光纤通信系统.ppt

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1、光纤通信系统,顾畹仪 李国瑞 编著,目录,第1章 光纤的传输理论 第2章 光源和光调制 第3章 光接收机 第4章 光纤通信系统和通信网 第5章 光纤通信新技术,第1章 光纤的传输理论,1.1 光纤的基本性质 1.1.1 光纤的结构、分类和光的传输 光纤的结构：,光纤的分类： 石英系光纤：分为多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率 光纤和单模阶跃折射率光纤三种，如图1.1.3。 多组份玻璃纤维 塑料包层光纤 全塑光纤,光的传输 多模阶跃折射率光纤中光的传输 多模渐变折射率光纤中光的传输,1.1.2 光纤的传输性质 损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性 光纤的损耗 石英光纤的固有损耗 非固有损耗,光纤

2、的色散,1.2 介质平板波导 1.2.1 基本波导方程式 均匀波导中的波动方程 非均匀波导中的波动方程,基本波导方程式,1.2.2 对称介质平板波导的传输模式 对称介质平板波导中的波导方程式和模式 TE模式,偶TE模式和奇TE模式 偶TE模式,奇TE模式,传输常数的确定,模式截止条件 对称介质板波导中的TM模,1.2.3 介质板波导中的多模群时延 在多模传输的介质板波导中，也会产生多模群时延失真，使传输的光脉冲展宽 。不同模式所产生的最大群时延差可用最低次模和最高次模的传输时间之差来表示：,1.3 阶跃折射率光纤的模式理论 1.3.1 圆柱坐标系中的波导方程式 圆柱坐标系和直角坐标系的关系为：

3、,圆柱坐标系中的波导方程 这个方程可以化为贝塞尔方程，在特定的边界条件下求解R(r )，便可得到阶跃折射率光纤的模式情况。,1.3.2 阶跃折射率光纤中波动方程的解 解的形式 在纤芯中（r a），kk1k0n1 在包层里（ra）， kk2k0n2,边界条件和特征方程 光纤中的各种导模,模式的场型图,1.3.3 近似解LP模 LP模是线偏振模 LP模的名称来自英文Linearly Polarized Mode，即线性偏振模的意思，可以证明，若将HE1，m模和EH 1，m线性叠加，得到的是直角坐标系中的线偏振模。,LP模的特征方程 由电磁场的边界条件（ra时，Ez，Hz，E和H分量应连续），可以确

4、定出LP m模的特征方程为,模功率分布 阶跃折射率光纤中导模数量的估算,1.4 渐变折射率光纤的近似分析 1.4.1 渐变折射率光纤的近似解 模式的量子力学解释 传导模的WKBJ解 转折点附近的解 解的连续性和特征方程式,1.4.2 渐变折射率光纤特性的WKBJ法分析 传输模式的数量,P模群和模群间隔 对阶跃折射率光纤，曾经通过对LP模的分析得到过p模群的概念。也就是说，较高次模是分成群的，尽管 ，m的组合不同，但只要2mp，那么这些不同的LP模就有近似相等的传输常数，而用p模群来表示这些简并模。 模群间隔为：,模式色散和g的最佳值 折射率分布参数g应为：,1.5 单模光纤 1.5.1 单模光

5、纤的基本分析,1.5.2 单模光纤的结构 1.5.3 单模光纤的频率色散 单模光纤频率色散的计算,单模光纤的零频率色散,1.5.4 单模光纤的极化 单模光纤的极化演化 极化色散,单模单极化光纤,1.5.5 单模光纤的发展与演变,第2章 光源和光调制,2.1 激光原理的基础知识 原子能级的跃迁 原子的能级,能级的跃迁 原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称能级跃迁。若电子跃迁中交换的能量是热运动的能量，称为热跃迁；若交换的能量是光能，则称为光跃迁。 自发发射,受激辐射和受激吸收,2.1.2 半导体中载流子的统计分布 晶体的能带,费米-荻拉克统计 电子是费米子，它在各能级上的分

6、布，要受泡里不相容原理的限制，即每个单电子量子态中最多只能容纳一个电子，它们或者被一个电子占据，或者空着。电子在各能级中的分布服从费米-荻拉克统计。 各种半导体中电子的统计分布,2.1.3 PN结的能带 PN结的形成,PN结的能带,2.2 半导体激光器和发光二极管 2.2.1 半导体激光器 激射条件 有源区里产生足够的粒子数反转分布； 存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的振荡。 制作激光器的材料,2.2.2 F-P腔半导体激光器的结构与分类 F-P腔的作用 F-P腔激光器的结构与分类 按垂直于PN结方向的结构分类,按平行于PN结方向的结构分类,2.2.3 量子阱半导体激光器,2.2.4

