第5章〓光纤通信系统
【要求】

①掌握光纤通信概念； ②理解光纤通信系统组成； ③了解光纤通信历史； ④理解光纤通信特点； ⑤理解光纤结构及其参数； ⑥理解光纤的导光原理； ⑦理解光纤衰减特性； ⑧理解光纤色散特性； ⑨理解半导体激光器及其特性； ⑩了解光电探测技术； 理解掺铒光纤放大器原理； 了解波分复用技术； 了解光纤相干技术。

5．1光纤通信概述

5．1．1光纤通信的概念






光纤通信是以光波为载频、以光纤为传输媒介的通信方式。没有光通信，就没有今天的信息时代。我们每天使用的智能手机，就高度依赖光传输，正是它为大量4G/5G基站接收的海量流量提供传输管道。

如图441所示，不同通信系统，其载波的频谱范围不同。光纤通信系统处在较高的频谱区域，它的波长处于0．8~1．8μm近红外，频率为167~365THz，而微波频率为0．3~3THz，这决定了光纤通信是一个比微波通信、卫星通信的带宽更宽的通信系统。

目前，研究人员在80km的标准单模光纤上实现了高达1．52Tb/s的单载波速率。在工业界，最新的10G PON已可提供高达10Gb/s的上、下行对称速率，时延降至100μs以下，连接数提升100倍以上，可将“光纤到户”的模式转变为“光联万物”。






5．1．2光纤通信系统组成

如图51(a)所示，利用光纤收发模块把两台计算机连在一起，就实现了光纤通信。光纤收发模块中有光发信机和光收信机。典型的光纤通信系统由电端机、光发信机、光纤(有中继器)和光收信机等组成，如图51(b)所示。



图51光纤通信系统组成


1． 电端机

输入模拟信号经发端电端机的PCM进行抽样、量化和编码产生二进制电信号，即基带信号。

2． 光发信机

光发信机也称为光发射机，它实现电/光转换。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是首先将来自电端机产生的基带信号对光源发出的光进行通断调制，变成已调光波； 然后将已调的光信号耦合到光纤去传输。其核心是光源，这个光源一般是激光器。

3． 光收信机

光收信机也称为光接收机，它实现光/电转换。它由光检测器和放大器组成。其功能是能将光纤传输来的光信号，经光检测器转变为电信号； 然后将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到收端的电端机。其核心是光检测器。

4． 光纤

光纤构成光的传输通路，其功能是将光发射机发出的已调光信号，经过光纤的远距离传输后，耦合到光接收机的光检测器，完成信息的远距离传送任务。

5． 中继器

中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成，它的作用补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减，对波形失真的脉冲进行整形。

大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式，光纤传输系统是数字通信的理想通道。






5．1．3光纤通信历史
1． 现代光通信的开端
贝尔在发明了电话4年后，发明了光电话，如图52所示，左边是发射端，右边是接收端，中间虚线是信道——大气信道。发射机采用弧光灯作为光源，首先通过透镜聚焦，将光能聚焦到话筒的振动膜； 然后通过振动膜的反射和透镜聚焦向外发送光信号，光信号在大气中传输； 接收端有一个抛物面镜，它会聚光的能量到硅电池，硅电池把光能转换为电能，从而在受话器这个电路中有电流产生，从受话器中恢复出声音消息。



图52光电话


当不说话时，话筒不震动，硅电池的接收到光信号不变，电路中的电流强度也不变； 当对话筒说话时，振动膜震动，反射光的强度会发生变化，硅电池转化成的光电流也会发生变化，于是就可以听到声音。

在光电话中，光是传输声音消息的载波，振动膜反射光的方式实现了语音消息对光的调制，硅电池实现了解调。

贝尔的光电话是现代光通信的真正开端。但是贝尔的光电话只能传输213m。因为弧光灯是包含所有波长的白光，发散角比较大，在大气中传输损耗较大，而且非常容易受到天气因素的影响。因此，提高光通信的质量，首先要解决光通信的传输通道和光源两个问题，尤其传输通道的问题。


图53光在水流中传播



1870年，亨廷尔发现光可在水流中传播(图53)，并采用全光反射的原理对这种现象进行合理解释。

1953年，英国科学家卡帕尼发明了纤芯折射率大于包层折射率的玻璃纤维，但是损耗达1000dB/km，仅能在内窥镜中使用。

所以，在十几年时间光通信处于停滞阶段。

2． 里程碑


1966年，英国华裔科学家高锟指出，如果将光纤中过渡金属离子减少到最低限度并改进制造工艺，有可能使光纤损耗降到20dB/km以下； 采用光纤可以实现高速通信，并给出了光纤的原始结构(图54)。他的研究为现代光纤通信奠定了理论基础。为此，他获得了2009年的诺贝尔物理学奖。



图54光纤原始结构


注： 纤芯的折射率大于包层，光在其中全反射

3． 导火索

1970年，美国康宁玻璃公司根据高锟的理论指导，制造出世界上第一根超低耗光纤，损耗因子达20dB/km。

4． 爆炸性发展

从此以后，光纤技术迎来了爆发式的发展： 1972年损耗降低到4dB/km； 1974年损耗降低到1．1dB/km； 1976年损耗降低到0．5dB/km； 1979年损耗降低到0．2dB/km； 1990年损耗降低到0．14dB/km。

这期间，美国成功进行了容量约为45Mb/s、传输距离为10km的光纤通信现场试验，是第一代光纤通信系统。

20世纪80年代初，随着单模光纤(1．31μm)和量子阱激光器(1．31μm)的研发，开发出来了第二代光纤通信系统，数据传输速率达1Gb/s，传输距离达50km。

1990年，随着单模长波长光纤(1．55μm)和单模激光器(1．55μm)的研发，开发出来了第三代光纤通信系统，数据传输速率达2．4Gb/s，传输距离达100km。

1996年，波分复用技术取得突破，贝尔实验室开发出来了第四代光纤通信系统，数据传输速率从单波长的10Gb/s增加到多波长的1Tb/s，传输距离达1500km。

进入21世纪，随着密集度波分复用和分布负反馈半导体激光器的研发，开发出来了第五代光纤通信系统，传输距离达6380km。






5．1．4光纤通信特点
1． 优点
(1) 传输频带宽，通信容量大。载波频率越高，通信容量越大。目前使用的光波频率比微波频率高104~105倍，所以通信容量可增加104~105倍。目前，实验室里实现的最高容量为100Tb/s，商用系统容量为10Tb/s。

