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1、Fiber Optic Communications光纤通信光纤通信 吉驭嫔西华大学物理与化学学院西华大学物理与化学学院E-mail:手机：手机：Fiber Optic Communication content：介绍了光纤通信的概念，光纤：介绍了光纤通信的概念，光纤的传输特性、光发射机和光接收机的工作原的传输特性、光发射机和光接收机的工作原理及工作特性、有源和无源光网络器件的工理及工作特性、有源和无源光网络器件的工作原理及应用、光纤通信系统的设计、光纤作原理及应用、光纤通信系统的设计、光纤网络等。网络等。assignment：光纤通信是光信息科学学：光纤通信是光信息科学学生的一门专业技术选修
2、课，通过本课程的学生的一门专业技术选修课，通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理和光纤习，学生将掌握光纤通信的基本原理和光纤通信系统的组成，了解光纤通信的未来与发通信系统的组成，了解光纤通信的未来与发展，为进一步学习光纤通信技术和设备打下展，为进一步学习光纤通信技术和设备打下基础。本课程对培养学生综合应用以前所掌基础。本课程对培养学生综合应用以前所掌握的通信系统基本知识、波动光学等基本知握的通信系统基本知识、波动光学等基本知识等有良好的促进作用。识等有良好的促进作用。光纤通信系统概述光纤通信系统概述光纤光纤光源和光发射机光源和光发射机光检测器和光接收机光检测器和光接收机光网络器件光网络
3、器件光纤通信系统的设计光纤通信系统的设计要求：要求：做好课堂笔记，按时完成作业，每章交一次做好课堂笔记，按时完成作业，每章交一次作业，做好每次实验，写好实验报告。作业，做好每次实验，写好实验报告。考核方式：考核方式：平时成绩（考勤、作业、实验）：平时成绩（考勤、作业、实验）：30%期中考试期中考试+期末考试：期末考试：70%1.1 Historical Perspective1.2 Main Characteristics 1.3 Composition and Classification Chapter 1 Fiber Optic communications System1.1 Hist
4、orical PerspectiveSmoke signals Blinker lights1.1.1 Early optic communications 到到了了1880年年，贝贝尔尔发发明明了了第第一一个个光光电电话话，这这一一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。贝贝尔尔用用弧弧光光灯灯或或者者太太阳阳光光作作为为光光源源，光光束束通通过过透透镜镜聚聚焦焦在在话话筒筒的的震震动动片片上上。当当人人对对着着话话筒筒讲讲话话时时，震震动动片片随随着着话话音音震震动动而而使使反反射射光光的的强强弱弱随随着着话话音音的的强强弱弱作作相相应应的的变变化化，从
5、从而而使使话话音音信信息息“承承载载”在在光光波波上上（这这个个过过程程叫叫调调制制）。在在接接收收端端，装装有有一一个个抛抛物物面面接接收收镜镜，它它把把经经过过大大气气传传送送过过来来的的载载有有话话音音信信息息的的光光波波反反射射到到硅硅光光电电池池上上，硅硅光光电电池池将将光光能能转转换换成成电电流流（这这个个过过程程叫叫解解调调）。电电流流送送到到听听筒筒，就就可可以听到从发送端送过来的声音了。以听到从发送端送过来的声音了。The beginning of modern optic communication-Bells PhotophoneBells Photophone1880-
6、Photophone Transmitter 1880-Photophone Receiver Bell photophoneThree elements of optic communications Optical Sources（transmitter）Transmission medium（information channel）Receiver贝贝尔尔光光电电话话和和烽烽火火报报警警一一样样，都都是是利利用大气作为光通道。用大气作为光通道。大大气气光光通通信信优优点点：有有一一定定的的容容量量、传传输输距距离离，方便灵活方便灵活缺缺点点：1 光光波波传传播播易易受受气气候候的的影影响
7、响，在在大大雾雾天天气气，它它的的可可见见度度距距离离很很短短，遇遇到到下下雨雨下下雪雪天天也也有影响。有影响。2.距离有限距离有限3.通信两点必须直线可见通信两点必须直线可见在在大大气气光光通通信信受受阻阻之之后后，人人们们将将研研究究的的重重点点转转入入到到地地下下光光波波通通信信的的实实验验，先先后后出出现现过过反反射射波波导导和和透透镜镜波波导导等等地地下下通通信的实验。信的实验。1.1.2 Fiber Optic communications Reflection waveguide and lens waveguide 1966年，英籍华裔学者年，英籍华裔学者高锟高锟(K.C.Ka
8、o，当时当时工作于英国标准电信研究所工作于英国标准电信研究所)发表了关于传输介发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输质新概念的论文，指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光光纤通信纤通信的基础。的基础。高锟深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损高锟深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的因是其中含有过量的铬、铜、铁铬、铜、铁与与锰锰等等金属离子金属离子和其他杂质和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了，其次是拉制光纤时
