光纤通信系统（第3版） 课件全套 沈建华 第1-11章 概述、光纤与光缆- 光纤通信新技术

光纤通信系统2课程介绍传输技术是通信网络中最重要的基础技术之一，现代通信网络普遍采用的是数字传输技术。光纤通信由于具有突出的优点，是目前通信网络中最主要的传输技术。本课程重点讲授光纤通信和数字传输的相关知识。本课程总课时48学时，其中理论课部分42学时，实验部分4学时，习题课2学时。3教学资源教材《光纤通信系统》（第3版），机械工业出版社参考书

《数字传输技术基础》，林建中、王缨、郭世满等编著，北京邮电大学出版社《光纤通信系统》（第2版），杨祥林主编，国防工业出版社《光网络：系统、器件与联网技术》，韦乐平，张成良编著，人民邮电出版社电子资源课程网站：/nygqtx/

4第一章概述1.1光纤通信的发展概况1.2光纤通信的优点和应用1.3光纤通信系统的组成51.1光纤通信发展概况通信是指两个或多个实体之间交换信息的过程，通信系统是该过程的具体实现。光通信是指利用某种特定波长（频率）的光信号承载信息，并将此光信号通过光纤或者大气信道传送到对方，然后再还原出原始信息的过程。光纤通信是光通信最主要的实现形式。6光通信与光纤通信的区别光通信（Light-waveCommunication）光纤通信（OpticalFiberCommunication）使用光导纤维作为传输媒质目前最主要的光通信应用形式大气光通信/空间光通信（FreeSpaceOptics）光信号直接在大气（或其他介质）中传输（垂直/水平方向）地面—卫星通信或接入网中应用7光纤通信发展主要历程远古时代：烽火台，狼烟传讯

近代：旗语，灯光1880，A.G.Bell发明光电话60年代初，激光器诞生70年代——面临实用化挑战光源：能否制造出室温下连续工作的激光器？媒质：能否找到损耗足够低的传输媒质？补充阅读材料：/upload/blog/file/2010/5/20105319399922710.pdf

A.G.Bell1847-1922T.H.Maiman1927-20078光纤通信的奠基人——高锟1966年，在英国标准电信实验室工作的华裔科学家高锟（C.K.Kao）首先提出用石英玻璃纤维作为光纤通信的媒质*，为现代光纤通信奠定了理论基础。*K.C.KaoandG.A.Hockham,“Dielectric-FibreSurfaceWaveguidesforopticalfrequencies”Proc.IEEE,113,1151(1966)91970年：光纤通信实用化的开端1970年，美国康宁公司用超纯石英为材料，首先拉制出损耗为20dB/km的光纤

1970年，美国贝尔实验室研制成功可在室温下连续振荡的镓铝砷（GaAlAs）半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源1977年，GaAlAs激光器的寿命可达100万小时，为光纤通信的商用化奠定了基础

70年代光源和光纤技术的快速成熟，为光纤通信的商用化打下了坚实的基础10光纤通信系统的发展第一代光纤通信系统850/1310nm多模系统，140Mbit/s，30km第二代光纤通信系统1310nm单模系统，1Gbit/s，50km第三代光纤通信系统1550nm单模系统，2.5Gbit/s，100km第四代光纤通信系统光放大器引入，数十Gbit/s～Tbit/s，数千km第五代光纤通信系统光孤子系统，超大容量和超长距离传输，网络化/智能化光纤通信的发展始终呈现对高速率和长距离的追求111.2光纤通信的优点和应用1.2.1光纤通信的优点1.2.2光纤通信的应用121.2.1光纤通信的优点传输容量大传输损耗小，中继距离长泄漏小，保密性好节省有色金属抗电磁干扰能力强重量轻，可扰性好，易于施工131.光纤通信系统具有巨大的传输容量光纤通信使用的是频率极高的电磁波，传输中可以获得极高的信号频谱。光纤通信适用的λ=1310nm波长段和λ=1550nm波长段两个区域，共有约200nm宽的低损耗区，理论上可提供近30THz的传输频带目前实验室里实现的最高容量为20Tbit/s级*，因此光纤的频带利用率仍有很大的提高空间。*OFC/NFOEC2012会议NTT：PDM-64QAM调制方式、11.2THz频带、采用全拉曼放大，系统总容量102.3Tbit/s，传输距离达240km142.极小的传输损耗，极长的中继距离单模光纤在1310nm波长窗口损耗系数约为0.35dB/km单模光纤在1550nm波长窗口损耗系数约为0.2dB/km光纤的传输损耗不仅小，而且在相当宽的频带内特性几乎一致，因此用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多153.泄漏小，保密性好由于光纤传输的特殊机理，在光纤中传输的光向外泄漏的能量很微弱，难以被截取或窃听。与其他无线、有线通信方式相比，光纤通信有较好的保密性，信息在光纤中传输非常安全。单根光缆内部署多根光纤也不会引入串扰。164.节省大量有色金属制造通常的电缆需要消耗大量的铜和铅等有色金属，成本较高。以四管中同轴电缆为例，1km四管中同轴电缆约需460kg铜，而制造1km光纤，只需几十克石英。制造光纤的石英（主要成分为SiO2）原材料丰富而便宜，几乎取之不竭。175.抗电磁干扰能力强光纤主要是由SiO2材料制成，它不易受外界各种电磁场的干扰。强电、雷击等也不会显著影响光纤的传输性能。甚至在核辐射等极端环境中，光纤通信仍能正常进行，这是通常的电缆通信所不能比拟的。光纤通信在电力输配、电气化铁路、雷击多发地区、核试验等环境中应用更能体现其优越性。186.重量轻，可扰性好，易于施工光缆单位长度的重量比其他通信电缆要轻得多。每根光纤的直径很小，制成光缆后可充分利用地下管道。二次套塑的光纤，即使以几厘米的曲率半径弯曲也不会断，施工时可以采用与电缆相同或类似的敷设技术进行敷设。通信设备的重量轻和体积小，对军事、航空航天等特殊的应用环境具有特别重要的意义。191.2.2光纤通信的应用光纤通信系统的类型光纤通信的应用201.光纤通信系统的类型按传输信号的类型模拟系统和数字系统按调制方式直接调制和外差调制按光纤的传输特性单模光纤系统和多模光纤系统按光波长短波长、长波长和超长波长系统212.光纤通信系统的应用通信网计算机网有线电视网综合业务接入网221.3光纤通信系统的组成1.3.1光纤通信系统原理框图1.3.2光纤通信系统的构成231.光纤通信系统原理框图光纤通信系统可以传送数字信号也可传送模拟信号。传送的信息有话音、图像、数据和多媒体业务。实用的光纤通信系统，一般采用的是数字编码、强度调制／直接检测（IM/DD）的光纤通信系统，如图1-1所示。IM/DD:IntensityModulation/DirectDetection24图1-1光纤通信系统原理框图（单向传输）251.3.2光纤通信系统的组成光发送机光纤线路光接收机数字复用设备光中继机26本章小结及知识点光纤通信的发展概况光纤通信的主要优点光纤通信系统的构成光纤通信系统28光纤是光纤通信系统中的传输媒质，其材料、结构和传输性能的好坏直接影响了系统的性能。本章首先介绍光纤光缆的基本结构和类型，然后分别应用射线光学和波动光学理论分析光纤传输原理，在此基础上对光纤的损耗、色散和非线性等传输性能参数进行介绍，最后给出光纤的类型及工程技术。第二章光纤与光缆292.1光纤光缆的结构和类型2.1.1光纤结构2.1.2光纤类型2.1.3光纤制造工艺2.1.3光缆及其结构302.1.1光纤结构光纤的基本结构主要由以下几部分组成：折射率（n1）较高的纤芯部分、折射率（n2）较低的包层部分以及表面涂覆层。结构如图2-1所示。为保护光纤，在涂覆层外有二次涂覆层（又称塑料套管）。31图2-1光纤基本结构无论何种光纤，其包层直径都是一致的涂覆层的主要作用是为光纤提供保护纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一个完整整体32光纤的分类按折射率分布按二次涂覆层结构按材料按传导模式331.按纤芯折射率分布：

