光纖通信系統(tǒng)全套課件

光纖通信系統(tǒng)導論學習內(nèi)容光纖的基本理論光源與光發(fā)送機（英文）光檢測器與光接收機無源光器件光纖通信新技術(shù)光網(wǎng)絡2023/2/622023/2/6光纖通信系統(tǒng)3光纖通信的特點與應用光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信的發(fā)展歷程

光纖通信的定義本節(jié)內(nèi)容2023/2/6光纖通信系統(tǒng)4光纖通信的定義

光纖通信是采用光波作為信息載體，并采用光導纖維作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)5通信波段劃分及相應傳輸媒介10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空間波長（m）電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電頻段劃分傳輸介質(zhì)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)61850~2000年間比特率—距離積的變化2023/2/6光纖通信系統(tǒng)7理論上光纖通信可容納：電話：7.5億路電視：30萬路2023/2/6光纖通信系統(tǒng)8光纖通信的發(fā)展歷程原始光通信階段；近代實驗探索階段；系統(tǒng)實驗及實用化階段。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)9原始光通信

光通信是一種古老的信息傳遞方式，也是一種被普遍使用的信息交流方法。中國古代邊防報警的烽火臺的煙火、古埃及的烽煙塔、美洲印第安人利用煙火傳遞信息等都是原始性的一種光通信。這些都是用可見光進行的視覺通信，傳輸效率非常低，不能稱得上是完全意義上的光通信。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)10近代實驗探索大氣光通信

1880年，A.G.貝爾用可見光進行光電話實驗，證實光波可以攜帶信息，但這種形式的光通信并未得到發(fā)展，其主要原因有二： 光源：光譜頻帶太寬，無合適的光源； 傳輸媒質(zhì)：光波在大氣中的傳輸極不穩(wěn)定。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)11地下光通信

為使光波不受大氣層中各種因素的干擾，人們將光波的傳輸轉(zhuǎn)入了地下，即透鏡波導和反射鏡波導的光波傳輸系統(tǒng)。 系統(tǒng)造價昂貴，并且調(diào)整、測試、維修都很困難，因此光波地下通信無實用意義。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)12透鏡波導2023/2/6光纖通信系統(tǒng)13反射波導型2023/2/6光纖通信系統(tǒng)14兩個關(guān)鍵技術(shù)的提出合適的光源；傳輸介質(zhì)：2023/2/6光纖通信系統(tǒng)15光源1960年7月8日，美國科學家梅曼(T.H.Maiman)發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器；1970年，貝爾實驗室的林彥雄成功研制了在室溫下連續(xù)工作的半導體激光器，體積較小，耗電少，能直接用于電流調(diào)制，使用方便。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)16(first)Rubylaser,T.H.Maiman,July,1960,attheHughesResearchLaboratories

Theword‘laser’hasbeengenerallyacceptedsinceabout19652023/2/6光纖通信系統(tǒng)17光纖1854年，就認識到光纖導光傳播的基本原理—全內(nèi)反射;十九世紀二十年代，制成了無包層的玻璃光纖；二十世紀五十年代，用包層可以改善光纖特性，當時的主要目的是傳輸圖像;20世紀60年代中期，所研制的最好的光纖損耗在400dB以上。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)18光纖理論突破1966年7月，英國標準電信研究所的英籍華人高錕（C.K.Kao）博士及Hockman首次從理論上預言光纖損耗可降至20dB/km以下，并指出了進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，從而奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。(著名論文“Dielectic-fiber

SurfaceWaveguideforOpticalFrequencies”)光纖的損耗不是石英纖維本身的固有特性，而是由于材料中的雜質(zhì)離子吸收產(chǎn)生的?！峒?。

里程碑（1）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)19光纖之父——高錕2023/2/6光纖通信系統(tǒng)20國外光纖技術(shù)發(fā)展情況日本于1969年研制出第一根通信用光纖損耗為100dB/km1970年，美國康寧玻璃公司（CorningGlassWorks）馬勒博士等三人的研究小組首次研制成功損耗為20dB/km光纖里程碑（2）

低損耗光纖的研制成功以及半導體激光器的實用化標志著近代光纖通信技術(shù)的開端。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)21低損耗光纖的迅速發(fā)展1974年，貝爾實驗室（Bell）發(fā)明了制造低損耗光纖的方法，稱作改進的化學汽相沉積法（MCVD）.光纖損耗下降到1dB/km。1976年，日本電話電報公司研制出更低損耗光纖，損耗下降到0.5dB/km。1979年，日本電報電話公司研制出0.2dB/km的光纖(1.55m)，這一數(shù)值已經(jīng)十分接近由Rayleigh散射所決定的石英光纖理論損耗極限.目前，光纖最低損耗為0.17dB/km

。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)22國內(nèi)光纖技術(shù)發(fā)展情況

在70年代國外的低損耗光纖獲得突破后，我國從1974年開始了低損耗光纖和光通信的研究工作，并于70年代中期研制出低損耗光纖和室溫下可連續(xù)發(fā)光的半導體激光器。1979年分別在北京和上海建成了市話光纜通信實驗系統(tǒng)。這些成果成為我國光通信研究的良好開端，并使我國成為當時少數(shù)幾個擁有光纜通信系統(tǒng)試驗段的幾個國家之一。到80年代末，我國的光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)已達到國際先進水平。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)23系統(tǒng)實驗及實用化國外1976年，美國首先在亞特蘭大成功的進行了44.763Mb/s傳輸10公里的光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場實驗。1978年，日本開始了速率為100Mbit/s多模光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。1981年，日本F－100M光纖通信系統(tǒng)商用。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)24光纖通信的五代2023/2/6光纖通信系統(tǒng)25

第一代:工作波段為0.8μm，BL約為500Mb/s.km

第二代:工作波段為1.3μm的光波，BL約為85Gb/s.km

第三代:工作波段為1.55μm的光波，BL約1000Gb/s.km

第四代:采用光放大器增加中繼距離，采用頻分和波分復用增加比特率為特征，BL約為2000Gb/s.km第五代:以光孤子脈沖為通信載體，采用OTDM和WDM聯(lián)合復用為通信手段，以超大容量、超高速率為特征的通信方式2023/2/6光纖通信系統(tǒng)26國外最新進展1999年，美國朗訊1Tb/s(100×10Gb/s)1200萬話路.2000年，日本NEC3.2Tb/s(160×20Gb/s)試驗。2001年，日本NEC10.92Tb/s(273×40Gb/s)試驗。(1.32億路)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)27光纖通信系統(tǒng)組成信源電發(fā)射機光發(fā)射機光中繼光接收機電接收機信宿2023/2/6光纖通信系統(tǒng)28單信道全光中繼數(shù)字通信光--電--光中繼的數(shù)字通信典型通信鏈路方框圖2023/2/6光纖通信系統(tǒng)29光纖通信的優(yōu)點頻帶寬，通信容量大；損耗低，中繼距離長；抗電磁干擾；無串音干擾，保密性好；光纖線徑細、重量輕、柔軟；原材料資源豐富，可節(jié)約金屬材料；耐腐蝕，壽命長。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)30光纖通信的缺點光纖質(zhì)地脆、機械強度低；需要比較好的切割及連接技術(shù)；分路、耦合比較麻煩；彎曲半徑不宜太小。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)31光纖通信系統(tǒng)的應用

