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光与现光与现代科技代科技光与现代科技光与现代科技讲座讲座第八章第八章 光通信技术与网络光通信技术与网络2022/12/71光与现光与现代科技代科技光与现代科技讲座光与现代科技讲座 第一章第一章 绪论绪论 2 2第二章第二章 光源与激光器光源与激光器 2 2第三章第三章 光纤与光学传感技术光纤与光学传感技术 4 4第四章第四章 激光在现代医学中的应用激光在现代医学中的应用 4 4第五章第五章 激光在军事技术中的应用激光在军事技术中的应用 4 4第六章第六章 激光在现代工业和加工中的应用激光在现代工业和加工中的应用 4 4 第七章第七章 光与信息技术光与信息技术 4 4第八章第八章 光通信技术与网络光通信技术与网络 6 6第九章第九章 光学成像、全息与显示技术光学成像、全息与显示技术 2 2第十章第十章 光电集成与纳米技术光电集成与纳米技术 2 22022/12/73光与现光与现代科技代科技第八章第八章 光通信技术与网络光通信技术与网络8.1 光通信原理光通信原理 光通信的发展与现状光通信的发展与现状 光通信的特点光通信的特点 光通信系统的组成与分类光通信系统的组成与分类8.2 光通信的器件光通信的器件 光源光源 光检测器光检测器 光无源器件光无源器件 光放大器光放大器8.3 光纤通信系统与网络光纤通信系统与网络8.3.1数字光通信系统数字光通信系统光纤辅助系统光纤辅助系统光超长波长光通信系统光超长波长光通信系统多信道光波通信系统多信道光波通信系统光纤孤子系统光纤孤子系统光纤通信网络光纤通信网络8.4 无线激光通信无线激光通信 微波通信与无线激光通信微波通信与无线激光通信 无线激光通信的基本原理无线激光通信的基本原理 空间无线激光通信进展空间无线激光通信进展8.4.4 激光水下通信激光水下通信2022/12/74光与现光与现代科技代科技 光纤通信的发展与现状光纤通信的发展与现状一、光通信的发展史一、光通信的发展史二、二、先进先进国家光纤通信的发展国家光纤通信的发展三、我国光纤通信事业的发展三、我国光纤通信事业的发展四、云南省光纤通信事业发展四、云南省光纤通信事业发展五、光纤通信的发展趋势五、光纤通信的发展趋势8.1 光纤通信的原理光纤通信的原理2022/12/75光与现光与现代科技代科技一、光通信的发展史一、光通信的发展史光通信光通信：利用光进行信息传输的一：利用光进行信息传输的一种通信方式。种通信方式。光通信的发展主要经历了三个发展光通信的发展主要经历了三个发展阶段阶段可视通信可视通信激光大气通信激光大气通信光纤通信光纤通信2022/12/76光与现光与现代科技代科技1、可视通信、可视通信古代的烽火台、烟火传递单个信息古代的烽火台、烟火传递单个信息18世纪末信号灯、船舰使用的灯塔、旗世纪末信号灯、船舰使用的灯塔、旗语等语等近代战争中的信号弹，抗战时期的消息近代战争中的信号弹，抗战时期的消息树等树等1792年用中继器使机械代码信息传送年用中继器使机械代码信息传送100km，有效速率小于有效速率小于1b/s 之后很长一段时间之后很长一段时间电电取代了取代了光光2022/12/77光与现光与现代科技代科技电通信电通信19世纪世纪30年代：电报、莫尔斯代码，传输速率年代：电报、莫尔斯代码，传输速率310b/s，中中继可达继可达1000km1866年，第一条越洋电报电缆系统投入运营年，第一条越洋电报电缆系统投入运营1876年，发明了电话，电信号通过连续变化电流的模拟形年，发明了电话，电信号通过连续变化电流的模拟形式传输式传输1940年，第一代同轴电缆系统投入使用，年，第一代同轴电缆系统投入使用，3MHz系统，可传系统，可传300路音频信号或路音频信号或1路视频信号，但当频率超过路视频信号，但当频率超过100MHz时，时，电缆损耗迅速增加电缆损耗迅速增加1948年，年，4GHz的微波系统投入运营，利用的微波系统投入运营，利用110GHz的电的电磁载波及相关调制技术传递信号，可工作于磁载波及相关调制技术传递信号，可工作于100Mb/s1975年最先进同轴系统投入运营年最先进同轴系统投入运营,速率可达速率可达274 Mb/s，中继中继约约1km 到到70年代，电通信获得的最大年代，电通信获得的最大BL不超过不超过100(Mb/s)km2022/12/78光与现光与现代科技代科技2、激光大气通信、激光大气通信60年代初，人们利用二氧化碳激光器进行激光大年代初，人们利用二氧化碳激光器进行激光大气通信实验气通信实验由于其传输介质是地球周围的大气层，而大气层由于其传输介质是地球周围的大气层，而大气层又存在着对光的严重吸收，散射作用和天气变化又存在着对光的严重吸收，散射作用和天气变化影响等缺点，使得激光大气通信在通信距离、稳影响等缺点，使得激光大气通信在通信距离、稳定性、可靠性方面受到严重影响定性、可靠性方面受到严重影响60年代中期一度振兴的激光大气通信研究处于停年代中期一度振兴的激光大气通信研究处于停滞状态滞状态2022/12/79光与现光与现代科技代科技3、光纤通信、光纤通信光纤光纤(Fibre)光导纤维的简称光导纤维的简称光纤通信光纤通信以光波为载波，以光导以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。