第章光纤通信系统4

第5章光纤通信系统5.1概述

21、光纤通信发展的历史和现状

光通信：指一切运用光作为载体而传送信息的所有通信方式的总称。（1）最早的光通信

烽火台旗语（F1赛车）（2）光电通信方式——————贝尔的光电话透镜透镜话筒抛物镜硅电池受话器弧光灯图1贝尔光电话存在的问题：（1）光在大气中的传送受到气象条件的限制（2）太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源。（“光不纯”）要用光通信，要解决两个问题：（1）传输媒介：稳定的，低损耗的传输媒质（2）光源：高强度可靠的光源2、光纤通信系统的组成光纤通信概念：以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式

光纤通信系统基本三大模块：

光发射机、光纤线路、光接收机光源一般分为：发光二极管LED

半导体激光器LD传输媒介------光纤（光导纤维）

最初制作的光纤,衰减损耗特别大，20世纪60年代，最好的光纤的损耗也在1000dB/km1970年，美国康宁公司成功制成了20dB/km的光纤

1986年，0.154dB/km的光纤，衰减接近理论极限信息源电发射机光发射机基本光纤传输系统光纤线路接收发射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出光接收机电接收机信息源图2光纤通信系统示意图光发射机

主要功能：电光转换

常用光源：半导体激光器、半导体发光二极管等驱动电路载波源调制器光源通道耦合器电信号输入光输出图3光发射机示意图光纤线路功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机组成：光纤、光纤连接器、光中继器等光接收机功能：把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱光信号转为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号主要组成部分：光检测器（核心）功能：光/电转换光接收器件：PIN光电二极管、雪崩光电二极管

3、光在电磁波谱中的位置

光也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率高得多。红外线、可见光和紫外线均属于光波的范畴。光纤通信所用光波的波长范围为0.8um至1.8um，属于电磁波谱中的近红外区。4、光纤通信中常用的低损耗窗口0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰减（dB/km）第一窗口第二窗口波长——λ（μm）6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm图4光纤的损耗特性曲线（P158)0.85um、1.31um和1.55um左右是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。5、光纤通信特点光纤通信优点：传输频带宽，传输容量大光纤损耗低，中继距离大抗电磁干扰能力强尺寸小，重量轻，便于施工维护绝缘性好，耐腐蚀性强，寿命长资源丰富，节约有色金属和能源1、什拣么是东光纤京通信窗？2、光陡纤通污信系跟统的私基本猛组成鹿部分俩？3、与朴电缆腐或微权波等稼电通额信方菊式相养比，违光纤僻通信梯有何优点甩？4、为截什么饺说使乖用光芳纤通禁信可辉以节雅约大所量有局色金赠属？5、为敲什么腊说光朝纤通弊信具裂有传改输频闲带宽宜，通依信容垫量大兴？6、可维见光故是人琴眼能振看见枣的光幼，其贴波长课范围歇是多萍少？7、红蛇外线建是人票眼看巾不见昂的光述，其蚕波长麻范围线是多船少？8、近咐红外孝区：磁其波时长范纷围是青多少责？9、光倚纤通跃信所返用光蓄波的锦波长岂范围怖是多遮少？10、光浅纤通弟信中亮常用烤的三左个低述损耗弯窗口垒的中阁心波槐长分别是肚多少尚？习题1：5.培2光纤职与光俭缆1、辟光纤停的结渠构与谈类型光纤偿的结昨构光纤错（Op倾ti屡ca驳l良Fi桂be逗r）的捷典型缠结构期是多确层同鞭轴圆塑柱体事，自内之向外由纤蓄芯、定包层撞和涂笋敷层构三部捏分组率成。图5光纤尊结构世示意谢图纤芯截的折水射率臂比包举层稍泡高，樱光能顾量主具要在撇纤芯从内传葬输。尤设纤社芯和诸包层雪的折棕射率保分别已为n1和n2，光茎能量荡在光阵纤中加传输缩慧的必潮要条莲件是n1>n2。包层浙为光苹的传森输提抱供反声射面谣和光且隔离棋，并码起一推定的滤机械祥保护引作用仁。涂覆滴层保盲护光蚂纤不技受水瞧汽的眨侵蚀怒和机带械擦雪伤。光纤团的类搞型按光映纤截发面上述折射知率分谁布分味类：阶跃闪型光美纤、跳渐变掀性光你纤按传说输的烛模式摸数量肾分类冰：单模泪光纤冲、多茎模光办纤单模员光纤：只尊传输辰一种窝模式在，纤橡芯直焦径较台细，辅通常在4μm～10μm范围乡丰内。多模题光纤：多粪模光廉纤可馋传输茅多种萌模式巴，纤咬芯直茎径较粗晶，典兆型尺击寸为50μm左右捆。2、光声纤的炸导光舰原理突变盆型多百模光卷纤导矛光原腹理设纤芯和包层折射功率分密别为n1和n2，空亏气的贷折射颂率n0=1数值奴孔径异（十剪分重晋要的未参数海）根据肾这个陪传播咐条件捆，定冠义入絮射临扎界角货的正莲弦为驳数值驱孔径(N品um洗er允ic崭al凝A幻玉pe票rt秤ur封e,NA)。即光升纤的嗓数值孩孔径住为：NA=n0si掏n(θma健x)光纤烧的数比值孔烫径为度：NA=n0sin

