光纤通信限选讲义

光纤通信计算机与通信工程学院

当前第1页\共有143页\编于星期四\19点光纤通信概述光纤和光缆光纤通信系统的组成光纤通信新技术

当前第2页\共有143页\编于星期四\19点光纤fiber或

fibre，是光导纤维的简称。何谓光纤通信用光波作为载波，以光导纤维作为传输介质的一种通信方式。5.1光纤通信概述当前第3页\共有143页\编于星期四\19点5.1.1光纤通信发展历史1.探索时期的光通信目视光通信阶段利用大气来传播可见光，由人眼来接收。3千多年前，中国古代的烽火台欧洲人的旗语信号弹,交通灯当前第4页\共有143页\编于星期四\19点光电话通信阶段现代光通信的历史，一般都从光电话的发明开始算起。1880年，美国人贝尔（Bell）发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。图5-1光电话的结构图当前第5页\共有143页\编于星期四\19点利用太阳光作光源，成功进行了光电话的实验，传输距离200多米。说明：利用光波作为载波传送信息是可行的。要解决两个问题

有稳定的、低损耗的传输媒质光在大气中的传送要受到气象条件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、阴天、下雾等情况，就会看不远和看不清，这叫做大气的能见度降低，使信号传输受到很大阻碍。

高强度的、可靠的光源

太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源。

当前第6页\共有143页\编于星期四\19点光源的探索阶段认识一下激光激光（LASER）：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation------------受激辐射的光放大。和普通光源相比，激光的优点单色性好

频率稳定，约为300THZ。这种光的频率比已经广泛应用的微波（1GHz～40GHz）的频率高近万倍。激光来传送信息从理论上来说，通信的容量可以比微波通信的容量也大近万倍！

相干性高方向性强

当前第7页\共有143页\编于星期四\19点1960年7月8日，美国科学家梅曼发明了第一台红宝石激光器(LASER)

，给光通信带来了新的希望，研究现代化光通信的时代开始。（在室温下不能连续工作）1970年，贝尔研究所的林严雄等人研制出能在室温下连续工作的半导体激光器。这种激光器只有米粒大小，尽管最初的激光器寿命很短，但它已被认为可以作为光通信的光源。当前第8页\共有143页\编于星期四\19点第一种方式:使激光在大气中传输通信能力和质量受周围大气环境的影响很大，如雨可造成30dB/km的损耗，浓雾衰减可达120dB/km

传输光路的探索10dB/km的损耗意味着输入的信号传送1公里后只剩下十分之一20dB/km的损耗意味着输入的信号传送1公里后只剩下百分之一30dB/km的损耗意味着输入的信号传送1公里后只剩下千分之一当前第9页\共有143页\编于星期四\19点第二种方式：把光束限制在特定空间透镜波导：在金属管内每隔一定距离安装一个透镜，每个透镜把经传输的光束聚到下一个透镜而实现。图透镜波导当前第10页\共有143页\编于星期四\19点反射镜波导：用与光束传输方向成45度角的两个平行反射镜代替透镜而构成。首先：现场施工中校准和安装十分复杂；其次：地面活动对波导影响很大必须把波导深埋或选择在人车稀少的地区使用。

图5-2反射镜波导导光原理图当前第11页\共有143页\编于星期四\19点光纤即玻璃纤维（透明度很高的石英玻璃丝），人们用它制造了医疗上用的内窥镜，如做成胃镜，可以观察到距离体内1米左右的情况。但是它的衰减损耗特别大，只能传输很短的距离。直到20世纪60年代，最好的光纤的损耗仍在1000dB/km以上。这是不能用于通信的。2．现代光纤通信

（以下不必记）光纤的发展1966年7月，英籍华裔学者高锟大胆预言：只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从1000dB/km降低到20dB/km，甚至更低，从而可以用于通信。当前第12页\共有143页\编于星期四\19点

1970年美国康宁公司用高纯石英生产出世界上第一根低损耗光纤（20dB/km），开创了光纤通信的新篇章。

1970年被称为光纤通信元年。…1972年，康宁公司4dB/km1973年，美国Bell实验室2.5dB/km1974年，美国Bell实验室1.1dB/km1979年，0.2dB/km1984年，0.157dB/km1986年，0.154dB/km接近了光纤最低损耗的理论极限当前第13页\共有143页\编于星期四\19点我国光纤通信的发展

1961年9月由中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功中国第一台红宝石激光器。70年代中期研制出低损耗光纤和室温下可连续发光的半导体激光器。

1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验系统。当前第14页\共有143页\编于星期四\19点“八五”期间，建成了含22条光缆干线、总长达3.3万公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网（SDH）。

