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中国人民解放军炮兵学院教案纸教学内容备注第1页共34页第1章概述1.1光纤通信的基本概念1.2光纤通信的优越性1.3光纤通信系统的基本组成1.4光纤通信的发展趋势1.1光纤通信的基本概念．利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。•光波属于电磁波的范畴。•属于光波范畴之内的电磁波包括紫外线、可见光和红外线。目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即08～18μm的波长区，对应的频率为167～375THz•光导纤维（简称为光纤）本身是一种介质，目前实用通信光纤的基础材料是SiO2，因此它是属于介质光波导的范畴。•对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、1.31μm及1.55μm。1.2光纤通信的优越性•传输频带宽，通信容量大•传输损耗•抗电磁干扰的能力强•另外，光纤线径细、重量轻，而且制作光纤的资源丰富。1.3光纤通信系统的基本组成•目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。•该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。•在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：（1）由电发射机输出的脉码调制信号送入光发射机，光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）。（2）在通信系统的线路上，目前主要采用由单模光纤制成的不同结构形式的光缆，这是由于它具有较好的传输特性。光器（LD）的结构和工作原理•F-P腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质结半导体激光器。中国人民解放军炮兵学院教案纸教学内容备注第2页共34页•在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：（3）光接收机的主要作用是将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机。光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。•先进的光纤通信技术必须建设和开发基于同步数字体系（SDH）和波分复用（WDM）的大容量超高速光纤传输网，并积极开展在光层上直接组网的光联网技术。•同步数字体系（SDH）是当前电信网的主要传输体制。•波分复用（WDM）系统由于可以在一根光纤上同时传送多个波长的信号，因而通信容量将有很大程度的提高。1.4光纤通信的发展趋势•普通的点到点的波分复用系统虽然有巨大的通信容量，但只提供了原始的传输带宽，必须要有灵活的节点才能实现高效灵活的组网能力。•光分叉复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC）是靠光层面上的波长连接来解决节点的容量扩展问题的，单个节点容量可从160Gbit/s增加到10Tbit/s。•光传送联网的一个最新发展趋势是自动交换光网络（ASON），使光联网从静态光联网发展到自动交换光网络，使传统的传送网向业务网方向发展。第2章光导纤维2.1光纤的结构和分类2.2用射线理论分析光纤的导光原理2.3用波动理论法分析光纤的导光原理2.4单模光纤2.5光纤的传输特性2.6光纤的非线性效应2.1光纤的结构和分类2.1.1光纤的结构2.1.2光纤的分类2.1.1光纤的结构•光纤有不同的结构形式。•通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。中国人民解放军炮兵学院教案纸教学内容备注第3页共34页2.1.2光纤的分类按照光纤横截面折射率分布不同来划分•阶跃型光纤纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。•渐变型光纤如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。2.1.2光纤的分类按照纤芯中传输模式的多少来划分•单模光纤光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10μm。适用于大容量、长距离的光纤通信。•多模光纤在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。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。多模光纤的纤芯直径约为50μm。2.2用射线理论分析光纤的导光原理分析光纤导光原理有两种基本的研究方法•射线理论法（简称为射线法，又称几何光学法）•波动理论法（又称波动光学法）2.2用射线理论分析光纤的导光原理2.2.1平面波在两介质交界面的反射与折射2.2.2阶跃型光纤的导光原理2.2.3渐变型光纤的导光原理2.2.1平面波在两介质交界面的反射与折射1．均匀平面波的一般概念2．平面波在两介质交界面上的折射与反射3．平面波的全反射1．均匀平面波的一般概念•均匀平面波的一般概念中国人民解放军炮兵学院教案纸教学内容备注第4页共34页平面波是指在与传播方向垂直的无限大平面的每个点上，电场强度E的幅度相等、相位相同，磁场强度H的幅度也相等、相位也相同。或者说，这种波的等幅、等相位面是无限大的平面。1．均匀平面波的一般概念•均匀平面波在均匀理想介质中的传播特性可通过以下3个参量来描述。（1）传播速度v（2）波阻抗Z（3）相位常数k1．均匀平面波的一般概念传播速度v•定义：平面波的传播速度是指在平面波的传播方向上等相位面的传播速度，故又称为相速。•表达式：1．均匀平面波的一般概念波阻抗Z•定义：电场强度仅有x分量，而磁场强度仅有y分量，电场Ex和磁场Hy之比所得到的Z具有阻抗的量纲，称为波阻抗。•表达式：•说明：自由空间波阻抗Z0是指平面波在自由空间传播时的波阻抗。1．均匀平面波的一般概念•相位常数k•定义：k代表了在单位长度上相位变化了多少，称之为相位常数，也称为波数。当平面波在介质中传播时，2．