第二部分光纤通信技术

第二部分光纤通信技术第一页，共四十九页，编辑于2023年，星期一带宽大约为载波信号频率的十分之一光纤通信中光的作用及特性1.光作为载波，可以极大地提高信道的带宽带宽是信号进行传输且没有明显衰减的频率范围，信道的带宽越大，信道容量就越大。香农哈特利（Shannon-Hartley）定理：载波频率越高，信道的带宽就越大，系统的信息传输能力也就越强。信道带宽信噪比第二页，共四十九页，编辑于2023年，星期一名称应用传输介质有线介质无线介质紫外线可见光红外线电话数据视频激光束光纤毫米波特高频（SHF）超高频（UHF）甚高频（VHF）高频（HF）中频（MF）低频（LF）甚低频（VLF）音频波导同轴电缆双绞线微波无线电短波无线电长波无线电卫星通信微波通信电话、电报调幅广播移动无线电UHFTV移动通信导航潜艇通信飞行器通信导航、雷达业余无线电商务应用调频广播1014Hz1015Hz10-6m100GHz10GHz1GHz100MHz10MHz1MHz100kHz10kHz1kHz1cm10cm1m10m100m1km10km100km800nm1700nm带宽可达50THz第三页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信中光的作用及特性2.光在光纤中传输的工作波长是由光纤特性决定的低损耗是实现光信号长距离无中继传输的前提。波长(nm)损耗(dB/km)700900110013001500170011015501310850光纤损耗的波长特性2dB/Km0.5dB/Km0.2dB/Km第四页，共四十九页，编辑于2023年，星期一导带能带价带能带禁带光子电子ECEV量能hν3.光在光发射机和光接收机中的工作基于光的辐射与吸收光纤通信中光的作用及特性我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能带差，从而改变其发光波长。第五页，共四十九页，编辑于2023年，星期一自发辐射光是一种非相干光，即不是单一频率、相位和偏振方向相同的光。 低能带高能带EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν（a）光的自发辐射（发光二极管LED）光纤通信中光的作用及特性（b）光的受激发射（激光二极管）低能带高能带EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν输入光hν输出光要实现受激发射需要两个条件：一是粒子数反转；二是在半导体激光器中产生谐振从而得到单色性和方向性好的激光输出。第六页，共四十九页，编辑于2023年，星期一低能带高能带EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν输入光Eg（c）光的吸收（光检测器）

光纤通信中光的作用及特性第七页，共四十九页，编辑于2023年，星期一第一章绪论(二）光纤通信中光的作用及特性；光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信的基本问题；光纤通信系统的主要技术指标。第八页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信系统的基本单元1.光发射机

电信号到光信号的转换装置和光信号传输装置组成，光源是光发射机的核心部件。目前常用光源有LED和LD两种。IF(mA)P(mW)LED外形图和输出特性IF(mA)P(mW)LD外形图和输出特性第九页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信系统的基本单元对光源的调制（a）模拟电流信号对激光器的直接调制P(mW)IF(mA)IbIth输出光信号输入电流信号限流点工作在线性区工作在截止区工作在限流区直接调制间接调制第十页，共四十九页，编辑于2023年，星期一P(mW)IF(mA)输出光信号输入电流信号Ith（b）数字电流信号对激光器的直接调制光纤通信系统的基本单元消光比（ExtinctionRatio）：是衡量数字传输时光源的一项重要参数。为保证接收机灵敏度不受或少受影响，消光比应尽量小，一般应小于0.1第十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期一外调制方式（间接调制）：光源调制器光信号（已加载信息）光信号（未加载信息）输入电信号光纤通信系统的基本单元不直接调制光源，而是在光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制（利用晶体的电光效应，磁光效应，声光效应），适用于各种类型的激光器。第十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信系统的基本单元电光效应——电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的变化称为电光晶体。Mach-ZehnderInterferometer第十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期一（1）驱动电路。

（2）自动功率控制电路APC（AutomaticPowerControl）。

（3）自动温度控制电路ATC(AutomaticTemperatureControl)。控制在0.1℃的范围内。

（4）光隔离器。 光纤通信系统的基本单元2.光发射机的辅助电路

第十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期一使不能工作驱动器数据DFB-LD监测PD光纤光隔离器激光器偏置监测APC电路ATC电路热电致冷器热敏电阻器背面监测光输出告警激光器温度监测光发射模块功能框图光发射模块实物图光纤通信系统的基本单元第十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期一2.光纤光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层特点：ncore>nclad

光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。芯包层树脂涂覆层光纤通信系统的基本单元第十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期一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，传输特性完全不同光纤通信系统的基本单元第十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期一-数值孔径(NA)相对折射率差n0、n1、n2--分别是空气、纤芯、包层折射率，c--芯包界面全反射临界角代表光纤接收光的本领大?cin1n2n0（示意图，比例不符）光纤通信系统的基本单元阶跃型光纤第十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期一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。模间色散所有大于临界角C的光线都被限制在纤芯内。阶跃光纤High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding光纤通信系统的基本单元第十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤光缆实物图光纤通信系统的基本单元第二十页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信系统的基本单元3.光接收机由光信号到电信号的转换装置和电信号处理装置组成，具体由光电检测器、放大器和相关电路组成。光CATV接收模块第二十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信系统的基本单元是指在满足给定误码率或信噪比条件下，接收机接收微弱信号的能力，工程上常用最低平均光功率来描述，灵敏度表示为是指在保证系统误码率指标要求下，接收机的最低光功率和最大允许光功率之比灵敏度动态范围第二十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期一第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。第二，它不只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。输入光信号输出光信号光纤光纤光放大器光纤通信系统的基本单元4.光放大器光放大器的作用:两个明显的优势:第二十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大隔离器输入光激活介质泵浦源隔离器输出光光纤通信系统的基本单元掺铒光纤放大器的基本结构及工作原理：第二十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期一Er3+能级图

