光纖通信技術

光纖通信技術第一頁，共一百零一頁，2022年，8月28日學習目標掌握光纖通信的原理掌握光纖的相關參數(shù)，光纖中損耗和色散的相關知識常見的光通信器件的基本原理、特性和使用光纖通信系統(tǒng)中復用技術的原理、方法和實際應用了解光纖通信系統(tǒng)的相關規(guī)范以及光纖的制備方法第二頁，共一百零一頁，2022年，8月28日學習要求熟悉光纖的參數(shù)、分類等基本知識熟悉幾何光學分析光信號在光纖中傳輸?shù)南嚓P結(jié)論熟悉波動理論分析光信號在光纖中傳輸?shù)南嚓P結(jié)論掌握光纖的損耗及色散的分析、計算、測量、補償以及其他相關應用。熟悉常見光通信器件的原理、特性以及它們在光纖通信系統(tǒng)中的實際應用。第三頁，共一百零一頁，2022年，8月28日引言光纖通信系統(tǒng)是目前世界通信系統(tǒng)的主要模式，比以前的電纜通信系統(tǒng)無論從性能還是成本上都有極大優(yōu)勢。正是光纖用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)，才使得我們能夠成功構(gòu)建今天高速、多元化的信息社會第四頁，共一百零一頁，2022年，8月28日本章內(nèi)容5.1光纖基本知識5.2光在光纖波導中的傳播5.3光纖的損耗與色散5.4光通信器件第五頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.1光纖的發(fā)明和發(fā)展1870庭達爾光導纖維高錕低損耗光纖的可能性美國康寧公司20db/km的光纖此后光纖通信系統(tǒng)進入快速發(fā)展光纖是光導纖維（opticalfiber）的簡寫，是一種利用光介質(zhì)分界面上可能發(fā)生全反射的原理傳輸光能的工具。第六頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.1光纖的發(fā)明和發(fā)展光纖的優(yōu)點頻帶寬，傳輸容量大。損耗低，傳輸距離遠，損耗受溫度影響小，同時在部分頻段內(nèi)損耗和頻率無關，無須引入均衡器。重量輕，體積小，不易受到電磁干擾，且安全性、保真性都遠好于電纜。成本低，生產(chǎn)光纖的原料石英來源廣泛，儲量遠遠大于銅和鋁等金屬材料，價格上要便宜得多。第七頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.1光纖的發(fā)明和發(fā)展光纖的應用通信系統(tǒng)光纖傳感器。醫(yī)學照明、內(nèi)窺。裝飾第八頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.2光纖的基本工作原理和結(jié)構(gòu)n1n2原理：全反射結(jié)構(gòu)：纖芯，包層，套層。n1>n2第九頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.3光纖的分類按用途：通信用光纖、非通信用光纖。按材料：石英光纖、全塑光纖。按傳輸模式：單模光纖和多模光纖。按傳輸窗口：常規(guī)型單模光纖、色散位移型單模光纖(DSF)、非零色散位移光纖。按、剖面折射率分布：階躍折射率光纖、漸變折射率光纖。第十頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.3光纖的分類單模光纖和多模光纖多模光纖中可以有多種模式的光信號傳播，但是模間色散大，隨著傳輸距離增大，帶寬會減小，因此普通多模光纖不適用與長距離傳播。單模光纖中只有一個模式的光傳播，模間色散小，適合遠程通信線路。第十一頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.3光纖的分類階躍折射率光纖和漸變折射率光纖

