1、第第5章章 光纤通信系统光纤通信系统5.1 概述概述1 1、光纤通信发展的历史和现状、光纤通信发展的历史和现状 光通信：光通信：指一切运用光作为载体而传送信息的所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。有通信方式的总称。弧光灯弧光灯图图1 1 贝尔光电话贝尔光电话存在的问题：存在的问题：（1 1）光在大气中的传送受到气象条件的限制）光在大气中的传送受到气象条件的限制（2 2）太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作）太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作 为通信的光源。（为通信的光源。（“光不纯光不纯”）2 2、光纤通信系统的组成、光纤通信系统的组成光纤通信概念：光纤通信概念：
2、以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式以光波作载波、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：光纤通信系统基本三大模块：光发射机光发射机、光纤线路、光纤线路、光接收机光接收机光源一般分为：光源一般分为：发光二极管发光二极管LED 半导体激光器半导体激光器LD传输媒介传输媒介-光纤（光导纤维）光纤（光导纤维）最初制作的光纤最初制作的光纤,衰减损耗特别大，衰减损耗特别大，2020世纪世纪6060 年代，最好的光纤的损耗也在年代，最好的光纤的损耗也在1000dB/km1000dB/km 1970 1970年，美国康宁公司成功制成了年，美国康宁公司成功制成了20dB/km20dB/km的
3、的 光纤光纤 19861986年，年，0.154 dB/km的光纤，衰减接近理论极限的光纤，衰减接近理论极限信信息息源源电电发发射射机机光光发发射射机机基本光纤传输系统基本光纤传输系统光纤线路光纤线路接接 收收发发 射射电信号电信号输入输入光信号光信号输出输出光信号光信号输入输入电信号电信号输出输出光光接接收收机机电电接接收收机机信信息息源源图图2 2 光纤通信系统示意图光纤通信系统示意图 光发射机光发射机 主要功能：电光转换主要功能：电光转换 常用光源：常用光源：n半导体激光器、半导体发光二极管等半导体激光器、半导体发光二极管等载载波波源源图图3 3 光发射机示意图光发射机示意图 光纤线路光
4、纤线路u功能：功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真失真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机u组成：组成：光纤、光纤连接器、光中继器等光纤、光纤连接器、光中继器等 光接收机光接收机u功能：把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱功能：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，并经放大和处理后恢复成发射前光信号转为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号的电信号u主要组成部分：光检测器（核心）主要组成部分：光检测器（核心）u功能：光功能：光/电转换电转换u光接收器件：光接收器件：PINPIN光电二极管光电二极管 、雪崩光
5、电二极管雪崩光电二极管 3 3、光在电磁波谱中的位置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。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光纤通信所用光波的波长范围为0.8um 0.8um 至至1.8um 1.8um，属于电磁波谱中的近红外区。，属于电磁波谱中的近红外区。4 4、光纤通信中常用的低损耗窗口光纤通信中常用的低损耗窗口 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二
6、窗口第二窗口波长波长（m）6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm图图4 4 光纤的损耗特性曲线（光纤的损耗特性曲线（P158)P158)0.85 um0.85 um、1.31um 1.31um 和和1.55um 1.55um 左右是光纤通信中常左右是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。用的三个低损耗窗口。5 5、光纤通信特点光纤通信特点光纤通信优点：光纤通信优点：传输频带宽，传输容量大传输频带宽，传输容量大 光纤损耗低，中继距离大光纤损耗低，中继距离大 抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强 尺寸小，重量轻，便于施工维护尺寸小，重量轻，便于施工维护 绝缘性好
7、，耐腐蚀性强，寿命长绝缘性好，耐腐蚀性强，寿命长 资源丰富，节约有色金属和能源资源丰富，节约有色金属和能源1 1、什么是光纤通信？、什么是光纤通信？2 2、光纤通信系统的基本组成部分？、光纤通信系统的基本组成部分？3 3、与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信有何、与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信有何 优点？优点？4 4、为什么说使用光纤通信可以节约大量有色金属？、为什么说使用光纤通信可以节约大量有色金属？5 5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？6 6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？、可见光是人眼能看见的光，其波长范围
