光纤通信原理

光纤通信原理

第一章 概论 内容摘要：

------本章主要介绍光纤通信的发展简史，光纤通信的特点，概括了光纤通信系统的主要构成，并且简单说明了光纤通信系统中的多媒体应用，最后指出光纤通信的发展方向。 -本章重点要求：

-- ---了解光纤通信的发展史，理解光在电磁波谱中的位置、光纤通信所用光波的波长范围。掌握光纤通信系统的组成、光纤通信的特性。 第一节. 光纤通信简史

----光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤通信技术是近30年迅猛发展起来的高新技术，给世界通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大变革。为了使读者对光纤通信的发展历程有个基本了解，现将该技术的进程简要介绍如下。

（1）1966年，英籍华人高锟 (C·K·Kao)预见利用玻璃可以制成衰减为20dB／km的通信光导纤维(简称光纤)。当时，世界上最优秀的光学玻璃衰减达l000dB／km左右。1970年，美国康宁公司首先研制成衰减为20dB／km 的光纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。

----光纤的主要作用是引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。为了实现长距离的光纤通信，必须减小光纤的衰减。C·K·Kao 早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素。另一方面，玻璃内的OH离子对衰减也有严重的影响。到了 1976年，人们设法降低OH含量后发现低衰减的长波长窗口有：1.31μm、1.55μm。1980年，光纤衰减已降低到 0.2dB／km (1.55μm)，接近理论值。这样，使得进行长距离的光纤通信成为可能。与此同时，为促进光纤通信系统的实用化，人们又及时地开发出适用于长波长的光源、激光器、发光管、光检测器。应运而生的光纤成缆。光无源器件和性能测试及工程应用仪表等技术日臻成熟。这都为光纤光缆作为新的通信传输媒介奠定了良好的基础。

1976年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个 44.736Mbit／s 且传输110km 的光纤通信系统的现场实验，使光纤通信向实用化迈出了第一步。1981年以后，用光纤通信技术大规模地制成商品并推向市场。历经近20年突飞猛进的发展，光纤通信速率由1978年的45Mbit／s 提高到目前的40Gbit／s。

--- 我国自70年代初就开始了光纤通信技术的研究。1977年，武汉邮电研究院研制成功中国第一根阶跃折射率分布的、波长为 0.85μm多模光纤。后来又研制成单模光纤和特殊光纤以及光通信设备。现在，我国光纤通信产业已初具规模，能够生产光纤光缆、光电器件、光端机及其他工程应用方面的配套仪表器件等。由此可见，中国已具有大力发展光纤通信的综合实力。

第二节. 光纤通信使用波段 1、光在电磁波谱中的位置

----光波与无线电波相似，也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率高得多。红外线、可见光和紫外线均属于光波的范畴。图1-1下图所示为电磁波波谱图。可见光是人眼能看见的光，其波长范围为0.39

至0.76

。红外线是人眼能看不见的光，其波长范围为 0.76

至15。 ；中红外区，其波长范围为15

至300至25

。 ；

一般分为：近红外区， 其波长范围为0.76远红外区，其波长范围为252、光纤通信使用波段

至300

---目前光纤通信所用光波的波长范围为1.0

称为短波长段，1.0～2.0

=0.8～2.0，属于电磁波谱中的近红外区。其中0.8～

称为长波长段。

---目前光纤通信使用的波长有三个：0.85长的关系，从图中可以看到从0.8～2.0

、1.31、1.55。图1-1上图为光纤损耗与波

为光纤的低损耗区域，或称为低损耗窗口。

---光在真空中的传播速度约为，根据波长、频率和光速之间的关系式

（1-1）

可计算出各电磁波的频率范围。对应光纤通信所用光波的波长范围，由式(1-1)可得相应的频率范围为

。可见光纤通信所用光波的频率是非常高的。正因为如此，光纤通信具

有其他通信无法比拟的巨大的通信容量。

第三节．光纤通信的特点

与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： (1)传输频带极宽，通信容量很大；

(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远； (3)串扰小，信号传输质量高； (4)光纤抗电磁干扰，保密性好；

(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； (6)耐化学腐蚀；

(7)光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。 光纤通信同时具有以下缺点： (1)光纤弯曲半径不宜过小；

(2)光纤的切断和连接操作技术复杂； (3)分路、耦合麻烦。

----由于光纤具备一系列优点，所以广泛应用于公用通信、有线电视图像传输、计算机、 空航、航天、船舰内的通信控制、电力及铁道通信交通控制信号、核电站通信、油田、炼油厂、矿井等区域内的通信。 第四节． 光纤通信系统

就广义而言，通信就是各种形式信息的转移或传递。通常的具体做法是首先将拟传递的信息设法加载(或调制)到某种载体上，然后再将被调制的载体传送到目的地后，将信息从载体上解调出来。光纤通信系统中电端机的作用是对来自信息源的信号进行处理，例如模拟／数字转换多路复用等；发送端光端机的作用则是将光源( 如激光器或发光二极管 )通过电信号调制成光信号，输入光纤传输至远方；接收端的光端机内有光检测器( 如光电二极管)将来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原形后，输至电端机的接收端。对于长距离的光纤通信系统还需中继器，其作用是将经过长距离光纤衰减和畸变后的微弱光信号经放大、整形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方以保证良好的通信质量。目前的中继器多采用光--电--光形式，即将接收到的光信号用光电检测器变换为电信号，经放大、整形、再生后再调制光源将电信号变换成光信号重新发出，而

不是直接放大光信号。近年来，适合作光中继器的光放大器(如掺铒光纤放大器)已研制成功，这就使得采用光纤放大器的全光中继及全光网络将会变得为期不远。 第五节． 光纤通信的多媒体应用

由于多媒体应用信息量大，就性能价格和信号特征而言，必须采用压缩技术，压缩掉人不能分辨的部分以节约频带。假设不使用压缩技术，一个标准的个人电脑上的80MB硬盘只可存储约8min 的具有CD品质的立体声，或约35s的电视广播品质的运动视频。采用压缩磁盘后，CDROM 则可以存储72min 的高保真音乐，或存储20min 的电视广播品质的运动视频。那么位速呢?立体声的CD品质的声音如果不压缩的话，要求网络以每秒钟140万位的恒定速率传送一个比特流，这对于局域网来说是足够的。但是，由于传统的局域网技术是基于在若干个端系统(一般从几十个到几百个)之间共享一条电缆或光纤，因而有太多的这样的数据流无法并行流动。共享的最大位速范围通常是从10Mbps(以太网技术)到100MbPs(快速以太网或FDDI技术)。当不压缩时，PAL品质的数字运动视频需要 160Mbps／通道。这与已有的共享传送媒体思想为概念的局域网技术是相矛盾的。在长距离通信上存在着采用哪种速度的地面电缆电路， 但是使它们专用单独一个视频通道所需的费用是令人无法接受的。在这种速度下，卫星线路的性能价格比最高，费用仍然很昂贵。所以采用压缩和编码的必要性是显而易见的。

多媒体应用需求的网络特征，与其他应用相比有许多相同的特性，也有不少如下特有的特征： ·要求连续媒体信息(音频和视频)进行实时传送。

·对连续媒体信息的编码使得被交换的数据容量大而非常重要。 ·大多数应用是面向分布的，特别是当服务于常驻用户时。

基于这样的观察，我们选择了4个能用数量表示并且应用于通信子网的性能规则以及两个应用于大型\网络\的关键特征。4个关键的通信子网的性能规则如下： (1)吞吐量：多媒体通信要求的吞吐量是很大的； (2)传输延迟：多媒体通信要求的传输延迟很小； (3)延迟变化：多媒体通信要求的传输延迟波动很小； (4)差错率：多媒体通信要求的传输误码率很低。 这些参数与支持连续媒体的实时传送密切相关。 ----大型\网络\的最关键的特性如下： (1)多点播送和广播能力； (2)文件缓存能力。

