光纤通信系统概论

光纤通信系统为何研究光纤通信？常用的无线通信中，短波受电离层影响严重，信道质量差，超短波或微波只能视距内使用，所以会经常在路边看到高高的手机基站天线，而卫星通信则需要建立地面站和发射卫星，成本较高。在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，所以不受干扰；而且作为传输介质的光纤又比同轴电缆或波导管的损耗小得多；且光纤采用的玻璃材质，不导电，不会因断路、雷击等原因产生火花，因此安全性强，在易燃，易爆等场合特别适用。光纤通信容许频带很宽，传输容量很大；损耗很小，中继距离很长且误码率很小；抗电磁干扰能力强；泄露小，保密性好；节约金属材料。在骨干网中常应用光纤，其容量可通过加纤无限扩展，而无线则不行。光纤通信技术特点：

传输容量大；传输损耗小，中继距离长；抗干扰性好，保密性强，使用安全；材料资源丰富，可节约金属材料；重量轻，可挠性好，敷设方便。

光纤通信是不是完美无缺？光纤通信除了上述优点外，也存在一些缺点。例如组件昂贵，光纤质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。这些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。光纤通信的概念通信(communication):从广义的角度来说，就是彼此之间传递信息。现代的通信一般是指电信(telecommunication)。IEEE(电气和电子工程师协会)：对电信的定义是借助诸如电话系统、无线电系统或电视系统这样的设备，在相隔一定距离的条件下进行的信息交换。电通信(electricalcommunication):广义的电通信指的是一切运用电波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的介质是什么。电通信又可分为有线电通信和无线电通信。光通信(opticalcommunication):广义的光通信指的是一切运用光波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称，而不管传输所使用的介质是什么。光通信也可以分为利用大气进行通信的无线光通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信的有线光通信。人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为光纤通信（opticalfibercommunication）光通信光纤通信≠点对点光纤通信链路示意图雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年贝尔的光电话激光器(发送源)1960Maiman发明红宝石激光器1962半导体激光器诞生(GaAs870nm)70年代室温工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD单模LD光纤(传输介质)1951医用玻璃纤维(损耗1000dB/km)1966高锟理论预言1970康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发单模光纤光纤通信的发展历史光纤通信技术发展的精髓—提高光纤通信系统容量光纤通信的发展历史四大里程碑1960年，世界上第一台相干振荡光源－红宝石激光器问世。1970年，美国康宁玻璃公司的卡普隆（Kapron）博士等拉制出损耗仅为20dB/km的光纤

。1985年，南安普敦大学的Mears等人制成了掺铒光纤放大器（erbium-dopedfiberamplifier,EDFA）。90年代，光纤光栅、全光纤光子器件、平面波导器件及其集成的出现

。工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第一代70年代850nm多模多模44.7Mb/s～10km第二代80年代初1300nm多模单模多模140Mb/s20～50km第三代80年代中～90年代初1550nm单模单模PDH群路(140Mb/s)50～100km爆炸性发展工作波长光纤激光器比特率B中继距离L第四代90年代1550nm单模单模SDH，WDM技术2.5Gb/s无中继：80～120KmEDFA：1500Km第五代1550nm单模单模WDM网络，单波长10,40,160Gb/s信道数:8,16,64,128,1022超长传输距:27000km(Loop)6380(Line)目前研究内容WDM光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件爆炸性发展光纤通信超高速大容量长距离网络化一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输1022路单路速率不断提升，已达到10、20、40Gb/s采用OTDM技术甚至可达640Gb/s各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性，任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和色散，当信号强度较高时还存在非线性。在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输特性、传输能力究竟如何？光纤光纤的构造纤芯：高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等，2a：9~50µm。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：高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3，2b：125µm。光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙。保护光纤不受水汽的侵蚀和机械损伤，同时增加光纤的柔韧性。纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。纤芯掺入Ge和P折射率包层掺入B折射率光纤概述光纤概述根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：不同的折射率分布，传输特性完全不同三种主要类型光纤的比较光纤的分类工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤以及红外光纤（0.85µm、1.3µm和1.55µm）等折射率：阶跃型、近阶跃型、渐变型和其它型（如三角型、W型、凹陷型）等。传输模式：单模（SM）光纤（偏振保持光纤、非偏振保持光纤）和多模（MM）光纤两种。

