光纤通信系统

– 1.3.1 圆柱坐标系中的波导方程式
圆柱坐标系和直角坐标系的关系为：
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• 圆柱坐标系中的波导方程
d2 dR 2 (rr)1 rdd(R r)r(k22r2 2)R(r)0
• 这个方程可以化为贝塞尔方程，在特定的边界条件下 求解R(r )，便可得到阶跃折射率光纤的模式情况。
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2. 喇曼-奈斯衍射和布喇格衍射
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3. 声光调制器 4. 磁光调制
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– 2.7.4 波导调制器和电吸收调制器
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第3章 光接收机
• 对强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测（ DD）方式时，光接收机的主要组成如图3.0所示。
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2. 电光调幅
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3. 电光调相 4. 横向电光调制器
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5. 电光调制的频率特性
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– 2.7.2 声光调制
1. 声光效应
– 超声波是一种纵向机械应力波（弹性波），它在声光介质中传输时 会引起介质密度发生疏密交替的变化，使介质折射率也发生相应的 变化。因此，受超声波作用的晶体相当一个衍射光栅，光栅的条纹 间隔等于声波波长，当光波通过此介质时，将被介质中的弹性波衍 射，衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。这个效应称为 声光效应，或弹光效应。
1
f E eEEf /kK 1
3.各种半导体中电子的统计分布
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– 2.1.3 PN结的能带
1. PN结的形成
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2. PN结的能带
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• 2.2 半导体激光器和发光二极管
– 2.2.1 半导体激光器
1. 激射条件
有源区里产生足够的粒子数反转分布； 存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的振荡。
1. 石英系光纤：分为多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率 光纤和单模阶跃折射率光纤三种，如图1.1.3。
2. 多组份玻璃纤维 3. 塑料包层光纤 4. 全塑光纤
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• 光的传输
1. 多模阶跃折射率光纤中光的传输
2. 多模渐变折射率光纤中光的传输
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– 1.1.2 光纤的传输性质
1.速率方程组
dnt
dt
j e0d
Rsp
n
g
n
st
dst
dt
g
n
st
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
st
ph
aRsp
n
2.速率方程组的稳态解
R sp
n sp
j e0d n sp
j e d n t h 2020/4/7
0 th sp
g
1 ph
g th
s
ph e0d
j
j th
3. 速率方程组的瞬态解 4. 电光延迟时间
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5. 码型效应
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– 2.4.3 结发热效应
1.激光器的热方程式
QtCdtt
dt R
2.稳定电流注入时的情况
RVjII2Rs
3.脉冲调制时的结发热效应
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• 2.5 半导体激光器的自脉动现象
– 2.5.1 自脉动现象
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4. 模式的场型图
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– 1.3.3 近似解－－LP模
1. LP模是线偏振模
LP模的名称来自英文Linearly Polarized Mode，即线性偏振模 的意思，可以证明，若将HEν＋1，m模和EH ν－1，m线性叠加 ，得到的是直角坐标系中的线偏振模。
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2. LP模的特征方程
SI e0Igate
d iout2 df
2kK gm
na
C
2 t
g
2. 双极晶体管的噪声源
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– 3.2.4 前置放大器的设计
1. 低阻型前置放大器 2. 高阻型前置放大器 3. 跨（互）阻型前置放大器
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• 基本波导方程式
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– 1.2.2 对称介质平板波导的传输模式
1. 对称介质平板波导中的波导方程式和模式
2. TE模式
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3. 偶TE模式和奇TE模式
1. 偶TE模式
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2. 奇TE模式
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4. 传输常数的确定
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– 2.2.4 分布反馈激光器
1. 结构特点
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2. 工作原理
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3. DFB激光器的优点
1. 单纵模振荡 2. 谱线窄，波长稳定性好 3. 动态谱线好 4. 线性度好
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4. 半导体激光器的基本性质
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– 2.2.5 发光二极管
1. 工作原理
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– 2.5.2 双区共腔激光器中的自脉动
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– 2.5.3 光丝耦合
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• 2.6 半导体激光器的直接调制和光发射机
– 2.6.1光源的调制方式
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– 2.6.2 光源的直接调制原理
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– 2.6.3 激光发射机
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2. 由谐振条件求纵模的波长间隔
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3. 纵模的性质
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– 2.3.3 激光器的横模
• 近场图样和远场图样
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• 2.4 半导体激光器的瞬态性质
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– 2.4.1 瞬态过程
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– 2.4.2 速率方程组及其解
2. 制作激光器的材料
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– 2.2.2 F-P腔半导体激光器的结构与分类
1. F-P腔的作用 2. F-P腔激光器的结构与分类
1. 按垂直于PN结方向的结构分类
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2. 按平行于PN结方向的结构分类
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– 2.2.3 量子阱半导体激光器
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3.APD的结构
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4. APD的过剩噪声
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• 3.2 放大器及其电路的噪声
– 3.2.1 噪声分析的一般方法
1. 噪声的统计性质