8、是多少？7 7、红外线是人眼看不见的光，其波长范围是多少？、红外线是人眼看不见的光，其波长范围是多少？8 8、近红外区：其波长范围是多少？、近红外区：其波长范围是多少？9 9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？、光纤通信所用光波的波长范围是多少？1010、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长分、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？别是多少？习题习题1 1：5.2 5.2 光纤与光缆光纤与光缆 1 1、光纤的结构与类型、光纤的结构与类型 光纤的结构光纤的结构 光纤（光纤（Optical FiberOptical Fiber）的典型结构是多）的典型结构是多层同轴圆柱体，层同轴
9、圆柱体，自内向外自内向外由纤芯、包层和涂由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。敷层三部分组成。图图5 5 光纤结构示意图光纤结构示意图 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纤芯内传输。设纤芯和包层的折射率分别为n n1 1和和n n2 2，光能量在光纤中传输的必要条件是，光能量在光纤中传输的必要条件是n n1 1nn2 2。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并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。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涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。伤。光纤的类型
10、光纤的类型 按光纤截面上折射率分布分类：按光纤截面上折射率分布分类：阶跃型光纤、渐变性光纤阶跃型光纤、渐变性光纤 按传输的模式数量分类：按传输的模式数量分类：单模光纤、多模光纤单模光纤、多模光纤单模光纤单模光纤：只传输一种模式，纤芯直径较细，通：只传输一种模式，纤芯直径较细，通 常在常在 4 4m m1010m m 范围内。范围内。多模光纤多模光纤：多模光纤可传输多种模式，纤芯直径：多模光纤可传输多种模式，纤芯直径 较粗，典型尺寸为较粗，典型尺寸为5050m m左右。左右。2 2、光纤的导光原理、光纤的导光原理 突变型多模光纤导光原理突变型多模光纤导光原理 设设和和折射率分别为折射率分别为n
11、n1 1和和n n2 2，空气，空气的折射率的折射率n n0 0=1=1 数值孔径（十分重要的参数）数值孔径（十分重要的参数）maxmax)光纤的数值孔径为：光纤的数值孔径为：max)=2221nn 光纤的数值孔径光纤的数值孔径n1n2直径直径 光纤的数值孔径光纤的数值孔径，NANA(或或maxmax)越大，光纤接收光的能力越越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的强，从光源到光纤的越高。越高。相对折射率差相对折射率差2122212nnn n1 光纤的数值孔径可表示为：光纤的数值孔径可表示为：212221nnnNA【例例】均匀光纤纤芯和包层的折射率分别均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为为n1=
12、1.50，n2=1.45，光纤的长度光纤的长度L=10Km。试求：。试求：（1）光纤的相对折射率差光纤的相对折射率差；（2）数值孔径数值孔径NA；（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的光纤的NA和相对折射率差和相对折射率差。3 3、光纤的传输特性、光纤的传输特性 光纤的损耗光纤的损耗 光纤的损耗可分为光纤的损耗可分为吸收损耗吸收损耗、散射损耗、散射损耗、辐射损耗辐射损耗。传输单位长度传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用减小的分贝数，一般用表示损耗系数，单位表示损耗系数，单位是是dB/km。光纤的损耗系数（衰减系数）
13、光纤的损耗系数（衰减系数）式中：式中：L为光纤长度，以为光纤长度，以km为单位；为单位；P1和和P2分分别为光纤的输入和输出光功率，以别为光纤的输入和输出光功率，以mW或或W为单位为单位1210lg (dB/Km)PLP【例例】当光在一段长为当光在一段长为10km光纤中传输时，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。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。色散是限制光纤容量和传输距离的主要因素。光纤的色散光纤的色散光纤色散概念光纤色散概念 -构成光信号的电磁波各分量在光构成光信号的电磁波各分量在光纤中具
14、有不同传输速度的现象。纤中具有不同传输速度的现象。可分为：模式色散、色度色散、偏振模色散可分为：模式色散、色度色散、偏振模色散 模式色散模式色散 -在多模光纤中，不同模式下的光在在多模光纤中，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，即模样长度光纤中传输时，需不同的时间，即模间存在时延差。间存在时延差。模式最大时延差（模式最大时延差（子午光线的最大时延差子午光线的最大时延差）1n2nc(1)(2)L(1)：11/Lc n(2)：21(/)sincLc n子午光线的最大时延差子午光线的最大时延差12max【例例】
