光纖通信期中復(fù)習(xí)綜述

1、努力學(xué)習(xí)，注意身體努力學(xué)習(xí)，注意身體 艱苦的歷程已完成一多半了。艱苦的歷程已完成一多半了。光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光纖通信的優(yōu)點(diǎn)1. 容許頻帶很寬，傳輸容量很大容許頻帶很寬，傳輸容量很大2. 損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小3. 重量輕、重量輕、 體積小體積小4. 抗電磁干擾性能好抗電磁干擾性能好5. 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好光纖通信的缺點(diǎn)光纖通信的缺點(diǎn)抗拉強(qiáng)度低，容易折斷抗拉強(qiáng)度低，容易折斷 (比如經(jīng)常被挖斷比如經(jīng)常被挖斷) 光纖連接困難光纖連接困難(斷面是否垂直、焊接點(diǎn)是否有氣泡等斷面是否垂直、焊接點(diǎn)是否有氣泡等)光纖通信過程中怕水、怕冰光纖通信過程

2、中怕水、怕冰 (OH-根吸收增大損耗根吸收增大損耗)光纖怕彎曲光纖怕彎曲 (導(dǎo)致?lián)p耗增加導(dǎo)致?lián)p耗增加)6. 節(jié)約金屬材料，節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用有利于資源合理使用光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 光纖通信系統(tǒng)可以傳輸數(shù)字、模擬信號(hào)。以數(shù)字電話和模擬電視為例。 圖 1.4 光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸) 信息源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)電接收機(jī)信息宿基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖線路接 收發(fā) 射電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)輸出數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。 可以用再生中繼，傳輸距離長。 適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。 容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的

3、保密通信。 便于加密 易于集成，實(shí)現(xiàn)小型化，可降低成本。數(shù)字通信系統(tǒng)的缺點(diǎn)：數(shù)字通信系統(tǒng)的缺點(diǎn)： 占用頻帶較寬，系統(tǒng)的頻帶利用率不高。但是光纖通信的頻帶很寬，足夠克服數(shù)字通信的缺點(diǎn)。 1 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng) 2 模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng) 占用帶寬較窄，電路簡單、價(jià)格便宜。 2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型光纖結(jié)構(gòu)和類型2.1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)n1n2 ，相對(duì)折射率差=(n1-n2)/n1， 0.3%0.6% 單模光纖； 1%2% 多模光纖。纖芯纖芯 高純度SiO2，有極少量的摻雜(如GeO2，P2O5)，用來提高纖芯對(duì)光的折射率n1，以傳輸光信號(hào)。 包層包層：摻雜的高純度SiO2。摻雜劑(如B2O

4、3) 用來適當(dāng)降低n2 。涂覆層涂覆層：包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層。 一次涂覆層一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料； 緩沖層緩沖層一般為性能良好的填充油膏； 二次涂覆層二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。 涂覆的作用是保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加了光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長光纖壽命的作用。光纖種類很多，作為通信用的由高純石英光纖主要有三種。2.1.2光纖類型光纖類型突變型多模光纖突變型多模光纖(SIF),圖2.2(a)，折射率由纖芯的n1突變到包層的n2。2a=5080m，光線以折線形狀傳播，特點(diǎn)是信號(hào)畸變大。漸變型多模光纖漸變型多模光纖(GIF)

5、,圖2.2(b)，折射率由纖芯中心n1逐漸減小到包層的n2。2a=50m，光線以正弦形狀傳播，特點(diǎn)是信號(hào)畸變小。單模光纖單模光纖(SMF),圖2.2(c)，折射率突變，2a=810m，光線直線傳播。只能傳輸一個(gè)模式(兩個(gè)偏振態(tài)簡并), 信號(hào)畸變很小。多模光纖的纖芯直徑比單模光纖大很多，可以容納數(shù)百個(gè)模式。漸變型多模光纖和單模光纖，包層外徑包層外徑2b都選用都選用125 m。 圖 2.2三種基本類型的光纖(a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖 橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot(a)輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖50 m125mrnAitAot(b)10

