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1、1,光纤通信系统,2,V=C/n where C=speed of light in vacuum,V=speed of light in medium,and n=refractive index of mediumn的典型值:1.00 for air,1.33 for water,1.50 for glass.Snells Lawn1sin f1=n2sin f2临界角 fcsin fc=n2/n1全反射条件when f1 fc,Basic Optical Laws(Ray Optics View),3,为简便起见，以阶跃型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。设纤芯和
2、包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。,1.阶跃型多模光纤,图 2.4 阶跃型多模光纤的光线传播原理,4,改变角度，不同相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角m。当m时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为m的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。,5,根据这个传播条件，定义临界角m的正弦为数值孔径(Numerical Aperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律 NA=n0sinm=n1cosc，n1sinc=n2s
3、in90(2.2)n0=1，由式（2.2）经简单计算得到,式中=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或m)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在m内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。,(2.3),6,时间延迟 根据图2.4，入射角为的光线在长度为L的光纤中传输，所经历的路程为l,在不大的条件下，其传播时间即时间延迟为,式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最
4、大入射角(=m)和最小入射角(=0)的光线之间时间延迟差近似为,(2.4),(2.5),这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，阶跃型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。,7,介质平板波导的总模数,一般情况下一个波导能够同时传输奇模和偶模。,综合起来，在一个波导中能传输的总模数量为,总模数,如果一个波导能传输两个以上的模式（包括两个），称为多模。如果只能传输一个模式就被称为单模。,波导只能传输一个模式,当,光学尺寸,（18）,8,9,单模条件和截止波长 从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断
5、发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为,V=2.405 或c=,由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长c，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为截止波长。由此得到,(2.36),10,损耗定义:,POUT-出纤光功率 Pin-入纤光功率,2.4.1 光纤的损耗特性,光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。,若P0是入射光纤的功率，则传输
6、功率PT为：,这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示：,11,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗(dB/km),波 长(nm),OH离子吸收峰,光纤损耗谱特性与机理,损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗,12,2.4.2 光纤的色散特性,光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。,色散展宽是提高通信速率的主要障碍,13,色散（Dispersion)模式色散(intermodal dispersion)：多模光纤中各模式在同一
7、频率下有不同的群速度，因而形成模式色散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但以模式色散为主。而单模光纤不存在模式色散。模内色散（intramodal dispersion）材料色散 波导色散 偏振模色散,波长色散(色度色散),14,材料色散,材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。对于谱线宽度为的光波，经过长度为L的光纤后，由材料色散引起的时延差为该式也可写成 式中，C=3108m/s,是真空中的光速,是光源的谱线宽度,15,波导色散,由于单模光纤中只有约80的光功率在纤芯中传播，20在包层中传播
8、的光功率其速率要更大一些，这样就出现了与波导结构有关的色散。波导色散取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。波导色散的大小取决于光纤的设计，因为模式的传播常数（）是a/的函数(a纤芯半径，a/是光纤相当于波长的尺度).,16,群时延是频率的函数，因此任意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由群时延引入的脉冲展宽程度。,群时延：频率为的光谱分量经过长为L的单模光纤时的时延。,群时延,17,光脉冲展宽(1),光脉冲展宽：由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展宽，不再同时到达光纤输出端