(θmax)=光纤臭的数每值孔雄径NA仅决讽定于颤光纤骑的折们射率n1和n2，与光蜓纤的直径无关柱。光纤功的数递值孔鸦径NA表示鸽光纤摇接收杯和传惊输光暑的能陶力，NA(或θm贞ax陆)越大拨，光妹纤接旋收光绍的能炕力越粱强，嫁从光升源到抄光纤喜的耦合叙效率越高诵。相对样折射及率差Δn1和n2差值的杯大小馆直接咬影响财着光键纤的桌性能喜，为砖此引初入相娘对折胸射率塔差这静样一适个物融理量点来表拾示它项们相环差的趟程度旗，用Δ表示恼，即光纤独的数驾值孔梳径可族表示超为：【例】均匀搅光纤芹纤芯负和包青层的梯折射赠率分辉别为n1=1芒.5姜0，n2=1美.4批5，光纤径的长趟度L=通10纠Km。试余求：（1）光纤牲的相隐对折滥射率届差Δ；（2）数值玻孔径NA；（3）若将察光纤葱的包泊层和产涂敷矩层去饭掉，显求裸小光纤默的NA和相绞对折济射率哄差Δ。3、光滨纤的时传输搂特性光纤蚁的损滚耗光纤温的损开耗可课分为吸收恭损耗、散左射损删耗、辐射吊损耗。传输类单位之长度(1km)光纤位所引趟起的忘光功掌率减鞋小的免分贝验数，切一般滑用α表示扣损耗负系数关，单菊位是dB/km。光纤民的损换耗系然数（章衰减概系数竭）式中吗：L为光宜纤长餐度，揭以km为单番位；P1和P2分别岛为光蜜纤的字输入喝和输坦出光乞功率手，以mW或μW为单躲位【例】当光暮在一蝴段长同为10盆km光纤缝中传际输时漏，输户出端辜的光作功率馅减小虫至输尺入端络光功饮率的披一半漠。求：炮光纤贱的损蓬耗系庆数α。色散嫂是限芹制光络纤容状量和舞传输繁距离榴的主袍要因帆素。光纤摧的色切散光纤尝色散践概念--绢--饶--构成腐光信看号的镇电磁肢波各某分量硬在光颗纤中眯具有养不同山传输便速度米的现性象。可分限为：状模式惰色散硬、色筒度色等散、拥偏振戚模色郊散模式滑色散--达-在多足模光罗纤中敬，不钱同模鄙式下奸的光衣在同雹一频彻率下率传输合，由末于行叫进轨缘瑞迹不歉同，射在同骨样长匆度光轻纤中趁传输冬时，欺需不革同的隙时间掌，即未模间遥存在胆时延浙差。模式估最大伤时延居差（子午摧光线鱼的最后大时谎延差）(1)(2)(1吹)：(2岭)：子午茫光线偶的最此大时差延差【例】均匀倦光纤诞纤芯侄和包层层的闲折射老率分煮别为n1=1很.5均0，n2=1毁.4御5，光纤受的长筑度L=焦10留km。试求孔：（1）子异午光湾线的纠最大售时延鬼差；（2）若电将光圾纤的窄包层义和涂曲敷层楚去掉痒，求墨子午念光线冤的最欣大时棍延差雁。光纤僻色散怀对数意字通丹信系禽统的析危害在数东字光捞纤通馅信系当统中赌，色罗散会核引起商光脉个冲展系宽，寒严重晃时前眠后脉帆冲将碰相互么重叠苦，形器成码饱间干狂扰，竞增加踏误码庸率，临影响兵了光遣纤的驳传输丸带宽遵。因咸此，躁色散叠会限国制光栽纤通渗信系塔统的事传输鬼容量迫和中逆继距笑离。几种霜常用单模享光纤巩的性秩能及虽应用G.想65堂2光纤--掉--钓--常规赠单模磨光纤特点因：在13坛10肃nm波长匠处的均色散拦为零在波朽长为15垒50帝nm附近坝衰减珍系数逗最小到，约丸为0.赛22编dB幼/k感m，但在15耗50寒nm附近引具有夸最大昼色散成系数可选13奖10住nm和15驻50途nm波长勇区域找，最固佳工景作波井长为13帐10急nm御.G.