第5章__光纤通信系统.ppt

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1、第第5章章 光纤通信系统光纤通信系统5.1 概述概述21 1、光纤通信发展的历史和现状、光纤通信发展的历史和现状 光通信：光通信：指一切运用光作为载体而传送信息的所指一切运用光作为载体而传送信息的所 有通信方式的总称。有通信方式的总称。（1 1）最早的光通信）最早的光通信 烽火台烽火台烽火台烽火台 旗语（旗语（旗语（旗语（F1F1F1F1赛车）赛车）赛车）赛车）（2 2）光电通信方式光电通信方式贝尔的光电话贝尔的光电话透镜透镜透镜透镜话筒话筒抛物镜抛物镜硅电池硅电池受话器受话器弧光灯弧光灯图图1 1 贝尔光电话贝尔光电话存在的问题：存在的问题：（1 1）光在大气中的传送受到气象条件的限制光在大

2、气中的传送受到气象条件的限制（2 2）太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作）太阳光、灯光等普通的可见光源，都不适合作 为通信的光源。（为通信的光源。（“光不纯光不纯”）要用光通信，要解决两个问题：要用光通信，要解决两个问题：（1 1）传输媒介：稳定的，低损耗的传输媒质）传输媒介：稳定的，低损耗的传输媒质（2 2）光源：高强度可靠的光源）光源：高强度可靠的光源2 2、光纤通信系统的组成、光纤通信系统的组成光纤通信概念：光纤通信概念：以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式 光纤通信系统基本三大模块：光纤通信系统基本三大模块：光发射机光发射机、光纤线路、

3、光纤线路、光接收机光接收机光源一般分为：光源一般分为：发光二极管发光二极管LED 半导体激光器半导体激光器LD传输媒介传输媒介-光纤（光导纤维）光纤（光导纤维）最初制作的光纤最初制作的光纤,衰减损耗特别大，衰减损耗特别大，2020世纪世纪6060 年代，最好的光纤的损耗也在年代，最好的光纤的损耗也在1000dB/km1000dB/km 1970 1970年，美国康宁公司成功制成了年，美国康宁公司成功制成了20dB/km20dB/km的的 光纤光纤 19861986年，年，0.154 dB/km的光纤，衰减接近理论极限的光纤，衰减接近理论极限信信息息源源电电发发射射机机光光发发射射机机基本光纤传

4、输系统基本光纤传输系统光纤线路光纤线路接接 收收发发 射射电信号电信号输入输入光信号光信号输出输出光信号光信号输入输入电信号电信号输出输出光光接接收收机机电电接接收收机机信信息息源源图图2 2 光纤通信系统示意图光纤通信系统示意图 光发射机光发射机 主要功能：电光转换主要功能：电光转换 常用光源：常用光源：n半导体激光器、半导体发光二极管等半导体激光器、半导体发光二极管等驱动电路驱动电路驱动电路驱动电路载载波波源源调制器调制器调制器调制器光源光源光源光源通道耦合器通道耦合器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入电信号输入电信号输入光输出光输出光输出光输出图图3 3 光发射机示意图光发射机示意

5、图 光纤线路光纤线路u功能：功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真失真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机u组成：组成：光纤、光纤连接器、光中继器等光纤、光纤连接器、光中继器等 光接收机光接收机u功能：把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱功能：把从光纤线路输出，产生畸变和衰减的微弱光信号转为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前光信号转为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号的电信号u主要组成部分：光检测器（核心）主要组成部分：光检测器（核心）u功能：光功能：光/电转换电转换u光接收器件：光接收器件：PINPIN光电二极管光电二

6、极管 、雪崩光电二极管雪崩光电二极管 3 3、光在电磁波谱中的位置光在电磁波谱中的位置 光也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率光也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率高得多。红外线、可见光和紫外线均属于光波的范畴。高得多。红外线、可见光和紫外线均属于光波的范畴。光纤通信所用光波的波长范围为光纤通信所用光波的波长范围为0.8um 0.8um 至至1.8um 1.8um，属于电磁波谱中的近红外区。，属于电磁波谱中的近红外区。4 4、光纤通信中常用的低损耗窗口光纤通信中常用的低损耗窗口 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗

7、口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm图图4 4 光纤的损耗特性曲线（光纤的损耗特性曲线（P158)P158)0.85 um0.85 um、1.31um 1.31um 和和1.55um 1.55um 左右是光纤通信中常左右是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。用的三个低损耗窗口。5 5、光纤通信特点光纤通信特点光纤通信优点：光纤通信优点：传输频带宽，传输容量大传输频带宽，传输容量大 光纤损耗低，中继距离大光纤损耗低，中继距离大 抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强 尺寸小，重量轻，便于施工维护尺寸小，重量轻，便于施工

8、维护 绝缘性好，耐腐蚀性强，寿命长绝缘性好，耐腐蚀性强，寿命长 资源丰富，节约有色金属和能源资源丰富，节约有色金属和能源1 1、什么是光纤通信？、什么是光纤通信？2 2、光纤通信系统的基本组成部分？、光纤通信系统的基本组成部分？3 3、与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信有何、与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信有何 优点？优点？4 4、为什么说使用光纤通信可以节约大量有色金属？、为什么说使用光纤通信可以节约大量有色金属？5 5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？6 6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？、可见光是人眼能看见的

9、光，其波长范围是多少？7 7、红外线是人眼看不见的光，其波长范围是多少？、红外线是人眼看不见的光，其波长范围是多少？8 8、近红外区：其波长范围是多少？、近红外区：其波长范围是多少？9 9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？、光纤通信所用光波的波长范围是多少？1010、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长分、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长分 别是多少？别是多少？习题习题1 1：5.2 5.2 光纤与光缆光纤与光缆 1 1、光纤的结构与类型、光纤的结构与类型 光纤的结构光纤的结构 光纤（光纤（Optical FiberOptical Fiber）的典型结构是多）的典型结构是多层同轴

10、圆柱体，层同轴圆柱体，自内向外自内向外由纤芯、包层和涂敷由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。层三部分组成。图图5 5 光纤结构示意图光纤结构示意图 纤芯的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯的折射率比包层稍高，光能量主要在纤芯内传输。设纤芯和包层的折射率分别为纤芯内传输。设纤芯和包层的折射率分别为n n1 1和和n n2 2，光能量在光纤中传输的必要条件是，光能量在光纤中传输的必要条件是n n1 1nn2 2。包包层层为为光光的的传传输输提提供供反反射射面面和和光光隔隔离离，并并起一定的机械保护作用。起一定的机械保护作用。涂涂覆覆层层保保护护光光纤纤不不受受水水汽汽的的侵侵蚀蚀和和机机械械擦擦伤。伤

11、。光纤的类型光纤的类型按光纤截面上折射率分布分类：按光纤截面上折射率分布分类：阶跃型光纤、渐变性光纤阶跃型光纤、渐变性光纤按传输的模式数量分类：按传输的模式数量分类：单模光纤、多模光纤单模光纤、多模光纤单模光纤单模光纤：只传输一种模式，纤芯直径较细，通：只传输一种模式，纤芯直径较细，通 常在常在 4 4m m1010m m 范围内。范围内。多模光纤多模光纤：多模光纤可传输多种模式，纤芯直径：多模光纤可传输多种模式，纤芯直径 较粗，典型尺寸为较粗，典型尺寸为5050m m左右。左右。2 2、光纤的导光原理、光纤的导光原理 突变型多模光纤导光原理突变型多模光纤导光原理 设设纤芯纤芯和和包层包层折射

12、率分别为折射率分别为n n1 1和和n n2 2，空气，空气的折射率的折射率n n0 0=1=1数值孔径（十分重要的参数）数值孔径（十分重要的参数）根据这个传播条件，定义入射临界角的正根据这个传播条件，定义入射临界角的正弦为数值孔径弦为数值孔径(Numerical Aperture,NA)。即光即光纤的数值孔径为：纤的数值孔径为：NA NA=n n0 0 sinsin (maxmax)光纤的数值孔径为：光纤的数值孔径为：NA=n0 sin(max)=光光纤纤的的数数值值孔孔径径NA仅仅决决定定于于光光纤纤的的折折射射率率n1和和n2 ，与光纤的与光纤的直径直径无关。无关。光光纤纤的的数数值值孔

