光纤通信技术教案

光纤通信技术教案
第1章光纤通信概述光纤通信的基本概念 1.光纤通信光纤通信是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。

2.光波特性光速：①在真空中：v??f，c??of ②在介质中：v?c/n 光是电磁波：TM、TE、TEM 光具有二重性①波动性：光具有反射、折射、衍射和干涉等。

②粒子性：光具有能量、动量和质量等。

3.电磁波谱光纤通信的特点1.优点传输频带宽，通信容量大传输损耗小抗电磁干扰光纤线径细、重量轻制作光纤的资源丰富 2.缺点光纤弯曲半径不宜过小光纤的切断和连接操作技术要求高分路、耦合操作繁琐光纤通信系统的基本组成目前光纤通信系统多采用强度调制/直接检波。

1.光发射机光发射机的主要作用是将电信号转换成
光信号耦合进光纤。

光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体激光器或半导体发光二极管。

2.光接收机光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用光电二极管和雪崩光电二极管。

3.光中继器光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。

光纤通信的发展趋势 1.向超高速光纤系统发展 2.向超大容量WDM系统发展 3.向光传送网方向发展 4.向光纤发展 5.向宽带光纤接入网方向发展第2章光导纤维光纤的结构和分类光纤的结构 1.纤芯层位置：光纤的中心部位，折射率为n1。

尺寸：单模光纤的直径d1=2a=4μm～10μm，多模光纤的直径d1=50μm。

材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂。

2.包层位置：位于纤芯的周围，折射率为n2。

尺
寸：直径d2=2b=125mm 材料：同上，使得n1＞n2，以便光信号封闭在纤芯中传输。

3.涂覆层位置：位于光纤的最外层尺寸：涂覆后的光纤外径约为作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤。

光纤的分类 1.按照光纤折射率分布不同来分阶跃型光纤纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。

渐变型光纤纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。

2.按照纤芯中传输模式的多少来分单模光纤
①定义：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。

②尺寸：纤芯直径约为4～10μm。

多模光纤
①定义：在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。

②
尺寸：纤芯直径约为50μm。

用射线理论分析光纤的导光原理分析光纤导光原理有两种基本的研究方法：◆射线理论法◆波动理论法光学基础知识 1.折射率：n?cv 2.反射定律：?1= ?3 3.折射定律：n1sin?1= n2sin?2 4.全反射：sin?c?n2n1 阶跃型光纤的导光原理 1.相对折射指数差△定义：n1和n2的相差程度公式：??n1?n22n1222 ??n1?n2n1弱导波光纤n1≈n2 2.阶跃型光纤中的光射线种类子午射线①轴心线：OO’②子午面：过轴心线的平面③子午线：过轴心线，在同一个子午面内。

斜射线：不过轴心线，不在同一个子午面内。

3.子午线的分析折射定律：n0sin??n1sin?2?n1sin(? sin??n1n0cos?1?n1n0?2??1)?n1cos?1 21?sin?1①全反射定律：sin?1≥n2n1②将公式②代人公式①得，sin?≤4.数值孔径定义：光纤捕捉光射线能力公式：
NA?n1n01?(n2n1)?sin?≤n1?n2 222n1?n2?n12? 22
渐变型光纤的导光原理 1.渐变型光纤中的子午线渐变型光纤中的射线，也分为子午线和斜射线两种。

渐变型光纤于芯子中的折射指数n1是随半径r变化的，因此子午线不是直线，而是曲线。

不同入射条件的子午线，在芯子中，将有不同轨迹的折射曲线。

渐变型光纤靠折射原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传输。

图渐变型光纤中的子午线于渐变型光纤芯子中的折射指数n1随半径r 变化，因此可将纤芯分成若干层折射指数不同的介质。

射线轨迹与芯子中折射率分布n(r)有关，也和射线的入射条件有关。

2.子午线的轨迹方程图子午线的行进轨迹渐变型光纤子午线的轨迹方程Z??n0N0n(r)?nN22020dr?c 3.渐变型光纤的最佳折射指数分布在渐
变型光纤中，于芯子中的折射指数分布不均匀，因此光射线的轨迹将不再是直线而是曲线。

