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光通信技术 主讲教师 刘岚岚llliu 信息技术IT InformationTechnology 包括四个部分 信息获取 信息传输 信息处理和信息应用 信息技术革命主要体现在三个方面 微电子技术数字技术光通信技术 第一章引言第二章传输光路第三章光发射机第四章光接收机第五章光放大 第一章引言光纤通信发展的历史 优点和应用 光纤通信的概念 光通信的概念 光通信是利用光波来传送信息的 通信技术 电通信 光通信 根据使用的电磁波频率范围分类 有线通信 无线通信 光纤通信是以光作为信息载体 以光纤作为传输介质的光信息传输技术 LASER 通信是通过某种媒体进行的信息传递 光纤通信优点 GOOD 损耗低 0 2dB km传输容量大 400nm 50THz重量轻 体积小 27g kmfiber资源丰富 石英抗电磁干扰 不易串音 抗雷击 通信质量高防爆性能好宽带宽 大容量 能量集中 器件尺寸小 功耗低 1 探索时期的光通信 在这个时期 美国麻省理工学院利用He Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验 由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质 对光通信的研究曾一度走入了低潮 1960年 美国人梅曼 Maiman 发明了第一台红宝石激光器 给光通信带来了新的希望 激光器的发明和应用 使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段 1880年 美国人贝尔 Bell 发明了用光波作载波传送话音的 光电话 贝尔光电话是现代光通信的雏型 原始形式的光通信 中国古代用 烽火台 报警 欧洲人用旗语传送信息 2现代光纤通信 指明通过 原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤 这一发展方向 1966年 英籍华裔学者高锟 C K Kao 和霍克哈姆 C A Hockham 发表了关于传输介质新概念的论文 指出了利用光纤 OpticalFiber 进行信息传输的可能性和技术途径 奠定了现代光通信 光纤通信的基础 光纤发明人高锟CharlesK Kao 论文 光频介质纤维表面波导 1966 Dielectric FiberSufaceWaveguideforOpticalFrequency 提出 制造石英光纤可实现光纤通信指出三点 光纤的容量很大高纯石英光纤的损失可低达20dB km单模光纤的原理构造 高锟 光纤之父 光纤通信发明家高锟 左 1998年在英国接受IEE授予的奖章 2009年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟 美国科学家威拉德 博伊尔和乔治 史密斯 瑞典皇家科学院说 高锟在 有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面 取得了突破性成就 他将获得今年物理学奖一半的奖金 共500万瑞典克朗 约合70万美元 博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件 电荷耦合器件 CCD 图像传感器 将分享今年物理学奖另一半奖金 1970年 光纤研制取得了重大突破 1970年 美国康宁 Corning 公司研制成功损耗20dB km的石英光纤 把光纤通信的研究开发推向一个新阶段 1972年 康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB km 1973年 美国贝尔 Bell 实验室的光纤损耗降低到2 5dB km 1974年降低到1 1dB km 1976年 日本电报电话 NTT 公司将光纤损耗降低到0 47dB km 波长1 2 m 在以后的10年中 波长为1 55 m的光纤损耗 1979年是0 20dB km 1984年是0 157dB km 1986年是0 154dB km 接近了光纤最低损耗的理论极限 1970年康宁研制出低损失光纤 Corning的3位科学家Dr DonalKeck Dr BobMaurer Dr PeterSchultz于1970年研制出低损失光纤 光纤长度 米 29 28 1损失 dB km 17 18 2芯直径 