7光通信技术

第七章光通信技术一、光通信的发展与现状1、光通信的基本问题光源：1960年发明的激光器解决了用于光通信的光源问题传输介质：1966年，英籍华人高琨博士提出光纤可能是最佳的传输介质，在此以前，人们用气体透镜序列来传输光。60年代，光纤损耗为1000dB/km，（1km外的接收端能量为发送端能量的1/10100）1970年，在1um波长附近，光纤损耗降为20dB/km，（1km外的接收端能量是发送端能量的1/100）1977年，在1.33um波长的InGaAs激光器研制成功，其光纤损耗为1.0dB，意味着1km外的接收端能量是发送端能量的79.4%现在，光纤损耗可做到0.2dB/km（1km外的接收端能量是发送端能量的95.5%）传输损耗的定义：(10/光纤长度）log(光纤输入功率/光纤输出功率)2、光波系统1978年，光波系统（比特率20~100Mbit/s，最大中继距离10km，最大通信容量为500（Mbit/s）·km。与当时的同轴电缆相比，光通信系统中继距离长，投资和维护费用低80年代初，采用多模光纤（中继距离20km，比特率100M）到1990年，采用色散移位光纤（DSF）和单纵模激光器解决1.55um处光色散问题（比特率10Gbit/s，中继距离100km）现代通信系统的特征有：采用光放大器（OA）增加中继距离采用波分复用方式增加比特率单路传输：采用光纤放大器（EDFA）补偿2.5G，4500km传输10G，1500km传输波分复用：1OO×l0Gbit/s(100波，每波10Gbit/s)，中继距离400km；30×40Gbit/s(30波，每波40Gbit/s)，中继距离85km；64×5Gbit/s(64波，每波5Gbit/s)，中继距离720km。3、光通信发展趋势光纤与半导体功能光器件：光开关、光逻辑门、光互连、光变频、光路由器、密集波分复用全光网络：光波系统中不仅信号传输在光域中进行，而且交换、复用、控制、路由选择也在光域中进行二、光通信系统的基本组成1、光发送机光发送机将电信号转换为光信号，并将光信号注入光纤驱动电路光源调制器通道耦合器光输出电信号输入光发送功率的dB定义：P=10log[P(mw毫瓦)/1(mw毫瓦)]dBm例如发送功率为0.1w(瓦)P=10log(0.1103)=20dBmdBm称为dB毫瓦2、光接收机光接收机将光信号转换为电信号，以便于处理信道耦合光电检测解调电信号输出光输入电子电路接收机在保证一定误码率性能（如小于10-9）的条件下，所需要的最小的平均接收光功率，被称为接收机的灵敏度。三、光纤的结构与导波特性1、光纤的结构及导光原理光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂工艺拉制而成从横截面上看根据芯区折射率的径向分布的不同，可以分为两类：距中心距离折射率n1n2阶跃光纤距中心距离折射率n1n2渐变光纤光在阶跃光纤中的传播（全反射情况）ir折射率n0折射率n1折射率n2n0sini=n1sinr，当i较小时，r也较小，光在光纤中发生全反射。光在阶跃光纤中的传播（折射情况）n0sini=n1sinr，当i较大时，r也较大，光在光纤中，一部分透射（折射），另一部分反射。折射部分较强，而反射部分较弱。ir折射率n0折射率n1折射率n2光在渐变光纤中的传播n0sini=n1sinr，当i较小时，r也较小，光在光纤中发生全反射。使各种模传播的群速相近，从而减小模色散增加通讯带宽折射率n0n0sini被称为光纤的数值孔径从集光能力角度，数值孔径越大越好但数值孔径过大，则会引起较强的多径散射，影响信息传输的速率，即比特率。以上为几何光学的研究方法，在初期的光通信研究中，几何光学尚能满足需要，但随着光通信技术的发展，几何光学已不够用了，于是基于麦克斯韦电磁方程的电磁光学得到了迅速发展，并成为光通信领域的主流理论。