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1、第1章绪论,光纤通信概念光纤通信系统的基本单元光纤通信的基本问题光纤通信系统的主要性能指标光纤通信技术的回顾和展望,1.1 光纤通信概念1.1.1 什么是光纤通信 通信是各种形式信息的有效传递，为了实现这一目的，需要相应的技术设备和传输介质。我们以调幅广播为例，话音信号经过话筒后转变为电信号，然后借助于频率范围是526.51605.5kHz的载波，将信号“装载”到载波上通过发射天线发送出去，在接收端由接收天线再将其“卸载”下来，这个过程称为信号的调制和解调。调幅广播的传输介质是大气信道。而光纤通信则是用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。它首先要在发射端将需传送的电话、电报、图
2、像和数据等信号进行光电转换，即将电信号变成光信号，再经光纤传输到接收端，接收端将接收到的光信号转变成电信号，最后还原成消息。图为光纤通信系统示意图。,图1.1.1 光纤通信系统的构成,基本单元为三个部分：光发射机、光纤和光接收机。光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成，光源是其核心部件，由半导体发光二极管LED（Light Emission Diode）或者激光二极管LD（Laser Diode）构成；光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在；光接收机由光检测器、放大电路和信号恢复电路组成。光发射机和光接收机也称为光端机。在光纤通信系统中还包括大量的有源
3、、无源光器件，图中示出的连接器起着各种设备与光纤之间的连接作用，光耦合器用于需要将传输的光分路或合路的场合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定距离后，因光纤衰减致使的光功率减弱。,1.1.2 光纤通信中光的作用及特性在光纤通信系统中，光是信息的载体，光必须经过光纤传播，而在光发射机和光接收机中，核心部件承担着电/光、光/电的转换，可见光在光纤通信中的重要地位。光的性质有很多，下面我们围绕光在光纤通信中的作用进行讨论。1.光作为载波，可以极大地提高信道的带宽带宽是信号进行传输且没有明显衰减的频率范围，信道的带宽越大，信道容量就越大。我们以模拟信号为例，说明信号携带的信息量与其所
4、占的带宽有关。比如，话音信号的带宽约为4kHz，电视图像信号的带宽为6MHz，显然电视图像的信息量比话音信号大。所以信号占据的频带宽，意味着携带的信息量大，则传输该信号的信道带宽也要随之增大。信道容量与信道带宽之间的关系可由香农哈特利（Shannon-Hartley）定理决定：(1.1.1)式中，C为信道容量（单位为比特/秒，bps），B为信道带宽（单位为赫兹，Hz），SNR是信号功率与噪声功率的比值，称之为信噪比。由(1.1.1)式可见，增加信道带宽可以有效地提高信道容量。信道的带宽又取决于载波的频率，载波频率越高，信道的带宽就越大，系统的信息传输能力也就越强。按经验，带宽大约为载波信号频率
5、的十分之一。从图的通信用电磁波频谱可见，双绞线的工作频率可以到300kHz，同轴电缆为1GHz，微波波导传输信号的频率可高达100GHz，而光纤通信所用光的频率范围为100THz到1000THz，根据估计，其带宽可达50THz。目前单波长信号速率已达到40Gbit/s，已经实现了单根光纤传输容量为10.96Tb/s的实验系统。,2.光在光纤中传输的工作波长是由光纤特性决定的 可见光的波长范围为400nm700nm，从理论上来说，光还包括紫外线和红外线，其波长范围大约为3nm3106nm，光纤通信光源使用的波长范围在近红外区内，波长在800nm1700nm之间，属于不可见光，但这个范围的光不是都
6、可以在光纤中传输的。事实上光纤对不同波长的光呈现的传输特性是有很大差别的，这里我们主要考虑光纤的衰减特性，也称为损耗特性，因为低损耗是实现光信号长距离无中继传输的前提。光纤的损耗包含两个方面：一是因光纤材料（石英）和结构引起的吸收、散射等造成的损耗，二是组成系统时所产生的损耗，例如接插件连接损耗、弯曲损耗等，在此仅说明光纤本身的损耗。图是一个典型的石英光纤损耗谱，由图可见，大约在850nm、1300nm和1550nm处有三个低损耗窗口，也称为透光窗口。第一代光纤通信系统工作在850nm附近，早期制造的光纤在这个区域有局部的最小损耗。通过降低光纤材料中氢氧根离子和金属离子的含量，已经可以制造在1
