光通信原理总复习综述

1、极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真光通信原理复习光通信原理复习讲讲 授：高授：高 翔翔办公室：综合实验楼激光中心室办公室：综合实验楼激光中心室E_mail: 极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真2第第1章章 绪论绪论 1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成第第2章章 光纤和光缆光纤和光缆 2.1 光纤的结构和类型光纤的结构和类型2.2 光纤的传输原理光纤

2、的传输原理2.3 光纤传输特性光纤传输特性2.4 光缆光缆2.5 光纤特征测量方法光纤特征测量方法第第3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1 光源光源3.2 光检测器光检测器3.3 光无源器件光无源器件第第4章章 光端机光端机 4.1 光发射机光发射机4.2 光接收机光接收机4.3 线路编码线路编码第第5章章 数字光纤系统数字光纤系统 5.1 两种传输体制两种传输体制5.2 系统的性能指标系统的性能指标5.3 系统的设计系统的设计第第6章章 模拟光纤通信系统模拟光纤通信系统 6.1 调制方式调制方式6.2 模拟基带直接光强调制光纤传输系统模拟基带直接光强调制光纤传输系统6.3 副载波复用光纤

3、传输系统副载波复用光纤传输系统第第7章章 光纤通信新技术光纤通信新技术 7.1 光纤放大器光纤放大器7.2 光波分复用技术光波分复用技术7.3 光交换技术光交换技术7.4 光孤子通信光孤子通信7.5 相干光通信技术相干光通信技术7.6 光时分复用技术光时分复用技术7.7 波分复用技术波分复用技术第第8章章 光纤通信网络光纤通信网络 8.1 通信网的发展趋势通信网的发展趋势8.2 SDH传送网传送网8.3 WDM光网络光网络8.4 光接入网光接入网极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真3第一章第一章 绪论绪论极极 端端 条条 件件 物物

4、 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 光纤通信的优点光纤通信的优点1. 容许容许频带很宽，传输容量频带很宽，传输容量很大很大2. 损耗损耗很小，中继距离很长且误码率很很小，中继距离很长且误码率很小小3. 重量重量轻、轻、 体积小体积小4. 抗抗电磁干扰性能好电磁干扰性能好5. 泄漏泄漏小，小， 保密性能保密性能好好6. 节约节约金属材料，金属材料， 有利于资源合理使用有利于资源合理使用 光纤通信的缺点光纤通信的缺点1. 抗拉强度低，容易折断抗拉强度低，容易折断 (比如经常被挖断比如经常被挖断) 2. 光纤光纤连接困难连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等断

5、面是否垂直、焊接点是否有气泡等)3. 光纤通信光纤通信过程中怕水、怕冰过程中怕水、怕冰 (OH-根吸收增大损耗根吸收增大损耗)4. 光纤光纤怕弯曲怕弯曲 (导致损耗增加导致损耗增加)绪论绪论4极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光纤通信系统光纤通信系统可以传输数字、模拟信号。以数字电话和模拟电可以传输数字、模拟信号。以数字电话和模拟电视为例。视为例。 图图 1.4 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成(单向传输单向传输) 信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统

6、光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出绪论绪论5极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 数字通信系统的优点：数字通信系统的优点： 抗干扰能力强，传输质量好抗干扰能力强，传输质量好。 可以用再生中继，传输距离长。可以用再生中继，传输距离长。 适用各种业务的传输，灵活性大。适用各种业务的传输，灵活性大。 容易实现高强度的保密通信。容易实现高强度的保密通信。 便于加密便于加密 易于集成，实现小型化，可降低成本。易于集成，实现小型化，可降低成本。 数字通信系统的缺点：数字通信系统的缺点： 占用占用频带较宽，系统的频带利用

7、率不高。但是光纤通频带较宽，系统的频带利用率不高。但是光纤通信的频带很宽，足够克服数字通信的缺点。信的频带很宽，足够克服数字通信的缺点。 1、 数字通信系统数字通信系统占用带宽占用带宽较窄，电路简单、价格便宜较窄，电路简单、价格便宜。 2、 模拟通信系统模拟通信系统绪论绪论6极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真7绪论绪论课后习题及思考题课后习题及思考题1-2，1-4, 1-5极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真8第二章第二章 光纤和光缆光纤和光缆21 光纤结构和类型光纤结

