光纤通信原理

1、光纤通信原理光纤通信原理第一章第一章 概述概述1.1 基本概念基本概念1.通信：传递信息的方式、方法及其过程。通信：传递信息的方式、方法及其过程。 2.电通信：所谓电通信即是用电信号、通过电线（或电缆）来传递信息。 电通信主要有两种方式：v模拟通信模拟通信：用电信号模拟所要传递的信息的大小、特征进行传输。频分复用频分复用：用载频f0把多路音频信号调制到不同的高频率位置，使多路信号可以在同一条线路上同时传输。 1n 1 2 n f频分复用 f1 f2 fnf0.33.4V(t)声音0.33.4f(t）模拟电信号fv 数字通信数字通信：把连续的模拟信号抽样、量化、编码成离散的数字信号（0、1码）后

2、传输。时分复用时分复用：把n路信号分别占用不同的时间（时隙）在同一条线路上传输1）. 抽样频率为fs=8000Hz(周期125s ）; 2）. 一路语音信号的速率为8000*8=64bit/s ;PCM一次群（或称基群，30/32路），速率为 64*32=2.048Mbit/s，简称2兆信号 ;PCM二次群，速率为8.448 Mbit/s ; 三次群 为34.368 Mbit/s ; 四次群 为139.264 Mbit/s 时分复用时分复用 1 2 n 1 n 抽样信号ft1 1 0 1 0 0 0 0数字信号f（t）t（量化、编码）3. 光纤通信传输的是光信号、传输线路是光纤（光缆）光纤通信

3、与电通信的主要区别有两点： 用光波作为载波信号传输来信号 用光纤作传输线路 目前使用的光纤通信系统，普遍采用的是数字编码、强度调制，即用数字信号去直接调制光源的光强，使之随信号电流呈线性变化（如“1”、“0”分别使“有光”、“无光”）光纤通信系统中的主要组成部分将是激光器和光纤，及其它光器件，是我们这门课程的重要内容。 1.2 光纤通信系统 1.光纤通信系统基本组成 P3图1-2。与数字通信系统相比，即是数字通信系统模型中数字传输信道部分。l 光端机：把数字电信号转换为数字光信号，或相反（用光电二极管把光检波为电脉冲 ）。 强度调制-直接检波通信系统（强度即光强，指单位面积上的光功率）。即用信

4、号去直接调制光源的光强，使之随信号电流呈线性变化； 直接检波-把光信号直接在接收机的光频上检测为电信号。l 光中继器：光信号放大、再生PCM复复用用设设备备 光光 端端 机机 光光 中中 继继 器器 光光 端端 机机P CM复复用用设设备备光通信系统光通信系统光缆通信传输系统的基本构成光缆通信传输系统的基本构成光信号电信号电信号2. 优缺点优点优点：传输频带宽，通信容量大；损耗小，不受电磁干扰，传输质量好，传输距离长；线径细，质量轻，空间利用率高；资源丰富。缺点：光纤质地脆、机械强度低；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。光波也是电磁波，其波长在微米级、頻率为10121016Hz

5、数量级。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，即波长为0.81.8m其中短波长波段波长为0.85m长波长波段波长为1. 31m和1.55m0.85m、1.31m和1.55m是目前所采用的三个通信窗口 频率频率 波长波长 名称名称（Hz） （cm）超短波超短波可见光可见光10210410610810101012101410161018102010221024kHzMHzGHz108106104102110-210-410-610-810-1010-121km1m1cm1mmm11nm1A0音频音频长波长波中波中波短波短波微波微波毫米波毫米波红外线红外线紫外线紫外线X射线射线射线射线电磁波谱电

6、磁波谱 频率频率 波长波长 名称名称（Hz） （cm）102104超短波超短波可见光可见光10610810101012101410161018102010221024kHzMHzGHz108106104102110-210-410-610-810-1010-121km1m1cm1mmm11nm1A0音频音频长波长波中波中波短波短波微波微波毫米波毫米波红外线红外线紫外线紫外线X射线射线射线射线电磁波谱电磁波谱波长与频率关系1.3 光纤通信的发展光纤通信的发展传输（长途、短途） 全光网通信网示意图：终端终端交换机交换机网络第一章第一章 概述概述第二章第二章 光纤和光缆光纤和光缆第三章第三章 光路无

7、源器件光路无源器件第四章第四章 光端机光端机第五章第五章 光纤通信系统光纤通信系统第六章第六章 光纤放大器光纤放大器第七章第七章 同步数字体系同步数字体系第八章第八章 光纤及光纤通信系统的测量光纤及光纤通信系统的测量l l 要求：要求： 注意适时复习、总结，特别强调独立、按时、高质量注意适时复习、总结，特别强调独立、按时、高质量完成作业。完成作业。1.4 主要内容与要求第二章第二章 光纤和光缆光纤和光缆 重点掌握光纤的结构、分类，光纤的导波原理，光纤的损耗、色散特性。2.1光纤的结构与分类2.1.1光纤的结构 两层同心的石英玻璃组成。里面是纤芯，直径2a，光折射率n1高；外层是包层，直径2b，

8、折射率n2低 (n1 n2 )。 裸纤2a 2b一次涂敷一次涂敷二次涂敷（套塑）二次涂敷（套塑）2a2b纤芯纤芯包层包层 光纤芯线的剖面构造光纤芯线的剖面构造光纤结构2b2ann1n20abrn0abrn2n1（r）阶跃型光纤的剖面折射率分布阶跃型光纤的剖面折射率分布渐变型光纤的剖面折射率分布渐变型光纤的剖面折射率分布一、按照一、按照折射率折射率分布不同来分分布不同来分常用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种常用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种1.阶跃型阶跃型光纤光纤n1n2n1、n2都为常数，且都为常数，且n1n2，在纤芯和包层，在纤芯和包层的交界面处折射率呈阶的交界面处折射率呈阶梯型变化，这种光纤