阶跃折射率分布和渐变折射率分布思考：为什么纤芯的折射率要高于包层折射率？342.按光纤的二次涂覆层结构紧套结构光纤松套结构光纤353.按光纤主要材料

SiO2光纤*塑料光纤氟化物光纤*SiO2是目前最主要的光纤材料364.按光纤中的传导模式*单模光纤多模光纤*传导模式的概念将在模式分析部分介绍372.1.2光纤类型目前国际上对光纤光缆型号进行标准化的主要是国际电信联盟标准化组织(ITU-T)和国际电工委员会(IEC)。ITU-T涉及通信光纤的标准主要是G.65x系列，IEC则是标准60793系列。ITU-T规定的光纤型号主要有G.651光纤（多模光纤），G.652光纤（常规单模光纤），G.653光纤（色散位移光纤），G.654光纤（低损耗光纤），G.655光纤（非零色散位移光纤）以及最新的G.656和G.657光纤。IEC标准（我国国标也参照IEC命名）将光纤的种类分为A类（多模）光纤和B类（单模）光纤。2.1.3光纤制造工艺改进的化学汽相沉积法(MCVD)轴向汽相沉积法(VAD)棒外化学汽相沉积法(OVD)等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)38光纤接续方法永久接续法连接器接续法39402.1.4光缆及其结构光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。41光缆的分类方法按成缆光纤类型多模光纤光缆和单模光纤光缆按缆芯结构中心束管、层绞、骨架和带状按加强件和护层金属加强件、非金属加强、铠装按使用场合长途/室外、室内、水下/海底等按敷设方式架空、管道、直埋和水下42光缆的结构（成缆方式）层绞式骨架式中心束管式带状式43光缆结构示意图层绞式中心束管式带状式2.2光纤传输原理2.2.1射线光学分析方法2.2.2波动光学分析方法44452.2.1射线光学理论分析光波在光纤中传输可应用两种理论：波动理论和射线理论。波动理论分析光波在阶跃折射率光纤中传播的模式特性的方法比较复杂。射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对定性理解光的传播现象很有效，而且对光纤半径远大于光波长的多模光纤能提供很好的近似。46两个重要概念1：光射线（简称射线）设有一个极小的光源，它的光通过一块不透明板上的一个极小的孔，板后面的一条光的边界并不明显锐利，而有连续但又快速变化的亮和暗，这就是所谓的衍射条纹。如果光波长极短（趋于0）而可以忽略，并使小孔小到无穷小，则通过的光就形成一条尖锐的线，这就是光射线。也可以说一条很细很细的光束，它的轴线就是光射线。47当光波长趋于0而可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法称为射线光学。在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何光学。射线光学是忽略波长的光学，亦即射线理论是λ→0时的波动理论。两个重要概念2：射线光学（即几何光学）481.Snell定律从射线方程导出的射线光学最重要的理论之一是斯涅尔（Snell）定律，它应用于恒定折射率n1和n2区域时可写成：反射定律：

（2-2）折射定律：（2-3）式中n1、n2为介质的折射率，、、分别是光线的入射角、反射角和折射角。49第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1＜n2法线反射定律：入射角Φ入＝反射角Φ反折射定律：n1·sinΦ入＝n2·sinΦ折Φ入Φ反Φ折入射光线折射光线反射光线光射线的反射和折射50第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1＞n2法线折射光线反射光线入射光线全反射定律：当入射角度增大到某一角度时，折射角可以获得最大值90°，此时可认为无折射光存在，所有的入射光都被反射，称为全反射现象，满足全反射现象的最小角度称为全反射的临界角φC。ΦC光的全反射现象（光密介质－光疏介质）512.光纤的传光原理利用上述的射线分析方法，可以直观地对光纤的传光原理进行解释，但是必须要指出的是，射线分析方法虽然具有易于理解的优点，但其本质上是一种近似分析方法，只能定性地解释光纤的传光原理，并不能作为定量的分析依据。52阶跃折射率光纤中的全反射传输光纤轴线方向纤芯（n1）包层（n2）n1＞n2思考：如果光纤发生弯曲或形变会有什么结果？此处亦有折射现象，如何由光纤内部的全反射条件推导处此处的入射条件？53最大接收角和数值孔径最大接收角数值孔径为式中，n1,n2

分别为光纤芯和包层的折射率，Δ为相对折射率差。542.2.2波动光学分析方法

射线光纤理论分析方法虽然形象地给出了光纤中光的传输原理，但其是假定光波长趋于0时的近似分析方法，无法对光在光纤中的传输状态进行严格的定量分析，因此需要引入波动光学理论分析方法。

波动光学理论分析方法的核心是求解波动方程。55简化形式的波动方程

（2-11）

（2-12）式中，和分别是电场强度矢量和磁场强度矢量，k为波数，表示为

ω为角频率，ε和μ分别为介电常数和磁导率。

光纤中波动方程的求解考虑光纤的外形是圆柱形，纤芯和包层是存在一定折射率差的石英（SiO2）材料。因此，可以把光纤抽象为一个圆柱形介质波导体，z轴是轴向坐标（光信号传播的前进方向）。用求解波动方程的方法考察光在光纤中具体的传播和存在形式，即在圆柱坐标系中求解