7、100nm到1600nm范围内损耗极低的光纤，目前常用的工作波长在1310nm和1550nm处。三个窗口的衰减分别为：850nm附近为2dB/km，1310nm附近为0.5dB/km，在1550nm附近为0.2dB/km。我们把15301565nm的波长范围称为C波段，这是目前高速大容量长距离系统常用的波段。,图1.1.3 光纤损耗的波长特性,3.光在光发射机和光接收机中的工作基于光的辐射与吸收光发射机和光接收机中的光源和光检测器是基于半导体材料对光的辐射与吸收机理工作的。半导体材料的导电特性介于金属和绝缘体之间，其导电特性可以借助于图所示的能带图来解释，纵轴表示能量，横轴长度没有意义。如果导
8、带EC上的电子跃迁到价带EV上，就会将其间的能量差（也称能带差）以光的形式放出，光子的频率与能带差的关系为（）或者（）式中为普朗克常数（h6.6251034Js）,为光速，的单位是电子伏特（），的单位为微米（）。我们可以通过控制半导体材料的成份来改变能带差，从而改变其发光波长。半导体发光二极管LED的工作正是基于电子从高能带跃迁到低能带将电能转变为光能的机理。把电流注入到半导体中的PN结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后，再跃迁到低能带上，它们将自发辐射出光子，如图（a）所示。,高能带中的电子实际上处于不同的能级，不可能都恰好带有相同的能量，当它们自发辐射到低能带的不同能级上时，根据
9、（）式可知，这些光波的频率并不完全一样。另外这些光波还具有不同的相位和偏振方向，因此自发辐射光是一种非相干光，即不是单一频率、相位和偏振方向相同的光。低能带高能带EC3EV2hEC2EC1EV3EV1h低能带高能带EC3EV2hEC2EC1EV3EV1h输入光Eg光检测器的工作过程则与LED相反，如果把能量大于的光照射到半导体材料上，则处于低能带的电子吸收该能量后被激励而跃迁到高能带上，我们可以通过在半导体PN结上外加电场，将处于高能带的电子取出，从而使光能转变为电能，如图（b）所示。,（a）光的自发辐射（发光二极管）（b）光的吸收（光检测器）,（c）光的受激发射（激光二极管）图1.1.5 半
10、导体中光的自发辐射、受激发射和吸收,激光二极管LD的工作机理为受激发射，即在入射光的激发下，产生与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的发射光，当然，后者的强度远远大于前者，见图（c）。要实现受激发射需要两个条件：一是高能带上的电子密度要大于低能带上的电子密度，这种状态称为粒子数反转，可采用通过向半导体激光二极管注入正向电流的方式来实现粒子数反转；二是半导体激光器中必须存在光子谐振腔，并在谐振腔里建立起确定的振荡，从而得到单色性和方向性好的激光输出。,1.1.3 光纤通信的优势光纤通信与其它通信手段的主要区别有两点，一是载波频率很高；二是用光纤作为传输介质，其优势体现在以下几个方面：1.信
11、道带宽极宽，传输容量大随着社会信息化进程的发展，人们对通信的依赖程度越来越高，对通信系统运载信息能力的要求也日趋增强，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，都是试图通过提高载波频率来提高信道容量，而光纤中传输的光波是迄今为止使用频率最高的载波，其传输容量无疑是最高的。限于器件等技术因素的制约，目前光纤通信应有通信能力并没有完全发挥出来。例如，理论上一个光纤可以同时传输近100亿路电话和1000万路电视节目，而实用水平为每对光纤传输48万多路电话信号。在实际使用中，常使用组合光纤数不等的光缆，加之一些新技术的应用，如密集波分复用技术，其传输容量可以满足任何条件下信息传输的需
12、要。,2.中继距离长所谓中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方就收不到信号。为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输，显然，中继器越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出现故障，就会影响全线的通信。在通信系统设计中，传输线路的损耗是要考虑的基本因素，表1.1列出了电缆和光纤每千米传输损耗，可见，光纤的传输损耗较之电缆要小很多，所以能实现很长的中继距离，在1550nm波长区，光
