光纤通信
- 1. 光纤通信
- 2. 光纤通信作为现代通信的主要支柱，是信息社会中各种信息网的主要传输工具。 对于光纤通信技术，本章重点介绍以下几个问题：光纤通信的基本概念、光纤和光缆、光纤通信中的光源和光电检测器、光端机以及光纤通信系统，对光放大器作一简单介绍。
- 3. 2.1 光纤通信的基本概念 2.2 光纤和光缆 2.3 光纤通信中的光源和光电检测器 2.4 光 端 机 2.5 光纤通信系统 2.6 光放大器
- 4. 2.1 光纤通信的基本概念 光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。 2.1.1 目前光纤通信的实用工作波长 2.1.2 光纤通信的特点 2.1.3 光纤通信系统的基本组成
- 5. 2.1.1 目前光纤通信的实用工作波长 目前光纤通信实用的波长即短波长段 的0.85μm、长波长波段的1.31μm和 1.55μm，通常称其为是目前光纤通信的 三个实用窗口。
- 6. 2.1.2 光纤通信的特点 (1) 传输频带宽，通信容量大。 (2) 损耗低。 (3) 不受电磁干扰。 (4) 线径细、重量轻。 (5) 资源丰富。
- 7. 2.1.3 光纤通信系统的基本组成 目前使用的光纤通信系统，普遍采用的是数字编码、强度调制——直接检波通信系统。这种系统的示意方框图如下图所示。
- 8. 2.2 光纤和光缆 2.2.1 光纤的结构与分类 2.2.2 用射线法分析光波在光纤中的传输 2.2.3 单模光纤
- 9. 2.2.1 光纤的结构与分类 一、 光纤的结构 二、 光纤的分类
- 10. 一、 光纤的结构 目前通信用的光纤大多采用石英玻璃(SiO２)制成的横截面很小的双层同心圆柱体，未经涂覆和套塑时称为裸光纤，如图所示。
- 11. 光缆中的光纤一般是指经过两次涂覆后的光纤芯线，它的剖面结构如图所示。
- 12. 二、 光纤的分类 1. 按照折射率分布不同来分 通常采用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种。 (1) 阶跃型光纤 (2) 渐变型光纤
- 13. 2.按照传输的总模数来分 所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式。模式不同，其分布不同，根据光纤中传输模式数量来分，可分为单模光纤和多模光纤。 (1) 单模光纤(SM-Single mode fiber) (2) 多模光纤(MM-Multi mode fiber)
- 14. 2.2.2 用射线法分析光波在光纤中的传输 分析光纤的导光原理，一般可采用两种方法：一是波动理论法，一是射线法。波动理论法是根据电磁场理论，用麦氏方程求解光纤的场方程、特征方程，根据解答式分析其传输特性；射线法是将光波看成是一条条几何射线，用光射线理论分析光纤的传输特性。后者比较简单、直观。
- 15. 在这里，我们仅用射线法分析光波在光纤中的传输。 当媒质的几何尺寸远大于光波波长时，光可用一条表示光的传播方向的几何线来表示，这条几何线就称为光射线。用光射线来研究光波传输特性的方法，称为射线法。
- 16. 一、 光波在两介质交界面的反射和折射 二、 光波的全反射 三、 光纤中光射线的分析
- 17. 一、 光波在两介质交界面的反射和折射 光波属于电磁波的范畴，在均匀介质中传输时，其轨迹是一条直线，当光射线射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。
- 18. 由电磁场理论知道，反射和折射的基本规律是由斯涅尔定律和菲涅尔公式来表示的。 下面我们以斯涅尔定律说明其物理概念。 斯涅尔定律主要包括以下两个关系式： θ１＝θ１′ n１sinθ１＝n２sinθ２
- 19. 二、 光波的全反射 产生全反射的条件是： n１＞n２； ９０°＞θ１＞θc 阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理，将光波限制在纤芯中向前传播。
- 20. 三、 光纤中光射线的分析 在这个问题里，主要采用射线法讨论阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。 1. 阶跃型光纤中光射线的分析 (1) 阶跃型光纤中的光射线 在光纤中可存在如下不同形式的光射线：子午线和斜射线。 子午面上和轴线相交的光射线，就称为子午射线，简称为子午线。
- 21. (2) 阶跃型光纤中主要特性参数的定义 ① 相对折射指数差 n１和n２差的大小直接影响着光纤的性能，我们引入相对折射指数差这样一个物理量来表示它们相差的程度，用Δ表示，即 当n１与n２的差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤，经过简单推导，可知其相对折射指数差可用近似式表示：
