1光纖通信

--復(fù)習(xí)課光纖通信

第23講2第一章概論

31.1.2現(xiàn)代光纖通信

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。當(dāng)時石英纖維的損耗高達(dá)1000dB/km但是高錕等人指出：這樣大的損耗不是石英纖維本身固有的特性，而是由于材料中雜質(zhì)的吸收，例如過渡金屬(Fe、Cu等)離子的吸收產(chǎn)生的。材料本身固有的損耗基本上由瑞利(Rayleigh)散射決定，它隨波長的四次方而下降，其損耗很小。有可能通過原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖41.2光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用

1.2.1光通信與電通信

通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光通信的主要特點載波頻率高；頻帶寬度寬（圖1.1）光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。（圖1.2）51.2.2光纖通信的優(yōu)點在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，而作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多，因此與電纜通信和微波通信相比，光纖通信有如下優(yōu)點：

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大(參見表1.4)

（零色散+復(fù)用：空分、波分）

?損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

（1.31μm:0.5dB/km,1.55μm:0.2dB/km）

?重量輕、體積小

?抗電磁干擾性能好

?泄漏小，保密性能好

?節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用61.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)（圖1.4）。圖1.4光纖傳輸系統(tǒng)7

基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分1.光發(fā)送機功能：把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路。組成：光發(fā)射機由光源、驅(qū)動器和調(diào)制器組成，光源是光發(fā)射機的核心。光源要求：輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定，器件壽命長主要光源：LD、LED、DFB、VCSEL，固體激光器8電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式直接調(diào)制用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。

外調(diào)制把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點是調(diào)制速率高，缺點是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。

最常用的是電光調(diào)制器，利用電信號改變電光晶體的折射率，使通過調(diào)制器的光參數(shù)隨電信號變化而實現(xiàn)調(diào)制的

目前大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)都采用直接光強調(diào)制。92.光纖線路功能：是把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器，其中光纖是主體。實際工程中使用的是容納許多根光纖的光纜低損耗“窗口”：普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三個損耗很小的波長“窗口”。目前在實驗室條件下，1.55μm的損耗已達(dá)到0.154dB/km，接近石英光纖損耗的理論極限。光源激光器的發(fā)射波長和光檢測器光電二極管的波長響應(yīng)，都要和光纖這三個波長窗口相一致。色散：1.31μm波長處色散為0，也可通過光纖設(shè)計，移至1.55μm100.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm

1.571.62L波段113.光接收機功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號組成部分：光檢測器、放大器和相關(guān)電路。光檢測器的要求是響應(yīng)度高、噪聲低和響應(yīng)速度快。主要類型：PIN和APD特性參數(shù)：接收機靈敏度，反映接收微弱光信號的能力。定為BER≤10-9條件下，所要求的最小平均接收功率。檢測方式：直接檢測和外差檢測，其中直接檢測是當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的方式12

4.數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)

數(shù)字通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(如脈沖的有和無、電平的高和低等)代表信息，強調(diào)的是信號和信息之間的一一對應(yīng)關(guān)系；（第五章：PDH/SDH）

(a)LED數(shù)字調(diào)制原理；(b)LD的數(shù)字調(diào)制原理13模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)則用參數(shù)取值連續(xù)的信號代表信息，強調(diào)的是變換過程中信號和信息之間的線性關(guān)系。（第六章：模擬基帶直接光強調(diào)制+副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)）發(fā)光二極管模擬調(diào)制原理

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數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點如下：①抗干擾能力強，傳輸質(zhì)量好。②可以用再生中繼，傳輸距離長。③適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。④容易實現(xiàn)高強度的保密通信。⑤數(shù)字通信系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路，易于集成，從而實現(xiàn)小型化、微型化，增強設(shè)備可靠性，有利于降低成本。缺點：占用頻帶寬，適合于電話傳輸

模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)點占用帶寬較窄外，電路簡單易于實現(xiàn)、價格便宜等。適合于電視傳輸15小結(jié)高錕-光纖之父光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)點及其應(yīng)用光纖通信系統(tǒng)基本組成及各部分的功能

第二章光纖和光纜

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2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型

光纖:由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。目前通信用光纖是用石英玻璃（SiO2）制成。17光纖的特點纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。

包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機械保護作用。設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是：n1>n2。

相對折射率差Δ越大，把光能量束縛在纖芯的能力越強，但信息傳輸容量卻越小。182a2bnrtAitAi橫截面折射率分布輸入脈沖光線傳輸路徑輸出脈沖2a2bnrtAitAi2b2anrtAitAi光纖類型ABCA：為突變型多模光纖，也稱階躍折射率型光纖(SIF)B：為漸變型多模光纖(GIF)C：為單模光纖(SMF)192.2光纖傳輸原理

2.2.1幾何光學(xué)法（射線方程）

2.2.2麥克斯韋波動方程法20幾何光學(xué)法分析問題的兩個出發(fā)點:

?數(shù)值孔徑

?時間延遲幾何光學(xué)法分析問題的兩個角度：

?突變型多模光纖

?漸變型多模光纖

2122光波從折射率較大的介質(zhì)以三種不同的入射角進入折射率較小的介質(zhì),出現(xiàn)三種不同的情況。i

<c的光線將有部分光能進入包層泄漏出去,如圖(a)所示。當(dāng)i=c時，光線在波導(dǎo)內(nèi)以c入射到纖芯與包層交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為t)，如圖(b)所示。當(dāng)入射角超過臨界角（i>c

）時，沒有透射光，只有反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射(TIR，TotalInternalReflection),如圖(c)所示，這就是多模光纖波導(dǎo)傳輸光的原理。設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致。1）改變角度θ，不同θ相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射（如圖）。2）根據(jù)全反射原理，存在一個臨界角θc當(dāng)θ<θc時，相應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖芯，并以折線的形狀向前傳播，如光線1。突變型多模光纖導(dǎo)光原理

23數(shù)值孔徑定義入射臨界角的正弦為數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)光纖的數(shù)值孔徑NA僅決定于光纖的折射率n1和n2

，與光纖的直徑無關(guān)。24半錐角只有在半錐角為θi≤θc的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。25時間延遲yq1lLxo纖芯n1包層n2zy112光線2在長度為L的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l在θ不大的條件下，其傳播時間為：對光線1有：最大時間延遲：26數(shù)值孔徑NA：表征光纖的集光能力，NA越大，最大接收角越大,光纖的集光能力越強。最大時延差：影響光纖的容量，最大時延差越大，模間色散越大，光纖的容量越小。Δ越大，NA越大,但是Δτm越大，容量越小常用于通信的光纖的NA取值范圍為:0.1～0.3272.漸變型多模光纖

漸變折射率光纖的折射率在纖芯中連續(xù)變化。適當(dāng)選擇折射率的分布形式，可以使不同入射角的光線有大致相同的光程，從而大大減小群時延差。漸變型多模光纖具有能減小脈沖展寬、增加帶寬的優(yōu)點。28自聚焦效應(yīng)對于中心軸線入射(ri=0，z=0)的光線，其軌跡光線軌跡為傳輸距離z的正弦函數(shù)對于確定的光纖，其幅度取決于入射角其周期為自聚焦效應(yīng)：同一入射點入射的光線，雖然入射角不同，軌跡不同，但周期相同，都會聚集在軸心的同一點上29自聚焦效應(yīng)-續(xù)：漸變型多模光纖不同入射角的光線的時間延遲也近似相等光線傳輸速度入射角大的光線經(jīng)歷的路程較長，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線，n（r）較小，傳輸速度快，補償了較長的路程入射角小的光線情況正好相反，其路程較短，但速度較慢從入射點到自聚焦點的時間延遲為：30單模光纖的模式特性單模條件:

單模光纖截止波長:

僅當(dāng)λ＞λc時可在光纖中實現(xiàn)單模傳輸.這時,在光纖中傳輸?shù)氖荋E11模,稱為基?；蛑髂?。光強分布（近似高斯分布）

式中，A為場的幅度，r為徑向坐標(biāo)，w0為高斯分布1/e點的半寬度，稱為模場半徑。312.3.1光纖損耗損耗是光纖的一個重要傳輸參量，是光纖傳輸系統(tǒng)中中繼距離的主要限制因素之一。光纖損耗定義為長度為L(km)的光纖輸出端光功率Pout，與輸入端光功率Pin的比值，用分貝(dB)表示為光纖損耗的來源光纖材料的吸收損耗和散射損耗光纖材料的微彎和宏彎損耗光纖的連接和耦合損耗32圖2.15單模光纖損耗譜，示出各種損耗機理光纖損耗曲線33三個窗口：850nm,1310nm，1550nm。吸收損耗

紫外吸收在短波方向限制傳輸，紅外吸收在長波方向限制傳輸，

OH-吸收峰在1390nm附近。過渡金屬離子瑞利散射：瑞利散射是光纖的固有損耗，在各個方向上存在散射，并且與波長的四次方成反比。在短波方向限制大，逐步向長波方向減小。瑞利散射決定著光纖損耗的最低理論極限。例：如果Δ=0.2%，在1.55μm波長，光纖最低理論極限為0.149dB/km