这些特征与支持基于下载的分布和检索的应用密切相关。

从前面的分析可以看出，光纤通信具备许多优点，能够满足多媒体通信的各种要求。因此，光纤必将是多媒体通信传输介质的最佳方案。 第六节．光纤通信的发展

20世纪提出了构建信息高速公路的伟大设想。信息高速公路从根本上说是一个全国范围乃至全球范围的宽频带、高速度、高可靠性、无传输错误的先进综合通信网络，它将任何信息源(包括声音、文件、图形、影视、数据等)连接到全部网络，送达千家万户。

----一切信息源在数字化以后都是一样的，即 01010101011 这样的 0、1 形式。话音为3kHz，故每秒需传播64K比特。电视为 8MHz，故每秒需传播90M比特。一部90min 的电影片，用现有的电话网络传输，需要两天的时间，这是不现实的。所以必须采用宽频带和高速网络技术。用光纤网络传输，一部电影只要一分钟即可传输完了。我国若采用OC48做成超级干线，一部电影只有4s钟就可以传送完毕。

----只有超干线和干线是不够的， 因为到每个用户若用电话线或其他窄带的传输介质接入， 都会成为一个传输瓶颈。 为了解决这一难题，国际上已取得共识，认为利用和改造目前的有线电视网是一条捷径，即改造(或新建)成为混合光缆同轴互联网络(HFC)。从前端以光缆连到光节点，再用同轴作为分配网络，这样系统就能直接把交互型话音、数据和视频信号送入家庭和用户。在电视机上可加装一个机顶变换器(机顶盒)，或在计算机上接了一个电缆调制解调器，就可以实现远程教学、远程医疗、电子购物、上网、交互式电子游戏、可视电话、IP电话、电子银行等功能。由此把人们带入一个全新的信息化社会。

近年来出现的塑料光纤(POF)又称为聚合物光纤(Plastic optical fiber)。POF性能价格比好，因此为光纤到用户打开了大门 (FTTH)。当前，国际推荐的IEEEl394 串行接口中， 是使用带屏蔽的双金属线对 ( Shielded Twisted Pair， STP )， 速率虽然可以达100Mb／s，但距离多在4.5m以内，有一定的局限性。另一种就是正在开始初步实用的塑料光纤，由于POF本身具有比STP更多的优点，在家庭网和其他局域网的室内配线中受到了重视。

宽带综合业务数字网(B-ISDN)是一种基于异步传输模式(ATM)的通信网络，为了进一步提高传输速率，建立同步数字系列 (SDH)网络是必由之路。21世纪是个信息时代，为了满足人类不断增长的信息需求，现在这种高价全新的宽带IP网络能传输千兆比特多媒体数字信号。 为了增加光缆的传输距离， 近来研究成功了光放大器，这样就不必进行光电转换、放大、再电光转换，从而实现了直接光放大到全光网络。这对于提高信号质量、降低成本、提高网络的可靠性都是非常有益的。 我国经济正在高速发展，已进入信息时代。现已铺设了 360 000km 光缆；建成连接21个主要城市的数据网络；有强大的航天卫星工业；已经建造并在高速发展的巨大的有线电视网。具有中国特色的信息高速公路正在高速发展。我们深信中国在21世纪的信息时代会有更伟大的作为。 第二章 光纤与导光原理 内容摘要：

-----由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优点，现已成为通信系统的重要传输介质之一。光纤特性包括它的结构特性、光学特性及传输特性。结构特性主要指光纤的几何尺寸（芯径等）； 光学特性包括折射率分布、 数值孔径等；传输特性主要是损耗及色散特性。

----本章在简要介绍光纤结构和分类的基础上，首先，用射线光学理论分析光纤的传输原理；然后用波动理论讨论光纤中的模式特性，给出光纤中完善的场的描述；最后对光纤的损耗及色散特性进行讨论。

----本章重点要求：

--- 能用射线光学理论分析光纤的导光原理；理解单模光纤、多模光纤、色散位移光纤的概念；掌握光纤单模传输条件的计算公式；理解光纤损耗和色散的概念及其对光纤通信系统的影响。 第一节 光纤的结构和分类 2．1．1 光纤的结构

----光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体，如图2-1所示，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。

----核心部分是纤芯和包层，其中纤芯由高度透明的材料制成， 是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤芯，使光的传输性能相对稳定。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起决定性影响。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤， 同时又增加光纤的柔韧性， 起着延长光纤寿命的作用。

2．1．2光纤的分类

----根据折射率在横截面上的分布形状划分时，有阶跃型光纤和渐变型 (梯度型) 光纤两种。阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。渐变型光纤纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律(如平方律、双正割曲线等) 逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均匀常数。

----根据光纤中传输模式的多少，可分为单模光纤和多模光纤两类。单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在4μm～10μm 范围内。而多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，典型尺寸为50μm左右。

----按制造光纤所使用的材料分，有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。光通信中主要用石英光纤，以后所说的光纤也主要是指石英光纤。

----另外，若按工作波长来分，还可分为短波长光纤和长波长光纤。 多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布；单模光纤多采用阶跃折射率分布。因此，石英光纤大体可以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等几种。它们的结构、 尺寸、 折射率分布及光传输的示意图如下页 图2-2a、2-2b、2-2c 所示。

-第二节 光纤中的射线光学理论

----光波长很短，但相对光纤的几何尺寸要大得多，因此从射线光学理论的观点出发，研究光纤中的光射线，可以直观认识光在光纤中的传播机理和一些必要的概念。本节用射线光学理论对阶跃型及渐变型多模光纤的传输特性进行分析。射线光学的基本关系式是有关其反射和折射的菲涅耳（Fresnel)定律。

首先，我们来看光在分层介质中的传播，如图2-3所示。图中介质1的折射率为率为

，设

。当光线以较小的

,介质2的折射

角入射到介质界面时，部分光进入介质2并产生折射，

部分光被反射。它们之间的相对强度取决于两种介质的折射率。

由菲涅耳定律可知

反射定律

(2-1)

折射定律

(2-2)

在时，逐渐增大，进入介质2的折射光线进一步趋向界面，直到趋于。此时，

进入介质2的光强显著减小并趋于零，而反射光强接近于入射光强。当应的

角定义为临界角

。由于

,所以临界角

极限值时，相

（2-3）

当介质，即

时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当光线从折射率大的介质进入折射率小的

时，在界面上才能产生全反射。

2．2．1 阶跃型光纤中的射线光学分析

全反射现象是光纤传输的基础。光纤的导光特性基于光射线在纤芯和包层界面上的全反射，使光线限制在纤芯中传输。光纤中有两种光线，即子午光线和斜射光线。子午光线是位于子午面(过光纤轴线的平面)上的光线，而斜射光线是不经过光纤轴线传输的光线。图2--5 所示阶跃型的光纤，纤芯折射率为

，包层的折射率为

，且

，空气折射率为

。在光纤内传输的子午光

线，简称内光线，遇到纤芯与包层的分界面的入射角大于时，才能保证光线在纤芯内产生多次

全反射，使光线沿光纤传输。--然而，内光线的入射角大小又取决于从空气中入射的光线进入纤芯中所产生折射角

，因此， 空气和纤芯界面上入射光的入射角

就限定了光能否在光纤中以全反

射形式传输。与内光线入射角的临界角图2-6所示：

相对应， 光纤入射光的入射角有一个最大值。 如

当光线以入射到纤芯端面上时，内光线将以小于的入射角投射到纤芯和包层界面上。

这样的光线在包层中折射角小于90度， 该光线将射入包层，很快就会漏出光纤。如图2-7所示：

由上面分析可知，当光线从空气入射到纤芯端面上的入射角芯包界面间产生全反射而向前传播，而入射角最大值论

确定了光纤的接收锥半角。的确定：

时，进入纤芯的光线将会在

的光线将进入包层损失掉。因此，入射角

是个很重要的参数，它与光纤的折射率有关。下面讨

----由菲涅耳定律，对于内光线，有

因为

(2-4)