1999年1月，我国第一条最高传输速率的国家一级干线（济南——青岛）8×2.5Gbit/s密集波分复用（DWDM）系统建成。

当前第15页\共有143页\编于星期四\19点光纤通信的优点

传输频带宽，通信容量大90年代，光纤的传输速率已经达到了每秒T比特级（1012），1Tb/s的速率意味着我们可以用一对只有头发丝粗细的光纤在1秒钟之内将300年的泰晤士报传送到世界上任何一个角落，或者同时传送10万路电视节目，或同时通1200万路电话。但在通信中，信道的带宽和信道的容量遵循相农公式

由于任何信道都无法避免地会有各种噪声，而信号的功率也不可能太高，所以信道的容量不可能达到无穷。当前第16页\共有143页\编于星期四\19点损耗低，可大大增大无中继传输距离，这对长途干线通信十分有利

减少长距离通信的中继站，最主要的方法是减少传输线路的损耗。光纤的损耗：在光波长为1.31um附近，传输损耗为0.5dB/km；在光波长为1.55um附近损耗已达0.2dB/km,甚至更低。（光传送15公里，其强度还有原来的一半。）

单模光纤最大中继距离可达上百公里，如果再加上光纤放大器，则可以直通上万公里而不需要再生中继。

当前第17页\共有143页\编于星期四\19点抗电磁干扰能力强，光纤之间也不易引起串音与干扰，故可用于强电磁环境下的通信。光纤是石英介质材料构成的，它是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。当前第18页\共有143页\编于星期四\19点光缆重量轻，体积小，便于敷设和运输

相同话路的光缆要比电缆轻90%～95%(光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一)，而直径不到电缆的五分之一。通2万1千话路的900对双绞线，其直径为3英寸，重量为8吨/公里；通讯量为其十倍的光缆，直径仅0.5英寸，重量仅450磅/公里。

军事，航空，宇宙飞船

美国在军用飞机上用光纤代替电缆，在A7飞机上，重量减轻了12.25公斤，节省了约27万美元当前第19页\共有143页\编于星期四\19点材料丰富，成本低

SiO2，就是随处可见的沙子，而且1公斤高存度的石英玻璃可以制成上万公里的光纤，而制造1公里18管的同轴电缆需120公斤的铜，或500公斤的铅。缺点：光纤质地脆、机械强度低、需要比较好的切割及连接技术，分路、耦合比较麻烦。当前第20页\共有143页\编于星期四\19点基本概念1．何谓光纤通信用光波作为载波，以光导纤维作为传输介质的一种通信方式。19世纪30年代有人预言：“总有一天光通信会取代有线和微波通信而成为通信主流”。当前第21页\共有143页\编于星期四\19点2．光纤通信的容量香农公式通信系统的传输容量(capacity)取决于对载波调制的频带宽度，即在某种程度上，载波频率越高，频带越宽，系统容量越大。通信技术发展的历史，实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。一对光纤理论上每秒可传送25兆兆(1012)比特的信息当前第22页\共有143页\编于星期四\19点各种传输介质所能承载的载波大小：铜线——1MHz同轴电缆——100MHz无线电——500kHz~100MHz微波（包括卫星信道）——100GHz光纤——几百THz在2001年OFC会议上，NEC和Alcatel报道他们的传输容量分别达到10.92Tb/s和10.02Tb/s。（采用波分复用技术）当前第23页\共有143页\编于星期四\19点3．光纤通信使用的波长

近红外光，频率为几百THz，常用波长0.85m、1.31m、1.55m图5-3电磁波谱图

当前第24页\共有143页\编于星期四\19点70年代80年代90年代以后

图5-4光纤通信的三个低损耗窗口

当前第25页\共有143页\编于星期四\19点当前第26页\共有143页\编于星期四\19点4.光纤通信发展的几个阶段

1973年~1977年的第一代光纤通信系统。特征：采用0.85m短波长多模光纤，光纤损耗为2.5~3dB/km,传输速率为50~100Mbit/s，中继距离为8~10km，于1977年进入现场试用，80年代初陆续在世界先进国家推广应用，多用作市话局间中继线路使用。当前第27页\共有143页\编于星期四\19点1977年~1982年的第二代光纤通信系统。特征：采用1.31m长波长多模或单模光纤，光纤损耗为0.55~1dB/km，传输速率为140Mbit/s，中继距离为20~50km，于1982年开始陆续投入使用，一般用于中、短距离的长途通信线路，也用作大城市市话局间中继线，以实现无中继传输。当前第28页\共有143页\编于星期四\19点1982年~1988年的第三代光纤通信系统。特征：采用1.31m长波长单模光纤，光纤损耗降至0.3~0.5dB/km，实用化、大规模应用，传输信号为准同步数字系列（PDH）的各次群路信号，中继距离为50~100km，于1983年以后陆续投入使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通信重点推广应用阶段。当前第29页\共有143页\编于星期四\19点1988~1996年的第四代光纤通信系统。特征：开始采用1.55m波长窗口的光纤，光纤损耗进一步降至0.2dB/km，应用中主要用于建设同步数字系列（SDH）同步传送网络，传输速率达10Gbit/s，中继距离为80~120km，并开始采用掺铒光纤放大器（EDFA）和波分复用（WDM）器等新型器件。当前第30页\共有143页\编于星期四\19点1996年~至今的第五代光纤通信系统。特征：采用密集波分复用（DWDM）技术的全光网络开发与应用，充分利用光纤低损耗波段潜在容量实现传输系统的急剧扩容，采用DWDM技术不仅仅是带来巨大容量方面的好处，可以预计，随着DWDM技术的推广应用，将会对现行的光纤网络带来深刻的变革，最终会成为全光网络（AON）的基石。因此，电信界又将1997年称为WDM年。

