光纖通信系統(tǒng)（第3版） 課件 第1-3章 概述、光纖與光纜、光源和光發(fā)送機(jī)

光纖通信系統(tǒng)2課程介紹傳輸技術(shù)是通信網(wǎng)絡(luò)中最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一，現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)普遍采用的是數(shù)字傳輸技術(shù)。光纖通信由于具有突出的優(yōu)點(diǎn)，是目前通信網(wǎng)絡(luò)中最主要的傳輸技術(shù)。本課程重點(diǎn)講授光纖通信和數(shù)字傳輸?shù)南嚓P(guān)知識(shí)。本課程總課時(shí)48學(xué)時(shí)，其中理論課部分42學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)部分4學(xué)時(shí)，習(xí)題課2學(xué)時(shí)。3教學(xué)資源教材《光纖通信系統(tǒng)》（第3版），機(jī)械工業(yè)出版社參考書

《數(shù)字傳輸技術(shù)基礎(chǔ)》，林建中、王纓、郭世滿等編著，北京郵電大學(xué)出版社《光纖通信系統(tǒng)》（第2版），楊祥林主編，國(guó)防工業(yè)出版社《光網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)、器件與聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》，韋樂平，張成良編著，人民郵電出版社電子資源課程網(wǎng)站：/nygqtx/

4第一章概述1.1光纖通信的發(fā)展概況1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1.3光纖通信系統(tǒng)的組成51.1光纖通信發(fā)展概況通信是指兩個(gè)或多個(gè)實(shí)體之間交換信息的過程，通信系統(tǒng)是該過程的具體實(shí)現(xiàn)。光通信是指利用某種特定波長(zhǎng)（頻率）的光信號(hào)承載信息，并將此光信號(hào)通過光纖或者大氣信道傳送到對(duì)方，然后再還原出原始信息的過程。光纖通信是光通信最主要的實(shí)現(xiàn)形式。6光通信與光纖通信的區(qū)別光通信（Light-waveCommunication）光纖通信（OpticalFiberCommunication）使用光導(dǎo)纖維作為傳輸媒質(zhì)目前最主要的光通信應(yīng)用形式大氣光通信/空間光通信（FreeSpaceOptics）光信號(hào)直接在大氣（或其他介質(zhì)）中傳輸（垂直/水平方向）地面—衛(wèi)星通信或接入網(wǎng)中應(yīng)用7光纖通信發(fā)展主要?dú)v程遠(yuǎn)古時(shí)代：烽火臺(tái)，狼煙傳訊

近代：旗語(yǔ)，燈光1880，A.G.Bell發(fā)明光電話60年代初，激光器誕生70年代——面臨實(shí)用化挑戰(zhàn)光源：能否制造出室溫下連續(xù)工作的激光器？媒質(zhì)：能否找到損耗足夠低的傳輸媒質(zhì)？補(bǔ)充閱讀材料：/upload/blog/file/2010/5/20105319399922710.pdf

A.G.Bell1847-1922T.H.Maiman1927-20078光纖通信的奠基人——高錕1966年，在英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室工作的華裔科學(xué)家高錕（C.K.Kao）首先提出用石英玻璃纖維作為光纖通信的媒質(zhì)*，為現(xiàn)代光纖通信奠定了理論基礎(chǔ)。*K.C.KaoandG.A.Hockham,“Dielectric-FibreSurfaceWaveguidesforopticalfrequencies”Proc.IEEE,113,1151(1966)91970年：光纖通信實(shí)用化的開端1970年，美國(guó)康寧公司用超純石英為材料，首先拉制出損耗為20dB/km的光纖

1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功可在室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷（GaAlAs）半導(dǎo)體激光器，為光纖通信找到了合適的光源1977年，GaAlAs激光器的壽命可達(dá)100萬(wàn)小時(shí)，為光纖通信的商用化奠定了基礎(chǔ)

70年代光源和光纖技術(shù)的快速成熟，為光纖通信的商用化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)10光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展第一代光纖通信系統(tǒng)850/1310nm多模系統(tǒng)，140Mbit/s，30km第二代光纖通信系統(tǒng)1310nm單模系統(tǒng)，1Gbit/s，50km第三代光纖通信系統(tǒng)1550nm單模系統(tǒng)，2.5Gbit/s，100km第四代光纖通信系統(tǒng)光放大器引入，數(shù)十Gbit/s～Tbit/s，數(shù)千km第五代光纖通信系統(tǒng)光孤子系統(tǒng)，超大容量和超長(zhǎng)距離傳輸，網(wǎng)絡(luò)化/智能化光纖通信的發(fā)展始終呈現(xiàn)對(duì)高速率和長(zhǎng)距離的追求111.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1.2.1光纖通信的優(yōu)點(diǎn)1.2.2光纖通信的應(yīng)用121.2.1光纖通信的優(yōu)點(diǎn)傳輸容量大傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)泄漏小，保密性好節(jié)省有色金屬抗電磁干擾能力強(qiáng)重量輕，可擾性好，易于施工131.光纖通信系統(tǒng)具有巨大的傳輸容量光纖通信使用的是頻率極高的電磁波，傳輸中可以獲得極高的信號(hào)頻譜。光纖通信適用的λ=1310nm波長(zhǎng)段和λ=1550nm波長(zhǎng)段兩個(gè)區(qū)域，共有約200nm寬的低損耗區(qū)，理論上可提供近30THz的傳輸頻帶目前實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)的最高容量為20Tbit/s級(jí)*，因此光纖的頻帶利用率仍有很大的提高空間。*OFC/NFOEC2012會(huì)議NTT：PDM-64QAM調(diào)制方式、11.2THz頻帶、采用全拉曼放大，系統(tǒng)總?cè)萘?02.3Tbit/s，傳輸距離達(dá)240km142.極小的傳輸損耗，極長(zhǎng)的中繼距離單模光纖在1310nm波長(zhǎng)窗口損耗系數(shù)約為0.35dB/km單模光纖在1550nm波長(zhǎng)窗口損耗系數(shù)約為0.2dB/km光纖的傳輸損耗不僅小，而且在相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)特性幾乎一致，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153.泄漏小，保密性好由于光纖傳輸?shù)奶厥鈾C(jī)理，在光纖中傳輸?shù)墓庀蛲庑孤┑哪芰亢芪⑷?，難以被截取或竊聽。與其他無(wú)線、有線通信方式相比，光纖通信有較好的保密性，信息在光纖中傳輸非常安全。單根光纜內(nèi)部署多根光纖也不會(huì)引入串?dāng)_。164.節(jié)省大量有色金屬制造通常的電纜需要消耗大量的銅和鉛等有色金屬，成本較高。以四管中同軸電纜為例，1km四管中同軸電纜約需460kg銅，而制造1km光纖，只需幾十克石英。制造光纖的石英（主要成分為SiO2）原材料豐富而便宜，幾乎取之不竭。175.抗電磁干擾能力強(qiáng)光纖主要是由SiO2材料制成，它不易受外界各種電磁場(chǎng)的干擾。強(qiáng)電、雷擊等也不會(huì)顯著影響光纖的傳輸性能。甚至在核輻射等極端環(huán)境中，光纖通信仍能正常進(jìn)行，這是通常的電纜通信所不能比擬的。光纖通信在電力輸配、電氣化鐵路、雷擊多發(fā)地區(qū)、核試驗(yàn)等環(huán)境中應(yīng)用更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。186.重量輕，可擾性好，易于施工光纜單位長(zhǎng)度的重量比其他通信電纜要輕得多。每根光纖的直徑很小，制成光纜后可充分利用地下管道。二次套塑的光纖，即使以幾厘米的曲率半徑彎曲也不會(huì)斷，施工時(shí)可以采用與電纜相同或類似的敷設(shè)技術(shù)進(jìn)行敷設(shè)。通信設(shè)備的重量輕和體積小，對(duì)軍事、航空航天等特殊的應(yīng)用環(huán)境具有特別重要的意義。191.2.2光纖通信的應(yīng)用光纖通信系統(tǒng)的類型光纖通信的應(yīng)用201.光纖通信系統(tǒng)的類型按傳輸信號(hào)的類型模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)按調(diào)制方式直接調(diào)制和外差調(diào)制按光纖的傳輸特性單模光纖系統(tǒng)和多模光纖系統(tǒng)按光波長(zhǎng)短波長(zhǎng)、長(zhǎng)波長(zhǎng)和超長(zhǎng)波長(zhǎng)系統(tǒng)212.光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用通信網(wǎng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)有線電視網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)221.3光纖通信系統(tǒng)的組成1.3.1光纖通信系統(tǒng)原理框圖1.3.2光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成231.光纖通信系統(tǒng)原理框圖光纖通信系統(tǒng)可以傳送數(shù)字信號(hào)也可傳送模擬信號(hào)。傳送的信息有話音、圖像、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)。實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)，一般采用的是數(shù)字編碼、強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測(cè)（IM/DD）的光纖通信系統(tǒng)，如圖1-1所示。IM/DD:IntensityModulation/DirectDetection24圖1-1光纖通信系統(tǒng)原理框圖（單向傳輸）251.3.2光纖通信系統(tǒng)的組成光發(fā)送機(jī)光纖線路光接收機(jī)數(shù)字復(fù)用設(shè)備光中繼機(jī)26本章小結(jié)及知識(shí)點(diǎn)光纖通信的發(fā)展概況光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)28光纖是光纖通信系統(tǒng)中的傳輸媒質(zhì)，其材料、結(jié)構(gòu)和傳輸性能的好壞直接影響了系統(tǒng)的性能。本章首先介紹光纖光纜的基本結(jié)構(gòu)和類型，然后分別應(yīng)用射線光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)理論分析光纖傳輸原理，在此基礎(chǔ)上對(duì)光纖的損耗、色散和非線性等傳輸性能參數(shù)進(jìn)行介紹，最后給出光纖的類型及工程技術(shù)。第二章光纖與光纜292.1光纖光纜的結(jié)構(gòu)和類型2.1.1光纖結(jié)構(gòu)2.1.2光纖類型2.1.3光纖制造工藝2.1.3光纜及其結(jié)構(gòu)302.1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖的基本結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：折射率（n1）較高的纖芯部分、折射率（n2）較低的包層部分以及表面涂覆層。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。為保護(hù)光纖，在涂覆層外有二次涂覆層（又稱塑料套管）。31圖2-1光纖基本結(jié)構(gòu)無(wú)論何種光纖，其包層直徑都是一致的涂覆層的主要作用是為光纖提供保護(hù)纖芯和包層僅在折射率等參數(shù)上不同，結(jié)構(gòu)上是一個(gè)完整整體32光纖的分類按折射率分布按二次涂覆層結(jié)構(gòu)按材料按傳導(dǎo)模式331.按纖芯折射率分布：

