra long abov

18、e 2m20http:/普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰減（衰減（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波長波長（m）6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段21http:/ nG.652光纖光纖n即常規單模光纖，在即常規單模光纖，在1310nm波長工作時，理論色散值為零；在波長工作時，理論色散值為零；在1550nm波長工作時，傳輸損耗最低，但色散系數較大。單通路速率達波長工作時，傳輸損耗最低，但色散系數較

19、大。單通路速率達到到STM-64時，需要采取色散調節手段。時，需要采取色散調節手段。nG.653光纖光纖n在在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移至移至1550nm波長區。波長區。nG.654光纖光纖n截止波長移位的單模光纖，它的設計重點是降低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。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。主要應用于需要很長再生段距離的海底光纖通信。nG.655光纖光纖n又稱之為非零色散移位單模光纖，零色散點移至又稱之為非零色散移位單模光纖，零

20、色散點移至1570nm或或15101520nm附近，使附近，使1550nm處具有一定的色散值。色散受限距處具有一定的色散值。色散受限距離達數百公里。可以有效的減少波分復用系統的四波混頻的影響。離達數百公里?？梢杂行У臏p少波分復用系統的四波混頻的影響。根據根據ITU標準標準:22http:/ 光纖通信頻譜光纖通信頻譜10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015Wave length（m）Electric phoneRadio TVmicrowa

21、veinfraredVisible light雙鉸線雙鉸線同軸電纜同軸電纜光纖光纖衛星衛星/微波微波AM無線電無線電FM無線電無線電23http:/ n光是一種電磁波光是一種電磁波n可見光可見光350nm750nmn光纖通信所用的波長光纖通信所用的波長8001600nmn光的反射、折射光的反射、折射n全反射全反射1450 1490 1530 1570 1610 1650S+ S C L L+ Wave length (nm)24http:/ n頻帶寬，通信容量大頻帶寬，通信容量大n理論上講一根單模光纖可利用的帶寬達理論上講一根單模光纖可利用的帶寬達20THz(1THz=1012Hz)以上，現在

22、最先進的光纖通信系統達以上，現在最先進的光纖通信系統達400GHz，而一路電話帶寬，而一路電話帶寬約占約占4KHz頻帶，一路彩色電視約占頻帶，一路彩色電視約占6MHz頻帶。頻帶。n損耗低，中繼距離長損耗低，中繼距離長n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的損耗特性僅與玻璃的純度(或者說透明度或者說透明度)有關，高質量望遠鏡有關，高質量望遠鏡的鏡頭其損耗超過的鏡頭其損耗超過500dB/km，目前通信用光纖的最低損耗可，目前通信用光纖的最低損耗可低于低于0.2 dB/km。光纖通信的優點光纖通信的優

23、點25http:/n具有抗電磁干擾能力具有抗電磁干擾能力n光導纖維是絕緣體材料，不受輸電線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。干擾，可以與高壓電線平行架設，還可制成復合光纜。n無串話，保密性好無串話，保密性好n通信質量高。通信質量高。n線徑細，重量輕，柔軟線徑細，重量輕，柔軟n可制成大芯數高密度光纜?？芍瞥纱笮緮蹈呙芏裙饫|。n單芯光纜可安裝在飛機、火箭、潛艇及航天飛機上。單芯光纜可安裝在飛機、火箭、潛艇及航天飛機上。n節約有色金屬，原材料資源豐富節約有色金屬，原材料資源豐富n可節約大量銅金屬?？晒?/p>

24、約大量銅金屬。26http:/ 光纖的缺點光纖的缺點n質地脆，機械強度低質地脆，機械強度低n光纖切斷和接續需要一定的工具，設備和技術光纖切斷和接續需要一定的工具，設備和技術n分路，耦合不靈活分路，耦合不靈活n光纖，光纜彎曲半徑不能過小光纖，光纜彎曲半徑不能過小(20CM)n在偏僻地區存在有供電困難問題在偏僻地區存在有供電困難問題27http:/ 光纖通信系統光纖通信系統28http:/ 光纖通信鏈路基本結構光纖通信鏈路基本結構29http:/n1988年，在美國與英國、法國之間敷設了越洋的海底光纜（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，全長）系統，全長6700公里。

25、這公里。這條光纜含有條光纜含有3對光纖，每對的傳輸速率為對光纖，每對的傳輸速率為280Mbs，中繼站距離為，中繼站距離為67公里。這是第一條跨越大西公里。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。洋的通信海底光纜，標志著海底光纜時代的到來。n1989年，跨越太平洋的海底光纜（全長年，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。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。n第一個在中國登陸的國際海底光纜系統是第一個在中國登陸的

26、國際海底光纜系統是1993年年12月建成的中國月建成的中國日本（日本（C-J）海底光纜系統。）海底光纜系統。n1996年年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。公里。n1997年年11月，我國參與建設的球海底光纜系統（月，我國參與建設的球海底光纜系統（FLAG）建成并投入運營，這是第一條在我國登）建成并投入運營，這是第一條在我國登陸的洲際光纜系統，分別在英國、埃及、印度、泰國、日本等陸的洲際光纜系統，分別在英國、埃及、印度、泰國、日本等12個國家和地區登陸，全長個國家和地區登陸，全長27000多多公里，

27、其中中國段為公里，其中中國段為622公里。公里。n1999年。中國電信和新加坡等地的電信公司共同發起的亞歐海底光纜系統，該系統連接亞洲、歐年。中國電信和新加坡等地的電信公司共同發起的亞歐海底光纜系統，該系統連接亞洲、歐洲和大洋洲，在洲和大洋洲，在33個國家和地區登陸，全長達個國家和地區登陸，全長達38000公里，是世界上最長的海底光纜，采用先進的公里，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波長波分復用技術，主干路由的設計容量高達40Gb/s Sea-Me-We 3 。n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展。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展。30