光纖通信總復(fù)習(xí)

光纖通信

Fiber-opticcommunications

光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光纖

圖2.2三種基本類型的光纖(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；(c)單模光纖損耗定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率2.2光纖的損耗特性光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離，損耗的降低依賴于工藝的提高和對(duì)石英材料的研究。若P0是入射光纖的功率，則傳輸功率PT為：這里代表光纖損耗，L是光纖長(zhǎng)度，習(xí)慣上光纖的損耗通過(guò)下式用dB/km來(lái)表示：第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(zhǎng)(nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜特性損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km2.3.1光纖的色散特性光纖色散：信號(hào)能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號(hào)畸變。將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，最終影響通信距離和容量。

色散類型模間色散：不同模式對(duì)應(yīng)有不同的模折射率，導(dǎo)致群速度不同和脈沖展寬（僅多模光纖有）波導(dǎo)色散()：傳播常數(shù)隨頻率變化材料色散n()：折射率隨頻率變化偏振模色散PMD波長(zhǎng)色散群速色散(GVD)由光源發(fā)射進(jìn)入光纖的光脈沖能量包含許多不同的頻率分量，脈沖的不同頻率分量將以不同的群速度傳播，因而在傳輸過(guò)程中必將出現(xiàn)脈沖展寬，這種現(xiàn)象稱為群速色散（GVD）、模內(nèi)色散或簡(jiǎn)言之光纖色散包括材料色散和波導(dǎo)色散。Chromaticdispersioncausesdifferentwavelengthsofalightpulsetotravelatdifferentspeedsinfiber,resultinginpulsespreading群速度沿z方向傳輸?shù)膯紊ǎ?/p>

是角頻率（弧度/秒）；是傳播常數(shù)（m-1）。群速度：表征光信號(hào)包絡(luò)的傳輸速度

群時(shí)延是頻率的函數(shù)，因此任意頻譜分量傳播相同距離所需的時(shí)間都不一樣。這種時(shí)延差所造成的后果就是光脈沖傳播時(shí)延隨時(shí)間的推移而展寬。而我們所關(guān)心的就是由群時(shí)延引入的脈沖展寬程度。群時(shí)延：頻率為的光譜分量經(jīng)過(guò)長(zhǎng)為L(zhǎng)的單模光纖時(shí)的時(shí)延。群時(shí)延光脈沖展寬(1)光脈沖展寬：由于光脈沖包含許多頻率分量，因而群速度的頻率相關(guān)性導(dǎo)致了脈沖傳輸過(guò)程中展寬，不再同時(shí)到達(dá)光纖輸出端。為群速度色散（GVD）脈沖展寬同2、光纖長(zhǎng)度L和信號(hào)譜寬成正比2決定了脈沖在光纖中的展寬程度光脈沖展寬(2)以色散參數(shù)D[ps/(nm.km)]表達(dá)脈沖展寬