2、阶跃光纤的模式柱面坐标系zr,Z方向r方向方向对于光纤中的交变电磁场，各场量都是位置（r,,z），时间（t）的函数。以电场为例：zzrwtzrEzrwtzrErzrwtzrEtzrEzzrr)],,(cos[),,()],,(cos[),,()],,(cos[),,(),,,(),,(),,,(),,,(zrzrzrzr为三分量的初相角假设场量的幅值在横截面内的分布规律不随坐标z变化而变化即：场量的幅值和相位沿z轴的变化规律与横向坐标（r,）无关（可解耦），则：)(),(),,()(),(),,()(),(),,(000zZrEzrEzZrEzrEzZrEzrEzzrrzjAezZ)(为传播常数对于磁场有类似结果：),,(),,,(),,,(zrzrzrzr为三分量的初相角zzrwtzrHzrwtzrHrzrwtzrHtzrHzzrr)],,(cos[),,()],,(cos[),,()],,(cos[),,(),,,()(),(),,()(),(),,()(),(),,(000zZrHzrHzZrHzrHzZrHzrHzzrrzjAezZ)(为传播常数根据麦克斯韦方程可将上述有关电磁场的6个分量（电场和磁场各3个分量）联系起来。这6个分量构成了在光纤中存在的一种电磁场的分布状态（场结构），被称为一种模式。研究表明，能在光纤中传播的电磁场结构可以具有离散的多种形式，对应为多种模式。或者说，能在光纤中传输的模式是光场（电磁场）的一个遵循某种规律的空间分布，这种空间分布在传播过程中只有相位变化，没有形状变化。能传输多个模式光的光纤被称为多模光纤，只传输单个模式光的光纤被称为单模光纤模式举例，（仅画出横截面上电场的电力线分布）ABC3、光在光纤中传输的色散色散导致光脉冲展宽：t00脉宽发送端t0t1脉宽接收端导致脉冲展宽的原因很多，其原因可以从以下统一的观点来理解：即认为光脉冲由很多份能量组成，由于种种原因，各份能量从发送端到达接收端所用的时间不同，故会导致脉冲展宽。多径色散：各份能量从发端到收端由于经过的路径不同，（也即经过的距离不同），导致光脉冲展宽，这类色散被称为多径色散多模色散：各份能量从发端到收端由于其模式不同，在光纤中对应不同的模折射率，从而导致光脉冲展宽，这类色散被称为多模色散群速色散：各份能量从发端到收端由于频率不同，致使传输速度不同，导致光脉冲展宽，这类色散被称为群速色散材料色散：由于光纤纤芯材料的折射率随光波波长的变化而变化，导致的光脉冲展宽，被称为材料色散。波导色散：由于光的模式传播常数随光波波长的变化而变化，导致的光脉冲展宽，被称为波导色散。波导色散是单模光纤的主要色散因素。色散的原因很多，前面仅介绍了其中的一部分。色散导致光脉冲展宽，引起相邻脉冲发生重叠，从而限制通信容量。多模光纤可以传输多种模式，因而具有多模色散，其容量不如单模光纤，目前长距离的光通信大多采用单模光纤。4、光纤的损耗材料吸收损耗：纯石英吸收被称为本征损耗，杂质吸收被称为非本征损耗散射损耗：由于光纤材料在制造过程中不可能十分均匀，从而会引起光散射。辐射损耗，由于光纤受到外力作用，产生一定曲率半径的弯曲，会使能量部分泄露，大多数弯曲半径5mm，这种辐射损耗可以忽略不计。5、光纤的制造光纤拉丝装置示意传送装置光纤预制棒加热炉直径测量装置涂覆装置牵引装置6、光缆的典型结构层绞式聚乙烯护套绕芯油膏Kavlar绳挤塑加强芯光纤束层绞式光缆光纤密度较高，典型可达114根，价格便宜，是主流光缆加强芯聚乙烯护套聚乙烯构件绕芯油膏光纤铜线骨架式骨架式光缆抗侧压能力强，但制造工艺复杂聚酯带光纤芯和包层粘合剂带状光缆带状光缆为一种高密度光缆HDPE内护套HDPE外护套皱纹钢防水层光纤加强芯束管式束管式光缆是一种轻型光缆7、光纤连接光缆光缆光纤光缆光纤光缆端面散射横向错位光纤连接可能出现的问题角度倾斜芯径不等连接方法融接法：连接损耗典型值为0.1dB电弧、火焰、激光V型槽：连接损耗典型值为0.15dB套管：连接损耗典型值为0.15dB8、耦合器耦合器：实现光信号合路及分路的功能器件。