新編-第一章第二部分光纖通信技術(shù)課件

第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡(jiǎn)介；光纖通信的基本問(wèn)題；光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；1帶寬大約為載波信號(hào)頻率的十分之一光纖通信中光的作用及特性1.光作為載波，可以極大地提高信道的帶寬帶寬是信號(hào)進(jìn)行傳輸且沒(méi)有明顯衰減的頻率范圍，信道的帶寬越大，信道容量就越大。香農(nóng)哈特利（Shannon-Hartley）定理：載波頻率越高，信道的帶寬就越大，系統(tǒng)的信息傳輸能力也就越強(qiáng)。信道帶寬信噪比帶寬大約為載波信號(hào)頻率的十分之一光纖通信中光的作用及特性1.2名稱應(yīng)用傳輸介質(zhì)有線介質(zhì)無(wú)線介質(zhì)紫外線可見(jiàn)光紅外線電話數(shù)據(jù)視頻激光束光纖毫米波特高頻（SHF）超高頻（UHF）甚高頻（VHF）高頻（HF）中頻（MF）低頻（LF）甚低頻（VLF）音頻波導(dǎo)同軸電纜雙絞線微波無(wú)線電短波無(wú)線電長(zhǎng)波無(wú)線電衛(wèi)星通信微波通信電話、電報(bào)調(diào)幅廣播移動(dòng)無(wú)線電UHFTV移動(dòng)通信導(dǎo)航潛艇通信飛行器通信導(dǎo)航、雷達(dá)業(yè)余無(wú)線電商務(wù)應(yīng)用調(diào)頻廣播1014Hz1015Hz10-6m100GHz10GHz1GHz100MHz10MHz1MHz100kHz10kHz1kHz1cm10cm1m10m100m1km10km100km800nm1700nm帶寬可達(dá)50THz名稱應(yīng)用傳輸介質(zhì)有線介質(zhì)無(wú)線介質(zhì)紫外線可見(jiàn)光紅外線電話激光纖3光纖通信中光的作用及特性2.光在光纖中傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)是由光纖特性決定的低損耗是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)長(zhǎng)距離無(wú)中繼傳輸?shù)那疤?。波長(zhǎng)(nm)損耗(dB/km)700900110013001500170011015501310850光纖損耗的波長(zhǎng)特性2dB/Km0.5dB/Km0.2dB/Km光纖通信中光的作用及特性2.光在光纖中傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)是由光4導(dǎo)帶能帶價(jià)帶能帶禁帶光子電子ECEV量能hν3.光在光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)中的工作基于光的輻射與吸收光纖通信中光的作用及特性我們可以通過(guò)控制半導(dǎo)體材料的成份來(lái)改變能帶差，從而改變其發(fā)光波長(zhǎng)。導(dǎo)帶能帶價(jià)帶能帶禁帶光子電子ECEV量能hν3.光在光發(fā)射5自發(fā)輻射光是一種非相干光，即不是單一頻率、相位和偏振方向相同的光。 低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν（a）光的自發(fā)輻射（發(fā)光二極管LED）光纖通信中光的作用及特性（b）光的受激發(fā)射（激光二極管）低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入光hν輸出光要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射需要兩個(gè)條件：一是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；二是在半導(dǎo)體激光器中產(chǎn)生諧振從而得到單色性和方向性好的激光輸出。自發(fā)輻射光是一種非相干光，即不是單一頻率、相位和偏振方向相同6低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入光Eg（c）光的吸收（光檢測(cè)器）

光纖通信中光的作用及特性低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入7第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡(jiǎn)介；光纖通信的基本問(wèn)題；光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；8光纖通信系統(tǒng)的基本單元1.光發(fā)射機(jī)

電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和光信號(hào)傳輸裝置組成，光源是光發(fā)射機(jī)的核心部件。目前常用光源有LED和LD兩種。IF(mA)P(mW)LED外形圖和輸出特性IF(mA)P(mW)LD外形圖和輸出特性光纖通信系統(tǒng)的基本單元1.光發(fā)射機(jī)

