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1、光纤通信技术教案第1章 光纤通信概述 光纤通信的根本概念 1.光纤通信 光纤通信是利用光纤来传输携带信息的光波以到达通信的目的。 2.光波特性 光速： 在真空中：vf，cof 在介质中：vc/n 光是电磁波：TM、TE、TEM 光具有二重性 波动性：光具有反射、折射、衍射和干预等。 粒子性：光具有能量、 动量和质量等。 3.电磁波谱 光纤通信的特点 1.优点 传输频带宽，通信容量大 传输损耗小 抗电磁干扰 光纤线径细、重量轻 制作光纤的资源丰富 2.缺点 光纤弯曲半径不宜过小 光纤的切断和连接操作技术要求高 分路、耦合操作繁琐 光纤通信系统的根本组成 目前光纤通信系统多采纳强度调制/干脆检波。
2、 1.光放射机 光放射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。 光放射机中的重要器件是可以完成电-光转换的半导体光源，目前主要采纳半导体激光器或半导体发光二极管。 2.光接收机 光接收机中的重要部件是可以完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采纳光电二极管和雪崩光电二极管。 3.光中继器 光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上干脆放大的光放大器。 光纤通信的开展趋势 1.向超高速光纤系统开展 2.向超大容量WDM系统开展 3.向光传送网方向开展 4.向光纤开展 5.向宽带光纤接入网方向开展 第2章 光导纤维 光纤的构造和分类 光纤的构造
3、 1.纤芯层 位置：光纤的中心部位，折射率为n1。 尺寸：单模光纤的直径d1=2a=4m10m，多模光纤的直径d1=50m。 材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂。 2.包层 位置：位于纤芯的四周，折射率为n2。 尺寸：直径d2=2b=125mm 材料：同上，使得n1n2，以便光信号封闭在纤芯中传输。 3.涂覆层 位置：位于光纤的最外层 尺寸：涂覆后的光纤外径约为 作用：爱护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤。 光纤的分类 1.依据光纤折射率分布不同来分 阶跃型光纤 纤芯折射率n1沿半径方向保持肯定，包层折射率n2沿半径方向也保持肯定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变更的光纤称为阶跃型光纤
4、，又称为匀称光纤。 渐变型光纤 纤芯折射率n1随着半径加大而渐渐减小，而包层中折射率n2是匀称的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非匀称光纤。 2.依据纤芯中传输形式的多少来分 单模光纤 定义：光纤中只传输一种形式时，叫做单模光纤。 尺寸：纤芯直径约为410m。 多模光纤 定义：在肯定的工作波长下，多模光纤是能传输多种形式的介质波导。 尺寸：纤芯直径约为50m。 用射线理论分析光纤的导光原理 分析光纤导光原理有两种根本的探讨方法： 射线理论法 波动理论法 光学根底学问 1.折射率：ncv 2.反射定律：1= 3 3.折射定律：n1sin1= n2sin2 4.全反射：sincn2n1 阶跃型光纤
5、的导光原理 1.相对折射指数差 定义：n1和n2的相差程度 公式： n1n22n1222 n1n2n1弱导波光纤n1n2 2.阶跃型光纤中的光射线种类 子午射线 轴心线：OO 子午面：过轴心线的平面 子午线：过轴心线，在同一个子午面内。 斜射线：不过轴心线，不在同一个子午面内。 3.子午线的分析 折射定律：n0sinn1sin2n1sin(sinn1n0cos1n1n021)n1cos1 21sin1 全反射定律：sin1n2n1 将公式代人公式得，sin4.数值孔径 定义：光纤捕获光射线实力 公式：NAn1n01(n2n1)sinn1n2 222n1n2n12 22渐变型光纤的导光原理 1.
