光纖通信復(fù)習

1、復(fù)習課第1章概述1.1光纖通信的基本概念1.1.1引言利用光導纖維傳輸光波信號的通信方式稱為光纖通信。目前光纖通信的實用工作波長在近紅外區(qū)，即0.8-1.8卩m的波長區(qū)，對應(yīng)的頻率為167-375THZ區(qū)內(nèi)三個低損耗窗口，分別是：0.85 卩 m, 1.31 m 及 1.55 m。1.1.2光纖通信系統(tǒng)的基本組成強度調(diào)制/直接檢波（IM/DD）的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)。發(fā)端收端圖1-3光纖數(shù)字通信系統(tǒng)示意圖電發(fā)射機輸出的脈碼調(diào)制信號送入光發(fā)射機。光發(fā)射機的主要作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，并耦合進光纖。在通信系統(tǒng)的線路上，目前主要采用單模光纖制成的不同結(jié)構(gòu)形 式的光纜。光接收機的主要作用是將光纖送過來

2、的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然 后經(jīng)過對電信號的處理后，使其恢復(fù)為原來的脈碼調(diào)制信號，送入電接收機為了保證通信質(zhì)量，在收發(fā)端機之間適當距離上必須設(shè)置光中繼 器。光中繼器的形式主要有兩種，一種是光一電一光轉(zhuǎn)換形式的中繼 器，另一種是在光信號上直接放大的光放大器半導體激光器（LD）光發(fā)射機半導體發(fā)光二極管（LED）光纖通信系統(tǒng)！光中繼器：摻鉺光纖放大器f光電二極管（PIN）（光接收機雪崩光電二極管（APD）1.1.3光纖通信的優(yōu)越性?傳輸頻帶寬，通信容量大?傳輸損耗小，中繼距離長?抗電磁干擾的能力強?線徑細、重量輕，制作成本低廉，制作原料資源豐富1.2光纖通信的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢第2章光導纖維2.1光纖的結(jié)

3、構(gòu)和分類2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)S02、雙層同心圓柱體、外層的折射率比內(nèi)層低。圖2-1光纖的結(jié)構(gòu)2.1.2光纖的分類1.按照光纖橫截面折射率分布不同來劃分r階躍型光纖：折射率在纖芯和包層的界面上發(fā)生突變。I漸變型光纖：纖芯折射率非均勻，是連續(xù)變化的2b(a)階躍型光纖的剖面折射率分布0(b)漸變型光纖的剖面折射率分布2.按照纖芯中傳輸模式的多少來劃分傳輸模式：沿光纖傳輸時可能存在多種不同的電磁場分布形式。單模光纖：光纖中只傳輸一種模式。適用于大容量、長距離傳輸。I多模光纖：在一定工作波長下，能傳輸多種模式的介質(zhì)波導1JF JJFJ410屮包層纖芯包層(a)氓模光纖包層纖芯包層包層包層纖芯2.2用射

4、線理論分析光纖的導光原理射線理論法：忽略光波長用光射線代表光能量傳輸路線的方法。I波動理論法：求解滿足邊界條件的麥克斯韋方程組的光場。2.2.1平面波在兩介質(zhì)交界面的反射與折射1. 斯奈耳定律與菲涅爾公式斯奈耳定律說明了：反射波、折射波和入射波方向之間的關(guān)系 菲涅爾公式表明反射波、折射波與入射波的復(fù)數(shù)振幅之間的關(guān)系反射定律折射定律 q sinq 二 n2 sin 02入射角0與反射角念關(guān)系sin2 2cos 2（nL）2sin2 !結(jié)論：平面波入射到兩介質(zhì)分界面時，將產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象, 它們的基本規(guī)律是由斯奈耳定律及菲涅爾公式?jīng)Q定的。水平極化波與垂直極化波的反射系數(shù)和折射系數(shù)不同，但是它們都

5、是由介質(zhì)參數(shù)n1、n2及入射角B 1決定的。2.全反射當光射線由折射率大的物質(zhì)（n1）射向折射率小的物質(zhì)（n2）時, 射線將離開法線而折射，即折射光線靠近兩種物質(zhì)的界面?zhèn)鞑?。當ni與n2差別極小時，稱為弱導波光纖。若入射角B 1再增大，光就不再進入第二種介質(zhì)了，入射光全部 被反射回來，這種現(xiàn)象稱為全反射。全反射條件：n1c1 90門20 c :折射角剛好達到90時的入射角稱為臨界角。Sin c ni2.2.2階躍型光纖的導光原理定義：纖芯折射指數(shù)n1與包層折射指數(shù)n2的相差程度。用符號表示。2 2 n1 n22nf1相對折射指數(shù)差ni2數(shù)值孔徑的概念表示光纖捕捉光射線能力的物理量被定義為光纖的