階躍折射率分布和漸變折射率分布思考：為什么纖芯的折射率要高于包層折射率？342.按光纖的二次涂覆層結(jié)構(gòu)緊套結(jié)構(gòu)光纖松套結(jié)構(gòu)光纖353.按光纖主要材料

SiO2光纖*塑料光纖氟化物光纖*SiO2是目前最主要的光纖材料364.按光纖中的傳導(dǎo)模式*單模光纖多模光纖*傳導(dǎo)模式的概念將在模式分析部分介紹372.1.2光纖類型目前國(guó)際上對(duì)光纖光纜型號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的主要是國(guó)際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化組織(ITU-T)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)。ITU-T涉及通信光纖的標(biāo)準(zhǔn)主要是G.65x系列，IEC則是標(biāo)準(zhǔn)60793系列。ITU-T規(guī)定的光纖型號(hào)主要有G.651光纖（多模光纖），G.652光纖（常規(guī)單模光纖），G.653光纖（色散位移光纖），G.654光纖（低損耗光纖），G.655光纖（非零色散位移光纖）以及最新的G.656和G.657光纖。IEC標(biāo)準(zhǔn)（我國(guó)國(guó)標(biāo)也參照IEC命名）將光纖的種類分為A類（多模）光纖和B類（單模）光纖。2.1.3光纖制造工藝改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法(MCVD)軸向汽相沉積法(VAD)棒外化學(xué)汽相沉積法(OVD)等離子體激活化學(xué)汽相沉積法(PCVD)38光纖接續(xù)方法永久接續(xù)法連接器接續(xù)法39402.1.4光纜及其結(jié)構(gòu)光纜是以光纖為主要通信元件，通過加強(qiáng)件和外護(hù)層組合成的整體。光纜是依靠其中的光纖來(lái)完成傳送信息的任務(wù)，因此光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要保證其中的光纖具有穩(wěn)定的傳輸特性。41光纜的分類方法按成纜光纖類型多模光纖光纜和單模光纖光纜按纜芯結(jié)構(gòu)中心束管、層絞、骨架和帶狀按加強(qiáng)件和護(hù)層金屬加強(qiáng)件、非金屬加強(qiáng)、鎧裝按使用場(chǎng)合長(zhǎng)途/室外、室內(nèi)、水下/海底等按敷設(shè)方式架空、管道、直埋和水下42光纜的結(jié)構(gòu)（成纜方式）層絞式骨架式中心束管式帶狀式43光纜結(jié)構(gòu)示意圖層絞式中心束管式帶狀式2.2光纖傳輸原理2.2.1射線光學(xué)分析方法2.2.2波動(dòng)光學(xué)分析方法44452.2.1射線光學(xué)理論分析光波在光纖中傳輸可應(yīng)用兩種理論：波動(dòng)理論和射線理論。波動(dòng)理論分析光波在階躍折射率光纖中傳播的模式特性的方法比較復(fù)雜。射線理論是一種近似的分析方法，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。46兩個(gè)重要概念1：光射線（簡(jiǎn)稱射線）設(shè)有一個(gè)極小的光源，它的光通過一塊不透明板上的一個(gè)極小的孔，板后面的一條光的邊界并不明顯銳利，而有連續(xù)但又快速變化的亮和暗，這就是所謂的衍射條紋。如果光波長(zhǎng)極短（趨于0）而可以忽略，并使小孔小到無(wú)窮小，則通過的光就形成一條尖銳的線，這就是光射線。也可以說(shuō)一條很細(xì)很細(xì)的光束，它的軸線就是光射線。47當(dāng)光波長(zhǎng)趨于0而可以忽略時(shí)，用射線去代表光能量傳輸線路的方法稱為射線光學(xué)。在射線光學(xué)中，把光用幾何學(xué)來(lái)考慮，所以也稱為幾何光學(xué)。射線光學(xué)是忽略波長(zhǎng)的光學(xué)，亦即射線理論是λ→0時(shí)的波動(dòng)理論。兩個(gè)重要概念2：射線光學(xué)（即幾何光學(xué)）481.Snell定律從射線方程導(dǎo)出的射線光學(xué)最重要的理論之一是斯涅爾（Snell）定律，它應(yīng)用于恒定折射率n1和n2區(qū)域時(shí)可寫成：反射定律：

（2-2）折射定律：（2-3）式中n1、n2為介質(zhì)的折射率，、、分別是光線的入射角、反射角和折射角。49第1種媒質(zhì)（n1）分界面第2種媒質(zhì)（n2）n1＜n2法線反射定律：入射角Φ入＝反射角Φ反折射定律：n1·sinΦ入＝n2·sinΦ折Φ入Φ反Φ折入射光線折射光線反射光線光射線的反射和折射50第1種媒質(zhì)（n1）分界面第2種媒質(zhì)（n2）n1＞n2法線折射光線反射光線入射光線全反射定律：當(dāng)入射角度增大到某一角度時(shí)，折射角可以獲得最大值90°，此時(shí)可認(rèn)為無(wú)折射光存在，所有的入射光都被反射，稱為全反射現(xiàn)象，滿足全反射現(xiàn)象的最小角度稱為全反射的臨界角φC。ΦC光的全反射現(xiàn)象（光密介質(zhì)－光疏介質(zhì)）512.光纖的傳光原理利用上述的射線分析方法，可以直觀地對(duì)光纖的傳光原理進(jìn)行解釋，但是必須要指出的是，射線分析方法雖然具有易于理解的優(yōu)點(diǎn)，但其本質(zhì)上是一種近似分析方法，只能定性地解釋光纖的傳光原理，并不能作為定量的分析依據(jù)。52階躍折射率光纖中的全反射傳輸光纖軸線方向纖芯（n1）包層（n2）n1＞n2思考：如果光纖發(fā)生彎曲或形變會(huì)有什么結(jié)果？此處亦有折射現(xiàn)象，如何由光纖內(nèi)部的全反射條件推導(dǎo)處此處的入射條件？53最大接收角和數(shù)值孔徑最大接收角數(shù)值孔徑為式中，n1,n2