342.3.2光纖色散色散一般包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散模式色散：多模光纖中，即使在同一波長，不同模式的傳播速度也不同，它所引起的色散叫模式色散。色度色散：是指光源光譜中不同波長的光在光纖中的群延時差所引起的光脈沖展寬現(xiàn)象。它包括材料色散和波導(dǎo)色散。材料色散：材料的折射律n是波長的函數(shù)，從而使光的傳播速度隨波長而變。由此引起的色散叫材料色散。波導(dǎo)色散：波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)隨波長而變，從而引起色散，這叫波導(dǎo)色散。35偏振模色散(PMD)：單模光纖中實際存在偏振方向相互正交的兩個基模。當(dāng)光纖存在雙折射時，這兩個模式的傳輸速度不同。由此引起的色散叫偏振模色散。在多模光纖中，有模式色散、波導(dǎo)色散和材料色散，而以模式色散為主。單模光纖中有材料色散與波導(dǎo)色散（總稱為色度色散）。一般情況下以材料色散為主。偏振模色散是單模光纖所特有的。36模式色散不同的傳輸模式引起傳輸路徑的不同，從而引起即使在光速恒定條件下的時延差異。時延的差異造成信號脈沖展寬。37材料色散,c0,c1實際信號總是非絕對單色，含有多個波長成分，即總有譜線寬度。不同波長的光（折射率隨波長改變）在介質(zhì)中以不同的速度傳輸，即使在相同傳輸路徑下也會引起不同的時延，造成信號脈沖展寬。38在理想完善的單模光纖中，HE11模由兩個具有相同傳輸常數(shù)相互垂直的偏振模簡并組成。但實際光纖不可避免地存在一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應(yīng)力，使兩個偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時間延遲差稱為偏振模色散或雙折射色散。PMD是主要是由光纖中的雙折射引起的，具有隨機性。偏振模色散PMD（雙折射）39xy40多模光纖以模式色散為主單模光纖以色度色散為主：材料色散+波導(dǎo)色散偏振模色散是單模光纖固有的光纖色散表示方法最大時延差最大時延差描述光纖中速度最快和最慢的光波成分的時延之差脈沖展寬或光纖3dB帶寬f3dB

脈沖展寬和光纖帶寬描述光纖色散對傳輸信號的影響。將一段光纖看作一個網(wǎng)絡(luò)，可用時域法和頻域法分析其色散特性。當(dāng)在時域分析時，色散影響用脈沖展寬表示41設(shè)輸入為p(i)=δ(t),測試表面脈沖輸出一般為高斯波形3dB光帶寬為高斯脈沖半高全寬為1/21/e1t2sDt輸出脈沖Δτ、f3dB是從不同方面描述色散(習(xí)題2-14)，實際中經(jīng)常使用帶寬距離積（MHz·km）表示光纖帶寬（習(xí)題2-25）42單模光纖色散曲線圖2.13不同結(jié)構(gòu)單模光纖的色散特性43脈沖展寬

(ps)=D(ps/nm×km)×S(nm)×L(km)10101011011010101101InputOutputTimeTime光纖色散效應(yīng)對傳輸?shù)挠绊懏?dāng)光纖的輸入端入射光脈沖信號經(jīng)過長距離傳輸以后，在光纖輸出端，光脈沖波形發(fā)生了時間上的展寬，產(chǎn)生碼間干擾。44波長相距1nm的兩個光脈沖傳輸1km距離的時延差值被成為色散系數(shù)D，單位為ps/(nm.km)本章小結(jié)45光纖的結(jié)構(gòu)、分類

描述光纖傳輸原理的兩種方法SIF的數(shù)值孔徑與時間延遲計算GIF的自聚焦效應(yīng)與時間延遲特性單模光纖傳輸條件/多模光纖的模數(shù)計算損耗/色散的分類及其對光傳輸?shù)挠绊?/p>

光纖的三個主要傳輸窗口

光纜基本要求及組成后向散射法（OTDR）工作原理習(xí)題：2-1，2-3,2-4,2-5，2-6，2-7,2-11，2-14,2-19，2-21，2-2546

第三章通信用光器件

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通信用光器件可以分為有源器件和無源器件兩種類型。

有源器件:

包括光源、光檢測器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機、光接收機和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。

光無源器件:

主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等，這些器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴展和性能的提高都是不可缺少的。通信用光器件分類48半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)放大而產(chǎn)生激光振蕩的。49光與物質(zhì)相互作用(a)自發(fā)輻射；(b)受激吸收；(c)受激輻射50光與物質(zhì)相互作用（續(xù)）電子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的三種躍遷

自發(fā)輻射，產(chǎn)生非相干光，發(fā)光二級管的工作原理在入射光作用下，受激吸收，光接收器件的工作原理在入射光作用下，受激輻射，產(chǎn)生相干光，激光器的工作原理均滿足玻爾條件入射光作用下原子數(shù)正態(tài)分布時，一般為受激吸收當(dāng)N2>N1時，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射大于受激吸收51勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env(b)hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場外加電場電子，空穴(c)P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場

