现代通信技术第9章光纤通信技术

.第九章光纤通信技术，9.1光纤通信概述9.1.1电磁波谱信息的传输以电磁波为媒介。通信中使用的频带是波长从公里到微米的供求范围。通信容量与电磁波的频率成比例增加，因此，探索在通信技术中使用更高频率电磁波是人们追求的目标。9.1.2光纤通信系统基本结构与特性光纤通信系统和其他通信系统相比具有优势：带宽频率、通信容量、传输损耗低、没有中继距离长、电磁抗干扰光纤通信字符串、小秘密、小安全、轻重量、安装材料资源丰富、方便。9.2光纤传输原理和特性，9.2.1光纤结构和分类核心；包层(Cladding)；涂层层按纤维横截面的折射率分布对阶跃光纤：核心折射率n1、包层折射率N2进行分类。核心和包层的折射率都均匀分布，折射率在核心和包层的界面发生突变。渐变光纤(gif: graded-index fiber):包层的折射率N2是均匀的，但核心的折射率n1是非均匀的，随着核心半径的增加而连续变化。此外，核心折射率分布曲线为三角形的三角形折射率光纤；双包层光纤、4包层光纤等，例如，按光纤的传导模式数分类的单模光纤、由多模光纤组成的原材料分类的石英系统光纤、多成分玻璃光纤、塑料包层光纤、完全塑料光纤增强光纤、松散集光纤、9.2.2光纤的光导原理、光的波粒子双重性：光(电磁)分析光在光纤中传输特性的两种方法(理论):光线光学(几何光学)理论、波动光学理论。光线光学：光线表示光能传递线。该理论适用于光波长远小于光波导尺寸的多模光纤，并得到了简单直观的分析结果。波光学：将光纤的光视为经典电磁场。从波动方程和电磁场的边界条件中可以得到全面准确的解释或数字结果，通过在光纤中赋予场的结构形式(即传输模式)，可以提供光纤中描述完美场的形式。其特点是准确全面地描述光纤的传输特性，该理论适用于单模光纤和多模光纤的分析。利用光分析对光纤的特性多模阶跃折射率光纤的光光学理论分析多模阶跃光纤的芯中光通过直线传输，在芯和包层的界面中光反射。光纤的相对折射率差、由接口上的光线的前半部分条件、可以开始临界角、可以定义光纤的数值光圈、“数值光圈”(na: numerical aperture)表征光纤端面收集入射光的能力。多模梯度折射率光纤的射线光学理论分析，多模梯度折射率光纤芯的折射率连续变化。随着芯半径r的增加，按一定规则减小。梯度折射率光纤的折射率分布可以用折射率分布指数表示，g。a是核心半径。r是从核心中的任意点到轴心的距离。最小化组延迟差的最佳折射率分布指数g约为2，9.2.3光纤的传输特性，光纤的损耗特性光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光的功率继续减小。光纤对光波的衰减效果称为光纤的损耗。测量光纤损耗特性的参数是衰减系数(损耗系数)，单位长度光纤引起的光功率衰减 ()定义为波长中的衰减系数。Pi是人类光纤的光功率。Po光纤输出光功率；l为光纤的长度光纤的损耗特性是光纤非常重要的传输参数，对于评估光纤质量和确定光纤通信系统的中继距离具有决定性作用。造成光纤损失的因素光纤的损失因素主要是吸收损失、散射损失和其他损失。光纤的吸收损耗：固有吸收：分子振动引起的红外吸收吸收(Si-O键共振吸收)，影响1500-1700nm波长区的光纤通信；电子转移引起的吸收引起的紫外线吸收在700-1100nm波长区影响光通信。杂质吸收：由过渡金属离子Cu2、Fe2、Mn3、Cr3、Ni2、V3吸收；氢氧根离子(弧-)引起的吸收峰为2.8m，但1.39m，1.24m，0.95m附近有谐波吸收峰。光纤的散射损耗：由制造缺陷和固有散射引起的瑞利散射是由于纤维芯材料中的小颗粒或气孔等分子级结构不均匀而产生的，瑞利散射系数与波长的第四阶(4)成反比。非线性散射：受激拉曼散射；刺激Brillouin散射。其他损失：弯曲损失：微弯曲损失；宏观弯曲损失连接损失耦合损失，光纤的损耗特性曲线-损耗谱，氢氧根离子(HO-)引起的谐波吸收峰，红外吸收，紫外线吸收，Relay散射，光纤的色散特性光纤色散的概念光纤色散(FiberDispersion):由于光纤传输的信号是由不同频率组件和不同模式组件传输的，因此不同频率组件的光在光纤中以不同速度传输，信号失真的物理现象。