第四章光纤通信系统42资料
光纤通信
第一章 概述1 用光导纤维进行通信最早在哪一年由谁提出? 1966年由英籍华人高锟提出。
2 光纤通信有哪些优点?频带宽、传输容量大；损耗小、中继距离长；重量轻、体积小； 抗电磁干扰性能好；泄漏小、保密性好；节约金属材料，有利于资源合理使用。
3 光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
点对点光纤通信系统通常由光发射机、光纤、光中继器和光接收机四部分组成，如下图所示：光放大器光纤信息光发射机的作用是把电信号转变为光信号注入光纤传输，它通常由复用器、调制器和光源组成。
复用器的作用是把多路信息信号复用为时分复用（TDM ）信号或频分复用（FDM ）信号。
调制器的作用是用复用信号直接调制（IM ）激光器（LD ）的光强，或通过外调制器调制 LD 的相位。
光源是把电信号转换为光信号，以便在光纤中传输。
光接收机的作用是把经光纤传输后的微弱光信号转变为电信号，对其放大并解调出原基带信号。
光中继器的作用是对经光纤传输衰减后的信号进行放大。
光中继器有光-电-光中继器和全光中继器。
如需对业务进行分出和插入，可使用光-电-光中继器；如只要求对光信号进行放大，则可以使用光放大器。
光纤是光信号传输的介质。
4 简述通信网络的分层结构。
P125 简述通信网络的发展过程。
P8第二章 光纤和光缆1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理。
当入射角超过临界角时，没有透射光，只有反射光，这就是多模光纤波导传输光的原理。
2 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型？多模光纤和单模光纤3 什么叫多模光纤？什么叫单模光纤？如果光纤只支持一个传导模式，则称该光纤为单模光纤。
相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤。
4 光纤传输电磁波的条件有哪2个？光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。
5 造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些可以改善的？最小损耗在什么波长范围内？引起光纤衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。
第4章光纤通信系统介绍
1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑥ 调制(驱动) • 经过扰码后的数字信号通过调制电路对光源进 行调制，让光源发出的光信号强度跟随信号码 流的变化，形成相应的光脉冲送入光纤。
12
1．光发射机
(3) 光发射机的组成方框图和各部分功能 ⑦ 自动功率控制 • 由于老化等因素的影响，使得光发射机的光源 在使用一段时间之后，出现输出光功率降低的 • 为了保持光源输出功率的稳定，在光发射机中 常使用自动功率控制(APC)电路。
27
2．光接收机
• 图4-10 时钟恢复电路方框图
28
2．光接收机
• 图4-11 时钟恢复电路波形图
29
2．光接收机
• 图4-12 NRZ码的功率谱密度分布图
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2．光接收机
• 图4-13 RZ码功率谱密度分布图
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2．光接收机
• 图4-14 一种非线性处理电路
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2．光接收机
• 图4-15 非线性处理电路中的波形图
24
2．光接收机
• 图4-8 单个脉冲均衡前后波形的比较
25
2．光接收机
⑤ 判决器和时钟恢复电路 • 判决器由判决电路和码形成电路构成。 • 判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电 路。 • 脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号恢 复成理想的数字信号
26
2．光接收机
• 图4-9 信号再生示意图
48
（1）衰减对中继距离的影响
• 一个中继段上的传输衰减包括两部分，其一是 光纤本身的固有衰减，再者就是光纤的连接损 耗和微弯带来的附加损耗。 • 构成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包 括两大类：吸收损耗和散射损耗。 • 引起光纤损耗的因素还有光纤弯曲和微弯产生 的损耗以及纤芯与包层中的损耗等等。
光纤通信复习（各章复习要点）
光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。
A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。
A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。
A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。