6、數(shù)值孔徑，用NA表示。NASin max2n2越大，NA越大，光纖捕捉射線的能力就越強。223漸變型光纖的導光原理相對折射率差:n 2(0) n；22n2(0)漸變型光纖的本地數(shù)值孔徑漸變型光纖纖芯中某一點的數(shù)值孔徑：NA(r) vn2(r) n2(a)物理意義：漸變型光纖的本地數(shù)值孔徑與該點的折射指數(shù)n(r)有關(guān)。當折射指數(shù)越大時，本地數(shù)值孔徑也越大，表示光纖捕捉射線的 能力就越強。而纖芯中的折射指數(shù)是隨r的增加而減小的，軸線處的 折射指數(shù)最大，即表明軸線處捕捉射線的能力最強。2.3用波動理論分析光纖的導光原理1幾個重要參數(shù)V是一個直接與光的頻率成正比的無量綱的重要參數(shù)，稱為：光纖的歸一化頻

7、率。2. 導模數(shù)量的估算2階躍型光纖中導模數(shù)量的估算：M V2漸變型光纖中導模數(shù)量的估算：V2M42.4單模光纖1. 基本概念單模光纖是指在給定的工作波長上只傳輸單一基膜的光纖。單模光纖傳輸帶寬很寬，不存在模式色散。單模光纖適用于長距 離、大容量的光纖通信系統(tǒng)2. 單模傳輸條件：1越) V !；( LPri )0 V OK的情況下，若E=E,則f(E)=12，說明該能級被電子占據(jù)的概率等于50%;若E12,說明該能級被電子占據(jù)的概率大于 50%若EEf，則f(E) 12,說明該能級被電子占據(jù)的概率小于 50%31費米分布函數(shù)變化曲線3. 光和物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用時，存在著三種不同的

8、基本過程，即：自發(fā)輻射、受激吸收以及受激輻射。（1）自發(fā)輻射發(fā)射光子的頻率f E-E1h自發(fā)輻射特點：?這個過程是在沒有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的， 是自發(fā)躍遷。?輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬。?電子的發(fā)射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。（2）受激吸收外來光子的能量后 d 一勻 二hf物質(zhì)在外來光子的激發(fā)下，低能級上的電子吸收了外來光子的能 量，而躍遷到高能級上，這個過程叫做受激吸收。受激吸收的特點：? 這個過程必須在外來光子的激發(fā)下才會產(chǎn)生，因此是受激躍 遷。? 外來光子的能量要等于電子躍遷的能級之差。? 受激躍遷的過程不是放出能量，而是消耗外來光能。(3) 受激輻射處于高能級

9、E2 的電子，當受到外來光子的激發(fā)而躍遷到低能級 E1 時，放出一個能量為 hf 的光子。這個過程叫做受激輻射。受激輻射的特點：? 外來光子的能量等于躍遷的能級之差。? 受激過程中發(fā)射出來的光子與外來光子不僅頻率相同， 而且相 位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子。? 這個過程可以使光得到放大。 是產(chǎn)生激光的一個重要的基本概 念。自發(fā)輻射發(fā)光二極管 (LED) 受激輻射半導體激光器 (LD) 受激吸收光電二極管3.1.2 激光器的工作原理激光振蕩器包括三個部分：? 能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)： 增益物質(zhì) 。能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵源： 泵浦源? 能夠完成頻率選擇及反

10、饋作用的 光學諧振腔 。 激光器的參量：?平均衰減系數(shù)a? 增益系數(shù) G? 閾值條件 Gt? 諧振頻率3.1.3 半導體激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性1.半導體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理 用半導體材料作為激活物質(zhì)的激光器，稱為半導體激光器 從光振蕩形式看，構(gòu)成激光器方式有兩種，即?法布里-珀羅諧振腔（F-P腔）：天然解理面?分布反饋型（DFB激光器：周期性波動結(jié)構(gòu)按垂直于PN結(jié)方向的結(jié)構(gòu)分類：? 同質(zhì)結(jié)半導體激光器? 單異質(zhì)結(jié)半導體激光器? 雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器? 量子阱半導體激光器按平行于PN結(jié)方向的結(jié)構(gòu)分類：ooo價帝價帶臺面條形激光器寬面激光器03-11 jK征半辱體的能帝分布仙N

11、型半導休航摻雜能帶圖隱埋條形激光器同質(zhì)結(jié)半導體激光器 的核心部分是一個P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光P-N結(jié)是由高摻雜濃度的P型半導體材料和N型半導體材料組成。這種激光器不能在室溫下連續(xù)工作異質(zhì)結(jié)半導體激光器的“結(jié)”是由不同半導體材料制成的。通常使用InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形的激光器。優(yōu)點：減小了注入電流，增加了發(fā)光強度條形激光器T平面條形激光器卜導帶a費米能級浦帶N型半導體和P型半導體結(jié)合在一起時，即形成 P-N結(jié)。由于擴散作用，N區(qū)剩下帶正電的離子；P區(qū)剩下帶負電的離子;結(jié)區(qū)形成了空間電荷區(qū)PN導帶軻建場電勺電位分布:tI:t卅價帶硏B3-13 PNffi空側(cè)電荷區(qū)結(jié)區(qū)內(nèi)建電場的作用將使得 P區(qū)