13、纤的衰减系统可低至0.2dB/km，它对降低通信成本，提高通信的可靠性及稳定性具有特别重大的意义。目前，光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达200多公里，而同轴电缆系统的最大中继距离仅为6公里。,3.抗干扰干扰是影响通信质量的重要原因，对通信系统形成干扰的干扰源很多，有天然干扰源，如雷电、电离层的变化和太阳黑子活动等；有工业干扰源，如电动机和高压电力线；还有无线通信的相互干扰等，干扰对通信系统的影响是通过干扰信号频谱落在通信系统工作频谱范围内产生的，为了降低干扰的影响，人们采取了数字通信、差错控制编码等措施，但并不能完全消除干扰对通信指标的劣化。而光纤中传输的光信号特定的频率范围，使它不易受
14、各种电磁干扰的影响。同时光纤是由高纯度的二氧化硅材料制成的，不导电，也无电感效应，所以光纤通信系统可以从根本上解决多年来困扰人们的干扰问题。4.保密性好保密性好是通信系统又一重要要求。保密要求已从国家政治、军事、经济情报范畴扩展到企业经济、技术乃至个人通信领域。对信息的窃取通常有三个途径：一是直接接入式窃听；二是窃听计算机和终端设备辐射的电磁场；三是窃听电缆源辐射的电磁场。对于第一种窃听可以采取保密口令，信息加密等技术；对于第二种窃听可以采取加强电磁屏蔽措施，但电缆系统的完全屏蔽通常是比较困难的，现代侦听技术已能做到在离同轴电缆几千米的地方窃听电缆中传输的信号。但光波在光纤中传输，不易泄漏出来
15、，难于用传统的方法窃听其中的信息，同时，它也不会干扰其它通讯设备的正常工作。,5.节约有色金属光纤的主要原材料是来源丰富的二氧化硅。据测量，从上海至北京铺设一条电缆线路需要用铜800吨，铅300吨。如果用光纤代替铜、铅等有色金属。在保持同样的传输容量下，仅需要10公斤石英。因此，光纤通信技术的推广将节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的意义。除上述列举的优势外，光纤还具有线径细、重量轻、寿命长等优点。光缆的直径很小，144芯光缆横截面直径不到18毫米，而标准同轴电缆为47毫米，利用光纤这个特点可以解决地下管道拥挤问题。由于光纤的重量轻，它被应用于飞机制造上，不但降低了通信设备的成本和飞机制
16、造的成本，而且提高了通信系统的抗干扰能力和飞机设计的灵活性。由于光纤通信的诸多许多优点，除了在公用通信和专用通信中使用外，它还在其它许多领域，如测量、传感、自动控制及医疗卫生等方面得到了广泛的应用。光纤本身也存在一些缺陷。光纤在生产过程中光纤表面存在微裂纹，从而使光纤的抗拉强度低；光纤的连接必须使用专门的工具和仪表，光分路、耦合不是十分方便，光纤弯曲半径不能太小等，这些缺陷的影响在实际工程和维护工作中都可以避免或解决。,1.2 光纤通信系统的基本单元在上节中，我们已经对光纤通信系统的构成作了初步介绍。光纤通信系统的基本单元是由光发射机、光纤和光接收机三部分构成的，这节进一步讨论这三部分的功能。
17、1.2.1 光发射机1.光源及其调制方式如前所述，光发射机由将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成，而光源是光发射机的核心部件。目前光纤通信系统中常用的光源有发光二极管LED和激光器LD两种，这两种器件都是用半导体材料制成，其主要参数和性能的比较如表1.2所示。,光纤通信系统中对光源的要求有以下几个方面：（1）光源发射的峰值波长必须位于光纤低损耗窗口之内，即为850nm，1310nm和1550nm。（2）输出的光功率要足够高并且稳定。（3）电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高。（4）单色性和方向性好，以减小光纤材料色散效应，提高光源和光纤的耦合效率。（
18、5）调制特性好，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输。（6）输出特性（功率与电流的特性曲线）的线性度较高，减小模拟调制时的非线性失真。图示出了LED和LD的外形图和其输出特性。对于LD而言，当驱动电流由零开始增加时，输出功率增加并不多，只有当驱动电流大于阈值Ith后，输出光功率才明显增加。随着驱动电流的增加，输出光功率的增加很快。对于LED而言，其输出特性基本呈线性。,(a)LED外形图和输出特性,(b)LD外形图和输出特性图1.2.1 光源的外形和特性,输入到光发射机的电信号要转换成适合驱动光源的电流信号后，才能加到光源上。电流信号可以是模拟信号（如有线电视系统中使用的视频信号），
