现代光纤通信技术要点

1、第一章 通信网技术概述1.1 概述1.2 通 信设备构成通信网的最基本的设备是用户端设备、传输链路设备和转接交换设备。1.3 广 域网分类1.4 通信协议1.4.1 协议通常将网络分层结构以及各层协议的集合称为网络体系结构。 比较著名的网络体系结构有国际标准化组织ISO(International for Standardization) 提出的开放系统体系结构OSI(OpenSystem Interconnection); 美国国防部提出的传输控制协议TCP/IP ；国际电信联盟提出的公共数据网 X 系列协议； IBM 公司提出的系统网络体系结构SNA 等。1.4.2 标准化组织1. 国际标

2、准化组织 ISO2. 国际电信联盟 -电信标准化部ITU-T(International Telecommunication Union)一直负责制定电信网的标准系列。3. 因特网工程任务组 IETF(Internet Engineering Task Force)负责研究因特网的体系结构以及新一代因特网标准规范的研究和制定第二章数字通信技术第三章光纤通信技术3.1 光纤通信3.1.1 光纤通信的发展3.1.2 光纤通信的特点1. 传输频带宽，通信容量大。由信息理论知道，载波频率越高，通信容量就越大。2. 损耗低。目前实用的光纤均为石英系光纤，要减小损耗，主要是靠提高玻璃纤维的纯度。3. 在运

3、用频带内，光线对每一频率成分的损耗几乎一样。因此，系统中才去的均衡措施比 传统的电信系统简单，甚至可以不必采用。4. 光纤内传播的光能几乎不辐射，因此很难被窃听，也不会造成统一光缆中各光纤之间串扰5. 不受电磁干扰。因为光纤是非金属的介质材料。6. 线径细、重量轻，便于敷设。7. 资源丰富。制作玻璃光纤的原料是适应，其来源十分丰富。8. 1.3 通信系统中主要技术指标1 .分贝dB分贝 dB 是以常用对数表示的两个电压或两个功率之比的一种计量单位。以Po作为基准功率，那么在某一点的功率Pi的测试点上的功率电平为PiD=10lg (dB)Po光纤放大器的功率增益为上生叼”输出光功率功率增由G=1

4、0lg SXlwT幽若损耗沿光纤是均匀的，光纤的损耗常用衰减常数A表示衰减常数 A=- 10 ig(dB/km)L光纤连接器反射损耗系数为反射损耗系数R=-10lg反射回到输入端的光功输入光功率率(dB)2 .绝对功率dBmdB表示相对于某一据准功率的相对功率电平数。dBm则表示相对于1mW参考功率的电平数， 成为绝对功率电平数。 符号dBm中的dB表示 分贝，m表示毫瓦。D=10lg =10lg p （dBm）13 .信道的传输速率和频带利用率数字通信网络的运载信息能力用数据传输速率表示，数据传输速率的单位是比特 /秒（b/s）,所以数据传输速率也称比特率。在比较不同的数字通信系统时，但看他

5、们的信息传输速率是不够的，还要看传输这种信息 所占用的信道的频带宽度。所以采用频带利用率“，即单位频带内的传输速率作为衡量数字 通信系统传输速率（有效性）的指标：频带利用率信息传输速率频带宽度一 1 一(b s * Hz )4 .带宽BW信道带宽（Band Width ）是通信系统的宝贵资源。带宽是描述用于模拟传输的通信信道的运载能力的特性。带宽是一个频率范围，信号在这个频率范围内传输不会产生重大的畸变，带宽用赫兹（Hz）作为单位。制造商经常用带宽和光纤长度的乘积来标明带宽的质量数字通信网络的运载信息能力也常用带宽来表示。比特率和带宽都是表示运载信息能力的。他们的关系在不同情况有不同的规定，最

6、简单的办法（也是不太确切的办法）就是假设每秒的比特数b/s与每秒周期数相同。限制比特率的最重要因素是光纤的衰减和光纤的色散。色散和光源频宽使脉冲展宽，在超声速和超长距离通信系统中色散将是限制比特率最重要因素N 。5 .误码率BER衡量数字通信系统可靠性的主要指标是误码率BER(Bit Error Rate).在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元素之比，成为误码率。BER是多次统计结果的平均值，实际上是平均误码率。误码率的大小由传输系统特性和信道质量等因素决定，显然提高信道信噪比(信号功率/噪声功率)可使误码率减少；缩短中继段距离可提高信噪比，也即可使误码率减少。6 .抖动性能抖动性能也

7、是一种可靠性指标。抖动是较高传输系统中的不稳定现象，信号抖动是指数字信号的码位相对于标准位置的随即偏移，脉冲时间间隔上不再是等间隔的。信号抖动也是由传输特性和信道质量等因素决定的，他可能是有脉冲恢复电路产生的抖动，也可能是由噪声引起的抖动，也可能由设备和光源老化引起的抖动。误码率和信号抖动都直接反映了通信质量。7 .2光导纤维7.1.1 光导纤维的产生光导纤维是具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰等优点的一种新型传输介质。7.1.2 光纤结构和光传输的基本原理1.光的特性光具有波动性和粒子性(1)光的波动性光是一种横向电磁波 TEM(Transverse Electromagnet

