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1、第一章概论光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载体的通信系统，主要由光发电机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。光线通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。不管是数字系统，还是 模拟系统，输入到光发射机的带有信息的电信号，都可以调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端。再由光接收机把光信号转换为电信号。光纤的主要作用：利用光的全反射原理传递光学信号，其优点是信号损耗小，抗干扰能力强。与电缆或微波等电通信方式相比，光通信优点：（1）通信容量大（2）中继距离长（3）保密性能好（4）适应能力强（5）体积小、重量轻，便于施工维护（6）原材料资源丰富，节约有色金属和能 源，潜在价格低廉。光
2、纤通信中常用的三个低功耗窗口的中心波长为：0.85微米1.31微米1.55微米其中后两个的应用更为广泛。基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间。光发射机、光纤线路和 光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。光发射机由光 源、驱动器和调制器组成。其中，光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线
3、宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和 波长稳定，器件寿命长。光纤线路的功能是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。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和 连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳多根光纤的光缆。光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接 收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心，对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。光纤通信具有传输频带宽，通信容量大：因为光纤通信采用的载波是光波，光波也是一种电磁波，其波
4、长在微米量级，频率为1014量级，其频率比常用的微波高104105量级，因此理论上的通信容量 也是微波通信的104105倍，通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽带越宽。空间光通信的定义：是指在两个或多个终端之间，利用空间传输的激光束作为信息载体，实现通信，又称为自由空间光通信、无线激光通信。空间光通信的优点：（1）通信容量大（2）体积小（3）功耗低（4）建造经费和维护经费低（5）还具有抗干扰性强和保密性好的优点光纤通信所有光波的波长范围：0.71.7微米空间光通信技术的关键技术：（1）激光器技术（2）捕获、瞄准、跟踪技术（3）调制、接收技术（4）空间环境适应性技术
5、（5）小型、轻量、低功率一体化设计和制造技术激光链路的调制与接收方式：激光链路的调制与接收技术集中反映了通信系统的情况。调制方式大致分为调幅、调频、调相，与之对应的接收方式有直接强度探测和相干探测。调频调制方式在激光通信中，在组成系统的复杂性和灵敏度方面都没有优势，目前很少被采用。直接强度探测，即非相干探测这种方法具有结构简单、成本低、易实现等优点。相干探测这种方法具有接收 灵敏高、抗干扰能力等优点，但系统较为复杂，对元器件性能要求较高，特别是对波长的稳定性和谱线宽度要求高。第二章通信用光源光源是光发射机的主要器件，其主要功能是实现信号的电一光转换；光检测器位于光接收机内，主要功能是实现信号的
6、光一电转换。光线通信系统中普遍采用的两大类光源是激光器与发光管。在高速率、远距离传输系统中采用光谱宽度很窄的分布反馈式激光器和多量子阱激光器。不同光纤通信系统对于光电探测器的要求：（1）在光纤通信所有波长内，要有足够的灵敏度（2）要有足够的贷款，即对光信号有快速的响应能力（3）在对光信号解调的过程中引入的噪声要小（4） 光电探测器要体积小，使用方便，可靠性要高（5）课低功率工作，不需要过高的偏压或偏流光线通信对光源性能的基本要求：（1）发光波长与广宣的低衰减窗口相符（2）足够的光输出功率（3）可靠性高、寿命长（4）温度稳定性好（5）光谱宽度窄【由于光纤有色散特性，使较高速率信 号的传输距离受到
7、一定限制。若光源谱线窄，则在同样条件下的无中继传输距离长】（6）调制特性好（7）与光纤的耦合效率高（8）尺寸小、重量轻一般光源类型与应用特点：光纤通信使用的光源均为半导体激光器和发光二极管。半导体光源突出的优点是其工作波长可以对准光纤的低损耗、低色散窗口，此外它们还具有体积小、功率低，易于 实现内调制等特点，因而特别适用于光纤通信。半导体光源也存在缺点，包括输出功率小，热稳定性差，远场发散角大。LD的输出功率大，入纤耦合效率高，但稳定性较差；而LED的输出功率小，耦合损 耗较大，但稳定性好，寿命几乎不成问题，价格较LD便宜。一般长途干线使用LD作光源，短距离的本地网发送机选用LED。半导体光源
8、的发光机理：半导件激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数的反转分布，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。激光振荡和光学谐振腔：粒子数反转分布时产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只用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，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 激光器产生激光必须具备以下条件：（1）必须有激光工作物质，可在需要的光范围内辐射光子（2）工作物质必须处于粒子数反转分布状态，并使小信号增益系数大于谐振腔的平均损耗系数，从而产生光 的放大系数（3）必须有光学谐振腔进行频率选择及产生光反馈。阈值条件：设增益介质单位长度的小信号增益系数为G0，损
