光纤通信技术基础0102 2014 0302

1、17:561光纤通信技术基础光纤通信技术基础 主讲人主讲人: : 魏淮魏淮 , , 曹继红曹继红 北京交通大学光波技术研究所北京交通大学光波技术研究所17:562北京交通大学光波技术研究所北京交通大学光波技术研究所17:563超净实验室超净实验室17:5642004年在年在G652光纤上实现了光纤上实现了16 10Gb/s 3000公里超长距公里超长距离无电中继传输离无电中继传输17:565注意事项注意事项 n课时安排：周学时:4 , 共 12 周n考核考核 30%平时平时+ 70%期末考试期末考试n答疑答疑 地点：北京交通大学光波楼地点：北京交通大学光波楼 310 ，306 电话：51684

2、017， 5168401617:566参考文献参考文献n 光波导理论，光波导理论， 吴重庆，清华大学出版吴重庆，清华大学出版社，社，20042004n 非线性光纤光学原理及应用非线性光纤光学原理及应用， G. P. G. P. AgrawalAgrawal, ,电子工业出版社，电子工业出版社，20022002n介质光波导理论介质光波导理论， D. Marcus D. Marcus，人民邮电，人民邮电出版社，出版社，19821982n导波光学导波光学，范崇澄等编著，北京理工大学，范崇澄等编著，北京理工大学出版社，出版社，19881988年年n光纤通信系统光纤通信系统 G. P. AgrawalG

3、. P. Agrawal，清华大学出版社，20042004nOptical Fiber TelecommunicationsOptical Fiber Telecommunications I, I, IVIV， TingyeTingye Li Li ，Academic Press 2002Academic Press 2002n光纤通信， 美甘民乐，厉鼎毅，北京邮电大学出版社2006n光纤通信光纤通信， G. Keiser, G. Keiser, 电子工业出版社，电子工业出版社，20022002n光纤光学光纤光学， 廖延彪，清华大学出版廖延彪，清华大学出版社，社，2000200017:567

4、教材以及课程内容教材以及课程内容光纤技术基础光纤技术基础光通信器件技术基础光通信器件技术基础 光纤通信系统和网络光纤通信系统和网络 光纤与光纤通信系统测量光纤与光纤通信系统测量 本门课程本门课程主要内容主要内容17:568课程内容课程内容引论引论 一维平面光波导一维平面光波导光纤模式理论光纤模式理论单模光纤单模光纤 光纤色散光纤色散 光纤中的光学非线性 基本概念基本概念理论基础电磁理论基础电磁理论基础17:569关于这门课程关于这门课程n学习光纤通信的重要性学习光纤通信的重要性n所有的骨干网已是光纤通信的天下n无线通信的基站之间的通信离不开光纤通信n随着网络业务的发展带宽需求不断增长光纤到户成

5、为发展趋势17:5610光纤通信与互联网技术的同步发展n1966年ARPANETn1974年，管理计算机和因特网之间连接的封包协议由Vinton G Cerf 和 Robert E Kahn以论文的形式发表出来。这个论文中有关数据包封装和交换的技术，也就是最后被称作TCP/IP的协议，使得网络互联成为了可能。 n万维网（World Wide Web） 在早期的超文本试验中逐步形成了。最终项目在1990年提交给CERN，命名为 万维网: 超文本项目计划 n90年代互联网迅速发展n1966年，高锟(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其发表的研究论文n1970年，美国Cor

6、ning，OVD，20dB/km，4dB/km ，1974年，美国AT&T，MCVD，性能更优越n80年代末期EDFA 发明，光放大代替电中继，使得长距离宽带全光传输实现。n90年代WDM迅速发展17:5611光纤通信的巨大优势n损耗低（0.2dB/km，中继距离50100km，铜缆为15km）n传输容量大（单根光纤400nm，50THz，每根光缆可容纳数十数百芯光纤）n重量轻，体积小（27g/km fiber）n石英资源丰富，光纤成本低n系统造价与维护成本大幅降低n抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，保密性强n通信质量高（光纤系统误码率优于1010）17:5612n课程特点，学习方法17:

7、5613第一章 引论n1.1、电通信技术的发展n1.2 光通信的必要性及其技术基础n1.3 光纤通信技术的历史、现状与未来n1.4、光纤制造技术和光缆n1.5、光纤基本特性n1.6、半导体光电子器件n1.7、光纤传输技术的发展17:5614n通信通信n信息的记录和交流与人类文明发展史信息的记录和交流与人类文明发展史密切相关密切相关n语言语言 文字文字 印刷印刷 造纸造纸 无线电和电话无线电和电话 互联网。互联网。n（知识的可积累性和快速扩散促成人类文明（知识的可积累性和快速扩散促成人类文明的迅速发展，这是人类在如此短的时间内发的迅速发展，这是人类在如此短的时间内发展到如此高度文明的重要因素）展