光纤色散的表示：光纤的色散系数D()描述了单位长度光纤中由单位光谱线宽光源引起的最大延迟差 (组延迟差)描述了光纤中最快、最慢光波分量的延迟差。时差越大，方差越大。光纤带宽使用光纤的频率特性描述光纤的分布。光纤色散的种类主要取决于色散的原因，可分为模式色散、材料色散和波导色散三种。模式色散(模式间色散)在多模式光纤中具有许多传输模式，在同一波长上，也根据沿光纤沿轴的不同传输速率到达接收端所需的时间发生模式色散。材料色散是由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，因此光的传输速度随波长变化而产生的色散。波导色散相同模式下的相位常数随波长变化，引起色散。波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的形状结构引起的。偏振模式色散(PMD : polized moderation)由于沿光纤在两个不同方向偏振的相同模式下的相位常数不同，因此两种模式传输不同步而形成色散。单模光纤的色散，定义光纤的非线性效应：光纤入射的光功率密度足够大时，光纤的传输特性参数随着光功率的变化而变化的现象称为光纤的非线性效应。光纤的非线性效果对光纤通信系统具有积极和消极的作用，一方面可能导致传输信号的额外损失，波长分割多路复用系统的信道之间的字符串，信号载波移动等。也可以用于开发放大器、调制器等新设备。光纤的非线性效应类型：感应散射效应感应布里渊散射；受激拉曼散射折射率扰动磁相位调制；交叉相位调制；4波长混合(FWM)；光孤子，9.2.4单模光纤，光纤的模式：光纤中只能保持一些离散角度光源的传播，这称为导向模式(GuidedMode)。平行于核心轴的导引模式称为零阶模式或基本模式。单模光纤：仅保持零阶模式传输，高阶模式终止保持的光纤称为单模光纤。光纤单模传输的条件：引入v参数的概念光纤中传输的不同阶模具有不同的v参数。对于单模传输(如果仅传递零次模块)，v参数必须小于主模v参数的值V1(V1=2.40483由可变光学计算得出)。光单模式传输包括、单模光纤的结构特征为了确保单模传输，光纤的芯径较小，通常芯径为4 10 m。单模光纤的包层折射率经常变化，以便合理制造和提高光纤性能。构成所谓双层结构。图9.5显示了几种折射率分布。单模光纤的特性参数截止波长表示光纤的第一高阶模式截止波长。只有操作波长大于单模光纤的截止波长，才能保证光纤在单模状态下工作。光纤的单模传输条件：模式场直径(MFD : modfielddiameter) 描述了光纤中的光能沿光纤半径分布的状态，即光纤中的光能传递程度的参数。定义为单模光纤中最大光功率径向分布的一半e2的宽度。单模光纤的偏振：称为单模光纤，它实际上传输两个相互垂直的基本模式。在精密的纤维中，这两种模式具有相同的相位常数，并相互合并。但是，实际光纤不完整，两种正交基本模式的相位常数不相同。也就是说，传播速度不同会导致延迟差异。这种现象称为偏振模式色散(PMD)。单模光纤的分类：普通单模光纤(SMF)(G.652光纤)非色散位移单模光纤分布式位移单模光纤(DSF)(G.653光纤)截止波长位移单模光纤(G.654光纤)33603354具有很小的1550nm波长区域损耗，主要为非零色散位移单模光纤(NZDF)(G.655光纤)自适应波分复用(WDM)传输系统色散补偿单模光纤(DCF) 1550nm波长区中具有大负色散系数的单模光纤。9.3光发射机和光接收机、光发射机和光接收机统称为光端机。光发射机的主要作用是将电铃传输的电信号转换为光信号，并将其组合成光纤传输。光发射机的光源是整个系统的关键设备，其性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。光接收器的主要作用是减弱光纤发送后的振幅，波形失真，将弱光信号转换为电信号，然后放大、整形、再生电信号，生成与发射器相同的电信号，输入到电接收器中。光接收器的核心设备是半导体光探测器，与接收器的前导器一起，指光接收器的前端。前端的性能是决定光学接收器的主要因素。9.3.1半导体激光器和发光二极管，光通信系统的光源要求发射波长必须与850nm、1310nm和1550nm的三个低损耗窗口光纤的低损耗窗口相匹配。有高到足以满足系统中继距离要求的可靠输出光功率，一般10微瓦到几微瓦为宜。