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光纤光缆. 讲 义 武汉大学 电子信息学院 何对燕. 一、引言.  电子和光子的特点:电子具有电荷和质量,而光子却没有;电子遵循费米 — 狄拉克统计学规律,而光子则遵循波色 — 爱因斯坦统计学规律;电子仅可通过串行方式处理,而光子则可以通过并行方式处理;运动的电子产生电磁场和波,而光子却不能;电子可以承受电磁干扰,而光子却不能。电子在自由空间不能自由传输且需要导线传输,而光子却可以在波导器件和自由空间传播. 一、引言.  固态电子学,微电子学 信息技术革命  计算机科学技术、通信技术、自动控制、电子技术等的 关键基础

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光纤光缆

讲 义

武汉大学 电子信息学院 何对燕

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武汉大学 电子信息学院一、引言

电子和光子的特点:电子具有电荷和质量,而光子却没有;电子遵循费米—狄拉克统计学规律,而光子则遵循波色—爱因斯坦统计学规律;电子仅可通过串行方式处理,而光子则可以通过并行方式处理;运动的电子产生电磁场和波,而光子却不能;电子可以承受电磁干扰,而光子却不能。电子在自由空间不能自由传输且需要导线传输,而光子却可以在波导器件和自由空间传播

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武汉大学 电子信息学院一、引言

固态电子学,微电子学信息技术革命

计算机科学技术、通信技术、自动控制、电子技术等的关键基础

光电子技术的迅速发展,已渗入到信息技术领域的各个方面,如超大容量信息流传输;多媒体宽带综合服务的信息交换互连网络;高密度信息量存储;信息的超快实时处理;信息的获取读出和显示等

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武汉大学 电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术

以电磁波(或电子)作为信息载体的技术已走到极限,价格昂贵的同轴电缆的传输容量为500MHz,容量有限,难以达到Tb/s级超大容量传输的需要

光波的本征带宽高达200THz,低损耗石英光纤在1.55um波长处的窗口带宽也可达到25THz

目前光纤通信系统单通道传输容量已达到40Gb/s

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武汉大学 电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术

要达到Tb/s级超大容量传输的需要,必须应用光电子技术:高速率响应(100GHz)、窄线宽(100KHz)集成化半导体激光器,全光中继的半导体激光泵浦掺铒光纤放大器(EDFA),波导光栅阵列波分复用与解复用器等

光源:DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件,最高调制带宽:40GHz

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武汉大学 电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术

问题:石英光纤在波长1.55um处的色散率为2ps/nm·KM,而10Gb/s的传输码率相应的码宽为100ps,即使激光器的线宽能做到0.01nm;当传输100KM距离时的色散延迟也有2ps

问题:存在光纤的非线性效应,如四波混频等

突破50Gb/s单信道传输容量十分困难

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武汉大学 电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术

光孤子技术:光纤非线性(16mW)自相位调制自洽补偿1.55um窗口波长光纤的反常色散(10ps)实现无延迟的光孤子传输

DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件可使光孤子的传输码率达到40Gb/s

更高重复率(100GHz)的光孤子激发,必须利用锁模技术实现,量子阱半导体锁模激光器是最可实用化的一类

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武汉大学 电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术

Tb/s级传输容量是信息化社会的标志,复用技术是关键,主要有时分复用(TDM)和波分复用(WDM)

TDM的问题:Tb/s级超大容量的传输光脉冲宽度要压窄到100fs以下

WDM技术提供了重要的扩充传输容量的途径,关键有波长稳定精确可控的光源,量子阱结构DFB或DBR长波长(1.55um)半导体激光器的集成化要求较高

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武汉大学 电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术

Tb/s级超大容量传输技术:输运能力由时间和光谱的测不准原理所限定。测不准原理(Δt×Δν>1/2)限制了同步采用高速TDM和高密度WDM信号处理。Δt和Δv分别代表光通信信号的时间和光谱宽度。TDM与WDM组合用于相对长的脉冲,不考虑光纤类型或长度,获得的最大比特率是2.3Tb/s

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武汉大学 电子信息学院§.1 光纤的优点

带宽极大;

直径小、重量轻;

并行光纤之间没有串扰;

不受感应的干扰;

低价传输信号的潜力;

较大的安全性;

较大的保险性;

更长的使用寿命;

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武汉大学 电子信息学院§.1 光纤的优点( 续)

对温度腐蚀性液体及气体的高耐抗性;

更高的可靠性及易维护性;

