1、光纤通信复习一第1章 光纤通信总览 时分复用（TDM）和频分复用（FDM）Fig.1-2:Digital transmission hierarchy表 1.2 北美、欧洲和日本的数字复用等级表 1.3 常用的SONET和SDH传输速率1.3 光纤传输链路的基本单元 Fig.1-5:Major elements of an optical fiber link课程框架 概述（第1章）光纤（第2、3章）光源和光发射机（第4、5章）光检测器和光接收机（第6、7章）光纤数字传输系统（第8章）光纤模拟传输系统（第9章）波分复用（第10章）光放大器（第11章）光网络（第12 章）第2章 光纤：结构、导波
2、原理和制造 1、光纤具有何种结构；2、光在光纤中如何传播；3、光纤是由何种材料制作的；4、光纤是如何制造的；5、光纤中信号的损耗机理是什么；6、信号在光纤中传输时为什么会有失真，以及信号失真的度量 光纤结构、材料、种类；光纤传输原理；光纤传输特性（损耗和色散）。Fig.2-10:Comparison of fiber structures2.3.2 射线和模式 研究光纤中光的传播特性的方法研究光纤中光的传播特性的方法 电磁波（模式）分析方法电磁波（模式）分析方法 由光纤导引的光频电磁场由光波导中一系列导波模式叠加。导波模式是能够独立存在的电磁场的最小结构单元。几何光学方法（射线追踪方法）几何光
3、学方法（射线追踪方法）在光纤的半径与波长之比很大时，由几何光学方法可以得到光纤导波特性的很好的近似结果（“短波长极限”）。对于多模光纤射线方法可以提供相当精确的结果。射线方法的优点：给出光纤中光传播特性的直观的物理解释。Fig.2-12:Meridional ray representation2min1sinnn22 1/20,max112sinsin()cnnnn22 1/20,max121sin()2NAnnnn2.4 圆波导的模式理论 在满足纤芯和包层圆柱形界面上的边界条件下求解麦克斯韦方程。解法有一般有两种：精确解、标量近似解 精确解 光纤纤芯和包层的边界条件导致电场和磁场分量之间相
4、互耦合，形成了混合模，这使得对光波导的分析比起对金属波导的分析更为复杂。一个混合电磁场模式中包含6个场分量，而每一个场分量都有很复杂的数学表达式。根据横向电场（E场）和横向磁场（H场）哪一个更大一些，可以将混合模式分为HE模和EH模。标量近似解 对于相对折射率即 或 的光纤，称为弱导光纤。一般通信光纤可视为弱导光纤。入射光线矢量与光纤纵轴的夹角很小 在弱导光纤中，(1)电磁场的横向分量远大于纵向分量（接近一个平面TEM波）(2)电磁场的横向分量是线偏振的，称为线偏振（LP）模。场由六个分量简化为四个分量，即Ey、Hx、Ez、Hz或与之正交的Ex、Hy、Ez、Hz。1112nn21sin1cnn
5、2c导波模条件 如果满足下述条件：则该模式是导波模，其中 导波模和漏泄模的分界点定义为截止条件2121n kn knnk；或2kkn22.4.2 对关键的模式概念的归纳 与截止条件相联系的一个重要参数是归一化频率V （2.27）不同的模式有不同的极限Vc值。VVc时,该模式为导波模。最低阶模HE11，Vc=0 次最低模TE01，Vc2.405 当0V2.405时,单模传输；单模光纤工作原理。22 1/21222()aaVnnNA模式总数 在多模阶跃光纤中，当V值较大时，可以用V值估算模式总数M。光纤可支持的模式总数为：（2.28)由于部分导波模会进入包层，一个给定模式在纤芯中的功率流与包层中的
6、功率流之比。（远离截止点，也就是相当于大的V值），包层中的平均功率所占的比例可表示为：（2.29)2222 1/2121 2()22aVMnn43cladPPM2.4.8 线偏振模 通信光纤的纤芯包层的折射率差非常小，光纤仅有四个场分量需要考虑，这样它们的表达式变得相当简单，这些场分量称为线偏振（LP）模。主模式LP01模相当于HE11模（2.63)（2.64)（2.65)（2.66)P.459 递推关系 上两式分别对应EH模、HE模2211vvva uw 11()()0()()JuaKwauJuawKwa11()()0()()JuaKwauJuawKwa2222122211()()vvvvv
