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1、現(xiàn)代通信技術(shù)課件第現(xiàn)代通信技術(shù)課件第9 9章章 光纖通信技術(shù)光纖通信技術(shù)9.1.2 光纖通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)相比具有的優(yōu)點(diǎn)：1.頻帶寬，通信容量大2.傳輸損耗低，無(wú)中繼距離長(zhǎng)3.抗電磁干擾4.光纖通信串話小，保密性強(qiáng)，使用安全5.體積小，重量輕，便于敷設(shè)6.材料資源豐富9.2 光纖傳輸原理與特性9.2.1 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 纖芯(Core);包層(Cladding);涂敷層(Coating)1.按光纖橫截面的折射率分布分類階躍光纖(SIF：Step-Index Fiber)：纖芯折射率n1，包層折射率n2。纖芯和包層的折射率都是均勻分布的，折射率在纖芯和包層的界面上
2、發(fā)生突變。漸變光纖(GIF：Graded-Index Fiber)：包層的折射率n2，是均勻的，而在纖芯中折射率n1則隨著纖芯的半徑的加大而減小，是非均勻、且連續(xù)變化的。此外還有三角型折射率光纖，其纖芯折射率分布曲線為三角型；雙包層光纖、四包層光纖等，如圖：2.按光纖中的傳導(dǎo)模式數(shù)量分類單模光纖、多模光纖3.按光纖構(gòu)成的原材料分類石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層光纖、全塑光纖4.按光纖的套塑層分類緊套光纖、松套光纖9.2.2 光纖的導(dǎo)光原理光的波粒二像性：既可以將光看成光波（電磁波），也可以將光看作是由光子組成的粒子流。光纖中光的傳輸特性的兩種分析方法（理論）：射線光學(xué)（幾何光學(xué)）理論、波
3、動(dòng)光學(xué)理論。射線光學(xué)：用光射線代表光能量傳輸線路。這種理論適用于光波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光波導(dǎo)尺寸的多模光纖，可以得到簡(jiǎn)單、直觀的分析結(jié)果。波動(dòng)光學(xué)：把光纖中的光作為經(jīng)典電磁場(chǎng)來處理。從波動(dòng)方程和電磁場(chǎng)的邊界條件出發(fā)，可以得到全面、正確的解析或數(shù)字結(jié)果，給出光纖中的場(chǎng)的結(jié)構(gòu)形式（即傳輸模式），從而給出光纖中完善的場(chǎng)的描述形式。它的特點(diǎn)是：能夠精確、全面地描述光纖的傳輸特性，這種理論適合于單模光纖和多模光纖的分析。1.采用射線光學(xué)分析光纖的特性1.多模階躍折射率光纖的射線光學(xué)理論分析在多模階躍光纖的纖芯中，光按直線傳輸，在纖芯和包層的界面上光發(fā)生反射。光纖的相對(duì)折射率差由光纖中光線在界面的全反射條件，可以
4、推出臨界角可以定義光纖的數(shù)值孔徑為數(shù)值孔徑(NA：Numerical Aperture)表征了光纖端面收集入射光的能力。2.多模漸變折射率光纖的射線光學(xué)理論分析l 多模漸變折射率光纖纖芯中的折射率是連續(xù)變化的。它隨纖芯半徑r的增加按一定規(guī)律減小。l 漸變折射率光纖的折射率分布可以表示為：g是折射率分布指數(shù);a是纖芯半徑；r是纖芯中任意一點(diǎn)到軸心的距離。使群時(shí)延差減至最小的最佳折射率分布指數(shù)g為2左右9.2.3 光纖的傳輸特性1.光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加，光功率會(huì)不斷下降。光纖對(duì)光波產(chǎn)生的衰減作用稱為光纖的損耗。衡量光纖損耗特性的參數(shù)為衰減系數(shù)（損耗系數(shù)），定義為單位
5、長(zhǎng)度光纖引起的光功率衰減()為在波長(zhǎng)處的衰減系數(shù)；Pi為輸人光纖的光功率；Po為光纖輸出的光功率；L為光纖的長(zhǎng)度光纖的損耗特性是光纖的一個(gè)很重要的傳輸參數(shù)，它對(duì)于評(píng)價(jià)光纖質(zhì)量和確定光纖通信系統(tǒng)的中繼距離有著決定性的作用。引起光纖損耗的因素光纖的損耗因素主要有吸收損耗、散射損耗和其它損耗。光纖的吸收損耗(Absorption Loss):本征吸收：紅外吸收由于分子震動(dòng)引起的吸收（Si-O鍵共振吸收），它在1500-1700 nm波長(zhǎng)區(qū)對(duì)光纖通信有影響；紫外吸收由于電子躍遷引起的吸收，它在7001100 nm波長(zhǎng)區(qū)對(duì)光纖通信有影響。雜質(zhì)吸收：過渡金屬離子Cu2+,Fe2+,Mn3+,Cr3+,Ni