13、孔径径NANA表表示示光光纤纤接接收收和和传传输输光光的的能能力力，NANA(或或max)max)越越大大，光光纤纤接接收收光光的的能能力力越越强，从光源到光纤的强，从光源到光纤的耦合效率耦合效率越高。越高。相对折射率差相对折射率差 n1 和和n2 差差值值的的大大小小直直接接影影响响着着光光纤纤的的性性能能，为为此此引引入入相相对对折折射射率率差差这这样样一一个个物物理理量量来来表表示示它们相差的程度，用它们相差的程度，用表示，即表示，即光纤的数值孔径可表示为：光纤的数值孔径可表示为：【例例】均匀光纤纤芯和包层的折射率分别均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为为n1=1.50，n2=1.45，光纤

14、的长度光纤的长度L=10Km。试求：。试求：（1）光纤的相对折射率差光纤的相对折射率差；（2）数值孔径数值孔径NA；（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的光纤的NA和相对折射率差和相对折射率差。3 3、光纤的传输特性、光纤的传输特性 光纤的损耗光纤的损耗 光纤的损耗可分为光纤的损耗可分为吸收损耗吸收损耗、散射损耗、散射损耗、辐射损耗辐射损耗。传输单位长度传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用减小的分贝数，一般用表示损耗系数，单位表示损耗系数，单位是是dB/km。光纤的损耗系数（衰减系数）光纤的损耗系数（衰减系数）式中

15、：式中：L为光纤长度，以为光纤长度，以km为单位；为单位；P1和和P2分分别为光纤的输入和输出光功率，以别为光纤的输入和输出光功率，以mW或或W为单位为单位【例例】当光在一段长为当光在一段长为10km光纤中传输时，输光纤中传输时，输出端的光功率减小至输入端光功率的一半。出端的光功率减小至输入端光功率的一半。求：光纤的损耗系数求：光纤的损耗系数。色散是限制光纤容量和传输距离的主要因素。色散是限制光纤容量和传输距离的主要因素。光纤的色散光纤的色散光纤色散概念光纤色散概念 -构成光信号的电磁波各分量在光构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度的现象。纤中具有不同传输速度的现象。可分为：模式色

16、散、色度色散、偏振模色散可分为：模式色散、色度色散、偏振模色散模式色散模式色散 -在多模光纤中，不同模式下的光在同在多模光纤中，不同模式下的光在同一频率下传输，由于行进轨迹不同，在同样一频率下传输，由于行进轨迹不同，在同样长度光纤中传输时，需不同的时间，即模间长度光纤中传输时，需不同的时间，即模间存在时延差。存在时延差。模式最大时延差（模式最大时延差（子午光线的最大时延差子午光线的最大时延差）(1)(2)(1)：(2)：子午光线的最大时延差子午光线的最大时延差【例例】均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度光纤的长度L=10km

17、。试求：试求：（1 1）子午光线的最大时延差；）子午光线的最大时延差；（2 2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光线）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光线的最大时延差。的最大时延差。光纤色散对数字通信系统的危害光纤色散对数字通信系统的危害 在数字光纤通信系统中，色散会引起光脉在数字光纤通信系统中，色散会引起光脉冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的传输码间干扰，增加误码率，影响了光纤的传输带宽。因此，色散会限制光纤通信系统的传带宽。因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。输容量和中继距离。几种常用几种常用单模

18、光纤的性能及应用单模光纤的性能及应用 a)a)G.652G.652光纤光纤 -常规单模光纤常规单模光纤特点：特点：在在1310nm1310nm波长处的色散为零波长处的色散为零 在波长为在波长为1550nm1550nm附近衰减系数最小，约为附近衰减系数最小，约为0.22dB/km0.22dB/km，但在但在1550nm1550nm附近具有最大色散系数附近具有最大色散系数可选可选1310nm1310nm和和1550nm1550nm波长区域，最佳工作波长为波长区域，最佳工作波长为1310nm.1310nm.G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。光纤是当前使用最为广泛的光纤。b)b)G.653G.