6个变量。由于波动方程只有2个方程，因此需要进行必要的矢量变换。56572.2.4柱面坐标系下的波动方程

582.阶跃折射率光纤模式分析本节将用波动理论来分析阶跃折射率分布光纤，得到在光纤中传播的各种模式的表示方法。讨论各模式的截止条件，并引入线性极化模的概念。用于分析的阶跃折射率光纤几何图形如图2-7所示。假设光纤包层的半径b

足够大，以使得包层内电磁场按指数幂衰减，并在包层和空气的界面处趋于0，这样就可以把光纤作为两种介质的边界问题进行分析。59图2-9阶跃折射率光纤几何图形60波动方程的求解运用分离变量法求解波动方程经过一系列数学处理，可得上式是贝塞尔方程，式中m是贝塞尔函数的阶数，称为方位角模数，它表示纤芯沿方位角

绕一圈场变化的周期数。61方程解的讨论根据边界条件的假设，在纤芯和包层中波动方程的解（分别对应纤芯和包层中场的存在形式）应该不一样。纤芯中（

）应该是振荡场，场的能量可以沿z轴方向传输；包层（

）中应该是衰减场，理想情况下应该没有场存在，这也符合前述的稳态传输条件假设，即场能量只存在于纤芯中。由于波动方程中的各系数都是待定的，因此波动方程的求解可能得到许多组解，也即对应着可能会在光纤中存在多种形式的传输场。62模式存在条件对每一个传播模来说，应该仅能存在纤芯中，而在包层中衰减无穷大，即不能在包层中存在，场的全部能量都沿光纤轴线方向传输。如果某一个模式在包层中没有衰减，称该模式被截止（cutoff）。不同的模式具有不同的模截止条件，满足该条件时能以传播模形式在纤芯中传输，否则该模式被截止；在所有的模式中，仅有HE11模不存在模截止条件，即截止频率为0。也就是说，当其它所有模式均截止时该模式仍能传输，称HE11模为基模。从基模及其他模式（称为高阶模）的截止条件和波长等，即可推导出对应的边界条件（包括纤芯和包层的几何尺寸、折射率等参数）。632.2.3单模传输条件阶跃折射率光纤的传播模式是归一化频率V的函数。当

（2-22）

时，光纤中传播的唯一的模式为HE11模（即LP01模），光纤为单模传输。641.截止波长在前面的分析中已知，只有归一化频率V小于LP11模的截止频率（Vc=2.4048）时，才能保证光纤中只传输基模（LP01模或HE11模），所以单模光纤理论截止波长为

（2-23）截止波长是单模光纤的基本参量，也是单模光纤最基本的参数。65截止波长和工作波长的关系判断一根光纤是不是单模传输，只要比较一下它的工作波长λ与截止波长λc的大小就可以了。如果λ>λc

，则为单模光纤，该光纤只能传输基模；如果λ<λc

，就不是单模光纤，光纤中除了基模外，还能传输其它高阶模。目前工程上有四种截止波长：（1）理论截止波长λc1；（2）2米长光纤截止波长λc2；（3）光缆制造长度的截止波长λc3；（4）一个中继段的截止波长λc4。一般是λc1>λc2>λc3>λc4。662.模场直径单模光纤中基模（LP01模或HE11模）场强在光纤的横截面内有一特定的分布，该分布与光纤的结构有关。光功率被约束在光纤横截面的一定范围内。也就是说，单模光纤传输的光能不是完全集中在纤芯内，而是有相当部分在包层中传播。所以不用纤芯直径来作为衡量单模光纤中功率分布的参数，而用所谓的模场直径作为描述单模光纤传输光能集中程度的参数。672.3光纤传输特性光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变，因而输出信号和输入信号不同，光脉冲信号不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号衰减和畸变的主要原因是光在光纤中传输时存在损耗和色散等性能劣化。损耗和色散是光纤的最主要的传输特性，它们限制了系统的传输距离和传输容量。本节要讨论光纤损耗和色散的机理和特性。682.6.1损耗特性*（Attenuation）光纤的损耗将导致传输信号的衰减。在光纤通信系统中，当入纤的光功率和接收灵敏度给定时，光纤的损耗将是限制无中继传输距离的重要因素。*也称为衰减特性

69损耗和损耗系数的定义当工作波长为时，L公里长光纤的衰减及光纤每公里衰减可用下式表示：

式中：Pi、Po分别为光纤的输入、输出的光功率，单位W。L为光纤长度，单位km。70光纤损耗的产生机理造成光纤中能量损失的原因是吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。吸收损耗与光纤材料有关，散射损耗与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关，辐射损耗则是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。71吸收损耗本征吸收是由材料中的固有吸收引起的。物质中存在着紫外光区域光谱的吸收和红外光区域的吸收。吸收损耗与光波长有关。紫外吸收带是由于原子跃迁引起的。红外吸收是由分子振动引起的。SiO2的光纤材料中含有一定的掺杂剂（如锗Ge，硼B，磷P等）和跃迁金属杂质（如铁Fe，铜Cu，铬Cr等）。这些成分的存在把紫外吸收尾部转移到更长的波长上去。所含的杂质离子，在相应的波长段内有强烈的吸收。杂质含量越多，损耗越严重。除了跃迁金属杂质吸收外，氢氧根离子（OH-）的存在也产生了大的吸收。72散射损耗散射损耗是由于材料不均匀，使光散射而引起的损耗。瑞利散射损耗瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的。瑞利散射损耗的大小与1/λ4成正比。波导散射损耗光纤在制造过程中，会发生某些缺陷。这就会产生散射损耗。73图2-11光纤损耗－波长特性74辐射损耗光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲。弯曲后的光纤可以传光，但会使光的传播途径改变。一些传输模变为辐射模，引起能量的泄漏，这种由能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。消逝场q¢