7、kkauw 22212kk()()()()vvvvvvJ uaKwauJ uawKwa 2.5 单模光纤 保证纤芯半径a和纤芯包层折射差的变化范围内，可以实现单模传播。但实际设计的单模光纤，其纤芯包层折射率差一般在0.2到1 间变化，因而纤芯直径的取值必须使第一个高阶模（次最低阶模）是截止模，或者是使V值稍小于2.4。1/2221122222.405anaVnn 2.6 梯度折射率光纤的结构梯度光纤纤芯中的折射率分布22 1 2222 1 222 1 22121()(0)1(),()0,(0)(0)2n rnNAr araNA rraNAnnnnn2222122222,22,4VMa k nV
8、MVM第3章 光纤中的信号劣化 1 光纤中信号衰减的机理 2 光信号在光纤传输时产生失真的原因及失真影响的程度信号衰减信号衰减（光纤损耗是光纤最重要的特性之一，它在很大程度上决定了中继距离（在无需信号放大和再生的条件下，光发送机和光接收机之间所允许的最大距离。）信号失真信号失真，使光纤中传输的光脉冲随着传输距离的增加而展宽。如果传输的距离足够长，光脉冲就有可能展宽到与相邻的脉冲相重叠，从而导致接收机的错误判决，因而信号失真就限制了光纤的信息承载容量。3.1 损耗 光纤中光功率的吸收损耗、散射损耗及辐射损耗是导致光信号衰减的几个最主要的因素。吸收损耗吸收损耗 与制造光纤的材料有关；散射损耗散射损
9、耗 与光纤的材料和结构缺陷相关；辐射效应损耗辐射效应损耗 源于光纤几何形状的微扰（包括微观的和宏观的）。Fig.3-1:Optical fiber attenuation3.1.2 吸收损耗 光纤中共有三种因素导致了吸收损耗的产生：1.玻璃组分中的原子缺陷导致的吸收；原子缺陷是指光纤材料的原子结构中的不完善性（玻璃结构中的分子缺陷、原子团的高密度聚集或氧原子缺损）2.玻璃材料中的杂质原子导致的非本征吸收；OH离子和过渡金属离子（铁、铬、钴和铜）3.光纤材料中主要成分的原子导致的本征吸收制造光纤的基本材料（如纯净的SiO2）所引入的吸收效应。本征吸收的产生有两个原因：其一是在紫外频段的电子吸收带
10、，其二是在近红外波段原子的振动吸收带。3.1.3 散射损耗 光纤中材料密度的微观变化、成分的起伏、结构上的不完善以及制造过程中产生的缺陷都会引起散射损耗。瑞利散射瑞利散射 石英玻璃是由随机连接的分子网格构成，密度的不均匀。由于石英玻璃是由好几种氧化物组成（如SiO2、GeO2和P2O5)，有可能发生成分的起伏变化。两种因素导致石英光纤内部的折射率在比波长小的尺度上发生变化，这种折射率的变化引起了瑞利散射。结构不完善和光纤制造缺陷散射损耗结构不完善和光纤制造缺陷散射损耗 可能是残留在光纤中的气泡，也可能 是尚未发生反应的原材料，或是玻璃中的结晶区域。现在光纤制造工艺可以使这些附加的散射作用足够小
11、，小到与其本征瑞利散射相比时可以忽略不计的程度41scat3.1.4 弯曲损耗 光纤弯曲（宏观弯曲和微观弯曲）时就会产生辐射损耗。（a）宏观弯曲 在纤芯中传播的模式都有一个尾部延伸到包层中的消逝场，而消逝场的大小随着到纤芯距离的增加而以指数形式下降。纤芯中的场与其延伸到包层中的尾部一起传播，因而可传播模式的部分能量在包层内，一旦发生弯曲，位于曲率中心远侧的消逝场尾部必须以较大的速率才能与纤芯中的场一同前进。（b）微观弯曲微观弯曲是指光纤轴上曲率半径的重复性小尺度起伏。它的产生是由于光纤生产过程中的不均匀或是在光纤成缆时受到了不均匀的压力。微观弯曲之所以引起信号衰减，是因为光纤弯曲导致了导波模与
12、漏泄模或非导波模之间能量耦合。3.2 光波导中的信号失真 光纤中光信号在传播过程中会产生失真（畸变），并随着传播距离的增加而越来越严重。这种失真是模式本身的色散和模式间的传播时延差造成的。模内色散 （色度色散）是指在一个模式内发生的脉冲展宽。因为光源所发射光有一定的频谱宽度，而群速率又是波长的函数，也称其为群速率色散（GVD）。模内色散与波长相关，所以光源的频谱越宽，它对信号失真的影响就越大。模间色散 加剧脉冲展宽的另一因素是模间时延差，因为即使在同一频率点上，不同模式的群速率也不相同。产生模内色散主要有以下两个原因：1、材料色散 纤芯中材料的折射率随波长变化导致了这种色散。折射率随波长变化使