擴散

漂移(a)在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成內(nèi)部電場內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴散相反方向的漂移運動，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運動處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜這時在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強。外電場作用下，N區(qū)電子向P區(qū)運動，P區(qū)空穴向N區(qū)運動，形成增益區(qū)的導(dǎo)帶多為電子，價帶多為空穴，PN結(jié)處獲得了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在電子和空穴運動過程中，導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶和空穴復(fù)合產(chǎn)生自發(fā)輻射光自發(fā)輻射光作為入射光，產(chǎn)生受激輻射，在諧振腔作用下，實現(xiàn)較強相干光輸出，實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換52激光的產(chǎn)生條件激活物質(zhì)：具有合適的能級分布，可以產(chǎn)生合適波長的輻射光泵浦源使激活物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：半導(dǎo)體PN節(jié)施加正向電壓獲得入射光：激活物質(zhì)的自發(fā)輻射光作為入射光光學(xué)諧振腔：對光的頻率和方向進行選擇，并通過多次反饋，使得較強相干光輸出53當(dāng)電流小于閾值電流Ith時，激光器輸出為自發(fā)輻射光當(dāng)電流大于閾值電流時，激光器輸出受激輻射光光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性d：在閾值電流之上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)

典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性短波長AlGaAs/GaAs;長波長InGaAsP/InP54發(fā)光二極管（LED)LED與LD結(jié)構(gòu)上的異同：同：均是雙異質(zhì)結(jié)（DH)條形平面結(jié)構(gòu)異：LD有諧振腔LED無諧振腔結(jié)構(gòu)的不同造成了性能的不同55LED與LD性能的不同:LD:有諧振腔，發(fā)射受激輻射光，

有閾值電流。LED:無諧振腔。有源區(qū)發(fā)射自發(fā)輻射光，無閾值電流。與LD相比：LED的輸出功率較低、光譜寬度較寬、調(diào)制頻率較低。由于結(jié)構(gòu)簡單、造價低、性能穩(wěn)定、壽命長，在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用563.2光電檢測器光接收機的關(guān)鍵器件其功能是把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柍Ｓ玫墓鈾z測器:PIN光電二極管

雪崩光電二極管（APD)57PD工作原理

PN結(jié)界面發(fā)生擴散運動，形成內(nèi)部電場內(nèi)部電場導(dǎo)致漂移（o）,能帶發(fā)生傾斜，PN結(jié)界面形成耗盡層入射光作用下，價帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生載流子/光生電子-空穴對（受激吸收）光生載流子在耗盡層的內(nèi)部電場作用下發(fā)生漂移運動（o）（形成光生漂移電流）耗盡層兩側(cè)的中性區(qū)的光生載流子通過擴散運動進入耗盡層，而后在內(nèi)部電場作用下也會發(fā)生漂移運動。（形成光生擴散電流，方向與光生漂移電流相同。）施加反向偏壓：施加與內(nèi)部電場方向相同（）的外部電場，增大耗盡層的寬度，減小中性區(qū)的寬度。P區(qū)聚集了大量空穴，N區(qū)聚集了大量電子。當(dāng)與P層和N層連接的電路閉合時，P區(qū)空穴通過外部電路流向N區(qū)，N區(qū)空穴流向P區(qū)，形成光生電流，從而把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。58PIN光電二極管的主要特性光電轉(zhuǎn)換量子效率：一次光生電子-空穴對和入射光子數(shù)的比值【習(xí)題3-15，3-17】響應(yīng)度：一次光生電流和入射功率的比值量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。注意區(qū)分：激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率——外微分量子效率59噪聲特性噪聲：是反映光電二極管特性的一個重要參數(shù)，它直接影響光接收機的靈敏度。通常用均方噪聲電流來描述光電二極管的噪聲包括：信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲60雪崩光電二極管（APD）雪崩光電二極管是利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應(yīng)，從而產(chǎn)生光電流的倍增作用所謂雪崩倍增效應(yīng)是指PN結(jié)外加高反向偏壓后，在耗盡區(qū)內(nèi)形成一個強電場。當(dāng)耗盡區(qū)吸收光子時，激發(fā)出來的光生載流子被強電場加速，以極高的速度與耗盡區(qū)的晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的光生載流子，并形成鏈鎖反應(yīng)，從而使光電流在光電二極管內(nèi)部獲得倍增。存在一個擊穿電壓UB

APD具有轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等特點61倍增因子：APD輸出光電流和一次光電流的比值A(chǔ)PD的轉(zhuǎn)換效率是PIN的g倍，可表示為

式中，U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。當(dāng)U≈UB時，RIo/UB<<1，上式可簡化為現(xiàn)有APD的g值已到達(dá)幾十甚至上百。623.3光無源器件連接器和接頭光耦合器光隔離器與光環(huán)形器光調(diào)制器光開關(guān)偏振復(fù)用器件633.3.1連接器與接頭連接器:是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件。主要用于光纖線路中光纖與其他器件的活動連接。