電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置9光纖通信系統(tǒng)的基本單元對(duì)光源的調(diào)制（a）模擬電流信號(hào)對(duì)激光器的直接調(diào)制P(mW)IF(mA)IbIth輸出光信號(hào)輸入電流信號(hào)限流點(diǎn)工作在線性區(qū)工作在截止區(qū)工作在限流區(qū)直接調(diào)制間接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)的基本單元對(duì)光源的調(diào)制（a）模擬電流信號(hào)對(duì)激光器10P(mW)IF(mA)輸出光信號(hào)輸入電流信號(hào)Ith（b）數(shù)字電流信號(hào)對(duì)激光器的直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)的基本單元消光比（ExtinctionRatio）：是衡量數(shù)字傳輸時(shí)光源的一項(xiàng)重要參數(shù)。為保證接收機(jī)靈敏度不受或少受影響，消光比應(yīng)盡量小，一般應(yīng)小于0.1P(mW)IF(mA)輸出光信號(hào)輸入電流信號(hào)Ith（b）11外調(diào)制方式（間接調(diào)制）：光源調(diào)制器光信號(hào)（已加載信息）光信號(hào)（未加載信息）輸入電信號(hào)光纖通信系統(tǒng)的基本單元不直接調(diào)制光源，而是在光源輸出的通路上外加調(diào)制器來(lái)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制（利用晶體的電光效應(yīng)，磁光效應(yīng)，聲光效應(yīng)），適用于各種類型的激光器。外調(diào)制方式（間接調(diào)制）：光源調(diào)制器光信號(hào)光信號(hào)輸入電信號(hào)光12光纖通信系統(tǒng)的基本單元電光效應(yīng)——電場(chǎng)引起晶體折射率變化的現(xiàn)象，能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的變化稱為電光晶體。Mach-ZehnderInterferometer光纖通信系統(tǒng)的基本單元電光效應(yīng)——電場(chǎng)引起晶體折射率變化的現(xiàn)13（1）驅(qū)動(dòng)電路。

（2）自動(dòng)功率控制電路APC（AutomaticPowerControl）。

（3）自動(dòng)溫度控制電路ATC(AutomaticTemperatureControl)?？刂圃?.1℃的范圍內(nèi)。

（4）光隔離器。 光纖通信系統(tǒng)的基本單元2.光發(fā)射機(jī)的輔助電路

（1）驅(qū)動(dòng)電路。

（2）自動(dòng)功率控制電路APC（Automa14使不能工作驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)DFB-LD監(jiān)測(cè)PD光纖光隔離器激光器偏置監(jiān)測(cè)APC電路ATC電路熱電致冷器熱敏電阻器背面監(jiān)測(cè)光輸出告警激光器溫度監(jiān)測(cè)光發(fā)射模塊功能框圖光發(fā)射模塊實(shí)物圖光纖通信系統(tǒng)的基本單元使不能工作驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)DFB-LD光纖光隔離器激光器偏置監(jiān)測(cè)A152.光纖光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫?。光纖中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層特點(diǎn)：ncore>nclad

光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去。芯包層樹(shù)脂涂覆層光纖通信系統(tǒng)的基本單元2.光纖光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)?6根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為：不同的折射率分布，傳輸特性完全不同光纖通信系統(tǒng)的基本單元根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為：不同的折射率分布，傳輸17-數(shù)值孔徑(NA)相對(duì)折射率差n0、n1、n2--分別是空氣、纖芯、包層折射率，c--芯包界面全反射臨界角代表光纖接收光的本領(lǐng)大?cin1n2n0（示意圖，比例不符）光纖通信系統(tǒng)的基本單元階躍型光纖-數(shù)值孔徑(NA)相對(duì)折射率差n0、n1、n2--分別是空氣18以不同入射角進(jìn)入光纖的光線將經(jīng)歷不同的途徑，雖然在輸入端同時(shí)入射并以相同的速度傳播，但到達(dá)光纖輸出端的時(shí)間卻不同，出現(xiàn)了時(shí)間上的分散，導(dǎo)致脈沖嚴(yán)重展寬。模間色散所有大于臨界角C的光線都被限制在纖芯內(nèi)。階躍光纖High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding光纖通信系統(tǒng)的基本單元以不同入射角進(jìn)入光纖的光線將經(jīng)歷不同的途徑，雖然在輸入端同時(shí)19光纖光纜實(shí)物圖光纖通信系統(tǒng)的基本單元光纖光纜實(shí)物圖光纖通信系統(tǒng)的基本單元20光纖通信系統(tǒng)的基本單元3.光接收機(jī)由光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和電信號(hào)處理裝置組成，具體由光電檢測(cè)器、放大器和相關(guān)電路組成。光CATV接收模塊光纖通信系統(tǒng)的基本單元3.光接收機(jī)由光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝21光纖通信系統(tǒng)的基本單元是指在滿足給定誤碼率或信噪比條件下，接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力，工程上常用最低平均光功率來(lái)描述，靈敏度表示為是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)的最低光功率和最大允許光功率之比靈敏度動(dòng)態(tài)范圍光纖通信系統(tǒng)的基本單元是指在滿足給定誤碼率或信噪比條件下，接22第一，它可以對(duì)任何比特率和格式的信號(hào)都加以放大，這種屬性稱之為光放大器對(duì)任何比特率和信號(hào)格式是透明的。第二，它不只是對(duì)單個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)，而是在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)若干個(gè)信號(hào)都可以放大。輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)光纖光纖光放大器光纖通信系統(tǒng)的基本單元4.光放大器光放大器的作用:兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì):第一，它可以對(duì)任何比特率和格式的信號(hào)都加以放大，這種屬性稱之23光放大器是基于受激輻射機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)入射光功率放大隔離器輸入光激活介質(zhì)泵浦源隔離器輸出光光纖通信系統(tǒng)的基本單元摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理：光放大器是基于受激輻射機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)入射光功率放大隔離器輸入光激24Er3+能級(jí)圖

