光纖通信復(fù)習(xí)

1、復(fù)習(xí)課第1章 概述1.1 光纖通信的基本概念1.1.1 引言利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號(hào)的通信方式稱(chēng)為光纖通信。目前光纖通信的實(shí)用工作波長(zhǎng)在近紅外區(qū)，即0.8-1.8m的波長(zhǎng)區(qū)，對(duì)應(yīng)的頻率為167-375THz。區(qū)內(nèi)三個(gè)低損耗窗口，分別是：0.85m，1.31m 及1.55m。1.1.2 光纖通信系統(tǒng)的基本組成強(qiáng)度調(diào)制/直接檢波（IM/DD）的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)。圖1-3 光纖數(shù)字通信系統(tǒng)示意圖電發(fā)射機(jī)輸出的脈碼調(diào)制信號(hào)送入光發(fā)射機(jī)。光發(fā)射機(jī)的主要作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并耦合進(jìn)光纖。在通信系統(tǒng)的線路上，目前主要采用單模光纖制成的不同結(jié)構(gòu)形式的光纜。光接收機(jī)的主要作用是將光纖送過(guò)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成

2、電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)對(duì)電信號(hào)的處理后，使其恢復(fù)為原來(lái)的脈碼調(diào)制信號(hào)，送入電接收機(jī)。為了保證通信質(zhì)量，在收發(fā)端機(jī)之間適當(dāng)距離上必須設(shè)置光中繼器。光中繼器的形式主要有兩種，一種是光電光轉(zhuǎn)換形式的中繼器，另一種是在光信號(hào)上直接放大的光放大器。 半導(dǎo)體激光器（LD） 光發(fā)射機(jī) 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED） 光纖通信系統(tǒng) 光中繼器：摻鉺光纖放大器 光電二極管（PIN）光接收機(jī) 雪崩光電二極管（APD）1.1.3 光纖通信的優(yōu)越性Ø 傳輸頻帶寬，通信容量大Ø 傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)Ø 抗電磁干擾的能力強(qiáng)Ø 線徑細(xì)、重量輕，制作成本低廉，制作原料資源豐富1.2 光纖通信的現(xiàn)

3、狀及發(fā)展趨勢(shì)第2章 光導(dǎo)纖維2.1 光纖的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)SiO2、雙層同心圓柱體、外層的折射率比內(nèi)層低。圖2-1 光纖的結(jié)構(gòu)2.1.2 光纖的分類(lèi)1. 按照光纖橫截面折射率分布不同來(lái)劃分階躍型光纖：折射率在纖芯和包層的界面上發(fā)生突變。漸變型光纖：纖芯折射率非均勻，是連續(xù)變化的。2. 按照纖芯中傳輸模式的多少來(lái)劃分傳輸模式：沿光纖傳輸時(shí)可能存在多種不同的電磁場(chǎng)分布形式。單模光纖：光纖中只傳輸一種模式。適用于大容量、長(zhǎng)距離傳輸。多模光纖：在一定工作波長(zhǎng)下，能傳輸多種模式的介質(zhì)波導(dǎo)。2.2 用射線理論分析光纖的導(dǎo)光原理射線理論法：忽略光波長(zhǎng)用光射線代表光能量傳輸路線的方法。波動(dòng)理論

4、法：求解滿足邊界條件的麥克斯韋方程組的光場(chǎng)。2.2.1 平面波在兩介質(zhì)交界面的反射與折射1. 斯奈耳定律與菲涅爾公式斯奈耳定律說(shuō)明了：反射波、折射波和入射波方向之間的關(guān)系菲涅爾公式表明反射波、折射波與入射波的復(fù)數(shù)振幅之間的關(guān)系。結(jié)論：平面波入射到兩介質(zhì)分界面時(shí)，將產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，它們的基本規(guī)律是由斯奈耳定律及菲涅爾公式?jīng)Q定的。水平極化波與垂直極化波的反射系數(shù)和折射系數(shù)不同，但是它們都是由介質(zhì)參數(shù)n1、n2及入射角1決定的。 2. 全反射當(dāng)光射線由折射率大的物質(zhì)（n1）射向折射率小的物質(zhì)（n2）時(shí)，射線將離開(kāi)法線而折射，即折射光線靠近兩種物質(zhì)的界面?zhèn)鞑?。若入射?再增大，光就不再進(jìn)入第二種介

5、質(zhì)了，入射光全部被反射回來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為全反射。 全反射條件：c ：折射角剛好達(dá)到90°時(shí)的入射角稱(chēng)為臨界角。 2.2.2 階躍型光纖的導(dǎo)光原理1.相對(duì)折射指數(shù)差定義： 纖芯折射指數(shù)n1與包層折射指數(shù)n2的相差程度。用符號(hào)表示。當(dāng)n1與n2差別極小時(shí)，稱(chēng)為弱導(dǎo)波光纖。2.數(shù)值孔徑的概念表示光纖捕捉光射線能力的物理量被定義為光纖的數(shù)值孔徑，用NA表示。越大，NA越大，光纖捕捉射線的能力就越強(qiáng)。2.2.3 漸變型光纖的導(dǎo)光原理相對(duì)折射率差：漸變型光纖的本地?cái)?shù)值孔徑漸變型光纖纖芯中某一點(diǎn)的數(shù)值孔徑：物理意義：漸變型光纖的本地?cái)?shù)值孔徑與該點(diǎn)的折射指數(shù)n(r)有關(guān)。當(dāng)折射指數(shù)越大時(shí)，本地?cái)?shù)值孔

6、徑也越大，表示光纖捕捉射線的能力就越強(qiáng)。而纖芯中的折射指數(shù)是隨r的增加而減小的，軸線處的折射指數(shù)最大，即表明軸線處捕捉射線的能力最強(qiáng)。2.3 用波動(dòng)理論分析光纖的導(dǎo)光原理1.幾個(gè)重要參數(shù)V是一個(gè)直接與光的頻率成正比的無(wú)量綱的重要參數(shù)，稱(chēng)為：光纖的歸一化頻率。 2. 導(dǎo)模數(shù)量的估算階躍型光纖中導(dǎo)模數(shù)量的估算：漸變型光纖中導(dǎo)模數(shù)量的估算：2.4 單模光纖1. 基本概念單模光纖是指在給定的工作波長(zhǎng)上只傳輸單一基膜的光纖。單模光纖傳輸帶寬很寬，不存在模式色散。單模光纖適用于長(zhǎng)距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)。2. 單模傳輸條件：3. 單模光纖的特性參數(shù)（1）衰減系數(shù)：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度光纖引起的光功率衰減，它是線路上