8、构和类型 2.1.1 光纤结构光纤结构 2.1.2 光纤类型光纤类型 2 2 光纤传输原理光纤传输原理 2.2.1 几何光学方法几何光学方法 2.2.2 光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论 2.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用2 3 光纤传输特征光纤传输特征 2.3.1 光纤色散光纤色散 2.3.2 光栅损耗光栅损耗 2.3.3 光纤标准和应用光纤标准和应用2 4 光缆光缆 2.4.1 光纤标准和应用光纤标准和应用 2.4.2 光缆结构和类型光缆结构和类型 2.4.3 光缆特性光缆特性2.5 光缆特性测量方法光缆特性测量方法 2.5.1 损耗测量损耗测量 2.5.2 带宽测量带宽测量 2

9、.5.3 色散测量色散测量 2.5.4 截止波长测量截止波长测量极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真2.1 2.1 光纤光纤结构和类型结构和类型2.1.1 光纤光纤结构结构n1n2 ，相对折射率差，相对折射率差=(n1-n2)/n1， 0.3%0.6% 单模光纤；单模光纤； 1%2% 多模光纤多模光纤。9极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真纤芯纤芯 ：高高纯度纯度SiO2，有极少量的掺杂，有极少量的掺杂(如如GeO2，P2O5)，用来，用来提高纤芯对光的折射率提高纤芯对光

10、的折射率n1，以传输光信号。，以传输光信号。 包层包层：掺杂的高纯度：掺杂的高纯度SiO2。掺杂剂。掺杂剂(如如B2O3) 用来适当降低用来适当降低n2 。涂覆层涂覆层：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层缓冲层一般为性能良好的填充油膏；一般为性能良好的填充油膏； 二二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又时又增增 加

11、加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。纤寿命的作用。2.1 2.1 光纤光纤结构和类型结构和类型10极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真光纤种类很多，作为通信用的由高纯石英光纤主要有三种。光纤种类很多，作为通信用的由高纯石英光纤主要有三种。 突变型多模光纤突变型多模光纤(SIF),图图2.2(a)，折射率由纤芯的，折射率由纤芯的n1突变到包突变到包层的层的n2。2a=5080 m，光线以折线形状传播，特点是信号畸，光线以折线形状传播，特点是信号畸变大。变大。 渐变型多模光纤渐变型

12、多模光纤(GIF),图图2.2(b)，折射率由纤芯中心，折射率由纤芯中心n1逐渐逐渐减小到包层的减小到包层的n2。2a=50 m，光线以正弦形状传播，特点，光线以正弦形状传播，特点是信号畸变小。是信号畸变小。 单模光纤单模光纤(SMF),图图2.2(c)，折射率突变，折射率突变，2a=810 m，光线，光线直线传播。只能传输一个模式直线传播。只能传输一个模式(两个偏振态简并两个偏振态简并), 信号畸变信号畸变很小。很小。多模光纤的纤芯直径比单模光纤大很多，可以容纳数百个模多模光纤的纤芯直径比单模光纤大很多，可以容纳数百个模式。渐变型多模光纤和单模光纤，式。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径包层

13、外径2b都选用都选用125 m。2.1.2光纤类型光纤类型2.1 2.1 光纤光纤结构和类型结构和类型11极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 图图 2.2三种基本类型的光纤三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤；突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；渐变型多模光纤； （c） 单模光纤单模光纤 横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 m125mrnAitAot(b)10 m125mrnAitAot(c)2.1 2.1 光纤光纤结构和类型结构和类型12极极 端端 条条 件件 物物

14、质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。光纤中允许存在多个分离的传导模。n 优点优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源作为光源n 缺点缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输：存在模间色散，只能用于短距离传输：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。n 优点优点：单模光纤只能传输基模：单模光纤只能传输基模(最低阶模最低阶模)，它不存在模间，它不存在模间时延差，因此它具有比多

15、模光纤大得多的带宽，这对于高时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。码速长途传输是非常重要的。n 缺点缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。使用半导体激光器激励。2.1 2.1 光纤光纤结构和类型结构和类型13极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 图图 2.3典型特种单模光纤典型特种单模光纤 (a) 双包层；双包层； (b) 三角芯；三角芯； (c) 椭圆芯椭圆芯 2a 2an1n2n3(a)(b)(b)其他光纤其他光

