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第一章概论光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载体的通信系统，主要由光发电机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光线通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机的带有信息的电信号，都可以调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端。
再由光接收机把光信号转换为电信号。
光纤的主要作用：利用光的全反射原理传递光学信号，其优点是信号损耗小，抗干扰能力强。
与电缆或微波等电通信方式相比，光通信优点：（1）通信容量大（2）中继距离长（3）保密性能好（4）适应能力强（5）体积小、重量轻，便于施工维护（6）原材料资源丰富，节约有色金属和能源，潜在价格低廉。
光纤通信中常用的三个低功耗窗口的中心波长为：0.85微米 1.31微米 1.55微米其中后两个的应用更为广泛。
基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间。
光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。
光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光发射机由光源、驱动器和调制器组成。
其中，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，对光源的要求是输出光功率足够大，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。
光纤线路的功能是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。
光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。
光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。
实际工程中使用的是容纳多根光纤的光缆。
光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。
光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心，对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。
什么是光纤通信系统什么是光纤通信系统？本文将从光纤通信系统的构成,发展,优点,光纤通信技术的发展趋势方面来进行阐述。
光纤即为光导纤维的简称。
光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。
从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。
光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。
传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。
光纤通信就是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。
光导纤维通信简称光纤通信。
可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。
实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。
光纤通信系统的构成一个实用的光纤通信系统，配置各种功能的电路、设备和辅助设施，如接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等，才能投入运行。
要根据用户需求、要传输的业务种类和所采用传输体制的技术水平等来确定具体的系统结构。
因此，光纤通信系统结构的形式是多种多样的，但其基本结构仍然是确定的。
有种通信系统主要是由3部分组成：光发射机、光纤光缆和光接收机。
由于光纤只能传光信号不能传电信号，因此，这种通信系统在发送端必须先把电信号变成光信号，在接收端再把光信号变为电信号，即电/光和光/电变换。
其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。
实现过程如下：输入的电信号既可以是模拟信号(如视频信号、电视信号)，也可以是数字信号(如计算机数据、PCM 信号);调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能;光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端;在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，弥补线路传输过程中带来的信号损伤(如损耗、波形畸变)，最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传输过程。
简述光纤通信系统的结构和各部分功能光纤通信系统是一种基于光纤传输信号的通信系统，由多个部分组成，每个部分都有各自的功能。
下面将对光纤通信系统的结构和各部分功能进行简述。
一、光纤通信系统的结构光纤通信系统一般由光发射器、光纤传输介质、光接收器和光网络设备组成。
1. 光发射器：光发射器是光纤通信系统中的发送端，它将电信号转换成光信号并通过光纤传输介质发送出去。
光发射器的主要功能是将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
2. 光纤传输介质：光纤传输介质是光纤通信系统中的传输媒介，它能够将光信号传输到目标地点。
