第5章光纖通信系統5.1概述

21、光纖通信發展的歷史和現狀

光通信：指一切運用光作為載體而傳送信息的所有通信方式的總稱。（1）最早的光通信

烽火臺旗語（F1賽車）（2）光電通信方式——————貝爾的光電話透鏡透鏡話筒拋物鏡硅電池受話器弧光燈圖1貝爾光電話存在的問題：（1）光在大氣中的傳送受到氣象條件的限制（2）太陽光、燈光等普通的可見光源，都不適合作為通信的光源。（“光不純”）要用光通信，要解決兩個問題：（1）傳輸媒介：穩定的，低損耗的傳輸媒質（2）光源：高強度可靠的光源2、光纖通信系統的組成光纖通信概念：以光波作載波、以光纖為傳輸媒介的通信方式

光纖通信系統基本三大模塊：

光發射機、光纖線路、光接收機光源一般分為：發光二極管LED

半導體激光器LD傳輸媒介------光纖（光導纖維）

最初制作的光纖,衰減損耗特別大，20世紀60年代，最好的光纖的損耗也在1000dB/km1970年，美國康寧公司成功制成了20dB/km的光纖

1986年，0.154dB/km的光纖，衰減接近理論極限信息源電發射機光發射機基本光纖傳輸系統光纖線路接收發射電信號輸入光信號輸出光信號輸入電信號輸出光接收機電接收機信息源圖2光纖通信系統示意圖光發射機

主要功能：電光轉換

常用光源：半導體激光器、半導體發光二極管等驅動電路載波源調制器光源通道耦合器電信號輸入光輸出圖3光發射機示意圖光纖線路功能：把來自光發射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸到光接收機組成：光纖、光纖連接器、光中繼器等光接收機功能：把從光纖線路輸出，產生畸變和衰減的微弱光信號轉為電信號，并經放大和處理后恢復成發射前的電信號主要組成部分：光檢測器（核心）功能：光/電轉換光接收器件：PIN光電二極管、雪崩光電二極管

3、光在電磁波譜中的位置

光也是一種電磁波，只是它的頻率比無線電波的頻率高得多。紅外線、可見光和紫外線均屬于光波的范疇。光纖通信所用光波的波長范圍為0.8um至1.8um，屬于電磁波譜中的近紅外區。4、光纖通信中常用的低損耗窗口0.70.80.91.01.11.21.31.41.5衰減（dB/km）第一窗口第二窗口波長——λ（μm）6543210。40。2第三窗口

C波段1525~1565nm圖4光纖的損耗特性曲線（P158)0.85um、1.31um和1.55um左右是光纖通信中常用的三個低損耗窗口。5、光纖通信特點光纖通信優點：傳輸頻帶寬，傳輸容量大光纖損耗低，中繼距離大抗電磁干擾能力強尺寸小，重量輕，便于施工維護絕緣性好，耐腐蝕性強，壽命長資源豐富，節約有色金屬和能源1、什揀么是東光纖京通信窗？2、光陡纖通污信系跟統的私基本猛組成鹿部分倆？3、與樸電纜腐或微權波等稼電通額信方菊式相養比，違光纖僻通信梯有何優點甩？4、為截什么餃說使乖用光芳纖通禁信可輝以節雅約大所量有局色金贈屬？5、為敲什么臘說光朝纖通弊信具裂有傳改輸頻閑帶寬宜，通依信容墊量大興？6、可維見光故是人琴眼能振看見棗的光幼，其貼波長課范圍歇是多萍少？7、紅蛇外線建是人票眼看巾不見昂的光述，其蠶波長麻范圍線是多船少？8、近咐紅外孝區：磁其波時長范紛圍是青多少責？9、光倚纖通躍信所返用光蓄波的錦波長豈范圍怖是多遮少？10、光淺纖通弟信中亮常用烤的三左個低述損耗彎窗口壘的中閣心波槐長分別是肚多少尚？習題1：5.培2光纖職與光儉纜1、辟光纖停的結渠構與談類型光纖償的結昨構光纖錯（Op傾ti屢ca駁l良Fi桂be逗r）的捷典型纏結構期是多確層同鞭軸圓塑柱體事，自內之向外由纖蓄芯、定包層撞和涂筍敷層構三部捏分組率成。圖5光纖尊結構世示意謝圖纖芯截的折水射率臂比包舉層稍泡高，櫻光能顧量主具要在撇纖芯從內傳葬輸。尤設纖社芯和諸包層雪的折棕射率保分別已為n1和n2，光莖能量蕩在光陣纖中加傳輸縮慧的必潮要條蓮件是n1>n2。包層浙為光蘋的傳森輸提抱供反聲射面謠和光且隔離棋，并碼起一推定的濾機械祥保護引作用仁。涂覆滴層保盲護光螞纖不技受水瞧汽的眨侵蝕怒和機帶械擦雪傷。光纖團的類搞型按光映纖截發面上述折射知率分誰布分味類：階躍閃型光美纖、跳漸變掀性光你纖按傳說輸的燭模式摸數量腎分類冰：單模淚光纖沖、多莖模光辦纖單模員光纖：只尊傳輸辰一種窩模式在，纖橡芯直焦徑較臺細，輔通常在4μm～10μm范圍鄉豐內。多模題光纖：多糞模光廉纖可饞傳輸茅多種萌模式巴，纖咬芯直莖徑較粗晶，典兆型尺擊寸為50μm左右捆。2、光聲纖的炸導光艦原理突變盆型多百模光卷纖導矛光原腹理設纖芯和包層折射功率分密別為n1和n2，空虧氣的貸折射頌率n0=1數值奴孔徑異（十剪分重晉要的未參數海）根據腎這個陪傳播咐條件捆，定冠義入絮射臨扎界角貨的正蓮弦為駁數值驅孔徑(N品um洗er允ic嶄al凝A幻玉pe票rt秤ur封e,NA)。即光升纖的嗓數值孩孔徑住為：NA=n0si掏n(θma健x)光纖燒的數比值孔燙徑為度：NA=n0sin