9、称梯型变化，这种光纤称为阶跃型光纤，又称为为阶跃型光纤，又称为突变型光纤，可用突变型光纤，可用SI(Step-Index)表示。表示。2.1.2光纤的分类2.渐变型光纤渐变型光纤 纤芯折射率纤芯折射率n1随着半随着半径的增加而按一定规律减径的增加而按一定规律减小，到纤芯与包层交界处小，到纤芯与包层交界处为包层的折射率为包层的折射率n2 ，即纤，即纤芯中折射率的变化呈近似芯中折射率的变化呈近似抛物线型。这种光纤称为抛物线型。这种光纤称为渐变型光纤，可用渐变型光纤，可用GI(Graded-Index)表示。表示。2ann1n20abrn0abrn2n1（r）n1n2阶跃型光纤的剖面折射率分布阶跃型

10、光纤的剖面折射率分布渐变型光纤的剖面折射率分布渐变型光纤的剖面折射率分布二、按照传输的总模数来分二、按照传输的总模数来分所谓所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式。模式，实质上是电磁场的一种分布形式。 根据光纤中传输模式数量来分，可分为根据光纤中传输模式数量来分，可分为单模光纤单模光纤和和多模光纤多模光纤。 1、单模光纤、单模光纤（SM-Single mode fiber） 它的纤芯直径很小，约为它的纤芯直径很小，约为410m ，理论上只传输一种模，理论上只传输一种模式。即只传输主模，从而完全避免了模式色散，使得这种光纤式。即只传输主模，从而完全避免了模式色散，使得这种光纤的传输频带很宽，传输

11、容量很大，适用于大容量、长距离的光的传输频带很宽，传输容量很大，适用于大容量、长距离的光纤通信。纤通信。纤芯纤芯包层包层nABCD2a2b折射率折射率阶跃型多模光纤（阶跃型多模光纤（SI）包层包层包层（包层（n2）芯（芯（n1）ACB折射率折射率梯度型多模光纤（梯度型多模光纤（GI）包层包层包层包层芯芯2、多模光纤、多模光纤（MM-multi mode fiber） 在一定的工作波长下，当有多个模式在光纤中传在一定的工作波长下，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。输时，则这种光纤称为多模光纤。 当媒质的几何尺寸远大于光波波长时（近似于媒当媒质的几何尺寸远大于光波波长时（近似于媒

12、介为无穷大），光可以用一条表示光的传播方向的几介为无穷大），光可以用一条表示光的传播方向的几何线来代表，这条几何线就称为光射线。何线来代表，这条几何线就称为光射线。用光射线来研究光传播特性的方法，称为用光射线来研究光传播特性的方法，称为射线法射线法。1. 均匀平面波的一般概念均匀平面波的一般概念 所谓均匀平面波，就是指在与传播方向垂所谓均匀平面波，就是指在与传播方向垂直的无限大平面的每个点上，电场强度直的无限大平面的每个点上，电场强度E的幅的幅度相等、相位及方向相同；磁场强度度相等、相位及方向相同；磁场强度H的幅度的幅度也相等、相位及方向也相同。也相等、相位及方向也相同。 2.2用射线法分析光

13、波在光纤中的传输用射线法分析光波在光纤中的传输XYZ0EH沿正沿正Z轴传播的均匀平面波轴传播的均匀平面波如果均匀平面波是在均匀理想介质中传播，其如果均匀平面波是在均匀理想介质中传播，其特性可概括为以下几点：特性可概括为以下几点：（1）平面波的电场、磁场互相垂直，都位于与传播方向垂直的）平面波的电场、磁场互相垂直，都位于与传播方向垂直的平面上而无纵向分量，因此称它为横电磁波（平面上而无纵向分量，因此称它为横电磁波（TEM波波）（2）均匀平面波在同一等相位面上电场的幅度相等；磁场的幅）均匀平面波在同一等相位面上电场的幅度相等；磁场的幅度也相等；度也相等；（3）平面波的传播方向垂直于电磁场所在的平面

14、，传播速度为）平面波的传播方向垂直于电磁场所在的平面，传播速度为V=1/ （4）均匀平面波在某一种无限大的介质中传播时，在单位长度）均匀平面波在某一种无限大的介质中传播时，在单位长度上相位变化了多少，用相位常数上相位变化了多少，用相位常数k来表示。来表示。K=2n/0（5）由于理想介质没有损耗，因此在传播中，电场强度和磁场）由于理想介质没有损耗，因此在传播中，电场强度和磁场强度的幅度不随距离强度的幅度不随距离Z而变化。而变化。 2.光波在两介质交界面的反射与全反射（1）反射与折射光从介质n1射向介质n2，入射角1，折射角2，反射角1 ：斯涅尔定律斯涅尔定律：1=1 （1）反射定律n1sin1=

15、 n2sin2 （2）折射定律 或cos2=1-sin22 =1-（n1/n2）2sin21介质n2介质n1121zx（2）.全反射入射角 为临界角时，使：1=c 2=90。sinc= n2/n1全反射反射角2必大于90。，光线不会进入介质2，全部发射回介质1，这种现象称为全反射全反射。全反射条件：n1n2，90。1c121zxc90。介质2介质1（3）导行波全反射时，纤芯中的波为入射波与反射波的合成波：E=E1+E1，=2E01cos（k1xx+1）e-j（k1zz-1）分两部分： X方向：幅度按三角函数规律变化，是振荡的，呈驻波分布； Z方向：相位随Z的增加而滞后，表示合成波是沿Z方向传输

