光纤通信复习

光纤通信复习济南大学理学院1信道带宽——载波决定的传输带宽（光的频率高，信道带宽就宽，于是称光通信为信息高速公路）。基带带宽——信源决定的带宽（一路话路带宽约为4kHZ，一路视频约为6MHZ）。信道的带宽越大，传输话路数就越多，信道容量就越大。带宽——信号进行传输且没有明显衰减的频率范围。带宽的概念2济南大学理学院1530~1565nm的波长范围称为C波段，这是目前高速大容量长距离系统常用的波段。波长(nm)损耗(dB/km)700900110013001500170011015501310850图1.1.3光纤损耗的波长特性光纤的三个低损耗窗口3济南大学理学院

数值孔径是光纤一个非常重要的参数，它体现了光纤与光源之间的耦合效率。光纤的数值孔径NAθc包层n2纤芯n1包层n2θ0αc光源空气n0＝1光纤端面在空气与光纤端面上运用斯涅尔定律，有式中αC与临界入射角θC之间的关系为4济南大学理学院由以上两式可得光纤的数值孔径NA对空气，有n0≈1，故有

5济南大学理学院显然，θ0越大，即纤芯与包层的折射率之差越大，光纤捕捉光线的能力越强，而参数直接反映了这种能力，我们称为光纤的数值孔径NAθ0为最大接收角，αc为临界传播角。光纤的数值孔径NA6济南大学理学院上式又可书为光纤的数值孔径NA相对折射率差越大，NA

就越大，光纤集光能力就越强。但是△也不能太大，否则色散增大，因此要折中考虑。由此式可知7济南大学理学院传播时延和时延差rαLpzpQPn1n20z时延——z轴方向传播单位距离的时间，用τ表示。8济南大学理学院传播时延和时延差当

一定时，时延与成反比，即越大，就越大。当时，时延，此时时延最小。时延差——光线在两条不同路径的时延之差，用表示。9济南大学理学院传播时延和时延差最大时延差应该是临界传播角和的两条光线的时延差。用上式可以估算阶跃型多模光纤对光脉冲的展宽情况。对于抛物线渐变折射率多模光纤，其最大时延差为10济南大学理学院光纤的衰减光纤衰减和色散是影响光纤通信系统的两个重要因素。衰减——光纤对光信号功率的损耗。光纤衰减的大小决定了光纤无中继距离的长短，衰减越小无中继距离越长。1.衰减的表示光信号在光纤中传播时，其功率P随着传输距离的增加按指数形式衰减。11济南大学理学院光纤的衰减设起始处（z=0）的信号光功率为P(0)，则在光纤中经过距离z的传播后，积分上式得

——衰减系数。单位：1/km——光纤某点处光功率。单位：mW12济南大学理学院光纤的衰减今后如不加以说明，均以dB/km作为光纤衰减的单位。由此得衰减系数为单位：km-1，读作奈培。通常，在工程用dB/km作为光纤衰减的单位，有13济南大学理学院2.衰减的原因三个原因散射损耗吸收损耗弯曲损耗光纤的衰减14济南大学理学院系统通信容量数字光纤通信系统的通信容量用比特率－距离积来表示，系统设计完毕后BL为定值意义比特率B和传输距离L都可以改变，但是要保证二者的乘积不变，即

BL=常数。

按规定，光脉冲的传输距离L与时延差（脉冲展宽）二者的乘积必须小于1/4比特周期T。即15济南大学理学院系统通信容量由此得阶跃型多模光纤数字通信系统的容量为抛物线型渐变折射率光纤数字通信容量为16济南大学理学院群速度——非单色光的波包往前推进的速度群速度定义：，推导得：。式中，称群折射率。群折射率是波长的函数，并与折射率随波长的变化率有关。17济南大学理学院光纤单模传输条件和截止波长或单模传输条件单模条件临界条件多模条件单模光纤（SM）的截止波长