(θmax)=光纖臭的數每值孔雄徑NA僅決諷定于顫光纖騎的折們射率n1和n2，與光蜓纖的直徑無關柱。光纖功的數遞值孔鴉徑NA表示鴿光纖搖接收杯和傳驚輸光暑的能陶力，NA(或θm貞ax陸)越大撥，光妹纖接旋收光紹的能炕力越粱強，嫁從光升源到抄光纖喜的耦合敘效率越高誦。相對樣折射及率差Δn1和n2差值的杯大小館直接咬影響財著光鍵纖的桌性能喜，為磚此引初入相娘對折胸射率塔差這靜樣一適個物融理量點來表拾示它項們相環差的趟程度旗，用Δ表示惱，即光纖獨的數駕值孔梳徑可族表示超為：【例】均勻攪光纖芹纖芯負和包青層的梯折射贈率分輝別為n1=1芒.5姜0，n2=1美.4批5，光纖徑的長趟度L=通10糾Km。試余求：（1）光纖牲的相隱對折濫射率屆差Δ；（2）數值玻孔徑NA；（3）若將察光纖蔥的包泊層和產涂敷矩層去飯掉，顯求裸小光纖默的NA和相絞對折濟射率哄差Δ。3、光濱纖的時傳輸摟特性光纖蟻的損滾耗光纖溫的損開耗可課分為吸收恭損耗、散左射損刪耗、輻射吊損耗。傳輸類單位之長度(1km)光纖位所引趟起的忘光功掌率減鞋小的免分貝驗數，切一般滑用α表示扣損耗負系數關，單菊位是dB/km。光纖民的損換耗系然數（章衰減概系數竭）式中嗎：L為光宜纖長餐度，揭以km為單番位；P1和P2分別島為光蜜纖的字輸入喝和輸坦出光乞功率手，以mW或μW為單躲位【例】當光暮在一蝴段長同為10盆km光纖縫中傳際輸時漏，輸戶出端辜的光作功率餡減小蟲至輸尺入端絡光功飲率的披一半漠。求：炮光纖賤的損蓬耗系慶數α。色散嫂是限芹制光絡纖容狀量和舞傳輸繁距離榴的主袍要因帆素。光纖摧的色切散光纖嘗色散踐概念--絹--饒--構成腐光信看號的鎮電磁肢波各某分量硬在光顆纖中瞇具有養不同山傳輸便速度米的現性象。可分限為：狀模式惰色散硬、色筒度色等散、擁偏振戚模色郊散模式滑色散--達-在多足模光羅纖中敬，不錢同模鄙式下奸的光衣在同雹一頻徹率下率傳輸合，由末于行叫進軌緣瑞跡不歉同，射在同骨樣長匆度光輕纖中趁傳輸冬時，欺需不革同的隙時間掌，即未模間遙存在膽時延浙差。模式估最大傷時延居差（子午摧光線魚的最后大時謊延差）(1)(2)(1吹)：(2嶺)：子午茫光線偶的最此大時差延差【例】均勻倦光纖誕纖芯侄和包層層的閑折射老率分煮別為n1=1很.5均0，n2=1毀.4御5，光纖受的長筑度L=焦10留km。試求孔：（1）子異午光灣線的糾最大售時延鬼差；（2）若電將光圾纖的窄包層義和涂曲敷層楚去掉癢，求墨子午念光線冤的最欣大時棍延差雁。光纖僻色散懷對數意字通丹信系禽統的析危害在數東字光撈纖通餡信系當統中賭，色羅散會核引起商光脈個沖展系寬，寒嚴重晃時前眠后脈帆沖將碰相互么重疊苦，形器成碼飽間干狂擾，競增加踏誤碼庸率，臨影響兵了光遣纖的駁傳輸丸帶寬遵。因咸此，躁色散疊會限國制光栽纖通滲信系塔統的事傳輸鬼容量迫和中逆繼距笑離。幾種霜常用單模享光纖鞏的性秩能及雖應用G.想65堂2光纖--掉--釣--常規贈單模磨光纖特點因：在13壇10肅nm波長匠處的均色散攔為零在波朽長為15壘50帝nm附近壩衰減珍系數逗最小到，約丸為0.賽22編dB幼/k感m，但在15耗50寒nm附近引具有夸最大晝色散成系數可選13獎10住nm和15駐50途nm波長勇區域找，最固佳工景作波井長為13帳10急nm御.G.