当射线的起始条件不同时，将有不同的轨迹存在。

如果选用合适的n(r)分布，就有可能使芯子中的不同射线以同样的轴向速度前进，从而可减小光纤中的模式色散。

光纤的自聚焦渐变型光纤中，不同射线具有相同轴向速度的现象称为自聚焦现象，这种光纤称为自聚焦光纤。

具有不同起始条件的子午线，如果它们的空间周期长度相同，则这些子午线将同时到达终端，就可以在光纤中产生自聚焦。

这种可使光纤中产生自聚焦时的折射率分布，称为最佳折射指数分布。

图射线轨迹最佳折射指数分布的形式??表达式：n(r)?n(0)1?2?()g?ar12 4. 渐变型光纤相对折射指数差??n2?r??n2222n?r??r??n22 5. 渐变型光纤数值孔径NA(r)?n2?n(r)2? 当
折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕捉射线的能力就越强。

用波动理论分析光纤的导光原理波动理论有两种分析方法：◆矢量解法：有大小，有方向。

◆标量解法：有大小，无方向。

1.标量近似解法◆在弱导波光纤中，光射线几乎与光纤轴平行。

◆弱导波光纤中的E和H几乎与光纤轴线垂直。

◆把E和H 处在与传播方向垂直的横截面上的这种场分布称为是横电磁波，即TEM波。

于E近似在横截面上，而且空间指向基本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的空间矢量E变为沿传输方向其方向不变的标量E。

因此，它将满足标量的亥姆霍兹方程，通过解该方程，求出弱导波光纤的近似解。

这种方法称为标量近似解法。

2.标量解的场方程的推导思路首先求出横向场Ey的亥姆霍兹方程将式在圆柱坐标中展开得出用分离变量法求解横向场Ey 根据麦氏方程中E和H
的关系可得出横向磁场Hx的解答式根据电场和磁场的横向分量可用麦氏方程求出轴向场分量EZ、HZ的解答式 3.标量解的场方程坐标选取◆直角坐标系◆圆柱坐标系解场方程场方程中的参数①导波径向归一化相位常数U=n1k②导波径向归一化衰减常数W?2220??a 2202??n2ka ③归一化频率V?n1k0a2??Jm?1(U)Jm(U)2?n1a2??0Km? 1(W)Km(W) 4.标量解的特征方程U?w UJm?1(U)Jm(U)??WKm?1(W)Km(W) 5.阶跃型光纤标量模特性的分析标量模的定义①极化：就是指随着时间的变化，电场或磁场的空间方位是如何变化的。

一般人们把电场的空间方位作为波的极化方向。

②线极化：如果波的电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹为一直线时，就把这种极化称为直线极化。

③弱导波
光纤可认为它的横向场是线极化波，以LP表示。

在这种特定条件下传播的模式，称为标量模，或LPmn模。

截止时标量
模的特性①截止的概念形成
导波的条件：?c??1?90?k2k1 当??k2=k0n2时，导波截止的临界条件。

当??k2=k0n2时，光纤中出现了辐射模时，即认为导波截止。

②截止时的特征方程：Jm?1(U)?0 ③截止情况下LPmn模的归一化截止频率Vc ④阶跃型光纤的单模传输条件◆LP01模Vc=Uc=0 ◆LP11模Vc=Uc= ◆单模传输的条件是：0＜V＜远离截止时
标量模的特性①远离截止当
V→∞时，即为远离截止。

②远离截止时标量模的特征方程：Jm(U)?0 ③远离截止时LPmn模的U值 6.阶跃光纤中导模数量的估算条件：当0当V＞时，为多模光纤。

公式：M?V22 单模光纤单模光纤的折射率分布1．阶跃型单模光纤折射率
分布形式于纤芯材料和包层材料不同，在制造过程中，它们相互向对方扩散，渗透，使得在纤芯和包层的交界r=a处，折射率n1逐渐变化到n2，呈“圆形”变化，如图。

