光纖通信小結(jié)

光纖通信小結(jié)第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日一.光纖的傳輸理論1.基本的光纖和光纜的結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu):纖芯（core）,包層（cladding）,涂敷層(jacket).纖芯的折射率略大于包層的折射率。

光纖材料：石英光纖,塑料光纖

光纖的主要類型basictypeofFiber

多模光纖:

階躍折射率.漸變折射率

單模光纖:階躍折射率

光纖的相對折射率差:=(n1－n2)/n1NA=2

n1－n22最大群時(shí)延:數(shù)值孔徑:

n12=第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日纜芯結(jié)構(gòu)層絞式大束管式骨架式帶式光纜的結(jié)構(gòu)第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日無鎧裝光纜皺紋鋼帶裝防蟻光纜皺紋鋼帶鎧裝光纜外護(hù)層結(jié)構(gòu)分類PE：聚乙烯PSP：聚乙烯-鋼-聚乙烯PAP：聚乙烯-鋁-聚乙烯第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.光纖傳輸?shù)男再|(zhì)

1)

損耗

(dB/km):固有損耗.非固有損耗光纖中低損耗窗口

0.85mm(<2.5dB/km)1.3mm(<0.4dB/km)1.55mm(<0.2dB/km)dBm=

相對于1mW功率的dB

0dBm=1mW

10dBm=10mW

20dBm=100mW第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日2)色散（Dispersion)

模式色散(intermodaldispersion)：

多模光纖中各模式在同一頻率下有不同的群速度，因而形成模式色散。

模內(nèi)色散（intramodaldispersion）

材料色散波導(dǎo)色散偏振模色散后三種色散類型統(tǒng)稱為模內(nèi)色散第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.光纖的模式理論歸一化頻率V=(2a/)(n12-n22)1/2

V<2.405HE11基模2.405＜∨＜3.832HE11,TE01,TM01,HE213.832＜∨＜5.136HE11,TE01,TM01,HE21EH11,HE31,HE12低次模的歸一化傳輸常數(shù)隨V的變化第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日階躍折射率光纖:

M=V2/2漸變折射率光纖M=V2/4第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日二.光源和光調(diào)制半導(dǎo)體光源：半導(dǎo)體激光器(LD)和半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)半導(dǎo)體光源的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、耗電少、易于光纖耦合發(fā)射波長適合在光纖中低損耗傳輸可以直接進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制可靠性高1.激光器的基礎(chǔ)知識1).能級的光躍遷:受激輻射.受激吸收.自發(fā)輻射光子的能量為hf2).吸收煤質(zhì)第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日2、半導(dǎo)體激光器的激射條件放大煤質(zhì)

粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)分布，布居翻轉(zhuǎn)對應(yīng)激光放大狀態(tài)有源區(qū)里實(shí)現(xiàn)足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

當(dāng)處于高能級上的電子數(shù)N2大于處于低能級上的電子數(shù)N1時(shí)，受激輻射占據(jù)主導(dǎo)地位，光被放大。N2>N1的情況是一種處于非熱平衡狀態(tài)下的反常情況（外界激勵(lì)），通常稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，或布局反轉(zhuǎn)。(給PN結(jié)加正向電壓)(2)存在光學(xué)諧振機(jī)理，并在有源區(qū)里建立起穩(wěn)定的振蕩

第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、分類和主要性質(zhì)1)、F-P腔激光器振幅條件：使激光器成為閾值器件

e(th-)2L

?R=1增加增益的方法：加大注入電流

()=(N2-N1)C2g()/(8n22sp)相位條件：使激光器的發(fā)射光譜呈模式振蕩

2L＝q2

q=1,2,3,…2)、量子阱激光器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有源區(qū)非常薄

量子阱(QW，QuantumWell)半導(dǎo)體激光器是一種窄帶隙有源層夾在寬帶隙半導(dǎo)體材料中間或交替重疊生長，有源層厚度小至德布羅意波長量級的新型半導(dǎo)體激光二極管。性能特點(diǎn)：閾值電流低,輸出功率高

譜線寬度窄，頻率啁啾改善調(diào)制速率高晶體的天然解理面第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日3)、DFB激光器通過周期性的波紋結(jié)構(gòu)提供的光耦合來建立光振蕩，即布喇格反射原理單縱模振蕩線性度好線寬窄：布拉格反射可比作多級調(diào)諧，使諧振波長的選擇性大為提高。

穩(wěn)定性好：因?yàn)楣鈻庞兄阪i定在給定的波長上，使其溫度漂移很小。

動(dòng)態(tài)譜特性好：高速調(diào)制下也保持單模振蕩，雖然動(dòng)態(tài)譜寬度要比靜態(tài)譜寬展寬，但較F-P腔LD展寬小得多。第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日4.半導(dǎo)體激光器的基本性質(zhì)

