光纤通信技术教案

第1章光纤通信概述1.1光纤通信的基本概念1.光纤通信光纤通信是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。2.光波特性（1）光速：①在真空中：，（）②在介质中：（n是折射率）（2）光是电磁波：TM、TE、TEM（3）光具有二重性①波动性（宏观）：光具有反射、折射、衍射和干涉等。②粒子性（微观）：光具有能量、动量和质量等。3.电磁波谱1.1光纤通信的特点1.优点（1）传输频带宽，通信容量大（2）传输损耗小（3）抗电磁干扰（4）光纤线径细、重量轻（5）制作光纤的资源丰富2.缺点（1）光纤弯曲半径不宜过小（2）光纤的切断和连接操作技术要求高（3）分路、耦合操作繁琐1.3光纤通信系统的基本组成目前光纤通信系统多采用强度调制/直接检波（IM/DD）。1.光发射机光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。 光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）。2.光接收机 光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。3.光中继器 光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。1.4光纤通信的发展趋势1.向超高速光纤系统发展2.向超大容量WDM系统发展3.向光传送网方向发展4.向G.655光纤发展5.向宽带光纤接入网方向发展（FTTH）

第2章光导纤维2.1光纤的结构和分类2.1.1光纤的结构1.纤芯层（1）位置：光纤的中心部位，折射率为n1。（2）尺寸：单模光纤的直径d1=2a=4μm～10μm，多模光纤的直径d1=50μm。（3）材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂。2.包层（1）位置：位于纤芯的周围，折射率为n2。（2）尺寸：直径d2=2b=125mm（3）材料：同上，使得n1＞n2，以便光信号封闭在纤芯中传输。3.涂覆层（1）位置：位于光纤的最外层（2）尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5mm（3）作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤。2.1.2光纤的分类1.按照光纤折射率分布不同来分（1）阶跃型光纤（均匀光纤）纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。（2）渐变型光纤（非均匀光纤）纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。2.按照纤芯中传输模式的多少来分（1）单模光纤①定义：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。②尺寸：纤芯直径约为4～10μm。（2）多模光纤①定义：在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。②尺寸：纤芯直径约为50μm。2.2用射线理论分析光纤的导光原理分析光纤导光原理有两种基本的研究方法：◆射线理论法（又称几何光学法）◆波动理论法（又称波动光学法）2.2.1光学基础知识1.折射率：2.反射定律：3.折射定律：4.全反射：2.2.2阶跃型光纤的导光原理1.相对折射指数差△（1）定义：n1和n2的相差程度（2）公式：弱导波光纤n1≈n22.阶跃型光纤中的光射线种类（1）子午射线①轴心线：OO’②子午面：过轴心线的平面③子午线：过轴心线，在同一个子午面内。（2）斜射线：不过轴心线，不在同一个子午面内。3.子午线的分析由折射定律：①由全反射定律：≥②将公式②代人公式①得，≤≤4.数值孔径（1）定义：光纤捕捉光射线能力（2）公式：

2.2.3渐变型光纤的导光原理1.渐变型光纤中的子午线渐变型光纤中的射线，也分为子午线和斜射线两种。渐变型光纤由于芯子中的折射指数n1是随半径r变化的，因此子午线不是直线，而是曲线。不同入射条件的子午线，在芯子中，将有不同轨迹的折射曲线。渐变型光纤靠折射原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传输。图2.3.1渐变型光纤中的子午线由于渐变型光纤芯子中的折射指数n1随半径r变化，因此可将纤芯分成若干层折射指数不同的介质。射线轨迹与芯子中折射率分布n(r)有关，也和射线的入射条件（n0、r0、θzo）有关。2.子午线的轨迹方程图2.3.1子午线的行进轨迹渐变型光纤子午线的轨迹方程3.渐变型光纤的最佳折射指数分布在渐变型光纤中，由于芯子中的折射指数分布不均匀，因此光射线的轨迹将不再是直线而是曲线。当射线的起始条件不同时，将有不同的轨迹存在。如果选用合适的n(r)分布，就有可能使芯子中的不同射线以同样的轴向速度前进，从而可减小光纤中的模式色散。（1）光纤的自聚焦渐变型光纤中，不同射线具有相同轴向速度的现象称为自聚焦现象，这种光纤称为自聚焦光纤。具有不同起始条件的子午线，如果它们的空间周期长度相同，则这些子午线将同时到达终端，就可以在光纤中产生自聚焦。这种可使光纤中产生自聚焦时的折射率分布，称为最佳折射指数分布。图2.3.3射线轨迹（2）最佳折射指数分布的形式表达式：4.渐变型光纤相对折射指数差5.渐变型光纤数值孔径当折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕捉射线的能力就越强。