9、工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀。匀。1966年：光纤损耗为年：光纤损耗为1000dB/kml高锟在论文高锟在论文光频介质纤维表面波导光频介质纤维表面波导提出：通过提出：通过改进制备工艺，减少原材料杂质改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损，可使石英光纤的损耗大大下降耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光的光纤，从而使光纤可用于通信之中。称为纤，从而使光纤可用于通信之中。称为“光纤之父光纤之父”。1970年年，光光纤纤研研制制取取得得了了重重大大突突破破。美美国国康康宁宁(Corn
10、ing)公司就研制成功损耗公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。的石英光纤。1972年，康宁公司将高纯石英多模光纤损耗降低到年，康宁公司将高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973 年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到年降低到1.1dB/km。1976 年，日本电报电话年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤公司等单位将光纤损耗降低到损耗降低到0.47 dB/km(波长波长1.2m)。在以后的在以后的 10 年中，波长为年中，波长为1.55 m的光纤损耗：的光纤损耗：1
11、979 年是年是0.20 dB/km，1984年是年是0.157 dB/km，1986 年是年是0.154 dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限。接近了光纤最低损耗的理论极限。1970 年年，作作为为光光纤纤通通信信用用的的光光源源也也取取得得了了实实质质性性的的进进展展。当当年年，美美国国贝贝尔尔实实验验室室、日日本本电电气气公公司司(NEC)和和前前苏苏联联先先后后突突破破了了半半导导体体激激光光器器在在低低温温(-200)或或脉脉冲冲激激励励条条件件下下工工作作的的限限制制，研研制制成成功功室室温温下下连连续续振振荡荡的的镓镓铝铝砷砷(GaAlAs)双双异异质质结结半半导导体体激激光
12、器光器(短波长短波长)。1973 年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到7000小时。小时。1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到命达到10万小时万小时(约约11.4年年)，外推寿命达到，外推寿命达到100万小万小时，完全满足实用化的要求。时，完全满足实用化的要求。1979年年,美国电报电话美国电报电话(AT&T)公司和日本电报公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半的连续振荡半导体激光器。导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成
13、为光纤通信发展的一个重要里程碑。年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。1.2.Main characteristics 1.2.1 What is the optic fiber communications?Electric communications广义的电通信指的是一切运用电波作为载体而广义的电通信指的是一切运用电波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称。传送信息的所有通信方式的总称。电通信又可分为有线电通信和无线电通信。电通信又可分为有线电通信和无线电通信。Communication:从广义的角度来说，就是彼此从广义的角度来说，就是彼此之间传递信息。之间传递信息。optic commu
14、nications广义的光通信指的是一切运用光波作为载体而广义的光通信指的是一切运用光波作为载体而传送信息的所有通信方式的总称。传送信息的所有通信方式的总称。光通信也可以分为利用大气进行通信的无线光光通信也可以分为利用大气进行通信的无线光通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信的有通信和利用石英光纤或塑料光纤进行通信的有线光通信。线光通信。人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为为光纤通信光纤通信（optic fiber communications）optic communicationsoptic fiber communicationsoptic fib
15、er communications用光作为信息的载体，以光纤作为传输介用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。质的一种通信方式。1.2.2 The advantages of Fiber Optic Communictions1.The capacity of Optic Fiber is very large信号进行传输且没有明显衰减的频率范围。信号进行传输且没有明显衰减的频率范围。Shannon-Hartley：C为信道容量（单位为比特为信道容量（单位为比特/秒，秒，b/s），），B为为信道带宽（单位为赫兹，信道带宽（单位为赫兹，Hz），），SNR是信号是信号功率与噪声功率的
16、比值，称之为信噪比。功率与噪声功率的比值，称之为信噪比。增加信道带宽增加信道带宽可以有效地提可以有效地提高信道容量高信道容量Bandwidth（带宽）（带宽）大多数光通信系统使用红外区域的波长大多数光通信系统使用红外区域的波长 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.0 1.5 2.0Wavelength (m)Ultraviolet Visible InfraredOptical Spectrum(Partial)BlueRedWave Nature of Light载波频率越高载波频率越高信道的带宽就越大信道的带宽就越大名称名称应用应用传输介质传输介质有线介质有线介质无线介质无