所以

即

(2-5)

当光线以入射到纤芯端面上时，入射光线在光纤内将以大于的入射角投射到纤芯和

包层界面上。这样的光线在包层中折射角大于90度，该光线将在纤芯和包层界面产生多次全反射， 使光线沿光纤传输。如图2-8所示： 对于空气和纤芯界面，有

由（2-5）式代入（2-6）式得

(2-6)

即

(2-7)

定义为光纤的数值孔径，用NA表示。它的平方是光纤端面集光能力的量度。在空气中

的折射率

，因此，对于一根光纤，其数值孔径为

(2-8)

纤芯和包层的相对折射率差，定义为

(2-9)

则光纤的数值孔径可以表示为

(2-10)

----NA是表示光纤波导特性的重要参数，它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率。应注意，光纤的数值孔径

仅决定于光纤的折射率，而与光纤的几何尺寸无关。

在多模阶跃折射率光纤中，满足全反射、 但入射角不同的光线的传输路径是不同的，结果使不同的光线所携带的能量到达终端的时间不同，如图2-9所示，从而产生了脉冲展宽，这就限制了光纤的传输容量。

如图2-10所示，设光纤的长度为 L ，光纤中平行轴线的入射光线的传输路径最短，为L ；以临界

角入射到纤芯和包层界面上的光线的传输路径最长，为 。

因此，最大时延差为：

(2-11)

因为

单位长度光纤的最大群时延差为

(2-12)

----群时延差限制了光纤的传输带宽。为了减少多模阶跃折射率光纤的脉冲展宽，人们制造了渐变折射率光纤。

2．2．2 渐变型光纤中的射线光学分析

----渐变折射率光纤的折射率在纤芯中连续变化。适当选择折射率的分布形式，可以使不同入射角的光线有大致相同的光程，从而大大减小群时延差。

----光学特性决定于它的折射率分布。渐变型光纤的折射率分布可以表示为

（2-13)

式中：g是折射率变化的参数；a是纤芯半径；r是光纤中任意一点到轴心的距离；率光纤的相对折射率差，即

是渐变折射

(2-14)

----阶跃折射率光纤也可以认为是 的特殊情况。使群时延差减至最小的最佳的g在2 左

右， 称为抛物线分布。下面用射线光学理论分析渐变折射率光纤中子午光线的传输性 质。光线在介质中的传输轨迹应该用射线方程表示：

（2-15）

式中：是轨迹上某一点的位置矢量；s为射线的传输轨迹；ds是沿轨迹的距离单元，射率的梯度。

表示折

----将射线方程应用到光纤的圆柱坐标中，讨论平方律分布的光纤中的近轴子午光线，即和光纤轴线夹角很小，可近似认为平行于光纤轴线(z轴)的子午光线。由于光纤中的折射率仅以径向变化，沿圆周方向和z轴方向是不变的。因此，对于近轴子午光线，射线方程可简化为：

式中，r是射线离开轴线的径向距离。对平方律分布，有

（2-16）

将式（2-17）代入式(2-16),得

（2-17）

（2-18）

对近轴光线，，因此上式可近似为

（2-19）

设时，，上式的解为

这就是平方律分布的光纤中近轴子午光线的传输轨迹。

（2-20）

图2-11显示了当质。

和时这些光线的轨迹。可以看出，从光纤端面上同一点发出的近

轴子午光线经过适当的距离后又重新汇集到一点。也就是说，它们有相同的传输时延，有自聚焦性

如果不作近轴光线的近似， 分析过程就会变得比较复杂， 但从射线方程同样可以证明，当射率分布取双曲正割函数时，所有的子午光线具有完善的自聚焦性质。自聚焦光纤的折射率分布为：

（2-21）

式中 。可见平方率分布（抛物线分布）是分布忽略高次项的近似。

的形式或用

----以上分析可知，要想子午线聚焦，折射率分布可用

的形式。的平方率分布（抛物线分布）是目前通行的分布形式。

图2-12显示了渐变型光纤可以实现自聚焦。

第三节 光纤的波动理论

---用射线光学理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中传输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，不能了解光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性。尤其是对单模光纤， 由于芯径尺寸小，射线光学理论就不能正确处理单模光纤的问题。因此，在光波导理论中，更普遍地采用波动光学的方法，即把光作为电磁波来处理，研究电磁波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、场结构、传输常数及裁止条件。本节先用波动光学的方法求解波动方程，而后引入模式理论得到光纤的一系列重要特性。

2．3．1 圆柱坐标系中的波导方程式

对于圆柱形光纤，采用圆柱坐标系更合适。如图2-13所示

1. 圆柱坐标系中横向场方程式

---在圆柱坐标系中用纵向场、分量表示的横向场、、、分量为

（2-22）

（2-23）

（2-24）

（2-25）

式中，而为自由空间的波数；；为介质的折射率。

2. 圆柱坐标系中的波动方程

---均匀波导中纵向场、的波动方程为：

（2-26） （2-27）

---在圆柱坐标系中纵向场、的波动方程表示为：

（2-28）

（2-29）

式中：为自由空间的波数；；为介质的折射率。

-其中，------------2．3．2 阶跃折射率光纤中波动方程的解

----用分离变量法求解式（2-28）和式（2-29）、波动方程，令

(2-30) (2-31)

---表示导波沿光纤轴向的变化规律应为行波，用表示其传播的相位常数，则

(2-32)

----表示沿方向（圆周方向）的变化规律应是以为周期的函数，则

m=0,1,2,... (2-33)

由式（2-28）～（2-33），可得：

（2-34）

----上式（2-34）是贝塞尔方程，在特定的边界条件下求解式情况。、 1．解的形式

，便可得到阶跃折射率光纤的模

---求解方程（2-34）式的过程，实际上就是根据边界条件选择适当的贝塞尔函数的过程。 （1）在纤芯中（

），

---对于传输导模，在纤芯中沿径向应呈驻波分布，方程（2-34）式应有振荡形式的解。为此，应满足

的条件。同时，纤芯包含了r=0的点，在这一点，光场分量应为有限值，所

，令

以只能采用第一类贝塞尔函数

可得到

(2-35)

(2-36)

