光纤通信总复习

1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质。当时光纤的损耗是1000dB/Km当时预言经过提纯和改善材料的均匀性，可以降低到几个dB/km光源取得进展1970美国贝尔实验室、日本电气公司和前苏联先后突破了半导体激光器在低温（-200℃）或脉冲激励条件下工作的限制，研制成功在室温下连续工作的半导体激光器——虽然激光器的寿命只有几小时，其为半导体激光器的发展奠定了基础。图1.1部分电磁波频谱目前的光纤结构2-1-1光纤的结构光纤的作用就是将光能限制在光纤表面以内，并引导光能沿光纤轴向传播包层的作用减少散射损耗—散射损耗是由前纤芯表面介质不连续造成的。增加光纤的机械强度—光纤细而且脆防止在光纤与外界接触时光纤可能受到的污染。多模光纤的优点－与单模比较由于多模光纤的纤芯较粗，容易将光功率注入光纤易于将相同的光纤连接在一起可以使用发光二极管LED作为光源，因为LED价格便宜，使用寿命长，电路简单多模光纤的主要缺点：它存在模间色散，因为每个模的传播速度略微不同。单模光纤的优点它的带宽很宽它的缺点是：必须使用半导体激光器作为光源，所以价格较贵，电路复杂操作不不如多模方便，因为纤芯较细根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律

NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°(2.2)n0=1，由式（2.2）经简单计算得到(2.3)

图2.4突变型多模光纤的光线传播原理表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径，用NA表示。数值孔径越大表示光纤捕捉射线的能力就越强。由于弱导波光纤的相对折射指数差Δ很小，因此其数值孔径也不大。对于阶跃型光纤，数值孔径为常数对于渐变型光纤，由于纤芯中各处的折射率是不同的因此各点的数值孔径也不相同。数值孔径总结

色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分（模式，频率等）的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。2.3.1光纤色散1.色散、带宽和脉冲展宽色散的种类模式色散材料色散波导色散1.损耗的机理图2.15是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，图2.15单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器是向半导体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。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。3.激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。

图3.4激光器的构成和工作原理(a)激光振荡(b)光反馈5.温度特性半导体激光器的输出特性是随着温度而发生变化的！激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：

一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。外微分量子效率随温度的变化不十分敏感，例如：GaAlAsGaAs激光器在77K时ηd≈50%；300K时，ηd≈30%。发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同：

LD发射的是受激辐射光；

LED发射的是自发辐射光。3.1.4发光二极管LED的结构LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)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。与激光器LD相比，发光二极管的缺点：<1>发光二极管输出光功率较小；<2>谱线宽度较宽；<3>调制频率较低。发光二极管的优点：<1>发光二极管温度特性更稳定，并且电光转换噪声很小；<2>工作寿命长；<3>输出光功率线性范围宽；<4>制造工艺简单，价格低廉。<5>驱动电路简单因此，这种器件在低成本、高可靠性、小容量和短距离系统中发挥了重要作用。LED与LD比较由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构。如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，减小光生电流中的扩散分量。图3.25APD载流子雪崩式倍增示意图

图3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)滤光式解复用器；(d)光栅式解复输入光输出1输出2图3.34隔离器的工作原理光环路器的用处实现在一根光纤里传输两个方向的光信号光发射机光接收机光发射机光接收机2.3自动光功率控制(APC)1.自动光功率控制的内容与要求

(1)自动补偿LD由于环境温度的变化和老化效应而引起的输出光功率的变化。(温度上升会造成阈值电流上升)

(2)自动控制光发送机的输入信号码流中长连“0"序列或无信号输入时使LD不发射激光。色散补偿器色散补偿器原理光栅的密度是变化的，使得长波长的光先被返回，而短波长的光要多传播一段路程才返回，这样就使他们之间的距离被压缩了，即对色散进行了补偿。二、光发射机的基本组成整型或码型变换温度控制比较放大功控与保护光检测放大发光管光源驱动SCPP02.3自动光功率控制(APC)1.自动光功率控制的内容与要求

(1)自动补偿LD由于环境温度的变化和老化效应而引起的输出光功率的变化。(温度上升会造成阈值电流上升)

(2)自动控制光发送机的输入信号码流中长连“0"序列或无信号输入时使LD不发射激光。比较积分放大器A22.4自动温度控制(ATC)问题:1、LD对工作环境温度的变化非常敏感2、高温环境下工作会影响LD的寿命3、高温环境会导致LD发射波长发生变化对LD光源进行温度控制的两大好处：1、可以稳定LD的输出光功率，确保数字光纤通信系统的正常工作。2、对LD起到了很好保护作用。三、光发射机的主要指标1．输出光功率及其稳定性光功率的单位有时用绝对值表示，单位为W或mw；有时用绝对电平值表示，即：

光发射机的输出光功率是一个重要参数。输出光功率的稳定性要求是指在环境温度变化或器件老化过程中，输出光功率要保持恒定，如稳定度为5%-10%。2、消光比EXT消光比：EX＝l0log(A/B)A是对应逻辑“1”的平均光功率电平,B是对应逻辑“0”的平均光功率电平EXmin一般在10dB左右一、反映了光发射机的调制状态，及光发射机的电／光转换效率；二、影响接收机的接收灵敏度§2、光接收机均衡与定时判决均衡：光信号脉冲通过光纤传输后，由于光纤色散等原因，造成波形失真。均衡电路对失真的波形进行补偿，以便于后续的判决，减小码间干扰。定时判决电路：定时判决电路中主要是时钟提取电路。时钟提取电路应该稳定可靠、抗连“0”或连“1”性能好，而且时钟信号的抖动较小。光接收机的主要性能指标1、接收灵敏度Pr数字光接收机灵敏度的定义为：在保证给定的误码率BER（如10-9）的条件下，最小接收信号光功率Pr影响接收灵敏度的主要因素是接收机的各种噪声。2.动态范围Dmax光在传输过程中会发生一些损耗，不同的接收机收到的光功率不同。在保证给定的误码率BER（如10-9)的条件下，最大允许的接收光功率和最小可接收光功率之差，其单位为dBm即：Dmax=Pmax-Pr

图7.1掺铒光纤放大器的工作原理(a)硅光纤中铒离子的能级图；(b)EDFA的吸收和增益频谱

图7.3光纤放大器构成方框图(a)光纤放大器构成原理图；(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图

7.2.1光波分复用原理

1.WDM的概念光波分复用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术。

图7.6中心波长在1.3μm和1.55μm的硅光纤低损耗传输窗口(插图表示1.55μm传输窗口的多信道复用)WDM技术对网络升级、发展宽带业务(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纤带宽潜力、实现超高速光纤通信等具有十分重要意义，尤其是WDM加上EDFA更是对现代信息网络具有强大的吸引力。目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZDSF，即G.655光纤)+光子集成