<qqq

>qcq¢RqqCladdingCore场分布宏弯微弯752.3.2色散特性（Dispersion）光纤中传输的光信号可能包括不同的频率成分和模式成分，这些包含不同频率或不同模式成分的光脉冲在光纤中传输的速度不同，从而产生时延差并引起光脉冲形状的变化。定义色散（Dispersion）为单位波长间隔内不同波长成分的光脉冲传输单位距离后脉冲前后沿的时延变化量，其单位为ps/nm·km。色散是导致光纤中传输信号畸变的主要性能参数，会使光脉冲随着传输距离延长而出现展宽现象，进一步地产生码间干扰（ISI），继而增加系统的误码率。因此，色散一方面限制了光纤通信系统的传输距离，另一方面由于高速率系统对于色散更加敏感，因而色散也限制了光纤通信系统的传输容量。76色散分类材料色散：由于材料本身折射率随频率而变，于是信号各频率的群速度不同，引起色散。模式间色散：在多模传输下，光纤中各模式在同一光源频率下传输系数不同，因而群速度不同而引起色散。波导色散：它是模式本身的色散。对于光纤中某一模式本身，在不同频率下，传输系数不同，群速不同，引起色散。偏振模色散：输入光脉冲激励的两个正交的偏振模式之间的群速度不同而引起的色散。77色散造成光脉冲畸变示例782.3.3非线性效应光纤的制造材料本身并不是一种非线性材料，但光纤的结构使得光波以较高的能量沿光纤长度聚集在很小的光纤截面上，会引起明显的非线性光学效应，对光纤传输系统的性能和传输特性产生影响。特别是近几年来，随着光纤放大器的出现和大量使用，提高了传输光纤中的平均入纤光功率，使光纤非线性效应显著增大。所以光纤非线性效应及其可能带来的对系统传输性能的影响必须加以考虑。79非线性效应类型在高强度电磁场中电介质的响应会出现非线性效应，光纤也不例外，这种非线性响应分为受激散射和非线性折射。散射分为弹性散射和非弹性散射。弹性散射中，被散射的光的频率（或光子能量）保持不变，相反在非弹性散射中被散射的光的频率将会降低。在较高功率下，考虑到非线性的影响，石英的折射率会发生变化，并产生一个非线性相位移。801.受激拉曼散射（SRS）如果高频率信道与低频率信道的频率差在光纤的拉曼增益谱内，则高频率信道的能量可能通过受激拉曼散射向低频率信道的信号传送，这种能量的转移不但使低频信道能量增加而高频信道的能量减小，更重要的是能量的转移与两个信道的码形有关，从而形成信道间的串扰，使接收噪声增加而接收灵敏度劣化。812.受激布里渊散射（SBS）高频信道的能量也可能通过SBS向低频信道传送，但由于SBS的增益谱很窄（约10～100MHz），为实现泵浦光与信号光能量的转移，要求两者频率严格地匹配，所以只要对信号载频设计得好，可以很容易地避免SBS引起的干扰。并且SBS要求两个信号光反向传输，所以如果所有信道的光都是同方向传输的，则不存在SBS引起的干扰。823.交叉相位调制（XPM）当某一信道信号沿光纤传输时，信号的相位移不仅与自身的强度有关，而且与其它信道的光信号强度有关，对于IM/DD系统，由于检测只与入射光的强度有关而与相位无关，所以XPM不构成对系统性能的影响，但在相干检测方式中，信号相位的改变将会引起噪声，因此XPM会对这种系统形成信道串扰。834.四波混频（FWM）在四波混频中，三个信道的频率ωi、ωj和ωk（i，j，k可取1到最大信道数N），通过混频而产生第四个频率为ωijk＝ωi±ωj±ωk的信号。如果信道间隔是等分的，则这第四个频率会与某一个信道的频率相同，这样通过FWM导致能量在信道之间的转换。842.4常用光纤类型

根据ITU-T规定，目前常用的单模光纤包括G.652光纤（常规单模光纤）、G.653（色散位移光纤）、G.654（1550nm低损耗光纤）、G.655（非零色散位移光纤）、G.656（色散平坦光纤）、G.657光纤（弯曲损耗不敏感单模光纤）和DCF（色散补偿光纤）等。85G.652光纤的性能指标与要求性能模场直径(μm)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)损耗系数(dB/km)色散系数(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值9≤126013101310/1550≤0.36≤0.220+18G.652光纤又称为常规单模光纤或标准单模光纤（STDSMF），被广泛应用于数据通信和图像传输。在1310nm窗口处有零色散。在1550nm窗口处有较大的色散，达+18ps/nm·km，不利于高速率大容量系统。G.652光纤G.652A：仅能支持2.5Gbit/s及其以下速率的系统（对光纤的PMD系数不作要求）；G.652B：可以支持10Gbit/s速率的系统（要求光纤的PMD系数小于0.5ps/km1/2）；G.652C：基本属性与