17、线介质紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线电话电话数据数据视频视频激激光光束束光纤光纤毫米波毫米波特高频特高频（SHF）超高频超高频（UHF）甚高频甚高频（VHF）高频高频（HF）中频中频（MF）低频低频（LF）甚低频甚低频（VLF）音频音频波导波导同轴电缆同轴电缆双绞线双绞线微波无线电微波无线电短波无线电短波无线电长波无线电长波无线电卫星通信卫星通信微波通信微波通信电话、电报电话、电报调幅广播调幅广播移动无线电移动无线电UHF TV移动通信移动通信导航导航潜艇通信潜艇通信飞行器通信飞行器通信导航、雷达导航、雷达业余无线电业余无线电商务应用商务应用调频广播调频广播1014 Hz1015 Hz1
18、0-6 m100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz100 kHz10 kHz1 kHz1 c m10 c m1 m10 m100 m1 km10 km100 km800nm1700nmThe electromagnetic spectrum of Communication system2.Low loss,and long Relay distance Relay distance(中继距离中继距离)传输线路上不加放大器时信号所能传输的传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。最大距离。3.Strong anti-interference ability
19、4.Good secrecy 5.Save non-ferrous metal 6.Others：thin Line diameter,light weight and long life 1.抗拉强度低抗拉强度低 2.光纤维护检修困难光纤维护检修困难 3.连接不方便连接不方便 1.2.3 The disadvantages of Fiber Optic Communications1.3 Composition and Classification 1.3.1 The Composition of Fiber Optic communications system 光纤通信系统由光纤通信系统
20、由光发射机光发射机(Light Transmitter)、光纤线路光纤线路(Optic Fiber Links)和和光接收机光接收机(Light Receiver)三部分组成。它首先要在发射机将需传三部分组成。它首先要在发射机将需传送的电话、电报、图像和数据等信号进行光电转送的电话、电报、图像和数据等信号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收机，接收机将接收到的光信号转变成电信号，收机，接收机将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成消息。最后还原成消息。The basic component of the generalized opt
21、ical fiber communication system电信号输电信号输入入调制调制光源光源光放光放大器大器光检光检测器测器信号信号恢复恢复电信号电信号输出输出光发射机光发射机尾纤尾纤连接器连接器光纤光纤光纤接光纤接头盒头盒光耦合器光耦合器其它设其它设备备光接收机光接收机光纤接光纤接头盒头盒连接器连接器再生再生中继器中继器尾纤尾纤光纤光纤光纤光纤 光发送机光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电驱动电路路、光源光源和和调制器调制器构成。构成。光接收机光接收机的作用是将光纤送来
22、的光信号还原成原的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由始的电信号。它一般由光检测器光检测器、放大电路和恢放大电路和恢复电路复电路组成。组成。光纤光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信信道道)，将光信号由一处送到另一处。，将光信号由一处送到另一处。中继器中继器的主要作用就是延长光信号的传输距离。的主要作用就是延长光信号的传输距离。Three component parts of the Basic Fiber Optic communications system1 1、Light Transmitter 光光光光 源源源源调制器调制器调制器
23、调制器通道耦合器通道耦合器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入电信号输入电信号输入光输出光输出光输出光输出驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路Composition diagramComposition diagram：导带能带导带能带价带能带价带能带禁带禁带光子光子电子电子ECEV能能量量h如果导带如果导带EC上的电子跃迁到上的电子跃迁到价带价带EV上，就会将其间的能上，就会将其间的能量差（也称能带差）以光的量差（也称能带差）以光的形式放出，光子的频率与能形式放出，光子的频率与能带差的关系为带差的关系为 我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能带差，从
24、而改变其发光波长。带差，从而改变其发光波长。Radiation of LightWave Nature of Light 半导体发光二极管半导体发光二极管LED的工作正是基于的工作正是基于电子从高能带跃迁到低能带将电能转变为光能电子从高能带跃迁到低能带将电能转变为光能的机理。把电流注入到半导体上，则原子中占的机理。把电流注入到半导体上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后，再跃迁到据低能带的电子被激励到高能带后，再跃迁到低能带上，它们将自发辐射出光子。低能带上，它们将自发辐射出光子。低能带低能带高能带高能带EC3EV2h2 2EC2EC1EV3EV1h1 1光的自发辐射（发光二极管）光的自