8、到如此高度文明的重要因素）17:5615n通信通信n自古以来通信就是人们的基本需求之一，这种需求促使人们设法发明能将信息从一个地方传送到另一个遥远地方将信息从一个地方传送到另一个遥远地方的系统。n古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警等方式进行信息传递。到了今天，随着科学水平的飞速发展，相继出现了无线电，固定电话，移动电话，互联网甚至可视电话等各种通信方式。 17:5616n信号调制，载频和系统传输容量信号调制，载频和系统传输容量 n为了实现数据高速、远距离地传输，必须把信号迭加在某一为了实现数据高速、远距离地传输，必须把信号迭加在某一个频率振荡的电磁波个频率振荡的电磁波(载波载波)上，这个过

9、程叫调制。上，这个过程叫调制。n载波频率高载波频率高 系统传输容量高系统传输容量高信源信源发送设备发送设备信道信道接收设备接收设备信宿信宿噪声、衰减噪声、衰减通信系统构成17:56171.1 电通信技术的发展电通信技术的发展17:5618n1838年，年，Morse发明具有数字格式的电报系统，宣告发明具有数字格式的电报系统，宣告电信时代的开始。电信时代的开始。1866年大西洋海底电报电缆系统年大西洋海底电报电缆系统投入运行。投入运行。n1876年，电话的发明成为电信技术发展的又一里程年，电话的发明成为电信技术发展的又一里程碑，其后的碑，其后的100余年间，以电话为基础的模拟通信技余年间，以电话

10、为基础的模拟通信技术、全球范围内电话网的建设及电话交换技术的研术、全球范围内电话网的建设及电话交换技术的研究成为通信领域的主流。究成为通信领域的主流。n由于电话用户的迅速增长，由于电话用户的迅速增长，1940年，同轴电缆的应年，同轴电缆的应用使干线载波频率达到用使干线载波频率达到10100MHz，可容纳数百至，可容纳数百至上千话路上千话路(4kHz/ch)。但对更高频率的电磁波，同。但对更高频率的电磁波，同轴电缆的损耗迅速增加。轴电缆的损耗迅速增加。17:5619n1948年，载波频率为年，载波频率为110GHz的微波通信系的微波通信系统投入应用。系统传输速率可达数百统投入应用。系统传输速率可

11、达数百Mbit/s，受载波频率的限制。，受载波频率的限制。n随着微电子与集成电路技术的发展，由于随着微电子与集成电路技术的发展，由于在抗干扰、保密性、信号处理设备的小型在抗干扰、保密性、信号处理设备的小型化和集成化以及系统可靠性等方面的巨大化和集成化以及系统可靠性等方面的巨大优势，从优势，从1950年起，数字通信技术迅速兴起。年起，数字通信技术迅速兴起。但数字系统需要比模拟系统大的多的带宽，但数字系统需要比模拟系统大的多的带宽，加剧了对通信带宽的需求。加剧了对通信带宽的需求。 17:5620n反应系统通信能力的技术指标n系统的速率系统的速率传输距离乘积传输距离乘积 BLn取决于载波频率和传输介

12、质特性17:56211103106109101210151985199019952000电报电话同轴电缆微波光波光放大器DWDMBL/(Gb.s-1.km)年份1985-2000年间比特率距离积年间比特率距离积的变化的变化17:5622n通信带宽不断增加，有线传输从架空明线到电缆通信带宽不断增加，有线传输从架空明线到电缆n1901年的海底电缆图年的海底电缆图n什么载体具有更宽的带宽呢？什么载体具有更宽的带宽呢？17:5623n通常情况下，系统所能达到的调制带宽约为其载波频率的 1/10；系统传输容量的大小直接受系统载波频率的限制；因此设法提高系统载波频率是增加系统传输容量的一条根本途径。n选择

13、更高频率的载波进行通信17:5624第一章 引论n1.1、电通信技术的发展n1.2 光通信的必要性及其技术基础n1.3 光纤通信技术的历史、现状与未来n1.4、光纤制造技术和光缆n1.5、光纤基本特性n1.6、半导体光电子器件n1.7、光纤传输技术的发展17:5625n1.2.1 光通信的必要性与空间光通信17:5626n电磁波（又称（又称电磁辐射）是由同相）是由同相振荡振荡且互相垂直的且互相垂直的电场电场与与磁场磁场在空在空间中以间中以波波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递效的传递能量能量和和动量动量。电磁辐射可以

14、按照频率分类，从低频率到高频。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有率，包括有无线电波无线电波、微波微波、红外线红外线、可见光可见光、紫外线紫外线、X射线射线和和伽伽马射线马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射，等等。人眼可接收到的电磁辐射，波长波长大约在大约在380至至780纳米纳米之之间，称为间，称为可见光可见光。n只要是本身温度大于只要是本身温度大于绝对零度绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。因此，人们周边所有的物体时刻都在存在温度等于或低于绝对零度的物体。因此，人们周边所有的物体时刻都在进行电

15、磁辐射。尽管如此，只有处于进行电磁辐射。尽管如此，只有处于可见光可见光频域以内的电磁波，才是可以被频域以内的电磁波，才是可以被人们看到的。电磁波不需要依靠人们看到的。电磁波不需要依靠介质介质传播，各种电磁波在真空中速率固定，传播，各种电磁波在真空中速率固定，速度为速度为光速光速。 17:562717:5628能量的相对大小能量的相对大小波长波长/nm400800120016002000紫外线紫外线 可见光可见光红外线红外线黄绿光黄绿光0太阳辐射光谱太阳辐射光谱17:5629电磁波产生机理无线电波无线电波:振荡电路中自由电荷的运动红外线红外线/可见光可见光/紫外线紫外线:伦琴射线伦琴射线:射线射

