1、第5章 光纤通信系统,5.1 概述,2,1、光纤通信发展的历史和现状,光通信：指一切运用光作为载体而传送信息的所 有通信方式的总称。,（1）最早的光通信烽火台 旗语（F1赛车）,（2）光电通信方式贝尔的光电话,弧光灯,图1 贝尔光电话,存在的问题： （1）光在大气中的传送受到气象条件的限制 （2）太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作为通信的光源。（“光不纯”）,要用光通信，要解决两个问题： （1）传输媒介：稳定的，低损耗的传输媒质 （2）光源：高强度可靠的光源,2、光纤通信系统的组成,光纤通信概念：以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式,光纤通信系统基本三大模块：光发射机、光纤线路、光接
2、收机,光源一般分为：发光二极管LED半导体激光器LD,传输媒介-光纤（光导纤维）,最初制作的光纤,衰减损耗特别大，20世纪60年代，最好的光纤的损耗也在1000dB/km1970年，美国康宁公司成功制成了20dB/km的光纤1986年，0.154 dB/km的光纤，衰减接近理论极限,图2 光纤通信系统示意图,光发射机主要功能：电光转换常用光源： 半导体激光器、半导体发光二极管等,图3 光发射机示意图,光纤线路 功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机 组成：光纤、光纤连接器、光中继器等,光接收机 功能：把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱光信号转为电信号，并
3、经放大和处理后恢复成发射前的电信号 主要组成部分：光检测器（核心） 功能：光/电转换 光接收器件： PIN光电二极管 、雪崩光电二极管,3、光在电磁波谱中的位置,光也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率高得多。红外线、可见光和紫外线均属于光波的范畴。,光纤通信所用光波的波长范围为0.8um 至1.8um ，属于电磁波谱中的近红外区。,4、光纤通信中常用的低损耗窗口,图4 光纤的损耗特性曲线（P158),0.85 um、1.31um 和1.55um 左右是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。,5、光纤通信特点,光纤通信优点：,传输频带宽，传输容量大光纤损耗低，中继距离大抗电磁干扰能力强尺寸小，
4、重量轻，便于施工维护绝缘性好，耐腐蚀性强，寿命长资源丰富，节约有色金属和能源,1、什么是光纤通信？ 2、光纤通信系统的基本组成部分？ 3、与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信有何优点？ 4、为什么说使用光纤通信可以节约大量有色金属？ 5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？ 6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？ 7、红外线是人眼看不见的光，其波长范围是多少？ 8、近红外区：其波长范围是多少？ 9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？ 10、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长分别是多少？,习题1：,5.2 光纤与光缆,1、光纤的结构与类型,光纤的结构,光纤（Optical
5、 Fiber）的典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。,图5 光纤结构示意图,纤芯的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯内传输。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。,光纤的类型,按光纤截面上折射率分布分类：,阶跃型光纤、渐变性光纤,按传输的模式数量分类：,单模光纤、多模光纤,单模光纤：只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在 4m10m 范围内。,多模光纤：多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，典型尺寸为50m左右。,2、光纤的导光原
6、理,突变型多模光纤导光原理,设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1,数值孔径（十分重要的参数）根据这个传播条件，定义入射临界角的正弦为数值孔径 (Numerical Aperture, NA)。即光纤的数值孔径为：NA = n0 sin (max),光纤的数值孔径为：,NA= n0 sin (max) =,光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折射率n1和n2 ，与光纤的直径无关。光纤的数值孔径NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或max)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。,相对折射率差,n1 和n2 差值的大小直接影响着光纤的性能，为此引入相对折射率差这样