8、ic),所谓横向是指光在真空三维空间中传播时，电场强度E和磁场强度H两个矢量都与光的传输方向垂直。在光波传输时，随着时间的变化，电场和磁场的空间方位受到周围环境和光纤质量的影响也发生变化，这种现象称为极化。这种电磁波的极化现象也成为偏振现象。光波与其他波长的电磁波一样，在真空中的传播速度为c=3 108m/ s根据光速=波长x频率的公式，有c 3 108 ,、1 = =(m)f f光的中心频率大约为：f =6 1014 Hz光的中心波长大约为： =0.5 10 "m光既然是电磁波，就会有电磁辐射，会产生反射、折射、干涉、偏振和损耗等现象。紫外光的波长范围为 6nm390nm；可见光的

9、波长范围为390nm-760nm；红外光的波长范围为760nm- 3 105 nm；光纤通信所使用的波长范围为800nm1700nm,具体使用的波长为短波长 850nm 长波长 C波段1310nm和长波长L波段1550nm=(2)光的粒子性2 .光纤的结构3 .光纤的导光原理4 .2.3多模光纤和单模光纤1 .光纤的传输模式“模”来源于电磁场的概念这里所说的“模”，实际上是光场的模式。当光纤的纤芯较粗时，则可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，此时称光纤中有多个模式。这种能传输多个模式的光纤称为多模光纤MMF(Multi-Mode Fiber);当光纤的芯径很小时，光纤只允许

10、与光纤轴一致的光线通过， 即只允许通过一个基膜， 这种只允 许传输一个基膜的光纤称为单模光纤 SMF(Single-Mode Fiber)。从光纤理论的分析，可以得到以下几个有关的结论：(1) 并不是任何形式的光波都能在光纤中传输，每种光纤都只允许某些特定形式的光波通过，而其他形式的光波在光纤中无法存在。每一种允许在光纤 中传输的特定形式的光波称为光纤的一种模式。(2) 在同一光纤中传输的不同模式的光，其传播方向、传输速度和传输路径不同，光的衰减也不同。观察与光纤垂直的横截面就会看到不同模式的光波 在横截面上的场强分布也不同，高次模的衰减大于低次模。(3) 进入光纤的光，在光纤的纤芯和包层界面

11、上的入射角小于临界角的光就有一部分进入包层被很快衰减掉。入射角大于临界角时，在交界面内发生全 反射，传输损耗小，能远距离传输，称为导模(4) 能满足全反射条件的光线也只有某些特定的角度射入光纤端面的部分才能在光纤中传输因此，不同模式的光的传输方向不是连续改变的，当通过同 样一段光纤时，以不同角度在光纤中传输的光所走的路径也不同，沿光纤 轴前进的光走的路径最短，而与轴线佼佼大的光所走的路经长2 .单模光纤的主模和传输条件3 .多模光纤多模光纤的芯径和外径分别为50 Nm和125 Nm。4 .单模光纤单模光纤的外径也是 125 Rm ,但他的芯径一般为 4Nm10 Rm。单模光纤采用阶跃材质和高度

12、集中的光源，使得发出的光纤限制在非常接近水平很小范围。光纤纤芯本身制造时采用比多模光纤小得多的直径，和极低的密度(折射系数)。密度的降低时的全反射角接近 90°,从而使得传播的光线基本是水平的。在这种情况下，不同光线的传播几乎是相同的， 从而可以忽略传播延迟。 所有光线几乎同时抵达目的地并且可以无 扭曲的重组为完整的信号。3.2.4光纤的传输特性1 .光纤的损耗特性衰减是光纤的一个重要的传输参数。他表明了光纤对光能的传输损耗，光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用。形成光纤损耗的原因很多，既有来

13、自光纤本身的损耗， 也有光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。光纤本身损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗两类。(1) 吸收损耗是光波通过光纤的材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，主要有本征吸收和杂质吸收。本征吸收是指光纤基本材料固有的吸收。本征吸收是不可避免的，所以本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收下限。(2) 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射而产生的损耗。衰减系数a ,则定义为单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为L时，即10码L P(0)(dB/km )式中P(0)在L=0处注入光纤的功率

14、；P(L)传输到轴向距离 L处的光功率。a (入)一在波长为 入处的shuaijianxishu与波长的函数关系，其数值与选择的光纤长度无关。2 .光纤的色散特性在光纤中，不同速率的信号传过同样的距离需要不同的时间，从而产生时延差，时延差越大，色散越严重，因此可用时延差表示色散的程度。由于光纤中色散的存在，将直接导致 光信号在光纤传输过程中的畸变，会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生无码干扰，增加误码率，从而限制了通信容量和传输距离。从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色散、材料色散和波导色散3种。(1) 模式色散是指在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，由于在光纤中行进轨迹不同，当传输同样的

15、光纤长度时，需要不同的时间，即模式之间存在 时延差，这种色散成为模式色散。他取决与光纤的折射率分布。(2) 材料色散是由于光纤材料本身的折射率随波长而变化，使信号各频率成分的群速不同所引起的色散。(3) 波导色散是由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善，使广播的一部分在纤芯中传输，另一部分在包层中传输。由于纤芯和包层的折射率不同，会造 成脉冲展宽的现象，称为波导色散。(4) 色度色散CD(Chromatic Dispersion)指所有引起由于波长的脉冲扩展相关的 现象，包括材料色散和波导色散。3 .偏振色散 PMD(Polarization Mode Dispersion)偏振是单模光纤特有