分別為光纖芯和包層的折射率，Δ為相對(duì)折射率差。542.2.2波動(dòng)光學(xué)分析方法

射線光纖理論分析方法雖然形象地給出了光纖中光的傳輸原理，但其是假定光波長(zhǎng)趨于0時(shí)的近似分析方法，無(wú)法對(duì)光在光纖中的傳輸狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格的定量分析，因此需要引入波動(dòng)光學(xué)理論分析方法。

波動(dòng)光學(xué)理論分析方法的核心是求解波動(dòng)方程。55簡(jiǎn)化形式的波動(dòng)方程

（2-11）

（2-12）式中，和分別是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，k為波數(shù)，表示為

ω為角頻率，ε和μ分別為介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。

光纖中波動(dòng)方程的求解考慮光纖的外形是圓柱形，纖芯和包層是存在一定折射率差的石英（SiO2）材料。因此，可以把光纖抽象為一個(gè)圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)體，z軸是軸向坐標(biāo)（光信號(hào)傳播的前進(jìn)方向）。用求解波動(dòng)方程的方法考察光在光纖中具體的傳播和存在形式，即在圓柱坐標(biāo)系中求解

6個(gè)變量。由于波動(dòng)方程只有2個(gè)方程，因此需要進(jìn)行必要的矢量變換。56572.2.4柱面坐標(biāo)系下的波動(dòng)方程

582.階躍折射率光纖模式分析本節(jié)將用波動(dòng)理論來(lái)分析階躍折射率分布光纖，得到在光纖中傳播的各種模式的表示方法。討論各模式的截止條件，并引入線性極化模的概念。用于分析的階躍折射率光纖幾何圖形如圖2-7所示。假設(shè)光纖包層的半徑b

足夠大，以使得包層內(nèi)電磁場(chǎng)按指數(shù)冪衰減，并在包層和空氣的界面處趨于0，這樣就可以把光纖作為兩種介質(zhì)的邊界問題進(jìn)行分析。59圖2-9階躍折射率光纖幾何圖形60波動(dòng)方程的求解運(yùn)用分離變量法求解波動(dòng)方程經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)處理，可得上式是貝塞爾方程，式中m是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為方位角模數(shù)，它表示纖芯沿方位角

繞一圈場(chǎng)變化的周期數(shù)。61方程解的討論根據(jù)邊界條件的假設(shè)，在纖芯和包層中波動(dòng)方程的解（分別對(duì)應(yīng)纖芯和包層中場(chǎng)的存在形式）應(yīng)該不一樣。纖芯中（

）應(yīng)該是振蕩場(chǎng)，場(chǎng)的能量可以沿z軸方向傳輸；包層（

）中應(yīng)該是衰減場(chǎng)，理想情況下應(yīng)該沒有場(chǎng)存在，這也符合前述的穩(wěn)態(tài)傳輸條件假設(shè)，即場(chǎng)能量只存在于纖芯中。由于波動(dòng)方程中的各系數(shù)都是待定的，因此波動(dòng)方程的求解可能得到許多組解，也即對(duì)應(yīng)著可能會(huì)在光纖中存在多種形式的傳輸場(chǎng)。62模式存在條件對(duì)每一個(gè)傳播模來(lái)說(shuō)，應(yīng)該僅能存在纖芯中，而在包層中衰減無(wú)窮大，即不能在包層中存在，場(chǎng)的全部能量都沿光纖軸線方向傳輸。如果某一個(gè)模式在包層中沒有衰減，稱該模式被截止（cutoff）。不同的模式具有不同的模截止條件，滿足該條件時(shí)能以傳播模形式在纖芯中傳輸，否則該模式被截止；在所有的模式中，僅有HE11模不存在模截止條件，即截止頻率為0。也就是說(shuō)，當(dāng)其它所有模式均截止時(shí)該模式仍能傳輸，稱HE11模為基模。從基模及其他模式（稱為高階模）的截止條件和波長(zhǎng)等，即可推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的邊界條件（包括纖芯和包層的幾何尺寸、折射率等參數(shù)）。632.2.3單模傳輸條件階躍折射率光纖的傳播模式是歸一化頻率V的函數(shù)。當(dāng)

（2-22）

時(shí)，光纖中傳播的唯一的模式為HE11模（即LP01模），光纖為單模傳輸。641.截止波長(zhǎng)在前面的分析中已知，只有歸一化頻率V小于LP11模的截止頻率（Vc=2.4048）時(shí)，才能保證光纖中只傳輸基模（LP01?；騂E11模），所以單模光纖理論截止波長(zhǎng)為

（2-23）截止波長(zhǎng)是單模光纖的基本參量，也是單模光纖最基本的參數(shù)。65截止波長(zhǎng)和工作波長(zhǎng)的關(guān)系判斷一根光纖是不是單模傳輸，只要比較一下它的工作波長(zhǎng)λ與截止波長(zhǎng)λc的大小就可以了。如果λ>λc

，則為單模光纖，該光纖只能傳輸基模；如果λ<λc

，就不是單模光纖，光纖中除了基模外，還能傳輸其它高階模。目前工程上有四種截止波長(zhǎng)：（1）理論截止波長(zhǎng)λc1；（2）2米長(zhǎng)光纖截止波長(zhǎng)λc2；（3）光纜制造長(zhǎng)度的截止波長(zhǎng)λc3；（4）一個(gè)中繼段的截止波長(zhǎng)λc4。一般是λc1>λc2>λc3>λc4。662.模場(chǎng)直徑單模光纖中基模（LP01?；騂E11模）場(chǎng)強(qiáng)在光纖的橫截面內(nèi)有一特定的分布，該分布與光纖的結(jié)構(gòu)有關(guān)。光功率被約束在光纖橫截面的一定范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，單模光纖傳輸?shù)墓饽懿皇峭耆性诶w芯內(nèi)，而是有相當(dāng)部分在包層中傳播。所以不用纖芯直徑來(lái)作為衡量單模光纖中功率分布的參數(shù)，而用所謂的模場(chǎng)直徑作為描述單模光纖傳輸光能集中程度的參數(shù)。672.3光纖傳輸特性光信號(hào)經(jīng)過一定距離的光纖傳輸后要產(chǎn)生衰減和畸變，因而輸出信號(hào)和輸入信號(hào)不同，光脈沖信號(hào)不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產(chǎn)生信號(hào)衰減和畸變的主要原因是光在光纖中傳輸時(shí)存在損耗和色散等性能劣化。損耗和色散是光纖的最主要的傳輸特性，它們限制了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量。本節(jié)要討論光纖損耗和色散的機(jī)理和特性。682.6.1損耗特性*（Attenuation）光纖的損耗將導(dǎo)致傳輸信號(hào)的衰減。在光纖通信系統(tǒng)中，當(dāng)入纖的光功率和接收靈敏度給定時(shí)，光纖的損耗將是限制無(wú)中繼傳輸距離的重要因素。*也稱為衰減特性