图阶跃型单模光纤折射率分布于在预制棒制作过程中，形成纤芯r=0处，折射指数下陷，这就是通常所说的MCVD制造工艺所引起的一种典型缺陷，如图。

2．下凹型单模光纤折射率分布形式在纤芯和包层之间设立折射率比包层折射率还低的中间层，或称为内包层。

采用这种结构形式是为了减小单模光纤的色散，可以使材料色散和波导色散相互抵消。

单模传输的理论分析1．单模传输的条件：0 UJ?1(U)J0(U)J1(U)J0(U)??WK?1(W)K0( W)K1(W)K0(W) U??W 3．单模光纤的特征参数衰减系数α ??10LlogPiP0 截止波长?c?2?2?an1Vc 模场直径d模场直径是描述光纤横截面上，基模场强分布
的物理量。

单模光纤的双折射理论上单模光纤中只传输一个基模，但实际上，在单模光纤中有两个模式，即横向电场沿y方向极化和沿x方向极化的两个模式。

它们的极化方向互相垂直，这两种模式分别表示为LP01y和LP01x。

在理想的轴对称的光纤中，这两个模式有相同的传输相位常数β，它们是相互简并的。

但在实际光纤中，于光纤的形状、折射率及应力等分布得不均匀，将使两种模式的β值不同，形成相位差Δβ，简并受到破坏。

这种现象叫做双折射现象。

1.线偏振、椭圆偏振和圆偏振偏振即极化的意思，是指场矢量的空间方位。

一般选用电场强度E来定义偏振状态。

如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等、相位相差π/2，则合成的电场矢量将随着时间t的变化而围绕着传播方向旋转，其端点的轨迹是一个圆，称
为圆偏振，如图所示。

如果电场
强度的两个分量空间方向相互垂直，且振幅和相位都不相等，则随着时间t的变化，合成矢量端点的轨迹是一个椭圆，称为椭圆偏振，如图所示。

2.单模光纤的双折射双折射的概念在单模光纤中，电场沿x方向或y方向偏振的偏振模LPx及LPy，当它们的相位常数不相等时，这种现象称为模式的双折射。

双折射的分类①线双折射在单模光纤中，如果两正交方向上的线偏振光的相位常数β不相等，引起的双折射称为线双折射。

②圆双折射
在传输媒质中，当左旋圆偏振波和右旋圆偏振波有不同的相位常数时，将引起该两圆偏振光不同的相位变化，称为圆双折射。

③椭圆双折射当线双折射和圆双折射同时存在于单模光纤中时，形成的双折射称
为椭圆双折射。

双折射对偏振状态的影响单模光纤中，光波的偏振状态
是沿传播方向作周期性变化的。

双折射对偏振状态的影响如图2-17所示。

LB?2??x??y?2式中Δβ=βx-βy，称为偏振双折射率。

光纤的传输特性光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性。

光纤的损耗特性 1.吸收损耗吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。

造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂
质吸收。

本征吸收本征吸收是
光纤基本材料固有的吸收，并不是杂质或者缺陷所引起的。

因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收的下限。

吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个
是红外吸收带。

杂质吸收杂质吸收是玻璃材料中含有铁、铜等过渡金属离子和OH离子，在光波激励下离子振动产生的电子阶跃吸收光能而产生的损耗。

2.散射损耗于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。

散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。

线性散射损耗主要包括瑞利散射和材料不均匀引起的散射，非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里渊散射等。

3.弯曲损耗光纤的弯曲会引起辐射损耗。

光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。

4.光纤损耗系数定义：传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数。

表达式：?＝10LlgP1P2?dB/km? 光纤的色散特
性 1.光纤色散的概念光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。

2.光纤色散的表示方法色散的大小用时延差来表示。

时延时延即指信号传输单位长度时，所需要的时间，用τ表示。

时延差不同速度的信号，传输同样的距离，需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种时延上的差别，称为时延差，用Δτ表示。

时延差可不同的频率成分引起，也可不同的模式成份引起。

时延并不代表色散的大小，色散的程度应用时延差表示，时延差越大，色散就越严重。

3.材料色散于光纤材料本身的折射指数n和波长λ呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。

4.波导色散光纤中同一模
式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。

5.模式色散光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数βmn不同，它所引起的色散称为模式色散。