電信應用

數(shù)據(jù)通信

視頻圖像通信

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)32光纖通信發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)光波分復用技術(shù)；相干光纖通信技術(shù)；超長波長光纖通信；光孤子通信；全光通信。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)332023/2/6光纖通信系統(tǒng)342023/2/6光纖通信系統(tǒng)352023/2/6光纖通信系統(tǒng)36思考題與傳統(tǒng)的電通信相比較，談談光纖通信的主要特點。1光纖通信系統(tǒng)的基本組成部分是什么？并說明各部分的作用。2ThankYou!2023/2/6光纖通信系統(tǒng)38電信應用

光纖通信主要用于遍及全球的電信網(wǎng)中作數(shù)字語言通信。電信應用又分二類：長距離和短距離。長距離通信（包括越洋洲際通信）系統(tǒng)要求有大容量的干線，光纖通信系統(tǒng)可發(fā)揮最大的優(yōu)勢。短距離通信像城市之間，距離幾十至幾百公里。光纖通信的發(fā)展通常由長途電信應用推動，光波系統(tǒng)的每一代系統(tǒng)都力爭能工作于更高的比特率和更長的通信距離。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)39數(shù)據(jù)通信

早期主要用于計算機數(shù)據(jù)和傳真信息的通信，距離一般比較短，速率較低，如工礦企業(yè)、辦公大樓、賓館醫(yī)院、船舶、飛機、列車等場合，距離幾百米到幾公里?，F(xiàn)在已開始向高速長距離方向發(fā)展，光纖通信系統(tǒng)將發(fā)揮巨大作用。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)40視頻圖像通信

主要用于廣播電視與光CATV系統(tǒng)中，用于傳送寬帶高質(zhì)量圖像，將電視節(jié)目分配給各街道點及其范圍內(nèi)的各家用戶，實現(xiàn)光纖到戶。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)41古烽火臺2023/2/6光纖通信系統(tǒng)42光話機原理圖弧光燈ABMNL送話器第二章光纖與光纜(1)本節(jié)內(nèi)容2023/2/6光纖通信系統(tǒng)44光纖的分類光纖的導光原理

光纖的結(jié)構(gòu)特性2023/2/6光纖通信系統(tǒng)45多姿多彩的光纖2023/2/6光纖通信系統(tǒng)46光纖的物理結(jié)構(gòu)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)47光纖材料

目前，通信光纖的纖芯和包層的主體材料都是石英玻璃，也就是SiO2。為了制作兩種具有相似特性、而折射率只有一個很小差異的材料以便形成纖芯和包層，可以在SiO2中摻入各種氧化物。GeO2纖芯，SiO2包層；P2O5纖芯，SiO2包層；SiO2

纖芯，B2O3-

SiO2包層；GeO2-B2O3-

SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層。

注意：重要！2023/2/6光纖通信系統(tǒng)48階躍光纖與漸變光纖為什么采用這樣的結(jié)構(gòu)？光纖的導光原理(射線分析)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)492023/2/6光纖通信系統(tǒng)50全反射定義：當入射角增大到某一角度，使折射角達到90o時，折射光線完全消失，只剩下反射光線，這種現(xiàn)象叫做全反射。理解：全反射現(xiàn)象是光的折射的特殊現(xiàn)象，折射光線的能量等于零，光線只按反射路線傳播，且遵循光的反射定律。條件：光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于或等于臨界角。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)51模式色散的衡量及影響L=L/sin-L=L(n1/n2-1)=L(n1/n2)()T=L

/

v

=

L

n1/c=(L/c)(n12/n2)()根據(jù)T<TB=1/BBL=L/TB<L/T

=(c/)·(n2/n12)n2θ1θrφn1n0

是什么?2023/2/6光纖通信系統(tǒng)52習題例1：已知n1=1.5，n2=1.0，試求其BL。

解：BL<(c/)·(n2/n12)=0.4(Mb/s).km

例2：已知n1=1.5，=0.002。試求其BL。

。

解：BL<(c/)·(n2/n12)=100(Mb/s).km2023/2/6光纖通信系統(tǒng)53漸變光纖的引入

群時延差限制了光纖的傳輸帶寬。為了減少多模階躍折射率光纖的脈沖展寬，人們制造了漸變折射率光纖。漸變折射率光纖的折射率在纖芯中連續(xù)變化。適當選擇折射率的分布形式，可以使不同入射角的光線有大致相同的光程，從而大大減小群時延差。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)54漸變光纖的光學特性f(r)=(r/a)，是一個描述光纖剖面折射率分布的函數(shù)；a是纖芯半徑；r是光纖中任意一點到軸心的距離。使群時延差減至最小的最佳的在2左右，稱為拋物線分布。

光學特性決定于它的折射率分布。漸變型光纖的折射率分布可以表示為漸變光纖分析2023/2/6光纖通信系統(tǒng)55子午光線與斜光線2023/2/6光纖通信系統(tǒng)562023/2/6光纖通信系統(tǒng)57漸變光纖的群時延差NAsini=(

n12

-n22)1/2T/L=n12/(8c)BL<8c/(n12)

最優(yōu)的設(shè)計能使100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸100km,其BL積約達10（Gb/s）·km，比階躍光纖提高了3個數(shù)量級。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)58數(shù)值孔徑NA

在光纖中，把接收角的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑，即NA＝sinθmax

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)592023/2/6光纖通信系統(tǒng)60

NA大小僅取決于纖芯的折射率的大小及包層相對折射率差。從物理上看，光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強。但是NA太大時，光纖的模式色散加大，會影響光纖的帶寬。標準多模光纖的NA公稱值一般為0.2，對應的孔徑角約為11.5o。標準單模光纖的NA公稱值一般為0.1～0.15，對應的孔徑角約為5.7o～8.6o。NA的取值階躍光纖的波動光學分析2023/2/6光纖通信系統(tǒng)61麥克斯韋方程組2023/2/6光纖通信系統(tǒng)622023/2/6光纖通信系統(tǒng)63亥姆霍茲方程階躍光纖的矢量解法（1）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)64階躍光纖的矢量解法（2）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)65階躍光纖的矢量解法（3）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)66階躍光纖的矢量解法（4）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)672023/2/6光纖通信系統(tǒng)68階躍光纖的矢量解法（5）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)69階躍光纖的矢量解法（6）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)70階躍光纖的矢量解法（7）階躍光纖的矢量解法（8）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)71光纖的模式（1）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)72光纖的模式（2）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)73光纖的模式（3）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)742023/2/6光纖通信系統(tǒng)75光纖的模式（4）單模條件2023/2/6光纖通信系統(tǒng)762023/2/6光纖通信系統(tǒng)77光纖的分類按剖面折射率分布不同分類；按傳播模式分類；按工作波長分類；按套塑類型分類；按光纖組分分類。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)78尺寸：光纖的纖芯直徑尺寸擴展到幾個波長（通常是8～12個波長），并且使纖芯包層折射率差很小，只允許傳輸一個基模的光纖。纖芯直徑2a=8～10μm(無實際意義)，包層直徑2b=125μm。優(yōu)點：帶寬極寬。應用：適用于大容量的光纖通信。單模光纖2023/2/6光纖通信系統(tǒng)79多模光纖尺寸：遠大于光波波長，能傳輸多個模式的光纖。纖芯直徑2a=50μm，包層直徑2b=125μm。優(yōu)點：制造簡單、接續(xù)容易。缺點：存在模式色散，帶寬窄。應用：適應于較小容量的光纖通信。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)80階躍光纖、漸變光纖與單模光纖2023/2/6光纖通信系統(tǒng)81短波長光纖與長波長光纖光纖的三個窗口；短波長光纖：在600～900nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)低損耗的光纖。屬早期產(chǎn)品，因其衰耗與色散都比較大，目前很少采用。長波長光纖：工作在1000～2000nm范圍的光纖。具有低衰耗、寬帶寬的特點，適合長距離、大容量的通信。目前使用的光纖全部是長波長光纖。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)82小結(jié)階躍光纖的導光特性基于光射線在纖芯和包層界面上的全反射，使光線限制在纖芯中傳輸。為了傳導光，光纖纖芯的折射率必須比包層高。階躍型光纖在纖芯和包層交界處的折射率呈階梯形突變，纖芯的折射率和包層的折射率是均勻常數(shù)。模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高。數(shù)值孔徑NA為最大入射角的正弦值，表示光纖接受入射光能力的大小，取值需兼顧集光能力與帶寬限制。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)83思考題典型光纖由幾部分組成?各部分的作用是什么?1什么是階躍光纖?什么是漸變光纖?2教材習題2-5、2-6、2-73ThankYou!2023/2/6光纖通信系統(tǒng)85常見介質(zhì)的臨界角水的臨界角：48.80玻璃的臨界角：320～420金剛石的臨界角：24.502023/2/6光纖通信系統(tǒng)86纖芯對包層的相對折射率差對于弱導光纖,由于