式（2-36)中：A,B为常系数。 （2）在包层里（

），

的条件。才能得

----对于传输导模，在包层里场分量应迅速衰减，因此，应满足

到变型贝塞尔方程的解。此外，包层包括无穷远处，所以不能采用第一类贝塞尔函数，而只能用第二类变型的贝塞尔函数

。令

可得到

（2-37）

（2-38）

式（2-38)中：C,D为常系数。

结合参量和，可以定义光纤的重要的结构参量为

（2-39）

----一方面与波导尺寸（芯径a）成正比， 另一方面又与真空中的波数

称为光纤的归一化频率。

成正比，而

（c为真空中的光速），因此是决定光纤中模式数量的重要参数。

----从以上的求解过程也可以的得出导模的传输条件。为了得到纤芯里振荡、包层里迅速衰减的解的形式，必须满足：

和

（2-40）

因此，导模的传输常数的取值范围为：

（2-41）

-----若，则 ， 这时包层里也得到振荡形式的解， 这种模称为辐射模。

时的

表示一种临界状态，成为模式截止状态，模式截止时的一些性质往往通过

特征方程式来讨论。相反地，

时其电磁场能量 很好地封闭在纤芯中。 2．边界条件和特征方程

或

的情况是一种远离截止的情况，模式远离截止

----求出来的和分量应满足纤芯和包层界面（）上连续的条件，因而，可写为

利用（2-22）～（2-25）式表示的横向场方程式，可以求出其他的场分量，其中和分量为：

2．边界条件和特征方程

确定光纤中导波的特性，还须利用光纤的边界条件。在纤芯和包层的边界上，电磁场的切向方向均连续， 即在纤芯和包层界面（

）上

和

也应连续，可得到特征方程为：

（2-46）

对于通信中所用的弱导波光纤（弱导光纤），，（2-46）式可简化为：

（2-47）

（2-47）式就是弱导光纤特征方程。式中“±”表示方程有两组解，取“+”号为一组解，对应的模式为

模；取“-”号为另一组解，对应的模式为

模。

3．光纤中的各种导模

--- 首先分析阶跃折射率光纤中存在哪些模式。对应这里的

表示圆周方向的模数，表示径向的模数，模，仅有

和化。

分量，

，

和

分量，

。

意味着

由两套波型， 模和模，

。由波导方程式可知，对于

； 而对于模和

模， 仅有

，

模的场分量沿圆周方向没有变

----当时，和分量都不为零，为混合模。混合模也分为和两套模式，

（2-47）式表示的弱导光纤特征方程。式中“±”表示方程有两组解，取“+”号为一组解，对应的模式为

模；取“-”号为另一组解，对应的模式为

模。

--下面通过弱导光纤特征方程来分析各种模式的截止条件，并求出各种模式的截止频率。

（1） --- 令

模和，可得到

模

模和

模有相同特征方程,为

（2-48）

----当模式截止时，可以得到

，， 由第二类变型的贝塞尔函数的递推关系及渐进公式，

所以截止状态下的特征方程为

（2-49）

（2-50）

----，

的根有 2.4048, 5.5201, 8.6537,

，

,它们分别对应着 ，2.4048,则模就不是

模的截止频率。就是说，若归一化频率

2.4048，

模就能在光纤中存在；反之，若归一化频率

导模。对其他模式可以次类推。-应该注意，3．光纤中的各种导模

和

模有相同截止频率，它们是相互简并的。

（2） --- 令

模 ，可得到

模特征方程,为

由贝塞尔函数的递推公式将（2-51）式化为

（2-51）

当模式截止时，

，可得到

（2-52）

（2-52）

所以截止状态下的特征方程为

（2-53）

----从（2-53） 解出组合，可得到一个相应的----例如，当。模。

是阶贝塞尔函数的第个根，,对每一个,的

1时，得到一族模，其==3.8317,7.0156,10.1745,,其他可

以次类推。

3．光纤钟的各种导模

（3） 模 --- 令

，可得到

模特征方程,为

由贝塞尔函数的递推公式将（2-54）式化为

分，两种情况进行讨论。 -----<1>当

时，截止状态下

的特征方程为

所以

2-54）

2-55） 2-56）

2-57）

（（

（（的根有 0,3.8317 ,7.0160 ,10.1735,,

,

,

,它们分别对应着

模式截止频率

模式的截止频率。在所有的导模中，只有

为零，亦即截止波长为无穷大。基模，是单模光纤的工作模。 3．光纤中的各种导模 -----<2>当

时，截止状态下

模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，成为主模或

的特征方程整理后为

得到

（2-58）

（2-59）

----例如，当着,

,

2时，，

模，

的根有 2.4048, 5.5201, 8.6537,模在截止时与

、

简并。

,它们分别对应

--表2-1给出几个较低阶贝塞尔函数的前几个根。

------------------------- 表2-1 贝塞尔函数的前几个根

贝塞尔函数 前三个根 （不包括零根） 2.40483 5.52008 8.65373 3.83171 7.01559 10.17347 5.13562 8.41724 11.61984 从以上分析可以知道，模式光纤的主模，这种模式对于任意的光波长都能在光纤

2.405，

、

、

模

中传输，它的截止频率为零。如果光纤的归一化频率式还没有出现时，光纤只有

模，因此

或

（2-60）

式中，为纤芯半径，为纤芯的折射率，为包层的折射率，为工作光波长。

(2-60）式就是阶跃折射率光纤单模传输的条件。 (4)远离截止时的

和

模

和

模的特征方程为

--当 W→∞,U→0是模式远离截止的条件。可得到远离截止

0 0

模 模

（2-61） （2-62）

5．光纤中的模式传输

---由光纤的参数及工作波长计算出归一化频率V后，从图-14中就可以判断光纤中可能存在几种模式传输。

2．3．3 近似解-LP模

----由于矢量模的求解繁琐， 对于大多数的实际光纤都采用近似解， 最常用的近似方法 是标量近似法(用于阶跃光纤)及 WKM 近似法(用于渐变光纤)。 标量近似法是指在弱导波光纤中， 将光纤的横向电场和横向磁场当作标量处理， 所得到的导波模式称为线性偏振模，用 LPmn \表示。 1 特征方程

--- 在近似模式理论基础上，可得到标量的亥姆霍兹方程，写到圆柱坐标系中，可得到

求解（2-63）式，通过变换得到直角坐标系中的横向场分量为

（2-63）

（2-64）

（2-65）

由电磁场的边界条件，可以确定出模的特征方程为

2 线性偏振模及其特性

（2-66）

----当模式截止，时，利用第二类变型的贝塞尔函数渐进公式，由（2-66）式可得到

所以，截止状态下

特征方程为

（2-67）

（2-68)

也就是说，模的归一化截止频率由来确定。

----求出各种LPmn模的归一化截止频率 于某种模式的截止频率

。 因此， 当进入光纤中的信号归一化频率

，则与

大

时，该信号可在光纤中传输；反之，若相应的模式将

被截止，不能在光纤中传输。

----对于远离截止时的传输特性，其特征值随归一化频率而变化，因此远离截止时的特征方程

可简化为Jm(u)＝0，从而 。远离截止时的特征方程出了光纤中几个低次

模截止时的

等于m阶贝塞尔函数的第n个根 。表2-2给

值和远离截止时的值 模的

值和

值

----------------------表2-2--几种

截止情况0 0 3.83171 7.10559 远离截止0 1 2 3 2.40483 5.52008 8.65373 模的1 值 2 3.83171 7.01559 10.17347 0 1 2 2.40483 5.52008 8.65373 模的1 3.83171 7.01559 10.17347 值 2 5.13562 8.41724 11.61984 2 线性偏振模及其特性

----对于一组 m,n值， 有一确定的u值，从而对应一个模式，它有自己的场分布和传输特性，这

种标量模称为线性偏振模，用LPmn表示，下标m，n有明确的物理意义，它们表示相应模式在光纤截面上的分布规律，m表示沿圆周方向光场出现最大值的个数，n表示沿半径方向光场的最大值个数。必须指出，线性偏振模LPmn。是弱导近似下得到的标量模，表示弱导波光纤中的电磁场基本上是一个线性极化波。实际上LPmn是由矢量叠加而成的线性偏振模，是矢量模的简并模式。矢量模包括横电模TEon 横磁模TMon： 及混合模EHmn 和 HEmn等四套模式。例如LP01模HE11模相对应；次低模LP11模包括了TE01、TM01、HE21三个矢量模， 为这三个矢量模的简并模；LP11模为TE02、TM02、HE22模的简并模等等。

----在多模阶跃光纤中，多个导模同时传输，光纤的归一化频率V愈大，导模数愈多，导模数M可按下式计算:

在多模渐变光纤中，当

时，导模总数为:

(2-69)

即仅为阶跃光纤的一半，这对于减小模间色散是有利的。

(2-70)

3 模功率分布

-导模在光纤中传输时，功率集中在纤芯和包层中。对于不同模式，光功率在纤芯和包层的分配比例不同，包层中的光功率易受各种因素的影响而失掉。在弱导近似下，LP模的横向场只有Ey和Hz分量，所以导模携带的光功率在纤芯和包层中分别为

