光纖通信

Fiber-opticcommunications

光源調制器驅動電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光纖

圖2.2三種基本類型的光纖(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；(c)單模光纖損耗定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率2.2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的中繼距離，損耗的降低依賴于工藝的提高和對石英材料的研究。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是光纖長度，習慣上光纖的損耗通過下式用dB/km來表示：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離子吸收峰光纖損耗譜特性損耗主要機理：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/km2.3.1光纖的色散特性光纖色散：信號能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號畸變。將引起光脈沖展寬和碼間串擾，最終影響通信距離和容量。

色散類型模間色散：不同模式對應有不同的模折射率，導致群速度不同和脈沖展寬（僅多模光纖有）波導色散()：傳播常數隨頻率變化材料色散n()：折射率隨頻率變化偏振模色散PMD波長色散群速色散(GVD)由光源發射進入光纖的光脈沖能量包含許多不同的頻率分量，脈沖的不同頻率分量將以不同的群速度傳播，因而在傳輸過程中必將出現脈沖展寬，這種現象稱為群速色散（GVD）、模內色散或簡言之光纖色散包括材料色散和波導色散。Chromaticdispersioncausesdifferentwavelengthsofalightpulsetotravelatdifferentspeedsinfiber,resultinginpulsespreading群速度沿z方向傳輸的單色波：

是角頻率（弧度/秒）；是傳播常數（m-1）。群速度：表征光信號包絡的傳輸速度

群時延是頻率的函數，因此任意頻譜分量傳播相同距離所需的時間都不一樣。這種時延差所造成的后果就是光脈沖傳播時延隨時間的推移而展寬。而我們所關心的就是由群時延引入的脈沖展寬程度。群時延：頻率為的光譜分量經過長為L的單模光纖時的時延。群時延光脈沖展寬(1)光脈沖展寬：由于光脈沖包含許多頻率分量，因而群速度的頻率相關性導致了脈沖傳輸過程中展寬，不再同時到達光纖輸出端。為群速度色散（GVD）脈沖展寬同2、光纖長度L和信號譜寬成正比2決定了脈沖在光纖中的展寬程度光脈沖展寬(2)以色散參數D[ps/(nm.km)]表達脈沖展寬

D的定義為：D代表兩個波長間隔為1nm的光波傳輸1km距離后的時延脈沖展寬：以波長單位表達的光信號譜寬單模光纖的色散零色散波長17ps/nm.km@1550nmD=DM+DWG.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652G.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652非線性大色散非常小@1550nm窗口不同信道的WDM信號傳輸速度相近四波混頻FWM嚴重ProblemG.655非零色散位移光纖17ps/nm.kmEDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655單模光纖的發展與演變總結(1)在光纖通信發展的近30年中，單模光纖的結構和性能也在不斷發展和演變。最早實用化的是常規單模光纖SMF(G.652光纖)，零色散波長在1310nm，曾大量敷設，在光纖通信中扮演者重要的角色。對光纖損耗機理的研究表明，光纖在1550nm窗口損耗更低，可以低于0.2dB/km，幾乎接近光纖本征損耗的極限。如果零色散移到1550nm，則可以實現零色散和最低損耗傳輸的性能，為此，人們研制了色散位移光纖DSF(G.653光纖)。設計思路是通過結構和尺寸的適當選擇來加大波導色散，使零色散波長從1310nm移到1550nm。單模光纖的發展與演變總結(2)90年代后，DWDM和EDFA的迅速發展，1550nm波段的幾十個波長的信號同時在一根光纖中傳輸，使光纖的傳輸容量極大地提高。然而，四波混頻FWM會引起復用信道之間的串擾，嚴重影響WDM的性能。FWM是一種非線性效應，其效率與光纖的色散有關，零色散時混頻效率最高，隨著色散增加，混頻效率迅速下降。這種性質使DSF光纖在WDM系統中失去了魅力。非零色散位移光纖NZ-DSF(G.655光纖)應運而生。NZ-DSF在1530~1565nm(EDFA的工作波長)區具有小的但非零的色散，既適應高速系統的需要，又使FWM效率不高。NZ-DSF的纖芯采用三角形或梯形折射率分布，其色散可正可負。若零色散波長小于1530nm則色散為正；若零色散波長大于1565nm則色散為負。從而實現長距離的色散管理。單模光纖的發展與演變總結(3)NZ-DSF光纖的缺點是模場直徑小，容易加劇非線性效應的影響，為此人們又研究了大有效面積NZ-DSF光纖。如康寧公司研制的三角形＋外環結構和雙環結構光纖，三角形和內環纖芯的作用是將零色散波長移向1550nm，外環的作用是把光從中心吸引出來一部分，增大有效面積。各種光纖性能不斷提高，各種新型光纖層出不窮，無所謂好壞，應根據實際應用情況選擇最合適的光纖。2.2光纖傳輸原理