69損耗和損耗系數(shù)的定義當(dāng)工作波長(zhǎng)為時(shí)，L公里長(zhǎng)光纖的衰減及光纖每公里衰減可用下式表示：

式中：Pi、Po分別為光纖的輸入、輸出的光功率，單位W。L為光纖長(zhǎng)度，單位km。70光纖損耗的產(chǎn)生機(jī)理造成光纖中能量損失的原因是吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。吸收損耗與光纖材料有關(guān)，散射損耗與光纖材料及光纖中的結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)，輻射損耗則是由光纖幾何形狀的微觀和宏觀擾動(dòng)引起的。71吸收損耗本征吸收是由材料中的固有吸收引起的。物質(zhì)中存在著紫外光區(qū)域光譜的吸收和紅外光區(qū)域的吸收。吸收損耗與光波長(zhǎng)有關(guān)。紫外吸收帶是由于原子躍遷引起的。紅外吸收是由分子振動(dòng)引起的。SiO2的光纖材料中含有一定的摻雜劑（如鍺Ge，硼B(yǎng)，磷P等）和躍遷金屬雜質(zhì)（如鐵Fe，銅Cu，鉻Cr等）。這些成分的存在把紫外吸收尾部轉(zhuǎn)移到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)上去。所含的雜質(zhì)離子，在相應(yīng)的波長(zhǎng)段內(nèi)有強(qiáng)烈的吸收。雜質(zhì)含量越多，損耗越嚴(yán)重。除了躍遷金屬雜質(zhì)吸收外，氫氧根離子（OH-）的存在也產(chǎn)生了大的吸收。72散射損耗散射損耗是由于材料不均勻，使光散射而引起的損耗。瑞利散射損耗瑞利散射是由于光纖內(nèi)部的密度不均勻引起的。瑞利散射損耗的大小與1/λ4成正比。波導(dǎo)散射損耗光纖在制造過程中，會(huì)發(fā)生某些缺陷。這就會(huì)產(chǎn)生散射損耗。73圖2-11光纖損耗－波長(zhǎng)特性74輻射損耗光纖受到某種外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定曲率半徑的彎曲。彎曲后的光纖可以傳光，但會(huì)使光的傳播途徑改變。一些傳輸模變?yōu)檩椛淠＃鹉芰康男孤?，這種由能量泄漏導(dǎo)致的損耗稱為輻射損耗。消逝場(chǎng)q￠

<qqq

>qcq￠RqqCladdingCore場(chǎng)分布宏彎微彎752.3.2色散特性（Dispersion）光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)可能包括不同的頻率成分和模式成分，這些包含不同頻率或不同模式成分的光脈沖在光纖中傳輸?shù)乃俣炔煌?，從而產(chǎn)生時(shí)延差并引起光脈沖形狀的變化。定義色散（Dispersion）為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)不同波長(zhǎng)成分的光脈沖傳輸單位距離后脈沖前后沿的時(shí)延變化量，其單位為ps/nm·km。色散是導(dǎo)致光纖中傳輸信號(hào)畸變的主要性能參數(shù)，會(huì)使光脈沖隨著傳輸距離延長(zhǎng)而出現(xiàn)展寬現(xiàn)象，進(jìn)一步地產(chǎn)生碼間干擾（ISI），繼而增加系統(tǒng)的誤碼率。因此，色散一方面限制了光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離，另一方面由于高速率系統(tǒng)對(duì)于色散更加敏感，因而色散也限制了光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量。76色散分類材料色散：由于材料本身折射率隨頻率而變，于是信號(hào)各頻率的群速度不同，引起色散。模式間色散：在多模傳輸下，光纖中各模式在同一光源頻率下傳輸系數(shù)不同，因而群速度不同而引起色散。波導(dǎo)色散：它是模式本身的色散。對(duì)于光纖中某一模式本身，在不同頻率下，傳輸系數(shù)不同，群速不同，引起色散。偏振模色散：輸入光脈沖激勵(lì)的兩個(gè)正交的偏振模式之間的群速度不同而引起的色散。77色散造成光脈沖畸變示例782.3.3非線性效應(yīng)光纖的制造材料本身并不是一種非線性材料，但光纖的結(jié)構(gòu)使得光波以較高的能量沿光纖長(zhǎng)度聚集在很小的光纖截面上，會(huì)引起明顯的非線性光學(xué)效應(yīng)，對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)的性能和傳輸特性產(chǎn)生影響。特別是近幾年來(lái)，隨著光纖放大器的出現(xiàn)和大量使用，提高了傳輸光纖中的平均入纖光功率，使光纖非線性效應(yīng)顯著增大。所以光纖非線性效應(yīng)及其可能帶來(lái)的對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響必須加以考慮。79非線性效應(yīng)類型在高強(qiáng)度電磁場(chǎng)中電介質(zhì)的響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)非線性效應(yīng)，光纖也不例外，這種非線性響應(yīng)分為受激散射和非線性折射。散射分為彈性散射和非彈性散射。彈性散射中，被散射的光的頻率（或光子能量）保持不變，相反在非彈性散射中被散射的光的頻率將會(huì)降低。在較高功率下，考慮到非線性的影響，石英的折射率會(huì)發(fā)生變化，并產(chǎn)生一個(gè)非線性相位移。801.受激拉曼散射（SRS）如果高頻率信道與低頻率信道的頻率差在光纖的拉曼增益譜內(nèi)，則高頻率信道的能量可能通過受激拉曼散射向低頻率信道的信號(hào)傳送，這種能量的轉(zhuǎn)移不但使低頻信道能量增加而高頻信道的能量減小，更重要的是能量的轉(zhuǎn)移與兩個(gè)信道的碼形有關(guān)，從而形成信道間的串?dāng)_，使接收噪聲增加而接收靈敏度劣化。812.受激布里淵散射（SBS）高頻信道的能量也可能通過SBS向低頻信道傳送，但由于SBS的增益譜很窄（約10～100MHz），為實(shí)現(xiàn)泵浦光與信號(hào)光能量的轉(zhuǎn)移，要求兩者頻率嚴(yán)格地匹配，所以只要對(duì)信號(hào)載頻設(shè)計(jì)得好，可以很容易地避免SBS引起的干擾。并且SBS要求兩個(gè)信號(hào)光反向傳輸，所以如果所有信道的光都是同方向傳輸?shù)?，則不存在SBS引起的干擾。823.交叉相位調(diào)制（XPM）當(dāng)某一信道信號(hào)沿光纖傳輸時(shí)，信號(hào)的相位移不僅與自身的強(qiáng)度有關(guān)，而且與其它信道的光信號(hào)強(qiáng)度有關(guān)，對(duì)于IM/DD系統(tǒng)，由于檢測(cè)只與入射光的強(qiáng)度有關(guān)而與相位無(wú)關(guān)，所以XPM不構(gòu)成對(duì)系統(tǒng)性能的影響，但在相干檢測(cè)方式中，信號(hào)相位的改變將會(huì)引起噪聲，因此XPM會(huì)對(duì)這種系統(tǒng)形成信道串?dāng)_。834.四波混頻（FWM）在四波混頻中，三個(gè)信道的頻率ωi、ωj和ωk（i，j，k可取1到最大信道數(shù)N），通過混頻而產(chǎn)生第四個(gè)頻率為ωijk＝ωi±ωj±ωk的信號(hào)。如果信道間隔是等分的，則這第四個(gè)頻率會(huì)與某一個(gè)信道的頻率相同，這樣通過FWM導(dǎo)致能量在信道之間的轉(zhuǎn)換。842.4常用光纖類型

根據(jù)ITU-T規(guī)定，目前常用的單模光纖包括G.652光纖（常規(guī)單模光纖）、G.653（色散位移光纖）、G.654（1550nm低損耗光纖）、G.655（非零色散位移光纖）、G.656（色散平坦光纖）、G.657光纖（彎曲損耗不敏感單模光纖）和DCF（色散補(bǔ)償光纖）等。85G.652光纖的性能指標(biāo)與要求性能模場(chǎng)直徑(μm)截止波長(zhǎng)(nm)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)損耗系數(shù)(dB/km)色散系數(shù)(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值9≤126013101310/1550≤0.36≤0.220+18G.652光纖又稱為常規(guī)單模光纖或標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（STDSMF），被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信和圖像傳輸。在1310nm窗口處有零色散。在1550nm窗口處有較大的色散，達(dá)+18ps/nm·km，不利于高速率大容量系統(tǒng)。G.652光纖G.652A：僅能支持2.5Gbit/s及其以下速率的系統(tǒng)（對(duì)光纖的PMD系數(shù)不作要求）；G.652B：可以支持10Gbit/s速率的系統(tǒng)（要求光纖的PMD系數(shù)小于0.5ps/km1/2）；G.652C：基本屬性與