纤维为传输媒质的一种通信方式。容量容量 频率频率f 光波光波 光波是人们最熟悉的电磁波，其光波是人们最熟悉的电磁波，其波长在微波长在微米级，频率为米级，频率为1014Hz，紫外光、可见光、紫外光、可见光、红外光属于光波的范畴红外光属于光波的范畴2022/12/710光与现光与现代科技代科技电磁波波段划分和常用传输媒质电磁波波段划分和常用传输媒质-1频段和波段频段和波段名称名称频率范围和频率范围和波长范围波长范围传输媒质传输媒质主要用途主要用途极低频极低频(ELF)极长波极长波303000Hz10000100km有线线对，极长有线线对，极长波无线电波无线电潜艇通信、矿井通信潜艇通信、矿井通信甚低频甚低频(TLF)超长波超长波330kHz10010km有线线对，超长有线线对，超长波无线电波无线电潜艇通信、远程导航、潜艇通信、远程导航、远程无线电通信远程无线电通信低频低频(LF)长波长波30kHz300kHz101km有线线对，长波有线线对，长波无线电无线电中远距离通信、地下通中远距离通信、地下通信、无线电导航等信、无线电导航等中频中频(MF)中波中波0.33MHz1000100m同轴电缆，中波同轴电缆，中波无线电无线电调幅广播、导航、业余调幅广播、导航、业余无线电无线电高频高频(HF)短波短波330MHz10010m同轴电缆，短波同轴电缆，短波无线电无线电调幅广播、移动通信、调幅广播、移动通信、军用通信等军用通信等2022/12/711光与现光与现代科技代科技电磁波波段划分和常用传输媒质电磁波波段划分和常用传输媒质-2频段和波段频段和波段名称名称频率范围和波长范频率范围和波长范围围传输媒质传输媒质主要用途主要用途甚高频甚高频(VHF)超短波超短波30300MHz101m同轴电缆，超同轴电缆，超短波无线电短波无线电调幅广播、电视、移调幅广播、电视、移动通信、电离层散射动通信、电离层散射通信通信微微波波特高频特高频(UH F)分米波分米波0.33GHz101dm波导，分米波波导，分米波无线电无线电微波接力、移动通信、微波接力、移动通信、空间遥测雷达、电视空间遥测雷达、电视超高频超高频(SHF)厘米波厘米波330GHz101cm波导，厘米波波导，厘米波无线电无线电雷达、微波接力、卫雷达、微波接力、卫星和空间通信星和空间通信极高频极高频(EH F)毫米波毫米波30300GHz101mm波导，毫米波波导，毫米波无线电无线电雷达、微波接力、射雷达、微波接力、射电天文电天文紫外、可见光、红紫外、可见光、红外外1035107GHz300 m 60光纤，激光空光纤，激光空间传播间传播光通信光通信2022/12/712光与现光与现代科技代科技红外光：波长红外光：波长 0.75m紫外光：波长紫外光：波长 0.4m可见光：可见光：0.4m 10GHz.km0.2350方便方便特殊特殊2022/12/754光与现光与现代科技代科技光纤通信的应用光纤通信的应用11、通信网通信网，包括全球通信网，包括全球通信网(如横跨大西洋和太如横跨大西洋和太平洋的海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干平洋的海底光缆和跨越欧亚大陆的洲际光缆干线线)、各国的公共电信网、各国的公共电信网(如我国的国家一级干如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线线、各省二级干线和县以下的支线)、各种专用、各种专用通信网通信网(如电力、铁道、国防等部门的通信、指如电力、铁道、国防等部门的通信、指挥、调度、监控的光缆系统挥、调度、监控的光缆系统)、特殊通信手段、特殊通信手段(如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使用的光缆，以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇用的光缆，以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船的内部光缆系统宙飞船的内部光缆系统)。