北工大光纤通信原理复习讲义

《光纤通信原理》复习讲义第一章光纤在1280nm~1620nm的近红外波段，具有6个传输窗口，采用密集波分复用技术，这6个窗口从理论上讲可以提供多达1万个信道。在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质的光纤又比同轴电缆损耗低得多，因此相对于电缆或微波通信，光纤通信具有许多独特的优点。光纤分类(制造材料)：玻璃光纤、全塑光纤、石英光纤。通信系统：将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道(传输媒介)的总和。光纤通信系统：利用光纤光缆传输光波信号的通信方式。优点：价格便宜，线路损耗低、频带宽，已成为通信网骨干。光纤通信：以光频作为载波，利用光纤或光缆作为传输线路（介质），传输光信号的一种通信方式。光纤通信与电通信的主要区别在于传输信号和传输线路。携带信息所用的载波频率不同是光纤通信与电通信的本质区别。目前光纤最低损耗低于0.18dB/km，接近了石英光纤的理论损耗极限0.15dB/km，最长中继300km。举例：光通信的应用：环球光纤通信线路；氧气工程——光通信领域最宏伟工程。32万公里海底光缆。同时传送240万路电话。连接175个国家，耗资150亿美元，2003年已建成。光多路传输技术是充分挖掘光纤带宽潜力、扩大通信容量的技术之一。采用多路传输技术可以充分利用光纤带宽，给通信带来巨大的经济效益。光信道供应无限：使光纤损耗谱平坦，扩大可利用的窗口；采用密集波分复用（DWDM），增加使用波长的数量；采用波长转换技术，实现波长再利用；用光码分复用（OCDMA）技术,扩大每个波长的信道数;采用光时分复用（OTDM）技术，增加每个波长信道数；光纤通信优点：（1）光纤容量大。（2）传输损耗小、中继距离长。（3）抗电磁干扰能力强，保密性好。（4）重量轻、体积小，易于敷设。（5）制备光纤的材料资源丰富。光发射机：电信号转变为光信号注入光纤传输。光纤光缆：为光通信提供媒介。光接收机：把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。光中继器：对经光纤传输衰减后的信号进行放大。光中继器有光-电-光中继器和全光中继器。第二章光纤（光导纤维）：材料是石英（SiO2），是在光通信网络中能够长距离传输光信号的圆截面形状的光波导介质；由纯石英经复杂工艺拉制而成的高透明度玻璃丝；光在其界面上全反射并由其导行传输。光纤特性：几何结构特性、光学特性、传输特性等。几何结构特性——以光纤的纤芯和包层的几何尺寸表述；光学特性——以光纤的径向折射率分布和数值孔径表述；传输特性——光纤的损耗、色散、以及单模光纤的偏振特性。光纤结构：纤芯、包层和涂敷层。根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和渐变型。根据纤芯传输模式的多少，分为单模光纤和多模光纤。单模光纤：只能传播一个模式的光纤。标准单模光纤折射率分布和阶跃型光纤相似，但其纤芯直径比多模光纤小得多，模场直径只有。光线沿轴线直线传播,色散使输出脉冲信号展宽最小。多模光纤：在一定工作波长下，多模光纤是能够传输多种模式的介质波导。特点：（1）多模光纤的纤芯直径：约为；（2）多模光纤的折射率分布：可以是阶跃型光纤或渐变型光纤；（3）存在模式色散，即带宽变窄。实用的三种光纤：阶跃多模光纤、渐变多模光纤、阶跃单模光纤。各自特点？光纤的导光条件是什么？（从射线理论来讲）什么数值孔径，其物理含义是什么？光纤的数值孔径由什么决定？光纤的自聚焦：渐变型光线中，不同轨迹的射线具有相同轴向速度的现象。渐变光纤最佳折射率分布，是指可以实现自聚焦的分布。当V→∞时，即为远离截止。此时相对于波长，纤芯半径a相当于无限大。可以认为光波在无边界介质n1中传播，大多数模式远离截止。此时光能完全集中于纤芯中，包层内没有能量。LP01模是截止波长最长的模，称为基模；LP11以上所有模式均为高次模。当V趋向于Vc时，光能量集中于包层中。理想单模光纤是阶跃型光纤，而实际单模光纤的折射率为渐变型的。原因在于：（1）由于纤芯材料和包层材料不同，在制造过程中出现了他们相互向对方扩散、渗透，使得在纤芯和包层交界处（r=a），折射率n1逐渐变化为n2，故呈“圆形变化。（2）由于在预制棒制作过程中，形成了在r=0处折射率指数下降。MCVD（化学气相沉积法）制造工艺的缺陷。单模光纤在给定波长上只传输单一基模；在阶跃单模光纤中，只传输LP01（或称HE11）模。减少渐变型光纤模间色散方法：选取合适的n(r)分布，使不同射线以同样的轴向速度传播。第三章光纤的损耗类型：(1)材料吸收损耗：一部分光能变成热能，造成光功率的损失。可以改善。(2)光纤散射损耗：光纤材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光发生散射。(3)辐射损耗。信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散。◇从波形在时间上展宽的角度去理解，即光信号在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种观象就称为色散。光纤中色散会使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限模式色散：由于信号不是单一模式，不同模式的不同纵向传输速率引起的信号分散。色度色散：由于信号不是单一频率，而引起的信号分散。不同波长的光以不同的速度在光纤中传输引起不同的时间延迟振模色散：光纤双折射使得两个正交偏振模传输速率不同，引起的信号分散。多模光纤的模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。单模光纤中，不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散。材料色散是主要，波导色散相对较小。光纤带宽是从频域表述光纤的色散效应，与时域的脉冲展宽相对应。其数值直接影响光纤通信系统的传输码速和最大通信容量。单位以兆赫千米(MHz·Kz)表示，描述1km光纤具有的带宽能力。光纤带宽的影响因素是色散。损耗测量(1)剪断法测量光纤损耗系数(2)后向散射法光时域反射机：利用后向散射原理设计的测量仪器。用途：测量光纤损耗系数和光纤长度，测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置。光纤带宽的测量：时域法。色散测量：相移法第四章单模光纤的种类：G.651标准多模光纤；G.652标准单模光纤；G.653色散移位光纤；G.654衰减最小光纤；G.655非零色散光纤；全波光纤；色散补偿光纤光缆结构：光缆由缆芯（层绞式，支架式，叠带式，束管式）、加强件和护层组成。