G.652A相同，但在1550nm的損耗系數(shù)更低，而且消除了1380nm附近的水吸收峰，可以工作在整個(gè)1360~1530nm波段；G.652D：屬性與G.652B光纖基本相同，而損耗性能與G.652C光纖相同，即系統(tǒng)可以工作在1360~1530nm波段。8687性能模場(chǎng)直徑(μm)截止波長(zhǎng)(nm)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)損耗系數(shù)(dB/km)色散系數(shù)(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值8.3≤127015501550≤0.45≤0.25-180G.653光纖又稱為色散位移光纖（DSF），將在λ＝1310nm附近的零色散點(diǎn)，移至1550nm波長(zhǎng)處，使其在λ＝1550nm波長(zhǎng)處的損耗系數(shù)和色散系數(shù)均很小。主要用于單信道長(zhǎng)距離海底或陸地通信干線，其缺點(diǎn)是不適合波分復(fù)用系統(tǒng)。G.653光纖的性能指標(biāo)與要求88性能模場(chǎng)直徑(μm)截止波長(zhǎng)(nm)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)損耗系數(shù)(dB/km)色散系數(shù)(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值10.5≤153013101550≤0.45≤0.200+18G.654光纖又稱為1550nm損耗最小光纖，它在λ＝1550nm處損耗系數(shù)很小，α＝0.2dB/km，光纖的彎曲性能好。主要用于無(wú)需插入有源器件的長(zhǎng)距離無(wú)再生海底光纜系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是制造困難，價(jià)格貴。G.654光纖的性能指標(biāo)與要求89性能模場(chǎng)直徑(μm)截止波長(zhǎng)(nm)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)損耗系數(shù)(dB/km)色散系數(shù)(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值8～11≤14801540~15651540~1565≤0.5≤0.24-181≤|D|≤4G.655光纖稱為非零色散位移光纖（NZDSF）。G.655光纖在1550nm波長(zhǎng)處有一低的色散（但不是最?。?，能有效抑制“四波混頻”等非線性現(xiàn)象。適用于速率高于10Gb/s的使用光纖放大器的波分復(fù)用系統(tǒng)。G.655光纖的性能指標(biāo)與要求G.655光纖G.655A：支持200GHz及其以上間隔的DWDM系統(tǒng)在C波段的應(yīng)用；G.655B：支持以10Gbit/s為基礎(chǔ)的100GHz及其以下間隔的DWDM系統(tǒng)在C和L波段的應(yīng)用；G.655C：能滿足100GHz及其以下間隔DWDM系統(tǒng)在C、L波段的應(yīng)用，又能使N×10Gbit/s系統(tǒng)傳送3000km以上，或支持N×40Gbit/s系統(tǒng)傳送80km以上，除了PMDQ為0.20ps/km1/2之外，其他同G.655B。9091性能模場(chǎng)直徑(μm)截止波長(zhǎng)(nm)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)損耗系數(shù)(dB/km)色散系數(shù)(ps/nm·km)1310nm1550nm1310nm；1550nm1310nm;1550nm要求值811≤12701310;15501310~1550≤0.5；≤0.4≤1；≤1為充分開發(fā)和利用光纖的有效帶寬，需要光纖在整個(gè)光纖通信的波長(zhǎng)段（1310～1550nm）能有一個(gè)較低的色散，G.656色散平坦光纖就是能在1310～1550nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)低的色散（≤1ps/nm·km）的一種光纖。G.656光纖的性能指標(biāo)與要求92性能模場(chǎng)直徑(μm)截止波長(zhǎng)(nm)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)損耗系數(shù)(dB/km)色散系數(shù)(ps/nm·km)1550nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值6≤1260>15501550≤1.0-80-150DCF是一種具有很大負(fù)色散系數(shù)的光纖，用來(lái)補(bǔ)償常規(guī)光纖工作于1310nm或1550nm處所產(chǎn)生的較大的正色散。DCF（色散補(bǔ)償光纖）的性能指標(biāo)與要求G.657光纖以G.652光纖為代表的單模光纖由于受彎曲半徑的限制，光纖不能隨意地進(jìn)行小角度拐彎安裝，因此敷設(shè)和施工技術(shù)要求較高，特別是對(duì)于光纖接入環(huán)境急需彎曲半徑更小的光纖。為此ITU-T開發(fā)了用于接入網(wǎng)的低彎曲損耗敏感的G.657光纖。G.657光纖的彎曲半徑可達(dá)5～10mm，可以像銅纜一樣沿著建筑物內(nèi)很小的拐角安裝（直角拐彎），可以有效降低了光纖布線的施工難度和成本。9394圖2-27常用光纖色散特性95本章小結(jié)及知識(shí)點(diǎn)光纖的基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)光纖單模傳輸條件及截止波長(zhǎng)射線分析法及臨界角和接收角光纖主要傳輸參數(shù)及其含義光纖非線性效應(yīng)概念G.652、G.653和G.655等光纖的主要性能指標(biāo)光纖通信系統(tǒng)97光發(fā)送機(jī)的作用是將由數(shù)字復(fù)用設(shè)備來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號(hào)，并將光信號(hào)耦合進(jìn)光纖后進(jìn)行傳輸。光發(fā)送機(jī)的核心部件是光源。目前，光纖通信系統(tǒng)均采用半導(dǎo)體激光二極管（LD）和發(fā)光二極管（LED）作為光源。這類光源的特點(diǎn)是體積小，與光纖之間的耦合效率高，響應(yīng)速度快，可以在較高速率條件下進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)制。本章著重介紹包括半導(dǎo)體激光二極管和發(fā)光二極管的光源工作原理和特性，以及光發(fā)送機(jī)的工作原理。本章教學(xué)課時(shí)4學(xué)時(shí)。第三章光源和光發(fā)送機(jī)983.1半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管1.激光的產(chǎn)生及其物理基礎(chǔ)自然界中的一切物質(zhì)都是由原子組成。不同物質(zhì)的原子各不相同。原子由一個(gè)帶正電荷的原子核和若干個(gè)帶負(fù)電荷的電子組成。圍繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)的電子的運(yùn)動(dòng)軌道不是連續(xù)可變的，電子只能沿著某些可能的軌道繞核運(yùn)轉(zhuǎn)，而不能具有任意的軌道。但可以在外界作用下，從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道，這種過程稱為躍遷。由于電子軌道與軌道之間是不連續(xù)的，并且每一軌道具有確定的能量。它的能量也是不連續(xù)的，離核較近的軌道對(duì)應(yīng)的能量較小，離核較遠(yuǎn)的軌道所對(duì)應(yīng)的能量較大，原子的這一內(nèi)部能量值稱為原子的一個(gè)能級(jí)。通常我們用若干水平線來(lái)表示電子所處的狀態(tài)，這就是所謂的能級(jí)圖。99圖3-1能級(jí)圖100躍遷如果原子中的兩個(gè)能級(jí)滿足一定的條件，則可能出現(xiàn)下述情況：一個(gè)處于高能級(jí)E2的電子，發(fā)射一個(gè)能量為E＝hf＝E2-E1的光子，結(jié)果這個(gè)電子回到低能級(jí)E1。一個(gè)處于低能級(jí)E1的電子，從外界吸收一個(gè)能量為E＝hf=E2-E1的光子，結(jié)果這個(gè)電子被激發(fā)到高能級(jí)E2。這種電子由于發(fā)射或吸收光子而從一個(gè)能級(jí)改變到另一個(gè)能級(jí)稱為輻射躍遷。但原子發(fā)射或吸收光子，只能出現(xiàn)在某些特定的能級(jí)之間。101受激吸收和受激輻射當(dāng)處于低能級(jí)E1的電子，受到光子能量恰好為E＝hf＝E2-E1的外來(lái)入射光的照射時(shí)，電子吸收一個(gè)這種光子，而躍遷到高能級(jí)E2，這稱為光的受激吸收，如圖3-2(a)所示。當(dāng)處于高能級(jí)E2的電子，在受到光子能量恰好為E＝hf＝E2-E1的外來(lái)入射光的照射時(shí)，電子在入射光子的刺激下，躍遷回到低能級(jí)E1，而且輻射出一個(gè)與入射光子有相同頻率、相同相位和相同傳播方向的光子，這種類型的躍遷稱為受激躍遷，其輻射稱為受激輻射。102圖3-2受激吸收和輻射103粒子數(shù)正常與反轉(zhuǎn)分布在通常情況下，處于高能級(jí)的粒子數(shù)總是遠(yuǎn)少于處于低能級(jí)上的粒子數(shù)，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)的正常分布。由于低能級(jí)上的電子數(shù)較多，所以總是光的受激吸收占優(yōu)勢(shì)，也就是光總要受到衰減。要獲得光的放大，必須設(shè)法使光的受激輻射占優(yōu)勢(shì)。也就是要使電子在能級(jí)上的分布一反常態(tài)，使處于高能級(jí)上的電子數(shù)目遠(yuǎn)多于低能級(jí)的電子數(shù)目，這可以給予額外的能量，把處于低能級(jí)的電子激發(fā)到高能級(jí)上去。這種處于高能級(jí)的電子數(shù)量多于低能級(jí)電子數(shù)量的分布叫做“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”。104粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布必要條件：多能級(jí)物質(zhì)*當(dāng)用hf31＝E3-E1的外界激勵(lì)去激發(fā)激光物質(zhì)時(shí)，處在低能級(jí)E1上的電子被激發(fā)到了高能級(jí)E3上，但因在E3能級(jí)上壽命很短，很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)級(jí)E2上，結(jié)果在E2與E1之間形成“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”。這種處于E2亞穩(wěn)能級(jí)上的電子是不穩(wěn)定的，它可以自發(fā)躍遷到低能級(jí)E1而輻射出頻率為f21＝E2-E1／h的光子。思考：什么兩能級(jí)物質(zhì)無(wú)法形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？105粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布形成示意圖106激光的形成有了“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”的條件，就有可能實(shí)現(xiàn)光的放大。那么，如何使光的放大轉(zhuǎn)為光的振蕩，成為激光光源呢？把激光物質(zhì)放置在由兩個(gè)反射鏡組成的光諧振腔之間，利用兩個(gè)面對(duì)面的反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)光的反饋放大，使其產(chǎn)生振蕩。光諧振腔的軸線與激光物質(zhì)的軸線相合。其中一個(gè)反射鏡(M1)要求有100%的反射率，另一個(gè)(M2)要有95％左右的反射率，即允許有部分的光透射。107圖3-3激光的形成108形成激光的三個(gè)必要條件激光LASER是受激輻射的光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的縮寫。用來(lái)產(chǎn)生激光的裝置，就叫做激光器。由此可見，任何一種激光器，都必須包括下列三個(gè)最基本的部分：