微米 3 7 单模 Dr Keck的实验室记录 Corning展览馆 1970年 光纤通信用光源取得了实质性的进展 1970年 美国贝尔实验室 日本电气公司 NEC 和前苏联先后 研制成功室温下连续振荡的镓铝砷 GaAlAs 双异质结半导体激光器 短波长 虽然寿命只有几个小时 但它为半导体激光器的发展奠定了基础 1973年 半导体激光器寿命达到7000小时 1976年 日本电报电话公司研制成功发射波长为1 3 m的铟镓砷磷 InGaAsP 激光器 1977年 贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时 1979年美国电报电话 AT T 公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1 55 m的连续振荡半导体激光器 由于光纤和半导体激光器的技术进步 使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑 实用光纤通信系统的发展 1976年 美国在亚特兰大 Atlanta 进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验 1980年 美国标准化FT 3光纤通信系统投入商业应用 1976年和1978年 日本先后进行了速率为34Mb s的突变型多模光纤通信系统 以及速率为100Mb s的渐变型多模光纤通信系统的试验 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线 随后 由美 日 英 法发起的第一条横跨大西洋TAT 8海底光缆通信系统于1988年建成 第一条横跨太平洋TPC 3 HAW 4海底光缆通信系统于1989年建成 从此 海底光缆通信系统的建设得到了全面展开 促进了全球通信网的发展 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段 第一阶段 1966 1976年 这是从基础研究到商业应用的开发时期 第二阶段 1976 1986年 这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期 第三阶段 1986 这是以超大容量 超长距离为目标 全面深入开展新技术研究的时期 3 光纤通信的应用 光纤可以传输数字信号 也可以传输模拟信号 光纤在通信网 广播电视网与计算机网 以及在其它数据传输系统中 都得到了广泛应用 光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速 是当前研究开发应用的主要目标 光纤通信的各种应用可概括如下 通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网 CATV 的干线和分配网数字机顶盒 STB SetTopBox 宽带双向的多媒体通信网 综合业务光纤接入网 现代通信方式示意图 光纤通信系统的基本组成 第一节光纤第二节无源光器件 第二章传输光路 传输光路要求 传输光路指的是从光信号的产生到接收的整个光通路要求 1 没有光能的损失2 没有色散和脉冲展宽 延迟问题 3 光强的响应是线性的4 偏振不敏感性 相位稳定性 第一节光纤 2 1 1光纤的一般理论2 1 2通信用光纤的结构 2 1 1光纤的一般理论 射线理论 光是一种频率很高的电磁波 而光纤本身是一种介质波导 全反射原理光线在均匀介质中是以直线传播的 但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象 当n1 n2 1 c时发生全反射 c 临界角 光纤中光波的传输原理 全反射 之 字线传输 只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输 当光在光纤中发生全反射现象时 由于光线基本上全部在纤芯区进行传播 没有光跑到包层中去 所以可以大大降低光纤的衰耗 光纤 全反射 纤芯8 10um 包层125um 涂覆层250um n1 n2 当光从折射率高 n1 的媒质入射到折射率低 n2 的媒质 入射角超过临界角时 光线在两种媒质的界面上不发生折射现象 只有反射 临界角 sin c n2 n1 横向谐振 2 ta n 2 1 2通信光纤结构和制造 1 光纤结构2 光纤的类型 纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅 并掺有少量的掺杂剂 提高纤芯的光折射率n1 包层也是高纯度的二氧化硅 也掺杂一些掺杂剂 主要是降低包层的光折射率n2 涂层采用丙烯酸酯 硅橡胶 尼龙 增加机械强度和可弯曲性 2 1 2通信光纤的结构 1 光纤的结构 1 光纤的结构石英光纤芯层包层涂敷层护套 紧套松套 ncore nclad 2 光纤的类型 光纤的分类方法很多 按照光纤截面折射率分布来分类 按照光纤中传输模式数的多少来分类 按照光纤使用的材料来分类 按照传输的工作波长来分类 1 按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为 阶跃型光纤 Step IndexFiber SIF 和渐变型光纤 Graded IndexFiber GIF 根据芯区折射率径向分布的不同 可分为 不同的折射率分布 传输特性完全不同 2 按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量 可以将光纤分为多模光纤 Multi ModeFiber MMF 和单模光纤 SingleModeFiber SMF 在一定的工作波上 当有多个模式在光纤中传输时 则这种光纤称为多模光纤 单模光纤是只能传输一种模式的光纤 单模光纤只能传输基模 最低阶模 不存在模间时延差 具有比多模光纤大得多的带宽 这对于高码速传输是非常重要的 3 按光纤的工作波长分类 按光纤的工作波长可以将光纤分为 短波长光纤 长波长光纤和超长波长光纤 4 按ITU T建议分类 按照ITU T关于光纤类型的建议 可以将光纤分为G 651光纤 渐变型多模光纤 G 652光纤 常规单模光纤 G 653光纤 色散位移光纤 G 654光纤 截止波长光纤 和G 655 非零色散位移光纤 光纤 按套塑 二次涂覆层 可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤 现在实用的石英光纤通常有以下三种 阶跃型多模光纤 渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤 单模光纤的种类 标准单模光纤 G 652光纤 色散位移单模光纤 G 653光纤 1550nm波长最低衰减光纤 G 654光纤 非零色散位移光纤 G 655光纤 色散补偿光纤 G 65X光纤 色散平坦光纤 在1310nm波长工作时 理论色散值为零 衰耗大 在1550nm波长工作时 传输损耗最低 色散系数较大 单通路速率达到STM 64时 需要采取色散调节手段 G 652光纤 标准单模光纤 在我国占99 以上 虽称1310nm性能最佳光纤 但绝大部分却用于1550nm 其原因是在1310nm无实用化光放大器 它可传输2 5G或以2 5G为基群的WDM系统 但传输TDM的10G 面临色散受限的难题 色度色散与PMD G 653光纤 色散位移单模光纤 实现了在1550nm波长低衰减和零色散 可以20Gbit s系统 不需任何色散补偿 日本全国铺设 在1550nm波长 衰耗和色散皆为最小值 可实现大容量长距离传输 因出现四波混频效应 FWM 限制了它在WDM 波分复用 方面的应用 G 654光纤 1550nm波长最低衰减光纤 选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减 最大优点 在1550nm波长的最低衰减为0 18dB km 制造困难 价格昂贵 不实用 截止波长移位的单模光纤 它的设计重点是降低1550nm波长处的衰减 1550nm损耗最小光纤 主要用于长再生中继距离的海底光缆 因既可传输TDM 时分复用模式 的10G 又可传以2 5G或10G为基群的WDM系统 所以近年倍受青睐 但理想的G 655光纤无法实现 因为在光纤的有效横截面积与色散斜率二方面难以均衡 目前 G 655光纤尚无国际统一规范 大的有效面积 会有效地避免非线性效应 但将导致色散斜率的增加 小的色散斜率将会便于色散的补偿 但其有效面积却减小 G 655光纤 非零色散位移光纤 单模光纤主要技术规范 重点 引起损耗的因素 1300 1550 850 紫外吸收 红外吸收 瑞利散射 0 2 2 5 损耗 dB km 波长 nm OH离子吸收峰 光纤损耗谱特性 损耗主要机理 材料吸收 瑞利散射和辐射损耗 光纤通信的三个 窗口 0 85 m 1 3 m 1 55 m 重点 AllWave 