階躍折射率光纖（SIF）漸變折射率光纖（GIF）第十二頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.3光纖的分類國際電信聯(lián)盟（ITU-T）光纖標準名稱類型G.651多模漸變型折射率光纖G.652非色散位移光纖G.653色散位移光纖G.654截止波長位移光纖G.655非零色散位移光纖第十三頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.4光纖的制造原料：SiO2要求：①光纖原材料必須要高純度的SiO2②制作過程中必須防止雜質(zhì)污染和氣泡混入③要準確控制制作尺寸，精度要達到1mm甚至更高④減小光纖表面損傷，提高其機械性能。⑤按要求控制好其折射率分布第十四頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.4光纖的制造制造光纖的方法很多，目前主要有：改進化學汽相沉積法(MCVD)、等離子體化學汽相沉積法(PCVD)、管外汽相沉積法(OVD)和軸向汽相沉積法(VAD)。但不論用哪一種方法，都要先在高溫下做成預制棒，然后在高溫爐中加溫軟化，拉成長絲，再進行涂覆、套塑，成為光纖芯線。第十五頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.4光纖的制造改進化學汽相沉積法(MCVD)第十六頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.4光纖的制造管外汽相沉積法(OVD)第十七頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.4光纖的制造軸向汽相沉積法(VAD)第十八頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.4光纖的制造拉絲工藝

一般包層直徑約為125mm，第一次涂敷后直徑約為250mm，第二次涂敷后約為900mm，最后纏繞到卷盤上。最后光纖應用時還要做成光纜。第十九頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.1光纖基本知識5.1.5光纖通信系統(tǒng)第二十頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播光纖原理的幾何光學描述斯涅爾定律全反射條件取空氣折射率為n0=1，那么入射角的最大值為ia：收光角

：數(shù)值孔徑

第二十一頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播光纖原理的幾何光學描述數(shù)值孔徑

相對折射率差對于階躍折射率光纖數(shù)值孔徑NA是光纖的重要參數(shù)，它描述的光纖收光的能力。數(shù)值孔徑較大的光纖可以耦合較大范圍入射角的光，即使是像LED這樣的光源發(fā)出的發(fā)散光也可以被耦合到其中傳播。同時數(shù)值孔徑較大的光纖還使得光纖在彎曲的時候能傳播更大范圍的光。第二十二頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播光纖原理的幾何光學描述如果有太多不同角度的光線在光纖中傳播，由于不同光線走的路徑不一樣，而纖芯折射率又處處相同，這會導致不同角度入射的光線傳播到終點的時間不一致，這就造成了輸入光脈沖的展寬，這就是多模光纖的模間色散。如果光脈沖被展寬，相鄰光脈沖之間就會產(chǎn)生交疊，在交疊區(qū)會發(fā)生干涉。一旦交疊區(qū)較大，干涉效應會使得相鄰的兩個脈沖不可分辨，這樣信號就會發(fā)生失真。第二十三頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播光纖原理的幾何光學描述光脈沖展寬Dt可以用光經(jīng)過最長距離和最短距離的時間差來估計。L為光纖長度信號的帶寬B可以用光脈沖展寬的倒數(shù)來表示傳播距離越長，帶寬會越來越小。因此，階躍折射率光纖不適合于長距離的多模信號傳輸。第二十四頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播光纖原理的幾何光學描述為了解決多模階躍折射率光纖中模間色散的問題，人們發(fā)明了漸變折射率光纖(GIF)。第二十五頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.2光纖中的電磁波光纖中傳播的電磁波滿足麥克斯韋方程E是電場強度，H是磁場強度，D是電位移，B是磁感應強度波動方程第二十六頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.2光纖中的電磁波時空變量分離波動方程既包含時間的導數(shù)又包含空間的導數(shù)，不方便求解，因此必須對其進行時間空間變量分離。稱為波數(shù)或電磁波在光纖中的傳播常數(shù)

稱為真空中的傳播常數(shù)