- 22. ② 数值孔径 数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力的物理量。 数值孔径用NA表示。根据折射定律，经过推导可得出它的表示式为： NA=n1√２Δ (3) 阶跃型光纤的导光原理 阶跃型光纤是靠全反射原理将光波限制在纤芯中并向前传播。
- 23. 2. 渐变型光纤中光射线的分析 渐变型光纤中的射线也分为子午线和斜射线两种，下面只讨论子午线。 (1) 渐变型光纤的导光机理 非均匀光纤是靠折射原理将子午线限制在纤芯中向前传播。 (2) 渐变型光纤的最佳折射指数分布 如果选用合适的n(r)分布，就有可能使纤芯中的不同射线以同样的轴向速度前进，从而可以减小光纤中的模式色散。
- 24. ① 子午线的自聚焦 在渐变型光纤中，不同射线具有相同轴向速度的这种现象，称为自聚焦现象，具有这种自聚焦现象的光纤称为自聚焦光纤。 ② 最佳折射指数分布的形式
- 25. 经过理论分析和推导得出，纤芯中的折射指数按平方律型分布的渐变型光纤具有较小的模式色散，因此，可认为平方律型折射指数分布光纤的折射率分布形式接近于最佳折射率分布。 其折射指数分布表达式为：
- 26. ③ 渐变型光纤的本地数值孔径 渐变型光纤本地数值孔径的表达式为： NA(r)＝√n12（r）-n２2
- 27. 2.2.3 单模光纤 单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤。 一、 光纤中模式的概念 二 、单模光纤的主模 三、 单模光纤的单模传输条件 四、 单模光纤的特性参数
- 28. 一、 光纤中模式的概念 弱导波光纤中的E和H分布是一种近似的横电磁波。 1. LP模 弱导波光纤中存在的电磁场模式可近似地认为是线极化波，用LPmn表示。
- 29. 2. 光纤的归一化频率和归一化截止频率 判断某一种模式能否在光纤中传输，一般是通过光纤归一化频率V值的大小来判断。 由阶跃型光纤场方程可推出 V＝√2Δk０n１a 从式中可看出，V值的大小决定于光纤的参数，而且它是一个直接和光的 频率成正比的无量纲的量，因此称为归一化频率。
- 30. 在表2-2中，列出了在截止情况下阶跃型光纤各种模式的归一化截止频率值。 表2-2 截止情况下Lpmn模的Vc值 m n 0 1 2 1 0 2.40483 3.83171 2 3.83171 5.52008 7.01559 3 7.01559 8.65373 10.17347
- 31. 二、 单模光纤的主模 由表2-2中看出，在阶跃型光纤的众多模式中，只有当m=0、n=1时，所对应的LP01模的归一化截止频率最低，此模式的Vc=0，说明此模式在任何频率时都可以传输。 因此， LP01模是阶跃型光纤中的最低工作模式，又称为主模或基模。 如果在阶跃型光纤中只传输LP01模时，则此阶跃型光纤即为单模光纤。因此LP01模是单模光纤的主模。
- 32. 三、 单模光纤的单模传输条件 单模光纤的单模传输条件是： Vc (LP01)＜V＜V(LP11) 即 0＜V＜2.40483
- 33. 四、 单模光纤的特性参数 1. 衰减系数 衰减量的大小通常用衰减系数α来表示，单位是dB/km。 2. 截止波长 通常可用它来判断光纤中是否单模工作。 光纤中第一高次模的截止波长为
- 34. 只有当工作波长大于此截止波长时，才能保证单模工作。 3. 模场直径 模场直径就是衡量光纤横截面上一定场强范围的物理量。
- 35. 2.2.4 光纤的损耗特性及色散特性 一、 光纤的损耗特性 二、 光纤的色散特性
- 36. 2.2.4 光纤的损耗特性及色散特性 一、 光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而 光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。 光纤本身损耗的原因，大致包括两类：吸收 损耗和散射损耗。
- 37. 吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部 分光能变成热能，造成光功率的损失。 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射 率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光 发生散射，由此产生的损耗为散射损耗。
- 38. 二、 光纤的色散特性 由于光纤中色散的存在，会使得输入脉 冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加 误码率，这样就限制了通信容量和传输距离。