為使聚光能力強，就應該使越大越好，但過大后將會引起多徑色散，因此的值應該取得合理。第二章光纖與光纜(2)本節(jié)內(nèi)容：光纖的傳輸特性2023/2/6光纖通信系統(tǒng)88光纖的非線性效應光纖的色散

光纖的損耗光纖的損耗2023/2/6光纖通信系統(tǒng)89

光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強度逐漸減弱，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗。即便是在理想的光纖中都存在損耗——本征損耗。光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。光纖的損耗主要取決于：1.吸收損耗2.散射損耗3.彎曲損耗吸收損耗2023/2/6光纖通信系統(tǒng)90原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)的不完整造成。非本征吸收：由過渡金屬離子和氫氧根離子(OH－)等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗。本征吸收損耗：由制造光纖材料本身(如SiO2)的特性所決定，包括紫外吸收、紅外吸收。即便波導結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含任何雜質(zhì)也會存在本征吸收。原子缺陷吸收2023/2/6光纖通信系統(tǒng)91

在光纖的制造過程中光纖材料受到某種熱激勵造成結(jié)構(gòu)的不完善或在使用時暴露在強粒子的光輻射下將會發(fā)生某個共價鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。1rad(Si)=0.01J/kg非本征吸收2023/2/6光纖通信系統(tǒng)92

原材料將在光纖的制造過程中引入雜質(zhì)，帶來較強的非本征吸收。有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等金屬離子和OH－。OH－吸收峰解決方法：(1)對制造光纖的材料進行嚴格的化學提純，比如材料達到99.9999999%的純度(2)制造工藝上改進，如避免使用氫氧焰加熱(汽相軸向沉積法)本征吸收2023/2/6光纖通信系統(tǒng)93(1)紫外吸收光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲿⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級，同時光子流中的能量被電子吸收而引起損耗。該損耗與光纖中非晶體材料的帶隙相關(guān)。(2)紅外吸收由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。z晶格光傳播方向kEx光纖吸收損耗曲線2023/2/6光纖通信系統(tǒng)94摻GeO2的低損耗、低OHˉ含量石英光纖OH－0.154dB/km幾種摻雜成分不同的光纖的損耗比較散射損耗2023/2/6光纖通信系統(tǒng)95

光纖中由于密度不均、折射率的變化以及結(jié)構(gòu)上的不完善，會發(fā)生散射現(xiàn)象。瑞利散射：尺度小于光波長的材料密度的不均勻?qū)θ肷涔猱a(chǎn)生的本征散射，短波長的光容易發(fā)生這種散射

[造成原因]—分子密度分布不均勻；摻雜分子導致折射率不均勻波導散射：由波導缺陷導致的散射[造成原因]—纖芯和包層的界面不完整、圓度不均勻以及殘留氣泡和裂痕等引起的散射（目前的制造工藝基本可以克服波導散射）本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值產(chǎn)品級典型的光纖損耗譜2023/2/6光纖通信系統(tǒng)96多模光纖的損耗大于單模光纖：-為獲得較大的數(shù)值孔徑，多模光纖中摻雜的濃度高-由于纖芯-包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階模式損耗多模光纖單模光纖彎曲損耗2023/2/6光纖通信系統(tǒng)97宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲微彎：光纖軸線產(chǎn)生微米級的高頻彎曲高階模比低階模容易發(fā)生宏彎損耗，因此有時可用彎曲的辦法濾掉高階模消逝場qqq￠

<qqq

>qcq￠RCladdingCore場分布宏彎：當曲率半徑減小時，輻射損耗呈指數(shù)增加微彎損耗2023/2/6光纖通信系統(tǒng)98微彎的原因：

光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均 成纜時受到壓力不均

使用過程中由于光纖各個部分熱脹冷縮的不同導致的后果：

造成能量輻射損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模減小微彎的一種辦法是在光纖外面一層彈性保護套宏彎和微彎對損耗的附加影響2023/2/6光纖通信系統(tǒng)99彎曲損耗隨模場直徑增加顯著增加光纖彎曲帶來額外損耗宏彎損耗微彎

損耗基本損耗l增加，V減少光纖損耗的計算2023/2/6光纖通信系統(tǒng)100

前面的討論說明多種導致光纖損耗的原因。一般來說光信號在光纖中傳播的時候，其功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減：那么，評價光纖損耗特性可以通過損耗系數(shù)來衡量。光纖的損耗系數(shù)定義為：其中L為光纖長度，Pin和Pout分別為輸入和輸出光功率。一般標準單模光纖在1550nm的損耗系數(shù)為0.2dB/km。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)101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(nm)OH離子吸收峰第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km常用單模光纖的損耗2023/2/6光纖通信系統(tǒng)102光纖的色散色散引起的信號失真2023/2/6光纖通信系統(tǒng)103模內(nèi)色散(群速率色散)

-材料色散：每種光源都有一定的譜寬，而光纖材料對不同 的頻率成分的折射率不同，從而不同的頻率成 分在光纖中傳播的群速度不同。

-波導色散：信號光處于纖芯的部分和處于包層的部分具有 不同的傳播速度，從而導致色散。它的大小取 決于波導尺寸和纖芯包層的折射率差。模間色散：不同傳播模式在光纖中具有不同的傳播路徑和 速率，造成模間色散。偏振模色散：環(huán)境因素造成光不同偏振態(tài)的傳播時延差。模內(nèi)色散2023/2/6光纖通信系統(tǒng)104fA(1)光源輸出都有一定的譜寬l1l2l3l1l2l3(2)單模光纖中傳播模80%能量在纖芯 20%能量在包層色散的直接后果是產(chǎn)生碼間干擾，給信號的最后判決造成困難群速率色散(GVD)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)105

信號分量的群速率是頻率/波長的函數(shù)：即不同的頻率分量間存在群時延差。信號在傳輸了距離L，頻率分量w經(jīng)歷的延時為：假設(shè)輸入脈沖的譜寬Dw不太寬，那么脈沖展寬的多少可以由下式?jīng)Q定：GVD參數(shù)群時延色散2023/2/6光纖通信系統(tǒng)106