G.652A相同，但在1550nm的损耗系数更低，而且消除了1380nm附近的水吸收峰，可以工作在整个1360~1530nm波段；G.652D：属性与G.652B光纤基本相同，而损耗性能与G.652C光纤相同，即系统可以工作在1360~1530nm波段。8687性能模场直径(μm)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)损耗系数(dB/km)色散系数(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值8.3≤127015501550≤0.45≤0.25-180G.653光纤又称为色散位移光纤（DSF），将在λ＝1310nm附近的零色散点，移至1550nm波长处，使其在λ＝1550nm波长处的损耗系数和色散系数均很小。主要用于单信道长距离海底或陆地通信干线，其缺点是不适合波分复用系统。G.653光纤的性能指标与要求88性能模场直径(μm)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)损耗系数(dB/km)色散系数(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值10.5≤153013101550≤0.45≤0.200+18G.654光纤又称为1550nm损耗最小光纤，它在λ＝1550nm处损耗系数很小，α＝0.2dB/km，光纤的弯曲性能好。主要用于无需插入有源器件的长距离无再生海底光缆系统。其缺点是制造困难，价格贵。G.654光纤的性能指标与要求89性能模场直径(μm)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)损耗系数(dB/km)色散系数(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值8～11≤14801540~15651540~1565≤0.5≤0.24-181≤|D|≤4G.655光纤称为非零色散位移光纤（NZDSF）。G.655光纤在1550nm波长处有一低的色散（但不是最小），能有效抑制“四波混频”等非线性现象。适用于速率高于10Gb/s的使用光纤放大器的波分复用系统。G.655光纤的性能指标与要求G.655光纤G.655A：支持200GHz及其以上间隔的DWDM系统在C波段的应用；G.655B：支持以10Gbit/s为基础的100GHz及其以下间隔的DWDM系统在C和L波段的应用；G.655C：能满足100GHz及其以下间隔DWDM系统在C、L波段的应用，又能使N×10Gbit/s系统传送3000km以上，或支持N×40Gbit/s系统传送80km以上，除了PMDQ为0.20ps/km1/2之外，其他同G.655B。9091性能模场直径(μm)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)损耗系数(dB/km)色散系数(ps/nm·km)1310nm1550nm1310nm；1550nm1310nm;1550nm要求值811≤12701310;15501310~1550≤0.5；≤0.4≤1；≤1为充分开发和利用光纤的有效带宽，需要光纤在整个光纤通信的波长段（1310～1550nm）能有一个较低的色散，G.656色散平坦光纤就是能在1310～1550nm波长范围内呈现低的色散（≤1ps/nm·km）的一种光纤。G.656光纤的性能指标与要求92性能模场直径(μm)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)损耗系数(dB/km)色散系数(ps/nm·km)1550nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值6≤1260>15501550≤1.0-80-150DCF是一种具有很大负色散系数的光纤，用来补偿常规光纤工作于1310nm或1550nm处所产生的较大的正色散。DCF（色散补偿光纤）的性能指标与要求G.657光纤以G.652光纤为代表的单模光纤由于受弯曲半径的限制，光纤不能随意地进行小角度拐弯安装，因此敷设和施工技术要求较高，特别是对于光纤接入环境急需弯曲半径更小的光纤。为此ITU-T开发了用于接入网的低弯曲损耗敏感的G.657光纤。G.657光纤的弯曲半径可达5～10mm，可以像铜缆一样沿着建筑物内很小的拐角安装（直角拐弯），可以有效降低了光纤布线的施工难度和成本。9394图2-27常用光纤色散特性95本章小结及知识点光纤的基本结构和参数光纤单模传输条件及截止波长射线分析法及临界角和接收角光纤主要传输参数及其含义光纤非线性效应概念G.652、G.653和G.655等光纤的主要性能指标光纤通信系统97光发送机的作用是将由数字复用设备来的电信号转换成相应的光信号，并将光信号耦合进光纤后进行传输。光发送机的核心部件是光源。目前，光纤通信系统均采用半导体激光二极管（LD）和发光二极管（LED）作为光源。这类光源的特点是体积小，与光纤之间的耦合效率高，响应速度快，可以在较高速率条件下进行直接强度调制。本章着重介绍包括半导体激光二极管和发光二极管的光源工作原理和特性，以及光发送机的工作原理。本章教学课时4学时。第三章光源和光发送机983.1半导体激光器和发光二极管1.激光的产生及其物理基础自然界中的一切物质都是由原子组成。不同物质的原子各不相同。原子由一个带正电荷的原子核和若干个带负电荷的电子组成。围绕原子核作轨道运动的电子的运动轨道不是连续可变的，电子只能沿着某些可能的轨道绕核运转，而不能具有任意的轨道。但可以在外界作用下，从一个轨道跳到另一个轨道，这种过程称为跃迁。由于电子轨道与轨道之间是不连续的，并且每一轨道具有确定的能量。它的能量也是不连续的，离核较近的轨道对应的能量较小，离核较远的轨道所对应的能量较大，原子的这一内部能量值称为原子的一个能级。通常我们用若干水平线来表示电子所处的状态，这就是所谓的能级图。99图3-1能级图100跃迁如果原子中的两个能级满足一定的条件，则可能出现下述情况：一个处于高能级E2的电子，发射一个能量为E＝hf＝E2-E1的光子，结果这个电子回到低能级E1。一个处于低能级E1的电子，从外界吸收一个能量为E＝hf=E2-E1的光子，结果这个电子被激发到高能级E2。这种电子由于发射或吸收光子而从一个能级改变到另一个能级称为辐射跃迁。但原子发射或吸收光子，只能出现在某些特定的能级之间。101受激吸收和受激辐射当处于低能级E1的电子，受到光子能量恰好为E＝hf＝E2-E1的外来入射光的照射时，电子吸收一个这种光子，而跃迁到高能级E2，这称为光的受激吸收，如图3-2(a)所示。当处于高能级E2的电子，在受到光子能量恰好为E＝hf＝E2-E1的外来入射光的照射时，电子在入射光子的刺激下，跃迁回到低能级E1，而且辐射出一个与入射光子有相同频率、相同相位和相同传播方向的光子，这种类型的跃迁称为受激跃迁，其辐射称为受激辐射。102图3-2受激吸收和辐射103粒子数正常与反转分布在通常情况下，处于高能级的粒子数总是远少于处于低能级上的粒子数，这种状态称为粒子数的正常分布。由于低能级上的电子数较多，所以总是光的受激吸收占优势，也就是光总要受到衰减。要获得光的放大，必须设法使光的受激辐射占优势。也就是要使电子在能级上的分布一反常态，使处于高能级上的电子数目远多于低能级的电子数目，这可以给予额外的能量，把处于低能级的电子激发到高能级上去。这种处于高能级的电子数量多于低能级电子数量的分布叫做“粒子数反转分布”。104粒子数反转分布必要条件：多能级物质*当用hf31＝E3-E1的外界激励去激发激光物质时，处在低能级E1上的电子被激发到了高能级E3上，但因在E3能级上寿命很短，很快跃迁到亚稳态级E2上，结果在E2与E1之间形成“粒子数反转分布”。这种处于E2亚稳能级上的电子是不稳定的，它可以自发跃迁到低能级E1而辐射出频率为f21＝E2-E1／h的光子。思考：什么两能级物质无法形成粒子数反转分布？105粒子数反转分布形成示意图106激光的形成有了“粒子数反转分布”的条件，就有可能实现光的放大。那么，如何使光的放大转为光的振荡，成为激光光源呢？把激光物质放置在由两个反射镜组成的光谐振腔之间，利用两个面对面的反射镜来实现光的反馈放大，使其产生振荡。光谐振腔的轴线与激光物质的轴线相合。其中一个反射镜(M1)要求有100%的反射率，另一个(M2)要有95％左右的反射率，即允许有部分的光透射。107图3-3激光的形成108形成激光的三个必要条件激光LASER是受激辐射的光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的缩写。用来产生激光的装置，就叫做激光器。由此可见，任何一种激光器，都必须包括下列三个最基本的部分：

工作物质——激光器的组成核心，也就是发光物质。

光学共振腔——形成激光振荡，输出激光。

激励系统——将各种形式的外界能量转换成激光光能，通常是激光器的电源。1092.半导体激光器的基本原理用半导体材料做激光物质的激光器，称为半导体激光器。能够产生受激辐射的半导体材料有许多，而当前在光纤通信方面用得较多的是砷化镓（GaAs）半导体激光器。半导体材料是一种单晶体。在晶体中，原子是紧密地按照一定规则排列。各原子最外层的轨道互相重迭，使半导体材料的能级已不像前述的单个原子那样的分立的能级，而变成了能带。110补充知识：泡利不相容原理泡利不相容原理：每个能级只允许两个自旋相反的电子占有。根据泡利不相容原理，固体材料中电子的基态能级和激发态能级将分裂成能带。对半导体，基态能级分裂成价带，激发态能级分裂成导带。价带和导带之间存在一个电子不能具有的能量区间，称为禁带。111图3-5半导体能带图112半导体激光器工作原理半导体激光器的核心部分是一个PN结。这个PN结是高度掺杂的，P型半导体中空穴极多，N型半导体中自由电子极多。半导体中的载流子是由导带电子和价带空穴产生的。