19、也可以是数字信号（如计算机数据），由于光源输出的光功率与驱动电流的关系可知，当输入信号是模拟信号时，选择合适的工作点，可以得到变化规律相同的光功率信号。显然，输出特性的线性度越高，电光转换时的失真就越小。图1.2.2(a)示出了模拟信号对光源调制的工作过程，图(b)为数字信号对光源调制过程。,（a）模拟电流信号对激光器的调制（b）数字电流信号对激光器的调制图1.2.2 电信号对光源的调制过程,在此需要说明消光比的概念。消光比（Extinction Ratio）是分别代表逻辑1和逻辑0的最大功率和最小功率之比，通常以dB为单位来衡量,它是数字传输时光源的一项重要参数。作为一个调制好的光源希望全0
20、码时没有光功率输出,否则它将使光纤系统产生噪声,造成接收机灵敏度降低。需要说明的是，我国对消光比的传统定义与上述刚好相反。电信号对光源的调制从方式来分有两种方式：一种称为直接强度调制（Intensity Modulation）如图表明的那样，即用电信号对光源的注入电流进行调制，然后使输出光波的强度随调制信号而变化。图（a）为直接强度调制机原理框图。直接调制光载波的方式用得比较多，但由于它本质上是电领域的调试方式，所以受激光二极管调制特性的限制。当光纤通信向着大容量高速化方向发展时，半导体光源本身的调制特性满足不了要求，则需要采用另一种调制方式-外调制方式来达到目的。图（b）示出了使用外调制器的
21、光信号调制原理图。,（a）直接调制（b）外调制图1.2.3 直接调制与外调制,外调制器是利用晶体的电光、磁光和声光等效应对光辐射进行调制，即在光源光辐射产生后再加载调制信号，外调制器放置在光源输出端的光路上，在调制器上加调制电压后，使激光器输出的连续波，通过调制器转换成一个随时间变化的光输出信号。目前在光纤通信系统使用的外调制器通常是铌酸锂（LiNbO3）电光调制器，它采用了一个集成光学马赫-曾特（MachZehnder）构成，简称为MZ调制器，图示出了一种双电极驱动构成的铌酸锂光调制器的电光路框图。,图1.2.4 双电极驱动的LiNbO3光调制器的电光路框图,2.光发射机的辅助电路除光源外，
22、光发射机还有与之匹配的直流偏置驱动电路，阻抗匹配电路，防止光从光纤返回的光隔离器，监视光源发射功率的监视光电二极管，自动功率控制电路和使光源恒温工作的温度控制系统。下面对其中主要部件的功能作简单的介绍。（1）驱动电路。对于直接强度调制的光源，必须给它提供恒定偏置电流和已调制的信号，它才能正常工作。这个功能是由驱动电路完成的。一般来说，驱动电路是一种电流开关电路。对它的基本要求是：既要有快的开关速度，又要保持良好的电流脉冲波形，另外，还得考虑其温度系数。因为环境温度的波动会引起供给电流的波动，所以现在几乎所有高性能的激光二极管都已采用具有可调节电流和温控装置的电路。（2）自动功率控制电路APC（
23、Automatic Power Control）。激光二极管恒定的光输出功率对保证通信系统的正常工作有着至关重要的意义。而事实上，激光二极管的阈值电流容易随温度和器件的老化而变化，从而引起输出光功率的变化，所以必须配置自动功率控制电路。通过设置在激光二极管后出光面的光电二极管对输出光的强度进行监测。光电二极管的输出被反馈给驱动电路，当光输出功率下降时，驱动电流增加，反之则减小，始终保持输出光功率为一恒定值。,（3）自动温度控制电路ATC(Automatic Temperature Control)。激光二极管的许多关键因素（波长、阈值电流、效率、PI特性、斜率等）都与二极管的结温有着密切的关系
24、，比如，对于1550nm器件，每增加摄氏1度，频率变化13GHZ。工作温度还与激光二极管的寿命密切相关。据估算，每30的温升会使其寿命降低一个数量级。因此，期望激光二极管工作时有尽可能低的和稳定的温度。帕尔帖（Peltier）温控装置是常用的一种激光二极管温度控制部件。它利用半导体材料的帕尔帖效应制成。P型和N型两种不同的半导体组成电偶，当直流电流通过时，一端吸收热量而另一端放出热量，这种效应就称之为帕尔帖效应，可见帕尔帖温控组件是一种转移热的热电半导体器件，也称热电制冷器。它的散热方向取决于电流流动的方向，通常，由反馈回路中的温度传感器（热敏电阻）控制供给温控装置组件电流的大小和极性。自动温
25、度控制电路可使激光二极管的结温变化控制在0.1的范围内。（4）光隔离器。光隔离器的作用是保护光源的激活区免受回射光的影响。实际上，当激光入射到光纤的端面时，其中的一部分将被反射回光源处。此外，连接器和机械接头也会将光反射回激光二极管。而光源（特别是激光二极管）对这一反射光是十分敏感的，它会增加LD的相对强度噪声（光源的一项噪声指标），从而影响整个光纤通信系统的性能。,现在，人们已经将激光二极管、监视光电二极管、光隔离器、热电制冷器、温度传感器、控制电路、驱动电路、自动温度控制电路、自动功率控制电路、尾纤等制成为光发射模块，集成在一个管壳内并组成光发射功能的器件，这样器件功能更加完善，性能也更加
