光通信原理-总复习

第一章信息与信号第二章光通信的一般概念第三章传输光路第四章光发射机第五章光接收机与基本光纤数字通信系统第六章基于电复用的光纤通信系统第七章光放大第八章光路复用技术目录第一章信息与信号第一节信息的基本知识1．信息的概念2．信息的度量3．信息源4.信息系统与信道第二节信号的概念第三节数字信号和模拟信号第四节噪声第一节信息的基本知识1．信息的概念（1）什么是信息？（2）信息的基本特征2．信息的度量（1）信息量（2）信息量的单位3．信源（1）信源的信息量（2）信源编码第二节信号的概念---什么是信号？1．信号的物理性2．信号的信息性第三节数字信号和模拟信号1．一般概念2．同步3．包第四节噪声1.干扰2.狭义噪声第二章光通信的一般概念第一节通信的一般概念2.1.1通信的一般概念2.1.2通信系统的基本组成2.1.3通信的基本问题第二节光纤通信的特点2.2.1光通信与光纤通信2.2.2光信号的基本特征2.2.3光纤信道的基本特性第三节光纤通信系统的基本组成第一节通信的一般概念1．通信的一般概念什么是通信?通信要素2．通信系统的基本组成通信系统的基本组成模型3.通信的基本（1）通信的实时性（2）通信的可靠性（3）通信质量1．通信的一般概念什么是通信?“通信是信息的发出着按照双方事先一致同意的协定以某种方式经过某种途径将信息传递给接收者的全过程”1)通信必须有信息的发出者，信源发出的是自身的信息，也可能是从别的信源获得的信息，可能是人或机器信息的发出者和通信的发起者不是同一含义，通信也可能由接收者发起2)通信必须有信息的接受者，信宿通信的接受者可以是明确的，也可以不明确。可以是人或机器3)通信方式信息的承载方式数字通信，模拟通信，编码方式2．通信系统的基本组成信源变换器信道反变换器信宿噪声通信系统2．通信系统的基本组成信源通信终端信道通信终端信宿噪声通信系统第二节光纤通信的特点2.2.1光通信与光纤通信2.2.2光信号的基本特征2.2.3光纤信道的基本特性2.2.2光信号的基本特征1)波动性:频率(波长)、幅度、相位、偏振方向2)量子性，光子能量（频率）、光子数Ｎ1.频率极高，可承载信息量极大7.5亿条话路2.相位与偏振方向不能直接检测出来调幅调频调相调偏3.强度调制的光信号非负的双极性码HDB3RS-232-C4.偏振度偏振稳定性的度量5.相干性相干时间相干长度相干性相干时间相干长度相干长度:在这段长度内，光有稳定的相位关系相干时间光源的稳定发光时间有关，也就是与光源的频带宽度有关FP-LD激光器6ns，1.2mDFB激光器20m外腔激光器200mtvLgft1MHz150fMHz10fμs1.0MHz1f2.2.3光纤信道的基本特征1.光信道（传输光路）光纤，光有源器件和光无源器件，光纤放大器、光连接器、光耦合器、光纤光栅、波分复用器、偏振控制器......2.带宽1.2到1.6um20亿个话路3.几乎没有噪声光源探测器，量子噪声光纤放大器自发辐射噪声ASE串音反射4.相位敏感和偏振不稳定电/光光/电前端前端主机电信号输入主机电信号输出传输光路光卡光卡光纤通信系统的基本组成第三章传输光路第一节光纤和光缆3.1.1光纤的一般理论3.1.2.通信用光纤的结构和制造3.1.3.光缆的结构和制造3.1.4.光纤中光信号的传输特性第二节无源光器件3.2.1.光纤连接器3.2.2.光纤耦合器3.2.3.其他器件波分复用/解复用器第一节光纤和光缆3.1.1光纤的一般理论1.射线理论2.波动理论模式理论模耦合理论3.量子理论3.1.2通信用光纤的结构和制造3.1.3光缆的结构和制造3.1.4光纤中光信号的传输特性1.光纤损耗2.时延与色散3.非线性效应3.1.4光纤的传输特性1.光纤损耗2.时延与色散3.非线性效应光纤损耗谱3.1.4光纤的传输特性--色散(1)色散的概念(2)色散的影响(3)色散的分类总色散(4)色散对通信系统的影响3.1.4光纤的传输特性--非线性效应1.弹性非线性:自相位调制,交叉相位调制,四波混频2.