光纤通信概念讲解学习.ppt

第1章 绪论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。电信号输入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。名称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~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。波长(nm)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