16、的问题。典型光线是无偏振的，也可以成为圆形偏振。 也就是说，它的电场E和磁场H在所有垂直与传播方向上具有同样的强度，因而是圆形的。当光通过媒质传播时，它进入靠近原子和离子的场，会产生场的相互作用，对各个方向上光的电场强度和磁场强度发生影响，最终会形成椭圆或线性的场分布。实际上，单模光纤传输的基膜(LP01模)存在两个相互正交的偏振态LPx或LP y。在完善的光纤中，该两模式具有相同的传输特性，偏振态是完全简并的，它们不会对光纤中信号传输造成任何不良影响。但实际光纤总有某种程度的不完善，如光纤的芯子具有一定的椭圆度或者由于弯曲、 侧压和光纤的残余应力等，这两种偏振态具有不同的传输特性，偏振模式色

17、散PMD(Polarization Mode Dispersion)将引起各种严重影响，如两模式的群速不同，因而引起偏振色散，外界条件的变化有可能引起光纤输出偏振态的不稳定。4 .光纤的非线性效应通常，在广场较弱的情况下，可以认为光纤的各种特征参数随光场的强弱做线性变化。这时，光纤对光场来讲，是一种线性媒质。但是，若光场很强，则光纤的特征参数将随光场呈非线性变化。当光纤处于非线性工作状态时， 光纤的非线性效应不仅引起信号的畸变， 更重要的是它将导致新频率的产生和不同频率之间的相互作用， 新频率的产生将损失信号光的功率。 光纤中的几种非线性效应均可能在信号见构成串扰， 具体来讲， 就是一个信道的

18、光强和相位将受到其他相邻信道的影响， 从而形成串扰由于是光纤非线性效应引起的， 故这种串扰便称之为 非线性串扰。由于多波长多通道的传输采用光纤放大器， 光纤内部有效传输功率剧增， 容易产生非线 性效应，有四波混频、自相位调制、交叉相位调制等。( 1) 四波混频 FWM(FourWaveMixing) ： 4 个不同频率光波组成时，将造成临近通道间的串音。FW娓波分复用WDM(统中最主要的限制系统性能的非线性现 象只要使用WD源统就一定要消除FWM勺影响。( 2) 自相位调制 SPM(Self Phase Modulation): 当光较强时，光纤折射率将随光场幅度而变化，这种变化将通过光纤的传

19、输常数转化为光场传输相位随光场幅度的变化。因此随着光场在光纤中的传输，对光场的幅度调制将同时自发产生对光场的相位调制。这种现象称为光场的自相位调制。自相位调制 SPM 是由非线性引起的，它不仅随光强而变化，而且随时间变化，这种瞬间变化 相移将引起光脉冲的频谱展宽，导致在光脉冲的中心频率两侧出现不同频率 的瞬时光频率，由SPMI起的瞬时光频率的时间依存关系，使脉冲的不同部位具有不同频率的现象成为脉冲频率啁啾( Chirp ) ，它亦随传输距离增大而 增大，因此随着光脉冲沿光纤传输将不断产生新的频率分量，频谱将不断展 宽。( 3) 交叉相位调制XPM( Cross Phase Modulation

20、 ) : 两个或多个不同频率的光波在非线性介质中同时传输时，每一频率光波的幅度调制都将引起光纤折射率的相应变化，其他频率的光波将受到这种变化从而对这些光波产生非线性相 位调制。超高速系统的主要性能限制是色散、偏振和非线性。3.2.5 单模光纤的带宽资源1. 非色散位移单模光纤G.652这种光纤的零色散波长在 1310nm，在波长为1550nm处衰减最小，但有较大的正色散(大 4tl+18ps/(nm km)。这种光纤工作波长既可选用在 1310nm，又可选用在1510nmb这种光纤 常称为“标准”或“常规”光纤。绝大多数信号传输系统都采用非零色散位移光纤，这些系统包括：在 1310nm和151

21、0nm 工作窗口的高速数字和有线电视CATV( Cable Telvision )模拟系统。然而，在 1550nm波长的大色散成为高速系统中光纤中继距离延长的“瓶颈” 。利用 G.652 光纤进行速率大于2.5Gb/s 的信号长途传输时， 必须引入色散补偿光纤进行色散补偿，并需引入更多的禅铒光纤放大器来补偿由引入色散补偿产生的损耗。 2. 色散位移光纤DSF(Dispersion Shift Fiber)G.653色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、 折射率分布性状， 力求加大波导色散， 从而 将最小零色散点从1310nm位移到1510nm,实现1510nm处最低衰减和零色散波长一致，并且在