2.3用波动理论分析光纤的导光原理波动理论有两种分析方法：◆矢量解法：有大小，有方向。◆标量解法：有大小，无方向。1.标量近似解法◆在弱导波光纤中，光射线几乎与光纤轴平行（q190度）。◆弱导波光纤中的E和H几乎与光纤轴线垂直。◆把E和H处在与传播方向垂直的横截面上的这种场分布称为是横电磁波，即TEM波。由于E（或H）近似在横截面上，而且空间指向基本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的空间矢量E变为沿传输方向其方向不变（仅大小变化）的标量E。因此，它将满足标量的亥姆霍兹方程，通过解该方程，求出弱导波光纤的近似解。这种方法称为标量近似解法。2.标量解的场方程的推导思路（1）首先求出横向场Ey的亥姆霍兹方程（2）将式（2-3-11）在圆柱坐标中展开得出（3）用分离变量法求解横向场Ey（4）根据麦氏方程中E和H的关系可得出横向磁场Hx的解答式（5）根据电场和磁场的横向分量可用麦氏方程求出轴向场分量EZ、HZ的解答式3.标量解的场方程（1）坐标选取◆直角坐标系（x，y，z）◆圆柱坐标系（r，q，z）（2）解场方程（3）场方程中的参数①导波径向归一化相位常数②导波径向归一化衰减常数③归一化频率4.标量解的特征方程5.阶跃型光纤标量模特性的分析（1）标量模的定义①极化：就是指随着时间的变化，电场或磁场的空间方位是如何变化的。一般人们把电场的空间方位作为波的极化方向。②线极化：如果波的电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹为一直线时，就把这种极化称为直线极化。③弱导波光纤可认为它的横向场是线极化波，以LP表示。在这种特定条件下传播的模式，称为标量模，或LPmn模。（2）截止时标量模的特性①截止的概念形成导波的条件：当时，导波截止的临界条件。当时，光纤中出现了辐射模时，即认为导波截止。②截止时的特征方程：③截止情况下LPmn模的归一化截止频率Vc④阶跃型光纤的单模传输条件◆由LP01模Vc=Uc=0◆由LP11模Vc=Uc=2.40483◆单模传输的条件是：0＜V＜2.40483（3）远离截止时标量模的特性①远离截止当V→∞时，即为远离截止。②远离截止时标量模的特征方程：③远离截止时LPmn模的U值6.阶跃光纤中导模数量的估算（1）条件：当0<V<2.40483时，为单模光纤；当V＞2.40483时，为多模光纤（使用公式）。（2）公式：

2.4单模光纤2.4.1单模光纤的折射率分布1．阶跃型单模光纤折射率分布形式（1）由于纤芯材料和包层材料不同，在制造过程中，它们相互向对方扩散，渗透，使得在纤芯和包层的交界r=a处，折射率由n1逐渐变化到n2，呈“圆形”变化，如图2.4.1。图2.4.1阶跃型单模光纤折射率分布（2）由于在预制棒制作过程中，形成纤芯r=0处，折射指数下陷，这就是通常所说的MCVD制造工艺所引起的一种典型缺陷，如图2.4.1。2．下凹型单模光纤折射率分布形式在纤芯和包层之间设立折射率比包层折射率还低的中间层，或称为内包层。采用这种结构形式是为了减小单模光纤的色散，可以使材料色散和波导色散相互抵消。2.4.2单模传输的理论分析1．单模传输的条件：0<V<2.404832．单模光纤的特征方程3．单模光纤的特征参数（1）衰减系数α（dB/km）（2）截止波长（3）模场直径d模场直径是描述光纤横截面上，基模场强分布的物理量。2.4.3单模光纤的双折射理论上单模光纤中只传输一个基模，但实际上，在单模光纤中有两个模式，即横向电场沿y方向极化和沿x方向极化的两个模式。它们的极化方向互相垂直，这两种模式分别表示为LP01y和LP01x。在理想的轴对称的光纤中，这两个模式有相同的传输相位常数β，它们是相互简并的。但在实际光纤中，由于光纤的形状、折射率及应力等分布得不均匀，将使两种模式的β值不同，形成相位差Δβ，简并受到破坏。这种现象叫做双折射现象。1.线偏振、椭圆偏振和圆偏振偏振即极化的意思，是指场矢量的空间方位。一般选用电场强度E来定义偏振状态。如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等、相位相差π/2，则合成的电场矢量将随着时间t的变化而围绕着传播方向旋转，其端点的轨迹是一个圆，称为圆偏振，如图2.4.2（2）所示。如果电场强度的两个分量空间方向相互垂直，且振幅和相位都不相等，则随着时间t的变化，合成矢量端点的轨迹是一个椭圆，称为椭圆偏振，如图2.4.2（3）所示。2.单模光纤的双折射（1）双折射的概念在单模光纤中，电场沿x方向或y方向偏振的偏振模LPx及LPy，当它们的相位常数不相等时（即βx=βy），这种现象称为模式的双折射。（2）双折射的分类①线双折射在单模光纤中，如果两正交方向上的线偏振光的相位常数β不相等，引起的双折射称为线双折射。②圆双折射在传输媒质中，当左旋圆偏振波和右旋圆偏振波有不同的相位常数时，将引起该两圆偏振光不同的相位变化，称为圆双折射。③椭圆双折射当线双折射和圆双折射同时存在于单模光纤中时，形成的双折射称为椭圆双折射。（3）双折射对偏振状态的影响单模光纤中，光波的偏振状态是沿传播方向（z轴）作周期性变化的。双折射对偏振状态的影响如图2-17（b）所示。式中Δβ=βx-βy，称为偏振双折射率。