2022/12/755光与现光与现代科技代科技光纤通信的应用光纤通信的应用22、构成因特网的计算机、构成因特网的计算机局域网和广域网局域网和广域网，如光纤，如光纤以太网、路由器之间的光纤高速链路。以太网、路由器之间的光纤高速链路。3、有线电视的干线和分配网有线电视的干线和分配网；工业电视系统，如；工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；自工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；自动控制系统的数据传输。动控制系统的数据传输。4、综合业务、综合业务光纤接入网光纤接入网，分为有源接入网和无源，分为有源接入网和无源接入网，可实现电话、数据、视频接入网，可实现电话、数据、视频(会议电视、会议电视、可视电话等可视电话等)多媒体业务综合接入核心网，提供多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。各种各样的社区服务。2022/12/756光与现光与现代科技代科技 光纤通信系统的组成及分类光纤通信系统的组成及分类一、组成一、组成信信息息源源电电发发射射机机电电接接收收机机光光接接收收机机光光发发射射机机信信息息宿宿基本光纤传输系统基本光纤传输系统电信号电信号输入输入光信号光信号输出输出光信号光信号输入输入电信号电信号输出输出光纤光纤线路线路光光中中继继器器光纤通信系统的基本组成（单向传输光纤通信系统的基本组成（单向传输）备用系统备用系统辅助系统辅助系统2022/12/757光与现光与现代科技代科技组成光纤通信系统各部分的主要作用组成光纤通信系统各部分的主要作用1、电发射机：电发射机：A/D，合并多个用户信号，进行复用。合并多个用户信号，进行复用。方法：脉冲编码调制方法：脉冲编码调制(PCM)方式，即进行抽样、量方式，即进行抽样、量化、编码，抽样频率化、编码，抽样频率2f(模拟信号的频带宽度模拟信号的频带宽度)。2、光发射机：光发射机：E/O,将电发射机送来的电信号转变将电发射机送来的电信号转变成适合于光纤传输的光信号，并用耦合技术把光成适合于光纤传输的光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。信号最大限度地注入光纤线路。3、光纤线路：光纤线路：把来自光发射机的光信号，以尽可能把来自光发射机的光信号，以尽可能小的崎变（失真）和衰减传输到光接收机小的崎变（失真）和衰减传输到光接收机.4、光中继器：光中继器：也称光放大器，对光纤传送的光信号也称光放大器，对光纤传送的光信号进行放大处理。进行放大处理。2022/12/758光与现光与现代科技代科技组成光纤通信系统各部分的主要作用组成光纤通信系统各部分的主要作用5、光接收机光接收机：O/E,将光纤传送来的光信号转变成电将光纤传送来的光信号转变成电信号，送入电接收机进行信号处理。信号，送入电接收机进行信号处理。6、电接收机电接收机：D/A，将信号送给各用户。将信号送给各用户。7、辅助系统：辅助系统：包括监控管理系统、告警处理系统、包括监控管理系统、告警处理系统、电源供给系统、公务通信系统、区间通信系统、电源供给系统、公务通信系统、区间通信系统、自动倒换系统，即辅助信号的传输方式的考虑等。自动倒换系统，即辅助信号的传输方式的考虑等。8、备用系统：备用系统：包括光端机、光缆、光中继部分的备包括光端机、光缆、光中继部分的备用系统，电端机一般无备用系统。用系统，电端机一般无备用系统。2022/12/759光与现光与现代科技代科技信号的数字化信号的数字化信号的数字化：信号的数字化：将连续变化的模拟信号转换成离散的将连续变化的模拟信号转换成离散的数字信号数字信号，一般需要完成采样、量化和编码三个步骤，一般需要完成采样、量化和编码三个步骤 采样采样是指用每隔一定时间间隔的信号样本值序列代替原来是指用每隔一定时间间隔的信号样本值序列代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化量化量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量、有一定间隔的离散值。拟信号的连续幅度变为有限数量、有一定间隔的离散值。