第1章绪论 口光纤通信概念 口光纤通信系统的基本单元 口光纤通信的基本问题 口光纤通信系统的主要性能指标 口光纤通信技术的回顾和展望
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526.5~1605.5kHz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1.1.1为光纤 通信系统示意图
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526.5~1605.5kHz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1.1.1为光纤 通信系统示意图
光发射机 --连接器 光纤接头光耦合器 再生 电信号输入:「调制「光源 尾纤 中继器 光纤 光纤 其它设备 光纤 光放大 光检测 信号 器 尾纤器 电信号输 光纤接头 连接器 光接收机 图1.1.1光纤通信系统的构成
电信号输入 调制 光源 光放大 器 光检测 器 信号恢 复 电信号输 出 光发射机 尾纤 连接器 光纤 光纤接头 盒 光耦合器 其它设备 光接收机 光纤接头 盒 连接器 再生 中继器 尾纤 光纤 光纤 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、无源光器件,图1.1.4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
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、无源光器件，图1.1.4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
1.12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: C=Blog(1+SR (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的十分之一。从图1.1.2 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40Gbs,已 经实现了单根光纤传输容量为10.96Tb/s的实验系统
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的十分之一。从图1.1.2 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。 log (1 ) C = B 2 + SNR
名称 传输介质 应用 有线介质 无线介质 800nm 电 1015Hz 可见光 光 数据 光纤 视 .1700m 1014Hz 红外线 毫米波 100 GHz 卫星通信 高频 波导 微波通信 10 GHZ 微波线电 10 cm 导航、雷达 titf fv m 甚高频 短波无线电 00 MHZ 10 高频 同轴电缆 业余无线电 (HF) 10 MHZ 100m 商务应用 (MF) I MHZ I k 任 长波无线电 导航 潜艇通信 100 kHz 10 km 低频 双绞线 飞行器通信 LF) 10 kHZ 100 km 音频 电话、电报 1 kHz
名称 传输介质 应用 有线介质 无线介质 紫外线 可见光 红外线 电话 数据 视频 激光 光纤 束 毫米波 特高频 （SHF） 超高频 （UHF） 甚高频 （VHF） 高频 （HF） 中频 （MF） 低频 （LF） 甚低频 （VLF） 音频 波导 同轴电缆 双绞线 微波无线电 短波无线电 长波无线电 卫星通信 微波通信 电话 、电报 调幅广播 移动无线电 UHF TV 移动通信 导航 潜艇通信 飞行器通信 导航 、雷达 业余无线电 商务应用 调频广播 1014 Hz 1015 Hz 10 - 6 m 100 GHz 10 GHz 1 GHz 100 MHz 10 MHz 1 MHz 100 kHz 10 kHz 1 kHz 1 c m 10 c m 1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km 800nm 1700nm
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400m~700nm,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3nm~3×106nm,光纤通信光源使用的 波长范围在近红外区内,波长在800nm~1700nm之间,属于不可见光,但 这个范围的光不是都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1.1.3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1100m到1600nm范围内损耗 极低的光纤,目前常用的工作波长在1310m和1550mm处。三个窗口的衰 减分别为:850nm附近为2dB/km,1310nm附近为0.5dBkm,在1550mm 附近为0.2dB/km。我们把1530~1565nm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
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400nm~700nm，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3nm~3106nm，光纤通信光源使用的 波长范围在近红外区内，波长在800nm~1700nm之间，属于不可见光，但 这个范围的光不是都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1.1.3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1100nm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1530~1565nm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
损耗 (dB/km) 1310 1550 700 900 l100 1300 1500 1700 波长(mm 图11.3光纤损耗的波长特性
波长 (nm) 损耗 (dB/km) 700 900 1100 1300 1500 1700 1 10 850 1310 1550 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1.1.4所示的能带图来解释,纵轴表示能量,横轴长度没有意义。 导带能带 价带能带 如果导带EC上的电子跃迁到价带E∨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 (1.1.2a) 或者 e=h (1.1.2b) hc 式中为普朗克常数(h=662510-34s),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1.1.5(a)所示
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1.1.4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 （1.1.2a） 或者 （1.1.2b） 式中为普朗克常数（h＝6.625×10－34J·s）,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1.1.5（a）所示。 E hv g = Eg hc = 导带能带 价带能带 禁带 光子 电子 EC EV 能 量 hν
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(1.1.2a)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EC3 EV2hVEC2EC仨E3E1hv低能带高能带 EC3EV2hvEc2ECEV3E∨1hv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1.1.5(b)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（1.1.2a）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EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν低能带高能带 EC3EV2hνEC2EC1EV3EV1hν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1.1.5（b）所示