16、的，呈行波分布传播的Z方向即是与界面平行，所以说电磁波是被介质边界所导行，称导行波，简称导波。子午线子午线子午面子午面00n1（a）子午线）子午线纤芯纤芯过纤芯的轴线过纤芯的轴线OO的平面称为的平面称为子午面子午面。在子午面上和。在子午面上和轴线相交的光射线，就称为轴线相交的光射线，就称为子午线子午线。全反射时，入射线与反射线会在同一个平面（子午面）中。不经过光纤轴线的光射线，称为不经过光纤轴线的光射线，称为斜射线斜射线。3.光纤中光射线的分析光纤中光射线的分析一 阶跃型光纤中光射线的分析：1. 光射线类型： 光纤中存在两种形式的光射线：子午线与斜射线 2.主要特性参数主要特性参数（1）相对折

17、射指数差）相对折射指数差 n1n2n1（2）数值孔径）数值孔径NA光纤的光纤的数值孔径数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力的物理量。是表示光纤捕捉光射线能力的物理量。NA=sinmax= n12n22 =n1 2 max是光纤纤芯所能捕捉光射线的最大入射角是光纤纤芯所能捕捉光射线的最大入射角（此时（此时1=c =90- max） 。max1n1n2n0数值孔径示意图数值孔径示意图（3）最大时延差）最大时延差 max 不同角度的入射子午线，代表光纤中不同的模不同角度的入射子午线，代表光纤中不同的模式。由于路径不同，在传输同一光纤长度式。由于路径不同，在传输同一光纤长度L时，时，所用的时间是不同的。所

18、用的时间是不同的。最最长长路径（路径（ max、1 c）与最）与最短短路径（路径（ 0、1 90）的光射线传）的光射线传输时间差即为最大时延输时间差即为最大时延max（最大路径差（最大路径差/速速率）率） ：max= max- 0= Ln12/cn2 - Ln1/c= Ln1 /cLn11结论结论：阶跃型光纤中 （1） 靠全反射将光波限制在纤芯中向前传输的； (2) 数字孔径越大，光纤束缚光的能力越强，光纤抗弯曲能力越强，但最大时延差也越大，色散会增大。所以NA不是越大越好。（3）纤芯和包层的折射率差别极小（弱导波光纤），其比值n2/n11。在这种情况下，纤芯和包层交界面上全反射的临界角 c=

19、sin-1n2/n190；光纤中的波接近于均匀平面波。二 渐变型光纤中光射线的分析n1沿半径r方向是变化的，随r的增加而按一定规律减小，即n1是r的函数，n2一般是均匀的，n2VC截止条件：截止条件：VVC临界条件：临界条件：V= VC 如果在阶越型光纤中只传如果在阶越型光纤中只传LP01基模基模(其它其它的模被截止），则称该光纤为的模被截止），则称该光纤为单模光纤。单模光纤。不同不同m、n的的 mn （V）值）值mn12301202.404833.831713.831715.520087.015597.015598.6537310.17347 LP01模是阶跃型光纤的模是阶跃型光纤的基模基模

20、，其余所有模式均，其余所有模式均为高次模。为高次模。 LP11模是模是第一高次模第一高次模，其，其 mn=2.40483为第二低为第二低归一化截止频率归一化截止频率。2.4单模光纤单模光纤 单模光纤：在给定的工作波长上，只传输单单模光纤：在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤。一基模的光纤。 单模光纤中只能传输一种模式，从时域观点看，单模光纤中只能传输一种模式，从时域观点看，它它不存在模式间的时延差不存在模式间的时延差，因此信号在传输过程，因此信号在传输过程中展宽较少，对应到频域观点来看，即带宽要比中展宽较少，对应到频域观点来看，即带宽要比多模光纤宽得多，有利于高码速、长距离的传输，多模光纤

21、宽得多，有利于高码速、长距离的传输，单模光纤的带宽一般都在单模光纤的带宽一般都在几十几十GHZ以上，比渐变以上，比渐变型单模光纤要高型单模光纤要高12个数量级。个数量级。纤芯直径纤芯直径2a=410 m，包层直径，包层直径2b=125 m。用得。用得最普遍的是最普遍的是1.3 m单模光纤，其折射率分布一般单模光纤，其折射率分布一般都采用阶跃型折射率分布。都采用阶跃型折射率分布。1.单模光纤的单模传输条件单模光纤的单模传输条件 判断一根光纤是否是单模传输，主要决定于判断一根光纤是否是单模传输，主要决定于 它它 归一化频率值的大小归一化频率值的大小,根据导行条件，即根据导行条件，即 Vc（LP01

22、）VVc（LP11） 或或 0V 1%2.2%张张 力力430g860g1.9kg2.7 几种特殊的光纤几种特殊的光纤一、一、色散位移色散位移单模光纤（单模光纤（Dispersion-Shifted Fibers DSF）色散位移光纤（色散位移光纤（DSF）就是将）就是将零色散点移到零色散点移到1.55 m处的光纤。处的光纤。目前采用的主要方法是通过目前采用的主要方法是通过改变光纤的结构改变光纤的结构参数，参数，加大波导色散值加大波导色散值，实现，实现1.55 m处的处的低损耗低损耗与与零色散。零色散。单一波长传输时质量好，但在波分复用时会出现严单一波长传输时质量好，但在波分复用时会出现严重的