编码编码是按照一定的规律，把量化后的离散值用二进制数码是按照一定的规律，把量化后的离散值用二进制数码表示表示上述数字化的过程又称为上述数字化的过程又称为脉冲编码调制脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)，通常由模拟数字，通常由模拟数字(AD)转换器来转换器来实现实现fs=(2.1-2.5)fm2022/12/760光与现光与现代科技代科技量化判决电平量化判决电平 量化输出电平量化输出电平 xk+1 yk xk图图2-7 量化示意图量化示意图2022/12/761光与现光与现代科技代科技光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类1类类 别别特特 点点按光按光波长波长划分划分短波长光纤通短波长光纤通信系统信系统系统工作波长为：系统工作波长为：0.80.9m，中继距中继距离短，离短，10km以内以内长波长光纤通长波长光纤通信系统信系统系统工作波长为：系统工作波长为：1.01.6m，中继距中继距离长，可达离长，可达100km以上以上超长波长光纤超长波长光纤通信系统通信系统系统工作波长为：系统工作波长为：2m以上，中继距离以上，中继距离很长，可达很长，可达1000km以上，非石英系光纤以上，非石英系光纤按光按光纤特纤特点分点分多模光纤通信多模光纤通信系统系统石英多模光纤：传输容量较小，一般在石英多模光纤：传输容量较小，一般在140Mbit/s以下以下单模光纤通信单模光纤通信系统系统石英单模光纤：传输容量大，一般在石英单模光纤：传输容量大，一般在140Mbit/s以上以上二、分类二、分类2022/12/762光与现光与现代科技代科技光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类2类类 别别特特 点点按传按传输信输信号形号形式分式分光纤数字光纤数字通信系统通信系统传输数字信号，抗干扰能力强传输数字信号，抗干扰能力强光纤模拟光纤模拟通信系统通信系统传输模拟信号，适于短距离传输和模拟电视传输模拟信号，适于短距离传输和模拟电视图像信号传输图像信号传输其它其它相干光通相干光通信系统信系统光接收机灵敏度高，中继距离长，通信容量光接收机灵敏度高，中继距离长，通信容量大，设备复杂大，设备复杂全光通信全光通信系统系统不需要光电转换，通信质量高不需要光电转换，通信质量高波分复用波分复用系统系统在一根光纤上可传输多个光载波信号。通信在一根光纤上可传输多个光载波信号。通信容量大，成本低容量大，成本低孤子系统孤子系统利用光纤非线性效应平衡色散，增加中继，利用光纤非线性效应平衡色散，增加中继，可使光纤带宽增加可使光纤带宽增加10100倍倍2022/12/763光与现光与现代科技代科技8.2 光通信的器件光通信的器件 光源光源一、光纤通信对光源的基本要求一、光纤通信对光源的基本要求二、光通信用的激光光源二、光通信用的激光光源三、光源的调制三、光源的调制四、光源与光纤的耦合及组件四、光源与光纤的耦合及组件 光检测器光检测器一、光纤通信对光检测器要求一、光纤通信对光检测器要求二、光电检测器二、光电检测器PD二、改进型光电检测器二、改进型光电检测器PIN三、雪崩光电二极管三、雪崩光电二极管APD 光无源器件光无源器件 光放大器光放大器2022/12/764光与现光与现代科技代科技一、光纤通信对光源的基本要求一、光纤通信对光源的基本要求光源光源发射的峰值波长发射的峰值波长，应在光纤的低损耗窗口之内，应在光纤的低损耗窗口之内，即与石英光纤三个低损耗窗口相适应。即与石英光纤三个低损耗窗口相适应。有有足够高的稳定的输出光功率足够高的稳定的输出光功率，以满足系统的光中，以满足系统的光中继段距离的要求。继段距离的要求。(入纤功率必须有数十微瓦至数入纤功率必须有数十微瓦至数毫瓦毫瓦)有有高的电光转换效率，低功率驱动，长寿命，高可高的电光转换效率，低功率驱动，长寿命，高可靠性靠性。单色性和方向性好单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高，以减少光纤的材料色散，提高光缆和光纤的耦合效率。光缆和光纤的耦合效率。易于调制易于调制，响应速度快，以利于高速率大容量的数，响应速度快，以利于高速率大容量的数字信号的传输，温度特性好字信号的传输，温度特性好体积小，重量轻体积小，重量轻，便于安装和使用，也利于光源和，便于安装和使用，也利于光源和光纤的耦合。光纤的耦合。2022/12/765光与现光与现代科技代科技二、光通信用的激光光源二、光通信用的激光光源1、半导体发光二极管、半导体发光二极管LED正面发光型正面发光型：驱动电流小，输出功率大；：驱动电流小，输出功率大；侧面发光型侧面发光型：驱动电流大，输出光功率小，：驱动电流大，输出光功率小，但光束辐射角较小，与光纤耦合效率高，其但光束辐射角较小，与光纤耦合效率高，其入纤光功率比正面发光型入纤光功率比正面发光型LED大。