第二十七頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.2光纖中的電磁波亥姆霍茲方程根據(jù)麥克斯韋方程，可以用z方向的場分量來表示其他和z垂直的方向的場分量。這樣只需要計算z方向的兩個場分量Ez和Hz就可以完全唯一的確定整個場分布得到柱坐標下z分量滿足的方程第二十八頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.2光纖中的電磁波將電磁場的z分量進行變量分離可得到關于場分量Ez(r,f)和Hz(r,f)橫向模式的波動方程當r大于線性半徑a時，n取包層折射率，當r小于纖芯半徑a時，n取纖芯折射率。第二十九頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.2光纖中的電磁波幾個關鍵參數(shù)縱向傳播常數(shù)b是z方向的波矢分量的大小，即z方向傳播常數(shù)。它描述電磁波傳播中相位在z軸方向單位長度上的變化大小，也就是相位相等的面在z方向的空間變化頻率。b對應光纖中傳播的模式。橫向傳播常數(shù)k是和z垂直的方向上波矢分量的大小表示纖芯中橫向場的振蕩頻率描述包層中消逝波的衰減速度第三十頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.2光纖中的電磁波幾個關鍵參數(shù)歸一化頻率歸一化頻率V是一個無量綱的量，也稱為V數(shù)，是包含了光纖各項參數(shù)的重要參量歸一化頻率V越大表示在光纖中允許存在的模式就越多光纖中允許存在的模式數(shù)量近似為第三十一頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.2光纖中的電磁波幾個關鍵參數(shù)歸一化傳播常數(shù)b

b=0對應模式截止第三十二頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.2光纖中的電磁波波動方程的解為了討論方便，根據(jù)波動方程的解中Ez和Hz是否等于0，可以將模式分為以下四種：橫電磁模（TEM）：Ez=Hz=0。橫電模（TE）與橫磁模（TM）：僅Ez=0，稱為橫電模；僅Hz=0，稱為橫磁模?；旌夏＃‥H或HE）：Ez和Hz都不等于0，磁場貢獻為主稱為HE，電場貢獻為主稱為EH。線偏振模（LP）：也稱為標量模，這并不是光纖中傳播的真實模式，而是為了在弱導近似下簡化分析而提出的。第三十三頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.3階躍折射率光纖中的傳導模式貝塞爾方程根據(jù)圓對稱性將r和f變量分離當r大于線性半徑a時，n取包層折射率，當r小于纖芯半徑a時，n取纖芯折射率。得到貝塞爾方程第三十四頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.3階躍折射率光纖中的傳導模式貝塞爾方程的解在纖芯中選擇m階貝塞爾函數(shù)Jm(r)為波動方程的通解，在包層中選擇m階漢克函數(shù)Km(r)為波動方程的通解第三十五頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.3階躍折射率光纖中的傳導模式貝塞爾方程的解電磁場z分量通解貝塞爾方程通解第三十六頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.3階躍折射率光纖中的傳導模式弱導近似如果光纖包層和纖芯的折射率很接近，即，光纖為弱導光纖。在弱導光纖中，HE、EH、TE和TM四個解的近似解可以用兩個線性偏振模，即LP模表示。

我們稱這種注意，LP模式并不是真實存在的模式。然而在弱導近似下，一對HE-EH模的傳播常數(shù)非常接近，它們是近似簡并的。因此它們疊加起來可以用一個線性偏振的模式LP模式替代，而不去區(qū)分其中電場和磁場哪個占優(yōu)勢。與此類似，一對TE-TM模的疊加也可以用一個LP模式代替。這樣就減少了場分量個數(shù)，可以使計算過程和結(jié)果都得到簡化。第三十七頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.3階躍折射率光纖中的傳導模式第三十八頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.3階躍折射率光纖中的傳導模式在弱導近似下，根據(jù)纖芯和包層分界面上（r=a）的連續(xù)性條件可以得到LP模式的本征值方程求解上述本征值方程，就可以得到本征值U，進而算出b，將它們都表示成歸一化頻率V的函數(shù)。這樣就可以看出傳導的模式與波長以及光纖各項參數(shù)的關系。式中取正和負是完全等價的第三十九頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.3階躍折射率光纖中的傳導模式導模截止要求W→0，此時方程的本征值U趨近于截止頻率Vc

