《光纤通信技术》课件.ppt

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1、第5章 光纤通信系统光电子技术基础厚德博学 求实创新学习目标掌握光纤通信的原理掌握光纤的相关参数，光纤中损耗和色散的相关知识常见的光通信器件的基本原理、特性和使用光纤通信系统中复用技术的原理、方法和实际应用了解光纤通信系统的相关规范以及光纤的制备方法学习要求l熟悉光纤的参数、分类等基本知识l熟悉几何光学分析光信号在光纤中传输的相关结论l熟悉波动理论分析光信号在光纤中传输的相关结论l掌握光纤的损耗及色散的分析、计算、测量、补偿以及其他相关应用。l熟悉常见光通信器件的原理、特性以及它们在光纤通信系统中的实际应用。引言 光纤通信系统是目前世界通信系统的主要模式，比以前的电缆通信系统无论从性能还是成本

2、上都有极大优势。正是光纤用于现代通信系统，才使得我们能够成功构建今天高速、多元化的信息社会本章内容5.1 光纤基本知识光纤基本知识5.2 光在光纤波导中的传播光在光纤波导中的传播5.3 光纤的损耗与色散光纤的损耗与色散5.4 光通信器件光通信器件5.1 光纤基本知识5.1.1 光纤的发明和发展1870 庭达尔 光导纤维1966 高锟 低损耗光纤的可能性1970 美国康宁公司 20db/km的光纤1971此后光纤通信系统进入快速发展 光纤是光导纤维（optical fiber）的简写，是一种利用光介质分界面上可能发生全反射的原理传输光能的工具。5.1 光纤基本知识5.1.1 光纤的发明和发展光纤

3、的优点光纤的优点频带宽，传输容量大。损耗低，传输距离远，损耗受温度影响小，同时在部分频段内损耗和频率无关，无须引入均衡器。重量轻，体积小，不易受到电磁干扰，且安全性、保真性都远好于电缆。成本低，生产光纤的原料石英来源广泛，储量远远大于铜和铝等金属材料，价格上要便宜得多。5.1 光纤基本知识5.1.1 光纤的发明和发展光纤的应用光纤的应用通信系统光纤传感器。医学照明、内窥。装饰5.1 光纤基本知识5.1.2 光纤的基本工作原理和结构n1n2原理：全反射结构：纤芯，包层，套层。n1 n25.1 光纤基本知识5.1.3 光纤的分类按用途：通信用光纤、非通信用光纤。按材料：石英光纤、全塑光纤。按传输模

4、式：单模光纤和多模光纤。按传输窗口：常规型单模光纤、色散位移型单模光纤(DSF)、非零色散位移光纤。按、剖面折射率分布：阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤。5.1 光纤基本知识5.1.3 光纤的分类单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤多模光纤多模光纤中可以有多种模式的光信号传播，但是模间色散大，随着传输距离增大，带宽会减小，因此普通多模光纤不适用与长距离传播。单模光纤单模光纤中只有一个模式的光传播，模间色散小，适合远程通信线路。5.1 光纤基本知识5.1.3 光纤的分类阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤 阶跃折射率光纤（SIF）渐变折射率光纤（GIF）5.1 光纤基本知识

5、5.1.3 光纤的分类国际电信联盟（ITU-T）光纤标准名称类型G.651多模渐变型折射率光纤G.652非色散位移光纤G.653色散位移光纤G.654截止波长位移光纤G.655非零色散位移光纤5.1 光纤基本知识5.1.4 光纤的制造原料：SiO2 要求：光纤原材料必须要高纯度的SiO2制作过程中必须防止杂质污染和气泡混入要准确控制制作尺寸，精度要达到1mm甚至更高减小光纤表面损伤，提高其机械性能。按要求控制好其折射率分布5.1 光纤基本知识5.1.4 光纤的制造 制造光纤的方法很多，目前主要有：改进化学汽相沉积法(MCVD)、等离子体化学汽相沉积法(PCVD)、管外汽相沉积法(OVD)和轴向