16、线:原子外层电子受激发后产生原子内层电子受激发后产生原子核受激发后产生17:5630通信波段划分及相应传输媒介 10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF 自由空间波长，自由空间波长，m频率，频率，Hz电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电传传输输介介质质光纤光纤17:5

17、631n现代光纤通信中常用的波长为1.55微米光波的载频是多少？21()cfcd fdcd 全波光纤的12601675nm约400nm带宽现在光纤通信系统中常用的普通掺铒光现在光纤通信系统中常用的普通掺铒光纤放大器纤放大器 工作带宽工作带宽1530nm1560nm 17:5632n光纤可用波段光纤可用波段nO波段（原始波段）波段（原始波段） 1260-1360nm. E波段（扩展波段）波段（扩展波段） 1360-1460nm. S波段（短波段）波段（短波段） 1460-1530nm. C波段（常规波段）波段（常规波段） 1530-1560nm.L波段（长波段）波段（长波段） 1560-1625

18、nm. U波段（超长波段）波段（超长波段） 1625-1675nm. 从理论上说，上述波段都可以用来进行通信，但由于受技术条件的限制，从理论上说，上述波段都可以用来进行通信，但由于受技术条件的限制，目前主要使用的通信波段为目前主要使用的通信波段为O波段（原始波段）和波段（原始波段）和C波段（常规波段）波段（常规波段） 17:5633宽带传输记录nOFC 2001, NEC 报道的超宽带传输实验； 117km 17:5634n2007年国际光通信会议（OFC2007）上阿尔卡特朗讯报道了25.6Tbit/s 传输实验， nthree 80-km spans. The data used wave

19、length division multiplexing in both the C(conventional) and L(long) wavelength n2007年欧洲光通信会议(ECOC2007)上阿尔卡特朗讯报道了在光纤通信研究领域的进展：通过单根光纤以12.8Tbit/s的速率创纪录地实现了2,550公里公里的长途信息传输n在实验中将160个80Gbit/s信道通过波分复用(WDM)复用到一根光纤上，实现了12.8Tbit/s的传送。n电话速率 64Kbit/s；12.8T=2亿路电话亿路电话17:5635n1901年海底电缆和年海底电缆和2008年海底光缆年海底光缆n光缆通信容

20、量远远高于电缆光缆通信容量远远高于电缆17:563617:5637n如何利用光波来通信？ 光通信的发展历程光通信的发展历程17:563817:5639n以发明电话而著名的贝尔，在1876年发明了电话之后，就想到利用光来通电话的问题。1880年，他利用太阳光作光源，大气为传输媒质，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电话的实验，通话距离最远达到了213米。1881年，贝尔宣读了一篇题为关于利用光线进行声音的产生与复制的论文，报导了他的光电话装置。在贝尔本人看来：在他的所有发明中，光电话是最伟大的发明。 早期，光波通信没有显示其优点，人们对其兴趣不大！早期，光波通信没有显示其优点，人们对其兴趣不

21、大！17:5640贝尔的光电话贝尔的光电话ABN光接收器光接收器(硒片硒片)话筒太阳光(弧光灯)17:5641面临的问题n利用光在大气中传送信息方便简单，所以人们开利用光在大气中传送信息方便简单，所以人们开始研究的光通信都是这种方式。始研究的光通信都是这种方式。n但是光在大气中的传送要受到气象条件的很大限但是光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况，制，比如在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况，就会使信号传输受到很大阻碍。就会使信号传输受到很大阻碍。 n此外，太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适此外，太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源。合

22、作为通信的光源。17:5642n要用光来通信，必须要解决几个最根本的问题：要用光来通信，必须要解决几个最根本的问题：n一是必须有稳定的、低损耗的一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质传输媒质；由于光；由于光频极高，透过障碍的能力很差。（必须通过低损频极高，透过障碍的能力很差。（必须通过低损耗介质波导传输）耗介质波导传输）n另一个问题是必须要找到高强度的、可靠的另一个问题是必须要找到高强度的、可靠的光源光源。一般光源方向性和相干性太差。一般光源方向性和相干性太差。n没有合适的没有合适的检测检测设备。设备。n在贝尔光电话发明后的几十年中，由于这些关键在贝尔光电话发明后的几十年中，由于这些关键技术没有得

23、到解决，光通信就一直裹足不前。技术没有得到解决，光通信就一直裹足不前。 17:5643n使用短波激光通信的缺点？使用短波激光通信的缺点？n长波无线电波可以很容易穿透浓雾和大雨，在空长波无线电波可以很容易穿透浓雾和大雨，在空气中自由传播，但是短波激光会被空气中的水蒸气中自由传播，但是短波激光会被空气中的水蒸气和其它颗粒反射回来，以至于不是被分散就是气和其它颗粒反射回来，以至于不是被分散就是被阻挡住。一个多雾的天气会使激光通讯联络终被阻挡住。一个多雾的天气会使激光通讯联络终断，因此光需要一个类似于电话线的导管断，因此光需要一个类似于电话线的导管。17:5644 实现光通信所需要解决的问题发送设备发