通常光源的譜寬用Dl來表示。根據(jù)w和l之間的關(guān)系代入DT中，那么可以得到：其中D(l)稱為色散系數(shù)：

ps/(km·nm)正色散、負色散和零色散2023/2/6光纖通信系統(tǒng)1071.色散系數(shù)D為正：負色散v高頻光

>v低頻光2.色散系數(shù)D為負：正色散v高頻光

<v低頻光3.色散系數(shù)D為零：零色散材料色散2023/2/6光纖通信系統(tǒng)108

光纖的折射率是波長的函數(shù)n(l)，則不同的波長的傳播函數(shù)b不同：可以得到傳播了L后波長l所經(jīng)歷的群延時為：Dm為材料色散系數(shù)。減小材料色散：選擇譜寬窄的光源，采用較長的工作波長波導色散2023/2/6光纖通信系統(tǒng)109

假設(shè)纖芯和包層的折射率與波長無關(guān)，而且折射率差D=(n1-n2)/n1非常小，傳播函數(shù)b近似等于：可以得到傳播了L后波長l所經(jīng)歷的群延時為：其中V為歸一化頻率。進一步可以得到波導色散導致的脈沖展寬：其中波導色散系數(shù)一般為負值2023/2/6光纖通信系統(tǒng)110例：令n2=1.48，D=0.2%，從左圖可以看出當V=2.4時，有：因此可以算出在1320nm處，波導色散為：2.4vs.V標準單模光纖總的模內(nèi)色散2023/2/6光纖通信系統(tǒng)1111320一般來說材料色散的影響大于波導色散：|Dm|>|Dw|模間色散2023/2/6光纖通信系統(tǒng)112

多模光纖中不同導模具有不同的傳播路徑和速度導致了模間色散。對于子午光纖，經(jīng)過長度L后模間色散可能產(chǎn)生的最大脈沖展寬為：DL為兩種模式的光程差。偏振模色散(PMD)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)113雙折射效應導致了偏振模色散PMD受環(huán)境(如振動、溫度、應力等)影響非常顯著，跟模內(nèi)色散相比具有不穩(wěn)定性和突發(fā)性。因此，PMD補償?shù)碾y度比較大，關(guān)于補償?shù)姆椒壳吧袩o定論。PMD對傳輸?shù)挠绊?023/2/6光纖通信系統(tǒng)114色散對傳輸帶寬的影響：寬譜光源2023/2/6光纖通信系統(tǒng)115Dl比較大的時候，單模光纖帶寬：例：考慮一個工作在1550nm的系統(tǒng)，光源譜寬為15nm，使用標準單模光纖D=17ps/km·nm，那么系統(tǒng)帶寬和距離乘積：

BL<1(Gb/s)·km假設(shè)1550nm為系統(tǒng)的零色散波長，系統(tǒng)的BL值為：

BL<20(Gb/s)·km上面的例子說明色散對系統(tǒng)帶寬的影響很大。尤其在>40Gb/s高速系統(tǒng)的應用場合，色散成為首要考慮的因素之一。色散對傳輸帶寬的影響：窄譜光源2023/2/6光纖通信系統(tǒng)116Dl比較小的時候，單模光纖帶寬：不同線寬下的系統(tǒng)色散所允許的帶寬與傳輸距離的關(guān)系0nm：展寬遠小于一個比特時的光源線寬結(jié)論：1)光源線寬越寬色散越嚴重2)零色散光纖對提高系統(tǒng)性能作用明顯光纖的非線性效應在線性光學中，物質(zhì)對光場的響應與光的場強成線性關(guān)系。光的獨立性原理和疊加原理都成立。盡管用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于纖芯小，纖芯內(nèi)場強非常高，且作用距離長，使得光纖中的非線性效應會積累到足夠的強度，導致對信號的嚴重干擾和對系統(tǒng)傳輸性能的限制。反之，可以利用非線性現(xiàn)象產(chǎn)生有用的效應。導致新的學科分支—非線性光纖光學。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)1172023/2/6光纖通信系統(tǒng)118受激非彈性散射：光場經(jīng)過非彈性散射將能量傳遞給介質(zhì)產(chǎn)生的效應受激布里淵散射(SBS)受激喇曼散射(SRS)非線性折射率：光纖折射率與光強的相關(guān)性產(chǎn)生的效應。自相位調(diào)制(SPM)互相位調(diào)制(XPM)四波混頻(FWM)光纖非線性效應分類非線性效應概述SBS、SRS及FWM過程所引起的波長信道的增益或損耗與光信號的強度有關(guān)。這些非線性過程對某些信道提供增益而對另一些信道則產(chǎn)生功率損耗，從而使各個波長間產(chǎn)生串擾。SPM和XPM都只影響信號的相位，從而使脈沖產(chǎn)生啁啾，這將會加快色散引起的脈沖展寬，尤其在高速系統(tǒng)中。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)119光纖的非線性效應單信道系統(tǒng)，功率水平<10mw,速率不超過2.5Gb/s時，光纖可以作為線性介質(zhì)處理，即：光纖的損耗和折射率都與信號功率無關(guān)WDM系統(tǒng)中，即使在中等功率水平和比特率下，非線性效應也很顯著。非線性效應的產(chǎn)生的原因是：光纖傳輸損耗（增益）和折射率以及光功率相關(guān)。非線性相互作用取決于傳輸距離和光纖的橫截面積。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)120折射率非線性變化光纖折射率隨光功率變化：

n=n0+n2P/Ae

其中P是光功率，Ae

是光纖有效截面積折射率變化引起光波相位變化，導致光脈沖展寬，形成SPM,XPMandFWM在負色散區(qū)導致色散代價；在正色散區(qū)，導致色散補償。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)121自相位調(diào)制(SPM)自相位調(diào)制（SPM）的產(chǎn)生是由于本信道光功率引起的折射率非線性變化，這一非線性折射率引起與脈沖強度成正比的感生相移，因此脈沖的不同部分有不同的相移，并由此產(chǎn)生脈沖的啁啾SPM效應在高傳輸功率或高比特率的系統(tǒng)中更為突出。SPM會增強色散的脈沖展寬效應。從而大大增加系統(tǒng)的功率代價。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)122SPM的特點E(Z,t)=Ecos(wot-Boz) 自相位調(diào)制（SPM）：電場E（z,t）的相位隨E2z變化，即：SPM引起的相位變化正比于電場強度E2與傳播距離z。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)123交叉相位調(diào)制(XPM)交叉相位調(diào)制（XPM）的產(chǎn)生是由于外信道光功率引起的折射率非線性變化，導致相位變化相位正比于，其中第一項來源于SPM，第二項即交叉相位調(diào)制(XPM)。若E1=E2

則XPM的效果將是SPM的兩倍。因此XPM將加劇WDM系統(tǒng)中SPM的啁啾及相應的脈沖展寬效應。增加信道間隔可以抑制XPMDSF高速(≥10Gb/s)WDM系統(tǒng)中，XPM將成為一個顯著的問題。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)124四波混頻(FWM)折射率對于光強的相關(guān)性，不僅引起信道中的相移，而且產(chǎn)生新頻率分量的信號，這種現(xiàn)象稱為四波混頻（FWM）三光子混頻： w4=w1+w2+w3兩光子混頻： w4+w3=w1+w2單光子混頻： w4+w3=2wp