6、 m125mrnAitAot(c)允許多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w，或者說在多模光纖中允許存在多個(gè)分離的傳導(dǎo)模。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：芯徑大，容易注入光功率，可以使用LED作為光源缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：存在模間色散，只能用于短距離傳輸單模光纖：單模光纖：只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，它不存在模間時(shí)延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速長途傳輸是非常重要的。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：芯徑小，較多模光纖而言不容易進(jìn)行光耦合，需要使用半導(dǎo)體激光器激勵(lì)。 圖 2.3典型特種單模光纖 (a) 雙包層； (b) 三角芯； (c) 橢圓芯 2a 2an1n2n3(a)(b)(b)

7、其他光纖其他光纖雙包層光纖(W型光纖), 可以得到在1.31.6m之間色散平坦光 纖(DFF)， 或把零色散波長移到1.55m的色散移位光纖(DSF)。三角芯光纖,適合于密集波分復(fù)用和孤子傳輸?shù)拈L距離系統(tǒng)使用橢圓芯光纖,使傳輸光保持其偏振狀態(tài)，又稱為雙折射光纖或偏振保持光纖。 存在c 對(duì)應(yīng)cc，光線在界面折射, 隨著傳播迅速衰減。只有c的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播321y1lLxoc23纖芯n1包層n2zc1空氣n02.2.1幾何光學(xué)方法幾何光學(xué)方法 1. 突變型多模光纖突變型多模光纖全反射臨界角c =sin-1(n2/n1)，只有c的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播NA的影響的影響 N

8、A大，接收光的能力強(qiáng)，耦合效率高，光纖抗彎曲性能高。但NA大，傳輸產(chǎn)生的信號(hào)畸也變大，限制了傳輸容量。221212NAnnn設(shè)=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或c=12.2(=(n1-n2)/n1 ) (2.3)數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑(numerical aperture, NA) 2.2)時(shí)間延遲時(shí)間延遲光線在光纖中的傳播時(shí)間問題光線在光纖中的傳播時(shí)間問題211111sec(1)2nln Ln Lccc最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光線之間時(shí)間延遲差近似為 (2.4)cLnNAcnLcnLc12121)(22(2.5) 這種時(shí)間延遲差在時(shí)域產(chǎn)生脈沖展寬，或稱為信號(hào)畸變。 設(shè)光

9、纖NA=0.20，n1=1.5，L=1km，得脈沖展寬=44ns。 入射角的光線傳輸長度為L(ox), 經(jīng)歷的路程為l (oy)，傳播時(shí)間或時(shí)間延遲為 2. 漸變型多模光纖漸變型多模光纖n1為纖芯中心中心折射率，=(n1-n2)/n1，g: 折射率分布指數(shù)。121112 ( ) 1( ) ggrrnnaa n11-=n2 ra 0ran(r)= g，(r/a)0，突變型多模光纖g=2，拋物線折射率分布，脈沖展寬最小脈沖展寬最小。 (2.6)n與r有關(guān)，各點(diǎn)的各點(diǎn)的NA不同不同222)()(nrnrNA22max12NAnn 自聚焦效應(yīng)自聚焦效應(yīng) 當(dāng)光線從中軸線(z=0, ri=0)入射，得00

10、(0)sin()*cos()AnrAzAz(2.14a)(2.14b)漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離z的正弦函數(shù)，其幅度取決于入射角0， 其周期=2/A=2a/ ，與入射角0無關(guān)。即不同入射角的光線，雖然傳輸路徑不同，但是都會(huì)聚在軸上某點(diǎn)上，這種現(xiàn)象稱為自聚焦效應(yīng)自聚焦效應(yīng)。 2sin()cos()iiArAzAz在光纖內(nèi)部(2.14*)周期的數(shù)量級(jí)：a20m, 0.01, =1.111mm多模光纖信號(hào)畸變小的定性解釋多模光纖信號(hào)畸變小的定性解釋漸變型多模光纖中各光線的時(shí)間延遲近似相等近似相等。入射角大的光線經(jīng)歷的路程較長，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線，n(r)較小，入射角小的光線情況正好相反