23、非线性效应，这主要是因为只有一个零色散重的非线性效应，这主要是因为只有一个零色散点点，而不是一个而不是一个区域区域零色散。零色散。 二、非零色散光纤（二、非零色散光纤（NZDF） 所谓非零色散光纤是指光纤的工作波长不所谓非零色散光纤是指光纤的工作波长不是在是在1.55 m的零色散点，而是移到的零色散点，而是移到1.541.565 m范围范围内，在此区域内的内，在此区域内的色散值较小色散值较小，约为，约为1.04.0ps/kmnm，虽然色散系数不为零，但和，虽然色散系数不为零，但和一般单模光纤相比，一般单模光纤相比，在此范围内色散和损耗都在此范围内色散和损耗都比较小比较小，而且可采用波分复用技术

24、，通过光纤，而且可采用波分复用技术，通过光纤放大器放大器(EDFA)实现大容量超常距离的传输。实现大容量超常距离的传输。三、色散平坦光纤（三、色散平坦光纤（DFF）在在 整个通信波段（整个通信波段（1.3 m -1.6 m ）保持低损耗和）保持低损耗和低色散低色散方法：利用光纤的不同折射率分布来达到目的。方法：利用光纤的不同折射率分布来达到目的。四、色散补偿光纤（四、色散补偿光纤（DCF）色散补偿又称为光均衡，它主要是利用色散补偿又称为光均衡，它主要是利用一段光纤一段光纤（具有负色散）（具有负色散）来消除光纤中由于色散（一般都是来消除光纤中由于色散（一般都是正色散）的存在使得光脉冲信号发生展宽

25、和畸变。正色散）的存在使得光脉冲信号发生展宽和畸变。能够起这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤能够起这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤（DCF）。）。D（ps/nmkm）3020100-10-20-30-401.0 1.2 1.4 1.6 1.8 ( m)材料色散材料色散总色散总色散波导色散波导色散 色散平坦光纤的色散色散平坦光纤的色散(a)阶跃型阶跃型(b)上凸型双包层上凸型双包层(c)下凹型双包层下凹型双包层(d)三角型三角型(e)W型型(f)四包层四包层(g)纯硅芯纯硅芯单模光纤的折射率分布形式单模光纤的折射率分布形式2.8 光缆的结构和种类光缆的结构和种类一、光缆的基本结构一、光缆的基本

26、结构由由缆芯缆芯、护套护套和和加强元件加强元件组成。组成。缆芯缆芯单芯型：是由单根经二次涂覆处理后的光纤组成。单芯型：是由单根经二次涂覆处理后的光纤组成。多芯型：是由多根经二次涂覆处理后的光纤组多芯型：是由多根经二次涂覆处理后的光纤组 成，它又可分为带状结构和单位式结构。成，它又可分为带状结构和单位式结构。 国内外对二次涂覆主要采用下列两种保护结构：国内外对二次涂覆主要采用下列两种保护结构：紧套结构紧套结构和和松套结构松套结构。加强元件指承受外力的钢丝、纤维、塑料等。加强元件指承受外力的钢丝、纤维、塑料等。0.90.40.125光纤光纤一次涂覆一次涂覆缓冲层缓冲层二次涂覆层二次涂覆层紧套光纤结

27、构示意图紧套光纤结构示意图光纤光纤油膏油膏一次涂覆一次涂覆松套管松套管松套光纤结构示意图松套光纤结构示意图结结 构构单单 芯芯 型型多多 芯芯 型型形形 状状结构尺寸等结构尺寸等单位式单位式带带 状状管管 型型充实型充实型2层结构层结构3层结构层结构外径外径:0.71.2mm缓冲层厚度缓冲层厚度 50200mm外径外径:0.71.2mm节距节距:0.4-1mm光纤数：光纤数：4-12外径外径:1-3mm光纤数：光纤数：6光纤光纤1次涂覆次涂覆2次涂覆次涂覆缓冲层缓冲层空气空气 硅油硅油光纤光纤缓冲套管缓冲套管中心加强构件中心加强构件光纤光纤2次涂覆次涂覆缆芯结构缆芯结构二、光缆的种类二、光缆的

28、种类种种 类类结结 构构光纤芯线数光纤芯线数必必 要要 条条 件件长途光缆长途光缆海底光缆海底光缆用户光缆用户光缆局内光缆局内光缆层绞式层绞式单位式单位式骨架式骨架式层绞式层绞式单位式单位式单位式单位式带状式带状式软线式软线式带状式带状式单位式单位式1010200104100200220低损耗、宽频带和可用单盘低损耗、宽频带和可用单盘盘长的光缆来敷设盘长的光缆来敷设骨架式有利于防护侧压力骨架式有利于防护侧压力低损耗、耐水压、耐张力低损耗、耐水压、耐张力高密度、多芯和低高密度、多芯和低-中损耗中损耗重量轻、线径细、可绕性好重量轻、线径细、可绕性好各种光缆的结构、芯线数及必要条件各种光缆的结构、芯

29、线数及必要条件光纤光纤加强构件加强构件加强构件加强构件光纤光纤单位单位（a）层绞式）层绞式（b）单位式）单位式光纤带光纤带加强构件加强构件（d）带状）带状塑料骨架塑料骨架光纤光纤加强构件加强构件防热层防热层综合护套综合护套（C）骨架式）骨架式本章小结本章主要学习了光纤的结构、分类，分析了与光纤通信相关的一些重要概念，包括：全反射及其条件，子午线与模，最大时间差，数值孔径，自聚焦，两种典型光纤的导光机理，归一化截止频率与单模传输的条件，光纤的衰减与色散及其产生机理，几种特殊光纤。第三章第三章 光路无源器件光路无源器件 本章主要介绍几种光纤通信线路中常本章主要介绍几种光纤通信线路中常用的无源器件。