7、決定中繼距離長(zhǎng)短的主要因素。 （2）截止波長(zhǎng)c：光纖中的第一個(gè)高階模截止時(shí)的波長(zhǎng)。 當(dāng)工作波長(zhǎng)大于單模光纖的介質(zhì)波長(zhǎng)時(shí)，才能保證光纖工作在單模狀態(tài)。 （3）模場(chǎng)直徑d模場(chǎng)直徑是描述光纖橫截面上，其模場(chǎng)強(qiáng)分布的物理量。 模場(chǎng)是光纖中基膜的電場(chǎng)在光纖中的強(qiáng)度分布。 對(duì)于階躍型光纖，基膜場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面上的場(chǎng)強(qiáng)分布近似為高斯型分布。 4. 單模光纖的雙折射單模光纖中兩個(gè)模式的傳輸相位常數(shù)值不同，形成相位差，它們之間的兼并型收到破壞。這種現(xiàn)象叫做雙折射現(xiàn)象。 雙折射的存在將引起偏振狀態(tài)沿光纖長(zhǎng)度變化。線偏振、橢圓偏振和圓偏振雙折射可分為線雙折射、圓雙折射和橢圓雙折射5. 新型單模光纖G.653色散位移

8、單模光纖，將零色散點(diǎn)移到1.55um處，適宜于長(zhǎng)距離高速率的單信道光纖通信系統(tǒng)。不利于多信道的WDM傳輸。G.655非零色散光纖：工作波長(zhǎng)在1.54-1.565um范圍內(nèi)，有存在較小色散，四波混頻干擾反而會(huì)減小。色散平坦光纖：適于WDM系統(tǒng)。色散補(bǔ)償光纖：通常與G.652連接使用。2.5 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性直接影響到傳輸系統(tǒng)的最大傳輸距離。它包括光纖的損耗特性和色散特性，當(dāng)傳輸高強(qiáng)度功率時(shí)，還需要考慮光纖的非線性效應(yīng)。1. 光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降。光纖對(duì)光波產(chǎn)生的衰減作用稱(chēng)為光纖的損耗。2. 光纖的色散特性光纖中光波的不同頻率成分和模式成

9、分傳輸速度不同而使脈沖波形發(fā)生變化的現(xiàn)象 它使脈沖在光纖中傳輸時(shí)，隨著距離的增加而發(fā)生展寬。 Ø 模式色散：存在與多模光纖。 模式不同，傳輸?shù)娜核俣炔煌?Ø 材料色散：材料折射率隨波長(zhǎng)變化而引起的。 Ø 波導(dǎo)色散：模式本身的色散。 傳輸模式的群速度隨光波長(zhǎng)變化而改變。光源的光譜譜寬不為零。它還與波導(dǎo)效應(yīng)有關(guān)。 2.6 光纖的非線性效應(yīng)光纖的非線性效應(yīng)是指在強(qiáng)光場(chǎng)的作用下，光波信號(hào)和光纖介質(zhì)相互作用的一種物理效應(yīng)。光纖的非線性對(duì)于光纖通信系統(tǒng)的作用Ø 引起傳輸信號(hào)的附加損耗 Ø 信道之間的串?dāng)_ Ø 信號(hào)載波的移動(dòng) Ø 可以利

10、用來(lái)開(kāi)發(fā)放大器、調(diào)制器等新型光器件 Ø 非線性和色散相互作用可以形成光孤子 2.6.1 受激光散射效應(yīng)光通過(guò)光纖介質(zhì)時(shí)，有一部分能量偏離預(yù)定的傳播方向，且光波的頻率發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為受激散射效應(yīng)。本質(zhì)：一個(gè)高能量的光子被散射成一個(gè)低能量的光子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)能量為兩個(gè)光子能量差的另一個(gè)能量子。兩種形式：受激拉曼散射和受激布里淵散射。1. 受激拉曼散射如設(shè)入射光的頻率為f0，介質(zhì)分子振動(dòng)頻率為fv，則散射光的頻率為fs=f0±fv，這種現(xiàn)象稱(chēng)為受激喇曼散射。2. 受激布里淵散射受激布里淵散射所產(chǎn)生的斯托克斯波在聲頻范圍，其波的方向和泵浦波方向相反。 即在光纖中只要達(dá)到受激布

11、里淵散射的閾值，就會(huì)產(chǎn)生大量的后向傳輸?shù)乃雇锌怂共ā?2.6.2 光纖折射率隨光強(qiáng)度變化而引起的非線性效應(yīng)1. 自相位調(diào)制把光脈沖在傳輸過(guò)程中由于自身引起的相位變化而導(dǎo)致光脈沖頻譜展寬的這種現(xiàn)象稱(chēng)為自相位調(diào)制。2. 交叉相位調(diào)制交叉相位調(diào)制是任一波長(zhǎng)信號(hào)的相位受其它波長(zhǎng)信號(hào)強(qiáng)度起伏的調(diào)制產(chǎn)生的。交叉相位調(diào)制會(huì)使信號(hào)脈沖展寬。3. 四波混頻四波混頻是指由兩個(gè)或三個(gè)不同波長(zhǎng)的光波混合后產(chǎn)生新的光波的現(xiàn)象。 產(chǎn)生原因：某一個(gè)波長(zhǎng)的入射光會(huì)改變光纖的折射率，從而在不同頻率處產(chǎn)生相位調(diào)制，產(chǎn)生新的波長(zhǎng)。四波混頻對(duì)WDM系統(tǒng)影響較大，成為限制其性能的重要因素。 4. 光孤子通信非線性折射率和色散間的相互作