12、的電子電位能相對于N區(qū)提高此時的P-N結(jié)是一個熱平衡系統(tǒng)，有一個統(tǒng)一的費米能級Ef。給P-N結(jié)外加正向偏壓（即P接正，N接負）后，P區(qū)的空穴和N區(qū) 的電子不斷地注入P-N結(jié)，破壞了原來的熱平衡狀態(tài)。此時的P-N結(jié)出現(xiàn)了兩個費米能級。導帶價帶能帶填允匕電產(chǎn)能帶填充了電子P :1A1V國3 15外扣正帕壓后PN結(jié)的能帶井布結(jié)論:在N區(qū)，由于E ,各能級被電子占據(jù)的概率 大于1/2,表示處于高能級；嚴在P區(qū)，由于E；,各能級被電子占據(jù)的概率小 于1/2,表示處于低能級；廠即：在外加正偏壓后，在P-N結(jié)區(qū)，出現(xiàn)了高能 級粒子多，低能級粒子少的分布狀態(tài)，這卵是粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。激光產(chǎn)生的必要條件：廠

13、光放大：由增益區(qū)的增益物質(zhì)及外加正向偏置泵浦源來完成： 頻率選擇正反饋2.半導體激光器的工作特性(1) 閾值特性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，這個電流稱為閾值電流，用It表示。LD的輸出光功率與注入電流之間的變化規(guī)律可以用P-I曲線表示。受激輻射（激光輸出）自發(fā)輻射（熒光輸岀）圖3-16典型的激光器FMlffi線結(jié)論：?當llt時，激光器才發(fā)出激光。（2）光譜特性光譜特性描述的是半導體激光器的純光學性質(zhì)。即：輸出光功率 隨波長的分布規(guī)律。光譜曲線主要用于揭示不同波長分量之間的對比關(guān)系，因此常用輸出信號的相對強度變化代替絕對功率值作為曲線的縱軸，用波長作

14、為橫軸低用值時7 5 4 3 V左卡璋OB3-17(a芻Kh發(fā)費光#光93 l?(b)當1州.獲料傾窄jI AA 帯-11L AAAA (pm)(a)多縱ft LD的光滸特性右z(H(n)(b單縱模LU的光講特性圖3-18單縱模與塞縱模輸出光譜(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。 閾值電流隨溫度的升高而加大。采用各種自動溫度控制電路來穩(wěn)定激光器的閾值電流和輸出光功 率。10050IOO150電堿(mAl8 6 4 2 -多E)*昏眾B*圖3】9激光器閾値取流隨溫度變化的曲銭(4) 轉(zhuǎn)換效率激光器的轉(zhuǎn)換效率定義為輸出光功率與消耗的電功率之比，用n P表示。3.

15、1.4分布反饋半導體激光器分布反饋半導體激光器是一種可以產(chǎn)生動態(tài)控制的單縱模激光器。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的?？煞譃榉植挤答伡す馄?DBF和分布布拉格反射激光器。這兩種激光器的工作原理都是基于布拉格反射原理。布拉格反射是指當光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時，能夠產(chǎn) 生周期性的反射。3.1.5量子阱半導體激光器量子阱激光器的有源區(qū)厚度很?。?-10 nm。兩種不同成分的半導體材料在一個維度上以薄層的形式交替排列而形成周期結(jié)構(gòu) ,從而將 窄帶隙的薄有源層夾在寬帶隙的半導體材料間 ,這樣窄帶隙的有源區(qū) 為導帶中的電子和價帶中的空穴創(chuàng)造了一個 勢能阱

16、。將載流子限制在 很薄的有源區(qū)內(nèi) ,使有源區(qū)內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度非常高。3.2 半導體光電檢測器 光電檢測器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機中的第一個部件。 主要作用是：利用光電效應(yīng)，將光纖傳輸來的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?號。常用器件：PIN光電二極管、APD雪崩光電二極管。光纖通信中對光電檢測器要求：? 在所有光源的波長范圍內(nèi)有較高的響應(yīng)度，且響應(yīng)速度快；? 較小的噪聲，對溫度變化不敏感；? 與光纖尺寸匹配；? 工作壽命長。3.2.1 半導體的光電效應(yīng)1. 光電效應(yīng)概念 當光子照射到物體上，它的能量可以被物體中的某個電子全部吸 收。如果電子吸收能量足夠大， 超過了克服脫離原子所需要的電離能 和脫離物體表面時