(wp=w1=w2)兩束光產(chǎn)生混頻兩個邊帶： 斯托克斯頻率： wS=2w1-w2

反斯托克斯頻率：wA=2w2-w12023/2/6光纖通信系統(tǒng)125四波混頻的特點FWM的影響有賴于相互作用的信號之間的相位關(guān)系。如果相互作用的信號以同樣的群速度傳播（無色散時就是這種情況），則FWM的影響加強，另一方面，如果存在色散，不同的信號以不同的群速度傳播，因此不同光波之間的交替地同相疊加和反相疊加，其凈效果是減小了混頻的效率。在有色散的系統(tǒng)中，信道間隔越大，群速度的差異就越大。色散位移光纖中的色散值很低，F(xiàn)WM效率要高得多。在色散位移光纖中，信道數(shù)增加時，會產(chǎn)生更多的FWM項信道間隔減小時，相位失配減小，F(xiàn)WM效率增加信號功率增加，F(xiàn)WM呈指數(shù)增加2023/2/6光纖通信系統(tǒng)126降低FWM的措施仔細選擇各信道的位置，使得那些拍頻項不與信道帶寬范圍重疊。這對于較少信道數(shù)的WDM系統(tǒng)是可能的，但必須仔細計算信道的確切位置。增加信道間隔，增加信道之間的群速度不匹配。但缺點是增加了總的系統(tǒng)帶寬，從而要求放大器在較寬的帶寬范圍內(nèi)有平坦的增益譜，另外還增加了SRS引起的代價。增加光纖的有效截面，降低光纖中光功率密度。對于DSF使用大于1560nm的波長。這種方法的思路是：即使對于DSF，這一范圍內(nèi)也存在顯著的色散量，從而可以減小FWM的效率。這依賴于L-band的EDFA。針對不同的波長信道引入延時，從而擾亂不同波長信道的相位關(guān)系。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)127受激布里淵散射(SBS)受激布里淵散射（SBS）是由于光子受到聲學聲子的散射所產(chǎn)生的,形成斯托克斯波與反斯托克斯波。SBS產(chǎn)生頻移，只發(fā)生在很窄的線寬內(nèi)，在1.55mm處，WB=11.1GHZ。斯托克斯波和泵浦波沿反方向傳播。只要波長間隔比20MHZ大得多（這是典型的情況），SBS不引起不同波長之間的相互作用。SBS在朝向光源的方向上產(chǎn)生增益，會引起光源不穩(wěn)定SBS閾值功率低(單波長信道：9dBm).增加光源線寬能夠提高SBS閾值功率(100MHz光源:16dBm）SBS的增益系數(shù)gB約為4×10-11m/W，且與波長無關(guān)。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)128降低SBS的措施使單信道功率保持在SBS閾值以下。增加光源的線寬,大于100MHz（0.1nm)。采用相位調(diào)制。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)129受激喇曼散射(SRS)SRS是光子受到振動分子散射所產(chǎn)生的。SRS同時存在于在光傳輸方向或者與之相反的方向閾值比SBS高3個數(shù)量級，具有100nm頻移間隔SRS引起DWDM不同信道之間發(fā)生耦合，導致串擾。長波長信號被短波長信號放大，引起信道功率不平衡僅當兩個波長信號都處于高電平狀態(tài)才會發(fā)生SRS.色散可以減小SRS。因為這時不同信道的信號以不同的速度傳播，從而減小了不同波長的脈沖在光纖中任一點處都重合的概率波長間隔大容易產(chǎn)生SRS2023/2/6光纖通信系統(tǒng)130降低SRS的措施使信道間隔減?。粋鬏敼β时３衷赟RS閾值以下；引入一定的色散。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)131ThankYou!第二章光纖與光纜(3)本節(jié)內(nèi)容2023/2/6光纖通信系統(tǒng)134光纜的結(jié)構(gòu)與種類幾種常用的單模光纖

光纖和光纜的制造光纖接續(xù)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)135光纖的材料要求：可拉長、拉細、卷繞；對特定光波長透明；物理上合適，使纖芯折射率與包層折射率僅有稍許差異成為可能。種類：玻璃纖維、鹵化物玻璃纖維、有源玻璃纖維、硫?qū)倩衔锊ＡЮw維、塑料纖維。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)136塑料光纖（POF）

塑料光纖的纖芯，既可以是有機玻璃，也可以是加氟的聚合物。盡管塑料光纖與玻璃光纖相比有更大的光信號衰減，但是它們有更好的韌性，更為耐用。與石英光纖相比，塑料光纖的纖芯直徑要大10～20倍，這就使得在連接時允許有一定的差錯，而不犧牲光耦合效率。另外，廉價的塑料注入成形技術(shù)，可用于制造光連接器、光分路器和收發(fā)設(shè)備。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)1372023/2/6光纖通信系統(tǒng)1382023/2/6光纖通信系統(tǒng)139FiberOpticManufacturing2023/2/6光纖通信系統(tǒng)140新型MCVD預制棒車床2023/2/6光纖通信系統(tǒng)141改進的電爐2023/2/6光纖通信系統(tǒng)142光纖拉絲塔主體2023/2/6光纖通信系統(tǒng)143制造光纖的注意事項①光纖原材料的純度必須很高。②必須防止雜質(zhì)污染，以及氣泡混入光纖。③要正確控制折射率的分布；④正確控制光纖的結(jié)構(gòu)尺寸；⑤盡量減小光纖表面的傷痕損害，提高光纖機械強度。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)144單模光纖的種類G.652(NDSF)

1310nm波長性能最佳光纖，又稱色散未移位光纖。可供雙窗口(1310nm和1550nm)應用，典型的衰減常數(shù)分別為0.3~0.4dB/km和0.15~0.25dB/km。缺點：1310nm處衰減偏大。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)145

不適用于10Gb/s以上速率傳輸，但可應用于2.5Gb/s或以下速率的DWDM。（G.652是大多數(shù)已安裝的光纖）低損耗大色散分布大有效面積色散受限距離短2.5Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約600km10Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約34km652光纖的特點與應用2023/2/6光纖通信系統(tǒng)146G.653:

色散位移光纖(DSF)。通過設(shè)計光纖折射率剖面，將零色散點移到1550nm窗口，使該窗口同時具有最小色散、和最小衰減。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)1471.11.21.31.41.51.61.7波長(μm)色散(ps/nm.km)20

100-10-201550nm處的零色散點G.653的色散2023/2/6光纖通信系統(tǒng)148低損耗零色散小有效面積長距離、單信道超高速EDFA系統(tǒng)四波混頻（FWM）是主要的問題，不利于DWDM技術(shù)結(jié)論:

適用于10Gb/s以上速率單信道傳輸，但不適用于DWDM應用，已經(jīng)被市場淘汰。G.653單模光纖（DSF）2023/2/6光纖通信系統(tǒng)149

降低了1550nm處的衰減(0.18dB/km)，而零色散點仍在1310nm處。由于制造困難，最低衰減光纖十分昂貴。主要應用在傳輸距離很長，且不能插入有源器件的無中繼海底光纖通信系統(tǒng)，且傳輸容量不能太大?，F(xiàn)在很少應用。G.654截止波長位移光纖(CSFG)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)150對G.653的零色散點進行了移動，使1540~1565nm內(nèi)色散系數(shù)的上限能抑制FWM的產(chǎn)生。在1550nm窗口有最小衰減系數(shù)和色散系數(shù)。G.655:非零色散光纖(NZDSF)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)1511.11.21.31.41.51.551.61.7波長(μm)色散(ps/nm.km)20

100-10-20

EDFA帶寬(1530~1565)nmG.655光纖的色散2023/2/6光纖通信系統(tǒng)152

有幾種類型的光纖可以使用（TruewaveTM、LSTM、LEAFTM、大保實光纖等）在1530－1565nm窗口有較低的色散可以有正的或負的色散，正色散SPM效應壓縮脈沖，負色散SPM效應展寬脈沖。為DWDM系統(tǒng)的應用而設(shè)計