6、2+,V3+引起的吸收;氫氧根離子(HO-)引起的吸收，吸收峰在2.8m，但是在1.39 m，1.24 m，0.95 m附近有諧波吸收峰。光纖的散射損耗(Scattering Loss):由制作缺陷和本征散射產(chǎn)生瑞利(Relay)散射由纖芯材料的微小顆粒或氣孔等分子級(jí)的結(jié)構(gòu)不均勻引起的，瑞利散射系數(shù)與波長(zhǎng)的四次方(4)成反比。非線性散射：受激Raman散射；受激Brillouin散射。其它損耗：彎曲損耗：微彎損耗；宏彎損耗連接損耗耦合損耗光纖的損耗特性曲線損耗譜氫氧根離子(HO-)引起的諧波吸收峰紅外吸收紫外吸收、Relay散射2.光纖的色散特性1.光纖色散的概念光纖色散(Fiber Disp
7、ersion)：由于光纖所傳輸?shù)男盘?hào)是由不同頻率成分和不同模式成分所攜帶的，由于不同頻率成分和不同模式成分的光在光纖中的傳輸速度不同，從而導(dǎo)致信號(hào)畸變的一種物理現(xiàn)象。光纖色散的表示法：光纖的色散系數(shù)D()定義為單位光譜線寬光源在單位長(zhǎng)度光纖上所引起的時(shí)延差最大時(shí)延差(群時(shí)延差）描述光纖中速度最快和最慢的光波成分的時(shí)延之差。時(shí)延差越大，色散就越嚴(yán)重。光纖帶寬用光纖的頻率特性來描述光纖的色散。光纖色散的種類根據(jù)色散產(chǎn)生的原因，光纖色散的種類主要可以分為模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散3種。模式色散（模間色散）在多模光纖中存在許多傳輸模式，即使在同一波長(zhǎng)，不同模式沿光纖軸向的傳輸速度也不同，到達(dá)接收端所
8、用的時(shí)間不同，產(chǎn)生了模式色散。材料色散由于光纖材料的折射率是波長(zhǎng)的非線性函數(shù)，從而使光的傳輸速度隨波長(zhǎng)的變化而變化，由此而引起的色散。波導(dǎo)色散同一模式的相位常數(shù)隨波長(zhǎng)而變化，從而引起色散。波導(dǎo)色散主要是由光源的光譜寬度和光纖的幾何結(jié)構(gòu)所引起的。偏振模色散(PMD:Polarized Mode Dispersion)由沿著光纖兩個(gè)不同方向偏振的同一模式的相位常數(shù)不同，從而導(dǎo)致這兩個(gè)模式傳輸不同步，形成色散。單模光纖的色散光纖的非線性效應(yīng)定義：當(dāng)入射到光纖中的光功率密度足夠大時(shí)，光纖的傳輸特性參數(shù)隨光功率的變化而變化的現(xiàn)象，稱為光纖的非線性效應(yīng)。光纖中的非線性效應(yīng)對(duì)于光纖通信系統(tǒng)有正反兩方面的作用
9、，一方面可引起傳輸信號(hào)的附加損耗、波分復(fù)用系統(tǒng)中信道之間的串話、信號(hào)載波的移動(dòng)等；另一方面又可以被利用來開發(fā)如放大器、調(diào)制器等新型器件。光纖的非線性效應(yīng)的種類：受激散射效應(yīng)受激布里淵(Brillouin)散射；受激拉曼(Raman)散射折射率擾動(dòng)自相位調(diào)制；交叉相位調(diào)制；四波混頻(FWM);光孤子(Soliton)9.2.4 單模光纖光纖中的模：光纖中只有一些離散的角度的光能夠維持傳播，稱為導(dǎo)模(Guided Mode)。與纖芯軸平行的導(dǎo)模稱為零階模(Zero-Order Mode)或稱基模(Fundamental Mode)。單模光纖：只能維持零階模傳輸而高階模均截止的光纖稱為單模光纖。光纖
10、單模傳輸?shù)臈l件：引入V參數(shù)的概念光纖中傳輸?shù)牟煌A模式，有不同的V參數(shù)。若實(shí)現(xiàn)單模傳輸（只傳零階模），則須使V參數(shù)要小于一階模V參數(shù)的值V1（由波動(dòng)光學(xué)可計(jì)算出V1=2.40483)。由此可得到光纖單模傳輸?shù)臈l件為：1.單模光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.為了保證單模傳輸，光纖的芯徑較小，一般其芯徑為410m。2.為了制造的合理及改善光纖性能，單模光纖的包層折射率常是變化的。構(gòu)成所謂的雙包層結(jié)構(gòu)。圖9.5給出了幾種不同的折射率分布形式。2.單模光纖的特性參數(shù)1.截止波長(zhǎng)指光纖的第一個(gè)高階模截止時(shí)的波長(zhǎng)。只有當(dāng)工作波長(zhǎng)大于單模光纖的截止波長(zhǎng)時(shí)，才能保證光纖工作在單模狀態(tài)。由光纖單模傳輸?shù)臈l件：2.模場(chǎng)直徑(M