平面波在两介质交界面上的折射与反射•平面波沿k1方向由介质1射到两介质的分界面上，这时将产生反射和折射。•一部分能量沿k1′方向反射回原来的介质，这称为反射波；•一部分能量沿k2方向进入第二种介质，称为折射波。入射线、•反射线和折射线各在k1、k1′和k2方向，θ1，θ1′，θ2为入射线、反射线、折射线与法线之间的夹角，分别称为入射角、反射角和折射角。•反射和折射的基本规律是由斯奈耳定律和菲涅尔公式表示的。2．平面波在两介质交界面上的折射与反射（1）斯奈耳定律中国人民解放军炮兵学院教案纸教学内容备注第5页共34页•斯奈耳定律说明反射波、折射波与入射波方向之间的关系。•反射定律：θ1=θ1′•折射定律：n1sinθ1=n2sinθ22．平面波在两介质交界面上的折射与反射•n代表介质的折射指数。•物理概念：光在真空中的传播速度与在介质中的传播速度之比被定义为介质的折射指数（或称折射率），用符号n表示。•n越大的介质，光波在其中传播的速度越慢。2．平面波在两介质交界面上的折射与反射（2）菲涅尔公式•菲涅尔公式表明反射波、折射波与入射波的复数振幅之间的关系。2．平面波在两介质交界面上的折射与反射•式中R和T都是复数，包括大小及相位。•|R|和|T|是反射系数和折射系数的模值，分别表示反射波、折射波与入射波的大小之比；•2Ф1和2Ф2是反射系数和折射系数的相角，分别表示在界面上反射波、折射波比入射波超前的相位。2．平面波在两介质交界面上的折射与反射•平面波可分成水平极化波和垂直极化波。电场矢量与分界面平行的平面波叫做水平极化波，磁场矢量与分界面平行的平面波叫做垂直极化波。2．平面波在两介质交界面上的折射与反射•结论：平面波入射到两介质分界面时，将产生反射和折射现象，它们的基本规律是由斯奈耳定律及菲涅尔公式决定的。水平极化波与垂直极化波的反射系数和折射系数不同，但是它们都是由介质参数n1、n2及入射角θ1决定的。3．平面波的全反射•全反射是一个重要的物理现象。•当光射线由折射率大的物质（n1）射向折射率小的物质（n2）时，射线将离开法线而折射，即折射光线靠近两种物质的界面传播。•若入射角θ1再增大，光就不再进入第二种介质了，入射光全部被反射回来，这种现象称为全反射。中国人民解放军炮兵学院教案纸教学内容备注第6页共34页3．平面波的全反射•θc：折射角刚好达到90°时的入射角称为临界角。•全反射条件：•阶跃光纤所取的结构就是使入射光在光纤中反复地通过上述全反射形式，闭锁在其中向前传播。2.2.2阶跃型光纤的导光原理1．相对折射指数差2．阶跃型光纤中的光射线种类3．子午线的分析4．数值孔径的概念1．相对折射指数差•光纤的纤芯和包层采用相同的基础材料SiO2，然后各掺入不同的杂质，使得纤芯中的折射指数n1略高于包层中的折射指数n2，它们的差极小。•相对折射指数（Δ）：n1和n2的相差程度•弱导波光纤：n1与n2差别极小2．阶跃型光纤中的光射线种类（1）子午射线•子午面。•子午面上的光射线在一个周期内和该中心轴相交两次，成为锯齿形波前进。这种射线称为子午射线，简称为子午线。•子午线是平面折线，它在端面上的投影是一条直线。2．阶跃型光纤中的光射线种类（2）斜射线•斜射线不在一个平面里，是不经过光纤轴线的射线。•斜射线是限制在一定范围内传输的，这个范围称为焦散面。•斜射线是不经过光纤轴线的空间折线。•在阶跃型光纤中，不论是子午线还是斜射线，都是根据全反射原理，使光波在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在芯子中向前传播的。3．子午线的分析•导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。3．子午线的分析中国人民解放军炮兵学院教案纸教学内容备注第7页共34页•只有能满足式的射线，才可以在纤芯中形成导波（即满足了全反射条件）。4．数值孔径的概念•数值孔径：表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径，用NA表示。•数值孔径越大，就表示光纤捕捉射线的能力就越强。由于弱导波光纤的相对折射指数差Δ很小，因此其数值孔径也不大。第3章光纤通信器件3.1半导体光源3.2半导体光电检测器3.3光放大器3.4无源光器件3.1半导体光器件•光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。•目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（LaserDiode，LD）和半导体发光二极管（LightEmittingDiode，LED）。3.1半导体光器件3.1.1激光器的物理基础3.1.2激光器的工作原理3.1.3半导体激光器的结构、工作原理及工作特性3.1.4分布反馈半导体激光器3.1.5量子阱半导体激光器3.1.1激光器的物理基础1．光子的概念2．费米能级3．光和物质的相互作用1．光子的概念•光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.626×10-34J·S，称为普朗克常数；f是光波频率。•人们将这些光量子称为光子。•不同频率的光子具有不同的能量。•光具有波、粒两重性。中国人民解放军炮兵学院教案纸教学内容备注第8页共34页2．费米能级（1）原子能级的概念•物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。•当物质中原子的内部能量变化时，可能产生光波。•电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的数值。•这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。（2）费米能级•电子按能量大小的分布确有一定的规律。•电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为•费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一定规律占据能级。3．光和物质的相互作用•光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。•在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激