大。图图1双异质结半导体面发光二极管的结构双异质结半导体面发光二极管的结构图图2边发光边发光LED的结构的结构LED输出光功率特性输出光功率特性 2022/12/766光与现光与现代科技代科技LED性质性质发射荧光，属自发辐射，无需粒子数反转，不发射荧光，属自发辐射，无需粒子数反转，不是阈值器件是阈值器件发射谱线宽，无谐振腔，无发射谱线宽，无谐振腔，无“选频选频”作用作用响应速度低，方向性差，发散角大响应速度低，方向性差，发散角大温度性能好，输出光功率线性范围宽温度性能好，输出光功率线性范围宽制造工艺简单，价格低廉制造工艺简单，价格低廉寿命长，可靠性高寿命长，可靠性高应用于小容量、短距离的系统中应用于小容量、短距离的系统中2022/12/767光与现光与现代科技代科技光通信用的激光光源光通信用的激光光源LD2、单纵模半导体激光器、单纵模半导体激光器LD1)分布反馈激光器分布反馈激光器(DFBLD)2)分布布喇格反射激光器分布布喇格反射激光器 分布布喇格反射激光器分布布喇格反射激光器 分布反馈激光器分布反馈激光器 2022/12/768光与现光与现代科技代科技2、新型激光器、新型激光器主要介绍三种激光器：主要介绍三种激光器：单纵模单纵模(SLM)半导体激光器半导体激光器量子阱（量子阱（QW）激光器）激光器光纤激光器光纤激光器1、单纵模、单纵模(SLM)半导体激光器半导体激光器SLM的思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，而的思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，而FP腔激光腔激光器的损耗不随模式而变。具有最低光腔损耗电纵模最先达到器的损耗不随模式而变。具有最低光腔损耗电纵模最先达到阈值并成为支配模式。其它邻模由于其高损耗而被区分开，阈值并成为支配模式。其它邻模由于其高损耗而被区分开，并因高损耗而被阻止从自发辐射中建立。这些邻模携带的功并因高损耗而被阻止从自发辐射中建立。这些邻模携带的功率在总的辐射功率中一般只占很小一部分率在总的辐射功率中一般只占很小一部分(Eg)价带中电子吸收光子能量，跃到导价带中电子吸收光子能量，跃到导带带(受激吸收受激吸收)成为自由电子成为自由电子过程：过程：在电场作用下，在电场作用下，耗尽区内：耗尽区内：电子电子(漂移漂移)N区区 N区区 空穴空穴(漂移漂移)P区区 P区区(光光 电流电流)完成光完成光/电变换电变换条件：条件：hfEg 或或 hc/Eg，截止波长，截止波长c=1.24/Eg凡是凡是Eg(光照光照)受激吸收受激吸收电子漂移电子漂移扩散扩散形形成光生电流成光生电流好处好处：量子效率高，响应速度快：量子效率高，响应速度快SiPIN，响应波长响应波长0.51m,响应时间几个响应时间几个nsGePIN，响应波长响应波长1.11.6m,响应时间响应时间20多个多个ns PIN光电二极管的结构光电二极管的结构2022/12/7102光与现光与现代科技代科技四、雪崩光电二极管四、雪崩光电二极管APD结构：结构：在在N、P区大量掺杂，使各自的多数载流子区大量掺杂，使各自的多数载流子浓度变大浓度变大特点：特点：可承受很高的反向偏压可承受很高的反向偏压 PIN：020V，APD：20150V原理：原理：加高反偏电压加高反偏电压耗尽区形成强电场耗尽区形成强电场光照光照(克服克服Eg)形成初始载流子形成初始载流子有高能量有高能量(或运动速或运动速度很快度很快)运行中高速碰撞运行中高速碰撞产生新生载流子产生新生载流子(由由碰撞产生碰撞产生)新生载流子和原始载流子再撞击新生载流子和原始载流子再撞击电电子浓度瞬时猛增子浓度瞬时猛增电流急剧增长电流急剧增长“雪崩雪崩”、“倍增倍增”完成光完成光/转换转换2022/12/7103光与现光与现代科技代科技APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）2022/12/7104光与现光与现代科技代科技APD结构图结构图 我国高速接收器件的研制相对落后，目前的通信结构我国高速接收器件的研制相对落后，目前的通信结构为为2.5Gb2.5Gbs s，但，但10Gb10GbS S的的PINTIAPINTIA光接收器组件已达国际光接收器组件已达国际先进水平。先进水平。国外国外10Gb10Gbs s的技术已很成熟，已经进人实用阶段，而的技术已很成熟，已经进人实用阶段，而单纤传输单纤传输40Gb40Gbs s光信号的技术还没有真正进入实用阶段。光信号的技术还没有真正进入实用阶段。