17、所需的逸出功，電子就可以離開物體表面脫逸出 來，成為光電子，這就是 光電效應(yīng) 。2. 半導體材料的光電效應(yīng) 當有光入射且光子的能量大于半導體材料的禁帶寬帶 Eg 時，價帶 上的電子發(fā)生受激吸收，從價帶躍遷到導帶，產(chǎn)生光生“電子 -空穴” 對，又稱光生載流子。光生載流子在外加負偏壓和內(nèi)建電場的作用下， 電子向N區(qū)漂移， 空穴向P區(qū)漂移，形成 漂移電流。另外，在耗盡層兩側(cè)沒有電場的中性區(qū)，由于熱運動，部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層， 然后在電場的作用下，形 成和漂移電流相同方向的 擴散電流。漂移電流和擴散電流的綜合就是 光生電流這樣就實現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號變化的光電轉(zhuǎn)換作用外加

18、電場方向 內(nèi)建電場方向R :皂二二1光電護導帶底下價帶頂土H耗肄層圖3-23加反向偏壓后光電二扱管及其能帶結(jié)構(gòu)322光纖通信中常用的半導體光電檢測器1. PIN光電二極管制造I層的本征材料可以是Si或InGaAs I層很厚，零點場的P+ 和N+去很薄，這樣使光子能在耗盡層中被充分吸收。2. APD雪崩光電二極管?具有內(nèi)部電增益的光電檢測器。?檢測微弱光信號，獲得較大的輸出電流。工作在高的反向偏壓下，載流子被加速晶格碰撞t晶體中的原子 電離-新的電子空穴對（二次電子-空穴對）如此循環(huán)的過程就 是雪崩光電二極管的 倍增效應(yīng)。323光電檢測器的特性1響應(yīng)度R0和量子效率n描述光電檢測器件的光電轉(zhuǎn)換能

19、力的物理量。越大越好。RoIpPoR0（虹）eI p / e I p hfPo/hfF0 eeRohf2.響應(yīng)時間指半導體光電二極管產(chǎn)生的光電流隨入射光信號變化快慢的狀 態(tài)。一般用上升時間和下降時間表示。 響應(yīng)時間越短越好。3暗電流ID理想情況下，當沒有光照射時，光電檢測器應(yīng)無光電流輸出。但 是實際任有電流輸出，這種電流稱為暗電流暗電流會引起光接收機的噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越 好。4.雪崩倍增因子G在忽略暗電流影響下，雪崩倍增因子被定義為：有雪崩倍增時光 電流的平均值與無雪崩倍增時光電流的平均值之比。G垃I p5倍增噪聲和過剩噪聲系數(shù)雪崩光電二極管的倍增是隨機的。這種隨機性的電流起伏

20、會帶來 附加噪聲，稱之為倍增噪聲。F(G)來描述。倍增噪聲用過程噪聲系數(shù)22gg22gGF(G)F(G表示雪崩光電二極管實際噪聲超過理想倍增噪聲的倍數(shù)。3.3光放大器光波信號從光發(fā)射機輸出經(jīng)過光纖傳輸若干距離以后，由于光纖 損耗和色散影響，光波波形出現(xiàn)失真。因此，在光波信號經(jīng)過一定距離傳輸之后，加一個光中繼器以放 大衰減的信號，恢復(fù)失真的波形，使光脈沖得到再生光n 中I 繼j 器光/電/光轉(zhuǎn)換形式半導體 中繼站光放大器光放大器諧振式-行波式摻稀土元素 n光纖放大器光纖放大器非線性光纖- 放大器摻餌光纖 放大器摻鐳光纖 放大器拉曼光纖 放大器布里淵光纖放大器3.3.1摻鉺光纖放大器(EDFA)1

21、. EDFA的主要優(yōu)點?工作波長處在1.531.56卩m范圍，與光纖最小損耗窗口一致;?對摻鉺光纖進行激勵的泵浦功率低；?增益高、噪聲低、輸出功率大;?連接損耗低。2. EDFA的結(jié)構(gòu)與工作原理(1) EDFA的基本結(jié)構(gòu)輸入摻餌光纖 章。章*輸出光信號光耦4光隔fc-光濾光信號1合器IR離器離器波器泵浦 光源圖3 2廠摻餌光纖放大器結(jié)構(gòu)示直圖? 光耦合器 ：將輸入光信號和泵浦光源輸出的光波混合起來的無源光器件，一般用波分復(fù)用器；? 光隔離器 ：防止反射光影響光放大器的工作穩(wěn)定性，保證光信 號只能正向傳輸?shù)钠骷? 摻鉺光纖 ：是一段長度大約為 10-100m 的摻鉺石英光纖。在纖 芯中注入稀土

22、元素鉺離子；? 泵浦光源 ：為半導體激光器，輸出光功率約為 10-100mW ，工 作波長約為 0.98um；? 光濾波器 ：濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對系統(tǒng)的影響，提 高系統(tǒng)的信噪比。(2) EDFA的工作原理在泵浦源的作用下，摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，從而使光信號得到放大。理論上，鉺離子有三個工作能級： E1，E2，E3。E1能級最低，稱為基態(tài)；E2為亞穩(wěn)態(tài)；E3能級最高，稱為激發(fā) 態(tài)。6e2Ex泵浦光電子吸收來ifll光躍遷 f2無輛射躍遷輸出信號;光（弱q受激輻射躍遷激發(fā)態(tài)業(yè)穩(wěn)態(tài)輸出信號光弱）基態(tài)圖3 28弭離子能帶圖EDFA中所采用的泵浦方式：按照泵浦光源輸出的