D的定義為：D代表兩個(gè)波長(zhǎng)間隔為1nm的光波傳輸1km距離后的時(shí)延脈沖展寬：以波長(zhǎng)單位表達(dá)的光信號(hào)譜寬單模光纖的色散零色散波長(zhǎng)17ps/nm.km@1550nmD=DM+DWG.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652G.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652非線性大色散非常小@1550nm窗口不同信道的WDM信號(hào)傳輸速度相近四波混頻FWM嚴(yán)重ProblemG.655非零色散位移光纖17ps/nm.kmEDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655單模光纖的發(fā)展與演變總結(jié)(1)在光纖通信發(fā)展的近30年中，單模光纖的結(jié)構(gòu)和性能也在不斷發(fā)展和演變。最早實(shí)用化的是常規(guī)單模光纖SMF(G.652光纖)，零色散波長(zhǎng)在1310nm，曾大量敷設(shè)，在光纖通信中扮演者重要的角色。對(duì)光纖損耗機(jī)理的研究表明，光纖在1550nm窗口損耗更低，可以低于0.2dB/km，幾乎接近光纖本征損耗的極限。如果零色散移到1550nm，則可以實(shí)現(xiàn)零色散和最低損耗傳輸?shù)男阅?，為此，人們研制了色散位移光纖DSF(G.653光纖)。設(shè)計(jì)思路是通過(guò)結(jié)構(gòu)和尺寸的適當(dāng)選擇來(lái)加大波導(dǎo)色散，使零色散波長(zhǎng)從1310nm移到1550nm。單模光纖的發(fā)展與演變總結(jié)(2)90年代后，DWDM和EDFA的迅速發(fā)展，1550nm波段的幾十個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)同時(shí)在一根光纖中傳輸，使光纖的傳輸容量極大地提高。然而，四波混頻FWM會(huì)引起復(fù)用信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響WDM的性能。FWM是一種非線性效應(yīng)，其效率與光纖的色散有關(guān)，零色散時(shí)混頻效率最高，隨著色散增加，混頻效率迅速下降。這種性質(zhì)使DSF光纖在WDM系統(tǒng)中失去了魅力。非零色散位移光纖NZ-DSF(G.655光纖)應(yīng)運(yùn)而生。NZ-DSF在1530~1565nm(EDFA的工作波長(zhǎng))區(qū)具有小的但非零的色散，既適應(yīng)高速系統(tǒng)的需要，又使FWM效率不高。NZ-DSF的纖芯采用三角形或梯形折射率分布，其色散可正可負(fù)。若零色散波長(zhǎng)小于1530nm則色散為正；若零色散波長(zhǎng)大于1565nm則色散為負(fù)。從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的色散管理。單模光纖的發(fā)展與演變總結(jié)(3)NZ-DSF光纖的缺點(diǎn)是模場(chǎng)直徑小，容易加劇非線性效應(yīng)的影響，為此人們又研究了大有效面積NZ-DSF光纖。如康寧公司研制的三角形＋外環(huán)結(jié)構(gòu)和雙環(huán)結(jié)構(gòu)光纖，三角形和內(nèi)環(huán)纖芯的作用是將零色散波長(zhǎng)移向1550nm，外環(huán)的作用是把光從中心吸引出來(lái)一部分，增大有效面積。各種光纖性能不斷提高，各種新型光纖層出不窮，無(wú)所謂好壞，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇最合適的光纖。2.2光纖傳輸原理

分析光纖傳輸原理的常用方法：

幾何光學(xué)法波動(dòng)方程法

圖2.4突變型多模光纖的光線傳播原理1.突變型多模光纖

數(shù)值孔徑

為簡(jiǎn)便起見，以突變型多模光纖的交軸(子午)光線為例，進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致，如圖2.4。光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯(n0<n1)，折射角為θ1，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在纖芯與包層交界面以角度ψ1入射到包層(n1>n2)。

改變角度θ，不同θ相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。根據(jù)全反射原理，存在一個(gè)臨界角θc。

?當(dāng)θ<θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖芯，并以折線的形狀向前傳播，如光線1。根據(jù)斯奈爾(Snell)定律得到

n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)

?當(dāng)θ=θc時(shí)，相應(yīng)的光線將以ψc入射到交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為90°)，如光線2，

?當(dāng)θ>θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。由此可見，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。

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

式中Δ=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對(duì)折射率差。

NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或θc)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。對(duì)于無(wú)損耗光纖，在θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。

NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好;但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變?cè)酱?，因而限制了信息傳輸容量。所以要根?jù)實(shí)際使用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。(2.3)圖2.8若干低階模式歸一化傳輸常數(shù)隨歸一化頻率變化的曲線TLP01HE11LP11HE21TM01TE01

LP02HE12LP12HE22TM02TE02LP03HE13LP13HE23TM03TE030~2.4052.405~3.8323.832~5.5205.520~7.0167.016~8.6548.654~10.173低階模式V值范圍表2.2低階（v=0和v=1）模式和相應(yīng)的V值范圍

