光纖通信總復(fù)習(xí)

1966年，英籍華人高錕(K.C.Kao，當(dāng)時(shí)工作于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過(guò)量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)。當(dāng)時(shí)光纖的損耗是1000dB/Km當(dāng)時(shí)預(yù)言經(jīng)過(guò)提純和改善材料的均勻性，可以降低到幾個(gè)dB/km光源取得進(jìn)展1970美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司和前蘇聯(lián)先后突破了半導(dǎo)體激光器在低溫（-200℃）或脈沖激勵(lì)條件下工作的限制，研制成功在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器——雖然激光器的壽命只有幾小時(shí)，其為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。圖1.1部分電磁波頻譜目前的光纖結(jié)構(gòu)2-1-1光纖的結(jié)構(gòu)光纖的作用就是將光能限制在光纖表面以?xún)?nèi)，并引導(dǎo)光能沿光纖軸向傳播包層的作用減少散射損耗—散射損耗是由前纖芯表面介質(zhì)不連續(xù)造成的。增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度—光纖細(xì)而且脆防止在光纖與外界接觸時(shí)光纖可能受到的污染。多模光纖的優(yōu)點(diǎn)－與單模比較由于多模光纖的纖芯較粗，容易將光功率注入光纖易于將相同的光纖連接在一起可以使用發(fā)光二極管LED作為光源，因?yàn)長(zhǎng)ED價(jià)格便宜，使用壽命長(zhǎng)，電路簡(jiǎn)單多模光纖的主要缺點(diǎn)：它存在模間色散，因?yàn)槊總€(gè)模的傳播速度略微不同。單模光纖的優(yōu)點(diǎn)它的帶寬很寬它的缺點(diǎn)是：必須使用半導(dǎo)體激光器作為光源，所以?xún)r(jià)格較貴，電路復(fù)雜操作不不如多模方便，因?yàn)槔w芯較細(xì)根據(jù)這個(gè)傳播條件，定義臨界角θc的正弦為數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律

NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°(2.2)n0=1，由式（2.2）經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得到(2.3)

圖2.4突變型多模光纖的光線(xiàn)傳播原理表示光纖捕捉光射線(xiàn)能力的物理量被定義為光纖的數(shù)值孔徑，用NA表示。數(shù)值孔徑越大表示光纖捕捉射線(xiàn)的能力就越強(qiáng)。由于弱導(dǎo)波光纖的相對(duì)折射指數(shù)差Δ很小，因此其數(shù)值孔徑也不大。對(duì)于階躍型光纖，數(shù)值孔徑為常數(shù)對(duì)于漸變型光纖，由于纖芯中各處的折射率是不同的因此各點(diǎn)的數(shù)值孔徑也不相同。數(shù)值孔徑總結(jié)

色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分（模式，頻率等）的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。2.3.1光纖色散1.色散、帶寬和脈沖展寬色散的種類(lèi)模式色散材料色散波導(dǎo)色散1.損耗的機(jī)理圖2.15是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系，圖2.15單模光纖損耗譜，示出各種損耗機(jī)理3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射的光放大)的縮寫(xiě)。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開(kāi)始。受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱(chēng)為相干光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱(chēng)為非相干光。3.激光振蕩和光學(xué)諧振腔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。

圖3.4激光器的構(gòu)成和工作原理(a)激光振蕩(b)光反饋5.溫度特性半導(dǎo)體激光器的輸出特性是隨著溫度而發(fā)生變化的！激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因：

一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為二是外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感，例如：GaAlAsGaAs激光器在77K時(shí)ηd≈50%；300K時(shí)，ηd≈30%。發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同：

LD發(fā)射的是受激輻射光；

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。3.1.4發(fā)光二極管LED的結(jié)構(gòu)LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒(méi)有閾值。與激光器LD相比，發(fā)光二極管的缺點(diǎn)：<1>發(fā)光二極管輸出光功率較??；<2>譜線(xiàn)寬度較寬；<3>調(diào)制頻率較低。發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)：<1>發(fā)光二極管溫度特性更穩(wěn)定，并且電光轉(zhuǎn)換噪聲很??；<2>工作壽命長(zhǎng)；<3>輸出光功率線(xiàn)性范圍寬；<4>制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。<5>驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單因此，這種器件在低成本、高可靠性、小容量和短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。LED與LD比較由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會(huì)增加載流子漂移的渡越時(shí)間，使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾，就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?，減小光生電流中的擴(kuò)散分量。圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖

圖3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)濾光式解復(fù)用器；(d)光柵式解復(fù)輸入光輸出1輸出2圖3.34隔離器的工作原理光環(huán)路器的用處實(shí)現(xiàn)在一根光纖里傳輸兩個(gè)方向的光信號(hào)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)2.3自動(dòng)光功率控制(APC)1.自動(dòng)光功率控制的內(nèi)容與要求

