光纤通信第3章
光纤通信复习资料必看
光纤通信复习资料必看(总16页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--复习提纲第一章知识点小结：1.什么是光纤通信 3、光纤通信和电通信的区别。
2.基本光纤通信系统的组成和各部分作用。
第二章知识点小结1、光能量在光纤中传输的必要条件（对光纤结构的要求）。
2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算。
3、弱导波光纤的概念。
4、相对折射率指数差的定义及计算。
5、突变多模光纤的时间延迟。
6、渐变型多模光纤自聚焦效应的产生机理。
7、归一化频率的表达式。
8、突变光纤和平方律渐变光纤传输模数量的计算。
第三章知识点小结1、纤通信中常用的半导体激光器的种类。
2、半导体激光器的主要由哪三个部分组成3、电子吸收或辐射光子所要满足的波尔条件。
4、什么是粒子数反转分布5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。
6、静态单纵模激光器。
7、半导体激光器的温度特性。
8、DFB激光器的优点。
9、LD与LED的主要区别 10、常用光电检测器的种类。
11、光电二极管的工作原理。
12、PIN和APD的主要特点。
13、耦合器的功能。
14、光耦合器的结构种类。
15、什么是耦合比 16、什么是附加损耗17、光隔离器的结构和工作原理。
第四章知识点小结1、数字光发射机的方框图。
2、光电延迟和张驰振荡。
3、激光器为什么要采用自动温度控4、数字光接收机的方框图。
5、光接收机对光检测器的要求。
6、什么是灵敏度7、什么是误码和误码率 8、什么是动态范围9、数字光纤通信读线路码型的要求。
10、数字光纤通信系统中常用的码型种类。
第五章知识点小结1、SDH的优点。
2、SDH传输网的主要组成设备。
3、SDH的帧结构（STM-1）。
4、SDH的复用原理。
5、三种误码率参数的概念。
6、可靠性及其表示方法。
7、损耗对中继距离限制的计算。
8、色散对中继距离限制的计算。
第七章点知识小结1、光放大器的种类2、掺铒光纤放大器的工作原理3、掺铒光纤放大器的构成方框图4、什么WDM5、光交换技术的方式6、什么是光孤子7、光孤子的产生机理 8、相干光通信信号调制的方式9、相干光通信技术的优点光纤通信复习第一章1.什么是光纤通信光纤通信，是指利用光纤来传输光波信号的一种通信方式2.光纤通信和电通信的区别。
光纤通信(第二版)课件PPT(刘增基著)
第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个 透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社
光纤通信原理-(全套)课件
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信 容量。
2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他 通信线路的损耗都低得多，因此，由其组 成的光纤通信系统的中继距离也较其它介 质构成的系统长得多。
光纤通信原理
1
第一章 概 述
1.1 光纤通信的发展与现状 1.2 光纤通信的主要特性 1.3 光纤通信系统的组成和分类
1.1 光纤通信的发展与现状
1.1.1 早期的光通信
到了1880年，贝尔发明了第一个光电 话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通 信的开端。
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在 话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱 变化的反射光束，这个过程就是调制。
式中：R、T都是复数，包括大小及相
位。其模值分别表示反射波、传递波与入
射波幅度的大小之比；2Ф1、2Ф2是R和T的
相角，分别表示在介质分界面上反射波、 传递波比入射波超前的相位。
3. 平面波的全反射
全反射是一种重要的物理现象，当光 波从光密介质射入光疏介质，且入射角大 于临界角时才能产生全反射，即全反射必