11、FD:Mode Field Diameter)描述光纖中光功率沿光纖半徑的分布狀態(tài)，即光纖中光能集中程度的參量。定義為：?jiǎn)文９饫w中光功率徑向分布最大值的1/e2處所對(duì)應(yīng)的寬度。3.單模光纖的偏振(Polarization):所謂單模光纖，實(shí)際上傳輸兩個(gè)相互正交的基模。在完善的光纖中，這兩個(gè)模式有相同的相位常數(shù)，是互相兼并的。但實(shí)際光纖的不完善，使得兩正交基模的相位常數(shù)不相等，即傳播速度不同而造成時(shí)延差。這種現(xiàn)象叫做偏振模色散(PMD)。4.單模光纖的分類:1.常規(guī)單模光纖(SMF)（G.652光纖）亦稱為非色散位移單模光纖2.色散位移單模光纖(DSF)（G.653光纖）3.截止波長(zhǎng)位移單模光纖
12、（G.654光纖）:在1550 nm波長(zhǎng)區(qū)域損耗極小，主要用于無(wú)中繼的海底光纖通信系統(tǒng)。4.非零色散位移單模光纖(NZDF)（G.655光纖）適應(yīng)波分復(fù)用（WDM）傳輸系統(tǒng)5.色散補(bǔ)償單模光纖(DCF)一種在1550nm波長(zhǎng)區(qū)有很大負(fù)色散系數(shù)的單模光纖。9.3 光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)統(tǒng)稱為光端機(jī)。光發(fā)送機(jī)的主要作用是將電端機(jī)送來的電信號(hào)變換為光信號(hào)，并耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行傳輸。光發(fā)送機(jī)中的光源是整個(gè)系統(tǒng)的核心器件，它的性能直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)的性能和質(zhì)量指標(biāo)。光接收機(jī)的主要作用是將光纖傳輸后的幅度被衰減的、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號(hào)變換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、整形、再生后，
13、再生成與發(fā)送端相同的電信號(hào)，輸入到電接收機(jī)。光接收機(jī)中的關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測(cè)器，它和接收機(jī)中的前置放大器合稱光接收機(jī)前端。前端的性能是決定光接收機(jī)的主要因素。9.3.1 半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管1.光纖通信系統(tǒng)對(duì)光源的要求發(fā)射波長(zhǎng)應(yīng)該與光纖的低損耗窗口一致，即為850 nm，1310 nm和1550 nm的3個(gè)低損耗窗口；有足夠高的、穩(wěn)定的輸出光功率，以滿足系統(tǒng)中繼距離的要求，一般為數(shù)十微瓦至數(shù)微瓦為宜；光譜線寬要窄，即單色性好，以減小光纖色散對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響；調(diào)制方法簡(jiǎn)單，且要響應(yīng)速度快，以滿足高速率傳輸?shù)男枰浑姽廪D(zhuǎn)換效率要高；能夠在室溫下連續(xù)工作；體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定可
14、靠。半導(dǎo)體激光器(LD)和半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)就是滿足上述要求的理想光源器件。在不同的光纖通信系統(tǒng)中用作光發(fā)送機(jī)的光源。2.半導(dǎo)體激光器(LD:Laser Diode)1.基本原理受激輻射(Stimulated Emission)是半導(dǎo)體激光器的基本工作原理。在半導(dǎo)體材料中，原子是緊密地按一定規(guī)則排列的。由于電子的共有化運(yùn)動(dòng)，使能級(jí)產(chǎn)生了分裂，并形成了能帶，如圖9.9所示。產(chǎn)生激光的條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；光學(xué)諧振腔價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶受激吸收(Stimulated Absorption)自發(fā)輻射(Spontaneous Spontaneous Emission)Emission)受激輻射(Sti