2022/12/7105光与现光与现代科技代科技8.2.3 光无源器件光无源器件光纤连接器光纤连接器光耦合器光耦合器波分复用波分复用/解复用器与光滤波器解复用器与光滤波器光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器光衰减器光衰减器光开关光开关调制器调制器2022/12/7106光与现光与现代科技代科技一个完整的光纤通信系统，除了光纤、光源和光一个完整的光纤通信系统，除了光纤、光源和光检测器外，还需要许多配套的功能部件，特别是检测器外，还需要许多配套的功能部件，特别是无源器件，它们对光纤通信系统的构成、功能的无源器件，它们对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。扩展或性能的提高，都是不可缺少的。光无源器件光无源器件：本身不发光，不放大，不产生光电：本身不发光，不放大，不产生光电转换的光学器件。转换的光学器件。作用作用：连接光波导和光路；控制光的传播方向；：连接光波导和光路；控制光的传播方向；控制光功率达分配；控制光波导之间、器件之间控制光功率达分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；合波、分波等。和光波导与器件之间的光耦合；合波、分波等。虽然对各种器件的特性有不同要求，但是普遍要虽然对各种器件的特性有不同要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成。成。2022/12/7107光与现光与现代科技代科技光发射机光发射机隔离器隔离器连接器连接器分分路路开开关关开开关关合合路路连连接接连连接接衰减器衰减器连接器连接器光接收机光接收机按器件在传输线路上所发挥的功能可分按器件在传输线路上所发挥的功能可分为：光纤连接器、耦合器、合为：光纤连接器、耦合器、合/分路器、分路器、光开关、光衰减器、光隔离器、光环形光开关、光衰减器、光隔离器、光环形器等。器等。2022/12/7108光与现光与现代科技代科技一、光纤连接器一、光纤连接器连接器是实现光纤与光纤之间连接的器件连接器是实现光纤与光纤之间连接的器件。应满足的要求：应满足的要求：连接损耗要小连接损耗要小装拆方便（操作方便）；装拆方便（操作方便）；稳定性好；指连接后，插入损耗随时间、环境的变化不稳定性好；指连接后，插入损耗随时间、环境的变化不大大重复性好；一般要求重复使用次数大于重复性好；一般要求重复使用次数大于1000次次互换性好；要求同一种型号的活动连接器可以互换互换性好；要求同一种型号的活动连接器可以互换体积小，重量轻，成本低体积小，重量轻，成本低光纤连接器分为两类：光纤连接器分为两类：活动连接器活动连接器“活接头活接头”，主要用于光纤线路两端与，主要用于光纤线路两端与端机的连接中端机的连接中固定连接器固定连接器不能拆卸，或只能进行破坏性拆卸的连不能拆卸，或只能进行破坏性拆卸的连接器，俗称接器，俗称“死接头死接头”2022/12/7109光与现光与现代科技代科技光纤固定接头的方法光纤固定接头的方法2022/12/7110光与现光与现代科技代科技带状阵列式连接器带状阵列式连接器2022/12/7111光与现光与现代科技代科技二、光纤耦合器二、光纤耦合器作用：作用：耦合器的功能是把一个输入的光信号耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。合成一个输出。该器件对光纤线路的影响主要是附加插入损该器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声。耗，还有一定的反射和串扰噪声。耦合器耦合器大多大多与波长无关与波长无关，与波长有关与波长有关的耦合的耦合器专称为波分器专称为波分复用器复用器/解复用器解复用器。2022/12/7112光与现光与现代科技代科技1 1、耦合器的类型、耦合器的类型常用耦合器的四种类型：常用耦合器的四种类型：2022/12/7113光与现光与现代科技代科技光纤型耦合器光纤型耦合器(a)定向耦合器定向耦合器 (b)88星形耦合器星形耦合器(c)由由12个个22耦合器组成的耦合器组成的88星形耦合器星形耦合器2022/12/7114光与现光与现代科技代科技光纤型波分解复用器原理光纤型波分解复用器原理定向耦合器可制成波定向耦合器可制成波分复用分复用/解复用器。解复用器。光纤光纤a(直通臂直通臂)传输的传输的输出光功率为输出光功率为Pa，光，光纤纤b(耦合臂耦合臂)的输出的输出光功率为光功率为Pb,则则Pa=Cos2(CL)；Pb=Sin2(CL)；L耦合器有效作用耦合器有效作用长度；长度；C为取决于光为取决于光纤参数和光波长的耦纤参数和光波长的耦合系数。