光纤通信技术电子教案

1通信系统组成一：二：信源：原始信号系统发送机：对原始信号处理，变换（调制，放大，滤波）送信道信道：信号传输媒介噪声：各种干扰信号接收机：完成发送机的反变换（滤波，放大，解调）信宿：完成原始电信号原始消息信源发送机信道接收机信宿噪声电信号光发送光接收电信号输入E/O光纤O/E输出2一：光纤通信发展史1.光纤通信概念：以光载波运送信息，以光纤为传媒的通信。2.古老光通信：烽火台，交通灯，光电话/880，贝尔实验室。3.三个主要技术：光源:1960红宝石激光器1962LED1977Bell实验室成功研制100HLD光纤：1966高锟严格论证从人类玻璃中祛除杂质可制成低衰减光纤。1970公司制出20dB/km1973Bell实验室制成1dB/km，现在02dB/km以下。1973日本解决接续问题。1974活动连接器光检测器：70年代研制成功。1．三个阶段：第一阶段：1970-1979：光源，光纤检测器研制成功。3由美国，亚特兰大，第一个光纤通信系统建成。第二阶段：光纤技术突破：衰减降02dB以下。79-89年：多模单模光系统建设高潮第三阶段：89年至今：光系统PDHSDH过渡。传输速率提高，光纤放大器问世，给光纤通信技术带来巨大变革。光纤传输光放大光集成，光分播复用，光交叉相连，光交换的全光网时代。将来:宇宙星际光通信，可能实现。2.光在电磁波谱中位置：可见光：λ039—076μm近线外：λ0.76—15μm中线外：λ15—25μm远线外：λ25—300μm光纤通信：λ0.8—1.8μmf:1.67—3.75*10短波长：0.8~0.9μm长波长：1.0~1.8μm超长波长：2μm4二：光纤通信类型及特点1．按信号类型分：光纤模拟通信系统：广播，电视光纤数字通信系统：PCM数字信号2．按光调制分：直接调制光纤系统：电信号对光源强变调制外差调制光纤系统：电信号对光源发出光载波调制。3．按光纤特性分：多模光纤通信系统：140Mbit/s以下单模光纤通信系统4．工作波长分：短波长：0.85μm局域网，用户接入网，中继短，中继距离长长波长：1.3—1.5μm超长波长：2μm非石英光纤，卤化物光纤，2000пm衰减低至0.10—0.0001dB/km，1000km无中继站研制阶段。5.按数字体分：PDH，SDH56、按应用范围分：长途市话中继接入网系统6传输信道数目划分：单信道（波长）系统：一根光纤只传一个波粗波分复用系统（CWDM）：一根光纤传少量不同波长，信道间隔大于20nm密集波分复用系统：传多个波长，信道间隔小于8nm。CWDM：一根光纤中同时传少量不同光波长。信道间隔大于20nm，在城域网中广泛应用。DWDM：一根光纤中同时传多个不同波长光信号。信道间隔小于8nm，同时用时分复用使系统容量数百倍提高。三：本课程学习内容光纤、光缆：原理，参数光器件：原理、参数光传输设备：25Gbit/s，16*25Gbit/s，32*10Gbit/s，40Gbit/s6光测量技术：原理、方法光半导体发光机理爱因斯坦量子论提出：光与物质相互作用，发生自发辐射、受激辐射、受激吸收。1．跃迁：电子从一个能级转移到另一个能级的过程。2．从低能级向高能级跃迁：吸收能量。3．释放能量：从高能级跃迁到低能级。4．能量是二个能级之差hv=E1-E2E1：高能级；E2：低能级；v：光频率；h：普郎克常数A：受激吸收：在低能级电子，在外来光子激发下，吸收光子能量跃迁到高能级上。hvE1导带E2价带7B：自发辐射：处在高能级电子自发跃迁到低能级上（与空穴复合）并辐射出一个能量为（Eg=E1-E2=hv）光子光子频率v=（E1-E2）/h特点各电子是独立地，自发地随机地跃迁，彼此无关。发出光是非相干光。能量以光子方式发射出来。C：光的受激辐射（发射）处在高能级电子，在能量为E=E1-E2，频率V=（E1-E2）/h外来光子激发下，跃迁到低能级，发射出一个和入射光子一模一样—全同光子。