2.5光纤的传输特性光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性。2.5.1光纤的损耗特性1.吸收损耗吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。（1）本征吸收本征吸收是光纤基本材料（例如纯SiO2）固有的吸收，并不是由杂质或者缺陷所引起的。因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收的下限。吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。（2）杂质吸收杂质吸收是玻璃材料中含有铁、铜等过渡金属离子和OH离子，在光波激励下由离子振动产生的电子阶跃吸收光能而产生的损耗。2.散射损耗由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。线性散射损耗主要包括瑞利散射和材料不均匀引起的散射，非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里渊散射等。3.弯曲损耗光纤的弯曲会引起辐射损耗。光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。4.光纤损耗系数（1）定义：传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数。（2）表达式：2.5.2光纤的色散特性1.光纤色散的概念光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。2.光纤色散的表示方法色散的大小用时延差来表示。（1）时延时延即指信号传输单位长度时，所需要的时间，用τ表示。（2）时延差不同速度的信号，传输同样的距离，需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种时延上的差别，称为时延差，用Δτ表示。时延差可由不同的频率成分引起，也可由不同的模式成份引起。时延并不代表色散的大小，色散的程度应用时延差表示，时延差越大，色散就越严重。3.材料色散由于光纤材料本身的折射指数n和波长λ呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。4.波导色散光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。5.模式色散光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数βmn不同，它所引起的色散称为模式色散。2.6光纤的非线性效应2.6.1受激光散射效应瑞利散射：一种线性散射，仅仅改变光的传播方向，而散射光的频率是不变的。受激散射：一种非线性散射，能量从入射波转移到另一个波。在此过程中低频率处的具有小能量差的散射波以声子的形式释放。入射波可被看成是一种泵浦波，散射波被称为斯托克斯波（Stokes）.受激散射的结果：使得承载信息的入射光信号衰减1。受激喇曼散射(SRS):（1）散射光(stokes)主要向前移动，其频率属于光频范围。（2）单信道时SRS阈值功率较大，因此在单信道系统(如SDH)中可以忽略；但在WDM系统中，SRS会造成功率从短波长信道到长波长信道的转移,会引发BER和系统性能下降。（3）SRS的有效频率范围较宽(Δf≈10THz)，从而在许多信道中都会发生SRS，进一步降低系统性能。2.受激布里渊散射(SBS)：（1）散射光(stokes)主要向后移动，其频率属于声频范围。（2）单信道时SBS阈值功率较小,因此对单信道系统是个问题。（3）SBS的有效频率范围很窄(Δf≈20MHz)，对WDM几乎没有影响。2.6.2光纤折射率随光强度变化而引起的非线性效应光纤在强光作用下折射率的表达式。此时光纤的折射率不再是常数，而是与光波电场E有关的非线性参量。式中n2称为非线性克尔系数。折射率随强度的变化引起的非线性效应，最重要的是自相位调制（SPM），交叉相位调制（XPM）及四波混频（FWM）。1.自相位调制（SPM）（1）在强光场的作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线性的折射率使得光纤中所传光脉冲的前、后沿的相位相对漂移。（2）这种相位的变化，必对应于所传光脉冲的频谱发生变化，这个变化的频率称为啁啾。（3）把光脉冲在传输过程中由于自身引起的相位变化而导致光脉冲频谱展宽的这种现象称为自相位调制。