光纤 范崇澄FS 89 第二节无源光器件 主要功能 对信号 或能量 的传输路径进行连接 合成 分支 对信号的形态进行变换以及有目的衰减其能量等光无源器件在光纤通信系统 光纤局域网 包括计算机光纤网 微波光纤网 光纤传感网等 以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件 有着广泛的应用 第二节无源光器件3 2 1光纤连接器3 2 2光纤耦合器3 2 3波长相关器件滤波器光纤光栅WDM3 2 4偏光器件PC3 2 5功率相关器件光衰耗器 光隔离器 光环形器3 2 6自聚焦透镜与光纤准直器3 2 7光开关 重点 光纤通信系统的基本组成 第三章光发射机 电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机 第一节光发射机使用的光源第二节光的调制 重点 IM DD 强度调制 直接检测 是这样一种电路 其功能是将输入的数字电信号转化为用光的强度表征信息的数字光信号 第一节光发射机使用的光源 3 1 1半导体激光器 LD 3 1 2发光二极管 LED 3 1 1半导体激光器 LD laserdiode 1 法布里 珀罗谐振腔 晶体的天然解理面2 分布反馈激光器 DFB 光栅结构3 Bragg反射激光器 DBR 光栅结构 常用的激光器 同轴型FP激光器 法布里 珀罗谐振腔 晶体的天然解理面 常用的激光器 DFB激光器 双列直插蝶形封装 F P光谱特性 多谱线 模式多 选频特性不好 DFB光谱特性 3 1 2 发光二极管 LED lightemittingdiode LED是一种将电能转化为可见光的半导体 半导体激光器和发光二极管比较 重点 第二节光的调制 可能的承载信息的参量 光的幅度 幅度调制和强度调制光的频率 频率调制光的相位 相位调制光的偏振 偏振调制光的量子态 量子态调制现在成熟利用的光的参量是强度调制 重点 直接强度调制和外调制的区别 直接调制的光发射机 间接调制的光发射机 直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流 使输出光随电信号变化而实现的 这种方案技术简单 成本较低 容易实现 直接调制时 会引起激光器的谱线展宽 导致单模光纤色散增加 限制通信系统的容量 2 5Gb s 10Gb s 以下 外调制把激光的产生和调制分开 用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的 外调制的优点是调制速率高 缺点是技术复杂 成本较高 因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用 适用高速系统2 5Gb s 10Gb s 以上 第三节直接调制光发射机 电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机 LD的特点 工作电流超过阈值电流时才输出激光 是有阈值的器件 LD驱动电路 驱动LD光源器件发光必须是直流偏置电流Ib和信号电流Im共同作用的结果 3 3 1激光器的驱动电路 偏置部分调制部分 偏置电路是一个有用信号电流 调制部分 与直流电流的相加电路 偏置电路 要求 1 直流偏置电流接近激光器的阈值 2 偏置电流不能过大 重点 直流偏置脉冲信号 驱动电路原理 如果有两个电流源并联工作 那么总电流就等于这两个电流源电流之和 电流源 内阻非常大的电源 晶体管 偏置电路 差动放大电路 调制电路 要求 快的开关速度和保持良好的电流脉冲波形 可以看做一个双掷开关 通过控制2个开关的开合 达到调制的目的 K1 K2 差动放大电路 T1 T2 驱动芯片3669 3 3 2激光器的控制电路 温度控制激光器的阈值 发光功率 甚至于波长均与温度有关 稳定激光器的各项指标激光器是高发热器件 过高的结温将导致激光器损坏 保护激光器不损坏光功率控制 重点 温度控制 温控原理 温度控制 热敏电阻温度检测电桥 温度的变化 热敏电阻阻值变化 电压的变化 平衡电桥 放大 控制制冷器的制冷电流 控制温度 温度控制 半导体制冷器 帕尔帖元件 逆热电效应 电流产生两面的温度差 DRV591 FEATURES LowSupplyVoltageOperation 2 8Vto5 5VHighEfficiencyGeneratesLessHeatOver CurrentandThermalProtectionFaultIndicatorsforOver