15、mulated Stimulated EmissionEmission)2.半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光源的核心是PN結(jié)，它 由高摻雜濃度的p型半導(dǎo)體材料 和N型半導(dǎo)體材料組成。在p區(qū)和N區(qū)之間為有源區(qū)（或 激活區(qū)）。兩個(gè)端面為自然解理面形成平 行反射鏡，構(gòu)成光學(xué)諧振腔。有源區(qū)為光提供增益，而諧振 腔的作用是提供光學(xué)正反饋。3.半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)態(tài)特性發(fā)射波長(zhǎng)：構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的材料決定激光器的發(fā)射波長(zhǎng)。P-I特性：輸出光功率P隨注入電流I的變化關(guān)系。溫度特性：半導(dǎo)體激光器是對(duì)溫度敏感的器件，它的輸出光功率隨溫度而變化。模式特性：橫模、側(cè)模、縱模光譜特性：半導(dǎo)體激光器的光譜特性主要是由激光器的縱模
16、決定。激光器的效率 LD把激勵(lì)的電功率轉(zhuǎn)換成光功率的比率。常用的參數(shù)為外微分量子效率：LD達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比。3.發(fā)光二極管(LED：Light-Emitting Diodes)1.基本原理 LED是非相干光源。工作原理是自發(fā)輻射。2.發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu) LED通常有兩種結(jié)構(gòu)：面發(fā)光二極管(SLED);邊發(fā)光二極管(ELED)3.工作特性P-I特性：不存在閾值；I-P呈線性關(guān)系；有飽和現(xiàn)象。光譜特性：由于是自發(fā)輻射發(fā)光，所以輸出光譜較寬。溫度特性：與LD相比，LED的溫度特性很好。遠(yuǎn)場(chǎng)特性：距離器件輸出端面一定距離的光束在空間上的分布稱為遠(yuǎn)場(chǎng)特性。LED的發(fā)散角比
17、LD大，所以與光纖耦合的效率低。4.光源的調(diào)制定義：光調(diào)制是用待發(fā)送的電信號(hào)控制光載波的某一參量（如光強(qiáng)度等），使之?dāng)y帶發(fā)送信息的過程，也就是完成電光轉(zhuǎn)換的過程。種類：根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制。直接調(diào)制：把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注人LD或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)，所以是采用電源調(diào)制方法。直接調(diào)制后的光波電場(chǎng)振幅的平方正比于調(diào)制信號(hào)，是一種光強(qiáng)度調(diào)制（IM）的方法。間接調(diào)制:利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輻射的調(diào)制。這種調(diào)制方式既適用于半導(dǎo)體激光器，也適用于其他類型的激光器。間接調(diào)制最常用的是外調(diào)制的方法，即在激光形成以后加載調(diào)制信號(hào)
18、。9.3.2 光發(fā)送機(jī)1.光發(fā)送機(jī)的組成HDB3碼轉(zhuǎn)換成“0”“1”二電平碼將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制電流控制電路包括自動(dòng)功率控制（APC）電路和自動(dòng)溫度控制（ATC）電路2.光源的數(shù)字調(diào)制與驅(qū)動(dòng)1.LED的數(shù)字調(diào)制和驅(qū)動(dòng)2.LD的數(shù)字調(diào)制和驅(qū)動(dòng)3.控制電路1.自動(dòng)溫度控制（ATC）2.自動(dòng)功率控制（APC）4.光發(fā)送機(jī)的主要指標(biāo)1.平均發(fā)送光功率：光源尾纖輸出的平均光功率2.消光比：全”1”碼平均發(fā)送光功率與全”0”碼平均發(fā)送光功率之比3.光譜特性：光源的譜線寬度9.3.3 光檢測(cè)器n光纖通信系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器的要求：l在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，光檢測(cè)器能輸出盡可能大的