19、653光纤光纤-色散位移单模光纤色散位移单模光纤 (DSF)(DSF)色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，分布形状，将零色散点从将零色散点从1310nm 位移到位移到1550nm，实现实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。这处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在种光纤工作波长在1550nm区域。区域。它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。在密集波分复用系统中很少采用在密集波分复用系统中很少采用DSF光纤。光纤。c)c)G.655G.655光纤光纤-非零色散位移单模光纤非零色散位移单

20、模光纤 工工作作在在1550nm波波长长区区域域，这这种种光光纤纤主主要要适适用用密密集波分复用传输系统。集波分复用传输系统。4 4、光缆、光缆 光缆的构造一般由缆芯、护层、加强构件光缆的构造一般由缆芯、护层、加强构件3 3部分组成。部分组成。缆芯是光缆的主体，指涂覆后的光纤，缆芯是光缆的主体，指涂覆后的光纤，其作其作用是传输光波用是传输光波 。护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用。护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用。加强构件主要承受敷设安装时所加的外力。加强构件主要承受敷设安装时所加的外力。光缆按结构形成主要分为光缆按结构形成主要分为:（1 1）层绞式光缆；）层绞式光缆；（2 2）骨架

21、式光缆；）骨架式光缆；（3 3）束管式光缆；）束管式光缆；（4 4）带状式光缆。）带状式光缆。光源光源调制调制调制调制器器器器驱动驱动驱动驱动电路电路电路电路放大器放大器光电二光电二极管极管判决器判决器光光光光纤纤纤纤光光光光纤纤纤纤中继器中继器中继器中继器光源光源光源光源光无源器件光无源器件光无源器件光无源器件光检测器光检测器光检测器光检测器光器件是构成光纤通信系统的必备元件光器件是构成光纤通信系统的必备元件光器件是构成光纤通信系统的必备元件光器件是构成光纤通信系统的必备元件5.3 5.3 无源光器件无源光器件全球光纤通信设备主要供应商全球光纤通信设备主要供应商光有源器件（光有源器件（需要外

22、加能源驱动工作）需要外加能源驱动工作）光源（光源（LEDLED、LDLD）光放大器光放大器 光检测器光检测器 光调制器光调制器光无源器件光无源器件-光连接器光连接器、光耦合器、光开关、光隔离器、光耦合器、光开关、光隔离器、光衰减器、光调制器、光衰减器、光调制器、光波分复用器光波分复用器1 1、光纤连接器光纤连接器 光纤连接器是使一根光纤与另一根光纤相连光纤连接器是使一根光纤与另一根光纤相连接的器件，是光波系统中使用最多的器件。接的器件，是光波系统中使用最多的器件。光纤连接器最重要是使两根光纤的轴心对光纤连接器最重要是使两根光纤的轴心对准，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合准，使发射光纤输出的

23、光能量最大限度地耦合进接收光纤。进接收光纤。光纤与光纤的连接有两种形式，一种是光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永永久性连接久性连接，另一种是，另一种是活动连接活动连接。永久性连接具有永久性连接具有粘接法粘接法和和熔接法熔接法之分，目之分，目前多采用前多采用熔接法熔接法。熔接法产生永久性的连接熔接法产生永久性的连接.电弧或激光电弧或激光熔化焊接熔化焊接待连接光纤待连接光纤能进行显微操作的光纤夹具能进行显微操作的光纤夹具光纤的熔接图光纤的熔接图 光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在光纤很细，单模光纤的纤芯直径要在10um10um以以下，因此熔接必须使用机器才行。下，因此熔接必须使用机器才行。n n技

24、术指标：技术指标：n n插入损耗插入损耗：输入光功率：输入光功率相对输出光功率的比率相对输出光功率的比率的分贝数。的分贝数。n n回波损耗回波损耗：反射损耗，：反射损耗，光纤连接处，输入光相光纤连接处，输入光相对后向反射光的比率的对后向反射光的比率的分贝数。分贝数。PinPoutP PRR2 2、光纤耦合器光纤耦合器 实现光信号分路实现光信号分路/合路的功能器件，一般是对同合路的功能器件，一般是对同一波长的光功率进行分路或合路，其使用量仅次于一波长的光功率进行分路或合路，其使用量仅次于连接器。连接器。图图 22双锥形光纤耦合器双锥形光纤耦合器输入功率输入功率输入功率输入功率P P1 1直通功率

25、直通功率直通功率直通功率P P3 3P P3 3反向散射信号反向散射信号反向散射信号反向散射信号P P2 2耦合功率耦合功率耦合功率耦合功率PinP P0 0主要技术指标主要技术指标插入损耗插入损耗IL全部输入光功率全部输入光功率Pin与指定输与指定输出端的光功率出端的光功率P1,2的比值。的比值。附加损耗附加损耗附加损耗附加损耗ELELELEL全部输入端光功率与全部输出端光全部输入端光功率与全部输出端光全部输入端光功率与全部输出端光全部输入端光功率与全部输出端光功率的比值。功率的比值。功率的比值。功率的比值。分光比分光比分光比分光比CRCRCRCR是一个指定输出端的光功率和全部输是一个指定输

