光纤通信总复习

1、光纤通信Fiber-optic communications 光源光源放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器 图 2.2 三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； (c)单模光纤 横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c)exp(0LPPT343. 4log10)/(10inoutPPLkmdB群速色散(GVD) 由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，这种

2、现象称为群速色散（GVD）、模内色散或简言之光纤色散包括材料色散和波导色散。群速度 沿z方向传输的单色波： 是角频率（弧度/秒）；是传播常数（m-1）。 群速度：表征光信号包络的传输速度 ztjAztEexp),(ddvg ddLvLg光脉冲展宽(1) 光脉冲展宽：由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展宽，不再同时到达光纤输出端。LLdddd222222dd光脉冲展宽(2) 以色散参数Dps/(nm. km)表达脉冲展宽 D的定义为：LD122211cLLDLD单模光纤的色散0.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001

3、100 20 10 0-10-20G.65317ps/nm.kmG.6520.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001100 20 10 0-10-20G.65317ps/nm.kmG.652非线性大非线性大色散非常小色散非常小1550nm窗口窗口不同信道的不同信道的WDM信号传输速度相近信号传输速度相近四波混频四波混频FWM严重严重17ps/nm.km0.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001100 20 10 0-10-20G.653G.652单模光纤的发展与演变总结(1) 在光纤通信发展的近30年中，单

4、模光纤的结构和性能也在不断发展和演变。 最早实用化的是常规单模光纤SMF(G.652光纤)，零色散波长在1310nm，曾大量敷设，在光纤通信中扮演者重要的角色。 对光纤损耗机理的研究表明，光纤在1550nm窗口损耗更低，可以低于0.2dB/km，几乎接近光纤本征损耗的极限。如果零色散移到1550nm，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能，为此，人们研制了色散位移光纤DSF(G.653光纤)。设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散，使零色散波长从1310nm移到1550nm。单模光纤的发展与演变总结(2) 90年代后，DWDM和EDFA的迅速发展，1550nm波段的几十个波长的信号同时

5、在一根光纤中传输，使光纤的传输容量极大地提高。然而，四波混频FWM会引起复用信道之间的串扰，严重影响WDM的性能。FWM是一种非线性效应，其效率与光纤的色散有关，零色散时混频效率最高，随着色散增加，混频效率迅速下降。这种性质使DSF光纤在WDM系统中失去了魅力。非零色散位移光纤NZ-DSF(G.655光纤)应运而生。 NZ-DSF在15301565nm(EDFA的工作波长)区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使FWM效率不高。 NZ-DSF的纤芯采用三角形或梯形折射率分布，其色散可正可负。若零色散波长小于1530nm则色散为正；若零色散波长大于1565nm则色散为负。从而实现长距离

6、的色散管理。单模光纤的发展与演变总结(3) NZ-DSF光纤的缺点是模场直径小，容易加剧非线性效应的影响，为此人们又研究了大有效面积NZ-DSF光纤。如康宁公司研制的三角形外环结构和双环结构光纤，三角形和内环纤芯的作用是将零色散波长移向1550nm，外环的作用是把光从中心吸引出来一部分，增大有效面积。 各种光纤性能不断提高，各种新型光纤层出不穷，无所谓好坏，应根据实际应用情况选择最合适的光纤。2.2 光纤传输原理光纤传输原理 分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法： 图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理321y1lLxoc23纤芯n1包层n2zc11. 突变型多模光纤突变型

7、多模光纤 为简便起见，以的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。 设和折射率分别为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(n0n2)。 改变角度，不同相应的光线将在与交界面发生反射或折射。 根据全反射原理全反射原理， 存在一个临界角c。 当c时，相应的光线将在交界面折射进入并逐渐消失，如光线3。 由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。 根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为(Numerical Aperture, NA)。根据定义和 NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =

8、n2sin90 (2.2)n0=1，由式（2.2）经简单计算得到 式中=(n1-n2)/n1为与。 ，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的越高。 对于无损耗光纤，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; 但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而。 所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。 212221nnnNA(2.3)图 2.8 若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线 01234560b1n1n2 / kHE11TE01HE31HM01HE21EH11EH12HE41EH21TM02TE02HE22VTLP0

9、1 HE11LP11 HE21 TM01 TE01 LP02 HE12LP12 HE22 TM02 TE02LP03 HE13LP13 HE23 TM03 TE0302.4052.4053.8323.8325.5205.5207.0167.0168.6548.65410.173低阶模式低阶模式V值范围值范围表表2.2 低阶（低阶（v=0和和v=1）模式和相应的）模式和相应的V值范围值范围 4. 单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性 从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。 当V值减小时，不断发生， 逐渐减少。 特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个

