模拟基带直接光强调制

1、目录1.光纤结构及光纤传输系统1光纤结构1光纤类型2光纤传输原理2波动原理32激光光源工作原理4半导体激光器工作原理4半导体的特性：43模拟基带直接光强调制光纤传输及应用5光发射机5光接收机6参考文献61.光纤结构及光纤传输系统光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。光纤的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。纤芯和包层的相对折射率差= （n1-n2）/n1 的典型值，一般单模光纤为0.3%

2、0.6%， 多模光纤为1%2%。越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。光纤种类很多，最为信息传输波导用的由高纯度石英制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型。如图示出其横截面的结构和折射率的分布，光线在纤芯的传输路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下。突变型多模光纤（StepIndex Fiber, SIF），纤芯折射率为n1保持不变，到包层突变变n2。这种光纤一般纤芯的直径2a=5080um,光线以折射形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。渐变型多模光纤（GradedIndex Fiber, GIF），2a为50um，光线以正弦

3、形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点信号畸变小。单模光纤（SingleMode Fiber, SMF），折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有810um,光线以直线形状沿纤芯中心轴方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式，所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 在极限介质空间尺寸>>波长条件下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。几何光学的方法比较直观，容易理解，但并不十分严格。突变型多模光纤（SIF）以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与z轴一致， 如图2.4。光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0<

4、n1)，折射角为1，折射后的光线在纤芯直线传播， 并在纤芯与包层交界面以角度1入射到包层(n1>n2)。改变角度，不同相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理， 存在一个临界角c， 当<c时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯， 并以折线的形状向前传播，如光线1。根据斯奈尔(Snell)定律得到NA= n0sin=n1sin1=n1cos1 （1） n0=1,由式（1）经简单计算得到 式中=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。设°。NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无

5、损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。NA越大， 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。 设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1 km， 计算得到脉冲展宽=44ns，相当于10MHz·km左右的带宽。波动原理要详细描述光纤传输原理，需要求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程。但在极限(波数k=2/非常大，波长0)条件下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。几何光学的方法比较直观， 容易理解， 但并不十分严格。不管是射线方程还是波动方程，数学推演都比较复杂， 这里只做介绍。2激光光源工作原理半导体激光器工作原理半导体激光器是向

6、半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。E2E1自发辐射E2E1受激辐射E2E1受激吸收设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E1 >E2）的原子数分别是N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面分布2.2半导体的特性：l 发射波长和光谱特性：随着驱动电流的增大，纵横模数逐渐减少，谱线宽度变窄。l 激光束的空间分布：激光束的空间分布用近场和远场来描述。l 转换效率和输出光功率特性：输出的光功率随驱动电流的增加而增加。l 频率特性：一般在1到2GMHz。l 温度特性：随着温度的增加，阀值电流增加，外微分量子效率减

7、小。3模拟基带直接光强调制光纤传输及应用模拟基带直接光强调制(DIM)光纤传输系统由光发射机(光源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成， 这种系统的方框图如下图所示。光发射机模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统光发射机的功能是，把模拟电信号转换为光信号，系统框图如图（1）。对这种光发射机的基本要求是：(1) 发射(入纤)光功率要大，以利于增加传输距离。 在光纤损耗和接收灵敏度一定的条件下，传输距离和发射光功率成正比。 发射光功率取决于光源，LD优于LED。(2) 非线性失真要小，以利于减小微分相位(DP)和微分增益(DG)，或增大调制指数m(mTV)。LED线性优于LD。(3

8、) 调制指数m (mTV)要适当大。m大，有利于改善SNR；但m太大，不利于减小DP和DG。(4) 光功率温度稳定性要好。LED温度稳定性优于LD， 用LED作光源一般可以不用自动温度控制和自动功率控制， 因而可以简化电路、降低成本。由于全电视信号随亮场和暗场的变化而变化，为保证动态DP和DG的规定值，必须保持DP和DG补偿电路的工作点不随亮场和暗场而变化，所以应有箝位电路来保证其工作点恒定。 在全电视信号中，图像信号随亮场和暗场而变化，其同步脉冲信号在工作过程是不变的，因而利用同步脉冲和图像信号处于不同电平的特点， 对全电视信号中的同步脉冲进行分离和箝位。（1）光发射机方框图 （2）LED驱

9、动电路的末级及其工作原理图中R1C1电路用于调节DIM系统电视信号的幅频特性，Re用于监测通过LED的电流，Rc用于控制通过LED的极限电流，V2用于保护LED防止反向击穿，LED的工作点由箝位电路调节。光接收机 光接收机的功能是把光信号转换为电信号。 对光接收机的基本要求是：(1) 信噪比(SNR)要高；(2) 幅频特性要好；(3) 带宽要宽。模拟基带DIM光纤电视传输系统光接收机方框图如图6.8所示，光检测器把输入光信号转换为电信号，经前置放大器和主放大器放大后输出，为保证输出稳定，通常要用自动增益控制(AGC)。参考文献1 王晓凤. 激光通信J. 邢台学院学报,

10、60;2009, (02) :115-1172 徐安士. 新型光通信技术研究与发展J. 中国通信, 2009, (03) :523 李威, 杨道驰, 张震. 关于现代光纤通信系统探究J. 科技资讯, 2009, (17) :314 段培贤, 王蓬, 陈佶. 光通信技术在潜艇武器系统中的应用J. 信息与电子工程, 2009, (04) :265-2685 “650nm塑料光纤传输系统”将带给我们一个怎样的网络J. 现代传输, 2009, (03) :206 陈志坚. 2009年国内光通信行业投资分析 光通信:走得比3G更远J. 通讯世界, 2009, (03) :53-557 宋有才. 光孤子通信技术的应用与展望J. 阜阳师范学院学报(自然科学版), 2009, (02) :43-468 烽火通信:IP RAN发展应关注六大需求J. 电信技术,