7、分布反馈激光器 结构特点,工作原理,DFB激光器的优点 单纵模振荡 谱线窄，波长稳定性好 动态谱线好 线性度好,半导体激光器的基本性质,2.2.5 发光二极管 工作原理,结构和分类 基本性质 发射谱线和发散角 响应速度 热特性 优点,2.3 半导体激光器的模式性质 2.3.1 厄密-高斯模式的解 2.3.2 激光器的纵模 纵模的概念 对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导带和价带的自发发射谱，谱线较宽；只有当激光器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建立起强场，这个强场使粒子数反转分布的能级间产生受激辐射，而其他频

8、率的光却受到抑制，使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的纵模。,由谐振条件求纵模的波长间隔,纵模的性质,2.3.3 激光器的横模 近场图样和远场图样,2.4 半导体激光器的瞬态性质,2.4.1 瞬态过程,2.4.2 速率方程组及其解 速率方程组 速率方程组的稳态解,速率方程组的瞬态解 电光延迟时间,码型效应,2.4.3 结发热效应 激光器的热方程式 稳定电流注入时的情况 脉冲调制时的结发热效应,2.5 半导体激光器的自脉动现象 2.5.1 自脉动现象,2.5.2 双区共腔激光器中的自脉动,2.5.3 光丝耦合,2.6 半导体激光器的直接调制和光发射机 2.6.1光

9、源的调制方式,2.6.2 光源的直接调制原理,2.6.3 激光发射机 偏置电流和调制电流大小的选择 激光器的调制电路,激光器控制电路,温度控制,自动功率控制（APC）电路,2.7 光源的间接调制 2.7.1 电光调制 电光效应 当把电压加到晶体上的时候，可能使晶体的折射率发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性发生变化，晶体的这种性质称为电光效应。当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电光效应，即普科尔（Pocket）效应；当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为克尔（Kerr）效应。电光调制器主要利用普科尔效应。,电光调幅,电光调相 横向电光调制器,电光调制的频率特性,

10、2.7.2 声光调制 声光效应 超声波是一种纵向机械应力波（弹性波），它在声光介质中传输时会引起介质密度发生疏密交替的变化，使介质折射率也发生相应的变化。因此，受超声波作用的晶体相当一个衍射光栅，光栅的条纹间隔等于声波波长，当光波通过此介质时，将被介质中的弹性波衍射，衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。这个效应称为声光效应，或弹光效应。,喇曼-奈斯衍射和布喇格衍射,声光调制器 磁光调制,2.7.4 波导调制器和电吸收调制器,第3章 光接收机,对强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测（DD）方式时，光接收机的主要组成如图3.0所示。,3.1 光电检测器 3.1.1 光电二极管 工作原理

11、,光电二极管的波长响应,光电转换效率,响应速度,3.1.2 雪崩光电二极管 工作原理,APD的平均雪崩增益 APD的结构,APD的过剩噪声,3.2 放大器及其电路的噪声 3.2.1 噪声分析的一般方法 噪声的统计性质,随机过程的数字特征 均值 方差和标准差 平稳随机过程的功率谱密度,3.2.2 放大器输入端的噪声源 输入端的等效电路及噪声源,3.2.3 场效应管和双极晶体管的噪声源 场效应管（FET）的噪声源 散粒噪声 沟道热噪声 输出端的总噪声功率,双极晶体管的噪声源,3.2.4 前置放大器的设计 低阻型前置放大器 高阻型前置放大器 跨（互）阻型前置放大器,3.3 光电检测过程的统计性质及灵

12、敏度的精确计算,3.3.1 灵敏度计算的一般方法 “0”码误判为“1”的概率为 “1”码误判为“0”的概率为 总误码率BER为,3.3.2 雪崩光电检测过程的统计分布 对雪崩光电检测过程，大体可分为两个阶段： “光子计数”阶段 雪崩倍增过程的统计性质 3.3.3 接收机灵敏度的精确计算方法 灵敏度的精确计算 精确计算方法是很复杂的，必须借助计算机才能完成。为减少计算量，计算中也经常进行一些近似，重要性取样法及切诺夫界限法就是常用的近似方法。 重要性取样法 切诺夫界限法 利用随机变量的矩母函数和半不变矩母函数的性质，可以将随机变量和的统计特性的卷积计算化为乘积或求和的计算，从而大大减化计算过程。

