.,第9章 光纤通信技术,9.1 光纤通信概述 9.1.1 电磁波谱 信息的传输是以电磁波为媒 介进行的。通信所用的波段 是在波长为千米至微米数量 级范围。由于通信容量与电 磁波频率成正比例的增大， 所以探索将更高频率的电磁 波用于通信技术是人们追求 的目标。,.,.,9.1.2 光纤通信系统基本结构与特点 光纤通信系统和其他通信系统相比具有的优点： 频带宽，通信容量大 传输损耗低，无中继距离长 抗电磁干扰 光纤通信串话小，保密性强，使用安全 体积小，重量轻，便于敷设 材料资源丰富,.,9.2 光纤传输原理与特性,9.2.1 光纤的结构和分类 纤芯(Core); 包层(Cladding); 涂敷层(Coating) 按光纤横截面的折射率分布分类 阶跃光纤(SIF：Step-Index Fiber)：纤芯折射率n1，包层折射率n2。纤芯和包层的折射率都是均匀分布的，折射率在纤芯和包层的界面上发生突变。 渐变光纤(GIF：Graded-Index Fiber)：包层的折射率n2，是均匀的，而在纤芯中折射率n1则随着纤芯的半径的加大而减小，是非均匀、且连续变化的。,.,此外还有三角型折射率光纤，其纤芯折射率分布曲线 为三角型；双包层光纤、四包层光纤等，如图： 按光纤中的传导模式数量分类 单模光纤、多模光纤 按光纤构成的原材料分类 石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤、全塑光纤 按光纤的套塑层分类 紧套光纤、松套光纤,.,9.2.2 光纤的导光原理,光的波粒二像性：既可以将光看成光波（电磁波），也可以将光看作是由光子组成的粒子流。 光纤中光的传输特性的两种分析方法（理论）：射线光学（几何光学）理论、波动光学理论。 射线光学：用光射线代表光能量传输线路。这种理论适用于光波长远远小于光波导尺寸的多模光纤，可以得到简单、直观的分析结果。 波动光学：把光纤中的光作为经典电磁场来处理。从波动方程和电磁场的边界条件出发，可以得到全面、正确的解析或数字结果，给出光纤中的场的结构形式（即传输模式），从而给出光纤中完善的场的描述形式。它的特点是：能够精确、全面地描述光纤的传输特性，这种理论适合于单模光纤和多模光纤的分析。,.,采用射线光学分析光纤的特性 多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析 在多模阶跃光纤的纤芯中，光按直线传输，在纤芯和包层的界面上光发生反射。,光纤的相对折射率差,由光纤中光线在界面的全反射条件，可以推出临界角,可以定义光纤的数值孔径为,数值孔径(NA：Numerical Aperture)表征了光纤端面收集入射光的能力。,.,多模渐变折射率光纤的射线光学理论分析,多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是连续变化的。它随纤芯半径r的增加按一定规律减小。 渐变折射率光纤的折射率分布可以表示为：,g是折射率分布指数;a是纤芯半径；r是纤芯中任意一点到轴心的距离。,使群时延差减至最小的最佳折射率分布指数g为2左右,.,9.2.3 光纤的传输特性,光纤的损耗特性 光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率会不断下降。光纤对光波产生的衰减作用称为光纤的损耗。 衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数），定义为单位长度光纤引起的光功率衰减 ()为在波长处的衰减系数；Pi为输人光纤的光功率；Po为光纤输出的光功率；L为光纤的长度 光纤的损耗特性是光纤的一个很重要的传输参数，它对于评价光纤质量和确定光纤通信系统的中继距离有着决定性的作用。,.,引起光纤损耗的因素 光纤的损耗因素主要有吸收损耗、散射损耗和其它损耗。 光纤的吸收损耗(Absorption Loss): 本征吸收： 红外吸收由于分子震动引起的吸收（Si-O键共振吸收），它在1500 - 1700 nm波长区对光纤通信有影响； 紫外吸收由于电子跃迁引起的吸收，它在7001100 nm波长区对光纤通信有影响。 杂质吸收： 过渡金属离子Cu2+,Fe2+,Mn3+,Cr3+,Ni2+,V3+引起的吸收; 氢氧根离子 (HO-)引起的吸收，吸收峰在2.8m，但是在1.39 m，1.24 m，0.95 m附近有谐波吸收峰。 光纤的散射损耗(Scattering Loss): 由制作缺陷和本征散射产生 瑞利(Relay)散射由纤芯材料的微小颗粒或气孔等分子级的结构不均匀引起的，瑞利散射系数与波长的四次方(4)成反比。 非线性散射：受激Raman散射；受激Brillouin散射。 其它损耗： 弯曲损耗：微弯损耗；宏弯损耗 连接损耗 耦合损耗,.,光纤的损耗特性曲线损耗谱,氢氧根离子 (HO-)引起的谐波吸收峰,红外吸收,紫外吸收、Relay散射,.,光纤的色散特性 光纤色散的概念 光纤色散(Fiber Dispersion)：由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，由于不同频率成分和不同模式成分的光在光纤中的传输速度不同，从而导致信号畸变的一种物理现象。 光纤色散的表示法： 光纤的色散系数D() 定义为单位光谱线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差 最大时延差(群时延差）描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差。时延差越大，色散就越严重。 光纤带宽用光纤的频率特性来描述光纤的色散。,.,光纤色散的种类 根据色散产生的原因，光纤色散的种类主要可以分为模式色散、材料色散和波导色散3种。 模式色散（模间色散）在多模光纤中存在许多传输模式，即使在同一波长，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接收端所用的时间不同，产生了模式色散。 材料色散由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散。 波导色散同一模式的相位常数随波长而变化，从而引起色散。波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的。 