将LPmn模的场分布代入，可得

（2-71）

（2-72）

（2-73）

式中， P总＝P芯十P包 为光纤传输的总功率；η称为波导效率。

（2-74）

图2—15给出了各LP模的P包／P总与f的关系。可以看出，在远离截止时，功率主要集中在纤芯中，且大部分在高阶模中。在接近截止时，功率向包层转移，对于低阶模(m＝0或1)，在截止时功率完全转移到包层中；对于m＞1的高阶模，纤芯中仍保留较大的比例。

第四节 光纤的损耗

----光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗，该损耗直接关

系到光纤通信系统传输距离的长短，是光纤最重要的传输特性之一。自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31μm光纤的损耗值在0．5dB/km以下，而1.55μm的损耗为0.2dB/km以下，这个数量级接近了光纤损耗的理论极限。光纤的损耗如图2-16所示----形成光纤损耗的原因很多，其损耗机理复杂，计算也比较复杂 (有些是不能计算的)。降低损耗主要依赖于工艺的提高相对材料的研究等。光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。

2．4．1 光纤的损耗系数

----光纤的损耗系数尽管引起光纤损耗的原因有多种，但在定义其损耗系数时，只考虑输入和输出光纤的光功率之比。

若用Pi表示输入光纤的功率，Po表示输出光功率，则在传输线中的损耗可定义为

(2-75)

----若该损耗在长为 L(km)的传输线上传输，且损耗均匀，则单位长度传输线的损耗即损耗系数为

(2-76)

2．4．2 吸收损耗

----物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关。对于石英(SiO2)材料，固有吸收区在红外区域和紫外区域，其中，红外区的中心波长在 8μm～12μm 范围内， 对光纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗，对于长波长光纤引起的损耗小于1dB/km。紫外区中心波长在0.16μm附近，尾部拖到lμm左右，已延伸到光纤通信波段(即0.8μm～1.7μm的波段)。在短波长范围内，引起的光纤损耗小于1dB／km。在长波长范围内，引起的光纤损耗小0.1dB／km。

---由于一般光纤中含有铁、锚、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属和水的氢氧根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料中过渡金属的含量可以使其影响减小到最小的程度。为了使由这些杂质引起的损耗小于1dB/km，必须将金属的含量减小到

以下。这样高纯度石英材料的生长技术已经实现。目前，光纤中杂质吸收主

要由于水的氢氧根离子的振动，基波振动在 2.73μm波长，二次谐波振动在1.39μm，三次谐波振动在0.95μm，它们的各次振动谐波和它们的组合波，将在0.6μm～2.73μm的范围内，产生若干个吸收。

图2—17给出了某一多模光纤的损耗谱曲线，其上的三个吸收峰就是由于氢氧根离子造成的。为了使 1.39μm 波长处的损耗降低到 1dB／km以下，则氢氧根离子的含量应减小到

以下。在制造

光纤过程中用来形成折射率变化所需的GeO2，P205，B2O3等掺杂剂也可能导致附加的吸收损耗。 ----原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐射造成， 玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损耗。对于普通玻璃，在3000rad的伽玛射线(

)的照射下，可能引起损耗高

达20000dB／km。但是有些材料受到影响比较小，例如掺锗的石英玻璃，对于4300rad的辐射，仅在波长0.82μm 引起损耗16dB／km。宇宙射线也会对光纤产生长期影响，但影响很小。

2．4．3 散射损耗

----由于光纤材料密度的微观变化以及各成分浓度不均匀，使得光纤中出现折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部。由此引起的损耗称为本征散射损耗。 本征散射可以认为是光纤损耗的基本限度， 又称瑞利(Rayleigh)散射。它引起的损耗与

, 成正

比。由图2—15可见，瑞利散射损耗随波长影响比较大。

的增加而急剧减小，所以在短波长工作时，瑞利散射

--- 物质在强大的电场作用下，会呈现非线性， 即出现新的频率或输入的频率得到改变。这种由非线性激发的散射有两种即受激喇曼(Raman)和受激布里渊(Brillouin)散射。这两种散射的主要区别在于喇曼散射的剩余能量转变为分子振动，而布里渊散射转变为声子。两种散射使得入射光能量降低，并在光纤中形成一种损耗机制，在功率门限制以下，对传输不产生影响，在很高功率下，即入射光功率超过一定闭值后，两种散射的散射光强度都随入射光功率成指数增加， 可以导致较大的光损耗。 通过适当选择光纤直径和发射光功率，可以避免非线性散射损耗。 在光纤通信系统设计中， 可以利用喇曼散射和布里渊散射，尤其是喇曼散射， 将特定波长的泵浦光能量转变到信号光中， 实现信号光的放大作用。除了上述两种散射外，还有由于光纤不完善 (如弯曲) 将引起散射损耗。在模式理论中，这相当于光纤边界条件的变化使光功率由导模转入辐射模而引起，即部分模式能量被散射到包层中。由射线光学理解，在正常情况下，导模光线以大于临界角入射到纤芯包层界面上并发生全反射，但在光纤弯曲处，入射角将减小，甚至小于临界角，这样光线会退出纤芯外而造成损耗。

2．4．4 石英光纤的总损耗谱

----图2-18为石英光纤的总损耗谱，0.85μm ，1.31μm 和1.55μm 左右是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。

第五节 光纤的色散

----由于光纤中所传信号的不同频率成分， 或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说，光纤色散分为材料色散， 波导色散和模式色散。 前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。光纤色散如图2-19所示。

单模光纤中只传输基模(主模)HE11(LP01),总色散由材料色散、波导色散组成。这两种色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。光纤的波长色散系数是单位光纤长度的波长色散， 通常

用表示，单位为

。光纤的波长色散总系数为：

是纯

为波导色散系数，

）

为：

材料色散系数，

为：

(2-77)

(2-78)

(2-79)

式中，为信号的波长；为真空中的光速；为光纤材料的折射率；为信号的相位传播常数。

2．5．1 材料色散

----材料色散：是光纤材料的折射率随频率（波长)而变，可使信号的各频率（波长)群速度不同引

起色散，如图2-20所示。

2．5．2 波导色散

----波导色散是模式本身的色散。即指光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。

----波导色散是光纤波导结构参数的函数，如图2-21所示。从图中可看出，在一定的波长范围内，波导色散与材料色散相反为负值，其幅度由纤芯半径

、相对折射率差

及剖面形状决定。通常通

过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而达到移动零色散波长的位置，即使光纤的总色散在所希望的波长上实现总零色散和负色散的目的。正是这种方法才研制出色散位移光纤、非零色散位移光纤。

图2-22为单模石英光纤中材料色散、波导色散及总色散与波长的关系。总色散为材料色散、波导色散的近似相加。从图中可以看到，在某个特定波长下，材料色散和波导色散相抵消，总色散为零。对普通的单模光纤。总色散为零的波长在1.31μm，这意味着在这个波长传输的光脉冲不会发生展宽。在波长1.55μm，虽然损耗最低，但在该波长上的色散较大，如将零色散波长从1.31μm移到1.55μm，这就是色散位移光纤(DSF)。这种低损耗色散的光纤，对长距离大容量光纤通信系统十分有利。--显然，为了把零色散波长从1.31μm移到1.55μm，可以增加波导色散的绝对值。 2．5．3 模式色散

---模式色散是指多模传输时同一波长分量的各种传导模式的相位常数不同，群速度不同，引起到达终端的光脉冲展宽的现象。如图2-23所示。对于渐变型光纤，由于离轴心较远的折射率小，因而传输速度快。离轴心较近的折射率大，因而传输速度慢。结果使不同路程的光线到达输出面的时延差近似为零，所以渐变型多模光纤的模式色散较小。如图2-24所示。对于多模光纤，模式色散通常占主导地位。单模光纤只存在一个模式，所以，单模光纤没有模式色散。

2．5．4 非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤

1、非色散位移单模光纤ITU-T G.652

---G.652 称为非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤，其性能特点是：(1)在1310nm波长处的色散为零。(2)在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系数，为17ps/(nm·km)。（3）这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。 2、色散位移单模光纤ITU-T G.653

