《光通信基础知识》PPT课件.ppt

光通信基础知识,光学基础知识,光的本质电磁波,为什么发展光通信？,香农定理（Shannon Theory）：,C 指信息运载能力（比特/秒，bps), BW0（BandW0idth）是链路带宽（Hz），SNR是信噪比。 电信系统的运载信息能力与其带宽成正比，而带宽与载体的频率成正比。光纤通信系统的信息载体采用光所有可用信号中具有最高频率的载体，这也正是光纤通信系统具有最高的运载信息能力以及它们之所以成为现代电信的关键技术的原因。 （注：带宽大概是载波信号频率的10。）,一根同轴电缆能够支持13000个信道，陆地上的微波链路最多可以支持20000个信道，卫星链路可以支持100000个信道，而一根光纤通信链路，能够同时支持300000个双向语音信道。,单模光纤(SMF) & 多模光纤(MMF),1.在石英光纤中，ITU-T建议，标准单模光纤的直径为810m，标准多模光纤的纤芯直径为50m、 62.5m，它们的包层的直径均为125m。 2.对光纤较佳的运行波段，多模光纤运行波长为850nm或1300nm,而单模光纤运行波长则为1310nm或1550nm。,波动光学的基本原理,1. 干涉的基本原理：干涉是波的一个重要特征。光是电磁波，它也能产生干涉现象。在日常生活中可以观察到许多干涉现象，如水上的油膜在光的照射下显现出彩色花纹，肥皂泡在阳光下显示出五彩图案等等。各种光学元件镀的增透膜，WDM中常用的Filter等也都利用了光的干涉原理。,2. 衍射的基本原理：光在传播路径上遇到障碍物时，在障碍物之后，光的传播就偏离原来直线传播的方向，并且使光强分布在空间上变为不均匀，这种现象就是光的衍射现象。由于光波的波长短，所以光的衍射现象不易觉察。而声波的波长长，容易发生衍射现象。所以有“未见其人，先闻其声”。,3. 偏振的基本原理：按照电矢量在垂直于传播方向的平面内振动状态的不同，偏振光有不同的偏振态（或偏振结构）。实际中最常见的光的偏振态有五种：自然光、部分线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和线偏振光。立体电影就是利用光的偏振性。,油膜干涉现象,正三边形孔衍射图样,双折射晶体,o光和e光都是线偏振光,应用举例光的干涉,滤光片示意图,AR Coating,滤光片示意图,AR Coating,应用举例光的偏振,Isolator (隔离器）,功能图,原理图,Wedge,garnet,通信系统,发送器,接收器,信息,（语音，视频，数据）,信息,（语音，视频，数据）,链路,传输介质,一个点到点的电信系统,EDF,Pump Lasers,WDM,Isolator,Tap Coupler,PD,WDM,Isolator,Tap Coupler,PD,Devices Applications (EDFA Module),RX1,RX2,RX3,RX4,WDM,WDM,MUX,DEMUX,Power,Line,Pre-amplifier,外形图,光传输网络,为什么要用 WDM模块,Example: 4 signals, 100 km span length with regeneration,Without DWDM 4 x 100 km fibre 4 EDFA,With DWDM 4 ch Mux & Demux 1 x 100 km fibre 1 EDFA,光纤通信系统中的器件,波分复用,薄膜滤波器 光纤光柵 列阵波导光柵 全息光柵 光环行器 光交错复用器 分波/合波摸块,增益放大,光纤放大器 光隔离器 分路耦合器 泵浦激光器 光增益平衡器 光衰减器 半导体光放大器,光开关 光插分复用器 光交叉联接器 波长变换器 可调滤波器 可调激光器,开关交换,发送接收,信号激光器 光调制器 光电探测器 锁波器 光发送摸块 光接收摸块 光收发摸块,产品超过 9000 品种,系统管理,光性能监控管理摸块 色散补偿器 偏振模色散管理摸块,这些器件用在哪里？,通信网络：,信息服务业,材料供应商,电信运营商,设备供应商,器件供应商,信息技术食物链,光通信器件的分类,光器件按不同的特性和功能的分类: 光无源器件 Optical Passive Devices（光被动器件） 光有源器件 Optical Active Devices ( 光主动器件 ),Passive Products,Amplifier Components,Attenuator Products,Switching,MOMS,PBC,VCB,VSA,Interleaver,TFF D/CWDM,GFF,MATT Array,MV,Interconnects,SN,ES VOA,FFC,VCF,FFC/ TFF Combiner,Cable Assy,Adapters,Terminators,Wavelocker,Circulator,MATT DIL, TO, -package,Manual Switch,MEMs,Fixed Attenuators,Isolator,Hybrids,无源器件主要分为： 1、光连接器 (Connector) :光纤、器件之间的连接 2、光分光器/耦合器(Coupler): 光信号的耦合/分配 3、光衰减器(Attenuator):光功率衰减 4、光隔离器( Isolator ): 偏振相关型、偏振无关型 5、光环行器(Circulator): 固定顺序光路 6、光开关(Switch) : 光路的通断、选择 7、波分复用(WDM)器件:多路波长信号的合波、 分波, 