光纤 复习资料 8页

第一章概论1.1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(OpticalFiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。2.光纤通信系统的基本组成（单向传输）3.基本光纤传输系统的三个组成部分1）光发射机功能：输入的电信号转化为光信号组成：光源、驱动器和调制器光源是光发射机的核心，光发射机的性能基本上取决于光源的特性。光源的要求：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长目前广泛使用的光源：导体发光二极管(LED)、半导体激光二极管（或称激光器）、动态单纵模分布反馈（DFB）激光器。光发射机把电信号转换为光信号，是通过电信号对光的调制而实现。a.直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现。该案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。b.间接调制（外调制）把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。2）光纤线路功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机组成：光纤、光纤接头和光纤连接器；光线线路的特性主要由光缆内光纤的传输特性决定。对光纤的要求：损耗和色散尽可能的小，有足够好的机械特性和环境特性。损耗“窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三个损耗很小的波长“窗口”。目前在实验室条件下，1.55\nμm的损耗已达到0.154dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。3）光接收机功能：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经其后的电接收机放大和处理后恢复成基带电信号组成部分:光检测器、放大器、相关电路；光检测器是光接收机的核心光检测器的要求：响应度高、噪声低和响应速度快光检测器类型：PIN光电二极管和雪崩光电二极管。光接收机把光信号转换为电信号的过程，是通过光检测器的检测实现检测方式：直接检测和外差检测4.光纤通信的优点容许频带很宽，传输容量很大；损耗很小，中继距离很长且误码率很小；重量轻、体积小；抗电磁干扰性能好；泄漏小，保密性能好；节约金属材料，有利于资源合理使用第二章光纤和光缆1.光纤结构光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。2.纤芯和包层的相对折射率差Δ=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。Δ越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。3.根据实用性光纤主要可分为三种基本类型1）突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。纤芯直径2a=50-80µm光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，信号畸变大。2）渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2纤芯直径2a=50µm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，信号畸变小。3）单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8-10µm光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播，信号畸变小4.SIF数值孔径：临界角θc的正弦NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)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5.SIF时间延迟最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为(子午光纤的最大时延差）\n6.传输条件1）单模光纤传输条件当0E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在该状态下，总是N1>N2。因为电子总是首先占据低能量的轨道。7.吸收物质：如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过该物质时，光强按指数衰减。激活物质：如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过该物质时，会产生放大作用。N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。8.N型半导体定义：在本征半导体中掺入施主杂质（V族元素杂质如磷P，砷As，锑Sb等）在N型半导体中，Ef增大，导带的电子增多，价带的空穴相对减少。9.P型半导体定义：在本征半导体中掺入受主杂质（III族元素杂质，如硼B，铝Al，镓Ga，铟In等）在P型半导体中，Ef减小，导带的电子减少，价带的空穴相对增多。\n10.光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对自发辐射产生的光的频率和方向进行选择，才能获得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，并被称为法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)谐振腔。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。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。11.半导体激光器基本结构：双异质结(DH)平面条形结构（由三层不同类型半导体材料构成）中间：有源层，厚0.1—0.3μm的窄带隙P型半导体；两侧：限制层，分为宽带隙的P型和N型半导体。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体介质里面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。12.由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内。半导体激光器的主要特性（14-17）14.发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)得到hf=Eg式中，f=c/λ(Hz)，发射光的频率，c=3×108m/s为光速，h=6.628×10-34J·S，普朗克常数，1eV=1.6×10-19J，代入上式得15.转换效率和输出光功率特性1）激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd表示，定义：在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数P：输出光功率I：驱动电流，Pth，Ith：阈值，hf：光子能量，e：电子电荷。2）阈值电流：当驱动电流达到某一值时，输出功率急剧增加，这时产生激光振荡a.当IIth时，有源区粒子数反转，达谐振条件，受激辐射为主，输出功率急剧增加，发激光。16.弛张频率fr是调制频率的上限（一般fr为1-2GHz）在接近fr处，数字调制要产生张弛振荡，模拟调制要产生非线性失真。17.温度特性激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：1）是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，2）是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率下降，达一定温度时，激光器就不激射了。18.发光二极管(LED)与激光器(LD)的区别：异：（1）LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。（2）LED不需要光学谐振腔，没有阈值。\n同：结构相似，LED大多也是采用双异质(DH)结构。19.发光二极管(LED)1）两种类型：正面发光型LED；侧面发光型LED。和正面发光型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。2）LED的特点：（1）出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。（2）性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。3）LED的工作特性：a.光谱特性。谱线较宽。