为什么实际使用过程中光纤要制成光缆？答：由光纤的温度特性和机械特性可知光纤必须制作成光缆才能使用。在长期使用中，必须经受敷设安装和长期维护运用的考验。G.652：当工作波长在1.3微米时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。缺点是低衰减和零色散不在同一工作波长上。G.653：将零色散波长从1.3微米移到1.55微米的色散移位光纤。G.654：衰减最小的光纤。在1.55微米波长附近衰减最小，在1.3波长区域色散为零。G.655：非零色散光纤，是一种改进的色散移位光纤。特点：消除了色散效应和四波混频效应，综合了标准光纤和色散移位光纤最好的传输特性。全波光纤：光纤的整个波段，从1280nm开始到1675nm终止，都可以用来通信。色散补偿光纤：具有大的负色散光纤。第五章光无源器件光纤连接器作用：实现光纤与光纤之间的活动连接，系统中设备之间、设备与仪表之间、设备与光纤之间的活动连接。光纤与光纤的永久性连接：采用高频电弧放电熔接的方法。活动连接：通过光纤连接器来实现。跳线用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连。接头是把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间的永久性连接。要求：主接头损耗小，有足够的机械强度，长期的可靠性和稳定性，以及价格便宜等。耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。3dB耦合器的分光比为50:50，但输出端口的光有的相对相位差。光纤光栅的应用：用作波分复用（解复用）器；用于色散补偿——啁啾光纤光栅；光开关的功能是转换光路，实现光信号的交换。光开关分为机械光开关、波导光开关（利用电光、磁光、热光和声光效应）。机械光开关特点：在插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性方面有良好的性能；开关时间较长；开关尺寸较大，不易集成。波导光开关特点：开关时间短；体积非常小，易于大规模集成；插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。在光纤通信系统或光纤测试中，经常需要从光纤的主传输信道中取出一部分光用于监测、控制等，这就用到光纤功率分路器；也需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，这就要用光纤功率组合器来完成；统称为光纤耦合器。耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。光纤耦合器种类有：T型耦合器、星型耦合器。影响光源与光纤耦合效率的主要因素是光源的发散角和数值孔径。光源与光纤的耦合分为直接耦合和透镜耦合。影响光纤耦合器性能的主要因素：插入损耗、附加损耗、分光比、隔离度或串音。光隔离器和光环行器是两类只允许单方向传输光的器件。光隔离器作用：以消除反射光的影响，使系统工作稳定。光隔离器工作原理：（1）起偏器P使入射光的垂直偏振分量通过。（2）调整加在法拉第介质的磁场强度，使偏振面旋转45o，然后通过检偏器A。（3）反射光返回时，通过法拉第介质又一次旋转45o，正好和入射光偏振面正交，因此不会使入射光受到影响，等于把入射光和反射光相互隔离开来。光环行器主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中。除了有多个端口外，工作原理与光隔离器类似。波分复用器的功能：把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。第六章一LD的发光机理：受激发射——能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；入射光被放大；受激发射光是相干光。光电探测器的机理：受激吸收——当晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上。在这个过程中能量保持守恒；自发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在的。LD发射激光的首要条件：粒子数反转。第二个条件光学谐振腔建立稳定振荡。起振阈值条件：使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。起振相位条件：使谐振腔内的前向和后向光波相干，形成稳定驻波。半导体激光器的基本特性：阈值电流、温度特性、波长特性。阈值电流：半导体激光器属于阈值性器件，即当注入电流大于阈值电流时才有激光输出。温度特性:LD阈值电流Ith随温度的升高而增大。激光二级管的中心波长也随温度升高而增加。光谱特性：LD谱线窄，LED谱线款。半导体激光器的模式特性可分为纵模和横模两种：纵模决定其频谱特性；横模特性决定光场的空间特性，即横模决定近场特性（在激光器表面）和远场特性（近场的傅立叶变换）。1.DFB激光器的工作原理与F-P腔LD的工作原理不同，其主要区别是DFB激光器(a)反射只发生在解理端面，在腔体的任一点，都是这些端面反射的左右行波的干涉;(b)在腔体内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，在腔内的每一点都有反射，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡.2.激光器起振的阈值条件是:(a)受激发射使腔内获得的光增益正好与腔内损耗相抵消;(b)谐振腔内的前向和后向光波发生相干.3.LD和LED的主要区别是：(a)LD本质上是非相干光源，谱线较宽；而LED却相反(b)LD是相干光源，它的谱线很窄；而LED却相反4.在由四分之一波长厚的多层介质膜组成的电介质镜中，所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有(a)相长干涉的特性(相位差为180度)(b)相消干涉的特性经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到1。其他问题：简述VCSEL、DFB和量子阱激光器的原理。二光检测器的作用：利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器。光检测原理：（1）发生受激吸收产生一个电子空穴对;（2）半导体的光电效应：在PN结