1. 子午射线在阶跃型光纤中的传播
阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常 数n 1的纤芯和折射率为常数n2的包层组 成，并且n1>n2，如图2.6所示。
图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播
2. 子午射线在渐变型光纤中的传播
渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于 其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的 增加而递减直到等于包层的折射率。
光纤通信技术-第三章-光源与光发射系统-电子教案 (3)
10.什么是张弛振荡？简述张弛振荡产生的原因。
11.什么是码型效应？如何消除码型效应。
12.什么是自脉动现象？自脉动现象有哪些特点？
13.光源的间接调制方法有哪些？
14.光纤通信系统对光发射机的基本要求有哪些？
15.光发射机为什么要进行自动温度控制？
16.光纤通信系统对光源器件的基本要求有哪些？
17.简述激光器的结发热效应。
18.何谓激光器的偏置电流？应如何选择偏置电流？
120.构成激光器必须具备的条件有哪些？
21.在光纤通信系统中，光源为什么要加正向电压？
22.简述半导体激光器的特性。
23.简述F-P腔半导体激光器的结构。
24.光发射机主要有哪些部分组成？简述各部分的作用。
4、课后作业：6。
3.4新型半导体激光器
重点介绍分布式反馈激光器的结构特点，引出在此特点基础上的发光原理，并指明它所具有的独特优点；简要介绍耦合腔半导体激光器与量子阱激光器的结构与特点。
3.5光源的调制
重点介绍光源的直接数字调制以及可能产生的效应：电光延迟、张弛振荡、自脉动、码型效应等。简要介绍光源的三种间接调制方式，包括：声光调制、热光调制和磁光调制。
3.6光发射机
首先介绍通信系统对光发射机的基本要求；重点介绍光发射机的组成与功能，包括：输入电路、光源和控制电路。
1：计划学时：2学时
2：讲授要求：
注意区分新型激光器与F-P腔激光器在结构和性能上的不同，使学生能够对前后学习的知识有一个连贯性的认识；详细介绍光发射机的三个组成部分，使学生清楚各部分的主要功能。
课程
光纤通信技术
章节
第三章
学期
2013/2014学年第一学期
第三章 光纤通信系统
(4) 带状式光缆。
它是将4～12根光纤芯线排列成行, 构成带状光纤单元, 再将多个带状单元按一定方式排列成缆, 如图3-7(d)所示。
第三章 光纤通信系统
光纤 加强件 加强件 光纤
(a) 光纤 塑料骨架 隔热层
(b)
加强件 护套
综合护套 (c)
带状光纤 (d)
图 3-7 光缆的基本结构 (a) 层绞式; (b) 单位式; (c) 骨架式; (d) 带状
第三章 光纤通信系统 (1) 层绞式光缆。 这种光缆机械性能好, 具备优异的抗机械损伤能力, 特 别适用于架空敷设方式， 如图3-7(a)所示。
(2) 单位式光缆。
它是将几根至十几根光缆芯线集合成一个单位, 再由数 个单位以强度元件为中心绞合成缆, 如图3-7(b)所示。
(3) 骨架式光缆。
在铝带与阻水带之间放置撕裂绳以便于护套开剥， 如图3-7(c) 所示。
(2) 光 输 出 功 率 自 动 控 制 电 路 (APC, Automatic
Power Control)。 (3) ATC(自动温度控制电路)。 (4) 光监测。
第三章 光纤通信系统 4.光发射机的指标 (1) 有合适的输出光功率。
(2) 较好的消光比Ext。
(3) 调制特性要好。 3.3.2 光接收机 光接收机的作用是接收经光纤传输衰减后的十分微 弱的光信号, 从中检测出传送的信息, 放大到足够大后,
第三章 光纤通信系统
3.3 光端机的组成
3.3.1 光发射机 光发射机的作用是将电信号变成光信号, 然后送 入光纤中传输出去。 光发射机主要由光源、光源驱动 与调制以及信道编码电路三部分组成, 如图3-10所示。
第三章 光纤通信系统
AJC
光纤通信原理第三章3 光接收机灵敏度