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2.随机过程的数字特征
1. 均值
EXx,t xfx,tdt
2. 方差和标准差
DXEXEX2 EX2EX2
1. 偏置电流和调制电流大小的选择 2. 激光器的调制电路
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3. 激光器控制电路
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1. 温度控制
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2. 自动功率控制（APC）电路
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• 2.7 光源的间接调制
– 2.7.1 电光调制
1. 电光效应
– 当把电压加到晶体上的时候，可能使晶体的折射率发生变化 ，结果引起通过该晶体的光波特性发生变化，晶体的这种性 质称为电光效应。当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变 化时，称为线性电光效应，即普科尔（Pocket）效应；当晶 体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为克尔 （Kerr）效应。电光调制器主要利用普科尔效应。
5. 模式截止条件
6. 对称介质板波导中的TM模
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– 1.2.3 介质板波导中的多模群时延
• 在多模传输的介质板波导中，也会产生多模群时延失 真，使传输的光脉冲展宽 。不同模式所产生的最大群 时延差可用最低次模和最高次模的传输时间之差来表 示：
d dLdH
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• 1.3 阶跃折射率光纤的模式理论
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2. 结构和分类 3. 基本性质
1. 发射谱线和发散角 2. 响应速度 3. 热特性 4. 优点
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• 2.3 半导体激光器的模式性质
– 2.3.1 厄密-高斯模式的解 – 2.3.2 激光器的纵模
1. 纵模的概念
对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是 导带和价带的自发发射谱，谱线较宽；只有当激光器的注 入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自发发 射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建 立起强场，这个强场使粒子数反转分布的能级间产生受激 辐射，而其他频率的光却受到抑制，使激光器的输出光谱 呈现出以一个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的 纵模。
1. 模式的量子力学解释
2. 传导模的WKBJ解 3. 转折点附近的解 4. 2020/4/7 解的连续性和特征方程式
– 1.4.2 渐变折射率光纤特性的WKBJ法分析
1. 传输模式的数量
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2. P模群和模群间隔
对阶跃折射率光纤，曾经通过对LP模的分析得到过p模 群的概念。也就是说，较高次模是分成群的，尽管 ν，m的组合不同，但只要ν＋2m＝p，那么这些不同 的LP模就有近似相等的传输常数，而用p模群来表示 这些简并模。
1. 单模光纤频率色散的计算
c L d d d 1 1 N d d V V b N 1 d d d 2 d V 2 2 b V N 1 2 n 1 V d 2 V 2 d V b
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2. 单模光纤的零频率色散
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– 1.5.4 单模光纤的极化
– 1.3.2 阶跃折射率光纤中波动方程的解
1. 解的形式
1. 在纤芯中（r a），k＝k1＝k0n1
Ez1 Hz1
BAJuarei
2. 在包层里（r>a）， k＝k2＝k0n2
H Ezz22CDKwarei
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2. 边界条件和特征方程 3. 光纤中的各种导模
2020/4/7
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X DX
3.平稳随机过程的功率谱密度
SxTl im 21 TFx,T2
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– 3.2.2 放大器输入端的噪声源
1. 输入端的等效电路及噪声源
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– 3.2.3 场效应管和双极晶体管的噪声源
1.场效应管（FET）的噪声源
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1.散粒噪声 2.沟道热噪声 3.输出端的总噪声功率
1. 单模光纤的极化演化
2. 极化色散
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3. 单模单极化光纤
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– 1.5.5 单模光纤的发展与演变
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第2章 光源和光调制
• 2.1 激光原理的基础知识
– 原子能级的跃迁
1. 原子的能级
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2. 能级的跃迁
原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁， 或称能级跃迁。若电子跃迁中交换的能量是热运动的能量 ，称为热跃迁；若交换的能量是光能，则称为光跃迁。
模群间隔为：
g2
dp
dp
p gg 21/22apm p ax g2
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3. 模式色散和g的最佳值
折射率分布参数g应为：
g42 32 21121231
g21
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• 1.5 单模光纤
– 1.5.1 单模光纤的基本分析
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– 1.5.2 单模光纤的结构
– 1.5.3 单模光纤的频率色散
由电磁场的边界条件（r＝a时，Ez，Hz，Eφ和Hφ分量应连续 ），可以确定出LP νm模的特征方程为
uJ1(u) wK1(w)
J(u)
K(w)
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3. 模功率分布 4. 阶跃折射率光纤中导模数量的估算
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• 1.4 渐变折射率光纤的近似分析
– 1.4.1 渐变折射率光纤的近似解
• 损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性 1. 光纤的损耗
1. 石英光纤的固有损耗 2. 非固有损耗
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2. 光纤的色散
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• 1.2 介质平板波导
– 1.2.1 基本波导方程式
• 均匀波导中的波动方程
2Ek2E0
• 非均匀波导中的波动方程
2E()2t2E
• 3.1 光电检测器
– 3.1.1 光电二极管
1. 工作原理
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2. 光电二极管的波长响应
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3. 光电转换效率
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4. 响应速度
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– 3.1.2 雪崩光电二极管
1. 工作原理
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2.APD的平均雪崩增益
1
G1VIRs/VBm
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目录
• 第1章 光纤的传输理论 • 第2章 光源和光调制 • 第3章 光接收机 • 第4章 光纤通信系统和通信网 • 第5章 光纤通信新技术
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第1章 光纤的传输理论
• 1.1 光纤的基本性质
– 1.1.1 光纤的结构、分类和光的传输
• 光纤的结构：
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• 光纤的分类：
自发发射
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2. 受激辐射和受激吸收
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– 2.1.2 半导体中载流子的统计分布 1. 晶体的能带
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2.费米-荻拉克统计
电子是费米子，它在各能级上的分布，要受泡里不相容原理的限制， 即每个单电子量子态中最多只能容纳一个电子，它们或者被一个电 子占据，或者空着。电子在各能级中的分布服从费米-荻拉克统计。