光纤通信系统
系统中仅具有原则旳电接口，而无原则旳光接口。 • 但在SDH系统中，SDH信号速率与其线路速率是相同
旳。
4
4.1.2 IM-DD光纤通信系统旳构 造
1．光发射机 2．光接受机 3．光纤通信系统
5
1．光发射机
(1) 光源旳调制特征 • 光源所采用旳调制方式涉及内调制和外调制
第4章 光纤通信系统
4.1 IM-DD光纤通信系统 4.2 衰减和色散队中继距离旳影响 4.3 噪声及敏捷度分析
1
4.1 IM-DD光纤通信系统
4.1.1 光纤通信中旳线路码型 4.1.2 IM-DD光纤通信系统旳构造
2
4.1.1 光纤通信中旳线路码型
• 在数字光纤通信系统中所传播旳信号是数字信 号，而由互换机送来旳电信号符合ITU-T所要求 旳脉冲编码调制(PCM)通信系统中旳接口码速 率和码型 。
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2．光接受机
⑥ 光接受机旳动态范围和自动增益控制 • 光接受机旳自动增益控制(AGC)就是用反馈环路来控
制主放大器旳增益，在采用雪崩管旳光接受机中还经 过控制雪崩管旳高压来控制雪崩管旳雪崩增益。
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2．光接受机
• 图4-23 自动增益控制工作原理方框图
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2．光接受机
⑦ 解扰、解复用和码型变换电路 • 在光发射机中首先进行码型变换。 • 在光发射机中对数字码流进行扰码处理。 • 还需将判决器输出旳信号进行解扰码和码型变
21
2．光接受机
② 前置放大器 • 因为这个放大器与光电检测器紧紧相连，故称前置放
大器。 • 对多数放大器旳前级提出尤其旳要求是非常必要旳，
它应具有低噪声、高增益旳特征，这么才干得到较大 旳信噪比。 • 因为跨阻型前置放大器不但具有宽频带、低噪声旳优 点，而且其动态范围也比高阻型前置放大器改善诸多， 所以在光纤通信中得到广泛旳使用。
光纤通信原理第四章光接收机
在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总
噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率 为
•放大器输出噪声主要由前置级决定，只要第一级的增 益足够大，以后各级引入的噪声可略，
•分析时把所有噪声等效到输入端。
放大器输入端的噪声源
电阻的热噪声和有源器件的噪声，都是由无限
多个统计独立的不规则电子的运动产生的，它们的 总和的统计特性服从正态分布。放大器噪声的概率 密度函数可以表示为高斯函数
f x 21expx2m22
1．光接收机输入端等效电路及噪声源
is(t)：光电检测器等效电流源，in(t):光电检测 器的散粒噪声，Cd:光电检测器的结电容。Rb和Cs： 偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca：放大 器的输入电阻和电容。
放大器的有源器件会引入噪声。一般将第一 级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分两 种情况：一种是等效为输入端并联的电流噪声源ia, 设它的功率谱密度为sI；另一种是等效为输入端串 联的电压噪声源ea，设它的功率谱密度为SE。
4.2光接收机
4.2.1光接收机简介 4.2.2放大电路及其噪声 4.2.3光接收机灵敏度的计算
4.2.1 光接收机简介
光接收机的组成
光接收机：模拟和数字。模拟光接收机，主要用于 光纤CATV系统；数字光接收机，用于大部分通信系 统。
检测方式：相干和非相干。相干检测，先将接收的 光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器变换 成中频信号；非相干检测，常用的非相干检测是直接 功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号变换成 基带信号。
光纤通信2011_第4章 ULH
光放大器类型光纤放大器掺稀土元素放大器非线性效应放大器特性。
泵浦和增益系数光放大器的能源是由外界泵浦提供的。
根据掺杂物能级结构的不同，泵浦可以分为三能级系统和四能级系统。
在两种系统中，掺杂物都是通过吸收泵浦光子而被激发到较高能态，再快速驰豫到能量较低的激发态，使储存的能量通过受激辐射被释放出来放大光信号。
两种泵浦原理示意图泵浦激光发射放大器增益随输出功率的变化放大器噪声所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（低，其降低程度通常用噪声指数式中的SNR 是由光接收机测得的，因此所得n F =铒的吸收和辐射特性EDFA 增益特性增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比。
EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为15～EDFA 噪声特性EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源，的噪声主要有以下四种：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。