包層信號(hào)光1550nm泵浦光1480nm或980nmEDF信號(hào)光泵浦光摻鉺光纖長(zhǎng)度最佳長(zhǎng)度光強(qiáng)光纖通信系統(tǒng)的基本單元Er3+能級(jí)圖包層信號(hào)光泵浦光EDF信號(hào)光泵浦光摻鉺光纖長(zhǎng)25對(duì)光纖放大器的主要要求是：高增益，低噪聲，高的輸出光功率，低的非線性失真

摻鉺光纖放大器光纖通信系統(tǒng)的基本單元對(duì)光纖放大器的主要要求是：高增益，低噪聲，高的輸出光功率，低26第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡(jiǎn)介；光纖通信的基本問(wèn)題；光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；27損耗定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率1.光纖的損耗特性光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離，損耗的降低依賴于工藝的提高和對(duì)石英材料的研究。若P0是入射光纖的功率，則傳輸功率PT為：這里代表光纖損耗，L是光纖長(zhǎng)度，習(xí)慣上光纖的損耗通過(guò)下式用dB/km來(lái)表示：光纖通信的基本問(wèn)題損耗定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率1.28示例對(duì)于理想的光纖，不會(huì)有任何的損耗，對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB/km，但在實(shí)際中這是不可能的。實(shí)際的低損耗光纖在900nm波長(zhǎng)處的損耗為3dB/km，這表示傳輸1km后信號(hào)光功率將損失50％，2km后損失達(dá)75％(損失了6dB)。之所以可以這樣進(jìn)行運(yùn)算，是因?yàn)橛梅重惐硎镜膿p耗具有可加性。光纖通信的基本問(wèn)題示例對(duì)于理想的光纖，不會(huì)有任何的損耗，對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB29第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(zhǎng)(nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km光纖通信的基本問(wèn)題第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸30光纖的損耗機(jī)理(1)材料吸收紫外、紅外、OH離子、金屬離子吸收等，是材料本身所固有的--本征吸收損耗OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長(zhǎng)為2.73m，與Si-O鍵的諧振波長(zhǎng)相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39、1.24、0.95m，峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個(gè)窗口。減低OH離子濃度，減低這些吸收峰---全波光纖（AllWave康寧）光纖通信的基本問(wèn)題光纖的損耗機(jī)理(1)材料吸收光纖通信的基本問(wèn)題31光纖的損耗機(jī)理(2)瑞利散射是一種基本損耗機(jī)理。由于制造過(guò)程中沉積到熔石英中的隨機(jī)密度變化引起的，導(dǎo)致折射率本身的起伏，使光向各個(gè)方向散射。大小與4成反比，R＝C/4（dB/km）因而主要作用在短波長(zhǎng)區(qū)。瑞利散射損耗對(duì)光纖來(lái)說(shuō)是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。在1.55m波段，瑞利散射引起的損耗仍達(dá)0.12~0.16dB/km，是該段損耗的主要原因。光纖通信的基本問(wèn)題光纖的損耗機(jī)理(2)瑞利散射是一種基本損耗機(jī)理。光纖通信的基32光纖的損耗機(jī)理(3)輻射損耗又稱彎曲損耗，包括兩類：一是彎曲半徑遠(yuǎn)大于光纖直徑，二是光纖成纜時(shí)軸向產(chǎn)生的隨機(jī)性微彎。定性解釋：導(dǎo)模的部分能量在光纖包層中（消失場(chǎng)拖尾）與纖芯中的場(chǎng)一起傳輸。當(dāng)發(fā)生彎曲時(shí)，離中心較遠(yuǎn)的消失場(chǎng)尾部須以較大的速度行進(jìn)，以便與纖芯中的場(chǎng)一同前進(jìn)。這有可能要求離纖芯遠(yuǎn)的消失場(chǎng)尾部以大于光速的速度前進(jìn)，由于這是不可能的，因此這部分場(chǎng)將輻射出去而損耗掉。光纖通信的基本問(wèn)題例：一根光纖長(zhǎng)20km，衰減為0.5dB/km，一端注入功率為600μW的光信號(hào)，求其輸出光功率。光纖的損耗機(jī)理(3)輻射損耗又稱彎曲損耗，包括兩類：一是彎曲33光纖通信的基本問(wèn)題色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。對(duì)數(shù)字傳輸而言，色散造成光脈沖的展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_，造成誤碼率增加；對(duì)模擬傳輸而言，它會(huì)限制帶寬，產(chǎn)生諧波失真，使得系統(tǒng)的信噪比下降。