7、一个物理量来表示它们相差的程度，用表示，即,光纤的数值孔径可表示为：,【例】均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度L=10Km。试求： （1）光纤的相对折射率差； （2）数值孔径NA； （3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和相对折射率差。,3、光纤的传输特性,光纤的损耗,光纤的损耗可分为吸收损耗、散射损耗、辐射损耗。,传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用表示损耗系数，单位是dB/km。,光纤的损耗系数（衰减系数）,式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或W为单位,【例】当光在一段长
8、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。,色散是限制光纤容量和传输距离的主要因素。,光纤的色散,光纤色散概念-构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度的现象。可分为：模式色散、色度色散、偏振模色散,模式色散-在多模光纤中，不同模式下的光在同一频率下传输，由于行进轨迹不同，在同样长度光纤中传输时，需不同的时间，即模间存在时延差。,模式最大时延差（子午光线的最大时延差）,(1)：,(2)：,子午光线的最大时延差,【例】均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度L=10km。试求： （1）子午光线的最大时延差； （
9、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。,光纤色散对数字通信系统的危害,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。,几种常用单模光纤的性能及应用,G.652光纤 -常规单模光纤,特点：,在1310nm波长处的色散为零 在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm附近具有最大色散系数 可选1310nm和1550nm波长区域，最佳工作波长为1310nm. G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。,G.653光纤-色散位移单
10、模光纤 (DSF),色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状， 将零色散点从1310nm 位移到1550nm， 实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在1550nm区域。它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。在密集波分复用系统中很少采用DSF光纤。,G.655光纤-非零色散位移单模光纤,工作在1550nm波长区域，这种光纤主要适用密集波分复用传输系统。,4、光缆,光缆的构造一般由缆芯、护层、加强构件3部分组成。,缆芯是光缆的主体，指涂覆后的光纤，其作用是传输光波 。护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用。加强构件主要承受敷设安装时所加的外力。,光缆按结构形成主
11、要分为: （1）层绞式光缆； （2）骨架式光缆； （3）束管式光缆； （4）带状式光缆。,光源,光无源器件,光检测器,光器件是构成光纤通信系统的必备元件,5.3 无源光器件,全球光纤通信设备主要供应商,光有源器件（需要外加能源驱动工作）光源（LED、LD）光放大器光检测器光调制器,光无源器件 -光连接器、光耦合器、光开关、光隔离器、光衰减器、光调制器、光波分复用器,1、 光纤连接器,光纤连接器是使一根光纤与另一根光纤相连接的器件，是光波系统中使用最多的器件。,光纤连接器最重要是使两根光纤的轴心对准，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤。,光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性连接，
12、另一种是活动连接。永久性连接具有粘接法和熔接法之分，目前多采用熔接法。熔接法产生永久性的连接.,光纤的熔接图,光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在10um以下，因此熔接必须使用机器才行。,技术指标： 插入损耗：输入光功率相对输出光功率的比率的分贝数。 回波损耗：反射损耗，光纤连接处，输入光相对后向反射光的比率的分贝数。,2、 光纤耦合器,实现光信号分路/合路的功能器件，一般是对同一波长的光功率进行分路或合路，其使用量仅次于连接器。,图 22双锥形光纤耦合器,主要技术指标,插入损耗IL全部输入光功率Pin与指定输出端的光功率P1,2的比值。,附加损耗EL全部输入端光功率与全部输出端光功率的比值。,分
13、光比CR是一个指定输出端的光功率和全部输出端的光功率之和的比值。,隔离度I 反映定向耦合器反向散射信号的大小。当从0端注入光功率，1、2端输出功率时，3端对1端的隔离度定义为,【例】22双锥形光纤耦合器的输入功率为Pin=200uW,另外三个端口的输出功率分别为P1 =90W， P2 =85W， P3 =6.3nW，试计算光纤耦合器的主要性能参数。,3、 光合波器与光分波器,光合波器和光分波器是用于波分复用等传输方式中的无源光器件。可将不同波长的多个光信号合并在一起藕合到一根光纤中传输，或者反过来说，将从一根光纤传输来的不同波长的复合光信号，按不同光波长分开。前者称为合波器，后者称为光分波器。
14、,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,4、 光滤波器,光滤波器一般是采用多层介质膜作为光滤波器，使某一波长的光通过，而其他波长的光被阻止。具体结构有两类，一类为干涉滤波器，另一类为吸收滤波器，两者均可用介质膜构成。,5、 光隔离器,光隔离器是一种只允许单向光通过，阻止反射光返回的无源光器件，在光纤通信系统中，尤其在相干光纤通信系统中，为了防止各种原因产生的反射光进入激光器，影响激光器的稳定性，常需要光隔离器。,5.4 光源与光检测器,5.4.1 光源光源是光发射机的关键器件，其功能 是把电信号电流转换为光信号功率,即实现 电/光转换。目前光纤通信广泛使用的光源主要有 半导体激光器(LD)和