非弹性:布里渊散射拉曼效应第二节无源光器件指不需要外界输入能量即可工作的光路部件光纤连接器、光纤耦合器、光环形器、光滤波器、波分复用/解复用器光衰减器、光隔离器、偏振控制器、起偏器准直器第四章光发射机概述第一节光发射机使用的光源第二节光的调制第三节直接调制光发射机第四节外调制第五节线路编码概述电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机。线路编码驱动电路LD或LED控制电路电信号输入光信号第一节光发射机使用的光源1.光纤通信系统对光源的要求2.半导体激光器3.发光二极管（LED）4.1.2.半导体激光器1.基本原理2.材料与结构3.基本特性2.半导体激光器--基本原理三个基本条件激励源，提供能量靠它。调制激励电流粒子数反转分布（有源区内）光学谐振腔，稳定的振荡输出和单一的谱线IP3．基本特性1.发光特性(1)发光曲线和阈值特性(2)光谱特性(3)温度特性(4)光斑、发散角和耦合效率(5)噪声特性2.电特性(1)电压-电流曲线(2)发光效率(3)电光调制特性发光曲线和阈值特性注入电流PIIth半导体激光器发光特性3.发光二极管的发光特性(1)发光特性1)发光曲线2)光谱特性3)温度特性4)耦合效率(2)发光二极管的电特性1）电压-电流曲线2）电光调制特性半导体激光器和发光二极管比较光谱特性出光功率温度特性响应速度相干性可靠性价格适用场合LD窄，色散影响小mW数量级影响大，动态范围小较快易于高速调制较好较易损坏，寿命较短比较贵长距离、大容量系统LED宽，色散影响大μW和nW量级特性好，动态范围大慢较调制频率不能太高差不易损坏，可靠性高比较便宜近距离、中小容量系统第三节直接调制光发射机I调制电流信号输出光功率半导体激光器（LD）PPI发光二极管（LED）激光器的调制电路偏置部分调制部分Ib0Ibs有用信号恒流源～I0Is-VccI0IsItotel驱动电路原理差动放大电路激光器的控制电路温度控制光功率控制激光器制冷器探测器QT+3VT+5V第五节线路编码为什么要线路编码？编码方法与实现电路：信道编码的主要目的1.从双极性信号转换为单极性信号2.保证光端机同步，要有丰富的时钟分量，以便于时钟提取3.使平均光功率稳定4.误码检测，必须得留一些冗余5.其他用途：勤务电话、定位码编码方法编码方法与实现电路：（1）1B2B（2）5B6B（3）4B5B（4）8B10B（5）插0技术（6）扰码第五章光接收机与基本光纤数字通信系统概述第一节光探测器第二节光接收机前置放大部分第三节光接收机其他部分第四节基本光纤数字通信系统光接收机译码部分光前置放大部分光纤数字信号恢复主放大光前端接口光检测器前置放大器主放大器均衡滤波AGC电路判决电路再生放大时钟提取译码器帧同步并行输出第一节光检测器概述5.1.1光检测的物理基础:电光效应5.1.2PIN半导体光电二极管5.1.3APD雪崩光电二极管PN结的工作参数响应度量子效率响应度和量子效率之间的关系截止波长Si材料的截止波长为1.06；Ge材料的截止波长为1.65PIR/he/PIheRggc24.1hcEEPIN光电二极管的结构P区N区耗尽区I区响应速度1）光电二极管的结电容和负载电阻构成的RC时间常数2）载流子在耗尽区内的定向运动速度3）载流子在零电场区内的扩散运动速度结电容wACdPIN的噪声（和干扰）量子噪声：由光子产生电子----空穴对的随机起伏而引起。功率谱密度为常数，可以看作为与频率无关，是一种白噪声。暗电流：带电粒子的热运动形成的电子空穴对受电源电压和温度的影响是一个极不稳定的因素第二节光接收机5.2.1光接收机的前置放大部分电路5.2.2光电集成接收组件5.2.3光前置放大级的噪声5.2.4光前置放大级的信噪比光接收机的前置放大部分半导体光电二极管的等效电路三种放大电路(1)高阻抗放大(2)低阻抗放大(3)跨阻抗放大半导体光电二极管的等效电路跨阻抗放大电压反馈并联输入放大器电压反馈并联放大器电路图密勒定理输入电阻输出电压前置放大级的噪声量子噪声，暗电流噪声，热噪声，放大器噪声，漏电流噪声，APD噪声第三节光接收机(其他部分)5.3.1主放大部分5.3.2数字信号恢复部分（时钟提取）5.3.3光接收机的误码率5.3.4光接收机的灵敏度5.3.5译码部分功率限制系统的中继距离PT----发送光功率（dBm）；PR----接收机理论灵敏度（dBm），与实际灵敏度差一个连接器的衰减值。