布65雨2光纤底是当东前使惭用最吓为广扛泛的丈光纤致。G.居65糟3光纤--充--尽--色散惠位移姻单模分光纤(D抬SF乔)色散恼位移忧光纤之是通该过改寻变光追纤的暖结构辫参数宴、折歪射率厅分布狮形状才，氧将零孩色散粪点从13迁10啊nm位移巷到15顺50抽nm，实现15元50咱nm处最快低衰肯减和外零色尾散波嘱长一逼致。举这种煌光纤天工作庸波长烟在15礼50宏nm区域还。它非塞常适笼合于顾长距声离单执信道搂光纤嫁通信贡系统削。在密界集波董分复晨用系鸟统中雁很少弓采用DS穗F光纤厕。G.魄65袄5光纤--吊--展--非零态色散秤位移层单模贤光纤工作妄在15腐50等nm波长挽区域绝，这种西光纤乎主要度适用夺密集臣波分笼复用崇传输殃系统嚷。4、光脉缆光缆甩的构撕造一俊般由烧缆芯仙、护的层、饱加强我构件3部分抵组成伪。缆芯刃是光罗缆的饿主体茂，指气涂覆搞后的络光纤也，其作为用是克传输流光波。护层拣主要熔是对铲已成决缆的练光纤储芯线喜起保娇护作市用。加强肌构件据主要弦承受萄敷设窜安装伏时所下加的持外力台。光缆烟按结隶构形饥成主冤要分腰为:（1）层具绞式也光缆子；（2）骨斧架式场光缆枯；（3）束愚管式敲光缆饥；（4）带猪状式裕光缆弓。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源光无败源器倚件光检鞋测器光器角件是迈构成炮光纤号通信国系统脂的必盈备元吴件5.默3无源监光器径件全球太光纤撤通信转设备律主要至供应典商光有原源器怪件（需要漫外加钻能源龄驱动倾工作盾）光源僵（LE染D、LD）光放取大器光检溜测器光调断制器光无惕源器水件--妇--础--光连盈接器、光耦毁合器翠、光贷开关须、光姥隔离挂器、光衰乡丰减器蚂、光市调制耳器、光波纽奉分复益用器1、光纤底连接所器光纤徒连接聪器是熔使一夹根光贩纤与企另一娱根光渣纤相谅连接施的器含件，裹是光筹波系茶统中虚使用馒最多等的器典件。光纤扑连接储器最薯重要缴是使肾两根显光纤心的轴象心对幼准，异使发节射光堆纤输岂出的忙光能鉴量最串大限荡度地据耦合苹进接股收光厨纤。光纤窝与光盗纤的推连接茂有两刘种形问式，大一种肃是永久暑性连串接，另必一种瞧是活动量连接。永久乏性连缸接具阻有粘接秧法和熔接逗法之分肝，目犬前多禾采用熔接施法。熔接乡丰法产浸生永父久性单的连笨接.电弧或激光熔化焊接待连接光纤能进行显微操作的光纤夹具光纤率的熔支接图光纤晌很细唱，单炎模光旱纤的扶纤芯液直径闸要在10潮um以下伤，因挽此熔盛接必碧须使水用机柱器才艰行。技术黎指标己：插入芽损耗：输雀入光炕功率遍相对话输出易光功捷率的握比率彩的分支贝数冒。回波或损耗：反旬射损铜耗，府光纤把连接敢处，找输入蹲光相给对后牛向反抄射光通的比培率的骨分贝嚼数。PinPoutPR2、光纤公耦合歌器实现剃光信纯号分颈路/合路兽的功资能器怀件，挡一般乖是对浆同一趁波长畜的光棕功率倦进行偷分路缴或合屿路，招其使溪用量满仅次启于连翻接器正。图2×绳2双锥翠形光定纤耦依合器输入功率P1直通功率P3P3反向散射信号P2耦合功率PinP0主要殃技术农指标插入姨损耗IL——全部阻输入运光功扮率Pi聋n与指母定输兄出端轨的光甲功率P1,倘2的比和值。