当前第31页\共有143页\编于星期四\19点5.2光纤和光缆光纤(opticalfiber)：光导纤维的简称，是一种圆柱光波导介质，它能够约束并引导光波在其内部或表面附近沿其轴线方向向前传播。光纤

1.光纤的结构

图5-5光纤的结构图（a）光纤的结构示意图

当前第32页\共有143页\编于星期四\19点纤芯:由高透明的材料制成,包层：折射率稍低于纤芯和纤芯一起构成光波导。（n1>n2）保护纤壁不受损坏。

涂敷层：由高损耗的柔软材料(硅酮树脂)制成。增强机械性能，保护光纤。阻止纤芯光功率串入邻近光纤线路，抑制串扰。(n1)(n2)（b）光纤剖面结构示意图

5-5光纤的结构图当前第33页\共有143页\编于星期四\19点2．光纤的导光原理

阶跃型光纤中光的传播

折射定律（斯乃尔定律）：

当光线从高折射率（n1）的介质Ⅰ射向低折射率（n2）的介质Ⅱ时，其折射角2将大于入射角1。临界角c为：

sinc＝

图5-6折射定理示意图当前第34页\共有143页\编于星期四\19点

光不断在纤芯与包层的界面上发生全反射而被限制在纤芯内传播。图5-7阶跃型多模光纤导光原理图

当前第35页\共有143页\编于星期四\19点当前第36页\共有143页\编于星期四\19点最大入射角:θ≤θmax的光线才能在光纤中传播;θ>θmax的光线将在分界面折射进包层并逐渐消失。在2内的光，光纤都能接收。当前第37页\共有143页\编于星期四\19点数值孔径（NA）：

其中

为纤芯与包层的相对折射率差。

弱导光纤：光纤的纤芯与包层的相对折射率差很小，即n1≈n2。

NA表示光纤接收和传输光的能力:NA越大（θ越大），光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高，纤芯对光能量的束缚越强。

NA越大,光纤的模间色散会越严重。

当前第38页\共有143页\编于星期四\19点3．光纤的传输模式

光线以某一角度射入光纤端面、并能在光纤经纤芯—包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式（mode）。沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、二次模等。图5-8光纤传输模式当前第39页\共有143页\编于星期四\19点光实质是电磁波，所以光场的“模式”实质上是电磁场的一种分布形式。模式不同，其电磁场的分布不同。当前第40页\共有143页\编于星期四\19点4．光纤的种类

光纤的材料成份

石英光纤

纤芯和包层由高纯度的sio2掺有适当的杂质制成。损耗最低，强度和可靠性高，最适宜长距离，大容量的光纤通信。多组份玻璃纤维

sio2掺有较多成分的杂质制成。

损耗较低，但可靠性尚存在问题。当前第41页\共有143页\编于星期四\19点塑料包层光纤

纤芯是用石英制成，包层是硅树脂。

全塑光纤

光纤的芯子和包层都由塑料组成。价格低，适用于短距离通信。

损耗大。当前第42页\共有143页\编于星期四\19点光纤横截面上的折射率分布阶跃型光纤（Step-IndexFiber）

光纤纤芯的折射率n1和包层的折射率n2都为一常数，且n1>n2，在纤芯和包层的交界面处折射率呈阶梯型变化，这种光纤称为阶跃型光纤，又称为突变型光纤，可用SI表示。（a）阶跃光纤的折射率分布剖面图5-9光纤剖面的折射率分布当前第43页\共有143页\编于星期四\19点渐变型光纤（Graded-IndexFiber）

光纤纤芯折射率n1随着半径的增加而按一定规律减小，到纤芯与包层交界处为包层的折射率n2，即纤芯中折射率的变化呈近似抛物线型。这种光纤称为渐变型光纤，可用GI表示。（b）渐变光纤的折射率分布剖面图5-9光纤剖面的折射率分布当前第44页\共有143页\编于星期四\19点光纤的传输模式数量多模光纤：MM（Multi-modefiber）允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，称光纤中有多个传输模式。这种能传输多个模式（基模、高次模、低次模）的光纤称为多模光纤。芯径大，其纤芯直径／包层直径约为：50～80μm／125～200μm，易对接。带宽较窄，传输容量较小，传输的距离较近（几公里）。