9、。,为群速色散（GVD）,脉冲展宽同2、光纤长度L和信号谱宽成正比,2决定了脉冲在光纤中的展宽程度,18,光脉冲展宽(2),以色散参数Dps/(nm.km)表达脉冲展宽 D的定义为：,D代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延,脉冲展宽：,以波长单位表达的光信号谱宽,19,G.652单模光纤的色散,零色散波长,17ps/nm.km1550nm,D=DM+DW,20,Dispersion of“Standard”Single-Mode Fiber,0,D0 红快兰慢光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得慢,D 反常色散区20兰快红慢光脉冲的较高的频率分量（兰移）
10、比较低的频率分量（红移）传输得快,D,21,波导色散DW对D(2)的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移。,色散位移,22,G.653色散位移光纤,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),23,G.653色散位移光纤,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),24,非零色散位移光纤(G.655光纤),NZ-
11、DSF在15301565nm(EDFA的工作波长)区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使FWM效率不高。NZ-DSF的色散可正可负。若零色散波长小于1530nm则色散为正；若零色散波长大于1565nm则色散为负。从而实现长距离的色散管理。,25,G.655非零色散位移光纤,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),26,光与物质相互作用的三种基本方式,自发辐射无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。受激辐射高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放
12、出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。受激吸收低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。,27,自发辐射,E2,E1,E2,E1,h=E2-E1,特点：是处于高能级电子的自发行为，与是否存在外界激励作用无关；产生自发辐射的发射光谱范围很宽；即使跃迁过程满足相同的能级差（光子频率一致），它们也是独立的、随机的辐射，产生的光子仅仅能量相同而彼此无关，各列光波可以有不同的相位与偏振方向，并且向空间各个角度传播，是一种非相干光。,28,E2,E1,E2,E1,h=E2-E1,受激辐射,特点：Rste=WstN2 Wst=C3()/(8n3h3sp)B()感应光子能量应等于电
13、子跃迁的能级之差，产生的光子与感应光子是相干的，为全同光子；光得到放大。,h=E2-E1,典型应用：半导体激光器,29,E2,E1,E2,E1,h=E2-E1,受激吸收,特点：Rsta=WstN1；感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差；消耗外来光能，产生电子空穴对。,典型应用：光电二极管,30,受激辐射和受激吸收的区别与联系 受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即 E2-E1=hf12 f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子
14、自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。,31,粒子数反转,N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?,受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。,32,激光振荡的产生：粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进
15、行选择=连续的光放大和激光振荡输出。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为法布里-珀罗(FabryPerot,FP)谐振腔。光学谐振腔是激光高方向性和高单色性的原因 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。,激光振荡和光学谐振腔,33,式中，为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1,2,3 称为纵模模数。,激光振荡的相位条件,34,式中，th 为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率,激光振荡的阈值条件,当激光在谐振腔里传输一周得到的增益大于损耗时，输
16、入的光就会被放大，产生激光。,35,半导体激光器的PI特性,典型的PI曲线,PI曲线：激光二极管的总发射光功率P与注入电流I的关系曲线。,随注入电流增加，激光二极管首先是渐渐地增加自发发射，直至开始发射受激发射。,36,半导体激光器的效率 功率效率P：定义为激光器输出光功率Pex与注入激光器的电功率Pin之比。p=Pex/(VjI+I2Rs)内量子效率i：定义为有源区里每秒钟产生的光子数与有源区里每秒钟注入的电子-空穴对数之比。i=Rr/(Rnr+Rr)外量子效率ex：定义为激光器每秒钟实际输出的光子数与每秒钟外部注入的电子空穴对数之比。ex=(pex/h)/(I/e0)由于 h Eg e0V