偏振模色散(PMD: Polarized Mode Dispersion) 由沿着光纤两个不同方向偏振的同一模式的相位常数不同，从而导致这两个模式传输不同步，形成色散。,.,单模光纤的色散,.,光纤的非线性效应 定义：当入射到光纤中的光功率密度足够大时，光纤的传输特性参数随光功率的变化而变化的现象，称为光纤的非线性效应。 光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用，一方面可引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串话、信号载波的移动等；另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。 光纤的非线性效应的种类： 受激散射效应受激布里渊(Brillouin)散射；受激拉曼 (Raman)散射 折射率扰动自相位调制；交叉相位调制；四波混频(FWM);光孤子(Soliton),.,9.2.4 单模光纤,光纤中的模：光纤中只有一些离散的角度的光能够维持传播，称为导模(Guided Mode)。与纤芯轴平行的导模称为零阶模 (Zero-Order Mode)或称基模(Fundamental Mode)。 单模光纤：只能维持零阶模传输而高阶模均截止的光纤称为单模光纤。 光纤单模传输的条件： 引入V参数的概念 光纤中传输的不同阶模式，有不同的V参数。若实现单模传输（只传零阶模），则须使V参数要小于一阶模V参数的值V1（由波动光学可计算出V1=2.40483) 。由此可得到光纤单模传输的条件为：,.,单模光纤的结构特点 为了保证单模传输，光纤的芯径较小，一般其芯径为410m。 为了制造的合理及改善光纤性能，单模光纤的包层折射率常是变化的。构成所谓的双包层结构。图9.5给出了几种不同的折射率分布形式。 单模光纤的特性参数 截止波长指光纤的第一个高阶模截止时的波长。只有当工作波长大于单模光纤的截止波长时，才能保证光纤工作在单模状态。由光纤单模传输的条件： 模场直径(MFD: Mode Field Diameter)描述光纤中光功率沿光纤半径的分布状态，即光纤中光能集中程度的参量。定义为：单模光纤中光功率径向分布最大值的1/e2处所对应的宽度。,.,单模光纤的偏振(Polarization):所谓单模光纤，实际上传输两个相互正交的基模。在完善的光纤中，这两个模式有相同的相位常数，是互相兼并的。但实际光纤的不完善，使得两正交基模的相位常数不相等，即传播速度不同而造成时延差。这种现象叫做偏振模色散(PMD)。 单模光纤的分类: 常规单模光纤(SMF)（G.652光纤）亦称为非色散位移单模光纤 色散位移单模光纤(DSF)（G.653光纤） 截止波长位移单模光纤（G.654光纤）:在1550 nm波长区域损耗极小，主要用于无中继的海底光纤通信系统。 非零色散位移单模光纤(NZDF)（G.655光纤）适应波分复用（WDM）传输系统 色散补偿单模光纤(DCF)一种在1550nm波长区有很大负色散系数的单模光纤。,.,9.3 光发送机与光接收机,光发送机与光接收机统称为光端机。 光发送机的主要作用是将电端机送来的电信号变换为光信号，并耦合进光纤中进行传输。光发送机中的光源是整个系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。 光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减的、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收机。光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端的性能是决定光接收机的主要因素。,.,9.3.1 半导体激光器和发光二极管,光纤通信系统对光源的要求 发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致，即为850 nm，1310 nm和1550 nm的3个低损耗窗口； 有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统中继距离的要求，一般为数十微瓦至数微瓦为宜； 光谱线宽要窄，即单色性好，以减小光纤色散对信号传输质量的影响； 调制方法简单，且要响应速度快，以满足高速率传输的需要； 电光转换效率要高； 能够在室温下连续工作； 体积小、重量轻、寿命长，工作稳定可靠。 半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)就是满足上述要求的理想光源器件。在不同的光纤通信系统中用作光发送机的光源。,.,半导体激光器(LD: Laser Diode) 基本原理 受激辐射(Stimulated Emission)是半导体激光器的基本工作原理。 在半导体材料中，原子是紧密地按一定规则排列的。由于电子的共有化运动，使能级产生了分裂，并形成了能带，如图9.9所示。 产生激光的条件：粒子数反转分布；光学谐振腔,.,半导体激光器的结构 半导体光源的核心是PN结，它 由高掺杂浓度的p型半导体材料 和N型半导体材料组成。 在p区和N区之间为有源区（或 激活区）。 两个端面为自然解理面形成平 行反射镜，构成光学谐振腔。 有源区为光提供增益，而谐振 腔的作用是提供光学正反馈。,.,半导体激光器的稳态特性 发射波长：构成半导体激光器的材料决定激光器的发射波长。 P-I特性：输出光功率P随注入电流I的变化关系。 温度特性：半导体激光器是对温度敏感的器件，它的输出光功率随温度而变化。,.,模式特性：横模、侧模、纵模 光谱特性：半导体激光器的光谱特性主要是由激光器的纵模决定。 激光器的效率 LD把激励的电功率转换成光功率的比率。常用的参数为外微分量子效率：LD达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比。,.,发光二极管(LED： Light-Emitting Diodes) 基本原理 LED是非相干光源。工作原理是自发辐射。 发光二极管的结构 LED通常有两种结构： 面发光二极管(SLED); 边发光二极管(ELED),.,工作特性 P-I特性：不存在阈值；I-P呈线性关系；有饱和现象。 光谱特性：由于是自发辐射发光，所以输出光谱较宽。 温度特性：与LD相比，LED的温度特性很好。 远场特性：距离器件输出端面一定距离的光束在空间上的分布称为远场特性。LED的发散角比LD