色散的種類：

模式色散材料色散波導(dǎo)色散色度色散光纖通信的基本問(wèn)題色散(Dispersion)是在光纖中傳輸34纖芯光源包層光纖通信的基本問(wèn)題1.模式色散不同入射角的光線代表不同的模式光源0纖芯包層1230123TT＋Δt脈沖因多個(gè)模式而起的展寬---模式色散纖芯光源包層光纖通信的基本問(wèn)題1.模式色散不同入射角的35光纖通信的基本問(wèn)題脈沖展寬的計(jì)算最低模式（也稱為零級(jí)模式）沿中心軸線到達(dá)光纖輸出端所需時(shí)間為最高模式（以臨界角傳播的光線）所需時(shí)間:脈沖展寬時(shí)間光纖通信的基本問(wèn)題脈沖展寬的計(jì)算最低模式（也稱為零級(jí)模式）沿36光纖通信的基本問(wèn)題單模光纖設(shè)計(jì)的基本思路:減小纖芯直徑的尺寸減小相對(duì)折射率典型的單模光纖的纖芯直徑和相對(duì)折射率分別是8.3μm和0.37%，而漸變折射率光纖這兩者的數(shù)值分別是50μm和2%。例:一階躍折射率光纖，已知n1＝1.486，n2＝1.472，僅考慮模式色散，計(jì)算每1km長(zhǎng)度的脈沖展寬。光纖通信的基本問(wèn)題單模光纖設(shè)計(jì)的基本思路:減小纖芯直徑的尺寸37光纖通信的基本問(wèn)題2.波導(dǎo)色散進(jìn)入單模光纖中的光信號(hào)功率大約只有80%在纖芯中傳播，另外20%在包層傳輸，由于纖芯和包層有著不同的折射率，所以這兩部分的傳輸速度不同，在包層中傳播的光功率速度要更大一些，因而在光纖輸出端，脈沖會(huì)展寬。波導(dǎo)色散系數(shù)光源的線寬光纖通信的基本問(wèn)題2.波導(dǎo)色散進(jìn)入單模光纖中的光信號(hào)功率大38光纖通信的基本問(wèn)題3.材料色散是由于纖芯材料的折射率隨波長(zhǎng)變化，使得各個(gè)模式的群速率（光脈沖包絡(luò)線速度）都會(huì)隨著波長(zhǎng)的變化而造成的。材料色散系數(shù)光源的線寬光纖通信的基本問(wèn)題3.材料色散是由于纖芯材料的折射率隨波長(zhǎng)39波長(zhǎng)(μm)材料色散波導(dǎo)色散色度色散色散系數(shù)ps/(km·nm)1.11.21.31.41.51.61.7-30-20-100102030光纖通信的基本問(wèn)題單模光纖中波導(dǎo)色散和材料色散與波長(zhǎng)的關(guān)系波長(zhǎng)(μm)材料色散波導(dǎo)色散色度色散色ps/(km·nm)40光纖通信的基本問(wèn)題非線性效應(yīng)1.自相位調(diào)制SPM（SelfPhaseModulation）2.交叉相位調(diào)制XPM(CrossPhaseModulation)3.四波混頻FWM(FourWaveMixing)。4.受激喇曼散射SRS(StimulatedRamanScattering)5.受激布里淵散射SBS(StimulatedBrillouinScattering)光纖通信的基本問(wèn)題非線性效應(yīng)1.自相位調(diào)制SPM（Self41第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡(jiǎn)介；光纖通信的基本問(wèn)題；光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；42光纖輸入光脈沖輸出光脈沖時(shí)間波形光脈沖展寬101111光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.比特率也稱為信息速率，是信道上每秒鐘內(nèi)所傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，單位為比特/秒，寫成b/s或bps，常用符號(hào)B表示。光纖色散效應(yīng)對(duì)比特率的限制1.比特率和帶寬返回光纖輸入光脈沖輸出光脈沖時(shí)間波形光脈沖展寬1043比特率與脈沖展寬(a)輸入光脈沖Tt2Δτ0光強(qiáng)(b)輸出光脈沖tτ0光強(qiáng)2ΔτΔτ最大比特率的計(jì)算式:光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)光纖色散是比特率受限的主要原因。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研制出了多種類型的光纖和各種補(bǔ)償色散的技術(shù)，如漸變折射率光纖，色散補(bǔ)償光纖等。(a)輸入光脈沖Tt2Δτ0光強(qiáng)(b)輸出光脈沖tτ0光442.帶寬帶寬是一個(gè)頻率范圍，在這個(gè)頻率范圍之內(nèi)，信號(hào)可以不失真地進(jìn)行傳輸，它反映了模擬傳輸系統(tǒng)運(yùn)載信息的能力。光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1電帶寬Δfel頻率f(Hz)光帶寬Δfopt0.7070.5歸一化電流或功率2.帶寬帶寬是一個(gè)頻率范圍，在這個(gè)頻率范圍之內(nèi)，信號(hào)可以不452.傳輸距離光源最大平均輸出功率接收機(jī)探測(cè)器的最小平均接收光功率光纖的損耗LC連接器光發(fā)射機(jī)距離L(km)光接收機(jī)連接器接頭接頭PoutPrecLCLSLSdBm光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)2.