19、光電流；l有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬，即對(duì)高速光脈沖信號(hào)有足夠快的響應(yīng)能力；l產(chǎn)生的附加噪聲小；l光電轉(zhuǎn)換線性好，保真度高；l工作穩(wěn)定可靠，工作壽命長(zhǎng)；l體積小，使用簡(jiǎn)便。n目前，滿足上述要求、適合于光纖通信系統(tǒng)使用的光檢測(cè)器主要有半導(dǎo)體PIN光電二極管、雪崩光電二極管（APD）、光電晶體管等，其中前兩種應(yīng)用最為廣泛。1.PIN光電二極管1.基本原理和結(jié)構(gòu)1.工作原理:受激吸收2.PIN結(jié)構(gòu):在高摻雜P型和N型半導(dǎo)體材料之間生長(zhǎng)一層本征半導(dǎo)體材料或低摻雜半導(dǎo)體材料，稱為I層。使得光子在耗盡區(qū)內(nèi)能夠被充分吸收，以利于提高量子效率和響應(yīng)速度。2.主要特性1.波長(zhǎng)響應(yīng)范圍：光子能量hf大于半
20、導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時(shí)，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。這一條件限制了光電二極管使用的上限波長(zhǎng),稱為光電二極管的截止波長(zhǎng)。2.響應(yīng)度和量子效率l響應(yīng)度和量子效率表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。l響應(yīng)度:l量子效率:3.響應(yīng)速度l響應(yīng)速度是光電二極管的一個(gè)重要參數(shù)。響應(yīng)速度通常用響應(yīng)時(shí)間來表示。響應(yīng)時(shí)間為光電二極管對(duì)矩型光脈沖的響應(yīng)電脈沖的上升時(shí)間或下降時(shí)間。P P 為人射到光電二極管上的光功率；I IP P 為光生電流。R R 的單位為A/W2.雪崩光電二極管（APD:Avalanche Photodiodes）1.基本原理和結(jié)構(gòu)n基本原理:n雪崩倍增效應(yīng):雪崩光電二極管能夠獲得內(nèi)部增益是基于碰撞電離效應(yīng)
21、。當(dāng)PN結(jié)上加高的反偏壓時(shí)，耗盡層的電場(chǎng)很強(qiáng)，光生載流子經(jīng)過時(shí)就會(huì)被電場(chǎng)加速，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高時(shí)，光生載流子獲得很大的動(dòng)能，它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)中與半導(dǎo)體晶格碰撞，使晶體中的原子電離，激發(fā)出新的電子空穴對(duì)，這個(gè)過程稱為碰撞電離。碰撞電離產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下同樣又被加速，重復(fù)前一過程，這樣多次碰撞電離的結(jié)果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，形成雪崩倍增效應(yīng)。nAPD拉通型（RAPD）結(jié)構(gòu)2.APD的特性1.APD的雪崩倍增因子2.響應(yīng)度和量子效率l響應(yīng)度：APD具有電流增益，所以APD的響應(yīng)度比PIN的響應(yīng)度大大提高l量子效率：只與初級(jí)光生載流子數(shù)目有關(guān)，不涉及倍增問題。3.APD的響應(yīng)速度
22、lAPD的響應(yīng)速度主要取決于載流子完成倍增過程所需要的時(shí)間、載流子在耗盡層的渡越時(shí)間以及結(jié)電容和負(fù)載電阻的RC時(shí)間常數(shù)等因素。I IP P 是APD的輸出平均電流I IP0 P0 是平均初級(jí)光生電流9.3.4 光接收機(jī)1.光接收機(jī)的組成9.4 光纖通信系統(tǒng)1.電端機(jī)2.光發(fā)送端機(jī)3.光中繼器4.光接收端機(jī)5.備用系統(tǒng)備用系統(tǒng)包括光端機(jī)、光纖和光中繼器，但電端機(jī)一般無(wú)備用系統(tǒng)。備用系統(tǒng)可供一個(gè)或多個(gè)主用系統(tǒng)共用，當(dāng)某一個(gè)主用系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，即可倒換至備用系統(tǒng)。6.輔助系統(tǒng)輔助系統(tǒng)是為了保證光纖通信系統(tǒng)的信號(hào)可靠傳送，以及整個(gè)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的管理、運(yùn)行和維護(hù)而設(shè)置的。它包括監(jiān)控管理系統(tǒng)、公務(wù)通信系統(tǒng)