15、发光二极管 (LED)。,1、半导体激光器工作原理和基本结构 一、受激辐射和粒子数反转分布 （1）半导体激光器半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。,（2）激光激光，其英文 LASER 就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。,（二）光和物质相互作用,有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级 Ei
16、(i=2, 3, 4 ) 称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式。,光与物质的相互作用时，将发生:(1)受激吸收(2)自发辐射(3)受激辐射 三种基本物理过程。,(1)受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。受激吸收将使外界光能减少。,(2) 自发辐射在高能级 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，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。,(3) 受激辐射在高能级 E2 的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级 E1上，释放
17、的能量产生光辐射，这个过程是在外界条件刺激下产生的，因而称为受激辐射。受激辐射产生的光子与入射光子叠加，使光得到放大，因而受激辐射是产生激光的最重要的过程。,受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在 E1 和 E2 两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即,式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，f12 为吸收或辐射的光子频率。,（三）相干光和非相干光 （1）相干光受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。,（2）非相干光自发辐射的光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围
18、内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。,怎么保证产生受激辐射而不是受激吸收？ （四）粒子数反转分布产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级 E2 (E2 E1) 的粒子数分别为 N1 和 N2。,在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布。,式中，k = 1.38110-23 J/K，为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度。由于 (E2-E1) 0 ，T 0， 在系统处于热平衡状态下，总是 N1 N2。,（1）正常粒子分布受激吸收我们把这种 N1 N2 分布称为粒子数正常分布。在热平衡状态下，N1 N2，受激吸收大于受激辐射。当光通过这
19、种物质时，光波总是被吸收，这种物质称为吸收物质。,（2）粒子数反转分布受激辐射如果 N2 N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为 激活物质。N2 N1的分布，和正常状态( N1 N2 )的分布相反，所以称为粒子数反转分布。,粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。,问题:如何实现粒子数反转分布的状态呢?,在半导体光源器件中，通常是利用外加适当的正向电压（泵浦源）来实现粒子数反转分布的状态的。,二 、激光振荡和光学谐振腔 粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获
20、得连续的光放大和激光振荡输出。,5.4.2 光检测器,光检测器的作用是将接受的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电的转换。光纤通信系统中最常用的光检测器有：半导体光电二极管、雪崩光电二极管。,5.4.3 光接收机的性能指标,1、误码率,指在一定的时间间隔内，发生差错的码元数比上传输的总的码元数。,2、接收机灵敏度,在保证规定的误码率条件下，光接收机所需要的最小光功率值Pmin 。工程上常用dBm来表示。,灵敏度表示接收机能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度，意味着能够接收更微弱的光信号。,【例】某光接收机在误码率为10-9 时的灵敏度为10nW，如以dBm为单位，它应该是多少dBm? 【例】已知光接收机甲的灵敏度为-50 dBm；光接收机乙的灵敏度为-60 dBm；请问哪部光接收机的灵敏度高？,【例】已知在误码率为10-9 时，甲光接收机的灵敏度为10nW；乙光接收机的灵敏度为-15 dBm；试计算判断哪部光接收机的灵敏度高？,3、动态范围,在规定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大接收光功率和最小的接收光功率的比值，用dB表示为：,