22、掺铒光纤放大器工作波长区域内。这种光纤非常适合于长距离单信道高速光放大系统，如：可在这种光纤上直接开通20Gb/s 系统，不需要采取任何色散补偿措施。但是当一根光纤上同时传输多波长信号并使用光放大器时，色散位移光纤DSF就会在零色散波长区出现严重的非线性效应，这样就限制了波分复用技术的应用。3.1550nm最低衰减光纤 G.6541510nm最低衰减光纤是非零色散位移光纤G.654,其在1510nm工作窗口具有极小的衰减0.18dB/km。获得低衰减光纤的方法是：(1) 选用纯石英玻璃作为纤芯和掺氟的凹陷包层。(2) 以长截止波长来减小光纤对弯曲附加损耗的敏感。因为这种光纤制造特别困难，最低衰

23、减光纤十分昂贵，且很少使用。它们主要应用在传输距离很长，且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统。4 .非零色散位移光纤 NZDF(Non-Zero Dispersion Fiber)G.655通常，将这种光纤称为“非零色散位移”光纤G.655.在波段1530nm1565nm的范围，非零色散位移光纤具有最小和最大色散。特定的最小色散保证该色散足以抑制FWME线性。特定的最大色散要保证该色散足够的小，以允许单信道速率为 2.5Gb/s的信号传输距离大于100km和以10Gb/s速率传输信号的传输距离大于300km而无需进行色散补偿。非零色散位移光纤有望大量用于新建的高速率、大容量的密集波分复用

24、的陆地和海底长距离的光纤通信网络。5 .低色散斜率光纤 G.655 (真波RS光纤)目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种不同的新型光纤，即新型的低色散斜率光纤 G.655和无水吸收峰光纤。所谓色散斜率指光纤色散随波长改变的速率，又称高阶色散。在长途WD鹤输系统中，由于色散的积累，各通路的色散都随传输距离的延长而增大。然而，由于色散斜率的作用， 各通路的色散差别积累量是不同的，其中位于两侧的边缘通路间的色散差别积累差最大。初期的G.655光纤主要是为C波段设计的，因而色散斜率稍大一点问题不太大。然而， 随着宽带光纤放大器技术的发展，DWD陈统的应用范围已经扩展到L波段，全部可

25、用频带可以从1530nm- 1565nm扩展到1530nm- 1625nm=如果色散斜率仍维持原来的数值(大约 0.07ps/( nm2 *km)0.10ps/( nm2,km),长距离传输时短波长和长波长之间的色散差 异将因距离增长而增加，或者说需要代价较高的色散补偿措施才行，而低波段的色散有嫌太小，多波长传输时不足以压制四波混合和交叉相位调制的影响。通过降低色散斜率， 可以改进短波长的性能而不必增加长波长的色散，使整个第3和第4窗口的色散变化减至最小，同时可以降低C波段和L波段色散补偿的成本和复杂性。真波RS光纤与传统非位移光纤相比，每个频道10Gb/s的费用更低；能升级到每个频道40Gb

26、/s；与其它NZDF光纤相比，在1530nm- 1565nm波长范围有更好的性能，以及更大的容量；在1530nm- 1565nm波长范围(C波段)以及1530nm- 1620nm波长范围(L波段)，波长 能得到更好的利用； 对于DWD陡输系统，使1310nm波段的波长得到充分利用；相对于大有效面积NZDF光纤，它具有低弯曲损耗，更加容易使用。6 .大有效面积光纤超高速系统的主要性能限制是色散和非线性。通常，线性色散可以用色散补偿的方法来消除，而非线性的影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除。光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素，尽管降低输入功率或减小系统传输距离和光区段长度也可以减轻光纤非

27、 线性的影响，但同时也降低了系统要求和性能价格比，可见光纤的有效面积是长距离密集波分复用系统性能的最终限制。为了适应超大容量长距离密集波分复用系统的应用，大有效面积光纤 LEAF (Large Effect Area Fiber )已经问世。在理论上，光纤的线性色散总是可以补偿的，而非线性却很难补偿。 大有效面积光纤从 本质上改进了系统抗非线性的能力。7 .无水峰光纤(全波光纤)目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，只要在光纤内部有几个ppb( 10"9)的OH离子就足以导致在 1385nm附近产生几分贝的衰减，使1350nm- 1450nm中约100nm宽的频谱因

28、衰减太高而无法使用。全波光纤采用了一种新的生产工艺，几乎可以完全消除内部的氢氧根(OH离子，从而可以比较彻底消除由之引起的附加水峰衰减；光纤衰减将仅由硅玻璃材料的内部散射损耗决定，在1385nm处的衰减可低达 0.3dB/km。可用波长范围增加 100nm,使光纤可以提供 1280nm- 1625nm的完整传输波段。全部可 用波长范围比常规光纤增加约一半，可复用的波长数大大增加全波光纤出现后可用波长范围大大扩展，容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件，使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降， 降低了整个系统的成本。采用全波光纤的粗波分复用技术目前已成为城

29、域网的主流技术。全波光纤消除了 1385nm水峰，有时把1350nm- 1450nm称为新波段或 E波段，可以做成 更多通道数的系统。CWD使用波长建议分成 3个波带：(1) S+C+L波段，从1470nm到1610nm,每20nm间 隔1个通道共8个通道；(2) E波段的4个波长1380nm> 1400nm 1420nm1440nm (3)。波 段的 4 个波长 1290nn 1310nm 1330nm 1350nmo3.3光纤通信中的半导体器件3.3.1 能带3.3.2 半导体PN结及其光电特性3.3.3 半导体激光器目前，用于光纤通信的光源，包括半导体激光器LD和半导体发光二极管