18济南大学理学院

多模光纤的色散色度色散——光波中的不同频率分量以不同速度传播不能同时到达出射端而导致的脉冲展宽。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，导致误码率增加。对模拟传输而言：色散会限制传输带宽，可产生谐波失真，使系统的信噪比下降。色散的危害模式色散——是不同入射角的光线不能同时到达出射端而导致的脉宽展宽。19济南大学理学院色散分类模式色散：多模光纤存在模式色散，是引起色散的主要原因。色度色散材料色散：是单模光纤色散的主要原因。波导色散：波导色散比较小，但可以控制单模光纤通信窗口的位移。1.模式色散纤芯光源包层T0123T＋Δt

多模光纤的色散20济南大学理学院

多模光纤的色散式中，v为光在折射率为n1的纤芯中传输的速度。

光纤的长度为L，则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（最低模式）（最高模式）21济南大学理学院令

多模光纤的色散22济南大学理学院

多模光纤的色散例题：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。答：光脉冲传输1公里后宽度扩展了47.1ns。则有解：利用（1.3.10）式，光纤长度单位和光速单位分别取km和km/s，23济南大学理学院单模光纤的色散与带宽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随着波长的变化而造成的。在单模光纤内，即使光经过完全相同的路径，也会发生脉冲的展宽，因为光源发出的光不是单一波长的，而是存在一定的波长范围。

1.材料色散材料色散的单位长度脉冲展宽可表示为24济南大学理学院单模光纤的色散与带宽2.

波导色散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。式中是波导色散系数，单位为。波导色散引起的单位长度脉冲展宽可由下式计算：25济南大学理学院单模光纤的色散与带宽单模光纤不存在模间色散，只有材料色散和波导色散，即色度色散，色度色散引起的单位长度的脉冲展宽为式中——材料色散系数——波导色散系数——光源的线宽色度色散系数26济南大学理学院单模光纤的色散与带宽27济南大学理学院3

偏振模色散单模光纤的色散与带宽偏振模色散导致的光纤单位长度脉冲展宽为式中△t

是传输L

距离后，因两个相互垂直的简并模破坏而引起的时延。28济南大学理学院4.

带宽和比特率单模光纤的色散与带宽前边我们学过光纤由于色散限制了光线的带宽和比特率，其最大比特率为，实际光纤的比特率要比该式计算值小，可用如下经验公式计算比特率：对于非归零码和归零码的光带宽为非归零码（NRZ码）归零码（RZ码）29济南大学理学院色散补偿方案补偿方案在光发射机的发射端对脉冲宽度进行预压缩在光接收机端对光脉冲或电脉冲宽度进行复杂处理在光纤链路中增加负色散光纤段1.色散补偿光纤

色散补偿光纤是具有负色散特性的光纤，其补偿的基本思路是在具有正色散特性的标准单模光纤之后接入一段色散补偿光纤，如图下页所示。30济南大学理学院色散累积传输距离（km）(ps/nm)L11L21L12L22色散补偿方案31济南大学理学院色散补偿方案线性啁啾光栅补偿色散10-20cm光脉冲输入长波长光纤光栅短波长光脉冲输出(b)光纤链路光纤光栅环形器输入光脉冲输出光脉冲(a)312延迟波长（c）补偿延迟随波长线性变化光纤延迟随波长线性变化32济南大学理学院设PIN入射面的反射率为Rf，考虑从光检测器反射损耗后光检测器1.量子效率设耗尽区宽度为w，则光通过w距离所吸收的光功率