(2) 损耗低，中继距离远。铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度有关，目前通信用光纤的最低损耗达0．2dB/km。采用析氢技术进一步减小光纤中的OH-离子含量后，光纤损耗系数可以在相当宽的频带内几乎保持一致。例如： 对于400Mb/s传输速率的信号，光纤通信系统无中继传输距离达到50~70km； 而同样速率的同轴电缆通信系统，无中继距离仅为几千米。

(3) 抗干扰能力强，无串话。光纤主要是由SiO2材料制成，是绝缘体，它不易受外界电磁场的干扰。强电、雷击等也不会显著影响光纤的传输性能； 在核辐射等极端环境中，光纤通信仍能正常进行。

(4) 保密性强。由于光纤传输的特殊机理，在光纤中传输的光向外泄漏的能量很微弱，难以被截取或窃听，也不会造成同一光缆中各光纤之间的串扰。

(5) 光纤直径和质量小。光纤直径很小，制成光缆比电缆细而轻，这样在长途干线或市内干线上空间利用率高，而且便于制造多芯光缆与敷设。

(6) 资源丰富。由于光纤的原材料是石英，地球上是取之不尽、用之不竭的，而且很少的原材料就可以拉制很长的光纤。

2． 缺点

(1) 质地脆，机械强度低。光纤的理论抗拉强度比钢大，但光纤表面有微小裂痕，会使得光纤的实际抗拉强度非常低，因此裸光纤很容易折断。

(2) 光纤切断和接续需要特殊工具。要使光纤的连接损耗小，两根光纤的纤芯必须严格对准。由于纤芯很细，而且石英的熔点很高，因此连接很困难，需要昂贵的专门工具。

(3) 分路、耦合不灵活。光纤不如电缆易于分路和耦合，难于接入，需要专门的模块来实现低损耗的分路和高效率的耦合。

(4) 光纤弯曲半径不能过小。光纤的弯曲半径小于20cm时，会有较大的损耗。

5．2光纤及其导光

在光纤通信技术的发展历史中，光纤技术最为关键。那么光纤具有什么样的结构？是怎么导光的？ 

5．2．1光纤结构

光纤的结构如图55所示，包括纤芯、包层和保护套。

纤芯的折射率较高，它的作用是传导光波。包层折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件，它的作用是将光波封闭在光纤中传播。为了达到这一目的，需保证纤芯材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。

目前，通信应用的光纤主要是石英玻璃光纤(图56)，其纤芯由掺有折射率较大的杂质的石英材料做成，而包层则往往在石英中掺入折射率较小的杂质。保护套的强度大，能承受较大冲击，用于保护光纤。刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样脆弱。为了保护光纤，作为产品提供的光纤都在刚拉制后经过一个套塑的工序，在其外表涂覆上一层甚至几层塑料层。涂覆可以提高光纤的抗拉强度，同时改善其抗水性能。




图55光纤的结构




图56光纤各层结构 








5．2．2光纤结构参数
1． 光纤尺寸
图57为光纤的典型尺寸。单模光纤的纤芯直径为10μm。多模光纤的纤芯直径有的为50μm，有的为62.5μm。一般光纤的包层直径为125μm，而一根头发丝的直径约为70μm。



图57光纤的典型尺寸（单位：μm）


2． 相对折射率差

相对折射率差是表征纤芯和包层之间折射率差值的一个参数，其大小直接影响光纤的性能。其表达式为
Δ=n21-n222n21(51)
通常情况下，纤芯和包层相对折射率差很小，Δ取值为0．001~0．01，Δ1的情况称为弱波导。

对于弱波导光纤，n1≈n2，则有
Δ=（n1+n2）（n1-n2）2n21≈2n1(n1-n2)2n21(52)
3． 折射率分布

阶跃光纤纤芯折射率为常数，折射率分布如图58(a)、(b)所示。对于渐变光纤，纤芯、径向折射率呈渐变型分布，如图58(c)所示。



图58光纤折射率分布


渐变型光纤折射率分布可表示为
n(r)=n11-2Δra0α1/2(53)
式中： r为纤芯内任意一点到芯轴的距离； n1为纤芯轴线处(r=0)折射率； a0为纤芯半径； α为折射率分布指数，通常分布曲线为抛物线，此时α=2。

5．2．3光纤的导光原理
1． 光波在两介质交界面的反射和折射



图59光波在两介质交界面的反射和折射 

如图59所示，有两个半无限大的均匀介质，其折射率分别为n1、n2，x=0的平面为两介质的交界面，x轴为界面的法线。

光射线k1方向由介质Ⅰ投射到界面上，这时将发生反射和折射，一部分光波沿方向 k′1返回介质Ⅰ，称为反射波； 另一部分光波沿方向k2 进入到介质Ⅱ，称为折射波。

图59中 k1、k′1、k2分别表示入射线、反射线和折射线的传输方向，它们和法线之间的夹角分别为入射角、反射角和折射角，用θ1、θ′1和θ2表示。

由斯涅尔定律可知
θ1=θ′1，n1sinθ1=n2sinθ2
2． 光波的全反射

由图59可以看出，当光射线由介质Ⅰ射向介质Ⅱ时，若n1>n2，则介质Ⅱ中的折射线将离开法线而折射，此时的θ2>θ1。如果入射角增加到某一值而正好使得θ2=90°时，折射线将沿界面传输，此时的入射角称为临界角，用θc表示。根据折射定律： 
n1sinθ1=n2sinθ2(54)
将θ2=90°，θ1=θc，代入式（54），可得
sinθc=n2n1(55)
这时若继续增大入射角，即θ1>θc，则折射角θ2>90°，此时光射线不再进入介质Ⅱ，而由界面全部反射回介质Ⅰ，这种现象称为全反射。

由此可见，产生全反射的条件如下： 

(1) 光纤纤芯的折射率n1一定要大于光纤包层的折射率n2，即n1>n2。

(2) 进入光纤的光线向纤芯包层界面射入时，入射角应大于临界角，即90°>θ1>θc。

3． 光纤的导光原理

这里以阶跃型光纤为例来介绍光纤的导光情况。当光波射入光纤的纤芯时，一般会出现两种情况： 一种是光线在通过轴心的平面内传播，这种光线称为子午线； 另一种是光线在光纤中传播时不通过轴心。为了简化分析，下面仅对子午线光线传播过程进行讨论。