W→0截止條件遠離截止要求W→∞W→∞。LP模式可以存在的數(shù)目遠離截止條件第四十頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.3階躍折射率光纖中的傳導模式LP16,17模的光強分布圖第四十一頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.3階躍折射率光纖中的傳導模式單模條件只有基模LP01

對于確定纖芯直徑和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂共ㄩL

對于確定工作波長和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂钩叽?/p>

第四十二頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.4漸變折射率光纖中的傳導模式a取值越大，越接近與階躍折射率光纖。如果a→∞，就變成了階躍折射率光纖。a=2的時候，也就是纖芯折射率按拋物線分布的時候，模間色散最小。一般如果不專門說明，漸變折射率光纖多指纖芯折射率按拋物線分布的光纖。第四十三頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.4漸變折射率光纖中的傳導模式根據(jù)WKB方法可以得到，對于a=2的，即折射率拋物線分布的光纖，傳播常數(shù)為折射率拋物線分布的光纖中可以傳播的模式數(shù)目為第四十四頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.4漸變折射率光纖中的傳導模式漸變折射率光纖單模傳輸?shù)臍w一化截止頻率對于確定纖芯直徑和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂共ㄩL對于確定工作波長和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂钩叽?/p>

第四十五頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.4漸變折射率光纖中的傳導模式漸變折射率光纖單模傳輸?shù)臍w一化截止頻率對于確定纖芯直徑和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂共ㄩL對于確定工作波長和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂钩叽?/p>

第四十六頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.2光在光纖波導中的傳播5.2.4漸變折射率光纖中的傳導模式漸變折射率光纖單模傳輸?shù)臍w一化截止頻率對于確定纖芯直徑和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂共ㄩL對于確定工作波長和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂钩叽?/p>

第四十七頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散光纖通信系統(tǒng)中，光纖線路的長度通常會受到信號功率過小以及信號波形發(fā)生畸變的限制。這主要就是光纖中的損耗和色散兩個重要特性的影響。第四十八頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.1光纖中的損耗損耗：光信號在光纖中傳播的時候會由于光纖自身的原因而造成信號功率隨傳播距離的衰減。產(chǎn)生：光纖線路內(nèi)部、光纖間的連接處、各個器件的連接處等地方影響：損耗將會決定信號的無中繼傳播最大距離。危害：如果信號衰減到一定程度，接收機將無法檢測到信號。第四十九頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.1光纖中的損耗損耗系數(shù)：表示光纖中光信號傳播1公里衰減的分貝數(shù)損耗系數(shù)a的單位是dB/km。光纖通信系統(tǒng)中也經(jīng)常用dBm（分貝米）為單位來表示光功率，它和mW（毫瓦）的換算公式為：第五十頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.1光纖中的損耗光纖中的損耗和光纖的工作波長有關第五十一頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.1光纖中的損耗光纖中的損耗和光纖的工作波長有關光纖中的損耗的來源：材料的吸收和散射以及光纖的彎曲等幾何效應第五十二頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.2吸收損耗本征吸收：根據(jù)量子力學，任何物質(zhì)都會對某些特定波長的電磁波有明顯的吸收，這種吸收反映材料自身的物質(zhì)特性，通常稱為本征吸收。石英光纖電子躍遷：紫外Si-O鍵振動：紅外第五十三頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.2吸收損耗非本征吸收：光纖中由于存在雜質(zhì)離子和原子缺陷，就會產(chǎn)生非本征吸收。非本征吸收損耗是在光纖通信波段的吸收損耗的主要因素。