附加低损耗EL——全部阅输入揪端光你功率缩慧与全劣部输茄出端烟光功飘率的顽比值纳。分光扫比CR——是一肺个指窗定输页出端团的光典功率尼和全店部输剂出端唇的光国功率温之和葡的比编值。隔离品度I——反映蔬定向篇耦合贼器反向小散射裹信号它的大助小。当盯从0端注需入光秧功率乓，1、2端输把出功晓率时蛮，3端对1端的隔离阅度定义净为【例】2倦×2双锥转形光中纤耦搅合器我的输攀入功伐率为Pin=20狮0u呜W,另外忘三个唤端口挺的输姓出功埋率分猴别为P1=9扑0µ窑W，P2=8艇5µ走W，P3=6对.3波nW，试计狼算光吧纤耦系合器非的主大要性拦能参酱数。输入功率P1直通功率P3P3反向散射信号P2耦合功率Pin3、佣光合波牛器与若光分版波器光合谣波器摔和光美分波脑器是画用于逼波分义复用握等传牺输方馅式中苗的无痰源光固器件蹲。可弊将不滋同波贪长的胶多个衡光信笛号合径并在脱一起蜂藕合绳到一及根光净纤中返传输坐，或冷者反游过来僻说，漏将从脸一根炸光纤蹦传输腐来的灰不同锈波长丹的复针合光云信号姻，按骑不同商光波馆长分政开。邪前者桃称为月合波念器，疮后者桑称为北光分怒波器尚。1，22112121212121212124、完光滤波索器光滤说波器迅一般虹是采鞋用多葱层介洁质膜纪作为仔光滤株波器挺，使苍某一诉波长钥的光志通过添，而绞其他汇波长拥的光雁被阻饺止。微具体杯结构悼有两廊类，槽一类猪为干著涉滤车波器绑，另流一类抖为吸白收滤撇波器册，两掠者均敞可用土介质幼膜构脊成。5、寺光隔离般器光隔骨离器绪是一提种只涂允许愿单向忠光通志过，涉阻止晃反射势光返哀回的丈无源虑光器示件，在光庄纤通蹈信系栗统中牲，尤牵其在袜相干暮光纤藏通信刃系统旦中，养为了永防止抛各种租原因铃产生炼的反牌射光畏进入宣激光净器，胃影响晌激光持器的舞稳定隶性，浊常需士要光垦隔离郊器。5.尽4光源聚与光恢检测啊器5.背4.搭1光源光源是光丝式发射屿机的关键跑器件，其功能是把电信陷号电冈流转换散为光信态号功合率,即实抬现电/光转萍换。目前光纤奇通信奋广泛滑使用芹的光源主要另有半导衬体激歼光器(L辞D)和发光妹二极咱管(L举ED底)。1、半鲜导体庄激光估器工症作原院理和布基本萄结构一、大受激劲辐射待和粒顾子数扔反转傻分布（1）半购导体冬激光复器半导午体激功光器是向东半导亏体PN结注念入电纹流，菜实现粒子辆数反差转分彻布，产素生受激盐辐射酒，再利完用谐振共腔的正伤反馈倡，实伏现光界放大渐而产露生激贤光振剃荡的剩。（2）激步光激光，其英颜文LA呜SE僵R就是Li穷gh止t切Am决pl接if嫌ic辅at辆io瓣n时by斜S逢ti撇mu紫la艘te吊d箩Em沸is离si坑on蛇o纯f朱Ra喉di启at觉io尿n(受激诉辐射喷的光需放大)的缩菌写。脏所以勿讨论码激光角器工际作原棍理要桑从受隐激辐萌射开炎始。（二最）光菊和物薪质相标互作雕用有源柳器件的物理词基础是光和事物质嚷相互工作用的效浇应。满在物愚质的液原子诸中，财存在驻许多连能级眨，最舍低能谊级E1称为基态，能拜量比脊基态行大的栗能级Ei(i拌=2刊,浮3,凡4晋…龟)称为激发税态。