24、送设备接收设备接收设备信道信道17:5645n1960年梅曼发明了红宝石激光器，光源问题得到解决。相关的半导体技术：激光器，检测器，也逐步发展起来。n此后人们掀起了对潜在的光载波传输媒质光纤的研究热潮。17:5646n1.2.2 光纤技术的发展17:5647光纤的研制和发展过程n早期的一些发现和发明早期的一些发现和发明n19世纪中，全内反射原理的发现（光世纪中，全内反射原理的发现（光束随水流弯曲）束随水流弯曲） 1841年David Colladon，1854年英国的廷达尔(Tyndall) 观察到光在水与空气分界面上作全反射以致光随水流而弯曲的现象；17:5648n1841年，David C

25、olladon 教授第一次在一束跨过桌子的水流中通过一束光束，让光进行全反射来实现光在水流中的传播17:5649n20世纪世纪20年代制成无包层玻璃光纤年代制成无包层玻璃光纤1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤并用于光线和图象的短距离传输n20世纪世纪50年代发现使用包层能够改善光纤的特性，年代发现使用包层能够改善光纤的特性，1953年年6月月van Heel 向向自然自然杂志提交摘要后，杂志提交摘要后，用荷兰语发表了第篇一光纤包层的论文。用荷兰语发表了第篇一光纤包层的论文。 1954年年1月月 van Heel在在自然自然上发表论文。上

26、发表论文。n光纤在光纤在1950年代进入实用（主要用于医疗，年代进入实用（主要用于医疗，短距短距离离成像）成像）17:5650n但是到但是到20世纪世纪60年代中期，光纤损耗仍在年代中期，光纤损耗仍在400dB/km以上以上,很多人对光纤通信丧失了信心。很多人对光纤通信丧失了信心。n转折转折发生在发生在19661966年，年，英格兰标准实验室的华裔学英格兰标准实验室的华裔学者高锟（者高锟（ Charles Kao ）博士等从理论上断定可）博士等从理论上断定可以获得透明度高得多的纤维。以获得透明度高得多的纤维。 Kao, K.C. and Hockham, G.A., Dielectric-fi

27、bre Surface Waveguides for Optical Frequencies, Proc. I.E.E. Vol. 113, No. 7, July 1966, pp. 1151-115817:5651n在具有在具有里程碑意义里程碑意义的理论性论文中，他们表明的理论性论文中，他们表明现现存光纤的高损耗理论上是由玻璃中的微小杂质存光纤的高损耗理论上是由玻璃中的微小杂质-主要是水和金属主要是水和金属-而不是玻璃本身固有的局限造而不是玻璃本身固有的局限造成的。成的。他们预言纤维中的光损失可以从每千米他们预言纤维中的光损失可以从每千米1000分贝急剧降到不到分贝急剧降到不到20分贝。分

28、贝。n表征光纤损耗的物理量单位：表征光纤损耗的物理量单位：dB/kmn假如有这样的进步，那么扩大信号的放大器就可以设置在每隔几英里还不是几码处-比得上用来放大传统电话线中的微弱信号的扩音器间隔了 17:5652高锟n1933年出生于中国上海。他先后于1957年和1965年在伦敦大学分别获得电机工程学士和博士学位。n高锟教授（Prof. Charles K. Kao）被世界誉为“光纤之父光纤之父”，曾任香港科技大学校长。1990年，他获选美国国家工程院院士。n2009年诺贝尔奖17:56531966年，高锟在英国标准电信研究所年，高锟在英国标准电信研究所1998年，高锟（左）在英国接受年，高锟（

29、左）在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章高锟教授（高锟教授（Prof. Charles K. Kao）被世界誉）被世界誉为为“光纤之父光纤之父”17:5654光纤损耗问题的根源损耗原因：损耗原因：1) 玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁、锰、玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁、锰、OH- 2) 光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及其光纤拉制工艺造成芯、包层分界面不均匀及其 所引起的折射率不均匀所引起的折射率不均匀新的发现：玻璃纤维在红外光区的损耗较小新的发现：玻璃纤维在红外光区的损耗较小 在具有里程碑意义的理论性论文中，高锟预言纤维中的在具有里程碑意义的理论性论文中，高锟预言纤维中的光损失可以从每公

30、里光损失可以从每公里1000分贝急剧降到不到分贝急剧降到不到20分贝！分贝！ 指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于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长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方这一发展方向向17:5655要将杂质降低到什么程度？要将杂质降低到什么程度？关键问题关键问题: 如何在制造工艺上降低光纤中的如何在制造工艺上降低光纤中的杂质含量？杂质含量？ppmppm: :百万分之一百万分之一ppb:ppb:十亿分之一十亿分之一pptppt: :万亿分之一万亿分之一17:5656n有了理论指导，人们对光纤通信的希望再次点燃，并加紧了对光纤的研制。n终于，美国康宁玻璃公司终