布65雨2光纖底是當東前使慚用最嚇為廣扛泛的丈光纖致。G.居65糟3光纖--充--盡--色散惠位移姻單模分光纖(D抬SF喬)色散惱位移憂光纖之是通該過改尋變光追纖的暖結構辮參數宴、折歪射率廳分布獅形狀才，氧將零孩色散糞點從13遷10啊nm位移巷到15順50抽nm，實現15元50咱nm處最快低衰肯減和外零色尾散波囑長一逼致。舉這種煌光纖天工作庸波長煙在15禮50宏nm區域還。它非塞常適籠合于顧長距聲離單執信道摟光纖嫁通信貢系統削。在密界集波董分復晨用系鳥統中雁很少弓采用DS穗F光纖廁。G.魄65襖5光纖--吊--展--非零態色散秤位移層單模賢光纖工作妄在15腐50等nm波長挽區域絕，這種西光纖乎主要度適用奪密集臣波分籠復用崇傳輸殃系統嚷。4、光脈纜光纜甩的構撕造一俊般由燒纜芯仙、護的層、飽加強我構件3部分抵組成偽。纜芯刃是光羅纜的餓主體茂，指氣涂覆搞后的絡光纖也，其作為用是克傳輸流光波。護層揀主要熔是對鏟已成決纜的練光纖儲芯線喜起保嬌護作市用。加強肌構件據主要弦承受萄敷設竄安裝伏時所下加的持外力臺。光纜煙按結隸構形饑成主冤要分腰為:（1）層具絞式也光纜子；（2）骨斧架式場光纜枯；（3）束愚管式敲光纜饑；（4）帶豬狀式裕光纜弓。光源調制器驅動電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光源光無敗源器倚件光檢鞋測器光器角件是邁構成炮光纖號通信國系統脂的必盈備元吳件5.默3無源監光器徑件全球太光纖撤通信轉設備律主要至供應典商光有原源器怪件（需要漫外加鉆能源齡驅動傾工作盾）光源僵（LE染D、LD）光放取大器光檢溜測器光調斷制器光無惕源器水件--婦--礎--光連盈接器、光耦毀合器翠、光貸開關須、光姥隔離掛器、光衰鄉豐減器螞、光市調制耳器、光波紐奉分復益用器1、光纖底連接所器光纖徒連接聰器是熔使一夾根光販纖與企另一娛根光渣纖相諒連接施的器含件，裹是光籌波系茶統中虛使用饅最多等的器典件。光纖撲連接儲器最薯重要繳是使腎兩根顯光纖心的軸象心對幼準，異使發節射光堆纖輸豈出的忙光能鑒量最串大限蕩度地據耦合蘋進接股收光廚纖。光纖窩與光盜纖的推連接茂有兩劉種形問式，大一種肅是永久暑性連串接，另必一種瞧是活動量連接。永久乏性連缸接具阻有粘接秧法和熔接逗法之分肝，目犬前多禾采用熔接施法。熔接鄉豐法產浸生永父久性單的連笨接.電弧或激光熔化焊接待連接光纖能進行顯微操作的光纖夾具光纖率的熔支接圖光纖晌很細唱，單炎模光旱纖的扶纖芯液直徑閘要在10潮um以下傷，因挽此熔盛接必碧須使水用機柱器才艱行。技術黎指標己：插入芽損耗：輸雀入光炕功率遍相對話輸出易光功捷率的握比率彩的分支貝數冒。回波或損耗：反旬射損銅耗，府光纖把連接敢處，找輸入蹲光相給對后牛向反抄射光通的比培率的骨分貝嚼數。PinPoutPR2、光纖公耦合歌器實現剃光信純號分頸路/合路獸的功資能器懷件，擋一般乖是對漿同一趁波長畜的光棕功率倦進行偷分路繳或合嶼路，招其使溪用量滿僅次啟于連翻接器正。圖2×繩2雙錐翠形光定纖耦依合器輸入功率P1直通功率P3P3反向散射信號P2耦合功率PinP0主要殃技術農指標插入姨損耗IL——全部阻輸入運光功扮率Pi聾n與指母定輸兄出端軌的光甲功率P1,倘2的比和值。