分析光纖傳輸原理的常用方法：

幾何光學法波動方程法

圖2.4突變型多模光纖的光線傳播原理1.突變型多模光纖

數值孔徑

為簡便起見，以突變型多模光纖的交軸(子午)光線為例，進一步討論光纖的傳輸條件。設纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致，如圖2.4。光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯(n0<n1)，折射角為θ1，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在纖芯與包層交界面以角度ψ1入射到包層(n1>n2)。

改變角度θ，不同θ相應的光線將在纖芯與包層交界面發生反射或折射。根據全反射原理，存在一個臨界角θc。

?當θ<θc時，相應的光線將在交界面發生全反射而返回纖芯，并以折線的形狀向前傳播，如光線1。根據斯奈爾(Snell)定律得到

n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)

?當θ=θc時，相應的光線將以ψc入射到交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為90°)，如光線2，

?當θ>θc時，相應的光線將在交界面折射進入包層并逐漸消失，如光線3。由此可見，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內入射的光束才能在光纖中傳播。

根據這個傳播條件，定義臨界角θc的正弦為數值孔徑(NumericalAperture,NA)。根據定義和斯奈爾定律

NA=n0sinθc=n1cosψc，

n1sinψc=n2sin90°(2.2)n0=1，由式（2.2）經簡單計算得到

式中Δ=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對折射率差。

NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或θc)越大，光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的耦合效率越高。對于無損耗光纖，在θc內的入射光都能在光纖中傳輸。

NA越大，纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好;但NA越大，經光纖傳輸后產生的信號畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據實際使用場合，選擇適當的NA。(2.3)圖2.8若干低階模式歸一化傳輸常數隨歸一化頻率變化的曲線TLP01HE11LP11HE21TM01TE01

LP02HE12LP12HE22TM02TE02LP03HE13LP13HE23TM03TE030~2.4052.405~3.8323.832~5.5205.520~7.0167.016~8.6548.654~10.173低階模式V值范圍表2.2低階（v=0和v=1）模式和相應的V值范圍

4.單模光纖的模式特性

單模條件和截止波長從圖2.8和表2.2可以看到，傳輸模式數目隨V值的增加而增多。當V值減小時，不斷發生模式截止，模式數目逐漸減少。特別值得注意的是當V<2.405時，只有HE11(LP01)一個模式存在，其余模式全部截止。

HE11稱為基模，由兩個偏振態簡并而成。由此得到單模傳輸條件為

由式(2.36)可以看到，對于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個臨界波長λc，當λ<λc時，是多模傳輸，當λ>λc時，是單模傳輸，這個臨界波長λc稱為截止波長。(2.36)第3章通信用光器件

通信用光器件可以分為有源器件和無源器件兩種類型。

有源器件包括光源、光檢測器和光放大器。

無源器件主要有連接器、耦合器、波分復用器、調制器、光開關和隔離器等。

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，實現粒子數反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現光放大而產生激光振蕩的。受激輻射和粒子數反轉分布

