【文章內容簡介】 ? 光纖彎曲半徑不宜過小 ? 光纖的切斷和連接操作技術要求十分嫻熟 ? 分路、耦合操作繁瑣 但這些缺點，都已不同程度上得以克服，它們不影響光纖通信的實用。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 54 光纖與其它幾種電通信傳輸介質的特性比較 傳輸介質 帶寬(MHz) 衰減系數(shù) (dB/km) 中繼距離 km) 敷設安裝 接續(xù) 對稱電纜 6 20(4MHz) 1~2 方便 方便 同軸電纜 400 19(60MHz) 方便 較方便 微波波導 40～ 120 2 10 特殊 特殊 光纖光纜 ~3 50 方便 特殊 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 55 光纖通信的應用－ 1 通信網(wǎng) ，包括全球通信網(wǎng) (如橫跨大西洋和太平洋的海底光纜和跨越歐亞大陸的洲際光纜干線 )、各國的公共電信網(wǎng) (如我國的國家一級干線、各省二級干線和縣以下的支線 )、各種專用通信網(wǎng) (如電力、鐵道、國防等部門的通信、指揮、調度、監(jiān)控的光纜系統(tǒng) )、特殊通信手段(如石油、化工、煤礦等部門易燃易爆環(huán)境下使用的光纜，以及飛機、軍艦、潛艇、導彈和宇宙飛船的內部光纜系統(tǒng) )。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 56 光纖通信的應用－ 2 構成因特網(wǎng)的計算機 局域網(wǎng)和廣域網(wǎng) ，如光纖以太網(wǎng)、路由器之間的光纖高速鏈路。 有線電視的干線和分配網(wǎng) ；工業(yè)電視系統(tǒng)，如工廠、銀行、商場、交通和公安部門的監(jiān)控；自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。 綜合業(yè)務 光纖接入網(wǎng) ，分為有源接入網(wǎng)和無源接入網(wǎng)，可實現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻 (會議電視、可視電話等 )多媒體業(yè)務綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 57 167。 光纖通信系統(tǒng)的組成及分類 一、組成 信息源 電發(fā)射機 電接收機 光接收機 光發(fā)射機 信息宿 基本光纖傳輸系統(tǒng) 電信號輸入 光信號輸出 光信號輸入 電信號輸出 光纖線路 光中繼器 光纖通信系統(tǒng)的基本組成（單向傳輸 ） 備用系統(tǒng) 輔助系統(tǒng) 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 58 組成光纖通信系統(tǒng)各部分的主要作用 電發(fā)射機： A/D， 合并多個用戶信號，進行復用。方法：脈沖編碼調制 (PCM)方式，即進行抽樣、量化、編碼，抽樣頻率 2Δf(模擬信號的頻帶寬度 )。 光發(fā)射機： E/O, 將電發(fā)射機送來的電信號轉變成適合于光纖傳輸?shù)墓庑盘枺⒂民詈霞夹g把光信號最大限度地注入光纖線路。 光纖線路： 把來自光發(fā)射機的光信號，以盡可能小的崎變（失真）和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C . 光中繼器： 也稱光放大器，對光纖傳送的光信號進行放大處理。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 59 組成光纖通信系統(tǒng)各部分的主要作用 光接收機 ： O/E, 將光纖傳送來的光信號轉變成電信號，送入電接收機進行信號處理。 電接收機 ： D/A， 將信號送給各用戶。 輔助系統(tǒng)： 包括監(jiān)控管理系統(tǒng)、告警處理系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)、公務通信系統(tǒng)、區(qū)間通信系統(tǒng)、自動倒換系統(tǒng)，即輔助信號的傳輸方式的考慮等。 備用系統(tǒng)： 包括光端機、光纜、光中繼部分的備用系統(tǒng)，電端機一般無備用系統(tǒng)。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 60 信號的數(shù)字化 ? 信號的數(shù)字化： 將連續(xù)變化的模擬信號轉換成離散的數(shù)字信號 ，一般需要完成采樣、量化和編碼三個步驟 ? 采樣 是指用每隔一定時間間隔的信號樣本值序列代替原來在時間上連續(xù)的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化 ? 量化 是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量、有一定間隔的離散值。 ? 編碼 是按照一定的規(guī)律，把量化后的離散值用二進制數(shù)碼表示 ? 上述數(shù)字化的過程又稱為 脈沖編碼調制 (Pulse Code Modulation， PCM)，通常由模擬／數(shù)字 (A／ D)轉換器來實現(xiàn) fs=()fm 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 61 量化判決電平 量化輸出電平 xk+1 yk xk 圖 27 量化示意圖 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 62 光纖通信系統(tǒng)的分類－ 1 類 別 特 點 按光波長劃分 短波長光纖通信系統(tǒng) 系統(tǒng)工作波長為： ～ ， 中繼距離短， 10km以內 長波長光纖通信系統(tǒng) 系統(tǒng)工作波長為： ～ ， 中繼距離長，可達 100km以上 超長波長光纖通信系統(tǒng) 系統(tǒng)工作波長為： 2μm以上，中繼距離很長，可達 1000km以上，非石英系光纖 按光纖特點分 多模光纖通信系統(tǒng) 石英多模光纖：傳輸容量較小，一般在140Mbit/s以下 單模光纖通信系統(tǒng) 石英單模光纖：傳輸容量大，一般在140Mbit/s以上 二、分類 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 63 光纖通信系統(tǒng)的分類－ 2 類 別 特 點 按傳輸信號形式分 光纖數(shù)字通信系統(tǒng) 傳輸數(shù)字信號，抗干擾能力強 光纖模擬通信系統(tǒng) 傳輸模擬信號，適于短距離傳輸和模擬電視圖像信號傳輸 其它 相干光通信系統(tǒng) 光接收機靈敏度高，中繼距離長，通信容量大，設備復雜 全光通信系統(tǒng) 不需要光電轉換，通信質量高 波分復用系統(tǒng) 在一根光纖上可傳輸多個光載波信號。通信容量大，成本低 孤子系統(tǒng) 利用光纖非線性效應平衡色散，增加中繼，可使光纖帶寬增加 10～ 100倍 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 64 167。 光通信的器件 ? 光源 ? 一、光纖通信對光源的基本要求 ? 二、光通信用的激光光源 ? 三、光源的調制 ? 四、光源與光纖的耦合及組件 ? 光檢測器 ? 一、光纖通信對光檢測器要求 ? 二、光電檢測器 —— PD ? 二、改進型光電檢測器 —— PIN ? 三、雪崩光電二極管 —— APD ? 光無源器件 ? 光放大器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 65 一、光纖通信對光源的基本要求 ? 光源 發(fā)射的峰值波長 ，應在光纖的低損耗窗口之內，即與石英光纖三個低損耗窗口相適應。 ? 有 足夠高的穩(wěn)定的輸出光功率 ，以滿足系統(tǒng)的光中繼段距離的要求。 (入纖功率必須有數(shù)十微瓦至數(shù)毫瓦 ) ? 有 高的電光轉換效率，低功率驅動，長壽命，高可靠性 。 ? 單色性和方向性好 ，以減少光纖的材料色散，提高光纜和光纖的耦合效率。 ? 易于調制 ，響應速度快，以利于高速率大容量的數(shù)字信號的傳輸，溫度特性好 ? 體積小，重量輕 ，便于安裝和使用，也利于光源和光纖的耦合。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 66 二、光通信用的激光光源 ? 半導體發(fā)光二極管 — LED ? 正面發(fā)光型 ：驅動電流小，輸出功率大； ? 側面發(fā)光型 ：驅動電流大，輸出光功率小，但光束輻射角較小，與光纖耦合效率高，其入纖光功率比正面發(fā)光型 LED大。 圖 1雙異質結半導體面發(fā)光二極管的結構 圖 2邊發(fā)光 LED的結構 LED輸出光功率特性 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 67 LED性質 ? 發(fā)射熒光，屬自發(fā)輻射，無需粒子數(shù)反轉，不是閾值器件 ? 發(fā)射譜線寬，無諧振腔，無“選頻”作用 ? 響應速度低，方向性差，發(fā)散角大 ? 溫度性能好，輸出光功率線性范圍寬 ? 制造工藝簡單，價格低廉 ? 壽命長，可靠性高 應用于小容量、短距離的系統(tǒng)中 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 68 光通信用的激光光源 — LD ? 單縱模半導體激光器 — LD ? 1)分布反饋激光器 (DFB— LD) ? 2)分布布喇格反射激光器 分布布喇格反射激光器 分布反饋激光器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 69 新型激光器 ? 主要介紹三種激光器： ? 單縱模 (SLM)半導體激光器 ? 