13、,3.4 灵敏度计算的高斯近似法 3.4.1 光电检测器散粒噪声的计算 输出电压的均值 输出电压的方差 暗电流噪声的功率谱密度 3.4.2 高斯近似计算公式及其推导过程 假设判决时有最坏的码元组合 假设判决时无码间干扰 假设探测器的暗电流为零 假设光源的消光比EXT0，同时将过剩噪声系数F(G)近似为 判决电平,3.4.3 接收机灵敏度与z，B，a，EXT等因素的关系 灵敏度与放大器噪声的关系 接收机灵敏度与比特速率的关系 灵敏度与输入波形的关系,消光比和暗电流对灵敏度的影响,3.4.4 高斯近似计算的误差估计 APD的散粒噪声近似为高斯型所带来的误差 F(G) gx 最坏码元组合的假设所带来

14、的误差,3.4.5 激光器和光纤系统的噪声 激光器的量子噪声 模式分配噪声 模式噪声 反射噪声,3.5 光接收机的均衡网络、自动增益控制电路和再生电路 3.5.1 码间干扰问题与均衡滤波电路 无码间干扰判决的条件,均衡网络,眼图分析法,3.5.2 接收机的动态范围和自动增益控制电路 接收机的动态范围 放大器电压自动增益控制电路,实例,3.5.3 再生电路 信号预处理 锁相环路,声表面波（SAW）滤波器,第4章 光纤通信系统和通信网,4.1 数字光纤通信系统 4.1.1 数字光纤通信系统的组成,电发射端机,光发射端机,4.1.2 系统性能及其测试 误码性能 抖动性能 光中继器 端接收机 备用系统

15、与辅助系统,系统性能指标的测试,4.2 光同步数字传输网,4.2.1 SDH的帧结构,4.2.2 SDH的复用映射结构 SDH的复用映射结构,ATM信元的映射,指针和通道开销,网同步的概念,4.2.3 SDH传送网的网络结构 SDH传送网的功能结构,SDH网的物理拓扑,自愈环形网,4.3 光纤通信系统的总体设计 4.3.1 系统的总体考虑,4.3.3 功率预算和色散预算 功率预算 光通道的色散代价 反射代价 光缆线路富余度Mc 色散预算,4.4 光放大器,4.4.1 EDFA的工作原理和基本性能 EDFA的工作原理,EDFA的结构,EDFA的基本性能,4.4.3 EDFA在系统中的应用 系统应

16、用方式 在光纤通信系统中，EDFA有三种基本的应用方式，分别是功率放大器（power booster）、前置放大器（preamplifier）和在线放大器（in-line amplifier）。 EDFA的级连方式（如下页图） 系统应用中的新问题,4.5 光纤接入网,4.5.1 混合光纤同轴型接入网 混合光纤同轴型接入网的网络结构,HFC反向通道的特性 调制技术,4.5.2 无源光网络 网络结构,多址连接技术,4.5.3 有源光网络,4.6 模拟光纤通信系统 4.6.1 SCM光波系统的基本组成和调制方式 4.6.2 SCM光波系统的非线性失真,4.6.3 SCM光纤通信系统中非线性失真的补偿

17、,第5章 光纤通信新技术,5.1 波分复用技术 5.1.1 WDM光纤通信系统的构成和概况 波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）和光频分复用（OFDM）,波分复用系统的构成,5.1.2 复用、解复用器件 角色散型,干涉型复用器件,单模光纤方向耦合器型,5.1.3 WDM系统的设计,5.1.4 相干光通信 调制形式 混频原理 相干光通信系统的组成 相位噪声对相干光通信的影响,5.2 非线性光学效应及其对光纤通信的影响 5.2.1 非线性光学效应 非线性极化理论 非线性光学效应 从物理机理上讲，非线性光学效应大致可以分为两大类：一类称为参量过程（非激活的），另一类称为非参量过程（激活的）。

18、 对光纤通信影响较大的非线性光学效应有： 受激散射 受激喇曼散射 受激布里渊散射 非线性折射率调制 自相位调制 交叉相位调制 四波混频,5.2.2 受激散射及其对光纤通信的影响 喇曼散射和布里渊散射的物理机理,受激喇曼散射及对光通信的影响,5.2.3 非线性折射率调制引起的非线性光学效应 自相位调制（SPM） 交叉相位调制（XPM） 四波混频（FWM）,5.2.4 光孤子通信,5.3 全光通信网 5.3.21 光交换方式 空分光交换,时分光交换,波分光交换 复合光交换,5.3.2 WDM全光通信网 光传送网的分层结构 波长通道和虚波长通道,光交叉连接的节点结构,全光波长变换器 交叉增益调制SOA型全光波长变换器,交叉相位调制SOA型全光波长变换器,国内外典型的光网络,5.3.3 WDM全光网中的同频干扰,5.4 色散补偿技术 5.4.1 单模光纤中的色散 5.4.2 半导体激光器的调制特性,5.4.3 色散补偿方案 采用负色散光纤,预啁啾技术,色散支持传输法,频谱反转法,啁啾光栅滤波器,5.5 光时分复用技术,