v0 :"0" 码时输出电压的均值; v1 :"1" 码时输出电压的均值; D : 判决电平; f 0 ( x) :"0" 码时输出电压的概率密度 f1 ( x) :"1" 码时输出电压的概率密度
“0”码误判为“1”码的概率：
E01 =
“1”码误判为“0”码的概率：
E10 =
总误码率 BER
BER = P(0)E01 + P(1)E10
BER = P(0)E01 + P(1)E10
一般线路编码：P(0)=P(1) 则：
1 BER = ( E01 + E10 )
2
3.判决电平与灵敏度的计算
为使误码率最小
E01 = E10
D - V0 = V1 - D = Q
0
1
BER =
误码率和Q的对应关系
灵敏度的计算：
1. 从要求达到的误码率→Q值；
2. 计算出 0 和 1 → V0和V1;
3. 由光电检测器的响应度和放大器的传递 函数求出输入端“1”和“0”码时接收光功 率；
4. 求出平均光功率。
P(0)和P(1)分别表示码流中“０”码和“１”码出现的概
放大器的噪声是高斯分布的白噪声； 光电变换是泊松分布的随机过程； 雪崩倍增过程则是一个非常复杂的 随机过程。
1.高斯近似假设
放大器的噪声是概率密度函数为高斯函 数的白噪声
f ( x) =
v : 均值;
2: 放大器输出端的总噪声功率
2 =
2
Vna
简化计算： PIN 和APD近似为高斯分布
的随机过程
放大器噪声与检测器噪声之和的概率 密度函数仍为高斯函数
光纤通信课后习题解答第3章习题参考答案
第三章 光纤的传输特性1．简述石英系光纤损耗产生的原因，光纤损耗的理论极限值是由什么决定的？答：（1）（2）光纤损耗的理论极限值是由紫外吸收损耗、红外吸收损耗和瑞利散射决定的。
2．当光在一段长为10km 光纤中传输时，输出端的光功率减小至输入端光功率的一半。
求：光纤的损耗系数α。
解：设输入端光功率为P 1，输出端的光功率为P 2。
则P 1＝2P 2光纤的损耗系数()km dB P P km P P L /3.02lg 1010lg 102221==＝α 3．光纤色散产生的原因有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？答：（1）按照色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式（模间）色散、材料色散、波导色散和极化色散。
（2）在数字光纤通信系统中，色散会引起光脉冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的传输带宽。
因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。
4．为什么单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大得多？答：光纤的带宽特性是在频域中的表现形式，而色散特性是在时域中的表现形式，即色散越大，带宽越窄。
由于光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散四种，并且模式色散>>材料色散＞波导色散＞极化色散。
由于极化色散很小，一般忽略不计。
在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。
因此，多模光纤的色散比单模光纤的色散大得多，也就是单模光纤的带宽比多模光纤宽得多。
光纤损耗 吸收损耗 本征吸收 杂质吸收 紫外吸收 红外吸收 氢氧根（OH －）吸收 过渡金属离子吸收瑞利散射损耗 结构不完善引起的散射损耗 散射损耗 弯曲损耗 光纤弯曲损耗 光纤微弯损耗5．均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n 1=1.50，n 2=1.45，光纤的长度L=10km 。
试求：（1）子午光线的最大时延差；（2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光线的最大时延差。
光纤通信第三版习题答案
光纤通信第三版习题答案光纤通信第三版习题答案光纤通信是一种高速传输信息的技术，它利用光信号在光纤中传输数据。
光纤通信的发展已经进入到第三版，为了帮助读者更好地理解和掌握相关知识，本文将提供一些光纤通信第三版习题的答案。