FC:光纖端面為平面，PC：光纖端面為球面或斜面

是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無源器件。接頭：光纖與光纖之間的固定連接。適配器：常稱為法蘭盤,用于轉(zhuǎn)接“連接器”643.3.2光耦合器功能：把一路光信號分配給多路輸出，或?qū)⒍嗦饭庑盘柦M合成一路輸出對光纖線路的影響：插入損耗，反射及串?dāng)_噪聲耦合器類型：T型耦合器：可用作分路器與合路器星型耦合器：定向耦合器：只可用作分路器，不能用作合路器波分復(fù)用/解復(fù)用器:與波長有關(guān)（WDM/DWDM）

注意：耦合器大多與波長無關(guān)653.3.3光隔離器與光環(huán)形器隔離器：只允許光波往一個方向傳輸，是非互易器件應(yīng)用：主要用于激光器或放大器后面，避免反射光返回該器件影響其性能。主要參數(shù)：

插入損耗：對正向入射光，越小越好

隔離度：對反向反射光，越大越好66環(huán)形器（OpticalCirculator）光環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與光隔離器類似，是一種單向傳輸器件,主要用于單纖雙向傳輸系統(tǒng)和光分插復(fù)用器中.也可當(dāng)做隔離器使用，只需用到兩個端口1輸入，2輸出2輸入，3輸出3輸入，1輸出

圖3.36光環(huán)行器

(a)三端口；(b)四端口按調(diào)制器件和激光器的關(guān)系，調(diào)制可以分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制內(nèi)調(diào)制：以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光器的輸出特性。改變激光器的泵浦強度,調(diào)制頻率受限外調(diào)制：在激光器外的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理特性，當(dāng)激光通過調(diào)制器時，會使光波的某個參量發(fā)生變化。3.3.4光調(diào)制器6768電光效應(yīng)(鈮酸鋰晶體）某些晶體受到外加電場作用，其折射率發(fā)生改變，當(dāng)光通過此介質(zhì)時，其傳輸特性發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。（注意與光電效應(yīng)區(qū)分?。。。┱凵渎逝c外電場的關(guān)系α

、β為電光系數(shù)，是張量與偏振面與晶體軸線的取向有關(guān)β＝0時，為線性電光效應(yīng)或普克爾效應(yīng)α＝0時，為二次電光效應(yīng)或克爾效應(yīng)本章小結(jié)有源器件：半導(dǎo)體激光器的工作原理、主要特性，LD與LED的異同，光檢測器的工作原理、常用光檢測器分類及其區(qū)別，量子效率、噪聲。無源器件：光纖連接器、耦合器、隔離器與環(huán)形器、調(diào)制器、光開關(guān)、光衰減器、光濾波器習(xí)題：3-2,3-3,3-4,3-7,3-9,3-15,3-17,3-19,3-20,3-21,3-24,3-25,3-266970

第4章光端機71數(shù)字光發(fā)射機的功能：把電端機輸出的數(shù)字基帶電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路，用數(shù)字電信號對光源進行調(diào)制來實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。調(diào)制：分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。受調(diào)制的光源特性參數(shù)有功率、幅度、頻率和相位。4.1光發(fā)射機目前技術(shù)上成熟并在實際光纖通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的是直接光強(功率)調(diào)制。72輸入接口線路編碼調(diào)制電路光源控制電路電信號輸入光信號輸出圖4.2數(shù)字光發(fā)射機方框圖

4.1.1光發(fā)射機基本組成數(shù)字光發(fā)射機主要有光源和電路兩部分。

光源是實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機的性能。

電路的設(shè)計應(yīng)以光源為依據(jù)，使輸出光信號準(zhǔn)確反映輸入電信號。APC,ATC電路的作用

73

4.1.2調(diào)制特性半導(dǎo)體激光器是光纖通信的理想光源，但在高速脈沖調(diào)制下，其瞬態(tài)特性仍會出現(xiàn)許多復(fù)雜現(xiàn)象，如常見的電光延遲、張弛振蕩和自脈動現(xiàn)象。

74

圖4.3光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形1.電光延遲輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱為電光延遲時間td，其數(shù)量級一般為ns。td75當(dāng)注入電流從零快速增大到閾值以上時，經(jīng)電光延遲后產(chǎn)生激光輸出，并在脈沖頂部出現(xiàn)幅度逐漸衰減的阻尼振蕩，經(jīng)過幾個周期后達(dá)到平衡值。稱為張弛振蕩，其振蕩頻率fr(=ωr/2π)一般為幾GHz。2.張弛振蕩張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。763.自脈動現(xiàn)象某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下，當(dāng)注入電流達(dá)到某個范圍時，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱為自脈動現(xiàn)象，如圖4.5所示。自脈動頻率可達(dá)2GHz，嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制特性。圖4.5激光器自脈沖動現(xiàn)象不同于張弛振蕩,容易發(fā)生在閾值附近和P-I特性的扭曲區(qū)。是由于激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的。造成自脈動的機理涉及量子噪聲效應(yīng)、有源區(qū)的缺陷及溫度感應(yīng)的變化等因素。抑制這種現(xiàn)象主要靠控制材料的質(zhì)量，盡量減少有源區(qū)的缺陷。774.1.4溫度特性和自動溫度控制(ATC)1.激光器的溫度特性激光器的溫度特性在3.1節(jié)已經(jīng)討論過，溫度對激光器輸出光功率的影響主要通過閾值電流Ith和外微分量子效率ηd產(chǎn)生。圖4.10(a)和(b)分別示出：溫度升高，閾值電流增加，外微分量子效率減小，輸出光脈沖幅度下降。溫度還會影響輸出波長，溫度升高，波長增加78圖4.10溫度引起的光輸出的變化(a)閾值電流變化引起的光輸出的變化；(b)外微分量子效率變化引起的光輸出的變化PPII20。C25。C20。C70。C79