9、耗系数为ai，两个反射镜M1、M2反射系数分别为r1和r2。若暂不考虑其他 损耗，则由于增益介质的放大作用，腔内光功率随距离的变化可表示为 （24） 式中，P （0）为z=0处的光功率。光束在腔内经历一个来回后，两次通过增益介质，此时的光功率为（25）要想产生振荡，必须满足P （2L）NP （0） 即（26）因此 （27） 式中，a称为光学谐振腔的平均损耗系数，它包括增益介质的本身损耗和通过两次反射镜的传输损耗。式（27）即为激光器的阈值条件。只有在这种情况下，光信号才能不断 得到放大，使输出光功率逐渐增强。高能级粒子不断向低能级跃迁产生受激辐射，使得低能级粒子数和高能级粒子数差减小，受激辐射
10、作用降低，增益系数G0也减小，直至G0=a，激光器维持一个稳定 的振荡，并输出稳定的光功率。相位条件：要产生激光振荡，除了要满足上述阈值条件外，还要满足一定的相位条件，即受激辐射光在腔内往返一次后与原有的波叠加；若要在腔中形成谐振，叠加的波必 须是相互加强的，即要求它们之间的相位差必须是2n的整数倍，也就是往返一次的路径长度是波长的整数倍，以形成正反馈。这可写成2L=q入（28）式中，q表示纵模的模数；入为在谐振腔内的光波 波长。光学谐振腔的折射率为n，则输出的激光波长是谐振腔内波长的n倍。输出激光波长为（29）式中，入为输出的激光波长；n为激活物质的折射率；q为纵模模数，q=1，2, 3。发
11、光二极管的工作原理与激光器有所不同，LD采用的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构与LD相似，大多采用双异质结芯片，把有源层加在P型和N型限制层中间，不同是LED不 需要光学谐振腔，没有阈值。和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。因此这种 器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。发光二极管具有以下特性（1）光输出特性。当注入电流较小时，发光二极管的输出功率曲线基本是线性的（2）光谱特性。发光二极管的发射光谱比半导体激 光器宽很多，因光纤的色散与光源谱宽成比例，故LED不能用
12、于长距离传输（3）温度特性。温度对发光二极管的光功率影响比半导体激光器要小（4）发光管的频率调制特性。LED可调速率低。半导体光源的发光机理：电子在低能级E1的基态和高能级Ei的激发态之间的位置变化叫做跃迁。电子在原子核外的跃迁有三种基本方式：自发辐射、受激辐射和受激吸收。为了简便起见，只考虑粒 子的两个能级E1和E2 （1）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。电子跃迁后，在低能级E1留下相同数目的空穴（2）处于 高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转为光子辐
13、射出去，这种跃迁称为自发辐射。自发辐射的特点是：各个处于高能级的粒子都 是自发地、独立地进行跃迁，其辐射光子的频率不相同，所以自发辐射的频率范围是很宽的。即使有些粒子在相同的能级间跃迁，频率相同，但它们发射的方向和相位也是不同的。例如，普通的光、灯光 等就是这种光，它们由不同频率、不同方向、不同相位和不同偏振方向的光子组成，叫做非相干光。（3）处于高能级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，产生两个光子，这两个光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、运动方向都相同，称它们为全同光子，这种跃迁称为受激辐射。因受激辐射而产生的光子与激发光子相叠加，可
14、以使入射的光得到 放大。固体、液体、气体以及半导体激光器都是利用受激辐射过程来产生激光。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玻尔条件， 即E2-E1=hf12 式中，h为普朗克常数，h=6.626X10-34J s； f12为吸收或辐射的光子频率。半导体激光的波长：半导体发光器件所采用的半导体材料，根据不同的组合，其发光波长从可见光到红外光区域。发光波长基本上由半导体禁带宽度（即导带与价带的能级差）Eg=hf决定。由 得 出 ，其中c为光速（c = 2.99792458X108m/s）。光子能量E和波长人之间的变换关系为E （eV
15、）=1.2398M （p m）激光器的种类：分布反馈式激光器DFB DFB激光器采用双异质掩埋条形结构。不同之处是它用布拉格光栅取代传统的F-P光腔作为光谐振器。F-P腔激光器，其光的反馈是由腔体两端面的反射提供 的，其位置是确定的，就在端面上。光的反馈也可以是分布方式，即由一系列靠得很近的反射端面的反射提供。量子阱激光器MQW 多量子阱结构带来了阈值电流小、输出光功率大及热稳定性好的优点。半导体激光器输出光谱线宽度和模式特性与其光增益谱分布和选模机构有关。对法布里一珀罗腔激光器， 光谱线一般为多模。量子阱分布反馈激光器，由于量子尺寸效应和分布反馈光栅的选模作用，可实现高速率调制下的动态单纵模
16、输出。分布反馈用的光栅是一种皱折波纹状结构，这种波纹状结构使光波导 区的折射率呈周期性分布，其作用就像一个谐振腔。根据光的耦合波理论，折射率呈周期性分布的光栅对其中的光有选模（波长）作用。只有有源区的光波长和光栅相对应时，才能稳定地存在下去，而其 他波长的光则衰减掉了。这样，量子阱分布反馈激光器射出的光的谱线就很窄，在高速率调制下就可实现动态单纵模输出。光纤锁模激光器：产生激光超短脉冲的技术常称为锁模技术。这是因为一台自由运转的激光器中往往会有很多个不同模式或频率的激光脉冲同时存在，而只有在这些激光模式相互间的相位锁定时，才能产生激光超短脉冲或称锁模脉冲。实现锁模的方法有很多种，但一般可以分成 两大类：主动锁模和被动锁模。主动锁模指的是通过由外部向激光器提供调制信号的途径来周期性地改变激光器的增益或损耗，从而达到锁模目的；而被动锁模则是利用材料的非线性吸收或非线性相变的 特性来产生激光超短脉冲。垂直腔面发射激光器：VSCEL极大地提高了传输带宽，成为多模光纤局域网数