由前面分析可知，要使光信号能够在光纤中长距离传输，必须使光线在纤芯和包层交界面上形成全反射，即入射角必须大于临界角。

图510表示出光线从空气中以入射角射入光纤端面的情况(空气折射率n0=1，而纤芯石英折射率n1=1．5)。此时，光从低折射率介质向高折射率介质传播，根据折射定律，入射角大于折射角。

图510(a)是一种特殊的情况，即进入光纤纤芯中的光射入纤芯与包层界面的入射角等于临界角。由图可知，折射角可以表示为
θi=π2-θc

根据折射定律可得
n0sinθ=n1sinπ2-θc（56）


图510光纤的最大入射角



因为n0=1，对式（56）进行简单的代数变换，可得
sinθ=n21-n22≈n12Δ(57)
当光从空气中射入光纤端面的入射角大于θ时，折射光线射向纤芯与包层界面的入射角应小于临界角，不能满足全反射条件，这种光将很快在光纤中衰减，不能远距离传输，如图510(b)所示。

当光从空气中射入光纤端面的入射角小于θ时，折射光线射向纤芯与包层界面的入射角应大于临界角，满足全反射条件，这种光就能以全反射的形式在光纤中进行远距离传输，如图510(c)所示。

由此可见，只有端面入射角小于θ的光线才在光纤中以全反射的形式向前传播。θ称为光纤波导的孔径角。

孔径角通常用θmax表示，如图511所示，将其正弦函数定义为光纤的数值孔径，用NA表示，即
NA=sinθmax=n12Δ(58)


图511光纤接收锥

光纤的数值孔径表示光纤接收入射光的能力。NA越大，光纤接收光的能力也越强。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，因而限制信息传输容量。所以要根据实际使用场合选择适当的NA。作为通信使用的多模光纤波导的Δ通常约为1%，若n1=1．5，则NA=0．2。

以上分析的是光波在阶跃型光纤中的传播情况。对于渐变型光纤，可以将纤芯分割成无数个同心圆，每两个圆之间的折射率可以看成是均匀的，那么光在这种介质中传播时将会不断发生折射，形成弧线波形的轨迹。

4． 光纤的模式

电磁波在介质中传输满足麦克斯韦方程组，通过数学推导，麦克斯韦方程组转换为正弦交变电磁场的亥姆霍兹方程： 
Δ2E+k2E=0(59)
Δ2H+k2H=0(510)
k=ωεμ=ων=nωc=2πλ(511)


图512圆柱坐标系

在圆柱坐标系(图512)下分析光纤电磁场传播，光纤波导中的能量沿着z方向传播，其中场随时间的变化为exp(jωt)，则电磁场表示为
E=E0(r,φ)ej(ωt-βz)(512)
式中： β为传播常数。
H=H0(r,φ)ej(ωt-βz)(513)

于是，得到电磁场的z分量的亥姆霍兹方程： 
2Ezr2+1rEzr+1r22Ezφ2+(n2k20-β2Ez)=0(514)
2Hzr2+1rHzr+1r22Hzφ2+(n2k20-β2Hz)=0(515)
这是阶跃光纤中的波动方程。假设光纤中位置z的电场有如下形式的解： 
Ez(r,φ)=A0E(r)E(φ)(516)
E(φ)=ejmφ(517)
Ez(r,φ)=A0E(r)ejmφ(518)

Ez满足的波动方程: 
2Ezr2+1rEzr+n2k20-β2-m2r2Ez=0(519)
引入无量纲参数u、w 和νa。u为横向传输常数： 
u2=a20(n21k20-β2)(520)
w为横向衰减常数： 
w2=a20(β2-n22k20)(521)
νa为光纤归一化频率，是光纤的重要参数：
ν2a=u2+w2=a20k20(n21-n22)(522)
u和w决定纤芯和包层横向、r方向电磁场的分布； β决定z方向电磁场分布和传输性质，是纵向传输常数。利用这三个无量纲参数，可得到两个贝塞尔方程： 
2Ezr2+1rEzr+u2a20-m2r2Ez=0，0≤r≤a0(523)
2Ezr2+1rEzr+w2a20+m2r2Ez=0，r>a0(524)
纤芯中的场强分布为贝塞尔函数，包层中的场强分布为修正贝塞尔函数。纤芯的电场和磁场分别为
Ez1=AJm(ur/a0)Jm(u)(525)
Hz1=BJm(ur/a0)Jm(u)(526)
光能量主要在纤芯中传输，在r=0时，电磁场为有限实数，在包层中，光能量沿径向r迅速衰减，当r趋于无穷时，电磁场消失为零。m为0、1、2阶贝塞尔函数如图513所示。

电磁场强度的切向分量在纤芯包层交界面连续，利用此边界条件，导出β 满足的特征方程如下： 
J′m(u)uJm(u)+K′m(w)wKm(w)n21J′m(u)uJm(w)+n22K′m(w)wK(w)=β2m2k201u2+1w2(527)


图513m为0、1、2阶的贝塞尔函数

仔细观察特征方程，发现其中u与w通过其定义式与β 相联系； m是确定贝塞尔函数的参变量，m取不同的值，表示光纤不同的模式。

对于确定的光源和光纤，n1、n2、a和λ给定时，该方程是关于β 的一个超越方程。对于确定的参数，可求出u、w和νa的值，进一步可求出β 的值。光纤结构参数给定的情况下，光纤中电磁场模式的分布是固定的。

如图514所示，每一条曲线都相应于一个导模。每一条曲线表示一个传输模式的β 随νa的变化，平行于纵轴的竖线与色散曲线的交点数就是光纤中允许存在的导模数，由交点纵坐标可求出相应导模的传播常数β。



图514光纤的导模


横坐标νa称为归一化频率： 
νa=2πa0λn21-n22(528)
式中： λ为光波波长。

归一化频率νa，表征光纤中所能传输的模式数目多少的一个特征参数。波动方程具有许多特征解，这些特征解可进行排序，每个特征解称为一个模式，即一种电磁场的分布形式。






5．3光纤的衰减特性

5．3．1损耗的定义

如图515所示，光信号在光纤中传输时，信号功率会衰减，传输距离越远，衰减越严重，这就是光纤的损耗。



图515光信号的衰减


5．3．2损耗系数

光纤内传输的光信号功率P随传输距离z的变化可表示为
dPdz=-αP(529)
式中： α为损耗系数。

如图516所示，已知光纤长度L(km)，输入光功率Pi，输出光功率Po，那么由式(529)可得以下解： 
Po=Piexp(-αL)(530)