31、于，美国康宁玻璃公司1970年研制年研制出损耗出损耗20dB/km 的光纤。光纤通信步的光纤。光纤通信步入实用。入实用。17:5657nCorningn康宁在财富2008年高盈利科技企业排行榜上高居12，与其他上榜企业相比，他又是一家诞生于1851年的古老家族企业。17:5658康宁公司康宁公司涉足领域：光学通信，信息显示，环保产品等 n1879年，最先发明并制造出玻璃灯泡，使爱迪生的发明成为现实。 n1947年，最先发明并大规模制造出电视显象管，使电视进入千家万户。 n1970年，最先发明并制造出世界第一根（低损耗）光纤，使光纤通信得以广泛应用。17:56591970年代工艺逐步成熟年代工艺

32、逐步成熟n1970年，美国Corning，OVD，20dB/km，4dB/kmn1974年，美国AT&T，MCVD，性能更优越n1976年，荷兰Philips，PCVD，性能相当n1979年，整体水平：损耗1310nm=0.33dB/km,损耗1550nm=0.2dB/kmn今天的普通光纤，损耗1550nm=0.18dB/kmn“如果世界上的海水有这么清澈，一个人可以穿过太平洋的最深处，象看游泳池底一样容易地看到海洋底。”17:56601980年代光纤步入实用年代光纤步入实用n1978年AT&T, 英国邮政局和STL联合开发越大西洋单模光纤光缆，最新采用1300nm处的窗口，计

33、划将在1988年建成 。同年底，贝尔实验室放弃开发海底同轴电缆系统的计划。 n1980年贝尔实验室开始Bell公开宣布越大西洋光缆TAT-8采用单模光纤，工作波长在1300nm。n1984年英国电信铺设的海底光纤开始传输普通电话信号。 n1985年横贯美国大陆的单模光纤以400Mbit/s的速度传输长途电话。 17:5661n1988年大西洋海底光缆铺设并开通年大西洋海底光缆铺设并开通17:566219871987年，英国南安普敦大学的年，英国南安普敦大学的PaynePayne等人发明等人发明EDFAEDFA，被视为光纤通信发展的另一个里程碑被视为光纤通信发展的另一个里程碑 n从技术史的角度来

34、看，相当于电子技术中晶体管的发明。最近十年来，光通信领域再没有一项发明象EDFA那样耀眼，但其实EDFA历史至少可追溯到上世纪六十年代初美国光学公司斯尼泽（Elias Snitzer）所作的开创性工作，只是在1988年英国南安普顿大学佩恩（David Payne）教授在不知晓前辈工作的情况下“重新发明”的EDFA才引起了世人的注意 17:5663DWDM之父厉鼎毅美国AT&T Bell实验室光纤通信部主任。美国工程院院士。1996年6月当选为中国工程院外籍院士。 17:5664n可以说天赐良缘让可以说天赐良缘让EDFA和和WDM结合，宽带才可能成为现结合，宽带才可能成为现实。实。17:

35、56651995年年, AT&T安装全球第一套采用安装全球第一套采用EDFA, WDM的陆地商用系统。的陆地商用系统。1996年，年，AT&T和和Alcatel首次铺设采用首次铺设采用EDFA的跨大西洋光缆，其中单通信速率为的跨大西洋光缆，其中单通信速率为5Gbit/s。从此以后，从此以后，WDM的应用便在全世界范围内大的应用便在全世界范围内大规模铺开。同时，因特网浏览器的出现刺激其规模铺开。同时，因特网浏览器的出现刺激其业务流量呈指数增长，而这业务流量呈指数增长，而这恰好是恰好是经济经济增长增长的的保证。保证。 17:5666对通信产业而言，全球范围内解除通信管制加剧了对通信

36、产业而言，全球范围内解除通信管制加剧了在业务上和在硬件上的竞争。长途传输市场的成功在业务上和在硬件上的竞争。长途传输市场的成功加上相对廉价器件的出现，为光技术的其它应用开加上相对廉价器件的出现，为光技术的其它应用开辟了更广阔的市场，辟如有线电视（辟了更广阔的市场，辟如有线电视（CATV）和本）和本地接入网市场。地接入网市场。到到1997年，专营电话公司在业界已不在处于主宰年，专营电话公司在业界已不在处于主宰地位，新公司已经可以供应器件和系统，而一些刚地位，新公司已经可以供应器件和系统，而一些刚成立的小公司则开始提供区域交换和因特网业务。成立的小公司则开始提供区域交换和因特网业务。17:5667

37、 DWDMDWDM及相关技术在及相关技术在9090年代中期开始走向成熟并进年代中期开始走向成熟并进入商业化应用。入商业化应用。 AT&TAT&T于于19961996年年3 3月建立了世界上第一条月建立了世界上第一条8 8通道的通道的DWDMDWDM系统。系统。 AT&TAT&T、MCIMCI、WorldcomWorldcom、SprintSprint等公司在他们美等公司在他们美国境内的国境内的90%90%网络上装上了网络上装上了DWDMDWDM系统。系统。19971997年年-1998-1998年，全球年，全球DWDMDWDM市场从市场从1717亿美元增亿美元增

38、加到加到2222亿美元，年增长率为亿美元，年增长率为3232。系统增加到。系统增加到40004000多条，增长率为多条，增长率为98%98%。至。至20042004年市场总额预年市场总额预计为计为7474亿美元。增长率为亿美元。增长率为23%23%。17:5668因特网浏览器促使数据流迅猛增长，让人不难想到因特网浏览器促使数据流迅猛增长，让人不难想到其营业收入空间巨大无比。其营业收入空间巨大无比。与此同时，与此同时，WDM技术进步及其广泛应用有力地支技术进步及其广泛应用有力地支持了因特网业务并激发了人们对因特网的狂热。持了因特网业务并激发了人们对因特网的狂热。因而企业家们在多家公司中投资几十亿

