武汉理工大学-光纤通信第04章 中继器
光纤通信课件第四章1概要
（9）其他保护、监测电路：如光源过流保护电路、无光告警电
路、LD偏流（寿命）告警等。
8
4.1.2 光源的调制
光纤通信
1．光源
光源的作用是产生作为光载波的光信号，对光源的要求是： ① 发送光波的中心波长应在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。 光谱的谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 ② 电/光转换效率高，发送光束方向性好，以提高耦合效率。 ③ 允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统大的传输 容量。 ④ 器件的温度稳定性好，可靠性高，寿命长。 ⑤ 器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。
自脉动现象
自脉动现象——当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出 现持续等幅高频振荡的现象 。它是由于激光器内部不均匀 增益或不均匀吸收产生的，与P-I特性的扭折区域相对应。 自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制。
14
4.1.2 光源的调制
光纤通信
电 光 延 迟td、 张 弛 振 荡 频 率 r 和 幅 度 衰 减 时 间 0的表达式为：
25
4.1.4 温度特性及自动温度控制 光纤通信
图4-11 温度引起的光功率输出的变化 图4-12 结发热效应
26
4.1.4 温度特性及自动温度控制 光纤通信
2．光源的自动温度控制（ATC）
（1）温度控制装置的组成 温度控制装置由致冷器、热敏电阻和控制电路组成，图4-13示
出了温度控制装置的方框图。
T（环境） T（LD） RT
I（制冷器） T（LD）
29
4.1.4 温度特性及自动温度控制 光纤通信
注：温度控制只能控制温度变化引起的输出光功率的变化，不
能控制由于器件老化而产生的输出功率的变化。 对于短波长激光器，一般只需加自动功率控制电路即可。 对于长波长激光器，由于其阀值电流随温度的漂移较大，因此，
武汉理工大学光纤通信实验材料.
U42、U43、U44、U45
四个拨码开关，可改变四路NRZ码的值。
（注：与端口相关测试钩不另作说明）
6.数字信号源终端模块
解固定速率时分复用模块将固定速率时分复用后的信号分解为四路NRZ码。
其中每个光条的前八位分别代表每一路NRZ码的八位，每个光条的最后两位无效。光条亮代表“1”，熄代表“0”。
IN1、IN2、IN3、IN4
变速率时分复用四路数据输入口
P113(按位复接输出)
PCM编码数字信号输出口
P111（IN）
HDB3编码模块NRZ码输入口
P112(OUT)
HDB3编码模块编码输出口
P131（IN）
HDB3译码模块译码输入口
P132、P133 (D1、D2)
HDB3译码模块两路NRZ码输出口
各部件功能说明：
P261、P262
数字信号输入口，输入信号0～5V。
P304、P305
模拟信号输入口，输入信号-5V～5V。
测试钩
TP265、TP266
自动光功率控制补偿电流测试点。详见实验十一
TP264、TP265
激光器电流测试点。详见实验十三
TP262
控制光功率自动补偿电路补偿电流的大小
单独模块实验时外加时钟输入口
P65(IN)
CMI译码模块CMI码输入口
P66(OUT)
CMI译码模块NRZ码输出口
P67(IN)
位时钟提取模块NRZ码输入口
P68(IN)
解扰码模块扰码输入口
P69(OUT)
解扰码模块NRZ码输出口
P70(IN)
HDB3编码模块NRZ码输入口
P72(OUT)
HDB3编码模块编码输出口
武汉理工大学光纤通信考试
11970年，光纤研究取得了重大突破，使光纤通信可以与同轴电缆通信竞争，从而展现了光纤通信的美好前景。
