光纤通信总复习

光纤通信

Fiber-opticcommunications

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纤

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)单模光纤损耗定义:POUT--出纤光功率Pin--入纤光功率2.2光纤的损耗特性光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。若P0是入射光纤的功率，则传输功率PT为：这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示：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/km2.3.1光纤的色散特性光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。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n()：折射率随频率变化偏振模色散PMD波长色散群速色散(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。Chromaticdispersioncausesdifferentwavelengthsofalightpulsetotravelatdifferentspeedsinfiber,resultinginpulsespreading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

群时延是频率的函数，因此任意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由群时延引入的脉冲展宽程度。群时延：频率为的光谱分量经过长为L的单模光纤时的时延。群时延光脉冲展宽(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。为群速度色散（GVD）脉冲展宽同2、光纤长度L和信号谱宽成正比2决定了脉冲在光纤中的展宽程度光脉冲展宽(2)以色散参数D[ps/(nm.km)]表达脉冲展宽

D的定义为：D代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延脉冲展宽：以波长单位表达的光信号谱宽单模光纤的色散零色散波长17ps/nm.km@1550nmD=DM+DWG.653色散位移光纤EDFA频带0.10.20.30.40.50.6衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652G.653色散位移光纤EDFA频带0.10.20.30.40.50.6衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652非线性大色散非常小@1550nm窗口不同信道的WDM信号传输速度相近四波混频FWM严重ProblemG.655非零色散位移光纤17ps/nm.kmEDFA频带0.10.20.30.40.50.6衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655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1530~1565nm(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

分析光纤传输原理的常用方法：

几何光学法波动方程法

图2.4突变型多模光纤的光线传播原理1.突变型多模光纤

数值孔径

为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。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θ从空气入射到纤芯(n0<n1)，折射角为θ1，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ψ1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。根据全反射原理，存在一个临界角θc。

•当θ<θc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

n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)

•当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播(折射角为90°)，如光线2，

•当θ>θc时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为θ≤θc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

式中Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。

NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)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。对于无损耗光纤，在θc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，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。(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TLP01HE11LP11HE21TM01TE01

LP02HE12LP12HE22TM02TE02LP03HE13LP13HE23TM03TE030~2.4052.405~3.8323.832~5.5205.520~7.0167.016~8.6548.654~10.173低阶模式V值范围表2.2低阶（v=0和v=1）模式和相应的V值范围

4.单模光纤的模式特性

单模条件和截止波长从图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，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V<2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。

HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为

由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长λc，当λ<λc时，是多模传输，当λ>λc时，是单模传输，这个临界波长λc称为截止波长。(2.36)第3章通信用光器件

通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。

有源器件包括光源、光检测器和光放大器。

无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。

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。受激辐射和粒子数反转分布

有源器件的物理基础是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：受激吸收、自发辐射、受激辐射

(见图3.1)

4.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。结构中间有一层厚0.1~0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(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激光器工作原理由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。

P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的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0.1~0.3μm的有源层内形成粒子数反转分布，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内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。

图3.6DH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

3.1.4发光二极管LD和LED的区别

LD发射的是受激辐射光

LED发射的是自发辐射光

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。Laser---LightAmplificationbyStimulationEmissionofRadiation发光二极管LightEmittingDiode

半导体激光二极管semiconductorlaserdiode,DiodeLaser,laserdiode3.2光检测器

3.2.1光电二极管工作原理

3.2.2PIN光电二极管

一、工作原理和结构二、PIN光电二极管主要特性

(1)量子效率和光谱特性

(2)响应时间和频率特性

(3)噪声

3.2.2PIN光电二极管

PIN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，因而光电转换效率低，响应速度慢。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(intrinsicsemiconductor)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。PIN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，用Π(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的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-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。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，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。3.3光无源器件

3.3.1连接器和接头

3.3.2光耦合器

一、耦合器类型二、基本结构三、主要特性

3.3.3光隔离器与光环行器

3.3.4光调制器

3.3.5光开关

3.3.2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

T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分复用器/解复用器

3.3.3光隔离器与光环行器

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。

隔离器就是一种非互易器件，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。

插入损耗和隔离度是隔离器的主要参数。环行器环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。如图3.36所示，典型的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输入的光信号由端口1输出。光环行器主要用于光分插复用器中。

图3.36光环行器

(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)13245.1调制方式5.2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第5章模拟光纤通信系统返回主目录6.1.1准同步数字系列PDH

准同步数字系列有两种基础速率：

•以1.544Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本；

•以2.048Mb/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PDH相比，SDH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-SynchronousTransferModule）STM-1，传输速率为155.520Mb/s；4个STM-1同步复接组成STM-4，传输速率为622.080Mb