23、、自動(dòng)倒換系統(tǒng)、告警處理系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)等。9.5 光放大技術(shù)9.5.1 光放大器1.半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器是一個(gè)具有 或不具有端面反射的半導(dǎo)體 激光器。結(jié)構(gòu)和工作原理:與LD非常 相似。當(dāng)給器件加偏置電流 時(shí)，電流可以使半導(dǎo)體增益物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生自發(fā)輻射，當(dāng)外光場(chǎng)人射時(shí)會(huì)發(fā)生受激輻射。受激輻射產(chǎn)生信號(hào)增益。特點(diǎn):尺寸很??；增益較高，一般在1530 dB；頻帶寬，一般為5070 nm。存在的主要問題:與光纖的耦合損耗大，為58 dB；由于增益與偏振態(tài)、溫度等因素有關(guān)，因此穩(wěn)定性差；在高速光信號(hào)的放大上，仍存在問題；輸出功率小，噪聲系數(shù)較大。2.光纖放
24、大器光纖放大器分為稀土摻雜光纖放大器和利用非線性效應(yīng)制作的常規(guī)光纖放大器。摻鉺光纖放大器（EDFA：Erbium-Doped Fiber Amplifiers）利用光纖中稀土摻雜物質(zhì)引起的增益機(jī)制實(shí)現(xiàn)光放大。摻雜的稀土元素有鉺（Er）、鐠（Pr）、鉺鐿（Er:Yb）共摻雜等。摻鉺光纖放大器（EDFA）的工作波長(zhǎng)為1550 nm 波段。典型結(jié)構(gòu)圖9.32n 摻鉺光纖引起的增益機(jī)制摻鉺光纖是EDFA的核心，它以石英光纖作基礎(chǔ)材料，在光纖芯子中摻入一定比例的稀土元素鉺離子（Er3+）。這種光纖在一定的泵浦光激勵(lì)下，處于低能級(jí)的Er3+可以吸收泵浦光的能量，向高能級(jí)躍遷。Er3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖如圖9.3
25、3所示。由于Er3+在高能級(jí)上的壽命很短，很快以無(wú)輻射的形式躍遷到亞穩(wěn)態(tài)(4I13/2能級(jí)），在該能級(jí)上，Er3+有較長(zhǎng)的壽命，從而在亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)1550 nm波段的光信號(hào)通過這段摻鉺光纖時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的Er3+以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生出和入射光信號(hào)中的光子一模一樣的光子，大大增加了信號(hào)光中的光子數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖中的放大。n EDFA的泵浦形式同向泵浦反向泵浦雙向泵浦n 利用非線性效應(yīng)制作的常規(guī)光纖放大器增益介質(zhì)：常規(guī)光纖工作原理：利用光纖的三階非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的增益機(jī)制對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。特點(diǎn)：傳輸線路和放大線路同為光纖，是一種分布參數(shù)式的光放大器
26、。主要缺點(diǎn)：由于單位長(zhǎng)度的增益系數(shù)較低，需要很高的泵浦光功率。常見的非線性光纖放大器：光纖拉曼放大器（FRA：Fiber Raman Amplifiers）：在12701670 nm全波段實(shí)現(xiàn)光放大，利用傳輸光纖作在線放大。光纖布里淵放大器（FBA：Fiber Brillouin Amplifiers）1.EDFA應(yīng)用形式1.系統(tǒng)線路放大器2.功率放大器3.前置放大器4.LAN放大器2.EDFA的主要特點(diǎn)工作波長(zhǎng)為1550nm，與光纖的低損耗波段一致；EDFA的信號(hào)增益譜很寬，達(dá)到30 nm或更高，可用于多路信號(hào)的放大，尤其適合于密集波分復(fù)用（DWDM）光纖通信系統(tǒng)；EDFA的增益高，約為20