26、出端的光功率和全部输是一个指定输出端的光功率和全部输是一个指定输出端的光功率和全部输出端的光功率之和的比值。出端的光功率之和的比值。出端的光功率之和的比值。出端的光功率之和的比值。隔离度隔离度隔离度隔离度I I 反映定向耦合器反映定向耦合器反向散射信号的大小反向散射信号的大小。当。当从从0端注入光功率，端注入光功率，1、2端输出功率时，端输出功率时，3端对端对1端的端的隔隔离度离度定义为定义为【例例】22双锥形光纤耦合器的输入功率为双锥形光纤耦合器的输入功率为Pin=200uW,另外三个端口的输出功率分别为另外三个端口的输出功率分别为P1=90W，P2=85W，P3=6.3nW，试计试计算光纤

27、耦合器的主要性能参数。算光纤耦合器的主要性能参数。输入功率输入功率输入功率输入功率P P1 1直通功率直通功率直通功率直通功率P P3 3P P3 3反向散射信号反向散射信号反向散射信号反向散射信号P P2 2耦合功率耦合功率耦合功率耦合功率Pin3 3、光光合波器与光分波器合波器与光分波器 光光合合波波器器和和光光分分波波器器是是用用于于波波分分复复用用等等传传输输方方式式中中的的无无源源光光器器件件。可可将将不不同同波波长长的的多多个个光光信信号号合合并并在在一一起起藕藕合合到到一一根根光光纤纤中中传传输输，或或者者反反过过来来说说，将将从从一一根根光光纤纤传传输输来来的的不不同同波波长长

28、的的复复合合光光信信号号，按按不不同同光光波波长长分分开开。前前者者称称为为合合波波器器，后后者者称称为为光光分分波器。波器。1，2 2 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 24 4、光光滤波器滤波器 光光滤滤波波器器一一般般是是采采用用多多层层介介质质膜膜作作为为光光滤滤波波器器，使使某某一一波波长长的的光光通通过过，而而其其他他波波长长的的光光被被阻阻止止。具具体体结结构构有有两两类类，一一类类为为干干涉涉滤滤波波器器，另另一一类类为为吸吸收收滤波器，两者均可用介质膜构成。滤波器，两者均可用介质膜构成。5 5、光光隔离器隔离器 光光隔隔离离器器是是一一种种只只允

29、允许许单单向向光光通通过过，阻阻止止反反射射光光返返回回的的无无源源光光器器件件，在在光光纤纤通通信信系系统统中中，尤尤其其在在相相干干光光纤纤通通信信系系统统中中，为为了了防防止止各各种种原原因因产产生生的的反反射射光光进进入入激激光光器器，影影响响激激光光器器的的稳稳定定性性，常常需需要要光光隔离器。隔离器。5.4 5.4 光源与光检测器光源与光检测器 5.4.1 5.4.1 光源光源 光源光源是光发射机的是光发射机的关键器件关键器件，其，其功能功能是把是把电信号电流电信号电流转换为转换为光信号功率光信号功率,即实现即实现电电/光转换光转换。目前目前光纤通信广泛使用的光纤通信广泛使用的光源

30、光源主要有主要有半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)和和发光二极管发光二极管 (LED)(LED)。1 1、半导体激光器工作原理和基本结构、半导体激光器工作原理和基本结构一、受激辐射和粒子数反转分布一、受激辐射和粒子数反转分布（1 1）半导体激光器）半导体激光器 半半导导体体激激光光器器是是向向半半导导体体PNPN结结注注入入电电流流，实实现现粒粒子子数数反反转转分分布布，产产生生受受激激辐辐射射，再再利利用用谐谐振腔振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。（2 2）激光）激光 激激 光光，其其 英英 文文 LASER LASER 就就 是是 Lig