1).閾值特性2).效率功率效率P：定義為激光器輸出光功率Pex與注入激光器的電功率Pin之比。p=Pex/(VjI+I2Rs)內(nèi)量子效率i：定義為有源區(qū)里每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù)與有源區(qū)里每秒鐘注入的電子-空穴對數(shù)之比。

i=Rr/(Rnr+Rr)外量子效率ex：定義為激光器每秒鐘實(shí)際輸出的光子數(shù)與每秒鐘外部注入的電子－空穴對數(shù)之比。

ex=(pex/h)/(I/e0)由于h

Ege0V因此expex/IV

外微分量子效率D：對應(yīng)P－I特性中閾值以上的線性范圍的斜率。

D=[(Pex–Pth)/h]/[(I-Ith)/e0]

[Pex/h]/[(I-Ith)/e0]pex=Dh(I-Ith)/e0

第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日3).溫度特性

隨溫度升高：閾值電流增加,外微分量子效率下降,峰值波長向長波長方向移動(dòng)4).相對強(qiáng)度噪聲RIN它定義為:相對輸出光功率的變化的功率譜密度。RIN對光反射非常敏感5).頻率啁啾Ith=I0exp(K/K0)Ith2=Ith1exp(K2-K1)/K0)第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日5.半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)1)、瞬態(tài)現(xiàn)象:半導(dǎo)體激光器在進(jìn)行直接調(diào)制時(shí)顯示出來的現(xiàn)象。（1）張弛振蕩和電光延遲：固有的瞬態(tài)現(xiàn)象（2）自脈動(dòng)現(xiàn)象：內(nèi)部不均勻所致

張弛振蕩的衰減時(shí)間0=1/，與sp同一數(shù)量級，并隨注入電流的增加而減??；張弛振蕩的角頻率與sp和ph有關(guān)，并隨注入電流的增加而升高。第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日6.半導(dǎo)體激光器的模式性質(zhì)半導(dǎo)體激光器的縱模:

光譜性質(zhì)半導(dǎo)體激光器的橫模:橫截面上的電磁場分布第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日7.半導(dǎo)體發(fā)光二極管1).工作原理當(dāng)注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過程中復(fù)合發(fā)光。2).特點(diǎn)（與半導(dǎo)體激光器比較）：

非相干光源，自發(fā)發(fā)射為主，發(fā)射熒光過程無光學(xué)諧振腔，不一定需要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)非閾值電流，輸出功率基本上與注入電流成正比3).基本性質(zhì)發(fā)射譜線和發(fā)散角

－光譜較寬，光纖色散嚴(yán)重；－發(fā)散角大，與光纖的耦合效率較低；

響應(yīng)速度－調(diào)制速率低

熱特性－溫度特性較好，無需溫控電路;

壽命長，可靠性高第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日特點(diǎn)：

強(qiáng)度調(diào)制(IM)只適用于半導(dǎo)體光源簡單方便，價(jià)格便宜，但動(dòng)態(tài)譜線的展寬嚴(yán)重，不適合高速、長距離傳輸系統(tǒng)。1)、直接調(diào)制示意圖半導(dǎo)體光源調(diào)制電路激光輸出發(fā)送信號注入電流8、光源的調(diào)制類型：直接調(diào)制和間接調(diào)制發(fā)送信號直接變成調(diào)制電流注入激光器驅(qū)動(dòng)激光器的輸出，使光強(qiáng)隨發(fā)送信號的變化而變化第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日發(fā)送信號特點(diǎn)：啁啾小用于>2.5Gb/s高速率傳輸可用于要求線性度高模擬信號有些調(diào)制器偏振相關(guān)

2)、間接調(diào)制示意圖半導(dǎo)體激光器調(diào)制電路激光輸出調(diào)制電壓調(diào)制器直流注入電光調(diào)制.磁光調(diào)制.聲光調(diào)制第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日3)、數(shù)字激光發(fā)射端機(jī)線路編碼調(diào)制電路LD控制電路數(shù)字信號入光信號數(shù)字光發(fā)射端機(jī)原理機(jī)框圖第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日（1）偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇偏置電流的選擇：加大直流偏置電流使其逼近閾值，可以大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)使張弛振蕩得到一定程度的抑制激光器偏置在閾值附近可以大大減小碼型效應(yīng)和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響加大直流偏置電流會(huì)使激光器的消光比惡化對某些異質(zhì)結(jié)激光器，若激光器正好偏置在閾值上，則散粒噪聲的影響較重第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日(2)調(diào)制電流的選擇：足夠的光脈沖幅度減小光源負(fù)擔(dān)避開可能發(fā)生自脈動(dòng)的區(qū)域第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日（3）激光器的控制電路溫度變化和器件老化對激光器的影響控制電路的作用控制方法：自動(dòng)溫度控制電路（ATC）自動(dòng)光功率控制電路（APC）閾值電流增加外微分量子效率減小第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日光電變換前置放大主放大器均衡濾波判決器譯碼器AGC電路時(shí)鐘恢復(fù)直接檢測（DD）數(shù)字光接收機(jī)原理框圖三、光接收機(jī)第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日1、光電二極管（PD）1）PD的工作原理