第一章：光纤通信基础知识1. 什么是光纤通信？光纤通信是利用光纤作为传输介质，将信息以光信号的形式传输的一种通信方式。
2. 光纤通信的优点有哪些？光纤通信具有大带宽、低损耗、抗干扰能力强等优点。
3. 光纤通信的基本组成部分有哪些？光纤通信的基本组成部分包括光源、调制器、光纤、解调器和接收器等。
4. 光纤通信的工作原理是什么？光纤通信的工作原理是利用光的全反射特性将光信号在光纤中传输，通过调制器和解调器的处理，将光信号转换为电信号进行传输和接收。
第二章：光纤通信系统设计1. 光纤通信系统的设计包括哪些方面？光纤通信系统的设计包括光源的选择、光纤的布线和连接、调制器和解调器的设计等方面。
2. 光纤通信系统中如何选择合适的光源？选择合适的光源需要考虑光源的功率、频率范围和调制方式等因素。
3. 光纤通信系统中如何设计光纤的布线和连接？光纤的布线和连接需要考虑光纤的长度、弯曲半径和连接方式等因素，以保证光信号的传输质量。
4. 光纤通信系统中如何设计调制器和解调器？调制器和解调器的设计需要考虑调制方式、解调方式和信号处理的算法等因素，以实现光信号的调制和解调。
第三章：光纤通信的性能评估1. 光纤通信系统的性能评估指标有哪些？光纤通信系统的性能评估指标包括传输速率、误码率、信噪比和带宽等。
2. 如何评估光纤通信系统的传输速率？光纤通信系统的传输速率可以通过测量单位时间内传输的比特数来评估。
3. 如何评估光纤通信系统的误码率？光纤通信系统的误码率可以通过发送和接收的比特数之间的差异来评估。
4. 如何评估光纤通信系统的信噪比？光纤通信系统的信噪比可以通过测量信号和噪声的功率之间的比值来评估。
第四章：光纤通信的应用1. 光纤通信在哪些领域得到了广泛应用？光纤通信在通信、互联网、电视传输和医疗等领域得到了广泛应用。
光纤通信第三章3-接收机灵敏度
系统升级与维护
兼容性
当考虑升级光纤通信系统时，必须确保新接 收机与现有系统的其他部分兼容。这包括与 发送器、中继器和网络的兼容性。不兼容的 设备可能导致信号质量下降、通信中断或其 他不可预测的行为。
维护和修理
在光纤通信系统的运营期间，接收机可能需 要定期维护和修理。这可能涉及清洁光学元 件、检查连接器和电缆、以及更换损坏的组 件等任务。为了确保系统的可靠性和稳定性 ，必须采取适当的维护措施并快速修理任何
光纤通信第三章接收机灵敏度
目
CONTENCT
录
• 接收机灵敏度的定义 • 接收机灵敏度与系统性能的关系 • 提高接收机灵敏度的方法 • 接收机灵敏度与其他参数的关系 • 实际应用中的考虑因素
01
接收机灵敏度的定义
定义
接收机灵敏度是指接收机在特定噪声背景下，能够检测到的最小 信号功率。它反映了接收机对微弱信号的检测能力。
影响因素
01
02
03
04
噪声水平
接收机的内部噪声和外部噪声 都会影响其灵敏度。内部噪声 主要由电子器件的热噪声和散 粒噪声引起，外部噪声则包括 环境噪声和邻近信道的干扰噪 声。
动态范围
动态范围是指接收机在保证一 定性能指标下，能够接收的最 大信号功率与最小信号功率之 比。动态范围越大，表示接收 机能够在较大的信号变化范围 内保持稳定的性能。
100%
噪声来源
主要包括散弹噪声、热噪声和激 光器自发辐射噪声等。
80%
信噪比改善
通过降低噪声、提高信号功率或 降低系统带宽等方法可以提高信 噪比，从而提高接收机灵敏度。
动态范围
动态范围
系统正常工作所需的输入信号功率范围，即最大可承受的信号功率与 阈值信号之间的差值。
光纤通信第1至第3章试题
光纤通信第一至第三章考试试题一、一台接收机需要10mW的输入光功率，如果系统的损耗是50dB试问光源需要发送的光功率是多少？(5 分)二、GPON ONU 雷射焊接版本, Xiaolan正在協助Robin評估用哪種BOSA結構設計. 其中有一款跳線stub端面斜6度, 为最佳偶光效率, Chiu提出將base xy面傾斜一個角度. 請計算出base應傾斜幾度? 请画图表示跳線端面, base的關係. ( 請問试计算从receptacle 的斜8°角出射的光偏转角度是多少？)（15分）三、Robin請Fred考慮filter造成的laser出光偏移, 並且依此修正base孔的位置. 請帮Fred計算孔位应修正多少? 画图表示光線經過filter的偏折狀況. ( 试计算一束光经过45°filter后平移的距离是多少？45°filter的折射率为1.46，厚度为0.3mm（15分）四、在生产中常说的L1和L2的关系是怎么得来的？（5分）五、Fiber的数值孔径为 0.14, lens的为0.1, lens LD端为0.4，试计算出所对应的角度,是不是所有的光都可以進fiber? 为什么? （10分）六、用焦距为20mm，直径为10mm的透镜聚焦一束均匀的准直光束，假设波长为0.8um，计算聚焦光斑的大小。