4.單模光纖的模式特性

單模條件和截止波長(zhǎng)從圖2.8和表2.2可以看到，傳輸模式數(shù)目隨V值的增加而增多。當(dāng)V值減小時(shí)，不斷發(fā)生模式截止，模式數(shù)目逐漸減少。特別值得注意的是當(dāng)V<2.405時(shí)，只有HE11(LP01)一個(gè)模式存在，其余模式全部截止。

HE11稱為基模，由兩個(gè)偏振態(tài)簡(jiǎn)并而成。由此得到單模傳輸條件為

由式(2.36)可以看到，對(duì)于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個(gè)臨界波長(zhǎng)λc，當(dāng)λ<λc時(shí)，是多模傳輸，當(dāng)λ>λc時(shí)，是單模傳輸，這個(gè)臨界波長(zhǎng)λc稱為截止波長(zhǎng)。(2.36)第3章通信用光器件

通信用光器件可以分為有源器件和無(wú)源器件兩種類型。

有源器件包括光源、光檢測(cè)器和光放大器。

無(wú)源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等。

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。受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射

(見圖3.1)

4.半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是圖3.5示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長(zhǎng)。圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3μm的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體，稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里-珀羅(FP)諧振腔。

DH激光器工作原理由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。

P層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對(duì)注入電子形成了勢(shì)壘，注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時(shí)只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。

圖3.6DH激光器工作原理(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布

3.1.4發(fā)光二極管LD和LED的區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光

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，沒有閾值。Laser---LightAmplificationbyStimulationEmissionofRadiation發(fā)光二極管LightEmittingDiode

半導(dǎo)體激光二極管semiconductorlaserdiode,DiodeLaser,laserdiode3.2光檢測(cè)器

3.2.1光電二極管工作原理

3.2.2PIN光電二極管

一、工作原理和結(jié)構(gòu)二、PIN光電二極管主要特性

(1)量子效率和光譜特性

(2)響應(yīng)時(shí)間和頻率特性

(3)噪聲

3.2.2PIN光電二極管

PIN光電二極管的產(chǎn)生

由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(intrinsicsemiconductor)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖3.20和圖3.21。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。

I層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過(guò)控制耗盡層的寬度w，來(lái)改變器件的響應(yīng)速度。3.3光無(wú)源器件

3.3.1連接器和接頭

3.3.2光耦合器

一、耦合器類型二、基本結(jié)構(gòu)三、主要特性

3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

3.3.4光調(diào)制器

3.3.5光開關(guān)

3.3.2光耦合器耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。

1.耦合器類型

T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分復(fù)用器/解復(fù)用器

3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

耦合器和其他大多數(shù)光無(wú)源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。

隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。

隔離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該器件致使器件性能變壞。

插入損耗和隔離度是隔離器的主要參數(shù)。環(huán)行器環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類似。如圖3.36所示，典型的環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號(hào)在端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)在端口3輸出，端口3輸入的光信號(hào)由端口1輸出。光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。

圖3.36光環(huán)行器

(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)13245.1調(diào)制方式5.2模擬基帶直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)5.3副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)第5章模擬光纖通信系統(tǒng)返回主目錄6.1.1準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH

準(zhǔn)同步數(shù)字系列有兩種基礎(chǔ)速率：

?以1.544Mb/s為第一級(jí)(一次群，或稱基群)基礎(chǔ)速率，采用的國(guó)家有北美各國(guó)和日本；

?以2.048Mb/s為第一級(jí)(一次群)基礎(chǔ)速率，采用的國(guó)家有西歐各國(guó)和中國(guó)。與PDH相比，SDH具有下列特點(diǎn)：

(1)SDH采用世界上統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率等級(jí)。最低的等級(jí)也就是最基本的模塊稱為（STM-SynchronousTransferModule）STM-1，傳輸速率為155.520Mb/s；4個(gè)STM-1同步復(fù)接組成STM-4，傳輸速率為622.080Mb