39、美金来争夺因而企业家们在多家公司中投资几十亿美金来争夺同一块馅儿饼，随后他们终于明白迅速增长的网络同一块馅儿饼，随后他们终于明白迅速增长的网络容量已经远远超过实际需求。容量已经远远超过实际需求。17:56692000年来，由于网络泡沫的破碎，光通信进入年来，由于网络泡沫的破碎，光通信进入低潮。低潮。尽管如此，电信的内在需求没有改变；电信业尽管如此，电信的内在需求没有改变；电信业务放慢脚步但仍继续增长；务放慢脚步但仍继续增长；特别是过去若干年的巨大技术进步仍然会对未特别是过去若干年的巨大技术进步仍然会对未来的通信产生重要影响。来的通信产生重要影响。17:5670发展到今天发展到今天：l单根光纤上

40、的长距离传输速率可达12.8Tbit/s (Alcatel 2007)l单根光纤上可同时传输1046个波长 (NTT 2005)l长途骨干网基本上都采用光缆, 截至2006年，我国长途光纤网总长约425.9万公里万公里17:5671n除了光纤损耗的降低使得光纤通信步入实用，在其他方面：n1.2.3 模间色散与单模光纤技术n1.2.4 群速色散与动态单纵模激光器n从模式色散和色度色散方面进一步提高了光纤通信的传输速率和传输距离17:5672光脉冲信号中的不同频谱成份在光纤中的传输速度不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散。脉冲展宽脉冲展宽T17:5673第一章 引论n1.1、电通信技术的发展n1.

41、2 光通信的必要性及其技术基础n1.3 光纤通信技术的历史、现状与未来n1.4、光纤制造技术和光缆n1.5、光纤基本特性n1.6、半导体光电子器件n1.7、光纤传输技术的发展17:5674第一代：第一代：19661979 (从基础研究到商业应用的开发时期从基础研究到商业应用的开发时期)激光器激光器(GaAlAs/GaAs)，波长波长0.85m，多模光纤，多模光纤，Si光电探测器。光电探测器。最大中继距离最大中继距离10km (当时的同轴电缆系统中继距离为当时的同轴电缆系统中继距离为1km)，比，比特率为特率为10100Mb/s。多模色散和损耗是限制中继距离的关键。多模色散和损耗是限制中继距离的

42、关键。早期早期850nm光纤通信系统光纤通信系统17:5675第二代：上世纪第二代：上世纪80年代早期年代早期 (减小了光纤色散减小了光纤色散)激光器激光器(InGaAsP/InP)，波长波长1.3m，单模光纤，单模光纤，Ge，InGaAs探测器，最大中继距离探测器，最大中继距离50km，比特率为，比特率为2.0Gb/s。光纤的损耗。光纤的损耗(0.5 dB/km)限制了中继距离。限制了中继距离。1.31m光纤通信系统光纤通信系统17:5676第三代：上世纪第三代：上世纪80年代后期初年代后期初90年代初年代初 (降低了光纤损耗降低了光纤损耗)激光器激光器(InGaAsP)波长波长1.55m，

43、单模，单模(色散位移色散位移)光纤，比特率光纤，比特率为为2.510Gb/s，最大中继距离，最大中继距离100km。这个阶段的缺点是采用。这个阶段的缺点是采用电的方式中继。电的方式中继。1.55m光纤通信系统光纤通信系统17:5677第四代：上世纪第四代：上世纪90年代之后年代之后 (引入了引入了WDM和全光放大技术和全光放大技术)激光器激光器(InGaAsP)波长波长1.55m，单模光纤，采用，单模光纤，采用波分复用技术波分复用技术和和光放大技术光放大技术，单波长信道比特率为，单波长信道比特率为2.510Gb/s，传输距离，传输距离14000 km，并提出光通信智能化的概念，并提出光通信智能

44、化的概念WDMWDM和全光放大技术和全光放大技术WDM技术出现17:5678传输系统简介传输系统简介E EM MU UX X电端机电端机再生再生中继中继再生再生中继中继E ED DM MU UX X电复用电复用 电解复用电解复用电端机电端机同轴电缆、微波同轴电缆、微波E ED DM MU UX XO/E/OO/E/O光光 缆缆E EM MU UX X光发送光发送再生再生中继中继再生再生中继中继电复用电复用 电解复用电解复用光接收光接收(1)(1)传统的电传输系统传统的电传输系统(2)(2)光电混合型光纤传输系统光电混合型光纤传输系统17:56791310RPTR1310RPTR1310RPTR

45、1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR

46、1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXWDM+EDFA WDM+EDFA 革新了光纤传输革新了光纤传输O OM MU UX X