包层信号光1550nm泵浦光1480nm或980nmEDF信号光泵浦光掺铒光纤长度最佳长度光强光纤通信系统的基本单元第二十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期一对光纤放大器的主要要求是：高增益，低噪声，高的输出光功率，低的非线性失真

掺铒光纤放大器光纤通信系统的基本单元第二十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期一第一章绪论(二）光纤通信中光的作用及特性；光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信的基本问题；光纤通信系统的主要技术指标。第二十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期一损耗定义:POUT--出纤光功率Pin--入纤光功率1.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：光纤通信的基本问题第二十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期一示例对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的损耗系数为0dB/km，但在实际中这是不可能的。实际的低损耗光纤在900nm波长处的损耗为3dB/km，这表示传输1km后信号光功率将损失50％，2km后损失达75％(损失了6dB)。之所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的损耗具有可加性。光纤通信的基本问题第二十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期一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光纤通信的基本问题第三十页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤的损耗机理(1)材料吸收紫外、红外、OH离子、金属离子吸收等，是材料本身所固有的--本征吸收损耗OH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73m，与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。减低OH离子浓度，减低这些吸收峰---全波光纤（AllWave康宁）光纤通信的基本问题第三十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤的损耗机理(2)瑞利散射是一种基本损耗机理。由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。大小与4成反比，R＝C/4（dB/km）因而主要作用在短波长区。瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。在1.55m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.12~0.16dB/km

，是该段损耗的主要原因。光纤通信的基本问题第三十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤的损耗机理(3)辐射损耗又称弯曲损耗，包括两类：一是弯曲半径远大于光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。定性解释：导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）与纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。光纤通信的基本问题例：一根光纤长20km，衰减为0.5dB/km，一端注入功率为600μW的光信号，求其输出光功率。第三十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信的基本问题色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。对数字传输而言，色散造成光脉冲的展宽，致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰，造成误码率增加；对模拟传输而言，它会限制带宽，产生谐波失真，使得系统的信噪比下降。

色散的种类：

模式色散材料色散波导色散色度色散第三十四页，共四十九页，编辑于2023年，星期一纤芯光源包层光纤通信的基本问题1.模式色散不同入射角的光线代表不同的模式光源0纤芯包层1230123TT＋Δt脉冲因多个模式而起的展宽---模式色散第三十五页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信的基本问题脉冲展宽的计算最低模式（也称为零级模式）沿中心轴线到达光纤输出端所需时间为最高模式（以临界角传播的光线）所需时间:脉冲展宽时间第三十六页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信的基本问题单模光纤设计的基本思路:减小纤芯直径的尺寸减小相对折射率典型的单模光纤的纤芯直径和相对折射率分别是8.3μm和0.37%，而渐变折射率光纤这两者的数值分别是50μm和2%。例:一阶跃折射率光纤，已知n1＝1.486，n2＝1.472，仅考虑模式色散，计算每1km长度的脉冲展宽。第三十七页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信的基本问题2.波导色散进入单模光纤中的光信号功率大约只有80%在纤芯中传播，另外20%在包层传输，由于纤芯和包层有着不同的折射率，所以这两部分的传输速度不同，在包层中传播的光功率速度要更大一些，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。波导色散系数光源的线宽第三十八页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信的基本问题3.材料色散是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式的群速率（光脉冲包络线速度）都会随着波长的变化而造成的。材料色散系数光源的线宽第三十九页，共四十九页，编辑于2023年，星期一波长(μm)材料色散波导色散色度色散色散系数ps/(km·nm)1.11.21.31.41.51.61.7-30-20-100102030光纤通信的基本问题单模光纤中波导色散和材料色散与波长的关系第四十页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤通信的基本问题非线性效应1.自相位调制SPM（SelfPhaseModulation）2.交叉相位调制XPM(CrossPhaseModulation)3.四波混频FWM(FourWaveMixing)。4.受激喇曼散射SRS(StimulatedRamanScattering)5.受激布里渊散射SBS(StimulatedBrillouinScattering)第四十一页，共四十九页，编辑于2023年，星期一第一章绪论(二）光纤通信中光的作用及特性；光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信的基本问题；光纤通信系统的主要技术指标。第四十二页，共四十九页，编辑于2023年，星期一光纤输入光脉冲输出光脉冲时间波形光脉冲展宽101111光纤通信系统的主要性能指标1.比特率也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，单位为比特/秒，写成b/s或bps，常用符号B表示。光纤色散效应对比特率的限制1.比特率和带宽返回第四十三页，共四十九页，编辑于2023年，星期一比特率与脉冲展宽(a)输入光脉冲Tt2Δτ0光强(b)输出光脉冲tτ0光强2ΔτΔτ最大比特率的计算式:光纤通信系统的主要性能指标光纤色散是比特率受限的主要原因。为了解决这个问题，研制出了多种类型的光纤和各种补偿色散的技术，如渐变折射率光纤