傳輸距離光源最大平均輸出功率接收機(jī)探測(cè)器的最小平均接收光46500200④②①比特率B(Gb/s)距離(km)30①1550nm色散位移光纖②1550nm單模光纖③1310nm單模光纖④850nm多模漸變光纖⑤850nm多模階躍光纖③⑤0.01110100光纖的傳輸速率與傳輸距離的關(guān)系光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)損耗限制色散限制500200④②①比特率B(Gb/s)距離(km)30①473.通信容量1.用比特率－距離積BL來(lái)表示,單位是（Mbit/s）·km。2.用帶寬－距離積來(lái)表示，單位是MHz·km。光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)3.通信容量1.用比特率－距離積BL來(lái)表示,單位是（Mbit48本章小結(jié)應(yīng)掌握的基本內(nèi)容:1.光纖通信系統(tǒng)的基本組成2.色散和損耗對(duì)光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)挠绊?.光纖通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)本節(jié)結(jié)束，謝謝?。?！作業(yè)：P271.21.51.61.81.111.141.19本章小結(jié)應(yīng)掌握的基本內(nèi)容:1.光纖通信系統(tǒng)的基本組成2.色散49第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡(jiǎn)介；光纖通信的基本問(wèn)題；光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；50帶寬大約為載波信號(hào)頻率的十分之一光纖通信中光的作用及特性1.光作為載波，可以極大地提高信道的帶寬帶寬是信號(hào)進(jìn)行傳輸且沒(méi)有明顯衰減的頻率范圍，信道的帶寬越大，信道容量就越大。香農(nóng)哈特利（Shannon-Hartley）定理：載波頻率越高，信道的帶寬就越大，系統(tǒng)的信息傳輸能力也就越強(qiáng)。信道帶寬信噪比帶寬大約為載波信號(hào)頻率的十分之一光纖通信中光的作用及特性1.51名稱應(yīng)用傳輸介質(zhì)有線介質(zhì)無(wú)線介質(zhì)紫外線可見(jiàn)光紅外線電話數(shù)據(jù)視頻激光束光纖毫米波特高頻（SHF）超高頻（UHF）甚高頻（VHF）高頻（HF）中頻（MF）低頻（LF）甚低頻（VLF）音頻波導(dǎo)同軸電纜雙絞線微波無(wú)線電短波無(wú)線電長(zhǎng)波無(wú)線電衛(wèi)星通信微波通信電話、電報(bào)調(diào)幅廣播移動(dòng)無(wú)線電UHFTV移動(dòng)通信導(dǎo)航潛艇通信飛行器通信導(dǎo)航、雷達(dá)業(yè)余無(wú)線電商務(wù)應(yīng)用調(diào)頻廣播1014Hz1015Hz10-6m100GHz10GHz1GHz100MHz10MHz1MHz100kHz10kHz1kHz1cm10cm1m10m100m1km10km100km800nm1700nm帶寬可達(dá)50THz名稱應(yīng)用傳輸介質(zhì)有線介質(zhì)無(wú)線介質(zhì)紫外線可見(jiàn)光紅外線電話激光纖52光纖通信中光的作用及特性2.光在光纖中傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)是由光纖特性決定的低損耗是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)長(zhǎng)距離無(wú)中繼傳輸?shù)那疤帷２ㄩL(zhǎng)(nm)損耗(dB/km)700900110013001500170011015501310850光纖損耗的波長(zhǎng)特性2dB/Km0.5dB/Km0.2dB/Km光纖通信中光的作用及特性2.光在光纖中傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)是由光53導(dǎo)帶能帶價(jià)帶能帶禁帶光子電子ECEV量能hν3.光在光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)中的工作基于光的輻射與吸收光纖通信中光的作用及特性我們可以通過(guò)控制半導(dǎo)體材料的成份來(lái)改變能帶差，從而改變其發(fā)光波長(zhǎng)。導(dǎo)帶能帶價(jià)帶能帶禁帶光子電子ECEV量能hν3.光在光發(fā)射54自發(fā)輻射光是一種非相干光，即不是單一頻率、相位和偏振方向相同的光。 低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν（a）光的自發(fā)輻射（發(fā)光二極管LED）光纖通信中光的作用及特性（b）光的受激發(fā)射（激光二極管）低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入光hν輸出光要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射需要兩個(gè)條件：一是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；二是在半導(dǎo)體激光器中產(chǎn)生諧振從而得到單色性和方向性好的激光輸出。自發(fā)輻射光是一種非相干光，即不是單一頻率、相位和偏振方向相同55低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入光Eg（c）光的吸收（光檢測(cè)器）