- 39. 1. 光纤色散的概念 简单地说，光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。 从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色散、材料色散和波导色散三种。在单模光纤中只 有基模传输，因此不存在模式色散，只有材料色散和波导色散。
- 40. 2. 光纤中的色散 在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输， 各自的相位常数βmn不同，群速不同，模式之间存 在时延差，这种色散称为模式色散。 材料色散是由于光纤材料本身的折射率随频率 而变化，使得信号各频率成分的群速不同，引起 的色散称为材料色散。
- 41. 由于光纤的几何结构、形状等方面的 不完善，使得光波一部分在纤芯中传输， 而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包 层的折射率不同，这样造成脉冲展宽的现 象，称为波导色散，或称结构色散。
- 42. 2.3 光纤通信中的光源和光电检测器 在这一节主要介绍光发射部分中的光源和光接收部分中的光电检测器。它们是光纤通信中非常重要的电/光和光/电转换器件。 2.3.1 激光器的一般工作原理 2.3.2 半导体激光器 2.3.3 半导体发光二极管(LED) 2.3.4 光源的直接调制方式 2.3.5 半导体光电检测器
- 43. 2.3.1 激光器的一般工作原理 激光器的基本组成: 激光器是只能够产生激光的自激振荡器。它应包括以下三个部分：必须有能够产生激光的工作物质；必须有能够使工作物质具有放大作用的激励源；必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔.
- 44. 2.3.2 半导体激光器 一、 半导体激光器的结构 半导体激光器从结构上可分为：同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质结半导体激光器。 二、 半导体激光器的工作特性 1. 阈值特性 2. 光谱特性 3. 温度特性 4. 转换效率
- 45. 1. 阈值特性 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流。 2. 光谱特性 半导体激光器的光谱，随着激励电流变化。当I＜It时，发出的是荧光，因此，光谱很宽，当I＞It后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光。
- 46. 3. 温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。 4. 转换效率 半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率表示。
- 47. 2.3.3 半导体发光二极管(LED) 在光纤通信中使用的光源，除了半导体激光器以外，还有半导体发光二极管。它除了没有光学谐振腔以外，其它方面与激光器相同，它是无阈值器件，它的发光只限于自发辐射，发出的是荧光。
- 48. 2.3.4 光源的直接调制方式 在目前广泛使用的强度调制——直接检波光纤通信系统中，要将电信号调到光波上，这就要对光源进行调制。 下面仅介绍目前常用的直接调制方式。 一、 模拟信号的直接调制 二、 数字信号的直接调制
- 49. 一、 模拟信号的直接调制 这种调制方法就是直接让LED的注 入电流跟随反映语音或图像等模拟量变 化，从而使LED管的输出光功率跟随模 拟信号变化，如下图所示。
- 50. (本页无文本内容)
- 51. 二、 数字信号的直接调制 当光纤通信系统所传的信号是一系列的 “0”“1”数字信号时，用LED管进行数字信号直 接调制的原理图如图2-27(a)所示。用LD管进 行数字信号直接调制时，如图2-27(b)所示。
- 52. (本页无文本内容)
- 53. 2.3.5 半导体光电检测器 光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器。半导体光电检测器是利用半导体材料的光电效应来实现光电转换的。 一、 PIN光电二极管 二、 APD雪崩光电二极管 三、 光电检测器的特性
- 54. 1. 响应度R0和量子效率η 响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理量。 2. 响应时间 响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。 3. 暗电流 在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。
