光纤通信复习资料.doc

第一章1光纤通信是以光波为载波，以光纤作为传输媒质的通信方式。主要包括收发信电缆机、光发送接收机端机、传输光纤等几个部分。2光纤通信工作在近红外区，工作频段167-375THz，工作波长0.8-1.8um。3光纤通信有3个低损耗窗口，850nm的短波长窗口和1310nm、1550nm的长波长窗口。850nm是多模窗口，1310nm是单模零色散窗口，1550nm是单模最低损耗窗口。4光纤通信的特点：1传输频带宽，通信容量大2中继距离远，误码率小3抗电磁干扰能力强，无串话4质量轻，体积小，经济效益好5资源丰富，节约有色金属和能源6保密性好 7抗腐蚀，不怕潮湿缺点：质地脆、机械强度低、连接比较困难、分路耦合不方便5光纤通信技术的基本内容：1光纤传输理论与技术、光纤器件2信号传输原理、调制解调方式、信号编码及信道复用等3光源与光发送机4光检测机与光接收机5光纤通信系统的设计、结构及应用6光纤通信技术如光放大器技术、WDM技术、全光网络技术6目前光纤通信采用的系统：采用光放大器的WDM第四代系统7光纤多址通信系统即为波分复用系统WDM：几个-几百个波长在单根光纤中一起传输，用光放大器作中继放大，使传输容量提高成千上百倍。第二章1光纤的典型结构式多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包涂覆层。光纤的纤芯通常是折射率为n1的高纯SiO2，并有少量掺杂剂，以提高折射率。包层的折射率为n2(n1)，通常也由SiO2制造，掺杂B2O3及F等以降低折射率。2光纤根据传输的模式可分为单模和多模，单模光纤纤芯的芯径是4-10um，多模光纤纤芯的芯径为50um，两者的包层一般为125um，涂覆层为5-40um，根据横截面上的折射率可分为阶跃光纤SI和梯度光纤GI。按材料分为石英光纤、塑料光纤和纳米光纤。3数值孔径NA定义：入射临界角&0的正弦即NA=SIN&0=N1根号下芯包折射率差值的两倍。物理意义：表示入射到光纤端面上的光线，只有与纤芯轴夹角为&0，圆锥角内的入射光线才能在纤芯内传输。芯包折射率差值=(n1的平方-n2的平方)/2n1的平方=(n1-n2)/n1,n1为纤芯折射率n2为包层折射率4为了使分析具有一般性，引进几个无量纲变量。令V的平方=(k0*a)的平方(n1-n2)的平方，式中a为纤芯半径，V称为归一化频率。b=(B的平方/k0的平方-n2的平方)/(n1的平方-n2的平方),这是归一化传播常数，它随频率的变化衡量光纤的色散特性0=b=1，b=0时模截止，b=1时极端情况。在多模阶跃光纤导模数M=V的平方/2，在多模梯度光纤导模数M=V的平方/4。对导模传输条件：k0n2=B=k0n1,则0=b=1,当b=0时B=k0n2,m=0模截止。5当阶跃光纤的归一化频率V2.405时实现单模传输，单模光纤中传输的是LP01模,LP01模无截止现象。6单模传输的条件：对于阶跃光纤归一化频率V波长c时为单模传输。7单模光纤中的光束实际上没有严格的横截面边界的，但中心部分最强。单模光纤中的横向场分布为高斯场分布:E(r)=E(0)exp(-r的平方/w0的平方).E(0)为中心场强，2w0为场强下降到E(0)/e点的宽度，称模场直径。模场直径是指基模场强在空间上分布的集中程度。归一化模场半径w0/a=0.65+1.619V的-1.5次方+2.879V的-6次方8在单模光纤中实质上传输偏振方向互相垂直的两个模式LP01X和LP01Y。