光纖通信概念

光纖通信概念第一頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.1光纖通信概念

1.1.1什么是光纖通信

通信是各種形式信息的有效傳遞，為了實(shí)現(xiàn)這一目的，需要相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備和傳輸介質(zhì)。

我們以調(diào)幅廣播為例，話音信號(hào)經(jīng)過話筒后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后借助于頻率范圍是526.5~1605.5kHz的載波，將信號(hào)“裝載”到載波上通過發(fā)射天線發(fā)送出去，在接收端由接收天線再將其“卸載”下來，這個(gè)過程稱為信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。調(diào)幅廣播的傳輸介質(zhì)是大氣信道。

而光纖通信則是用光作為信息的載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。它首先要在發(fā)射端將需傳送的電話、電報(bào)、圖像和數(shù)據(jù)等信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，即將電信號(hào)變成光信號(hào)，再經(jīng)光纖傳輸?shù)浇邮斩?，接收端將接收到的光信?hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后還原成消息。圖為光纖通信系統(tǒng)示意圖。

第二頁，共七十二頁，2022年，8月28日電信號(hào)輸入調(diào)制光源光放大器光檢測器信號(hào)恢復(fù)電信號(hào)輸出光發(fā)射機(jī)尾纖連接器光纖光纖接頭盒光耦合器其它設(shè)備光接收機(jī)光纖接頭盒連接器再生中繼器尾纖光纖光纖圖1.1.1光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成第三頁，共七十二頁，2022年，8月28日基本單元為三個(gè)部分：光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)。光發(fā)射機(jī)由將帶有信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和將光信號(hào)送入光纖的傳輸裝置組成，光源是其核心部件，由半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED（LightEmissionDiode）或者激光二極管LD（LaserDiode）構(gòu)成；光纖在實(shí)用系統(tǒng)中一般以光纜的形式存在；光接收機(jī)由光檢測器、放大電路和信號(hào)恢復(fù)電路組成。光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)也稱為光端機(jī)。在光纖通信系統(tǒng)中還包括大量的有源、無源光器件，圖中示出的連接器起著各種設(shè)備與光纖之間的連接作用，光耦合器用于需要將傳輸?shù)墓夥致坊蚝下返膱龊?，光放大器起著對光波放大的作用，用于彌補(bǔ)光信號(hào)傳輸一定距離后，因光纖衰減致使的光功率減弱。第四頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.1.2光纖通信中光的作用及特性在光纖通信系統(tǒng)中，光是信息的載體，光必須經(jīng)過光纖傳播，而在光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)中，核心部件承擔(dān)著電/光、光/電的轉(zhuǎn)換，可見光在光纖通信中的重要地位。光的性質(zhì)有很多，下面我們圍繞光在光纖通信中的作用進(jìn)行討論。1.光作為載波，可以極大地提高信道的帶寬帶寬是信號(hào)進(jìn)行傳輸且沒有明顯衰減的頻率范圍，信道的帶寬越大，信道容量就越大。我們以模擬信號(hào)為例，說明信號(hào)攜帶的信息量與其所占的帶寬有關(guān)。比如，話音信號(hào)的帶寬約為4kHz，電視圖像信號(hào)的帶寬為6MHz，顯然電視圖像的信息量比話音信號(hào)大。所以信號(hào)占據(jù)的頻帶寬，意味著攜帶的信息量大，則傳輸該信號(hào)的信道帶寬也要隨之增大。信道容量與信道帶寬之間的關(guān)系可由香農(nóng)哈特利（Shannon-Hartley）定理決定：

(1.1.1)式中，C為信道容量（單位為比特/秒，bps），B為信道帶寬（單位為赫茲，Hz），SNR是信號(hào)功率與噪聲功率的比值，稱之為信噪比。由(1.1.1)式可見，增加信道帶寬可以有效地提高信道容量。 信道的帶寬又取決于載波的頻率，載波頻率越高，信道的帶寬就越大，系統(tǒng)的信息傳輸能力也就越強(qiáng)。按經(jīng)驗(yàn)，帶寬大約為載波信號(hào)頻率的十分之一。從圖的通信用電磁波頻譜可見，雙絞線的工作頻率可以到300kHz，同軸電纜為1GHz，微波波導(dǎo)傳輸信號(hào)的頻率可高達(dá)100GHz，而光纖通信所用光的頻率范圍為100THz到1000THz，根據(jù)估計(jì)，其帶寬可達(dá)50THz。目前單波長信號(hào)速率已達(dá)到40Gbit/s，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單根光纖傳輸容量為10.96Tb/s的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。第五頁，共七十二頁，2022年，8月28日名稱應(yīng)用傳輸介質(zhì)有線介質(zhì)無線介質(zhì)紫外線可見光紅外線電話數(shù)據(jù)視頻激光束光纖毫米波特高頻（SHF）超高頻（UHF）甚高頻（VHF）高頻（HF）中頻（MF）低頻（LF）甚低頻（VLF）音頻波導(dǎo)同軸電纜雙絞線微波無線電短波無線電長波無線電衛(wèi)星通信微波通信電話、電報(bào)調(diào)幅廣播移動(dòng)無線電UHFTV移動(dòng)通信導(dǎo)航潛艇通信飛行器通信導(dǎo)航、雷達(dá)業(yè)余無線電商務(wù)應(yīng)用調(diào)頻廣播1014Hz1015Hz10-6m100GHz10GHz1GHz100MHz10MHz1MHz100kHz10kHz1kHz1cm10cm1m10m100m1km10km100km800nm1700nm第六頁，共七十二頁，2022年，8月28日2.光在光纖中傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL是由光纖特性決定的可見光的波長范圍為400nm~700nm，從理論上來說，光還包括紫外線和紅外線，其波長范圍大約為3nm~3106nm，光纖通信光源使用的波長范圍在近紅外區(qū)內(nèi)，波長在800nm~1700nm之間，屬于不可見光，但這個(gè)范圍的光不是都可以在光纖中傳輸?shù)摹Ｊ聦?shí)上光纖對不同波長的光呈現(xiàn)的傳輸特性是有很大差別的，這里我們主要考慮光纖的衰減特性，也稱為損耗特性，因?yàn)榈蛽p耗是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)長距離無中繼傳輸?shù)那疤帷９饫w的損耗包含兩個(gè)方面：一是因光纖材料（石英）和結(jié)構(gòu)引起的吸收、散射等造成的損耗，二是組成系統(tǒng)時(shí)所產(chǎn)生的損耗，例如接插件連接損耗、彎曲損耗等，在此僅說明光纖本身的損耗。圖是一個(gè)典型的石英光纖損耗譜，由圖可見，大約在850nm、1300nm和1550nm處有三個(gè)低損耗窗口，也稱為透光窗口。第一代光纖通信系統(tǒng)工作在850nm附近，早期制造的光纖在這個(gè)區(qū)域有局部的最小損耗。通過降低光纖材料中氫氧根離子和金屬離子的含量，已經(jīng)可以制造在1100nm到1600nm范圍內(nèi)損耗極低的光纖，目前常用的工作波長在1310nm和1550nm處。三個(gè)窗口的衰減分別為：850nm附近為2dB/km，1310nm附近為0.5dB/km，在1550nm附近為0.2dB/km。我們把1530~1565nm的波長范圍稱為C波段，這是目前高速大容量長距離系統(tǒng)常用的波段。第七頁，共七十二頁，2022年，8月28日波長(nm)損耗(dB/km)700900110013001500170011015501310850圖1.1.3光纖損耗的波長特性第八頁，共七十二頁，2022年，8月28日3.光在光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)中的工作基于光的輻射與吸收光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)中的光源和光檢測器是基于半導(dǎo)體材料對光的輻射與吸收機(jī)理工作的。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性介于金屬和絕緣體之間，其導(dǎo)電特性可以借助于圖所示的能帶圖來解釋，縱軸表示能量，橫軸長度沒有意義。如果導(dǎo)帶EC上的電子躍遷到價(jià)帶EV上，就會(huì)將其間的能量差（也稱能帶差）以光的形式放出，光子的頻率與能帶差的關(guān)系為（）或者 （）式中為普朗克常數(shù)（h＝6.625×10－34J·s）,為光速，的單位是電子伏特（），的單位為微米（）。我們可以通過控制半導(dǎo)體材料的成份來改變能帶差，從而改變其發(fā)光波長。半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED的工作正是基于電子從高能帶躍遷到低能帶將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿臋C(jī)理。把電流注入到半導(dǎo)體中的PN結(jié)上，則原子中占據(jù)低能帶的電子被激勵(lì)到高能帶后，再躍遷到低能帶上，它們將自發(fā)輻射出光子，如圖（a）所示。導(dǎo)帶能帶價(jià)帶能帶禁帶光子電子ECEV能量hν第九頁，共七十二頁，2022年，8月28日高能帶中的電子實(shí)際上處于不同的能級(jí)，不可能都恰好帶有相同的能量，當(dāng)它們自發(fā)輻射到低能帶的不同能級(jí)上時(shí)，根據(jù)（）式可知，這些光波的頻率并不完全一樣。另外這些光波還具有不同的相位和偏振方向，因此自發(fā)輻射光是一種非相干光，即不是單一頻率、相位和偏振方向相同的光。低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入光Eg