25、发辐射（发光二极管）激光二极管激光二极管LD的工作机理为受激辐射，即在入的工作机理为受激辐射，即在入射光的激发下，产生与入射光频率、相位、偏振射光的激发下，产生与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的发射光。方向及传播方向一样的发射光。低能带低能带高能带高能带EC3EV2hEC2EC1EV3EV1h输入光输入光h输出光输出光光的受激发射（激光二极管）光的受激发射（激光二极管）Structural parametersStructural parameters：发送功率，单位：发送功率，单位：发送功率，单位：发送功率，单位：dBmdBm输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽输出光功率足够大
26、，调制频率足够高，谱线宽输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，定，定，定，器件寿命长器件寿命长器件寿命长器件寿命长 在光通信系统中，经常用在光通信系统中，经常用dBm表示发射光功率，接表示发射光功率，接收光功率，它是在收光功率，它是在1mW为基准的光功率相对量的单为基准的光功率相对量的单位，用下式计算：位，用下式计算：spectral characteristics of Light sou
27、rcespectral characteristics of Light sourceIF(mA)P(mW)IF(mA)P(mW)Light Source LEDLDP(mW)IF(mA)IbIth输输出出光光信信号号输输入入电电流流信信号号P(mW)IF(mA)输输出出光光信信号号输输入入电电流流信信号号Ith(a)Analog modulation (b)Digital modulationModulator(调制器调制器)A.Two distinct categories of modulation formation Direct Intensity modulation 用用电电信信
28、号号直直接接调调制制半半导导体体激激光光器器或或发发光光二二极极管管的的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。Outer Intensity modulation(Indirect Intensity modulation)把把激激光光的的产产生生和和调调制制分分开开，用用独独立立的的调调制制器器调调制制激光器的输出光而实现的。激光器的输出光而实现的。B.Two distinct categories of modulation method Direct Intensity modulation Outer Intensity modulationA
29、uxiliary circuit a.驱动电路驱动电路:对于直接强度调制的光源，必须对于直接强度调制的光源，必须给它提供恒定偏置电流和已调制的信号，它给它提供恒定偏置电流和已调制的信号，它才能正常工作。才能正常工作。b.自动功率控制电路自动功率控制电路:对输出光的强度进行监测。对输出光的强度进行监测。c.自动温度控制电路自动温度控制电路:控制激光二极管的结温变化。控制激光二极管的结温变化。d.光隔离器光隔离器:保护光源的激活区免受回射光的影响。保护光源的激活区免受回射光的影响。将将激光二极管、监视光电二极管、光隔离器、热激光二极管、监视光电二极管、光隔离器、热电制冷器、温度传感器、控制电路、驱
30、动电路、电制冷器、温度传感器、控制电路、驱动电路、自动温度控制电路、自动功率控制电路、尾纤自动温度控制电路、自动功率控制电路、尾纤等等制成为光发射模块，集成在一个管壳内并组成光制成为光发射模块，集成在一个管壳内并组成光发射功能的器件。发射功能的器件。2.Optic Fiber Links CompositionComposition:光纤、光纤接头和光纤连接器光纤、光纤接头和光纤连接器Optic Fiber 光纤是由两种不同折射率的光纤是由两种不同折射率的石英玻璃石英玻璃（SiO2）在高温下拉制而成的。内层为纤芯，作用是传输在高温下拉制而成的。内层为纤芯，作用是传输光信号，外层为包层，作用是使
31、光信号尽可能封光信号，外层为包层，作用是使光信号尽可能封闭在纤芯中传输。闭在纤芯中传输。纤芯纤芯n150m125m 按照传送光的模式的不同，光纤分按照传送光的模式的不同，光纤分为为单模光纤单模光纤和和多模光纤多模光纤。单模光纤的纤。单模光纤的纤芯直径大约几个微米，多模光纤的纤芯芯直径大约几个微米，多模光纤的纤芯直径为一般为几十微米。单模光纤和多直径为一般为几十微米。单模光纤和多模光纤的包层直径一般都为模光纤的包层直径一般都为125m。C CC C包层包层n2Optic-Fiber Cables仅有纤芯和包层的光纤称为裸光纤。仅有纤芯和包层的光纤称为裸光纤。在光纤制造过程中，在光纤制造过程中，裸
32、纤从高温炉拉出后，裸纤从高温炉拉出后，立即要经过涂覆层流水立即要经过涂覆层流水线进行涂覆。涂覆层的线进行涂覆。涂覆层的主要成分是环氧树脂和主要成分是环氧树脂和硅橡胶分子材料。然后硅橡胶分子材料。然后再制成再制成光缆光缆。Optic-Fiber Cables2.Optic Fiber Links CompositionComposition:光纤、光纤接头和光纤连接器光纤、光纤接头和光纤连接器 Low loss“Widow”Low loss“Widow”Fiber optic systems must have low loss.For glass low loss occurs at seve
33、ral wavelengths.The major operation regions(windows)are:WavelengthWindow0.8-0.9 m First Window1.300 m Second Window 1.550 m Third Window0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段2.