23、能量是否和輸入的光信號能量以同一方向注入摻鉺光纖而得名。同向泵浦方式反向泵浦方式?雙向泵浦方式（古）同向泵浦方式(b)反問泉浦方式靜入橈埒光纖光佶號.光隔光耦光觸光隔光濾光信號離器fr器-離器TT泵浦 光源泵浦 光源(c)取向泵涌方式圖S-SOEDFA的泵浦方式信號輸出功率與泵浦光功率：同樣泵浦的條件下，同向泵浦輸出 最低。噪聲特性：同向泵浦噪聲系數(shù)較小。飽和輸出特性：雙向泵浦輸出功率最大。3. EDFA的主要特性參數(shù)(1) 功率增益功率增益表示光放大器的放大能力。定義為輸出光功率與輸入光 功率之比。功率増益=10嗨器繪瞬耋(1R (2) 輸出飽和功率描述輸入信號功率與輸出信號功率之間關(guān)系的參

24、量在EDFA中，輸入信號功率和輸出信號功率并不完全成正比關(guān)系， 而是存在著飽和的趨勢。EDFA的最大輸出功率常用3dB輸出飽和功 率來表示。（3）噪聲系數(shù)噪聲來源：?信號光的散彈噪聲；?信號光波與放大器自發(fā)輻射光波之間的差拍噪聲；?被放大的自發(fā)輻射光的散彈噪聲；?光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波間差拍噪聲。F _放大器的輸入信噪比-放大器的輸出信噪比EDFA的應(yīng)用：?基本作用：延長中繼距離；?與WDM技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)擴容；?與光孤子技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)超大容量、超長距離光纖通信；?與CATV等結(jié)合。3.3.2光纖拉曼放大器（RFA3.4無源光器件3.4.1光定向耦合器光耦合器是一類能使傳輸中的光信號在特

25、殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進行再分配的器件功能：把多個光信號耦合到一起，或?qū)⒐庑盘柗值蕉喔饫w中1. 光定向耦合器的結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)不同分類：棱鏡式和光纖式圖3-39梭兢式和光纖式宜向耦合器其中，光纖式定向耦合器，由兩根緊密耦合的光纖通過光纖界面 的衰減場相互重疊而實現(xiàn)光的耦合的一種器件2. 光纖式定向耦合器的參數(shù)（1）隔離度A表示由應(yīng)該被阻斷的光路中輸出的光功率與輸入的光功率之比。如圖3-39（b）:由端口 1輸入，理論上端口 4沒有光功率輸出，但 實際存在少量輸出。此時隔離度：A、410lg_pL（2）插入損耗L表示定向耦合器損耗的大小。等于輸出光功率之和與輸入光功率 之比的分貝值L(3)分光比

26、TioigPi等于兩個輸出端口的光功率之比如從端口 1輸入光功率，分光比為：T3dB耦合器：兩根輸出光纖中光功率相等。旦P2口3dB耦合器的分光比為50:50。3.4.2光隔離器與光環(huán)行器光隔離器是光單向傳輸器，可以防止光反射的發(fā)生。光隔離器的基本原理可用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)來解釋：將某些晶體(如YIG放入強磁場中時，晶體中傳輸?shù)墓獾钠衩鏁l(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的 角度與磁場的強度和晶體的長度成正比。光隔離器主要由兩個偏振器和一個法拉第旋轉(zhuǎn)器組成。偏振器：當光入射到某一光學器件時，其輸出光為某一形式的偏 振光，這種光學器件稱為偏振器。光隔離器中使用線偏振器。法拉第旋轉(zhuǎn)器由某種旋光性材料制成。適當設(shè)計旋轉(zhuǎn)器

27、的長度和 施加其上的磁場強度即可法拉第偏振器I旋轉(zhuǎn)器偏振器2隔離器=0法拉第角=45崔*函數(shù)這種結(jié)構(gòu)的光隔離器一個缺點是對輸入光的偏振敏感，輸入光的 偏振方向必須與輸出端濾波光片的偏振一致才能獲得最大的耦合效 率，否則將增加插入損耗。因此，隔離器總是設(shè)計成與偏振無關(guān)的。一種制造偏振無關(guān)的光 隔離器的方法是將輸入光先分成偏振正交的兩束光，對這兩束光分別 處理，然后再合在一起。光環(huán)形器為多端口器件。常用的是 3端口和4端口。當光從任意端口輸入時，只能在環(huán)形器中沿單一方向傳輸，并在只允許一定波長的光信號通過的器件稱為光濾波器。光濾波器類型：法布里一玻羅（F-P）諧振腔型、聲光可調(diào)諧濾波器 （AOTF