6、渐变型光纤中的子午线 渐变型光纤中的射线，也分为子午线和斜射线两种。 渐变型光纤于芯子中的折射指数n1是随半径r变更的，因此子午线不是直线，而是曲线。不同入射条件的子午线，在芯子中，将有不同轨迹的折射曲线。 渐变型光纤靠折射原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传输。 图 渐变型光纤中的子午线 于渐变型光纤芯子中的折射指数n1随半径r变更，因此可将纤芯分成若干层折射指数不同的介质。射线轨迹与芯子中折射率分布n(r)有关，也和射线的入射条件有关。 2.子午线的轨迹方程 图子午线的行进轨迹 渐变型光纤子午线的轨迹方程 Zn0N0n(r)nN22020drc 3.渐变型光纤的最佳折射指数分布 在渐变型光纤
7、中，于芯子中的折射指数分布不匀称，因此光射线的轨迹将不再是直线而是曲线。当射线的起始条件不同时，将有不同的轨迹存在。 假如选用适宜的n(r)分布，就有可能使芯子中的不同射线以同样的轴向速度前进，从而可减小光纤中的形式色散。 光纤的自聚焦 渐变型光纤中，不同射线具有一样轴向速度的现象称为自聚焦现象，这种光纤称为自聚焦光纤。 具有不同起始条件的子午线，假如它们的空间周期长度一样，则这些子午线将同时到达终端，就可以在光纤中产生自聚焦。这种可使光纤中产生自聚焦时的折射率分布，称为最佳折射指数分布。 图 射线轨迹 最佳折射指数分布的形式 表达式：n(r)n(0)12()gar12 4. 渐变型光纤相对折
8、射指数差n2rn2222nrrn22 5. 渐变型光纤数值孔径NA(r)n2n(r)2 当折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕获射线的实力就越强。 用波动理论分析光纤的导光原理 波动理论有两种分析方法： 矢量解法：有大小，有方向。 标量解法：有大小，无方向。 1.标量近似解法 在弱导波光纤中，光射线几乎与光纤轴平行。 弱导波光纤中的E和H几乎与光纤轴线垂直。 把E和H处在与传播方向垂直的横截面上的这种场分布称为是横电磁波，即TEM波。 于E近似在横截面上，而且空间指向根本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变更的空间矢量E变为沿传输方向其方向不变的标量E。 因此，它将满意标量的
9、亥姆霍兹方程，通过解该方程，求出弱导波光纤的近似解。这种方法称为标量近似解法。 2.标量解的场方程的推导思路 首先求出横向场Ey的亥姆霍兹方程 将式在圆柱坐标中绽开得出 用分别变量法求解横向场Ey 依据麦氏方程中E和H的关系可得出横向磁场Hx的解答式 依据电场和磁场的横向重量可用麦氏方程求出轴向场重量EZ、HZ的解答式 3.标量解的场方程 坐标选取 直角坐标系 圆柱坐标系 解场方程 场方程中的参数 导波径向归一化相位常数U=n1k 导波径向归一化衰减常数W2220a 2202n2ka 归一化频率Vn1k0a2Jm1(U)Jm(U)2n1a20Km1(W)Km(W) 4.标量解的特征方程 UwU
10、Jm1(U)Jm(U)WKm1(W)Km(W) 5.阶跃型光纤标量模特性的分析 标量模的定义 极化：就是指随着时间的变更，电场或磁场的空间方位是如何变更的。一般人们把电场的空间方位作为波的极化方向。 线极化：假如波的电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹为始终线时，就把这种极化称为直线极化。 弱导波光纤可认为它的横向场是线极化波，以LP表示。在这种特定条件下传播的形式，称为标量模，或LPmn模。 截止时标量模的特性 截止的概念 形成导波的条件：c190 k2k1 当k2=k0n2时，导波截止的临界条件。 当k2=k0n2时，光纤中出现了辐射模时，即认为导波截止。 截止时的特征方程：Jm1(U)0
11、 截止状况下LPmn模的归一化截止频率Vc 阶跃型光纤的单模传输条件 LP01模 Vc=Uc=0 LP11模 Vc=Uc= 单模传输的条件是：0V 远离截止时标量模的特性 远离截止 当V时，即为远离截止。 远离截止时标量模的特征方程：Jm(U)0 远离截止时LPmn模的U值 6.阶跃光纤中导模数量的估算 条件：当0当V时，为多模光纤。 公式：MV22 单模光纤 单模光纤的折射率分布 1阶跃型单模光纤折射率分布形式 于纤芯材料和包层材料不同，在制造过程中，它们互相向对方扩散，浸透，使得在纤芯和包层的交界r=a处，折射率n1渐渐变更到n2，呈“圆形”变更，如图。 图 阶跃型单模光纤折射率分布 于在