适用于低速度、短距离的光纤通信。

当前第45页\共有143页\编于星期四\19点单模光纤：SM（SingleMode）

当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴一致的光线通过，即只允许通过一个基模，这种只允许传输一个模式（基模）的光纤为单模光纤。纤芯直径很小，约为4～10μm，包层直径为125μm。连接时较困难。传输频带宽，传输容量大。单模光纤的带宽一般都在几十GHz以上。适用于大容量、长距离的光纤通信。

当前第46页\共有143页\编于星期四\19点突变型多模光纤（step-IndexFiber，SIF）纤芯直径2a＝50～80um。光纤以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。多模阶跃型光纤的结构最为简单，制造工艺易于实现，是光纤研究的初期产品。带宽较窄,只能用于小容量（8Mb/s以下）短距离（几km以下）系统。图5-10三种主要类型的光纤(a)多模阶跃型光纤

当前第47页\共有143页\编于星期四\19点图5-10三种主要类型的光纤

（b）多模渐变型光纤

渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber，GIF）纤芯直径2a为50um。光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。适用于中等容量（34～140Mb/s）中等距离（10～20km）系统。现在仍大量用于局域网中。当前第48页\共有143页\编于星期四\19点单模阶跃型光纤

（Single-ModeFiber，SMF）纤芯直径只有8～10um。光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变很小。带宽一般都在几十GHz以上，适用于大容量（2.5Gb/s）、长距离（30km以上）的光纤通信。图5-10三种主要类型的光纤(c)单模阶跃型光纤

当前第49页\共有143页\编于星期四\19点5．光纤的传输特性

限制光纤通信发展的两个重要因素：

光信号经光纤传输后要产生衰减和失真，因而与输入信号不同，主要原因是光纤中存在损耗和色散。光纤损耗的概念

光波在光纤中传输，随着传输距离的增减而光功率逐渐下降的现象，称为光纤的传输损耗。缩短了通信距离。从某种程度上讲，光纤的损耗不可能将为0。当前第50页\共有143页\编于星期四\19点光纤损耗的分类：吸收损耗散射损耗1.吸收损耗:是光波通过光纤的材料时，有一部分光能被光纤材料吸收变成热能，从而造成光功率的损失。包括:本征吸收和杂质吸收当前第51页\共有143页\编于星期四\19点(1)本征吸收(固有吸收):是由SiO2材料引起的固有吸收。

红外波段:吸收峰在8~12um波长区域,对光纤通信影响不大

紫外波段:λ<0.4um,其尾部会拖到0.7~1.1um波段,对光纤通信有一定影响

本征吸收较小，在0.8～1.6um波段,<0.1db/km。在1.3～1.6um波段,<0.03db/km当前第52页\共有143页\编于星期四\19点(2)杂质吸收:由过渡金属（例Fe2+、Co2＋、Cu2＋等）和氢氧根离子（OH-）在光波的激励下发生振动而消耗光能。氢氧根离子（OH-）的吸收峰:在0.95um,1.24um和1.39um波长,其中1.39um波长的吸收峰影响最严重

目前OH-含量已经降低到10-9以下,1.39um吸收损耗<0.5db/km。过渡金属离子的吸收带:0.5~1.1um

目前过渡金属离子含量已经降低到其影响可以忽略的地步当前第53页\共有143页\编于星期四\19点

2.散射损耗

是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，如本来沿内部传播的一部分光由于散射而跑到光纤外面去了。散射的结果是使光波能量减少，由此产生的损耗为散射损耗。包括:瑞利散射和结构缺陷散射当前第54页\共有143页\编于星期四\19点(1)瑞利散射：是由于光纤材料不均匀引起的散射。其中λ为波长；A为瑞利散射系数，它取决与纤芯与包层的相对折射率差Δ。瑞利散射和本征吸收是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论值。例：如果Δ=0.2%,在1.55um波长,光纤损耗最低理论极限为0.149db/km。(2)结构缺陷散射:光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射。结构缺陷散射损耗与波长无关。

当前第55页\共有143页\编于星期四\19点从多模突变光纤（SIF），多模渐变光纤（GIF），单模阶跃光纤（SMF）的损耗依次减小。在0.85～1.55um波段内，除吸收峰外，光纤损耗随波长增加而迅速减小。在1.39umOH-吸收峰两侧1.31um和1.55um存在两个损耗极小的波长“窗口”．图5-11光纤损耗示意图当前第56页\共有143页\编于星期四\19点光纤的色散