以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪EDFA基本结构EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。
反向泵浦泵浦光WDM系统中的增益带宽增益平坦增益特性优化噪声系数和饱和输出功率EDFA对光纤传输系统的影响非线性问题光浪涌问题色散问题光纤线路的长期可靠性问题受激拉曼散射原理FRA工作原理在许多非线性介质中，受激拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为受激拉曼效应。
量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵29混合拉曼/掺铒光纤放大器拉曼放大器和掺铒光纤放大器各有其独特的特点，将FRA 和EDFA 结合起来构成混合拉曼大器（HFA ），也是提高拉曼放大器性能的一种重要方法。
第四章_光纤通信系统原理.ppt
Chapter 4 光纤通信系统原理
16
数字光发射机设计原则
数字光发射机核心:光源和电路 光源:实现电/光转换的关键器件，在很大程度上 决定着光发射机的性能。 电路:其设计应以光源为依据，使输出光信号准确 反映电信号。
Chapter 4 光纤通信系统原理
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光发射机的控制电路（辅助电路）
光源的控制电路:温度控制（ATC） 和功率控制 （APC）电路，它们的作用:消除温度变化和器件 老化的影响,稳定发射机性能。 其它的控制电路:光源慢启动保护电路、激光器 反向冲击电流保护电路、激光器过流保护电路和 激光器关断电路。
的 PIN监测LD后向输出的光，根据PIN输出的大
小而自动地改变对LD的偏置电流，使其输出光
功率保持恒定。
可能引起激光器输出功率变化的两个因素
是芯片温度的变化和激光器的老化效应 。
Chapter 4 光纤通信系统原理
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自动功率控制电路
R1 PIN
VEE
+ V1 - A1
-
V2
+ A2
VR
LD
Ib
Chapter 4 光纤通信系统原理
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LD 调制特性
(1) 电光延迟 (2) 张驰振荡 (3) 小信号输入的频率响应 (4) 频率啁啾
Chapter 4 光纤通信系统原理
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外调制
光源内调制 的优点是电路简单容易实现，但是， 在高码速下将使光源的性能变坏，因此需要对光 源的外调制方式。 目前使用的外调制方式有：
R3
C2
Rf Re
VCC T3
R5
Chapter 4 光纤通信系统原理
48
线性能道
光接收机的线性通道： 由一个高增益的 主放大 器和一个均衡滤波器组成，此外，还应包括 检 测 和 自 动 增 益 控 制 (AGC) 电 路 ， 用 来 控 制 放 器增益。
现代光纤通信系统第四章PPT课件
(a)
(b )
图 3.10
(a) 短波长AlGaAs/GaAs;
(b) 长波长InGaAsP/InP
22
4.1.2 半导体激光器的主要特性
*温度特性
激光器输出光功率随温度 而变化有两个原因：激光 器的阈值电流随温度升高 而增大；外微分量子效率 随温度升高而减小。
P / mW 5 4
T0为激光器材料的特征温度 3
复合 异质势垒
～ 5%
P (d ) 光
16
17
4.1.2 半导体激光器的主要特性
*发射波长和光谱特性
hc 1.24(m)
Eg Eg
电子伏
镓铝砷 -镓砷(GaAlAs-GaAs)材料 适用于0.85 μm波段
铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材 料适用于1.3~1.55 μm波段
发射光波长有一定分布， 谱线具有明显的模式结构
(c)
图 3.2 半导体的能带和电子分布
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
12
2. PN结的能带和电子分布 内 部 电 场
当P型和N型半导体形成PN结时， 多数载流子(电子或空穴)的梯度引 起扩散运动，形成内部电场
内部电场产生与扩散相反方向 的漂移运动；两种运动达到平衡 状态
3
4.1 光源
4
4.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
5
4.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
6
1. 受激辐射和粒子数反转分布
7
1. 受激辐射和粒子数反转分布
自发辐射 受激辐射
8
1. 受激辐射和粒子数反转分布 自发辐射
受激辐射
9
1. 受激辐射和粒子数反转分布
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4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
孤立原子的能级和半导体的能带
1.