合系数。设特定波长为设特定波长为1、2，选择参数，调整，选择参数，调整L，使得，使得Pa(1)最大时最大时Pb(1)=0；Pa(2)=0时，时，Pb(2)最大。最大。2022/12/7115光与现光与现代科技代科技微器件型：微器件型：用自聚焦透镜和分光片、滤光用自聚焦透镜和分光片、滤光片或光栅等微光学器件可以构成各种耦合片或光栅等微光学器件可以构成各种耦合器。器。分光片：光部分透射，部分反射分光片：光部分透射，部分反射滤光片：一个波长的光透射，另一个波长的滤光片：一个波长的光透射，另一个波长的光反射光反射光栅：不同波长的光有不同反射方向光栅：不同波长的光有不同反射方向波导型：波导型：在一片平板衬底上制作所需形状在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般波导的材料根据器件的功能来选择，一般是是SiO2，横截面为矩形或半圆形。，横截面为矩形或半圆形。2022/12/7116光与现光与现代科技代科技微器件型耦合器微器件型耦合器(a)T形耦合器形耦合器 (b)定向耦合器定向耦合器 (c)滤光式解复用器滤光式解复用器 (d)光栅式解复用器光栅式解复用器2022/12/7117光与现光与现代科技代科技波导型耦合器波导型耦合器(a)T形耦合器形耦合器 (b)定向耦合器定向耦合器 (c)波分解复用器波分解复用器2022/12/7118光与现光与现代科技代科技三、波分复用三、波分复用/解复用器与光滤波器解复用器与光滤波器熔锥光纤型熔锥光纤型WDM干涉滤波器形干涉滤波器形WDM光栅型光栅型WDM体型平面或曲面光栅体型平面或曲面光栅平面阵列波导光栅平面阵列波导光栅光纤光栅光纤光栅2022/12/7119光与现光与现代科技代科技熔融光纤型波分复用器结构和特性熔融光纤型波分复用器结构和特性2022/12/7120光与现光与现代科技代科技介质薄膜干涉滤波器型介质薄膜干涉滤波器型WDM器件的原器件的原理示意理示意2022/12/7121光与现光与现代科技代科技介质薄膜干涉型介质薄膜干涉型WDM器件结构器件结构（a）二波分解复用器）二波分解复用器（b）六波分解复用器）六波分解复用器2022/12/7122光与现光与现代科技代科技基于基于MZ干涉仪的集成四通道干涉仪的集成四通道WDM2022/12/7123光与现光与现代科技代科技体型光栅体型光栅WDM（a）采用）采用普通透镜普通透镜的的WDM（b）采用）采用棒透镜的棒透镜的WDM2022/12/7124光与现光与现代科技代科技NN平面阵列波导光栅平面阵列波导光栅(AWG)WDM(a)AWG复用器复用器(b)平板波平板波导导2022/12/7125光与现光与现代科技代科技光纤光栅光纤光栅(FBG)的分类的分类2022/12/7126光与现光与现代科技代科技采用相移采用相移FBG的全光纤的全光纤WDM2022/12/7127光与现光与现代科技代科技光纤布拉格光栅的分类及其光学特性光纤布拉格光栅的分类及其光学特性2022/12/7128光与现光与现代科技代科技波分复用器的一般性质波分复用器的一般性质波分复用器波分复用器2端端6端端工作波长工作波长/m1.31/1.551.31/1.55波长间隔波长间隔/nm2002030附加损耗附加损耗/dB0.5123隔离度隔离度/dB55(滤波滤波)252022/12/7129光与现光与现代科技代科技四、光隔离器与光环行器-11、光隔离器、光隔离器概念：概念：光隔离器是光单向传输的一种非互易性光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光的单向器。其作用是消除光路中不器件，即光的单向器。其作用是消除光路中不连续处产生的反射光对光源、光放大器以及光连续处产生的反射光对光源、光放大器以及光路系统中产生的不良影响，使系统工作稳定。路系统中产生的不良影响，使系统工作稳定。作用：作用：它在光纤通信、光信息处理系统、光纤它在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感、及精密光学测量系统中有重要作用。传感、及精密光学测量系统中有重要作用。要求及主要指标要求及主要指标：插入损耗小：插入损耗小(12dB)、隔离度、隔离度大大(反向衰减反向衰减)(3040dB)、饱和磁场低、价格便、饱和磁场低、价格便宜、体积小、便于集成宜、体积小、便于集成组成：组成：由起偏器、检偏器及法拉第转子材料所由起偏器、检偏器及法拉第转子材料所组成的法拉第旋光器等组成。组成的法拉第旋光器等组成。