一般短波长GaAlAs-GaAsLED谱线宽度为30-50nm，长波InGaAsP-InPLED谱线宽度为60-120nm。随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移动。b.光束的空间分布。辐射角θ大，LED与光纤的耦合效率一般小于10%。c.输出光功率特性。发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率ηd小于10%。在通常工作条件下，LED工作电流为50-100mA，输出光功率为几mW，由于光束辐射角大，入纤光功率只有几百μW。20.光检测器（光接收机的关键器件）功能：把光信号转换为电信号常用光检测器：PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)21.PIN光电二极管1）定义：PIN光电二极管的PN结中间设置一层掺杂浓度很低的N型本征半导体(称为I)，用∏(n)表示，两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。2）PIN光电二极管结构特点：a.I层很厚，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。b.两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。22.PIN光电二极管的主要特性：1）量子效率和光谱特性光电转换效率用量子效率η或响应度ρ表示。量子效率η的定义：一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值响应度的定义：一次光生电流IP和入射光功率P0的比值式中，hf为光子能量，e为电子电荷。量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。2）噪声包括：由信号电流和暗电流产生的散粒噪声(ShotNoise)和由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗的噪声功率)来描述。a.均方散粒噪声电流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B式中，e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。第一项2eIPB称为量子噪声，是由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生的。只要有光信号输入就有量子噪声。这是一种不可克服的本征噪声，它决定光接收机灵敏度的极限。\n第二项2eIdB是暗电流产生的噪声。暗电流是器件在反向偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流，暗电流与光电二极管的材料和结构有关，例如Si-PIN，Id<1nA；Ge-PIN，Id>100nA。b.均方热噪声电流式中，k=1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。光电二极管的总均方噪声电流：23.雪崩光电二极管(APD)1）随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，该电压称为击穿电压UB。APD就是根据这种特性设计的器件。2）结构：N+PΠP+结构（拉通型APD）当偏压加大到一定值后，耗尽层拉通到Π(P)层，一直抵达P+接触层，是一种全耗尽型结构。拉通型雪崩光电二极管(RAPD)具有光电转换效率高、响应速度快的优点。3）倍增因子（一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述雪崩倍增效应）定义：g，APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。4）响应度：APD输出光电流Io和入射光功率P0的比值APD的响应度比PIN增加了g倍24.光电二极管一般性能和应用APD是有电流增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。但是采用APD要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了成本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN。Si-PIN和Si-APD用于短波长(0.85μm)光纤通信系统。InGaAs—PIN用于长波长(1.31μm和1.55μm)系统，InGaAs-APD的特点是响应速度快，传输速率可达几到十几Gb/s，适用于超高速光纤通信系统。25.光纤通信系统对无源器件的要求：插入损耗小、反射损耗大；工作温度范围宽、性能稳定、寿命长；价格便宜，体积小便于集成。26.光隔离器（一种非互易器件）作用：只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。用途：在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。主要参数：插入损耗和隔离度是隔离器对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，插入损耗的典型值约为1dB，隔离度的典型值的大致范围为40~50dB。29.光环行器P73图3.3630.光开关，分类：机械光开关、固体光开关第四章光端机（2填空）1.P78-792.电光延迟和弛张振荡P803.自脉动现象P814.光接收机P85图4.145.光接收机噪声的主要来源：光检测器的噪声和前置放大器的噪声\n第七章光纤通信新技术1.P145-1462.掺铒光纤放大器（EDFA）优点：应用：P148-1493.WDM技术（基本原理、基本形式）P149-1503.WDM传输系统组成图7.94.光滤波器图7.10习题2-1，2-6，2-7，2-10，2-16，2-17，3-1，3-2，3-7，3-15，3-17，3-20，7-12-6光纤色散产生的原因及其危害是什么？答：光纤色散是由光纤中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的。光纤色散对光纤传输系统的危害有：若信号是模拟调制的，色散将限制带宽；若信号是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）2-7光纤损耗产生的原因及其危害是什么？答：光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。光纤损耗使系统的传输距离受到限制，大损耗不利于长距离光纤通信。3-7试说明APD和PIN在性能上的主要区别。答：APD和PIN在性能上的主要区别有：1）APD具有雪崩增益，灵敏度高，有利于延长系统传输距离。2）APD的响应时间短。3）APD的雪崩效应会产生过剩噪声，因此要适当控制雪崩增益。4）APD要求较高的工作电压和复杂的温度补偿电路，成本较高。3-20什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？答：假设能级E1和E2上的粒子数分别为N1和N2，在正常的热平衡状态下，低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2的，入射的光信号总是被吸收。为了获得光信号的放大，必须将热平衡下的能级E1和E2上的粒子数N1和N2的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子数反转分布。当光通过粒子数反转分布激活物质时，将产生光放大。7-1EDFA工作原理是什么？有哪些应用方式？答：掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理：在掺铒光纤（EDF）中，铒离子有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态（1-3）。但是激发态是不稳定的，铒离子很快返回到能级2。如果输入的信号光的能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的铒离子将跃迁到基态（2-1），产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光能量的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态铒离子尽可能跃迁到激发态。EDFA的应用,归纳起来可以分为三种形式:1)中继放大器(LA)。在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长传输距离。2)前置放大器(PA)。此放大器置于光接收机前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，要求噪声系数尽量小。后置放大器(BA)。此放大器置于光发射机后面，以提高发射光功率。对后置放大器的噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。