15、均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度光纤的长度L=10km。试求：试求：（1 1）子午光线的最大时延差；）子午光线的最大时延差；（2 2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光线的最大时延差。线的最大时延差。光纤色散对数字通信系统的危害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，影响了光纤的传输码间干扰，增加误码率，影响了光纤的传输带宽
16、。因此，色散会限制光纤通信系统的传带宽。因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。输容量和中继距离。几种常用单模光纤的性能及应用几种常用单模光纤的性能及应用 a)a)G.652G.652光纤光纤 -常规单模光纤常规单模光纤特点：特点：在在1310nm1310nm波长处的色散为零波长处的色散为零 在波长为在波长为1550nm1550nm附近衰减系数最小，约为附近衰减系数最小，约为0.22dB/km0.22dB/km，但在但在1550nm1550nm附近具有最大色散系数附近具有最大色散系数 可选可选1310nm1310nm和和1550nm1550nm波长区域，最佳工作波长为波长区域，最佳工
17、作波长为1310nm.1310nm.G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。光纤是当前使用最为广泛的光纤。b)b)G.653G.653光纤光纤-色散位移单模光纤色散位移单模光纤 (DSF)(DSF)色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率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，分布形状，将零色散点从将零色散点从1310nm 位移到位移到1550nm，实现实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。这种光处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在纤工作波长在1550nm区域。区域。它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。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
18、统中很少采用在密集波分复用系统中很少采用DSF光纤。光纤。c)c)G.655G.655光纤光纤-非零色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤 工作在工作在1550nm波长区域，波长区域，这种光纤主要适用密这种光纤主要适用密集波分复用传输系统。集波分复用传输系统。4 4、光缆、光缆 光缆的构造一般由缆芯、护层、加强构件光缆的构造一般由缆芯、护层、加强构件3 3部分组成。部分组成。缆芯是光缆的主体，指涂覆后的光纤，缆芯是光缆的主体，指涂覆后的光纤，其作其作用是传输光波用是传输光波 。护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用。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。加
19、强构件主要承受敷设安装时所加的外力。光缆按结构形成主要分为光缆按结构形成主要分为:（1 1）层绞式光缆；）层绞式光缆；（2 2）骨架式光缆；）骨架式光缆；（3 3）束管式光缆；）束管式光缆；（4 4）带状式光缆。）带状式光缆。光源光源放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器5.3 5.3 无源光器件无源光器件光有源器件（光有源器件（需要外加能源驱动工作）需要外加能源驱动工作）光源（光源（LEDLED、LDLD）光放大器光放大器 光检测器光检测器 光调制器光调制器光无源器件光无源器件-光连接器光连接器、光耦合器、光开关、光隔离器、光耦合器、光开关、光隔离器、光衰减器、光调制器、光衰减器、光调
20、制器、光波分复用器光波分复用器1 1、光纤连接器光纤连接器 光纤连接器是使一根光纤与另一根光纤相连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。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准，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤。进接收光纤。光纤与光纤的连接有两种形式，一种是光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永永久性连接久性连接，另一种是，另一种是活动连接活动连接。永久性连接具有永久性连接具有粘接法粘接法和和熔接法熔接法之分，目之分，目前多采用前多采
21、用熔接法熔接法。熔接法产生永久性的连接熔接法产生永久性的连接.电弧或激光电弧或激光熔化焊接熔化焊接待连接光纤待连接光纤能进行显微操作的光纤夹具能进行显微操作的光纤夹具光纤的熔接图光纤的熔接图 光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在10um10um以以下，因此熔接必须使用机器才行。下，因此熔接必须使用机器才行。(dB)lg10outincPPA(dB)lg10RinRPPA 2 2、光纤耦合器光纤耦合器 实现光信号分路实现光信号分路/合路的功能器件，一般是对同合路的功能器件，一般是对同一波长的光功率进行分路或合路，其使用量仅次于一波长的光功率进行分路或合路，其使用量仅次
22、于连接器。连接器。图图 22双锥形光纤耦合器双锥形光纤耦合器主要技术指标主要技术指标P1,21,21,210lg (dB)inPILP1210lg ()inPELdBPP反映定向耦合器反映定向耦合器反向散射信号的大小反向散射信号的大小。当。当从从0端注入光功率，端注入光功率，1、2端输出功率时，端输出功率时，3端对端对1端的端的隔隔离度离度定义为定义为1,21,212PCRPP0310lg ()PIdBP【例例】22双锥形光纤耦合器的输入功率为双锥形光纤耦合器的输入功率为200uW,另外三个端口的输出功率分别为另外三个端口的输出功率分别为=90W，=85W，=6.3nW，试计试计算光纤耦合器的