同时作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展，突破了把半导体激光器低温（-200℃）或脉冲激励条件下工作的研制，研制成功室温下振荡的镓铝砷双异质结半导体激光器（短波长），虽然寿命只有几个小时，但是它为半导体激光器的发展奠定了基础。
2光纤通信用的近红外光（波长为）频带宽度约为200THZ，在常用的和两个波长窗口频带宽度也在20THZ以上。
波分电磁波频谱3光纤通信优点1容许频带很宽，传输容量很大2损耗很小，中继距离很长且误码率很小3重量轻，体积小4抗电磁干扰性能好5泄露小，保密性好6节约金属材料，有利于资源合理使用4光纤通信系统的基本组成。
5直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，是输出光随电信号变化而实现的。
技术简单，成本较低，容易实现，但是调制塑速率受激光器的频率特性所限制。
外调制是把激光器的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。
调制速率快，技术复杂，成本高。
第二章1光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
2突变型光纤：纤芯折射率n1保持不变，到包层突然变为n2，故又称为阶跃折射率型光纤。
纤芯直径2a=50-80um，光线以折线形状沿纤芯中心轴方向传播，信号畸变大。
渐变型多模光纤：在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2.。
纤芯直径50um，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，信号畸变小。
单模光纤：折射率分布与突变性相似，纤芯直径8-10um，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。
这种光纤只能传输一个模式，称为单模光纤，信号畸变很小。
34不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现象叫做自聚焦效应。
渐变性多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。
光纤通信第五版_第四章讲义（ＰＤＦ）
4.1 电介质平板波导 4.2 对称平板波导中的模式 4.3 非对称平板波导中的模式 4.4 波导的耦合4.5 平板波导的色散和失真4.6 集成光器件 4.7 总结和讨论第4章 集成光波导4.5 平板波导的色散和失真除了材料色散导致的脉冲展宽以外，在波导中还有另外两种情况导致的脉冲展宽现象：波导色散和多模失真。
2▪波导膜厚度d 固定，对于线宽为Δλ=λ2-λ1光源，等效折射n eff率随波长变化，因此其波导中的速度也发生变化，最终导致脉冲展宽，该种现象称为波导色散。
4.5.1 波导色散 32λd λd ▪波导色散与材料色散同时存在▪波导色散与材料色散拥有同样的公式形式4波导色散： ()()24.4 /''λλλτ∆-=∆-=∆g eff M n cL ()()14.3 /''λλλτ∆-=∆-=∆M n cL 材料色散： 4.5.1 波导色散54.5.1 波导色散 ▪集合了材料色散和波导色散的总脉冲展宽可以写成：()()λτ∆+-=∆g M M L /▪因为材料色散M 有可能为负值(例如在石英玻璃中，当工作波长超过1300nm 时)，由色散引起的总脉冲展宽实际上有可能会因为波导色散的存在反而减小。
再次说明了为什么远距离高速传输时光源波长都比较大。
模式不同则传输路径不同，考虑一下这种现象的最糟情况， 即最低阶模式以90°角传播，最高阶模式以临界角传播。
设L 为波导长度。
注意，两个模式具有相同的波长。