导带价带EgEvEc禁带导带电子价带空穴113图3-6高掺杂的PN结P区PN结空间电荷区N区扩散漂移114势垒的形成高掺杂的PN结中，N区的电子向P区扩散，在靠近界面的地方剩下带正电的离子。P区的空穴向N区扩散，在靠近界面的地方剩下带负电的离子。因此在P型和N型半导体交界的两侧形成了带相反电荷的区域，称为“空间电荷区”。在P型和N型半导体交界的两侧形成了一个电场叫“自建场”。方向由N区指向P区。与此相应，在结的两边产生一个电位差VD叫做势垒，它阻碍空穴和电子进一步扩散，最后达到平衡。由于势垒VD的存在，使得P区的能级比N区提高了eVD(e是电子能量)。由于高度掺杂，空间电荷区的正负电荷很多，势垒VD很大，以使N型半导体的导带的底部能级(EC)N。比P型半导体价带顶部能级(EV)P还要低。115费米能级能级越低，电子占据的可能性就越大，理论分析指出：存在着某一能级EF，叫做费米能级。对于EF以下的所有能级，例如在N区导带中EF和(EC)N之间各能级电子占据的可能性大于1／2。对于EF以上的所有能级，则在P区价带中，EF和(EV)P之间各能级电子占据的可能性小于1／2。总的来说，N区导带底(EC)N以上到费米能级EF之间这个区域内的电子数多于P区价带顶以下到费米能级EF以上区域内的电子数（即此时是粒子数的正常分布）。116图3-7外加正向电压时的PN结117正向电压减小和抵消势垒作用外加正向电压破坏了原来的平衡，使费米能级分离。在N区(EF)N以下各能级，电子占据的可能性大于1／2。在P区对于(EF)P以上的各能级，空穴占据的可能性大于1／2，因此，当PN结上加足够的正向电压，保证电流足够放大时，P区的空穴和N区中的电子大量地注入结区，在PN结的空间电荷区附近就存在一个电子反转分布的区域，这个区域叫做“有源区”或“作用区”。在有源区内，由于电子数反转分布，在自发辐射的激发下，产生的受激辐射大于受激吸收。一个光子会不断激发出更多完全相同的光子，起了光放大作用。118阈值（thresholdvalue）只有足够大的正向电压，保证电流足够大时，才能产生激光。当电流较小时，注入结区的电子和空穴也较少，辐射小于吸收，增益系数G<0，只能出现普通的荧光。电流逐渐加大，注入结区的电子和空穴增多，到了G>0，就出现光放大现象。这时发射很亮的荧光。如果增益不足以克服谐振腔的损耗，仍不能在腔内产生振荡。只有当注入的电流增大到增益足以补偿损耗时，才能产生谱线尖锐、模式明确的振荡。刚开始产生激光的（注入）电流称为激光器的阈值电流。119图3-8注入电流与光功率的关系120异质结半导体激光器若半导体激光器的P区和N区是同一种物质（如GaAs），称为同质结半导体激光器，其阈值电流密度Jth很大（室温下Jth≥5×104A·cm-2），难以在室温条件下连续工作。Why？为了提高激光器的功率和效率，降低阈值电流，使用了异质结的半导体激光器。所谓“异质结”，就是由两种材料（例如砷化镓GaAs和砷镓铝GaAlAs两种材料）构成的PN结。采用异质结结构后，Jth可降至约103A·cm-2量级。1213.半导体激光器的主要特性（1）阈值（2）激光器效率（3）温度特性（4）纵模特性－光谱特性122（1）阈值半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。只有当外加激励的能源功率（一般为电能源）超过某一临界值时，激光物质中的粒子数反转达到了一定程度，激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光。此临界值就称为激光器的阈值。

阈值电流Ith：当注入电流大于Ith时，激光器方可激发出激光。在实际使用中，外加激励能源刚达到阈值时虽有激光输出但很弱。对激光器而言，希望其阈值电流越小越好，因为阈值电流小，要求的外加激励能源就小，激光器本身发热就少。123（2）激光器效率可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低。

功率转换效率定义为：输出光功率与消耗的电功率之比，表示式为：

式中：Pex——激光器发射的光功率Vj——激光器的结电压（PN结正向电压）Rs——激光器的串联电阻（包括半导体材料电阻和接触电阻）I——注入电流

量子效率定义为：输出光子数与注入电子数之比，表示为124（3）温度特性半导体激光器的阈值电流、输出光功率和发光波长随温度而变化的特性称为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大。这是因为温度上升使异质结势垒的载流子限制作用下降，因此激光器的阈值电流增大。阈值电流与温度的变化关系可以表示为：

(3-4)式中：T为器件的绝对温度，I0为常数，T0为激光器材料的特征温度。对于GaAs-GaAlAs半导体激光器，T0＝100～150K，InGaAsP-InP激光器T0＝40～70K。T0越大，器件的温度特性越好。半导体激光器的阈值电流还与其器件的老化程度有关。随着激光器工作时间增长，器件老化，其阈值电流不断增加。125图3-13不同温度下激光器的P-I曲线126图3-14P-I特性曲线随器件老化变化情况127半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式振荡。因此，激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同、尖锐的谱线，称为激光器的纵模。对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱以自发辐射为主，发出的是荧光，谱宽很宽，其光谱宽度常达数十nm。当注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益大于损耗，激光器产生激光振荡，输出光谱呈现出以一系列振荡模式——纵模。其发射光谱变窄，谱线中心强度急剧增加，激光器输出功率越大，其发射光谱越窄，谱线中心强度越大。（4）纵模特性－光谱特性128图3-16半导体激光器的输出光谱a）低于阈值b）高于阈值c）单纵模LD1294.单纵模半导体激光器普通的F-P腔激光器采用自然解理的反射镜实现光反馈，这种激光器端面光反馈不具有波长选择性，其模选择性差，为多纵模输出。可以在激光器中引入光栅，利用光栅对光波长的选择性反馈来提高模的选择性，实现单纵模输出，这种激光器称为分布反馈（DFB）激光器。DFB激光器在靠近有源层沿长度方向刻有波纹状的光栅。其光的反馈是通过折射率周期性变化的光栅产生的布拉格衍射得到，并使正向和反向传播的光波相互耦合使其产生激光振荡。光的反馈是沿有源层在整个光腔长度上分布进行的，所以称为分布反馈（DFB）激光器。130DFB和DBR激光器结构示意131商用化（封装）激光器示例1323.1.2半导体发光二极管除了半导体激光器（LD）外，半导体发光二极管（LED）是另一种常用的光源器件。LED的工作原理与LD基本相同，只是结构上有所区别。LED也采用双异质结的结构，但没有谐振腔，它发出的是自发辐射光，而不是激光，其光谱线宽度比LD的谱线宽度要宽，因而色散较大，传输带宽小，发出的功率小。但是LED的结构比较简单，价格低，发射功率与温度的关系小，性能较稳定，因此在小容量、短距离的光纤通信系统中得到广泛的应用。133图3-22双异质结发光二极管结构