13、任何模式的群速率都随波长而变化，这样即使不同波长的光经过完全相同的路径，也会发生脉冲的展宽。2、波导色散 单模光纤中只有约80的光功率在纤芯中传播，20在包层中传播的光功率其速率要更大一些，这样就出现了色散。3.2.2 群时延 假设被调制的光信号在光纤的输入端等功率地激励起所有的模式，而且每种模式包含光源谱宽范围内所有的频谱分量，这样就相当于原信号调制了光源的每一个频谱分量。当光信号在光纤中传播时，就可以把每一个频谱分量看成是独立传播的，在传播方向的单位距离上所经历的时延（或称为群时延）表达式为：（3.13)（3.14）群速率是脉冲的能量沿光纤传播的速率2112ggddLVc dkc d 11
14、()()gddVcdkd群时延差引入的脉冲展宽 群时延是波长的函数，任何特定模式的任意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延随时间的推移而展宽。在传播路径上单位波长间隔产生的时延差可表示为 。对于谱宽为 ，以中心波长 为中点的两个频谱分量，经过距离为L的传播后，时延差为（3.15a）222(2)2gdLdddcdd gdd02112ggddLVc dkc d 如果以角频率来表示，上式又可以写成 光源谱宽是用均方根值表示的，则脉冲的展宽程度近似地由脉冲宽度的均方根值表示：D为色散系数ps（nmkm）22()()ggddLdLddVd222|2|2ggdL
15、dddcdd22222112(),ggddcdDL ddV 222(2)2gdLdddcdd3.5 单模光纤的优化设计 单模光纤具有极低的损耗，高质量的信号传输和最大的带宽距离积。本节将介绍单模光纤的基本设计过程及工作特性,并讨论参数的优化设计问题，参数包括：色散 截止波长 模场直径 弯曲损耗Fig.3-24b:SM-fiber dispersions 单模光纤种类单模光纤种类G.652G.652光纤光纤 即常规单模光纤，在即常规单模光纤，在1310nm1310nm波长工作时，理论色散值为零；波长工作时，理论色散值为零；在在1550nm1550nm波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。波长
16、工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。单通路速率达到单通路速率达到STM-64STM-64时，需要采取色散调节手段。时，需要采取色散调节手段。G.653G.653光纤光纤 在在1550nm1550nm波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零色散点从色散点从1310nm1310nm移至移至1550nm1550nm波长区。波长区。G.654G.654光纤光纤 截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低1550nm1550nm波波长处的衷减。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通长处的衷减。主要应用于需要很长再生
17、段距离的海底光纤通信。信。G.655G.655光纤光纤 又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至1570nm1570nm或或151015101520nm1520nm附近，使附近，使1550nm1550nm处具有一定的色散值。色散受处具有一定的色散值。色散受限距离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影限距离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。响。第4章 光源 光纤通信中用到的光源 半导体激光器（LD）发光二极管（LED）这两种器件可以通过变化 注入电流来直接调制输出光功率，效率高，尺寸与光纤的尺寸匹配，因而适合于光纤传