1.OH－離子雜質(zhì)影響：OH－離子的吸收損耗是光纖中損耗的最主要因素，三個吸收峰：1.38mm，1.23mm和0.95mm。三個光纖通信波段窗口的中心波長1.55mm，1.3mm和0.85mm正好是OH－離子在光纖通信波段的三個吸收谷。2.原子缺陷吸收：主要是光纖中的中子和電子在電磁波輻射下照成的，對于塑料光纖，比較明顯。第五十四頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.3散射損耗分子隨機振動使得玻璃的密度分布是不均勻的，從而是的光纖折射率分布不均勻。這種不均勻的尺度并不是宏觀尺度的，而是在光的波長尺度的。這就好像在均勻的光纖中隨機的摻入了一些小顆粒。光遇到這些“顆?！钡臅r候就會被散射，從造成能量損失。這種散射損耗是固有的，是不可避免的，是光纖損耗的最終限制因素。第五十五頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.3散射損耗瑞利散射：線性散射，散射光頻率不變。常溫下的常用光纖通信系統(tǒng)中，主要考慮瑞利散射的損耗。瑞利散射的強度和波長的四次方成反比。瑞利散射是損耗的最終極限，對于給定材料，無論如何改進工藝不可能制造出比這個損耗值更低的光纖。非線性散射：受激拉曼散射和受激布里淵散射，僅當傳輸?shù)墓夤β蚀笥谀骋婚撝祷蛘邷囟群艿偷臅r候才表現(xiàn)出來。第五十六頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.4外部損耗彎曲損耗主要包括宏觀和微觀兩種。宏觀彎曲損耗主要是光纖在實際應用中纏繞、曲折造成的損耗以及不同曲率半徑彎曲的過渡時模式耦合帶來的損耗。微觀損耗主要是涂敷包層和成纜的時候引起光纖微觀形變而帶來的損耗。除了彎曲等幾何效應外，光纖與光纖的連接點，光纖與光器件的連接，光源與光纖的耦合等地方都會帶來損耗。第五十七頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.5光纖通信波段0.85mm為中心1.3mm為中心1.55mm為中心利用脫水等工藝可以降低OH－離子濃度，使得光纖在1.26mm~1.675mm波段之間都可以用于通信，這樣的光纖稱為全波光纖。第五十八頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.5光纖通信波段國際電信聯(lián)盟（ITU）的波段劃分標準名稱簡稱波段范圍nm基本波段OriginalbandO波段1260~1360擴展波段ExtendedbandE波段1360~1460短波長波段ShortbandS波段1460~1530常規(guī)波段ConventionalbandC波段1530~1565長波長波段LongbandL波段1565~1625超長波長波段UltralongbandU波段1625~1675第五十九頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.6光纖中損耗的測量首先用探測器測量整卷光纖的輸出功率P1。然后從該卷光纖想截下一小段（2m左右），在同樣輸入條件下測量該段光纖的輸出功率P0。由于截下的一段很短，損耗可以忽略，P0可以認為就是輸入功率。這樣根據(jù)定義就可以測得該卷光纖的損耗。這種方法很直接，而且精度高，但是缺點是對光纖進行了破壞，而且只適合不是很長的光纖。截斷法

第六十頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.6光纖中損耗的測量插入法

先選擇一段和待測線路光纖一樣的光纖，測量好其輸出功率P0，作為輸入功率。然后將它接入到待測系統(tǒng)中測量輸出功率P1作為總的輸出功率，這樣根據(jù)公式就可以測得光纖的損耗。用這種方法測量光纖損耗的時候要注意減去將小段光纖接入線路是的連接器的損耗。這種方法優(yōu)點是測量方便，適合實際線路中實時測量。但是由于連接處的損耗通常不準確，所以導致最終測量結(jié)果沒有截斷法準確。第六十一頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.6光纖中損耗的測量背向散射法