16、纤 双包层光纤双包层光纤(W型光纤型光纤), 可以得到在可以得到在1.31.6 m之间色散平坦光之间色散平坦光 纤纤(DFF)， 或把零色散波长移到或把零色散波长移到1.55 m的色散移位光纤的色散移位光纤(DSF)。 三角芯光纤三角芯光纤,适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用 椭圆椭圆芯光纤芯光纤,使传输光保持其偏振状态，又称为双折射光纤或偏使传输光保持其偏振状态，又称为双折射光纤或偏振保持光纤。振保持光纤。 2.1 2.1 光纤光纤结构和类型结构和类型14极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致

17、远求真致远求真存在存在c 对应对应cu c，光线在界面折射，光线在界面折射, 随着传播迅速衰减。随着传播迅速衰减。只有只有c c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播全反射临界角全反射临界角c =sin-1(n2/n1)， 1. 突变型多模光纤突变型多模光纤2.2.1几何光学方法几何光学方法2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理15极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真只有只有c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播NA的影响的影响 NA大，接收光的能力强，耦合效率高，光纤

18、抗弯曲性能高。大，接收光的能力强，耦合效率高，光纤抗弯曲性能高。 但但NA大，传输产生的信号畸也变大，限制了传输容量。大，传输产生的信号畸也变大，限制了传输容量。221212NAnnn设设=0.01，n1=1.5，得到，得到NA=0.21或或 c=12.2(=(n1-n2)/n1 ) (2.3)数值孔径数值孔径(numerical aperture, NA) (2.2)2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理16极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真时间延迟时间延迟光线在光纤中的传播时间问题光线在光纤中的传播时间问题211111sec

19、(1)2nln Ln Lccc最大入射角最大入射角(=c)和最小入射角和最小入射角(=0)的光线之间时间延迟差的光线之间时间延迟差近似为近似为 (2.4)cLnNAcnLcnLc12121)(22(2.5) 这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变信号畸变。 设光设光纤纤NA=0.20，n1=1.5，L=1km，得脉冲展宽，得脉冲展宽 =44ns。 入射角入射角的光线传输长度为的光线传输长度为L(ox), 经历的路程为经历的路程为l (oy)，传播时，传播时间或时间延迟为间或时间延迟为2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理17极极 端端 条条

20、件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 2. 渐变型多模光纤渐变型多模光纤n1为纤芯中心折射率，为纤芯中心折射率，=(n1-n2)/n1，g: 折射率分布指数。折射率分布指数。 g，(r/a)0，突变型多模光纤，突变型多模光纤 g=2，抛物线折射率分布，脉冲展宽最小。，抛物线折射率分布，脉冲展宽最小。 (2.6)n与与r有关，各点的有关，各点的NA不同不同222)()(nrnrNA22max12NAnn2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理18极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 自聚焦效

21、应自聚焦效应 当光线从中轴线当光线从中轴线(z=0, ri=0)入射，得入射，得00(0)sin()*cos()AnrAzAz(2.14a)(2.14b)渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，其幅度取的正弦函数，其幅度取决于入射角决于入射角 0， 其周期其周期=2 /A=2 a/ ，与入射角，与入射角 0无关。即无关。即不同入射角的光线，虽然传输路径不同，但是都会聚在轴上某不同入射角的光线，虽然传输路径不同，但是都会聚在轴上某点上，这种现象称为点上，这种现象称为自聚焦效应自聚焦效应。 2sin()cos()iiArAzAz在光纤内部在光纤内部(2.1

22、4*)周期周期的数量级：的数量级：a20 m, 0.01, =1.111mm2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理19极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真渐变渐变型多模光纤中各光线的时间延迟近似相等。入射角大的型多模光纤中各光线的时间延迟近似相等。入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较较小，入射角小的光线情况正好相反，其路程较短，但速度较小，入射角小的光线情况正好相反，其路程较短，但速度较慢。所以这些光线的光程差别小，时间延迟近似相等。慢。所以这些光线的光程

23、差别小，时间延迟近似相等。 多模光纤信号畸变小的定性解释多模光纤信号畸变小的定性解释2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理20极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真222222212(/ )knwbVnn 归一化传输常数归一化传输常数(2.28) 取值范围为取值范围为 n2k n1k，等效于等效于 0b1， 归一化频率归一化频率22122 aVnn2. 特征方程和传输模式特征方程和传输模式 2.2.2 光纤传输的波动理论结论光纤传输的波动理论结论(物理含义、常数物理含义、常数) 2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理21极极 端端