光纖通信中光的作用及特性低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入56第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡(jiǎn)介；光纖通信的基本問(wèn)題；光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；57光纖通信系統(tǒng)的基本單元1.光發(fā)射機(jī)

電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和光信號(hào)傳輸裝置組成，光源是光發(fā)射機(jī)的核心部件。目前常用光源有LED和LD兩種。IF(mA)P(mW)LED外形圖和輸出特性IF(mA)P(mW)LD外形圖和輸出特性光纖通信系統(tǒng)的基本單元1.光發(fā)射機(jī)

電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置58光纖通信系統(tǒng)的基本單元對(duì)光源的調(diào)制（a）模擬電流信號(hào)對(duì)激光器的直接調(diào)制P(mW)IF(mA)IbIth輸出光信號(hào)輸入電流信號(hào)限流點(diǎn)工作在線性區(qū)工作在截止區(qū)工作在限流區(qū)直接調(diào)制間接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)的基本單元對(duì)光源的調(diào)制（a）模擬電流信號(hào)對(duì)激光器59P(mW)IF(mA)輸出光信號(hào)輸入電流信號(hào)Ith（b）數(shù)字電流信號(hào)對(duì)激光器的直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)的基本單元消光比（ExtinctionRatio）：是衡量數(shù)字傳輸時(shí)光源的一項(xiàng)重要參數(shù)。為保證接收機(jī)靈敏度不受或少受影響，消光比應(yīng)盡量小，一般應(yīng)小于0.1P(mW)IF(mA)輸出光信號(hào)輸入電流信號(hào)Ith（b）60外調(diào)制方式（間接調(diào)制）：光源調(diào)制器光信號(hào)（已加載信息）光信號(hào)（未加載信息）輸入電信號(hào)光纖通信系統(tǒng)的基本單元不直接調(diào)制光源，而是在光源輸出的通路上外加調(diào)制器來(lái)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制（利用晶體的電光效應(yīng)，磁光效應(yīng)，聲光效應(yīng)），適用于各種類型的激光器。外調(diào)制方式（間接調(diào)制）：光源調(diào)制器光信號(hào)光信號(hào)輸入電信號(hào)光61光纖通信系統(tǒng)的基本單元電光效應(yīng)——電場(chǎng)引起晶體折射率變化的現(xiàn)象，能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的變化稱為電光晶體。Mach-ZehnderInterferometer光纖通信系統(tǒng)的基本單元電光效應(yīng)——電場(chǎng)引起晶體折射率變化的現(xiàn)62（1）驅(qū)動(dòng)電路。

（2）自動(dòng)功率控制電路APC（AutomaticPowerControl）。

（3）自動(dòng)溫度控制電路ATC(AutomaticTemperatureControl)。控制在0.1℃的范圍內(nèi)。

（4）光隔離器。 光纖通信系統(tǒng)的基本單元2.光發(fā)射機(jī)的輔助電路

（1）驅(qū)動(dòng)電路。

（2）自動(dòng)功率控制電路APC（Automa63使不能工作驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)DFB-LD監(jiān)測(cè)PD光纖光隔離器激光器偏置監(jiān)測(cè)APC電路ATC電路熱電致冷器熱敏電阻器背面監(jiān)測(cè)光輸出告警激光器溫度監(jiān)測(cè)光發(fā)射模塊功能框圖光發(fā)射模塊實(shí)物圖光纖通信系統(tǒng)的基本單元使不能工作驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)DFB-LD光纖光隔離器激光器偏置監(jiān)測(cè)A642.光纖光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫?。光纖中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層特點(diǎn)：ncore>nclad