工作物質(zhì)——激光器的組成核心，也就是發(fā)光物質(zhì)。

光學(xué)共振腔——形成激光振蕩，輸出激光。

激勵(lì)系統(tǒng)——將各種形式的外界能量轉(zhuǎn)換成激光光能，通常是激光器的電源。1092.半導(dǎo)體激光器的基本原理用半導(dǎo)體材料做激光物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器。能夠產(chǎn)生受激輻射的半導(dǎo)體材料有許多，而當(dāng)前在光纖通信方面用得較多的是砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體材料是一種單晶體。在晶體中，原子是緊密地按照一定規(guī)則排列。各原子最外層的軌道互相重迭，使半導(dǎo)體材料的能級(jí)已不像前述的單個(gè)原子那樣的分立的能級(jí)，而變成了能帶。110補(bǔ)充知識(shí)：泡利不相容原理泡利不相容原理：每個(gè)能級(jí)只允許兩個(gè)自旋相反的電子占有。根據(jù)泡利不相容原理，固體材料中電子的基態(tài)能級(jí)和激發(fā)態(tài)能級(jí)將分裂成能帶。對(duì)半導(dǎo)體，基態(tài)能級(jí)分裂成價(jià)帶，激發(fā)態(tài)能級(jí)分裂成導(dǎo)帶。價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一個(gè)電子不能具有的能量區(qū)間，稱為禁帶。111圖3-5半導(dǎo)體能帶圖112半導(dǎo)體激光器工作原理半導(dǎo)體激光器的核心部分是一個(gè)PN結(jié)。這個(gè)PN結(jié)是高度摻雜的，P型半導(dǎo)體中空穴極多，N型半導(dǎo)體中自由電子極多。半導(dǎo)體中的載流子是由導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴產(chǎn)生的。

導(dǎo)帶價(jià)帶EgEvEc禁帶導(dǎo)帶電子價(jià)帶空穴113圖3-6高摻雜的PN結(jié)P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)擴(kuò)散漂移114勢(shì)壘的形成高摻雜的PN結(jié)中，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在靠近界面的地方剩下帶正電的離子。P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在靠近界面的地方剩下帶負(fù)電的離子。因此在P型和N型半導(dǎo)體交界的兩側(cè)形成了帶相反電荷的區(qū)域，稱為“空間電荷區(qū)”。在P型和N型半導(dǎo)體交界的兩側(cè)形成了一個(gè)電場(chǎng)叫“自建場(chǎng)”。方向由N區(qū)指向P區(qū)。與此相應(yīng)，在結(jié)的兩邊產(chǎn)生一個(gè)電位差VD叫做勢(shì)壘，它阻礙空穴和電子進(jìn)一步擴(kuò)散，最后達(dá)到平衡。由于勢(shì)壘VD的存在，使得P區(qū)的能級(jí)比N區(qū)提高了eVD(e是電子能量)。由于高度摻雜，空間電荷區(qū)的正負(fù)電荷很多，勢(shì)壘VD很大，以使N型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的底部能級(jí)(EC)N。比P型半導(dǎo)體價(jià)帶頂部能級(jí)(EV)P還要低。115費(fèi)米能級(jí)能級(jí)越低，電子占據(jù)的可能性就越大，理論分析指出：存在著某一能級(jí)EF，叫做費(fèi)米能級(jí)。對(duì)于EF以下的所有能級(jí)，例如在N區(qū)導(dǎo)帶中EF和(EC)N之間各能級(jí)電子占據(jù)的可能性大于1／2。對(duì)于EF以上的所有能級(jí)，則在P區(qū)價(jià)帶中，EF和(EV)P之間各能級(jí)電子占據(jù)的可能性小于1／2?？偟膩?lái)說(shuō)，N區(qū)導(dǎo)帶底(EC)N以上到費(fèi)米能級(jí)EF之間這個(gè)區(qū)域內(nèi)的電子數(shù)多于P區(qū)價(jià)帶頂以下到費(fèi)米能級(jí)EF以上區(qū)域內(nèi)的電子數(shù)（即此時(shí)是粒子數(shù)的正常分布）。116圖3-7外加正向電壓時(shí)的PN結(jié)117正向電壓減小和抵消勢(shì)壘作用外加正向電壓破壞了原來(lái)的平衡，使費(fèi)米能級(jí)分離。在N區(qū)(EF)N以下各能級(jí)，電子占據(jù)的可能性大于1／2。在P區(qū)對(duì)于(EF)P以上的各能級(jí)，空穴占據(jù)的可能性大于1／2，因此，當(dāng)PN結(jié)上加足夠的正向電壓，保證電流足夠放大時(shí)，P區(qū)的空穴和N區(qū)中的電子大量地注入結(jié)區(qū)，在PN結(jié)的空間電荷區(qū)附近就存在一個(gè)電子反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域叫做“有源區(qū)”或“作用區(qū)”。在有源區(qū)內(nèi)，由于電子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在自發(fā)輻射的激發(fā)下，產(chǎn)生的受激輻射大于受激吸收。一個(gè)光子會(huì)不斷激發(fā)出更多完全相同的光子，起了光放大作用。118閾值（thresholdvalue）只有足夠大的正向電壓，保證電流足夠大時(shí)，才能產(chǎn)生激光。當(dāng)電流較小時(shí)，注入結(jié)區(qū)的電子和空穴也較少，輻射小于吸收，增益系數(shù)G<0，只能出現(xiàn)普通的熒光。電流逐漸加大，注入結(jié)區(qū)的電子和空穴增多，到了G>0，就出現(xiàn)光放大現(xiàn)象。這時(shí)發(fā)射很亮的熒光。如果增益不足以克服諧振腔的損耗，仍不能在腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩。只有當(dāng)注入的電流增大到增益足以補(bǔ)償損耗時(shí)，才能產(chǎn)生譜線尖銳、模式明確的振蕩。剛開始產(chǎn)生激光的（注入）電流稱為激光器的閾值電流。119圖3-8注入電流與光功率的關(guān)系120異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器若半導(dǎo)體激光器的P區(qū)和N區(qū)是同一種物質(zhì)（如GaAs），稱為同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，其閾值電流密度Jth很大（室溫下Jth≥5×104A·cm-2），難以在室溫條件下連續(xù)工作。Why？為了提高激光器的功率和效率，降低閾值電流，使用了異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體激光器。所謂“異質(zhì)結(jié)”，就是由兩種材料（例如砷化鎵GaAs和砷鎵鋁GaAlAs兩種材料）構(gòu)成的PN結(jié)。采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)后，Jth可降至約103A·cm-2量級(jí)。1213.半導(dǎo)體激光器的主要特性（1）閾值（2）激光器效率（3）溫度特性（4）縱模特性－光譜特性122（1）閾值半導(dǎo)體激光器是一個(gè)閾值器件，它的工作狀態(tài)隨注入電流的不同而不同。只有當(dāng)外加激勵(lì)的能源功率（一般為電能源）超過某一臨界值時(shí)，激光物質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到了一定程度，激光器才能克服光諧振腔內(nèi)的損耗而產(chǎn)生激光。此臨界值就稱為激光器的閾值。