18、输系统。4.1.4 直接带隙和间接带隙 为了使电子在向导带跃迁或 从导带跃迁的过程中分别伴 随着光子的辐射或吸收，必 须保持能量和动量守恒。一 个光子可能具有很大的能量，但它的动量hv/c却非常小。如图4.7所示，半导体材料的 带隙是动量k的函数，依照 带隙的形状，可将半导体分 成直接带隙材料和间接带隙材料两类。双异质结构 为了获得高辐射强度和高量子效率，LED的结构必须提供一种约束机制，以便将载流子和受激辐射光限制在pn结的有源区，让尽可能多的载流子在有源区内发生辐射性复合，获得比较高的量子效率。为了阻止pn结周围材料对辐射光产生吸收，对辐射光进行限制是十分重要的。为了实现对载流子和辐射光的
19、限制，人们对LED的结构如同质结、单异质结和双异质结等进行了广泛地研究。在图4.8中画出了这些结构中最有效的一种，这就是双异质结构器件（称为双异质结，主要是因为在有源区的两边有两个不同材料的合金层。）对于工作在800900 nm波段的光源，使用的主要材料是三元合金Ga 1-x AlxAs。砷化铝与砷化镓的比率决定了合金的带隙，相应地也就决定了其辐射光的峰值波长。要获得更长的波长，四元合金In 1-x Gax AsyP 1-y ，是最常选用的光源材料。通过改变有源区材料的x、y摩尔比例，可构造出峰值发光波长在1.01.7um之间的LED。能量E和频率v的关系：峰值发光波长与带隙能量的关系：（4.
20、3)hcEh1.240()()gmEeV LED的调制带宽 电带宽 电信号功率 降为零调制 频率时功率 一半的点所 对应的频率；()P2()()IPR2elec2()()10log10log(0)(0)PIPI比率22()1(0)2II 光带宽 LED的调制带宽也按调制光功率P（）的3 dB带宽进行定义，即P（）P02。在这种情况下，3 dB带宽取决于调制频率为时的光功率与零调制频率光功率之比。由于电流与光功率成正比，该比值可表示为：（4.21）optical()10log(0)()10log(0)PPII比率 粒子数反转粒子数反转 在热平衡下，处于激发态的电子密度很小。大部分入射光子被吸收掉
21、，以至于受激辐射实际上可忽略不计。只有当处于激发态的电子数量大于基态电子数量时，受激辐射才能超过光的吸收。泵浦泵浦 由于这是一种非平衡状态，因此必须通过各种“泵浦”技术来实现粒子数反转。在半导体激光器中，粒子数反转是通过向半导体中注入电子来填充导带中的低能级而实现的。幅度条件 （4.26)相位条件 12(2)(0)exp2()()ILIR RLg hh(2)(0)ILI21jLe1211ln()2thlendgLR R()(,)()(0,)(2,)jtzE z tE z eEtE L t 在低驱动电流时，只存在自发辐射现象。此时具有很宽的光 谱范围和很宽的横向 光束宽度，这与LED 相似。在受
22、激辐射阈值点曲 线形状会有显著的变 化，光功率随电流的增加而急剧增大。过了此转换点后，光谱范围和光束宽度都会随着驱动电流的增加而减小。最终的谱宽度约为lnm，达到阈值点后，完全窄化了的光束水平横向宽度约为510度。4.3.4 谐振频率 传播常数 ，于是有：（4.40）反射镜间的距离为半波长的m（整数）倍时，谐振腔产生共振（也就是在谐振腔产生驻波分布）。2122jLeLm2 n22LnLmvnc多模激光器的频率、波长及模式间距 激光器有单模与多模之分。（4.42)（4.43)（4.44)（4.45)（4.46)11221221()22mmmmnLmvcnLmvcnLvvccvnLnL 4.3.8
