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00-10-10 武汉大学 电子信息学院 光无源器件 讲义 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 ?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 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 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 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 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 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 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×Δν1/2)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 §.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； §.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； §.2 光纤的类型 ?光纤的结构 §.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 ； §.2 光纤的类型（ 续） §.2 光纤的类型（ 续） ?光纤的归一化频率(V)： §.3 光传播理论 ?光线理论： §.3 光传播理论（ 续） §.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， §.4 模式理论 ?对称平板波导中几种低阶导模的电场分布： §.4 模式理论（ 续） ?用柱坐标系分析光纤中电磁波的传播： §.4 模式理论（ 续） ?低阶LP模的组成： §.4 模式理论（ 续） §.5 光纤衰减