30、LED,都属于半导体器件。它们的共同特点是体积小、重量轻、耗电量小。LD和LED相比，其主要区别表现在，前者发出的是激光，是受激辐射，而后者发出的 是荧光，是自发辐射。因此，LEF的谱线宽度较宽，调制速率较低，与光纤的耦合效率也较低；但是，LED也有许多优点：它的输出特性曲线线性较好，使用寿命长，成本低，适用于 短距离、小容量的传输系统。而LD一般适用于长距离、大容量的传输距离。1 .半导体注入型激光器的原理激光器的特点如下：(1) 方向性好(2) 单色性好，谱线宽度可以小于1nm,是其他光源无法相比的。(3) 相干性好，激光速的相干长度比普通光速提高了几十倍、几百倍。(4) 波长可能范围为

31、10nm- 5M105nm,传递信息容量大。激光器指能产生激光输出的自激振荡器。任何激光系统都必须具备 3个基本的条件，即能够对光场提供放大作用的增益介质，能够维持增益介质内粒子数反转分布状态的有效的泵浦机构以及提供频率选择和光反馈的光学谐振腔。2 .半导体异质结3 .单纵模半导体激光器多纵模激光器谐振腔中相邻模式间的增益差相当小，相邻纵模可以同时达到其阈值条件，形成多纵模。多纵模激光器的频宽约为几个纳米，比LED的频宽小几十倍，可以工作在波长1.3um、速率高达2.5Gb/s的第2代光纤通信系统，但不能直接工作在波长 1.55um的第3代光纤通信系统。否则多个模在光纤内传输的速率均不相同，光

32、纤的色 散将使系统的性能严重下降，误码率迅速增加。必须开发频宽更低的单纵模激光器，以便消除光纤色散的影响，在长距离、大容量高速调制下工作。单纵模SLM(Single Longitudinal Mode)半导体激光器和多纵模激光器不同点是在增益较大的纵模中有一纵模的损耗较小，使纵模的净增益相对特别大，当这纵模达到震荡条件时，其他纵模还不能起振。这些边模携带的功率通常小于总发射功率1%。通常由边模抑制比 MSR(Mode Suppression Ratio )来表示单纵模半导体激光器的 性能。Pe 定义：MSR m Ps式中，Pm为主模功率；Ps为边模功率。对于一个较好的单纵卞II半导体激光器，M

33、SRZ超过30dB。通过改善模式选择性是获得单模LD的有效方法，采用频率选择性反馈使不同的纵模有不同的损耗。相对其他纵模，主模的损耗特别低。分布反馈激光器 DFB-LD ( Distribution Feed Back Laser Diode )是一种比较成熟的 单纵模激光器，具有工艺成熟、工作性能稳定以及容易与其他光电子器件一起组成光电子集 成电路的特点，目前商用化单纵模激光器主要采用这种结构。DFB-LD友可细分出一种分布布拉格发射激光器DBR-LD DistributionBragg ReflectorLaser Diode )。在对光具有放大作用的有源层附近，表面刻有波纹状衍射光栅，以

34、形成光的反馈，构成一只对波长敏感的谐振腔。这种分布反馈结构像是分布着多个光学谐振腔(插入)，根据衍射光栅的周期型结构(波纹状的间距)，使激光器就要有极强的波长选择性，实现了发光波长的单纵模工作。4 .特种单纵模激光器目前，可调谐单纵模激光器主要有光栅外腔激光器、声光可调谐半导体激光器、电光可调谐半导体激光器以及单片机称多段式DFB和DBR敷光器等。光栅调谐外腔LD的谐振腔长度远大于普通的LD, 一般为6cm=因此采用光栅外腔的 LD具有非常窄的输出线宽，可达kHz量级。如果将半导体双异质结构中的窄带隙层制作成纳米 量级的超薄层，则构成了对超薄层内载流子在垂直于结平面方向上运动的量子化束缚。这种

35、超薄层结构称为量子阱结构。如果量子阱结构只包括一个超薄层，则称为单量子阱SQW(Single Quantum Well );如果该结构由交替生长的多个超薄层组成，则称为多量子阱 MQW (Multiple Quantum Well);这种量子限制结构又称为半导体超晶格。对载流子运动的量子 化束缚以及应变的引入均可引起半导体材料能带结构的改变，采用半导体应变层量子阱或超晶格结构可以根据器件的需要，设计出具有所需能带结构的新型、性能优异的半导体光电子 器件。半导体量子阱激光器也可以制作成DFB DBR具有外腔结构的可调谐激光器。一般可在80nm范围内调谐，最多的可以超过100nm=掺饵光纤激光器