數(shù)字光接收機的功能：把經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號進行放大處理，恢復(fù)為原始的數(shù)字碼流。性能指標(biāo)：噪聲、靈敏度、動態(tài)范圍檢測方式：直接檢測和外差檢測4.2光接收機

當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的是直接光強(功率)調(diào)制——直接檢測方式。80

4.2.1光接收機基本組成

對于直接強度調(diào)制的光信號，采用直接檢測方式的數(shù)字光接收機方框圖如圖4.14.主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)電路。圖4.14數(shù)字光接收機方框圖81光檢測器的噪聲特性噪聲：是反映光電二極管特性的一個重要參數(shù)，它直接影響光接收機的靈敏度。通常用均方噪聲電流來描述光電二極管的噪聲包括：量子噪聲和暗電流噪聲（也稱為散粒噪聲）熱噪聲824.2.4光接收機靈敏度靈敏度是限定誤碼率或信噪比條件下，光接收機所需的最小平均接收光功率。表示光接收機接收微弱信號的能力，是衡量光接收機性能的綜合指標(biāo)83

動態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。動態(tài)范圍是光接收機性能的另一個重要指標(biāo)，它表示光接收機接收強光的能力。數(shù)字光接收機的動態(tài)范圍一般應(yīng)大于15dB。

844.3線路編碼在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊蟆?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。分類：擾碼、mBnB碼、插入碼本章小結(jié)85數(shù)字光發(fā)射機及接收機方框圖

電光延遲、弛張振蕩、自脈動現(xiàn)象

靈敏度及理想接收機靈敏度極限

動態(tài)范圍的定義APC,ATC,AGC

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)常用的線路碼型86

第五章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)87時分復(fù)用系統(tǒng)（TDM）就是將傳輸時間分割成若干個時隙，將需要傳輸?shù)亩嗦沸盘柊匆欢ㄒ?guī)律插入相應(yīng)時隙，從而實現(xiàn)多路信號的復(fù)用傳輸。1011signal1signal2100111001011TDMsignal5.1.1準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH88PDH復(fù)用結(jié)構(gòu)單向背對背結(jié)構(gòu)示意；復(fù)用路徑為：4*2M－8M，8*4M－34,34*4－140M；或16*2M—34M；上下光路需要逐級復(fù)用或解復(fù)用。

光接口光接口140Opt.140Opt.140/34M解復(fù)用34/8M解復(fù)用8/2M解復(fù)用2M2/8M復(fù)用8/34復(fù)用34/140M復(fù)用89

PDH存在的問題1、PDH適合于中低速率點對點傳輸，主要是為話音業(yè)務(wù)設(shè)計，而現(xiàn)代通信的趨勢是寬帶化、智能化和個人化。2、PDH傳輸線路主要是基于點對點連接，缺乏網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞撵`活性。3、存在著相互獨立的三種地區(qū)性標(biāo)準(zhǔn)，造成國際互通難以實現(xiàn)。4、PDH技術(shù)體系中只有基群信號采用同步復(fù)用，其高速等級信號均采用異步復(fù)用，因而上下話路困難。5、沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)光接口規(guī)范，無法實現(xiàn)橫向兼容。6、PDH技術(shù)體系中沒有安排很多的用于網(wǎng)絡(luò)運行、管理、維護和指配的比特。90SDH的優(yōu)點在STM－1等級上有世界性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)光接口互通簡化了復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)，可直接分離低速信號大量的開銷比特，增強了網(wǎng)管功能組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活：組環(huán)、網(wǎng)孔、星形、點對點易于提高傳輸速率91優(yōu)點：SDH信號與速率STM－N=N×STM－1=N×155.52Mb/sITU-T（國際電信聯(lián)盟-電信分部）指定了一個所謂的基本信號，速率為155.520Mbit/s的STM-1（同步傳輸模塊-1）。SDH中的所有復(fù)用層都是這個基本信號“STM-1”的正整數(shù)倍SDH具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口，并可以承載現(xiàn)有的PDH和各種新的數(shù)字信號，利于不同通信系統(tǒng)的互連。92優(yōu)點：SDH與PDH上下電路比較ADMSTM-N標(biāo)準(zhǔn)化光接口STM-N標(biāo)準(zhǔn)化光接口SDH一次到位2341.545(Mbit/s)2MPDH逐級復(fù)用/解復(fù)用