6、汽相沉积法(VAD)。但不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯线。5.1 光纤基本知识5.1.4 光纤的制造改进化学汽相沉积法(MCVD)5.1 光纤基本知识5.1.4 光纤的制造管外汽相沉积法(OVD)5.1 光纤基本知识5.1.4 光纤的制造轴向汽相沉积法(VAD)5.1 光纤基本知识5.1.4 光纤的制造拉丝工艺 一般包层直径约为125mm，第一次涂敷后直径约为250 mm，第二次涂敷后约为900 mm，最后缠绕到卷盘上。最后光纤应用时还要做成光缆。5.1 光纤基本知识5.1.5 光纤通信系统5.2 光在光纤波导中的传播

7、光纤原理的几何光学描述斯涅尔定律 全反射条件 取空气折射率为n0=1，那么入射角的最大值为 ia：收光角收光角：数值孔径数值孔径 5.2 光在光纤波导中的传播光纤原理的几何光学描述数值孔径数值孔径 相对折射率差对于阶跃折射率光纤数值孔径NA是光纤的重要参数，它描述的光纤收光的能力。数值孔径较大的光纤可以耦合较大范围入射角的光，即使是像LED这样的光源发出的发散光也可以被耦合到其中传播。同时数值孔径较大的光纤还使得光纤在弯曲的时候能传播更大范围的光。5.2 光在光纤波导中的传播光纤原理的几何光学描述 如果有太多不同角度的光线在光纤中传播，由于不同光线走的路径不一样，而纤芯折射率又处处相同，这会导

8、致不同角度入射的光线传播到终点的时间不一致，这就造成了输入光脉冲的展宽，这就是多模光纤的模间色散模间色散。如果光脉冲被展宽，相邻光脉冲之间就会产生交叠，在交叠区会发生干涉。一旦交叠区较大，干涉效应会使得相邻的两个脉冲不可分辨，这样信号就会发生失真。5.2 光在光纤波导中的传播光纤原理的几何光学描述光脉冲展宽光脉冲展宽Dt可以用光经过最长距离和最短距离的时间差来估计。L为光纤长度 信号的带宽带宽B可以用光脉冲展宽的倒数来表示 传播距离越长，带宽会越来越小。因此，阶跃折射率光纤不适合于长距离的多模信号传输。5.2 光在光纤波导中的传播光纤原理的几何光学描述为了解决多模阶跃折射率光纤中模间色散的问题

9、，人们发明了渐变折射率光纤(GIF)。5.2 光在光纤波导中的传播5.2.2 光纤中的电磁波光纤中传播的电磁波满足麦克斯韦方程E是电场强度，H是磁场强度，D是电位移，B是磁感应强度 波动方程波动方程5.2 光在光纤波导中的传播5.2.2 光纤中的电磁波时空变量分离时空变量分离波动方程既包含时间的导数又包含空间的导数，不方便求解，因此必须对其进行时间空间变量分离。称为波数波数或电磁波在光纤中的传播常数传播常数 称为真空中的传播常数 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.2 光纤中的电磁波亥姆霍兹方程亥姆霍兹方程根据麦克斯韦方程，可以用z方向的场分量来表示其他和z垂直的方向的场分量。这样只需要计算z

10、方向的两个场分量Ez和Hz就可以完全唯一的确定整个场分布 得到柱坐标下z分量满足的方程5.2 光在光纤波导中的传播5.2.2 光纤中的电磁波将电磁场的z分量进行变量分离 可得到关于场分量Ez(r,f)和Hz(r,f)横向模式的波动方程 当r大于线性半径a时，n取包层折射率，当r小于纤芯半径a时，n取纤芯折射率。5.2 光在光纤波导中的传播5.2.2 光纤中的电磁波几个关键参数几个关键参数纵向传播常数纵向传播常数b是z方向的波矢分量的大小，即z方向传播常数。它描述电磁波传播中相位在z轴方向单位长度上的变化大小，也就是相位相等的面在z方向的空间变化频率。b对应光纤中传播的模式。横向传播常数横向传播

11、常数k是和z垂直的方向上波矢分量的大小 表示纤芯中横向场的振荡频率 描述包层中消逝波的衰减速度 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.2 光纤中的电磁波几个关键参数几个关键参数归一化频率归一化频率归一化频率V是一个无量纲的量，也称为V数，是包含了光纤各项参数的重要参量 归一化频率V越大表示在光纤中允许存在的模式就越多 光纤中允许存在的模式数量近似为 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.2 光纤中的电磁波几个关键参数几个关键参数归一化传播常数归一化传播常数b b=0对应模式截止 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.2 光纤中的电磁波波动方程的解波动方程的解为了讨论方便，根据波动方程的解中Ez和Hz