Ps----入纤功率，；LD光源，-3、-6、-9dBmPr----接收机灵敏度（dBm），每个中继段内BER≤1x10-10时，连接器前最低平均光功率。csfderscsfdceRTMAAPAMPPMAAPAAMPPL00222第四节基本光纤数字通信系统功率限制系统的中继距离Me----系统的富余度（dB）；时间和环境因素的影响，不小于3dB。Ac----连接器损耗（dB/个）；0.3~1dB/个。Af----衰减常数（dB/km）；约为0.4dB/km（1310nm）、0.25dB/km（1550nm）。As----平均每公里光纤接头损耗（dB/km）；一般在0.1dB/km以下。csfderscsfdceRTMAAPAMPPMAAPAAMPPL00222第六章基于电复用的光纤通信系统第一节复用技术概述第二节时分复用的基本原理第三节同步数字体系SDH复用段和再生段ABC3R3R再生段复用段ABC复用器解复用器复用方式①按固定时隙复用(同步方式)②按帧复用（异步方式）二进制数字的序列携带了用户的信息)()(nTtfatsnn10或kkaa......,,420aaa......,,531aaa第七章光放大第一节光放大器的原理和一般特性第二节半导体光放大器第三节掺铒光纤放大器第四节光纤拉曼放大器第一节光放大器的原理和一般特性7.1.1光放大原理7.1.2光增益谱宽与带宽7.1.3饱和输出功率7.1.4放大器噪声7.1.5放大器应用分类均匀展宽二能级系统的增益系数:为饱和功率，与粒子的驰豫时间有关。T2:为增益介质的驰豫时间，一般0.1ps~1ns。)(g00g0sPsgg22200)(1)(:ω频率处的增益系数:原子跃迁频率，由跃迁能带的带隙决定。:在处、且输入平均光功率很小的增益系数，也称为峰值增益系数。7.1.2光增益谱宽在小信号条件下增益谱的半高全宽（FWHM）（FullWideHaffMaximum）1sPP22200)(1)(Tggggg2)(0202)(2Tg7.1.3增益饱和考虑在中心频率ω0处（除过去）积分可得随输出功率增加,放大倍数下降(基本不放大)增益饱和PPPgzP001dd)1exp(out0sPPGGGG)exp(00LgG7.1.4放大器噪声噪声指数自发辐射噪声与差拍噪声自发辐射噪声:自发辐射跃迁是一种光子态不确定的随机跃迁，所以有很宽的频谱，形成噪声.差拍噪声：信号光与自发辐射光在光检测器中发生相干混频，从而使检测器的光电流产生了一个差拍分量outinnoiseSNRSNRF)()(7.1.5放大器分类1.根据用途分类后置放大器(功率放大器)线路放大器(线性放大器）前置放大器(低噪声放大器)光发射机光接收机后置放大器(功率放大器)线路放大器前置放大器第二节半导体光放大器7.2.1SOA的原理、结构及一般特性7.2.2SOA的瞬态放大特征(了解)SOA-Semiconductoropticalamplifier第三节掺铒光纤放大器7.3.1EDFA的原理、结构7.3.2EDFA的增益特性7.3.3EDFA的瞬态特性7.3.4EDFA的多波长放大7.3.1EDFA的原理、结构7.3.1.1EDFA的结构和原理7.3.1.2EDF的能级与跃迁7.3.1.3EDF的传输方程7.3.1.1EDFA的结构和原理signalEDFPump1Pump2WDM1WDM2Isolater1Isolater2图7.3-1系统结构P7.3.1.2EDF的能级与跃迁980nm1480nm1550nm图7.3-3铒离子的能级结构4I15/24I11/24I13/2τ1µsτ10ms7.3.2EDFA的增益特性7.3.2.1小信号增益特性7.3.2.2增益谱特性7.3.2.3增益饱和与饱和输出功率7.3.2.4ASE噪声与噪声指数7.3.2.1小信号增益特性实验发现：在每个泵浦功率下，存在一个最佳的光纤长度，在此长度下，信号增益最大。当超过这个光纤长度时，在这段光纤中没有足够的粒子反转，信号在光纤中会被吸收。7.3.2.2增益谱特性图4.3EDFA的谱特性总之内容1.光发射机2.光纤3.光接收机4.光纤放大器总之知识点1.实际知识：2.基本原理与概念：3.系统的估算祝大家取得好成绩！谢谢！