12、用，可以使光脈沖得以壓縮變窄。 當(dāng)光纖中的非線性效應(yīng)和色散相互平衡時(shí)，可以形成光孤子。 光孤子脈沖可以在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，保持形狀和脈寬不變。 第3章 光纖通信器件光發(fā)送機(jī)：數(shù)字光發(fā)送機(jī)的功能是把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路。電/光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。光發(fā)送機(jī)主要有光源和電路兩部分。光接收機(jī)：數(shù)字光接收機(jī)的功能是：把經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減、波形被展寬的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并放大處理，恢復(fù)為原發(fā)射的數(shù)字序列。數(shù)字光接收機(jī)最主要的性能指標(biāo)是靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。靈敏度主要取決于光檢測(cè)器的性能和相關(guān)電路的設(shè)計(jì)。光中繼器：光纖通信

13、中影響最大中繼距離的兩個(gè)因素是：損耗和色散。為了保證長(zhǎng)途光纜干線上傳輸質(zhì)量的可靠性，需要在線路合適位置設(shè)立中繼站。分為兩種：光/電/光轉(zhuǎn)換形式的中繼站、對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的光放大器。 3.1 半導(dǎo)體光源作用：將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖。種類(lèi)：半導(dǎo)體激光器(LD)與發(fā)光二極管(LED)。光纖通信對(duì)光源要求：波長(zhǎng)、功率、單色性、方向性、轉(zhuǎn)換效率、壽命、可靠性、調(diào)制、體積、重量3.1.1 激光器的物理基礎(chǔ)1. 光子的概念?lèi)?ài)因斯坦的光量子學(xué)說(shuō)：光是由能量為hf的光量子組成。h=6.626×10-34J·S，稱(chēng)為普朗克常數(shù)；f是光波頻率。 光子的概念：不同頻率的光子具有不同的能量。當(dāng)

14、光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。 光具有波、粒二重性。2. 費(fèi)米能級(jí)電子繞核運(yùn)動(dòng)的能量是不連續(xù)的、分立的量子態(tài)，稱(chēng)之為原子的不同能級(jí)。即：電子在每一個(gè)量子化的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子具有確定的能量，稱(chēng)為原子的能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)表征了電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶的占據(jù)幾率。電子占據(jù)能級(jí)的概率遵循費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：在熱平衡條件下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為：結(jié)論：在T>0K的情況下，若E=Ef，則f(E)=1/2，說(shuō)明該能級(jí)被電子占據(jù)的概率等于50%； 若E<Ef ，則f(E) >1/2，說(shuō)明該能級(jí)被電子占據(jù)的概率大于50%。 若E>Ef ，則f(E) <

15、1/2，說(shuō)明該能級(jí)被電子占據(jù)的概率小于50%。 3. 光和物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，存在著三種不同的基本過(guò)程，即：自發(fā)輻射、受激吸收以及受激輻射。（1）自發(fā)輻射自發(fā)輻射特點(diǎn)：Ø 這個(gè)過(guò)程是在沒(méi)有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，是自發(fā)躍遷。 Ø 輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬。 Ø 電子的發(fā)射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。 （2）受激吸收物質(zhì)在外來(lái)光子的激發(fā)下，低能級(jí)上的電子吸收了外來(lái)光子的能量，而躍遷到高能級(jí)上，這個(gè)過(guò)程叫做受激吸收。受激吸收的特點(diǎn)： Ø 這個(gè)過(guò)程必須在外來(lái)光子的激發(fā)下才會(huì)產(chǎn)生，因此是受激躍遷。 Ø 外來(lái)光子的

16、能量要等于電子躍遷的能級(jí)之差。 Ø 受激躍遷的過(guò)程不是放出能量，而是消耗外來(lái)光能。 （3）受激輻射處于高能級(jí)E2的電子，當(dāng)受到外來(lái)光子的激發(fā)而躍遷到低能級(jí)E1時(shí)，放出一個(gè)能量為hf的光子。這個(gè)過(guò)程叫做受激輻射。受激輻射的特點(diǎn)： Ø 外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差。 Ø 受激過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱(chēng)它們是全同光子。 Ø 這個(gè)過(guò)程可以使光得到放大。是產(chǎn)生激光的一個(gè)重要的基本概念。 l 自發(fā)輻射發(fā)光二極管(LED)l 受激輻射半導(dǎo)體激光器(LD)l 受激吸收光電二極管 3.1.2 激光器的工作原理

17、激光振蕩器包括三個(gè)部分：Ø 能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)：增益物質(zhì)。 Ø 能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源：泵浦源。 Ø 能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。 激光器的參量：Ø 平均衰減系數(shù) Ø 增益系數(shù)G Ø 閾值條件Gt Ø 諧振頻率3.1.3 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性1. 半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理用半導(dǎo)體材料作為激活物質(zhì)的激光器，稱(chēng)為半導(dǎo)體激光器。 從光振蕩形式看，構(gòu)成激光器方式有兩種，即Ø 法布里-珀羅諧振腔(F-P腔)：天然解理面 Ø 分布反饋型(DFB)激光

18、器：周期性波動(dòng)結(jié)構(gòu) 按垂直于PN結(jié)方向的結(jié)構(gòu)分類(lèi)： Ø 同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 Ø 單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 Ø 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 Ø 量子阱半導(dǎo)體激光器 按平行于PN結(jié)方向的結(jié)構(gòu)分類(lèi)：同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的核心部分是一個(gè)P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。P-N結(jié)是由高摻雜濃度的P型半導(dǎo)體材料和N型半導(dǎo)體材料組成。這種激光器不能在室溫下連續(xù)工作。 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的“結(jié)”是由不同半導(dǎo)體材料制成的。通常使用 InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形的激光器。優(yōu)點(diǎn)：減小了注入電流，增加了發(fā)光強(qiáng)度。 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，即形成P-N結(jié)。由于擴(kuò)散作用，N區(qū)剩下帶正電的離子