24、 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真每条曲线表示一个传每条曲线表示一个传输模式的输模式的 随随V的变的变化，化， 所以方程所以方程(2.26)又称为色散方程。又称为色散方程。 色散曲线含义：色散曲线含义： 2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理22极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真所谓所谓模式是指电磁场的不同分布形式，模式是指电磁场的不同分布形式，按照是否为横波可分为以下按照是否为横波可分为以下3类：类：1. 横电模横电模 (TE)：z方向上的电场分量为方向上的电场分量为0，或

25、电场分量，或电场分量垂直于垂直于z2. 横磁模横磁模 (TM)： z方向上的磁场分量为方向上的磁场分量为0，或磁场分量，或磁场分量垂直于垂直于z3. 混合模混合模 (HE or EH)：z方向上的电场和磁场都不为方向上的电场和磁场都不为0 HE (Ez Hz) 相反相反 EH (Ez Hz)电磁波分类电磁波分类2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理23极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 3. 多模渐变型光纤的模式特性多模渐变型光纤的模式特性2121)(21 ggMmknM是模式总数，是模式总数， m()是传输常数大于是传输常数大

26、于的模式数。的模式数。 22221()()222ggVMa k ngg 2221221(2)2( )()ggk nk nmM突变型光纤突变型光纤, g,M=V2/2； 平方律光纤，平方律光纤，g=2，M=V2/4。(2.32b)(2.32a)(2.31)传输常数传输常数 普遍公式普遍公式2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理24极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真单模条件和截止波长单模条件和截止波长 单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性对于给定的光纤对于给定的光纤(n1、n2和和a确定确定)，存在一个临界波长，存在一个临界波长 c

27、，当，当 c时，是单模传输。时，是单模传输。2.405cVV和和 c的关系的关系从图从图2.8可以看到，传输模式数目随可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当值的增加而增多。当V2.405时，只有时，只有HE11(LP01)一个模式存在。一个模式存在。HE11称为基模，由称为基模，由两个偏振态简并而成。两个偏振态简并而成。 由此得到单模传输条件为由此得到单模传输条件为 221222.405aVnn2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理25极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 光场分布和模场半径光场分布和模场半径 200( )e

28、xp () rE rEww0称为模场半径称为模场半径(MFD)：光功率为：光功率为e-1E20时的光场半径宽度时的光场半径宽度(E20为轴心的光功率为轴心的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。，即光纤截面的光斑尺寸。单模光纤的基模单模光纤的基模HE11的电磁场的电磁场(振幅振幅)分布近似为高斯分布分布近似为高斯分布2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理26极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真色散色散 在光纤中传输时，不同成分的光的时间延迟不同。在光纤中传输时，不同成分的光的时间延迟不同。 例如单模光纤约例如单模光纤约80%的光功率在纤

29、芯中传播，的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传在包层中传播播,其有效折射率介于其有效折射率介于n1,n2之间之间,具体值与功率比有关具体值与功率比有关。模式色散模式色散 不同模式的时间延迟不同，不同模式的时间延迟不同， 它取决于光纤的它取决于光纤的折射率折射率 分布分布，以及材料的色散。，以及材料的色散。材料色散材料色散 光纤折射率随波长而改变，导致延迟不同。光纤折射率随波长而改变，导致延迟不同。波导色散波导色散 波导结构参数与波长有关，不同波长延迟不同。波导结构参数与波长有关，不同波长延迟不同。偏振模色散偏振模色散 不同偏振态不同传输速度不同偏振态不同传输速度 1. 色散、色散、 带宽和脉

30、冲展宽带宽和脉冲展宽2.3.1光纤色散光纤色散2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性27极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 模拟模拟调制信号调制信号: 色散限制带宽；色散限制带宽； 3dB光带宽光带宽f3dB 数字脉冲信号数字脉冲信号: 色散产生脉冲展宽。色散产生脉冲展宽。 脉冲展宽脉冲展宽 。 脉冲展宽脉冲展宽 =( 2n+ 2m+ 2w)1/2 下标下标 n m w 指模式色散、材料色散和波导色散指模式色散、材料色散和波导色散 色散的影响及表示方法。色散的影响及表示方法。2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性28极极 端端