47、O OD DM MU UX XOAOAOAOAOAOA光发送光发送光发送光发送光发送光发送，光接收光接收光接收光接收光接收光接收17:5680n外调制技术与光时分复用17:5681n直接调制17:5682n外调制17:5683超短脉超短脉冲光源冲光源时钟源时钟源MODMODMODMOD延时EDFA耦合器耦合器时分解复用器时钟提取接收机接收机 MODOTDM光纤传输系统17:5684n光纤通信网n网络全光化网络全光化n需要解决“电子瓶颈”问题；当前和今后一个时期光纤通信技术的热点研究领域；何时才能成熟并投入实际运营目前无法预测。n光纤接入网光纤接入网n价格，费用，降低成本。17:56851986

48、1986年年建立了国内第一条光缆干线建立了国内第一条光缆干线宁汉光缆宁汉光缆19991999年年建成建成8 8纵纵8 8横光纤骨干网，覆盖了除台湾外所横光纤骨干网，覆盖了除台湾外所有省会城市和有省会城市和7575地市地市目前，我国长途骨干网经中美、中日、中韩等海缆目前，我国长途骨干网经中美、中日、中韩等海缆和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。和欧亚大陆桥光缆与国际光缆网连接。20052005年，我国光缆线路总长度超过年，我国光缆线路总长度超过250250万万1012公公里，居世界前列。里，居世界前列。全网全网SDHSDH系统超过系统超过3535万台，成为世界上万台，成为世界上SDHSDH第一大国

49、。第一大国。我国光纤通信的发展我国光纤通信的发展17:5686我国光缆骨干网分布图FLAGFiber Optic Link around the Globe架空光缆架空光缆直埋光缆直埋光缆北京北京上海上海至欧洲至欧洲至日本至日本FLAG至韩国至韩国至朝鲜至朝鲜至俄罗斯至俄罗斯至东南亚至东南亚截止到2006年,我国光缆总长度425.9万公里!17:5687n世界光纤产值从96年92亿美元到2002年198亿美元，每6年翻一番n现在世界上光纤生产速度为3200km/小时，即每天生产的光纤可绕地球两周n1999年底累计的全世界光纤用量已经达到3亿公里。光纤通信的迅速发展光纤通信的迅速发展17:568

50、8n光通信发展趋势图光通信发展趋势图17:5689快速发展背后的问题快速发展背后的问题 19971997年年20002000年年增长倍数增长倍数每根光纤传送容量每根光纤传送容量2020（Gb/sGb/s）800800（Gb/sGb/s）4040倍倍每根光缆传送容量每根光缆传送容量400400（Gb/sGb/s）8000080000（Gb/sGb/s）200200倍倍每台交换机容量每台交换机容量5555（Gb/sGb/s）640640（Gb/sGb/s）1212倍倍每台交换机交换光纤数每台交换机交换光纤数2.752.75根根0.80.8根根每根光缆所用交换机每根光缆所用交换机7 7台台12512

51、5台台17:5690光发射机连接器光缆光缆电视发送设备同轴网络熔接点熔接点光接收机光缆光缆模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统17:5691光发射机连接器光缆光缆熔接点熔接点光接收机光接收机脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)光缆光缆判决解码数字光纤通信系统数字光纤通信系统17:5692光纤结构光纤结构n光纤是具有圆对称结构的截止波导纤维，通常光纤是具有圆对称结构的截止波导纤维，通常由芯子和包层两部分构成，芯子通过掺由芯子和包层两部分构成，芯子通过掺Ge而具而具有较高的折射率，在芯子和包层的界面上满足有较高的折射率，在芯子和包层的界面上满足全反射条件的光线被约束在光纤内不断向前传全反射条件的光线被约

52、束在光纤内不断向前传输。输。17:5693为什么低损耗光纤制作如此困难？n高琨指出高琨指出“现存纤维的高损耗理论上是由现存纤维的高损耗理论上是由玻璃中的微小杂质玻璃中的微小杂质-主要是水和金属主要是水和金属-而不而不是玻璃本身固有的局限造成的。是玻璃本身固有的局限造成的。”n要将杂质降低到什么程度？要将杂质降低到什么程度？n1ppm OH- ,将导致将导致40dB/km 损耗损耗n600ppb Cu 或或1ppm Fe，导致，导致120dB/km损耗损耗17:5694第一章 引论n1.1、电通信技术的发展n1.2 光通信的必要性及其技术基础n1.3 光纤通信技术的历史、现状与未来n1.4、光纤

53、制造技术和光缆n1.5、光纤基本特性n1.6、半导体光电子器件n1.7、光纤传输技术的发展17:5695(2)光缆光缆(1)光纤制造光纤制造技术技术1.41.4光纤制造技术和光缆光纤制造技术和光缆17:5696n1.4.1 光纤制造技术光纤制造技术17:5697光纤的制作包括两个基本过程n（1）首先制作光纤预制棒 （具有芯子和包层的大尺寸的实心石英棒）;n预制棒具有和光纤截面相同的折射率分布，物理结构，材料结构，和截面几何形状。n（2）由预制棒拉制成光纤 n光纤预制棒高温下，拉制成所需尺寸的光纤17:5698光纤预制棒17:5699光纤的制作包括两个基本过程原料原料预制棒预制棒光纤光纤17:5