在理想的单模光纤中，这两个模式传播常数Bx=By,这两个模式完全兼并，但实际的单模光纤中总可能存在一定的不完善，光纤内部残余应力，光纤弯曲扭转等引起的折射率分布各向异性，是LP01X和LP01Y模的兼并被破坏，这就是单模光纤的模式双折射。9在光纤内部引起光纤损耗的主要机理是光能量的吸收损耗散射损耗及辐射负耗，吸收损耗与光纤材料有关；散射与光纤材料及光波导中的结构缺陷非线性效应有关；辐射则与光纤的几何形状的扰动关系，吸收与散射损耗是光纤材料所固有的。10引起光纤损耗的主要机理是：材料吸收(紫外吸收，红外吸收，杂质吸收)散射损耗(瑞利散射，波导散射，非线性损耗)辐射损耗(由光纤的弯曲造成)11色散是导模在不同群速度下引起的，包括：模间色散：多模光纤中由于各个导模之间群速度不同导致模间色散，在发送端多个导模同时激励时，各个导模具有不同的群速到达接收端时刻不同（单模光纤没有模间色散）；波导色散：某个导模在不同波长下的群速率不同引起的色散；材料色散：这是由于光纤材料的折射率随光频率随着光频率呈非线性变化而光源有一定谱宽，于是不同的波长引起不同的群速率；偏振模色散：单模光纤中的不对称性，造成两个偏振模的群时延不同从而导致偏振模色散单模光纤没有模间色散，波导色散与材料色散是主要的；多模光纤模间色散与材料色散是主要的，波导色散可忽略不计。12单模光纤的种类：(1)G.652零色散波长为1.3um,低色散,损耗高;(2)G.653零色散波长为1.55um低损耗低色散如色散位移光纤DSF(3)G.655零色散波长为1.525um和1.585um，低损耗低色散如非零色散位移光纤NZ-DSF(4)G.654低损耗广信(5)全波光纤:利用OH-吸收，消除光纤里的损耗13光纤中的非线性效应将主要归结为三阶非线性效应，主要有受激拉曼散射SPS、受激布里渊散射SBS、四波混频FWM及自相位调制SPM。 单模光纤中的这些非线性效应可分为两大类；一类为受激散射效应，另一类为非线性折射率调制效应，包括自相位调制SPM,四波混频FWM及交叉相位调制XPM14无源光器件(1)光纤连接器：实现系统中设备之间、设备与仪表之间、设备与光纤之间、光纤与光纤之间的活动连接，以便于系统的连接、测试和维护(2)光纤分路器及耦合器：实现光信号的分配与合成，光信号的提取与检测等，Y型分路器将一路信号分成两路，不一定是完全相同的两路，X型2*2定向耦合器：光功率从一根光纤耦合到另一根上(3)光隔离器：只允许单向光通过，以此来阻止反射光(4) 光开关：实现各种开关功能(5)光环型器第三章1.光源的工作原理基于光子的吸收、自发发射和受激发射三种原子跃迁过程。受激吸收：原子吸收hf=E2-E1的能量后从低能级跃迁到高能级；自发发射：原子在高能级上不稳定，当它跃迁回低能级时，放出能量为hf的光子；受激发射：原子原来处于高能级上，这时又有能量为hf的光子入射，在它的激发下原子返回低能级并发射光子，发射的光子和入射的光子具有相同的能量、状态。2.发光二极管LED的P-I特性：LED是非阀值器件，发光功率随工作电流的增加而增大，并在大电流时逐渐饱和。工作温度提高时同样工作电流下LED的输出功率要下降。LED的工作电流通常为50100mA，这时偏置电压1.21.8V，输出功率约几毫瓦，而入纤功率在几到几十微瓦。LED的谱特性：1线宽随有源层掺杂浓度增加而增加2线宽随温度升高而加宽。由于LED的线宽大，使光纤色散严重，限制了传输距离和速率。LED的工作基于半导体的自发发射。