閾值電流Ith：當(dāng)注入電流大于Ith時(shí)，激光器方可激發(fā)出激光。在實(shí)際使用中，外加激勵(lì)能源剛達(dá)到閾值時(shí)雖有激光輸出但很弱。對(duì)激光器而言，希望其閾值電流越小越好，因?yàn)殚撝惦娏餍?，要求的外加激?lì)能源就小，激光器本身發(fā)熱就少。123（2）激光器效率可用功率轉(zhuǎn)換效率和量子效率衡量激光器轉(zhuǎn)換效率的高低。

功率轉(zhuǎn)換效率定義為：輸出光功率與消耗的電功率之比，表示式為：

式中：Pex——激光器發(fā)射的光功率Vj——激光器的結(jié)電壓（PN結(jié)正向電壓）Rs——激光器的串聯(lián)電阻（包括半導(dǎo)體材料電阻和接觸電阻）I——注入電流

量子效率定義為：輸出光子數(shù)與注入電子數(shù)之比，表示為124（3）溫度特性半導(dǎo)體激光器的閾值電流、輸出光功率和發(fā)光波長(zhǎng)隨溫度而變化的特性稱為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大。這是因?yàn)闇囟壬仙巩愘|(zhì)結(jié)勢(shì)壘的載流子限制作用下降，因此激光器的閾值電流增大。閾值電流與溫度的變化關(guān)系可以表示為：

(3-4)式中：T為器件的絕對(duì)溫度，I0為常數(shù)，T0為激光器材料的特征溫度。對(duì)于GaAs-GaAlAs半導(dǎo)體激光器，T0＝100～150K，InGaAsP-InP激光器T0＝40～70K。T0越大，器件的溫度特性越好。半導(dǎo)體激光器的閾值電流還與其器件的老化程度有關(guān)。隨著激光器工作時(shí)間增長(zhǎng)，器件老化，其閾值電流不斷增加。125圖3-13不同溫度下激光器的P-I曲線126圖3-14P-I特性曲線隨器件老化變化情況127半導(dǎo)體激光器的縱向光場(chǎng)不是以行波形式傳輸，而是成駐波形式振蕩。因此，激光器輸出的是一系列模式明確，譜寬很窄，功率不同、尖銳的譜線，稱為激光器的縱模。對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)注入電流低于閾值時(shí)，發(fā)射光譜以自發(fā)輻射為主，發(fā)出的是熒光，譜寬很寬，其光譜寬度常達(dá)數(shù)十nm。當(dāng)注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益大于損耗，激光器產(chǎn)生激光振蕩，輸出光譜呈現(xiàn)出以一系列振蕩模式——縱模。其發(fā)射光譜變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，激光器輸出功率越大，其發(fā)射光譜越窄，譜線中心強(qiáng)度越大。（4）縱模特性－光譜特性128圖3-16半導(dǎo)體激光器的輸出光譜a）低于閾值b）高于閾值c）單縱模LD1294.單縱模半導(dǎo)體激光器普通的F-P腔激光器采用自然解理的反射鏡實(shí)現(xiàn)光反饋，這種激光器端面光反饋不具有波長(zhǎng)選擇性，其模選擇性差，為多縱模輸出?？梢栽诩す馄髦幸牍鈻牛霉鈻艑?duì)光波長(zhǎng)的選擇性反饋來(lái)提高模的選擇性，實(shí)現(xiàn)單縱模輸出，這種激光器稱為分布反饋（DFB）激光器。DFB激光器在靠近有源層沿長(zhǎng)度方向刻有波紋狀的光柵。其光的反饋是通過折射率周期性變化的光柵產(chǎn)生的布拉格衍射得到，并使正向和反向傳播的光波相互耦合使其產(chǎn)生激光振蕩。光的反饋是沿有源層在整個(gè)光腔長(zhǎng)度上分布進(jìn)行的，所以稱為分布反饋（DFB）激光器。130DFB和DBR激光器結(jié)構(gòu)示意131商用化（封裝）激光器示例1323.1.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管除了半導(dǎo)體激光器（LD）外，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是另一種常用的光源器件。LED的工作原理與LD基本相同，只是結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別。LED也采用雙異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，但沒有諧振腔，它發(fā)出的是自發(fā)輻射光，而不是激光，其光譜線寬度比LD的譜線寬度要寬，因而色散較大，傳輸帶寬小，發(fā)出的功率小。但是LED的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低，發(fā)射功率與溫度的關(guān)系小，性能較穩(wěn)定，因此在小容量、短距離的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。133圖3-22雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)

面發(fā)光型

邊發(fā)光型134LED的工作特性與半導(dǎo)體激光器的P-I特性相比，LED沒有閾值，其線性范圍較大。在注入電流較小時(shí)，曲線基本上是線性的，當(dāng)注入電流較大時(shí)，由于PN結(jié)的發(fā)熱而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。135圖3-23LED的P-I特性136發(fā)光二極管輻射圖形137小結(jié)：LED特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：輸出光功率線性范圍寬(P-I特性)性能穩(wěn)定壽命長(zhǎng)制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉缺點(diǎn)：輸出光功率較小

譜線寬度較寬

調(diào)制頻率較低LED器件在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用1383.2光源調(diào)制要實(shí)現(xiàn)光纖通信，首先要解決如何將光信號(hào)加載到光源的發(fā)射光束上，即需要進(jìn)行光調(diào)制。經(jīng)調(diào)制后的光波經(jīng)過光纖送至接收端，進(jìn)行光解調(diào)，還原出原來(lái)的信號(hào)。