（5分）七、对于二氧化硅，假设光源波长为0.85um，谱宽为30nm，试计算单位距离上的脉冲展宽，当光源谱宽为2nm时，单位距离上的脉冲展宽又是多少？两者相比说明了什么？（10分）八、对于空气-玻璃界面，计算发射功率和传输功率所占的比列。
计算获得零反射的涂覆层的折射率大小，若要使反射损失降低到1.4%，需要镀什么材料的膜？膜厚是多少？假设玻璃折射率为1.5（10分）九、写出全反射临界角表达式并画折射反射图。
(提示:Danny提供的ppt)（5分）十、1322-00369所用TO 1312-00250谐振腔的长度为0.3mm，腔内填充介质为InGaAsP,试计算相邻纵模间的频率间隔和波长间隔。
《光纤通信》第3章课后习题答案
1．计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做同样的计算。
解：波长为1m λμ=的光子能量为834206310// 6.6310 1.991010c m s E hf hc J s J mλ---⨯===⨯⋅⨯=⨯ 对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为346286.6310110 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯346266.631010010 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为20.14/I W cm =。
如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。
解：光子数为3484441660.14 6.6310310101010 3.98100.710c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯=⨯=⨯=⨯=⨯⨯ 3．如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。
解：粒子数为3482161 6.6310310 3.98100.510c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯====⨯⨯ 4．光与物质间的相互作用过程有哪些？答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。
5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。
处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。
6．什么是激光器的阈值条件？答：阈值增益为1211ln 2th G L r r α=+其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。
当激光器的增益th G G ≥时，才能有激光放出。
（详细推导请看补充题1、2）7．由表达式/E hc λ=说明为什么LED 的FWHM 功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？证明：由/E hc λ=得到2hc E λλ∆=-∆，于是得到2E hc λλ∆=-∆，可见当E ∆一定时，λ∆与2λ成正比。
光纤通信原理第三章4 影响接收机灵敏度的主要因素
S () Hof () Ham ()Heq () = A()
均衡网络的传递函数为：
（1）可变均衡器 原理图
等效图
4.眼图分析法
眼图：
均衡电路输出的随机脉冲序列输 入到示波器的Y轴；
时钟信号作为外触发信号.