光接口光接口140Opt.140Opt.140/34M解復(fù)用34/8M解復(fù)用8/2M解復(fù)用2/8M復(fù)用8/34復(fù)用34/140M復(fù)用93STM-N幀結(jié)構(gòu)由三部分組成：

段開銷（SOH）---RSOH和MSOHSDH幀內(nèi)為保證正常傳輸所需要的附加字節(jié)，主要用于運行、維護和管理。信息凈負(fù)荷（Payload），含POH：凈負(fù)荷表示SDH幀內(nèi)用于承載各種業(yè)務(wù)信息的部分。管理單元指針（AUPTR）一種指示符。用于指示Payload第一個字節(jié)在幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置（相對于指針位置的偏移量）采用指針技術(shù)是SDH的創(chuàng)新，結(jié)合虛容器的概念，解決了低速信號復(fù)接成高速信號時，由于小的頻率誤差所造成的載荷相對位置漂移的問題。STM-N幀結(jié)構(gòu)94MSOHRSOH傳輸方向1幀9×270×N字節(jié)1

3

4

5

99×N261×N270×NRSOHSOHSTM-1幀由9行、270列共2430個字節(jié)組成。傳送時按由左到右、由上至下的順序進行，直到整個幀傳送完畢。STM-N信息凈負(fù)荷（含少量POH）STM-N信息凈負(fù)荷（含少量POH）AUPTRAUPTRSOHSTM-N幀結(jié)構(gòu)95STM-1幀結(jié)構(gòu)的參數(shù)幀頻為8000Hz，每秒傳8000幀幀周期為125μS/幀碼塊：9×270×8=19440bit（每字節(jié)8比特）傳輸速率:9×270×8×8000=155520Kbit/s=155Mbit/s96PDH信號復(fù)用到SDH原理圖STM-NSTM-1AU-4VC-4C-4139264Kb/s×N×134368Kb/sTUG-3TU-3VC-3C-3×1×32048Kb/sTUG-2TU-12VC-12C-12×7×3AU-3VC-3×344735×7TU-2VC-2C-26312Kb/s×1TU-11VC-11C-111544Kb/s×4指針處理復(fù)用映射定位97所謂自愈保護，就是為受保護業(yè)務(wù)建立一條保護路由，當(dāng)工作路由出現(xiàn)故障時，自動切換到保護路由，重新建立業(yè)務(wù)連接關(guān)系，保證業(yè)務(wù)的接續(xù)性，起到自愈保護的作用。自愈保護的基本原理SDH的特色之一就是能夠利用ADM的分插復(fù)用能力構(gòu)成自愈環(huán)自愈的概念：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，無需人工干預(yù)，即可在極短的時間內(nèi)（ITU-T規(guī)定為50ms以內(nèi)），從失效故障中自動恢復(fù)所攜帶的業(yè)務(wù)，使用戶感覺不到網(wǎng)絡(luò)已出了故障。其基本原理是網(wǎng)絡(luò)要具備發(fā)現(xiàn)路由并重新建立通信的能力。985.3SDH系統(tǒng)設(shè)計

對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是，根據(jù)用戶對傳輸距離和傳輸容量(話路數(shù)或比特率)及其分布的要求，按照國家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前設(shè)備的技術(shù)水平，經(jīng)過綜合考慮和反復(fù)計算，選擇最佳路由和局站設(shè)置、傳輸體制和傳輸速率以及光纖光纜和光端機的基本參數(shù)和性能指標(biāo)，以使系統(tǒng)的實施達(dá)到最佳的性能價格比。在技術(shù)上，系統(tǒng)設(shè)計的主要問題是確定中繼距離，尤其對長途光纖通信系統(tǒng)，中繼距離設(shè)計是否合理，對系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟效益影響很大。99影響系統(tǒng)設(shè)計的因素所謂系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)光通信系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，選擇光纜路由和長度，確定局站的設(shè)置，即SDH網(wǎng)元設(shè)置的位置影響系統(tǒng)設(shè)計，即中繼距離的因素主要是光纖線路的損耗和色散系統(tǒng)設(shè)計一般選用最壞情況法由損耗受限得到中繼距離，同時由色散受限也可得到中繼距離。從這兩個距離中選擇較短的距離，作為中繼距離的最終結(jié)果100兩個網(wǎng)元之間中繼距離受損耗限制的計算Pt為平均發(fā)射光功率，Pr為接收靈敏度，c為連接器損耗（dB/對），Me為系統(tǒng)余量（dB），f為光纖損耗系數(shù)(dB/km)，s為光纖平均接頭損耗(dB/km)，m為光纖線路損耗余量(dB/km)，L為中繼距離(km)其中連接器每個一般按照0.5dB計算，上面公式計算了兩個連接器系統(tǒng)余量一般大于3dB101