27、40dB，且具有較高的飽和輸出功率，一般為1020dBm;EDFA具有較低的噪聲指數(shù)，為48dB;與光纖的耦合損耗小，甚至可達(dá)0.1dB;所需泵浦光功率較低，約數(shù)十毫瓦，泵浦效率較高。9.5.2 EDFA的應(yīng)用形式與特點(diǎn)9.6 光波分復(fù)用技術(shù)光波分復(fù)用技術(shù)（WDM:Wavelength Division Multiplexer）:在一根光纖中同時(shí)傳輸多波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。9.6.1 WDM系統(tǒng)構(gòu)成WDM系統(tǒng)按照工作波長(zhǎng)的波段不同可以分為兩類：一類是在整個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)波段內(nèi)信道間隔較大的復(fù)用，稱為粗波分復(fù)用（CWDM）；另一類是在1550 nm波段的密集波分復(fù)用(DWDM），它是在同一窗口中信道間隔
28、較小的波分復(fù)用，可以同時(shí)采用8,16或更多個(gè)波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上（也可采用單纖）構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)，其中每個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔為1.6 nm,0.8 nm或更低，對(duì)應(yīng)的帶寬為200GHz,100GHz或更窄的帶寬。目前，DWDM采用的信道波長(zhǎng)是等間隔的，即k x 0.8nm，(k為正整數(shù)）。EDFA成功地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)，極大地增加了光纖中可傳輸?shù)男畔⑷萘亢蛡鬏斁嚯x。WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有兩種形式：即雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。DWDM系統(tǒng)主要由5個(gè)部分組成：即光發(fā)射機(jī)、光中繼放大器、光接收機(jī)、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。9.6.2 WDM技術(shù)的特點(diǎn)(1)充分利用了光纖的巨大帶寬資源（低損耗波段），
29、使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾十倍至幾百倍，從而增加了光纖的傳輸容量。(2)使用的各波長(zhǎng)相互獨(dú)立，因而可以傳輸特性完全不同的信號(hào)，完成各種業(yè)務(wù)信號(hào)（包括數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)、PDH信號(hào)和SDH信號(hào)）的綜合和分離，實(shí)現(xiàn)多媒體信號(hào)（如音頻、視頻、數(shù)據(jù)、文字、圖像等）的混合傳輸。(3)可以實(shí)現(xiàn)單根光纖的雙向傳輸，以節(jié)省大量的線路投資。(4)可以有多種應(yīng)用形式，如長(zhǎng)途干線的傳輸網(wǎng)絡(luò)、廣播式分配網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)等。(5)使n個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用起來在單根光纖中傳輸，在大容量長(zhǎng)途傳輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖；對(duì)已經(jīng)建成的光纖通信系統(tǒng)可以很容易地進(jìn)行擴(kuò)容升級(jí)，因而WDM技術(shù)可以節(jié)約線路投資。(6)隨著傳輸速率的不斷提高，
30、許多光電器件的響應(yīng)速度已明顯不足。使用WDM技術(shù)可以降低對(duì)一些器件在性能上的極高要求，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸。(7)WDM的信道對(duì)數(shù)據(jù)格式是透明的，即與信號(hào)的速率和電調(diào)制方式無(wú)關(guān)，在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充和發(fā)展中是理想的擴(kuò)容手段，也是引入寬帶新業(yè)務(wù)的方便手段。(8)利用WDM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。9.7 光時(shí)分復(fù)用技術(shù)光時(shí)分復(fù)用（OTDM：Optical Time Division Multiplexing）技術(shù)是提高每個(gè)信道上傳輸信息容量的一個(gè)有效的途徑。9.7.1 OTDM系統(tǒng)構(gòu)成超短光脈沖光源光分路器調(diào)制器延遲線陣列光耦合器EDFA時(shí)鐘提取電路光時(shí)分解復(fù)用器 -（光控高速開關(guān)）