一个实际输出的眼图
眼图
Formation of eye diagram
Transmitter “eye” mask determination
Eye diagram degradations
Computer Simulation of a distorted eye diagram
模型化的眼图
§5.2 动态范围和自动增益控制（AGC） 电路
1.接收机的动态范围 接收机的动态范围：
§4 影响接收机灵敏度的主要因素
放大器噪声 比特率 占空比 消光比
1.放大器噪声对接收机灵敏度的影响 性能好的PIN散粒噪声和暗电流噪
声可以忽略，APD则不能忽略。
降低放大器的噪声是提高接收机 灵敏度的关键之一。
对于ＡＰＤ：
•信号功率在倍增的过程中被放大G2 倍，
但散粒噪声被放大了G2+x倍。
•放大器的噪声是与Ｇ无关的。
2.放大器电压自动增益控制电路
自动增益控制方法：
改变放大器本身的参数，使增益发生变 化
在放大器级间插入可变衰减器，使增益 发生变化
常用的AGC电路有：
采用双栅极场效应管的AGC控制电路 改变差分放大器工作电流的AGC电路 分流式控制电路 输入端插入电控衰减器的控制方式
§5.3再生电路
作用： 把放大器输出的升余弦波形恢复成数
在滤波前需要对信号进行非线性处理
精品文档-光纤通信(第二版)(刘增基)-第3章
第3章 通信用光器件
(2) 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为 光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1(b)。
(3) 在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到 低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称 为受激辐射，见图3.1(c)。
2. PN结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在这 种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连 续分布的能带，如图3.2。能量低的能带称为价带，能量高的能 带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec －Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。
第3章 通信用光器件
图 3.4 (a) 激光振荡；(b) 光反馈
第3章 通信用光器件
另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在 透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相等(满足 振幅平衡条件)时，在谐振腔内就会建立稳定的激光振荡，其 阈值条件为th＝＋1 2L
ln
1 R1R2
(3.4)
(3.3)
P(E)→0，这时导带上几乎没有电子，价带上填满电子。Ef称 为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状
态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
第3章 通信用光器件
一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用 Ef位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。在本征半导体中掺入施 主杂质，称为N型半导体。在N型半导体中，Ef增大，导带的电 子增多，价带的空穴相对减少，见图3.2(b)。在本征半导体 中，掺入受主杂质，称为P型半导体。在P型半导体中，Ef减小， 导带的电子减少，价带的空穴相对增多，见图3.3(c)
光纤通信原理 第三章 光纤通信技术
图 双纤单向WDM传输
(2) 单纤双向传输。 双向WDM传输是指光通路在一根光 纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示，所用波长相 互分开， 以实现双向全双工的通信。
1 光发射机 1
光接机 1
…
…
n 光发射机 n 1′ 光接收机
复用/解复用器
…
n′ 光接收机
1…n
光纤 放大器
n＋1…2n
光接收机 n
在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号 传输的任务。
反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。
1 光发射机
1
…
复用器
n 光发射机 n
1′ 光接收机 n′ 光接收机
…
解复用器
光纤放大器 1…n
光纤放大器 1…n
解复用器
光接收机
1
…
光接收机 n
复用器
1 光发射机
1′
…
n 光发射机
n′
如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输， 我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)处设置以波长为单位 对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下 路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层 上面就会形成一个新的光层。
在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来， 形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息 传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放， 这就是目前引人注目的、 新一代的WDM全光网络。
复用/解复用器 n＋1
光发射机
1′
…
2n 光发射机