（4）SPM因色度色散引起脉冲展宽；对于进入光纤时的高传播功率，SPM可以压缩脉冲。（5）SPM主要影响单信道系统。2.交叉相位调制（XPM）（1）当光纤中有两个或两个以上不同波长的光波同时传输时，由于光纤非线性效应的存在，它们之间将相互作用。（2）光纤中由于自相位调制的存在，因此一个光波的幅度调制将会引起其它光波的相位调制。（3）这种由光纤中某一波长的光强对同时传输的另一不同波长的光强所引起的非线性相移，称为交叉相位调制。（4）在WDM系统中将发生XPM。3.四波混频（FWM）（1）当三个EM波(ω1,ω2,ω3)同时在光纤中传播时，因光纤的电极化率包含非线性部分而产生了第四个EM波(ω1±ω2±ω3),从某种意义上说不是一个波而是多个波。（2）第四个光波的频率可以是三个入射光波频率的各种组合，把这种现象称之为是非线性介质引发多个光波之间出现能量交换的一种响应现象。（3）第四个光波的功率在频率接近零色散波长时达到峰值。（4）四波混频现象对系统的传输性能影响很大，包括增系统误码率和信道之间的串扰。2.6.3光孤子通信1．光孤子从物理学的观点看，光孤立子是光非线性光学的一个特殊产物。孤立子又称孤子、孤立波，它是一种可以长距离、无畸变传输的电磁波。光脉冲波就像一个个孤立的粒子一样，因此称其为孤立子。2．光孤立子的产生机理折射率n与相位φ之间存在确定的关系。一个光脉冲的前沿光强的增大将会引起光纤中光信号的相位增大，随之造成光信号的频率降低，进而使光纤中光脉冲信号的脉冲前沿传输速度降低。如果所传信号是强的光脉冲，则光纤非线性效应使脉冲变窄的作用正好补偿了色散效应使脉冲展宽的影响。那么，可以想像这种光脉冲信号在光纤的传输过程中将不会产生畸变，脉冲波就像一个一个孤立的粒子那样传输，故称孤立子（Soliton）。3．光纤损耗对光孤子传输的影响（1）损耗对光孤子宽度的影响即使光孤子发生展宽，但与不存在非线性影响情况下的展宽相比要小的多，因此对光纤通信系统来说，非线性影响是有益的。如果使用高阶光孤子来分析的话，也可以得到同样的结论。而且在8Gbit/s传输速率、光孤子的峰值功率为3mW条件下，预计中继距离可增加两倍。（2）利用光孤子放大补偿光损耗为克服光纤损耗的影响，需要对光孤子周期性地放大，以便恢复其最初的宽度和峰值功率。①集中光孤子放大②分布放大

第3章光纤通信器件3.1光源3.1.1激光器的物理基础1.光子的概念◆光具有二重性，即波动性和粒子性。◆不同频率的光子具有不同的能量。◆一个光子具有的能量为：E=hf2.费米能级（1）原子能级物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。原子核带正电，电子带负电。正负电荷数相等，整个原子呈中性。当原子中电子的能量最小时，整个原子的能量最低，这个原子处于稳态，称为基态；当原子处于比基态高的能级时，称为激发态。通常情况下，大部分原子处于基态。（2）费米能级（Ef）①当T>0k（正值）时：E>Ef：f(E)<，能级E被电子占据几率小。E<Ef：f(E)>，能级E被电子占据几率大。②当T＝0K（正值）时：E>Ef：f(E)=0E<Ef：f(E)=13.光和物质的相互作用光和物质的相互作用有自发辐射、受激吸收和受激辐射三种。（1）自发辐射：物质在在无外来光子激发下，高能级E2上的电子，由于不稳定，自发地向低能级E跃迁，多余的能量以发光的形式表现出来，这个过程叫做自发辐射。（2）受激吸收：物质在外来光子的激发下，低能级E1上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级E2上，这个过程叫做受激吸收。（3）受激辐射：处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。3.1.2激光器的工作原理1.粒子数反转分布要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。2.激光器的基本组成激光振荡器必须包括以下三个部分：激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔。3.光学谐振腔（1）光学谐振腔的结构。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r<1，产生的激光由此射出。（2）光学谐振腔工作原理在激光器中，首先由泵浦源激励激光工作物质，产生粒子数集居反转分布。同时，由于自发辐射也将产生自发辐射光子。这些光子辐射的方向是任意的，它们之中凡是沿与谐振腔轴线夹角较大的方向传播的光子，将很快逸出腔外，只有那些沿与谐振腔轴线夹角较小的方向传播的光子流，才有可能在腔内沿轴线方向来回反射传播，在腔内的激活物质中来回穿行。受激辐射连锁反应，象雪崩般的加剧，当光功率达到一定程度时，在部分反射镜M2的一侧输出一个高功率的平行光子流。在这一过程中由于受激辐射跃迁而产生大量的全同光子，这就是激光。4.激光器的参量（1）损耗系数α（2）增益系数G（3）阈值条件Go（4）相位平衡条件