一般是对同一波长的光进行合路和分路，（功率耦合）；也可以对不同波长的光进行分波和合波（波分复用WDM）。理想的功率耦合器，对任意输入端口的光功率都能均匀地分配给所有的输出端口。分路器合路器耦合器光纤耦合器拼接式熔融拉丝式通常有两种结构，一种是拼接式，另一种是熔融拉丝式。拼接式和熔融拉丝式光纤耦合器，由两根光纤构成，利用反射或折射完成耦合。微光元件型耦合器介质膜P1输入P2P3渐变折射率圆柱形透镜反射光透射光入射光入光三棱透镜介质膜反射光圆柱形透镜透射光集成光波导型耦合器玻璃衬底镀膜嵌入的波导采用沉积、光刻、扩散三道工艺沉积是在基体上镀膜光刻是在膜上刻出所需要的图案扩散是使光刻形成的膜层图案在基体内形成光波导9、波分复用发射机1发射机N…复用器1，2，…N解复用器接收机1接收机N…波分复用/解复用器是一种特殊的耦合器在复用端，将发射机1，2，…N（发射不同波长）发射的光波复用到一根光纤内在接收端再将来自不同发射机的光分离，送入不同的分支光路WDM器件是一种无源器件，目前大体有四类：熔锥型光纤耦合器、光栅型耦合器、干涉滤波器型耦合器、集成光波导型耦合器。WDM器件实际上是光滤波器（带通型或带阻型）换句话，只要实现了光滤波器就可以实现波分复用（WDM）熔锥光纤型WDM举例：利用熔锥型光纤耦合器的波长依赖性，通过设计熔融区的锥度，控制拉锥速度，可以使直通臂对波长1的光有近100%的输出，而对波长2的光的输出接近0。与此同时，耦合臂则正好相反，对波长2的光有近100%的输出，而对波长1的光的输出接近0。1，2直通臂耦合臂1，P12，P2112输出与输入功率比P1，直通臂对不同波长光的输出曲线P2，耦合臂对不同波长光的输出曲线特点：插入损耗低，结构简单，无需波长选择器，并有较高的光通路带宽与通路间隔比和温度稳定度，缺点是尺寸偏大，复用路数少。干涉滤波器型WDM采用多层介质膜作为光滤波器，使某一种波长的光通过，而其他波长的光被反射，或者让某一种波长的光反射，而其他波长的光透射。从而可构造出光滤波器…折射率n0折射率n折射率ng折射率n折射率ng折射率n折射率ng多层介质膜的结构对多层膜体系：n0nng为增透条件，对满足nh=(2m+1)/4条件的光有增透作用，而nng，nn0或nng，nn0为增反条件，对满足nh=(2m+1)/4条件的光有增反作用注：以上n0、n、ng为折射率，m为任意非负整数0，1，2…，一般取0，为特定波长。例如n0=1（空气），ng=1.5（玻璃）n取1.38即满足增透条件一般而言，对条件nh=(2m+1)/4的要求并不是很严格可先确定膜的厚度h=/4，选择折射率满足相邻层折射率条件即可构造增反型多膜体系或增透型多膜体系（对波长为的光）增反型膜体系的层次的组合策略为，一层高折射率，一层抵折射率组合叠加而成，膜厚度选/4。为要增反的光波长入射光衬底空气高折射率低折射率高折射率低折射率高折射率透射光介质膜实例1+22¼焦距滤波器L1L2GRIN圆柱透镜1二波分复用器1~6GRIN圆柱透镜玻璃板带通滤波器246135六波分复用器优点：信道带宽平坦、插入损耗低、结构尺寸小、性能稳定，与偏振无关缺点：复用信道不多，目前做到8波分光栅型WDM最古老和最简单的WDM器件是棱镜（已不用）任何具有一定宽度、平行、等节距（或变节距）的波纹结构都可以看成衍射光栅。主要有三类光栅：体型光栅、平面光波导光栅和光纤光栅光纤1231+2+3普通透镜硅光栅123渐变折射率透镜硅光栅体型