光纤传输介质具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点，使得光信号能够在长距离传输过程中保持较高的质量。
3. 光接收器：光接收器是光纤通信系统中的接收端，它接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
光接收器的主要功能是将光信号转换为电信号，并能够对电信号进行放大和解调等处理。
4. 光网络设备：光网络设备包括光纤交换机、光开关等，它们用于光纤通信系统的网络管理和控制。
光网络设备的主要功能是实现光信号的路由选择、调度和管理，以及对光信号进行调制和解调等处理。
二、各部分功能的详细描述1. 光发射器的功能：光发射器主要负责将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
它包括以下几个主要功能：- 光源发生器：产生光信号的光源，常见的有激光二极管、LED等。
- 调制电路：对电信号进行调制，将其转换为光信号。
- 驱动电路：控制光源的开关和调节光信号的强度。
2. 光纤传输介质的功能：光纤传输介质主要负责将光信号传输到目标地点，具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点。
其主要功能包括：- 光纤芯：传输光信号的核心部分，由高折射率的材料构成。
- 光纤包层：包裹光纤芯，起到保护和传导光信号的作用。
- 光纤护套：保护光纤传输介质免受外界环境的影响。
3. 光接收器的功能：光接收器主要负责接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
光纤通信系统光纤是光导纤维的简称,光纤通信系统是一光波为载波,以光纤为传输介质的一种通信方式.目前使用的二氧化硅光纤,在光波波长λ=1550nm时,其损耗在0.2db/km以下,由于损耗底,因此中继距离可达到50km以上,而传输同样数率的同电缆,其中继距离只能达到约1.5km左右.一、光纤通信具有以下的特点:1、不受电磁干扰。
2、光纤线径细，重量轻，便于施工和运输。
3、资源丰富，成本底。
4、损耗底、中继距离长。
5、因为光纤完全可以由非金属的介质材料制成，因此它既不受电磁干扰，也无串音干扰，并且保密性强。
二、光纤的分类光纤的分类方法大致有四种，既按套塑类型、光纤传播模式、工作波长和光折射率分布分类。
1、按光纤的构成材料不同来分：以二氧化硅为主要成分的石英光纤多种成分构成的光纤液体纤芯光纤以塑料为主要成分的塑料光纤2、按光纤折射率分布不同来分：均匀光纤（阶跃光纤SI）不均匀光纤W型光纤3、按传输总模数不同来分：多模光纤单模光纤4、按光纤工作波长不同来分：短波长光纤长波长光纤5、按照传输总模数分类所谓模式是光纤纤芯中电磁场的一种分布形式。
根据光纤所能传输总模式数量，可将光纤分成多模光纤和单模光纤。
1）单模光纤当光纤中只有一种电磁场分布形式或只能传输一种模式时，称此光纤为单模光纤。
单模的纤芯直径很小。
由于单模光纤只能传输主模，故无模式色散，使得这种光纤的传输频带很宽，传输能量很大，适用于大容量、长距离的光纤通信。
目前，在国内外各级通信网中，使用最多的就是单模光纤。
2）多模光纤（MM）在一定的工作波长下，当有多个多模光纤在光纤中传输时，称这种光纤为多模光纤。
多模光纤在光纤通信的初期用的较多，目前使用的场合就较少了。
三、光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括传输损耗和色散.1、传输损耗在光纤内传输的光，由于光纤的散射、吸收和辐射等原因而受到衰减,光功率随着距离的增加按指数规律减小，这就是光纤的损耗。
光纤的每单位长度上的传输损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。
第一章概述1.1 光纤通信的发展概况1.2 光纤通信的优点和应用1.3 光纤通信系统的组成21.1 光纤通信发展概况通信是指两个或多个实体之间交换信息的过程，而通信系统是该过程的具体实现。
一个实际的通信系统包括信息的采集、格式变换、传输和交换等过程所涉及的所有实体。
光通信是指利用某种特定波长（频率）的光波信号承载信息，并将此光信号通过光纤或者大气信道传送到对方，然后再还原出原始信息的过程。
广义上的光通信（Lightwave Communication）包括光纤通信（Optical Fiber Communication）和大气光通信/空间光通信（Free Space Optics）两大类，目前在通信领域内主要采用的是光纤通信方式。
3光纤通信发展主要历程远古时代；烽火台，狼烟传讯近代：旗语，灯光1880，A.G.Bell发明光电话60年代初，激光器的诞生70年代——面临挑战光源：能否制造出室温下连续工作的激光器？媒质：能否找到损耗足够低的传输媒质？4光纤通信的奠基人——高锟1966年，在英国标准电信实验室工作的华裔科学家高锟（C. K.Kao）首先提出用石英玻璃纤维作为光纤通信的媒质，为现代光纤通信奠定了理论基础。
高锟（Charles K. Kao）51970：光纤通信实用化的开端1970 年，美国康宁公司用超纯石英为材料，首先拉制出损耗为20dB/km 的光纤1970 年，美国贝尔实验室研制成功可在室温下连续振荡的镓铝砷（GaAlAs）半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源1977 年，GaAlAs激光器的寿命可达100 万小时，为光纤通信的商用化奠定了基础70 年代光源和光纤技术的快速成熟，为光纤通信的商用化打下了坚实的基础6光纤通信系统的发展第一代光纤通信系统850/1310 nm 多模系统，140Mb/s，30km第二代光纤通信系统1310nm 单模系统，1Gb/s，50km第三代光纤通信系统1550 nm 单模系统，2.5Gb/s，100km第四代光纤通信系统光放大器引入，数千km第五代光纤通信系统光孤子系统71.2 光纤通信的优点和应用1.2.1 光纤通信的优点1.2.2 光纤通信的应用81.2.1 光纤通信的优点1.传输容量大2.传输损耗小，中继距离长3.泄漏小，保密性好4.节省有色金属5.抗电磁干扰能力强6.重量轻，可扰性好，易于施工9光纤通信系统具有巨大的传输容量光是频率极高的电磁波，传输中可以获得极高的信号频谱。