12、预制棒制作过程中，形成纤芯r=0处，折射指数下陷，这就是通常所说的MCVD制造工艺所引起的一种典型缺陷，如图。 2下凹型单模光纤折射率分布形式 在纤芯和包层之间设立折射率比包层折射率还低的中间层，或称为内包层。采纳这种构造形式是为了减小单模光纤的色散，可以使材料色散和波导色散互相抵消。 单模传输的理论分析 1单模传输的条件：0UJ1(U)J0(U)J1(U)J0(U)WK1(W)K0(W)K1(W)K0(W) UW 3单模光纤的特征参数 衰减系数 10LlogPiP0 截止波长c22an1Vc 模场直径d模场直径是描绘光纤横截面上，基模场强分布的物理量。 单模光纤的双折射 理论上单模光纤中只传
13、输一个基模，但事实上，在单模光纤中有两个形式，即横向电场沿y方向极化和沿x方向极化的两个形式。它们的极化方向互相垂直，这两种形式分别表示为LP01y和LP01x。 在志向的轴对称的光纤中，这两个形式有一样的传输相位常数，它们是互相简并的。但在实际光纤中，于光纤的形态、折射率及应力等分布得不匀称，将使两种形式的值不同，形成相位差，简并受到破坏。这种现象叫做双折射现象。 1.线偏振、椭圆偏振和圆偏振 偏振即极化的意思，是指场矢量的空间方位。一般选用电场强度E来定义偏振状态。 假如电场的程度重量与垂直重量振幅相等、相位相差/2，则合成的电场矢量将随着时间t的变更而围围着传播方向旋转，其端点的轨迹是一
14、个圆，称为圆偏振，如图所示。 假如电场强度的两个重量空间方向互相垂直，且振幅和相位都不相等，则随着时间t的变更，合成矢量端点的轨迹是一个椭圆，称为椭圆偏振，如图所示。 2.单模光纤的双折射 双折射的概念 在单模光纤中，电场沿x方向或y方向偏振的偏振模LPx及LPy，当它们的相位常数不相等时，这种现象称为形式的双折射。 双折射的分类 线双折射 在单模光纤中，假如两正交方向上的线偏振光的相位常数不相等，引起的双折射称为线双折射。 圆双折射 在传输媒质中，当左旋圆偏振波和右旋圆偏振波有不同的相位常数时，将引起该两圆偏振光不同的相位变更，称为圆双折射。 椭圆双折射 当线双折射和圆双折射同时存在于单模光
15、纤中时，形成的双折射称为椭圆双折射。 双折射对偏振状态的影响 单模光纤中，光波的偏振状态是沿传播方向作周期性变更的。双折射对偏振状态的影响如图2-17所示。 LB2xy2式中=x-y，称为偏振双折射率。 光纤的传输特性 光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性。 光纤的损耗特性 1.汲取损耗 汲取作用是光波通过光纤材料时，有一局部光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成汲取损耗的缘由很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征汲取和杂质汲取。 本征汲取 本征汲取是光纤根本材料固有的汲取，并不是杂质或者缺陷所引起的。因此，本征汲取根本上确定了任何特定材料的汲取的下限。 汲取损耗的大小与波长有
16、关，对于SiO2石英系光纤，本征汲取有两个汲取带，一个是紫外汲取带，一个是红外汲取带。 杂质汲取 杂质汲取是玻璃材料中含有铁、铜等过渡金属离子和OH离子，在光波鼓励下离子振动产生的电子阶跃汲取光能而产生的损耗。 2.散射损耗 于光纤的材料、形态及折射指数分布等的缺陷或不匀称，光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。 散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。线性散射损耗主要包括瑞利散射和材料不匀称引起的散射，非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里渊散射等。 3.弯曲损耗 光纤的弯曲会引起辐射损耗。光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一
17、种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。 4.光纤损耗系数 定义：传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数。 表达式：10LlgP1P2dB/km 光纤的色散特性 1.光纤色散的概念 光脉冲中的不同频率或形式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和形式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。 2.光纤色散的表示方法 色散的大小用时延差来表示。 时延 时延即指信号传输单位长度时，所须要的时间，用表示。 时延差 不同速度的信号，传输同样的间隔 ，须要不同的时间，即各信号的时延不同，这种时延上的差异，称为时延差，用表示。 时延差可不同的频率成分引起，也可不