12、是否等于0，可以将模式分为以下四种：横电磁模（TEM）：Ez=Hz=0。横电模（TE）与横磁模（TM）：仅Ez=0，称为横电模；仅Hz=0，称为横磁模。混合模（EH或HE）：Ez和Hz都不等于0，磁场贡献为主称为HE，电场贡献为主称为EH。线偏振模（LP）：也称为标量模，这并不是光纤中传播的真实模式，而是为了在弱导近似下简化分析而提出的。5.2 光在光纤波导中的传播5.2.3 阶跃折射率光纤中的传导模式贝塞尔方程贝塞尔方程根据圆对称性将r和f变量分离当r大于线性半径a时，n取包层折射率，当r小于纤芯半径a时，n取纤芯折射率。得到贝塞尔方程5.2 光在光纤波导中的传播5.2.3 阶跃折射率光纤中

13、的传导模式贝塞尔方程的解贝塞尔方程的解在纤芯中选择m阶贝塞尔函数Jm(r)为波动方程的通解，在包层中选择m阶汉克函数Km(r)为波动方程的通解 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.3 阶跃折射率光纤中的传导模式贝塞尔方程的解贝塞尔方程的解电磁场z分量通解 贝塞尔方程通解 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.3 阶跃折射率光纤中的传导模式弱导近似弱导近似如果光纤包层和纤芯的折射率很接近，即 ，光纤为弱导光纤。在弱导光纤中，HE、EH、TE和TM四个解的近似解可以用两个线性偏振模，即LP模模表示。我们称这种注意，LP模式并不是真实存在的模式。然而在弱导近似下，一对HE-EH模的传播常数非常接近，它

14、们是近似简并的。因此它们叠加起来可以用一个线性偏振的模式LP模式替代，而不去区分其中电场和磁场哪个占优势。与此类似，一对TE-TM模的叠加也可以用一个LP模式代替。这样就减少了场分量个数，可以使计算过程和结果都得到简化。5.2 光在光纤波导中的传播5.2.3 阶跃折射率光纤中的传导模式5.2 光在光纤波导中的传播5.2.3 阶跃折射率光纤中的传导模式在弱导近似下，根据纤芯和包层分界面上（r=a）的连续性条件可以得到LP模式的本征值方程 求解上述本征值方程，就可以得到本征值U，进而算出b，将它们都表示成归一化频率V的函数。这样就可以看出传导的模式与波长以及光纤各项参数的关系。式中取正和负是完全等

15、价的5.2 光在光纤波导中的传播5.2.3 阶跃折射率光纤中的传导模式导模截止导模截止要求W0，此时方程的本征值U趋近于截止频率Vc W0截止条件截止条件远离截止远离截止要求W W。LP模式可以存在的数目模式可以存在的数目远离截止条件远离截止条件5.2 光在光纤波导中的传播5.2.3 阶跃折射率光纤中的传导模式LP16,17模的光强分布图 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.3 阶跃折射率光纤中的传导模式单模条件单模条件只有基模LP01 对于确定纤芯直径和折射率的光纤，单模传输的截止波长 对于确定工作波长和折射率的光纤，单模传输的截止尺寸 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.4 渐变折射率光纤

16、中的传导模式a取值越大，越接近与阶跃折射率光纤。如果a，就变成了阶跃折射率光纤。a=2的时候，也就是纤芯折射率按抛物线分布的时候，模间色散最小。一般如果不专门说明，渐变折射率光纤多指纤芯折射率按抛物线分布的光纤。5.2 光在光纤波导中的传播5.2.4 渐变折射率光纤中的传导模式根据WKB方法可以得到，对于a=2的，即折射率抛物线分布的光纤，传播常数为 折射率抛物线分布的光纤中可以传播的模式数目为 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.4 渐变折射率光纤中的传导模式渐变折射率光纤单模传输的归一化截止频率对于确定纤芯直径和折射率的光纤，单模传输的截止波长对于确定工作波长和折射率的光纤，单模传输的截止