19、；P區(qū)剩下帶負(fù)電的離子；結(jié)區(qū)形成了空間電荷區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用將使得P區(qū)的電子電位能相對(duì)于N區(qū)提高。 此時(shí)的P-N結(jié)是一個(gè)熱平衡系統(tǒng)，有一個(gè)統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)Ef。 給P-N結(jié)外加正向偏壓(即P接正，N接負(fù))后，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子不斷地注入P-N結(jié)，破壞了原來(lái)的熱平衡狀態(tài)。此時(shí)的P-N結(jié)出現(xiàn)了兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)。 結(jié)論：激光產(chǎn)生的必要條件：2. 半導(dǎo)體激光器的工作特性（1）閾值特性當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流稱(chēng)為閾值電流，用It表示。LD的輸出光功率與注入電流之間的變化規(guī)律可以用P-I曲線表示。 結(jié)論：Ø 當(dāng)I<It時(shí)，激光器發(fā)出的

20、是熒光； Ø 當(dāng)I>It時(shí)，激光器才發(fā)出激光。（2）光譜特性光譜特性描述的是半導(dǎo)體激光器的純光學(xué)性質(zhì)。即：輸出光功率隨波長(zhǎng)的分布規(guī)律。 光譜曲線主要用于揭示不同波長(zhǎng)分量之間的對(duì)比關(guān)系，因此常用輸出信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度變化代替絕對(duì)功率值作為曲線的縱軸，用波長(zhǎng)作為橫軸。 （3）溫度特性激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大。采用各種自動(dòng)溫度控制電路來(lái)穩(wěn)定激光器的閾值電流和輸出光功率。（4）轉(zhuǎn)換效率激光器的轉(zhuǎn)換效率定義為輸出光功率與消耗的電功率之比，用P表示。3.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器分布反饋半導(dǎo)體激光器是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的單縱模激光器

21、。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的。 可分為分布反饋激光器(DBF)和分布布拉格反射激光器。 這兩種激光器的工作原理都是基于布拉格反射原理。布拉格反射是指當(dāng)光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)，能夠產(chǎn)生周期性的反射。3.1.5 量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱激光器的有源區(qū)厚度很薄：1-10nm。兩種不同成分的半導(dǎo)體材料在一個(gè)維度上以薄層的形式交替排列而形成周期結(jié)構(gòu),從而將窄帶隙的薄有源層夾在寬帶隙的半導(dǎo)體材料間,這樣窄帶隙的有源區(qū)為導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴創(chuàng)造了一個(gè)勢(shì)能阱。將載流子限制在很薄的有源區(qū)內(nèi),使有源區(qū)內(nèi)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度非常高。3.2 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器

22、光電檢測(cè)器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機(jī)中的第一個(gè)部件。主要作用是：利用光電效應(yīng)，將光纖傳輸來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。常用器件： PIN光電二極管 、APD雪崩光電二極管。 光纖通信中對(duì)光電檢測(cè)器要求：Ø 在所有光源的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有較高的響應(yīng)度，且響應(yīng)速度快； Ø 較小的噪聲，對(duì)溫度變化不敏感； Ø 與光纖尺寸匹配； Ø 工作壽命長(zhǎng)。 3.2.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)1. 光電效應(yīng)概念當(dāng)光子照射到物體上，它的能量可以被物體中的某個(gè)電子全部吸收。如果電子吸收能量足夠大，超過(guò)了克服脫離原子所需要的電離能和脫離物體表面時(shí)所需的逸出功，電子就可以離開(kāi)物體表面脫逸出來(lái)，成為光電

23、子，這就是光電效應(yīng)。 2. 半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)當(dāng)有光入射且光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬帶Eg時(shí)，價(jià)帶上的電子發(fā)生受激吸收，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生“電子-空穴”對(duì)，又稱(chēng)光生載流子。光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，形成漂移電流。 另外，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)的作用下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。 漂移電流和擴(kuò)散電流的綜合就是光生電流。 這樣就實(shí)現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號(hào)變化的光電轉(zhuǎn)換作用。 3.2.2 光纖通信中常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器1. PIN光電二極管制造I層的

24、本征材料可以是Si或InGaAs。I層很厚，零點(diǎn)場(chǎng)的P+和N+去很薄，這樣使光子能在耗盡層中被充分吸收。 2. APD雪崩光電二極管Ø 具有內(nèi)部電增益的光電檢測(cè)器。Ø 檢測(cè)微弱光信號(hào)，獲得較大的輸出電流。工作在高的反向偏壓下，載流子被加速晶格碰撞晶體中的原子電離新的電子空穴對(duì)（二次電子-空穴對(duì)）如此循環(huán)的過(guò)程就是雪崩光電二極管的倍增效應(yīng) 。3.2.3 光電檢測(cè)器的特性1. 響應(yīng)度R0和量子效率 描述光電檢測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換能力的物理量。越大越好。2. 響應(yīng)時(shí)間指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)。一般用上升時(shí)間和下降時(shí)間表示。響應(yīng)時(shí)間越短越好。 3. 暗電

25、流ID理想情況下，當(dāng)沒(méi)有光照射時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無(wú)光電流輸出。但是實(shí)際任有電流輸出，這種電流稱(chēng)為暗電流。暗電流會(huì)引起光接收機(jī)的噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。 4. 雪崩倍增因子G在忽略暗電流影響下，雪崩倍增因子被定義為：有雪崩倍增時(shí)光電流的平均值與無(wú)雪崩倍增時(shí)光電流的平均值之比。5. 倍增噪聲和過(guò)剩噪聲系數(shù)雪崩光電二極管的倍增是隨機(jī)的。這種隨機(jī)性的電流起伏會(huì)帶來(lái)附加噪聲，稱(chēng)之為倍增噪聲。 倍增噪聲用過(guò)程噪聲系數(shù)F(G)來(lái)描述。 F(G)表示雪崩光電二極管實(shí)際噪聲超過(guò)理想倍增噪聲的倍數(shù)。3.3 光放大器光波信號(hào)從光發(fā)射機(jī)輸出經(jīng)過(guò)光纖傳輸若干距離以后，由于光纖損耗和色散影響，光波波形出現(xiàn)失真