18、同的形式成份引起。时延并不代表色散的大小，色散的程度应用时延差表示，时延差越大，色散就越严峻。 3.材料色散 于光纤材料本身的折射指数n和波长呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变更，这样引起的色散称为材料色散。 4.波导色散 光纤中同一形式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。 5.形式色散 光纤中的不同形式，在同一波长下传输，各自的相位常数mn不同，它所引起的色散称为形式色散。 光纤的非线性效应 受激光散射效应 瑞利散射： 一种线性散射，仅仅变更光的传播方向，而散射光的频率是不变的。 受激散射： 一种非线性散射，能量从入射波转移到另一个波。在此过程中低频率处
19、的具有小能量差的散射波以声子的形式释放。 入射波可被看成是一种泵浦波，散射波被称为斯托克斯波. 受激散射的结果：使得承载信息的入射光信号衰减 1。受激喇曼散射(SRS): 散射光(stokes)主要向前挪动，其频率属于光频范围。 单信道时SRS阈值功率较大，因此在单信道系统(如SDH)中可以忽视；但在WDM系统中，SRS会造胜利率从短波长信道到长波长信道的转移,会引发BER和系统性能下降。 SRS的有效频率范围较宽(f10THz)，从而在很多信道中都会发生SRS，进一步降低系统性能。 2.受激布里渊散射 (SBS)： 散射光(stokes)主要向后挪动，其频率属于声频范围。 单信道时SBS阈值
20、功率较小,因此对单信道系统是个问题。 SBS的有效频率范围很窄(f20MHz)，对WDM几乎没有影响。 光纤折射率随光强度变更而引起的非线性效应 光纤在强光作用下折射率的表达式。 nn0n2E2此时间纤的折射率不再是常数，而是与光波电场E有关的非线性参量。式中n2称为非线性克尔系数。折射率随强度的变更引起的非线性效应，最重要的是自相位调制，穿插相位调制及四波混频。 1. 自相位调制 在强光场的作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线性的折射率使得光纤中所传光脉冲的前、后沿的相位相对漂移。 这种相位的变更，必对应于所传光脉冲的频谱发生变更，这个变更的频率称为啁啾。 把光脉冲在传输过程中于自身引起
21、的相位变更而导致光脉冲频谱展宽的这种现象称为自相位调制。 SPM因色度色散引起脉冲展宽；对于进入光纤时的高传播功率，SPM可以压缩脉冲。 SPM主要影响单信道系统。 2. 穿插相位调制 当光纤中有两个或两个以上不同波长的光波同时传输时，于光纤非线性效应的存在，它们之间将互相作用。 光纤中于自相位调制的存在，因此一个光波的幅度调制将会引起其它光波的相位调制。 这种光纤中某一波长的光强对同时传输的另一不同波长的光强所引起的非线性相移，称为穿插相位调制。 在WDM系统中将发生XPM。 3.四波混频 当三个EM波(1,2,3)同时在光纤中传播时，因光纤的电极化率包含非线性局部而产生了第四个EM波(12
22、3),从某种意义上说不是一个波而是多个波。 第四个光波的频率可以是三个入射光波频率的各种组合，把这种现象称之为是非线性介质引发多个光波之间出现能量交换的一种响应现象。 第四个光波的功率在频率接近零色散波长时到达峰值。 四波混频现象对系统的传输性能影响很大，包括增系统误码率和信道之间的串扰。 光孤子通信 1光孤子 从物理学的观点看，光孤立子是光非线性光学的一个特别产物。 孤立子又称孤子、孤立波，它是一种可以长间隔 、无畸变传输的电磁波。 光脉冲波就像一个个孤立的粒子一样，因此称其为孤立子。 2光孤立子的产朝气理 折射率n与相位之间存在确定的关系。 一个光脉冲的前沿光强的增大将会引起光纤中光信号的
23、相位增大，随之造成光信号的频率降低，进而使光纤中光脉冲信号的脉冲前沿传输速度降低。 假如所传信号是强的光脉冲，则光纤非线性效应使脉冲变窄的作用正好补偿了色散效应使脉冲展宽的影响。 那么，可以想像这种光脉冲信号在光纤的传输过程中将不会产生畸变，脉冲波就像一个一个孤立的粒子那样传输，故称孤立子。 3光纤损耗对光孤子传输的影响 损耗对光孤子宽度的影响 即使光孤子发生展宽，但与不存在非线性影响状况下的展宽相比要小的多，因此对光纤通信系统来说，非线性影响是有益的。 假如运用高阶光孤子来分析的话，也可以得到同样的结论。而且在8Gbit/s传输速率、光孤子的峰值功率为3mW条件下，预料中继间隔 可增加两倍。