光纤的非线性效应受激光散射效应瑞利散射：一种线性散射，仅仅改变光的传播方向，而散射光的频率是不变的。

受激散射：一种非线性散射，能量从入射波转移到另一个波。

在此过程中低频率处的具有小能量差的散射波以声子的形式释放。

入射波可被看成是一种泵浦波，散射波被称为斯托克斯波.受激散射的结果：使得承载信息的入射光信号衰减1。

受激喇曼散射(SRS): 散射光(stokes)主要向前移动，其频率属于光频范围。

单信道时SRS阈值功率较大，因此在单信道系统(如SDH)中可以忽略；但在WDM系统中，SRS会造成功率从短波长信道到长波长信道的转移,会引发BER和系统性能下降。

SRS的
有效频率范围较宽(Δf≈10THz)，从而在许多信道中都会发生SRS，进一步降低系统性能。

2.受激布里渊散射(SBS)：散射光(stokes)主要向后移动，其频率属于声频范围。

单信道时SBS阈值功率较小,因此对单信道系统是个问题。

SBS的有效频率范围很窄(Δf≈20MHz)，对WDM几乎没有影响。

光纤折射率随光强度变化而引起的非线性效应光纤在强光作用下折射率的表达式。

n?n0?n2E2此时光纤的折射率不再是常数，而是与光波电场E 有关的非线性参量。

式中n2称为非线性克尔系数。

折射率随强度的变化引起的非线性效应，最重要的是自相位调制，交叉相位调制及四波混频。

1. 自相位调制在强光场的作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线性的折射率使得光纤中所传光脉冲的前、后沿的相位相对漂移。

这种相位的变化，必对应于所传光脉冲的频谱发生变化，这个变化的频率称为啁啾。

把光脉冲在传
输过程中于自身引起的相位变化而导致光脉冲频谱展宽的这种现象称为自相位调制。

SPM因色度色散引起脉冲展宽；对于进入光纤时的高传播功率，SPM 可以压缩脉冲。

SPM主要影响单信道系统。

2. 交叉相位调制当光纤中有两个或两个以上不同波长的光波同时传输时，于光纤非线性效应的存在，它们之间将相互作用。

光纤中于自相位调制的存在，因此一个光波的幅度调制将会引起其它光波的相位调制。

这种光纤中某一波长的光强对同时传输的另一不同波长的光强所引起的非线性相移，称为交叉相位调制。

在WDM系统中将发生XPM。

3.四波混频当三个EM波(ω1,ω2,ω3)同时在光纤中传播时，因光纤的电极化率包含非线性部分而产生了
第四个EM波(ω1±ω2±ω3),从某种意义上说不是一个波而是多个波。

第四个光波的频
率可以是三个入射光波频率的各种组合，把这种现象称之为是非线性介质引发多个光波之间出现能量交换的一种响应现象。

第四个光波的功率在频率接近零色散波长时达到峰值。

四波混频现象对系统的传输性能影响很大，包括增系统误码率和信道之间的串扰。

光孤子通信1．光孤子? 从物理学的观点看，光孤立子是光非线性光学的一个特殊产物。

? 孤立子又称孤子、孤立波，它是一种可以长距离、无畸变传输的电磁波。

? 光脉冲波就像一个个孤立的粒子一样，因此称其为孤立子。

2．光孤立子的产生机理? 折射率n与相位φ之间存在确定的关系。

? 一个光脉冲的前沿光强的增大将会引起光纤中光信号的相位增大，随之造成光信号的频率降低，进而使光纤中光脉冲信号的脉冲前沿传输速度降低。

? 如果所传信号是强的
光脉冲，则光纤非线性效应使脉冲变窄的作用正好补偿了色散效应使脉冲展宽的影响。

? 那么，可以想像这种光脉冲信号在光纤的传输过程中将不会产生畸变，脉冲波就像一个一个孤立的粒子那样传输，故称孤立子。

3．光纤损耗对光孤子传输的影响损耗对光孤子宽度的影响? 即使光孤子发生展宽，但与不存在非线性影响情况下的展宽相比要小的多，因此对光纤通信系统来说，非线性影响是有益的。