26、。因此，在光波信號(hào)經(jīng)過(guò)一定距離傳輸之后，加一個(gè)光中繼器以放大衰減的信號(hào)，恢復(fù)失真的波形，使光脈沖得到再生。3.3.1 摻鉺光纖放大器（EDFA）1. EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)Ø 工作波長(zhǎng)處在1.531.56m范圍，與光纖最小損耗窗口一致； Ø 對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)的泵浦功率低； Ø 增益高、噪聲低、輸出功率大； Ø 連接損耗低。 2. EDFA的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）EDFA的基本結(jié)構(gòu)Ø 光耦合器：將輸入光信號(hào)和泵浦光源輸出的光波混合起來(lái)的無(wú)源光器件，一般用波分復(fù)用器； Ø 光隔離器：防止反射光影響光放大器的工作穩(wěn)定性，保證光信號(hào)只能正向傳輸?shù)?/p>

27、器件； Ø 摻鉺光纖：是一段長(zhǎng)度大約為10-100m的摻鉺石英光纖。在纖芯中注入稀土元素鉺離子； Ø 泵浦光源：為半導(dǎo)體激光器，輸出光功率約為10-100mW，工作波長(zhǎng)約為0.98um； Ø 光濾波器：濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的信噪比。 （2）EDFA的工作原理在泵浦源的作用下，摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，從而使光信號(hào)得到放大。理論上，鉺離子有三個(gè)工作能級(jí)：E1，E2，E3。 E1能級(jí)最低，稱(chēng)為基態(tài)；E2為亞穩(wěn)態(tài)；E3能級(jí)最高，稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。 EDFA中所采用的泵浦方式：按照泵浦光源輸出的能量是否和輸入的光信號(hào)能量以同一方

28、向注入摻鉺光纖而得名。Ø 同向泵浦方式Ø 反向泵浦方式Ø 雙向泵浦方式信號(hào)輸出功率與泵浦光功率：同樣泵浦的條件下，同向泵浦輸出最低。噪聲特性：同向泵浦噪聲系數(shù)較小。 飽和輸出特性：雙向泵浦輸出功率最大。 3. EDFA的主要特性參數(shù)（1）功率增益功率增益表示光放大器的放大能力。定義為輸出光功率與輸入光功率之比。（2）輸出飽和功率 描述輸入信號(hào)功率與輸出信號(hào)功率之間關(guān)系的參量。在EDFA中，輸入信號(hào)功率和輸出信號(hào)功率并不完全成正比關(guān)系，而是存在著飽和的趨勢(shì)。EDFA的最大輸出功率常用3dB輸出飽和功率來(lái)表示。（3）噪聲系數(shù)噪聲來(lái)源：Ø 信號(hào)光的散彈噪聲；&

29、#216; 信號(hào)光波與放大器自發(fā)輻射光波之間的差拍噪聲；Ø 被放大的自發(fā)輻射光的散彈噪聲；Ø 光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波間差拍噪聲。EDFA的應(yīng)用：Ø 基本作用：延長(zhǎng)中繼距離； Ø 與WDM技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容； Ø 與光孤子技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離光纖通信； Ø 與CATV等結(jié)合。 3.3.2 光纖拉曼放大器（RFA）3.4 無(wú)源光器件3.4.1 光定向耦合器光耦合器是一類(lèi)能使傳輸中的光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進(jìn)行再分配的器件。 功能：把多個(gè)光信號(hào)耦合到一起，或?qū)⒐庑盘?hào)分到多根光纖中。 1. 光定向耦合器的結(jié)構(gòu)按

30、結(jié)構(gòu)不同分類(lèi)：棱鏡式和光纖式。其中，光纖式定向耦合器，由兩根緊密耦合的光纖通過(guò)光纖界面的衰減場(chǎng)相互重疊而實(shí)現(xiàn)光的耦合的一種器件。2. 光纖式定向耦合器的參數(shù)（1）隔離度A表示由應(yīng)該被阻斷的光路中輸出的光功率與輸入的光功率之比。如圖3-39(b)：由端口1輸入，理論上端口4沒(méi)有光功率輸出，但實(shí)際存在少量輸出。此時(shí)隔離度：（2）插入損耗L表示定向耦合器損耗的大小。等于輸出光功率之和與輸入光功率之比的分貝值。（3）分光比T等于兩個(gè)輸出端口的光功率之比。 如從端口1輸入光功率，分光比為： 3dB耦合器：兩根輸出光纖中光功率相等。3dB耦合器的分光比為50:50。3.4.2 光隔離器與光環(huán)行器光隔離器是

31、光單向傳輸器，可以防止光反射的發(fā)生。光隔離器的基本原理可用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)來(lái)解釋?zhuān)簩⒛承┚w(如YIG)放入強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，晶體中傳輸?shù)墓獾钠衩鏁?huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與磁場(chǎng)的強(qiáng)度和晶體的長(zhǎng)度成正比。 光隔離器主要由兩個(gè)偏振器和一個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器組成。偏振器：當(dāng)光入射到某一光學(xué)器件時(shí)，其輸出光為某一形式的偏振光，這種光學(xué)器件稱(chēng)為偏振器。光隔離器中使用線偏振器。法拉第旋轉(zhuǎn)器由某種旋光性材料制成。適當(dāng)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)器的長(zhǎng)度和施加其上的磁場(chǎng)強(qiáng)度即可。這種結(jié)構(gòu)的光隔離器一個(gè)缺點(diǎn)是對(duì)輸入光的偏振敏感，輸入光的偏振方向必須與輸出端濾波光片的偏振一致才能獲得最大的耦合效率，否則將增加插入損耗。因此，隔離器總是設(shè)計(jì)成與偏振

32、無(wú)關(guān)的。一種制造偏振無(wú)關(guān)的光隔離器的方法是將輸入光先分成偏振正交的兩束光，對(duì)這兩束光分別處理，然后再合在一起。光環(huán)形器為多端口器件。常用的是3端口和4端口。 當(dāng)光從任意端口輸入時(shí)，只能在環(huán)形器中沿單一方向傳輸，并在下一端口輸出。 3.4.3 光濾波器只允許一定波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)的器件稱(chēng)為光濾波器。光濾波器類(lèi)型：法布里玻羅(F-P)諧振腔型、聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)型、光柵型。3.4.4 光開(kāi)關(guān)能夠控制傳輸通路中光信號(hào)或斷或進(jìn)行光路切換作用的器件，稱(chēng)為光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)是構(gòu)成光網(wǎng)絡(luò)中光交叉連接(OXC)和光分插復(fù)用(OADM)設(shè)備的核心器件，也是光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)保護(hù)倒換的必須器件。光開(kāi)關(guān)可分為自由空間型