適用于10Gb/s以上速率DWDM傳輸，是未來大容量傳輸光纖的理想選擇。G.655單模光纖2023/2/6光纖通信系統(tǒng)153光纜光纜的概念；光纜的優(yōu)點；如何安裝；常用光纜；敷設(shè)方式。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)154定義：把光纖和其他元器件組合起來構(gòu)成一體,

這種組合體就是光纜。作用：為光纖提供可靠的機械保護，使之適應外部使用環(huán)境，并確保在敷設(shè)和使用過程中光纜中的光纖具有 穩(wěn)定可靠的傳輸性能。制造過程：光纜的概念光纜纜芯光纖素線光纖2023/2/6光纖通信系統(tǒng)155光纜的基本要求纜內(nèi)光纖不斷裂；傳輸特性不劣化；纜徑細、重量輕；制造工藝簡單；施工簡便、維護方便。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)156光纜組成

光纜是由光纖、導電線芯、加強芯和護套等部分組成。一根完整、實用的光纜，從一次涂敷到最后成纜，要經(jīng)過很多道工序，結(jié)構(gòu)上有很多層次，包括光纖緩沖層、結(jié)構(gòu)件和加強芯、防潮層、光纜護套、油膏、吸氧劑和愷裝等，以滿足上述各項要求。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)157光纜的基本結(jié)構(gòu)及作用光纖：1~144根，每根光纖位置不同，顏色不同，便于識別。導電線芯：進行遙遠供電、遙測、遙控和通信聯(lián)絡。加強芯：加大光纜抗拉、耐沖擊的能力，以承受光纜在施工和使用過程中產(chǎn)生的拉伸負荷。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)158光纜護套作用：保護纖芯不受外界傷害。材料：內(nèi)護套的材料要能經(jīng)受日曬雨淋，不致因紫外線的照射而龜裂，要有一定的抗拉、抗彎能力，能經(jīng)受施工時的磨損和使用過程中的化學腐蝕。室內(nèi)光纜可以用聚氯乙烯護套，室外光纜可用聚乙烯護套。要求阻燃時，可用阻燃聚乙烯、阻燃聚氯乙烯等。在濕熱地區(qū)、鼠害嚴重地區(qū)和海底，應用鎧裝光纜。聚氯乙烯護套適合于架空或管道敷設(shè)，雙鋼帶繞包愷裝和縱包搭接皺紋復合鋼帶適用于直埋式敷設(shè)，鋼絲鎧裝和鉛包適用于水下敷設(shè)。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)159光纜的分類分類方法光纜種類按所使用光纖分類單模、多模（階躍、漸變）按纜芯結(jié)構(gòu)分類層絞式、骨架式、束管式、疊帶式、單元式按外護套結(jié)構(gòu)分類無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝按光纜材料有無金屬分類金屬、非金屬按維護方式分類充油占69％、充氣占8％按敷設(shè)方式分類直埋、管道、架空、水底按適用范圍分類中繼、海底、用戶、局內(nèi)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)160層絞式光纜

從電纜的結(jié)構(gòu)演示而來，在一根松套管內(nèi)放置多根光纖（12芯以下），一個松套管就是一個單元。多根松套管圍繞加強芯絞合成一體，加上聚乙烯護層成為纜芯，松套管內(nèi)充稀油膏，松套管材料為尼龍、聚丙烯或其他聚合物材料。

綁帶外護套光纖或光纖單元加強芯松套管優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、制造容易、光纖密度高、價格便宜。缺點：難以保證施工與使用中不受外部側(cè)壓力和內(nèi)部應力的影響。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)161骨架式光纜

在多股鋼絲繩外擠壓開槽硬塑料而成，中心鋼絲繩用于提高抗拉伸和低溫收縮能力，銅線用于公務聯(lián)絡。 槽的數(shù)目依光纖數(shù)設(shè)計，6～18槽（可放置上千根光纖）。放置一次涂覆光纖，槽內(nèi)填充油膏。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、耐壓、抗彎性能好。缺點：制造工藝復雜。外護套聚乙烯構(gòu)件綁帶加強芯光纖銅線2023/2/6光纖通信系統(tǒng)162束管式光纜

中心管內(nèi)放置一次涂覆光纖，可達近百根，加強件由纜芯中央移到纜芯外部的護層中。 優(yōu)點：體積小、質(zhì)量輕、成本低.

高強度塑料管6～48芯光纖鋼絲

（分散增強）鋁縱包PE外護套2023/2/6光纖通信系統(tǒng)163帶狀式光纜

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、光纖密度高，可多根光纖一次接續(xù)。

0外護套帶狀光纖

先把若干根光纖排成一排粘合在一起，制成帶狀芯線（光纖帶），每根光纖帶內(nèi)可放置4~16根光纖，多根光纖帶疊合起來形成一矩形帶狀塊再放入纜芯管內(nèi)。纜芯典型配置為12×12芯。目前所用的有兩種，一種為薄型帶，一種為密封式帶，前者用于少芯數(shù)，后者用于多芯數(shù)。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)164敷設(shè)方式架空敷設(shè)方式；直埋敷設(shè)方式；管道敷設(shè)方式；水底敷設(shè)方式；室內(nèi)敷設(shè)方式。ThankYou!第三章光源與光發(fā)送機(1)問題的提出2023/2/6光纖通信系統(tǒng)167光纖通信系統(tǒng)中利用什么來攜帶信息?光纖通信系統(tǒng)中需要什么樣的光源?本節(jié)內(nèi)容2023/2/6光纖通信系統(tǒng)168激光二極管LD

發(fā)光二極管LED半導體光源的物理基礎(chǔ)光纖通信對光源的要求2023/2/6光纖通信系統(tǒng)169光纖通信系統(tǒng)對光源的要求合適的發(fā)光波長；足夠的輸出功率；光譜寬度窄；溫度特性好；可靠性高、壽命長；體積小，重量輕；輸出效率高；聚光性好；調(diào)制方便；價格低廉。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)170半導體光源的物理基礎(chǔ)光子與光波；原子的內(nèi)能與能級；普朗克公式；光的吸收與輻射；半導體光源。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)171光的輻射和吸收

愛因斯坦的量子理論指出：光與物質(zhì)相互作用時將發(fā)生自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)172

在正常情況下，系統(tǒng)處在低能級上。hν=E1-E2的入射光子被吸收，原子將由低能級E1向高能級E2躍遷，這一過程稱為受激吸收。受激吸收2023/2/6光纖通信系統(tǒng)173

由于位于高能級E2的原子是不穩(wěn)定的，將自發(fā)地向低能級躍遷，并釋放出能量為hν=E1-E2的光子，這種輻射稱為自發(fā)輻射。各個處于高能級的粒子都是自發(fā)的、獨立地進行躍遷，其輻射光子的頻率不同，所以自發(fā)輻射的頻率范圍很寬。自發(fā)輻射產(chǎn)生非相干光。自發(fā)輻射2023/2/6光纖通信系統(tǒng)174

若原子原來處于高能級E2上，被能量為hv的光子激發(fā)，將向E1能級躍遷，并產(chǎn)生能量為hv的光子。兩者同頻，同相，同偏振，為相干光。這一輻射過程稱為受激輻射。受激輻射2023/2/6光纖通信系統(tǒng)175粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

受激吸收正比于E1能級的粒子數(shù)N1，受激輻射正比于E2能級的粒子數(shù)N2。 熱平衡態(tài)下，N1N2，受激吸收大于受激輻射，不能產(chǎn)生受激輻射光放大。 為了使物質(zhì)以受激輻射為主，必須打破上述平衡，使N2N1，即造成粒子反轉(zhuǎn)。