光纤中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象称为光纤色散。影响：限制传输距离，减少通信容量光纤色散的分类：模式色散材料色散波导色散当前第57页\共有143页\编于星期四\19点进入光纤的光具有两方面的特征：一.是光源发出的并不是单色光；光源发出的光有一定的波长范围，称光源的线宽或谱宽。二.是已调光脉冲信号有一定的带宽。可以认为已调信号的带宽近似等于光源的谱宽。光纤中的传输的光脉冲信号是由不同的频率成分构成的。1.模式色散：在多模光纤中，由于同一频率下的不同模式的群速度不同，传输一定距离所花费的时间不同，因而到达终点的时间不同，即模式之间存在着时延差，这种色散称为模式色散。当前第58页\共有143页\编于星期四\19点基本光学理论回顾C——光在真空中的传播速度λ——光的波长

f——光的频率

V——光在某种介质中的传播速度

n（λ）——介质的折射率当前第59页\共有143页\编于星期四\19点（1)群速度

假设在光纤中有一个特征角的模式，它沿波矢方向的传播速度为V1

其中c=3×108米/秒,是光在空气中的传播速度。n1为纤芯的折射率。阶跃多模光纤的模式色散：图5-12

当前第60页\共有143页\编于星期四\19点它沿光纤轴向的传播速度为VgVg表示光能量沿光纤的传播速度，称为群速度。由于每个模式的特征角不同，因而它们的群速度也不同。

基模=

，其群速最大（Vg=

）。

临界截止模，其特征角等于全反射临界角，即=c，则群速最小（Vgc=V1·n2/n1）。当前第61页\共有143页\编于星期四\19点（2）群延迟τ：光信号在光纤中传播单位距离的时间称为群延迟。

（3）最大群延迟差（模式色散）：传播单位距离，基模的群延迟与临界截止模群延迟的差值。其中:NA为数值孔径，为纤芯与包层的相对折射率差。例：对于阶跃型光纤常取n1=1.5,Δ=1%,经1km传输后模式色散为=50ns。当前第62页\共有143页\编于星期四\19点由于每个模式群速度Vg不同，群延迟τ也不同，因而到达终点的时间不同，使原来宽度较窄的脉冲变宽，即脉冲展宽。（4）脉冲展宽图5-13当前第63页\共有143页\编于星期四\19点结论：

色散现象限制了光纤的传输距离。

脉冲展宽会致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰。

色散现象限制了传输脉冲的速度或信息容量。

限制了单位时间内传输的脉冲数。当前第64页\共有143页\编于星期四\19点渐变光纤的导光机理图5-14：渐变光纤的导光机理当前第65页\共有143页\编于星期四\19点入射角较大的光（高次模）处于靠近包层的区域，虽然路程较长，但这里折射率n(r)较低，光速较大。入射角较小的光线（低次模或基模）靠近光轴，路程较短，但这里折射率n(r)较大，光速较小。因此二者的轴向速度（群速度）有可能接近甚至相同。渐变光纤可减小模间色散。图5-15渐变型光纤中的光线的轨迹当前第66页\共有143页\编于星期四\19点２．材料色散

由于光纤材料本身的折射率随频率而变化，这使得信号各频率成份的传输速度不同，由此引起的色散为材料色散

（）。在光纤中传输的光脉冲有一定的谱宽。LD的谱宽约为2nm，LED的谱宽约为30nm。光纤中传输的光，即使是同一模式，由于包含不同波长的光分量，它们的传输速度不同，因而到达终点的时间不同，引起脉冲展宽。

例：当λ=0.85um时,使用LED材料色散为2.4nm/km，使用LD材料色散为0.16nm/km。当前第67页\共有143页\编于星期四\19点说明：材料色散比模间色散小的多。光纤折射率与波长的关系：折射率n随波长λ而变，但是随波长的增长其变化逐渐趋于平缓，在1.27um附近,材料色散趋于0。图5-16波长与折射率关系

当前第68页\共有143页\编于星期四\19点３．波导色散由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善，使光波不仅仅在纤芯中传输，在包层中也可能有光波传输，由于纤芯和包层的折射率不同，使得光波在纤芯中的传播速度与在包层中的传播速度不同，这样造成的脉冲展宽现象，称为波导色散或称结构色散（）。结论：波导色散比材料色散小的多在0.85um波长附近约小一个数量级。在在1.27um附近,材料色散显著减小，两者大致相等。当前第69页\共有143页\编于星期四\19点光纤色散可表示为：其中：模式色散>材料色散>波导色散多模光纤：模式色散占主要，波导色散可以忽略。单模光纤：只有单一的基模满足传输条件，因此不存在模式色散，只存在材料色散和波导色散。当前第70页\共有143页\编于星期四\19点2.2光缆

1．光缆的基本结构

缆芯:由单根或多根光纤组成。加强元件:材料可为钢丝或非金属的纤维、增强塑料等。护层:可分为内护层和外护层。当前第71页\共有143页\编于星期四\19点2．光缆的种类

