光子器件与光通信系统

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1、光纤通信及其发展光纤通信基本知识光波分复用光纤通信基本知识光纤传输系统的基本组成光纤通信：以光导纤维（光纤）为传输媒质，以光波为载波，实现信息传输。光纤传输系统的基本组成光纤线路光源光调制器光检测器基带处理基带处理基带电信号基带电信号调制电信号解调电信号已调光信号光发射机光接收机光纤通信基本知识光纤的传光原理构成光纤的材料是石英纤维（SiO2）;光纤由内芯和包层组成，芯的折射率略大于包层，利用光在内芯的折射或在芯与包层界面上的全反射实现光的传播。n1n2n1SIFGIF光纤通信基本知识光纤基本类型突变折射率型多模光纤（SIF）：纤芯直径＝50～60μm，光线以折射形状沿纤芯轴

2、线方向传播，存在多条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。渐变折射率型多模光纤（GIF）：纤芯直径＝50μm，光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时延差较小，因而信号畸变较小。单模光纤（SMF）：纤芯很细，直径约10μm，光线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播模式，信号畸变很小。光纤通信基本知识光纤传输特性传输损耗，由材料吸收和杂质散射等因素引起。有三个低损耗窗口：（1）0.85μm附近，损耗2~4dB/km;（2）1.31μm附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55μm附近，损耗约0.2dB/km。色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散

3、、波导色散等，引起接收的信号脉冲展宽，从而限制了信息传输速率。中继器间距受损耗限制和色散限制。色散限制用距离带宽积（Mbps·km）表示。三类光纤中SMF最高，GIF次之，SIF最低。光纤通信基本知识实用光纤标准G.651：GIF型光纤，适用于中小容量和中短距离；G.652：常规单模光纤，第一代SMF，在波长1.31μm处色散为零，传输距离只受损耗限制，适用于大容量传输；G.653：色散移位光纤，第二代SMF，在波长1.55μm色散为零，损耗小，适用于大容量长距离传输G.654：1.55μm损耗最小的SMF，1.31μm处色散为零；G.655：非零色散光纤，是新一代的SMF，

4、适用于波分复用系统，提供更大的传输容量。光纤通信基本知识光发射机光源：·发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。·激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。光纤通信基本知识光接收机光检测器的功能：光信号的解调（O/E）光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）光接收机的灵敏度

5、取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。光纤通信基本知识光纤通信发展阶段1966年高琨指出了用光纤进行信息传输的可能性和技术途径；第一阶段（1966～1976年），从基础研究到商业应用的开发时期，实现了短波长（0.85μm）低速率（45或34Mb/s）多模光纤通信系统，无中继距离约10km；第二阶段（1976～1986年），大发展时期，光纤从多模发展到单模，工作波

6、长从短波长发展到长波长（1.31和1.55μm）,实现了1.31μm、传输速率140～565Mb/s的单模光纤传输系统（PDH），其无中继距离为50～100km；第三阶段（1986年～），全面深入开展新技术研究，实现了1.55μm单模光纤通信系统（SDH），速率达2.5~10Gb/s,无中继距离为100～150km；1996年后，研发波分复用光纤通信系统，每波长传输速率10或40G及光波网络。光纤通信基本知识光纤通信特点与应用传输容量很大：2.5G～10G/波长；每光纤采用波分复用技术，可容纳几十至上百个波长；每根光缆可含几十至上百根光纤。传输质量很高，误码率很低（小于10－

7、9）中继距离很长（50～150km）抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好应用广泛：大容量骨干网、计算机局域网与广域网、光纤接入网、有线电视网等波分复用信道复用技术光波分复用原理点对点光波分复用传输系统信道复用技术信道复用：在同一信道上同时传输N路或N个用户的信息（N>1），其基本方法是将该信道划分为N个子信道。频分复用（FDM）：各子信道占用不同的频带，用滤波器分路；新发展的技术有正交频分复用（OFDM）、编码正交频分复用（COFDM）。时分复用（TDM）：各子信道占用不同的时隙，用门分路；又有同步时分复