光檢測器的工作過程則與LED相反，如果把能量大于的光照射到半導(dǎo)體材料上，則處于低能帶的電子吸收該能量后被激勵(lì)而躍遷到高能帶上，我們可以通過在半導(dǎo)體PN結(jié)上外加電場，將處于高能帶的電子取出，從而使光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，如圖（b）所示。第十頁，共七十二頁，2022年，8月28日低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入光Eg（a）光的自發(fā)輻射（發(fā)光二極管）（b）光的吸收（光檢測器）低能帶高能帶EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν輸入光hν輸出光（c）光的受激發(fā)射（激光二極管）圖1.1.5半導(dǎo)體中光的自發(fā)輻射、受激發(fā)射和吸收第十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日激光二極管LD的工作機(jī)理為受激發(fā)射，即在入射光的激發(fā)下，產(chǎn)生與入射光頻率、相位、偏振方向及傳播方向一樣的發(fā)射光，當(dāng)然，后者的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，見圖（c）。要實(shí)現(xiàn)受激發(fā)射需要兩個(gè)條件：一是高能帶上的電子密度要大于低能帶上的電子密度，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可采用通過向半導(dǎo)體激光二極管注入正向電流的方式來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；二是半導(dǎo)體激光器中必須存在光子諧振腔，并在諧振腔里建立起確定的振蕩，從而得到單色性和方向性好的激光輸出。第十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.1.3光纖通信的優(yōu)勢

光纖通信與其它通信手段的主要區(qū)別有兩點(diǎn)，一是載波頻率很高；二是用光纖作為傳輸介質(zhì)，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.信道帶寬極寬，傳輸容量大

隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的發(fā)展，人們對通信的依賴程度越來越高，對通信系統(tǒng)運(yùn)載信息能力的要求也日趨增強(qiáng)，有線通信從明線發(fā)展到電纜，無線通信從短波發(fā)展到微波和毫米波，都是試圖通過提高載波頻率來提高信道容量，而光纖中傳輸?shù)墓獠ㄊ瞧駷橹故褂妙l率最高的載波，其傳輸容量無疑是最高的。

限于器件等技術(shù)因素的制約，目前光纖通信應(yīng)有通信能力并沒有完全發(fā)揮出來。例如，理論上一個(gè)光纖可以同時(shí)傳輸近100億路電話和1000萬路電視節(jié)目，而實(shí)用水平為每對光纖傳輸48萬多路電話信號(hào)。

在實(shí)際使用中，常使用組合光纖數(shù)不等的光纜，加之一些新技術(shù)的應(yīng)用，如密集波分復(fù)用技術(shù)，其傳輸容量可以滿足任何條件下信息傳輸?shù)男枰?/p>

第十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日2.中繼距離長

所謂中繼距離是指傳輸線路上不加放大器時(shí)信號(hào)所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x。當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí)，由于傳輸線的損耗會(huì)使信號(hào)不斷衰減，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越長，其衰減程度就越多，當(dāng)信號(hào)衰減到一定程度后，對方就收不到信號(hào)。為了延長通信的距離往往要在傳輸線路上設(shè)置一些放大器，也稱為中繼器，將衰減了的信號(hào)放大后再繼續(xù)傳輸，顯然，中繼器越多，傳輸線的成本就越高，通信的可靠性也會(huì)降低，若某一中繼器出現(xiàn)故障，就會(huì)影響全線的通信。

在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳輸線路的損耗是要考慮的基本因素，表1.1列出了電纜和光纖每千米傳輸損耗，可見，光纖的傳輸損耗較之電纜要小很多，所以能實(shí)現(xiàn)很長的中繼距離，在1550nm波長區(qū)，光纖的衰減系統(tǒng)可低至0.2dB/km，它對降低通信成本，提高通信的可靠性及穩(wěn)定性具有特別重大的意義。目前，光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離可達(dá)200多公里，而同軸電纜系統(tǒng)的最大中繼距離僅為6公里。第十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日第十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日3.抗干擾

干擾是影響通信質(zhì)量的重要原因，對通信系統(tǒng)形成干擾的干擾源很多，有天然干擾源，如雷電、電離層的變化和太陽黑子活動(dòng)等；有工業(yè)干擾源，如電動(dòng)機(jī)和高壓電力線；還有無線通信的相互干擾等，干擾對通信系統(tǒng)的影響是通過干擾信號(hào)頻譜落在通信系統(tǒng)工作頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生的，為了降低干擾的影響，人們采取了數(shù)字通信、差錯(cuò)控制編碼等措施，但并不能完全消除干擾對通信指標(biāo)的劣化。而光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)特定的頻率范圍，使它不易受各種電磁干擾的影響。同時(shí)光纖是由高純度的二氧化硅材料制成的，不導(dǎo)電，也無電感效應(yīng)，所以光纖通信系統(tǒng)可以從根本上解決多年來困擾人們的干擾問題。

4.保密性好

保密性好是通信系統(tǒng)又一重要要求。保密要求已從國家政治、軍事、經(jīng)濟(jì)情報(bào)范疇擴(kuò)展到企業(yè)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)乃至個(gè)人通信領(lǐng)域。對信息的竊取通常有三個(gè)途徑：一是直接接入式竊聽；二是竊聽計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備輻射的電磁場；三是竊聽電纜源輻射的電磁場。對于第一種竊聽可以采取保密口令，信息加密等技術(shù)；對于第二種竊聽可以采取加強(qiáng)電磁屏蔽措施，但電纜系統(tǒng)的完全屏蔽通常是比較困難的，現(xiàn)代偵聽技術(shù)已能做到在離同軸電纜幾千米的地方竊聽電纜中傳輸?shù)男盘?hào)。但光波在光纖中傳輸，不易泄漏出來，難于用傳統(tǒng)的方法竊聽其中的信息，同時(shí)，它也不會(huì)干擾其它通訊設(shè)備的正常工作。

第十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日5.節(jié)約有色金屬

光纖的主要原材料是來源豐富的二氧化硅。據(jù)測量，從上海至北京鋪設(shè)一條電纜線路需要用銅800噸，鉛300噸。如果用光纖代替銅、鉛等有色金屬。在保持同樣的傳輸容量下，僅需要10公斤石英。因此，光纖通信技術(shù)的推廣將節(jié)約大量的金屬材料，具有合理使用地球資源的意義。