光谱线宽必须窄。也就是说，单色很好，可以减少光纤色散对信号传输质量的影响。调制必须响应，以满足简单快速传输的需要。电光转换效率高。可以在室温下继续工作。小巧轻便，使用寿命长，稳定可靠。-半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)是满足这些要求的理想光源设备。在不同的光通信系统中用作光发射机的光源。半导体激光器(LD:LaserDiode)的基本原理感应辐射是半导体激光器的基本工作原理。在半导体材料中，原子按照一定的规则紧密排列。电子的共价化运动导致了能量水平的分割，形成了图9.9所示的波段。激光生成条件：粒子数反转分布；光谐振腔，半导体激光器的结构半导体光源的核心是由高浓度p型半导体材料和n型半导体材料组成的PN连接。p分区和n分区之间是源分区(或活动分区)。两个端面对自然分解面形成平行反射镜，构成光学谐振腔。源区域对光有好处，而谐振腔则起到光学正反馈的作用。半导体激光器的稳态特性发射波长：构成半导体激光器的物质决定激光器的发射波长。P-I特性：输出光功率p随注入电流I变化的关系。温度特性：半导体激光器是对温度敏感的设备，其输出光功率随温度变化。模式特性：横向模式、横向模式、纵向模式光谱特性：半导体激光器的光谱特性主要由激光器的纵向模式决定。激光的效率LD将激发功率转换为光电的比率。常用参数是外部微分量子效率。LD达到阈值时，输出光子数的增加与注入电子数的增加之比。发光二极管(LED: LED:Light-EmittingDiodes)基本原理LED是非干涉光源。工作原理是自发辐射。发光二极管的结构LED通常有两种结构：面发光二极管(SLED)。边缘发光二极管(ELED)，操作特性P-I特性：无阈值；I-P是线性关系。有饱和现象。光谱特性：由于自发辐射，输出光谱更广。温度特性：LED具有比LD更好的温度特性。远特性：距离设备输出端特定距离的梁的空间分布称为远特性。LED的发散角度大于LD，因此与光纤结合的效率很低。光源的调制定义：光调制是通过控制光载波的特定参数(例如，光强度等)作为要发送的电信号来完成发射信息的传输过程，即，电/光转换的过程。类型：光调制可以根据调制与光源的关系分为直接调制和间接调制。直接调制：使用电源调制方法，因为要传递的信息切换到电流信号发送者LD或LED，以获得适当的光信号。直接调制后光波电场振幅的平方是与调制信号成比例的光强度调制(IM)的一种方法。间接调制：利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等特性实现激光辐射的调制。这种调制方式既适用于半导体激光器，也适用于其他类型的激光器。间接调制是激光形成后加载调制信号的最常见的外部调制方法。9.3.2光发射机，光发射机的配置，光源的数字调制和驱动器LED的数字调制和驱动器LD的数字调制和驱动器控制电路自动温度控制(ATC)光发射机的主要指标平均发射光功率：光源尾光纤输出的平均光电功率比：全部1 码平均发射功率与全部 0 码平均发射功率的比率频谱特性：光源的频谱宽度，9.3.3光电探测器，光纤通信系统对光电探测器的要求：在系统的工作波长上必须有足够的响应。也就是说，对于特定入射光功率，光探测器可以输出尽可能多的光电流。足够的响应速度和足够的工作带宽，为高速光脉冲信号提供足够的快速响应。发出较小的附加噪音。光电转换线性，高保真；稳定可靠，工作寿命长；体积小，使用方便。目前满足上述要求，适合光纤通信系统的光探测器主要有半导体针光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、光电晶体管等，其中前两种应用最广泛。pin光电二极管的基本原理和结构工作原理：感应吸收针结构：在高掺杂p型和n型半导体材料之间生长固有半导体材料或低掺杂半导体材料层，称为I层。使光子从耗尽区域充分吸收，从而提高量子效率和响应速度。主要特性波长响应范围：只有光子能量HF大于半导体材料的带隙Eg时，才能产生光电效果。此条件限制了光电二极管使用的上波长，这称为光电二极管的截止波长。响应性和量子效率响应性以及量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。响应也是：量子效率：响