密集波分复用(DWDM)器件：,您即将接触到的光学产品,无源器件（PASSIVE）-被动器件（光-光传输）,Passive Products,Active Products,Sourcing laser,Pump laser,Modulator,OA,EDFA Circuit pack,9xx 4w/uncooled,2.5Gb/s,APE,Cooled TOSA,CW1550,980 180/300/360,10Gb/s,PD,EDFA 15dBm,Uncooled TOSA,Tunable,APD 10Gb/s,PIN 10Gb/s,PIN Large area,APD 2.5Gb/s,14xx 300mw,有源器件（ACTIVE）-主动器件 （光电-电光转换）,有源器件有： 1、信号光源：光信号的发射 2、泵浦光源：光信号的放大 3、探测器： 光信号的探测等。 4、光调制器: 光信号的光调制和波长变换等。 5、光放大器: 光信号的放大,您即将接触到的光学产品,Active Products,光器件常用光学材料,透镜,C Lens,G Lens 自聚焦透镜 (格林透镜),常见透镜的比较,GRIN LENS,是指材料的折射率按一定规律渐变分布的透镜。 按其折射率分布规律的类型有： A) axial-gradient index lens B) radial-gradient index lens C) spherical-gradient index lens 其中axial-gradient index lens常用于connector, collimator, switch, isolator, WDM, etc,GRIN LENS,Z 0.04 mm,8 0.5,1.80 +0/-0.02 mm,0.5 +0.05/-0.20 mm,N.A.=0.46,GRIN Lens Parameters,A)Sol-Gel Process B)Chemical-vapor-deposition (CVD) method C)Ion Exchange Technique D)Thermal Diffusion Technique Ion Exchange Technique is often used for the GRIN LENS now.,Method of Manufacture of GRIN LENS,K+,Na+,GRIN LENS ROD,SALT,Ion-exchange technique,1. 折射率分布函数,n0为轴线折射率、A为透镜的聚焦常数、r为离轴距离。,Parameters of GRIN Lens,2. 光线在Lens 中的传播轨迹为,式中x0yo是光线在lens注入面（z=0）注入点的坐标，z为lens的长度。 是光线常数，且,Parameters of GRIN Lens,3. GRIN Lens 的数值孔径N.A.,a为GRIN Lens的半径,描述GRIN LENS收集光线的最大孔径角。数值孔径自中心至边缘不是常值，中心轴上最大，边缘点处最小。,NSG 公司GRIN Lens 的类型有SLS, SLW, SLH， N.A.分别为 0.37(43o), 0.46(55o), 0.60(74o) 。,Parameters of GRIN Lens,4. 节距（pitch）,指光线在GRIN Lens中所走过的一个完整周期的长度L。 在光纤通信用的器件中，常采用的是1/4(L)节距的GRIN Lens。,Point Source,0.25 pitch,Parameters of GRIN Lens,Collimated Beam,Point Source,0.25 pitch,0.5 pitch,1.0 pitch,Parameters of GRIN Lens,Molded Aspherical Lens,Metal Ring,Molded Lens,Metal ring needed for laser welding Cost is limited by the mounting of the metal ring Lens material should be flexible but is limited by CTE matching to the metal ring Lens optimization is difficult due to the shrinkage of glass Batch-to-batch uniformity should be good.,C-Lens,Allow angle polishing at the entrance like GRIN, reducing aspherical aberration Focal length is somewhat flexible, scaled with the diameter Uniformity await to be proven due to hand-polishing Material is flexible, allowing CTE matching,R,D,Lenses: limited choices,GRIN LENS 的应用,用于Collimator,Fiber end,Real image of the fiber end,Grin Lenses (0.23 pitch),GRIN LENS 的应用,Positioner #2,Positioner #1,用于Isolator,GRIN LENS 的应用,用于Isolator,Grin Lenses (0.23 pitch),GRIN LENS 的应用,另外，有提出：由于单片GRIN Lens难以同时满足单模光纤的小芯径（约810m)小数值孔径的要求（一般为0.11），而采用两片GEIN Lens 构成耦合系统，这样可进一步降低器件的插损。