光纖通信復(fù)習(xí)

光纖通信復(fù)習(xí)濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院1信道帶寬——載波決定的傳輸帶寬（光的頻率高，信道帶寬就寬，于是稱光通信為信息高速公路）?；鶐挕旁礇Q定的帶寬（一路話路帶寬約為4kHZ，一路視頻約為6MHZ）。信道的帶寬越大，傳輸話路數(shù)就越多，信道容量就越大。帶寬——信號(hào)進(jìn)行傳輸且沒有明顯衰減的頻率范圍。帶寬的概念2濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院1530~1565nm的波長(zhǎng)范圍稱為C波段，這是目前高速大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)常用的波段。波長(zhǎng)(nm)損耗(dB/km)700900110013001500170011015501310850圖1.1.3光纖損耗的波長(zhǎng)特性光纖的三個(gè)低損耗窗口3濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院

數(shù)值孔徑是光纖一個(gè)非常重要的參數(shù)，它體現(xiàn)了光纖與光源之間的耦合效率。光纖的數(shù)值孔徑NAθc包層n2纖芯n1包層n2θ0αc光源空氣n0＝1光纖端面在空氣與光纖端面上運(yùn)用斯涅爾定律，有式中αC與臨界入射角θC之間的關(guān)系為4濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院由以上兩式可得光纖的數(shù)值孔徑NA對(duì)空氣，有n0≈1，故有

5濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院顯然，θ0越大，即纖芯與包層的折射率之差越大，光纖捕捉光線的能力越強(qiáng)，而參數(shù)直接反映了這種能力，我們稱為光纖的數(shù)值孔徑NAθ0為最大接收角，αc為臨界傳播角。光纖的數(shù)值孔徑NA6濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院上式又可書為光纖的數(shù)值孔徑NA相對(duì)折射率差越大，NA

就越大，光纖集光能力就越強(qiáng)。但是△也不能太大，否則色散增大，因此要折中考慮。由此式可知7濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院傳播時(shí)延和時(shí)延差rαLpzpQPn1n20z時(shí)延——z軸方向傳播單位距離的時(shí)間，用τ表示。8濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院傳播時(shí)延和時(shí)延差當(dāng)

一定時(shí)，時(shí)延與成反比，即越大，就越大。當(dāng)時(shí)，時(shí)延，此時(shí)時(shí)延最小。時(shí)延差——光線在兩條不同路徑的時(shí)延之差，用表示。9濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院傳播時(shí)延和時(shí)延差最大時(shí)延差應(yīng)該是臨界傳播角和的兩條光線的時(shí)延差。用上式可以估算階躍型多模光纖對(duì)光脈沖的展寬情況。對(duì)于拋物線漸變折射率多模光纖，其最大時(shí)延差為10濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光纖的衰減光纖衰減和色散是影響光纖通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要因素。衰減——光纖對(duì)光信號(hào)功率的損耗。光纖衰減的大小決定了光纖無(wú)中繼距離的長(zhǎng)短，衰減越小無(wú)中繼距離越長(zhǎng)。1.衰減的表示光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)，其功率P隨著傳輸距離的增加按指數(shù)形式衰減。11濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光纖的衰減設(shè)起始處（z=0）的信號(hào)光功率為P(0)，則在光纖中經(jīng)過距離z的傳播后，積分上式得

——衰減系數(shù)。單位：1/km——光纖某點(diǎn)處光功率。單位：mW12濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光纖的衰減今后如不加以說(shuō)明，均以dB/km作為光纖衰減的單位。由此得衰減系數(shù)為單位：km-1，讀作奈培。通常，在工程用dB/km作為光纖衰減的單位，有13濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院2.衰減的原因三個(gè)原因散射損耗吸收損耗彎曲損耗光纖的衰減14濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院系統(tǒng)通信容量數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的通信容量用比特率－距離積來(lái)表示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后BL為定值意義比特率B和傳輸距離L都可以改變，但是要保證二者的乘積不變，即