33、和波導(dǎo)型兩大類(lèi)。 機(jī)械式光開(kāi)關(guān)：通過(guò)機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)光纖和棱鏡等光學(xué)器件完成光路切換的。 電子式光開(kāi)關(guān)：利用電光、聲光和磁光效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)光路切換的器件。 3.4.5 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器能夠使信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)的器件稱(chēng)為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。按波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換機(jī)理分為：光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；經(jīng)過(guò)放大器的放大后；在對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制；輸出另一波長(zhǎng)的光信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：比較容易實(shí)現(xiàn)，且與偏振無(wú)關(guān)。 缺點(diǎn)：速度受電子器件限制，不適合高速大容量光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)需求。 3.4.6 波分復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)送入光纖傳輸?shù)脑O(shè)備稱(chēng)為光波分復(fù)用器。是對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行合成與分

34、離的光器件。從結(jié)構(gòu)上看可分為：?jiǎn)卫w單向WDM系統(tǒng)和單纖雙向WDM系統(tǒng)。1. 單纖單向WDM傳輸系統(tǒng)指不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合在一起后，通過(guò)一根光纖沿同一方向進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)。2. 單纖雙向WDM傳輸系統(tǒng)指兩個(gè)相反方向的光信號(hào)可以在一根光纖中同時(shí)傳輸。3. 工作原理4. 對(duì)光波分復(fù)用器件的要求Ø 插入損耗小，隔離度大 ，串?dāng)_小。 Ø 帶內(nèi)平坦，帶外插入損耗變化陡峭。 Ø 溫度穩(wěn)定性好，工作溫定、可靠。 Ø 復(fù)用通路數(shù)多，各路插入損耗相差不大，尺寸小。 3.4.7 光纖光柵Ø 光纖光柵是利用光纖中的光敏性而制成的。 Ø 光敏性是指當(dāng)外界入射的紫

35、外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時(shí)，光纖的折射率將對(duì)光強(qiáng)而發(fā)生永久性改變。 Ø 利用這種特性，可制作反射型光濾波器、色散補(bǔ)償器、光分插復(fù)用器，還可用于光纖激光器等。 第4章 光纖通信系統(tǒng)4.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM-DD)系統(tǒng)：發(fā)射端是用信號(hào)直接調(diào)制光載波的強(qiáng)度；接收端是用檢測(cè)器直接檢測(cè)所接收的光信號(hào)。 4.1.1 光纖通信中的線路碼型PCM中使用的碼型不能在光通信系統(tǒng)中直接傳輸，需要在光端機(jī)進(jìn)行碼型變換。線路編碼是指使用一套規(guī)則將信號(hào)符號(hào)編排為一個(gè)特殊的格式。線路編碼的作用：將傳送碼流轉(zhuǎn)換成便于在光纖線路中傳輸、接收及監(jiān)測(cè)的線路碼型。常用線路編碼：Ø 擾

36、碼 Ø 分組碼(字變換碼)Ø 插入碼(插入碼型)4.1.2 IM-DD光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1. 光發(fā)射機(jī)（1）光源的調(diào)制特性光調(diào)制是指將電信號(hào)加載到光源的發(fā)射光上的過(guò)程。按光源的調(diào)制方式： Ø 內(nèi)調(diào)制 Ø 外調(diào)制 內(nèi)調(diào)制是將所要傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)換為電流信號(hào)，并將其直接注入光源，使其輸出的光載波信號(hào)的強(qiáng)度隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變注入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。 可分為模擬信號(hào)的調(diào)制和數(shù)字信號(hào)的調(diào)制。 模擬信號(hào)的調(diào)制是指直接用連續(xù)的模擬信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。數(shù)字信號(hào)調(diào)制是指將經(jīng)PCM調(diào)制的數(shù)字信號(hào)直接加在直流偏置電流之上，用光源的輸出和光載

37、波的有光和無(wú)光來(lái)分別代表“1”碼和“0”碼。 外調(diào)制是利用晶體的電光、磁光、聲光特性對(duì)LD所發(fā)出的載波進(jìn)行調(diào)制。即光輻射之后再進(jìn)行調(diào)制。 （2）對(duì)光發(fā)射機(jī)的要求Ø 光源的發(fā)光波長(zhǎng)要合適 Ø 合適的輸出光功率 Ø 較好的消光比(EXT)Ø 調(diào)制特性好 Ø 穩(wěn)定性好，光源的壽命長(zhǎng) （3）光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能均衡放大：由PCM端機(jī)送來(lái)的HDB3碼流，經(jīng)過(guò)電纜的傳輸產(chǎn)生了衰減和畸變。在信號(hào)進(jìn)入發(fā)射機(jī)時(shí)，首先要經(jīng)過(guò)均衡和放大以補(bǔ)償衰減的電平和均衡畸變的波形。 碼型變換：PCM系統(tǒng)傳輸?shù)拇a型是雙極性的。但光纖通信系統(tǒng)下，光源的輸出只有有光和無(wú)光

38、兩個(gè)碼對(duì)應(yīng)。因此，信號(hào)從PCM端機(jī)送到光發(fā)射機(jī)后，需要將HDB3這種雙極性碼轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性的“0”、“1”碼。 復(fù)用：指利用一個(gè)大的傳輸信道來(lái)同時(shí)傳送多個(gè)低容量的信道以及開(kāi)銷(xiāo)信息的過(guò)程。不同的接口信息，其復(fù)用過(guò)程不同。 擾碼：為避免出現(xiàn)長(zhǎng)連“0”和長(zhǎng)連“1”的情況，需要在碼型變換之后加一個(gè)擾碼電路。在接收端要加一個(gè)與擾碼相反的解擾電路，恢復(fù)信碼原來(lái)的狀態(tài)。 時(shí)鐘：在碼型變換和擾碼過(guò)程中，給予時(shí)鐘信號(hào)依據(jù)。調(diào)制（驅(qū)動(dòng)）：使光源發(fā)出的光強(qiáng)隨著信號(hào)碼流的變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光纖。自動(dòng)功率控制：光發(fā)射機(jī)的光源經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用將出現(xiàn)老化，使輸出光功率降低。另外，激光器P-N結(jié)結(jié)溫變化，使P-I曲線變