23、主要性能参数。算光纤耦合器的主要性能参数。3 3、光光合波器与光分波器合波器与光分波器 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，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，后者称为光分不同光波长分开。前者称为合波器，后者称为光分波器。波器。4 4、光光滤波器滤波器 光滤波器一般是采用多层介质膜作为光滤波光滤
24、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。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。吸收滤波器，两者均可用介质膜构成。5 5、光光隔离器隔离器 光隔离器是一种只允许单向光通过，阻止反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，射光返回的无源光器件，在光纤通信系统中，尤其在光纤通信系统中，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
25、反射光进入激光器，影响激光器的稳定性，常需要光隔离器。光隔离器。5.4 5.4 光源与光检测器光源与光检测器 5.4.1 5.4.1 光源光源 光源光源是光发射机的是光发射机的关键器件关键器件，其，其功能功能是把是把电信号电流电信号电流转换为转换为光信号功率光信号功率,即实现即实现电电/光转换光转换。目前目前光纤通信广泛使用的光纤通信广泛使用的光源光源主要有主要有半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)和和发光二极管发光二极管 (LED)(LED)。1 1、半导体激光器工作原理和基本结构、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一、受激辐射和粒子数反转分布（1 1）半导体激光
26、器）半导体激光器 半导体激光器半导体激光器是向半导体是向半导体PNPN结注入电流，结注入电流，实现实现粒子数反转分布粒子数反转分布，产生，产生受激辐射，受激辐射，再利用再利用谐谐振腔振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。（2 2）激光）激光 激光激光，其英文其英文 LASER LASER 就是就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大受激辐射的光放大)的缩写。所以讨的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。论激光器工作原理要从受激辐射开始。（二）光和物质相互
27、作用（二）光和物质相互作用 有源器件有源器件的的物理基础物理基础是是光和物质相互作用光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级低能级E E1 1称为称为基态基态，能量比基态大的能级，能量比基态大的能级 E Ei i (i=2,3,4)(i=2,3,4)称为称为激发态激发态。电子在低能级。电子在低能级E E1 1的基态和高能级的基态和高能级E E2 2的激发态之间的跃迁有三种基的激发态之间的跃迁有三种基本方式。本方式。光与物质的相互作用光与物质的相互作用时，将发生时，将发生:(1)(1)受激吸收受激吸收 (2)(2)自发辐射自发辐射 (
28、3)(3)受激辐射受激辐射三种基本物理过程。三种基本物理过程。(1)(1)受激吸收受激吸收 在正常状态下，电子在正常状态下，电子处于低能级处于低能级E E1 1，在入射光，在入射光作用下，它会吸收光子的作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级能量跃迁到高能级E E2 2上，上，这种跃迁称为这种跃迁称为受激吸收受激吸收。受激吸收受激吸收将使将使外界光能减外界光能减少。少。(2)(2)自发辐射自发辐射 在高能级在高能级 E E2 2 的电的电子是不稳定的，即使没子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级动地跃迁到低能级 E E1 1上，上，释放的能量转换为光子释放的
29、能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称辐射出去，这种跃迁称为为自发辐射自发辐射。(3)(3)受激辐射受激辐射 在高能级在高能级 E E2 2 的电子，的电子，受到入射光的作用，被迫跃受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级迁到低能级 E E1 1上，释放的能上，释放的能量产生光辐射，这个过程是量产生光辐射，这个过程是在外界条件刺激下产生的，在外界条件刺激下产生的，因而称为因而称为受激辐射受激辐射。受激辐。受激辐射产生的光子与入射光子叠射产生的光子与入射光子叠加，使光得到放大，因而加，使光得到放大，因而受受激辐射激辐射是是产生激光的最重要产生激光的最重要的过程的过程。受激辐射受激辐射是是受激吸收受激吸收的
30、的逆过程逆过程。电子在。电子在 E E1 1 和和 E E2 2 两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足辐射的光子能量都要满足波波尔条件尔条件，即，即式中，式中，h=6.62810-34Js，为，为普朗克常数普朗克常数，f12 为吸收或辐射的为吸收或辐射的光子频率光子频率。1212hfEE（三）（三）相干光相干光和和非相干光非相干光（1 1）相干光）相干光 受激辐射受激辐射和和自发辐射自发辐射产生的产生的光光的特点很不的特点很不相同。受激辐射光的相同。受激辐射光的频率、相位频率、相位和和传播方向传播方向与与入射光入射光相同，这种光称为相同，这