17、尺寸 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.4 渐变折射率光纤中的传导模式渐变折射率光纤单模传输的归一化截止频率对于确定纤芯直径和折射率的光纤，单模传输的截止波长对于确定工作波长和折射率的光纤，单模传输的截止尺寸 5.2 光在光纤波导中的传播5.2.4 渐变折射率光纤中的传导模式渐变折射率光纤单模传输的归一化截止频率对于确定纤芯直径和折射率的光纤，单模传输的截止波长对于确定工作波长和折射率的光纤，单模传输的截止尺寸 5.3 光纤的损耗与色散 光纤通信系统中，光纤线路的长度通常会受到信号功率过小以及信号波形发生畸变的限制。这主要就是光纤中的损耗和色散两个重要特性的影响。5.3 光纤的损耗与色散5.

18、3.1 光纤中的损耗损耗损耗：光信号在光纤中传播的时候会由于光纤自身的原因而造成信号功率随传播距离的衰减。产生：光纤线路内部、光纤间的连接处、各个器件的连接处等地方 影响：损耗将会决定信号的无中继传播最大距离。危害：如果信号衰减到一定程度，接收机将无法检测到信号。5.3 光纤的损耗与色散5.3.1 光纤中的损耗损耗系数损耗系数：表示光纤中光信号传播1公里衰减的分贝数损耗系数a的单位是dB/km。光纤通信系统中也经常用dBm（分贝米）为单位来表示光功率，它和mW（毫瓦）的换算公式为：5.3 光纤的损耗与色散5.3.1 光纤中的损耗光纤中的损耗和光纤的工作波长有关 5.3 光纤的损耗与色散5.3.

19、1 光纤中的损耗光纤中的损耗和光纤的工作波长有关 光纤中的损耗的来源：材料的吸收和散射以及光纤的弯曲等几何效应 5.3 光纤的损耗与色散5.3.2 吸收损耗本征吸收本征吸收：根据量子力学，任何物质都会对某些特定波长的电磁波有明显的吸收，这种吸收反映材料自身的物质特性，通常称为本征吸收本征吸收。石英光纤电子跃迁：紫外Si-O键振动：红外5.3 光纤的损耗与色散5.3.2 吸收损耗非本征吸收：非本征吸收：光纤中由于存在杂质离子和原子缺陷，就会产生非本征吸收非本征吸收。非本征吸收损耗是在光纤通信波段的吸收损耗的主要因素。1.OH离子杂质影响：OH离子的吸收损耗是光纤中损耗的最主要因素，三个吸收峰：m

20、m，mm和mm。三个光纤通信波段窗口的中心波长mm，mm和mm正好是OH离子在光纤通信波段的三个吸收谷。2.原子缺陷吸收：主要是光纤中的中子和电子在电磁波辐射下照成的，对于塑料光纤，比较明显。5.3 光纤的损耗与色散5.3.3 散射损耗 分子随机振动使得玻璃的密度分布是不均匀的，从而是的光纤折射率分布不均匀。这种不均匀的尺度并不是宏观尺度的，而是在光的波长尺度的。这就好像在均匀的光纤中随机的掺入了一些小颗粒。光遇到这些“颗粒”的时候就会被散射，从造成能量损失。这种散射损耗是固这种散射损耗是固有的，是不可避免有的，是不可避免的，是光纤损耗的的，是光纤损耗的最终限制因素。最终限制因素。5.3 光纤

21、的损耗与色散5.3.3 散射损耗瑞利散射：线性散射，散射光频率不变。常温下的常用光纤通信系统中，主要考虑瑞利散射的损耗。瑞利散射的强度和波长的四次方成反比。瑞利散射是损耗的最终极限，对于给定材料，无论如何改进工艺不可能制造出比这个损耗值更低的光纤。非线性散射：受激拉曼散射和受激布里渊散射，仅当传输的光功率大于某一阈值或者温度很低的时候才表现出来。5.3 光纤的损耗与色散5.3.4 外部损耗弯曲损耗弯曲损耗主要包括宏观和微观两种。宏观弯曲损耗主要是光纤在实际应用中缠绕、曲折造成的损耗以及不同曲率半径弯曲的过渡时模式耦合带来的损耗。微观损耗主要是涂敷包层和成缆的时候引起光纤微观形变而带来的损耗。除