31、 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真3dB带宽带宽 一般一般|H(f)|随频率的增加而下降，光纤起了低通滤波器的作随频率的增加而下降，光纤起了低通滤波器的作用。用。 定义定义3dB光带宽光带宽f3dB， |H(f3dB)/H(0)|= 1/2 (2.44a)或等效的或等效的 T(f)=10 lg|H(f3dB)/H(0)|= -3 (2.44b)3dB光带宽为光带宽为32ln2 1187()2dBMHZf用高斯脉冲半极大全宽度用高斯脉冲半极大全宽度(FWHM) = =2.355 ， 代入式代入式(2.47a)得到得到2 2ln23440()d

32、BMHZf2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性29极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 和和 是信号通过光纤产生的脉冲展宽，单位为是信号通过光纤产生的脉冲展宽，单位为ns。 输入脉冲一般不是输入脉冲一般不是函数。设输入和输出脉冲都为高斯函函数。设输入和输出脉冲都为高斯函数，其数，其rms脉冲宽度分别为脉冲宽度分别为 1和和 2，频率响应分别为，频率响应分别为H1(f)和和H2(f)，根据傅里叶变换特性得到，根据傅里叶变换特性得到 (2.48) 由此得到，由此得到， 信号通过光纤后产生的脉冲展宽信号通过光纤后产生的脉冲展宽 = 或

33、或 = ， 1和和 2分别为输入脉冲和输出脉冲的分别为输入脉冲和输出脉冲的FWHM。 光纤光纤3dB光带宽光带宽f3dB和脉冲展宽和脉冲展宽 、 的定义示于图的定义示于图2.11。 2122212221( )( )( )HfH fHf2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性30极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真图图 2.11 光纤带宽和脉冲展宽的定义光纤带宽和脉冲展宽的定义 1/21/ e输入脉冲光 纤1tPi(t)(t)H1(f)1ff3dB0310lgH( f )/dBPo(t) h(t)H2( f ) H( f )t2输出脉

34、冲2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性31极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真吸收损耗吸收损耗 由光纤材料引起的固有吸收和杂质、缺陷吸收产生。由光纤材料引起的固有吸收和杂质、缺陷吸收产生。 电子跃迁紫外电子跃迁紫外(UV)区区( 7 m)1、损耗、损耗的机理的机理 散射损耗散射损耗 由材料密度不均引起的瑞利散射和结构缺陷由材料密度不均引起的瑞利散射和结构缺陷(如气泡如气泡)引起的散射产生的。该损耗与波长无关。引起的散射产生的。该损耗与波长无关。 此外还有弯曲损耗此外还有弯曲损耗2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性2.3.2光

35、纤损耗光纤损耗32极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真图图 2.16光纤损耗谱光纤损耗谱 (a) 三种实用光纤；三种实用光纤； (b) 优质单模光纤优质单模光纤 波 长 / m损 耗 /( dBkm 1)0.802468100.61.01.21.41.6800损 耗 / (dBkm 1)波 长 / nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600abcdeabcde85013001310138015501.810.350.340.400.19nmdB / km(a)(b)1

36、.8一般地，损耗一般地，损耗 与波长与波长 的关系为的关系为 =A/ 4+B+CW( )+IR( )+UV( ) (2.61b) 2 2、实用实用光纤的损耗谱光纤的损耗谱A为瑞利散射系数为瑞利散射系数, B为结构缺陷散射产生的损耗，为结构缺陷散射产生的损耗，CW( )、 IR( )和和UV( )分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。 2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性33极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真由图由图2.16看到：看到： 从从(SIF),(GIF)到到 (SM

37、F)光纤，损耗依次减小。光纤，损耗依次减小。 在在0.81.55m波段内波段内, 除吸收峰外除吸收峰外, 损耗随波长增加迅速减小。损耗随波长增加迅速减小。 在在1.39 mOH-吸收峰两侧吸收峰两侧1.31 m和和1.55 m存在两个损耗极存在两个损耗极小小 的波长的波长“窗口窗口”。 另一方面另一方面, 从多模从多模SIF、GIF光纤到光纤到SMF光纤，色散依次减小光纤，色散依次减小(带宽依次增大带宽依次增大)。 石英单模光纤的零色散波长在石英单模光纤的零色散波长在1.31 m，还可以把零色散波，还可以把零色散波长从长从1.31 m移到移到1.55 m，实现带宽最大损耗最小的传输。，实现带宽

