光纤通信基础-复习-广东工业大学

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1、光纤通信基础复习资料光纤通信基础复习资料 第第 1 章章 概述概述 人们通常把应用石英光纤的有线光通信简称为光纤通信。光通信光纤通信。光通信光纤通信。 点对点光纤通信链路示意图点对点光纤通信链路示意图 一个完整的波分复用(WDM)系统。其通常包含光收发器、光耦合器、光复用 /解复用器、 光纤放大器、 光上/下分路器、 光交叉波分复用器、 光色散补偿装置、 光偏振控制装置、光开关、光波长转换器以及其他光通信器件、处理电路模块等 1970 年，美国康宁（Corning）公司研制成功损耗 20 dB/km 的石英光纤，成为使 光纤通信爆炸性竞相发展的导火索， 从而把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。

2、 1970 年被定义为光纤通信元年。年被定义为光纤通信元年。 工作波长 光纤 激光器 比特率 B 中继距离 L 第一代 70 年代 850nm 多模 多模 44.7Mb/s 10km 第二代 80 年代初 1300nm 多模 单模 多模 140Mb/s 2050km 第三代 80 年代中 90 年代初 1550nm 单模 单模 PDH 群路 (140Mb/s) 50100km 第四代 90 年代 1550nm 单模 单模 SDH、WDM 技术 2.5Gb/s 无中继： 80120km EDFA：1500km 第五代 1550nm 单模 单模 WDM 网络， 单波长 10, 40,160Gb/s

3、 信道数: 8,16,64,128,1022 超长传输距离: 27000Km(Loop) 6380(Line) 目前研究内 容 WDM 光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型 的光器件 光纤通信技术特点： 传输容量大。传输容量大。 传输损耗小，中继距离长传输损耗小，中继距离长 抗干扰性好，保密性强，使用安全抗干扰性好，保密性强，使用安全 材料资源丰富，可节约金属材料材料资源丰富，可节约金属材料 重量轻，可绕性好，敷设方便重量轻，可绕性好，敷设方便 光纤通信除了上述优点外，也存在一些缺点。例如组件昂贵，光纤质地脆、 机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。 这

4、些缺点在技术上都是可以克服的，它不影响光纤通信的实用。 1、超大容量、超长距离传输技术波分复用技术波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传 输容量，在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景。 2、光孤子通信光孤子通信。 3、全光网络全光网络。 第第 2 章章 光纤光纤 纤芯掺入纤芯掺入 Ge 和和 P：折射率；包层掺入：折射率；包层掺入 B：折射率。：折射率。 光纤的分类： 工作波长：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤工作波长：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤是指 0.80.9 m 的光纤；长波长光纤是指 1.01.7m 的光纤；而超长波长光纤则是指 2 m 以上的光纤。 （书

5、本分为：紫外光纤、可视光纤、近红外光纤以及红外光纤紫外光纤、可视光纤、近红外光纤以及红外光纤） 折射率：阶跃型、渐变型和其它型折射率：阶跃型、渐变型和其它型（如三角型、W 型、凹陷型） 传输模式：单模传输模式：单模(SM)光纤（偏振保持光纤、非偏振保持光纤）和多模（光纤（偏振保持光纤、非偏振保持光纤）和多模（MM）光）光 纤两种纤两种。 两者的区别在于纤芯的尺寸和纤芯包层相对折射率差。 原材料： 石英光纤石英光纤：主要由高纯度石英制成，传输损耗很低。主要用于光纤通信，是 目前用量最大的光纤。 多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤：主要由特殊的光学玻璃制成。传输损耗较大。主要用于传 光束、传像束、扭像器