31、9.7.2 OTDM技術(shù)特點(diǎn)OTDM技術(shù)的主要特點(diǎn)(1)系統(tǒng)可以工作在單波長(zhǎng)狀態(tài)，具有很高的速率帶寬比，可以有效地利用光纖的帶寬資源。特別是和WDM技術(shù)相結(jié)合，可以聯(lián)手實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離、超大容量的光纖傳輸。(2)OTDM技術(shù)可以克服WDM技術(shù)中的一些固有限制，如光放大器級(jí)聯(lián)導(dǎo)致的增益譜不平坦、信道串?dāng)_問題、非線性效應(yīng)的影響以及對(duì)光源波長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求等等。(3)OTDM技術(shù)能夠提供從MHz到THz任意速率等級(jí)的業(yè)務(wù)接入，對(duì)數(shù)據(jù)速率和業(yè)務(wù)種類具有完全的透明性和可擴(kuò)展性，比WDM技術(shù)更能滿足未來超高速全光網(wǎng)絡(luò)的需求。OTDM需解決的關(guān)鍵技術(shù)高重復(fù)率超短光脈沖源；超短光脈沖的長(zhǎng)距離傳輸和色散抑制技術(shù)；時(shí)鐘
32、恢復(fù)技術(shù)；光時(shí)分復(fù)用和解復(fù)用技術(shù)；幀同步及路序確定技術(shù)。9.8 光纖孤子通信技術(shù)光纖中的光孤子（Soliton）是光纖色散與光纖非線性效應(yīng)相互作用的產(chǎn)物，是一種不隨傳輸距離而改變形狀的一種相干光脈沖。9.8.1 光纖孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成9.8.2 光纖孤子通信關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵器件是光孤子源傳輸過程中畸變光信號(hào)的分布式自整形9.9 光傳送網(wǎng)技術(shù)9.9.1 光傳送網(wǎng)的引入光傳送網(wǎng)（OTN:Optical Transport Network）是一種以波分復(fù)用與光信道技術(shù)為核心的新型通信網(wǎng)絡(luò)傳送體系，它由光分插復(fù)用、光交叉連接、光放大等網(wǎng)元設(shè)備組成，具有超大傳送容量、對(duì)承載信號(hào)語(yǔ)義透明性及在光層面上實(shí)現(xiàn)保護(hù)和
33、路由的功能，是光互連網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。9.9.2 光傳送網(wǎng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)1.光傳送網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)2.WDM光傳送網(wǎng)作為一個(gè)全新網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的特征有：1.波長(zhǎng)路由 5.可擴(kuò)容性2.透明性 6.可操作性3.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性 7.可靠性和可維護(hù)性4.可重構(gòu)性9.9.3 光傳送網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)技術(shù)1.光分插復(fù)用技術(shù)2.光交叉連接器技術(shù)習(xí) 題1.什么是光纖通信？光纖通信的主要特點(diǎn)是什么？3.光纖的損耗和色散對(duì)光纖通信系統(tǒng)有哪些影響？光纖中有哪幾種色散？并解釋其含義。4.一階躍光纖，纖芯半徑a=25m，折射率n1=1.5，相對(duì)折射率差=1，長(zhǎng)度L=1 km,求：(1)光纖的數(shù)值孔徑NA;(2)子午光線的最大時(shí)延差。6.光纖通信系統(tǒng)對(duì)光源有哪些要求？7.半導(dǎo)體激光器有哪些穩(wěn)態(tài)特性？9.在長(zhǎng)距離、高速率傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)中常采用哪些光源？為什么？17.簡(jiǎn)述APD的工作原理。26.光放大器有哪些形式？EDFA能放大哪個(gè)波段的光信號(hào)？簡(jiǎn)述EDFA的結(jié)構(gòu)和工作原理。31.簡(jiǎn)述WDM技術(shù)的原理與特點(diǎn)。
現(xiàn)代通信技術(shù)課件第9章光纖通信技術(shù)