26、优异，用户使用更加方便，系统设计更加简便。所以说，器件的模块化已经成为发展的必然趋势。图为其功能框图。图为某光发射模块的实物图。,图1.2.5 光发射模块功能框图,图1.2.6 光发射模块实物图,1.2.2 光纤1.光纤结构光纤是通信系统的传输介质，是由两种不同折射率的石英玻璃（SiO2）在高温下拉制而成的。基本结构如图所示，内层为纤芯，作用是传输光信号，外层为包层，作用是使光信号尽可能封闭在纤芯中传输，为了将信号限制在纤芯中，必须在纤芯和包层的界面实现图1.2.7阶跃型光纤的基本结构光的全内反射，参见图，为此要求纤芯的折射率比包层的折射率略大，在纤芯中掺入极少量的杂质（如GeO2）可达到这个
27、目的。,设全反射的临界入射角为，则由光学计算公式可知（）式中n1，n2分别为纤芯和包层的折射率。图中称为临界传播角，它是光线发生全反射时与光纤纵向轴线之间的夹角。）要保证光线在光纤内全反射，必须有传播角（）例：某种光纤的纤芯和包层的折射率分别为1.48和1.46，求临界传播角。由（）式可知按照传送光的模式的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径大约几个微米，主要传送1550nm波长的光，多模光纤的纤芯直径为一般为几十微米，常用来传送850nm波长的光。单模光纤和多模光纤的包层直径一般都为125m。,2.光缆仅有纤芯和包层的光纤称为裸光纤，它的强度较差，柔韧性无法达到使用的要求。在
28、光纤制造过程中，裸纤从高温炉拉出后，立即要经过涂覆层流水线进行涂覆。涂覆层的主要成分是环氧树脂和硅橡胶分子材料。它具有如下的功能（1）吸附性好。与裸光纤保持坚固的接触。（2）可剥离性。在光纤的连接中希望剥离力小，以利于安装操作。（3）柔韧性。可以保护光纤免受任何外部损伤。（4）抗潮性。涂覆层可以保护光纤免受湿气，从而延缓光纤的老化，增强其稳定性。（5）温度系数与裸光纤一致性。涂覆层的热膨胀系数应与裸光纤的热膨胀系数保持一致，否则，将会导致其对光纤的压力发生变化，造成光纤的微弯和较大的衰减。涂覆层有单层和双层之分，在双层结构中，内层为软涂敷层，它提供较好的粘贴度和光纤衬垫。硬外层保护光纤以适用于
29、多种环境及磨损。涂覆层的外径在245900um之间。经过一两次涂覆（套塑）的光纤虽然具有一定的抗拉强度，但还是比较脆弱，经不起弯曲、扭曲和侧压的作用，无法投入实际应用。为了能使光纤用于多种环境条件下，便于敷设施工，必须将光纤制成光缆。图为光缆实物图。,图1.2.9 光缆实物图,1.2.3 光接收机光接收机的主要作用是将接收到的微弱光信号转变为电信号，放大并处理，恢复为原来的形式。光接收机由光电检测器、放大器和相关电路组成。根据应用不同，光接收机又分为模拟光接收机和数字光接收机。图示出了模拟系统光接收机的组成，RF表示模拟射频信号，其中光电检测器PD(photodiode)是光接收机的核心，它的
30、工作机理基于我们前面介绍的半导体材料的光电效应，光电检测器可以将光信号转变为电流信号。目前广泛使用的光电检测器有两种：本征型光电二极管（简称PIN管）和雪崩型光电二极管（简称APD）。PIN光电二极管无放大能力，主要用于要求简单，性能不高的短距离通信系统，价格较为便宜。与PIN管比较起来，APD具有内部增益高、响应速度快、光电转换效率高、光生电流大等特点，因此主要用于要求性能好、有高灵敏度的中长距离光纤通信系统中。对光检测器的主要要求是：高灵敏度，低噪声，响应速度快，足够的带宽，对温度变化不敏感等。,图模拟光接收机的主要组成部分,对于光纤数字传输链路而言，由光发射机发出的光脉冲信号在沿着光纤传
31、输时会发生衰减和失真，到达接收机经光检测器产生电流信号，经过放大器转换成电压信号后，还要用滤波器对失真的波形进行补偿，消除码间干扰并减小噪声影响，最后要用判决再生电路将滤波器的输出电压与阈值进行比较，再生出只有两个电平的数字信号，图为数字信号在光纤链路上传输的示意图。,图数字信号在光纤链路上的传输,将PD管、前置放大器、阻抗匹配和电路状态监视/警示电路以及若干光学元件集成在一个管壳内可制成光接收模块，图示出了光CATV接收模块的实物图。图光CATV接收模块,光接收机的主要指标是灵敏度，它是指在满足给定误码率或信噪比条件下，接收机接收微弱信号的能力，工程上常用最低平均光功率 来描述，灵敏度表示为
