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1、光纤通信的优点 使用光波作载波，传输容量很大； 损耗小，中继距离长； 重量轻、体积小，安全，便于施工维护； 抗电磁干扰性能好； 泄漏小，保密性能好； 节约金属材料，有利于资源合理使用。,光纤通信则是单纯地依靠光纤作为媒质来传送信息的通信方式。,1、使用弱波导光纤( )有助于减少模式色散 2、群时延差越大，限制通信容量,1、本地(局部)数值孔径 2、相对折射率差 3、自聚焦效应,以不同入射角入射到纤芯中的光线， 虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在中心轴线的某点上，这种现象称为自聚焦(Self-Focusing)效应。 ,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,
2、损 耗 (dB/km),波 长 (nm),OH离子吸收峰,光纤损耗谱特性,瑞利散射是一种基本损耗机理。 由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。 大小与4成反比， RC/ 4（dB/km）因而主要作用在短波长区。 瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。 在1.55 m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16 dB/km ，是该段损耗的主要原因。,1、工作波长=1.31m，某光纤的损耗为0.5dB/km,如果最初射入光纤的光功率是0.5mW，试问经过4km以后，以dB为单位的功率电平是多少？ 2、光纤损耗产生
3、的原因？ 3、光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展？ 4、为什么光纤工作波长选择1.55m、1.31m、0.85m三个窗口？,色散的种类,总色散 多模光纤： 单模光纤： 材料色散和波导色散都表现为某一模式对不同波长的光的传输时延不同，在测量上比较难区分，所以统称为模内色散。 单模光纤一般只给出色散系数 ，其中包含了材料色散和波导色散的共同影响。 多模光纤向单模光纤发展。,双能级原子系统的三种跃迁,受激发射的光子与原光子具有相同的波长、相位和传播方向,三种跃迁方式： (1) 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。电子跃迁
4、后，在低能级留下相同数目的空穴。 (2) 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上与空穴复合，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) 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上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。,发射波长 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，有公式： ,不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。,式中，f=c/，f (Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长
5、，c=3108 m/s为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数，1eV=1.610-19 J，代入上式得到：,单位：,LD的温度特性 随着结区温度的升高，LD的外微分量子效率下降和阈值电流明显加大。描述这一性能的参数就是特征温度，用符号T0表示。可以把T0的物理意义理解为激光器的热稳定性，较高的T0意味着对温度的依赖较小，当温度增加时，激光器的外微分量子效率和阈值电流变化不大。典型激光器的变温P-I曲线图。,T0与器件的材料、结构等有关。,发光二极管 1LED的工作原理 发光二极管（LED）是非相干光源，没有光学谐振腔,不是阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。 LD 和LED的区别：
6、 LD：受激辐射、激光、相干光，存在光学谐振腔； LED：自发辐射、荧光、非相干光，无光学谐振腔。,PIN光电二极管的主要特性 1、波长响应（光谱特性） （1）上截止波长 入射光的波长必须小于某个临界值，才能发生光电效应，这个临界值就叫做上截止波长，定义为： 式中，第一个的单位是焦耳，第二个的单位是电子伏特（eV）。,PIN光电二极管的结构和原理(利用所给材料设计结构),中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，几乎占据整个耗尽层，两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 -
7、 空穴对，光生电流中漂移分量占支配地位，从而大幅度提高了光电转换效率和响应速度。,雪崩光电二极管(APD) 光电二极管输出电流I和反偏压U的关系。,电二极管输出电流I和反向偏压U的关系,开始光电流基本保持不变，当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。 APD就是根据这种特性设计的器件，在结构设计上考虑了使之能承受高反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区。 ,光生的电子或空穴在高电场区获得足够能量而加速运动。 高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子 - 空穴对（二次电子 - 空穴对）。 新产生的二次电子和空穴在高电场中加速，
8、再次和原子碰撞，产生连锁反应。 多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。,APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）,光有源器件：需要外加能源驱动工作的光器件。,光隔离器（Isolators） 光隔离器是光单向传输器，只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输，可以防止光反射的发生，在光通信中有广泛应用。 用途 光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。 例如：高速光发射机需要用光隔离器防止反射光干扰激光器谐振腔的正常工作；掺饵光纤放大器中常用光隔离器防止AS
9、E噪声反复被放大。,调制电路和控制电路 对调制电路和控制电路的要求如下： (1) 输出光脉冲的消光比(全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值)应大于10，以保证足够的光接收信噪比。 ,P11为全“1”码时的平均光功率；P00为全“0”码时的平均光功率。,码型效应 在实际的光纤通信系统中，传输的是有一定宽度的随机脉冲序列。用这样的脉冲序列对半导体激光器调制时，输出光脉冲会出现码型效应。使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失，这种现象称为“码型效应”。,消除码型效应的方法： 最简单的方法是增加直流偏置电流； 用双脉冲信号进行调制，即在每一个正脉
10、冲后面跟随一个负脉冲，见图(c)所示，但负脉冲的幅度不能过大，以免激光器的PN结被反向击穿。,自动温度控制 半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感。为保证输出特性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。 温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图示出温度控制装置的方框图。,温度控制方框图,致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。 ,为提高致冷效率和温度控制精度，通常采用内致冷方式，即把（微型）致冷器和热敏电阻（热敏元件）封装在激光器管壳内。（
11、温度控制精度可达0.5，从而使激光器输出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。） 目前，微型致冷器大多采用的是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的半导体热电致冷器（TEC）。当电流通过两种半导体（P型和N型）组成的电偶时，可以使一端吸热（致冷）而另一端放热，这种现象称为珀尔帖效应。实际制冷器是由许多对温差电偶组合而成，目的是提高致冷能力。（用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，温度控制范围可达3040 ）,ATC电路主要由R1、R2、R3和热敏电阻RT组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转换为电量的变化。运算放大器A的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管V的基极电流。,在设定温度
12、(例如20)时，调节R3使电桥平衡，A、B两点没有电位差，传输到运算放大器A的信号为零，流过致冷器TEC的电流也为零。 当环境温度升高时，LD的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻RT的阻值减小，电桥失去平衡。 这时B点的电位低于A点的电位，运算放大器A的输出电压升高，V的基极电流增大，致冷器TEC的电流也增大，致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。 这个控制过程可以表示如下：,高阻抗前端,尽量加大偏置电阻，把噪声减至尽可能小的值 优点：噪声较低 缺点：动态范围小、高频分量损失太大,对均衡电路提出很高要求,多用于低速系统.,光接收机的动态范围 光接收机的动态范围
13、是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最大允许输入光功率（dBm）和最小允许输入光功率（dBm）之差（dB）。即： 动态范围表示的是接收机接收强光信号的能力。数字光接收机的动态范围一般应大于15dB。,主放大器和AGC决定光接收机的动态范围，为了增大动态范围，要采用自动增益控制电路。,光放大器的类型,利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA、TDFA） 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（RFA、BFA） 利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）,EDFA的工作原理,EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。,信号光与波
14、长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。,EDFA中的Er3+能级结构,泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm 波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。,铒离子简化能级示意图,具体应用,在密集波分复用系统（DWDM）中的应用 EDFA在密集波分复用系统（DWDM）中作线路放大、功率放大和前置放大是EDFA的典型应用之一。,IM-DD数字光纤通信系统设计,数字光纤通信系统一般采用强度调制、直接检波的方式， 即IM-DD方式。任何复杂的通信系统，其基本单元都是点到点的传输链路。 SDH NA APC ATC WDM OTDR PCF EDFA SOA RFA ASE,
