光纖通信總復習

1966年，英籍華人高錕(K.C.Kao，當時工作于英國標準電信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴重損耗問題，發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)。當時光纖的損耗是1000dB/Km當時預言經(jīng)過提純和改善材料的均勻性，可以降低到幾個dB/km光源取得進展1970美國貝爾實驗室、日本電氣公司和前蘇聯(lián)先后突破了半導體激光器在低溫（-200℃）或脈沖激勵條件下工作的限制，研制成功在室溫下連續(xù)工作的半導體激光器——雖然激光器的壽命只有幾小時，其為半導體激光器的發(fā)展奠定了基礎。圖1.1部分電磁波頻譜目前的光纖結構2-1-1光纖的結構光纖的作用就是將光能限制在光纖表面以內(nèi)，并引導光能沿光纖軸向傳播包層的作用減少散射損耗—散射損耗是由前纖芯表面介質(zhì)不連續(xù)造成的。增加光纖的機械強度—光纖細而且脆防止在光纖與外界接觸時光纖可能受到的污染。多模光纖的優(yōu)點－與單模比較由于多模光纖的纖芯較粗，容易將光功率注入光纖易于將相同的光纖連接在一起可以使用發(fā)光二極管LED作為光源，因為LED價格便宜，使用壽命長，電路簡單多模光纖的主要缺點：它存在模間色散，因為每個模的傳播速度略微不同。單模光纖的優(yōu)點它的帶寬很寬它的缺點是：必須使用半導體激光器作為光源，所以價格較貴，電路復雜操作不不如多模方便，因為纖芯較細根據(jù)這個傳播條件，定義臨界角θc的正弦為數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律

NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°(2.2)n0=1，由式（2.2）經(jīng)簡單計算得到(2.3)

圖2.4突變型多模光纖的光線傳播原理表示光纖捕捉光射線能力的物理量被定義為光纖的數(shù)值孔徑，用NA表示。數(shù)值孔徑越大表示光纖捕捉射線的能力就越強。由于弱導波光纖的相對折射指數(shù)差Δ很小，因此其數(shù)值孔徑也不大。對于階躍型光纖，數(shù)值孔徑為常數(shù)對于漸變型光纖，由于纖芯中各處的折射率是不同的因此各點的數(shù)值孔徑也不相同。數(shù)值孔徑總結

色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分（模式，頻率等）的光的時間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應。2.3.1光纖色散1.色散、帶寬和脈沖展寬色散的種類模式色散材料色散波導色散1.損耗的機理圖2.15是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機理產(chǎn)生的損耗與波長的關系，圖2.15單模光纖損耗譜，示出各種損耗機理3.1.1半導體激光器工作原理和基本結構半導體激光器是向半導體PN結注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射的光放大)的縮寫。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。3.激光振蕩和光學諧振腔粒子數(shù)反轉分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。

圖3.4激光器的構成和工作原理(a)激光振蕩(b)光反饋5.溫度特性半導體激光器的輸出特性是隨著溫度而發(fā)生變化的！激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因：

一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，當以直流電流驅動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴重。當對激光器進行脈沖調(diào)制時，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為二是外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感，例如：GaAlAsGaAs激光器在77K時ηd≈50%；300K時，ηd≈30%。發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同：

LD發(fā)射的是受激輻射光；

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。3.1.4發(fā)光二極管LED的結構LED的結構和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔，沒有閾值。與激光器LD相比，發(fā)光二極管的缺點：<1>發(fā)光二極管輸出光功率較?。?lt;2>譜線寬度較寬；<3>調(diào)制頻率較低。發(fā)光二極管的優(yōu)點：<1>發(fā)光二極管溫度特性更穩(wěn)定，并且電光轉換噪聲很?。?lt;2>工作壽命長；<3>輸出光功率線性范圍寬；<4>制造工藝簡單，價格低廉。<5>驅動電路簡單因此，這種器件在低成本、高可靠性、小容量和短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。LED與LD比較由于載流子擴散運動比漂移運動慢得多，所以減小擴散分量的比例便可顯著提高響應速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡越時間，使響應速度減慢。為了解決這一矛盾，就需要改進PN結光電二極管的結構。如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當?shù)姆聪蚱珘海瑴p小光生電流中的擴散分量。圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖

圖3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)濾光式解復用器；(d)光柵式解復輸入光輸出1輸出2圖3.34隔離器的工作原理光環(huán)路器的用處實現(xiàn)在一根光纖里傳輸兩個方向的光信號光發(fā)射機光接收機光發(fā)射機光接收機2.3自動光功率控制(APC)1.自動光功率控制的內(nèi)容與要求

(1)自動補償LD由于環(huán)境溫度的變化和老化效應而引起的輸出光功率的變化。(溫度上升會造成閾值電流上升)

(2)自動控制光發(fā)送機的輸入信號碼流中長連“0"序列或無信號輸入時使LD不發(fā)射激光。色散補償器色散補償器原理光柵的密度是變化的，使得長波長的光先被返回，而短波長的光要多傳播一段路程才返回，這樣就使他們之間的距離被壓縮了，即對色散進行了補償。二、光發(fā)射機的基本組成整型或碼型變換溫度控制比較放大功控與保護光檢測放大發(fā)光管光源驅動SCPP02.3自動光功率控制(APC)1.自動光功率控制的內(nèi)容與要求

(1)自動補償LD由于環(huán)境溫度的變化和老化效應而引起的輸出光功率的變化。(溫度上升會造成閾值電流上升)

(2)自動控制光發(fā)送機的輸入信號碼流中長連“0"序列或無信號輸入時使LD不發(fā)射激光。比較積分放大器A22.4自動溫度控制(ATC)問題:1、LD對工作環(huán)境溫度的變化非常敏感2、高溫環(huán)境下工作會影響LD的壽命3、高溫環(huán)境會導致LD發(fā)射波長發(fā)生變化對LD光源進行溫度控制的兩大好處：1、可以穩(wěn)定LD的輸出光功率，確保數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的正常工作。2、對LD起到了很好保護作用。三、光發(fā)射機的主要指標1．輸出光功率及其穩(wěn)定性光功率的單位有時用絕對值表示，單位為W或mw；有時用絕對電平值表示，即：

光發(fā)射機的輸出光功率是一個重要參數(shù)。輸出光功率的穩(wěn)定性要求是指在環(huán)境溫度變化或器件老化過程中，輸出光功率要保持恒定，如穩(wěn)定度為5%-10%。2、消光比EXT消光比：EX＝l0log(A/B)A是對應邏輯“1”的平均光功率電平,B是對應邏輯“0”的平均光功率電平EXmin一般在10dB左右一、反映了光發(fā)射機的調(diào)制狀態(tài)，及光發(fā)射機的電／光轉換效率；二、影響接收機的接收靈敏度§2、光接收機均衡與定時判決均衡：光信號脈沖通過光纖傳輸后，由于光纖色散等原因，造成波形失真。均衡電路對失真的波形進行補償，以便于后續(xù)的判決，減小碼間干擾。定時判決電路：定時判決電路中主要是時鐘提取電路。時鐘提取電路應該穩(wěn)定可靠、抗連“0”或連“1”性能好，而且時鐘信號的抖動較小。光接收機的主要性能指標1、接收靈敏度Pr數(shù)字光接收機靈敏度的定義為：在保證給定的誤碼率BER（如10-9）的條件下，最小接收信號光功率Pr影響接收靈敏度的主要因素是接收機的各種噪聲。2.動態(tài)范圍Dmax光在傳輸過程中會發(fā)生一些損耗，不同的接收機收到的光功率不同。在保證給定的誤碼率BER（如10-9)的條件下，最大允許的接收光功率和最小可接收光功率之差，其單位為dBm即：Dmax=Pmax-Pr

圖7.1摻鉺光纖放大器的工作原理(a)硅光纖中鉺離子的能級圖；(b)EDFA的吸收和增益頻譜

圖7.3光纖放大器構成方框圖(a)光纖放大器構成原理圖；(b)實用光纖放大器外形圖及其構成方框圖

7.2.1光波分復用原理

1.WDM的概念光波分復用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復用)，并作進一步處理，恢復出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術稱為光波長分割復用，簡稱光波分復用技術。

圖7.6中心波長在1.3μm和1.55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口(插圖表示1.55μm傳輸窗口的多信道復用)WDM技術對網(wǎng)絡升級、發(fā)展寬帶業(yè)務(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對現(xiàn)代信息網(wǎng)絡具有強大的吸引力。目前，“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復用(WDM)+非零色散光纖(NZDSF，即G.655光纖)+光子集成