38、最大损耗最小的传输。 正正因为如此，光纤通信从因为如此，光纤通信从SIF、GIF光纤发展到光纤发展到SMF光纤，从短光纤，从短波长波长(0.85 m)“窗口窗口”发展到长波发展到长波 (1.31 m和和1.55 m)“窗口窗口”，使系统技术水平不断提高。使系统技术水平不断提高。 2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性34极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真352.4 2.4 光缆光缆p 保护光纤的机械强度和传输特性；保护光纤的机械强度和传输特性；p 防止施工过程和使用过程期间光纤断裂；防止施工过程和使用过程期间光纤断裂；p 保持传

39、输特性稳定；保持传输特性稳定；p 保证光纤不受应力的作用和有害物质的侵蚀。保证光纤不受应力的作用和有害物质的侵蚀。2.4.1 光缆基本要求光缆基本要求极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真362.4 2.4 光缆光缆 光缆一般由缆芯和护套组成，光缆一般由缆芯和护套组成， 有时在护套外面加有铠装。有时在护套外面加有铠装。1、缆芯、缆芯通常包括通常包括被覆光纤被覆光纤(或称芯线或称芯线)和加强件和加强件两部分。两部分。 被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。 加强件起着承受光缆拉力的作用，

40、通常处在缆芯中心，加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。有时配置在护套中。 加强件通常用杨氏模量大的钢丝或非金属材料例如芳纶加强件通常用杨氏模量大的钢丝或非金属材料例如芳纶纤维纤维(Kevlar)做成。做成。 2.4.2 光缆结构和类型光缆结构和类型极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真372.4 2.4 光缆光缆缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式。缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式。 类型类型结构结构特点特点作用作用层绞式层绞式把松套光纤绕在中心加强件周围绞合把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成

41、而构成制造设备简单，制造设备简单，工艺成熟，应工艺成熟，应用广泛。用广泛。增强抗拉强度，增强抗拉强度，改善温度特性改善温度特性骨架式骨架式把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成而构成抗侧压力性能抗侧压力性能好好有利于对光纤有利于对光纤的保护的保护中心束管式中心束管式把一次被覆光纤或光纤束放入大套管把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，中， 加强件配置在套管周围而构成加强件配置在套管周围而构成起着护套的部起着护套的部分作用分作用有利于减轻光有利于减轻光缆的重量缆的重量带状式带状式把带状光纤单元放入大套管

42、内，把带状光纤单元放入大套管内， 形形成中心束管式结构成中心束管式结构也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，内或松套管内， 形成骨架式或层绞形成骨架式或层绞式结构式结构有利于制造容有利于制造容纳几百根光纤纳几百根光纤的高密度光缆的高密度光缆广泛应用于接广泛应用于接入网入网极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真382.4 2.4 光缆光缆2、护套、护套 护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。好的

43、抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。 护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或或PVC)和铝带或钢带构和铝带或钢带构成。成。 不同使用环境和敷设方式对护套的材料和结构有不同的要不同使用环境和敷设方式对护套的材料和结构有不同的要求。求。 根据使用条件，光缆又可以分为室内光缆、根据使用条件，光缆又可以分为室内光缆、 架空光缆、架空光缆、 埋埋地光缆和管道光缆等。地光缆和管道光缆等。 特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆(OPGW)， 跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光缆以

44、及各种不同条件下使用的军用光缆燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真392.4 2.4 光缆光缆光缆的传输特性取决于光缆的传输特性取决于被覆光纤被覆光纤。 对光缆机械特性和环境对光缆机械特性和环境特性的要求由特性的要求由使用条件使用条件确定。确定。成品光缆特性成品光缆特性拉力特性拉力特性压力特性压力特性弯曲特性弯曲特性温度特性温度特性2.4.3 光缆特性光缆特性极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真402.5.1 损耗测量损耗测量2.5

45、2.5 光纤特性测量方法光纤特性测量方法 光纤损耗测量基本方法：光纤损耗测量基本方法：p 剪断法和插入法剪断法和插入法： 测量测量通过光纤通过光纤的传输光功率，的传输光功率，p 后向散射法后向散射法 ： 测量光纤的后向散射光功率。测量光纤的后向散射光功率。 极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真412.5 2.5 光纤特性测量方法光纤特性测量方法 1、 剪断法（切断法）剪断法（切断法）)/(lg1021KmdBppLa L被测光纤长度被测光纤长度(km)P1输入光功率输入光功率P2输出光功率输出光功率(mW或或W)只要测量长度为只要测