除上述列舉的優(yōu)勢外，光纖還具有線徑細(xì)、重量輕、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。光纜的直徑很小，144芯光纜橫截面直徑不到18毫米，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為47毫米，利用光纖這個(gè)特點(diǎn)可以解決地下管道擁擠問題。由于光纖的重量輕，它被應(yīng)用于飛機(jī)制造上，不但降低了通信設(shè)備的成本和飛機(jī)制造的成本，而且提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力和飛機(jī)設(shè)計(jì)的靈活性。

由于光纖通信的諸多許多優(yōu)點(diǎn)，除了在公用通信和專用通信中使用外，它還在其它許多領(lǐng)域，如測量、傳感、自動(dòng)控制及醫(yī)療衛(wèi)生等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

光纖本身也存在一些缺陷。光纖在生產(chǎn)過程中光纖表面存在微裂紋，從而使光纖的抗拉強(qiáng)度低；光纖的連接必須使用專門的工具和儀表，光分路、耦合不是十分方便，光纖彎曲半徑不能太小等，這些缺陷的影響在實(shí)際工程和維護(hù)工作中都可以避免或解決。第十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.2光纖通信系統(tǒng)的基本單元

在上節(jié)中，我們已經(jīng)對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成作了初步介紹。光纖通信系統(tǒng)的基本單元是由光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)三部分構(gòu)成的，這節(jié)進(jìn)一步討論這三部分的功能。

1.2.1光發(fā)射機(jī)

1.光源及其調(diào)制方式

如前所述，光發(fā)射機(jī)由將帶有信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置和將光信號(hào)送入光纖的傳輸裝置組成，而光源是光發(fā)射機(jī)的核心部件。目前光纖通信系統(tǒng)中常用的光源有發(fā)光二極管LED和激光器LD兩種，這兩種器件都是用半導(dǎo)體材料制成，其主要參數(shù)和性能的比較如表1.2所示。第十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日光纖通信系統(tǒng)中對光源的要求有以下幾個(gè)方面：

（1）光源發(fā)射的峰值波長必須位于光纖低損耗窗口之內(nèi)，即為850nm，1310nm和1550nm。

（2）輸出的光功率要足夠高并且穩(wěn)定。

（3）電光轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動(dòng)功率低，壽命長，可靠性高。

（4）單色性和方向性好，以減小光纖材料色散效應(yīng)，提高光源和光纖的耦合效率。

（5）調(diào)制特性好，響應(yīng)速度快，以利于高速率、大容量數(shù)字信號(hào)的傳輸。

（6）輸出特性（功率與電流的特性曲線）的線性度較高，減小模擬調(diào)制時(shí)的非線性失真。

圖示出了LED和LD的外形圖和其輸出特性。對于LD而言，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流由零開始增加時(shí)，輸出功率增加并不多，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流大于閾值Ith后，輸出光功率才明顯增加。隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，輸出光功率的增加很快。對于LED而言，其輸出特性基本呈線性。第十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日IF(mA)P(mW)(a)LED外形圖和輸出特性IF(mA)P(mW)(b)LD外形圖和輸出特性圖1.2.1光源的外形和特性第二十頁，共七十二頁，2022年，8月28日輸入到光發(fā)射機(jī)的電信號(hào)要轉(zhuǎn)換成適合驅(qū)動(dòng)光源的電流信號(hào)后，才能加到光源上。電流信號(hào)可以是模擬信號(hào)（如有線電視系統(tǒng)中使用的視頻信號(hào)），也可以是數(shù)字信號(hào)（如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)），由于光源輸出的光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系可知，當(dāng)輸入信號(hào)是模擬信號(hào)時(shí)，選擇合適的工作點(diǎn)，可以得到變化規(guī)律相同的光功率信號(hào)。顯然，輸出特性的線性度越高，電光轉(zhuǎn)換時(shí)的失真就越小。圖1.2.2(a)示出了模擬信號(hào)對光源調(diào)制的工作過程，圖(b)為數(shù)字信號(hào)對光源調(diào)制過程。P(mW)IF(mA)IbIth輸出光信號(hào)輸入電流信號(hào)P(mW)IF(mA)輸出光信號(hào)輸入電流信號(hào)Ith（a）模擬電流信號(hào)對激光器的調(diào)制（b）數(shù)字電流信號(hào)對激光器的調(diào)制圖1.2.2電信號(hào)對光源的調(diào)制過程第二十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日在此需要說明消光比的概念。消光比（ExtinctionRatio）是分別代表邏輯1和邏輯0的最大功率和最小功率之比，通常以dB為單位來衡量,它是數(shù)字傳輸時(shí)光源的一項(xiàng)重要參數(shù)。作為一個(gè)調(diào)制好的光源希望全0碼時(shí)沒有光功率輸出,否則它將使光纖系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲,造成接收機(jī)靈敏度降低。需要說明的是，我國對消光比的傳統(tǒng)定義與上述剛好相反。

電信號(hào)對光源的調(diào)制從方式來分有兩種方式：一種稱為直接強(qiáng)度調(diào)制（IntensityModulation）如圖表明的那樣，即用電信號(hào)對光源的注入電流進(jìn)行調(diào)制，然后使輸出光波的強(qiáng)度隨調(diào)制信號(hào)而變化。圖（a）為直接強(qiáng)度調(diào)制機(jī)原理框圖。直接調(diào)制光載波的方式用得比較多，但由于它本質(zhì)上是電領(lǐng)域的調(diào)試方式，所以受激光二極管調(diào)制特性的限制。當(dāng)光纖通信向著大容量高速化方向發(fā)展時(shí)，半導(dǎo)體光源本身的調(diào)制特性滿足不了要求，則需要采用另一種調(diào)制方式---外調(diào)制方式來達(dá)到目的。圖（b）示出了使用外調(diào)制器的光信號(hào)調(diào)制原理圖。調(diào)制光源輸入電信號(hào)輸出光信號(hào)電流光源調(diào)制器光信號(hào)（已加載信息）光信號(hào)（未加載信息）輸入電信號(hào)（a）直接調(diào)制（b）外調(diào)制圖1.2.3直接調(diào)制與外調(diào)制第二十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日外調(diào)制器是利用晶體的電光、磁光和聲光等效應(yīng)對光輻射進(jìn)行調(diào)制，即在光源光輻射產(chǎn)生后再加載調(diào)制信號(hào)，外調(diào)制器放置在光源輸出端的光路上，在調(diào)制器上加調(diào)制電壓后，使激光器輸出的連續(xù)波，通過調(diào)制器轉(zhuǎn)換成一個(gè)隨時(shí)間變化的光輸出信號(hào)。

目前在光纖通信系統(tǒng)使用的外調(diào)制器通常是鈮酸鋰（LiNbO3）電光調(diào)制器，它采用了一個(gè)集成光學(xué)馬赫---曾特（Mach－Zehnder）構(gòu)成，簡稱為M－Z調(diào)制器，圖示出了一種雙電極驅(qū)動(dòng)構(gòu)成的鈮酸鋰光調(diào)制器的電光路框圖。數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)器緩沖器緩沖器激光器組件輸出光保偏光纖LiNbO3調(diào)制器自動(dòng)偏置控制電路圖1.2.4雙電極驅(qū)動(dòng)的LiNbO3光調(diào)制器的電光路框圖第二十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日2.光發(fā)射機(jī)的輔助電路

除光源外，光發(fā)射機(jī)還有與之匹配的直流偏置驅(qū)動(dòng)電路，阻抗匹配電路，防止光從光纖返回的光隔離器，監(jiān)視光源發(fā)射功率的監(jiān)視光電二極管，自動(dòng)功率控制電路和使光源恒溫工作的溫度控制系統(tǒng)。下面對其中主要部件的功能作簡單的介紹。