---G.653称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在1550nm区域。它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。

第三章 光缆及无源光器件

内容摘要：

----构成一个完整的光纤传输系统，除了光源、光检测器及光纤外，还需要众多的无源光器件。无源光器件在光纤通信系统中起着重要的作用。本章仅介绍几种常用的无源光器件的原理及性能。 本章重点要求：

----了解三种典型的光缆结构及特点； 理解掌握光纤连接器、光耦合器、光合波器、光分波器、光隔离器等几种常用的无源光器件的原理及作用。 第一节 光缆

----目前，光纤通信用的光纤都经过了一次涂覆和二次涂覆的处理，经过涂覆后的光纤虽然已具有了一定的抗张强度，但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用，为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。

----1.光缆的基本组成

----目前光纤通信中使用这各种不同类型的光缆，其结构形式多种多样，但无论何种结构形式的光缆，基本上都由缆芯、加强元件和护层三部分组成。 ---（1）缆芯

----缆芯是由单根或多根光纤芯线组成，其作用是传输光波。 ---（2）加强元件

----加强元件一般有金属丝和非金属纤维，其作用是增强光缆敷设时可承受的拉伸负荷。 ---（3）护层

----光缆的护层主要是对已形成缆的光纤芯线器保护作用，避免受外界的损伤。--- 2.光缆的种类

----光缆按成缆结构方式不同可分为层绞式、套管式和沟槽式。 ---（1）层绞式光缆

----层绞式光缆是将若干根光纤芯线以加强元件为中心绞合在一起的一种结构，这种结构适用于芯线数较少的的光缆。 ---（2）套管式光缆

----套管式光缆是将数根一次涂覆的光纤放入同一根塑料管中，管中填冲油膏，光纤浮在油膏中。套管式光缆的结构合理、重量轻、体积小、价格便宜。 ---（3）沟槽式光缆

----沟槽式光缆是将单根或多根光纤放入沟槽中，骨架中心是加强元件。这种结构的光缆的抗侧压性能好，单制造工艺复杂。

----这三种光缆基本结构如表3—1所示。

第二节 无源光器件

----光纤通信系统的传输线路，需要一些无源光器件来构成光纤线路的连接、分路、合路和其他的功能。下面对几种常用的无源光器件的作用、原理及性能分别加以简单介绍。 3.2.1光纤的连接与光纤连接器 （1）光纤的连接

----光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性连接，另一种是活动连接。永久性连接具有粘接法和熔接法之分，目前多采用熔接法。熔接法如图3-1所示。单模光纤的纤芯直径要在10μm以下，因此熔接必须使用机器才行。

（1）光纤的连接

----良好的接续是指在接续点上，没有光传输的不连续现象。图3-2示出了纤芯不连续的几种典型状态，有轴错位、 纤芯倾斜、空隙、 端面倾斜和纤芯直径及折射率的微小差异等等。由于这些不连续性，也会造成光功率的一部分变成散射损耗，或以反射波形式返回发送端。有空隙时， 因玻璃纤维和空气折射率的差异，也会引起反射，此现象又称菲涅耳（Fresnel)反射。

----在单模光纤连接时，除要求纤径一致之外，更重要的是要求在实质上代表分布宽度的模场直径(MFD:ModeField Diameter)一致。

----目前工程中多采用高精度自动熔接机，光纤端面切割好后，光纤间的对准、调整、熔接及损耗测量等步骤都在微处理机的控制下自动完成，熔接质量很好，接头附加损耗可控制在0．1dB以下。

3.2.2 光纤耦合器

---- 光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件。图3-3表示了波导型分支器的结构。它是一种Y型分支，由一根芯线一端输入的光可用它加以等分。当分支器分支路的开角增大时，向包层中泄漏的光将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在左右，因此分支器的长度不可能太短。多模光纤与单模光纤均可做成耦合器，通常有拼接式，另一种是熔融拉锥式。图3-4为拼接式原理图，拼接式结构是将光纤埋入玻璃快中的弧形槽中，在光纤侧面进行研磨抛光，然后将经抛磨的两根光纤拼接在一起，靠透过纤芯和包层界面的消失场长生耦合。 3.2.3 光合波器和光分波器

----光合波器和光分波器是用于波分复用等传输方式中的无源光器件。可将不同波长的多个光信号合并在一起精合到一根光纤中传输，或者反过来说，将从一根光纤传输来的不同波长的复合光信号，按不同光波长分开。前者称为合波器，后者称为光分波器。光合波器和光分波器可分为衍射光栅型，棱镜型,波导型等几种类型。图3-5为衍射光栅型光合波和光分波的原理图： 3.2.3 光合波器和光分波器

----图3-6 为棱镜型光合波和光分波的原理图：

3.2.3 光合波器和光分波器

----图3-7 为波导型分波的原理图：

3.2.4 光滤波器

----多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近λ／2或者λ／4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电介质膜交替重叠形成薄膜， 于是对于特定波长表现出较强的选择性。这种波长选择性主要依赖于电介质膜的层数、膜的厚度、膜的材料等。采用电子射束蒸镀方法，可将 Si02 (低折射率材料，n＝1.46) 和 Ti02 (高折射率材料，n＝2.3)积层20～40层，实现带通滤波器(BPF)、长波长带通滤波器(LWPF)、短波长带通滤波器(SWPF)等各种滤波特性。

---图3-8为带通滤波器原理图，调整带通滤波器可以对2个波长的光按反射或者透过进行分离。

3.2.5 光隔离器

----半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉弟旋转的非互易性。图3-9为光隔离器的结构及工作原理图。对于正向入射的信号光，通过起偏器后成 为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。

----法拉弟磁介质在 1μm～2μm波长范围内通常采用光损耗低的钇铁石榴石(YIG)单晶。新型尾纤输入输出的光隔离器有相当好的性能，最低插入损耗约0.5dB、隔离度达35～60dB，最高可达70dB。

光隔离器原理图

---光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉弟旋转的非互易性。图3-10为光隔离器的结构及工作原理图

--- 对于正向入射的信号光，通过起偏器后成 为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。---

第四章 光源和光检测器

内容摘要：

----光通信器件是光纤通信系统中的核心部件，它们的性能直接影响通信系统的质量。在光纤通信系统中使用的光器件主要有：光源和光检测器等。-光源的作用是将电信号电流变换为光信号功率， 即实现电-光的转换， 以便在光纤中传输。目前光纤通信系统中常用的光源主要有： 半导体激光器LD、 半导体发光二极管LED、半导体分布反馈激光器DFB等。光检测器的作用是将接收的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电的转换。光纤通信系统中最常用的光检测器有：半导体光电二极管、雪崩光电二极管。 本章重点要求：

-- 理解掌握光源和光检测器的概念及其在光纤通信系统中作用；激光器的发光机理；发光二极管（LED）、半导体激光器(LD)、 光电二极管（PIN）、雪崩光电二极管（APD）等的工作原理及其主要特性。

第一节 光源

---在光纤通信系统中用光波作为载波，通过光纤这种传输介质，完成通信全过程。然而，目前各种终端设备多为电子设备，这就在输入端先将电信号变成光信号，也就是用电信号调制光源。 光源的作用是将信号电流变换为光信号功率，即实现电-光的转换。目前光纤通信系统中常用的光源主要有：半导体激光器LD、半导体发光二极管LED、半导体分布反馈激光器DFB等。半导体激光器体积小、价格低、调制方便， 只要简单地改变通过器件的电流，就能将光进行高速的调制，因而以发展成为光通信系统中最重要的器件。 下面讨论半导体光源的原理、结构和特性。

4.1.1 发光机理 1.原子的能级

----所有物质(气体、固体、液体)的原子，都是由电子和原子核构成的。电子以原子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围旋转。元素的性质由电子的数量及其在电子层上排布方式决定。围绕原子核旋转的电子，其能量状态和地面上的位能一样，对于距离原子核远的轨道上的电子来说，比近的轨道上的电子具有更大的能量。 图4-1是表示硅原子中电子运动轨道简图。