34、Optic Fiber Links CompositionComposition:光纤、光纤接头和光纤连接器光纤、光纤接头和光纤连接器 Low Low loss loss“Widow”“Widow”：普普通通石石英英光光纤纤在在近近红红外外波波段段，除除杂杂质质吸吸收收峰峰外外，其其损损耗耗随随波波长长的的变变化化差差异异很很大大，在在0.85 m、1.31 m和和1.55 m有有三三个个损损耗耗很很小小的的波波长长“窗口窗口”。光光光光源源源源激激光光器器的的发发射射波波长长和和光光光光检检检检测测测测器器器器光光电电二二极极管管的的波波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。长响应，都要和
35、光纤这三个波长窗口相一致。目目前前在在实实验验室室条条件件下下，1.55 m的的损损耗耗已已达达到到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。接近石英光纤损耗的理论极限。3、Light ReceiverCompositionComposition:光检测器光检测器(Light Detectors)、光放大器、光放大器(Optical Amplifiers)和相关电路组成。和相关电路组成。Composition diagramComposition diagram直流偏置直流偏置组件组件PD连接器连接器阻抗匹配阻抗匹配RF电信号输电信号输出出放大器放大器光信号输光信号输入入光源光源输入
36、输入电脉冲电脉冲光检测光检测器器放大器放大器和滤波和滤波器器判决再判决再生生输出输出光脉冲光脉冲光纤光纤输入输入光脉冲光脉冲电流脉电流脉冲冲输出输出电脉冲电脉冲光接收光接收机机数字信号在光纤链路上的传输数字信号在光纤链路上的传输 如果把能量大于如果把能量大于Eg的光照射到半导体材料的光照射到半导体材料上，则处于低能带的电子吸收该能量后被激励上，则处于低能带的电子吸收该能量后被激励而跃迁到高能带上，我们可以通过在半导体上而跃迁到高能带上，我们可以通过在半导体上外加电场，将处于高能带的电子取出，从而使外加电场，将处于高能带的电子取出，从而使光能转变为电能。光能转变为电能。低能带低能带高能带高能带E
37、C3EV2hEC2EC1EV3EV1h输入光输入光EgAbsorption of LightWave Nature of LightAbsorption of Light 将将PD管、前置放大器、阻抗匹配和电路状管、前置放大器、阻抗匹配和电路状态监视态监视/警示电路以及若干光学元件集成在一警示电路以及若干光学元件集成在一个管壳内可制成光接收模块。个管壳内可制成光接收模块。Sensitivity(灵敏度灵敏度)光接收机主要指标，它是指在满足给定误码光接收机主要指标，它是指在满足给定误码率或信噪比条件下，接收机接收微弱信号的能率或信噪比条件下，接收机接收微弱信号的能力，工程上常用最低平均光功率力，
38、工程上常用最低平均光功率 来描述来描述:式中，式中，的单位为的单位为 ，的单位为的单位为mW。Dynamic range(动态范围动态范围)光接收机另一指标，它是指在保证系统误光接收机另一指标，它是指在保证系统误码率指标要求下，接收机的最低光功率和最码率指标要求下，接收机的最低光功率和最大允许光功率之比：大允许光功率之比：D的单位为的单位为dB。Structural parametersOptical Amplifiers输入光信号输入光信号输出光信号输出光信号光纤光纤光纤光纤光放大器光放大器Principle:Stimulated radiation 隔离隔离器器输入输入光光激活介质激活介质
39、泵浦源泵浦源隔离隔离器器输出输出光光掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器dBm and dB (P17)1、dBmdBm是一个表征功率绝对值的量是一个表征功率绝对值的量计算公式为：计算公式为：10lgP（功率值（功率值/1mw）。例例1 如果发射功率如果发射功率P为为1mw，折算为，折算为dBm后为后为0dBm。例例2 对于对于40W的功率，按的功率，按dBm单位进行折算后的值应单位进行折算后的值应为：为：10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=46dBm。2、dBdB是一个表征相对值的量是一个表征相对值的量当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时