附加低損耗EL——全部閱輸入揪端光你功率縮慧與全劣部輸茄出端煙光功飄率的頑比值納。分光掃比CR——是一肺個指窗定輸頁出端團的光典功率尼和全店部輸劑出端唇的光國功率溫之和葡的比編值。隔離品度I——反映蔬定向篇耦合賊器反向小散射裹信號它的大助小。當盯從0端注需入光秧功率乓，1、2端輸把出功曉率時蠻，3端對1端的隔離閱度定義凈為【例】2倦×2雙錐轉形光中纖耦攪合器我的輸攀入功伐率為Pin=20獅0u嗚W,另外忘三個喚端口挺的輸姓出功埋率分猴別為P1=9撲0μ窯W，P2=8艇5μ走W，P3=6對.3波nW，試計狼算光吧纖耦系合器非的主大要性攔能參醬數。輸入功率P1直通功率P3P3反向散射信號P2耦合功率Pin3、傭光合波牛器與若光分版波器光合謠波器摔和光美分波腦器是畫用于逼波分義復用握等傳犧輸方餡式中苗的無痰源光固器件蹲。可弊將不滋同波貪長的膠多個衡光信笛號合徑并在脫一起蜂藕合繩到一及根光凈纖中返傳輸坐，或冷者反游過來僻說，漏將從臉一根炸光纖蹦傳輸腐來的灰不同銹波長丹的復針合光云信號姻，按騎不同商光波館長分政開。邪前者桃稱為月合波念器，瘡后者桑稱為北光分怒波器尚。1，22112121212121212124、完光濾波索器光濾說波器迅一般虹是采鞋用多蔥層介潔質膜紀作為仔光濾株波器挺，使蒼某一訴波長鑰的光志通過添，而絞其他匯波長擁的光雁被阻餃止。微具體杯結構悼有兩廊類，槽一類豬為干著涉濾車波器綁，另流一類抖為吸白收濾撇波器冊，兩掠者均敞可用土介質幼膜構脊成。5、寺光隔離般器光隔骨離器緒是一提種只涂允許愿單向忠光通志過，涉阻止晃反射勢光返哀回的丈無源慮光器示件，在光莊纖通蹈信系栗統中牲，尤牽其在襪相干暮光纖藏通信刃系統旦中，養為了永防止拋各種租原因鈴產生煉的反牌射光畏進入宣激光凈器，胃影響晌激光持器的舞穩定隸性，濁常需士要光墾隔離郊器。5.盡4光源聚與光恢檢測啊器5.背4.搭1光源光源是光絲式發射嶼機的關鍵跑器件，其功能是把電信陷號電岡流轉換散為光信態號功合率,即實抬現電/光轉萍換。目前光纖奇通信奮廣泛滑使用芹的光源主要另有半導襯體激殲光器(L辭D)和發光妹二極咱管(L舉ED底)。1、半鮮導體莊激光估器工癥作原院理和布基本萄結構一、大受激勁輻射待和粒顧子數扔反轉傻分布（1）半購導體冬激光復器半導午體激功光器是向東半導虧體PN結注念入電紋流，菜實現粒子輛數反差轉分徹布，產素生受激鹽輻射酒，再利完用諧振共腔的正傷反饋倡，實伏現光界放大漸而產露生激賢光振剃蕩的剩。（2）激步光激光，其英顏文LA嗚SE僵R就是Li窮gh止t切Am決pl接if嫌ic輔at輛io瓣n時by斜S逢ti撇mu紫la艘te吊d籮Em沸is離si坑on蛇o純f朱Ra喉di啟at覺io尿n(受激訴輻射噴的光需放大)的縮菌寫。臟所以勿討論碼激光角器工際作原棍理要桑從受隱激輻萌射開炎始。（二最）光菊和物薪質相標互作雕用有源柳器件的物理詞基礎是光和事物質嚷相互工作用的效澆應。滿在物愚質的液原子諸中，財存在駐許多連能級眨，最舍低能誼級E1稱為基態，能拜量比脊基態行大的栗能級Ei(i拌=2刊,浮3,凡4晉…龜)稱為激發稅態。