36、EDFLD(Erbium Doped Fiber LD )的原理，是利用光纤光栅技术把掺饵光纤相隔一定长度的两处写入光栅，两光栅之间相当于谐振腔，用980nm或1480nm泵浦激光器发， 铒离子就会产生增益放大。 由于光栅的选频作用， 谐振腔只能反馈某一特定波长 的光，输出单频激光，再经过光隔离器输出线宽窄、功率高和噪声低的激光。3.3.4 发光二极管1. 发光二极管的原理发光二极管LED是一种两端外加正向电压的PN结构成的二极管。正向偏压促使电子和空穴进入耗尽区形成粒子数反转分布并且发生复合，使LED发出了自发辐射光，发出的是荧光，是一种非相干光。LED和普通二极管不同点是普通二极管在载流子

37、发生复合时是以热能的方式来释放能量的，而LED中载流子发生复合时，主要是以可见光的方式释放能量的。2. 发光二极管的结构3. 半导体发光二极管的工作特性（ 1）光谱较宽（ 2） P-I 曲线的线性较好（ 3）与光纤的耦合效率较低（ 4）寿命长（ 5）温度特性好3.3.5 光源的调制1. 光源的内调制在光纤通讯系统中， 把随信息变化的电信号加到光载波上， 使光载波按信息的变化而变化，这就是光波调制。从本质上讲， 光载波调制和无线电波载波调制一样， 可以携带信号的 振幅、强度、频率、相位和偏振等参数使光波携带信息，也即有调幅、调强、调频、调相、 调偏等多种调制方式。但为了便于解调，在光频段多采用光

38、的强度调制方式。将调制信号直接作用在光源上对光源调制， 这种调制方式成为光源的内调制， 也称为直接调制。在实际电路中， LD 结温的变化以及老化都会使输出光信号发生变化。为了保证光信号得到正常调制， 需要自动功率控制电路、 制冷器及自动温控电路、 限流保护电路和告警电路 等附属措施。直接调制的优点是电路比较简单， 容易实现， 所以是一般光纤通信系统中经常采用的方式。但是对半导体激光直接调制时，使LD 的动态谱线加宽，造成光纤在传输时色散增加，使光纤中的脉冲波形展宽， 限制了光纤的传输速率。 啁啾的物理机制是直接调制引起振荡波长随时间而漂移。 当光脉冲经过光纤后， 由于光纤的色散作用， 使受频率

39、啁啾影响的光脉冲 波形发生展宽。 2. 光源的外调制为了消除动态谱线加宽对高速光纤通信系统的影响， 在高速长距离通信系统中， 特别是 使用掺饵光纤放大器EDFA勺同步数字体系SDK速系统和密集波分复用DWD窿统中光源的色散距离，由过去的 50km-60km提高到了 600km以上，大大提高了对光源的要求。一般采 用外调制方法。 光源的外调制技术有电光调制、声光调制和磁光调制等。目前，应用较广的 调制器有 Maher- 曾德 M-Z（mach-Zehder ）外调制器和电吸收强度调制器。外调制技术可以 将调制速率提高一个数量级，超过10Gb/s 。M-Z干涉外调制器是一种采用锯酸锂LiNbO3晶

40、体的电光调制器，也是一种强度调制器。它由一个单纵模 DFB敷光器和一个外调制器组成。激光器正常工作产生一个连续波形，由于LiNbO3良好的电光效应，在外加调制电场的情况下使波导的折射率发生改变，通过波导的光的强度相应发生变化，实现了光强度调制。M-Z外调制器在原理上喟啾参数可以为 0,几乎不受光纤色散限制，调制线宽很窄，调制速率极高。其缺点是调制器与偏振态有关，激光器和调制器的连接必须使用保偏光纤。电吸收强度调制器是将激光器和调制器集成在一片芯片上的InGaAsP光电集成器件。EML激光器芯片工作与恒定功率和连续波光CW莫式。输入信号加在调制器上，使调制器像一个开关，时断时通。产生信号的喟啾生

41、非常小，可以在光纤上传输超过 600km的距离，传输信号的失真还非常小。这种外调制器的驱动电压低，耗电量小。目前高速 WD碌统得到广泛应用。3.3.6光电检测器1 .光电检测器的性能要求2 . PIN 光电二极管(PIN-PD)3 .雪崩光电二极管4 .光电检测器的特性3.4无源光器件1 .光纤连接器光纤连接器又称光纤活动连接器 ，是一种可拆卸连接的器件。它用于光发送机、光接收 机等主要设备与光纤之间的连接、光纤与光纤之间的连接、 测试仪表或其他无源器件与光纤之间的连接。由于光纤的纤芯很细，仅几个 umx对光纤连接器的加工工艺和精度都有比较高的要求：(1) 插入损耗是评价光纤连接器的主要指标，

42、要求很小。光纤连接器一般要求插入损耗在0.4dB0.5dB,最大插入损耗要控制在 0.5dB 一下，典型值为0.3dB 一下。(2) 反射要低。过大的反射会导致光源光谱特性的变化和噪声的增加，目前要求光纤连接器的反射小于-40dB。(3) 重复性要好，互换性要好。光纤连接器是一种需要经常插拔的器件，光功率耦合效率不应因每次插拔而变化。互换时要求性能变化不大，损耗仍然符合 要求。(4) 寿命要长。由于是活动连接，应能经受反复插拔而不降低性能，一般不锈钢材料要不低于103次，陶瓷材料要不低于10 4次。(5) 强度要高。光纤连接器是一种机械定位、对准和连接的器件。光纤连接器的强度要高，能承受各种压

