光纖通信課件：第1章 概述

光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)黃紅斌thhb@

課前的話(huà)

1.學(xué)習(xí)意義掌握一些光纖通信技術(shù)是現(xiàn)實(shí)需要對(duì)很多專(zhuān)業(yè)提出的要求，也是形成相關(guān)人員合理知識(shí)結(jié)構(gòu)一個(gè)不可缺的重要組成部分要求。光纖通信技術(shù)在近30、40年里得到了極大的發(fā)展，目前它和移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)通信已經(jīng)成為電信領(lǐng)域發(fā)展的基石。2.專(zhuān)業(yè)課特點(diǎn)授課內(nèi)容不局限于某一本教材實(shí)時(shí)補(bǔ)充最新的相關(guān)內(nèi)容傳統(tǒng)式習(xí)題量小要求利用圖書(shū)館和網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行設(shè)計(jì)《光纖通信》（第3版）原榮編著電子工業(yè)出版社2010.5參考書(shū)目共計(jì)36學(xué)時(shí)

考試課1概述1.2 光波基礎(chǔ)1.3光與介質(zhì)的相互作用1.4平面介質(zhì)波導(dǎo)

2光纖和光纜2.1 光纖結(jié)構(gòu)和類(lèi)型

2.2 光纖傳輸原理2.3 光纖特性

2.4 單模光纖傳輸?shù)倪M(jìn)展和應(yīng)用

3光通信器件3.1光器件概述3.2光連接器Connector3.3光衰減器Attenuator3.4光耦合器Coupler3.5復(fù)用器與濾波器

MultiplexerandFilter3.6光隔離器與環(huán)行器3.7光調(diào)制器Modulators3.8光開(kāi)關(guān)Switches3.9光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器3.10光交叉互連器4光源和光發(fā)射機(jī)4.1半導(dǎo)體激光二極管LD4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性4.3光發(fā)射機(jī)講授內(nèi)容(1)

5光探測(cè)器和光接收機(jī)5.1 光檢測(cè)器5.2 光檢測(cè)器的工作特性和參數(shù)5.3 光接收機(jī)5.4光接收機(jī)的噪聲特性

5.5光接收機(jī)的靈敏度

5.6光接收機(jī)的性能評(píng)估6光放大器6.1 概述6.2 光放大器的原理與一般特性6.3 摻鉺光纖放大器EDFA6.4 半導(dǎo)體光放大器SOA6.5光纖拉曼放大器FRA講授內(nèi)容(2)7光纖傳輸系統(tǒng)7.1光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.2光纖損耗對(duì)系統(tǒng)的限制7.3光纖色散對(duì)系統(tǒng)的限制7.4光纖中的非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響7.5信道串?dāng)_7.6光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的功率預(yù)算8光網(wǎng)絡(luò)及其它光纖通信技術(shù)復(fù)習(xí)共計(jì)36學(xué)時(shí)

考試課第一章概述內(nèi)容要求1.2光波基礎(chǔ)1.3光與介質(zhì)的相互作用1.4平面介質(zhì)波導(dǎo)1.2.2均勻介質(zhì)中的光波1.平面電磁波光是一種電磁波，它的電場(chǎng)和磁場(chǎng)隨時(shí)間不斷的變化，分別用Ex和Hy表示

，在空間沿著z方向總是相互正交傳輸，如圖1.2.4所示。最簡(jiǎn)單的行波是正弦波，沿z方向傳輸?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá)式為 （1.2.5）電磁波是行波平面波的波前

是與傳播方向正交的平面

相速度和介質(zhì)折射率例1.2.2相速度、群折射率和群速度

1.3.1斯奈爾定律和全反射從幾何光學(xué)我們可以得到（見(jiàn)圖1.3.1左上角小圖） 或者 這就是斯奈爾（Snell）定律，它表示入射角和折射角與介質(zhì)折射率的關(guān)系。圖1.3.2光波從折射率較大的介質(zhì)以三種不同的入射角進(jìn)入折射率較小的介質(zhì),出現(xiàn)三種不同的情況圖1.3.3光波從折射率較大的介質(zhì)進(jìn)入較小的介質(zhì),電場(chǎng)與傳輸方向正交,

并可分解為與入射面垂直的電場(chǎng)分量和平行的磁場(chǎng)分量菲涅耳方程利用電磁波從介質(zhì)1傳播到介質(zhì)2的邊界條件，可以易獲得反射波和折射波幅度的表達(dá)式，這些關(guān)系式叫菲涅耳方程。電場(chǎng)的反射這些方程的重要意義在于，反射波和透射波的幅度和相位可用反射系數(shù)和透射系數(shù)來(lái)描述

圖1.3.4在內(nèi)反射（n1>n2)時(shí)由菲涅耳方程得出的反射系數(shù)幅度和相位變化與入射角的關(guān)系圖1.3.5在外反射（n1<n2)時(shí)由菲涅耳方程得出的反射系數(shù)幅度與入射角的關(guān)系2.光強(qiáng)、反射率和透射率光強(qiáng)I與光波傳輸?shù)乃俣群碗妶?chǎng)幅度有關(guān)

反射率R用反射光的強(qiáng)度和相對(duì)應(yīng)入射光的強(qiáng)度之比來(lái)度量，法線(xiàn)入射的反射率只與介質(zhì)的折射率有關(guān)因?yàn)椴ＡУ恼凵渎始s為1.5，所以光從空氣-玻璃界面反射將有4%的光被反射回來(lái)。例1.3.1