40、，按下面时，按下面计算公式：计算公式：10lg（甲功率（甲功率/乙功率）乙功率）例例3 甲功率比乙功率大一倍，那么甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率（甲功率/乙功率）乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大。也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB，则，则功率大一倍。功率大一倍。总的功率是单个总的功率是单个级联部分的功级联部分的功率之和。率之和。例例1.3 假设一个发光管二极管的辐射功率为假设一个发光管二极管的辐射功率为2mW，计算与此功率相对应的计算与此功率相对应的dBm值。此功率通过一组元值。此功率通过一组元件后有件后有23dB的损耗，计算输出功率。的损耗，计算输
41、出功率。例例1.1 三个级联部分的损耗分别为三个级联部分的损耗分别为-1dB，-6dB，-3dB，计算此系统的总损耗。如果输出功率为，计算此系统的总损耗。如果输出功率为5mW，试计算输出功率。，试计算输出功率。根据根据调制信号的类型调制信号的类型，光纤通信系统可，光纤通信系统可以分为以分为模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统和和数字光纤通信数字光纤通信系统系统。根根据据光光源源的的调调制制方方式式，光光纤纤通通信信系系统统可可以以分分为为直直接接调调制制光光纤纤通通信信系系统统和和间间接接调调制制光纤通信系统光纤通信系统。1.3.2 The Classification of Fiber Opti
42、c communications system根据根据光纤的传导模数量光纤的传导模数量，光纤通信系，光纤通信系统可以分为统可以分为多模光纤通信系统多模光纤通信系统和和单模光单模光纤通信系统纤通信系统。根根据据系系统统的的工工作作波波长长，光光纤纤通通信信系系统统可可分分为为短短波波长长光光纤纤通通信信系系统统、长长波波长长光光纤通信系统纤通信系统和和超长波长光纤通信系统超长波长光纤通信系统。The first generation of optic fiber communications era:850nm波段的多模光纤。波段的多模光纤。The second generation of op
43、tic fiber communications era：1980年，年，1310nm波段的多模光纤，石英光纤波段的多模光纤，石英光纤的第二个低损耗窗口。的第二个低损耗窗口。The third generation of optic fiber communications era：1983年，年，1310nm波段的单模光纤，这一代光波段的单模光纤，这一代光纤通信广泛地应用于长途干线和跨洋通信中。纤通信广泛地应用于长途干线和跨洋通信中。The forth generation of optic fiber communications era：80年代后期，年代后期，1550nm波段单模光纤在
44、上传输的波段单模光纤在上传输的阶段。石英光纤的最低损耗窗口，为在这个时期，掺阶段。石英光纤的最低损耗窗口，为在这个时期，掺铒光纤放大器的出现成为光纤通信发展史上的重要里铒光纤放大器的出现成为光纤通信发展史上的重要里程碑。程碑。The fifth generation of optic fiber communications era：1995年。主要特征是采用了密集波分复用年。主要特征是采用了密集波分复用DWDM对对光纤系统传输容量进行扩容。光纤系统传输容量进行扩容。1.4.some problem Attenuation(损耗损耗)光信号功率在光纤传输过程中的损耗。光信号功率在光纤传输过程中