,Application of GRIN LENS,Application in WDM,Grin Lens (0.25 pitch),Grin Lens (0.25 pitch),Basic Internal Structure,Naked Common Structure,Center tube,Pigtail Sleeve,FTA,C or G Lens,Comments: Isolator, FWDM,AHC,AHX,PMFC and SPFI are based on some common materials as above chart. PBC and Circulator are special design, materials are different from other products.,Panda PM Fiber,Panda PM Fiber,Double Clad Fiber,AHX,PMFC,SPFI,DCF AHC,General products,Hybrid& double cladding fiber products,PM series products,1 晶体分类 均质晶体、单轴晶体和双轴晶体 2 单轴晶体中的双折射现象 3 Birefringence Crystals (TiO2, LiNbO3, YVO4, CaCO3) 4 双折射晶体在光通信中的应用 5 Magnetic-Optical Crystals,Crystals晶体,若 ，则为正单轴晶体，其光率体图为图a 若 ，则为负单轴晶体，其光率体图为图b,光轴,光轴,a 正单轴晶体,b 负单轴晶体,（ n e no）,（n e no）,x,x,y,y,no,no,ne,ne,单轴晶体中的双折射现象,o光是一个光矢量的振动方向垂直于自己的主平面的线偏振光，即它的振动方向始终与光轴垂直；e光则为光矢量的振动方向在自己的主平面内的线偏振光。当晶体光轴在入射面内时，o光和e光的主平面重合，两者的光矢量的振动方向互相垂直。一般情况下，o光的主平面和e光的主平面不完全重合，因而两光矢量的振动方向也不完全相互垂直。,单轴晶体中的o光e光的振动方向,铌酸锂晶体是一种很重要的晶体，被广泛地使用在各种不同的应用中。它也是一种较好的双折射晶体。虽然它的双折射率差比钒酸钇小很多，但由于它的价格低廉，目前被广泛地应用在光纤隔离器中。,双折射晶体LiNbO3,铌酸锂晶体的主要性能,晶体结构: 三角晶系, 空间点群 R3C,摩氏硬度：5 热膨胀系数 ( 25oC): a a=2.0 x 10-6/K, a c=2.2 x 10-6/K,光谱透过范围: 340nm 4600nm 折射系数及双折射系数: ne =2.1456, no = 2.2201; D n= no- ne =0.0745 1310 nm ne= 2.1381, no = 2.2112; D n= no- ne =0.0731 1550 nm,双折射晶体LiNbO3,钒酸钇晶体是一种优良的双折射晶体，机械性能和化学性能良好，双折射率差值大，透过波段宽,因此成为制作光束分离器，棱镜偏振器、光学隔离器、波分复用器、密集波分复用器等光学偏振元件的理想材料。,双折射晶体YVO4,钒酸钇晶体的主要性能 透过范围: 0.45-4.8m（高透过度 ) 莫氏硬度: 5（与玻璃相似） 热膨胀系数: a=4.4310-6 /K; c=11.3710-6 /K 湿度敏感性:不潮解 晶类: 正光性单轴晶n0=na=nb,ne=nc 折射率、双折射（n=ne-n0)和离散角（在45） n0=1.9929， ne=2.2154， n=0.2225， =6.04，at 0.63m n0=1.9500， ne=2.1554， n=0.2054， =5.72，at 1.30m,双折射晶体YVO4,e-beam,o-beam,e-beam,o-beam,d,Forward propagating,Application in Isolator,E-beam,O-beam,Backward propagating,O-beam,O-beam,E-beam,E-beam,S1,S2,S3,d1,d2,L,Application in Isolator,1 光隔离器对所用的磁光晶体材料要求为： 高的Verdet常数（V）、V的温度系数和波长系数尽量小 2 光隔离器常用的磁光晶体材料有两种： YIG晶体（石榴石单晶） 高性能磁光晶体,Magnetic-optic Crystal磁光晶体,Magnetic-optic Crystal磁光晶体,1 YIG晶体 为隔离器所用的传统磁光晶体材料，其波长范围在0.81.6m之间。它需强永久磁场，且价格昂贵，因而逐渐被新型材料代替。 2 高性能磁光晶体 是一种在石榴石单晶上生成的掺镱、镓、钬或铽等元素的薄膜材料。,Polarizer,Analyzer,Faraday Rotator,Polarizer,Analyzer,Faraday Rotator,Forward transmission,Backward transmission,Isolator (Single Stage MOFI),Faraday Rotator,Polarizer 1,Faraday Rotator 1,Forward tran