第一章第二部分光纤通信技术

1、第一章第一章 绪论绪论( (二）二） 光纤通信中光的作用及特性；光纤通信中光的作用及特性； 光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信系统的基本单元简介； 光纤通信的基本问题；光纤通信的基本问题； 光纤通信系统的主要技术指标。光纤通信系统的主要技术指标。带宽大约为载波信号频率的十分之一带宽大约为载波信号频率的十分之一)1 (log2snrbc光纤通信中光的作用及特性光纤通信中光的作用及特性1. 1. 光作为载波，可以极大地提高信道的带宽光作为载波，可以极大地提高信道的带宽带宽是信号进行传输且没有明显衰减的频率范围，信道的带宽是信号进行传输且没有明显衰减的频率范围，信道的带宽越大，信道容量就越大。带宽

2、越大，信道容量就越大。香农哈特利（香农哈特利（shannon-hartleyshannon-hartley）定理：）定理：载波频率越高，信道的带宽就越大，系统的信息传输能载波频率越高，信道的带宽就越大，系统的信息传输能力也就越强。力也就越强。信道信道带宽带宽信噪比信噪比名称应用传输介质有线介质无线介质紫外线可见光红外线电话数据视频激光束光纤毫米波特高频（shf）超高频（uhf）甚高频（vhf）高频（hf）中频（mf）低频（lf）甚低频（vlf）音频波导同轴电缆双绞线微波无线电短波无线电长波无线电卫星通信微波通信电话、电报调幅广播移动无线电uhf tv移动通信导航潜艇通信飞行器通信导航、雷达业余

3、无线电商务应用调频广播1014 hz1015 hz10-6 m100 ghz10 ghz1 ghz100 mhz10 mhz1 mhz100 khz10 khz1 khz1 c m10 c m1 m10 m100 m1 km10 km100 km800nm1700nm带宽可达带宽可达50thz50thz光纤通信中光的作用及特性光纤通信中光的作用及特性2. 2. 光在光纤中传输的工作波长是由光纤特性决定的光在光纤中传输的工作波长是由光纤特性决定的低损耗是实现光信号长距离无中继传输的前提。低损耗是实现光信号长距离无中继传输的前提。波长波长 (nm)损耗损耗 (db/km)7009001100130

4、01500170011015501310850光纤损耗的波长特性光纤损耗的波长特性2db/km2db/km0.5db/km0.5db/km0.2db/km0.2db/kmhveggehc导 带导 带能带能带价 带价 带能带能带禁禁带带光子光子电子电子ecev量量能能h3. 光在光发射机和光接收机中的工作基于光的辐射与吸收光在光发射机和光接收机中的工作基于光的辐射与吸收光纤通信中光的作用及特性光纤通信中光的作用及特性我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能带差，从而我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能带差，从而改变其发光波长。改变其发光波长。自发辐射光是一种非相干光，自发辐射光是一种非相干光

5、，即不是单一频率、相位和偏振即不是单一频率、相位和偏振方向相同的光。方向相同的光。低能带低能带高能带高能带ec3ev2hec2ec1ev3ev1h（a） 光的自发辐射（发光二极管光的自发辐射（发光二极管led）光纤通信中光的作用及特性光纤通信中光的作用及特性（b） 光的受激发射（激光二极管）光的受激发射（激光二极管）低能带低能带高能带高能带ec3ev2hec2ec1ev3ev1h输入光输入光h输出光输出光要实现受激发射需要两个要实现受激发射需要两个条件：一是粒子数反转；条件：一是粒子数反转；二是在半导体激光器中产二是在半导体激光器中产生谐振从而得到单色性和生谐振从而得到单色性和方向性好的激光输

6、出。方向性好的激光输出。低能带低能带高能带高能带ec3ev2hec2ec1ev3ev1h输入光输入光eg（c）光的吸收（光检测器）光的吸收（光检测器） 光纤通信中光的作用及特性光纤通信中光的作用及特性第一章第一章 绪论绪论( (二）二） 光纤通信中光的作用及特性；光纤通信中光的作用及特性； 光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信系统的基本单元简介； 光纤通信的基本问题；光纤通信的基本问题； 光纤通信系统的主要技术指标。光纤通信系统的主要技术指标。光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元1.光发射机光发射机电信号到光信号的转换装置和光信号传输装置组成，电信号到光信号的转换装置和光信号传输装置组