4.5.2 多模失真n 1n 2 n 1 > n 2 最低阶模 L 2n 2θc高阶模L 1轴向模式传输时间：22112sin L L n L n θ==c (4.25)cLn v L t 1==轴向传输对于临界角传输：21sin L L θ=c 4.5.2 多模失真 所以临界角传输的总传输路径为c n Ln c n n Ln v n Ln 22112121t =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=临界角传输(4.26)临界角传输的总时间为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛21n n L 4.5.2 多模失真总延时为：2211)(cn n n n L -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆τ这就是同一波长的光波在波导中以不同模式传输时单位长度上的模式脉冲展宽时间。
光纤通信第五版_第四章讲义01
•
并不是所有大于临界角入射的光都会沿着这样的波导结构 传播
在衬底则有
E E 2e y d / 2 sint z
其中：y d / 2
•
•
只有以一定角ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ入射的光线才会在波导中传播，这些入射
角即与波导中的模式相对应 这些模式的存在，可以类似于第3 章中对谐振腔的分析来加 以理解。
hd m
（4）
5
2015/3/18
4.2 对称平板波导中的模式
4.2.3 TE模式图
对于偶TE模式，方程(4.10)的解为
hd m
hd m 2 hd m 0 2
2 arctan
2 n12 sin2 q1 n2 n1 cos q1
•
式 4.10的解为式4.11
hd tan 2
1 2 2 n cos q (n1 sin q ) n2 1
h k cos q
2n1
光线向下传播时的波前
n1
n2
光线向上传播时的波前
cos q
考察用实线表示的1 和2两条光线，它们属于同一平面波，垂 直于实线的虚线则是它们的等相位面。上图光线1上的A 点与光线 2 上的 C点处于同一等相面上，有相同的相位。
光线 2 从 CD经历的相位变化为： 2
光线 1 从 AB经历的相位变化为： 光线 2 从 C B 经历的相位变化为：
1 AB k0n1 2 2 2 CD k0n1
光线 1在B点反射并向上传播时的波前 光线 2 在D点未经反射时的波前
n2
A C
D
全光中继器原理
全光中继器原理
全光中继器是一种在光纤通信中使用的设备，它的作用是放大和处理光信号，以延长通信距离。
全光中继器采用掺铒光纤放大器（EDFA）作为核心器件，能够直接放大光信号，避免了传统中继器中光电转换和电放大等复杂过程。
具体来说，全光中继器通过检测从光纤中传输过来的弱光信号，将其转换为电信号，然后通过电子线路进行处理和放大。
最后，再将这些电信号激励光源，转换成较强的光信号，送入光纤继续传输。
全光中继器的原理基于光的干涉和衍射，通过控制光波的相位和振幅等参数，实现光信号的放大、整形和滤波等功能。
具体实现方式可以采用不同的光学元件和结构，如光栅、干涉仪、环形器等。
全光中继器的优点在于它可以实现高速、大容量、长距离的光纤通信，同时避免了光电转换和电放大等复杂过程，降低了成本和维护难度。
此外，全光中继器还可以支持多种不同的调制方式和多波长同时传输，提高了通信系统的灵活性和可靠性。
总之，全光中继器是光纤通信中不可或缺的重要设备之一，它的出现和发展对于推动光纤通信技术的进步和应用具有重要意义。
《光纤通信》课件第4章 无源光器件
其中光纤耦合器由于制作时只需要光纤， 不需要 其他光学元件， 具有与传输光纤容易连接且损耗较低、 耦合过程无需离开光纤， 不存在任何反射端面引起的 回波损耗等优点， 因而更适合光纤通信， 有时也称为 全光纤元件。 下面主要介绍光纤耦合器的原理和性能 参数。 2×2的耦合器是最基本的耦合单元， 其他的光 纤耦合器都可通过它级连而成， 所以我们重点讨论 2×2光纤耦合器。
图4.2 (a) D2>Ｄ1; (b) NA1>NA2; (c) MFD1>MFD2
4.1.2 光纤连接方法 光纤连接是指两根光纤之间的永久或半永久连接，