向光纖中注入大功率的窄脈沖，由于光纖中處處都存在瑞利散射，所以各點的背向瑞利散射形成一個連續(xù)的回波信號，這樣就可以在同一端接受回波信號，進行分析得到光纖中的損耗信息。背向散射法就可以測量光纖線路中損耗的詳細信息，而且只需要在光纖一端進行，不需要破壞線路，重復性較好。此外，這種方法還可以測量光纖連接點的損耗以及光纖中缺陷斷裂的位置。第六十二頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.7光纖中的色散在光纖通信系統(tǒng)中，有時候雖然損耗低光信號功率大，但是信號波形會發(fā)生嚴重畸變，導致無法還原成原始信號，這樣即使功率再大也是沒有意義的。造成這種現(xiàn)象的一個重要原因就是光纖的色散。第六十三頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.7光纖中的色散色散是指光纖中不同頻率或不同模式的成分在傳播過程中到達終點的時間不一致，在數(shù)字系統(tǒng)中使得光脈沖展寬，產(chǎn)生誤碼。由于色散，光脈沖被展寬，相鄰的脈沖之間發(fā)生交疊就會引起誤碼。光纖中的色散主要包括材料色散，波導色散和模間色散。第六十四頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.7光纖中的色散和之前講過的模間色散類似，通常用群延時差來表示光纖中的色散群速度：光脈沖的軸向運動速度為群延時：光脈沖經(jīng)過單位軸向距離所用的時間其中b為軸線傳播常數(shù)，k0=2p/l0是真空中的傳播常數(shù)，l0是光源的波長。第六十五頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.7光纖中的色散在單模光纖中，由于只有基模傳輸，所以沒有模間色散。材料色散：不同波長的光在纖芯中折射率不一樣，因此軸傳播常數(shù)b不一樣，造成群延時差。波導色散：不同波長的光橫向傳播參數(shù)U和W不一樣，進而影響b，造成群延時差。材料色散波導色散第六十六頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.7光纖中的色散材料色散引起的單位長度上脈沖展寬波導色散引起的單位長度上脈沖展寬第六十七頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.7光纖中的色散零材料色散（ZMD）點的實際位置會隨摻雜情況的變化而變化，一般都會在1.2mm-1.4mm之間的某個位置。因此，一般來說在光纖通信系統(tǒng)中使用1.3mm的工作波長可以減小材料色散影響。但此時波導色散仍然存在，總色散不為零。第六十八頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.7光纖中的色散在波長為1.3mm附近材料色散和波導色散為負剛好正負抵消。對于1.3mm-1.7mm間的任何工作波長，都可以通過合理設計光纖的參數(shù)，使得該工作波長處總色散接近與0。這就是色散位移光纖的原理。第六十九頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.8常用單模光纖根據(jù)工作在不同的通信波段以及相應的損耗和色散情況，常用單模光纖主要有常規(guī)單模光纖、色散位移光纖、非零色散位移光纖、色散平坦光纖和色散補償光纖幾種。第七十頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.8常用單模光纖常規(guī)單模光纖的零色散波長在1.3mm附近，最低損耗在1.55mm附近。ITU-T建議的G.652和G.654光纖都是常規(guī)單模光纖。但是常規(guī)單模光纖在1.55mm附近，具有較高的正色散。色散位移光纖（DSF）：通過改變光纖的尺寸、折射率分布、參雜等參數(shù)，可以增大1.55mm附近的波導色散大小，從而使得1.55mm附近波導色散和材料色散抵消，零色散波長就移到了1.55mm，同時實現(xiàn)低損耗和零色散。ITU-T建議的G.653光纖就是色散位移光纖。使用色散位移光纖配合光放大器可以實現(xiàn)超長距離的傳輸。第七十一頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.8常用單模光纖非零色散位移光纖（NZDSF）就是通過改變折射率分布，使得零色散波長在1.53mm~1.565mm之間，但1.55mm處色散不是剛好為零，而是某個很小的值。ITU-T建議的G.655光纖就是非零色散位移光纖。在C波段上，非零色散位移光纖具有很低的損耗和色散，同時可以有效抑制非線性效應，可采用波分復用技術和摻鉺光纖放大器實現(xiàn)大容量長距離的傳輸。當色散位移光纖中傳輸多波長光信號再采用放大器的時候，就會出現(xiàn)嚴重的四波混頻非線性效應，不適合波分復用（WDM）技術的使用。第七十二頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.3光纖的損耗與色散5.3.8常用單模光纖色散平坦光纖（DFF）：這是通過設計纖芯和包層的折射率分布來實現(xiàn)全波段（1.3mm~1.6mm）的低色散色散補償光纖（DCF）：通過加入一段光纖來抵消原本線路的色散。第七十三頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.1光源在光纖通信系統(tǒng)中，光源是用于產(chǎn)生載波的。電信號被調(diào)制到光源發(fā)出的光上面，光攜帶著這些信息在光纖內(nèi)傳輸，從而實現(xiàn)信息的傳播。發(fā)光二極管（LED）和半導體激光器（LD）是光纖通信系統(tǒng)中最常見的兩種光源。尺寸小，容易和光纖尺寸匹配耦合。功耗低且工作穩(wěn)定。發(fā)光的波長處于光纖低損耗波段，線寬窄色散小。線性好，易于調(diào)制優(yōu)點第七十四頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.1光源半導體激光器LD發(fā)光的原理是受激輻射，只有注入電流大于閾值電流It的時候才會發(fā)出激光。