22、了弯曲等几何效应外，光纤与光纤的连接点，光纤与光器件的连接，光源与光纤的耦合等地方都会带来损耗。5.3 光纤的损耗与色散5.3.5 光纤通信波段mm为中心 mm为中心 mm为中心 利用脱水等工艺可以降低OH离子浓度，使得光纤在mmm波段之间都可以用于通信，这样的光纤称为全波光纤全波光纤。5.3 光纤的损耗与色散5.3.5 光纤通信波段国际电信联盟（ITU）的波段划分标准名称简称波段范围nm基本波段 Original bandO波段12601360扩展波段Extended bandE波段13601460短波长波段Short bandS波段14601530常规波段Conventional band

23、C波段15301565长波长波段Long bandL波段15651625超长波长波段Ultralong bandU波段162516755.3 光纤的损耗与色散5.3.6 光纤中损耗的测量 首先用探测器测量整卷光纤的输出功率P1。然后从该卷光纤想截下一小段（2m左右），在同样输入条件下测量该段光纤的输出功率P0。由于截下的一段很短，损耗可以忽略，P0可以认为就是输入功率。这样根据定义就可以测得该卷光纤的损耗。这种方法很直接，而且精度高，但是缺点是对光纤进行了破坏，而且只适合不是很长的光纤。截断法截断法 5.3 光纤的损耗与色散5.3.6 光纤中损耗的测量插入法插入法 先选择一段和待测线路光纤一样

24、的光纤，测量好其输出功率P0，作为输入功率。然后将它接入到待测系统中测量输出功率P1作为总的输出功率，这样根据公式就可以测得光纤的损耗。用这种方法测量光纤损耗的时候要注意减去将小段光纤接入线路是的连接器的损耗。这种方法优点是测量方便，适合实际线路中实时测量。但是由于连接处的损耗通常不准确，所以导致最终测量结果没有截断法准确。5.3 光纤的损耗与色散5.3.6 光纤中损耗的测量背向散射法背向散射法 向光纤中注入大功率的窄脉冲，由于光纤中处处都存在瑞利散射，所以各点的背向瑞利散射形成一个连续的回波信号，这样就可以在同一端接受回波信号，进行分析得到光纤中的损耗信息。背向散射法背向散射法就可以测量光纤

25、线路中损耗的详细信息，而且只需要在光纤一端进行，不需要破坏线路，重复性较好。此外，这种方法还可以测量光纤连接点的损耗以及光纤中缺陷断裂的位置。5.3 光纤的损耗与色散5.3.7 光纤中的色散 在光纤通信系统中，有时候虽然损耗低光信号功率大，但是信号波形会发生严重畸变，导致无法还原成原始信号，这样即使功率再大也是没有意义的。造成这种现象的一个重要原因就是光纤的色散色散。5.3 光纤的损耗与色散5.3.7 光纤中的色散色散色散是指光纤中不同频率或不同模式的成分在传播过程中到达终点的时间不一致，在数字系统中使得光脉冲展宽，产生误码。由于色散，光脉冲被展宽，相邻的脉冲之间发生交叠就会引起误码。光纤中的

26、色散主要包括材料色散材料色散，波导色散波导色散和模间色散模间色散。5.3 光纤的损耗与色散5.3.7 光纤中的色散和之前讲过的模间色散类似，通常用群延时差群延时差来表示光纤中的色散 群速度：光脉冲的轴向运动速度为群延时：光脉冲经过单位轴向距离所用的时间 其中b为轴线传播常数，k0=2p/l0是真空中的传播常数，l0是光源的波长。5.3 光纤的损耗与色散5.3.7 光纤中的色散在单模光纤中，由于只有基模传输，所以没有模间色散。材料色散：材料色散：不同波长的光在纤芯中折射率不一样，因此轴传播常数b不一样，造成群延时差。波导色散波导色散：不同波长的光横向传播参数U和W不一样，进而影响b，造成群延时差

27、。材料色散波导色散5.3 光纤的损耗与色散5.3.7 光纤中的色散材料色散引起的单位长度上脉冲展宽 波导色散引起的单位长度上脉冲展宽 5.3 光纤的损耗与色散5.3.7 光纤中的色散 零材料色散（ZMD）点的实际位置会随掺杂情况的变化而变化，一般都会在mmm之间的某个位置。因此，一般来说在光纤通信系统中使用mm的工作波长可以减小材料色散影响。但此时波导色散仍然存在，总色散不为零。5.3 光纤的损耗与色散5.3.7 光纤中的色散在波长为mm附近材料色散和波导色散为负刚好正负抵消。对于mmm间的任何工作波长，都可以通过合理设计光纤的参数，使得该工作波长处总色散接近与0。这就是色散位移光纤的原理。5