n′
图 单纤双向WDM传输
双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系 统因素：
(整理)第三章 光发射机
第 3 章光发射机3．1 概论在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。
Components of an optical transmitter光发射机的关键器件是光源，光纤通信对光源的要求可以概括为：( 1 ）光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;( 2 ）有足够高的、稳定的输出光功率；( 3 ）电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高；( 4 ）单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；( 5 ）易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输；( 6 ）强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比；( 7 ）光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。
光纤通信中最常用的光源是半导体激光（LD ）和发光二极管（LED ) ，尤其是单纵模（或单频）半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用。
近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM 光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。
对半导体光源可以进行直接调制，即注入调制电流而实现光波强度调制。
直接调制光发射机框图上图是按数字调制设计的，如果采用模拟调制，除编码电路外，其他结构完全相同。
信号经复用和编码后，通过调制器对光源进行光强度调制。
发送光的一部分反馈到光源的输出功率稳定电路，即光功率控制（AGC ）电路。
因为输出光功率与温度有关，一般还加有自动温度控制（ATC ）电路。
外部调制光发射机框图上图是采用外部调制器的光发射机电路，光源发出的连续光信号，送入外部调制器，信息信号经复用、编码后通过外部调制器对连续光的强度、相位或频率进行调制。
大多数情况均采用直接调制光载波的调制方式，但是在高速率 DWDM 系统和相干检测系统中必须采用光的外部调制。
光发射机的比特速率常常由电子器件所限制，而不是半导体激光器本身。
合理的设计可使光发射端机工作在 10 ~15 Gb/s 速率。
光纤通信第四版课后答案张德民胡庆
光纤通信课后答案第一章基本理论1、阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么?答:当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即O<V<2.40483时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。
2、管线的损耗和色散对光纤通信系统有哪些影响?答:在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一，在很大程度上决定着传输系统的中继距离;光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
3、光纤中有哪几种色散?解释其含义。
答: (1）模式色散:在多模光纤中存在许多传输模式，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，而产生了模式色散。
(2）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，由此引起的色散称为材料色散。
(3）波导色散:统一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此引起的色散称为波导色散。
5、光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响?答: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以及信号载波的移动等，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。
6、单模光纤有哪几类?答:单模光纤分为四类:非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤、截止波长位移单模光纤、非零色散位移单模光纤。
7、光缆由哪几部分组成?答:加强件、缆芯、外护层。
*、光纤优点:巨大带宽(200THz)、传输损耗小、体积小重量轻、抗电磁干扰、节约金属。
*、光纤损耗:光纤对光波产生的衰减作用。
引起光纤损耗的因素:本征损耗、制造损耗、附加损耗。
*、光纤色散: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，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，导致信号的畸变。
引起光纤色散的因素:光信号不是单色光、光纤对于光信号的色散作用。
色散种类:模式色散(同波长不同模式)、材料色散(折射率)、波导色散(同模式，相位常数)。
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光辐射与光吸收
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，或称能级的跃迁。若交换的能量是 光能，则称为光跃迁。光跃迁同时存在着光的自发 辐射、受激辐射和受激吸收三种不同的基本过程。
光辐射与光吸收
自发辐射：