层绞式光缆

将若干根光纤芯线以强度元件为中心排列成一层,隔适当距离进行一次绞合的结构。光纤芯线数一般不超过10根，绞合节距为10～20cm。（ａ）层绞式

图5-17光缆的基本结构（ａ）层绞式当前第72页\共有143页\编于星期四\19点单位式光缆

骨架式光缆

带状式光缆

当前第73页\共有143页\编于星期四\19点5.3光纤通信系统的组成

光纤通信系统主要由四部分组成：光发射机、光中继器、光接收机、传输光缆光纤线路

信息源电发射机光发射机光接收机电接收机

信息宿发射接受电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出图5-18光纤通信系统的基本组成基本光纤传输系统当前第74页\共有143页\编于星期四\19点信息源：把用户信息转换为原始电信号，即基带信号。电发射机：把模拟基带信号转换为数字信号（A/D变换），完成脉冲编码（PCM）。并按照时分复用的方式把多路信号复接，合群，输出高比特率的数字信号。当前第75页\共有143页\编于星期四\19点光发射机：将电信号转换为光信号。光纤线路：光载波经过光纤线路传输到接收端。光接收机：将光信号转换为电信号。电接收机：与电发射机的作用相反，将接收的电信号还原为基带信号。信息宿：将基带信号恢复为用户信息。电光电基本光纤传输系统当前第76页\共有143页\编于星期四\19点光发射机与光源器件

光发射机作用

实现电／光转换。原理是用承载信息的电信号对光源进行调制，使光源产生出与电信号相对应的光信号，从而实现了电／光转换。将已调光信号注入光纤。当前第77页\共有143页\编于星期四\19点光源器件

光源:功能是把电信号转换为光信号。发光波长选择光在光纤中传播的三个低损耗波长区域.与光纤的耦合效率高。发光足够强，并能长时间稳定工作。

图5-4光纤通信的三个低损耗窗口

当前第78页\共有143页\编于星期四\19点

法布里-珀罗腔激光器（F-P腔激光器)半导体激光器（LD）

分布反馈激光器（DFB激光器）量子阱半导体激光器

PIN光电二极管发光二极管（LED）

雪崩二极管

常用的光源：当前第79页\共有143页\编于星期四\19点半导体激光器激光（LASER）：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation------------受激辐射的光放大。

半导体激光器：向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激射条件：1.有源区里要产生足够的粒子数反转分布。2.存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的振荡。

当前第80页\共有143页\编于星期四\19点一．半导体激光器的工作原理1．受激辐射和粒子数反转分布2．PN结的能带和电子分布3．激光振荡和光学谐振腔

当前第81页\共有143页\编于星期四\19点1．受激辐射和粒子数反转分布能级：基态：最低的能级E1激发态：Ei（i=1，2，3，…）图5-20能级图当前第82页\共有143页\编于星期四\19点

原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称能级跃迁。能级跃迁有三种基本方式：⑴自发辐射；⑵受激辐射；⑶受激吸收能级的跃迁当前第83页\共有143页\编于星期四\19点自发辐射

处在高能级E2上的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级E1上，与空穴复合，释放的能量转化为一个频率为f的光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。当前第84页\共有143页\编于星期四\19点波尔条件：电子在E1和E2两个能级间跃迁，吸收的光子能量或辐射出光子能量都要满足波尔条件，即

式中，h=6.628×10－34J·s,为普朗克常数,f为吸收或辐射的光子频率。

E2－E1=hf注意：自发辐射的光是一种非相干光。当前第85页\共有143页\编于星期四\19点

处在高能级E2上的电子在感应光场的作用下（感应光子的能量ε=E2－E1=hf），被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放出一个和感应光子一模一样的光子，这个过程称为受激辐射。受激辐射

注意：这个发射的光子和感应光子的频率，相位，偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。当前第86页\共有143页\编于星期四\19点

受激吸收

处在低能级E1上的电子在感应光场的作用下（感应光子的能量ε=E2－E1=hf），吸收一个光子而跃迁到高能级E2上，这个过程称为受激吸收。

当前第87页\共有143页\编于星期四\19点光的放大和吸收设在单位物质中，处于低能级和处在高能级（）的原子数分别为N1

和N2

。当系统处于热平衡时，存在下面的分布：

其中，=1.381×10-23J/K,为波尔兹曼常数，为热力学温度。当前第88页\共有143页\编于星期四\19点

吸收媒质在热平衡系统中，总有N1>N2（因为电子总是占据低能量的轨道）。在这种媒质中，N1>N2，受激吸收大于受激辐射。当光波通过这种物质时，光强按指数衰减，光被吸收，这种物质称为吸收媒质。当前第89页\共有143页\编于星期四\19点放大媒质

在这种媒质中，N2>N1,受激辐射总是占主导地位。当光波通过媒质时，强度按指数规律增加，光波被放大，这种物质称为放大媒质（也称激活媒质）。

N2>N1的媒质是一种处于非热平衡状态下的反常情况，和正常状态N1>N2相反，称之为粒子数反转或布居反转。当前第90页\共有143页\编于星期四\19点2．PN结的能带和电子分布

·晶体的能带：

半导体（硅，锗）是由大量原子周期性有序排列成的共价晶体，在共价晶体中，每个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键。在这种晶体中，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。当前第91页\共有143页\编于星期四\19点价带：形成共价键的价电子所占据的能带，能量低。导带：自由电子占据的能带，能量高。禁带：导带底的能量EC和价带顶的能量EV之间的能带差EC－EV=Eg称为禁带宽度或带隙。图5-23价带和导带示意图当前第92页\共有143页\编于星期四\19点