6、及纤维面板等。 塑料光纤塑料光纤：玻璃芯和塑料包层组成，或者塑料芯和塑料包层组成，后者较常 用。价格低廉，弹性好，适合要求弹性的系统，但损耗大。常用于短距离 计算机通信。不适合高温、长距离应用。 液芯光纤液芯光纤：把石英管拉制成毛细管的尺寸，然后用四氯乙烯或其它液体填充 而制成。它是 70 年代制成的光纤，目前在一些特殊用途（如光纤传感） 中仍有采用。 制造方法：有外汽相沉积法（OVD） 、汽相轴向沉积法（VAD） 、改进汽相沉积法 （MCVD）和等离子体化学汽相沉积工艺（PCVD）等 。 子午面子午面：通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面。 子午光线子午光线：在子午面内传播的光线则称为子午光

7、线。 NA 表示光纤接收和传输光的能力。表示光纤接收和传输光的能力。 NA(或或a）越大，表示光纤接收光的能力越强，光源与光纤之间的耦合效率越）越大，表示光纤接收光的能力越强，光源与光纤之间的耦合效率越 高。高。 NA 越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯曲特性越好。越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯曲特性越好。 NA 太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更大的模色散，因而限制了信太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更大的模色散，因而限制了信 息传输容量，所以必须适当选择息传输容量，所以必须适当选择 NA。 单模光纤的 NA 在 0.12 附近，多模光纤的 NA 约为 0

8、.21。 归一化频率：归一化频率：22 121222=2aaaVnnNAn 单模光纤：单模光纤：V2.405。 光纤带宽光纤带宽： 其中最大脉冲全宽=2 2ln 2或使用上面的最大时延差公式。 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于光信号不同成分光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于光信号不同成分 之间的传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。之间的传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。 光纤的色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。 色散的大小常用时延差表示， 时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同 样距离而产生的时间差。单模光纤的色散用色

9、散系数来描述，单位：ps/nm.km 模式色散模式色散：不同模式对应有不同的群速度，以不同时刻到达光纤出射端面，使脉 冲展宽（仅多模光纤有模式色散仅多模光纤有模式色散） 。 波导色散波导色散：模式的群速度随波长变化。 材料色散材料色散：折射率随波长变化，导致时延不同。 偏振模色散偏振模色散 PMD：单模光纤纤芯的椭圆度造成的。P20 二氧化硅单模光纤中波导色散和材料色散互相抵消的光波长为二氧化硅单模光纤中波导色散和材料色散互相抵消的光波长为 1.31um。 多模光纤中模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。 单模光纤波导色散的作用不能忽略，它与材料色散有同样的数量级。 波导色

10、散的影响依赖于光纤设计参数，如纤心半径 a，芯包层折射率差。由此 可改变光纤的色散系数。 光纤的损耗机理：杂质离子吸收、瑞利散射、辐射杂质离子吸收、瑞利散射、辐射损耗损耗(又称弯曲损耗又称弯曲损耗)。P21-22 几种常用光纤： G.651 光纤：即渐变型多模光纤光纤：即渐变型多模光纤，这种光纤的工作波长有两种，即 850nm 和 1300nm，在这两种工作波长上，光纤均处于多模工作状态。该光纤主要适 用于数据通信局域网。 G.652 普通单模光纤普通单模光纤(SMF) 最早实用化的光纤，零色散波长在 1310nm，曾大量 铺设，在光纤通信中扮演者重要的角色。缺点：工作波长为 1550nm 时

11、色散 系数高达 17ps/(nmkm)阻碍了高速率、远距离通信的发展。 G.653 色散位移单模光纤色散位移单模光纤(DSF) 通过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散，使零色散波长从 1310nm 移到 1550nm。光纤在 1550nm 窗口损耗更低，可以 低于 0.2dB/km，几乎接近光纤本征损耗的极限。如果零色散移到 1550nm， 则可以实现零色散和最低损耗传输的性能优点： 在 1550nm 工作波长衰减系 数和色散系数均很小。 它最适用于单信道几千公里海底系统和长距离陆地通 信干线。弱点：工作区内的零色散点导致非线性四波混频效应在 DWDM 系 统中应用较少。 G. 654 光纤是

