1、光纖通信,光纖通信作為現(xiàn)代通信的主要支柱，是信息社會中各種信息網(wǎng)的主要傳輸工具。 對于光纖通信技術(shù)，本章重點介紹以下幾個問題：光纖通信的基本概念、光纖和光纜、光纖通信中的光源和光電檢測器、光端機以及光纖通信系統(tǒng)，對光放大器作一簡單介紹。,2.1 光纖通信的基本概念 2.2 光纖和光纜 2.3 光纖通信中的光源和光電檢測器 2.4 光 端 機 2.5 光纖通信系統(tǒng) 2.6 光放大器 ,2.1 光纖通信的基本概念 光纖即為光導(dǎo)纖維的簡稱。光纖通信是以光波為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。 2.1.1 目前光纖通信的實用工作波長 2.1.2 光纖通信的特點 2.1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組

2、成,2.1.1 目前光纖通信的實用工作波長 目前光纖通信實用的波長即短波長段 的0.85m、長波長波段的1.31m和 1.55m，通常稱其為是目前光纖通信的 三個實用窗口。,2.1.2 光纖通信的特點 (1) 傳輸頻帶寬，通信容量大。 (2) 損耗低。 (3) 不受電磁干擾。 (4) 線徑細、重量輕。 (5) 資源豐富。 ,2.1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成 目前使用的光纖通信系統(tǒng)，普遍采用的是數(shù)字編碼、強度調(diào)制直接檢波通信系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的示意方框圖如下圖所示。,2.2 光纖和光纜 2.2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與分類 2.2.2 用射線法分析光波在光纖中的傳輸 2.2.3 單模光纖,2.2.1 光纖

3、的結(jié)構(gòu)與分類 一、 光纖的結(jié)構(gòu) 二、 光纖的分類,一、 光纖的結(jié)構(gòu) 目前通信用的光纖大多采用石英玻璃(SiO)制成的橫截面很小的雙層同心圓柱體，未經(jīng)涂覆和套塑時稱為裸光纖，如圖所示。,光纜中的光纖一般是指經(jīng)過兩次涂覆后的光纖芯線，它的剖面結(jié)構(gòu)如圖所示。,二、 光纖的分類 1. 按照折射率分布不同來分 通常采用的是階躍型光纖和漸變型光纖兩種。 (1) 階躍型光纖 (2) 漸變型光纖,2.按照傳輸?shù)目偰?shù)來分 所謂模式，實質(zhì)上是電磁場的一種分布形式。模式不同，其分布不同，根據(jù)光纖中傳輸模式數(shù)量來分，可分為單模光纖和多模光纖。 (1) 單模光纖(SM-Single mode fiber) (2) 多

4、模光纖(MM-Multi mode fiber),2.2.2 用射線法分析光波在光纖中的傳輸 分析光纖的導(dǎo)光原理，一般可采用兩種方法：一是波動理論法，一是射線法。波動理論法是根據(jù)電磁場理論，用麥氏方程求解光纖的場方程、特征方程，根據(jù)解答式分析其傳輸特性；射線法是將光波看成是一條條幾何射線，用光射線理論分析光纖的傳輸特性。后者比較簡單、直觀。 ,在這里，我們僅用射線法分析光波在光纖中的傳輸。 當媒質(zhì)的幾何尺寸遠大于光波波長時，光可用一條表示光的傳播方向的幾何線來表示，這條幾何線就稱為光射線。用光射線來研究光波傳輸特性的方法，稱為射線法。,一、 光波在兩介質(zhì)交界面的反射和折射 二、 光波的全反射

5、三、 光纖中光射線的分析,一、 光波在兩介質(zhì)交界面的反射和折射 光波屬于電磁波的范疇，在均勻介質(zhì)中傳輸時，其軌跡是一條直線，當光射線射到兩種介質(zhì)交界面時，將發(fā)生反射和折射。,由電磁場理論知道，反射和折射的基本規(guī)律是由斯涅爾定律和菲涅爾公式來表示的。 下面我們以斯涅爾定律說明其物理概念。 斯涅爾定律主要包括以下兩個關(guān)系式： nsinnsin,二、 光波的全反射 產(chǎn)生全反射的條件是： nn； c 階躍型光纖就是利用光波的全反射原理，將光波限制在纖芯中向前傳播。,三、 光纖中光射線的分析 在這個問題里，主要采用射線法討論階躍型光纖和漸變型光纖的導(dǎo)光原理。 1. 階躍型光纖中光射線的分析 (1) 階躍