由于半导体材料的导带和价带都由许多不同的能级组成，大多数的载流子复合发生在平均带隙上，但也有一些复合发生在最低及最高能级之间，因此LED的发射波长在其中心值附近占据较大的范围。定义光强下降一半的波长变化为输出谱线宽度，这就是光源的线宽。LED的调制特性（数字调制时不需预偏置，模拟调制时要预偏置到Idc上）1线性：注入电流小时线性相当好2带宽：LED的3dB调制带宽：f差值3dB(电)=1/2Pit, f差值3dB(光)=根号下3/2Pit,t为LED及驱动电路的时间常数等掺杂浓度高以减小t。3半导体激光器LD的P-I特性：LD是阀值器件，当工作电流大于阀值电流Ith时产生激光输出，而且在Ith以上，LD的输出功率与注入电流近似成正向线性。随着工作温度的提高P-I曲线向右移，Ith增大斜率减小，P减小。LD谱特性：多纵模时谱宽宽，单纵模时谱宽窄LD模式特性：1模式的稳定性2单纵模有利于减小光纤色散3LD的设计及结构上应保证基横模工作LD输出有限线宽是因为1激光腔内自发发射事件引起的光场相位脉动2载流子浓度脉动引起折射率变化，使光腔谐振频率产生变化LD的调制特性：不但可以进行直接幅度调制，也可以进行直接频率调制、直接电流调制。但LD是阀值器件，数字调制时通常先预偏置在阀值附近以上P-I特性曲线中段。频率响应、电光延迟、调制谱特性、动态线宽加宽-频率啁啾。当LD进行高速脉冲调制时，会出现复杂的瞬态特性，如张弛震荡与电光延迟、自脉动及码型效应。无论是从减弱张弛震荡还是从缩短电光延迟时间来提高调制性能，LD都需要预偏置在阀值附近，这样还可以消除码型效应、降低啁啾等。高速光纤总希望单纵模最低次横模工作。4.LED与LD比较：1.LED是非阀值器件，LD是阀值器件。2.LED的谱线宽，入纤功率小，调制速率低，输出非相干光；LD谱线窄，入纤功率大，调制速率高，输出相干光。3.LED适合于短距离低速系统，LD适合于长距离高速系统LED与LD区别：工作原理：LED的工作基于半导体的自发发射，LD的工作基于光的吸收、受激发射和光子被放大的过程，LD产生激光输出的基本条件是形成粒子数反转、提供光反馈及满足激光振荡的阀值条件。工作状态：LED作光源时可直接调制，LD必须进行预偏置。工作特性：1P-I特性：LED是非阀值器件I越大P越大直至大电流时饱和，LD是阀值器件，当输入大于Ith时才能输出且P与I近似成正比。此外LED与LD的P在温度提高时相同I下都会下降，但LD比LED敏感。2谱特性：LED线宽大色散影响严重，限制了传输距离和速率，LD线宽有限。3调制特性：LD与LED均可直接调制，但在数字调制时LED无需预偏置LD需加预偏置至阀值附近。5.数字光发送机框图：电信号-输入电路-驱动电路-光源-光调制器-光信号输入电路：将输入的PCM脉冲信号进行整形，变换成NRZ/RZ码；驱动电路：直接调制光源，给光源一个预偏置；光调制器：调制光源输出的连续光波（外调制）；保护报警：对光源寿命及工作状态进行检测和报警；自动偏置：稳定输出的平均光功率和工作温度。光发送机的性能：1光源性能包括波长、频宽、P-I特性及寿命等2调制方式，模拟、数字或外调制3传输速率或带宽4输出光功率入纤平均光功率0.01-10mW稳定度在5%-10%左右5数字光脉冲的消光比EXT光检测器-前置放大器-主放大器-滤波器-电信号数字光接收机组成框图：光信号-光检测器-前置放大器-主放大器-均衡器-判决再生-电信号光检测器：把接收到的光信号转换成光电流；前置放大器：对光电流进行低噪声放大；主放大器：把前端输出的毫伏级信号放大到后面信号处理电路所需的电平，其余电路都是信号处理电路；均衡滤波器：消除放大器及其他部件引起的信号波形失真，使噪声及码间干扰减到最小；定时提取电路：负责对抽样所需时钟进行恢复；自动增益电路AGC：控制APD及放大器增益以提高接收机的动态范围；判决再生电路：减小信号误码率。