熱平衡時,處于高能級的原子數(shù)總是低于處于低能級的原子數(shù)。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)176半導體光源

光纖通信中使用的光源均為半導體光源。半導體材料與其他材料（金屬與絕緣體）不同，它具有能帶結(jié)構(gòu)而不是能級結(jié)構(gòu)。半導體材料的能帶分為導帶、價帶與禁帶。電子從高能級范圍的導帶躍遷到低能級范圍的價帶，會釋放光子而發(fā)光。半導體光源是由P型半導體材料和N型半導體材料制成，在兩種材料的交界處形成了PN結(jié)。若在其兩端加上正向偏置電壓，則N區(qū)中的電子與P區(qū)中的空穴會流向PN結(jié)區(qū)并復合，復合時釋放出能量等于禁帶寬度的光子。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)177半導體光源中心輻射波長中心輻射波長由有源層的禁帶寬度Eg決定：

Eg=E2－E1=hν=hc/λλ=hc/Eg=1.24/Eg(ev)(μm)短波長半導體光源：GaAsAlEg=1.424～1.549ev，其發(fā)光波長在0.81～0.87μm范圍內(nèi)。長波長半導體光源材料：InGaAsPEg=0.75～1.24ev，其發(fā)光波長在1.0～1.65μm范圍內(nèi)。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)178發(fā)光二極管LED

發(fā)光二極管(

LED)是低速、短距離光波系統(tǒng)中常用的光源，結(jié)構(gòu)簡單，是由GaAsAl類的P型材料和N型材料制成的一個正向偏置的PN結(jié)，電子-空穴對在耗盡區(qū)輻射復合發(fā)光，稱為電致發(fā)光，屬自發(fā)輻射發(fā)光。它所發(fā)的光是非相干光，具有較寬的譜寬(30-60nm)和較大的發(fā)射角(100°)。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)179LED組成

半導體發(fā)光二極管是一個PN結(jié)，它是利用外電源向PN結(jié)注入電子來發(fā)光的。半導體發(fā)光二極管是由N型半導體(摻雜微量Ⅴ族元素，如P、As、Sb)形成的N層和P型半導體(摻雜微量Ⅲ族元素，如Al、Ga、In)形成的P層，以及中間的由雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的有源層組成。有源層是發(fā)光區(qū)，其厚度為0.1～0.2μm左右。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)180LED的發(fā)光機理

LED是外加正向電壓工作的器件。在正向偏壓作用下，N區(qū)的電子將向正方向擴散，進入有源層，P區(qū)的空穴也將向負方向擴散，進入有源層。進入有源層的電子和空穴由于異質(zhì)結(jié)勢壘的作用，而被封閉在有源層內(nèi)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這些在有源層內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的電子，經(jīng)躍遷與空穴復合時，將產(chǎn)生自發(fā)輻射光。半導體發(fā)光二極管無諧振腔。所以，所發(fā)出的光不是激光，而是熒光。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)181面發(fā)光二極管SLED2023/2/6光纖通信系統(tǒng)182邊發(fā)光二極管2023/2/6光纖通信系統(tǒng)183LED的出光特性2023/2/6光纖通信系統(tǒng)184LED技術(shù)參數(shù)有源層材料類型輻射波長（nm）譜寬（nm）耦合功率(μW)正向電流（mA）上升/下降時間（ns）AlGaAsELED85035~6510~8060~1002/2~6.5/6.5GaAsSLED8504080~140100-GaAsELED8503510~321006.5/6.5InGaAsPSLED130011010~501003/3InGaAsPELED13002510~15030~1001.5/2.5InGaAsPELED155040~701000~7500200~5000.4/0.4~12/122023/2/6光纖通信系統(tǒng)185LED的特點及應用

優(yōu)點：線性度好；溫度特性好；工作電流小；使用簡單、價格低、工作壽命長。缺點：譜線較寬；與光纖的耦合效率低。應用：小容量、短距離的數(shù)字光纖通信或線性度要求較高的模擬光纖通信。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)186半導體激光二極管(LD)

半導體激光器即為激光二極管，其結(jié)構(gòu)通常由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。半導體激光器的發(fā)光是利用光的受激輻射原理。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的大多數(shù)電子在受到外來入射光子激勵時，會同步發(fā)射光子，受激輻射的光子和入射光子不僅波長相同，而且相位、方向也相同。這樣由弱的入射光激勵而得到了強的發(fā)射光，起到了光放大作用。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)187光學諧振腔LPiPfR1R2反射面反射面腔體軸線12EfEi激光輸出激光輸出

如果諧振腔內(nèi)的激光材料已達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，那么諧振腔兩端面之間來回反射的光在傳播過程中不斷激發(fā)出凈受激輻射，由凈受激輻射產(chǎn)生的光子加入到傳播方向平行于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過程使產(chǎn)生凈受激躍遷的光場越來越強。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)188半導體激光器產(chǎn)生激光的條件

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)189LD的結(jié)構(gòu)N型解理面有源層金屬接觸層P型100μm100μm300μm大面積激光器電流2023/2/6光纖通信系統(tǒng)190LD的出光特性2023/2/6光纖通信系統(tǒng)191LD的光譜特性2023/2/6光纖通信系統(tǒng)192LD的優(yōu)點發(fā)光譜線窄：僅有1～5nm，有的甚至小于1nm。波長和尺寸與光纖尺寸適配，與光纖的耦合效率高；尺寸小；響應速度快；可直接調(diào)制，相干性好。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)193實用LD的外形2023/2/6光纖通信系統(tǒng)194LD的缺點溫度特性較差；線性度較差；工作壽命較短。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)195使用半導體激光器的注意事項

激光器必須有保護電路，以防止電流過沖。電氣設(shè)備在開關(guān)機時會產(chǎn)生很高的電壓（電流）浪涌，很容易造成激光器損傷和失效。在各種場合下應防止激光器的靜電擊穿。在滿足工作的要求前提下，應盡量低功率輸出工作。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)1962023/2/6光纖通信系統(tǒng)1972023/2/6光纖通信系統(tǒng)1982023/2/6光纖通信系統(tǒng)199LD直接數(shù)字調(diào)制原理示意2023/2/6光纖通信系統(tǒng)200LD模擬調(diào)制原理示意2023/2/6光纖通信系統(tǒng)201LED直接數(shù)字調(diào)制原理示意2023/2/6光纖通信系統(tǒng)202LED模擬調(diào)制原理示意第三章光源與光發(fā)送機(2)本節(jié)內(nèi)容:光發(fā)送機2023/2/6光纖通信系統(tǒng)204光源與光纖的耦合光發(fā)送機性能指標光發(fā)送機組成光發(fā)送機作用2023/2/6光纖通信系統(tǒng)205光發(fā)送機的基本功能

將電端機送來的線路碼轉(zhuǎn)換成適宜于光纖信道傳輸?shù)拇a型；將編碼器輸出的電壓信號[TTL電平]轉(zhuǎn)換成電流信號，再轉(zhuǎn)換成光信號，并有效地把光信號送入光纖。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)206組成

光發(fā)送機主要由光源器件及驅(qū)動電路構(gòu)成，如果采用外調(diào)制的話，還包括外調(diào)制器。此外，為了發(fā)送機的工作穩(wěn)定、使用維護方便，還有一些輔助電路，如自動功率控制(APC)、自動溫度控制(ATC)及各種保護報警電路等。