43、力，保证光纤少受外力。(6) 对环境条件不敏感。不锈钢要求能在-20oC十70OC ,陶瓷要求能在-40° C+80°C条件下正常工作。此外还能经受温度变化， 灰尘和化学气 体的侵蚀，机械推动和高压的影响。光纤连接器主要由两个插头、一个插座构成。需要连接的两根光纤的轴心必须对准两根光纤轴心的偏离或两根光纤端面之间有夹角等等会引起连接损耗， 所以光纤的纤芯 中心要与插头插座的中心完全一致。为了防止反射， 对光信号产生不良影响， 要使管芯端面间紧紧贴合而不留一丝缝隙，称为平面性接触。 为了抑制反射波对光源的影响， 还有采用物理接触型的， 插针体的端 面为抛光的球面，使光纤芯子紧

44、密接触。采用成角度物理接触连接器 APC( Angle Physical Contact )可进一步抑制反射，它不仅将光纤端面抛光成球面，而且端面与轴线成一定的角度，使反射光难以回到输入光纤，返回光源。平面连接器的反射衰减系数为 40dB 左右。物理接触型PC连接器的反射衰减系数可达48dB。APC连接器的反射衰减系数可达55dB。(1) FC型光纤连接器日本NTT公司开发的FC (Ferrule Connecter )型光纤连接器。FC 表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。两个需要连接的光纤被固定在两个不锈钢或陶瓷的内套筒内， 两个内套筒安置在一个外套筒内， 外套筒是一个精密的

45、圆柱形定位筒。 两个内套筒的位置还通过两端的保持瘫痪来固定。 整个连接器采用螺旋锁定。最早， FC 类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式FC此类连接器制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，较难提高回波损耗性能。后来，对该类型连接器做了改进，采用PC型对接端面，而外部结构没有改变， 使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。 这种光纤连接器结构 简单，价格便宜，性能较好。单模FC-PC型连接器的插入损耗为0.2dB0.5dB ,已获得广泛应用。(2)美国LT公司开发了直触式连接器ST-PC,采用插销锁定结构，出入后一转即可锁定，十分方便。这类连接器连接方便

46、，性能与FC-PC相当，插入损耗为0.2dB0.5dB,也获得了广泛的应用。(3) SC光纤连接器这是一种由日本 NTT公司开发的光纤连接器。其外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC或AP6研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不许旋转。此类连接器价 格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。(4) 4)SIN47256 型光纤连接器这是一种由德国开发的连接器。 这种连接器采用插针和耦合套筒的结构尺寸与FC型相同，端面处理采用PC研磨方式。与FC型连接器相比，其结构要复杂一些，内部金属结构中有控制压力的弹簧，可以避免 因插接压

47、力过大而损伤端面。另外，这种连接器的机械精度较高，因而介入损 耗值较小。(5) MT-RJ型连接器MT-RJ 起步于NTT开发的MT连接器，带有与 RJ-45型LAN电连接器相同的闩锁机构，通过安装与小型套管两侧的导向销对准光纤。为便 于与光收发信机相连，连接器端面光纤为双芯(间隔0.75mm)排列设计，是主要用于数据传输的下一代高密度光连接器。(6) LC型连接器LC 型连接器是著名Bell研究所研究开发出来的，采用操作方便的模块插孔RJ 闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、 FC等所用尺寸的一半，为1.25mrnio这样可以提高光配线架中光纤连接器的密度。目前，在单模SMF

48、面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位，在多模方 面的应用也增长迅速。(7) MU型连接器MU (Miniature unit Coupling )连接器是以目前使用最多的SC型连接器为基础，由NTTW制开发出来的世界上最小的单芯光纤连接器，该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构，其优势在于能实现高密度安装。利用MU的1.25mm直径的套管，NTT已经开发了 MU连接器的系列。它们有用于 光缆连接的插座型光连接器 （MU-A系列），具有自保持机构的底板连接器（MU-B系列），以及用于连接模块与插头的简化插座（MU-SR!（列）等。(8) 除了单芯光纤连接器外，各个公司还研制了多芯光

49、纤连接器。LT公司研制了一种双芯的ST-PC单模光纤连接器，NTT公司研制了一次可以连接 80根光纤的多 芯光纤连接器。2 .光纤耦合器在光纤通信和光纤通信测试中，经常需要从光纤的主传输信道中取出一部分光信号作为检测和控制等使用。 有时也需要把两个不同方向来的光信号和在一起送入一根光纤中传输。光纤耦合器一般指一种波长信号的分配。与波长有关的光纤耦合器称波分复用器/解复用器，或称为光合波器 /光分波器。按耦合形式分有T型耦合器、星型耦合器和定向耦合器等。按器件结构分有熔锥形、波导型、研磨型、滤光型和光栅型耦合器等。按光纤分有多模光纤、单模光纤和保偏光纤耦合器等。3 .光隔离器光隔离器的主要作用是