46、量长度为L2的长光纤输出光功率的长光纤输出光功率P2， 保持注入条件不变，在注入装保持注入条件不变，在注入装置附近剪断光纤，保留长度为置附近剪断光纤，保留长度为L1（一般为（一般为23m）的短光纤，测量其输出光）的短光纤，测量其输出光功率功率P1(即长度为即长度为L=L2-L1这段光纤的输入光功率这段光纤的输入光功率)，根据上式就可计算出，根据上式就可计算出值。值。(2.62a)PoutL2-L1L2PiL1=23cm极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真422.5 2.5 光纤特性测量方法光纤特性测量方法光源一般采用光源一般采用谱线

47、宽度足够窄谱线宽度足够窄的激光器。在整个测量过程中，的激光器。在整个测量过程中，光源位置、光源位置、 强度和波长应保持稳定。注入装置的功能是保证多强度和波长应保持稳定。注入装置的功能是保证多模光纤在短距离内达到稳态模式分布。对于单模光纤，模光纤在短距离内达到稳态模式分布。对于单模光纤， 应保证应保证全长为单模传输。接收一般包括光敏面积足够大的光检测器、全长为单模传输。接收一般包括光敏面积足够大的光检测器、放大器和电平测量或数据显示，通常用光功率计来实现。放大器和电平测量或数据显示，通常用光功率计来实现。 极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真

48、致远求真测量光纤的后向散射光功率测量光纤的后向散射光功率 瑞利散射光功率与传输光功率成比例。瑞利散射光功率与传输光功率成比例。测量原理测量原理 在光纤的输入端注入一个窄光脉冲，该脉冲在传输时在光纤的输入端注入一个窄光脉冲，该脉冲在传输时产生瑞利散射产生瑞利散射, 一部分散射光沿光纤返回，这种连续不断向输入一部分散射光沿光纤返回，这种连续不断向输入端传输的散射光称为端传输的散射光称为后向反射光后向反射光。靠近输入端的光波传输损耗。靠近输入端的光波传输损耗小，散射回来的信号就强，离输入端远的地方光波的传输损耗小，散射回来的信号就强，离输入端远的地方光波的传输损耗大，散射回来的信号就弱。测出两点散射

49、光返回的光功率以及大，散射回来的信号就弱。测出两点散射光返回的光功率以及两点间的距离，就可算出平均衰减系数。两点间的距离，就可算出平均衰减系数。2.52.5光纤特性测量方法光纤特性测量方法 2、后、后向散射法向散射法43极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真1212()10lg(/)2()()ddP LadB KmLLP L分母中的分母中的2表示来回两次传输。表示来回两次传输。21211()2c ttLLn若测得由若测得由L1和和L2点散射回来的光功率分别为点散射回来的光功率分别为Pd(L1)和和Pd(L2)，有有(2.62b)测量仪

50、器测量仪器 光时域反射仪光时域反射仪(OTDR)。原理是原理是 脉冲发生器根据主时钟产生窄光脉冲，经光耦合器脉冲发生器根据主时钟产生窄光脉冲，经光耦合器将光耦合进被测光纤，同时将散射和反射信号耦合进光电将光耦合进被测光纤，同时将散射和反射信号耦合进光电检测器，将信号处理后显示输出波形，并输出有关数据。检测器，将信号处理后显示输出波形，并输出有关数据。 2.52.5光纤特性测量方法光纤特性测量方法44极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真图图 2.24是后向散射功率是后向散射功率曲线的示例，曲线的示例， 图中图中(a)输入端反射区；输入

51、端反射区； (b)恒定斜率区，恒定斜率区， 用以用以确定损耗系数；确定损耗系数； (c)连接器、连接器、 接头或局部接头或局部缺陷引起的损耗；缺陷引起的损耗； (d)介质缺陷介质缺陷(如气泡如气泡)引引起的反射；起的反射； (e)输出端反射区，输出端反射区， 用以用以确定光纤长度。确定光纤长度。 图图 2.24 后向散射功率曲线后向散射功率曲线2.52.5光纤特性测量方法光纤特性测量方法45极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真46课后习题及思考题课后习题及思考题2-3，2-4，2-6，2-9，2-10，2-11，2-12，2-16，

52、2-17，2-18，2-19，2-21，2-23，2-24极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真47第三章第三章 通信用光器件通信用光器件31 光源光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和半导体激光器工作原理和基本结构基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器3.1.4 发光二极管发光二极管 3.1.5 半导体光源的一般性能和半导体光源的一般性能和应用应用 3 2 光检测器光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 3.2.2 PIN光电二极管光电二极管

