光纖通信課程論文

中南林業(yè)科技大學(xué)課程論文課程名稱：光纖通信姓名：葉東成學(xué)號(hào)：20104346專業(yè)班級(jí)：電子信息工程一班院（系）：計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：成績(jī)：簽名：年月日目錄光纖通信的發(fā)展、特點(diǎn)、工作波長(zhǎng)…………光纖通信的系統(tǒng)的組成………光纖的結(jié)構(gòu)和類型……………光纖的傳輸原理………………光纖的傳輸特性………………LP原理、功率特性、結(jié)構(gòu)……光檢測(cè)系統(tǒng)工作原理…………SDH組成………系統(tǒng)設(shè)計(jì)………光纖通信的發(fā)展、特點(diǎn)、工作波長(zhǎng)光纖通信的發(fā)展光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。光纖通信技術(shù)是近30年迅猛發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，給世界通信技術(shù)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防事業(yè)和人民生活帶來(lái)了巨大變革。為了使讀者對(duì)光纖通信的發(fā)展歷程有個(gè)基本了解，現(xiàn)將該技術(shù)的進(jìn)程簡(jiǎn)要介紹如下。1966年，英籍華人高錕(C·K·Kao)預(yù)見(jiàn)利用玻璃可以制成衰減為20dB／km的通信光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)。當(dāng)時(shí)，世界上最優(yōu)秀的光學(xué)玻璃衰減達(dá)l000dB／km左右。1970年，美國(guó)康寧公司首先研制成衰減為20dB／km的光纖。從此，光纖就進(jìn)入了實(shí)用化的發(fā)展階段，世界各國(guó)紛紛開(kāi)展光纖通信的研究。光纖的主要作用是引導(dǎo)光在光纖內(nèi)沿直線或彎曲的途徑傳播。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的光纖通信，必須減小光纖的衰減。C·K·Kao早就指出降低玻璃內(nèi)的過(guò)渡金屬雜質(zhì)離子是降低光纖衰減的主要因素。另一方面，玻璃內(nèi)的OH離子對(duì)衰減也有嚴(yán)重的影響。到了1976年，人們?cè)O(shè)法降低OH含量后發(fā)現(xiàn)低衰減的長(zhǎng)波長(zhǎng)窗口有：1.31μm、1.55μm。1980年，光纖衰減已降低到0.2dB／km(1.55μm)，接近理論值。這樣，使得進(jìn)行長(zhǎng)距離的光纖通信成為可能。與此同時(shí)，為促進(jìn)光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用化，人們又及時(shí)地開(kāi)發(fā)出適用于長(zhǎng)波長(zhǎng)的光源、激光器、發(fā)光管、光檢測(cè)器。應(yīng)運(yùn)而生的光纖成纜。光無(wú)源器件和性能測(cè)試及工程應(yīng)用儀表等技術(shù)日臻成熟。這都為光纖光纜作為新的通信傳輸媒介奠定了良好的基礎(chǔ)。1976年，美國(guó)西屋電氣公司在亞特蘭大成功地進(jìn)行了世界上第一個(gè)44.736Mbit／s且傳輸110km的光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，使光纖通信向?qū)嵱没~出了第一步。1981年以后，用光纖通信技術(shù)大規(guī)模地制成商品并推向市場(chǎng)。歷經(jīng)近20年突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖通信速率由1978年的45Mbit／s提高到目前的40Gbit／s。光纖通信的特點(diǎn)在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波頻率高的多，而作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多，因此，相對(duì)于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。容許頻帶很寬，傳輸容量很大光纖通信系統(tǒng)的容許頻帶（帶寬）取決于光源的調(diào)制特性、調(diào)制方式和光纖的色散特性。石英單摸光纖在1.31um波長(zhǎng)具有零色散特性，通過(guò)光纖的設(shè)計(jì)，還可以把零色散波長(zhǎng)移到1.55um。在零色散波長(zhǎng)窗口，單模光纖都具有幾十GHz.km的帶寬距離積。