2. 能级的跃迁

----一般说来，处于高能态(导带)的电子是不稳定的。它们会向低能态(价带)跃迁，而将能量以光子的形式释放出来，发射光子的能量hf等于导带和价带的能量差，即：

(4-1)

式中h为普朗克常数，Eg为禁带能量。这种发光过程可以通过所谓的自发辐射和受激辐射这两个基本形式进行。在自发辐射中， 产生的光子具有随机的方向， 相位和偏振态彼此无关，出射光为非相干光。半导体发光二极管(LED： light Emitting diode)就是利用这种自发辐射效应而发光。在受激辐射中，处于高能态的电子受到入射光子的激发跃迁到低能态而发射光子，发射的光子与入射光子具有相同的频率、方向、偏振态和相位，即入射光得到了放大，因此出射光为相干光，半导体激光器(LD：LaserDiode)正是利用这个原理制成的。

处于低能态的电子， 如果受到外来光的照射， 当光子的能量hf等于或大于禁带能量时，光子将被吸收而使电子跃迁至高能态。这个过程即为光吸收，跃迁到高能态(导带)的电子，如果在外加电场作用下，会形成电流，即产生光生电流，半导体光检测器正是基于这种光生电流效应。

2. 能级的跃迁

爱因斯坦指出：光与物质的粒子体系的相互作用主要有三种过程，即受激吸收、自发辐射和受激辐射。 (1)受激吸收 处于低能级

上的粒子，在一个能量为

跃迁到高能级

的外来光子作用下，粒子吸收

，这个过程称为受激吸收。受激吸收将使外界光能

外来光子的能量，从低能级减少。如图4—2a所示。 2. 能级的跃迁 (2)自发辐射

--- 处于激发态的粒子是不稳定的，在没有外界刺激的条件下，也会自发的从高能级能级

，同时发射出一个能量为

跃迁到低

的光子，这个过程称为自发辐射。自发辐射的示

意图如图4—2b所示

2. 能级的跃迁 (3)受激辐射 处于高能级

上的粒子，在一个能量为

的外来光子刺激下，粒子吸收外来光子的

能量，从高能级跃迁到低能级，同时辐射出一个能量为的光子，这个过程

是在外界条件刺激下产生的，因而称为受激辐射。受激辐射产生的光子与入射光子叠加，使光得到放大，因而受激辐射是产生激光的最重要的过程。受激辐射的示意图如图4—2c所示。

2. 能级的跃迁

----所谓光辐射是指处于高能级上的电子向低能级跃迁时，将两能级的能量差以光的形式释放出来的现象。当物质中的原子处在正常温度时的热平衡状态下，位于高能级E2的电子数 N2 和位于低能级 E1 的电子数 Nl 接近于下式所表示的玻耳兹曼分布规律：

式中：k：玻耳兹曼常数；T：绝对温度。 根据上式，在正常的状态下

(4-2)

，即低能级上的电子数多，此时的状态为热平衡状态(正常

分布状态)。在这种状态下，即便外部有光的入射，但吸收的光要比受激辐射的光多，就是说在热平衡状态下，不会产生发光现象。为了能使原子发光就必须从外部给原子以能量，使高能级状态E2上的电子数增加并多于El能级上的电子数。 对于

的状态，相当于将前式中的T变为负值，所以称作为负温度状态。这是发光器

件所能发光的首要条件。负温度状态也称为粒子数反转分布状态。 4.1.2 半导体激光器发光机理

1. 半导体的能带

--(1)在单个原子中，电子是在原子内部的量子态运动的。当大量原子结合成晶体后，邻近原子中的电子态将发生不同程度的交叠，原子间的影响将表现出来。原来围绕一个原子运动的电子，现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去 ，晶体中的电子不再属于个别原子所有，它们一方面围绕每个原子运动，同时又要在原子之间做共有化运动，如图4-3所示。

-(2)晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。做共有化运动电子受到周期性地排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，成为能带，如图4-4所示。 内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，原子间的影响强，分成的能带比较宽。

(3)锗、硅和砷化镓GaAs 等一些重要的半导体材料，都是典型的共价晶体。在共价晶体中，每个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键，整个晶体就是通过这些共价键把原子联系起来。在半导体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近空带（自由电子占据的能带）称为导带。导带和价带之间，被宽度为Eg的禁带所分开，如图4-5所示。 原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在导带和价带之间。

2. PN结的能带

(1) P半导体和N半导体的能带

主要由空穴导电的半导体称为P型半导体。当重掺杂时，费米能级Ef会进入价带，称为简并

型P型半导体，如图4-6(a)所示； 主要由电子导电的半导体称为N型半导体。当重掺杂时，费米能级Ef会进入导带，称为简并型N型半导体，如图4-6(b)所示。 (2). PN结的的能带图

----当P型半导体N型半导体结合时形成结后，由于载流子向对方互相扩散的结果，使N区的费米能级降低，P区的费米能级升高，达到热平衡时，形成了统一的费米能级。由于内建电场的作用，形成了能量为的eVD势垒，阻止了载流子的进一步扩散，因此在热平衡状态下，高能级上电子数少，低能级上电子数多，未能形成粒子数反转分布。如图4-7所示。

(3). PN结中激活区的形成

----当PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正好和内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，破坏了热平衡时统一的费米能级，在P区和N区各自形成了准费米能级。这时，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能级以上没有电子，因此，形成了粒子数反转分布，成为激活区，称为半导体激光器的作用区或有源区。当频率f满足F>Eg/h的光通过时 ，就可以得到放大。如图4-8所示。

（4）PN结半导体激光器发光机理

---PN结半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天然解里面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。

外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN结为激活区）。在激活区，电子空穴对复合发射出光。初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素， 使之产生受激辐射而发射全同光子。 这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光 。即PN结半导体激光器产生激光输出的工作原理。 4.1.3 发光二极管（LED) （1）SLED典型结构

-- 发光二极管利用正向偏压下的PN结在激活区中载流子的复合发出自发辐射的光，因此LED的出射光是一种非相互光，其谱线较宽(30mm～60mm)，辐射角也较大。在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，LED是可以选用的最佳光源，与半导体激光器相比，LED的驱动电路较为简单，并且产量高、成本低。

-LED主要有五种结构类型，但在光纤通信中获得了广泛应用的只有两种，即面发光二极管(SLED)和边发光二极管(ELED)。SLED的典型结构如图4—9所示。

（2）ELED 结构图 双异质结生长在二极管顶部的 nGaAs衬底上，PGaAs有源层厚度仅lμm ～2μm，与其二边的nAlGaAs和pGaAs构成两个异质结，限制了有源层中的载流子及光场分布。有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤，由于衬底材料的光吸收很大，用选择腐蚀的办法在正对有源区部位形成一

个凹坑，使光纤能直接靠近有源区。在从而限定了有源层中源区的电流密度约

侧用SiO2掩膜技术形成一个圆形的接触电极，。这种圆形发光面发出的光辐射具有朗伯分

布。为了提高耦合效率，可在发光面与光纤之间形成微透镜，从而使入纤功率提高2—3倍。 -ELED的结构图如图4—10所示。这种结构的目的是为了降低有源层中的光吸收并使光束有更好的 方向性，光从有源层的端面输出。 （3）发光二极管（LED)的P-I特性

LED的输出光功率P与电流I的关系，即P—I特性如图4—11所示，它是非阂值器件，发光率随工作电流增大，并在大电流时逐渐饱和。LED的工作电流通常为 50mA-100mA，这时偏置电压 1.2 V-1.8 V,输出功率约几mW。

工作温度升高时， 同样工作电流下LED的输出功率要下降。 例如当温度从20℃升高到70℃时，输出功率下降约一半，相对而言，温度的影响要比LD小。

4.1.4 半导体激光器（LD)