30、用的无源器件。 3.1 光纤连接器光纤连接器 光纤连接器又称光纤光纤连接器又称光纤活动连接器活动连接器，俗称活动，俗称活动接头。它用于设备与光纤之间的连接、光纤与光接头。它用于设备与光纤之间的连接、光纤与光纤之间的连接或光纤与其他无源器件的连接。它纤之间的连接或光纤与其他无源器件的连接。它是组成光纤通信系统和测量系统不可缺少的一种是组成光纤通信系统和测量系统不可缺少的一种重要无源器件。重要无源器件。（还有一种固定接头，实现光纤线路的永久接续，用自动熔接机热熔，（还有一种固定接头，实现光纤线路的永久接续，用自动熔接机热熔，或用或用V型槽连接。）型槽连接。）要求：光纤连接器可将需要连接起来的单根或

31、光纤连接器可将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的多根光纤芯线的端面对准端面对准、贴紧贴紧并能并能多次使用多次使用。光纤连接器应满足如下条件：光纤连接器应满足如下条件：（1）连接损耗要小；）连接损耗要小；（2）装、拆方便；）装、拆方便；（3）稳定性好；）稳定性好；（4）重复性好；）重复性好；（5）互换性好；）互换性好；（6）体积小、成本低。）体积小、成本低。广泛使用精密套管结构连接器（广泛使用精密套管结构连接器（P38图图3-2）。）。3.2光定向耦合器光定向耦合器作用：把一路光信号分多路或把两路以上的光信号合为一个方向传输。光定向耦合器按其结构不同可分为光定向耦合器按其结构不同可分为棱镜型棱镜

32、型、光纤型光纤型和和波导型波导型。棱镜棱镜分光膜分光膜（a）棱镜型）棱镜型4123（b）光纤型）光纤型光纤式定向耦合器工作原理：光纤式定向耦合器工作原理： 光纤式定向耦合器是由两根紧密耦合光纤式定向耦合器是由两根紧密耦合（采用熔拉双锥技术）的光纤，通过光纤界（采用熔拉双锥技术）的光纤，通过光纤界面的衰减场相互重叠而实现光的耦合的一种面的衰减场相互重叠而实现光的耦合的一种器件。器件。多个多个2X2耦合器可以组成耦合器可以组成nXn的耦合器。的耦合器。 耦合器对光纤线路的影响主要是附加插耦合器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，与波长无入损耗，还有一定的反射和串扰，与波长无关

33、。（关。（与波长有关的与波长有关的耦合器专称为耦合器专称为波分复用波分复用器器/解复用器解复用器） 光纤式定向耦合器的主要参数光纤式定向耦合器的主要参数（1）隔离度）隔离度AA1-4=-10lgP1A20dB(dB)P4（2）插入损耗）插入损耗LL=-10lgP1L 0.5dB(dB)P2+P3（3）分光比）分光比TT=P21:110:1P33.3 光衰减器光衰减器 当输入光功率超过某一范围时，为了使光当输入光功率超过某一范围时，为了使光接收机不产生失真，或为了满足光线路中某接收机不产生失真，或为了满足光线路中某种测试的需要，就必须对输入光信号进行一种测试的需要，就必须对输入光信号进行一定程度

34、的衰减。定程度的衰减。 目前常用的光衰减器衰减光功率的方法主目前常用的光衰减器衰减光功率的方法主要采用金属蒸发膜来吸收光能进行光衰减，要采用金属蒸发膜来吸收光能进行光衰减，衰减量大小与膜的厚度成正比。衰减量大小与膜的厚度成正比。3.4光隔离器光隔离器1. 作用作用： 保证光信号只能正方向传输，阻止保证光信号只能正方向传输，阻止光信号在其它方向特别是反方向传输。光信号在其它方向特别是反方向传输。 主要用在主要用在激光器激光器或或光放大器光放大器后面，避免线后面，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器或光放大器，而影响其工作稳定性。光器或光放大器

35、，而影响其工作稳定性。2. 要求要求：插入损耗低（：插入损耗低（1dB）、隔离性能好）、隔离性能好（40-50dB）3. 基本结构和工作原理：基本结构和工作原理：基本原理是法拉第旋转效应，主要由两个偏振基本原理是法拉第旋转效应，主要由两个偏振器和一个法拉第旋转器组成。器和一个法拉第旋转器组成。当正向光入射后，经过偏振器当正向光入射后，经过偏振器1全部透过，经全部透过，经过旋光器后，旋转过旋光器后，旋转45，和偏振器，和偏振器2的透光轴的透光轴角度一致，因此，正向光功率全部射出。角度一致，因此，正向光功率全部射出。 当反向光入射后，有一部分光经过偏振器当反向光入射后，有一部分光经过偏振器2到达旋

36、光器，被顺时针旋转到达旋光器，被顺时针旋转45，正好和偏，正好和偏振器振器1中透光轴方向垂直，因此，被全部隔离。中透光轴方向垂直，因此，被全部隔离。偏振器偏振器1法拉第法拉第旋转器旋转器偏振器偏振器2 1=0 法拉第角法拉第角 =45 2=45正向正向Pf045Pf9045Pr 反向反向（隔离）（隔离）光隔离器的工作原理图光隔离器的工作原理图光环行器光环行器工作原理与光隔离器类似，但有多个光隔离器类似，但有多个端口。主要用于端口。主要用于光分插复用器光分插复用器中。中。采用采用光调制器光调制器可以把激光的产生和调制分开。可以把激光的产生和调制分开。用于高速率系统的信号调制，提高通信质量。用于高