第一章概论光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载体的通信系统，主要由光发电机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光线通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机的带有信息的电信号，都可以调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端。
再由光接收机把光信号转换为电信号。
光纤的主要作用：利用光的全反射原理传递光学信号，其优点是信号损耗小，抗干扰能力强。
与电缆或微波等电通信方式相比，光通信优点：（1）通信容量大（2）中继距离长（3）保密性能好（4）适应能力强（5）体积小、重量轻，便于施工维护（6）原材料资源丰富，节约有色金属和能源，潜在价格低廉。
光纤通信中常用的三个低功耗窗口的中心波长为：0.85微米 1.31微米 1.55微米其中后两个的应用更为广泛。
基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统或模拟通信系统，有线通信系统或无线通信系统的发射与接收之间。
光发射机、光纤线路和光接收机，若配置适当的光器件，可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。
光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光发射机由光源、驱动器和调制器组成。
其中，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，对光源的要求是输出光功率足够大，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。
光纤线路的功能是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。
光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。
光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。
实际工程中使用的是容纳多根光纤的光缆。
光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。
光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成，光检测器是光接收机的核心，对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。
光纤通信具有传输频带宽，通信容量大：因为光纤通信采用的载波是光波，光波也是一种电磁波，其波长在微米量级，频率为1014量级，其频率比常用的微波高104~105量级，因此理论上的通信容量也是微波通信的104~105倍，通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽带越宽。
空间光通信的定义：是指在两个或多个终端之间，利用空间传输的激光束作为信息载体，实现通信，又称为自由空间光通信、无线激光通信。
空间光通信的优点：（1）通信容量大（2）体积小（3）功耗低（4）建造经费和维护经费低（5）还具有抗干扰性强和保密性好的优点光纤通信所有光波的波长范围：0.7~1.7微米空间光通信技术的关键技术：（1）激光器技术（2）捕获、瞄准、跟踪技术（3）调制、接收技术（4）空间环境适应性技术（5）小型、轻量、低功率一体化设计和制造技术激光链路的调制与接收方式：激光链路的调制与接收技术集中反映了通信系统的情况。
调制方式大致分为调幅、调频、调相，与之对应的接收方式有直接强度探测和相干探测。
调频调制方式在激光通信中，在组成系统的复杂性和灵敏度方面都没有优势，目前很少被采用。
直接强度探测，即非相干探测这种方法具有结构简单、成本低、易实现等优点。
相干探测这种方法具有接收灵敏高、抗干扰能力等优点，但系统较为复杂，对元器件性能要求较高，特别是对波长的稳定性和谱线宽度要求高。
第二章通信用光源光源是光发射机的主要器件，其主要功能是实现信号的电—光转换；光检测器位于光接收机内，主要功能是实现信号的光—电转换。
光线通信系统中普遍采用的两大类光源是激光器与发光管。
在高速率、远距离传输系统中采用光谱宽度很窄的分布反馈式激光器和多量子阱激光器。
不同光纤通信系统对于光电探测器的要求：（1）在光纤通信所有波长内，要有足够的灵敏度（2）要有足够的贷款，即对光信号有快速的响应能力（3）在对光信号解调的过程中引入的噪声要小（4）光电探测器要体积小，使用方便，可靠性要高（5）课低功率工作，不需要过高的偏压或偏流光线通信对光源性能的基本要求：（1）发光波长与广宣的低衰减窗口相符（2）足够的光输出功率（3）可靠性高、寿命长（4）温度稳定性好（5）光谱宽度窄【由于光纤有色散特性，使较高速率信号的传输距离受到一定限制。
若光源谱线窄，则在同样条件下的无中继传输距离长】（6）调制特性好（7）与光纤的耦合效率高（8）尺寸小、重量轻一般光源类型与应用特点：光纤通信使用的光源均为半导体激光器和发光二极管。
半导体光源突出的优点是其工作波长可以对准光纤的低损耗、低色散窗口，此外它们还具有体积小、功率低，易于实现内调制等特点，因而特别适用于光纤通信。
半导体光源也存在缺点，包括输出功率小，热稳定性差，远场发散角大。
LD的输出功率大，入纤耦合效率高，但稳定性较差；而LED的输出功率小，耦合损耗较大，但稳定性好，寿命几乎不成问题，价格较LD便宜。
一般长途干线使用LD作光源，短距离的本地网发送机选用LED。