另一方面，可以采用多種復(fù)用技術(shù)來(lái)增加傳輸容量。最簡(jiǎn)單的是空分復(fù)用，因?yàn)楣饫w很細(xì)，外徑只有125um，一根光纜可以容納幾百根光纖，12*12=144根光纖的帶狀光纜早已實(shí)現(xiàn)。這種方法使線路傳輸容量成百倍的增加。就單根光纖而言，采用波分復(fù)用（WDM）或光頻分復(fù)用（OFDM）是增加光線通信系統(tǒng)傳輸容量最有效的方法。另一方面，減小光源譜線寬度和采用外調(diào)制方式，也是增加傳輸容量的有效方法。損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小石英光纖在1.31um和1.55um波長(zhǎng)，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km，甚至更低。因此，用光纖比用同軸電纜或波導(dǎo)管的中繼距離長(zhǎng)得多。目前，采用外調(diào)制技術(shù)，波長(zhǎng)為1.55um的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5Gb/s，則中繼距離可達(dá)150km；若其傳輸速率為10Gb/s，則中繼距離可達(dá)100km。采用光纖放大器、色散補(bǔ)償光纖，中繼距離還可增加。傳輸容量大、傳輸誤碼率低、中繼距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，是光纖通信系統(tǒng)不僅適合與長(zhǎng)途干線網(wǎng)，而且適合于接入網(wǎng)的使用，這也是降低每公里話路的系統(tǒng)造價(jià)的主要原因。重量輕、體積小光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數(shù)相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積而已小得多。通信設(shè)備的重量和體積對(duì)許多領(lǐng)域特別是軍事、航空和宇宙飛船的方面的應(yīng)用，具有特別重要的意義。在飛機(jī)上用光纖代替電纜，不僅降低了通信設(shè)備的成本，而且降低了飛機(jī)的制造成本?？闺姶鸥蓴_性能好光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受普通高、低頻電磁場(chǎng)的干擾和閃電雷擊的損壞。無(wú)金屬光纜非常在那個(gè)適合與存在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的高壓電力線路周?chē)陀吞铩⒚旱V等易燃易爆環(huán)境中使用。泄漏小，保密性能好在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷酰词乖趶澢囟我矡o(wú)法竊聽(tīng)。沒(méi)有專用的特殊工具光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。保密性能好的這一特點(diǎn)，對(duì)軍事、政治和經(jīng)濟(jì)都有重要的意義。節(jié)約經(jīng)書(shū)材料，有利于資源合理使用制造同軸電纜和波導(dǎo)管的銅、鋁、鉛等金屬材料，在地球上的儲(chǔ)存量是有限的；而制造光纖的石英（SiO2）在地球上是取之不盡的材料。制造8km管中同軸電纜，1km需要光纖通信的工作波長(zhǎng)1、光在電磁波譜中的位置光波與無(wú)線電波相似，也是一種電磁波，只是它的頻率比無(wú)線電波的頻率高得多。紅外線、可見(jiàn)光和紫外線均屬于光波的范疇。圖1-1下圖所示為電磁波波譜圖。可見(jiàn)光是人眼能看見(jiàn)的光，其波長(zhǎng)范圍為0.39um至0.76um。紅外線是人眼能看不見(jiàn)的光，其波長(zhǎng)范圍為0.76um至300um。一般分為：近紅外區(qū)，其波長(zhǎng)范圍為0.76um至15um；中紅外區(qū)，其波長(zhǎng)范圍為15um至25um；遠(yuǎn)紅外區(qū)，其波長(zhǎng)范圍為25um至300um。2、光纖通信使用波段目前光纖通信所用光波的波長(zhǎng)范圍為=0.8～2.0um，屬于電磁波譜中的近紅外區(qū)。其中0.8～1.0um稱為短波長(zhǎng)段，1.0～2.0um稱為長(zhǎng)波長(zhǎng)段。目前光纖通信使用的波長(zhǎng)有三個(gè)：0.85um、1.31um、1.55um。圖1-1上圖為光纖損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系，從圖中可以看到從0.8～2.0um為光纖的低損耗區(qū)域，或稱為低損耗窗口。光在真空中的傳播速度約為，根據(jù)波長(zhǎng)、頻率和光速之間的關(guān)系式