53、3.2.3 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD） 3.2.4 光电二极管一般性能和光电二极管一般性能和应用应用3.3 光无源器件光无源器件 3.3.1 连接器和接头连接器和接头 3.3.2 光耦合器光耦合器 3.3.3 光隔离器和光环形器光隔离器和光环形器 3.3.4 光调节器光调节器 3.3.5 光开关光开关极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 通信用光器件可以分为通信用光器件可以分为有源器件和无源器件有源器件和无源器件两种类型。两种类型。 光纤通信中，需要有光源发光，将电信号转变为光纤通信中，需要有光源发光，将电信号转变为光

54、信号，还要有光接收器件，将光信号转化为电信号。这种光信号，还要有光接收器件，将光信号转化为电信号。这种发光器件和光接收器件统称为发光器件和光接收器件统称为光电器件，或有源器件。光电器件，或有源器件。 对光信号进行处理的器件称为对光信号进行处理的器件称为无源器件无源器件。 有源器件有源器件：光源、光检测器和光放大器，：光源、光检测器和光放大器，无源器件无源器件：连接器、耦合器、波分复用器：连接器、耦合器、波分复用器、调制器、调制器、光开、光开关、和隔离器等。关、和隔离器等。3.1 3.1 光源光源48极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求

55、真1. 受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布hf12初态E2E1终态E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf12(a) 受激吸收受激吸收 (b) 自发辐射自发辐射(c) 受激辐射受激辐射E1 ：低能级：低能级E2：低能级：低能级hf12= E2 - E1受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是

56、混乱的，这种光称为非相干光。态是混乱的，这种光称为非相干光。 3.1 3.1 光源光源49极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真在热平衡状态下，单位摩尔数的物质中，处于能级在热平衡状态下，单位摩尔数的物质中，处于能级E1和和E2的原的原子数子数N1和和N2存在如下关系存在如下关系 (波尔兹曼分布波尔兹曼分布)2211exp()NEENkT (E2-E1)0，T0，N1N2。 受激吸收和受激辐射速率正比于受激吸收和受激辐射速率正比于N1和和N2，且比例系数相等。，且比例系数相等。 如果如果N2N1(粒子数反转粒子数反转)，受激辐射大于受

57、激吸收，当光通，受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用。过这种物质时，会产生放大作用。 如果如果N1N2，受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减。光强按指数衰减。 粒子数反转粒子数反转3.1 3.1 光源光源50极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真 图图 3.2半导体的能带和电子分布半导体的能带和电子分布(a) 本征半导体；本征半导体； (b) N型半导体；型半导体； (c) P型半导体型半导体 半导体中由于原子间的相互作用，电子所处的能态扩展成能半导体中

58、由于原子间的相互作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的称为价带，高的称为导带，导带底级连续分布的能带。能量低的称为价带，高的称为导带，导带底的能量的能量Ec和价带顶的能量和价带顶的能量Ev之间的能量差之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。或带隙。电子不可能占据禁带。 2. PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布3.1 3.1 光源光源51极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子的能级被

59、电子占据的概率为费米分布占据的概率为费米分布式中，式中，k为波兹曼常数，为波兹曼常数，T为热力学温度。为热力学温度。Ef 称为费米能级称为费米能级)exp(11)(kTEEEpf 一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用用Ef 位于禁带中央来表示。位于禁带中央来表示。 在本征半导体中掺入施主杂质，在本征半导体中掺入施主杂质，称为称为N型半导体。型半导体。 在本征半导体中，掺入受主杂质，称为在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体。型半导体。 单一半导体不可能用通电的方法实现粒子数反转单一半导体不可能用通电的方法实现粒子数反转显然能量

60、越高，分布概率越小显然能量越高，分布概率越小3.1 3.1 光源光源52极极 端端 条条 件件 物物 质质 特特 性性 实实 验验 室室明理勤学明理勤学 致远求真致远求真图图3.3PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布(a) P - N结内载流子运动；结内载流子运动；(b) 零偏压时零偏压时P - N结的能带图；结的能带图；(c) 正向偏压下正向偏压下P - N结能带图结能带图 hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(c)势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env(b)P区PN结空间电荷区N区内部电场 扩散 漂移(a)在在PN结界面上，载流子发生扩散运动，结