（1）驅(qū)動(dòng)電路。對于直接強(qiáng)度調(diào)制的光源，必須給它提供恒定偏置電流和已調(diào)制的信號(hào)，它才能正常工作。這個(gè)功能是由驅(qū)動(dòng)電路完成的。一般來說，驅(qū)動(dòng)電路是一種電流開關(guān)電路。對它的基本要求是：既要有快的開關(guān)速度，又要保持良好的電流脈沖波形，另外，還得考慮其溫度系數(shù)。因?yàn)榄h(huán)境溫度的波動(dòng)會(huì)引起供給電流的波動(dòng)，所以現(xiàn)在幾乎所有高性能的激光二極管都已采用具有可調(diào)節(jié)電流和溫控裝置的電路。

（2）自動(dòng)功率控制電路APC（AutomaticPowerControl）。激光二極管恒定的光輸出功率對保證通信系統(tǒng)的正常工作有著至關(guān)重要的意義。而事實(shí)上，激光二極管的閾值電流容易隨溫度和器件的老化而變化，從而引起輸出光功率的變化，所以必須配置自動(dòng)功率控制電路。通過設(shè)置在激光二極管后出光面的光電二極管對輸出光的強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測。光電二極管的輸出被反饋給驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)光輸出功率下降時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流增加，反之則減小，始終保持輸出光功率為一恒定值。

第二十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日（3）自動(dòng)溫度控制電路ATC(AutomaticTemperatureControl)。激光二極管的許多關(guān)鍵因素（波長、閾值電流、效率、P－I特性、斜率等）都與二極管的結(jié)溫有著密切的關(guān)系，比如，對于1550nm器件，每增加攝氏1度，頻率變化13GHZ。工作溫度還與激光二極管的壽命密切相關(guān)。據(jù)估算，每30℃的溫升會(huì)使其壽命降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，期望激光二極管工作時(shí)有盡可能低的和穩(wěn)定的溫度。

帕爾帖（Peltier）溫控裝置是常用的一種激光二極管溫度控制部件。它利用半導(dǎo)體材料的帕爾帖效應(yīng)制成。P型和N型兩種不同的半導(dǎo)體組成電偶，當(dāng)直流電流通過時(shí)，一端吸收熱量而另一端放出熱量，這種效應(yīng)就稱之為帕爾帖效應(yīng)，可見帕爾帖溫控組件是一種轉(zhuǎn)移熱的熱電半導(dǎo)體器件，也稱熱電制冷器。它的散熱方向取決于電流流動(dòng)的方向，通常，由反饋回路中的溫度傳感器（熱敏電阻）控制供給溫控裝置組件電流的大小和極性。自動(dòng)溫度控制電路可使激光二極管的結(jié)溫變化控制在0.1℃的范圍內(nèi)。

（4）光隔離器。

光隔離器的作用是保護(hù)光源的激活區(qū)免受回射光的影響。實(shí)際上，當(dāng)激光入射到光纖的端面時(shí)，其中的一部分將被反射回光源處。此外，連接器和機(jī)械接頭也會(huì)將光反射回激光二極管。而光源（特別是激光二極管）對這一反射光是十分敏感的，它會(huì)增加LD的相對強(qiáng)度噪聲（光源的一項(xiàng)噪聲指標(biāo)），從而影響整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。

第二十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日現(xiàn)在，人們已經(jīng)將激光二極管、監(jiān)視光電二極管、光隔離器、熱電制冷器、溫度傳感器、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、自動(dòng)溫度控制電路、自動(dòng)功率控制電路、尾纖等制成為光發(fā)射模塊，集成在一個(gè)管殼內(nèi)并組成光發(fā)射功能的器件，這樣器件功能更加完善，性能也更加優(yōu)異，用戶使用更加方便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡便。所以說，器件的模塊化已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢。圖為其功能框圖。圖為某光發(fā)射模塊的實(shí)物圖。使不能工作驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)DFB-LD監(jiān)測PD光纖光隔離器激光器偏置監(jiān)測APC電路ATC電路熱電致冷器熱敏電阻器背面監(jiān)測光輸出告警激光器溫度監(jiān)測圖1.2.5光發(fā)射模塊功能框圖圖1.2.6光發(fā)射模塊實(shí)物圖第二十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.2.2光纖

1.光纖結(jié)構(gòu)光纖是通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)，是由兩種不同折射率的石英玻璃（SiO2）在高溫下拉制而成的?；窘Y(jié)構(gòu)如圖所示，內(nèi)層為纖芯，作用是傳輸光信號(hào)，外層為包層，作用是使光信號(hào)盡可能封閉在纖芯中傳輸，為了將信號(hào)限制在纖芯中，必須在纖芯和包層的界面實(shí)現(xiàn)圖1.2.7 階躍型光纖的基本結(jié)構(gòu)光的全內(nèi)反射，參見圖，為此要求纖芯的折射率比包層的折射率略大，在纖芯中摻入極少量的雜質(zhì)（如GeO2）可達(dá)到這個(gè)目的。纖芯n150μm125μmαCθC第二十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日設(shè)全反射的臨界入射角為，則由光學(xué)計(jì)算公式可知

（）

式中n1，n2分別為纖芯和包層的折射率。圖中稱為臨界傳播角，它是光線發(fā)生全反射時(shí)與光纖縱向軸線之間的夾角。

）

要保證光線在光纖內(nèi)全反射，必須有傳播角

（）

例：某種光纖的纖芯和包層的折射率分別為1.48和1.46，求臨界傳播角。

由（）式可知

按照傳送光的模式的不同，光纖分為單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑大約幾個(gè)微米，主要傳送1550nm波長的光，多模光纖的纖芯直徑為一般為幾十微米，常用來傳送850nm波長的光。單模光纖和多模光纖的包層直徑一般都為125μm。

第二十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日2.光纜

僅有纖芯和包層的光纖稱為裸光纖，它的強(qiáng)度較差，柔韌性無法達(dá)到使用的要求。在光纖制造過程中，裸纖從高溫爐拉出后，立即要經(jīng)過涂覆層流水線進(jìn)行涂覆。涂覆層的主要成分是環(huán)氧樹脂和硅橡膠分子材料。它具有如下的功能

（1）吸附性好。與裸光纖保持堅(jiān)固的接觸。

（2）可剝離性。在光纖的連接中希望剝離力小，以利于安裝操作。

（3）柔韌性?？梢员Ｗo(hù)光纖免受任何外部損傷。

（4）抗潮性。涂覆層可以保護(hù)光纖免受濕氣，從而延緩光纖的老化，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

（5）溫度系數(shù)與裸光纖一致性。涂覆層的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與裸光纖的熱膨脹系數(shù)保持一致，否則，將會(huì)導(dǎo)致其對光纖的壓力發(fā)生變化，造成光纖的微彎和較大的衰減。

涂覆層有單層和雙層之分，在雙層結(jié)構(gòu)中，內(nèi)層為軟涂敷層，它提供較好的粘貼度和光纖襯墊。硬外層保護(hù)光纖以適用于多種環(huán)境及磨損。涂覆層的外徑在245～900um之間。