優(yōu)點：發(fā)光的線寬非常窄且發(fā)射功率大，色散小，可以用于長距離傳輸。缺點：閾值電流對溫度敏感，影響線性特性，需要做溫度反饋控制。第七十五頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.1光源LD的調(diào)制數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制第七十六頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.1光源LD和光纖耦合半導體激光器常用于單模光纖，單模光纖的數(shù)值孔徑非常小，同時激光器輸出光場和光纖輸出光場又不匹配，所以如果將半導體激光器發(fā)出的光高效率的耦合到光纖中效率會很低，必須使用透鏡或透鏡組提高耦合效率。加入透鏡組直接耦合球狀端面設計第七十七頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.1光源發(fā)光二極管LED工作的基本原理是自發(fā)輻射，發(fā)出的光是非相干光。缺點：線寬較大，功率較小，發(fā)散角大，耦合效率低，因此不利于長距離高帶寬的傳輸。優(yōu)點：線性度比半導體激光器好，而且不容易受到溫度影響，便于調(diào)制；同時LED的功耗低，成本低，且壽命遠大于半導體激光器。第七十八頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.1光源LED的調(diào)制LED是非閾值器件，不需要偏置電流。數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制第七十九頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.1光源LED和光纖耦合球端面尾纖設計微透鏡設計第八十頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.1光源特征參數(shù)半導體激光器LD發(fā)光二極管LED線寬(nm)1~5(單縱模LD<0.2)20~100調(diào)制帶寬(MHz)>1000<300耦合效率中高低適用光纖多模漸變折射率光纖，單模光纖(尤其是單縱模LD)多模光纖(0.8~0.9mm以及1.3mm附近)電路復雜性復雜簡單溫度敏感性高低壽命（小時）>10000~100000成本高低應用領域長距離、高速中低距離、中低速第八十一頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.2光探測器在光發(fā)射端電信號被調(diào)制到光載波中，然后在光纖中傳播。然而接收端最終需要將很快速的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后進行處理這就需要用到光探測器。光纖通信系統(tǒng)中常用的光探測器是半導體光探測器，其工作原理是半導體光電效應。常見的半導體光探測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。APD的靈敏度高，適用于長距離通信系統(tǒng)。PIN光電二極管成本低，對溫度不敏感，響應速度和APD幾乎沒有差別，所以中短距離系統(tǒng)中實際應用中PIN更受歡迎。第八十二頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.2光探測器材料類型波長(nm)增益SiPIN300~11001GePIN500~18001InGaAsPIN900~17001SiAPD400~1000150GeAPD1000~160050InGaAsAPD1000~170020實際應用中要根據(jù)傳播距離、光功率、工作波長以及成本等綜合因素來選擇使用PIN還是APD。第八十三頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.3光放大器光纖通信系統(tǒng)中，損耗是不可能絕對消除的。隨著傳播距離的增大，如果不對信號進行放大，信號就會衰減到低于光探測器的靈敏度，從而導致波形失真或誤碼率上升。早期光通信系統(tǒng)中的放大是通過中繼器來實現(xiàn)的。中繼器的工作模式是：先將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再對電信號進行放大，最后將放大的電信號再轉(zhuǎn)化為光信號輸出。缺點：只能適用于單一波長的短距離系統(tǒng)，對于多波長，系統(tǒng)設計復雜，成本高。第八十四頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.3光放大器光放大器不需要進行多次光電和電光轉(zhuǎn)化，而直接對的光信號放大，而且是多波長同時放大。原理：受激輻射和受激散射。光放大器和激光器的區(qū)別在與正反饋的量不同。激光器正反饋較大，要在諧振腔內(nèi)振蕩，最后輸出激光；而光放大器的正反饋小或沒有，需要抑制振蕩，最終只有光信號放大，沒有相干光的輸出。第八十五頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.3光放大器光放大器主要有兩種，一種是半導體光放大器，一種是光纖放大器。半導體光放大器（SOA）實際上就是一個沒有反饋機制的半導體激光器，原理和半導體激光器一致。光纖放大器有兩種，一種是非線性光纖放大器，以拉曼光放大器（SRA）為代表；一種是參稀土光纖放大器，以摻鉺光纖放大器（EDFA）為代表，這是現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中應用最廣泛的光放大器。第八十六頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.3光放大器摻鉺光纖放大器（EDFA）的工作原理