28、型、光柵型。344光開關(guān)能夠控制傳輸通路中光信號或斷或進行光路切換作用的器件，稱為光開關(guān)。光開關(guān)是構(gòu)成光網(wǎng)絡(luò)中光交叉連接 （OXC和光分插復(fù)用（OADM）設(shè)備的核心器件，也是光網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)保護倒換的必須器件。光開關(guān)可分為自由空間型和波導型兩大類。機械式光開關(guān)：通過機械方式驅(qū)動光纖和棱鏡等光學器件完成光 路切換的。電子式光開關(guān)：利用電光、聲光和磁光效應(yīng)而實現(xiàn)光路切換的器 件。345波長轉(zhuǎn)換器能夠使信號從一個波長轉(zhuǎn)換到另一個波長的器件稱為波長轉(zhuǎn)換按波長轉(zhuǎn)換機理分為：光電型波長轉(zhuǎn)換器和全光型波長轉(zhuǎn)換器。光電型波長轉(zhuǎn)換器 將入射光信號轉(zhuǎn)換為電信號；經(jīng)過放大器的放大后；在對激光器進行調(diào)制；輸出另一波長的光信

29、號圖3,5光葩光型換器優(yōu)點：比較容易實現(xiàn)，且與偏振無關(guān)。缺點：速度受電子器件限制，不適合高速大容量光纖通信系統(tǒng)和 網(wǎng)絡(luò)需求。346波分復(fù)用器將不同波長的光信號組合起來送入光纖傳輸?shù)脑O(shè)備稱為光波分復(fù) 用器。是對光波波長進行合成與分離的光器件。從結(jié)構(gòu)上看可分為：單纖單向 WDM系統(tǒng)和單纖雙向 WDM系統(tǒng)1.單纖單向WDM傳輸系統(tǒng)指不同波長的光信號組合在一起后，通過一根光纖沿同一方向進行傳輸?shù)南到y(tǒng)光端機2發(fā)光端機2收光端機斡發(fā)2. 單纖雙向WDM傳輸系統(tǒng)指兩個相反方向的光信號可以在一根光纖中同時傳輸光靖機1發(fā)WW光端機1收DD光端機2收VMMw光端機2發(fā)S3 48他纖取向鰭構(gòu)WDM桂輸霍烷3. 工作

30、原理入八（】#端1）兒（0#端口）AhZ2 入 A2/J（2# 端口）九E3#端口）圖3-49 WDM光傳輸區(qū)理團4. 對光波分復(fù)用器件的要求?插入損耗小，隔離度大，串擾小。?帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭。?溫度穩(wěn)定性好，工作溫定、可靠。?復(fù)用通路數(shù)多，各路插入損耗相差不大，尺寸小3.4.7 光纖光柵? 光纖光柵是利用光纖中的光敏性而制成的。? 光敏性是指當外界入射的紫外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時， 光纖的折射率將對光強而發(fā)生永久性改變。? 利用這種特性，可制作反射型光濾波器、色散補償器、光分插 復(fù)用器，還可用于光纖激光器等。第 4 章 光纖通信系統(tǒng)4.1 IM-DD 光纖通信系統(tǒng)強度調(diào)制一

31、直接檢測（IM-DD）系統(tǒng)：發(fā)射端是用信號直接調(diào)制光載波的強度；接收端是用檢測器直接檢測所接收的光信號。4.1.1 光纖通信中的線路碼型PCM中使用的碼型不能在光通信系統(tǒng)中直接傳輸，需要在光端機進行碼型變換。線路編碼是指使用一套規(guī)則將信號符號編排為一個特殊的格式。線路編碼的作用：將傳送碼流轉(zhuǎn)換成便于在光纖線路中傳輸、接 收及監(jiān)測的線路碼型。常用線路編碼：? 擾碼? 分組碼 （字變換碼 ）? 插入碼 （插入碼型 ）4.1.2 IM-DD 光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1. 光發(fā)射機（1）光源的調(diào)制特性光調(diào)制是指將電信號加載到光源的發(fā)射光上的過程。按光源的調(diào)制方式：? 內(nèi)調(diào)制 ? 外調(diào)制內(nèi)調(diào)制是將所要傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)

32、換為電流信號，并將其直接注入光 源，使其輸出的光載波信號的強度隨調(diào)制信號的變化而變化。優(yōu)點：簡單、經(jīng)濟、容易實現(xiàn)，通過改變注入電流來實現(xiàn)光強度 調(diào)制?？煞譃槟M信號的調(diào)制和數(shù)字信號的調(diào)制。模擬信號的調(diào)制是指直接用連續(xù)的模擬信號對光源進行調(diào)制。數(shù)字信號調(diào)制是指將經(jīng)PCM調(diào)制的數(shù)字信號直接加在直流偏置電流之上，用光源的輸出和光載波的有光和無光來分別代表“1”碼和“0”碼。外調(diào)制是利用晶體的電光、磁光、聲光特性對LD所發(fā)出的載波進行調(diào)制。即光輻射之后再進行調(diào)制圖4發(fā)射機原理圖(o)間接調(diào)和圖光數(shù)字發(fā)射機原理圖(b)(2) 對光發(fā)射機的要求?光源的發(fā)光波長要合適?合適的輸出光功率?較好的消光比(EXT