經(jīng)過一兩次涂覆（套塑）的光纖雖然具有一定的抗拉強(qiáng)度，但還是比較脆弱，經(jīng)不起彎曲、扭曲和側(cè)壓的作用，無法投入實(shí)際應(yīng)用。為了能使光纖用于多種環(huán)境條件下，便于敷設(shè)施工，必須將光纖制成光纜。圖為光纜實(shí)物圖。第二十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖1.2.9光纜實(shí)物圖第三十頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.2.3光接收機(jī)光接收機(jī)的主要作用是將接收到的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，放大并處理，恢復(fù)為原來的形式。光接收機(jī)由光電檢測器、放大器和相關(guān)電路組成。根據(jù)應(yīng)用不同，光接收機(jī)又分為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)。圖示出了模擬系統(tǒng)光接收機(jī)的組成，RF表示模擬射頻信號(hào)，其中光電檢測器PD(photodiode)是光接收機(jī)的核心，它的工作機(jī)理基于我們前面介紹的半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，光電檢測器可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)。目前廣泛使用的光電檢測器有兩種：本征型光電二極管（簡稱PIN管）和雪崩型光電二極管（簡稱APD）。PIN光電二極管無放大能力，主要用于要求簡單，性能不高的短距離通信系統(tǒng)，價(jià)格較為便宜。與PIN管比較起來，APD具有內(nèi)部增益高、響應(yīng)速度快、光電轉(zhuǎn)換效率高、光生電流大等特點(diǎn)，因此主要用于要求性能好、有高靈敏度的中長距離光纖通信系統(tǒng)中。對光檢測器的主要要求是：高靈敏度，低噪聲，響應(yīng)速度快，足夠的帶寬，對溫度變化不敏感等。第三十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日直流偏置組件PD連接器阻抗匹配RF電信號(hào)輸出放大器光信號(hào)輸入圖模擬光接收機(jī)的主要組成部分第三十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日對于光纖數(shù)字傳輸鏈路而言，由光發(fā)射機(jī)發(fā)出的光脈沖信號(hào)在沿著光纖傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生衰減和失真，到達(dá)接收機(jī)經(jīng)光檢測器產(chǎn)生電流信號(hào)，經(jīng)過放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，還要用濾波器對失真的波形進(jìn)行補(bǔ)償，消除碼間干擾并減小噪聲影響，最后要用判決再生電路將濾波器的輸出電壓與閾值進(jìn)行比較，再生出只有兩個(gè)電平的數(shù)字信號(hào)，圖為數(shù)字信號(hào)在光纖鏈路上傳輸?shù)氖疽鈭D。光源輸入電脈沖光檢測器放大器和濾波器判決再生輸出光脈沖光纖輸入光脈沖電流脈沖輸出電脈沖光接收機(jī)圖數(shù)字信號(hào)在光纖鏈路上的傳輸?shù)谌?，共七十二頁?022年，8月28日將PD管、前置放大器、阻抗匹配和電路狀態(tài)監(jiān)視/警示電路以及若干光學(xué)元件集成在一個(gè)管殼內(nèi)可制成光接收模塊，圖1.2.12示出了光CATV接收模塊的實(shí)物圖。圖1.2.12光CATV接收模塊第三十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日光接收機(jī)的主要指標(biāo)是靈敏度，它是指在滿足給定誤碼率或信噪比條件下，接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力，工程上常用最低平均光功率來描述，靈敏度表示為 （）式中，的單位為，的單位為mW。光接收機(jī)的另一指標(biāo)是動(dòng)態(tài)范圍，它是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)要求下，接收機(jī)的最低光功率和最大允許光功率之比

(1.2.5) D的單位為dB。第三十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.2.4光放大器光信號(hào)沿光纖傳輸一定距離后，會(huì)因?yàn)楣饫w的衰減特性而減弱，從而使傳輸距離受到限制。通常，對于多模光纖，無中繼距離約為20多公里，對于單模光纖，不到80公里。為了使信號(hào)傳送的距離更大，就必須增強(qiáng)光信號(hào)。光纖通信早期使用的是光－電－光再生中繼器，需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、電放大、再定時(shí)脈沖整形及電光轉(zhuǎn)換，這種中繼器適用于中等速率和單波長的傳輸系統(tǒng)。對于高速、多波長應(yīng)用場合，則中繼的設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用昂貴。在光纖網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)有許多光發(fā)送器以不同比特率和不同格式將光發(fā)送到許多接收器時(shí)，無法使用傳統(tǒng)中繼器，因此產(chǎn)生了對光放大器的需要。經(jīng)過多年的探索，科學(xué)家們已經(jīng)研制出多種光放大器。光放大器的作用如圖所示。與傳統(tǒng)中繼器比較起來，它具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢，第一，它可以對任何比特率和格式的信號(hào)都加以放大，這種屬性稱之為光放大器對任何比特率和信號(hào)格式是透明的。第二，它不只是對單個(gè)信號(hào)波長，而是在一定波長范圍內(nèi)對若干個(gè)信號(hào)都可以放大。圖1.2.13光放大器的作用輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)光纖光纖光放大器第三十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日光放大器是基于受激輻射機(jī)理來實(shí)現(xiàn)入射光功率放大的，工作原理如圖所示。圖光放大器的原理隔離器輸入光激活介質(zhì)泵浦源隔離器輸出光第三十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖中的激活介質(zhì)為一種稀土摻雜光纖，它吸收了泵浦源提供的能量，使電子跳到高能級(jí)上，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)光子通過受激輻射過程觸發(fā)這些已經(jīng)激活的電子，使躍遷到較低的能級(jí)，從而產(chǎn)生一個(gè)放大信號(hào)。泵浦源是具有一定波長的光能量源，以目前使用較為普及的摻鉺光纖放大器來說，其泵浦光源的波長有1480nm和980nm兩種，激活介質(zhì)則為摻鉺光纖。圖示出了摻鉺光纖放大器中摻鉺光纖（EDF）長度、泵浦光強(qiáng)度與信號(hào)光強(qiáng)度之間的關(guān)系。由圖可知，泵浦光能量入射到摻鉺光纖中后，將能量沿光纖逐漸轉(zhuǎn)移到信號(hào)上，也即對信號(hào)光進(jìn)行放大。當(dāng)沿?fù)姐s光纖傳輸?shù)侥骋稽c(diǎn)時(shí)，可以得到最大信號(hào)光輸出。所以對摻鉺光纖放大器而言，有一個(gè)最佳長度，這個(gè)長度大約在20－40米。而1480nm泵浦光的功率為數(shù)十毫瓦。圖摻鉺光纖中泵浦光功率與信號(hào)光功率之間的轉(zhuǎn)換包層信號(hào)光1550nm泵浦光1480nm或980nmEDF信號(hào)光泵浦光摻鉺光纖長度最佳長度光強(qiáng)第三十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日需要指出的是，在圖關(guān)于光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成中，再生中繼器與光放大器的作用是不同的，我們用圖來說明。再生中繼器可產(chǎn)生表示原有信息的新信號(hào)，消除脈沖信號(hào)傳輸后的展寬，將脈沖調(diào)整到原來水平，從這個(gè)意義上講，光放大器并不能代替再生中繼器。光放大器存在著噪聲積累，而且不能消除色散對脈沖展寬。當(dāng)信號(hào)的傳輸距離在500公里到800公里之間時(shí)，可采用光放大器來補(bǔ)償信號(hào)的衰減，當(dāng)超過這個(gè)距離時(shí)，再生中繼器則是必不可少的。圖再生中繼器再生中繼器再生中繼器光信號(hào)輸入光信號(hào)輸出光電轉(zhuǎn)換電光轉(zhuǎn)換判決電路第三十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日對光纖放大器的主要要求是：高增益，低噪聲，高的輸出光功率，低的非線性失真，圖1.2.17示出了摻鉺光纖放大器的實(shí)物圖。圖1.2.17摻鉺光纖放大器第四十頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.3光纖通信的基本問題衰減和色散是因光纖特性而導(dǎo)致的光纖通信系統(tǒng)的基本問題，在傳輸光信號(hào)功率較時(shí)，光纖的非線性效應(yīng)影響則不能忽略。1.3.1衰減這里的衰減指的是光信號(hào)功率在光纖傳輸過程中的損耗，它是由光纖特性決定的，也稱為光纖衰減。光纖衰減是光纖最重要的特性之一，它在很大程度上決定了在無需信號(hào)放大和再生的條件下，光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)之間所允許的最大距離。由于光放大器、光中繼器的制造、安裝及維護(hù)費(fèi)用較高，光纖衰減成為整個(gè)系統(tǒng)成本的決定性因素之一。1.衰減的表示我們把光纖衰減的特性用衰減系數(shù)，光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)，其功率P隨著傳輸距離的增加按指數(shù)形式衰減 （）設(shè)起始處（z=0）的信號(hào)光功率為P(0)，則在光纖中經(jīng)過距離z的傳播后，其值為