2.接收机性能的主要指标是接收灵敏度及动态范围，此外还有工作在各种数据格式的能力、快速的响应时间、工作在各种码速下的能力、低功耗及低价格等。接收灵敏度：达到指定误码率或信噪比时的最小接收信号光功率，通常用dBm表示；动态范围：最大允许的接收光功率及最小可接收光功率之差。光纤通信系统对光检测器的要求：1工作波长上光电转换效率高2检测过程中带来的附加噪声尽可能小3响应速度快，线性好及频带宽，使信号失真尽量小4高可靠长寿命，尺寸可与光纤直径相配，工作电压低3光检测器是两种半导体光电二极管：光电二极管PIN和雪崩二极管APD；PIN的结构：由中间被掺杂极低接近本征的材料i层隔开的PN结构成。PIN工作原理：入射到检测器上的光子能量等于或大于半导体材料的带隙宽度时，价带中电子吸收光子能量跃迁到导带，产生自由电子空穴对，又被高耗尽区分开，各自向相反方向漂移，到达耗尽区边缘时被收集，从而在外电路中产生光电流Ip.APD工作原理：足够高的场强使电子空穴对的增加具有了雪崩效应，从而使光电流得到了倍增。雪崩效应：入射功率产生的电子、空穴运动过程中与晶格中原子碰撞使之电离，产生的额外电子空穴对，新产生的电子和空穴也被加速发生新的碰撞和电离，产生更多的电子空穴对，这成为雪崩效应。3.如图所示P132图4.2.1，Si-PIN光电二极管由中间被掺杂极低接近本征的材料i层隔开的pn结构成。 工作原理：工作时器件上加足够大的反向偏置电压（510V），使本征区中载流子完全消耗，形成消耗区。当入射到检测器上的光子能量等于或大于半导体材料的带隙宽度时，价带中的电子吸收了光子能量而跃迁到导带，产生自由的电子-空穴对。一旦电子空穴对产生后，高的耗尽区电场使他们立即分开，各自向相反方向漂移，到达耗尽区边缘时被收集。在外电路中产生电流，即光电流Ip4.雪崩光电二极管APD的工作原理：当耗尽区中场强足够大时，入射光功率产生的电子或空穴将被加速到很高的速度。这些电子与空穴在运动过程中与晶格中的原子碰撞时，使之电离，产生额外的电子空穴对，这些新产生的电子和空穴也被加速，发生新的碰撞和电离，并产生更多的电子空穴对。（雪崩效应）5 PIN光电二极管的量子效率n表示入射光子转换成光电子的效率，定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比。N=Ip*hf/(p0*e)=Ip*hc/(p0*e);PIN的响应度定义为平均输出光功率与平均入射光功率之比。R0=Ip/p0=ne/hf=ne/hc=n/1.24(A/W),得到n=R0hc/e.具体计算例题4.2.16.光接收机中的噪声源：1.量子噪声（或散弹噪声）2.暗电流噪声3.漏电流噪声4.背景噪声5.倍增噪声6.热噪声7.放大器噪声7.光检测器信噪比计算（参考P148例4.3.1及习题4-5）8.检测器的响应时间计算（P138公式4.210及4.2.11及习题4-3）第五章1.EDFA工作波长处于最低损耗窗口1550nm，其放大的自发发射谱带宽很大且有两个峰值1530nm和1550nm。EDFA的主要优点是增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低、对偏振不敏感。E