33、?調(diào)制特性好?穩(wěn)定性好，光源的壽命長全y碼時的平均輸出功率 全r欄碼時的平均輸出功率(3) 光發(fā)射機的組成方框圖和各部分功能(Alt)直接調(diào)制圖4 2光數(shù)字發(fā)射機原理圖Q)均衡放大：由PCM端機送來的HDB3碼流，經(jīng)過電纜的傳輸產(chǎn)生 了衰減和畸變。在信號進入發(fā)射機時，首先要經(jīng)過均衡和放大以補償 衰減的電平和均衡畸變的波形。碼型變換：PCM系統(tǒng)傳輸?shù)拇a型是雙極性的。但光纖通信系統(tǒng)下， 光源的輸出只有有光和無光兩個碼對應(yīng)。因此，信號從PCM端機送到光發(fā)射機后，需要將HDB3這種雙極性碼轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性的“ 0”、“ 1” 碼。復(fù)用：指利用一個大的傳輸信道來同時傳送多個低容量的信道以 及開銷信息的過程。

34、不同的接口信息，其復(fù)用過程不同。擾碼：為避免出現(xiàn)長連“ 0”和長連“ 1”的情況，需要在碼型變 換之后加一個擾碼電路。在接收端要加一個與擾碼相反的解擾電路， 恢復(fù)信碼原來的狀態(tài)。時鐘：在碼型變換和擾碼過程中，給予時鐘信號依據(jù)。調(diào)制（驅(qū)動）：使光源發(fā)出的光強隨著信號碼流的變化， 形成相應(yīng) 的光脈沖送入光纖。自動功率控制：光發(fā)射機的光源經(jīng)過一段時間使用將出現(xiàn)老化，使輸出光功率降低。另外，激光器P-N結(jié)結(jié)溫變化，使P-I曲線變化,使輸出光功率變化。因此使用自動功率控制（APC使光源的輸出功率穩(wěn)定。期制信g|FI4斗激比器沿度變代引起輸出功舉的變化自動溫度控制：半導體光源的P-I特性曲線對環(huán)境溫度的變

35、化反應(yīng)很敏感，從而使輸出光功率出現(xiàn)變化。因此在發(fā)射機盤上安裝自動溫 度控制（ATC電路，使激光器的輸出特性保持穩(wěn)定。B4-5環(huán)母盤瞳變化引起輸出光功舉的變化04*6自幼視廈控制電牌方欄圖保護電路：使半導體激光器的偏流慢啟動以限制偏流不要過大。無光告警電路：當光發(fā)射機電路出現(xiàn)故障、輸入信號中斷、激光 器失效使激光器較長時間不發(fā)光，這時延遲告警電路將發(fā)生告警指 示。2.光接收機目數(shù)字光纖通仁樓收光端機方耘因光電檢測器：光電檢測器的作用是利用光電檢波管，將由發(fā)送光 端機經(jīng)光纖傳過來的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。廣泛使用的有PIN光電二極管和雪崩光電二極管前置放大器：經(jīng)光電檢測器輸出的光電流十分微弱，使用前置

36、放大器將此電信號放大。常用的類型有：低阻型前置放大器、PIN-FET（PIN 管與場效應(yīng)管）前置放大器、跨阻型前置放大器組件。主放大器：將前置放大器輸出的信號放大到判決電路所需要的信 號電平。它還是一個增益可調(diào)節(jié)的放大器。一般主放大器的峰-峰值輸出是幾伏數(shù)量級。均衡器：拖尾現(xiàn)象：經(jīng)過主放大器輸出的信號出現(xiàn)了失真，不再 是矩形信號了。均衡器的作用就是對主放大器輸出的失真數(shù)字脈沖進 行整形，保證判決時不存在碼間干擾，以得到最小的誤碼率。判決器和時鐘恢復(fù)電路：判決器由判決電路和碼形成電路構(gòu)成。 判決器和時鐘恢復(fù)電路合起來構(gòu)成脈沖再生電路。 脈沖再生電路的作 用是將均衡器輸出的信號恢復(fù)成理想的數(shù)字信號

37、。10 1110 0 1發(fā)端信號jwwwmnI I I I I I I I I時鐘信號再生后信號圖4 12 fS號再生示意田W4-I3時t恢京敢珞方椒圖09fI:nKwwwwuwwvwvu圖414時鐘恢復(fù)電路波形圖圖小NRZB的功宰譜憲廈務(wù)血圖圖皿16血碼功率諧産度井布圖r ； -tl一 B 卄njiruJ不歸零碼微分04-17 沖非找性處起電畤圖4 1&電燉中的數(shù)羽圖?調(diào)諧放大：用非線性處理后的波形 來激勵調(diào)諧放大器，然后在 它的諧振回路中選出時鐘頻率的簡諧波。?限幅?整形、移相：整形電路將經(jīng)限幅后的波形變?yōu)榫匦蚊}沖；移相網(wǎng)絡(luò)再將其相位調(diào)整到最佳判決時所需要的相位。14 9球種悔生電議掠JE