(1.3.2)衰減系數(shù) （）單位為km-1通常，工程用dB/km作為光纖衰減的單位，有 （）以后如不加以說明，均以（）式的單位dB/km作為光纖衰減的單位。第四十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日例1.3.1一根光纖長20km，衰減為0.5dB/km，一端注入功率為600μW的光信號(hào)，求其輸出光功率。解：在光通信系統(tǒng)中，經(jīng)常用dBm表示發(fā)射光功率，接收光功率，它是在1mW為基準(zhǔn)的光功率相對量的單位，用下式計(jì)算：

（）式中的P0單位為毫瓦（mW）。顯然1mW為0dBm，1μW為-30dBm。首先利用（）式將輸入光功率單位轉(zhuǎn)換為dBm，有再由（）式，可得到在z=20km時(shí)的輸出功率（用dBm表示）換回到以瓦表示的單位。因?yàn)?，是以mW為單位的量

第四十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日2.衰減的原因光纖衰減的原因有散射損耗、吸收損耗和彎曲損耗等，下面分別介紹。（1）散射損耗散射損耗是由于光纖材料密度的微觀變化、成分的起伏、結(jié)構(gòu)上的不完善以及制造過程中產(chǎn)生的缺陷造成的。光在不均勻的介質(zhì)中傳播將被散射，散射效應(yīng)破壞了在纖芯包層邊界保持全反射的條件，部分光會(huì)穿出纖芯，造成功率損耗。這種散射也稱為瑞利散射。它與波長的四次方成反比，在為1550nm時(shí)，瑞利散射損耗為0.154dB/km。（2）吸收損耗在光纖制造過程，光纖中的氧與氫相結(jié)合會(huì)形成OH離子時(shí)，會(huì)對1390nm和940nm的光造成大量的吸收，見圖，它基于我們在第一節(jié)中討論的光的吸收機(jī)理。為了降低光纖的吸收損耗，已經(jīng)研制出全波長光纖，它可在1200nm～1650nm范圍內(nèi)將損耗做得很低。OH離子也可以是因?yàn)闅錃膺M(jìn)入光纖內(nèi)部形成的，在含有很多氫氣的環(huán)境中使用光纖，或者光纜的金屬部分在水中因腐蝕產(chǎn)生氫氣時(shí)，有可能出現(xiàn)光纖損耗大量增加的現(xiàn)象。我們將OH離子引起的衰減稱為雜質(zhì)吸收損耗。除此之外，還有光纖石英材料（SiO2）固有的吸收，稱之為內(nèi)部吸收。當(dāng)波長大于2μm時(shí)，石英材料會(huì)產(chǎn)生諧振吸收光能，吸收帶延伸到1500nm～1700nm波段，形成了光纖工作波長的上限。常用的石英光纖，內(nèi)部吸收損耗在1550nm時(shí)，約為0.02dB/km，但當(dāng)波長為1700nm時(shí)，損耗增至0.32dB/km，所以將1650nm看作為石英光纖工作波長的上限。第四十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日(3)彎曲損耗由于光纖的敷設(shè)中，不可避免地會(huì)遇到需要彎曲的場所，光線從光纖的平直部分進(jìn)入彎曲部位時(shí)，原來的束縛光線在彎曲部位的入射角減小，使得光纖纖芯和包層界面上的全反射條件遇到破壞，光束的一部分就從光纖的纖芯中逃離出去，造成到達(dá)目地的光功率比從光源發(fā)出的進(jìn)入光纖時(shí)的光功率小，這就是彎曲損耗，如圖所示。θC包層纖芯第四十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日彎曲損耗是光信息傳輸所受衰減的主要原因之一，它與光纖敷設(shè)的彎曲半徑有關(guān)，最小彎曲半徑常作為光纖的一項(xiàng)參數(shù)給出。關(guān)于最小彎曲半徑的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是，對于長期應(yīng)用，彎曲半徑應(yīng)超出光纖包層直徑的150倍；對短期應(yīng)用，應(yīng)超過包層直徑的100倍。如果包層直徑為125μm的話，這兩個(gè)數(shù)值分別19mm和13mm。彎曲損耗的另一種形式是微彎損耗，它是由光纖受到側(cè)向應(yīng)力而產(chǎn)生微小形變而引起的，同樣因不滿足全反射條件而造成能量的漏泄。利用光纖的彎曲損耗特性，可以在光纖鏈路上引入一些可控的衰減。在需要對光進(jìn)行可控衰減時(shí)，通過將光纖繞上幾圈就可以實(shí)現(xiàn)，所繞圈數(shù)和半徑均可控制衰減量。第四十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.3.2色散從現(xiàn)象上看，色散導(dǎo)致光纖中的光信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生失真并隨著傳輸距離的增加越來越嚴(yán)重。對數(shù)字傳輸而言，色散造成光脈沖的展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_，造成誤碼率增加；對模擬傳輸而言，它會(huì)限制帶寬，產(chǎn)生諧波失真，使得系統(tǒng)的信噪比下降。從理論上分析，色散是由于光波中的不同頻率分量以不同速度傳輸而產(chǎn)生不同的時(shí)間延遲的一種物理效應(yīng)。光纖色散主要包括模式色散、波導(dǎo)色散和材料色散。對于多模光纖，模式色散是主要的，材料色散較小，波導(dǎo)色散一般可以忽略；對于單模光纖，只有一個(gè)光模式在光纖中傳輸，所以不存在模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散，而且材料色散是主要的，波導(dǎo)色散相對較小。下面對這幾種色散加以分析。第四十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.模式色散在多模光纖中，纖芯的直徑比較大，光源入射到纖芯中的光以一組獨(dú)立的光線傳播，這組光線以不同的入射角傳播，入射角的范圍從零度（直線）到臨界傳播角，如圖，我們將這些不同傳播角傳輸?shù)墓饩€稱為不同的模式。在多模光纖中可以傳播數(shù)百個(gè)模式的光波，顯然，以臨界傳播角入射的光線經(jīng)歷的路程最長，所以它的軸向傳播速度最慢；而與光纖橫截面垂直入射的光線傳播速度最快。圖不同入射角的光線代表不同的模式纖芯光源包層第四十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日對于入射的光脈沖（在數(shù)字信號(hào)中表示1），它可以分解成各個(gè)模式所攜帶一組脈沖，如圖，由于它們各自在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)間不同，到光纖的輸出端，各個(gè)模式的光脈沖組合起來，就形成了一個(gè)脈寬增加的光脈沖。圖脈沖因多個(gè)模式而起的展寬---模式色散光源0纖芯包層1230123TT＋Δt第四十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日我們將因多個(gè)不同模式的存在而引起脈沖展寬稱為模式色散或模間色散。脈沖展寬的計(jì)算如下：設(shè)光纖的長度為L，最低模式（也稱為零級(jí)模式）沿中心軸線到達(dá)光纖輸出端所需時(shí)間為 （）式中，為光在折射率為n1的纖芯中傳輸?shù)乃俣?，c為真空中的光速傳輸，最高模式（以臨界角傳播的光線）所需時(shí)間

（）式中，C為臨界傳播角，。脈沖展寬時(shí)間

（）習(xí)慣上記 （）為相對折射率，公式（）可以表示為 （）很顯然，如果光纖中傳輸?shù)墓庵挥辛慵?jí)模式，就可以消除模間色散；如果減小纖芯直徑的尺寸，就可以減少模式數(shù)量；另外由（）式可知，減小相對折射率，也可以有效地控制模間色散，這些就是單模光纖設(shè)計(jì)的基本思路。典型的單模光纖的纖芯直徑和相對折射率分別是8.3μm和0.37%，而漸變折射率光纖這兩者的數(shù)值分別是50μm和2%。