第八十七頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.3光放大器影響EDFA效率的一個重要因素就是受激吸收。現(xiàn)代EDFA的泵浦光源一般是980nm或1480nm，不容易造成受激吸收。EDFA的增益是指輸出功率和輸入功率的比例。由于增益飽和效應的存在，使得EDFA的輸出和輸入之間不是簡單的正比關系，而是會存在一個極限的輸出功率。EDFA中的噪聲來源主要是自發(fā)輻射。EDFA的噪聲用噪聲系數(shù)來衡量，它就是輸入信號信噪比和輸出信號信噪比的比例。通常，EDFA的增益大于30dB，噪聲系數(shù)約5dB，輸出功率約14dBm以上，17dBm以內(nèi)。第八十八頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.3光放大器EDFA系統(tǒng)組成：摻鉺光纖、泵浦光源、光耦合器、光隔離器。同相泵浦反相泵浦雙相泵浦第八十九頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.3光放大器EDFA優(yōu)點：工作于1550nm波段，低損耗?？梢栽?550nm附近30nm內(nèi)同時實現(xiàn)多波長的光信號放大。本身就是一段光纖很容易加入到線路中。

EDFA是光纖通信系統(tǒng)，尤其是波分復用系統(tǒng)中常用的光放大器，既可以作為功率放大器，也可以作為線路放大器和前置放大器。第九十頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.3光放大器EDFA缺點：工作波段并不是特別寬。工作范圍內(nèi)增益不平坦，需要使用特殊的技術使其增益平坦才能用于波分復用系統(tǒng)。不具備波形調(diào)整功能，而傳統(tǒng)的光電中繼器具有此功能。因此實際線路中需要將EFDA和光電中繼器配合使用。摻稀土光纖放大器除了EDFA外，還有工作于1300nm的摻鐠光纖放大器（PDFA）以及工作于1400nm的摻銩光纖放大器（TDFA）。第九十一頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.4光纖連接器和光纖耦合器連接器的必要性：光纖制造商通常只會制造有限長度規(guī)格的光纖，因此在長達幾km的的線路中，必須要將很多段光纖連接起來。采用中等長度的光纖在穿過管道、架空等方面也有優(yōu)勢。第九十二頁，共一百零一頁，2022年，8月28日5.4光通信器件5.4.4光