Current ThermalandUnder VoltageConditionsPWMSchemeOptimizedforEMI DRV591外部连接关系 光功率控制 为什么要光功率控制温度变化使光功率不稳定平均光功率不稳定带来的问题造成判决时脉冲的前后沿抖动 光功率控制 光功率控制原理 第四节外调制 直接强度调制和外调制的区别 直接调制的光发射机 间接调制的光发射机 外调制的方法 1电光效应2声光效应3磁光效应4EAM 电吸收调制 折射率随所施加的电压改变而改变的现象 光纤通信系统的基本组成 第四章光接收机 第一节光探测器第二节光接收机的性能要求 光接收机的作用是将传输光路中的光信号转换为电信号 概述 光纤通信系统的基本组成 光接收机 重点 光接收机 光检测器 重点 前置放大电路 半导体光电二极管的等效电路三种放大电路 1 高阻抗放大 灵敏度高 带宽迅低 动态范围降低 用于低速系统 2 低阻抗放大 带宽提高 动态范围有所改善 接收灵敏度低 信噪比低 3 跨阻抗放大 输入电阻比较小 动态范围比较大 反馈电阻比较大 所以电阻上的热噪声比较小 任务 将半导体光电二极管产生的微弱的光电流 无失真的转化为较大的电信号 然后进入主放大器作进一步的放大 第一节光检测器 光检测的物理基础 光电效应4 1 1PIN半导体光电二极管4 1 2APD雪崩光电二极管 4 1 1PIN半导体光电二极管 本征材料I intrinsic 不掺杂 步骤 1 在半导体表面被反射 损失一部分光能 2 透过不能产生电子空穴对的表面 进一步消耗一部分光能 3 剩余的光能到达能够产生电子空穴对的耗尽区 产生电子空穴对 4 最后剩余的一部分光能 透过耗尽区而消耗掉 雪崩光电二极管 APD 可以对尚未进入后面放大器的输入电路的初级光电流进行内部放大 这样可以显著地增加接收机的灵敏度 因为在还没有遇到接收机电路的热噪声之前就已放大了光电流 为了达到载流子的倍增 光生载流子必须穿过一个具有非常高的电场的高场区 4 1 2APD雪崩光电二极管 在这个高场区 光生电子或空穴可以获得很高的能量 因此它们高速碰撞在价带上的电子使之产生电离 从而激发出新的电子 空穴对 这种载流子倍增的机理称为碰撞电离 新产生的载流子同样由电场加速 并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电离产生 这种现象就是所谓的雪崩效应 当偏置电压低于二极管的击穿电压时 产生的载流子总数是有限的 偏置电压高于击穿电压时 产生的载流子就可以无限多了 APD雪崩光电二极管 获得雪崩增益的条件 1 有足够高的电压作用 所以雪崩二极管都是工作在高压下 2 需要一个产生雪崩效应的工作区 APD雪崩光电二极管结构 P I P N 吸收 增益 电场 距离 第二节光接收机的要求 1 极低的误码率 2 较高的接收灵敏度 较低的接收光平 3 较宽的带宽 即能够接收较高速率的光信号码流 4 较大的动态范围 即可以接收的最大的光信号和最小的光信号的范围比较大 5 较低的输出噪声 第五章光放大 第一节概述第二节半导体光放大器第三节掺铒光纤放大器 5 1概述 光放大器的出现是继光纤 激光器之后在光信息领域的新突破 在光纤通信中享有重要的地位 光放大器首先解决的是光路损耗的功率补偿问题 光放大器能对光信号直接放大 省去光电转换的麻烦 得到了广泛的应用 光放大器的出现 预示着光信息领域将有新的突破 它将成为光信号处理 光逻辑门 各种光功能器件的基础元件 光放大器的类型 一般 光放大器都由增益介质 泵浦源 输入输出耦合结构组成 根据增益介质不同分类根据泵浦源不同分类根据输入输出耦合结构不同分类 放大器的基本结构 根据增益介质的不同分类 活性介质半导体材料 半导体激光放大器掺稀土 Nd Sm Ho Er Pr Tm 和Yb 光纤 利用受激辐射机直接放大 如掺杂光纤放大器 基于光纤的非线性效应 受激散射 光纤喇曼放大器光纤布里渊放大器 光放大器的类型 半导体光放大器掺杂光纤放大器掺铒光纤放大器受激散射光纤放大器光纤拉曼放大器 根据泵浦类型不同分类 电泵浦 半导体光放大器光泵浦 光纤放大器掺铒光纤放大器光纤拉曼放大器 光泵浦 光泵浦是基于活性介质吸收泵浦光 使粒子从低能级跃迁到高能级 实现粒子数反转 各种掺杂光纤制作的光放大器属于这一类 电泵浦 半导体光放大器 外建电场实现粒子数反转利用半导体材料固有的受激辐射放大机制 实现相干光放大其原理和结构与半导体激光器相似