它的典型应用在于建立一个很长的光链路，或者用在 不需要经常连接和断开光纤的情况中。为了实施和计 算这样的连接，必须考虑的因素有两根光纤的几何差 异、 光纤在接点时的对准误差和接头的机械强度。 这 里介绍光纤通信中常用的连接方法。
1. 插入损耗
连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。 正如 前面所讨论的，存在各种可能的原因引起光的损耗。 为 了减小插入损耗，可使用三种方法。第一种方法是使用 保护套来最小化连接和拆开光缆时产生的弯曲损耗。第 二种方法是将加固件(例如芳香族聚酰胺线)与连接器连接 在一起，浙样就释放了光纤自身的张力。第三种方法就 是用插针体来保护裸光纤。
其中， Pj是在端口j的输出功率， Pi是端口i的输入 功率。 如果光功率从端口1输入， 则附加损耗等于：
Pex
(dB)
10
lg
P3
P4 P1
（4.4）
在理想状态下， 输出功率之和应该等于输入功率。 附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别， 因 此附加损耗应尽可能小。 对于正在讨论的耦合器， 依 赖于其类型， 典型附加损耗在0.06～0.15 dB之间变化。
简述光中继器的作用。
简述光中继器的作用。
光中继器（Optical Repeater）是一种用于增强光信号传输距离的设备。
其主要作用是放大光信号，以便克服光纤传输中的信号衰减。
以下是光中继器的主要作用：
1.信号放大：光信号在长距离传输过程中会受到衰减，即信号强
度逐渐减弱。
光中继器通过检测和放大光信号，使其恢复到足够强度，
确保信号能够在更长的距离内传输。
2.扩展传输距离：光中继器的主要目的之一是扩展光纤通信系统
的传输距离。
通过放大光信号，光中继器可以延长信号的传输范围，使
得光信号能够覆盖更大的地理区域。
3.提高信号质量：光中继器不仅可以放大光信号的强度，还可以
提高信号的质量。
这对于光通信系统中要求高质量数据传输的场景尤为
重要。
4.光信号再生：在长距离传输中，光信号可能会受到各种干扰和
失真。
光中继器可以在放大信号的同时，进行信号的重新生成和整形，
确保信号的准确性和稳定性。
5.降低信号延迟：光中继器在信号传输中起到缓冲和放大的作
用，有助于减小信号传输的延迟，提高实时性。
总体而言，光中继器在光纤通信系统中扮演着重要的角色，有效地解决了长距离传输中的信号衰减和质量问题，确保了光信号的可靠传输。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.1
一概念
g
g0 2 1 0 T22 P / Ps
4.1.1
光放大器通过受激发放大 入射光信号，其机理与激光器 的相同。的确，光放大器只是 一个没有反馈的激光器，其核 心是当放大器被光或电泵浦时， 使粒子数反转获得光增益。该 增益通常不仅与入射信号的频 率（或波长）有关，而且与放 大器内任一点的局部光强有关。 更具体来说，该频率和光强与 光增益的关系取决于放大器介 质。为了说明这个概念，让我 们考虑同质展宽两级系统增益 介质模型，这种介质的增益系 数可以写成
3
多年来，人们一直在 探索能否去掉上述光— 电—光转换过程，直接在 光路上对信号进行放大， 然后在传输，即用一个全 光传输型中继器代替目前 的这种光—电—光型再生 中继器。目前所研制的放 大器可分为两类，一类是 半导体光放大器（SOA）， 它是由半导体材料制成， 可看成是没有反馈的半导 体行波光放大器。另一类 是光纤放大器，它又包括 两种，
第四章 中继器
概述 4.1 一般概念 4.1.1 增益频谱和带宽 4.1.2 增益饱和 4.1.3 光放大器应用 4.2 半导体激光放大器 4.2.1 放大器设计 4.2.2 放大器特性 4.2.3 多信道应用 4.3 光纤喇曼放大器 4.4 光纤布里渊放大器 4.5 掺铒光纤放大器 4.5.1 掺饵光线的结构 4.5.2光纤放大器的工作原理 及其特性
举例来说，若半导体激光放大器的 为0.1ps ，此时。光通信系统对于增 益带宽很大的放大器感兴趣，因为 此时即使对于多信道放大，在整个 带宽内增益也几乎保持不变。放大 器增益G（有时也称放大系数）为