P（w）为式中，Pin

为入射到PIN的光功率。33济南大学理学院光电二极管量子效率定义为：把代入得故得初级光电流为光检测器34济南大学理学院光检测器2.响应度（光检测器将光信号转换为电信号的效率）☆PIN的响应度定义令35济南大学理学院光检测器可得☆APD的响应度定义RAPD=0.75～130A/W之间。APD光检测器的响应度的典型值：36济南大学理学院3.响应光谱∵材料的吸收系数是波长的函数，∴不同材料的吸收峰值不同，响应光谱范围也就不同，前边我们已经给出了材料的截止波长，当入射光的波长时，就没有光电子产生，亦即，必须满足用波长表示则入射波长必须小于截止波长光检测器37济南大学理学院PIN光检测器散粒噪声APD光检测器散粒噪声光检测器kA是电离系数，它与选用的半导体材料有关。38济南大学理学院2.暗电流噪声与均匀散粒噪声电流的推导方法相同，暗电流的均方电流为3.热噪声热噪声是因为负载电阻通电后，内部原子的电子起伏所导致的。光检测器39济南大学理学院当放大器输入电阻Ra>>RL时，热噪声表达式为热噪声是温度变化导致负载电阻和后续广大电路内原子中的电子起伏而产生的热噪声电流。不是光检测器产生的。光检测器4.表面漏电流噪声总均方噪声电流40济南大学理学院光有源器件半导体光放大器、掺杂（稀土元素）光纤放大器、拉曼光纤放大器等。有源器件包括：则传播L长度的增益G(ω)为用分贝表示为41济南大学理学院泵浦光980nm能级1(0ev）τsp=1μs泵浦光1480nm受激辐射信号光（1500～1600nm）自发辐射光ASE（1500～1600nm）能级2（0.80ev）能级3（1.27ev）τsp=10ms掺铒光纤能级图光有源器件42济南大学理学院光无源器件光耦合器，光滤波器，光隔离器，光环行器，光纤连接器、光开关等。无源器件包括：耦合器其作用：对光合路，对光分路。1.光耦合器的类型

三端口耦合器，四端口耦合，星形耦合器，波分复用器。43济南大学理学院波分复用/解复用近年来用集成波导技术制成多路复用解复用器。T形

星形方向波分l1lNl1++lN光无源器件44济南大学理学院光无源器件(b)4端口耦合器4312分路器合路器(a)3端口耦合器(c)星形耦合器NMλ1λ1＋λ2λ2λ1＋λ2(d)波分复用器λ2λ145济南大学理学院光无源器件采用硅平面波导技术制成的多端星形耦合器46济南大学理学院光无源器件输入端串扰直通臂耦合臂←锥形区→←耦合区（w）→←锥形区→（直通臂）（耦合臂）47济南大学理学院光无源器件式中，c—耦合系数d—耦合区两纤芯距离K0、K1—为第二类贝塞尔函数V——归一化频率U——归一化相位常数W——归一化衰减常数零阶一阶应用举例：可以用2×2光耦合器构成N×N光耦合器48济南大学理学院光无源器件分路损耗—光功率从输入端口到另一输出端口所经路径损耗。（1）分路损耗（光耦合器——功率分配器）从输入端口k到输出端口j的分路损耗为49济南大学理学院光无源器件插入损耗—输入光功率与总输出光功率的比值。对于2×2的光耦合器插入损耗为(2）插入损耗50济南大学理学院光无源器件分光比—某个输出端口的光功率与总输出光功率的比值。（3）分光比51济南大学理学院（4）隔离度隔离度—输入功率出现在不希望的输出端的大小。隔离度一般用在波分复用器中来计算串扰。对于2×2光纤耦合器光无源器件52济南大学理学院第一个3dB耦合器对两个输入的波长起到分路的作用，第二个3dB耦合器起到合路的作用。M-Z干涉滤波器用两种3dB耦合器可以构成M-Z干涉滤波器。电压3dB耦合器3dB耦合器412353济南大学理学院

的传输特性为M-Z干涉滤波器54济南大学理学院M-Z干涉滤波器

的传输特性当

从1端输出，

从2端输出时，要求55济南大学理学院M-Z干涉滤波器所以两种光的频率差为书中用电光材料改变折射率，所得频率差为调谐时间小于50ns。56济南大学理学院法拉第旋转器相位旋转器（a）①双折射率分离元件②123格兰棱镜方解石反射镜方解石反射棱镜端口1入射端口2出射光环行器1.三端口光环行器57济南大学理学院1→2光矢量光环行器58济南大学理学院光环行器反射棱镜2（b）13方解石方解石法拉第旋转器相位旋转器端口2入射端口3出射59济南大学理学院２→３光矢量光环行器60济南大学理学院光环行器反射棱镜2方解石３１法拉第旋转器相位旋转器反射镜方解石端口3入射端口1出射61济南大学理学院光环行器3→1右行光矢量图62济南大学理学院光环行器2.四端口光环行器端口1入射端口2出射光路图63济南大学理学院端口2入射端口3出射光路图光环行器64济南大学理学院端口3入射端口4出射光路图光环行器65济南大学理学院复用/解复用器1.插入损耗复用/解复用器的插入损耗与耦合器相似。表示多个输入口中