3.1.3半导体激光器（LD）1.半导体激光器的结构◆半导体激光器的结构有两种：F-P腔激光器和DFB-分布反馈型激光器。◆F-P腔激光器从结构上可分为同质、单异质和双异质半导体激光器三种。2.半导体激光器工作原理（1）本征半导体的能带分布：未掺杂的半导体（2）P型半导体和N型半导体（3）在重掺杂情况下，P-N型结的能带分布。（4）P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。3.半导体激光器的工作特性（1）阈值特性（图见书）对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。（2）光谱特性半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。（3）温度特性（图见书）激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。（4）转换效率半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示。

3.2光电检测器◆光电检测器是将光信号转换为电信号。◆常用的半导体光电检测器有PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管两种。3.2.1半导体的光电效应半导体光电效应：第一步，当光照射到半导体的P-N结时，若光子能量足够大，则价带中的电子吸收光子，获得能量的电子跃迁到导带，同时在价带中留下了空穴，即光电子-空穴对，又称光生载流子。第二步，光生载流子在外加偏置电压和内建电场的作用下，电子-空穴对的运动形成了电流，这个电流常称为光生电流。图3.2.1半导体材料的光电效应当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子—空穴对产生，显然必须满足如下关系，即其中，E为一个光子的能量，Eg为禁带的宽度。截止频率：截止波长：【结论】只有入射光波长λ<λc，才能产生光电效应。3.5.2PIN光电二极管PIN光电二极管的结构如图3.5.2所示。在高掺杂的P型和N型半导体之间，生长一层低掺杂的N型半导体，因为这一层的掺杂浓度很低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层。在PIN管结构中P+和N+区非常薄，而低掺杂的I区很厚，外加负偏压进一步驱除了I区的载流子，常常使得耗尽几乎占据了整个PN结，从而使光子在零电场区被吸收的可能性很小，而在耗尽区里被充分吸收。即吸收区近似等于作用区光电转换效率提高。图3.2.2PIN光电二极管结构和能带图3.5.3雪崩光电二极管雪崩光电二极管，又称APD（AvalanchePhotoDiode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。1.APD的雪崩效应APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子—空穴对；新产生的电子—空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子—空穴对……如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。2.APD的结构目前APD结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。图3.2.3雪崩光电二极管的结构意图保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电场分布如图3.2.4所示。图3.2.4（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图3.2.4（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。图3.2.4（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等。3.5.4光电检测器的特性1.响应度R0和量子效率η（1）响应度（A/W）（2）量子效率2.响应时间响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短的。3.暗电流ID理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。4.雪崩倍增因子G雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参量—雪崩倍增因子。在忽略暗电流影响条件下，它定义为一般APD的倍增因子G在40～100之间。PIN光电管因无雪崩倍增作用，所以G=1。