电场子在肥低能交级E1的基垂态和押高能候级E2的激吴发态址之间揪的跃桂迁有觉三种妄基本总方式号。光与蛾物质扔的相倡互作邪用时，梯将发晓生:(1发)受激亦吸收(2艺)自发华辐射(3彻)受激咬辐射三种左基本盼物理泄过程激。(1皮)受激喊吸收在正经常状芹态下间，电屡子处戒于低掏能级E1，在稀入射缠光作招用下企，它浩会吸跌收光蒜子的许能量全跃迁笑到高坐能级E2上，睛这种盆跃迁贷称为受激砌吸收。受激击吸收将使外界厌光能弹减少倚。(2中)自发终辐射在高篇能级E2的电肝子是府不稳招定的维，即长使没引有外红界的储作用毛，也稼会自毕动地遥跃迁聋到低战能级E1上，揉释放负的能饿量转哑换为羽光子装辐射粘出去构，这辜种跃忧迁称妨为自发印辐射。(3场)受激裕辐射在高悔能级E2的电总子，君受到灵入射饿光的俘作用郑，被减迫跃索迁到吨低能纯级E1上，晃释放晒的能宣量产婚生光板辐射禁，这满个过投程是想在外钩界条肿件刺双激下侵产生道的，延因而乏称为受激厅辐射。受门激辐棵射产匙生的套光子剑与入合射光英子叠团加，慢使光宋得到兵放大亲，因型而受激垮辐射是产生渴激光戏的最侨重要族的过哨程。受激滋辐射是受激校吸收的逆过忧程。电庭子在E1和E2两个避能级驶之间习跃迁高，吸此收的宋光子那能量龟或辐仙射的捎光子寒能量犹都要尸满足波尔条冒件，即式中聪，h=6河.6枯28汁×1涌0-3俱4J·霞s，为普朗亭克常今数，f12为吸树收或离辐射与的光子抵频率。（三吵）相干纪光和非相规干光（1）相烂干光受激味辐射和自发踪蝶辐射产生棚的光的特匠点很奖不相岭同。芝受激荡辐射穴光的频率厨、相艇位和传播妨方向与入射象光相同贷，这乱种光贞称为相干最光。（2）非贡相干扶光自发旅辐射的光是由额大量坡不同紧激发棉态的询电子自发圆跃迁产生陡的，其频素率和麦方向候分布递在一柏定范班围内，相位和偏振态是黎混乱明的，陶这种疏光称辫为非相认干光。怎么多保证盈产生氧受激硬辐射淘而不缩慧是受请激吸持收？（四冤）粒定子数驳反转葬分布产生受激切辐射和产生受激蹈吸收的物摄质是租不同麻的。场设在府单位耀物质残中，堡处于份低能毫级E1和处练于高范能级E2(E2>E1)的粒子闹数分别屈为N1和N2。在热威平衡身条件崇下，麻各能票级上泡的粒耀子数拆分布记满足纽奉玻尔朱兹曼疑统计侧分布宝。式中趁，k=投1.椅38院1×药10-2耗3J/统K，为玻尔原兹曼夸常数，T为绝对雄温度。由厅于(E2-E1)武>照0，T>抱0，在系鸦统处榨于热涉平衡叛状态骄下，村总是N1>N2。（1）正怒常粒咽子分录布——受激就吸收我们胁把这饰种N1>N2分布容称为粒子缎数正短常分存布。在易热平净衡状衡态下话，N1>N2，受激落吸收大于受激垄辐射。当内光通昼过这液种物娱质时译，光艺波总闻是被珍吸收衣，这梳种物械质称灶为吸收风物质。（2）粒子赶数反厉转分诉布——受激燃辐射如果N2>N1，即受激说辐射大于受激样吸收，当泪光通室过这愿种物婆质时扮，会死产生放大作用渡，这迅种物黎质称哗为激活批物质途。N2>N1的分降布，蔽和正厘常状驶态(N1>N2)的分清布相照反，踪蝶所以饭称为粒子籍数反榨转分位布。粒子朵数反旬转分谈布状坡态是使贿物质傲产生傍光放颠大而河发光充的首手要条德件。问题:如何针实现筐粒子居数反置转分幅