31、ht Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受受激激辐辐射射的的光光放放大大)的的缩缩写写。所所以以讨讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。论激光器工作原理要从受激辐射开始。（二）光和物质相互作用（二）光和物质相互作用 有有源源器器件件的的物物理理基基础础是是光光和和物物质质相相互互作作用用的的效效应应。在在物物质质的的原原子子中中，存存在在许许多多能能级级，最最低低能能级级E E1 1称称为为基基态态，能能量量比比基基态态大大的的能能级级 E Ei i (i=2,(i=2,3,3,4 4)称称为为激激发发态态。电电子子在在低低能能级

32、级E E1 1的的基基态态和和高高能能级级E E2 2的的激激发发态态之之间间的的跃跃迁迁有有三三种种基基本方式。本方式。光与物质的相互作用光与物质的相互作用时，将发生时，将发生:(1)(1)受激吸收受激吸收 (2)(2)自发辐射自发辐射 (3)(3)受激辐射受激辐射三种基本物理过程。三种基本物理过程。(1)(1)受激吸收受激吸收 在在正正常常状状态态下下，电电子子处处于于低低能能级级E E1 1，在在入入射射光光作作用用下下，它它会会吸吸收收光光子子的的能能量量跃跃迁迁到到高高能能级级E E2 2上上，这这种种跃跃迁迁称称为为受受激激吸吸收收。受受激激吸吸收收将将使使外外界界光光能能减减少。

33、少。(2)(2)自发辐射自发辐射 在在高高能能级级 E E2 2 的的电电子子是是不不稳稳定定的的，即即使使没没有有外外界界的的作作用用，也也会会自自动动地地跃跃迁迁到到低低能能级级 E E1 1上上，释释放放的的能能量量转转换换为为光光子子辐辐射射出出去去，这这种种跃跃迁迁称称为为自发辐射自发辐射。(3)(3)受激辐射受激辐射 在在高高能能级级 E E2 2 的的电电子子，受受到到入入射射光光的的作作用用，被被迫迫跃跃迁迁到到低低能能级级 E E1 1上上，释释放放的的能能量量产产生生光光辐辐射射，这这个个过过程程是是在在外外界界条条件件刺刺激激下下产产生生的的，因因而而称称为为受受激激辐辐

34、射射。受受激激辐辐射射产产生生的的光光子子与与入入射射光光子子叠叠加加，使使光光得得到到放放大大，因因而而受受激激辐辐射射是是产产生生激激光光的的最最重重要要的过程的过程。受受激激辐辐射射是是受受激激吸吸收收的的逆逆过过程程。电电子子在在 E E1 1 和和 E E2 2 两两个个能能级级之之间间跃跃迁迁，吸吸收收的的光光子子能能量量或或辐射的光子能量都要满足辐射的光子能量都要满足波波尔条件尔条件，即，即式中，式中，h=6.62810-34Js，为，为普朗克常数普朗克常数，f12 为吸收或辐射的为吸收或辐射的光子频率光子频率。（三）（三）相干光相干光和和非相干光非相干光（1 1）相干光）相干光

35、 受激辐射受激辐射和和自发辐射自发辐射产生的产生的光光的特点很不的特点很不相同。受激辐射光的相同。受激辐射光的频率、相位频率、相位和和传播方向传播方向与与入射光入射光相同，这种光称为相同，这种光称为相干光相干光。（2 2）非相干光）非相干光 自发辐射自发辐射的的光光是由大量不同激发态的电子是由大量不同激发态的电子自自发跃迁发跃迁产生的，产生的，其频率和方向分布在一定范围其频率和方向分布在一定范围内，内，相位相位和和偏振偏振态是混乱的，这种光称为态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。怎么保证产生受激辐射而不是受激吸收？怎么保证产生受激辐射而不是受激吸收？（四）粒子数反转分布（四）粒子数反转分布

36、 产产生生受受激激辐辐射射和和产产生生受受激激吸吸收收的的物物质质是是不不同同的的。设设在在单单位位物物质质中中，处处于于低低能能级级E E1 1和和处处于于高能级高能级 E E2 2(E E2 2 E E1 1)的的粒子数粒子数分别为分别为 N N1 1 和和 N N2 2。在在热热平平衡衡条条件件下下，各各能能级级上上的的粒粒子子数数分分布布满满足玻尔兹曼统计分布。足玻尔兹曼统计分布。式式中中，k=1.38110-23 J/K，为为玻玻尔尔兹兹曼曼常常数数，T 为为绝对温度绝对温度。由于。由于 (E2-E1)0 ，T 0，在系统处于热平衡状态下，总是在系统处于热平衡状态下，总是 N N1