特点：频率、相位、方向、传播方向相同一个光子作用可以得到二个全同光子一定条件下可以产生大量全同光子—光放大。相干光D：粒子数反转分布热平衡状态下物质中：低能级电子多、高能级电子少。8∴没有外界激励下，常温下，受激吸收受激辐射∵单位体积时间内，从低能级受激跃迁到高能级电子数多于从高能级受激跃迁到低能级电子数。∴光放大条件：物质中受激辐射受激吸收必须有—高能级电子数低能级电子数。物质这种发常态粒子数分布—粒子数反转分布E：工作物质：能形成粒子数反转分布的物质。帮浦源：给工作物质施加能量，形成粒子数反转分布。第一章1.1LD一：对光源LD要求1．寿命10年以上，从可靠性、经济性要求，不允许中断。如北京—武汉全程40LD。如平均寿命100万H，每2.8年可能出现一次故障。2．较大光功率输出1mw以上。目前LD—500μw—2mw；LED—10μw3．发出光波长须和光纤三个窗口一致。4．谱线宽度要窄：LD谱宽0.1nm。谱线窄，传输距离9远谱度1nm只能传17Km；0.2nm，能传80Km5．高速响应特性与光纤耦合效率高。6．良好温度特性，工作波长，输出功率与温度变化有关。尺标、重量轻易安装。二：LD组成、原理1．组成产生激光的工作物质帮浦源光学谐振腔2．原理：当PN结加正向电压时，有源区载流子达到粒子数发转分布，电子与空穴复合产生光子—受激辐射—光放大—立即达到稳定激光输出。三：LD性能参数理解重要特性，才能正确使用LD。101．I-V特性：在正偏压下工作，当外加电压超导通电压时，电流随外加电压增大。导通电压：VF在1V~1.5VVF高长期工作不利正向电阻：RF（2~3N）AV/AIRF高，工艺不好V=Eg/（E+TRs）E：电子电荷；Rs：二极管串联电阻；f：光振荡频率Eg=h.f(h=6.626*10)2.P-I特性：Ith:值电流。注入电流》Ith时激光器发光。一般：ITH：长波长20~50MA；短波长50~100MA。Ith小寿命长。当Ith初始值时LD坏了。3．光谱特性：谱线宽度：输出光功率峰值下降3dB时，半功率点对应。宽度越窄越好→容量↑4．温度与光电特性：T↑→Ith↑→输出功率随温度变化。如果注入电流不变→输出功率↓所以用ATC电路。11通常：Ith→初始值1.5倍时，LD寿命终止。要加ATC制冷器，散热。5．调制特性电信号直接加到激光器上，在数字调制时，有电脉冲时，激光器就发光；无脉冲激光器就不发光。电脉冲—光脉冲激光器发射光脉冲后，需一段时间恢复即需粒子数反转分布。延迟：以td表示：激光器连接发射二个光脉冲即需时间。加偏置电流可以提高调制速率。当外加偏置电流等于Ith时，延迟时间等于零。激光器可以连续发射脉冲而不需要准备时间。四：注意事项1．不能用大于Ith2倍电流冲击。∵电流微小变化，引起光输出的较大变化。曲线（P-I）相当陡2.测试时避免极性反接3．防静电击穿4．判断LD好坏时，正向电阻为1KΩ，反向电阻大于500KΩ5．选LD时，Ith要小，对应Pth也小（线性好,Ith以上）126．满足要求前提下，尽量低功率输出。1．2LED一．结构原理1．结构：没有光学谐振腔，其它与激光器相同。无阀值器件，发光只限于自发辐射—荧光。2．原理：PN结加正向电压，注入正向电流时，注入电子在扩散过程中与空穴复合发光二．特性1．光谱宽：30~100nm，比LD宽，不能用于长距离传输2．P-I曲线线性好，广泛应用于模拟信号传输3．寿命长，稳定可靠。调制方便，价格低4．方向性差5．温度特性好，在中低速系统中应用。当T从20℃升高到70℃时，功率下降不多，不要ATC电路。三．LED与LD性能比较LEDLD输出功率小大温度不敏感敏感13成本低高寿命长一般带宽小大1．3光检测器一．基本要求1．在工作波长内，有足够灵敏度，由响应度及量子效率衡量2．要有足够带宽，对光信号有快速反应能力，以脉冲上升时间TR衡量3．对光信号解调时引入噪声要小4．检测器体积小，可靠，方便5．可低功率工作，不要过高偏压，偏流6．高的光电转换效率二．光电转换原理1．