光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去。芯包層樹(shù)脂涂覆層光纖通信系統(tǒng)的基本單元2.光纖光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)?5根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為：不同的折射率分布，傳輸特性完全不同光纖通信系統(tǒng)的基本單元根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為：不同的折射率分布，傳輸66-數(shù)值孔徑(NA)相對(duì)折射率差n0、n1、n2--分別是空氣、纖芯、包層折射率，c--芯包界面全反射臨界角代表光纖接收光的本領(lǐng)大?cin1n2n0（示意圖，比例不符）光纖通信系統(tǒng)的基本單元階躍型光纖-數(shù)值孔徑(NA)相對(duì)折射率差n0、n1、n2--分別是空氣67以不同入射角進(jìn)入光纖的光線將經(jīng)歷不同的途徑，雖然在輸入端同時(shí)入射并以相同的速度傳播，但到達(dá)光纖輸出端的時(shí)間卻不同，出現(xiàn)了時(shí)間上的分散，導(dǎo)致脈沖嚴(yán)重展寬。模間色散所有大于臨界角C的光線都被限制在纖芯內(nèi)。階躍光纖High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding光纖通信系統(tǒng)的基本單元以不同入射角進(jìn)入光纖的光線將經(jīng)歷不同的途徑，雖然在輸入端同時(shí)68光纖光纜實(shí)物圖光纖通信系統(tǒng)的基本單元光纖光纜實(shí)物圖光纖通信系統(tǒng)的基本單元69光纖通信系統(tǒng)的基本單元3.光接收機(jī)由光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和電信號(hào)處理裝置組成，具體由光電檢測(cè)器、放大器和相關(guān)電路組成。光CATV接收模塊光纖通信系統(tǒng)的基本單元3.光接收機(jī)由光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝70光纖通信系統(tǒng)的基本單元是指在滿足給定誤碼率或信噪比條件下，接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力，工程上常用最低平均光功率來(lái)描述，靈敏度表示為是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)的最低光功率和最大允許光功率之比靈敏度動(dòng)態(tài)范圍光纖通信系統(tǒng)的基本單元是指在滿足給定誤碼率或信噪比條件下，接71第一，它可以對(duì)任何比特率和格式的信號(hào)都加以放大，這種屬性稱之為光放大器對(duì)任何比特率和信號(hào)格式是透明的。第二，它不只是對(duì)單個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)，而是在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)若干個(gè)信號(hào)都可以放大。輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)光纖光纖光放大器光纖通信系統(tǒng)的基本單元4.光放大器光放大器的作用:兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì):第一，它可以對(duì)任何比特率和格式的信號(hào)都加以放大，這種屬性稱之72光放大器是基于受激輻射機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)入射光功率放大隔離器輸入光激活介質(zhì)泵浦源隔離器輸出光光纖通信系統(tǒng)的基本單元摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理：光放大器是基于受激輻射機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)入射光功率放大隔離器輸入光激73Er3+能級(jí)圖

包層信號(hào)光1550nm泵浦光1480nm或980nmEDF信號(hào)光泵浦光摻鉺光纖長(zhǎng)度最佳長(zhǎng)度光強(qiáng)光纖通信系統(tǒng)的基本單元Er3+能級(jí)圖包層信號(hào)光泵浦光EDF信號(hào)光泵浦光摻鉺光纖長(zhǎng)74對(duì)光纖放大器的主要要求是：高增益，低噪聲，高的輸出光功率，低的非線性失真