12、超低损耗光纤光纤是超低损耗光纤，主要用于跨洋光缆，常见的纤芯是纯的 SiO2，而普 通的光纤纤芯要掺锗。在 1550nm 附近的损耗最小，仅为 0.185dB/km，但在 此区域色散比较大，约 1720 ps/nmkm ，但在 1300nm 波长区域色散 为零。 G.655 非零色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤(NZ-DSF) 在 15301565nm(EDFA 的工作波长)区具 有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使 FWM 效率不高。使得 其能用在 EDFA 和波分复用结合的传输速率在 10Gbit/s 以上的 WDM 和 DWDM 的高速传输系统中。优点：在 1550nm 处

13、有一低的色散，保证抑制 FWM 等非线性效应，使得其能用在 EDFA 和波分复用结合的传输速率在 10Gbit/s 以上的 WDM 和 DWDM 的高速传输系统中。缺点：模场直径小，容 易加剧非线性效应的影响，为此人们又研究了大有效面积 NZ-DSF 光纤 第第 3 章章 光发送机和光接收机光发送机和光接收机 自发辐射自发辐射：高能级 E2 上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能级 E1 上与空穴复合，释放的能量以光子的形式辐射。 受激吸收受激吸收：处于低能级上的电子在入射光的作用下，吸收频率为的光子能量，从 低能级 E1 跃迁到高能级 E2 上。 受激辐射受激辐射： 处于高能级 E2

14、 的电子在入射光作用下，发射一个和入射光一模一样 的光子，跃迁到低能级 E1 上。 激光器的产生 激光器是 1960 年由美国人梅曼发明的新型光源，利用受激辐射原理，是一种 方向性好、强度很高、相干性好的光源。 产生激光的三个先决条件： 要有一个合适的激光工作物质（发光介质） 。要有一个合适的激光工作物质（发光介质） 。 需要一个能保证粒子数反转分布的激励能源需要一个能保证粒子数反转分布的激励能源泵浦源。泵浦源。 把激光工作物质置于光学谐振腔。把激光工作物质置于光学谐振腔。 光学谐振腔的作用： 沿着光学谐振腔轴线传播的光可以在两个反射镜之间往复传沿着光学谐振腔轴线传播的光可以在两个反射镜之间往

15、复传 播，相当于延长了激光工作物质的长度。由光学谐振器的长度选择发射波长。播，相当于延长了激光工作物质的长度。由光学谐振器的长度选择发射波长。 只有满足相位平衡条件的光波，才能往复反射得到加强。只有满足相位平衡条件的光波，才能往复反射得到加强。 本征半导体本征半导体在低温下，费米能级处于禁带的中心位置。 P 型半导体型半导体，由于受主杂质的掺入，费米能级的位置比本征半导体要低，处于价 带顶和受主杂质能带之间。 对于重掺杂的 P 型半导体，杂质能带和价带连成一片，费米能级进入价带，称为 兼并型兼并型 P 型半导体型半导体。 兼并型兼并型 N 型半导体型半导体中施主杂质能带和导带连成一片，费米能级

16、进入导带。 半导体激光器发光必须满足的三个条件： 1、有合适的发光介质：-族半导体化合物 2、保证粒子数反转分布的激励能源泵浦源（电流源） 。 3、半导体晶体天然的解理面形成光学谐振腔，在有源区内建立起稳定的振荡。 LD 的阈值特性： 单模激光(SLM)：光谱只有 1 根谱线，谱线峰值波长称为中心波长，谱线宽度小 于 0.1nm，光谱很窄。 多模激光(MLM)：光谱有多根谱线，对应于多个中心波长，其中最大峰值波长称 为主中心波长， 该模式也称为主模， 其它的模式称为边模， 谱线宽度为几个纳米。 温度特性(了解) P40 LED 与 LD 的工作原理不同， LD 发射的是受激辐射光， LED 发射的是自发辐射光。 LED 不需要光学谐振腔，没有阈值 。 尽管发光二极管的输出光功率较低， 光谱较宽， 但由