图516损耗系数的计算



式(530)两边同时取对数，可得
α=10LlogPiPo（dB/km）(531)
这就是以前采用该方法来定义的微波信号的损耗系数的原因。

5．3．3损耗机理

即使是理想的光纤也存在损耗，这种损耗称为本征损耗。产生光纤损耗的原因主要有光纤材料的吸收、散射性能以及光纤结构不完善(如弯曲、微弯等)，如图517所示。下面主要分析吸收损耗和散射损耗。



图517光纤损耗分类


5．3．4吸收损耗

吸收损耗是光波通过光纤材料时有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。引起吸收损耗的主要原因有两个： 一是材料固有因素引起的本征吸收； 二是因材料不纯引起的杂质吸收。

1． 本征吸收

本征吸收由制造光纤材料本身(如SiO2)的特性所决定，即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质，也存在本征吸收。对于石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，分别为紫外吸收带和红外吸收带，如图518所示。

紫外吸收是光纤材料电子吸收入射光能量跃迁到高能级，同时引起入射光的能量损耗。石英玻璃中电子跃迁产生的吸收峰在紫外区的0.1~0．2 μm波长附近，它影响的区域很宽，其吸收带的尾部可拖到1μm以上的波长。

红外吸收是光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传给晶格，使其振动加剧从而引起的损耗，在2 μm以上波长段有几个振动吸收峰。



图518红外吸收和紫外吸收


2． 杂质吸收

杂质吸收是由于光纤制造过程引入的有害杂质带来的较强的非本征吸收。光纤内的金属杂质(如Fe、Cu、V、Mn等)、OH- 离子是造成杂质吸收的主要原因。随着技术水平的提高，已使这些金属杂质的含量低于1μg/kg以下，基本解决了金属离子的吸收问题。OH-离子的吸收峰在0．95μm、1．24μm 和1．38μm附近，如图519所示，对长波长光纤的能量损耗最大。当OH-离子的含量降到1μg/L时，则在1．38μm处的吸收峰为0．04 dB/km，其尾部影响就更小了。



图519OH-的吸收


5．3．5散射损耗

散射是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以看到光。一玻璃杯清水，在侧面用手电筒照射，光会透过水杯。一杯有掺杂的浊水情况就不同了，在用手电筒照射时，浊水中将出现亮点，光也不能透射到水杯的另一侧，原因是光受到浊水中悬浮粒子的散射，光将发生严重衰减。

光纤的密度和折射率等不均匀，结构上的不完善，使光纤中传播的光发生散射，由此产生的损耗称为散射损耗，如图520所示。



图520光纤中的散射示意图


波导在小于光波长尺度上的不均匀，比如分子密度分布的不均匀，掺杂分子导致的折射率不均匀，导致波导对入射光产生本征散射，称为瑞利散射。瑞利散射的大小与波长的四次方成反比，光波长越短，瑞利散射损耗就越严重，如图521所示。在短波长0．85μm处，瑞利散射损耗的影响最大。



图521瑞利散射


本征散射和本征吸收一起构成损耗的理论最小值。

5．3．6光纤的损耗谱

不同损耗之和称为光纤的总损耗。光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为
α=A/λ4+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)(532)
式中： A为瑞利散射系数； B为结构缺陷散射产生的损耗； CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。总损耗随波长的变化而变化称为光纤的损耗谱。

图522(a)为多模阶跃型光纤(SIF)、渐变型光纤(GIF)到单模光纤(SMF)的损耗谱，它们的损耗依次减小； 图522(b)为优质单模光纤的损耗谱，在通信波长范围内，它具有更小的损耗系数。



图522光纤损耗谱


由此可见，损耗特性与光的工作波长有关，存在三个相对较小的损耗区间称为光纤的工作窗口： 第一传输窗口在0．85μm附近，损耗稍大； 第二传输窗口在1．31μm附近，损耗中等； 第三传输窗口在1．55μm附近，损耗最小，如图523所示。



图523光纤的传输窗口


因此，光子技术使光纤通信从SIF、GIF发展到SMF，从短波长 “窗口”发展到长波长 “窗口”，使通信系统性能不断提高。






5．4光纤色散特性

5．4．1色散的定义

光纤的色散是导致传输信号的波形畸变的一种物理现象。光脉冲在光纤中传播时，由于光脉冲信号存在不同频率成分或不同模式，在光纤中传播的途径不同，达到终点的时间也就不同，产生了时延差，互相叠加起来，使信号波形畸变，表现为脉冲展宽。

光纤色散限制了带宽，而带宽又直接影响通信容量和传输速率，因此光纤色散特性也是光纤的另一个重要性能指标。

光纤色散主要有模间色散、材料色散和波导色散。

5．4．2模间色散

不同入射角的光线具有不同的模式，阶跃型光纤中不同光线的传播速度相同，这将使不同路程的光线达到输出端的时间不同，产生脉冲展宽，形成模间色散。

有一条沿纤芯轴线的最短路径，对应于基模； 其他路径是折线传播，对应于高阶模。模间色散是指在同一波长的光信号，其不同模式的传播路径长度不同，传播时间不同，因而产生色散。模间色散决定于最大时间差τM。

在纤芯与包层界面上，当入射角大于全反射临界角θc时，才发生全反射。光纤中只有大于光纤的全反射临界角范围内的模式光线，才能在光纤内传播。如图524所示，光线1是平行光纤轴直线传播的基模； 光线2对应全反射截止角，是折线传播的最长路径，对应于最高阶模。



图524模间色散解释原理图

光在光纤中的传播速度v=c/n1，其中n1为纤芯折射率，c为真空中的光速。光线1经过长度为L的光纤到达终端的时间为
t1=Lc/n1(533)
光线2是折线，处于一个直角三角形的斜边，长度为L/sinθc，那么经过长度为L的光纤到达终端的时间为
t2=L/sinθcc/n1(534)
故可求得光线2和光线1通过长度为L的光纤后的最大时间差为
τM=t2-t1=L/sinθcc/n1-Lc/n1=n1ΔcL(535)
对于Δ=1%，n1=1．5，L=1km的石英光纤，光纤的模间色散τM=50ns。可见，阶跃型光纤的模间色散是很严重的。

5．4．3材料色散

频谱宽度用于表示光源的单色性。图525是三种光源的光谱图，典型发光管（LED）的谱线宽度Δλ≈50nm，多模激光器（LD）的谱线宽度Δλ≈5nm，单模激光器的谱线宽度Δλ<0．02nm。