24、 利用光孤子放大补偿光损耗 为克制光纤损耗的影响，须要对光孤子周期性地放大，以便复原其最初的宽度和峰值功率。 集中光孤子放大 分布放大第3章 光纤通信器件 光源 激光器的物理根底 1.光子的概念 光具有二重性，即波动性和粒子性。 不同频率的光子具有不同的能量。 一个光子具有的能量为：E=hf 2.费米能级 原子能级 物质是原子组成的，而原子是原子核和核外电子构成的。原子核带正电，电子带负电。正负电荷数相等，整个原子呈中性。 当原子中电子的能量最小时，整个原子的能量最低，这个原子处于稳态，称为基态；当原子处于比基态高的能级时，称为激发态。通常状况下，大局部原子处于基态。 费米能级 当T0k时：E
25、Ef ： f(E)1212，能级E被电子占据几率小。 ，能级E被电子占据几率大。 当T0K时： EEf ： f(E)=0 E光和物质的互相作用有自发辐射、受激汲取和受激辐射三种。 自发辐射：物质在在无外来光子激发下，高能级E2上的电子，于不稳定，自发地向低能级E跃迁，多余的能量以发光的形式表现出来，这个过程叫做自发辐射。 受激汲取：物质在外来光子的激发下，低能级E1上的电子汲取了外来光子的能量，而跃迁到高能级E2上，这个过程叫做受激汲取。 受激辐射：处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。
26、 激光器的工作原理 1.粒子数反转分布 要想物质可以产生光的放大，就必需使受激辐射作用大于受激汲取作用，也就是必需使N2N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。 2.激光器的根本组成 激光振荡器必需包括以下三个局部：激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔。 3.光学谐振腔 光学谐振腔的构造。 在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简洁的光学谐振腔。假如反射镜是平面镜，称为平面腔；假如反射镜是球面镜，则称为球面腔。 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为局部反射，如M2的反射系数r在激光器中，首先泵浦源鼓励激光工作物质，产生
27、粒子数集居反转分布。同时，于自发辐射也将产生自发辐射光子。这些光子辐射的方向是随意的，它们之中但凡沿与谐振腔轴线夹角较大的方向传播的光子，将很快逸出腔外，只有那些沿与谐振腔轴线夹角较小的方向传播的光子流，才有可能在腔内沿轴线方始终回反射传播，在腔内的激活物质中来回穿行。受激辐射连锁反响，象雪崩般的加剧，当光功率到达肯定程度时，在局部反射镜M2的一侧输出一个高功率的平行光子流。在这一过程中于受激辐射跃迁而产生大量的全同光子，这就是激光。 4.激光器的参量 损耗系数 增益系数G 阈值条件Go 相位平衡条件半导体激光器 1.半导体激光器的构造 半导体激光器的构造有两种：F-P腔激光器和DFB-分布反
28、响型激光器。 F-P腔激光器从构造上可分为同质、单异质和双异质半导体激光器三种。 2.半导体激光器工作原理 本征半导体的能带分布：未掺杂的半导体 P型半导体和N型半导体 在重掺杂状况下，P-N型结的能带分布。 P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。 3.半导体激光器的工作特性 阈值特性 对于半导体激光器，当外加正向电流到达某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。 光谱特性 半导体激光器的光谱随着鼓励电流的变更而变更。 温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变更的特性为温度特性。 转换效率 半导体激光器是把电功率干脆转换成光功率的器件
29、，衡量转换效率的凹凸常用功率转换效率来表示。 光电检测器 光电检测器是将光信号转换为电信号。 常用的半导体光电检测器有PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管两种。 半导体的光电效应 半导体光电效应：第一步，当光照耀到半导体的P-N结时，若光子能量足够大，则价带中的电子汲取光子，获得能量的电子跃迁到导带，同时在价带中留下了空穴，即光电子-空穴对，又称光生载流子。第二步，光生载流子在外加偏置电压和内建电场的作用下，电子-空穴对的运动形成了电流，这个电流常称为光生电流。 图 半导体材料的光电效应 当光照耀在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子空穴对产生，明显必需满意如下关系，即 Ehfhc