7、成，光源是光发射机的核心部件。光源是光发射机的核心部件。目前常用光源有目前常用光源有ledled和和ldld两种。两种。if (ma)p (mw)led外形图和输出特性外形图和输出特性if (ma)p (mw)ld外形图和输出特性外形图和输出特性光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元对光源的调制对光源的调制（a a）模拟电流信号对激光器的直接调制）模拟电流信号对激光器的直接调制p (mw)if (ma)ibith输出光信号输入电流信号限流点工作在线性区工作在线性区工作在截止区工作在截止区工作在限流区工作在限流区直接调制直接调制间接调制间接调制p (mw)if (ma)输出光信号输入电流信

8、号ith（b b）数字电流信号对激光器的直接调制）数字电流信号对激光器的直接调制光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元消光比（消光比（extinction ratioextinction ratio）：）：是衡量数字传输时光源的一项重要参数。是衡量数字传输时光源的一项重要参数。01pexp为保证接收机灵敏度不受或少受影响，消光比应尽量小，一般为保证接收机灵敏度不受或少受影响，消光比应尽量小，一般应小于应小于0.10.1外调制方式（间接调制）：外调制方式（间接调制）：光 源调制器光信号（已加载信息）光信号（未加载信息）输入电信号光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元不直接调制光源，而

9、是在光源输出的通路上外加调制器来不直接调制光源，而是在光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制（利用晶体的电光效应，磁光效应，声光对光波进行调制（利用晶体的电光效应，磁光效应，声光效应），适用于各种类型的激光器。效应），适用于各种类型的激光器。光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元电光效应电光效应电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电场引起晶体折射率变化的现象，能够产生电光效应的变化称为电光晶体。电光效应的变化称为电光晶体。mach-zehnder interferometer（1 1）驱动电路。）驱动电路。（2 2）自动功率控制电路）自动功率控制电路apcapc（automatic

10、 power controlautomatic power control）。）。（3 3）自动温度控制电路）自动温度控制电路atc(automatic temperature atc(automatic temperature control)control)。控制在。控制在0.10.1的范围内。的范围内。（4 4）光隔离器。）光隔离器。 光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元2. 2. 光发射机的辅助电路光发射机的辅助电路使不能工作驱动器数据dfb-ld监测pd光纤光隔离器激光器偏置监测apc电路atc电路热电致冷器热敏电阻器背面监测光输出告警激光器温度监测光发射模块功能框图光发射模

11、块功能框图光发射模块实物图光发射模块实物图光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元2.光纤光纤 光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。工艺拉制而成。 光纤光纤中心部分中心部分(芯芯core)同心圆状包裹层同心圆状包裹层(包层包层clad)涂覆层涂覆层 特点：特点：ncorenclad 光在芯和包层之间的界面上反复进光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。行全反射，并在光纤中传递下去。光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元22210212202110sin1c

12、os90sinsincossinnnnnannnnnnniccci2112 nna1212122212nnnnnn光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元阶跃型光纤阶跃型光纤所有所有 大于大于临界角临界角 c c的的光线都被限光线都被限制在纤芯内。制在纤芯内。阶跃光纤阶跃光纤光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元光纤光纤 光缆实物图光缆实物图光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元3. 3. 光接收机光接收机由光信号到电信号的转换装置和电信号处理装置组成，具体由由光信号到电信号的转换装置和电信号处理装置组成，具体由光电检测器、放大器和相

13、关电路组成。光电检测器、放大器和相关电路组成。光光catvcatv接收模块接收模块minlg10psrminmaxlg10ppd 光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元minp是指在满足给定误码率或信噪比条件下，接收机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力，工程上常用最低平均光功率接收微弱信号的能力，工程上常用最低平均光功率来描述，灵敏度表示为来描述，灵敏度表示为是指在保证系统误码率指标要求下，接收机的最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大允许光功率之比低光功率和最大允许光功率之比灵敏度灵敏度动态范围动态范围第一，它可以对任何比特率和格式的信号都