3.3光放大器3.3.1EDFA放大器1.光放大器的概述（1）光/电/光中继器（2）光/光中继器2.光放大器的分类（1）半导体光放大器（SOA）（2）光纤光放大器（FOA）3.EDFA概述4.EDFA的特点（1）工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得应用。（2）耦合效率高。（3）能量转换效率高。（4）增益高、噪声低、输出功率大。（5）增益特性稳定。（6）可实现透明的传输。5.EDFA的结构EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器、滤波器等组成。（1）光耦合器：将信号光和泵浦光合在一起，一般采用波分复用器实现。（2）光隔离器：抑制光反射，以确保光放大器工作稳定，即保证放大信号单向传输。（3）光滤波器：滤除放大器中的噪声，以提高系统的信噪比。（4）泵浦光源：使EDF的粒子处于反转分布状态。泵浦源的工作波长为980nm和1480nm。5.EDFA工作原理（1）当用高能量的泵浦激光器来激励掺铒光纤时，可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级E3上。（2）E3能级上的粒子寿命很短，通过无辐射衰减（即不释放光子）落入亚稳态能级E2。（3）亚稳态E2能级上的粒子寿命较长，易聚集粒子，形成E2－E1能级之间的粒子数反转分布，从而形成信号光的放大。6.EDFA性能指标①放大器的噪声②增益G=10lg（Pout/Pin）（dB）7.EDFA的应用①功率放大器：提升功率②线路放大器：用在中继设备上③前置放大器：用于信号放大3.3.2光纤拉曼放大器1.RFA的特点（1）很宽工作带宽（2）和EDFA组合使用，能有效降低系统的噪声指数。（3）减少入射信号的光信号（4）对光信号构成分布放大，可实现无中继长距离传输（5）比较宽的拉曼增益谱。2.RFA工作原理

3.4无源光器件◆无源光器件是除光源器件、光检波器件之外不需要电源的光通路部件。◆无源光器件可分为光纤连接器、光衰减器、耦合器和光隔离器等。光纤连接器光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将其定义为“用以稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。（1）光纤连接器的基本构成由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。光纤活动连接器基本结构（2）光纤连接器的分类光纤连接器按光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、套管结构和紧固方式进行分类，如表3-1所示。单通道对接套筒/V型槽直套管螺丝多通道透镜锥型锥型套管销钉单/多通道其他其他其他弹簧销（3）光纤连接器的性能①插入损耗（介入损耗），该值越小越好。平均损耗值应不大于0.5dB。②回波损耗（或称反射损耗、回损、回程损耗），是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个度量值，该值越大越好。其典型值应不小于25dB。③互换性，每次互换后，其连接损耗变化量越小越好。④重复性，即每次插拔时连接损耗变化量要小。⑤插拔寿命（最大可插拔次数），光纤连接器的插拔寿命一般由元件的机械磨损情况决定。（4）部分常见光纤连接器①FC型。其接头的对接方式为平面对接。②PC型。是FC型的改进型。其对接面由平面变为拱型凸面。是我国最通用的规格。③SC型。其结构尺寸与FC型相同，端面处理采用拱型凸面或PC研磨方式。④DIN47256型。由德国开发。⑤双锥型连接器。由美国贝尔实验室开发研制。（5）固定连接光纤与光纤的连接有两种，活动连接和永久性连接。以上介绍了活动连接。永久性连接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。3.4.1光定向耦合器1.光定向耦合器的结构（图见书）2.光纤式定向耦合器的参数下面以2×2定向耦合器为例来说明。（1）隔离度A由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出。但实际上端4还是有少量光功率输出（P4），其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为一般情况下，要求（2）插入损耗L它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用L表示为一般情况下，要求L≤（3）分光比T分光比等于两个输出端口的光功率之比，如从端1输入光功率，则端2和端3分光比一般情况下，定向耦合器的分光比为1︰1～1︰10。3.4.2光隔离器与光环行器1.光隔离器的工作原2.三端口光环行器对于光隔离器与光环行器来讲，它们都是希望从输入端口输入的光信号到输出端口时，衰减尽量小，即要求器件的插入损耗要小；对于不应有输出的端口，要求隔离度要高。器件典型的插入损耗为1dB左右，隔离度为40～50dB。3.4.3光滤波器F-P腔型光滤波器的主体是F-P谐振腔。描述F-P腔型光滤波器的特性参数主要是自由谱域（FSR）及带宽（BW）。（1）自由谱域（FSR）：为相邻波长之间的距离（2）带宽（BW）：为谐振峰降至一半时所对应的频带宽度，又称为3dB带宽。