2022/12/7130光与现光与现代科技代科技隔离器的工作原理隔离器的工作原理2022/12/7131光与现光与现代科技代科技光环行器光环行器(a)三端口三端口 (b)四端口四端口2022/12/7132光与现光与现代科技代科技端口端口1端口端口2端口端口3端口端口2反射棱镜反射棱镜偏振分束立偏振分束立方体透镜方体透镜双折射分双折射分离元件离元件A双折射分双折射分离元件离元件B单向法拉单向法拉第旋转器第旋转器相位旋相位旋转器转器光环行器原理图光环行器原理图2022/12/7133光与现光与现代科技代科技五、光衰减器五、光衰减器11、光衰减器在光纤通信、光信息处理、光学测、光衰减器在光纤通信、光信息处理、光学测量及计算中都是不可缺少的一种光无源器件量及计算中都是不可缺少的一种光无源器件功能：功能：在光信息传输过程中对光功率进行预定在光信息传输过程中对光功率进行预定量的光衰减。量的光衰减。2、光衰减器的、光衰减器的工作机理主要有三种工作机理主要有三种：(1)耦合型光衰减器耦合型光衰减器：它是通过输入、输出光束：它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。达到改变衰减量的目的。2022/12/7134光与现光与现代科技代科技光衰减器光衰减器2(2)反射型光衰减器反射型光衰减器：它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰：它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光通过衰减片时主要是反射和透射，由膜层厚度减片。光通过衰减片时主要是反射和透射，由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。的。为避免反射光的再入射影响衰减性能的稳定性，光线不为避免反射光的再入射影响衰减性能的稳定性，光线不能垂直入射到衰减片上，需将二块衰减片按一定倾斜角能垂直入射到衰减片上，需将二块衰减片按一定倾斜角对称地排成八字形。（对称地排成八字形。（60252030开关时间开关时间/s40103302022/12/7141光与现光与现代科技代科技 光放大器光放大器 一、光放大器分类一、光放大器分类 二、光放大器的主要功能二、光放大器的主要功能 三、掺杂光纤放大器三、掺杂光纤放大器2022/12/7142光与现光与现代科技代科技一、光放大器分类一、光放大器分类半导体激光放大器半导体激光放大器(SLA)法布里珀罗型激光放大器法布里珀罗型激光放大器行波半导体激光放大器行波半导体激光放大器光纤型光放大器光纤型光放大器光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器(FRA)光纤布里渊放大器光纤布里渊放大器(FBA)光纤参量放大器光纤参量放大器(FPA)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(EDFA)2022/12/7143光与现光与现代科技代科技二、光放大器的主要功能二、光放大器的主要功能超长距离、超大容量的光纤通信系统，特别是适合于陆超长距离、超大容量的光纤通信系统，特别是适合于陆地长干线和海下系统地长干线和海下系统光孤子通信，以在线光放大器延伸通信距离，即作在线光孤子通信，以在线光放大器延伸通信距离，即作在线中继光放大器中继光放大器光纤用户系统中，主要用于补偿耦合所造成的光损耗，光纤用户系统中，主要用于补偿耦合所造成的光损耗，提高用户数目，起到功率放大作用，如宽带业务、提高用户数目，起到功率放大作用，如宽带业务、CATV等等光波复用系统中提高复用密度光波复用系统中提高复用密度 如掺铒光纤放大器的增益带宽可达如掺铒光纤放大器的增益带宽可达1THz，若按，若按1GHz进进行频率分割，可达行频率分割，可达1000路的复用通信容量路的复用通信容量用于光电测量及其它信息处理系统中用于光电测量及其它信息处理系统中2022/12/7144光与现光与现代科技代科技光发光发射机射机光接光接收机收机光纤光纤光纤光纤EDFAEDFA在线放大器在线放大器光发光发射机射机光接光接收机收机光纤光纤EDFA功率放大器功率放大器光发光发射机射机光接光接收机收机光纤光纤EDFA前置放大器前置放大器光发光发射机射机光接光接收机收机节点节点EDFA补偿损耗放大器补偿损耗放大器光纤总线光纤总线a、在线、在线放大器放大器b、光发、光发射机功射机功率增强率增强器器c、接收、接收机前置机前置放大器放大器d、局域、局域网中用于网中用于补偿分配补偿分配损耗损耗2022/12/7145光与现光与现代科