電場子在肥低能交級E1的基垂態和押高能候級E2的激吳發態址之間揪的躍桂遷有覺三種妄基本總方式號。光與蛾物質扔的相倡互作邪用時，梯將發曉生:(1發)受激亦吸收(2藝)自發華輻射(3徹)受激咬輻射三種左基本盼物理泄過程激。(1皮)受激喊吸收在正經常狀芹態下間，電屢子處戒于低掏能級E1，在稀入射纏光作招用下企，它浩會吸跌收光蒜子的許能量全躍遷笑到高坐能級E2上，睛這種盆躍遷貸稱為受激砌吸收。受激擊吸收將使外界厭光能彈減少倚。(2中)自發終輻射在高篇能級E2的電肝子是府不穩招定的維，即長使沒引有外紅界的儲作用毛，也稼會自畢動地遙躍遷聾到低戰能級E1上，揉釋放負的能餓量轉啞換為羽光子裝輻射粘出去構，這辜種躍憂遷稱妨為自發印輻射。(3場)受激裕輻射在高悔能級E2的電總子，君受到靈入射餓光的俘作用鄭，被減迫躍索遷到噸低能純級E1上，晃釋放曬的能宣量產婚生光板輻射禁，這滿個過投程是想在外鉤界條腫件刺雙激下侵產生道的，延因而乏稱為受激廳輻射。受門激輻棵射產匙生的套光子劍與入合射光英子疊團加，慢使光宋得到兵放大親，因型而受激垮輻射是產生渴激光戲的最僑重要族的過哨程。受激滋輻射是受激校吸收的逆過憂程。電庭子在E1和E2兩個避能級駛之間習躍遷高，吸此收的宋光子那能量龜或輻仙射的捎光子寒能量猶都要尸滿足波爾條冒件，即式中聰，h=6河.6枯28汁×1涌0-3俱4J·霞s，為普朗亭克常今數，f12為吸樹收或離輻射與的光子抵頻率。（三吵）相干紀光和非相規干光（1）相爛干光受激味輻射和自發蹤蝶輻射產生棚的光的特匠點很獎不相嶺同。芝受激蕩輻射穴光的頻率廚、相艇位和傳播妨方向與入射象光相同貸，這亂種光貞稱為相干最光。（2）非貢相干扶光自發旅輻射的光是由額大量坡不同緊激發棉態的詢電子自發圓躍遷產生陡的，其頻素率和麥方向候分布遞在一柏定范班圍內，相位和偏振態是黎混亂明的，陶這種疏光稱辮為非相認干光。怎么多保證盈產生氧受激硬輻射淘而不縮慧是受請激吸持收？（四冤）粒定子數駁反轉葬分布產生受激切輻射和產生受激蹈吸收的物攝質是租不同麻的。場設在府單位耀物質殘中，堡處于份低能毫級E1和處練于高范能級E2(E2>E1)的粒子鬧數分別屈為N1和N2。在熱威平衡身條件崇下，麻各能票級上泡的粒耀子數拆分布記滿足紐奉玻爾朱茲曼疑統計側分布寶。式中趁，k=投1.椅38院1×藥10-2耗3J/統K，為玻爾原茲曼夸常數，T為絕對雄溫度。由廳于(E2-E1)武>照0，T>抱0，在系鴉統處榨于熱涉平衡叛狀態驕下，村總是N1>N2。（1）正怒常粒咽子分錄布——受激就吸收我們脅把這飾種N1>N2分布容稱為粒子緞數正短常分存布。在易熱平凈衡狀衡態下話，N1>N2，受激落吸收大于受激壟輻射。當內光通晝過這液種物娛質時譯，光藝波總聞是被珍吸收衣，這梳種物械質稱灶為吸收風物質。（2）粒子趕數反厲轉分訴布——受激燃輻射如果N2>N1，即受激說輻射大于受激樣吸收，當淚光通室過這愿種物婆質時扮，會死產生放大作用渡，這迅種物黎質稱嘩為激活批物質途。N2>N1的分降布，蔽和正厘常狀駛態(N1>N2)的分清布相照反，蹤蝶所以飯稱為粒子籍數反榨轉分位布。粒子朵數反旬轉分談布狀坡態是使賄物質傲產生傍光放顛大而河發光充的首手要條德件。問題:如何針實現筐粒子居數反置轉分幅