图525典型的光源光谱图




图526掺GeO2的光纤折射率与

波长关系

由此可见，单色性最好的激光都不是单一波长，总是占据一定的频谱宽度。光纤材料的折射率随波长而非线性变化。图526为掺GeO2的光纤折射率与波长关系。由图可见，波长增加，折射率减少，而n=c/v，因此光的传输速度v随波长的增加而变大。即使是同一模式，如果波长不同，光波传播速度不同，产生脉冲展宽，引起材料色散。

材料色散引起的脉冲展宽可用表示为
τM=DmL(Δλ)(536)
式中： L为光纤长度； Δλ为光源半幅值谱线宽度； Dm为光纤材料色散系数。

5．4．4波导色散

光纤的纤芯与包层的折射率差很小，在交界面产生反射时，可能有一部分光进入包层之内。进入包层内的这部分的光强大小与光波长有关，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，如图527所示。



图527波导色散

这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。由于纤芯的折射率大于包层的折射率，光在纤芯中传播的速度小，更慢到达接收端，在包层中传播光的速度快，更快到达接收端，由此引起色散现象。这种色散是光纤特有的波导结构引起的，因此称为波导色散。

波导色散引起的脉冲展宽可表示为
τW=DWL(Δλ)(537)
式中： DW为光纤波导色散系数。

5．4．5三种色散的比较

一般来说，光纤三种色散的大小顺序是模间色散>材料色散>波导色散。

上述三种色散的总色散可表示为
τ=τ2M+τ2m+τ2W(538)
对于多模光纤，模间色散和材料色散是主要的，其总色散为
τ=τ2M+τ2m(539)
对于单模光纤，只传单一基模，只有材料色散和波导色散，总色散为
τ=τ2W+τ2m(540)


图528单模光纤色散随波长的变化

材料色散和波导色散都因光源不是单一频率引起的，所以光源的谱线宽度对单模光纤的影响很大。

单模光纤色散随波长的变化如图528所示。对于SiO2单模光纤，在1．31μm波长附近，材料色散和波导色散的大小相等、符号相反，两者正好抵消，使单模光纤的总的色散为零，该波长就成为普通单模光纤的零色散波长。

5．4．6光纤的带宽


通常把调制信号经过光纤传输后，光功率下降一半时的频率fc定义为光纤的带宽B。

如图529所示，假定输入光脉冲为高斯型，那么输出光脉冲因色散而展宽后仍为高斯型，图中τ为高斯型脉冲波的半高全宽，即g(t)/g(0)=1/2时的全宽，即光功率降低一半时的色散。



图529光纤带宽频域响应(f为信号的频率)


经过高斯型函数傅里叶变换，可得光纤带宽为
B=fc=0．44τ(541)

采用式(541)可估计光纤的带宽。

【例51】设已知单模光纤色散系数为6ps/(nm·km)，而光源谱线宽为3nm，求光纤带宽。

解： τ=6×3×10-12=18×10-12（s/km）

B=fc=0．4418×10-12（Hz·km）=24．44（GHz·km）

5．4．7光纤的非线性特性

光纤的非线性可以分为受激散射效应和折射率扰动。受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变。受激散射效应有受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)两种形式。它们都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子，同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个量子。SBS和SRS都使得入射光能量降低，在光纤中形成一种损耗机制。在较低光功率下，这些散射可以忽略； 当入射光功率超过一定阈值后，受激散射效应随入射光功率呈指数增加。

在入射光功率较低情况下，认为石英光纤的折射率和光功率无关； 但是，在较高光功率下应考虑光强度引起的光纤折射率的变化，它们的关系为
n=n0+n2P/Aeff(542)
式中： n0为线性折射率； n2为非线性折射率； P为入射光功率； Aeff为光纤有效面积。

折射率扰动主要引起自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)和光孤子形成四种非线性效应。

SPM是指光在光纤中传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用，它导致光脉冲频谱展宽，引起光脉冲的频率啁啾。由SPM引起的啁啾通过群速度色散来影响脉冲形状并常常导致脉冲展宽。

XPM是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制，会使信号脉冲谱展宽。在采用波分复用(WDM)技术的系统中，光纤同时传输多个信道时会产生XPM现象。

FWM是源于折射率的光致调制的参量过程。一个或几个光波的光子被湮灭，同时产生几个不同频率的新光子。FWM大致分为两种情况： 一种情况是三个光子合成一个光子，新光子的频率为W4=W1+W2+W3； 另一种情况为W1+W2=W3+W4。如果FWM产生的新的频率成分落到WDM信道，则会引起复用信道间的串扰。

光孤子形成来源于非线性折射率和色散间的相互作用，当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，可以形成光孤子。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中保持形状和脉宽不变。






5．5半导体激光器和光发射机

5．5．1半导体激光原理
1． 光的自发发射和受激吸收

电子从高能态自发地跃迁到低能态，同时发射出光的现象，称为自发发射（图530）。光的自发发射完全由原子系统决定。

处于低能级E1的原子受到外来光子的激励下，在满足能量恰好等于低、高两能级之差ΔE时，该原子就吸收这部分能量，跃迁到高能级E2（图531），称为受激吸收。

2． 光的受激发射

电子从高能态受到光的激发而跃迁到低能态，同时发射与激发光的传播方向、相位和偏振方向相同的光，称为受激吸收，如图532所示。其条件是入射光子的能量等于高低能态之差。光的受激发射由原子系统与入射光信号决定，与入射光同态，属于相干光，它可以实现光放大。




图530光的自发发射




图531受激吸收




图532光的受激吸收



3． 半导体激光器

激光产生需要工作物质、泵浦源和谐振腔，那么怎么满足半导体激光器这三个条件？

1) 工作物质

工作物质就是PN结。当P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，由于扩散和漂移，会产生空间电荷区，就称为PN结。它是半导体激光器的工作物质，如图533所示，在空间电荷区形成扭折能级图，热平衡时PN结形成统一的费米能级Ef，势垒eV0阻止载流子进一步扩散，此时可以认为载流子处于基态。



图533PN结和扭折能级图


2) 泵浦源

对比图534(a)和(b)，可以观察到，在PN结上加上正向电压后，形成两个不同的费米能级Ef，势垒eV0降低。N型区的电子及P型区的空穴流向PN结区，这两个费米能级处于相对稳定的状态，载流子处于激光态，就是亚稳态。