有源器件的物理基礎是光和物質相互作用的效應。在物質的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態，能量比基態大的能級Ei(i=2,3,4…)稱為激發態。電子在低能級E1的基態和高能級E2的激發態之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收、自發輻射、受激輻射

(見圖3.1)

4.半導體激光器基本結構半導體激光器的結構多種多樣，基本結構是圖3.5示出的雙異質結(DH)平面條形結構。

這種結構由三層不同類型半導體材料構成，不同材料發射不同的光波長。圖中標出所用材料和近似尺寸。結構中間有一層厚0.1~0.3μm的窄帶隙P型半導體，稱為有源層；兩側分別為寬帶隙的P型和N型半導體，稱為限制層。三層半導體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體解理面作為反射鏡構成法布里-珀羅(FP)諧振腔。

DH激光器工作原理由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。

P層帶隙寬，導帶的能態比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源層內形成粒子數反轉分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產生的激光被限制在有源區內，因而電/光轉換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續工作。

圖3.6DH激光器工作原理(a)雙異質結構；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布

3.1.4發光二極管LD和LED的區別

LD發射的是受激輻射光

LED發射的是自發輻射光

LED的結構和LD相似，大多是采用雙異質結(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。Laser---LightAmplificationbyStimulationEmissionofRadiation發光二極管LightEmittingDiode

半導體激光二極管semiconductorlaserdiode,DiodeLaser,laserdiode3.2光檢測器

3.2.1光電二極管工作原理

3.2.2PIN光電二極管

一、工作原理和結構二、PIN光電二極管主要特性

(1)量子效率和光譜特性

(2)響應時間和頻率特性

(3)噪聲

3.2.2PIN光電二極管

PIN光電二極管的產生

由于PN結耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區吸收，因而光電轉換效率低，響應速度慢。為改善器件的特性，在PN結中間設置一層摻雜濃度很低的本征半導體(intrinsicsemiconductor)，這種結構便是常用的PIN光電二極管。PIN光電二極管的工作原理和結構見圖3.20和圖3.21。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導體，用Π(N)表示；兩側是摻雜濃度很高的P型和N型半導體，用P+和N+表示。

I層很厚，吸收系數很小，入射光很容易進入材料內部被充分吸收而產生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉換效率。兩側P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據整個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應速度。3.3光無源器件

3.3.1連接器和接頭

3.3.2光耦合器

一、耦合器類型二、基本結構三、主要特性

3.3.3光隔離器與光環行器

3.3.4光調制器

3.3.5光開關

3.3.2光耦合器耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。

1.耦合器類型

T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分復用器/解復用器

3.3.3光隔離器與光環行器

耦合器和其他大多數光無源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。

隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。

隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。

插入損耗和隔離度是隔離器的主要參數。環行器環行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。如圖3.36所示，典型的環行器一般有三個或四個端口。在三端口環行器中，端口1輸入的光信號在端口2輸出，端口2輸入的光信號在端口3輸出，端口3輸入的光信號由端口1輸出。光環行器主要用于光分插復用器中。

圖3.36光環行器

(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)13245.1調制方式5.2模擬基帶直接光強調制光纖傳輸系統5.3副載波復用光纖傳輸系統第5章模擬光纖通信系統返回主目錄6.1.1準同步數字系列PDH

準同步數字系列有兩種基礎速率：

?以1.544Mb/s為第一級(一次群，或稱基群)基礎速率，采用的國家有北美各國和日本；

?以2.048Mb/s為第一級(一次群)基礎速率，采用的國家有西歐各國和中國。與PDH相比，SDH具有下列特點：

(1)SDH采用世界上統一的標準傳輸速率等級。最低的等級也就是最基本的模塊稱為（STM-SynchronousTransferModule）STM-1，傳輸速率為155.520Mb/s；4個STM-1同步復接組成STM-4，傳輸速率為622.080Mb