光纖通信課件：第1章 概述

光通信系統(tǒng)設計黃紅斌thhb@

課前的話

1.學習意義掌握一些光纖通信技術是現(xiàn)實需要對很多專業(yè)提出的要求，也是形成相關人員合理知識結構一個不可缺的重要組成部分要求。光纖通信技術在近30、40年里得到了極大的發(fā)展，目前它和移動通信、數(shù)據(jù)通信已經(jīng)成為電信領域發(fā)展的基石。2.專業(yè)課特點授課內容不局限于某一本教材實時補充最新的相關內容傳統(tǒng)式習題量小要求利用圖書館和網(wǎng)絡信息進行設計《光纖通信》（第3版）原榮編著電子工業(yè)出版社2010.5參考書目共計36學時

考試課1概述1.2 光波基礎1.3光與介質的相互作用1.4平面介質波導

2光纖和光纜2.1 光纖結構和類型

2.2 光纖傳輸原理2.3 光纖特性

2.4 單模光纖傳輸?shù)倪M展和應用

3光通信器件3.1光器件概述3.2光連接器Connector3.3光衰減器Attenuator3.4光耦合器Coupler3.5復用器與濾波器

MultiplexerandFilter3.6光隔離器與環(huán)行器3.7光調制器Modulators3.8光開關Switches3.9光波長轉換器3.10光交叉互連器4光源和光發(fā)射機4.1半導體激光二極管LD4.2 半導體激光器的工作特性4.3光發(fā)射機講授內容(1)

5光探測器和光接收機5.1 光檢測器5.2 光檢測器的工作特性和參數(shù)5.3 光接收機5.4光接收機的噪聲特性

5.5光接收機的靈敏度

5.6光接收機的性能評估6光放大器6.1 概述6.2 光放大器的原理與一般特性6.3 摻鉺光纖放大器EDFA6.4 半導體光放大器SOA6.5光纖拉曼放大器FRA講授內容(2)7光纖傳輸系統(tǒng)7.1光纖通信系統(tǒng)結構7.2光纖損耗對系統(tǒng)的限制7.3光纖色散對系統(tǒng)的限制7.4光纖中的非線性光學效應對系統(tǒng)的影響7.5信道串擾7.6光纖通信系統(tǒng)設計中的功率預算8光網(wǎng)絡及其它光纖通信技術復習共計36學時

考試課第一章概述內容要求1.2光波基礎1.3光與介質的相互作用1.4平面介質波導1.2.2均勻介質中的光波1.平面電磁波光是一種電磁波，它的電場和磁場隨時間不斷的變化，分別用Ex和Hy表示

，在空間沿著z方向總是相互正交傳輸，如圖1.2.4所示。最簡單的行波是正弦波，沿z方向傳輸?shù)臄?shù)學表達式為 （1.2.5）電磁波是行波平面波的波前

是與傳播方向正交的平面

相速度和介質折射率例1.2.2相速度、群折射率和群速度

1.3.1斯奈爾定律和全反射從幾何光學我們可以得到（見圖1.3.1左上角小圖） 或者 這就是斯奈爾（Snell）定律，它表示入射角和折射角與介質折射率的關系。圖1.3.2光波從折射率較大的介質以三種不同的入射角進入折射率較小的介質,出現(xiàn)三種不同的情況圖1.3.3光波從折射率較大的介質進入較小的介質,電場與傳輸方向正交,

并可分解為與入射面垂直的電場分量和平行的磁場分量菲涅耳方程利用電磁波從介質1傳播到介質2的邊界條件，可以易獲得反射波和折射波幅度的表達式，這些關系式叫菲涅耳方程。電場的反射這些方程的重要意義在于，反射波和透射波的幅度和相位可用反射系數(shù)和透射系數(shù)來描述

圖1.3.4在內反射（n1>n2)時由菲涅耳方程得出的反射系數(shù)幅度和相位變化與入射角的關系圖1.3.5在外反射（n1<n2)時由菲涅耳方程得出的反射系數(shù)幅度與入射角的關系2.光強、反射率和透射率光強I與光波傳輸?shù)乃俣群碗妶龇扔嘘P

反射率R用反射光的強度和相對應入射光的強度之比來度量，法線入射的反射率只與介質的折射率有關因為玻璃的折射率約為1.5，所以光從空氣-玻璃界面反射將有4%的光被反射回來。例1.3.1