当注入的电流增加到一定值后，导带的电子数目大于价带的空穴数目，这时有自发辐射，也有受激辐射，而受激发射占主导地位，此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域，也称为有源区。



图534工作物质和泵浦源


半导体材料在通常状态下总是导带的电子数小于价带的空穴数，因此称导带的电子数大于价带的空穴数的状态为粒子数反转。在PN结持续加上的正向电压就是泵浦源，它使有源区持续产生足够多的粒子数反转，这就满足了产生激光的两个条件。

3) 谐振腔

有源区里实现了粒子数反转，并保持相对稳定后，受激发射占据了主导地位； 但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了产生单色性和方向性好的激光，必须使用谐振腔。如图535所示，基本的光学谐振腔由置于自由空间的两块平行的镜面M1和M2组成。光波在M1和M2间反射，导致这些波在空腔内相长和相消。类似于绳子产生驻波，如图536所示。




图535谐振腔





图536绳子产生驻波



从M2反射的光向左传输时和从M1反射的光向右传输的光干涉，在空腔内产生了一列稳定不变的电磁波，这也是驻波。



图537LD产生激光

按照驻波条件，镜面上的电场必为零，所以谐振腔的长度是半波长的整数倍，表示为

mλ2=L(543)
式中： m=1,2,3,…，此处的m的某个取值对应一个纵模。

由此可见，半导体激光器满足产生激光的三个条件，因此就产生了激光，如图537所示。

5．5．2LD的特性
1． PI特性
对GaAs激光器的测试表明，当驱动电流低于10mA时输出的激光光谱较宽，而驱动电流高于10mA时输出的激光光谱较窄。因此，LD激光器具有明显的阈值特性。



图538LD激光器PI特性

PI特性揭示了LD输出光功率与注入电流之间变化规律。如图538所示，从PI特性曲线中明显看到，当注入电流超过阈值后，随着注入电流强度增加，输出光功率线性增加。这是LD非常重要的特性，是调制技术的理论基础。

2． 输出的光谱特性

短波长GaAlAs激光器的光谱特性如图539所示，它只有一根谱线，称为单纵模； 而有些激光器的谱线如图540所示，它具有几根谱线，称为多纵模。以前分析过光纤色散问题，为了减少材料色散和波导色散，最好选择谱宽较小的单纵模激光器。



图539短波长GaAlAs LD的光谱特性





图540GsAs激光器的发射光谱


3． LD的温度特性

LD温度特性如图541所示。半导体激光器阈值电流随温度增加而加大，尤其是长波长波段的InGaAsP激光器。因此，半导体激光器工作时需要进行温度控制。



图541LD温度特性


5．5．3光调制技术

在光纤通信系统中，把随消息变化的电信号加到光载波上，使光载波按消息的变化而变化，这就是光波的调制。光调制技术包括： 直接调制技术，调制信号调制激光器驱动电源，控制光信号输出； 外调制技术，作用于激光器输出的光信号，利用晶体的电光、磁光、声光效性对光信号进行调制。

在阈值以上，LD的输出光功率基本上与注入电流强度成正比，电流的变化转换为光频的变化呈线性，因此可以采用直接调制方法，如图542所示。



图542LD数字直接调制


以前LD光源的频谱不纯，频率也不稳定，使调频或调相方式难以实现，实用系统采取直接强度调制(IM)的方法。

经调制后的光功率信号耦合入光纤，经光纤传输后，光接收机的光电检测器采用直接检测(DD)方式将光信号变换成电信号，再经放大、解调(或解码)后还原为原信号输出。这种光纤通信系统称为强度调制(ID)/直接检测光纤通信系统。

光源采用直接调制方式时，由于带宽受半导体光源的振荡频率限制和存在光源啁啾效应，使得在2．5Gb/s以上的高速率光纤通信系统中，必须使用外调制。马赫曾德尔调制器(MZM)是一种较常用的外调制器。采用MZM可实现相位调制，强度调制和IQ调制。



图543采用MZM的相位调制器

的基本结构

采用MZM的相位调制器的基本结构如图543所示，其相位变化为
φ=2πλΔneff(t)lel(544)
式中： Δneff为折射率变化； lel为波导长度； φ与u（t）成正比。

相位调制器的传递函数为
Eout=Ein(t)ejφ(t)=Ein(t)eju(t)Vππ(545)

衡量相位调制的一个关键指标半波电压Vπ(相位改变π需要的电压值),半波电压越低，表明效率越高。

基于MZM的强度调制器基本结构如图544所示。

其相位变化为
φ1=u1(t)Vπ1π，φ2=u2(t)Vπ2π(546)
传递函数为
Eout(t)Ein(t)=12(ejφ1(t)+ejφ2(t))(547)

IQ调制器可以看作相位调制器和强度调制器的结合，在QAM等高阶调制格式中运用广泛，其基本结构如图545所示。




图544基于MZM的强度调制器基本结构




图545基于MZM的IQ调制器基本结构



其相位变化为
φI=uI(t)Vππ，φQ=uQ(t)Vππ(548)

传递函数为
Eout(t)Ein(t)=12cosφI(t)2+j12cosφQ(t)2(549)

外调制技术一般用在光的相干通信系统。

5．5．4光发射机

光发射机由信道编码电路、光源及光源驱动与调制电路三部分组成。其实物与原理框图如图546所示。



图546光发射机实物与原理框图


1． 信道编码电路

信道编码电路的功能是对基带信号的波形和码型进行转换，使其适于光纤信道传输。

(1) 均衡器： 由PCM端机送来的HDB3(三阶高密度双极性码)或CMI(传号反转码)码流，首先需要经过均衡，用于补偿由电缆传输产生的衰减和畸变，以便正确译码。

(2) 码型变换： 由均衡器输出的是HDB3或CMI码，HDB3码是三值双极性码(即+1、0、-1)，CMI码是归零码。由于光源不能发射负脉冲，因此要通过码型变换电路，将其变换成适合于光纤传输的单极性的非归零的0、1码(NRZ码)。

(3) 扰码： 若信息码流中出现长连0和长连1的情况，将会给时钟信号的提取带来困难。为了避免出现这种情况，需要附加一个扰码器，将原始的二进制码序列加以变换，使之达到0、1等概率出现。相应地，在光接收机的判决器后加一个解扰器，以恢复原始序列。