BL=常數(shù)。

按規(guī)定，光脈沖的傳輸距離L與時(shí)延差（脈沖展寬）二者的乘積必須小于1/4比特周期T。即15濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院系統(tǒng)通信容量由此得階躍型多模光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的容量為拋物線型漸變折射率光纖數(shù)字通信容量為16濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院群速度——非單色光的波包往前推進(jìn)的速度群速度定義：，推導(dǎo)得：。式中，稱群折射率。群折射率是波長(zhǎng)的函數(shù)，并與折射率隨波長(zhǎng)的變化率有關(guān)。17濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光纖單模傳輸條件和截止波長(zhǎng)或單模傳輸條件單模條件臨界條件多模條件單模光纖（SM）的截止波長(zhǎng)

18濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院

多模光纖的色散色度色散——光波中的不同頻率分量以不同速度傳播不能同時(shí)到達(dá)出射端而導(dǎo)致的脈沖展寬。對(duì)數(shù)字傳輸而言：色散造成光脈沖的展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_，導(dǎo)致誤碼率增加。對(duì)模擬傳輸而言：色散會(huì)限制傳輸帶寬，可產(chǎn)生諧波失真，使系統(tǒng)的信噪比下降。色散的危害模式色散——是不同入射角的光線不能同時(shí)到達(dá)出射端而導(dǎo)致的脈寬展寬。19濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院色散分類模式色散：多模光纖存在模式色散，是引起色散的主要原因。色度色散材料色散：是單模光纖色散的主要原因。波導(dǎo)色散：波導(dǎo)色散比較小，但可以控制單模光纖通信窗口的位移。1.模式色散纖芯光源包層T0123T＋Δt

多模光纖的色散20濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院

多模光纖的色散式中，v為光在折射率為n1的纖芯中傳輸?shù)乃俣取?/p>

光纖的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則沿中心軸線到達(dá)光纖輸出端所需時(shí)間為最高模式（以臨界角傳播的光線）所需時(shí)間（最低模式）（最高模式）21濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院令

多模光纖的色散22濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院

多模光纖的色散例題：一階躍折射率光纖，已知n1＝1.486，n2＝1.472，僅考慮模式色散，計(jì)算每1km長(zhǎng)度的脈沖展寬。答：光脈沖傳輸1公里后寬度擴(kuò)展了47.1ns。則有解：利用（1.3.10）式，光纖長(zhǎng)度單位和光速單位分別取km和km/s，23濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院?jiǎn)文９饫w的色散與帶寬材料色散是由于纖芯材料的折射率隨波長(zhǎng)變化，使得各個(gè)模式的群速率隨著波長(zhǎng)的變化而造成的。在單模光纖內(nèi)，即使光經(jīng)過完全相同的路徑，也會(huì)發(fā)生脈沖的展寬，因?yàn)楣庠窗l(fā)出的光不是單一波長(zhǎng)的，而是存在一定的波長(zhǎng)范圍。

1.材料色散材料色散的單位長(zhǎng)度脈沖展寬可表示為24濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院?jiǎn)文９饫w的色散與帶寬2.

波導(dǎo)色散單模光纖中的光信號(hào)功率大約只有80%在纖芯中傳播,另外20%在包層傳輸，由于纖芯和包層有著不同的折射率,所以這兩部分的傳輸速度不同，在包層中傳播的光功率速度要更大一些，因而在光纖輸出端，脈沖會(huì)展寬。式中是波導(dǎo)色散系數(shù)，單位為。波導(dǎo)色散引起的單位長(zhǎng)度脈沖展寬可由下式計(jì)算：25濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院?jiǎn)文９饫w的色散與帶寬單模光纖不存在模間色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散，即色度色散，色度色散引起的單位長(zhǎng)度的脈沖展寬為式中——材料色散系數(shù)——波導(dǎo)色散系數(shù)——光源的線寬色度色散系數(shù)26濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院?jiǎn)文９饫w的色散與帶寬27濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院3

偏振模色散單模光纖的色散與帶寬偏振模色散導(dǎo)致的光纖單位長(zhǎng)度脈沖展寬為式中△t

是傳輸L

距離后，因兩個(gè)相互垂直的簡(jiǎn)并模破壞而引起的時(shí)延。28濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院4.