6、型光纖中的光射線 在光纖中可存在如下不同形式的光射線：子午線和斜射線。 子午面上和軸線相交的光射線，就稱為子午射線，簡稱為子午線。,(2) 階躍型光纖中主要特性參數(shù)的定義 相對折射指數(shù)差 n和n差的大小直接影響著光纖的性能，我們引入相對折射指數(shù)差這樣一個物理量來表示它們相差的程度，用表示，即 當n與n的差別極小時，這種光纖稱為弱導(dǎo)波光纖，經(jīng)過簡單推導(dǎo)，可知其相對折射指數(shù)差可用近似式表示： , 數(shù)值孔徑 數(shù)值孔徑是表示光纖捕捉光射線能力的物理量。 數(shù)值孔徑用NA表示。根據(jù)折射定律，經(jīng)過推導(dǎo)可得出它的表示式為： NA=n1 (3) 階躍型光纖的導(dǎo)光原理 階躍型光纖是靠全反射原理將光波限制在纖芯中并

7、向前傳播。,2. 漸變型光纖中光射線的分析 漸變型光纖中的射線也分為子午線和斜射線兩種，下面只討論子午線。 (1) 漸變型光纖的導(dǎo)光機理 非均勻光纖是靠折射原理將子午線限制在纖芯中向前傳播。 (2) 漸變型光纖的最佳折射指數(shù)分布 如果選用合適的n(r)分布，就有可能使纖芯中的不同射線以同樣的軸向速度前進，從而可以減小光纖中的模式色散。, 子午線的自聚焦 在漸變型光纖中，不同射線具有相同軸向速度的這種現(xiàn)象，稱為自聚焦現(xiàn)象，具有這種自聚焦現(xiàn)象的光纖稱為自聚焦光纖。 最佳折射指數(shù)分布的形式,經(jīng)過理論分析和推導(dǎo)得出，纖芯中的折射指數(shù)按平方律型分布的漸變型光纖具有較小的模式色散，因此，可認為平方律型折射

8、指數(shù)分布光纖的折射率分布形式接近于最佳折射率分布。 其折射指數(shù)分布表達式為：, 漸變型光纖的本地數(shù)值孔徑 漸變型光纖本地數(shù)值孔徑的表達式為： NA(r)n12（r）-n2,2.2.3 單模光纖 單模光纖是在給定的工作波長上，只傳輸單一基模的光纖。 一、 光纖中模式的概念 二 、單模光纖的主模 三、 單模光纖的單模傳輸條件 四、 單模光纖的特性參數(shù) ,一、 光纖中模式的概念 弱導(dǎo)波光纖中的E和H分布是一種近似的橫電磁波。 1. LP模 弱導(dǎo)波光纖中存在的電磁場模式可近似地認為是線極化波，用LPmn表示。,2. 光纖的歸一化頻率和歸一化截止頻率 判斷某一種模式能否在光纖中傳輸，一般是通過光纖歸一化

9、頻率V值的大小來判斷。 由階躍型光纖場方程可推出 V2kna 從式中可看出，V值的大小決定于光纖的參數(shù)，而且它是一個直接和光的 頻率成正比的無量綱的量，因此稱為歸一化頻率。,在表2-2中，列出了在截止情況下階躍型光纖各種模式的歸一化截止頻率值。 表2-2 截止情況下Lpmn模的Vc值 m n 0 1 2 1 0 2.40483 3.83171 2 3.83171 5.52008 7.01559 3 7.01559 8.65373 10.17347,二、 單模光纖的主模 由表2-2中看出，在階躍型光纖的眾多模式中，只有當m=0、n=1時，所對應(yīng)的LP01模的歸一化截止頻率最低，此模式的Vc=0，

10、說明此模式在任何頻率時都可以傳輸。 因此， LP01模是階躍型光纖中的最低工作模式，又稱為主?；蚧?。 如果在階躍型光纖中只傳輸LP01模時，則此階躍型光纖即為單模光纖。因此LP01模是單模光纖的主模。,三、 單模光纖的單模傳輸條件 單模光纖的單模傳輸條件是： Vc (LP01)VV(LP11) 即 0V2.40483,四、 單模光纖的特性參數(shù) 1. 衰減系數(shù) 衰減量的大小通常用衰減系數(shù)來表示，單位是dB/km。 2. 截止波長 通?？捎盟鼇砼袛喙饫w中是否單模工作。 光纖中第一高次模的截止波長為,只有當工作波長大于此截止波長時，才能保證單模工作。 3. 模場直徑 模場直徑就是衡量光纖橫截面上一