31、种光称为相干光相干光。（2 2）非相干光）非相干光 自发辐射自发辐射的的光光是由大量不同激发态的电子是由大量不同激发态的电子自自发跃迁发跃迁产生的，产生的，其频率和方向分布在一定范围其频率和方向分布在一定范围内，内，相位相位和和偏振偏振态是混乱的，这种光称为态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。怎么保证产生受激辐射而不是受激吸收？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（四）粒子数反转分布 产生产生受激辐射受激辐射和和产生产生受激吸收受激吸收的物质是不的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级同的。设在单位物质中，处于低能级E E1 1和处于和处于高能级高能级 E E2 2(
32、E E2 2 E E1 1)的的粒子数粒子数分别为分别为 N N1 1 和和 N N2 2。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布。足玻尔兹曼统计分布。式中，式中，k=1.38110-23 J/K，为为玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数，T 为为绝对温度绝对温度。由于。由于 (E2-E1)0 ，T 0，在系统处于热平衡状态下，总是在系统处于热平衡状态下，总是 N N1 1 N N2 2。kTEEeNN1212（1 1）正常粒子分布）正常粒子分布受激吸收受激吸收 我们把这种我们把这种 N1 N2 分布称为分布称为粒子数正常分粒子数正常分布布。在热平衡
33、状态下，。在热平衡状态下，N N1 1 N N2 2，受激吸收受激吸收大于大于受激辐射受激辐射。当光通过这种物质时，光波总是被。当光通过这种物质时，光波总是被吸收，这种物质称为吸收，这种物质称为吸收物质吸收物质。（2 2）粒子数反转分布）粒子数反转分布受激辐射受激辐射 如果如果 N N2 2 N N1 1，即，即受激辐射受激辐射大于大于受激吸收受激吸收，当光通过这种物质时，会产生当光通过这种物质时，会产生放大放大作用，这种作用，这种物质称为物质称为 激活物质。激活物质。N N2 2 N N1 1的分布，和正常的分布，和正常状态状态(N N1 1 N N2 2 )的分布相反，所以称为的分布相反，
34、所以称为粒子数粒子数反转分布。反转分布。粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而是使物质产生光放大而发光的首要条件。发光的首要条件。问题问题:如何实现粒子数反转分布的状态呢如何实现粒子数反转分布的状态呢?在在半导体光源器件半导体光源器件中，通常是利用中，通常是利用外外加适当的正向电压（泵浦源）加适当的正向电压（泵浦源）来实现来实现粒子粒子数反转分布数反转分布的状态的。的状态的。二二 、激光振荡和光学谐振腔、激光振荡和光学谐振腔 粒子数反转分布粒子数反转分布是产生受激辐射的是产生受激辐射的必要条必要条件件，但还，但还不能产生激光不能产生激光。只有把。只有把激活物质激活物质置于置于
35、光学谐振腔中光学谐振腔中，对光的，对光的频率频率和和方向方向进行选择，进行选择，才能获得连续的才能获得连续的光放大光放大和和激光振荡输出激光振荡输出。5.4.2 5.4.2 光检测器光检测器 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，即实现光信号电流，即实现光-电的转换。电的转换。光纤通信系统中最常用的光检测器有：半导体光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。电二极管、雪崩光电二极管。5.4.3 5.4.3 光接收机的性能指标光接收机的性能指标1 1、误码率、误码率 指在一定的时间间隔内，发生差错的码元数比上指在
36、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。传输的总的码元数。2 2、接收机灵敏度、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最小光功率值P Pminmin 。工程上常用。工程上常用dBmdBm来表示。来表示。mWpdBmpPr的单位为minmin)(lg10 灵敏度表示接收机能够接收微弱光信号的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能力。提高灵敏度，意味着能够接收更微弱的光信号。光信号。【例例】某光接收机在误码率为某光接收机在误码率为10-9 时的灵敏时的灵敏度为度为10nW
37、，如以，如以dBm为单位，它应该是多少为单位，它应该是多少dBm?【例例】已知光接收机甲的灵敏度为已知光接收机甲的灵敏度为-50 dBm；光接收机乙的灵敏度为光接收机乙的灵敏度为-60 dBm；请问哪部光；请问哪部光接收机的灵敏度高？接收机的灵敏度高？【例例】已知在误码率为已知在误码率为10-9 时，甲光接收机的灵时，甲光接收机的灵敏度为敏度为10nW；乙光接收机的灵敏度为；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？；试计算判断哪部光接收机的灵敏度高？3 3、动态范围、动态范围 在规定的误码率条件下，光接收机所能承受的最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，用大接收光功率和最小的接收光功率的比值，用dBdB表示表示为：为：dBdBppDR20DR)(lg10minmax一般