50、允许光波在一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。光隔离器经常用在激光器和光放大器的耦合系统中。在一些端面或接头不连续处的反射、折射和散射都会产生偏振光，将影响激光器和放大器工作的稳定性，对高速光纤通信系统、相干光纤通信系统、频分复用光纤通信系统以及精密光学测量系统都将带来不良的影响。 光隔离器的作用是十分重要的。简单的光隔离器是由两个偏振器，中间加一个法拉第旋转器组成的。偏振器有一透光轴。理想的偏振器，沿透光轴方向偏振的光能完全通过，而与之垂直的偏振光完全被阻止。法拉第旋转器是由旋光材料制成的。在0.85um短波长波段，一般采用含稀土金属离子的顺磁性玻璃，而在1.31um或1.5

51、5um长波长波段，可采用光损耗低的轨铁石榴石YIG（Yttrium Iron -Garnet）单晶。法拉第旋转器利用法拉第旋转效应，使通过他的偏振光的方向发生偏转，当在旋转器上外加一与偏振入射光传输方向一致的磁场，其偏转方向将旋转一个角度9 :f =VBd式中B为外加磁场的磁感应强度； d为材料厚度；V称为菲尔德（Verdet ）常数，是表示材 料特性的常数。偏振光的旋转方向可以这样决定： 不管他的传播方向如何， 迎着外加磁场的 方向观察，偏振光按反时针方向旋转。光隔离器的工作原理如下图所示。这里假设入射光只是垂直偏振光，偏振态为中，第1个偏振器的透振方向也是垂直方向，因此输入光能够通过第 1

52、个偏振器，然后再通过法拉第旋转器使光的偏振态按反时针方向旋转一个角度，例如450 ,其偏振态变为* ,旋转器后面的是第2个偏振器，它的透振方向在 450方向上，因此入射光能顺利通过第2个偏振器，也就是说光信号在入射光方向传输基本上没有损耗的。假使在第2个偏振器透振由于连接器或熔接点引起某种反射，反射光的偏振态也在 450方向上，由第2个偏振器透振出来的偏振光，经法拉第旋转器仍沿反时针方向旋转450,恰与第1个偏振器垂直，偏振态为 0,变成了水平偏振光，不能通过第 1个偏振器，因此完全阻断了反向光的传输，达到了隔离效果。SOP入射光光隔离器的结构和工作原理图光隔离器的特性参数是插入损耗L和隔离度

53、I。设已1、P出1为正向传输时的输入和输出功率，设P入2、P出2为反向传输时的输入和输出功率，则正向损耗(即插入损耗)为P入1L =10lg (dB)P出1反向损耗为(dB)L =10lg若偏振器和法拉第旋转器效果不好，将会使插入损耗增加，隔离度减小。一般插入损耗为0.5dB ,隔离度为 35dB70dB。几个光隔离器可以组成环形器，例如用3个光隔离器可以组成三端口光环行器，光信号可以从端口 1流向端口 2,从端口 2流向端口 3,再从端口 3流向端口 1.4 .光开关光开关的功能是切换光路，实现光交换的器件。光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路的光信号进行相互转换或进行

54、逻辑操作的器件。复杂的光交换需要采用光路由器，光交叉连接器或光交换机等来完成任务。现在常用的光开关有机械光开关、非机械的各种固体光开关。微电机械交换开关MEMS的研究已有很大进展，进入广泛使用阶段。全光交换、全光交叉技术也正在积极研究，成为当前的热点。机械光开关利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换机械光开关的优点是插入损耗小( 0.7dB1.3dB),串扰小(>60dB),技术成熟简单；缺点是 开关速度慢。非机械光开关一般是利用磁光效应、 电光效应、热光效应和声光效应的固体开 关。优点是开关速度快，缺点是插入损耗大( 1dB10dB)、串扰大(20dB60dB

55、)。马赫-曾德干涉型 MZI光电开关是利用电光效用做成的光波导导光的光开关，由一对采用LiNbO3或GaAs等半导体材料为衬底的平行的条形波导组成的两个定向耦合器和分布在条形波导上面的表面电极构成光开关。当电极接上电压，两个波导内将分别产生大小相等方向相反的电场分量，使一个波导的传播常数增大另一个减小， 使波导间传播的光功率在两个 波导内转换，从而实现光的切换和调制。微电机械系统 MEMS Micro Electro- Machenical System ）是朗讯公司的技术专利。 它是利用沉积、腐蚀和平版印刷手段，在基片上用毫微技术制造出比头发丝还细的微小机械。 高度抛光的金板或反射镜与电的传

56、动机械相连并垂直安放在3个相交波导的间隙中，反射镜能线性地从光波导的间隙中拉出来或插进去，使光束通过或向不同的方向反射。MEM皱术虽然很复杂，但能在同一晶片上制出许多MEM潞件，使每个系统成本降低，具有很小的，只有几分之一dB的插入损耗，通断比优于 60dB,开关功率仅2mW/能够成高密度多功能光交换系统。从端口数量上分，光开关可分为最简单的1父1通断开关，1父2, 1父N （N可达100）,第4章准同步数字系列第5章 同步光网络/同步数字体系第6章光波波分复用技术6.1 光波波分复用技术6.1.1 WDM的产生光纤通信技术发展迅速，从多模光纤引申至单模光纤，从短波长0.85um引申至长波长C波段1.131um和L波段1.55um,而数字速率采