23、 温度特性 在半导体激光器中，由于各种复杂的温度影响因素，阈值电流Ith会随温度的上升而增加。经验公式 （4.52)受激辐射阈值也会 随激光器的使用年 限而变化。0()T TthzITI e4.4 光源的线性特性 在模拟系统中，时变 模拟电信号s(t)直接调 制光源（偏置电流点 为IB）。设无信号输入时，输出光功率为Pi，则当输入信号为s(t)时，输出光信号P(t)为：)对于LED有 、对半导体激光器有 是电流相对于偏置点的变化。在模拟系统中，m典型值在0.25到0.5之间。()1()tP tPms tBImIBBIIBBthIIII谐波失真 在模拟应用中，任何的器件非线性都将使输出信号产生输
24、入信号所不包含的频率成分。谐波失真与互调失真是两种比较重要的非线性作用。如果输入到非线性器件的信号是简单的余弦波，则输出信号为：（4.55)输出信号将包含输入频率的附加寄生成分：零频直流、二次谐波2、三次谐波3以及更高阶的谐波。这种作用就是所谓的谐波失真。n阶谐波失真的分贝值由下式给定：0123()coscos2cos3y tAAtAtAtn120logAnA阶谐波失真互调失真 设非线性器件的调制信号为两个余弦波之和，输出信号有以下形式：（4.57)此信号包含了 所有谐波以及两者交叉项。这些和频项与差频项引起了互调失真。12,()cos()mnm ny tBmn12和第5章 光功率发射和耦合
25、在实际光纤线路中的实施过程中，存在有关功率耦合的两个主要问题：如何把各种类型的光源的光耦合进光纤 如何将光功率从一根光纤耦合进另一根光纤 对于这些带有尾纤的光源的发射问题就可以简化从一根光纤到另一根光纤的光功率耦合问题 耦合效率耦合效率 在光源发射的全部光功率中，能耦合进光纤的光功率通常采用耦合效率来度量，耦合效率的 FSPP 面发射的LED(朗伯光源)的 输出方向图来表征，无论从任 何方向观察，光源都是等亮度 的。在相对于发射面法线的 角度上，测量出光源发出的功 率随余弦变化。朗伯光源的发 射方向图使用下式表示 (5.1)边发光LED和半导体激光器有更复杂的发射方向图。辐射角分布可以近似为
26、(5.2)0(,)cosBB 22001sincos(,)coscosTLBBB 5.2 改善耦合的透镜结构 如果光源的发射面积小于纤芯的面积，可在光源和光纤之间设置微型透镜来改善功率耦合效率。微型透镜的功能是扩大光源的发射面积，使之与光纤纤芯区域精确匹配。5.3 光纤与光纤的连接 光纤之间的低损耗连接:接头 （永久的连接）连接器（易拆卸的连接）耦合损耗取决于每根光纤中能传播的模式数量。（例如，如果一根可传播500个模式的光纤连接到另一根仅能传送400个模式的光纤中，那么第一根光纤中最多80的光功率可耦合进第二根光纤中。）对于渐变射率光纤，模式总数量为：（5.18)（5.19)一根光纤到另一根
27、光纤的功率耦合比与两根光纤所共有的模式容量成正比，光纤之间的耦合效率为：（5.20）光纤之间的耦合损耗为：22220()aMkn rn rdr220220()(0)1()aaMkNA r rdrrk NArdracommFEMM10logFFL 5.3.1 机械对准误差 机械对准误差是两根光纤进行连接时产生的主要问题。由于两根光纤的尺寸很小，光纤之间如果存在机械对准误差则必将产生辐射损耗。辐射损耗的量值取决于两根光纤对准误差的程度。三种基本对准误差类型如图5.9所示。Fig.5-9:Mechanical misalignments5.3.2 光纤相关损耗 光纤的几何特性和波导特性的差异对光纤间
28、的耦合损耗也有较大影响。（包括纤芯直径、纤芯区域的椭圆度、数值孔径、折射率剖面及纤芯和包层的同心度）纤芯半径纤芯半径与数值孔径数值孔径的差异对连接损耗有更为显著的影响。210log,()0,RREFEREaaaLaaaa2(0)10log,(0)(0)()(0)0,(0)(0)RREFERENANANALNANANANA5.6.3 连接器回波损耗 光链路的连接点分为四种节点类型：端面垂直于光纤轴 有一定角度的光纤端面 光纤间的直接物理接触 端面使用折射率匹配介质 常用型为无折射率匹配介质的直接物理接触型连接器。在连接中，要求连接器具有高回波损耗（低的反射光信号）和低的插入损耗（高的透射光信号）。这种低反射光信号是必须的，因为光的反射提供了一种不出现的反馈源进人到激光器的振荡腔。这将影响激光器的光频响应、激光器的线宽和内部噪声，些效应都将导致系统性能的下降。