帶寬和比特率單模光纖的色散與帶寬前邊我們學(xué)過光纖由于色散限制了光線的帶寬和比特率，其最大比特率為，實(shí)際光纖的比特率要比該式計(jì)算值小，可用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算比特率：對(duì)于非歸零碼和歸零碼的光帶寬為非歸零碼（NRZ碼）歸零碼（RZ碼）29濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院色散補(bǔ)償方案補(bǔ)償方案在光發(fā)射機(jī)的發(fā)射端對(duì)脈沖寬度進(jìn)行預(yù)壓縮在光接收機(jī)端對(duì)光脈沖或電脈沖寬度進(jìn)行復(fù)雜處理在光纖鏈路中增加負(fù)色散光纖段1.色散補(bǔ)償光纖

色散補(bǔ)償光纖是具有負(fù)色散特性的光纖，其補(bǔ)償?shù)幕舅悸肥窃诰哂姓⑻匦缘臉?biāo)準(zhǔn)單模光纖之后接入一段色散補(bǔ)償光纖，如圖下頁(yè)所示。30濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院色散累積傳輸距離（km）(ps/nm)L11L21L12L22色散補(bǔ)償方案31濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院色散補(bǔ)償方案線性啁啾光柵補(bǔ)償色散10-20cm光脈沖輸入長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖光柵短波長(zhǎng)光脈沖輸出(b)光纖鏈路光纖光柵環(huán)形器輸入光脈沖輸出光脈沖(a)312延遲波長(zhǎng)（c）補(bǔ)償延遲隨波長(zhǎng)線性變化光纖延遲隨波長(zhǎng)線性變化32濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院設(shè)PIN入射面的反射率為Rf，考慮從光檢測(cè)器反射損耗后光檢測(cè)器1.量子效率設(shè)耗盡區(qū)寬度為w，則光通過w距離所吸收的光功率

P（w）為式中，Pin

為入射到PIN的光功率。33濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光電二極管量子效率定義為：把代入得故得初級(jí)光電流為光檢測(cè)器34濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光檢測(cè)器2.響應(yīng)度（光檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的效率）☆PIN的響應(yīng)度定義令35濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光檢測(cè)器可得☆A(yù)PD的響應(yīng)度定義RAPD=0.75～130A/W之間。APD光檢測(cè)器的響應(yīng)度的典型值：36濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院3.響應(yīng)光譜∵材料的吸收系數(shù)是波長(zhǎng)的函數(shù)，∴不同材料的吸收峰值不同，響應(yīng)光譜范圍也就不同，前邊我們已經(jīng)給出了材料的截止波長(zhǎng)，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)時(shí)，就沒有光電子產(chǎn)生，亦即，必須滿足用波長(zhǎng)表示則入射波長(zhǎng)必須小于截止波長(zhǎng)光檢測(cè)器37濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院PIN光檢測(cè)器散粒噪聲APD光檢測(cè)器散粒噪聲光檢測(cè)器kA是電離系數(shù)，它與選用的半導(dǎo)體材料有關(guān)。38濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院2.暗電流噪聲與均勻散粒噪聲電流的推導(dǎo)方法相同，暗電流的均方電流為3.熱噪聲熱噪聲是因?yàn)樨?fù)載電阻通電后，內(nèi)部原子的電子起伏所導(dǎo)致的。光檢測(cè)器39濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院當(dāng)放大器輸入電阻Ra>>RL時(shí)，熱噪聲表達(dá)式為熱噪聲是溫度變化導(dǎo)致負(fù)載電阻和后續(xù)廣大電路內(nèi)原子中的電子起伏而產(chǎn)生的熱噪聲電流。不是光檢測(cè)器產(chǎn)生的。光檢測(cè)器4.表面漏電流噪聲總均方噪聲電流40濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光有源器件半導(dǎo)體光放大器、摻雜（稀土元素）光纖放大器、拉曼光纖放大器等。有源器件包括：則傳播L長(zhǎng)度的增益G(ω)為用分貝表示為41濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院泵浦光980nm能級(jí)1(0ev）τsp=1μs泵浦光1480nm受激輻射信號(hào)光（1500～1600nm）自發(fā)輻射光ASE（1500～1600nm）能級(jí)2（0.80ev）能級(jí)3（1.27ev）τsp=10ms摻鉺光纖能級(jí)圖光有源器件42濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光無(wú)源器件光耦合器，光濾波器，光隔離器，光環(huán)行器，光纖連接器、光開關(guān)等。無(wú)源器件包括：耦合器其作用：對(duì)光合路，對(duì)光分路。1.光耦合器的類型