1.3.3光多次干涉和諧振與電諧振一樣，光也有諧振，在諧振時也可以在一定的頻率（波長）范圍內存儲能量和濾光?；镜闹C振腔由置于自由空間的兩塊平行的鏡面M1和M2組成，如圖1.3.8（a）所示。光波在M1和M2間反射，導致這些波在空腔內相長和相消干涉。從M1反射的光向右傳輸時和從M2反射的向左傳輸?shù)墓飧缮?，其結果是在空腔內產(chǎn)生了一列穩(wěn)定不變的電磁波，我們稱它為駐波(StationaryWaves)。因為在鏡面上（假如鍍金屬膜）的電場必須為零，所以諧振腔的長度是半波長的整數(shù)倍圖1.3.8法布里珀羅(F-P)諧振腔及其特性不是任意一個波長都能在諧振腔內形成駐波，對于給定的m，只有滿足式（1.3.19）的波長才能形成駐波，并記為m，稱為腔模式，如圖1.3.8（b）所示。自由頻譜范圍（FSR）所以對應這些模式的頻率是諧振腔的諧振頻率式中f是對應基模（m=1）的頻率，在所有模式中它的頻率最低。兩個相鄰模式的頻率間隔是稱為自由頻譜范圍（FSR）。法布里-珀羅（F-P）光學諧振器假如諧振腔沒有損耗，即兩個鏡面對光全反射，那么式（1.3.21）定義的頻率的峰值將很尖銳。如果鏡面對光不是全反射，一些光將從諧振腔輻射出去，峰值就不尖銳，而具有一定的寬度。很顯然，這種簡單的鍍有反射鏡面的光學諧振腔只有在特定的頻率內能夠儲存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學諧振器。F-P諧振腔的精細度

鏡面反射系數(shù)R越小意味著諧振腔有越大的輻射損耗，從而影響到腔體內電場強度的分布。由式（1.3.21）可知，R越小峰值展寬越大，而且電場強度最大值和最小值的差也越小，如圖1.3.8（c）所示。該圖也定義了法布里珀羅諧振腔的頻譜寬度，它是單個腔模式曲線半最大值的全寬（FWHM），可用下面的簡單表達式計算式中

F

稱為諧振腔的精細度，它隨諧振腔損耗的減小而增加（因R增加）。精細度越大，模式峰值越尖銳。精細度是模間隔對頻譜寬度的比.

圖1.3.9入射光通過由部分反射鏡組成的法布里珀羅諧振腔，其透射光可作為濾波器的輸出法布里-珀羅光學諧振腔已廣泛應用到激光器、干涉濾波器和分光鏡中。

例平面介質波導圖1.4.1在波導中傳輸?shù)墓獠ū仨毰c它自己相長干涉,否則相消干涉就不會建立起傳輸光場滿足波導相長干涉的波導條件式很顯然，對于給定的m，只有一定的和

值才能滿足式（1.4.1），

與有關，也與光波的偏振態(tài)有關。因此對于每個m值，將允許有一個m和一個相對應的m。因，d=2a，所以滿足波導相長干涉的波導條件式（1.4.1）變成（1.4.2）：波矢量分解圖1.4.2m=0基模沿波導y方向的電場分布，通常入射角=90o，沿z軸的相速度最大圖1.4.3三種模式的波沿波導y方向的電場分布，

m越大光場進入包層越深，消逝波以指數(shù)衰減圖1.4.4光脈沖進入波導后分裂成各種模式的波，以不同的群速度向前傳輸，在波導輸出端重新復合構成展寬的輸出光脈沖傳輸常數(shù)，模數(shù)m

由式（1.4.2）顯然可見，只有一定反射角的光線才能在波導內傳輸。而且大的m值產(chǎn)生小的m角。每個不同的m值將產(chǎn)生不同的由式（1.4.3）決定的傳輸常數(shù)。m值稱為模數(shù)。沿波導傳輸?shù)墓獠捎孟率絹砻枋? （1.4.5）對于給定的m

，電場在沿z傳輸?shù)倪^程中沿y的分布，如圖1.4.2所示。圖1.4.3表示三種模式的波沿波導y方向的電場分布