11、，其路程較短，但速度較慢。所以這些光線的光程差別小，時(shí)間延遲近似相等。 222222212(/ )knwbVnn 歸一化傳輸常數(shù)(2.28) 取值范圍為 n2k n1k，等效于 0b1， 歸一化頻率22122 aVnn2. 特征方程和傳輸模式特征方程和傳輸模式 2.2.2 光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論結(jié)論(物理含義、常數(shù)) 每條曲線表示一個(gè)傳輸模式的 隨V的變化， 所以方程(2.26)又稱為色散方程。 色散曲線含義： 電磁波分類電磁波分類所謂模式是指電磁場的不同分布形式，按照是否為橫波可分為以下3類：1. 橫電模 (TE)：z方向上的電場分量為0，或電場分量垂直于z2. 橫磁模 (TM

12、)： z方向上的磁場分量為0，或磁場分量垂直于z3. 混合模 (HE or EH)：z方向上的電場和磁場都不為0 HE (Ez Hz) 相反 EH (Ez Hz) 3. 多模漸變型光纖的多模漸變型光纖的模式特性模式特性傳輸常數(shù)傳輸常數(shù) 普遍公式2121)(21 ggMmknM是模式總數(shù)， m()是傳輸常數(shù)大于的模式數(shù)。 22221()()222ggVMa k ngg 2221221(2)2( )()ggk nk nmM突變型光纖, g,M=V2/2； 平方律光纖，g=2，M=V2/4。(2.32b)(2.32a)(2.31)單模條件和截止波長單模條件和截止波長 單模光纖的模式特性單模光纖的模式

13、特性對(duì)于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個(gè)臨界波臨界波長長 c，當(dāng)c時(shí)，是單模傳輸。2.405cVV和c的關(guān)系從圖2.8可以看到，傳輸模式數(shù)目隨V值的增加而增多。當(dāng)V2.405時(shí)，只有HE11(LP01)一個(gè)模式存在。HE11稱為基模，由兩個(gè)偏振態(tài)簡并而成。 由此得到單模傳輸條件為 221222.405aVnn 光場分布和模場半徑光場分布和模場半徑 200( )exp () rE rEww0稱為模場半徑(MFD)：光功率為e-1E20時(shí)的光場半徑寬度(E20為軸心的光功率)，即光纖截面的光斑尺寸。單模光纖的基模HE11的電磁場(振幅)分布近似為高斯分布 2.3.1光纖色散光纖色散 1.

14、 色散、色散、 帶寬和脈沖展寬帶寬和脈沖展寬色散色散 在光纖中傳輸時(shí)，不同成分的光的時(shí)間延遲不同。 例如單模光纖約80%的光功率在纖芯中傳播，20%在包層中傳播,其有效折射率介于n1,n2之間,具體值與功率比有關(guān)。模式色散模式色散 不同模式的時(shí)間延遲不同， 它取決于光纖的折射率分布，以及材料的色散。材料色散材料色散 光纖折射率隨波長而改變，導(dǎo)致延遲不同。波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)，不同波長延遲不同。偏振模色散偏振模色散 不同偏振態(tài)不同傳輸速度色散的影響及表示方法。色散的影響及表示方法。模擬調(diào)制信號(hào): 色散限制帶寬； 3dB光帶寬f3dB 數(shù)字脈沖信號(hào): 色散產(chǎn)生脈沖展寬。 脈沖展