28、.3 光纤的损耗与色散5.3.8 常用单模光纤根据工作在不同的通信波段以及相应的损耗和色散情况，常用单模光纤主要有常规单模光纤、色散位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤几种。5.3 光纤的损耗与色散5.3.8 常用单模光纤常规单模光纤常规单模光纤的零色散波长在mm附近，最低损耗在mm附近。ITU-T建议的和光纤都是常规单模光纤。但是常规单模光纤在mm附近，具有较高的正色散。色散位移光纤（色散位移光纤（DSF）：通过改变光纤的尺寸、折射率分布、参杂等参数，可以增大mm附近的波导色散大小，从而使得mm附近波导色散和材料色散抵消，零色散波长就移到了mm，同时实现低损耗和零色散。IT

29、U-T建议的光纤就是色散位移光纤。使用色散位移光纤配合光放大器可以实现超长距离的传输。5.3 光纤的损耗与色散5.3.8 常用单模光纤非零色散位移光纤（非零色散位移光纤（NZDSF）就是通过改变折射率分布，使得零色散波长在1.53mm 1.565mm 之间，但处色散不是刚好为零，而是某个很小的值。ITU-T建议的光纤就是非零色散位移光纤。在C波段上，非零色散位移光纤具有很低的损耗和色散，同时可以有效抑制非线性效应，可采用波分复用技术和掺铒光纤放大器实现大容量长距离的传输。当色散位移光纤中传输多波长光信号再采用放大器的时候，就会出现严重的四波混频非线性效应，不适合波分复用（WDM）技术的使用。5

30、.3 光纤的损耗与色散5.3.8 常用单模光纤色散平坦光纤（色散平坦光纤（DFF）：这是通过设计纤芯和包层的折射率分布来实现全波段（mmm）的低色散 色散补偿光纤（色散补偿光纤（DCF）：）：通过加入一段光纤来抵消原本线路的色散。5.4 光通信器件5.4.1 光源 在光纤通信系统中，光源是用于产生载波的。电信号被调制到光源发出的光上面，光携带着这些信息在光纤内传输，从而实现信息的传播。发光二发光二极管（极管（LED）和半导体激光器（半导体激光器（LD）是光纤通信系统中最常见的两种光源。1.尺寸小，容易和光纤尺寸匹配耦合。2.功耗低且工作稳定。3.发光的波长处于光纤低损耗波段，线宽窄色散小。4.

31、线性好，易于调制优点优点5.4 光通信器件5.4.1 光源半导体激光器半导体激光器LD发光的原理是受激辐射，只有注入电流大于阈值电流阈值电流It的时候才会发出激光。优点：发光的线宽非常窄且发射功率大，色散小，可以用于长距离传输。缺点：阈值电流对温度敏感，影响线性特性，需要做温度反馈控制。5.4 光通信器件5.4.1 光源LD的调制的调制数字调制模拟调制5.4 光通信器件5.4.1 光源LD和光纤耦合和光纤耦合 半导体激光器常用于单模光纤，单模光纤的数值孔径非常小，同时激光器输出光场和光纤输出光场又不匹配，所以如果将半导体激光器发出的光高效率的耦合到光纤中效率会很低，必须使用透镜或透镜组提高耦合

32、效率。加入透镜组 直接耦合球状端面设计5.4 光通信器件5.4.1 光源发光二极管发光二极管LED工作的基本原理是自发辐射，发出的光是非相干光。缺点：线宽较大，功率较小，发散角大，耦合效率低，因此不利于长距离高带宽的传输。优点：线性度比半导体激光器好，而且不容易受到温度影响，便于调制；同时LED的功耗低，成本低，且寿命远大于半导体激光器。5.4 光通信器件5.4.1 光源LED的调制的调制LED是非阈值器件，不需要偏置电流。数字调制模拟调制5.4 光通信器件5.4.1 光源LED和光纤耦合和光纤耦合球端面尾纤设计 微透镜设计 5.4 光通信器件5.4.1 光源特征参数特征参数半半导导体激光器体