第4章光纤通信系统4.1IM-DD光纤通信系统4.1.1光纤通信中的线路码型分组码常用mBnB表示，它是把输入码流每m比特分成一组，然后把每组编成n比特输出。每组的m个二进制码，记为mB，变换为n个二进制码，记为nB，因此称为mBnB码，其中m和n都是正整数，通常n＞m，一般选取n=m+1。常用的mBnB码有1B2B、3B4B、5B6B、8B9B和17B18B等。4.1.2光发射机光发射机是把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤线路进行传输。4.1.2.1对光发射机的要求1.有合适的输出光功率光发射机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。光源应有合适的光功率输出，一般为0.01mW～5mW。2.有较好的消光比消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0“码平均发送光功率之比。可用下式表示：（dB）3.调制特性要好所谓调制特性好，是指光源的P−I曲线在使用范围内线性特性好，否则在调制后将产生非线性失真。4.1.2.2光源的调制◆光源的调制的基本概念就是用电信号(调制信号)去改变光载波的某一特征参量。◆光源的调制可分的直接调制（内调制）和间接调制（外调制）两大类1.有直接调制（内调制）直接调制就是将电信号直接注入光源，使其输出的光载波信号的强度随调制信号的变化而变化，又称为内调制。2.间接调制（外调制）间接调制不直接调制光源，而是利用晶体的电光、磁光和声光特性对LD所发出的光载波进行调制，即光辐射之后再加载调制电压，使经过调制器的光载波得到调制，这种调制方式又称作外调制。4.1.2.3光发射机的基本组成1.光发射机的基本组成（图见书）2.光发射机各部分功能（1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。（2）码型变换：将HDB3码或CMI码变换为单极性“0”“1”码。（3）复用：用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。（4）扰码：使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。（5）时钟提取：提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。（6）调制（驱动）电路：完成电/光变换任务。（7）光源：产生作为光载波的光信号。（8）自动功率控制(APC)：保持光源输出功率的稳定（图见书）。（9）自动温度控制(ATC)：使激光器的输出特性保持稳定（图见书）。4.1.3光接收机4.1.3.1光接收机的基本组成1.光接收机的基本组成（图见书）2.光接收机的各部分功能（1）光电检测器光电检测器的作用是将由发送光端机经光纤传过来的光信号转变为电信号，即具有光/电转换功能。（2）前置放大器将光检测器转换的微弱光信号放大到一定程度，以便获得最高信噪比。（3）主放大器将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。重高增益，还有它的增益受AGC电路控制，输出电压为1~3V。（4）均衡器保证信号在判决时不存在码间干扰。（5）判决器和时钟恢复电路对信号进行再生即消除噪声叠加，对信号进行还原。（6）自动增益控制（AGC）自动增益控制使用反馈环路来控制主放大器的增益，使光接收机的输出的信号幅度，在一定范围内不受输入信号幅度影响。（7）解扰、解复用和码型变换电路在光发射机中首先进行码型变换。在光发射机中对数字码流进行扰码处理。发送端根据所输入信号的性质不同，将会采用不同的复用方式以提高信道的利用率，因而接收端则需进行相反的操作。（8）辅助电路辅助电路包括箝位电路、温度补偿电路和告警电路等。4.1.3.2光接收机的噪声特性1.量子噪声量子噪声是指当一个光电检测器受到外界光照，其光子激励而产生的光生载流子是随机的，从而导致输出电流的随机起伏。这是检测器固有的噪声。2.暗电流噪声暗电流是指无光照射时光电检测器中产生的电流。由于激励出的暗电流是浮动的，就产生了噪声，称为暗电流噪声。3.雪崩管倍增噪声由于雪崩光电二极管的雪崩倍增作用是随机的，这种随机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声。4.光接收机的电路噪声主要指前置放大器噪声，其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。4.1.3.3光接收机的主要指标数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。1.光接收机的灵敏度（1）定义：光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin（mW）。（2）单位：毫瓦分贝（dBm）（3）公式：2.光接收机的动态范围（1）定义：接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率Pmin（dBm）和最大允许输入光功率Pmax（dBm）之差。（2）单位：分贝（dB）（3）公式：4.1.4光纤通信系统（图见书）1.光中继器光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这样就限制了光脉冲信号在光纤中做长距离的传输。最简单的光中继器原理方框图实用的中继器方框图2.监控系统监控系统为监视、监测和控制系统的简称。在光纤通信的监控系统中，通常采用的是集中监控方式。（1）监控内容监控的内容分别包括监视和控制两部分。（2）监控信号的传输在数字通信系统中采用时分复用的方式来完成监控信号的传输，但不同的传输体制，其监控信号的传输方式有所区别。