30、Eg 其中，E为一个光子的能量，Eg为禁带的宽度。 截止频率：fcEghhcEg 截止波长：c 【结论】只有入射光波长PIN光电二极管的构造如图所示。在高掺杂的P型和N型半导体之间，生长一层低掺杂的N型半导体，因为这一层的掺杂浓度很低，近乎本征半导体，故称I层。 在PIN管构造中P+和N+区特别薄，而低掺杂的I区很厚，外加负偏压进一步驱除了I区的载流子，常常使得耗尽几乎占据了整个PN结，从而使光子在零电场区被汲取的可能性很小，而在耗尽区里被充分汲取。即汲取区近似等于作用区光电转换效率进步。 图 PIN光电二极管构造和能带图 雪崩光电二极管 雪崩光电二极管，又称APD。它不但具有光/电转换作用，
31、而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。 的雪崩效应 APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子空穴对；新产生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。 的构造 目前APD构造型式，有爱护环型和拉通型。 图 雪崩光电二极管的构造意图 爱护环型在制作时淀积一层环形N型材料，
32、以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。 拉通型雪崩光电二极管的构造示意图和电场分布如图所示。图所示的是纵向剖面的构造示意图。图所示的是将纵向剖面顺时针转90的示意图。图所示的是它的电场强度随位置变更的分布图。 APD随运用的材料不同有几种：Si-APD；Ge-APD和InGaAs-APD等。 光电检测器的特性 1.响应度R0和量子效率 响应度RoIpPo 量子效率2.响应时间 光生电子空穴对数入射光子数IpePohfIphfPoeRhfe 响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入射光信号变更快慢的状态。一般用响应时间来表示。一个快速响应的光电检测器，它的响应时间肯定是短的。 3.暗电
33、流ID 志向条件下，当没有光照耀时，光电检测器应无光电流输出。但是事实上于热鼓励、宇宙射线或放射性物质的鼓励，在无光状况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。 4.雪崩倍增因子G 雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参量雪崩倍增因子。在忽视暗电流影响条件下，它定义为GIMIP 一般APD的倍增因子G在40100之间。PIN光电管因无雪崩倍增作用，所以G=1。 光放大器 EDFA放大器 1.光放大器的概述 光/电/光中继器 光/光中继器 2.光放大器的分类 半导体光放大器光纤光放大器概述 的特点 工作波长与光纤最小损耗窗口一样，可在光纤通信中获得应用。 耦合效率高。 能量转换效率
34、高。 增益高、噪声低、输出功率大。 增益特性稳定。 可实现透亮的传输。 的构造 EDFA主要掺铒光纤、泵浦光源、耦合器、隔离器、滤波器等组成。 光耦合器：将信号光和泵浦光合在一起，一般采纳波分复用器实现。 光隔离器：抑制光反射，以确保光放大器工作稳定，即保证放大信号单向传输。 光滤波器：滤除放大器中的噪声，以进步系统的信噪比。 泵浦光源：使EDF的粒子处于反转分布状态。泵浦源的工作波长为980nm和1480nm。 工作原理 当用高能量的泵浦激光器来鼓励掺铒光纤时，可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级E3上。 E3能级上的粒子寿命很短，通过无辐射衰减落入亚稳态能级E2。 亚稳态E2能
35、级上的粒子寿命较长，易聚集粒子，形成E2E1能级之间的粒子数反转分布，从而形成信号光的放大。 性能指标 放大器的噪声 增益G=10lg的应用 功率放大器：提升功率 线路放大器：用在中继设备上 前置放大器：用于信号放大 光纤拉曼放大器 的特点 很宽工作带宽 和EDFA组合运用，能有效降低系统的噪声指数。 削减入射信号的光信号 对光信号构成分布放大，可实现无中继长间隔 传输 比拟宽的拉曼增益谱。 工作原理 无源光器件 无源光器件是除光源器件、光检波器件之外不须要电源的光通路部件。 无源光器件可分为光纤连接器、光衰减器、耦合器和光隔离器等。 光纤连接器 光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将其定义