37、速率系统的信号调制，提高通信质量。光开关光开关的功能是转换光路，实现光交换。它是的功能是转换光路，实现光交换。它是光网络的重要器件。光网络的重要器件。123激光入激光入电信号电信号已调光已调光信号信号（1）光环行器）光环行器（2）光调制器）光调制器第四章第四章 光光 端端 机机 重点掌握两种光源的工作原理，光重点掌握两种光源的工作原理，光/电转换原理，电转换原理，发射发射/接收机主要组成及功能，传输码型。接收机主要组成及功能，传输码型。光纤通信系统：可分为三大部分，即光纤通信系统：可分为三大部分，即光发射部光发射部分、传输部分分、传输部分和和光接收部分光接收部分。 光发射部分的核心是产生激光或

38、荧光的光发射部分的核心是产生激光或荧光的光光源源，它是组成光纤通信系统的重要器件。目前，它是组成光纤通信系统的重要器件。目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器用于光纤通信的光源包括半导体激光器LD（Laser Diode）和半导体发光二极管）和半导体发光二极管LED（Light Emitting Diode）。它们的共同特点是：）。它们的共同特点是：体积小、重量轻、耗电量小。体积小、重量轻、耗电量小。4.1 与激光器有关的几个概念与激光器有关的几个概念一、一、 光子光子 光是由能量为光是由能量为hf的光量子组成的的光量子组成的, 其其中中h=6.626 10-34JS，称为普朗克常数，称为普朗

39、克常数，f是光波频率，人们将这些光量子称为是光波频率，人们将这些光量子称为光子光子。不同频率的光子具有不同的能量。当光与物不同频率的光子具有不同的能量。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个质相互作用时，光子的能量作为一个整体整体被吸收或发射。被吸收或发射。光具有光具有波动、粒子波动、粒子两重性。两重性。二、费米能级二、费米能级原子能级的概念原子能级的概念：物质是由原子组成，而原子是：物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。电子运动的能量只能由原子核和核外电子构成。电子运动的能量只能有某些允许的数值。这些所允许的能量值，因轨有某些允许的数值。这些所允许的能量值，因轨道不同，都是一个

40、个地分开的，且是不连续的，道不同，都是一个个地分开的，且是不连续的，其大小，取决于轨道上电子的数目。我们把这些其大小，取决于轨道上电子的数目。我们把这些分立的能量值，称为分立的能量值，称为原子的能级。原子的能级。电子占据能级的概率电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：遵循费米能级统计规律：f(E)=1/(1+e(E-Ef/k0T)其中其中E f是费米能级是费米能级，k0=1.38x10-23焦耳焦耳/度度（玻耳兹曼常数），（玻耳兹曼常数），T绝对温度。绝对温度。f（E）EEfT001/21T3T2T1T3T2T1T0（绝对零度）（绝对零度）费米分布函数变化曲线费米分布函数变化曲线三、三、 光

41、与物质的三种作用形式光与物质的三种作用形式光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。光与物质光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。光与物质的相互作用有三种基本过程：的相互作用有三种基本过程：1. 自发辐射自发辐射： 电子从高能级电子从高能级E2 低能级低能级E1自发跃迁，发射自发跃迁，发射出光子的能量为出光子的能量为hf= E2 - E1。是一种。是一种发光发光过程。过程。（1）在没有外界作用的条件下自发产生，是自发跃迁；）在没有外界作用的条件下自发产生，是自发跃迁；（2）由于发射出光子的频率决定于所跃迁的能级，而）由于发射出光子的频率决定于所跃迁的能级，而发生自发辐射的高能级不是一个，可以是一系

42、列的发生自发辐射的高能级不是一个，可以是一系列的高能级，因此，辐射光子的频率亦不同，频率范围高能级，因此，辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽；很宽；（3）即使有些电子是相）即使有些电子是相同的能级差间进行跃同的能级差间进行跃迁，也就是辐射出的迁，也就是辐射出的光子的频率相同时，光子的频率相同时，但由于它们是独立的、但由于它们是独立的、自发的辐射，因此，自发的辐射，因此，它们的发射方向和相它们的发射方向和相位也是各不相同的，位也是各不相同的，因此是非相干光。因此是非相干光。E2E2E1E1z原子的自发辐射原子的自发辐射2. 受激吸收受激吸收：物质受外来光子的激发，吸收外来光子能量后，物质受外来光

43、子的激发，吸收外来光子能量后，电子从低能级电子从低能级E1 高能级高能级E2跃迁的过程。跃迁的过程。（1）过程必须在外来光子的激发下才会产生，）过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此，是受激跃迁；因此，是受激跃迁；（2）外来光子的能量要等于电子跃迁的能级）外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差，低能级之差，低能级E1上的电子吸收了外来光子的能上的电子吸收了外来光子的能量，跃迁到高能级量，跃迁到高能级E2上，则外来光子的能量上，则外来光子的能量应为：应为：E=E2-E1=hf；（3）受激跃迁的过程中，并没有多余的能量）受激跃迁的过程中，并没有多余的能量放出来。放出来。E2E2E2E2E2E2E

44、1E1E1E1E1E1hf=E2-E1hf=E2-E1hf=E2-E1hf=E2-E1zzzzz原子的自发辐射原子的自发辐射原子的受激吸收原子的受激吸收原子的受激辐射原子的受激辐射3. 受激辐射受激辐射： 受到外来光子的激发，高能级受到外来光子的激发，高能级E2电子电子 低低能级能级E1跃迁并释放出光子。是另一种发光过程。跃迁并释放出光子。是另一种发光过程。（1）外来光子的能量等于跃迁的能级之差）外来光子的能量等于跃迁的能级之差（hf=E2-E1）；（2）受激过程中发射出来的光子与外来光子不）受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向仅频率相同，而且相位、偏振