15、寬。 脈沖展寬脈沖展寬 =(2n+2m+ 2w)1/2 下標(biāo) n m w 指模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散 3dB帶寬帶寬 一般|H(f)|隨頻率的增加而下降，光纖起了低通濾波器的作用。 定義3dB光帶寬光帶寬f3dB， |H(f3dB)/H(0)|= 1/2 (2.44a)或等效的 T(f)=10 lg|H(f3dB)/H(0)|= -3 (2.44b)3dB光帶寬為32ln2 1187()2dBMHZf用高斯脈沖半極大全寬度(FWHM)= =2.355， 代入式(2.47a)得到2 2ln23440()dBMHZf和是信號(hào)通過光纖產(chǎn)生的脈沖展寬，單位為ns。 輸入脈沖一般不是函數(shù)。設(shè)輸入和輸

16、出脈沖都為高斯函數(shù)，其rms脈沖寬度分別為1和2，頻率響應(yīng)分別為H1(f)和H2(f)，根據(jù)傅里葉變換特性得到 (2.48) 由此得到， 信號(hào)通過光纖后產(chǎn)生的脈沖展寬 = 或 = ， 1和2分別為輸入脈沖和輸出脈沖的FWHM。 光纖3dB光帶寬f3dB和脈沖展寬、的定義示于圖2.11。 2122212221( )( )( )HfH fHf圖 2.11 光纖帶寬和脈沖展寬的定義 1/21/ e輸入脈沖光 纖1tPi(t)(t)H1(f)1ff3dB0310lgH( f )/dBPo(t) h(t)H2( f ) H( f )t2輸出脈沖吸收損耗吸收損耗 由光纖材料引起的固有吸收和雜質(zhì)、缺陷吸收產(chǎn)

17、生。 電子躍遷紫外(UV)區(qū)(7m)損耗的機(jī)理損耗的機(jī)理 散射損耗散射損耗 由材料密度不均引起的瑞利散射和結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。該損耗與波長無關(guān)。 光纖損耗光纖損耗 此外還有彎曲損耗彎曲損耗圖 2.16光纖損耗譜 (a) 三種實(shí)用光纖； (b) 優(yōu)質(zhì)單模光纖 波 長 / m損 耗 /( dBkm 1)0.802468100.61.01.21.41.6800損 耗 / (dBkm 1)波 長 / nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600abcdeabcde85013001310138015501.810.350.3

18、40.400.19nmdB / km(a)(b)1.8一般地，損耗與波長的關(guān)系為 =A/4+B+CW()+IR()+UV() (2.61b) 2. 實(shí)用光纖的損耗譜實(shí)用光纖的損耗譜A為瑞利散射系數(shù), B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗，CW()、 IR()和UV()分別為雜質(zhì)吸收、紅外吸收和紫外吸收產(chǎn)生的損耗。 由圖2.16看到： 從(SIF),(GIF)到 (SMF)光纖，損耗依次減小。在0.81.55m波段內(nèi), 除吸收峰外, 損耗隨波長增加迅速減小。在1.39mOH-吸收峰兩側(cè)1.31m和1.55m存在兩個(gè)損耗極小 的波長“窗口”。 另一方面, 從多模SIF、GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小(

19、帶寬依次增大)。 石英單模光纖的零色散波長在1.31m，還可以把零色散波長從1.31m移到1.55m，實(shí)現(xiàn)帶寬最大損耗最小的傳輸。 正因?yàn)槿绱?，光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從短波長(0.85m)“窗口”發(fā)展到長波 (1.31m和1.55m)“窗口”，使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。 后向散射法后向散射法測(cè)量光纖的后向散射光功率 瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例。測(cè)量原理測(cè)量原理 在光纖的輸入端注入一個(gè)窄光脈沖，該脈沖在傳輸時(shí)產(chǎn)生瑞利散射, 一部分散射光沿光纖返回，這種連續(xù)不斷向輸入端傳輸?shù)纳⑸涔夥Q為后向反射光?？拷斎攵说墓獠▊鬏敁p耗小，散射回來的信號(hào)就強(qiáng)，離輸入端遠(yuǎn)的地方光波的傳輸