光電效應(yīng)--受激吸收過程當(dāng)入射光子能量大于禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶上的電子可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶上，產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對。

電子-空穴對在電場的作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。

光電二極管工作在反向偏壓下。h>Eg或hc/EgPIN能帶圖耗盡區(qū)第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日

量子效率

:定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光生電子－空穴對數(shù)與單位時(shí)間入射的總光子數(shù)之比。

響應(yīng)度

:定義為光生電流與入射光功率之比，工程上常用響應(yīng)度來衡量光電轉(zhuǎn)換效率的高低。Ip=(e0/h)p0(1–R)exp(-w1)[1-exp(-w)]=(A/W)=

=(1–R)exp(-w1)[1-exp(-w)]光生電流入射光功率零電場的厚度耗盡區(qū)的厚度入射表面的反射率單位光功率產(chǎn)生的光生電流2）PD的工作特性波長響應(yīng)范圍

b)光電轉(zhuǎn)換效率響應(yīng)速度(d)暗電流第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日2、雪崩光電二極管(APD，AvalanchePhotodiode)1)工作原理

光電效應(yīng)+碰橦電離、雪崩倍增效應(yīng)。高靈敏度檢測器加很高的反向電壓區(qū)第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日2）APD的工作特性

（a)APD的平均雪崩增益和雪崩擊穿電壓平均雪崩增益定義為:G=Im/Ip式中Ip為一次光電流，Im為倍增輸出電流的平均值。由于倍增過程是隨機(jī)產(chǎn)生的，因此雪崩倍增效應(yīng)具有統(tǒng)計(jì)的特征，故倍增效應(yīng)應(yīng)取統(tǒng)計(jì)平均值。G與反向電壓有關(guān)：V越大，G值越高。

(b)APD的過剩噪聲第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.接收機(jī)靈敏度的高斯近似計(jì)算1)APD作為檢測器第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日2）PD作為檢測器，可忽略PD的散粒噪聲第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日3)、計(jì)算步驟由輸入、輸出波形計(jì)算（查表），1，2求Z；由BER確定Q；確定APD的參量，x;計(jì)算最佳雪崩增益和靈敏度第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日1光纖通信系統(tǒng)的組成1)、框圖出四.光纖通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日2)輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(含告警處理系統(tǒng))

故障管理、性能管理、配置管理、安全管理公務(wù)通信系統(tǒng)自動(dòng)倒換系統(tǒng)電源供給系統(tǒng)第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.系統(tǒng)性能及測試(1)、誤碼性能

長期平均誤碼率（BER）

誤碼時(shí)間百分?jǐn)?shù)：ES，SES，DM1)系統(tǒng)性能第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日(2).抖動(dòng)性能概念：數(shù)字信號（包括時(shí)鐘信號）的各有效瞬間對于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的位置偏差，稱為抖動(dòng)（或漂動(dòng)）。10Hz以下的相位變化稱為漂動(dòng),而10Hz以上的則稱為抖動(dòng)。原因：隨機(jī)噪聲產(chǎn)生低頻振蕩的相位調(diào)制，加載到傳輸?shù)臄?shù)字信號上，產(chǎn)生抖動(dòng)。抖動(dòng)的單位：UI,表示單位時(shí)隙，當(dāng)傳輸信號為NRZ碼時(shí)，1UI就是１比特信息所占用的時(shí)間，它在數(shù)值上等于傳輸速率的倒數(shù)。影響：使判決偏離最佳的判決時(shí)間第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日測試方法如下：a.按圖示接好測試系統(tǒng)，誤碼儀的發(fā)送部分按規(guī)定送出223-1或215-1偽隨機(jī)碼，用來調(diào)制光發(fā)射機(jī)；b.增大光衰減器的衰減量，同時(shí)監(jiān)測誤碼，直到誤碼儀指示的的誤碼率為某一要求值（如10-10）；c.斷開光纖連接器，用光功率計(jì)測量此時(shí)的接收光功率，即為要求誤碼率下的接收靈敏度（如BER=10-10時(shí)的靈敏度值）。(1)、誤碼率和靈敏度的測試所用儀表：誤碼測試儀、光衰減器、連接器、光功率計(jì)光接收機(jī)靈敏度的測試原理圖2).系統(tǒng)性能的測試第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日注：長光纖第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日3、光纖通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)1)、系統(tǒng)的總體考慮選擇路由，設(shè)置局站確定系統(tǒng)的制式、速率光纖選型選擇合適的設(shè)備，核實(shí)設(shè)備的性能指標(biāo)對中繼段進(jìn)行功率和色散預(yù)算第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日2)、系統(tǒng)預(yù)算(1）功率預(yù)算最大中繼距離Lmax=(PT-PR-2Ac-Pp)/(Af+As/Lf+Mc)最小中繼距離Lmin=(PT-Pr-2Ac-D)/(Af+As’)PR=Pr+Me第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日(2）色散預(yù)算對于色散受限系統(tǒng)，可達(dá)到的最大再生距離可用下式估算（最壞值法）