37、1 N N2 2。（1 1）正常粒子分布）正常粒子分布受激吸收受激吸收 我我们们把把这这种种 N1 N2 分分布布称称为为粒粒子子数数正正常常分分布布。在在热热平平衡衡状状态态下下，N N1 1 N N2 2，受受激激吸吸收收大大于于受受激激辐辐射射。当当光光通通过过这这种种物物质质时时，光光波波总总是是被被吸吸收，这种物质称为收，这种物质称为吸收物质吸收物质。（2 2）粒子数反转分布粒子数反转分布受激辐射受激辐射 如如果果 N N2 2 N N1 1，即即受受激激辐辐射射大大于于受受激激吸吸收收，当当光光通通过过这这种种物物质质时时，会会产产生生放放大大作作用用，这这种种物物质质称称为为 激

38、激活活物物质质。N N2 2 N N1 1的的分分布布，和和正正常常状状态态(N N1 1 N N2 2 )的的分分布布相相反反，所所以以称称为为粒粒子子数数反反转分布。转分布。粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而是使物质产生光放大而发光的首要条件。发光的首要条件。问题问题:如何实现粒子数反转分布的状态呢如何实现粒子数反转分布的状态呢?在在半半导导体体光光源源器器件件中中，通通常常是是利利用用外外加加适适当当的的正正向向电电压压（泵泵浦浦源源）来来实实现现粒粒子子数反转分布数反转分布的状态的。的状态的。二二 、激光振荡和光学谐振腔、激光振荡和光学谐振腔 粒子数反转分布粒子数

39、反转分布是产生受激辐射的是产生受激辐射的必要条必要条件件，但还，但还不能产生激光不能产生激光。只有把。只有把激活物质激活物质置于置于光学谐振腔中光学谐振腔中，对光的，对光的频率频率和和方向方向进行选择，进行选择，才能获得连续的才能获得连续的光放大光放大和和激光振荡输出激光振荡输出。5.4.2 5.4.2 光检测器光检测器 光检测器的作用是将接受的光信号功率变换为电光检测器的作用是将接受的光信号功率变换为电信号电流，即实现光信号电流，即实现光-电的转换。电的转换。光纤通信系统中最常用的光检测器有：半导体光光纤通信系统中最常用的光检测器有：半导体光电二极管、雪崩光电二极管。电二极管、雪崩光电二极管

40、。5.4.3 5.4.3 光接收机的性能指标光接收机的性能指标1 1、误码率、误码率 指在一定的时间间隔内，发生差错的码元数比上指在一定的时间间隔内，发生差错的码元数比上传输的总的码元数。传输的总的码元数。2 2、接收机灵敏度、接收机灵敏度 在保证规定的误码率条件下，光接收机所需要的在保证规定的误码率条件下，光接收机所需要的最小光功率值最小光功率值P Pminmin 。工程上常用。工程上常用dBmdBm来表示。来表示。灵敏度表示接收机能够接收微弱光信号的灵敏度表示接收机能够接收微弱光信号的能力。提高灵敏度，意味着能够接收更微弱的能力。提高灵敏度，意味着能够接收更微弱的光信号。光信号。【例例】某

41、光接收机在误码率为某光接收机在误码率为10-9 时的灵敏时的灵敏度为度为10nW，如以，如以dBm为单位，它应该是多少为单位，它应该是多少dBm?【例例】已知光接收机甲的灵敏度为已知光接收机甲的灵敏度为-50 dBm；光接收机乙的灵敏度为光接收机乙的灵敏度为-60 dBm；请问哪部光；请问哪部光接收机的灵敏度高？接收机的灵敏度高？【例例】已知在误码率为已知在误码率为10-9 时，甲光接收机的灵时，甲光接收机的灵敏度为敏度为10nW；乙光接收机的灵敏度为；乙光接收机的灵敏度为-15 dBm；试计算判断哪部光接收机的灵敏度高？；试计算判断哪部光接收机的灵敏度高？3 3、动态范围、动态范围 在规定的误码率条件下，光接收机所能承受的最在规定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大接收光功率和最小的接收光功率的比值，用大接收光功率和最小的接收光功率的比值，用dBdB表示表示为：为：