无信号辐射泄露;

系统易于扩容;

使用常见的天然资源;

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武汉大学 电子信息学院§.2 光纤的类型( 续)

阶跃折射率(SI)光纤:纤芯折射率恒定,芯-包层界面的折射率有阶梯性跃变;

渐变折射率(GI)光纤:纤芯折射率连续变化;

多模(MM)光纤:多种模式传输,包层直径125μm,芯径50~100μm ;

单模(SM)光纤:一种模式传输,包层直径125μm ,芯径8μm ;

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武汉大学 电子信息学院§.3 光传播理论( 续)

子午光线的数值孔径(NA):

NA表征光纤采集或接收光的能力,其典型值为0.1~0.2,对应的接收角为5.7º ~11.5º,

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武汉大学 电子信息学院§.4 模式理论

对称平板波导中几种低阶导模的电场分布:

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武汉大学 电子信息学院§.4 模式理论( 续)

用柱坐标系分析光纤中电磁波的传播:

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武汉大学 电子信息学院§.5 光纤衰减

吸收损耗:传输光与光纤材料相互作用,导致光子跃迁,这些光子跃迁到其他波长或以机械振动(热)的形式释放或吸收能量,传输光会损失能量。

主要的吸收:过度金属杂质(Fe++,Cr++,Co++,Cu++等)引起可见光及近红外光吸收。OH根离子在1.4um,0.95um,0.725um波长处的光吸收。

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武汉大学 电子信息学院§.6 光纤色散

色散:由于传输时间的延迟导致脉冲展宽带来的信号失真,被展宽的脉冲与其他相邻脉冲发生重叠,使得信号无法分辨。(ISI)

色散种类:模间色散、材料色散、波导色散、偏振色散。

群时延差:不同速度的信号传过同样的距离所需的时延不同。

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武汉大学 电子信息学院§.6 光纤色散( 续)

模间色散:信号中不同模式成分传输速度不同。

材料色散:光纤材料折射率是光频(波长)的函数,信号中不同频率成分传输速度不同。

波导色散:模式的传播常数β是光频(波长)的函数,信号中相同模式不同传播常数β的成分传输速度不同。

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武汉大学 电子信息学院§.7 光纤的设计与选择

标准单模光纤(G.652):零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤,系统的传输距离只受光纤衰减所限制,在1.3μm波段的损耗较大,约为0.3dB/km~0.4dB/km;在1.55μm波段的损耗较小,约为0.2dB/km~0.25dB/km。色散在1.3μm波段为3.5ps/nm·km,在1.55μm波段的损耗较大,约为20ps/nm·km。这种光纤可支持用于在1.55μm波段的2.5Gb/s的干线系统,但由于在该波段的色散较大,若传输10Gb/s的信号,传输距离超过50公里时,就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。

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武汉大学 电子信息学院§.7 光纤的设计与选择( 续)

衰减最小光纤(G.654):为了满足海底缆长距离通信的需求,人们开发了一种应用于1.55μm波长的纯石英芯单模光纤,它在该波长附近上的衰减最小,仅为0.185dB/km。G.654光纤在1.3μm波长区域的色散为零,但在1.55μm波长区域色散较大,约为(17~20)ps/(nm·km)

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武汉大学 电子信息学院§.7 光纤的设计与选择( 续)

非零色散光纤(G.655):实质上是一种改进的色散位移光纤,其零色散波长不在1.55μm,而是在1.525μm或1.585μm处。非零色散光纤削减了色散效应和四波混频效应,而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种,所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性

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武汉大学 电子信息学院§.7 光纤的设计与选择( 续)

色散补偿光纤(DCF):光纤色散系数D为负数,纤芯搀杂比例比普通光纤高,因此光纤衰减系数增大。

定义FOM为光纤色散系数与衰减系数之比

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武汉大学 电子信息学院§.8光纤的制造( 续)

改进的化学汽相沉积法(MCVD):

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武汉大学 电子信息学院§.8光纤的制造( 续)

包层化学方程式:

SiCL4+O2 高温氧化 SiO2+2Cl2

2CF2Cl2+SiCL4+2O2 高温氧化 SiF4+2Cl2 +2CO2

芯层玻璃化学方程式(GeCl4):

SiCL4+O2 高温氧化 SiO2+2Cl2

GeCL4+O2 高温氧化 GeO2+2Cl2

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武汉大学 电子信息学院§.8光纤的制造( 续)

管外汽相轴向沉积法(VAD):