33、激光器LD发发光二极管光二极管LED线宽(nm)15(单纵模LD100010 000100 000成本高低应用领域长距离、高速中低距离、中低速5.4 光通信器件5.4.2 光探测器 在光发射端电信号被调制到光载波中，然后在光纤中传播。然而接收端最终需要将很快速的光信号转化为电信号，然后进行处理这就需要用到光探测器光探测器。光纤通信系统中常用的光探测器是半导体光探测器，其工作原理是半导体光电效应。常见的半导体光探测器有PIN光电二极管光电二极管和雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）。APD的灵敏度高，适用于长距离通信系统。PIN光电二极管成本低，对温度不敏感，响应速度和APD几乎没有差别，所

34、以中短距离系统中实际应用中PIN更受欢迎。5.4 光通信器件5.4.2 光探测器材料材料类类型型波波长长(nm)增益增益SiPIN30011001GePIN50018001InGaAsPIN90017001SiAPD4001000150GeAPD1000160050InGaAsAPD1000170020 实际应用中要根据传播距离、光功率、工作波长以及成本等综合因素来选择使用PIN还是APD。5.4 光通信器件5.4.3 光放大器 光纤通信系统中，损耗是不可能绝对消除的。随着传播距离的增大，如果不对信号进行放大，信号就会衰减到低于光探测器的灵敏度，从而导致波形失真或误码率上升。早期光通信系统中的

35、放大是通过中继器中继器来实现的。中继器的工作模式是：先将光信号转化为电信号，再对电信号进行放大，最后将放大的电信号再转化为光信号输出。缺点：只能适用于单一波长的短距离系统，对于多波长，系统设计复杂，成本高。5.4 光通信器件5.4.3 光放大器光放大器光放大器不需要进行多次光电和电光转化，而直接对的光信号放大，而且是多波长同时放大。原理：受激辐射和受激散射。光放大器和激光器的区别光放大器和激光器的区别在与正反馈的量不同。激光器正反馈较大，要在谐振腔内振荡，最后输出激光；而光放大器的正反馈小或没有，需要抑制振荡，最终只有光信号放大，没有相干光的输出。5.4 光通信器件5.4.3 光放大器 光放大

36、器主要有两种，一种是半导体光放大器，一种是光纤放大器。半导体光放大器（SOA）实际上就是一个没有反馈机制的半导体激光器，原理和半导体激光器一致。光纤放大器有两种，一种是非线性光纤放大器，以拉曼光放大器（拉曼光放大器（SRA）为代表；一种是参稀土光纤放大器，以掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA）为代表，这是现代光纤通信系统中应用最广泛的光放大器。5.4 光通信器件5.4.3 光放大器掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理）的工作原理 5.4 光通信器件5.4.3 光放大器 影响EDFA效率的一个重要因素就是受激吸收。现代EDFA的泵浦光源一般是980nm或1480nm，不容易

37、造成受激吸收。EDFA的增益增益是指输出功率和输入功率的比例。由于增益饱和效应的存在，使得EDFA的输出和输入之间不是简单的正比关系，而是会存在一个极限的输出功率。EDFA中的噪声来源主要是自发辐射。EDFA的噪声用噪声系数来衡量，它就是输入信号信噪比和输出信号信噪比的比例。通常，EDFA的增益大于30dB，噪声系数约5dB，输出功率约14dBm以上，17dBm以内。5.4 光通信器件5.4.3 光放大器EDFA系统组成：掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器。同相泵浦 反相泵浦 双相泵浦 5.4 光通信器件5.4.3 光放大器EDFA优点：1.工作于1550nm波段，低损耗。2.可以在155

38、0nm附近30nm内同时实现多波长的光信号放大。3.本身就是一段光纤很容易加入到线路中。EDFA是光纤通信系统，尤其是波分复用系统中常用的光放大器，既可以作为功率放大器，也可以作为线路放大器和前置放大器。5.4 光通信器件5.4.3 光放大器EDFA缺点：1.工作波段并不是特别宽。2.工作范围内增益不平坦，需要使用特殊的技术使其增益平坦才能用于波分复用系统。3.不具备波形调整功能，而传统的光电中继器具有此功能。因此实际线路中需要将EFDA和光电中继器配合使用。掺稀土光纤放大器除了EDFA外，还有工作于1300nm的掺镨光纤放大器（PDFA）以及工作于1400nm的掺铥光纤放大器（TDFA）。5