Lmaxd=DSR/Dm

第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日1)、SDH的特點(diǎn)SDH的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。有全世界統(tǒng)一的數(shù)字信號速率和幀結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)同步復(fù)用強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理能力有標(biāo)準(zhǔn)的光接口

具有兼容性按字復(fù)用自愈網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)保護(hù)能力差4.光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日

2）

PDH的缺點(diǎn)無世界統(tǒng)一的數(shù)字信號速率和幀結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，造成國際互通困難異步復(fù)用，結(jié)構(gòu)缺乏靈活性，上下話路費(fèi)用高網(wǎng)絡(luò)管理能力差難于形成自愈網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)保護(hù)能力差有標(biāo)準(zhǔn)的光接口按比特復(fù)用，第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日3）、STM-649953.280Mbit/s第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日幀結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

塊狀幀結(jié)構(gòu)，并以字節(jié)為基礎(chǔ)。9行、270×N列。由左到右、由上到下順序排成串行碼流依次傳輸。傳輸一幀需125μs，每秒8000幀。STM-N傳輸速率：（N＝1,4,16,…）N×8×9×270×8000=N×155.520Mbit/s。4）、幀結(jié)構(gòu)第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日5）、我國的基本復(fù)用映射結(jié)構(gòu)第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日

6）、自愈網(wǎng)的概念所謂自愈網(wǎng)就是無需人為干預(yù)網(wǎng)絡(luò)就能在極短時(shí)間內(nèi)從失效狀態(tài)中自動(dòng)恢復(fù)所攜帶的業(yè)務(wù)，使用戶感覺不到網(wǎng)絡(luò)已出現(xiàn)了故障。其基本原理就是使網(wǎng)絡(luò)具有備用路由，并重新確立通信能力。各種自愈網(wǎng)絡(luò)二纖單向通道倒換環(huán)二纖單向復(fù)用段倒換環(huán)四纖雙向復(fù)用段倒換環(huán)二纖雙向復(fù)用段倒換環(huán)第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日（2）.網(wǎng)同步的方式主從同步方式、相互同步方式、準(zhǔn)同步、外時(shí)鐘同步等。

（1）.網(wǎng)同步的概念所有數(shù)字網(wǎng)都要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)同步。所謂網(wǎng)同步是使網(wǎng)中所有交換節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率和相位保持一致（或者說所有交換節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率和相位都控制在預(yù)先確定的容差范圍內(nèi)），以便使網(wǎng)內(nèi)各交換節(jié)點(diǎn)的全部數(shù)字流實(shí)現(xiàn)正確有效的交換。7）SDH網(wǎng)同步第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日5、光放大器通用光放大器結(jié)構(gòu)光纖放大器,半導(dǎo)體光放大器(SOA)(激活介質(zhì)不同)耦和器件泵浦源

所有的光放大器都是通過受激輻射過程來實(shí)現(xiàn)入射光功率放大的,產(chǎn)生受激輻射的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機(jī)制與半導(dǎo)體激光器中使用的相同,只是沒有反饋機(jī)制.不能產(chǎn)生相干光,其工作原理:設(shè)備吸收了外部泵浦提供的能量,在激活介質(zhì)中泵浦為電子提供能量,使其達(dá)到較高的能級產(chǎn)生離子數(shù)反轉(zhuǎn).輸入信號光子會(huì)通過受激輻射過程觸發(fā)這些已經(jīng)激活的電子,使其躍遷到較底的能級,從而產(chǎn)生一個(gè)放大的信號激活介質(zhì)第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日

1）、摻鉺光纖放大器(Erbium-dopedFiberAmplifier,EDFA)

泵浦態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)（1）原理三能級躍遷1μs鉺是鑭系稀土元素,原子序數(shù)是68,原子量為167.3,利用其4f能級光纖放大器的激活介質(zhì)由標(biāo)稱值為１０－３０m長度的輕度摻稀土元素第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月