G Pout Pin
4.1.4
式中和分别是正在放大的连续 波（CW）信号的输入和输出功 率。我们可以使用式
4.1.6
由此式可知，信号功率随和指 数增长。对于长度为的放大 器， PL Pout，并使用式，可 以得到放大系数
ln 2 v A v g 4.1.8 g 0 L ln 2 如上面指出的那样，放大器带宽 要比增益带宽小些，其差取决于 放大器增益本身。
5
4.1.1增益频谱和带宽
小信号放大时，若，在式中， 可忽略项，增益系数变为
g0 g 2 1 0 T22
对于洛伦兹频谱曲线，增益带宽由 给出
1 vg 2 T2
g
4.1.3
4.1.2
该式表示当入射光频与原子跃 迁频率相同时增益最大。时增 益的减小由洛伦兹 （Lorentzian）分布曲线描 述，该曲线表示同质展宽两能 级系统的特性。下面我们将要 讨论，实际放大器的增益 频 谱可能与洛伦兹曲线稍有不同。 增益带宽定义为增益频谱曲线 半最大值全宽（FWHM，Full， Width at Half Maximum）。
G expg L
4.1.7
式中表示和均与频率有关。
7
增益饱和的起因是，在式(4.1.1)中功率与增益系数有关，
4.1.2 增 益 饱 和
8
当 P Ps 时，(4.1.1)式的g(ω)式简化为(4.1.2)式，此时g(ω) 称为小信号增益，因为入射信号功率较小，且在放大期间它也维持 较小值。因为当P接近Ps时g减小了，所以放大系数G也随着减小。 为简化讨论，让我们假定入射信号频率准确地调谐到原子跃迁频率 ω0，以便使小信号增益最大。式(4.1.5)中的g用式(4.1.1)取代就可 以得到 g0 P dP 4.1.9 dz 1 P Ps 使用初始条件 P0 Pin 、PL Pout GP in ，对上式积分就可 以得到大信号放大增益
1
第四章 中继器
4.5.3 掺饵光纤放大器的优点 4.5.4 EDFA的应用 4.5.5掺铒光纤放大器的增益和噪声测量 4.5.6 实用光放大器的构成及其技术指标 4.5.7EDFA在级联中可能出现的问题及其解决办法 4.6 光放大器设计和性能问题 4.6.1 直接检测光放大系统 4.6.2 相干光放大系统
一种是非线性光纤放大器， 它是利用强的光源对光纤进 行激发，使光纤产生非线性 效应而出现拉曼散射，在这 受激发的一段光纤的传输过 程中得到放大。另一种光纤 放大器是掺铒光纤放大器 （EDFA），铒（Er）是一 种稀土元素，将它注入到纤 芯中，即形成了一种特殊光 纤，它在泵浦光的作用下可 直接对某一波长的光信号进 行放大，因此称为掺铒光纤 放大器。掺铒放大器近年来 得到迅速发展，并被广泛采 用。
2
概述
首先，通信设备很复
杂，系统的稳定性和可 众所周知，任何光纤通 靠性不高，特别是在多 信系统的传输距离都是由光 信道光纤通信系统中更 纤损耗或色散所限制，因此， 为突出，因为每个信道 传统的光纤长途传输系统需 均需要进行波分解复用， 要每隔一定的距离就增加一 然后光—电—光变换， 个再生中继器以便保证信号 经波分复用后再送回光 纤信道传输，所需设备 的质量。这种再生中继器的 更复杂，费用更昂贵。 基本功能是进行光—电—光 其次，信号容易失真， 转换，并在光信号转变为电 信号时进行再生、整形和定 影响通信质量。 时处理，恢复信号形状和幅 最后，传输容量受到 度，然后再转换回光信号， 一定的限制 沿光纤线路继续传输。这种 方式有许多缺点。
dP gP z dz
4.1.5
6
获得的表达式，式中是距离 如输入端处的光功率。用初 始条件 P0 Pin 对上式直接 积分得到
Pz Pin expgz
当时，放大器增益和增益系数 均达到最大，且随的增大而下 降。放大器带宽定义为曲线半 最大值的全宽，与增益带宽的 关系是
式中，是由放大器泵浦电平决定的 峰值增益，是入射信号光频，是介 质原子跃迁频率，是正在放大的信 号光功率为饱和光功率。式中的称 作偶极子张弛时间，其值一般相当 小（0.1ps~1ns）。式可被用来讨 论光放大器的一些重要特性，例如 增益带宽、放大系数以及输出饱和 功率。首先，我们讨论放大期间增 益维持不饱和的情况。