半导体光源的发光机理：半导件激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数的反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光。
激光振荡和光学谐振腔：粒子数反转分布时产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。
只用把激活物质置于光学谐振腔中，对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。
激光器产生激光必须具备以下条件：（1）必须有激光工作物质，可在需要的光范围内辐射光子（2）工作物质必须处于粒子数反转分布状态，并使小信号增益系数大于谐振腔的平均损耗系数，从而产生光的放大系数（3）必须有光学谐振腔进行频率选择及产生光反馈。
阈值条件：设增益介质单位长度的小信号增益系数为G0，损耗系数为αi，两个反射镜M1、M2反射系数分别为r1和r2。
若暂不考虑其他损耗，则由于增益介质的放大作用，腔内光功率随距离的变化可表示为（2-4）式中，P（0）为z=0处的光功率。
光束在腔内经历一个来回后，两次通过增益介质，此时的光功率为（2-5）要想产生振荡，必须满足P（2L）≥P（0）即（2-6）因此（2-7）式中，α称为光学谐振腔的平均损耗系数，它包括增益介质的本身损耗和通过两次反射镜的传输损耗。
式（2-7）即为激光器的阈值条件。
只有在这种情况下，光信号才能不断得到放大，使输出光功率逐渐增强。
高能级粒子不断向低能级跃迁产生受激辐射，使得低能级粒子数和高能级粒子数差减小，受激辐射作用降低，增益系数G0也减小，直至G0=α，激光器维持一个稳定的振荡，并输出稳定的光功率。
相位条件：要产生激光振荡，除了要满足上述阈值条件外，还要满足一定的相位条件，即受激辐射光在腔内往返一次后与原有的波叠加；若要在腔中形成谐振，叠加的波必须是相互加强的，即要求它们之间的相位差必须是2π的整数倍，也就是往返一次的路径长度是波长的整数倍，以形成正反馈。
这可写成2L=qλ（2-8）式中，q表示纵模的模数；λ为在谐振腔内的光波波长。
光学谐振腔的折射率为n，则输出的激光波长是谐振腔内波长的n倍。
输出激光波长为（2-9）式中，λ为输出的激光波长；n为激活物质的折射率；q为纵模模数，q=1，2，3。
发光二极管的工作原理与激光器有所不同，LD采用的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。
LED的结构与LD相似，大多采用双异质结芯片，把有源层加在P型和N型限制层中间，不同是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。
和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。
但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。
因此这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。
发光二极管具有以下特性（1）光输出特性。
当注入电流较小时，发光二极管的输出功率曲线基本是线性的（2）光谱特性。
发光二极管的发射光谱比半导体激光器宽很多，因光纤的色散与光源谱宽成比例，故LED不能用于长距离传输（3）温度特性。
温度对发光二极管的光功率影响比半导体激光器要小（4）发光管的频率调制特性。
LED可调速率低。
半导体光源的发光机理：电子在低能级E1的基态和高能级Ei的激发态之间的位置变化叫做跃迁。
电子在原子核外的跃迁有三种基本方式：自发辐射、受激辐射和受激吸收。
为了简便起见，只考虑粒子的两个能级E1和E2（1）正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。
电子跃迁后，在低能级E1留下相同数目的空穴(2)处于高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。
自发辐射的特点是：各个处于高能级的粒子都是自发地、独立地进行跃迁，其辐射光子的频率不相同，所以自发辐射的频率范围是很宽的。
即使有些粒子在相同的能级间跃迁，频率相同，但它们发射的方向和相位也是不同的。
例如，普通的光、灯光等就是这种光，它们由不同频率、不同方向、不同相位和不同偏振方向的光子组成，叫做非相干光。
(3)处于高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，产生两个光子，这两个光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、运动方向都相同，称它们为全同光子，这种跃迁称为受激辐射。
因受激辐射而产生的光子与激发光子相叠加，可以使入射的光得到放大。
固体、液体、气体以及半导体激光器都是利用受激辐射过程来产生激光。
受激辐射是受激吸收的逆过程。
电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足玻尔条件，即E2-E1=hf12 式中，h为普朗克常数，h=6.626×10-34J·s；f12为吸收或辐射的光子频率。
半导体激光的波长：半导体发光器件所采用的半导体材料，根据不同的组合，其发光波长从可见光到红外光区域。
发光波长基本上由半导体禁带宽度（即导带与价带的能级差）Eg＝hf决定。
由得出，其中c为光速（c＝2.99792458×108m/s）。
光子能量E和波长λ之间的变换关系为E（eV）＝1.2398/λ（μm）激光器的种类：分布反馈式激光器DFB DFB激光器采用双异质掩埋条形结构。
不同之处是它用布拉格光栅取代传统的F-P光腔作为光谐振器。
F-P腔激光器，其光的反馈是由腔体两端面的反射提供的，其位置是确定的，就在端面上。
光的反馈也可以是分布方式，即由一系列靠得很近的反射端面的反射提供。
量子阱激光器MQW 多量子阱结构带来了阈值电流小、输出光功率大及热稳定性好的优点。
半导体激光器输出光谱线宽度和模式特性与其光增益谱分布和选模机构有关。