原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料，晶体光纤等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。制造方法：有外汽相沉积法（OVD）、汽相轴向沉积法（VAD）、改进汽相沉积法（MCVD）和等离子体化学汽相沉积工艺（PCVD）等。几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以对光纤的传输特性和传输原理有更精确的分析光纤的传输原理光线理论（几何光学方法）把光看作射线，并引用几何光学中反射与折射原理解释光在光纤中传播的物理现象波动理论（波动光学方法）把光波当作电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分布的模式来解释光在光纤中的传播现象阶跃型多模光纤的子午光线传播原理光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0<n1)，折射角为，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入射到包层(n1>n2)。改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。只有在半锥角为的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。空气的折射率n0=1光线理论High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding所有大于临界角

的光线都被限制在纤芯内。以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。模间色散光线理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中传输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，不能了解光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性。尤其是对单模光纤，由于芯径尺寸小，光线理论就不能正确处理单模光纤的问题。在光波导理论中，更普遍地采用波动光学的方法，即把光作为电磁波来处理，研究电磁波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、场结构、传输常数及截止条件。出发点：麦克斯韦方程组波动理论z=0z=L色散光纤色散光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。光纤的色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。单位：ps/nm.km色散类型模间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽（仅多模光纤有）波导色散：传播常数随频率变化材料色散：折射率随频率变化偏振模色散PMD波长色散色散的种类及其产生原因第二传输窗口第一传输窗外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)OH离子吸收峰光纤损耗谱特性损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗第三传输窗口在1.55m处最小损耗约为0.2dB/km光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光发射机将电信号转变为光信号光源体积小，与光纤之间有较高的耦合效率；发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即0.85µm、1.31µm和1.55µm波段；可以进行光强度调制；可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性；发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离；温度稳定性好，即温度变化时，输出光功率以及波长变化应在允许的范围内。由于光纤通信系统的传输媒介是光纤，因此作为光源的发光器件，应满足以下要求：半导体光源的优越性半导体光源体积小，有较高的耦合效率；发射波长适合在光纤中低损耗传输；可直接进行强度调制，即只要将信号电流注入到半导体激光器或发光二极管，即可得到相应的光信号输出；可靠性高，不仅发射功率大、耦合效率高、响应速度快，而且发射光的相干性也好，在高速率、大容量的光纤通信系统中得到广泛应用。光源常用的半导体发光器件：发光二极管(LED)，和激光二极管(LD)激光器的产生激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源，利用受激辐射原理，是一种方向性好、强度很高、相干性好的光源。产生激光的三个先决条件：要有一个合适的激光工作物质（发光介质）。需要一个能保证粒子数反转分布的激励能源——泵浦源。把激光工作物质置于光学谐振腔，利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生稳定的激光振荡。半导体激光器：半导体发光二极管(LED)LED与LD的工作原理不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED不需要光学谐振腔，没有阈值。N层P层输出自发光N层P层（a）正面发光二极管SLED（b）侧面发光二极管ELED输出自发光侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。LED的基本性质光谱特性：发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，因此在光纤中传输时材料色散和波导色散见严重，且大发散角使耦合效率也较低。响应速度：LED的响应速度受载流子自发复合寿命所限制,其响应速度较低热特性：LED的输出功率随温度的升高而减小，但它不是阈值器件，所以功率不会随温度而发生很大的改变，实际应用中不必进行温度控制。优点：输出光功率较小；谱线宽度较宽；调制频率较低；性能稳定，寿命长；输出光功率线性范围宽；制造工艺简单，价格低廉；适用于小容量短距离系统光源的调制光调制：将光信号加载到光源的发射光束上。调制后的光波经过光纤信道送至接收端，由光接收机鉴别出它的变化，再现出原来的信息，称为光解调。光源的调制分为两类：直接调制：把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号，采用的是电源调制方法，也称内调制方法。仅适用于半导体光源（LD和LED）。间接调制：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种调制方法适合于半导体激光器，也适应于其他类型的激光器。