11、定場強范圍的物理量。,2.2.4 光纖的損耗特性及色散特性 一、 光纖的損耗特性 二、 光纖的色散特性,2.2.4 光纖的損耗特性及色散特性 一、 光纖的損耗特性 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加而 光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。 光纖本身損耗的原因，大致包括兩類：吸收 損耗和散射損耗。,吸收損耗是光波通過光纖材料時，有一部 分光能變成熱能，造成光功率的損失。 散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射 率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導(dǎo)的光 發(fā)生散射，由此產(chǎn)生的損耗為散射損耗。,二、 光纖的色散特性 由于光纖中色散的存在，會使得輸入脈 沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加 誤碼率，

12、這樣就限制了通信容量和傳輸距離。,1. 光纖色散的概念 簡單地說，光纖的色散就是由于光纖中光信號中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時，由于速度的不同而使得傳播時間不同，因此造成光信號中的不同頻率成分或不同模式到達光纖終端有先有后，從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。 從光纖色散產(chǎn)生的機理來看，它包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散三種。在單模光纖中只 有基模傳輸，因此不存在模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。,2. 光纖中的色散 在多模光纖中，不同模式在同一頻率下傳輸， 各自的相位常數(shù)mn不同，群速不同，模式之間存 在時延差，這種色散稱為模式色散。 材料色散是由于光纖材料本身的折射率隨頻率 而變化，

13、使得信號各頻率成分的群速不同，引起 的色散稱為材料色散。,由于光纖的幾何結(jié)構(gòu)、形狀等方面的 不完善，使得光波一部分在纖芯中傳輸， 而另一部分在包層中傳輸，由于纖芯和包 層的折射率不同，這樣造成脈沖展寬的現(xiàn) 象，稱為波導(dǎo)色散，或稱結(jié)構(gòu)色散。,2.3 光纖通信中的光源和光電檢測器 在這一節(jié)主要介紹光發(fā)射部分中的光源和光接收部分中的光電檢測器。它們是光纖通信中非常重要的電/光和光/電轉(zhuǎn)換器件。 2.3.1 激光器的一般工作原理 2.3.2 半導(dǎo)體激光器 2.3.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED) 2.3.4 光源的直接調(diào)制方式 2.3.5 半導(dǎo)體光電檢測器, 2.3.1 激光器的一般工作原理 激光器的基

14、本組成: 激光器是只能夠產(chǎn)生激光的自激振蕩器。它應(yīng)包括以下三個部分：必須有能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)；必須有能夠使工作物質(zhì)具有放大作用的激勵源；必須有能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學(xué)諧振腔.,2.3.2 半導(dǎo)體激光器 一、 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器從結(jié)構(gòu)上可分為：同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。 二、 半導(dǎo)體激光器的工作特性 1. 閾值特性 2. 光譜特性 3. 溫度特性 4. 轉(zhuǎn)換效率,1. 閾值特性 對于半導(dǎo)體激光器，當外加正向電流達到某一值時，輸出光功率將急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流值稱為閾值電流。 2. 光譜特性 半導(dǎo)體激光器的光譜，隨著激

15、勵電流變化。當IIt時，發(fā)出的是熒光，因此，光譜很寬，當IIt后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，表明發(fā)出激光。,3. 溫度特性 激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。 4. 轉(zhuǎn)換效率 半導(dǎo)體激光器是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，衡量轉(zhuǎn)換效率的高低常用功率轉(zhuǎn)換效率表示。,2.3.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED) 在光纖通信中使用的光源，除了半導(dǎo)體激光器以外，還有半導(dǎo)體發(fā)光二極管。它除了沒有光學(xué)諧振腔以外，其它方面與激光器相同，它是無閾值器件，它的發(fā)光只限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光。,2.3.4 光源的直接調(diào)制方式 在目前廣泛使用的強度調(diào)制直接檢波光纖通信系統(tǒng)中，要將電信