45、的损耗。光纤衰减的特性用衰减系数光纤衰减的特性用衰减系数表示，光信号在光表示，光信号在光纤中传播时，其功率纤中传播时，其功率P随着传输距离的增加按指数随着传输距离的增加按指数形式衰减形式衰减设起始处（设起始处（z=0）的信号光功率为）的信号光功率为P(0)，则在光纤，则在光纤中经过距离中经过距离z的传播后，其值为的传播后，其值为衰减系数衰减系数单位为km-1工程用工程用dB/km作为光纤损耗的单位，有作为光纤损耗的单位，有:例例 一根光纤长一根光纤长20km，衰减为，衰减为0.5dB/km，一端注，一端注入功率为入功率为600W的光信号，求其输出光功率。的光信号，求其输出光功率。解：在光通信系
46、统中，经常用解：在光通信系统中，经常用dBm表示发射光功率：表示发射光功率：利用上式将输入光功率单位转换为利用上式将输入光功率单位转换为dBm，有，有可得到在可得到在z=20km时的输出功率（用时的输出功率（用dBm表示）表示）P0单位为毫瓦（单位为毫瓦（mW）。）。换回到以瓦表示的单位换回到以瓦表示的单位Factor of Attenuationa.Scattering 散射损耗是由于光纤材料密度的微观变化、成分散射损耗是由于光纤材料密度的微观变化、成分的起伏、结构上的不完善以及制造过程中产生的缺的起伏、结构上的不完善以及制造过程中产生的缺陷造成的。陷造成的。b.Absorption OH离
47、子引起的损耗称为杂质离子引起的损耗称为杂质吸收损耗吸收损耗，光纤，光纤石英材料（石英材料（SiO2）固有的吸收，称之为）固有的吸收，称之为内部吸收内部吸收。c.Geometric effectsC包层包层纤芯纤芯 光纤弯曲光纤弯曲是光信息传输所是光信息传输所受损耗的主要原因之一。受损耗的主要原因之一。最小弯曲半径最小弯曲半径：光纤的一项参数。：光纤的一项参数。LC连接器连接器光发射机光发射机距离距离L(km)光接收机光接收机连接器连接器接头接头接头接头PoutPrecLCLSLSdBm光纤传输系统的损耗光纤传输系统的损耗 Dispersion（色散）（色散）：由于光波中的不由于光波中的不同同频
48、率分量频率分量以不同速度传输而产生不同的以不同速度传输而产生不同的时间延迟时间延迟的一种物理效应。（的一种物理效应。（P65）a.Multimode Distortion（多模失真）（多模失真）纤芯纤芯光光 源源包层包层不同入射角的光线代表不同的模式不同入射角的光线代表不同的模式光源光源0纤芯纤芯包层包层1230123TTt脉冲因多个模式而起的展宽脉冲因多个模式而起的展宽-多模失真多模失真Multimode Distortion：多个不同模式的存在而引起多个不同模式的存在而引起脉冲展宽脉冲展宽。设光纤的长度为设光纤的长度为L，最低模式最低模式（也称为（也称为零级模式零级模式）沿中）沿中心轴线到
49、达光纤输出端所需时间为：心轴线到达光纤输出端所需时间为：最高模式最高模式（以临界角传播的光线）所需时间：（以临界角传播的光线）所需时间：脉冲展宽时间脉冲展宽时间相对折射率相对折射率脉冲展宽时间脉冲展宽时间 控制多模失真控制多模失真减少模式数量减少模式数量 减小纤芯直减小纤芯直径的尺寸径的尺寸 减小相对减小相对折射率折射率例例 一阶跃折射率光纤，已知一阶跃折射率光纤，已知n11.486，n21.472，仅考虑模式色散，计算每，仅考虑模式色散，计算每1km长度的脉冲展长度的脉冲展宽。宽。b.Waveguide Dispersion（波导色散）（波导色散）波导色散引起的波导色散引起的单位长度脉冲展宽
50、单位长度脉冲展宽 式中式中 是是波导色散系数波导色散系数，单位，单位 ,它与光纤的设计参数有关，它与光纤的设计参数有关，为为光源的线宽光源的线宽，即光源辐射光的波长范围，即光源辐射光的波长范围，L为光纤长度。为光纤长度。由于纤芯和包层有着不同的折射率，所由于纤芯和包层有着不同的折射率，所以这两部分的传输速度不同，因而在光纤输以这两部分的传输速度不同，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。出端，脉冲会展宽。c.Material dispersion（材料色散）（材料色散）材料色散是由于纤芯材料的折射率随波长变材料色散是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式的群速率（光脉冲包络线速化，使得各个模式的