光源的直接调制原理直接调制的特点：将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED调制后的光波振幅的平方比例于调制信号（强度调制）简单、经济、容易实现响应带宽有限（~2.5Gb/s）引入调制啁啾，使发射谱线增宽，振荡模数增加，造成传输色散增加，使传输的光脉冲展宽，限制光纤通信的传输容量。对激光器进行脉冲调制时，注入电流不断变化，结果使有源区内载流子浓度也随之变化，导致折射率随之变化，激光器的谐振频率发生漂移，动态谱线展宽，调制频率越高，调制电流越大，谱线展宽也越大。IPO共发射极驱动电路：主要用于以发光二极管作为光源的光发射机。发光二极管LED模拟调制原理：连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当选择直流偏置的大小，使静态工作点位于发光管特性曲线线性段的中点，可以减小光信号的非线性失真。在所有通信系统中，用LED作为光源时，均采用直接强度调制(IM)数字信号的直接调制数字调制主要是指PCM编码调制。信号电流为单向二进制数字信号，用单向脉冲电流的“有”、“无”(“1”码和“0”码)控制发光管的发光与否。LED数字系统都是通过控制流经发光管电流的办法达到调制输出光功率的目的。LED数字信号调制电路只有一级共发射极的晶体管调制电路，晶体管用作饱和开关，晶体管的集电极电流就是LED的注入电流。信号由A点接入。“0”码时晶体三极管不导通；“1”码时晶体三极管导通，于是注入电流注入到LED管，使得LED管发光，从而实现了数字信号调制。LED数字信号调制电光调制电光调制的基本工作原理是利用晶体的电光效应。电光效应是指由外加电压引起的晶体的折射率发生变化的现象。基本工作原理：利用电光晶体（如铌酸锂晶体等）的电光效应，当外加电场变化时，将引起晶体折射率n随之变化的现象。折射率的变化又将引起光波相位的变化。其中电场变化实际上就是对应于调制电压的变化（即需要传输的信号的变化）（电光调幅）。调制电压的变化最终将得到光波的相位的变化，从而达到电光调相的结果(直接从电光晶体输出情况)。光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器常规的光电混合中继器放大光信号时，需要进行光电转换、电放大、再定时、脉冲整形以及电光转换，这种方式已经满足不了现代通信传输的要求。提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。光放大器的作用

半导体光放大器(SOA)利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）小型化，容易与其他半导体器件集成;性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大

光纤放大器(OFA)

利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小光放大器的分类电流输入光信号输出光信号输出光信号掺杂光纤输入光信号泵浦光波分复用器输出光信号纯石英光纤输入光信号泵浦光波分复用器（a）半导体光放大器（b）掺杂光纤放大器（c）受激散射光纤放大器光放大器的基本工作原理在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。(1)法布里-珀罗(Fabry-PerotAmplifier,FPA)

将一般的FP半导体激光器当作光放大器使用。(2)行波式光放大器(Travelling-WaveAmplifier,TWA)在Fabry-Perot激光器的两端面上涂上抗反射膜，以获得宽带、高输出、低噪声的放大光。半导体光放大器的分类根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：缺点：对偏振（亦即极化态）非常敏感。不同的偏振模式，具有不同的增益G，如横电模（TE）和横磁模（TM）的增益差可达5~8dBEDFA中的Er3+能级结构铒离子简化能级示意图吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带1550nm泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm,波长短于980nm的泵浦效率低，980nm和1480nm的LD已经商品化,因而通常采用980和1480nm泵浦。EDFA的工作原理EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。TDFA的能级泵浦图掺铥光纤放大器第一级泵浦通过基态吸收将Tm3+由基态泵浦到3H4能级，并由于多量子驰豫衰减到亚稳态3F4第二级泵浦将Tm3+从能级3F4泵浦到3H4。第二级泵浦减少了3F4能级的粒子数，同时增加了3H4的粒子数，从而实现了粒子数反转。TDFA的主要应用是DWDM系统，它的研制成功，可以和EDFA进行多波段合波的传输，从而解决了通信容量的问题。光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器把经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽的微弱光信号转换为电信号，并处理放大，恢复为原发射的数字序列。光接收机的作用光电检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光电检测器的要求如下：