量子阱（ QW）激光器 ? 光纖激光器 ? 單縱模 (SLM)半導體激光器 ? SLM的思想是使不同縱模具有不同的腔損耗，而 FP腔激光器的損耗不隨模式而變。具有最低光腔損耗電縱模最先達到閾值并成為支配模式。其它鄰模由于其高損耗而被區(qū)分開，并因高損耗而被阻止從自發(fā)輻射中建立。這些鄰模攜帶的功率在總的輻射功率中一般只占很小一部分 (1%)。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 70 單縱模半導體激光器的增益和損耗 ω 頻率 縱模 發(fā)射摸 損耗線 增益 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 71 單縱模 (SLM)半導體激光器 ? SLM激光器的性能一般用模式抑制因子(MSR)表征，定義為 ? MSR=Pmm/Psm, Pmm—— 主模功率， Psm—— 主要邊摸功率 ? SLM半導體激光器可分為兩類： ? 分布反饋 (DBF)激光器 ? DFB激光器 ? 分布布拉格發(fā)射 (DBR)激光器 ? 耦合腔激光器 (C3) 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 72 (a)結構 (b)光反饋 分布反饋 (DFB)激光器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 73 ① DFB激光器 ? 其反饋并不位于端面上，而是分布在整個光腔長度上，通過折射率周期擾動的內建光柵產生的布拉格散射得到 ,并使正向和反向傳播的波相互耦合。 ? DFB機制產生模式選擇的條件為布拉格條件，只有當波長滿足下式，耦合才發(fā)生。 Λ＝ m(λB/2n) λB— 布拉格波長； Λ— 光柵周期； n— 模折射率； m— 代表布拉格散射的階數(shù)； 對一階布拉格散射 (m=1)，正向和反向耦合最強，對工作于 λB＝ DFB激光器，如果 m=1， n=，則 Λ＝235nm，此光柵可用全息照相技術制造。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 74 N型 P型 光柵 有源層 DFB激光器 DBR DBR激光器 DBR 泵浦區(qū) N型 P型 DFB激光器中反饋發(fā)生在整個光腔有源區(qū)長度上，但 DBR激光器中的反饋并不發(fā)生在有源區(qū)內。實際上 DBR激光器的末端區(qū)域像一面鏡子，該鏡子對滿足方程 Λ＝ m(λB/2n) 中的 λB反射率最大，因而光腔損耗對最靠近 λB的縱模最小，而對其它縱模大大增加 兩類用 DFB機制的半導體激光器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 75 DFB激光器比 FP激光器具有如下優(yōu)點 ?單縱模激光器 ?譜線窄，波長穩(wěn)定性好 ?動態(tài)譜線好 ?線性好 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 76 ② 耦合腔半導體激光器 ? 單縱模工作是通過將光耦合到外光腔實現(xiàn)的。一部分反射光反饋回激光光腔，因為在外光腔發(fā)生相移，從外光腔的反饋不一定與激光器光腔內得的光場同相，僅當那些波長幾乎與一個外光腔縱模的波長一致的激光模式才能發(fā)生同相反饋。 激光器諧振腔 外腔 鏡面 損耗線 增益線 主模 波長 增益 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 77 波長可調諧耦合腔半導體激光器 通過簡單的旋轉光柵，可在較寬范圍內對波長實現(xiàn) 調諧 (典型值為 50nm)。缺點是不能單片集成在一起。為提供較強的耦合，可在面對衍射光柵的界面上渡抗反射模，以減小該界面對來自衍射光的反射 外腔激光器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 78 耦合腔半導體激光器 ? 外腔激光器 ? C3腔激光器 — Cleaved Coupled Cavity 其制造是通過將一常規(guī)多模激光器在中間解理，使激光器分為長度大致相等的兩部分，并由窄的空氣間隙 (寬約為 1181。m )分開。只要間隙不太寬，解理面的反射率 (約為 30％ )允許兩段間有足夠的耦合，通過調節(jié)注入到作為模式控制器的一個光腔段的電流，就可在 20nm的調諧范圍 內調節(jié) C3激光器的波長。但調諧并不連續(xù)。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 79 波長可調諧耦合腔半導體激光器 C3腔激光器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 80 耦合腔半導體激光器 ? 多段 DBR激光器 采用多段 DFB和 DBR激光器的設計方案，可實現(xiàn)穩(wěn)定性和可調諧性兼容的 SLM激光器。它由三段組成，分別為有源