（1-1）可計(jì)算出各電磁波的頻率范圍。對(duì)應(yīng)光纖通信所用光波的波長(zhǎng)范圍，由式(1-1)可得相應(yīng)的頻率范圍為?？梢?jiàn)光纖通信所用光波的頻率是非常高的。正因?yàn)槿绱?，光纖通信具有其他通信無(wú)法比擬的巨大的通信容量。光纖通信系統(tǒng)的組成目前，實(shí)用光纖通信系統(tǒng)組成框圖如圖所示。如圖示，光纖通信系統(tǒng)由以下五個(gè)部分組成。（1）光發(fā)信機(jī)：光發(fā)信機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其功能是將來(lái)自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機(jī)就是常規(guī)的電子通信設(shè)備。（2）光收信機(jī)：光收信機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光檢測(cè)器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào)，經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后，再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。（3）光纖或光纜：光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。其功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測(cè)器上去，完成傳送信息任務(wù)。（4）中繼器：中繼器由光檢測(cè)器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個(gè)：一個(gè)是補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減；另一個(gè)是對(duì)波形失真的脈沖近行政性。（5）光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件：由于光纖或光纜的長(zhǎng)度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長(zhǎng)度也是有限度的（如1Km)。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問(wèn)題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合，對(duì)光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件的使用是必不可少的。目前實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)都采用直接檢波系統(tǒng)。直接檢波系統(tǒng)就是在發(fā)送端直接把信號(hào)調(diào)制到光波上，而在接收端用光電檢波管直接把被調(diào)治的光波檢波為原信號(hào)的系統(tǒng)。電端機(jī)就是一般電信號(hào)設(shè)備，例如載波機(jī)或電視圖象發(fā)送與接受設(shè)備等。光端機(jī)則是把電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)（發(fā)送光端機(jī)），或把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)（接收光端機(jī)）的設(shè)備。發(fā)送光端機(jī)的作用是將發(fā)送的電信號(hào)進(jìn)行處理，加在半導(dǎo)體激光器上，使電信號(hào)調(diào)制光波，然后將此已調(diào)制光波送入光導(dǎo)纖維。已調(diào)制光波經(jīng)光導(dǎo)纖維傳送至接收光端機(jī)的半導(dǎo)體光電管上檢波。檢波后得到的電信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理再送接受電端機(jī)，然后按一般電信號(hào)處理。這就是整個(gè)光纖通信的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程和一般無(wú)線電通信過(guò)程是十分相似的。當(dāng)然光線通信的空間傳輸手段是光導(dǎo)纖維，這與一般無(wú)線電通信在空間傳輸電波的情況是不同的。直接檢波系統(tǒng)的基本優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成簡(jiǎn)單，就當(dāng)前光波技術(shù)水平來(lái)講現(xiàn)實(shí)可行。同時(shí)由于光波頻率極高，在這樣系統(tǒng)上傳送上萬(wàn)路電話，幾十路電視并不困難，完全可以滿足目前通信的需要。因此直接檢波系統(tǒng)是光纖通信當(dāng)前較多采用的形式。光纖的結(jié)構(gòu)和類型光纖的結(jié)構(gòu)光纖是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。其典型結(jié)構(gòu)是多層同軸圓柱體，如圖所示，自內(nèi)向外為纖芯、包層和涂覆層。核心部分是纖芯和包層，其中纖芯由高度透明的材料制成，是光波的主要傳輸通道；包層的折射率略小于纖芯，使光的傳輸性能相對(duì)穩(wěn)定。纖芯粗細(xì)、纖芯材料和包層材料的折射率，對(duì)光纖的特性起決定性影響。涂覆層包括一次涂覆、緩沖層和二次涂覆，起保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕相機(jī)械的擦傷，同時(shí)又增加光纖的柔韌性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用。光纖的分類根據(jù)折射率在橫截面上的分布形狀劃分時(shí)，有階躍型光纖和漸變型(梯度型)光纖兩種。階躍型光纖在纖芯和包層交界處的折射率呈階梯形突變，纖芯的折射率n1和包層的折射率n2是均勻常數(shù)。漸變型光纖纖芯的折射率nl隨著半徑的增加而按一定規(guī)律(如平方律、雙正割曲線等)逐漸減少，到纖芯與包層交界處為包層折射率n2，纖芯的折射率不是均勻常數(shù)。根據(jù)光纖中傳輸模式的多少，可分為單模光纖和多模光纖兩類。單模光纖只傳輸一種模式，纖芯直徑較細(xì)，通常在4μm～10μm范圍內(nèi)。而多模光纖可傳輸多種模式，纖芯直徑較粗，典型尺寸為50μm左右。按制造光纖所使用的材料分，有石英系列、塑料包層石英纖芯、多組分玻璃纖維、全塑光纖等四種。光通信中主要用石英光纖，以后所說(shuō)的光纖也主要是指石英光纖。另外，若按工作波長(zhǎng)來(lái)分，還可分為短波長(zhǎng)光纖和長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。