光發(fā)送機的結(jié)構(gòu)組成2023/2/6光纖通信系統(tǒng)207防止LD輸出的激光反射，實現(xiàn)光的單向傳輸保持LD組件內(nèi)恒定的溫度，保證激光參數(shù)的穩(wěn)定性使LD有恒定的光輸出功率數(shù)據(jù)電接口線路編碼驅(qū)動電路調(diào)制器光隔離器LD功控溫控光發(fā)送機2023/2/6光纖通信系統(tǒng)208自動功率控制（APC）由光檢測器來感應激光器后端面輻射光功率的變化，并與參考功率相比較，然后根據(jù)比較結(jié)果自動調(diào)整直流偏置電流，最終使光功率峰值保持為一個穩(wěn)定值。激光器導熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PD自動功率控制（APC）電路偏置電流DFB-LD組件2023/2/6光纖通信系統(tǒng)209溫度控制和功率控制作用：就是消除溫度變化和器件老化影響,穩(wěn)定發(fā)送機性能，采取的穩(wěn)定方法有：溫度控制；自動功率控制光發(fā)送機結(jié)構(gòu)框圖窄線寬DFB激光器EA(LN)調(diào)制器精密溫度控制恒定電流控制10Gb/s電壓驅(qū)動器NRZ碼

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)210自動溫度控制（ATC）溫控電路通常由比例放大、PID（比例-積分-微分）電路、電流放大組成控制精度達到0.01C波長穩(wěn)定性達到200MHz/24小時激光器導熱制冷器熱敏電阻溫度控制電路PDDFB-LD組件2023/2/6光纖通信系統(tǒng)211主要技術(shù)指標

平均發(fā)光功率PS； 在規(guī)定偽隨機碼序列的調(diào)制下，光發(fā)送機輸出的光功率值。單位是dBm。一般情況下，要求PS越大越好。PS越大，進入光纖進行傳輸?shù)墓夤β试酱螅瑥膿p耗的角度出發(fā)，系統(tǒng)的傳輸距離可能越長。但其值也不能過大，否則會降低光源器件的壽命，PS的值一般不超過5dBm。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)212譜寬

譜寬是光源器件的重要光譜特性參數(shù)，主要用它來度量光源器件所發(fā)送光脈沖的能量集中程度，其單位為nm。光源器件的譜線越窄越好，因為譜寬越窄，由它引起的光纖色散越小，就越利于進行大容量的傳輸。ITU-T規(guī)范了兩種譜寬定義：根均方譜寬和－20dB譜寬。：光源器件的峰值功率下降到其最大值的0.607倍時所對應的譜線寬度。（多縱模激光器和LED）：最大峰值光功率下降20dB(0.01)時的最大全寬。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)213光源器件的壽命

光源器件的壽命越長越好。就目前水平而言，至少應該在30萬小時以上。LED：發(fā)光功率降低到其初始值的一半時。LD：當閾值電流增加到其初始值的二倍時。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)214光源的調(diào)制

將信息加載到光束上的過程稱為調(diào)制。將電信號變?yōu)楣庑盘柕姆绞酵ǔＳ袃煞N：

直接調(diào)制：用電脈沖信號直接去改變光源的工作電流，從而使光源器件發(fā)出與電脈沖信號相應的光脈沖。適用于半導體光源。間接調(diào)制：利用晶體的電光、磁光和聲光效應等性質(zhì)對信號進行調(diào)制，既適用于半導體光源，也適用于其它類型的光源。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)2152023/2/6光纖通信系統(tǒng)216光發(fā)送機的技術(shù)要求穩(wěn)定的光功率輸出和一定的光功率。入纖功率要求約0.01~5mv，且環(huán)境溫度變化及光源老化時，輸出光功率應保持穩(wěn)定，變化不超過5％~10％。消光比小于10％。輸出光脈沖上升、下降、延滯時間應盡量短。盡量抑制弛豫振蕩。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)217光源與光纖的耦合

怎樣將光纖的光信號功率有效的耦合進光纖時光發(fā)送機的一個非常重要的問題。從光源發(fā)射光功率進入光纖需要考慮一系列因素，如光纖的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑、纖芯尺寸、折射率剖面和纖芯－包層折射率差等。此外還應考慮光源的尺寸、輻射強度和光功率的角分布。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)218耦合效率

在光源發(fā)射的全部光功率中，能耦合到光纖中的光功率通常采用耦合效率來度量。耦合效率定義為：等式中，為耦合進光纖的功率，為光源發(fā)射的功率。發(fā)射效率或耦合效率取決與和光源連接的光纖類型和耦合的實現(xiàn)過程。比如，是否采用透鏡或其它耦合改進方案。2023/2/6光纖通信系統(tǒng)219光源與光纖耦合損耗的比較0.010.020.050.10.21.00.500.10.20.30.40.50.663912151821耦合效率耦合損耗/dB面發(fā)光LED邊發(fā)光LDLD光纖NA2023/2/6光纖通信系統(tǒng)220光源與光纖的耦合方法

最簡單方法：直接耦合，又叫對接耦合。提高耦合效率的方法：

(1)面發(fā)光LED與多模光纖光纖端面做成球形——6%截頭微透鏡透鏡耦合技術(shù)集成微透鏡結(jié)構(gòu)——15%2023/2/6光纖通信系統(tǒng)221

(2)邊發(fā)光LED、LD與多模光纖用圓柱透鏡—降低發(fā)射光束的非對稱性；圓柱透鏡后加球面鏡—進一步降低光束發(fā)散；——30%利用大數(shù)值孔徑的自聚焦透鏡(GRIN棒)?！?0%(3)LD與單模光纖在纖芯端面集成微透鏡。在發(fā)光面與光纖間插入聚焦透鏡。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)222SLED與光纖的耦合ElectrodeSiO2

(insulator)ElectrodeFiber(multimode)EpoxyresinEtchedwellDoubleheterostructureLightiscoupledfromasurfaceemittingLEDintoamultimodefiberusinganindexmatchingepoxy.ThefiberisbondedtotheLEDstructure.(a)FiberAmicrolensfocusesdiverginglightfromasurfaceemittingLEDintoamultimodeopticalfiber.Microlens

(Ti2O3:SiO2

glass)(b)2023/2/6光纖通信系統(tǒng)223Multimode

fiberLens(a)ELEDActive

layerLight

from

an

edge

emitting

LED

is

coupled

into

a

fiber

typically

by

using

a

lens

or

aGRIN

rod

lens.GRIN-rod

lens(b)Single

mode

fiberELEDELED與光纖的耦合2023/2/6光纖通信系統(tǒng)2242023/2/6光纖通信系統(tǒng)225光源與光纖的實際耦合2023/2/6光纖通信系統(tǒng)2262023/2/6光纖通信系統(tǒng)2272023/2/6光纖通信系統(tǒng)228光纖的連接

在任何光纖系統(tǒng)的鋪設(shè)過程中，必須考慮的一個重要問題是光纖之間的低損耗連接方法。這些連接存在于光源、光檢測器、光纜內(nèi)部中間點上兩根光纖的連接處以及線路中兩根光纜的中間連接點。光纖連接采用哪一種特殊技術(shù)，取決于光纖是否永久連接或是連接可以輕易拆卸。一個永久性的連接通常指的是一個接頭，而一個易拆卸的連接成為連接器。

2023/2/6光纖通信系統(tǒng)229光纖連接方法

光纖連接方法包括光纖熔接法、V形槽機械連接和彈性管連接。第一種方法可產(chǎn)生永久性的連接，而后兩種連接方法在需要時可以將已連接的光纖拆