原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。
围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特 定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
2.
在大量原子相互靠近形的能量为：
hν12=E2-E1
式中：h为普朗克常数，其值为6.626×10-34J·s；ν12 为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
2. 受激辐射
在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能
级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同
相的光子。由于需要外部激励，所以该过程称为受激
辐射。
3. 受激吸收
在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从
低能级跃迁到高能级，变成自由电子。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
1.
在热平衡状态下，高能级上的电子数要 少于低能级上电子数。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
1.
按照器件输出光的方式，可以将发光
二极管分为三种类型结构：表面发光二极
管、边发光二极管及超辐射发光二极管。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
2. LED
LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外
加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴) 和Np结之间的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和 电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由于双 异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P 区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终 克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。
用的激光二极管结构，这种激光二极管称为条形激光 二极管(Stripe Laser Diode，SLD)或窄区激光二极 管。 一种增益波导型激光二极管的类型结构如图5.6所 示，图中虚线之间的部分为电流流经的区域。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
一种扩散条形激光二极管
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
半导体的能带结构
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
1.
处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地
从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)
运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价
带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。
由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散
能级变成能带。在图5.2中，半导体内部自由电子所
填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带
；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，
其 宽 度 称 为 禁 带 宽 度 ， 用 Eg 表 示 ， 单 位 为 电 子 伏 特 (eV)。
4.3.1 光发射机——半导体光源的物理基础
2.
为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和
/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。
有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布
状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
发光二极管的工作原理
半 导 体 发 光 二 极 管 ( Light-emitting Diode，LED) 可以覆盖整个光纤通信系统 使 用 波 长 范 围 ， 典 型 值 为 0 . 8 5 μm、 1.31μm及1.55μm。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
激光二极管的工作原理
在结构上，半导体激光二极管
(Laser Diode，LD)与其他类型的激光器
是相同的，都主要由三部分构成：激励源
、工作物质及谐振腔。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
(1) 在双异质结构的LD中，通常采用具有横模限制作
第4章 光纤通信系统
本章主要内容
4.1 系统概述 4.2 光纤传输线 4.3 光纤传输设备 4.4 光路无源器件 4.5 光纤通信系统的总体设计 4.6 光纤通信新技术
4.1 系统概述
光纤传输设备包括： 终端设备 中继设备 即光端机和光中继机。
4.3.1 光发射机
光发射机的作用： 将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传
4.3.1.1 光 源
（1）合适的发射波长 光源的波长必须在石英光纤的三个低损耗窗口内。
即三个典型值：0.85μm、1.31μm和1.55μm)；目前 第一窗口已基本不用，第二个窗口正在大量使用，并逐 渐向第三个窗口过渡。
4.3.1.1 光 源
(2)合适的输出功率和效率 发射功率=接受灵敏度+系统损耗。
拱棱波导条形激光二极管
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
2.
LD的工作原理可以归纳如下：当给LD外
加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反
转分布而首先发生自发辐射现象。
4.3.1 光发射机——半导体光源的工作原理
那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发
辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放
输光纤。
光发射机=光源+驱动电路+辅助电路
4.3.1.1 光 源
两种半导体光源 发光二极管（LED）：
输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调制速率低。 适用短距离低速系统 激光二极管(LD): 输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制速率高。 适用长距离高速系统
发光二极管(LED)和激光二极管(LD)
大(其余自发辐射光子均被衰减掉)，直至传播到高反
射率界面又被反射回有源层，再次向另一个方向传播
受激辐射放大。如此反复，直到放大作用足以克服有
源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面
外面输出激光。
4.3.1.1 光 源
光纤通信系统对光源的要求：
（1）合适的发射波长； （2）合适的输出功率和效率； （3）谱线宽度窄、以降低光纤色散的影响 （4）辐射角小、与光纤的耦合效率高 （5）调制特性好、线性好、带宽大 （6）寿命长、稳定性号，体积小、耗电省