(1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85µm、1.31µm和1.55µm)兼容；

(2)响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；

(3)噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；(4)性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。光电二极管工作原理：半导体的光电效应为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子（PIN光电二极管：在P型和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，称为I层，即本征层，称为PIN光电二极管）。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。外加反向偏压，更有利于耗尽层的加宽，产生更多的电子和空穴流PIN光电二极管的优点是：噪声小、工作电压低（仅十几伏）、工作寿命长，使用方便和价格便宜。PIN光电二极管的缺点是：没有倍增效应。即在同样大小入射光的作用下仅产生较小的光电流，所以用它做成的光接收机之灵敏度不高。PIN光电二极管只能用于较短距离的光纤通信（小容量与大容量皆可）。APD雪崩光电二极管PIN：1个光子最多产生一对电子-空穴对,无增益APD：利用电离碰撞,1个光子产生多对电子-空穴对,有增益工作过程：入射光一对电子-空穴对(一次光生电流)与晶格碰撞电离多对电子-空穴对(二次光生电流）吸收外电场加速耗尽层仍为I层，起产生一次电子－空穴对的作用。增加了一个附加层：高电场区（增益区），以实现碰撞电离产生二次电子－空穴对。N+

PπP+电场E高电场区耗尽区+-雪崩区雪崩电离需要的最小电场雪崩倍增效应PN结上加反向高压，使耗尽层的电场强度增加，进入耗尽层的光生载流子动能很大，更容易与晶格碰撞而产生新的电子-空穴对。这些电子-空穴对又被电场加速而获得足够大的动能，又可产生新的电子-空穴对。依次类推，耗尽层的载流子数目剧增，发生雪崩效应，从而使反向结电流倍增。光接收机光信号光检测器前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟提取输出AGC电路前端线性通道时钟提取与数据再生对信号进行高增益放大与整形，提高信噪比，减少误码率。偏压控制将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大（电流－电压转换），以便后级作进一步处理。是光接收机的核心。性能指标:接收灵敏度、误码率或信噪比光接收机光信号光检测器前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟提取输出AGC电路前端线性通道时钟提取与数据再生偏压控制提供高的增益，放大到适合于判决电路的电平。对主放输出的失真数字脉冲进行整形，使之成为有利于判决码间干扰最小的升余弦波形。可根据输入信号（平均值）大小自动调整放大器增益，使输出信号保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。光接收机光信号光检测器前置放大主放大器均衡滤波判决器时钟提取输出AGC电路前端线性通道时钟提取与数据再生偏压控制为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。为确定是“1”或是“0”，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为“1”，则由再生电路产生一个矩形“1”脉冲；若判决结果为“0”，则由再生电路重新输入一个“0”。任务：把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型、信号的调制方式、光接收方式的不同，光纤通信系统可分成:分类方式类别特点按信号类型数字光纤通信抗干扰能力强，传输质量好模拟光纤通信对系统要求高，适用于图像传输按光波长（通道）个数单波长（通道）技术难度小，应用成熟多波长（WDM）传输容量大，距离远按调制方式直接强度调制IM技术成熟，成本低外调制高速传输，成本较高按接收方式直接检测DD技术成熟，成本低，效率高相干调制CD灵敏度高，传输容量大，距离远按光纤特性多模光纤MMF采用850nm波长，距离短单模光纤SMF采用1310/1550nm波长，传输容量大，距离远光纤通信系统的分类基本光纤通信系统结构光纤通信系统的主要组成部分：光发送部分：光源、驱动器和调制器光传输部分：光纤和光纤放大器（或中继器）光接收部分：光电检测（波）器光接收电端机信号入信号出光发送光传输功率放大器线路放大器前置放大器光源光调制器光检测器电端机SMPI-SR基本光纤通信系统MPI-R点到点光纤通信系统结构（单向传输）电端机：实现用户信号和适合信道传输的信号之间的转换。基本光纤通信系统结构光发送部分光源是发送部分的关键器件，光纤通信系统要求光源有一定的输出光功率，谱线宽度小、工作稳定可靠、寿命长。半导体注入式激光器(LD)和发光二极管(LED)

在短波段(800~900nm)，常使用镓铝砷(GaAlAs)LD和LED

在长波段(1000~1600nm)，常用铟镓砷磷(InGaAsP)LED调制技术：直接强度调制/间接调制直接调制(IM)