多模光纖可以采用階躍折射率分布，也可以采用漸變折射率分布；單模光纖多采用階躍折射率分布。因此，石英光纖大體可以分為多模階躍折射率光纖、多模漸變折射率光纖和單模階躍折射率光纖等幾種。它們的結(jié)構(gòu)、尺寸、折射率分布及光傳輸?shù)氖疽鈭D如下圖所示。光纖的傳輸原理分析光波在光纖中的傳輸可應(yīng)用兩種理論：射線理論和波動(dòng)理論。前者是一個(gè)近似的分析方法，但簡(jiǎn)單直觀，對(duì)定性理解光的傳播現(xiàn)象很有效，而且對(duì)光纖半徑遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)的多模光纖能提供很好的近似，但在應(yīng)用上有它的局限性。后者是嚴(yán)密的解析方法，為了全面分析光纖中光的傳播、信號(hào)失真、功率損耗，特別是分析單模光纖和得出全面的定量結(jié)果，就必須采用波動(dòng)理論方法，即求解麥克斯韋方程并滿足光波導(dǎo)的邊界條件。光纖傳播原理的理論分析是復(fù)雜的，這里只是粗糙地進(jìn)行概念性描述，并引出與光纖傳輸特性有關(guān)的參量。

1.光學(xué)中的反射、折射原理

光波是波長(zhǎng)極短的電磁波，因此可采用光波長(zhǎng)λ→0時(shí)的幾何光學(xué)進(jìn)行分析。于是一條很細(xì)很細(xì)的光束，它的軸線就是光射線，簡(jiǎn)稱射線，它代表光能量傳輸?shù)姆较颉９庠谕幻劫|(zhì)中傳播時(shí)是直線前進(jìn)，在不同媒質(zhì)傳播時(shí)，在媒質(zhì)交界面處要發(fā)生反射和折射。

如下圖，媒質(zhì)Ⅰ和Ⅱ的折射率分別是n1和n2，當(dāng)光射線從媒質(zhì)Ⅰ入射到界面上時(shí)，則一部分能量被反射，另一部分能量進(jìn)入媒質(zhì)Ⅱ發(fā)生折射，由于光波本質(zhì)上是電磁波，這時(shí)可利用平面電磁波的電磁場(chǎng)方程式和無(wú)窮大平面交界面邊界條件，求得光波的反射和折射定律（這里僅考慮傳播方向的），即式中θ1和θ1′分別是射線的入射角和反射角，二者相等；θ2是射線的折射角；v1、v2和n1、n2分別為媒質(zhì)Ⅰ、媒質(zhì)Ⅱ中的光速及其折射率，二者關(guān)系為n＝，c是光在真空中的傳播速度（c≈3×108m/s），媒質(zhì)的折射率（v）越大，在其中的光速（v）就愈低。