费米—狄拉克统计：根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率服从费米分布函数，可表示为：各种半导体中电子的统计分布

当前第93页\共有143页\编于星期四\19点图5-24各种半导体中电子的统计分布当前第94页\共有143页\编于星期四\19点“自建场”产生漂移运动，漂移运动和扩散运动的方向相反。2.随着“自建场”的加强，漂移运动也加强，最后漂移运动完全抵消了扩散运动，达到动态平衡。3.当不外加电压时，PN结是处于动态平衡，宏观上没有电流流过。

PN结的形成图5-25P-N结空间电荷的形成当前第95页\共有143页\编于星期四\19点PN结加上正向电压外加电压的电场方向和自建场方向相反，削弱了自建场，打破了动态平衡。扩散运动超过了漂移运动，P区的空穴通过PN结流向N区，N区的电子流向P区，形成正向电流。由于P区的空穴和N区电子都很多，所以这股电流是大电流。

图5-25P-N结空间电荷的形成当前第96页\共有143页\编于星期四\19点

PN结加反向电压外电场的方向很自建场相同，多数载流子将背离PN结的界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区的电子和空穴都很少，它变成高阻层，因而反向电流很小。PN结具有单向导电性。图5-25P-N结空间电荷的形成当前第97页\共有143页\编于星期四\19点

PN结上加上正向电压产生与自建场相反方向的外加电场，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。图5-27正向偏置时P-N结的能带当前第98页\共有143页\编于星期四\19点3.激光振荡和光学谐振腔

粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生单色性和方向性好的激光输出。

只有把激活物质置于光学谐振腔中，通过光振荡，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。

当前第99页\共有143页\编于星期四\19点在半导体激光器中，光振荡的形成主要有两种方式：①用晶体天然的解理面形成法布里-珀罗谐振腔（F-P腔），当光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为F-P腔激光器。②利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合来形成光振荡，如分布反馈激光器（DFB激光器）。当前第100页\共有143页\编于星期四\19点法布里-珀罗谐振腔（F-P腔）

构成与工作原理：

由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。图5-28F-P腔结构图当前第101页\共有143页\编于星期四\19点入射光经过反射镜反射，沿轴向方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射经过多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。图5-29F-P腔的反馈放大作用当前第102页\共有143页\编于星期四\19点1．发射波长

半导体激光器的发射波长：取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg，即有式中f=c/λ；f,λ分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s为光速，h=6.628×10－34J·s为普朗克常数。二．半导体激光器的基本性质当前第103页\共有143页\编于星期四\19点发射波长：短波长GaAlAs-GaAs（镓铝砷-镓砷）LD：0.85um长波长InGaAsP-InP（铟镓砷磷-铟磷）LD：1.30~1.55um当前第104页\共有143页\编于星期四\19点2.阈值条件：

谐振腔中的介质是实现了粒子数反转分布的区域（有源区），该区对光有放大作用。但腔内也存在着损耗，如镜面的反射损耗（两个镜面的反射率R1，R2<1），反射镜的透射和散射，工作物质的吸收等，使光受到一定损耗。

只有谐振腔里的增益增大到能克服损耗，才能建立起稳定的光振荡。

激光器是一个阈值器件，只有注入电流达到阈值以后，谐振腔中的增益才能克服损耗，激光器才开始激射。当前第105页\共有143页\编于星期四\19点3.激光器的光功率特性：P-I曲线

光功率随着驱动电流的增加而增大：

I<Ith时，激光器发出的是自发辐射光；

I>Ith时,激光器发出的是受激辐射光。图5-30当前第106页\共有143页\编于星期四\19点发光二极管（LED）1.工作原理

当前第107页\共有143页\编于星期四\19点2.结构和分类

说明：侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。图5-31发光二极管的结构图当前第108页\共有143页\编于星期四\19点（1）发射谱线

发光二极管没有谐振腔，所以它的发射光谱就是半导体材料导带和价带的自发谱线。导带和价带都包含有许多能级，复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，造成自发发射谱线较宽。

短波长GaAlAs-Gas（镓铝砷-镓砷）LED：谱线宽度为30～50nm

长波长InGaAsP-InP（铟镓砷磷-铟磷）LED：60～120nm3.基本性质

图5-32LED光谱特性当前第109页\共有143页\编于星期四\19点

LED的输出光功率与注入电流成正比：在通常工作条件下：

LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几mW，入纤光功率只有几百uW。

(2)输出光功率特性

当前第110页\共有143页\编于星期四\19点总结：

发光原理：自发辐射发出的光：荧光优点：结构简单，体积小，使用方便，成本低实用性：由于LED辐射谱线较宽，由其引起的光纤的材料色散会导致较大的光脉冲展宽，限制了传输速度，所以LED常用于近距离、低速系统。