光电效应：半导体中被束缚载流子吸收光子能量后，激发为自由电子。2．原理14光照射在PN结上，如光子能量足够大，电子吸收光能，从低能级跃迁到高能级，产生电子空穴时，—即光生载流子，光生载流子在负偏压和内建电场作用下，在外电路中出现光电流。如光子能量hf，能级差Eg。当hf≥Egf=Eg/hf=c/λ∵λ=c/f∴λc=hc/Eg当入射光λλc，即hf≥Eg，时，才能有光生载流子。光信号—光生载流子工作原理光生载流子运动光电流与外电路相互作用三：PIN与APD1．PIN光电二极管原理：在反向偏压下，形成较宽耗尽区而且具有相当高的电场强度的耗尽区。在耗尽区内激发的光生载流子对，立即被电场分开，以很高速度向相反方向运动，形成电流。∵耗尽层宽，光生载流多∴加大反向电压15加一层本征区I区10~100μm；P区，N区：几个μm2．APD因为接收光信号微弱μw-PIN产μA∴要高增益放大∵KV升高—噪声大∴在检测器内放大。原理：在PN结加高反压（几百伏）形成了强电场，光生载流子被加速，获取高能量与半导体晶格的原子发生碰撞，产生新的载流子，新的载流子被加速----如此循环，像雪崩一样光电流在管子内部获得倍增。提高灵敏度，用于长距离光系统。四：参数1、截止波长λC入射光λλC才能检测2、光子效率响应度光子效率η=通过光生载流子数照射到光检测面光子数×100%IP/eP/hf=IP：光生电流e：电子电量P：光功率hf：光子能量ηehfPf=c/λ16P/hf=光子数；光生电流IP=3、暗电流1nA以下，无光照射电流4、响应时间Tr=W/Vmax（W：耗尽宽度；Vmax：载流子漂移速度）1.5光纤与光缆一：类型石英系光纤1、材料分多组分玻璃光纤：由镍、钴、铁化合物塑料光纤：聚苯乙烯、有机玻璃氧化物光纤：氟磷酸，低酸盐、铋酸盐，远红外下，中继距离可达1000KM。λ2um0.001dB/Km2、模式分多模单模：只传输基模响应度单位光功率产生电流0.3~0.7A/w17短波长3、波长分长波长超长波长4、折射学突变渐变二：标准化ITU-T1、模光纤G651（A）表1-5，1-72、模光纤G652（B）表1-6，1-71.55um衰减小，色散较大；1.33um衰减大，色散较小3、653标准色散位移光纤1.55um处色散小，衰减也小4、654光纤衰减变成最小光纤1.55um衰减最小，用于海底通信三：参数181、芯径：2a多模50/125um；单模10/125um2、相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1对λc色散、带宽影响3、NA=n1≈0.2=sinØmax4、单模光纤截止波长单模传输充分必要条件：归化V2.405频率=2πa四：传输特性1、损耗：紫外：吸收0.16μm红外：吸收21μmOH：吸收1.39μm、1.24μm、0.95μm∴形成0.85μm、0.31μm、1.55μm2πavc=n1↓λ归一化截止频率192、色散：材料色散：材料N随λ变化模式色散：模式不同波导色散：光源有一定Δλ原因：单模光纤带宽100G/Km，色散系数→带宽参数测量3、要求：可重复性、易行4、参数：损耗，带宽，N，λ故障点分布5、动态模分布（EMD）：稳态模：各模式光功率相对保持不变→平衡标准：近场分布，远场分布图形不变，场图与光纤长度无关近场Z≤πL/λ（单模3μm；多模70μm）远场Z≥πL/λ（单模0.3mm；多模70mm）L：传输长度G651规定：NA=0.2；λ=0.85μm；50/125μmEMD：近场半幅值宽：26μm；远场半幅值NA：0.11μm方法：20滤模器：去除高阶模（d=20mm绕5圈）包层模剥除器：去除包层模扰模器：强烈几何扰动方法，微弯曲→小圆柱8mm阶跃↓↓1、光纤损耗测量截断法、插入法、OTDR⑴衰减定义：A（λ）=10⑵衰减系数：对均匀光纤⑶切断法：根据定义测量→准确①接线②测出P2③在测P1时，在2m处剪断测量④重复三次，取平均值⑷插入法：适用于现