根據(jù)式（3-2），假設(shè)n1＞n2，則sinθ2＞sinθ1，必有θ2＞θ1?，F(xiàn)在逐漸增大入射角θ1，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，θ2就變?yōu)?0°，光不能進(jìn)入媒質(zhì)Ⅱ，此時(shí)的入射角稱為臨界角θc（θ1＝θc），這時(shí)

下面考慮折射與反射的兩種情況：

①在假設(shè)的n1＞n2條件下，當(dāng)θ1≥θc時(shí)，能量全部被反射，不發(fā)生折射，這種現(xiàn)象稱為全反射。由此可見(jiàn)，當(dāng)光波從光密（n值大的）媒質(zhì)入射到光疏（n值小的）媒質(zhì)時(shí)，光射線的入射角θ1≥θc時(shí)，將發(fā)生全反射。

②假設(shè)n1＜n2，由式（3-2）可知，sinθ2＜sinθ1（θ2＜θ1），這樣，光波入射到分界面時(shí)，不論其入射角有多大，總有一部分能量要折射到媒質(zhì)Ⅱ中，不可能發(fā)生全反射。

因此，為使光波限制在光纖纖芯中傳輸，必須使纖芯的折射率高于包層的折射率。

有時(shí)為說(shuō)明問(wèn)題方便，入射角θ1用入射余角θz來(lái)表示，于是臨界角（余角）表示為

2.光纖導(dǎo)波形成的概念

這里僅以階躍型多模光纖進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。

當(dāng)光波入射到光纖后，光纖內(nèi)一般出現(xiàn)兩種形式的光射線。一種是處在同一平面內(nèi)并經(jīng)過(guò)光纖的軸，在纖芯和包層交界面上全反射，使能量集中在纖芯內(nèi)，這種射線稱為子午線［圖（a）］，另一種射線不在一個(gè)平面內(nèi)且不經(jīng)過(guò)光纖的軸，在邊界處也作全反射，同樣是反射角等于入射角［圖（b）］，這類射線稱為斜射線

圖階躍型多模光纖中的兩種射線子午線是平面曲線，斜射線是空間曲線。

由于斜射線情況比較復(fù)雜，又由于子午線的分析能代表光纖中光波傳播的一般情況，因此僅對(duì)子午線進(jìn)行討論。

入射到光纖纖芯里的光，可以用許多條光射線來(lái)代表。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)n1和n2都是常數(shù)，且n1＞n2。對(duì)于階躍型多模光纖，這些射線分別以某一個(gè)合適的角度射到芯子與包層的交界面上，如上面已指出的，只要在光纖內(nèi)光射線與光纖軸線（或與纖芯包層交界面）所形成的角度θz≤θz，就可以在交界面上得到全反射（在光纖又稱全內(nèi)反射）。如下圖中，光線A是滿足全反射條件的，因此光線A就被界面多次反復(fù)全反射限制在纖芯內(nèi)，以“之字形”路徑向前行進(jìn)，形成傳輸波。光線B的入射角θz＞θz，故輻射出纖芯外而很快衰減掉。光纖中光的傳播和接受角光纖的傳輸特性光纖的色散由于光纖中所傳信號(hào)的不同頻率成分，或信號(hào)能量的各種模式成分，在傳輸過(guò)程中，因群速度不同互相散開(kāi)，引起傳輸信號(hào)波形失真，脈沖展寬的物理現(xiàn)象稱為色散。光纖色散的存在使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。從機(jī)理上說(shuō)，光纖色散分為材料色散，波導(dǎo)色散和模式色散。前兩種色散由于信號(hào)不是單一頻率所引起，后一種色散由于信號(hào)不是單一模式所引起。光纖的損耗光波在光纖中傳輸，隨著距離的增加光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗，該損耗直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長(zhǎng)短，是光纖最重要的傳輸特性之一。自光纖問(wèn)世以來(lái)，人們?cè)诮档凸饫w損耗方面做了大量的工作，1.31μm光纖的損耗值在0．5dB/km以下，而1.55μm的損耗為0.2dB/km以下，這個(gè)數(shù)量級(jí)接近了光纖損耗的理論極限。光纖的損耗如圖2-16所示----形成光纖損耗的原因很多，其損耗機(jī)理復(fù)雜，計(jì)算也比較復(fù)雜(有些是不能計(jì)算的)。降低損耗主要依賴于工藝的提高相對(duì)材料的研究等。光纖損耗的原因主要有吸收損耗和散射損耗，還有來(lái)自光纖結(jié)構(gòu)的不完善。LD的原理，功率特性，結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器（LD)半導(dǎo)體激光器是利用在有源區(qū)中受激而發(fā)射光的光器件。只有在工作電流超過(guò)聞值電流的情況下，才會(huì)輸出激光(相干光)，因而是有聞值的器件。LD的結(jié)構(gòu)及工作原理