45、方向、传播方向都相同，因此，称它们是都相同，因此，称它们是全同光子全同光子（相干光）（相干光）。（3）过程可以使光得到放大。这是因为受激过）过程可以使光得到放大。这是因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果而使光增强，使入射光得到放大。相叠加的结果而使光增强，使入射光得到放大。4.2 激光器的一般工作原理激光器的一般工作原理1. 激光器是指激光的自激振荡器激光器是指激光的自激振荡器 要使得光产生要使得光产生振荡，振荡，必须先使光得到必须先使光得到放放大，大，而产生光而产生光放大放大的前提，是物质中的的前提，是物质中的受激受激辐射辐射

46、必须大于必须大于受激吸收。受激吸收。因此，因此，受激辐射受激辐射是是产生激光的产生激光的关键。关键。 粒子数反转分布状态（粒子数反转分布状态（N2N1）是使物）是使物质产生光放大的质产生光放大的必要条件必要条件。激活物质（增益物质）激活物质（增益物质）2. 激光器的基本组成激光器的基本组成电的振荡器包括放大部分、振荡回路与反馈系电的振荡器包括放大部分、振荡回路与反馈系统三部分。统三部分。构成构成激光器激光器应包括以下应包括以下三个部分：三个部分：（1）必须有）必须有能够产生激光的工作物质能够产生激光的工作物质（即可以（即可以处于粒子数反转分布状态的物质）处于粒子数反转分布状态的物质）；（2）必

47、须有能够使工作物质出于粒子数反转）必须有能够使工作物质出于粒子数反转分布的激励源（分布的激励源（泵浦源泵浦源）；）；（3）必须有能够完成频率选择及反馈作用的）必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔光学谐振腔。M1M2全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激活媒质激活媒质激光输出激光输出 谐振腔示意图（法布里谐振腔示意图（法布里-珀罗，珀罗，F-P谐振腔，平面、谐振腔，平面、球面球面腔）腔）域值条件：产生振荡的最低限度是激光器的增益刚好域值条件：产生振荡的最低限度是激光器的增益刚好抵消它的衰耗。抵消它的衰耗。L光学谐振腔的光学谐振腔的谐振条件谐振条件： g=2L/q (q=1,2,3纵模模数

48、)当工作物质的折射率为当工作物质的折射率为n时，折算到真空的时，折算到真空的谐振频率谐振频率为为 f0g=c/ g =cq/2nL3. 结论结论：要构成一个激光器，必须具备以下：要构成一个激光器，必须具备以下三个组成部分：三个组成部分：工作物质、泵浦源和光学谐振工作物质、泵浦源和光学谐振腔腔。工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反。工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用，转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用，激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要必要条件条件。4.3 半导体激光器（半导体激光器（LD）光纤通信对半导体

49、发光器件的光纤通信对半导体发光器件的基本要求：基本要求：（1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损窗口：即低损窗口：即0.85 m、1.31 m 、1.55 m。（2）能长时间连续工作，并能提供足够的光）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率；输出功率；（3）耦合效率高；）耦合效率高；（4）光源的谱线宽度窄；）光源的谱线宽度窄；（5）寿命长、工作稳定。）寿命长、工作稳定。4.3.1 半导体激光器的结构和工作原理半导体激光器的结构和工作原理一、结构一、结构 半导体体激光器从结构上可分为：同质半导体体激光器从结构上可分为：同质结、单异质结和结、单异质结和双

50、异质结双异质结半导体激光器。半导体激光器。 所谓同质结与异质结是指相同或不相同所谓同质结与异质结是指相同或不相同的半导体材料构成的的半导体材料构成的PN结。目前光纤通信常结。目前光纤通信常用的是铟钾砷磷（用的是铟钾砷磷（InGaAsP）双异质结双异质结条形条形半导体激光器：限制层和半导体激光器：限制层和有源区有源区之间形成两之间形成两个异质结，有源区是很窄的条形，折射率比个异质结，有源区是很窄的条形，折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，限制层高，产生的激光被限制在有源区内，前后两个解理面作为反射镜构成前后两个解理面作为反射镜构成F-P谐振腔。谐振腔。Au+SnSiO2有源区有源区Au

51、+Snn型型 InP：Sn（n）型）型 InP：Sn（n）InGaAsP（P）InP：Zn（P+）InGaAsP：Zn2.5 m0.10.4 mInGaAsP双异质结条形激光器示意图双异质结条形激光器示意图衬底衬底限制区二、半导体激光器的工作原理二、半导体激光器的工作原理1、本征半导体的能带分布、本征半导体的能带分布导带导带Ef费米能级费米能级价带价带满带满带本征半导体的能带分布本征半导体的能带分布禁带Eg2、P型半导体和型半导体和N型半导体的形成型半导体的形成3、在重掺杂的情况下，、在重掺杂的情况下，N型半导体和型半导体和P型半型半导体的能带分布导体的能带分布Ef导带导带价带价带价带价带Ef