扰码改变了1码与0码的分布，从而改善了码流的一些特性。

比如，扰码前： 1100000001000…

扰码后： 1101110110011…

(4) 编码： 经过扰码后的码流，尽量使1、0的个数均等，便于接收机提取时钟信号，但扰码后的码流仍具有一些缺点，如没有引入冗余，不能进行在线误码检测，信号频谱中接近直流的分量较大，不能解决直流分量的波动等问题。因此，在实际的光纤通信系统中，对扰码后的码流再进行信道编码，以便满足光纤通信对线路码型的要求。

(5) 时钟提取： 由于码型变换、扰码和编码的过程都需要以时钟信号为依据，因此在均衡电路之后，由时钟提取电路提取时钟信号，供码型变换、扰码和解码电路使用。

2． 光源及光源驱动与调制电路

光源驱动电路功能是将电信号转换成光信号，并将光信号送入光纤。

(1) 光源驱动电路： 经过编码以后的数字信号控制光源发光的驱动电流。若驱动电流为0(信码为0)则不发光，若驱动电流为预先规定的值(信码为1)则发光，从而完成了电/光转换任务。

(2) 自动光输出功率控制电路： 由于光源经过一段时间使用将出现老化，使输出光功率降低，另外，激光器的光输出功率随温度的变化而变化，因此为了使光源的输出功率稳定，在实际使用的光发射机中常使用自动功率控制(APC)电路。它一方面使光输出功率保持稳定，另一方面防止光源因电流过大而损坏。

(3) 自动温度控制电路： 对激光二极管而言，结温升高时光输出功率会明显下降，在APC电路的作用下控制发光的驱动电流就会自动增加，使得结温进一步升高，这样就造成恶性循环，从而导致激光二极管损坏，所以在光发射电路中使用自动温度控制(ATC)电路来控制光源的温度。

5．6光电探测技术

5．6．1光接收机






光接收机由光电检测器、光信号接收电路及信道解码电路三部分组成。其实物与原理框图如图547所示。它的作用就是检测经过远距离传输后到达的微弱光信号，并进行放大、整形、再生，还原成原来的输入信号。它的主要器件是把光信号转变为电信号的光电检测器，也就是光电二极管。




图547光接收机实物与原理框图


1． 光信号接收电路

(1) 前置放大器： 由于从光电检测器出来的电信号非常微弱，在对其进行放大时要经过多级放大器进行放大。第一级放大必须考虑抑制放大器的内部噪声，因此它必须是低噪声、高增益的低噪声放大器，一般输出为毫伏数量级。

(2) 主放大器： 将低噪声放大器输出的信号电平放大到判决电路所需要的信号电平。另外，它还必须具有增益可调的功能。当光电检测器输出的信号出现起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，使主放大器的输出信号幅度在一定范围内不受输入信号的影响。一般输出电平的峰峰值是几伏的数量级。

(3) 均衡器： 经过均衡器，补偿由光缆传输光电转换与放大后产生的衰减和畸变，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减少误码率。

(4) 判决器和时钟恢复电路： 判决器由判决电路和码形成电路构成。判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再生电路，其作用是将均衡器输出的信号恢复为0或1的数字信号。

(5) 自动增益控制电路： 光接收机的自动增益控制(AGC)电路是主放大器的反馈环路，当信号强时，通过反馈环路使主放大器的增益降低； 当信号弱时，通过反馈环路使主放大器的增益提高，从而使送到判决器的信号稳定，有利于判决。显然，自动增益控制电路的作用是增加了光接收机的动态范围。

2． 信道解码电路

信道解码电路是与发送端的信道编码电路相对应的，由解码、解扰和码型反变换电路组成。

因为光发射机输出的信号是经过码型变换、扰码和编码处理的，这种信号经过光纤传输到接收机后，必须由信道解码电路对信号进行一系列的“复原”处理，将它恢复成原始信号才能送入PCM系统。

5．6．2光电二极管

光电二极管的工作原理如图548所示，通过外电路对PN结施加反向偏压。

当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽，形成耗尽区（图549）。当光束入射到PN结上，且光子能量hf大于半导体材料的带隙Eg时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，发生受激吸收，形成一个电子空穴对。在耗尽区，在较高的电场作用下电子向N区漂移，空穴向P区漂移。如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。当入射光功率变化时，光电流强度也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号，实现光到电的转化。




图548光电二极管的工作原理




图549加反向电压后的PN结



5．6．3PIN光电二极管

如果在光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征半导体，故称I层，因此这种结构称为PIN光电二极管，如图550所示。



图550PIN二极管的工作原理


PIN管的I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子空穴对； 在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而，光生电流中漂移分量占了主导地位，扩散的影响大大降低，这就加快了响应速度。

5．6．4雪崩光电二极管

如果在PN结施加更高反向偏压，使耗尽层中光生载流子受到更强电场的加速作用，载流子获得足够高的动能，它们与晶格碰撞电离产生新的电子空穴对，这些载流子又不断引起新的碰撞电离，造成载流子的雪崩倍增，得到电流增益，这就是雪崩光电二极管（APD），如图551所示。



图551APD工作原理示意图


5．6．5光电检测器的特性

衡量光电检测器PIN和APD性能的主要有以下四个技术指标。

1． 响应度

响应度是描述器件光电转换能力的一种物理量，定义为
R0=IpPo(A/W)(550)
式中： Ip为光电检测器的平均输出电流； Po为光电检测器的平均输出光功率。

2． 响应特性

响应特性是指光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化的能力，一般用脉冲响应时间来表示。脉冲响应时间可以是脉冲上升时间或脉冲下降时间。把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%的时间定义为脉冲上升时间； 而把光生电流脉冲后沿由最大幅度的90%下降到10%的时间定义为脉冲下降时间。

响应时间主要取决于半导体光电二极管的结电容、光生载流子在耗尽区内的渡越时间和耗尽层外载流子扩散引起的延迟。显然，一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短的。

3． 暗电流

暗电流是指没有光入射时的反向电流。暗电流主要包括反向饱和电流、在耗尽层内产生的复合电流以及表面漏电流等。

由于暗电流直接引起光接收机噪声增大，因此器件的暗电流越小越好。

4． 雪崩倍增因子

雪崩倍增因子是描述APD发光二极管的倍增程度，定义为
G=IIp(551)
式中： I为雪崩时的光电流； Ip为无雪崩倍增的光电流。

APD的雪崩倍增因子已达到几十甚至上百，它随反向偏压、光波长和温度而变化。






5．7掺铒光纤放大器 

在光纤通信中，采用中继器来补偿光能的衰减，恢复信号脉冲的形状。在光中继器中最重要的是放大器。光放大器出现前，中继器采用光—电—光变换方式，装置复杂、耗能多，而且不能同时放大多个波长信道。