第四十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日例1.3.2一階躍折射率光纖，已知n1＝1.486，n2＝1.472，僅考慮模式色散，計(jì)算每1km長度的脈沖展寬。解：利用（）式，光纖長度單位和光速單位分別取km和km/s，則有

即光脈沖傳輸1公里后寬度擴(kuò)展了47.1ns。第五十頁，共七十二頁，2022年，8月28日2.波導(dǎo)色散引起波導(dǎo)色散的原因是：進(jìn)入單模光纖中的光信號(hào)功率大約只有80%在纖芯中傳播，另外20%在包層傳輸，由于纖芯和包層有著不同的折射率，所以這兩部分的傳輸速度不同，在包層中傳播的光功率速度要更大一些，因而在光纖輸出端，脈沖會(huì)展寬。波導(dǎo)色散引起的單位長度脈沖展寬可由下式計(jì)算： （）式中是波導(dǎo)色散系數(shù)，單位為,它與光纖的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，為光源的線寬，即光源輻射光的波長范圍，L為光纖長度。第五十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日3.材料色散材料色散是由于纖芯材料的折射率隨波長變化，使得各個(gè)模式的群速率（光脈沖包絡(luò)線速度）都會(huì)隨著波長的變化而造成的。在單模光纖內(nèi)，即使光經(jīng)過完全相同的路徑，，也會(huì)發(fā)生脈沖的展寬，因?yàn)楣庠窗l(fā)出的光不是單一波長的，而是存在一定的波長范圍。材料色散的單位長度脈沖展寬可表示為 （）