LD的結(jié)構(gòu)如圖4—12所示。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)類似。通常也是由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有源層構(gòu)成。和LED所不同的是，在有源層的結(jié)構(gòu)中還具有使光發(fā)生振蕩的諧振腔。雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的形成過(guò)程與前面所述LED情況大致相同。

半導(dǎo)體激光器發(fā)光利用的是受激輻射原理。受激輻射發(fā)光現(xiàn)象是：處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的大多數(shù)電子，在受到外來(lái)入射光于激勵(lì)時(shí)同步發(fā)射光子的現(xiàn)象，也就是說(shuō)受激輻射的光子和入射光子，不僅波長(zhǎng)相同而且相位、方向也相同。這樣，由弱的入射光激勵(lì)而得到了強(qiáng)的出射光，起到了光放大作用。但是僅僅有放大功能還不能形成振蕩，必須要有正反饋才行。為了實(shí)現(xiàn)光的放大反饋，需要采用使光來(lái)回反射的光學(xué)諧振腔。最基本的光學(xué)諧振腔是由兩塊互相平行的反射鏡構(gòu)成，稱之為法布里一珀羅諧振腔。半導(dǎo)體激光器就是在垂直于PN結(jié)的兩個(gè)端面，按晶體的天然解理面切開(kāi)而形成相當(dāng)理想的反射鏡面。光在諧振腔中的兩個(gè)反射鏡面之間往復(fù)反射。其中一個(gè)是全反射鏡面，另一個(gè)是部分反射鏡面，這樣諧振腔內(nèi)的光能由該鏡面透射出來(lái)，形成輸出激光。激光器模型如右圖所示。半導(dǎo)體激光器（LD)的P-I特性半導(dǎo)體激光器（LD)的P-I特性曲線如右圖所示。隨著激光器注入電流的增加，其輸出光功率增加，但是不成直線關(guān)系，存在一個(gè)閾值Ith，只有當(dāng)注入電流大于閾值電流后，輸出光功率才隨注入電流增加而增加，便發(fā)射出激光；當(dāng)注入電流小于閾值電流，LD發(fā)出的是光譜很寬、相干性很差的自發(fā)輻射光。P-I的特性隨器件的工作溫度要發(fā)生變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，激光器的特性發(fā)生劣化，閾值電流也會(huì)升高，閾值電流與溫度的關(guān)系可表示為