52、导带导带N型半导体重掺杂能带图型半导体重掺杂能带图P型半导体重掺杂能带图型半导体重掺杂能带图4、P-N结外加正向偏压后的能带分布结外加正向偏压后的能带分布（1）P-N结空间电荷区的形成：扩散结空间电荷区的形成：扩散PN-+内建场内建场内建场电子电位分布内建场电子电位分布EfNEfP导带导带价带价带（2）P-N结形成后的能带分布：平衡结形成后的能带分布：平衡导带导带价带价带P电子填充电子填充（电子少）（电子少）空间电荷区空间电荷区价带顶价带顶导带底导带底NEf电子填充（电子多）电子填充（电子多）P-N结形成后的能带分布结形成后的能带分布(3)P-N结外加正偏压后的能带分布：不平衡加剧结外加正偏压

53、后的能带分布：不平衡加剧PN+-导带导带价带价带 EfPEfN能带填充了电子能带填充了电子能带填充了电子能带填充了电子外加正偏压后外加正偏压后P-N结的能带分布结的能带分布4、激光的产生、激光的产生 在在P-N结外加正偏压后：结外加正偏压后：N区，区，E1/2，处于高能级；，处于高能级；P区，区， EEfP，各能级被电子占据概率，各能级被电子占据概率受激吸收，可产生光的放大作用。被受激吸收，可产生光的放大作用。被放大的光在由放大的光在由P-N结构成的光学谐振腔中来结构成的光学谐振腔中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。可发出激光。4.3.2

54、 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性一、阈值特性一、阈值特性 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用这个电流值称为阈值电流，用It表示。当表示。当IIt时，激光器才发出激光。时，激光器才发出激光。It（m。 m个二进制信号码分为一组成为一个码字，再把个二进制信号码分为一组成为一个码字，再把一个码字一个码字转换转换为为n个二进制线路码个二进制线路码 ，仍在同一时隙传，仍在同一时隙传输。输。 转换有固定的对应关系转换有固定的对

55、应关系，若传输中出现禁字，若传输中出现禁字，说明有误码。说明有误码。 mBnB类码型中有类码型中有1B2B、2B3B、3B4B、5B6B、5B7B、6B8B等码。等码。以以5B - 6B为例：为例： 32-646B中含有中含有3个个“1”和和3个个“0”的的平衡码平衡码组共组共20个；含个；含4个个“1”和和2个个“0”或或4个个“0”与与2个个“1”的不平衡码组各的不平衡码组各12个（已去掉其中个（已去掉其中4连连“1”、4连连“0”的的6个码组），其中个码组），其中正模式正模式“1”的个数多，的个数多，负模式负模式“0”的个数多，两的个数多，两种模式交替使用。可用码组总数种模式交替使用。可

56、用码组总数 20+2*12=44mBnB码优点码优点：1、0等概，连等概，连1、0少，定时少，定时信号丰富；信号频谱特性好；可在线误码信号丰富；信号频谱特性好；可在线误码检测。缺点是不能传输辅助信号。检测。缺点是不能传输辅助信号。信号码（信号码（5B）线路码（线路码（6B）正模正模负模负模码字码字WDS码字码字WDS000000010111+2101000-2100001100111+2011000-2200010011011+2100100-230001100011100001110400100101011+2010100-2500101001011000101106001100011010

57、001101070011100111000011100801000110011+2001100-2901001010011001001102.插入比特码插入比特码 将信码流中每将信码流中每m比特划为一组，然后在这一组的比特划为一组，然后在这一组的末尾后插入一个比特码。末尾后插入一个比特码。（1）mB1p码码它是在每它是在每m比特以后插入一个奇、偶校正码，成为比特以后插入一个奇、偶校正码，成为P码。码。P码的作用码的作用，是保证每个码组内，是保证每个码组内1码的个数为偶码的个数为偶数。如：数。如：8B1P码（码（11011001110110011）（2）mB1C码码它是将信码流每它是将信码流每m

58、比特分为一组，然后在其末位之后比特分为一组，然后在其末位之后再插入一个反码（又称补码）再插入一个反码（又称补码）C码。码。C码的作用码的作用是是：如果第：如果第m位码为位码为“1”，则反码为，则反码为“0”；反之则为；反之则为“1”。如：。如：m=8的一组码为的一组码为11011001110110010 H B B B B B B B B H B B B B B B B HG C G C G C G C G CF1S1S7 F2 S8S14F1S15S21 F2S22S288B1H码码H码码G码码8B1H码型帧结构示意图码型帧结构示意图（3）mB1H码码它是将信码流中每它是将信码流中每m比特码

59、分为一组，然后在其末比特码分为一组，然后在其末位之后插入一个位之后插入一个混合码混合码，称为，称为H码（码（Hybrid）。）。F1F2F1F2帧同步S11监测S4S18数据S25公务其它S区间4.8 光电检测器光电检测器光接收机中实现将光信号转换为电信号的器光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器。件称为光电检测器。4.8.1 半导体的光电效应半导体的光电效应光照射到半导体的光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足结上，若光子能量足够大，则半导体材料中够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子价带的电子吸收光子的能量的能量，从价带越过禁带到达，从价带越过禁带到达导带导带，在导带，在

60、导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即产中出现光电子，在价带中出现光空穴，即产生生光电子光电子-空穴对空穴对。总起来又称。总起来又称光生载流子光生载流子。 +PNR耗尽层耗尽层内建电场方向内建电场方向外加电场方向外加电场方向+光空穴光空穴光电子光电子导带底导带底价带顶价带顶Eg禁带禁带耗尽层耗尽层半导体材料的光电效应半导体材料的光电效应外加外加负偏压负偏压的作用：的作用： 加宽耗尽层，使光电加宽耗尽层，使光电流更快速跟随光信号流更快速跟随光信号变化。变化。4.8.2 PIN光电二极管光电二极管P+N+I（N型轻掺杂）型轻掺杂）+-R耗尽层耗尽层P+N+光电子光电子光空穴光空穴+PIN光电二极