1.3.3光多次干涉和諧振與電諧振一樣，光也有諧振，在諧振時(shí)也可以在一定的頻率（波長(zhǎng)）范圍內(nèi)存儲(chǔ)能量和濾光?；镜闹C振腔由置于自由空間的兩塊平行的鏡面M1和M2組成，如圖1.3.8（a）所示。光波在M1和M2間反射，導(dǎo)致這些波在空腔內(nèi)相長(zhǎng)和相消干涉。從M1反射的光向右傳輸時(shí)和從M2反射的向左傳輸?shù)墓飧缮妫浣Y(jié)果是在空腔內(nèi)產(chǎn)生了一列穩(wěn)定不變的電磁波，我們稱(chēng)它為駐波(StationaryWaves)。因?yàn)樵阽R面上（假如鍍金屬膜）的電場(chǎng)必須為零，所以諧振腔的長(zhǎng)度是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍圖1.3.8法布里珀羅(F-P)諧振腔及其特性不是任意一個(gè)波長(zhǎng)都能在諧振腔內(nèi)形成駐波，對(duì)于給定的m，只有滿(mǎn)足式（1.3.19）的波長(zhǎng)才能形成駐波，并記為m，稱(chēng)為腔模式，如圖1.3.8（b）所示。自由頻譜范圍（FSR）所以對(duì)應(yīng)這些模式的頻率是諧振腔的諧振頻率式中f是對(duì)應(yīng)基模（m=1）的頻率，在所有模式中它的頻率最低。兩個(gè)相鄰模式的頻率間隔是稱(chēng)為自由頻譜范圍（FSR）。法布里-珀羅（F-P）光學(xué)諧振器假如諧振腔沒(méi)有損耗，即兩個(gè)鏡面對(duì)光全反射，那么式（1.3.21）定義的頻率的峰值將很尖銳。如果鏡面對(duì)光不是全反射，一些光將從諧振腔輻射出去，峰值就不尖銳，而具有一定的寬度。很顯然，這種簡(jiǎn)單的鍍有反射鏡面的光學(xué)諧振腔只有在特定的頻率內(nèi)能夠儲(chǔ)存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器。F-P諧振腔的精細(xì)度

鏡面反射系數(shù)R越小意味著諧振腔有越大的輻射損耗，從而影響到腔體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的分布。由式（1.3.21）可知，R越小峰值展寬越大，而且電場(chǎng)強(qiáng)度最大值和最小值的差也越小，如圖1.3.8（c）所示。該圖也定義了法布里珀羅諧振腔的頻譜寬度，它是單個(gè)腔模式曲線(xiàn)半最大值的全寬（FWHM），可用下面的簡(jiǎn)單表達(dá)式計(jì)算式中

F

稱(chēng)為諧振腔的精細(xì)度，它隨諧振腔損耗的減小而增加（因R增加）。精細(xì)度越大，模式峰值越尖銳。精細(xì)度是模間隔對(duì)頻譜寬度的比.

圖1.3.9入射光通過(guò)由部分反射鏡組成的法布里珀羅諧振腔，其透射光可作為濾波器的輸出法布里-珀羅光學(xué)諧振腔已廣泛應(yīng)用到激光器、干涉濾波器和分光鏡中。

例平面介質(zhì)波導(dǎo)圖1.4.1在波導(dǎo)中傳輸?shù)墓獠ū仨毰c它自己相長(zhǎng)干涉,否則相消干涉就不會(huì)建立起傳輸光場(chǎng)滿(mǎn)足波導(dǎo)相長(zhǎng)干涉的波導(dǎo)條件式很顯然，對(duì)于給定的m，只有一定的和

值才能滿(mǎn)足式（1.4.1），

與有關(guān)，也與光波的偏振態(tài)有關(guān)。因此對(duì)于每個(gè)m值，將允許有一個(gè)m和一個(gè)相對(duì)應(yīng)的m。因，d=2a，所以滿(mǎn)足波導(dǎo)相長(zhǎng)干涉的波導(dǎo)條件式（1.4.1）變成（1.4.2）：波矢量分解圖1.4.2m=0基模沿波導(dǎo)y方向的電場(chǎng)分布，通常入射角=90o，沿z軸的相速度最大圖1.4.3三種模式的波沿波導(dǎo)y方向的電場(chǎng)分布，

m越大光場(chǎng)進(jìn)入包層越深，消逝波以指數(shù)衰減圖1.4.4光脈沖進(jìn)入波導(dǎo)后分裂成各種模式的波，以不同的群速度向前傳輸，在波導(dǎo)輸出端重新復(fù)合構(gòu)成展寬的輸出光脈沖傳輸常數(shù)，模數(shù)m

由式（1.4.2）顯然可見(jiàn)，只有一定反射角的光線(xiàn)才能在波導(dǎo)內(nèi)傳輸。而且大的m值產(chǎn)生小的m角。每個(gè)不同的m值將產(chǎn)生不同的由式（1.4.3）決定的傳輸常數(shù)。m值稱(chēng)為模數(shù)。沿波導(dǎo)傳輸?shù)墓獠捎孟率絹?lái)描述 （1.4.5）對(duì)于給定的m

，電場(chǎng)在沿z傳輸?shù)倪^(guò)程中沿y的分布，如圖1.4.2所示。圖1.4.3表示三種模式的波沿波導(dǎo)y方向的電場(chǎng)分布