39、化，使輸出光功率變化。因此使用自動(dòng)功率控制(APC)使光源的輸出功率穩(wěn)定。自動(dòng)溫度控制：半導(dǎo)體光源的P-I特性曲線對(duì)環(huán)境溫度的變化反應(yīng)很敏感，從而使輸出光功率出現(xiàn)變化。因此在發(fā)射機(jī)盤(pán)上安裝自動(dòng)溫度控制(ATC)電路，使激光器的輸出特性保持穩(wěn)定。 保護(hù)電路：使半導(dǎo)體激光器的偏流慢啟動(dòng)以限制偏流不要過(guò)大。無(wú)光告警電路：當(dāng)光發(fā)射機(jī)電路出現(xiàn)故障、輸入信號(hào)中斷、激光器失效使激光器較長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)光，這時(shí)延遲告警電路將發(fā)生告警指示。2. 光接收機(jī)光電檢測(cè)器：光電檢測(cè)器的作用是利用光電檢波管，將由發(fā)送光端機(jī)經(jīng)光纖傳過(guò)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。廣泛使用的有PIN光電二極管和雪崩光電二極管前置放大器：經(jīng)光電檢測(cè)器輸出

40、的光電流十分微弱，使用前置放大器將此電信號(hào)放大。常用的類(lèi)型有：低阻型前置放大器、PIN-FET(PIN管與場(chǎng)效應(yīng)管)前置放大器、跨阻型前置放大器組件。 主放大器：將前置放大器輸出的信號(hào)放大到判決電路所需要的信號(hào)電平。它還是一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的放大器。一般主放大器的峰-峰值輸出是幾伏數(shù)量級(jí)。 均衡器：拖尾現(xiàn)象：經(jīng)過(guò)主放大器輸出的信號(hào)出現(xiàn)了失真，不再是矩形信號(hào)了。均衡器的作用就是對(duì)主放大器輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形，保證判決時(shí)不存在碼間干擾，以得到最小的誤碼率。判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路：判決器由判決電路和碼形成電路構(gòu)成。判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路合起來(lái)構(gòu)成脈沖再生電路。脈沖再生電路的作用是將均衡器輸出的信號(hào)恢復(fù)

41、成理想的數(shù)字信號(hào)。Ø 調(diào)諧放大：用非線性處理后的波形 來(lái)激勵(lì)調(diào)諧放大器，然后在它的諧振回路中選出時(shí)鐘頻率的簡(jiǎn)諧波。 Ø 限幅 Ø 整形、移相：整形電路將經(jīng)限幅后的波形變?yōu)榫匦蚊}沖；移相網(wǎng)絡(luò)再將其相位調(diào)整到最佳判決時(shí)所需要的相位。 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)增益控制：光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍D是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，光接收機(jī)的最低輸入光功率和最大允許輸入光功率只差。其單位為dB。它表示光接收機(jī)正常工作時(shí)，光信號(hào)應(yīng)有的范圍。光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制(AGC)就是用反饋環(huán)路來(lái)控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收機(jī)中還通過(guò)控制雪崩管的高壓來(lái)控制雪崩管的雪崩增益。自動(dòng)增益

42、控制的作用是增加了光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。解擾、解復(fù)用和碼型變換輔助電路：箝位電路、溫度補(bǔ)償電路、告警電路3. 光纖通信系統(tǒng)圖4-22給出了以光電再生的方法作為光信號(hào)中繼的點(diǎn)到點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)是由光發(fā)射機(jī)、光接收端機(jī)、光中繼器、監(jiān)控系統(tǒng)、備用系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等組成。（1）光中繼器光波信號(hào)經(jīng)過(guò)一定距離傳輸之后，由于光纖損耗和色散的影響，光脈沖信號(hào)的幅度受到衰減，波形出現(xiàn)失真，這樣就限制了光脈沖信號(hào)在光纖中的距離。因此，需要在光信號(hào)經(jīng)過(guò)一定距離傳輸之后，加一個(gè)光中繼器以放大衰減的信號(hào)，恢復(fù)失真的波形，使光脈沖得到再生。（2）監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視、檢測(cè)和控制4.2 衰減和色散對(duì)中繼距離的影響4.2.1

43、 衰減與色散對(duì)中繼距離的影響1. 衰減對(duì)中繼距離的影響中繼段上的傳輸衰減包括：光纖本身的固有衰減，再者是光纖的連接損耗和微彎帶來(lái)的附加損耗。低損耗是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光纖通信的前提。2. 色散對(duì)中繼距離的影響光纖自身存在色散：材料色散、波導(dǎo)色散、模式色散(單模光纖沒(méi)有)。限制系統(tǒng)中繼距離的幾個(gè)重要因素：碼間干擾、模分配噪聲、啁啾聲。（1）碼間干擾對(duì)中繼距離的影響碼間干擾：相鄰兩光脈沖之間的相互干擾。傳輸距離與碼速、光纖的色散系數(shù)以及光源的譜寬成正比。即：系統(tǒng)的傳輸速率越高，光纖的色散系數(shù)越大，光源譜寬越寬，系統(tǒng)信號(hào)所能傳輸?shù)闹欣^距離就越短。 （2）模分配噪聲對(duì)中繼距離的影響由于在高速調(diào)制下激光器的譜線

44、和單模光纖的色散相互作用，產(chǎn)生了一種叫模分配噪聲的現(xiàn)象。模分配噪聲限值了通信距離和容量。（3）啁啾聲對(duì)中繼距離的影響頻率啁啾現(xiàn)象：振蕩波長(zhǎng)隨時(shí)間偏移。且這種時(shí)間偏移是隨機(jī)的。啁啾聲：?jiǎn)慰v模激光器在高速調(diào)制下，其載流子導(dǎo)致折射率的變化，接收取樣點(diǎn)所接收的信號(hào)中存在隨機(jī)成分，這就是一種噪聲。3. 最大中繼距離的計(jì)算（1）衰減受限系統(tǒng)（2）色散受限系統(tǒng)4.2.2 10Gbps及10Gbps以上的SDH光線路4.2.3 使用光放大器的SDH高速線路4.3 噪聲及靈敏度分析4.3.1 接收機(jī)噪聲散粒噪聲：光波量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲、APD過(guò)剩噪聲。熱噪聲：負(fù)載電阻的熱噪聲、放大電路中的熱噪聲。