14、加以放大，这种属性第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。第二，它不称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。第二，它不只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。以放大。输入光信号输出光信号光纤光纤光放大器光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元4.4.光放大器光放大器光放大器的作用光放大器的作用: :两个明显的优势两个明显的优势: :光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大隔离器输入光激活介质泵

15、浦源隔离器输出光光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元er fiberwdmisolatorisolatorsignal 980nm pump ld掺铒光纤放大器的基本结构及工作原理：掺铒光纤放大器的基本结构及工作原理：980nm1480nm1520-1570nm4i11/24i13/24i15/2erer3+3+能级图能级图 包层信号光1550nm泵浦光1480nm或980nmedf信号光泵浦光掺铒光纤长度最佳长度光强光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元对光纤放大器的主要要求是：高增益，低噪声，高的输出对光纤放大器的主要要求是：高增益，低噪声，高的输出光功率，低的非线性失真光功

16、率，低的非线性失真掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器光纤通信系统的基本单元光纤通信系统的基本单元第一章第一章 绪论绪论( (二）二） 光纤通信中光的作用及特性；光纤通信中光的作用及特性； 光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信系统的基本单元简介； 光纤通信的基本问题；光纤通信的基本问题； 光纤通信系统的主要技术指标。光纤通信系统的主要技术指标。)exp(0lppt1010(/)logoutinpdb kmlp光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题示例示例 对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的损耗系对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的损耗系数为数为0db/km，但在实际中这是不可能的。实际的低损，

17、但在实际中这是不可能的。实际的低损耗光纤在耗光纤在900nm波长处的损耗为波长处的损耗为3db/km，这表示传，这表示传输输1km后信号光功率将损失后信号光功率将损失50，2km后损失达后损失达75(损失了损失了6db)。之所以可以这样进行运算，是因为用分。之所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的损耗具有贝表示的损耗具有可加性可加性。光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题光纤的损耗机理光纤的损耗机理(1)(1) 材料吸收材料吸收 紫外、红外、紫外、红外、oh离子、金属离子吸收等，是材离子、金属离子吸收等，是材料本身所固有的料本身所固有的-本征吸收损耗本征吸收

18、损耗 oh离子吸收：离子吸收：o-h键的基本谐振波长为键的基本谐振波长为2.73 m，与，与si-o键的谐振波长相互影响，在光纤通键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在在1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。成了光纤通信的三个窗口。 减低减低oh离子浓度，减低这些吸收峰离子浓度，减低这些吸收峰-全波光纤全波光纤（allwave 康宁）康宁）光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题光纤的损耗机理光纤的损耗机理(2)(2) 瑞利散射瑞利散射是一种基本损耗机理。是一种基本损

19、耗机理。 由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。 大小与大小与 4成反比，成反比， rc/ 4（db/km）因而主要作用因而主要作用在短波长区。在短波长区。 瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。定了光纤损耗的最终极限。 在在1.55 m波段，波段，瑞利散射引起的损耗仍达瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16 db/km ，是该段损耗的主要原因。，是该段损耗的主要原因。光纤

20、通信的基本问题光纤通信的基本问题光纤的损耗机理光纤的损耗机理(3)(3) 辐射损耗又称弯曲损耗辐射损耗又称弯曲损耗，包括两类：一是弯曲半径远大包括两类：一是弯曲半径远大于光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。于光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。 定性解释：定性解释：导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）与纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的与纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以

21、大于光同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐速的速度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。射出去而损耗掉。光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题例：一根光纤长例：一根光纤长20km20km，衰，衰减为减为0.5db/km0.5db/km，一端注入，一端注入功率为功率为600w600w的光信号，的光信号，求其输出光功率。求其输出光功率。光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题(dispersion)(dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的不不同而产生的一种物理