处于高能态的电子按照 一定的概率自发地跃迁到低 能态上，并发射一个能量为 E2-E1的光子；
光辐射与光吸收
当系统处于热平衡状态时
N2 exp( E2 E1 )
N1
kT
式中， k=1.381×10-23J/K为波尔兹曼常数，T为热力学温度。 由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 电子 总是首先占据低能量的轨道。
的N反2＞常N情1的况情，况称是之一为种粒处子于数非反热转平分衡布状，态必下须
第三章 光源和光检测器
3.1 光电器件一般工作原理 3.2 半导体激光器 3.3 半导体发光二极管 3.4 光电检测器
主要内容
光电器件一般工作原理 半导体激光器 ：原理、特性、结构，典型 的半导体激光器 半导体发光二极管 ：原理、结构、特性 光电检测器 ：PIN 、APD
半导体光源和光检测器优点
对于半导体激光器，当注入电流大于阈 值时，导带和价带自发辐射谱中那些既满足 驻波条件，同时增益又足以克服损耗的光频 率，能够在谐振腔里建立起稳定的振荡并形 成一系列强场，其它光则受到抑制，从而使 输出光谱发生明显的模式分化，呈现出围绕 一个或多个模式振荡的特点。这种受激振荡 的模式就称为激光器的纵模。
半导体激光器的模式增益谱
F-P腔中满足谐 振条件的纵模是均 匀分布的：
激光器的纵模性质
纵模数随注入电流变化 (电流增加纵模数减小）
P区
PN 结空 间电 荷区
扩散 漂移
N区
PN结
费米能级表征电子在导带和价带的占居几率。在 费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
处于热平衡状态时， PN结两侧的费米能级相等。
内建电 场由N 区指向 P区
PN结
当正向电压加大到某一值后， PN结里出现增益区（有 源区）。
在Efc和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子 占据，即实现了粒子数反转分布。 势垒降低，费米能 级分裂
光子随机 地向各个方向 发射，每次发 射没有确定的 相位—非相干 光。LED发光。
光辐射与光吸收
受激辐射 ：
处在高能态的电子在外界 光场的感应下，发射一个和感 应光子相同光子态的光子，跃 迁到低能态。
光辐射与光吸收
受激吸收 ：
如果入射光子的能量h 近似等于E2-E1，光子能量就 会被吸收，同时基态上的电 子跃迁到高能态。半导体光 检测器基于这种效应。
法布里—珀罗（F-P）谐振腔
F-P谐振腔是一种最简单的光学反馈装置，它 由一对平行放置的平面反射镜（通常直接利用半导 体晶体材料的天然解理面）组成 。往返反射构成 正反馈。
实现稳定振荡必须满足的
振幅条件
GF 1
相位条件 GF 2m
m为整数
G和F分别为基本放大器和反馈网络的正 向传输函数
振幅条件
光在F-P谐振腔内的传播同时受到增益和 衰减两大相互矛盾因素的共同作用
一方面，在外部激励源的作用下，激光 器内部形成粒子数反转的有源区，往返传输 的光子不断诱发受激辐射，使得光信号不断 增强。
另一方面，腔内也存在着衰减，例如镜 面的反射衰减（镜面反射率总是小于1）、 工作物质的吸收和散射衰减等
3.2 半导体激光器
LD 适合于作高速长距离光纤通信系统的光 源。 优点：辐射功率高；发散角窄；与单模光纤耦合 效率高；辐射光谱窄；能进行高速直接调制。 激光二极管LD通过受激辐射发光； LD可以发出单色性和定向性好、强度和相干性高 的光
自激振荡原理
放大器： 有源区（又称为增益 区）是实现粒子数反 转分布、有光增益的 区域
光辐射与光吸收
N2＜N1
设媒质中低能级E1上的电子密度为N1，高能级 E2上的电子密度为N2，当N2＜N1时，受激吸收过程 占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减， 光波被吸收
N1＜N2
若媒质中N2＞N1，则受激辐射占主导地位，光 波经过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。
称为激活物质。
当光信号往返传输一周幅度不发生变化 时称为达到阈值状态。
相位条件
沿轴向发射的光在谐振腔中往返一周的光程差 为2nL（L为腔长，n为介质的折射率），对应的相 位延迟为2π·(2nL/λ)
则发生相长干涉的条件：
2π·(2nL/λ)＝q ·2π q为整数
即： 2nL/λ＝q
又： =c/ λ 则
谐振腔的选频特性
要有外界的泵浦才能实现
能带理论——针对半导体材料 导带 禁带
价带
N型半导体中过剩电子占据了导带 P型半导体中过剩空穴占据了价带
PN结
在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存 在多数载流子浓度梯度，因而产生扩散运动，形成内 部电场
内部电场支持少数载流子的漂移运动，最终两种 运动处于平衡状态
光反馈装置 ： 光学谐振腔提供必要 的正反馈以促进激光 振荡
半导体激光器中增益区的形成
半导体激光器是一种PN结构成的二极 管结构，通过注入正向电流进行泵浦，当 注入电流达到一定的阈值后，在结区形成 一个粒子数反转分布的区域，价带主要由 空穴占据，而导带主要由电子占据。对于 光子能量满足Eg＜hv＜e0V 的光子有光放 大作用，这个区域被称为有源区，半导体 激光器的光激射就发生在这个区域
体积小 效率高 可靠性高 工作波长与光纤低损耗窗口相对应 便于与光纤耦合 工作速率高
3.1 光电器件一般工作原理
光辐射与光吸收
能级理论：
原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组 成； 能级所对应的能量值是离散的。 电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能 量发生能级跃迁；
q
q
c 2nL
q
c 2nL
谐振腔的选方向性
在轴向自发辐射的诱发下，在轴向产生光的 受激发射，从而获得光的受激放大。被受激放大 的光在腔镜处反射后，又继续在轴向获得受激放 大。
非轴向的自发辐射经有限次往返反射后，逃 逸出腔外。
激光器的模式分析
F-P腔激光器的模式类型
纵模的概念与性质