(1)自動(dòng)補(bǔ)償LD由于環(huán)境溫度的變化和老化效應(yīng)而引起的輸出光功率的變化。(溫度上升會(huì)造成閾值電流上升)

(2)自動(dòng)控制光發(fā)送機(jī)的輸入信號(hào)碼流中長(zhǎng)連“0"序列或無(wú)信號(hào)輸入時(shí)使LD不發(fā)射激光。色散補(bǔ)償器色散補(bǔ)償器原理光柵的密度是變化的，使得長(zhǎng)波長(zhǎng)的光先被返回，而短波長(zhǎng)的光要多傳播一段路程才返回，這樣就使他們之間的距離被壓縮了，即對(duì)色散進(jìn)行了補(bǔ)償。二、光發(fā)射機(jī)的基本組成整型或碼型變換溫度控制比較放大功控與保護(hù)光檢測(cè)放大發(fā)光管光源驅(qū)動(dòng)SCPP02.3自動(dòng)光功率控制(APC)1.自動(dòng)光功率控制的內(nèi)容與要求

(1)自動(dòng)補(bǔ)償LD由于環(huán)境溫度的變化和老化效應(yīng)而引起的輸出光功率的變化。(溫度上升會(huì)造成閾值電流上升)

(2)自動(dòng)控制光發(fā)送機(jī)的輸入信號(hào)碼流中長(zhǎng)連“0"序列或無(wú)信號(hào)輸入時(shí)使LD不發(fā)射激光。比較積分放大器A22.4自動(dòng)溫度控制(ATC)問(wèn)題:1、LD對(duì)工作環(huán)境溫度的變化非常敏感2、高溫環(huán)境下工作會(huì)影響LD的壽命3、高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致LD發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生變化對(duì)LD光源進(jìn)行溫度控制的兩大好處：1、可以穩(wěn)定LD的輸出光功率，確保數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的正常工作。2、對(duì)LD起到了很好保護(hù)作用。三、光發(fā)射機(jī)的主要指標(biāo)1．輸出光功率及其穩(wěn)定性光功率的單位有時(shí)用絕對(duì)值表示，單位為W或mw；有時(shí)用絕對(duì)電平值表示，即：

光發(fā)射機(jī)的輸出光功率是一個(gè)重要參數(shù)。輸出光功率的穩(wěn)定性要求是指在環(huán)境溫度變化或器件老化過(guò)程中，輸出光功率要保持恒定，如穩(wěn)定度為5%-10%。2、消光比EXT消光比：EX＝l0log(A/B)A是對(duì)應(yīng)邏輯“1”的平均光功率電平,B是對(duì)應(yīng)邏輯“0”的平均光功率電平EXmin一般在10dB左右一、反映了光發(fā)射機(jī)的調(diào)制狀態(tài)，及光發(fā)射機(jī)的電／光轉(zhuǎn)換效率；二、影響接收機(jī)的接收靈敏度§2、光接收機(jī)均衡與定時(shí)判決均衡：光信號(hào)脈沖通過(guò)光纖傳輸后，由于光纖色散等原因，造成波形失真。均衡電路對(duì)失真的波形進(jìn)行補(bǔ)償，以便于后續(xù)的判決，減小碼間干擾。定時(shí)判決電路：定時(shí)判決電路中主要是時(shí)鐘提取電路。時(shí)鐘提取電路應(yīng)該穩(wěn)定可靠、抗連“0”或連“1”性能好，而且時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)較小。光接收機(jī)的主要性能指標(biāo)1、接收靈敏度Pr數(shù)字光接收機(jī)靈敏度的定義為：在保證給定的誤碼率BER（如10-9）的條件下，最小接收信號(hào)光功率Pr影響接收靈敏度的主要因素是接收機(jī)的各種噪聲。2.動(dòng)態(tài)范圍Dmax光在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生一些損耗，不同的接收機(jī)收到的光功率不同。在保證給定的誤碼率BER（如10-9)的條件下，最大允許的接收光功率和最小可接收光功率之差，其單位為dBm即：Dmax=Pmax-Pr

圖7.1摻鉺光纖放大器的工作原理(a)硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖；(b)EDFA的吸收和增益頻譜

圖7.3光纖放大器構(gòu)成方框圖(a)光纖放大器構(gòu)成原理圖；(b)實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖

7.2.1光波分復(fù)用原理

1.WDM的概念光波分復(fù)用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)(復(fù)用)，并耦合到光纜線(xiàn)路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開(kāi)(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱(chēng)光波分復(fù)用技術(shù)。

圖7.6中心波長(zhǎng)在1.3μm和1.55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口(插圖表示1.55μm傳輸窗口的多信道復(fù)用)WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的吸引力。目前，“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復(fù)用(WDM)+非零色散光纖(NZDSF，即G.655光纖)+光子集成