1987年，英国和美国同时报道了将稀土元素铒掺入光纤中可实现1．55μm波段的光增益，掺铒光纤放大器(EDFA，图552)取得突破性进展。



图552EDFA实物图

EDFA的典型结构如图553所示，EDFA工作波长为1．55μm，它包括光路结构和辅助电路部分。光路部分由掺铒光纤、泵浦光源（其目的是输入能量给工作物质，使低能级粒子跃迁到高能级，可运用980或1480nm的半导体激光源）、光耦合器、光隔离器等组成，辅助电路主要有电源、自动控制部分和保护电路。



图553EDFA的典型结构


掺铒光纤是EDFA的核心元件，它以单模石英光纤作为基质材料，在其纤芯中掺入一定比例的稀土元素铒离子。

EDFA放大激光的过程与激光产生的过程有些类似。图554是铒离子的能级图，可简化为基态、亚稳态和泵浦态三能级结构。基态为4I15/2，亚稳态为4I13/2，在亚稳态上粒子的平均寿命时间达到10ms，泵浦态为4I11/2，粒子在泵浦态上的寿命为1μs。由于铒离子在高能级上的寿命很短，很快以无辐射的形式跃迁到亚稳态，从而在亚稳态和基态之间形成粒子数反转分布，如图555所示。可见，铒离子是工作物质。



图554铒离子的能级图


EDFA中的泵浦源一般采用980nm的LED光源，它把处于低能级的铒离子被提升到高能级上。可见，泵浦源也有了。



图555Er3+在泵浦光作用下的反转分布


当1．55μm 波段的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的铒离子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射光信号中一样的光子。可见，EDFA没有谐振器，因为它只是起放大激光的作用，如图556所示。



图556掺铒光纤放大器光放大原理


光放大器的出现是光纤通信发展史上里程碑，光放大器技术促进波分复用技术快速走向实用化。






5．8光波分复用技术 

波分复用是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一种技术，采用这种技术可以实现如图557所示的双纤单向传输系统。各个用户的消息信号分别被调制不同波长的光载波上，不同波长的光信号作为合信号在一条光纤上传输，收端把不同波长的合信号分离出来，通过解调取出用户的信号。



图557双纤单向传输示意图


可见，波分复用是利用波长的不同来区分不同的用户。那么波分复用究竟是怎么实现的？白光由不同波长成分组成，白光通过三棱镜折射能够把不同波长成分分开，如图558所示。


正是采用这种原理实现了波分复用。如图559所示，多个波长的混合光通过三棱镜后，其折射角不同，最终分别耦合到对应的光纤中，实现不同波长的分离，即解波分复用。对于波分复用，它是以上解波分复用器反过来使用。




图558三棱镜的色散



图559棱镜色散型光波分复用器结构示意图


WDM技术具有以下优点： 

(1) 充分利用光纤的巨大带宽。光纤具有巨大的带宽，WDM技术使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍甚至几百倍，从而增加光纤的传输容量，降低成本，具有很大的应用价值和经济价值。

(2) 同时传输多种不同类型的信号。由于WDM技术使用的各波长的信道相互独立，因而可以传输特性和速率完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合传输。

(3) 节省线路投资。采用WDM技术可使N个波长复用起来在单根光纤中传输，也可实现单根光纤双向传输，在长途大容量传输时可以节约大量光纤。另外，对已建成的光纤通信系统扩容方便，只要原系统的功率余量较大，就可进一步增容而不必对原系统做大的改动。

(4) 降低器件的超高速要求。随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速度已明显不足，使用WDM技术可降低对一些器件在性能上的极高要求，同时又可实现大容量传输。

5．9光纤相干通信技术

在如图560所示的相干光通信的发送机，采用外调制的方式将信号调制到光载波上，到达接收端以后，首先经过前端处理如均衡等，然后进入光混频器与本地光振荡器产生的光信号进行相干混合，最后由探测器进行探测。

在光混合器，信号光和本振光的偏振态一般要求始终保持一致。



图560相干光通信结构


相干光通信可以降低长距离传输的光纤架设成本，简化光路放大和补偿设计，因此在长距离传输网上成为主要的应用技术。

5．10仿真实验

5．10．1光纤内脉冲信号传输仿真

光纤对通信系统的影响在信号的衰减、色散和非线性效应三方面。衰减可用EDFA解决； 在长途干线上使用单模光纤，起主要作用的是群速度色散(GVD)； 而非线性效应包括SRS、SBS、FWM、SPM和XPM。

光纤内脉冲随传播距离的变化由非线性薛定谔方程来描述，采用分步傅里叶算法求解这个方程，用MATLAB实现这个算法。

运行程序文件test_5_9_1，可看到如图561所示的周期高斯脉冲波形，在50km的光纤上传输各脉冲波形的变化如图562所示。




图561周期高斯脉冲





图562光纤内脉冲信号传输



由此可见，由于GVD和PWD的作用，通信信号在光纤中传输信号会变宽，从而引起码间干扰。

5．10．2光纤通信系统仿真

光纤通信系统模型如图563所示，包括脉冲成形、电光调制、光纤信道、光电解调、低通滤波和抽样判决。



图563光纤通信系统模型


将文件PRseries、PCMcode、photo_detect和test_5_9_2放在工作目录，运行主程序test_5_9_2，可以看到对于如图564所示的消息序列，经过脉冲成形、电光调制、光纤信道和光电解调后的波形为如图565所示的噪声信号。可见，光电解调这个环节会引入噪声。




图564发送的消息序列（局部）





图565带噪声的光电信号（局部）



这种带噪声的光电信号经过低通滤波，得到如图566所示的信号，滤波后的光电信号的眼图如图567所示。




图566滤波后的光电信号





图567滤波后的光电信号的眼图



经过抽样判决后得到接收的消息序列如图568所示。由图可见，得到的消息序列与发送的数据符合得很好。



图568接收的消息序列（局部）


习题

1. 简述光纤通信系统的基本组成，各部分作用是什么。

2. 某阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1．5，n2=1．45，试计算: 

(1) 纤芯和包层的相对折射率差Δ； 

(2) 光纤的数值孔径。

3. EDFA能放大哪个波段的光信号?简述EDFA的结构和工作原理。