17、 因此 ex pex/IV,37,T0-LD的特征温度，与器件的材料、结构等有关。T0代表Ith对温度的灵敏度，也可解释为激光二极管的热稳定性。较高的T0意味着当温度快速增加时，激光二极管Ith增加不大。,对于GaAs/GaALAs LD T0=100150K；InGaAsP/InP-LD T0=4070K。,不同温度下的PI曲线,半导体激光器的温度特性：温度升高时性能下降，阈值电流随温度按指数增长。,38,随温度升高：阈值电流增加 外微分量子效率下降 峰值波长向长波长方 向移动,39,光子能量h大于半导体材料的禁带宽度Eg时，价带上的电子可以吸收光子而跃迁到导带，否则不论入射光多强，光电效应
18、都不会发生。所以，任何一种材料制作的光电二极管都有上截止波长C：对一给定的探测材料有一个能够探测的最低频率的最大波长，而对波长大于这个极限波长的光波就不能被探测到。,PN结光电二极管的波长响应,40,PIN光电二极管的主要特性：量子效率 光电转换效率用量子效率或响应度R表示。,入射光功率Pin中含有大量光子，能转换为光电流的光子数和入射总光子数之比称为量子效率.,41,在光电二极管的应用中，100个光子会产生30到95个电子空穴对，因此检测器的量子效率范围为30%95%。为了得到较高的量子效率，必须加大耗尽区的厚度，使得可以吸收大部分的光子。但是，耗尽区越厚，光生载流子漂移渡越(across)
19、反向偏置结的时间就越长。由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度，所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷。,42,响应度,式中，hv为光子能量，q为电子电荷。,响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值,43,式中，()和w分别为I层的吸收系数和厚度。可以看到，当()w1时，1，所以为提高量子效率，I层的厚度w要足够大。,（1）量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献可以忽略，在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极管的量子效率可以近似表示为,44,非线性效应分类,受激散射效应受激拉曼散射（SRS）受激布里渊散射
20、（SBS）克尔效应自相位调制（SPM）交叉相位调制（XPM）四波混频（FWM）,45,光放大器的分类,基于电子的受激辐射效应,基于受激散射效应,掺杂光纤放大器半导体光放大器,喇曼光纤放大器,布里渊光纤放大器,EDFA,TDFA,PDFA,46,光放大器的增益,增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。,输出信号光功率,输入信号光功率,47,48,帧结构的分区,STM-1帧结构,49,以字节为基础的矩形块状帧结构 纵向9行，横向270 N列 由左到右、由上到下顺序排成串行码流依次传输 传输一帧需125s，每秒8000帧 S
21、TM-N传输速率：N892708000=N155.520 Mbit/s 其中N取1,4,16,64,256,SDH帧结构的特点,50,段开销再生（传输）段开销复用段开销通道开销高阶通道开销低阶通道开销,开销功能,51,SDH帧结构的功能区域,52,帧结构的描述(a)STM-N段开销（SOH：Section Overhead）区域 指为保证信息正常、灵活、有效地传送所必须附加的字节，它主要用于网络的运行、管理、维护及指配（OAM&P）（如公务通信、误码监测、自动倒换信息等）。可分为再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）两个部分。(b)STM-N净负荷（Payload）区域 指真正用于电信
22、业务的比特。(c)管理单元指针（AU PTR）区域 一组特定的编码，其作用是用来指示净负荷区域内的信息首字节在STM-N帧内的准确位置，以便接收时能正确分离净负荷。,53,功率预算（用dBm表示）,信道损耗包括：,光纤损耗(dB/km),连接损耗（固定连接0.10.2dB,活动连接1dB),发射功率,接收灵敏度,系统功率余量,信道总损耗,功率余量：元器件老化 温度变化 其他不可预知事件引起的功率亏损 设计时通常取6-8dB,传输距离:,传输距离(km),54,功率预算示例,长距离单模光纤通信系统，工作波长在1.3m.发射功率 PT=-4dBm 光纤损耗=0.3dB/km 熔接损耗=0.2dB/
23、km 发射机和接收机端的连接损耗=1dB（每个）APD接收机所需的平均功率：比特率 400Mbit/s(BER 10-9)=-44dBm比特率 40Mbit/s(BER 10-9)=-52dBm 功率余量=6dB,比特率为400 Mbit/s(BER 10-9)时，无需中继器，所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）,55,解答：,比特率为400 Mbit/s(BER 10-9)最大允许链路损耗=-4(-44)=40dB 光纤损耗(光纤+熔接)=(0.3dB+0.2dB)x L 连接器损耗=2dB(2个连接器,每个1 dB)系统余量=6dB 因此，总体链路损耗=(0.5L+2+6)dB,最大传输
24、距离=(40-2-6)/0.5 km=64km(答案),比特率为40 Mbit/s(BER 10-9)时，无需中继器，所能传输的最长距离？（不考虑色散代价）,80km,56,色散补偿,特殊设计光纤的芯径及折射率分布，利用光纤的波导色散效应，使其零色散波长大于1550nm，即在1550nm处产生较大的负色散（-100ps/nm.km)-色散补偿光纤(DCF)。当常规光纤和DCF级联时，两者将会互相抵消。常规单模光纤在1550nm 的色散和色散斜率的典型值为：D=16.5ps/nm.km，D=0.059ps/(nm2.km)。用相对色散斜率RD=D/D 表示色散斜率补偿,RD1=RD2常规单模光纤的相对色散斜率RD=0.0035nm-1，所以色散补偿光纤的RD 也应为0.0035nm-1。,当满足,时，群延迟色散被补偿,当满足,时，二阶色散(色散斜率)被补偿,57,组合使用正、负色散系数的光纤大的局部色散，小的平均色散,可以较好的抑制四波混频和XPM的产生,