面发光型

边发光型134LED的工作特性与半导体激光器的P-I特性相比，LED没有阈值，其线性范围较大。在注入电流较小时，曲线基本上是线性的，当注入电流较大时，由于PN结的发热而出现饱和现象。135图3-23LED的P-I特性136发光二极管辐射图形137小结：LED特点优点：输出光功率线性范围宽(P-I特性)性能稳定寿命长制造工艺简单、价格低廉缺点：输出光功率较小

谱线宽度较宽

调制频率较低LED器件在小容量、短距离系统中发挥了重要作用1383.2光源调制要实现光纤通信，首先要解决如何将光信号加载到光源的发射光束上，即需要进行光调制。经调制后的光波经过光纤送至接收端，进行光解调，还原出原来的信号。

1393.2.1光源的调制方式光源调制可以分为直接调制和间接调制。这里的直接和间接可以理解为调制信号加载在光载波的方式。1401.直接调制直接调制方法仅适用于半导体光源（LD和LED），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。光纤通信系统中传播的光，可以视为光频载波，电信号对光源器件的直接调制方式，使光源发出的光载波功率大小在时间上随驱动电流变化而变化。这种方式是直接/强度调制，简称IM（IntensityModulation）。1412.间接调制间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制。这种调制方式既适用于半导体激光器，也适用于其它类型的激光器。间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成后加载调制信号。它是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当由光源发出的激光通过它时，得到调制。直接调制会引入频率啁啾，即光脉冲的载频随时间变化。由于带啁啾的光脉冲在光纤中传输时会加剧色散展宽，因此对于传输速率达到10Gbit/s及以上系统需要考虑采用间接调制，此外相干光通信系统也需要采用间接调制。1423.2.2光源的直接调制原理直接调制方法适用于半导体激光器和发光二极管。这是因为发光二极管和激光器的输出光功率（对激光器来说，是指阈值以上的线性部分）基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也是线性调制，所以可以通过注入电流来实现光强度调制。143图3-27模拟信号调制原理144图3-28数字信号调制原理145间接调制示例146直接调制和间接调制示例1473.3光发送机光端机主要由光发送机、光接收机和辅助电路三大部分组成。由图3-29可知，光发送机由输入接口，光线路码型变换和光发送机等组成。光接收机由光接收、定时再生、光线路码型反变换和输出接口等组成。光端机中的辅助电路由公务、监控、告警、输入分配、倒换、区间通信等组成。此外，不论是光发送机、光接收机还是辅助电路，都必须有电源转换，将通信机房中的直流电源转换为光端机所需的电源。148图3-29光端机功能原理框图1493.3.1光端机主要构成及其作用输入接口光线路码型变换光发送电路光接收电路定时再生光线路码型反变换输出接口公务、监控、告警、倒换、输入分配、区间通信、电源等1503.3.2光发送机光发送机由输入电路和光发送电路组成。输入电路由输入接口电路与光线路码型变换电路组成。光发送电路的主要作用是将经过线路编码的电信号对光源进行调制，即完成电／光变换，并从光源的尾纤送出光信号注入光纤线路。1511.输入电路输入电路由输入接口电路与光线路码型变换电路组成。输入接口是光端机的入口电路。PCM数字复用设备的输出信号经电缆连接到光端机的输入端。输入接口除了正常应该考虑信号幅度大小和阻抗外，特别应注意信号脉冲码型。PCM电端机输出码型(即光端机输入接口的接口码型)为双极性码，在光纤系统中不宜使用。所以，需在输入接口中将其变成适合于光纤线路中传输的单极性码。152图3-30输入接口与码型变换框图153线路码型变换普通的二进码(NRZ)在传输时会存在下列问题：如码流中连“0”，连“1”数太大，将减少信号中的离散定时分量，使接收机的时钟提取比较困难。如码流中“0”，“1”分布不均匀，会导致直流分量波动起伏，即基线漂移，影响判决电路对信号的再生。因数字序列没有预定规律，不可能在运行时进行不中断通信误码检测。为了解决上述问题，光纤线路码型要特别设计。154线路码型选择原则传输码型有足够的定时含量，减少连“0”和连“1”数，便于时钟提取。传输码型应有不中断业务进行误码检测的能力。传输码型应力求降低线路传输的码率，或线路传输码率的提高应尽可能的少。抗干扰性好，能使可检测的光功率减至最小。传输码型的实施，应力求简单和经济。传输中发生误码时，误码扩散范围或误码增值低。155常用的线路码型扰码二进制字变换码插入型码156扰码二进制扰码二进制即是将输入的二进制NRZ码进行扰码后输出仍为二进制码。在系统的调制器前，加一个扰码器，将原始的码序加以变换，使其接近于随机序列，相应的在接收机的判决器后，附加一个解扰器，以便恢复原始序列。扰码可以改变码流中的“1”码和“0”码的分布，能改善码流的特性。157字变换码字变换码是将输入二进制码分成一个个“码字”，输出用对应的另一种“码字”来代替。常用的是分组码的一种型式mBnB码，它将输入码每m比特为一组，然后变换成另一种n比特为一组的传输码。在接收端再进行变换，从而恢复为原来的信号。n、m均为正整数，且n>m。于是引进了一定的富余度，以满足线路码的基本要求。158mBnB码的编码原理以3B4B码来介绍mBnB码的基本原理。3B4B码，是将输入信号码流分成3B（bit）一组，它有23=8种状态，然后编写为4B码，有24=16种状态：我们从16种状态中选出若干种代表3B码的8种状态，如表3-1所示。159表3-13B和4B的码字3B码4B码0123456700000101001110010111011101234567000000010010001101000101011001118910111213141510001001101010111100110111101111160码字数字和(WDS)如果用“-1”表示字中的“0”，用“+1”表示字中的“1”，则将每个数字的代数和“字数字和”记为“WDS”。例如：“1000”可写成(+1)+(-1)+(-1)+(-1)＝-2，即字“1000”的WDS＝-2。若其代数和为0时，称为均等，其代数和为正或为负时，称为不均等。mBnB码的基本原理就是通过采取交替使用不同模式的编码，使码字的不均值得到平衡，以限制整个传输码流的累计不均。161表3-2WDS值分类类别WDS=0WDS=+2WDS=-2WDS=+4WDS=-4状态00110101011010011010110001111011110111100001001001001000111100001623B4B编码方案使用的mBnB码的基本原理是通过限制字数字和来满足传输要求，即尽可能选择｜WDS｜最小的码字，禁止使用｜WDS｜最大的码字。从这个意义出发，在选用4B码代替3B码时最好的是WDS＝0的码字，最差的是表3-2中的1111，0000，这种字称为禁字。3B4B码方案很多，下面举一例。如表3-3可见，一组3B码有两组4B码与它对应。其中一组模式1，标识为“+”组，WDS＝+2和WDS＝0；另一组模式2，标识为“一组”，WDS＝-2和WDS＝0，模式1和模式2交替使用。163表3-3一种3B4B码表3B码4B码模式1“+”组模式2“－”组码组WDS码组WDS00000101001110010111011110111110010101101001101001111101+2+20000+2+201000001010101101001101010000010-2-20000-2-2164插入码插入码是把输入二进制原始码流分成每m比特（mB）一组，然后在每组mB码末尾按一定的规律插入一个码，组成m＋1个码为一组的线路码流。根据插入码的规律，可以分为mB1C码，mB1H码和mB1P码。165线路编码对线路传输速率的改变对扰码二进制线路速率不变对字变换码，如mBnB实际线路速率＝标称速率×(n/m)对插入码，如mB1H实际线路速率＝标称速率×[(m+1)/m]1662.光发送电路光发送电路的主要作用是将经过线路编码的电信号对光源进行调制，即完成电／光变换，并从光源的尾纤送出光信号注入光纤线路。167光纤通信对光源的要求光源发光波长应在光纤的低损耗窗口内，且要求色散小。光源的输出功率必须足够大。可靠性高，使用寿命长。光源的谱线宽度要窄。调制特性好，调制效率高，调制速率能适应系统的要求。温度特性好。168LD发送电路LD发送电路是指光源采用半导体激光器LD的发送电路。LD发送电路由电平移动、LD光源、驱动电路、预偏置电路、自动功率控制(APC)电路和自动温度控制(ATC)电路组成。光端机中，一般将这几部分电路装在一块机盘中，称为光发送盘*。*此处机盘系电路板的习惯叫法169图3-31LD发送电路框图光发送盘的核心自动增益（功率）控制自动温度控制实时监测光源输出状态170光源驱动电路光源驱动电路是光发送盘的核心。它用数字信号来调制发光器的发光强度，即完成电／光变换过程。电信号对光源的调制是PCM脉码强度直接调制方式，光源输出的光功率正比于注入电流。由于光源有LD和LED，其P-I特性也不同，因此驱动方式也不同。171光源的驱动电路和偏置电路的要求输出的光脉冲峰值必须保持恒定。不管温度如何变化或激光器如何老化，都要保持脉冲恒定。光脉冲的通断比（即消光比）*应≥10，以免接收灵敏度受到损害。电流脉冲加上后，激光发射的时间必须远短于每位码元的时间段。如加上的电流脉冲有较高的码速，则输出的光脉冲有可能引起弛张振荡，这就必须予以阻尼，防止它对系统性能发生不良影响。*消光比（或通断比）系指光源全“1”和全“0”调制时对应输出功率的比值Why？172图3-32LD瞬态：驰张振荡及其影响173克服和减小驰张振荡的方法