32、（）式中，的单位为，的单位为mW。光接收机的另一指标是动态范围，它是指在保证系统误码率指标要求下，接收机的最低光功率和最大允许光功率之比(1.2.5)D的单位为dB。,1.2.4 光放大器光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距离受到限制。通常，对于多模光纤，无中继距离约为20多公里，对于单模光纤，不到80公里。为了使信号传送的距离更大，就必须增强光信号。光纤通信早期使用的是光电光再生中继器，需要进行光电转换、电放大、再定时脉冲整形及电光转换，这种中继器适用于中等速率和单波长的传输系统。对于高速、多波长应用场合，则中继的设备复杂，费用昂贵。在光纤网络中，当有许多光发
33、送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时，无法使用传统中继器，因此产生了对光放大器的需要。经过多年的探索，科学家们已经研制出多种光放大器。光放大器的作用如图所示。与传统中继器比较起来，它具有两个明显的优势，第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。第二，它不只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。图1.2.13 光放大器的作用,光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的，工作原理如图所示。图光放大器的原理,图中的激活介质为一种稀土掺杂光纤，它吸收了泵浦源提供的能量，使电子跳到高能级上，产生粒子数反
34、转，输入信号光子通过受激辐射过程触发这些已经激活的电子，使跃迁到较低的能级，从而产生一个放大信号。泵浦源是具有一定波长的光能量源，以目前使用较为普及的掺铒光纤放大器来说，其泵浦光源的波长有1480nm和980nm两种，激活介质则为掺铒光纤。图示出了掺铒光纤放大器中掺铒光纤（EDF）长度、泵浦光强度与信号光强度之间的关系。由图可知，泵浦光能量入射到掺铒光纤中后，将能量沿光纤逐渐转移到信号上，也即对信号光进行放大。当沿掺铒光纤传输到某一点时，可以得到最大信号光输出。所以对掺铒光纤放大器而言，有一个最佳长度，这个长度大约在2040米。而1480nm泵浦光的功率为数十毫瓦。图掺铒光纤中泵浦光功率与信号
35、光功率之间的转换,需要指出的是，在图关于光纤通信系统的构成中，再生中继器与光放大器的作用是不同的，我们用图来说明。再生中继器可产生表示原有信息的新信号，消除脉冲信号传输后的展宽，将脉冲调整到原来水平，从这个意义上讲，光放大器并不能代替再生中继器。光放大器存在着噪声积累，而且不能消除色散对脉冲展宽。当信号的传输距离在500公里到800公里之间时，可采用光放大器来补偿信号的衰减，当超过这个距离时，再生中继器则是必不可少的。图再生中继器,对光纤放大器的主要要求是：高增益，低噪声，高的输出光功率，低的非线性失真，图示出了掺铒光纤放大器的实物图。图掺铒光纤放大器,1.3 光纤通信的基本问题衰减和色散是因
36、光纤特性而导致的光纤通信系统的基本问题，在传输光信号功率较时，光纤的非线性效应影响则不能忽略。1.3.1 衰减这里的衰减指的是光信号功率在光纤传输过程中的损耗，它是由光纤特性决定的，也称为光纤衰减。光纤衰减是光纤最重要的特性之一，它在很大程度上决定了在无需信号放大和再生的条件下，光发射机和光接收机之间所允许的最大距离。由于光放大器、光中继器的制造、安装及维护费用较高，光纤衰减成为整个系统成本的决定性因素之一。1.衰减的表示我们把光纤衰减的特性用衰减系数，光信号在光纤中传播时，其功率P随着传输距离的增加按指数形式衰减（）设起始处（z=0）的信号光功率为P(0)，则在光纤中经过距离z的传播后，其值
37、为(1.3.2)衰减系数（）单位为km-1通常，工程用dB/km作为光纤衰减的单位，有（）以后如不加以说明，均以（）式的单位dB/km作为光纤衰减的单位。,例1.3.1 一根光纤长20km，衰减为0.5dB/km，一端注入功率为600W的光信号，求其输出光功率。解：在光通信系统中，经常用dBm表示发射光功率，接收光功率，它是在1mW为基准的光功率相对量的单位，用下式计算：（）式中的P0单位为毫瓦（mW）。显然 1mW为0dBm，1W为-30dBm。首先利用（）式将输入光功率单位转换为dBm，有再由（）式，可得到在z=20km时的输出功率（用dBm表示）换回到以瓦表示的单位。因为，是以mW为单位