38、方框圖光接收機的動態(tài)范圍和自動增益控制：光接收機的動態(tài)范圍D是 在保證系統(tǒng)的誤碼率指標要求下，光接收機的最低輸入光功率和最大 允許輸入光功率只差。其單位為 dB。D 10lg 單 10lg 空 10lg 良1010Pmin它表示光接收機正常工作時，光信號應(yīng)有的范圍。光接收機的自動增益控制（AGC就是用反饋環(huán)路來控制主放大器 的增益，在采用雪崩管的光接收機中還通過控制雪崩管的高壓來控制 雪崩管的雪崩增益。自動增益控制的作用是增加了光接收機的動態(tài)范圍。圖博20 口動増益揑制工作廉鋰方框圖解擾、解復(fù)用和碼型變換輔助電路：箝位電路、溫度補償電路、告警電路3.光纖通信系統(tǒng)圖4-22給出了以光電再生的方法

39、作為光信號中繼的點到點光纖傳 輸系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)是由光發(fā)射機、光接收端機、光中繼器、監(jiān)控 系統(tǒng)、備用系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等組成。(1) 光中繼器光波信號經(jīng)過一定距離傳輸之后，由于光纖損耗和色散的影響，光脈沖信號的幅度受到衰減，波形出現(xiàn)失真，這樣就限制了光脈沖信 號在光纖中的距離。因此，需要在光信號經(jīng)過一定距離傳輸之后，加 一個光中繼器以放大衰減的信號，恢復(fù)失真的波形，使光脈沖得到再 生。(AGC)4APC)34 22昴簡單的光中理方摧圖(2) 監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視、檢測和控制光接收部分光發(fā)肘部分光發(fā)射部分光接收部分ao 匸：告圖4 7A實用的中維器方框圖4.2衰減和色散對中繼距離的影響421衰減與色散對中

40、繼距離的影響1. 衰減對中繼距離的影響中繼段上的傳輸衰減包括：光纖本身的固有衰減，再者是光纖的 連接損耗和微彎帶來的附加損耗。低損耗是實現(xiàn)遠距離光纖通信的前 提。2. 色散對中繼距離的影響光纖自身存在色散：材料色散、波導色散、模式色散 （單模光纖沒 有）。限制系統(tǒng)中繼距離的幾個重要因素：碼間干擾、模分配噪聲、啁啾聲。（1）碼間干擾對中繼距離的影響碼間干擾：相鄰兩光脈沖之間的相互干擾。傳輸距離與碼速、光纖的色散系數(shù)以及光源的譜寬成正比。即: 系統(tǒng)的傳輸速率越高，光纖的色散系數(shù)越大，光源譜寬越寬，系統(tǒng)信 號所能傳輸?shù)闹欣^距離就越短。（2）模分配噪聲對中繼距離的影響由于在高速調(diào)制下激光器的譜線和單模

41、光纖的色散相互作用，產(chǎn) 生了一種叫模分配噪聲的現(xiàn)象。模分配噪聲限值了通信距離和容量。（3）啁啾聲對中繼距離的影響頻率啁啾現(xiàn)象：振蕩波長隨時間偏移。且這種時間偏移是隨機的啁啾聲：單縱模激光器在高速調(diào)制下，其載流子導致折射率的變 化，接收取樣點所接收的信號中存在隨機成分，這就是一種噪聲。3. 最大中繼距離的計算（1）衰減受限系統(tǒng)L p Pr act Art Pp MeAf as / L f M cnAfafi /ni 1nAsasi /（n 1）i 1（2）色散受限系統(tǒng)尸光纖每公里帶寬與公里帶寬間的關(guān)系：式中/廠光纖的長度（皿）；I光纖毎公里帶寬；L U虬丄公甲.光纖的帶寬席q一系數(shù)，取值在05 1之間A光纖帶寬與半功率點寬度烷間關(guān)系：與每公 里光纖3dB帶寬聯(lián)間的關(guān)系為：0,441B(ps/km)(427)多縱模激光器(祕妙：中.纖的脈沖展寬址(戶)。根據(jù)色收系數(shù)的宦義 Item光纖的脈沖展寬ht 等丁光源譜寬與色散系數(shù)的乘積 I!卩(43)(425)W = D(A)AA岡此中繼趾離的計算公式可改寫為-E X 1()&二 /； x AA X I)心.S傳輸距離(km)；B線路碼速率(Mbit/s)； E與色散代價右關(guān)的系數(shù)；D色故系( ps/km run ):單縱模激光器(SZJ0:色散代價主要由咽啾聲決 定：71