22、效应。同而产生的一种物理效应。对数字传输而言，色散造成光脉冲的展宽，致使前后脉冲相对数字传输而言，色散造成光脉冲的展宽，致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的互重叠，引起数字信号的码间串扰码间串扰，造成误码率增加；对模，造成误码率增加；对模拟传输而言，它会限制带宽，产生谐波失真，使得系统的信拟传输而言，它会限制带宽，产生谐波失真，使得系统的信噪比下降。噪比下降。 色散的种类：色散的种类： 色度色散色度色散纤芯光 源包层光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题1. 1. 模式色散模式色散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0纤芯包层1230123ttt脉冲因多个模式而起的展

23、宽脉冲因多个模式而起的展宽-模式色散模式色散光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题脉冲展宽的计算脉冲展宽的计算lt 0ccltcos)() 1cos1(22110nnnclnltttcc最低模式（也称为零级模式）沿中最低模式（也称为零级模式）沿中心轴线到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（以临界角传播的光线）所需时间最高模式（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221121212122212nnnnnnnnnnnnclnt1光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题单模光纤设计的基本思路单模光纤设计的基本思路:减小纤芯直径的尺寸减小纤芯直径的尺寸减小相对折射

24、率减小相对折射率典型的单模光纤的纤芯直径和相对折射率分别典型的单模光纤的纤芯直径和相对折射率分别是是8.3m8.3m和和0.37%0.37%，而渐变折射率光纤这两者的，而渐变折射率光纤这两者的数值分别是数值分别是50m50m和和2%2%。例例: : 一阶跃折射率光纤，已知一阶跃折射率光纤，已知n1n11.4861.486，n2n21.4721.472，仅考虑模式色散，计算每仅考虑模式色散，计算每1km1km长度的脉冲展宽。长度的脉冲展宽。clnt1光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题2. 2. 波导色散波导色散进入单模光纤中的光信号功率大约只有进入单模光纤中的光信号功率大约只有80%80%在纤

25、芯中传播，在纤芯中传播，另外另外20%20%在包层传输，由于纤芯和包层有着不同的折射率，在包层传输，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，在包层中传播的光功率速所以这两部分的传输速度不同，在包层中传播的光功率速度要更大一些，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。度要更大一些，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。| )(|wdlt波导色波导色散系数散系数光源的光源的线宽线宽光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题3. 3. 材料色散材料色散| )(|mdlt是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式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（光脉冲包络线速度）都会随着波长的变

26、化的群速率（光脉冲包络线速度）都会随着波长的变化而造成的。而造成的。材料色材料色散系数散系数光源的光源的线宽线宽波长 (m)材料色散波导色散色度色散色散系数ps/(kmnm)1.11.21.31.41.51.61.7-30-20-100102030光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题单模光纤中波导色散和材料色散与波长的关系单模光纤中波导色散和材料色散与波长的关系光纤通信的基本问题光纤通信的基本问题非线性效应非线性效应1.自相位调制自相位调制spm（self phase modulation）2.交叉相位调制交叉相位调制xpm(cross phase modulation)3.四波混频四波混频f

27、wm(four wave mixing)。4.4.受激喇曼散射受激喇曼散射srs(stimulated raman scattering)srs(stimulated raman scattering)5.受激布里渊散射受激布里渊散射sbs(stimulated brillouin scattering)第一章第一章 绪论绪论( (二）二） 光纤通信中光的作用及特性；光纤通信中光的作用及特性； 光纤通信系统的基本单元简介；光纤通信系统的基本单元简介； 光纤通信的基本问题；光纤通信的基本问题； 光纤通信系统的主要技术指标。光纤通信系统的主要技术指标。光纤输入光脉冲输出光脉冲时间波形光脉冲展宽1 0 11 1 1光纤通信系统的主要性能指标光纤通信系统的主要性能指标1. 1. 比特率比特率也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，单位为比特单位为比特/ /秒，写成秒，写成b/sb/s或或bpsbps，常用符号，常用符号b b表示。表示。光纤色散效应对比特率的限制光纤色散效应对比特率的限制1.1.比特率和带宽比特率和带宽返回返回比特率与脉冲展宽比特率与脉冲展宽(a) 输入光脉冲tt20光强(b) 输出光脉冲t0光强221maxb最大比特率的计算式最大比特率的计算式:光纤通信系统的主要性能指标光纤通信系统的主要性能指标光纤色散是比特