38、的量,2.衰减的原因光纤衰减的原因有散射损耗、吸收损耗和弯曲损耗等，下面分别介绍。（1）散射损耗散射损耗是由于光纤材料密度的微观变化、成分的起伏、结构上的不完善以及制造过程中产生的缺陷造成的。光在不均匀的介质中传播将被散射，散射效应破坏了在纤芯包层边界保持全反射的条件，部分光会穿出纤芯，造成功率损耗。这种散射也称为瑞利散射。它与波长的四次方成反比，在为1550nm时，瑞利散射损耗为0.154dB/km。（2）吸收损耗在光纤制造过程，光纤中的氧与氢相结合会形成OH离子时，会对1390nm和940nm的光造成大量的吸收，见图，它基于我们在第一节中讨论的光的吸收机理。为了降低光纤的吸收损耗，已经研制
39、出全波长光纤，它可在1200nm1650nm范围内将损耗做得很低。OH离子也可以是因为氢气进入光纤内部形成的，在含有很多氢气的环境中使用光纤，或者光缆的金属部分在水中因腐蚀产生氢气时，有可能出现光纤损耗大量增加的现象。我们将OH离子引起的衰减称为杂质吸收损耗。除此之外，还有光纤石英材料（SiO2）固有的吸收，称之为内部吸收。当波长大于2m时，石英材料会产生谐振吸收光能，吸收带延伸到1500nm1700nm波段，形成了光纤工作波长的上限。常用的石英光纤，内部吸收损耗在1550nm时，约为0.02dB/km，但当波长为1700nm时，损耗增至0.32dB/km，所以将1650nm看作为石英光纤工作
40、波长的上限。,(3)弯曲损耗由于光纤的敷设中，不可避免地会遇到需要弯曲的场所，光线从光纤的平直部分进入弯曲部位时，原来的束缚光线在弯曲部位的入射角减小，使得光纤纤芯和包层界面上的全反射条件遇到破坏，光束的一部分就从光纤的纤芯中逃离出去，造成到达目地的光功率比从光源发出的进入光纤时的光功率小，这就是弯曲损耗，如图所示。,弯曲损耗是光信息传输所受衰减的主要原因之一，它与光纤敷设的弯曲半径有关，最小弯曲半径常作为光纤的一项参数给出。关于最小弯曲半径的经验数据是，对于长期应用，弯曲半径应超出光纤包层直径的150倍；对短期应用，应超过包层直径的100倍。如果包层直径为125m的话，这两个数值分别19mm
41、和13mm。弯曲损耗的另一种形式是微弯损耗，它是由光纤受到侧向应力而产生微小形变而引起的，同样因不满足全反射条件而造成能量的漏泄。利用光纤的弯曲损耗特性，可以在光纤链路上引入一些可控的衰减。在需要对光进行可控衰减时，通过将光纤绕上几圈就可以实现，所绕圈数和半径均可控制衰减量。,1.3.2 色散从现象上看，色散导致光纤中的光信号在传输过程中产生失真并随着传输距离的增加越来越严重。对数字传输而言，色散造成光脉冲的展宽，致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰，造成误码率增加；对模拟传输而言，它会限制带宽，产生谐波失真，使得系统的信噪比下降。从理论上分析，色散是由于光波中的不同频率分量以不同速度
42、传输而产生不同的时间延迟的一种物理效应。光纤色散主要包括模式色散、波导色散和材料色散。对于多模光纤，模式色散是主要的，材料色散较小，波导色散一般可以忽略；对于单模光纤，只有一个光模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，而且材料色散是主要的，波导色散相对较小。下面对这几种色散加以分析。,1.模式色散在多模光纤中，纤芯的直径比较大，光源入射到纤芯中的光以一组独立的光线传播，这组光线以不同的入射角传播，入射角的范围从零度（直线）到临界传播角，如图，我们将这些不同传播角传输的光线称为不同的模式。在多模光纤中可以传播数百个模式的光波，显然，以临界传播角入射的光线经历的路程最长，所以
43、它的轴向传播速度最慢；而与光纤横截面垂直入射的光线传播速度最快。图不同入射角的光线代表不同的模式,对于入射的光脉冲（在数字信号中表示1），它可以分解成各个模式所携带一组脉冲，如图，由于它们各自在光纤中传输的时间不同，到光纤的输出端，各个模式的光脉冲组合起来，就形成了一个脉宽增加的光脉冲。图脉冲因多个模式而起的展宽-模式色散,我们将因多个不同模式的存在而引起脉冲展宽称为模式色散或模间色散。脉冲展宽的计算如下：设光纤的长度为L，最低模式（也称为零级模式）沿中心轴线到达光纤输出端所需时间为（）式中，为光在折射率为n1的纤芯中传输的速度，c为真空中的光速传输，最高模式（以临界角传播的光线）所需时间（）
44、式中，C为临界传播角，。脉冲展宽时间（）习惯上记（）为相对折射率，公式（）可以表示为（）很显然，如果光纤中传输的光只有零级模式，就可以消除模间色散；如果减小纤芯直径的尺寸，就可以减少模式数量；另外由（）式可知，减小相对折射率，也可以有效地控制模间色散，这些就是单模光纤设计的基本思路。典型的单模光纤的纤芯直径和相对折射率分别是8.3m和0.37%，而渐变折射率光纤这两者的数值分别是50m和2%。,例1.3.2 一阶跃折射率光纤，已知n11.486，n21.472，仅考虑模式色散，计算每1km长度的脉冲展宽。解：利用（）式，光纤长度单位和光速单位分别取km和km/s，则有 即光脉冲传输1公里后宽度