? 如果使用高阶光孤子来分析的话，也可以得到同样的结论。

而且在8Gbit/s传输速率、光孤子的峰值功率为3mW条件下，预计中继距离可增加两倍。

利用光孤子放大补偿光损耗
为克服光纤损耗的影响，需要对光孤子周期性地放大，以便恢复其最初的宽度和峰值功率。

①集中光孤子放大②
分布放大第3章光纤通信器
件光源激光器的物理基础 1.光子的概念◆光具有二重性，即波动性和粒子性。

◆不同频率的光子具有不同的能量。

◆一个光子具有的能量为：E=hf 2.费米能级原子能级物质是原子组成的，而原子是原子核和核外电子构成的。

原子核带正电，电子带负电。

正负电荷数相等，整个原子呈中性。

当原子中电子的能量最小时，整个原子的能量最低，这个原子处于稳态，称为基态；当原子处于比基态高的能级时，称为激发态。

通常情况下，大部分原子处于基态。

费米能级①
当T>0k时：E>Ef ：f(E) 1212，能级E被电子占据几率小。

，能级E被电子占据几率大。

②当T ＝0K时：E>Ef ：f(E)=0 E光和物质的相互作用有自发辐射、受激吸收和受激辐射三种。

自发辐射：物质在在无外来光子激发下，高
能级E2上的电子，于不稳定，自发地向低能级E跃迁，多余的能量以发光的形式表现出来，这个过程叫做自发辐射。

受激吸收：物质在外来光子的激发下，低能级E1上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级E2上，这个过程叫做受激吸收。

受激辐射：处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。

于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。

激光器的工作原理 1.粒子数反转分布要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。

这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。

2.激光器的基本组成激光振荡器必须包括以下三个部分：激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔。

3.光学谐振腔光学谐振腔的结构。

在增益物质两端，适当的位置，放置两
个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。

如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。

对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r在激光器中，首先泵浦源激励激光工作物质，产生粒子数集居反转分布。

同时，于自发辐射也将产生自发辐射光子。

这些光子辐射的方向是任意的，它们之中凡是沿与谐振腔轴线夹角较大的方向传播的光子，将很快逸出腔外，只有那些沿与谐振腔轴线夹角较小的方向传播的光子流，才有可能在腔内沿轴线方向来回反射传播，在腔内的激活物质中来回穿行。

受激辐射连锁反应，象雪崩般的加剧，当光功率达到一定程度时，在部分反射镜M2的一侧输出一个高功率的平行光子流。

在这一过程中于受激辐射跃迁而产生大量的全同光子，这就是激光。

4.激光器的参量损耗系数α 增益系数G
阈值条件Go 相位平衡条件半导体激光器 1.半导体激光器的结构◆半导体激光器的结构有两种：F-P腔激光器和DFB-分布反馈型激光器。

◆F-P腔激光器从结构上可分为同质、单异质和双异质半导体激光器三种。

2.半导体激光器工作原理本征半导体的能带分布：未掺杂的半导体P型半导体和N型半导体在重掺杂情况下，P-N型结的能带分布。

P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。

3.半导体激光器的工作特性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，用It表示。

光谱特性半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。

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。

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
效率来表示。

光电检测器◆光电检测器是将光信号转换为电信号。

◆常用的半导体光电检测器有PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管两种。

半导体的光电效应半导体光电效应：第一步，当光照射到半导体的P-N结时，若光子能量足够大，则价带中的电子吸收光子，获得能量的电子跃迁到导带，同时在价带中留下了空穴，即光电子-空穴对，又称光生载流子。

第二步，光生载流子在外加偏置电压和内建电场的作用下，电子-空穴对的运动形成了电流，这个电流常称为光生电流。

图半导体材料的光电效应当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子—空穴对产生，显然必须满足如下关系，即E?hf?hc??Eg其中，E为一个光子的能量，Eg为禁带的宽度。

截止频率：fc?EghhcEg 截止波长：?c? 【结论】只有入射光波长λPIN光电二极管的结构如图所示。

在高掺杂的P
型和N型半导体之间，生长一层低掺杂的N型半导体，因为这一层的掺杂浓度很低，近乎本征半导体，故称I层。

在PIN管结构中P+和N+区非常薄，而低掺杂的I区很厚，外加负偏压进一步驱除了I区的载流子，常常使得耗尽几乎占据了整个PN结，从而使光子在零电场区被吸收的可能性很小，而在耗尽区里被充分吸收。

即吸收区近似等于作用区光电转换效率提高。

图PIN光电二极管结构和能带图雪崩光电二极管雪崩光电二极管，又称APD。

它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。

的雪崩效应APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了。