36、为“用以稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。 光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。 光纤连接器的根本构成 三个局部组成的：两个协作插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。 光纤活动连接器根本构造 光纤连接器的分类 光纤连接器按光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、套管构造和紧固方式进展分类，如表3-1所示。 单通道 多通道 对接 透镜 套筒/V型槽 直套管 锥型 其他 锥型套管 其他 螺丝 销钉 弹簧销 单/多通道 其他 光纤连接器的性能 插入损耗，该值越小越好。平均损耗值应不大于。 回波损
37、耗，是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率重量的一个度量值，该值越大越好。其典型值应不小于25dB。 互换性，每次互换后，其连接损耗变更量越小越好。 重复性，即每次插拔时连接损耗变更量要小。 插拔寿命，光纤连接器的插拔寿命一般元件的机械磨损状况确定。 局部常见光纤连接器 FC型。其接头的对接方式为平面对接。 PC型。是FC型的改良型。其对接面平面变为拱型凸面。是我国最通用的规格。 SC型。其构造尺寸与FC型一样，端面处理采纳拱型凸面或PC研磨方式。 DIN47256型。德国开发。 双锥型连接器。美国贝尔试验室开发研制。 固定连接 光纤与光纤的连接有两种，活动连接和永久性连接。以上介绍
38、了活动连接。永久性连接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。 光定向耦合器 1.光定向耦合器的构造 2.光纤式定向耦合器的参数 下面以232定向耦合器为例来说明。 隔离度A 端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出。但事实上端4还是有少量光功率输出，其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为 A1、10log4P4P1(dB) 一般状况下，要求A20dB 插入损耗L 它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用L表示为 L10logP2P3P1(dB) 一般状况下，要求L 分光比T 分光比等于两个输出端口的光功率之比，如从
39、端1输入光功率，则端2和端3分光比TP3P2 一般状况下，定向耦合器的分光比为11110。 光隔离器与光环行器 1. 光隔离器的工作原 2.三端口光环行器 对于光隔离器与光环行器来讲，它们都是盼望从输入端口输入的光信号到输出端口时，衰减尽量小，即要求器件的插入损耗要小；对于不应有输出的端口，要求隔离度要高。 器件典型的插入损耗为1dB左右，隔离度为4050dB。 光滤波器 F-P腔型光滤波器的主体是F-P谐振腔。 描绘F-P腔型光滤波器的特性参数主要是自谱域及带宽。 自谱域：为相邻波长之间的间隔 带宽：为谐振峰降至一半时所对应的频带宽度，又称为3dB带宽。第4章 光纤通信系统 IM-DD光纤通
40、信系统 光纤通信中的线路码型 分组码常用mBnB表示，它是把输入码流每m比特分成一组，然后把每组编成n比特输出。每组的m个二进制码，记为mB，变换为n个二进制码，记为nB，因此称为mBnB码，其中m和n都是正整数，通常nm，一般选取n=m+1。常用的mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。 光放射机 光放射机是把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤线路进展传输。 对光放射机的要求 1.有适宜的输出光功率 光放射机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。光源应有适宜的光功率输出，一般为5mW。 2.有较好的消光比 消光比的定义为全“1”码平均发送光功