半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件。只有在工作电流超过闻值电流的情况下，才会输出激光(相干光)，因而是有闻值的器件。 3．1．4．1 LD的结构及工作原理

LD的结构如图4—12所示。半导体激光器的结构与半导体发光二极管的结构类似。通常也是由P层、N层和形成双异质结构的有源层构成。 和LED所不同的是，在有源层的结构中还具有使光发生振荡的谐振腔。双异质结半导体激光器粒子数反转分布的形成过程与前面所述LED情况大致相同。 半导体激光器发光利用的是受激辐射原理。受激辐射发光现象是：处于粒子数反转分布状态的大多数电子，在受到外来入射光于激励时同步发射光子的现象，也就是说受激辐射的光子和入射光子，不仅波长相同而且相位、方向也相同。这样，由弱的入射光激励而得到了强的出射光，起到了光放大作用。 但是仅仅有放大功能还不能形成振荡，必须要有正反馈才行。为了实现光的放大反馈，需要采用使光来回反射的光学谐振腔。最基本的光学谐振腔是由两块互相平行的反射镜构成，称

之为法布里一珀罗谐振腔。半导体激光器就是在垂直于PN结

的两个端面，按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射

镜面。 光在谐振腔中的两个反射镜面之间往复反射。其中一个是全反射镜面，另一个是部分反射镜面，这样谐振腔内的光能由该镜面透射出来，形成输出激光。激光器模型如图4—13所示。

4．1．4．2 半导体激光器（LD)的P-I特性

---半导体激光器（LD)的P-I特性曲线如图4-14所示。随着激光器注入电流的增加，其输出光功率增加，但是不成直线关系，存在一个阈值Ith，只有当注入电流大于阈值电流后，输出光功率才随注入电流增加而增加，便发射出激光；当注入电流小于阈值电流，LD发出的是光谱很宽、相干性很差的自发辐射光 。

----P-I的特性随器件的工作温度要发生变化，当温度升高时，激光器的特性发生劣化，阈值电流也会升高，阈值电流与温度的关系可表示为

(4-3)

式中，称为器件的特征温度，和都与绝对温度表示；为时阈值电流的1/e 。

4.1.5 分布反馈半导体激光器（DFB)

----分布反馈（DFB）型激光器是随着集成光学的发展而出现的，由于其动态单模特性和良好的线性， 已在国内外高速率数字光纤通信系统和CATV模拟光纤传输系统中得到广泛的应用。 4.1.5.1 DFB激光器的结构

----DFB激光器结构上的特点是：激光振荡不是由反射镜面来

提供，而是由折射率周期性变化的波纹结构（波纹光栅）来提供，即在有源区的一侧刻有波纹光栅，如图4-15所示。 4.1.5.2 DFB激光器的工作原理

----DFB激光器的基本工作原理，可以用布拉格（Bragg)反射来说明。波纹光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成，它为受激辐射产生的光子提供周期性的反射点，在一定的条件下，所有的反射光同相叠加，产生激光振荡，使激光器具有极强的波长选择性，实现了发光波长的单纵模工作。如图4-16所示的布拉格反射，在与反射方向垂直的平面上，各反射波的相位必须相同，因此格反射波的路程差必须为波导波长的整数倍。即

（4-4）

（4-5）

式中为栅距（光栅周期长度），为波导波长，为工作波长，为波导层的有效折射率，

为正整数。由（4-4）式和（4-5）式可得：

（4-6）

式（4-6）即为布拉格反射条件。

DFB激光器的分布反馈是条件为：

的布拉格反射,这时有源区的光在栅条间来回振荡。此时的布拉格

（4-7）

4.1.5.3 DFB激光器的优点 当光栅的周期长度为

时， 只有满足布拉格反射条件波长为

的光波，才能产生激

光振荡，因而使激光器得到单频输出。由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，因而在高速调制下仍维持单纵模输出。

----DFB激光器的谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的1/10左右，如图4-17所示，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为Gb/s的超高速传输。 第二节 光检测器

光检测器的作用是通过光电效应，将接收的光信号转换为电信号。目前的光接收机绝大多数都是用光电二极管直接进行光电转换， 其性能的好坏直接影着接收机的性能指标。光电二极管的种类很多，在光纤通信系统中， 主要采用半导体PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD)。

4．2．1 PIN光电二极管

--- 光电二极管是一种在P型半导体和N型半导体之间设置了一层本征半导体I层的器件。由于在耗尽层内所形成的漂移电流，在空间电场的作用下具有较高的响应速度，相反在耗尽层以外所形成的扩散电流，响应速度很低。因此，耗尽层的范围越宽，对提响应速度就越有利。耗尽层的宽度与P型和N型半导体中的掺杂浓度有关，在相同的负偏压下，掺杂浓度越低，耗尽层就越宽。为此，在P型和N型半导体之问，插入I(本征)型半导体达到了展宽耗尽层宽度的目的，形成了PIN结构的光电二极管。如图4-18所示。

2 PIN光电二极的工作原理

----当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续向N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流子），并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区相互逆方向作漂移运动，并形成电流。然而，在耗尽层以外的区域因为没有电场作用， 所以由光电效应产生的电子空穴对，在扩散运动中相遇发生复合，

从而消失。不过在扩散运动过程中，也有些扩散距离长的电子空穴将进入耗尽层，在耗尽层和空间电场的作用下进入对方区域。于是在P区和N区两端之问产生与被分隔开的电子和空穴数量成正比的电压。若与外电路连通，这些电子就可经外部电路与空穴复合形成电流。如图4-19所示。这里，在耗尽层之外形成的电流叫扩散电流，扩散电流的运动速度比漂移电流的运动速度慢得多，使频率特征变坏。由于在PN结处存在着空间电场，使进入空间电场区的电子和空穴二者逆方向移动。 如从外部对PN结施加反向偏压(即P侧加(-)，N侧加(+)以后，结处的空间电场(即耗尽层内的自建电场)被加强，从而加快了载流子的漂移速度。 4．2．2 雪崩光电二极管 1 雪崩光电二极管(APD)的的结构

--- 雪崩光电二极管(APD)的的结构与PIN—PD不同表现在增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次电子—空穴对，在反向时夹在I 层和N层间的P层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区（雪崩区),耗尽层仍为I层，起产生一次电子—空穴对的作用。目前光纤通信系统中，在短波段主要采用Si-APD管，在长波段主要采用Ge-APD管。

（1）Si-APD最典型的结构是拉通型RAPD如图4-20所示，有四层结构：高掺杂的为接触层；高掺杂的

型半导体，

型半导体，为倍增层（或称雪崩区）；轻掺杂半导体 层，为漂移区（光吸收区）；型半导体，为接触层。

---（2）Ge-APD更多的是采用吸收区与雪崩倍增区相互分离的APD管，这种APD管称为SAM-APD。SAM-APD管的结构如图4-21所示，有四层结构：高掺杂的

型半导体，为接触层；型半导体，

为倍增层（或称雪崩区）；轻掺杂半导体I层，为漂移区（光吸收区）；高掺杂的为接触层。

2 雪崩光电二极管(APD)的工作原理 ----下面分析SAM-APD管的工作原理：

型半导体，

---（1）SAM-APD管有四层结构：高掺杂的型半导体，为接触层；型半导体，为倍增层（或

型半导体，为接触层。如

称雪崩区）；轻掺杂半导体I层，为漂移区（光吸收区）；高掺杂的图4-22所示。

---(2)当外加的反向偏压(约100V—150V)比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到P

结上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达

，已经高出碰撞电

离的电场。SAM-APD管在外加的反向偏压(约50V—150V)下的场分布如图4-23所示。

(3) 此时若光从

区照射，则和PIN一样，大部分光子将在较厚的I层被吸收，因而产生电子、

空穴对。如图4-24所示。

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