式中，稱為器件的特征溫度，和都與絕對(duì)溫度表示；為時(shí)閾值電流的1/e。光檢測(cè)系統(tǒng)工作原理在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子（電子或空穴）的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)與N區(qū)的E相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。這時(shí)在PN節(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，使得N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在電子和空穴的擴(kuò)散過(guò)程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴符合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶產(chǎn)生傾斜，在PN結(jié)界附近形成耗盡層。當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于或等于帶隙，便會(huì)發(fā)生受激吸收。在耗盡層，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光生漂移電流。在耗盡層兩側(cè)沒(méi)有電場(chǎng)的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場(chǎng)作用下，形成和漂移電流相同方向的光生擴(kuò)散電流。光生漂移電流分量和光生擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開(kāi)路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過(guò)剩的電子通過(guò)外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的電子流向N區(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入射光發(fā)生變化時(shí)，光生電流隨之變化，重而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過(guò)程中產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡(jiǎn)單的光電二極管（PD)。SDH組成SDH基本概念SDH（synchronousDigitalHierarchy）全稱叫做同步數(shù)字傳輸體制，由此可見(jiàn)SDH是一種傳輸?shù)捏w制（協(xié)議），就象PDH(PlesiochronousDigitalHierarchy)——準(zhǔn)同步數(shù)字傳輸體制一樣，SDH這種傳輸體制規(guī)范了數(shù)字信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)、復(fù)用方式、傳輸數(shù)速等級(jí)，接口碼型等特性。SDH的含義：是一套可進(jìn)行同步數(shù)字傳輸，復(fù)用和交叉連接的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字信號(hào)的等級(jí)結(jié)構(gòu)，SDH傳輸網(wǎng)所傳送的信號(hào)由不同等級(jí)的同步傳輸模塊（STM-N）所組成。（插入PDH含義:對(duì)瞬時(shí)速率在一定容差范圍內(nèi)的低碼速支路進(jìn)行正碼速調(diào)整后再進(jìn)行同步復(fù)接的過(guò)程稱為準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接.30/32路PCM系列都是采用準(zhǔn)同步數(shù)字復(fù)接,簡(jiǎn)稱PDH）ⅰ)與SDH相比，PDH主要缺點(diǎn)有二點(diǎn)：1)PDH考慮的主要業(yè)務(wù)對(duì)象是普通的傳統(tǒng)電話業(yè)務(wù)，它在很多方面已不能適應(yīng)現(xiàn)代通信向業(yè)務(wù)多樣化和寬帶化發(fā)展的要求（例：用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、廣播電視、視頻電報(bào)、專用電視、可視通信等）。2)PDH主要應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、缺乏網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞撵`活性。ⅱ)SDH作為一種新的技術(shù)體制，必然有其不足之處。1)頻帶利用率不如PDH系統(tǒng)，PDH的140Mbit/s可收容64*2Mbit/s或4*34Mbit/s,而SDH的155Mbit/s只能收容63*2Mbit/s或3*34Mbit/s。2)指針調(diào)整機(jī)理，增加了設(shè)備的復(fù)雜性。3)軟件幾乎可以控制網(wǎng)絡(luò)中所有復(fù)用設(shè)備和交叉連接設(shè)備。這樣，網(wǎng)絡(luò)層上的人為錯(cuò)誤，軟件故障，乃至計(jì)算機(jī)病毒都可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重大故障，甚至造成全網(wǎng)癱瘓。ⅲ)與PDH相比SDH有哪些優(yōu)勢(shì)既然SDH傳輸體制是PDH傳輸體制進(jìn)化而來(lái)的，因此它具有PDH體制所無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，它是不同于PDH體制的全新的一代傳輸體制，與PDH相比在技術(shù)體制上進(jìn)行了根本的變革。SDH概念的核心是從統(tǒng)一的國(guó)家電信網(wǎng)和國(guó)際互通的高度來(lái)組建數(shù)字通信網(wǎng)，并構(gòu)成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN），特別是寬帶業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B－ISDN）的重要組成部分。因?yàn)榕c傳統(tǒng)的PDH體制不同，按SDH組建的網(wǎng)是一個(gè)高度統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的、智能化的網(wǎng)絡(luò)，它采用全球統(tǒng)一的接口以實(shí)現(xiàn)設(shè)備多廠家環(huán)境的兼容，在全程全網(wǎng)范圍實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)調(diào)一致的管理和操作，實(shí)現(xiàn)靈活的組網(wǎng)與業(yè)務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自愈功能，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，由于維護(hù)功能的加強(qiáng)大大降低了設(shè)備的運(yùn)維費(fèi)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是，根據(jù)用戶對(duì)傳輸距離和傳輸容量（話路數(shù)或比特率）及其分部的要求，按照國(guó)家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前設(shè)備的技術(shù)水平，經(jīng)過(guò)綜合考慮和反復(fù)計(jì)算，選擇最佳路由和局站設(shè)置、傳輸體制和傳輸速率以及光纖光纜和光端機(jī)的基本參數(shù)和性能