10、模式存在，其余模式全部截止。 HE11称为，由两个偏振态简并而成。 由此得到为 由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为。405. 222221nnaV(2.36)第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件 通信用光器件可以分为有源器件有源器件和无源器件无源器件两种类型。 有源器件有源器件包括光源光源、光检测器光检测器和和光放大器光放大器。 无源器件无源器件主要有连接器连接器、耦合器耦合器、波分复用器波分复用器、调制器调制器、光开关光开关和和隔离器隔离器等。 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基

11、本结构 半导体激光器半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反粒子数反转分布转分布，产生受激辐射受激辐射，再利用谐振腔的正反馈正反馈，实现光放大光放大而产生激光振荡激光振荡的。1. 受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 有源器件有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应光和物质相互作用的效应。 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 )称为激发态。 电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式： (见图3.1) 4. 半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 半导体激光器的结构多种多样，基本结构

12、是图3.5示出的双异质结(DH)平面条形结构。 这种结构由三层三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。 图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙P型半导体，称为有源层有源层；两侧两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层限制层。三层半导体置于基片基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。 DH激光器工作原理激光器工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压正向偏压后， P层的空穴空穴和N层的电子电子注入有源层有源层。 P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能

13、扩散到P层。 同理， 注入到有源层的空穴空穴也不可能扩散到N层。 这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源层内形成粒子数反转分布粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。 另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。 图 3.6 DH激光器工作原理(a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 PGa1 xAlxAsPGaAsNGa1 yAlyAs复合空穴异质势垒E能量(a)(b)(c)n折

14、射率 5%(d)P光电子 3.1.4 发光二极管发光二极管 LD发射的是受激辐射光受激辐射光 LED发射的是自发辐射光自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结双异质结(DH)芯片芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。Laser-Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation发光二极管 Light Emitting Diode 半导体激光二极管 semiconductor laser diode, Diode Laser, laser diode3.2 光检测器光检测器

15、3.2.1 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管光电二极管 一、工作原理和结构一、工作原理和结构 二、二、PIN光电二极管主要特性光电二极管主要特性 (1) 量子效率和光谱特性量子效率和光谱特性 (2) 响应时间和频率特性响应时间和频率特性 (3) 噪声噪声 3.2.2 PIN 光电二极管光电二极管 PIN光电二极管的产生光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率光电转换效率低低，响应速度响应速度慢慢。 为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体本征半导体(intrinsic semicondu

16、ctor)，这种结构便是常用的PIN光光电二极管电二极管。 PIN光电二极管光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21。 中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体本征半导体，用(N)表示；两侧是掺杂浓度掺杂浓度很高很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。 I层很厚， 吸收系数吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子电子 - 空穴对空穴对，因而大幅度提高了光电转换效光电转换效率率。 两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层耗尽层， 因而光生电流中漂移分量漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度响应速度。 另外，可通过控制耗尽层的宽度耗

17、尽层的宽度w， 来改变器件的响应速度响应速度。 3.3 光无源器件光无源器件 3.3.1 连接器和接头连接器和接头 3.3.2 光耦合器光耦合器 一、耦合器类型一、耦合器类型 二、基本结构二、基本结构 三、主要特性三、主要特性 3.3.3 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器光调制器 3.3.5 光开关光开关 3.3.2 光耦合器光耦合器 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输入的光信号组合成一个输出。 1. 耦合器类型耦合器类型 T形耦合器形耦合器 星形耦合器星形耦合器 定向耦合器定向耦合器 波分复用器波分复用器/解复用器解复用器 3.3.3 光隔

18、离器与光环行器光隔离器与光环行器 耦合器耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件互易器件。 隔离器隔离器就是一种非互易器件非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。 隔离器隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。 插入损耗插入损耗和隔离度隔离度是隔离器隔离器的主要参数。环行器 环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器隔离器类似。 如图3.36所示，典型的环行器环行器一般有三个或四个端口。 在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3

19、输入的光信号由端口1输出。 光环行器光环行器主要用于光分插复用器光分插复用器中。 图 3.36 光环行器 (a) 三端口； (b) 四端口 132(a)(b)13245.1 调制方式调制方式5.2 模拟基带直接光强调制光纤传输系统模拟基带直接光强调制光纤传输系统5.3 副载波复用光纤传输系统副载波复用光纤传输系统第第 5 章章 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统返回主目录 6.1.1 准同步数字系列准同步数字系列PDH 准同步数字系列有两种基础速率：准同步数字系列有两种基础速率： 以1.544 Mb/s为第一级(一次群一次群，或称基群基群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本； 以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率， 采用的国家有西欧各国和中国。与与PDH相比，相比，SDH具有下列特点：具有下列特点： (1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。 最低的等级也就是最基本的模块称为（STM-Synchronous Transfer Module）STM-1，传输速率为155.520 Mb/s； 4个STM-1 同步复接组成STM-4，传输速率为622.080 Mb/s； 16个STM-1 组成STM-16, 传输速率为2488.320 Mb/s，以此类推。 (2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此， 光接口成为开放型接口，这