39、.4 光通信器件5.4.4 光纤连接器和光纤耦合器连接器的必要性：1.光纤制造商通常只会制造有限长度规格的光纤，因此在长达几km的的线路中，必须要将很多段光纤连接起来。2.采用中等长度的光纤在穿过管道、架空等方面也有优势。5.4 光通信器件5.4.4 光纤连接器和光纤耦合器连接损耗连接损耗的来源：1.两段光纤的错位、端面不平整、连接处端面分离等相对位置因素都会使得一段光纤输出的光不能全部被另一段光纤接收。2.两段光纤的直径和数值孔径不同也会引起损耗。这种损耗是单向的，从直径小或数值孔径小的光纤到直径大或数值孔径大的光纤没有这种损耗，反过来就有这种损耗。从大数值孔径光纤到小数值孔径光纤引起的损耗

40、为 5.4 光通信器件5.4.4 光纤连接器和光纤耦合器光纤的连接通常有永久连接永久连接和非永久连接非永久连接两种方式。永久连接是指通过熔接、粘连、套管连接等方式使两段光纤形成永久的固定连接。光纤熔接机示意图 5.4 光通信器件5.4.4 光纤连接器和光纤耦合器非永久连接是指通过活动连接器活动连接器将光纤连接起来，根据需要可以不破坏系统随时断开和恢复连接。活动连接器应该满足以下要求：1、插入损耗小（不超过）；2、性能稳定，插拔重复性好（插拔5000次损耗增量不超过）；3、安装使用方便；4、强度高，环境适应性好，寿命长，成本低；5、有较大的回波损耗（不小于25dB），以防止连接器反射光对光源的影

41、响。5.4 光通信器件5.4.4 光纤连接器和光纤耦合器 由于插入损耗和反射损耗的影响，使用活动光纤连接器总损耗要大于永久连接。但是活动光纤连接器使用方便，可以随时断开和连接，这是永久连接做不到的。精密对接式：利用连接器高精度的几何设计来确保光纤准确对接。透镜扩束式：利用透镜的准直与聚焦作用来连接两根光纤。5.4 光通信器件5.4.4 光纤连接器和光纤耦合器 ST型连接器 BC型连接器 透镜扩束式连接器 5.4 光通信器件5.4.4 光纤连接器和光纤耦合器 光纤耦合器光纤耦合器是一种无源器件，其主要功能是实现将光信号由一路向多路传送或者将M路光信号先合并再像N路分配传播。3端口耦合器22耦合器

42、星形耦合器5.4 光通信器件5.4.5 其他光通信器件 光滤波器光滤波器是一种波长选择器件。在波分复用系统中，每个接收机就是靠光滤波器来选择所需的信道。光滤波器有固定波长滤波器和可调谐滤波器两种。固定波长滤波器利用的是平行薄膜干涉，和增透膜增反膜的原理类似，它只能允许一种波长的光信号通过。可调谐滤波器可以调整允许光信号通过的波段，常见的可调谐光滤波器有光纤法布里-帕罗滤波器和马赫-泽德干涉滤波器。5.4 光通信器件5.4.5 其他光通信器件 光隔离器光隔离器是一种只允许光单方向通过的期间。由于激光器、光放大器等器件对于来自连接器、熔接点等地方的反射光很敏感，反射光容易造成这些器件的性能恶化，因此这些的输出段经常需要配备光隔离器以阻止反射光的影响。光环行器光环行器实际上就是一种多输出端口的光隔离器。它可以使输入光信号只能从指定端口输出。本章小结 光纤通信系统是目前世界通信系统的主要模式，本章主要介绍光纤通信系统的相关知识。首先介绍光纤的基本原理和背景知识，然后分别从几何光学以及波动光学的角度详细阐述使用光纤传播光信号的原理，并且进一步讨论光纤参数的知识，尤其是关于光纤中损耗和色散的分析、计算、测量、补偿以及应用的相关问题。在此基础上，进一步详细介绍光纤通信系统的工作原理和相关规范，常见光通信器件的原理、特性以及它们在光纤通信系统中的实际应用。