41、率与全“0“码平均发送光功率之比。可用下式表示：EXT=10lgP11P00 3.调制特性要好 所谓调制特性好，是指光源的PI曲线在运用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。 光源的调制 光源的调制的根本概念就是用电信号(调制信号)去变更光载波的某一特征参量。 光源的调制可分的干脆调制和间接调制两大类 1.有干脆调制 干脆调制就是将电信号干脆注入光源，使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变更而变更，又称为内调制。 2.间接调制 间接调制不干脆调制光源，而是利用晶体的电光、磁光和声光特性对LD所发出的光载波进展调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的光载波得到调制，这种调制方
42、式又称作外调制。 光放射机的根本组成 1.光放射机的根本组成 2.光放射机各局部功能 平衡放大：补偿电缆传输所产生的衰减和畸变。 码型变换：将HDB3码或CMI码变换为单极性“0”“1”码。 复用：用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。 扰码：使信号到达“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。 时钟提取：提取PCM中的时钟信号，供应其它电路运用。 调制电路：完成电/光变换任务。 光源：产生作为光载波的光信号。 自动功率限制(APC)：保持光源输出功率的稳定。 自动温度限制(ATC)：使激光器的输出特性保持稳定。 光接收机 光接收机的根本组成 1.光接收机的根本组成 2.光接收机的各局部功
43、能 光电检测器 光电检测器的作用是将发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号，即具有光/电转换功能。 前置放大器 将光检测器转换的微弱光信号放大到肯定程度，以便获得最高信噪比。 主放大器 将前置放大器输出的信号放大到判决电路所须要的信号电平。重高增益，还有它的增益受AGC电路限制，输出电压为13V。 平衡器 保证信号在判决时不存在码间干扰。 判决器和时钟复原电路 对信号进展再生即消退噪声叠加，对信号进展复原。 自动增益限制 自动增益限制运用反响环路来限制主放大器的增益，使光接收机的输出的信号幅度，在肯定范围内不受输入信号幅度影响。 解扰、解复用和码型变换电路 在光放射机中首先进展码型变换。
44、在光放射机中对数字码流进展扰码处理。 发送端依据所输入信号的性质不同，将会采纳不同的复用方式以进步信道的利用率，因此接收端则需进展相反的操作。 协助电路 协助电路包括箝位电路、温度补偿电路和告警电路等。光接收机的噪声特性 1.量子噪声 量子噪声是指当一个光电检测器受到外界光照，其光子鼓励而产生的光生载流子是随机的，从而导致输出电流的随机起伏。这是检测器固有的噪声。 2.暗电流噪声 暗电流是指无光照耀时间电检测器中产生的电流。于鼓励出的暗电流是浮动的，就产生了噪声，称为暗电流噪声。 3.雪崩管倍增噪声 于雪崩光电二极管的雪崩倍增作用是随机的，这种随机性，必定要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪
45、声。 4.光接收机的电路噪声 主要指前置放大器噪声，其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。 光接收机的主要指标 数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。 1.光接收机的灵敏度 定义：光接收机的灵敏度是指在系统满意给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin。 单位：毫瓦分贝 公式：Pr10lgPmin10310lgPmin1mw 2.光接收机的动态范围 定义：接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率Pmin和最大允许输入光功率Pmax之差。 单位：分贝 公式：D10lgPmax10310lgPmin10310lgPmaxPmin 光纤通信系统 1.光中继器 光脉冲信号从光放射机输出经光纤传输若干间隔 以后，于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这样就限制了光脉冲信号在光纤中做长间隔 的传输。 最简洁的光中继器原理方框图 好用的中继器方框图 2.监控系统 监控系统为监视、监测和限制系统的简称。 在光纤通信的监控系统中，通常采纳的是集中监控方式。 监控内容 监控的内容分别包括监视和限制两局部。 监控信号的传输 在数字通信系统中采纳时分复用的方式来完成监控信号的