54、6100光纤制作的关键光纤制作的关键原料：原料：SiCl4, GeCl4, SF6, POCl3, BBr3, O2, He, 提纯提纯：过渡金属离子：过渡金属离子，OH-，.要求要求达到达到ppb量级量级原料提纯原料提纯拉制光纤丝拉制光纤丝径控制，温径控制，温度控制度控制拉制光纤制作中对各制作中对各种参数的精种参数的精确控制确控制预制棒制作预制棒制作17:56101n预制棒制备工艺：预制棒制备工艺：n非气相工艺，非气相工艺，n气相工艺气相工艺n非气相工艺非气相工艺：n双坩埚法，溶胶凝胶法，管棒法，粉末机械成形法，.17:56102n气相沉积工艺气相沉积工艺n管内沉积管内沉积nModified

55、 Chemical Vapor Deposition (MCVD)nPlasma-activated Chemical Vapor Deposition (PCVD)n管外沉积管外沉积nOutside Vapor Deposition (OVD)nVapor Axial Deposition (VAD)17:56103nMCVD是Modified Chemical Vapor Deposition的简称，译称改良的化学气相沉积法。该预制棒生产方法是由美国AT&T Bell 实验室和英国南安普敦大学于二十世纪七十年代初期首先提出的。由于它在制备不同种类的光纤上具有很强的灵活性，所以如今它

56、已经成为生产高品质通讯光纤用预制棒的四大主要方法之一。17:56104nMCVD法是一种在高质量（高纯度、低水分、低杂质）的石英管（我们称之为基管）的内壁沉积更高纯度的二氧化硅(SiO2)，并掺以可改变折射率或玻璃体粘度的其它一些高纯物质，如二氧化锗(GeO2)、五氧化二磷(P2O5)、氟氧化硅(SiO1.5F)等，形成不 同折射率的芯层和包层，以实现光信号在光纤芯中传播时的全反射、低损耗、高容量等效果。 芯棒经检验合格后，用于下一步效率较高的外沉积。达到合适的芯包比和必要的光学要求（如截止波长和模场直径）后，再烧结成透明的预制棒。这样的预制棒经过适当的处理后，就可以进行拉丝了 17:5610

57、5MCVD方法制作预制棒nMCVD工艺（1974年，美国AT&T）利用氧气鼓泡携带料瓶中挥发出的氯化物（SiCl4）蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧焰）下氯化物和氧气反应生成氧化物SiO217:56106O2O2+ SiCl4蒸汽载运气体鼓泡带料示意图17:5610717:56108nMCVD车床17:56109处于温度场中的反应产生的氧化物悬浮颗粒，受力的作用而向低温区运动，附着在石英管壁上。高温下直接玻璃化为透明的石英玻璃。42222SiClOSiOCl42222GeClOGeOCl222224ClH OHClO17:56110石英基管原 料 ： O2, SiCl4等部分未能附着的

58、生成物成为尾烟流失附着于管内壁的生成物（SiO2等）氢氧焰喷灯石英管旋转高温反应区，生成SiO2等17:56111nMCVD 沉积工艺动画演示n？17:56112n掺杂和折射率关系掺杂和折射率关系17:56113MCVD系统构成MFCMFCMFCMFCMFCCl2CCl2F2流量控制系统He ArO2GeCl4SiCl4反应物干燥气体掺杂物预制棒车床燃气流量控制O2H2+石英玻璃管真空系统计算机控制系统温度监控速度监控气路和流量控制，车床移动以及温度控制，尾气处理气路和流量控制，车床移动以及温度控制，尾气处理17:56114nMCVD法光纤预制棒制作流程：法光纤预制棒制作流程：n清洁沉积用石英

59、套管清洁沉积用石英套管n安装石英套管安装石英套管n高温抛光高温抛光 16002000oCn沉积阻挡层沉积阻挡层 15001800oCn沉积芯层沉积芯层15001800oCn高温缩棒高温缩棒 19002000oCn预制棒测量预制棒测量17:56115nMCVD法沉积结束后高温下缩棒成为实心法沉积结束后高温下缩棒成为实心预制棒预制棒17:56116n缩棒动画17:56117nPCVD （ 1976年，荷兰年，荷兰Philips ）使用微波）使用微波在石英管内产生高温等离子，使得原料发在石英管内产生高温等离子，使得原料发生反应。生反应。17:56118n动画演示n？17:56119微波谐振腔等离子体

60、至真空泵加热炉掺杂物O2SiCl4图 1.5.1 PCVD工艺示意图17:56120n由于气体电离不受石英管热容量限由于气体电离不受石英管热容量限制，微波加热腔可以沿石英管做高制，微波加热腔可以沿石英管做高速往复运动，速往复运动，PCVD 法效率高法效率高 ，速度快，每层厚度薄（可以精确控速度快，每层厚度薄（可以精确控制折射率剖面，在制作渐变折射率制折射率剖面，在制作渐变折射率光纤方面优势明显）光纤方面优势明显）17:56121管内沉积制作预制棒过程石英基管石英基管沉积阻挡层沉积阻挡层缩棒缩棒沉积芯子沉积芯子17:56122nMCVDMCVD法和法和PCVDPCVD法属于法属于管内沉积方法管内沉积方法，反应，反应原理为高温氧化反应，它们之间的主要差原理为高温氧化反应，它们之间的主