4.2衰减和色散对中继距离的影响在中继距离的设计中应考虑衰减和色散这两个限制因素，因而对于中继距离的设计可以分为两种情况来讨论。第一种情况是损耗受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道损耗决定。第二种情况是色散受限系统，即再生段距离由S和R点之间的光通道总色散所限定。4.2.1衰减与色散对中继距离的影响1．衰减对中继距离的影响一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损耗和微弯带来的附加损耗。构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包括两大类：吸收损耗和散射损耗。引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等。2．色散对中继距离的影光纤自身存在色散，即材料色散、波导色散和模式色散。对于单模光纤，因为仅存在一个传输模，故单模光纤只包括材料色散和波导色散。除此之外，还存在着与光纤色散有关的种种因素，其中比较重要的有三类：码间干扰、模分配噪声和啁啾声。(1)码间干扰对中继距离的影响系统的传输速率越高，光纤的色散系数越大，光源谱宽越宽。(2)模分配噪声对中继距离的影响①激光器的光谱特性②模分配噪声的产生及影响高速调制时多纵模的随机起伏(3)啁啾声对中继距离的影响对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载流子密度的变化随注入电流的变化而变化。这样使有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔的光通路长度相应变化，结果致使振荡波长随时间偏移，这就是频率啁啾现象。因为这种时间偏移是随机的，因而当受上述影响的光脉冲经过光纤后，在光纤色散的作用下，可以使光脉冲波形发生展宽，因此接收取样点所接收的信号中就会存在随机成分，这就是一种噪声——啁啾声。3．最大中继距离的计算（1）损耗受限系统的实际可达再生段距离可以用下式来估算：式中PT为发送光功率（dBm），PR为光接收灵敏度（dBm），AC是光纤配线盘上的收发端两个附加活动连接器损耗（dB），PP为光通道功率代价（dB），由反射功率代价Pr和色散功率代价Pd组成，Me为系统设备富裕度（dB），Mc为光缆富余度（dB/km），n是再生段内所用光缆的盘数，αfi是单盘光缆的衰减系数（dB/km），Af表示再生段平均光缆衰减系数（dB/km），αsi是单个光纤接头的损耗（dB），AS是再生段平均接头损耗（dB）。（2）色散受限系统设计色散受限系统可达的再生段距离的最坏值可用下式估算：其中DSR为S点和R点之间允许的最大色散值，可以从相关的标准表格中查到，Dm为允许工作波长范围内的最大光纤色散系数，单位为ps/（nm·km），可取实际光纤色散分布最大值。（1）多纵模激光器（MLM-LD）和发光二极管（LED）式中fb是线路信号比特率，单位为Mbit/s；Dm是光纤色散系数，单位为ps/（nm·km）；△λ是光源的均方根谱宽，单位为nm；ε是与色散代价有关的系数，当光源为多纵模激光器（MLM−LD）时，ε取0.115，若为发光二极管（LED），ε取0.306。（2）单纵模激光器（SLM-LD）式中α为啁啾系数，当采用普通DFB激光器作为系统光源时，α取值范围为4～6；当采用新型的量子阱激光器时，α取值范围为2～4；λ为波长（单位为nm）；fb为线路信号比特率（单位为Tbit/s）。

第5章SDH与WDM5.1SDH-同步数字体系5.1.1SDH的基本概念1.PCM-语音脉冲编码调制（1）抽样/采样（2）量化（3）编码2.PCM30/32Ts=125µS，fs=8000Hz，帧长=32×8bit=256bit，速率=256bit/125µS=256bit×8000Hz=2.048Mbps3.PDH速率等级群次一次群E1二次群E2三次群E3四次群E4速率2.048Mbps6.448Mbp34.368Mbp139.264Mbp帧周期125µS100.38µS44.69µS21.03µS2.SDH速率等级SDH速率等级比特率速率简称STM-1155520Kbit/s155Mbit/sSTM-4622080Kbit/s622Mbit/sSTM-162488320Kbit/s2.5Gbit/sSTM-649953280Kbit/s10Gbit/s3.SDH帧结构【画图】（1）段开销（SOH）:（2）信息净负荷区:（3）管理单元指针:4.SDH网的特点（1）灵活的分插功能（2）网络管理能力强（3）自愈能力强（4）有统一光接口规范（5