摻鉺光纖放大器光纖通信系統(tǒng)的基本單元對(duì)光纖放大器的主要要求是：高增益，低噪聲，高的輸出光功率，低75第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；光纖通信系統(tǒng)的基本單元簡(jiǎn)介；光纖通信的基本問(wèn)題；光纖通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。第一章緒論(二）光纖通信中光的作用及特性；76損耗定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率1.光纖的損耗特性光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離，損耗的降低依賴于工藝的提高和對(duì)石英材料的研究。若P0是入射光纖的功率，則傳輸功率PT為：這里代表光纖損耗，L是光纖長(zhǎng)度，習(xí)慣上光纖的損耗通過(guò)下式用dB/km來(lái)表示：光纖通信的基本問(wèn)題損耗定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率1.77示例對(duì)于理想的光纖，不會(huì)有任何的損耗，對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB/km，但在實(shí)際中這是不可能的。實(shí)際的低損耗光纖在900nm波長(zhǎng)處的損耗為3dB/km，這表示傳輸1km后信號(hào)光功率將損失50％，2km后損失達(dá)75％(損失了6dB)。之所以可以這樣進(jìn)行運(yùn)算，是因?yàn)橛梅重惐硎镜膿p耗具有可加性。光纖通信的基本問(wèn)題示例對(duì)于理想的光纖，不會(huì)有任何的損耗，對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB78第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(zhǎng)(nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km光纖通信的基本問(wèn)題第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸79光纖的損耗機(jī)理(1)材料吸收紫外、紅外、OH離子、金屬離子吸收等，是材料本身所固有的--本征吸收損耗OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長(zhǎng)為2.73m，與Si-O鍵的諧振波長(zhǎng)相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39、1.24、0.95m，峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個(gè)窗口。減低OH離子濃度，減低這些吸收峰---全波光纖（AllWave康寧）光纖通信的基本問(wèn)題光纖的損耗機(jī)理(1)材料吸收光纖通信的基本問(wèn)題80光纖的損耗機(jī)理(2)瑞利散射是一種基本損耗機(jī)理。由于制造過(guò)程中沉積到熔石英中的隨機(jī)密度變化引起的，導(dǎo)致折射率本身的起伏，使光向各個(gè)方向散射。大小與4成反比，R＝C/4（dB/km）因而主要作用在短波長(zhǎng)區(qū)。瑞利散射損耗對(duì)光纖來(lái)說(shuō)是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。在1.55m波段，瑞利散射引起的損耗仍達(dá)0.12~0.16dB/km，是該段損耗的主要原因。光纖通信的基本問(wèn)題光纖的損耗機(jī)理(2)瑞利散射是一種基本損耗機(jī)理。光纖通信的基81光纖的損耗機(jī)理(3)輻射損耗又稱彎曲損耗，包括兩類：一是彎曲半徑遠(yuǎn)大于光纖直徑，二是光纖成纜時(shí)軸向產(chǎn)生的隨機(jī)性微彎。定性解釋：導(dǎo)模的部分能量在光纖包層中（消失場(chǎng)拖尾）與纖芯中的場(chǎng)一起傳輸。當(dāng)發(fā)生彎曲時(shí)，離中心較遠(yuǎn)的消失場(chǎng)尾部須以較大的速度行進(jìn)，以便與纖芯中的場(chǎng)一同前進(jìn)。這有可能要求離纖芯遠(yuǎn)的消失場(chǎng)尾部以大于光速的速度前進(jìn)，由于這是不可能的，因此這部分場(chǎng)將輻射出去而損耗掉。光纖通信的基本問(wèn)題例：一根光纖長(zhǎng)20km，衰減為0.5dB/km，一端注入功率為600μW的光信號(hào)，求其輸出光功率。光纖的損耗機(jī)理(3)輻射損耗又稱彎曲損耗，包括兩類：一是彎曲82光纖通信的基本問(wèn)題色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。對(duì)數(shù)字傳輸而言，色散造成光脈沖的展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_，造成誤碼率增加；對(duì)模擬傳輸而言，它會(huì)限制帶寬，產(chǎn)生諧波失真，使得系統(tǒng)的信噪比下降。

色散的種類：

模式色散材料色散波導(dǎo)色散色度色散光纖通信的基本問(wèn)題色散(Dispersion)是在光纖中傳輸83纖芯光源包層光纖通信的基本問(wèn)題1.模式色散不同入射角的光線代表不同的模式光源0纖芯包層1230123TT＋Δt脈沖因多個(gè)模式而起的展寬---模式色散纖芯光源包層光纖通信的基本問(wèn)題1.模式色散不同入射角的84光纖通信的基本問(wèn)題脈沖展寬的計(jì)算最低模式（也稱為零級(jí)模式）沿中心軸線到達(dá)光纖輸出端所需時(shí)間為最高模式（以臨界角傳播的光線）所需時(shí)間:脈沖展寬時(shí)間光纖通信的基本問(wèn)題脈沖展寬的計(jì)算最低模式（也稱為零級(jí)模式）沿85光纖通信的基本問(wèn)題單模光纖設(shè)計(jì)的基本思路:減小纖芯直徑的尺寸減小相對(duì)折射率典型的單模光纖的纖芯直徑和相對(duì)折射率分別是8.3μm和0.37%，而漸變折射率光纖這兩者的數(shù)值分別是50μm和2%。例:一階躍折射率光纖，已知n1＝1.486，n2＝1.472，僅考慮模式色散，計(jì)算每1km長(zhǎng)度的脈沖展寬。光纖通信的基本問(wèn)題單模光纖設(shè)計(jì)的基本思路:減小纖芯直徑的尺寸86光纖通信的基本問(wèn)題2.波導(dǎo)色散進(jìn)入單模光纖中的光信號(hào)功率大約只有80%在纖芯中傳播，另外20%在包層傳輸，由于纖芯和包層有著不同的折射率，所以這兩部分的傳輸速度不同，在包層中傳播的光功率速度要更大一些，因而在光纖輸出端，脈沖會(huì)展寬。波導(dǎo)色散系數(shù)光源的線寬光纖通信的基本問(wèn)題2.波導(dǎo)色散進(jìn)入單模光纖中的光信號(hào)功率大87光纖通信的基本問(wèn)題3.材料色散是由于纖芯材料的折射率隨波長(zhǎng)變化，使得各個(gè)模式的群速率（光脈沖包絡(luò)線速度）都會(huì)隨著波長(zhǎng)的變化而造成的。材料色散系數(shù)光源的線寬光纖通信的基本問(wèn)題3.材料色散是由于纖芯材料的折射率隨波長(zhǎng)88波長(zhǎng)(