16、號調(diào)到光波上，這就要對光源進行調(diào)制。 下面僅介紹目前常用的直接調(diào)制方式。 一、 模擬信號的直接調(diào)制 二、 數(shù)字信號的直接調(diào)制, 一、 模擬信號的直接調(diào)制 這種調(diào)制方法就是直接讓LED的注 入電流跟隨反映語音或圖像等模擬量變 化，從而使LED管的輸出光功率跟隨模 擬信號變化，如下圖所示。,二、 數(shù)字信號的直接調(diào)制 當光纖通信系統(tǒng)所傳的信號是一系列的 “0”“1”數(shù)字信號時，用LED管進行數(shù)字信號直 接調(diào)制的原理圖如圖2-27(a)所示。用LD管進 行數(shù)字信號直接調(diào)制時，如圖2-27(b)所示。,2.3.5 半導(dǎo)體光電檢測器 光接收機中實現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件稱為光電檢測器。半導(dǎo)體光電檢測器

17、是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)來實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。 一、 PIN光電二極管 二、 APD雪崩光電二極管 三、 光電檢測器的特性,1. 響應(yīng)度R0和量子效率 響應(yīng)度和量子效率都是描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量。 2. 響應(yīng)時間 響應(yīng)時間是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態(tài)。 3. 暗電流 在無光情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。,2.4 光 端 機 在這一節(jié)里主要介紹光發(fā)射機和光接 收機的基本組成及主要的性能指標。 2.4.1 光發(fā)射機 2.4.2 光接收機,2.4.1 光發(fā)射機 光發(fā)射機的組成： 給出光發(fā)射機的原理方框圖，如圖所示。,2.4.2 光接收

18、機 一、 光纖數(shù)字接收機組成方框圖 二、 光接收機的主要技術(shù)指標 三、 光接收機噪聲的主要來源 ,一、 光纖數(shù)字接收機組成方框圖,二、 光接收機的主要技術(shù)指標 1. 光接收機靈敏度 光接收機靈敏度這個指標是描述接收機被調(diào)整到最佳狀態(tài)時，在滿足給定的誤碼率指標條件下，接收機接收微弱信號的能力。 2. 光接收機的動態(tài)范圍 光接收機的動態(tài)范圍用D表示，是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標要求下，接收機的最低輸入光功率(用dBm來描述)和最大允許輸入光功率(用dBm來描述)之差(dB)。,三、 光接收機噪聲的主要來源 (1) 光電檢測器引入的噪聲 量子噪聲。 光電檢測器的暗電流噪聲。 雪崩管倍增噪聲。 (2) 光

19、接收機的電路噪聲,2.5 光纖通信系統(tǒng) 在這一節(jié)主要對目前廣泛使用的強度調(diào)制直接檢波光纖通信系統(tǒng)的整體作一介紹。 一、 強度調(diào)制直接檢波系統(tǒng)的組成 二、 光纖通信中的碼型 三、 光纖通信系統(tǒng)設(shè)計 四、 系統(tǒng)的傳輸性能指標 ,一、 強度調(diào)制直接檢波系統(tǒng)的組成 1. 系統(tǒng)方框圖,2. 光中繼器 下圖是中繼器的構(gòu)成方框圖。 接收盤 發(fā)送盤,3監(jiān)視控制系統(tǒng) 監(jiān)視控制系統(tǒng)簡稱監(jiān)控系統(tǒng)。 監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成： 對一個數(shù)字段進行監(jiān)控 對多方向進行監(jiān)控 對跨越數(shù)字段進行監(jiān)控 (3) 監(jiān)控信號的傳輸 目前主要采用用光纖來傳輸監(jiān)控信號。這種方法又可分為如下兩種方式。, 頻分復(fù)用傳輸方式 采用頻分方式可有不同的方法

20、，下面介紹其中一種方法脈沖調(diào)頂方法 。 將主信號數(shù)字信號電脈沖作“載波”，用監(jiān)控電數(shù)字信號對這個主信號進行脈沖淺調(diào)幅，即使監(jiān)控信號“載”在主信號脈沖的頂部，或者說對主信號脈沖“調(diào)頂”。最后，再將這個被“調(diào)頂”的主信號對光源進行強度強制，變?yōu)楣庑盘栺詈线M光纖。 , 時分復(fù)用方式 這種方式就是在電的主信號碼流 中插入冗余(多余)的比特，用這個 冗余的比特來傳輸監(jiān)控等信號。,二、 光纖通信中的碼型 下面介紹幾種在光纖通信中的常用碼型： (1) mB nB碼 又稱分組碼(Block Code)，它是把輸入信碼流中每m比特碼分為一組，然后變換為n比特，且nm。 (2) 插入比特碼 這種碼型是將信碼流中，每m比特劃為一組，然后在這一組的末尾一位之后插入一個比特。,三、 光纖通信系統(tǒng)設(shè)計 光纖通信系統(tǒng)有關(guān)指標