對于單模光纖系統(tǒng)，Δτf=2.355σf,σf為光纖線路rms脈沖展寬。由式(2.55b)取一級近似，得到σf=|C0|σλL,C0=C(λ0)為在光源中心波長λ0光纖的色散(ps/(nm·km))，σλ為光源譜線寬度(nm)，L為光纖線路長度(km)。把這些關(guān)系式代入式(5.11)，同樣得到一個簡明的公式。設(shè)取a=σ/T=0.25，得到中繼距離102對于實際的單模光纖系統(tǒng)，允許的線路總色散限制中繼距離，可以用公式表示Fb是線路碼速率（Mb/s），C0是光纖的色散系數(shù)（ps/(nm.km)），為光源譜線寬度（nm），

是與功率代價和光源特性有關(guān)的參數(shù)對于多縱模激光器（MLM-LD），＝0.115；對于單縱模激光器（SLM－LD），＝0.306。103例題：

以140Mb/s單模光纖通信系統(tǒng)為例計算中繼距離。設(shè)系統(tǒng)平均發(fā)射功率Pt=-3dBm,接收靈敏度Pr=-42dBm，設(shè)備余量Me=3dB，連接器損耗αc=0.3dB/對，光纖損耗系數(shù)αf=0.35dB/km,光纖余量αm=0.1dB/km，每km光纖平均接頭損耗αs=0.03dB/km。104設(shè)線路碼型為5B6B,線路碼速率Ｆb=140×(6/5)=168Mb/s,|C0|=3.0ps/(nm·km)，σλ=2.5nm。設(shè)|C0|=3.5ps/(nm·km)，σλ=3nm。此時，中繼距離取74km，主要受損耗限制此時，中繼距離取65km，主要受色散限制本章小結(jié)105

PDH和SDH的特點及其區(qū)別PDH和SDH各次群的速率，SDH-1速率的計算SDH幀結(jié)構(gòu)，SDH復(fù)用原理

自愈網(wǎng)的概念

中繼距離的計算，與損耗和色散的關(guān)系106

第6章模擬光纖通信系統(tǒng)107調(diào)制方式分類模擬光纖傳輸方式主要有以下幾種方式：模擬基帶直接光強調(diào)制(D-IM)

模擬間接光強調(diào)制方式頻分復(fù)用光強調(diào)制方式模擬光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用：模擬電視傳輸1086.2模擬基帶直接光強調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)模擬基帶直接光強調(diào)制(D-IM)光纖傳輸系統(tǒng)由光發(fā)射機(光源通常為發(fā)光二極管)、光纖線路和光接收機(光檢測器)組成，這種系統(tǒng)的方框圖如圖6.1所示。圖6.1模擬信號直接光強調(diào)制系統(tǒng)方框圖

調(diào)制器發(fā)光二極管發(fā)送機光檢測器接收機放大器恢復(fù)原信號m(t)基帶信號m(t)光纖1096.2.1特性參數(shù)

評價模擬信號直接光強調(diào)制系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量的最重要的特性參數(shù)是信噪比(SNR)和信號失真(信號畸變)。

1.信噪比正弦信號直接光強調(diào)制系統(tǒng)的信噪比主要受光接收機性能的影響，因而輸入到光檢測器的信號非常微弱，所以對系統(tǒng)的SNR影響很大。1102.信號失真為使模擬信號直接光強調(diào)制系統(tǒng)輸出光信號真實地反映輸入電信號，要求系統(tǒng)輸出光功率與輸入電信號成比例地隨時間變化，即不發(fā)生信號失真---線性調(diào)制！?。?。一般說，實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光源，由于在大信號條件下工作，線性較差，所以發(fā)射機光源的輸出功率特性是D-IM系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的主要原因。

111非線性失真一般可以用幅度失真參數(shù)——微分增益(DG)和相位失真參數(shù)——微分相位(DP)表示。DG可以從LED輸出功率特性曲線看出，其定義為：

DP是LED發(fā)射光功率P和驅(qū)動電流I的相位延遲差，其定義為：式中,I1和I2為LED不同數(shù)值的驅(qū)動電流，一般取I2>I1。1126.3副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)圖6.10示出副載波復(fù)用(SCM)模擬電視光纖傳輸系統(tǒng)方框圖。

N個頻道的模擬基帶電視信號分別調(diào)制頻率為f1,f2,f3,…,fN的射頻(RF)信號（預(yù)調(diào)制）把N個帶有電視信號的副載波f1s,f2s,f3s，…,fNs組合成多路寬帶信號再用這個寬帶信號對光源(一般為LD)進行光強調(diào)制，實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。光信號經(jīng)光纖傳輸后，由光接收機實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，經(jīng)分離和解調(diào)，最后輸出N個頻道的電視信號