45、1. 散粒噪聲和熱噪聲散粒噪聲定義：因帶電粒子產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性而引起的噪聲。 散粒噪聲圍繞一個(gè)平均統(tǒng)計(jì)值做隨機(jī)起伏波動(dòng)，由接收檢測(cè)器件自身產(chǎn)生的一種噪聲。 散粒噪聲是一種具有均勻頻譜的白噪聲。其譜密度與平均電流強(qiáng)度成正比。熱噪聲是由于電子在光電二極管的負(fù)載電阻RL上做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，而產(chǎn)生的電流隨機(jī)起伏的現(xiàn)象。 使所傳輸?shù)男盘?hào)附加上了一種噪聲，這種附加噪聲就是熱噪聲。 2. 接收機(jī)的信噪比SNR4.3.2 接收機(jī)靈敏度接收靈敏度是指在滿足給定誤碼率條件下，光接收機(jī)能夠接收到的最小平均光功率。 光接收機(jī)靈敏度是光接收機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。 接收機(jī)的靈敏度是由信號(hào)在傳輸、檢測(cè)、放大的過(guò)程中所引入的噪聲

46、所決定的。1. 誤碼率第5章 SDH5.1 光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)5.1.1 SDH的基本概念1. SDH的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口、速率和幀結(jié)構(gòu)（1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口（2）同步數(shù)字體系的速率（3）幀結(jié)構(gòu)2. SDH網(wǎng)的特點(diǎn)5.1.2 SDH中的基本復(fù)用、映射結(jié)構(gòu)1. SDH復(fù)用結(jié)構(gòu)5.1.3 SDH網(wǎng)元終端復(fù)用器分插復(fù)用器數(shù)字交叉連接器再生中繼器5.1.4 SDH光傳輸系統(tǒng)5.1.5 SDH的網(wǎng)同步網(wǎng)同步是指網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備的時(shí)鐘頻率和相位的偏差都控制在容許的范圍之內(nèi)。這樣可以保證通信網(wǎng)內(nèi)的數(shù)字信號(hào)的正常交換與傳輸。 1. 網(wǎng)同步方式Ø 主從同步方式 Ø 相互同步方式 Ø 準(zhǔn)同步方式

47、2. 我國(guó)同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)我國(guó)同步網(wǎng)采用分級(jí)的主從同步方式：基準(zhǔn)時(shí)鐘為第一級(jí)時(shí)鐘，其他三級(jí)依次為轉(zhuǎn)接局、本地局和設(shè)備從時(shí)鐘。我國(guó)分別在北京和武漢建立兩個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，這樣可將全國(guó)分為兩大同步區(qū)。3. 同步時(shí)鐘的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Ø 第一級(jí)時(shí)鐘，也稱(chēng)基準(zhǔn)時(shí)鐘，為了保證其具有高穩(wěn)定性和精度，采用銫原子鐘。 Ø 第二級(jí)時(shí)鐘： Ø 第三極時(shí)鐘： Ø 第四級(jí)時(shí)鐘： 5.3 光傳送網(wǎng)光傳送網(wǎng)概念：光傳送網(wǎng)是指客戶層信號(hào)提供光域處理的傳送網(wǎng)絡(luò)。 主要功能包括：傳送、復(fù)用、選路、監(jiān)視和生存性功能等，它完成信息傳送功能的手段，它是網(wǎng)絡(luò)邏輯功能的集合。 OTN功能上類(lèi)似于SDH，但OTN是指光

48、通道層上的聯(lián)網(wǎng)，即以波長(zhǎng)為基礎(chǔ)聯(lián)網(wǎng)容量單位。 5.3.1 通信網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)最下層是光傳送層，最上層是業(yè)務(wù)層，各種不同業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供不同的業(yè)務(wù)信號(hào)。業(yè)務(wù)層直接為電交換/復(fù)用層提供服務(wù)內(nèi)容，最后要通過(guò)光傳送/網(wǎng)絡(luò)層在光層上進(jìn)行信號(hào)傳輸。 各層之間關(guān)系是：下層為上層提供支持手段，上層為下層提供服務(wù)內(nèi)容。 5.3.2 光傳送網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)設(shè)備5.3.3 光傳送網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)5.4 網(wǎng)絡(luò)的生存性5.4.1 網(wǎng)絡(luò)生存性策略保護(hù)和恢復(fù)5.4.2 SDH網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)1. 自動(dòng)線路保護(hù)倒換2. 環(huán)路保護(hù)5.5 光傳送網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能5.5.1 光接口、電接口的界定5.5.2 光傳送網(wǎng)的誤碼性能5-2 WDM5.2 波分

49、復(fù)用5.2.1 光波分復(fù)用的基本概念概念：光波分復(fù)用技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多波長(zhǎng)信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。Ø 它將兩種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)(攜帶各種信息)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱(chēng)合波器)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。 Ø 在接收端，經(jīng)解復(fù)用器將各種波長(zhǎng)的光載波分離，然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號(hào)。 1. WDM，DWDM，CWDM2. WDM特點(diǎn)3. WDM與光纖4. WDM對(duì)光源和光電檢測(cè)器的要求5.2.2 波分復(fù)用系統(tǒng)Ø 光發(fā)射機(jī)：光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(OTU)Ø 光接收機(jī)：光解復(fù)用器 Ø 光中繼器：EDFA(光放大，增益平坦特性)Ø 光監(jiān)控與管理系統(tǒng) 5.2.3 WDM網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備1. 光分插復(fù)用器OADM2. 光數(shù)字交叉連接器OXC5.2.4 采用光波分復(fù)用技術(shù)的高速光纖通信線路1. 影響波分復(fù)用系統(tǒng)性能的因素2. 與WDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題Ø WDM系統(tǒng)中的最小和最大光功率 Ø 信噪比、