为了减小光脉冲的驰张振荡现象，必须先加偏置电流（IB）后加调制电流脉冲（ID）。偏置电流的大小，直接影响LD的高速调制性质。选择偏置电流应考虑以下几个方面：偏置电流值接近于激光器的阈值电流（Ith），这可以大大减小光延迟时间，同时使光脉冲的弛张振荡得到一定程度的抑制。当激光器偏置在阈值附近时，较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲。太大或太小的偏置电流会使通断比（消光比）恶化。174图3-33LD的偏置调制特性175图3-38激光器的输出光功率

与温度、老化特性的关系176自动功率控制APC由LD的P-I特性可知，LD的阈值电流随温度升高及管子的老化而提高。此时如果加在LD上的驱动电流(I＝IB+ID)不变，则会使LD的输出光功率下降。因为信号电流ID不会变，所以要保持原有的输出光功率就必须增大偏置电流IB。为了稳定输出光功率，必须采用自动功率控制（APC）电路。177图3-39APC电路178t输入电信号1Ib1Iin10IPIth1Ith2Ith1输出光信号Ib2Iin2输入电信号2Ith2时输出光信号APC电路中采用增大激光器偏置电流和输入信号功率（输入电脉冲幅度）方法稳定激光器输出信号光功率179自动温度控制ATC温度变化会引起输出光功率的变化，虽然可以通过APC电路进行调节，使LD输出光功率恢复正常值。但如果环境温度升高较多，使得Ith增大较多，经APC调节后IB也增大较多，则LD的结温会升高过多，致使Ith更高，造成恶性循环，以致把LD烧坏。因此，对LD管芯的工作温度采用ATC电路，使其恒定在20℃左右，对光源长期稳定工作是有利的。温度控制也有多种方式，常用的是半导体制冷器方式。180图3-40ATC电路a）ATC电路原理b）换能电桥181本章小结和知识点激光形成的物理基础

激光形成条件激光器的阈值特性

光源的调制方式及其优缺点

线路编码原理及实现

偏置电流的选取准则APC和ATC电路的工作原理光纤通信系统183本章要点光接收机是光纤通信系统的主要组成部分，其性能是整个光纤通信系统性能的综合反映。由光发送机发出的光信号在光纤线路中传输时，不仅会受到损耗的影响而造成幅度衰减，同时光纤色散和非线性效应等可能会引起脉冲波形展宽，由此造成的信号质量下降会增加接收机接收信号的难度，这些都对接收机的性能提出了较高的要求。光接收机的主要作用是将经光纤传输后幅度被衰减，波形被展宽的微弱光信号转变为电信号，并经放大处理，恢复为原来的信号。本章教学课时为4学时。1844.1半导体光检测器件光检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变为电信号，它是影响光接收机性能的