- 55. 2.4 光 端 机 在这一节里主要介绍光发射机和光接 收机的基本组成及主要的性能指标。 2.4.1 光发射机 2.4.2 光接收机
- 56. 2.4.1 光发射机 光发射机的组成： 给出光发射机的原理方框图，如图所示。
- 57. 2.4.2 光接收机 一、 光纤数字接收机组成方框图 二、 光接收机的主要技术指标 三、 光接收机噪声的主要来源
- 58. 一、 光纤数字接收机组成方框图
- 59. 二、 光接收机的主要技术指标 1. 光接收机灵敏度 光接收机灵敏度这个指标是描述接收机被调整到最佳状态时，在满足给定的误码率指标条件下，接收机接收微弱信号的能力。 2. 光接收机的动态范围 光接收机的动态范围用D表示，是在保证系统的误码率指标要求下，接收机的最低输入光功率(用dBm来描述)和最大允许输入光功率(用dBm来描述)之差(dB)。
- 60. 三、 光接收机噪声的主要来源 (1) 光电检测器引入的噪声 ① 量子噪声。 ② 光电检测器的暗电流噪声。 ③ 雪崩管倍增噪声。 (2) 光接收机的电路噪声
- 61. 2.5 光纤通信系统 在这一节主要对目前广泛使用的强度调制——直接检波光纤通信系统的整体作一介绍。 一、 强度调制——直接检波系统的组成 二、 光纤通信中的码型 三、 光纤通信系统设计 四、 系统的传输性能指标
- 62. 一、 强度调制——直接检波系统的组成 1. 系统方框图
- 63. 2. 光中继器 下图是中继器的构成方框图。 接收盘 发送盘
- 64. 3监视控制系统 监视控制系统简称监控系统。 监控系统的基本组成： ① 对一个数字段进行监控 ② 对多方向进行监控 ③ 对跨越数字段进行监控 (3) 监控信号的传输 目前主要采用用光纤来传输监控信号。这种方法又可分为如下两种方式。
- 65. ① 频分复用传输方式 采用频分方式可有不同的方法，下面介绍其中一种方法——脉冲调顶方法 。 将主信号—数字信号电脉冲作“载波”，用监控电数字信号对这个主信号进行脉冲浅调幅，即使监控信号“载”在主信号脉冲的顶部，或者说对主信号脉冲“调顶”。最后，再将这个被“调顶”的主信号对光源进行强度强制，变为光信号耦合进光纤。
- 66. ② 时分复用方式 这种方式就是在电的主信号码流 中插入冗余(多余)的比特，用这个 冗余的比特来传输监控等信号。
- 67. 二、 光纤通信中的码型 下面介绍几种在光纤通信中的常用码型： (1) mB nB码 又称分组码(Block Code)，它是把输入信码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特，且n＞m。 (2) 插入比特码 这种码型是将信码流中，每m比特划为一组，然后在这一组的末尾一位之后插入一个比特。
- 68. 三、 光纤通信系统设计 光纤通信系统有关指标的计算和核算： 损耗限制系统最大中继距离的计算: 最大中继距离是指在光发射机和光接收机之间不设中继器时的最大距离。 损耗限制系统最大中继距离的计算公式 为：
- 69. 四、 系统的传输性能指标 1. 误码性能 光纤数字传输系统的误码性能用误码率来描述。误码率(BER)定义为 BER=错误接收的码元数/传输的总码元数
- 70. 2. 抖动性能 一般来说抖动又称相位抖动，定时抖动。它是数字传输中的一种不稳定现象。即数字信号在传输过程中，脉冲在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的一种现象。 现在多数情况是用数字周期来表示。即一个码元的时隙为一个单位间隔，用符号UI(Unit Interval)来表示。
- 71. 4. 抖动容限 为了使光纤数字通信系统在有抖动的情况下，仍能保证系统的指标，那么抖动就应限制在一定范围之内，这就是所谓的抖动容限。 抖动容限可分为输入抖动容限和输出抖动容限。输入抖动容限是指光纤数字通信系统允许输入脉冲产生抖动的范围；输出抖动容限则为输入信号无抖动的情况下，光纤数字通信系统输出信号的抖动范围。
- 72. 2.6 光放大器 掺铒光纤放大器的主要优点是： (1) 工作波长处在1.53～1.56μm范围，与光纤最小损耗窗口一致； (2) 对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十mW，而拉曼放大器需0.5～1W的泵浦源进行激励； (3) 增益高、噪声低、输出功率大，它的增益可达40dB，噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～20dBm； (4) 连接损耗低。
- 73. 掺铒光纤放大器的结构: 掺铒光纤放大器的英文缩写为EDFA，它的基本结构示意图如图所示。
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