三端口耦合器，四端口耦合，星形耦合器，波分復(fù)用器。43濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院波分復(fù)用/解復(fù)用近年來(lái)用集成波導(dǎo)技術(shù)制成多路復(fù)用解復(fù)用器。T形

星形方向波分l1lNl1++lN光無(wú)源器件44濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光無(wú)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)波分復(fù)用器λ2λ145濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光無(wú)源器件采用硅平面波導(dǎo)技術(shù)制成的多端星形耦合器46濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光無(wú)源器件輸入端串?dāng)_直通臂耦合臂←錐形區(qū)→←耦合區(qū)（w）→←錐形區(qū)→（直通臂）（耦合臂）47濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光無(wú)源器件式中，c—耦合系數(shù)d—耦合區(qū)兩纖芯距離K0、K1—為第二類貝塞爾函數(shù)V——?dú)w一化頻率U——?dú)w一化相位常數(shù)W——?dú)w一化衰減常數(shù)零階一階應(yīng)用舉例：可以用2×2光耦合器構(gòu)成N×N光耦合器48濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光無(wú)源器件分路損耗—光功率從輸入端口到另一輸出端口所經(jīng)路徑損耗。（1）分路損耗（光耦合器——功率分配器）從輸入端口k到輸出端口j的分路損耗為49濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光無(wú)源器件插入損耗—輸入光功率與總輸出光功率的比值。對(duì)于2×2的光耦合器插入損耗為(2）插入損耗50濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光無(wú)源器件分光比—某個(gè)輸出端口的光功率與總輸出光功率的比值。（3）分光比51濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院（4）隔離度隔離度—輸入功率出現(xiàn)在不希望的輸出端的大小。隔離度一般用在波分復(fù)用器中來(lái)計(jì)算串?dāng)_。對(duì)于2×2光纖耦合器光無(wú)源器件52濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院第一個(gè)3dB耦合器對(duì)兩個(gè)輸入的波長(zhǎng)起到分路的作用，第二個(gè)3dB耦合器起到合路的作用。M-Z干涉濾波器用兩種3dB耦合器可以構(gòu)成M-Z干涉濾波器。電壓3dB耦合器3dB耦合器412353濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院

的傳輸特性為M-Z干涉濾波器54濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院M-Z干涉濾波器

的傳輸特性當(dāng)

從1端輸出，

從2端輸出時(shí)，要求55濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院M-Z干涉濾波器所以兩種光的頻率差為書中用電光材料改變折射率，所得頻率差為調(diào)諧時(shí)間小于50ns。56濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院法拉第旋轉(zhuǎn)器相位旋轉(zhuǎn)器（a）①雙折射率分離元件②123格蘭棱鏡方解石反射鏡方解石反射棱鏡端口1入射端口2出射光環(huán)行器1.三端口光環(huán)行器57濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院1→2光矢量光環(huán)行器58濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光環(huán)行器反射棱鏡2（b）13方解石方解石法拉第旋轉(zhuǎn)器相位旋轉(zhuǎn)器端口2入射端口3出射59濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院２→３光矢量光環(huán)行器60濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光環(huán)行器反射棱鏡2方解石３１法拉第旋轉(zhuǎn)器相位旋轉(zhuǎn)器反射鏡方解石端口3入射端口1出射61濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光環(huán)行器3→1右行光矢量圖62濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院光環(huán)行器2.四端口光環(huán)行器端口1入射端口2出射光路圖63濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院端口2入射端口3出射光路圖光環(huán)行器64濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院端口3入射端口4出射光路圖光環(huán)行器65濟(jì)南大學(xué)理學(xué)院復(fù)用/解復(fù)用器1.插入損耗復(fù)用/解復(fù)用器的插入損耗與耦合器相似。表示多個(gè)輸入口中