45、扩展了47.1ns。,2.波导色散引起波导色散的原因是：进入单模光纤中的光信号功率大约只有80%在纤芯中传播，另外20%在包层传输，由于纤芯和包层有着不同的折射率，所以这两部分的传输速度不同，在包层中传播的光功率速度要更大一些，因而在光纤输出端，脉冲会展宽。波导色散引起的单位长度脉冲展宽可由下式计算：（）式中 是波导色散系数，单位为,它与光纤的设计参数有关，为光源的线宽，即光源辐射光的波长范围，L为光纤长度。,3.材料色散材料色散是由于纤芯材料的折射率随波长变化，使得各个模式的群速率（光脉冲包络线速度）都会随着波长的变化而造成的。在单模光纤内，即使光经过完全相同的路径，也会发生脉冲的展宽，因为
46、光源发出的光不是单一波长的，而是存在一定的波长范围。材料色散的单位长度脉冲展宽可表示为（）波导色散和材料色散的总和称为色度色散，图为单模光纤的色散系数。图单模光纤中波导色散和材料色散与波长的关系,1.3.3 非线性效应在常规光纤系统中，光纤一般呈现线性传输的特性，但当入射到光纤中的光功率较大时，光纤对光的响应将呈现非线性，光纤的参数不再是恒定的，而是依赖于光强的大小。光纤中的非线性效应主要有自相位调制SPM（Self Phase Modulation），受激喇曼散射SRS(Stimulated Raman Scattering)，受激布里渊散射SBS(Stimulated Brillouin
47、Scattering)，交叉相位调制XPM(Cross Phase Modulation)和四波混频FWM(Four Wave Mixing)。1.自相位调制自相位调制是指当输入光信号的光强变化时，光纤的折射率随之改变，从而引起光波的相位产生变化，与光纤的色散相位结合后，将导致光波频谱展宽，并随长度的增加而积累。SPM对高速窄脉冲的传输影响较大。2.交叉相位调制交叉相位调制是指当两个或多个不同波长的光波在光纤中同时传输时，它们将通过光纤的非线性而相互影响，导致某个波长光信号的相位受到其它波长光信号功率的调制，引起信道间的串音。3.四波混频四波混频是指当多个具有较强功率的光波信号在光纤中混合传输
48、时，将导致产生新的波长成分，四波混频不仅导致信道的光能损耗，信噪比下降，而且还会产生信道干扰，限制光纤通信系统的容量。,4.受激散射受激喇曼散射是指当较强功率的光入射到光纤中时，会引起光纤材料中的分子振动，对入射光产生散射作用，它可以造成波分复用系统中的短波长信道产生过大的信号衰减，从而限制了系统的信道数目。受激布里渊散射与受激喇曼散射相似，只不过强光入射到光纤中时引起的是声子振动，散射光方向与光传输方向相反。当光强达到某一数值，将产生大量后向传输的波，对光通信造成不良的影响。光纤中的非线性效应，一方面可以引起传输信号的损耗、信道之间的串话、信号频率的移动等不良后果，另一方面又可以被利用来开发
49、出新型器件，如激光器、放大器、调制器等，如四波混频效应可以实现波长变换，自相位调制与光纤色散相互作用可以形成光孤子，使光孤子通信成为可能。在光纤通信系统中，高输出功率的激光器和低损耗单模光纤的使用，使得光纤中的非线性效应越来越显著，这是因为单模光纤中的光场主要束缚于很细的纤芯内，场强非常大，低损耗又使得大的场强可以维持很长距离的缘故，对非线性效应有足够的重视。,1.4 光纤通信系统的主要性能指标1.4.1 比特率和带宽比特率和带宽是衡量数字通信系统和模拟通信系统的主要指标。1.比特率比特率也称为信息速率，是信道上每秒钟内所传输的比特数，单位为比特/秒，写成b/s或bps，常用符号B表示。在数字
50、光纤通信系统中，数字信号的“1”、“0”用光脉冲的“有”、“无”来表示，因为光纤存在着色散效应，光脉冲沿着光纤传输会慢慢展宽，两个相邻的光脉冲传输一定距离后会发生重叠，从而使接收端设备不能做出正确的判断，如图所示。图光纤色散效应形成的比特率限制,假设输入光脉冲是宽度为T矩形，到达接收端的延迟和展宽分别是和，为了将相邻的两个脉冲分辨出来，要求它们的间距不小于2，这就要求输入光脉冲的间距也不小于2，见图。于是得到最大比特率的计算式为（）图1.4.2 比特率与脉冲展宽,例1.4.1 计算例中可传输光脉冲的最大比特率。解：假设输入光脉冲的宽度T与模式色散产生的展宽相比可以忽略不计，则最大比特率光纤色散