半导体发光二极管（LED）：比较简单的光源

当前第111页\共有143页\编于星期四\19点发光原理：受激辐射发出的光：激光，是一种高度相干光优点：耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。实用性：适用于高速率、大容量的光纤通信系统

半导体激光器（LD）：比较理想的光源当前第112页\共有143页\编于星期四\19点一.光源调制的概念光调制：将用承载信息的数字电信号加载到光源的发射光束上，使光源产生出与电信号相对应的光信号，这个过程就是调制。光解调：调制后的光波经过光纤信道送至接收端，由光接收机鉴别出它的变化，再现出原来的信息，这个过程为光调制。

光源的调制

当前第113页\共有143页\编于星期四\19点二.光源调制的分类1．根据调制与光源的关系，光调制可分为：直接调制：这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号。适用于半导体光源（LD和LED）。间接调制：间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。适用于半导体光源（LD和LED）和其它类型的激光器。

当前第114页\共有143页\编于星期四\19点

2．根据受调制的光源特性参数，光调制可分为：功率调制，幅度调制，频率调制，相位调制。目前最常用的光调制是直接强度调制。3．根据调信号的形式，光调制可分为：数字信号调制：通信距离长，容量大的系统，多采用对LD进行数字调制的方式。模拟信号调制：当前第115页\共有143页\编于星期四\19点图5-33发光二极管的模拟调制图5-34直接光强数字调制当前第116页\共有143页\编于星期四\19点3．2光接收机与光检测器

光接收机功能：把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱光信号转为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。主要组成部分：光检测器（核心）：光/电转换当前第117页\共有143页\编于星期四\19点功能：是接受到的光信号转化成电信号，在电路中形成随着入射光强弱变化而变化的电流。

PIN光电二极管常用的光检测器：

雪崩二极管

光检测器当前第118页\共有143页\编于星期四\19点

光检测器的工作原理当PN结上加有反向偏压时，外加电场和自建场的方向相同，因此在空间电荷区里载流子基本耗尽了，这个区域称为耗尽区。

PN结的光电效应

工作在反向偏压工作原理：光电效应图5-25P-N结空间电荷的形成当前第119页\共有143页\编于星期四\19点

当光束入射到PN结上，且光子能量大于半导体材料的禁带宽度时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，结果产生一个电子-空穴对。图5-35P-N结的光电效应当前第120页\共有143页\编于星期四\19点

如果光生的电子-空穴对在耗尽区产生，那么在电场的作用下，电子将向N区漂移，而空穴将向P区漂移。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生产生电动势，这种效应称为光电效应。

当连接的电路闭合时,N区过剩的电子通过外部电路流向P区，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光功率变化时，光生电流也随之线形变化，从而把光信号转化成电流信号。图5-35P-N结的光电效应当前第121页\共有143页\编于星期四\19点

注意：如果入射光子的能量小于时，不论入射光有多么强，光电效应也不会发生。即光电效应必须满足条件或式中：是真空中的光速；是入射光的波长；h是普朗克常量；是材料的禁带宽度。当前第122页\共有143页\编于星期四\19点光电二极管的波长响应

对任何一种材料制作的光电二极管，都有上截止波长，定义为

Si材料制作的PIN光电二极管，≈1.06umGe材料制作的PIN光电二极管，≈1.6um当前第123页\共有143页\编于星期四\19点5．3．3光中继器

由于光纤损耗和色散等因素的影响，当光信号在光纤中传输到一定距离（几~几十公里）后，光功率将衰减到不能满足光接收机灵敏度的要求。需要在光纤通信线路上加入“光中继器”，以补偿光纤的传输损耗，使光信号得到恢复。例如:在1.31µm工作区34Mb／s光端机的最大传输距离一般在50～70km，140Mb／s光端机的最大传输距离一般在40～60km。当前第124页\共有143页\编于星期四\19点光电再生中继器

即光—电—光中继器原理：光电检测器将光纤送来的微弱的并失真的光信号转换为电信号，通过再放大、再整形、再定时，还原成与原来的信号一样相同的电脉冲。然后使这个电脉冲信号驱动激光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发送出光脉冲信号。缺点：方式过程繁琐，不利于光纤的高速传输。当前第125页\共有143页\编于星期四\19点掺铒光纤放大器

20世纪80年代来，波长为1.55um的掺铒(Er)光纤放大器研制成功,成为光纤通信发展史上一个重要里程碑。实际上是把工作物质制成光纤形状的固体激光器，所以称为光纤激光器。原理：将泵浦光的能量转换成信号光。当前第126页\共有143页\编于星期四\19点如图所示，在掺铒光纤中，铒离子（Er3+）有三个能级：能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。图5-36掺铒光纤放大器的工作原理当前第127页\共有143页\编于星期四\19点当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态（13）。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态（21），产生受激辐射光，因而信号光得到放大。图5-36掺