1393.2.1光源的調(diào)制方式光源調(diào)制可以分為直接調(diào)制和間接調(diào)制。這里的直接和間接可以理解為調(diào)制信號(hào)加載在光載波的方式。1401.直接調(diào)制直接調(diào)制方法僅適用于半導(dǎo)體光源（LD和LED），這種方法是把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)。光纖通信系統(tǒng)中傳播的光，可以視為光頻載波，電信號(hào)對(duì)光源器件的直接調(diào)制方式，使光源發(fā)出的光載波功率大小在時(shí)間上隨驅(qū)動(dòng)電流變化而變化。這種方式是直接/強(qiáng)度調(diào)制，簡(jiǎn)稱IM（IntensityModulation）。1412.間接調(diào)制間接調(diào)制是利用晶體的光電效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輻射的調(diào)制。這種調(diào)制方式既適用于半導(dǎo)體激光器，也適用于其它類型的激光器。間接調(diào)制最常用的是外調(diào)制的方法，即在激光形成后加載調(diào)制信號(hào)。它是在激光器諧振腔外的光路上放置調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制信號(hào)電壓，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)由光源發(fā)出的激光通過它時(shí)，得到調(diào)制。直接調(diào)制會(huì)引入頻率啁啾，即光脈沖的載頻隨時(shí)間變化。由于帶啁啾的光脈沖在光纖中傳輸時(shí)會(huì)加劇色散展寬，因此對(duì)于傳輸速率達(dá)到10Gbit/s及以上系統(tǒng)需要考慮采用間接調(diào)制，此外相干光通信系統(tǒng)也需要采用間接調(diào)制。1423.2.2光源的直接調(diào)制原理直接調(diào)制方法適用于半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管。這是因?yàn)榘l(fā)光二極管和激光器的輸出光功率（對(duì)激光器來(lái)說(shuō)，是指閾值以上的線性部分）基本上與注入電流成正比，而且電流的變化轉(zhuǎn)換為光頻調(diào)制也是線性調(diào)制，所以可以通過注入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。143圖3-27模擬信號(hào)調(diào)制原理144圖3-28數(shù)字信號(hào)調(diào)制原理145間接調(diào)制示例146直接調(diào)制和間接調(diào)制示例1473.3光發(fā)送機(jī)光端機(jī)主要由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)和輔助電路三大部分組成。由圖3-29可知，光發(fā)送機(jī)由輸入接口，光線路碼型變換和光發(fā)送機(jī)等組成。光接收機(jī)由光接收、定時(shí)再生、光線路碼型反變換和輸出接口等組成。光端機(jī)中的輔助電路由公務(wù)、監(jiān)控、告警、輸入分配、倒換、區(qū)間通信等組成。此外，不論是光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)還是輔助電路，都必須有電源轉(zhuǎn)換，將通信機(jī)房中的直流電源轉(zhuǎn)換為光端機(jī)所需的電源。148圖3-29光端機(jī)功能原理框圖1493.3.1光端機(jī)主要構(gòu)成及其作用輸入接口光線路碼型變換光發(fā)送電路光接收電路定時(shí)再生光線路碼型反變換輸出接口公務(wù)、監(jiān)控、告警、倒換、輸入分配、區(qū)間通信、電源等1503.3.2光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)由輸入電路和光發(fā)送電路組成。輸入電路由輸入接口電路與光線路碼型變換電路組成。光發(fā)送電路的主要作用是將經(jīng)過線路編碼的電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，即完成電／光變換，并從光源的尾纖送出光信號(hào)注入光纖線路。1511.輸入電路輸入電路由輸入接口電路與光線路碼型變換電路組成。輸入接口是光端機(jī)的入口電路。PCM數(shù)字復(fù)用設(shè)備的輸出信號(hào)經(jīng)電纜連接到光端機(jī)的輸入端。輸入接口除了正常應(yīng)該考慮信號(hào)幅度大小和阻抗外，特別應(yīng)注意信號(hào)脈沖碼型。PCM電端機(jī)輸出碼型(即光端機(jī)輸入接口的接口碼型)為雙極性碼，在光纖系統(tǒng)中不宜使用。所以，需在輸入接口中將其變成適合于光纖線路中傳輸?shù)膯螛O性碼。152圖3-30輸入接口與碼型變換框圖153線路碼型變換普通的二進(jìn)碼(NRZ)在傳輸時(shí)會(huì)存在下列問題：如碼流中連“0”，連“1”數(shù)太大，將減少信號(hào)中的離散定時(shí)分量，使接收機(jī)的時(shí)鐘提取比較困難。如碼流中“0”，“1”分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致直流分量波動(dòng)起伏，即基線漂移，影響判決電路對(duì)信號(hào)的再生。因數(shù)字序列沒有預(yù)定規(guī)律，不可能在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行不中斷通信誤碼檢測(cè)。為了解決上述問題，光纖線路碼型要特別設(shè)計(jì)。154線路碼型選擇原則傳輸碼型有足夠的定時(shí)含量，減少連“0”和連“1”數(shù)，便于時(shí)鐘提取。傳輸碼型應(yīng)有不中斷業(yè)務(wù)進(jìn)行誤碼檢測(cè)的能力。傳輸碼型應(yīng)力求降低線路傳輸?shù)拇a率，或線路傳輸碼率的提高應(yīng)盡可能的少?？垢蓴_性好，能使可檢測(cè)的光功率減至最小。傳輸碼型的實(shí)施，應(yīng)力求簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)。傳輸中發(fā)生誤碼時(shí)，誤碼擴(kuò)散范圍或誤碼增值低。155常用的線路碼型擾碼二進(jìn)制字變換碼插入型碼156擾碼二進(jìn)制擾碼二進(jìn)制即是將輸入的二進(jìn)制NRZ碼進(jìn)行擾碼后輸出仍為二進(jìn)制碼。在系統(tǒng)的調(diào)制器前，加一個(gè)擾碼器，將原始的碼序加以變換，使其接近于隨機(jī)序列，相應(yīng)的在接收機(jī)的判決器后，附加一個(gè)解擾器，以便恢復(fù)原始序列。擾碼可以改變碼流中的“1”碼和“0”碼的分布，能改善碼流的特性。157字變換碼字變換碼是將輸入二進(jìn)制碼分成一個(gè)個(gè)“碼字”，輸出用對(duì)應(yīng)的另一種“碼字”來(lái)代替。常用的是分組碼的一種型式mBnB碼，它將輸入碼每m比特為一組，然后變換成另一種n比特為一組的傳輸碼。在接收端再進(jìn)行變換，從而恢復(fù)為原來(lái)的信號(hào)。n、m均為正整數(shù)，且n>m。于是引進(jìn)了一定的富余度，以滿足線路碼的基本要求。158mBnB碼的編碼原理以3B4B碼來(lái)介紹mBnB碼的基本原理。3B4B碼，是將輸入信號(hào)碼流分成3B（bit）一組，它有23=8種狀態(tài)，然后編寫為4B碼，有24=16種狀態(tài)：我們從16種狀態(tài)中選出若干種代表3B碼的8種狀態(tài)，如表3-1所示。159表3-13B和4B的碼字3B碼4B碼0123456700000101001110010111011101234567000000010010001101000101011001118910111213141510001001101010111100110111101111160碼字?jǐn)?shù)字和(WDS)如果用“-1”表示字中的“0”，用“+1”表示字中的“1”，則將每個(gè)數(shù)字的代數(shù)和“字?jǐn)?shù)字和”記為“WDS”。例如：“1000”可寫成(+1)+(-1)+(-1)+(-1)＝-2，即字“1000”的WDS＝-2。若其代數(shù)和為0時(shí)，稱為均等，其代數(shù)和為正或?yàn)樨?fù)時(shí)，稱為不均等。mBnB碼的基本原理就是通過采取交替使用不同模式的編碼，使碼字的不均值得到平衡，以限制整個(gè)傳輸碼流的累計(jì)不均。161表3-2WDS值分類類別WDS=0WDS=+2WDS=-2WDS=+4WDS=-4狀態(tài)00110101011010011010110001111011110111100001001