波導(dǎo)色散和材料色散的總和稱為色度色散，圖為單模光纖的色散系數(shù)。圖單模光纖中波導(dǎo)色散和材料色散與波長的關(guān)系波長(μm)材料色散波導(dǎo)色散色度色散色散系數(shù)ps/(km·nm)1.11.21.31.41.51.61.7-30-20-100102030第五十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日第五十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.3.3非線性效應(yīng)在常規(guī)光纖系統(tǒng)中，光纖一般呈現(xiàn)線性傳輸?shù)奶匦?，但?dāng)入射到光纖中的光功率較大時(shí)，光纖對光的響應(yīng)將呈現(xiàn)非線性，光纖的參數(shù)不再是恒定的，而是依賴于光強(qiáng)的大小。光纖中的非線性效應(yīng)主要有自相位調(diào)制SPM（SelfPhaseModulation），受激喇曼散射SRS(StimulatedRamanScattering)，受激布里淵散射SBS(StimulatedBrillouinScattering)，交叉相位調(diào)制XPM(CrossPhaseModulation)和四波混頻FWM(FourWaveMixing)。1.自相位調(diào)制自相位調(diào)制是指當(dāng)輸入光信號(hào)的光強(qiáng)變化時(shí)，光纖的折射率隨之改變，從而引起光波的相位產(chǎn)生變化，與光纖的色散相位結(jié)合后，將導(dǎo)致光波頻譜展寬，并隨長度的增加而積累。SPM對高速窄脈沖的傳輸影響較大。2.交叉相位調(diào)制交叉相位調(diào)制是指當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)不同波長的光波在光纖中同時(shí)傳輸時(shí)，它們將通過光纖的非線性而相互影響，導(dǎo)致某個(gè)波長光信號(hào)的相位受到其它波長光信號(hào)功率的調(diào)制，引起信道間的串音。3.四波混頻四波混頻是指當(dāng)多個(gè)具有較強(qiáng)功率的光波信號(hào)在光纖中混合傳輸時(shí)，將導(dǎo)致產(chǎn)生新的波長成分，四波混頻不僅導(dǎo)致信道的光能損耗，信噪比下降，而且還會(huì)產(chǎn)生信道干擾，限制光纖通信系統(tǒng)的容量。第五十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日4.受激散射受激喇曼散射是指當(dāng)較強(qiáng)功率的光入射到光纖中時(shí)，會(huì)引起光纖材料中的分子振動(dòng)，對入射光產(chǎn)生散射作用，它可以造成波分復(fù)用系統(tǒng)中的短波長信道產(chǎn)生過大的信號(hào)衰減，從而限制了系統(tǒng)的信道數(shù)目。受激布里淵散射與受激喇曼散射相似，只不過強(qiáng)光入射到光纖中時(shí)引起的是聲子振動(dòng)，散射光方向與光傳輸方向相反。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到某一數(shù)值，將產(chǎn)生大量后向傳輸?shù)牟?，對光通信造成不良的影響。光纖中的非線性效應(yīng)，一方面可以引起傳輸信號(hào)的損耗、信道之間的串話、信號(hào)頻率的移動(dòng)等不良后果，另一方面又可以被利用來開發(fā)出新型器件，如激光器、放大器、調(diào)制器等，如四波混頻效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)波長變換，自相位調(diào)制與光纖色散相互作用可以形成光孤子，使光孤子通信成為可能。在光纖通信系統(tǒng)中，高輸出功率的激光器和低損耗單模光纖的使用，使得光纖中的非線性效應(yīng)越來越顯著，這是因?yàn)閱文９饫w中的光場主要束縛于很細(xì)的纖芯內(nèi)，場強(qiáng)非常大，低損耗又使得大的場強(qiáng)可以維持很長距離的緣故，對非線性效應(yīng)有足夠的重視。第五十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.4光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.4.1比特率和帶寬比特率和帶寬是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)的主要指標(biāo)。1.比特率比特率也稱為信息速率，是信道上每秒鐘內(nèi)所傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，單位為比特/秒，寫成b/s或bps，常用符號(hào)B表示。在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)的“1”、“0”用光脈沖的“有”、“無”來表示，因?yàn)楣饫w存在著色散效應(yīng)，光脈沖沿著光纖傳輸會(huì)慢慢展寬，兩個(gè)相鄰的光脈沖傳輸一定距離后會(huì)發(fā)生重疊，從而使接收端設(shè)備不能做出正確的判斷，如圖所示。圖光纖色散效應(yīng)形成的比特率限制光纖輸入光脈沖輸出光脈沖時(shí)間波形光脈沖展寬101111第五十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日假設(shè)輸入光脈沖是寬度為T矩形，到達(dá)接收端的延遲和展寬分別是τ和，為了將相鄰的兩個(gè)脈沖分辨出來，要求它們的間距不小于2，這就要求輸入光脈沖的間距也不小于2，見圖。于是得到最大比特率的計(jì)算式為（）圖1.4.2比特率與脈沖展寬(a)輸入光脈沖Tt2Δτ0光強(qiáng)(b)輸出光脈沖tτ0光強(qiáng)2ΔτΔτ第五十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日例1.4.1計(jì)算例中可傳輸光脈沖的最大比特率。解：假設(shè)輸入光脈沖的寬度T與模式色散產(chǎn)生的展寬相比可以忽略不計(jì)，則最大比特率光纖色散是比特率受限的主要原因。為了解決這個(gè)問題，研制出了多種類型的光纖和各種補(bǔ)償色散的技術(shù)，如漸變折射率光纖，色散補(bǔ)償光纖等。需要說明的是數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的比特率除了受光纖限制外，還受到一些關(guān)鍵器件的影響，如光源、光檢測器和光放大器等，人們一直也在致力于高速光電子器件的研制，以適應(yīng)高速光通信的發(fā)展。第五十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日2.帶寬帶寬是一個(gè)頻率范圍，在這個(gè)頻率范圍之內(nèi)，信號(hào)可以不失真地進(jìn)行傳輸，它反映了模擬傳輸系統(tǒng)運(yùn)載信息的能力。帶寬分為電帶寬和光帶寬兩種表述，如圖所示，它們分別用和表示。圖1.4.3模擬信號(hào)的帶寬1電帶寬Δfel頻率f(Hz)光帶寬Δfopt0.7070.5歸一化電流或功率第五十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.4.2傳輸距離這里討論的傳輸距離指的是中繼距離。光纖的衰減和色散是限制傳輸距離的兩大主要因素，而它們對傳輸距離影響程度與工作波長以及比特率有關(guān)，由圖可見，在短波窗口850nm波段，光纖存在著較大的損耗，大約為2dB/km，根據(jù)傳輸信息的比特率不同，中繼距離一般在10公里到30公里之間，在長波段窗口，尤其在1550nm波長處，光纖存在最低損耗，中繼距離最大可達(dá)200公里。僅考慮光纖損耗，光信號(hào)沿光纖傳輸?shù)淖畲缶嚯xL可用（）式計(jì)算，將它改寫為 （）式中為光纖的損耗，單位為dB/km,包括熔接和連接損耗，為光源最大平均輸出功率，為接收機(jī)探測器的最小平均接收光功率,兩者單位均為mW。第六十頁，共七十二頁，2022年，8月28日圖為只考慮光纖損耗的傳輸系統(tǒng)示意圖。圖中的接頭是用熔接機(jī)將光纖連接起來時(shí)形成的，因接頭引起的損耗LS對單模光纖來說可以做到小于0.1dB。連接器也是連接光纖的方式之一，它是用高精度結(jié)構(gòu)的機(jī)械，使光纖纖芯緊密接觸，光纖纖芯接觸得越緊，同心度越高，則連接損耗LC越小。單模光纖使用連接器相連時(shí)，連接損耗可以做到0.5dB以下。當(dāng)光纖系統(tǒng)的信息傳輸速率較高時(shí)，色散對傳輸距離起到主要的限制作用，圖示出了各種類型光纖的傳輸距離與傳輸速率之間的關(guān)系，圖中實(shí)線表示損耗對傳輸距離和比特率的限制，虛線表示受色散限制。各種光纖的意義將在第2章中作進(jìn)一步的介紹。LC連接器光發(fā)射機(jī)距離L(km)光接收機(jī)連接器接頭接頭PoutPrecLCLSLSdBm圖1.4.4光纖傳輸系統(tǒng)的損耗第六十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日500200④②①比特率B(Gb/s)距離(km)30①1550nm色散位移光纖②1550nm單模光纖③1310nm單模光纖④850nm多模漸變光纖⑤850nm多模階躍光纖③⑤0.01110100圖光纖的傳輸速率與傳輸距離的關(guān)系第六十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.4.3通信容量光纖通信系統(tǒng)的通信容量用比特率－距離積BL來表示，B為系統(tǒng)傳輸信息的比特速率，L則是中繼距離，單位是（Mbit/s）·km。通信容量也可以用帶寬－距離積來表示，單位是MHz·km。通信容量與光纖的類型、工作波長、以及使用的激光器類型等諸多因素有關(guān)。對于工作于850nm的階躍折射率多模光纖，比特率－距離積被限制在50（Mbit/s）·km左右，因此除了短距離傳輸?shù)牡退俾蕯?shù)據(jù)，一般都不采用階躍折射率多模光纖。工作于1550nm的色散位移光纖系統(tǒng)的BL積可達(dá)到1600（Gbit/s）·km。見圖。第六十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.5光纖通信技術(shù)的回顧和展望1.5.1回顧利用光載波遠(yuǎn)距離傳輸信道的設(shè)想在19世紀(jì)就被提了出來，但是因?yàn)楣庠春蛡鬏斀橘|(zhì)這兩個(gè)基本限制一直未得到發(fā)展。1966年，英籍華裔科學(xué)家高錕（CharlesKao）首次提出了光纖傳輸光信號(hào)的理論，他研究了光在石英玻璃中嚴(yán)重?fù)p耗的問題，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維的損耗不是固有的，而是由于其中含有過量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其它雜質(zhì)造成的，其次是拉制光纖時(shí)的工藝造成了纖芯、包層分界面的不均勻及其所引起的折射率不均勻。通過降低材料中的雜質(zhì)含量和改善工藝，可以使光纖成為實(shí)用的光傳輸介質(zhì)。隨后在1970年，康寧(Corning)公司研制出衰減為20dB/km的光纖。同年，貝爾（Bell）實(shí)驗(yàn)室研制成功室溫下可以連續(xù)工作的鋁鎵砷（AlGaAs）半導(dǎo)體激光器，它體積小，功耗低，效率高，是光纖通信中的理想光源。這兩項(xiàng)研究成果的出現(xiàn)，使得光纖通信開始得到了迅速發(fā)展。1977年在芝加哥相距7公里的兩個(gè)電信局之間進(jìn)行了數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)，使用的速率為44.736Mb/s，采用的光纖工作波長為850nm，衰減為2.54dB/km，光源采用鋁鎵砷半導(dǎo)體激光器，光電探測器采用硅材料制作，它成為第一代光纖通信的標(biāo)志。第一代光纖通信的特征是采用850nm的多模光纖，光纖損耗為2.5～3dB/km，傳輸速率為50～100Mb/s，中繼距離為8～10公里。大約在1980年，進(jìn)入了工作波長在1310nm、使用多模光纖傳輸?shù)牡诙饫w通信時(shí)代。該波段是石英光纖的第二個(gè)低損耗窗口，且有最低的色散，相應(yīng)的光源長波長銦鎵砷磷（InGaAsP）/銦磷（InP）半導(dǎo)體激光器，光電探測器采用鍺材料，傳輸速率為140Mb/s，中繼距離為20～50公里。第六十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日1983年實(shí)現(xiàn)了使用單模光纖在1310nm波長傳輸?shù)牡谌饫w通信。單模光纖較多模光纖色散低得多，損耗也更小，降至0.3～0.5dB/km，中繼距離為50～100公里，這一代光纖通信廣泛地應(yīng)用于長途干線和跨洋通信中，如日本，敷設(shè)了一條從北海道到?jīng)_繩島縱貫?zāi)媳钡墓饫|干線，全長3400公里，采用24芯單模光纖光纜，傳輸速率為400Mb/s。美國也從東西海岸各敷設(shè)了一條光纜干線，長度分別為600公里和270公里，芯數(shù)為144芯。后來在1985年，又敷設(shè)了2002公里的南北干線，增設(shè)了總長為5萬公里的光纜，把美國的22個(gè)州連接形成了長途光纜干線網(wǎng)。國際上第一條海底光纜于1986年在北海海底敷設(shè)，它連接了英格蘭和比利時(shí)。美國到歐洲的跨大西洋海底光纜在1988年敷設(shè)，長度為5600公里，到歐洲后分成兩個(gè)分支，一路經(jīng)500多公里到英國，另一路經(jīng)300多公里到法國，它的語音信道為80000路，為了補(bǔ)償信號(hào)衰減，沿光纜每隔50公里安裝了一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。第六十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日80年代后期，進(jìn)入了使用單模光纖在1550nm波段上傳輸?shù)牡谒拇饫w通信階段。1550nm是石英光纖的最低損耗窗口，為0.2dB/km，傳輸速率達(dá)2.5Gb/s，中繼距離為80～120公里。在這個(gè)時(shí)期，摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)成為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。1986年，英國南安普敦大學(xué)制作了最初的摻鉺光纖放大器。當(dāng)作為摻鉺光纖放大器的泵浦源，980nm和1480nm的大功率半導(dǎo)體激光器研制成功后，摻鉺光纖放大器趨于成熟，進(jìn)入了實(shí)用化階段。摻鉺光纖放大器研制成功的意義不僅在于可進(jìn)行全光中繼，它還多方面推動(dòng)了光纖通信的發(fā)展。尤其是在波分復(fù)用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，波分復(fù)用是將一根光纖分割成多個(gè)光信道，從而成為充分利用光纖帶寬，有效擴(kuò)展通信容量的一種光纖通