20、損耗大，散射回來的信號(hào)就弱。測(cè)出兩點(diǎn)散射光返回的光功率以及兩點(diǎn)間的距離，就可算出平均衰減系數(shù)。L1L2輸入脈沖輸入脈沖返回脈沖返回脈沖1返回脈沖返回脈沖22.5光纖特性測(cè)量方法光纖特性測(cè)量方法1212()10lg(/)2()()ddP LadB KmLLP L分母中的2表示來回兩次傳輸。21211()2c ttLLn若測(cè)得由L1和L2點(diǎn)散射回來的光功率分別為Pd(L1)和Pd(L2)，有(2.62b)測(cè)量儀器測(cè)量儀器 光時(shí)域反射儀(OTDR)。原理是 脈沖發(fā)生器根據(jù)主時(shí)鐘產(chǎn)生窄光脈沖，經(jīng)光耦合器將光耦合進(jìn)被測(cè)光纖，同時(shí)將散射和反射信號(hào)耦合進(jìn)光電檢測(cè)器，將信號(hào)處理后顯示輸出波形，并輸出有關(guān)數(shù)據(jù)。

21、 dB( ) b( ) c( )d( ) e( ) alength圖 2.24是后向散射功率曲線的示例， 圖中(a)輸入端反射區(qū)； (b)恒定斜率區(qū)， 用以確定損耗系數(shù)； (c)連接器、 接頭或局部缺陷引起的損耗； (d)介質(zhì)缺陷(如氣泡)引起的反射； (e)輸出端反射區(qū)， 用以確定光纖長度。 圖 2.24 后向散射功率曲線 通信用光器件可以分為通信用光器件可以分為有源器件有源器件和和無源器件無源器件兩兩種類型。種類型。 光纖通信中，需要有光源發(fā)光，將電信號(hào)光纖通信中，需要有光源發(fā)光，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，還要有光接收器件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，還要有光接收器件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這種

22、發(fā)光器件和光接收器件統(tǒng)稱為為電信號(hào)。這種發(fā)光器件和光接收器件統(tǒng)稱為光電光電器件器件，或，或有源器件。有源器件。 對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理的器件對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理的器件稱為稱為無源器件無源器件。 C3 C3 通信用光器件通信用光器件有源器件：光源、光檢測(cè)器和光放大器，無源器件：連接器、耦合器、波分復(fù)用器、 調(diào)制器、光開關(guān)、和隔離器等。1. 受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf12(a) 受激吸收受激吸收 (b) 自發(fā)輻射自發(fā)輻射(c) 受激輻射受激輻射E1 ：低能級(jí)：低能級(jí)E2：低能級(jí)：低能級(jí)hf12= E2 - E1受激輻

23、射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。 圖 3.2半導(dǎo)體的能帶和電子分布(a) 本征半導(dǎo)體； (b) N型半導(dǎo)體； (c) P型半導(dǎo)體 Eg/2Eg/2EfEcEvEg導(dǎo) 帶價(jià) 帶能 量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)2. PN結(jié)的能帶和電子分布結(jié)的能帶和電子分布 半導(dǎo)體中由于原子間的相互作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。能量低的稱為價(jià)帶，高的稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱

24、為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。 根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef 稱為費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí))exp(11)(kTEEEpf 一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，用Ef 位于禁帶中央來表示。 在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體。 在本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體。 單一半導(dǎo)體不可能用通電的方法實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)顯然能量越高，分布概率越小圖3.3PN結(jié)的能帶和電子分布(a) P - N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；(b) 零偏壓時(shí)P - N結(jié)的能帶圖；(c) 正向偏壓下P - N結(jié)能帶圖 hfhf

25、EpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場外加電場電子，空穴(c)勢(shì)壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env(b)P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場 擴(kuò)散 漂移(a)在PN結(jié)界面上，載流子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場，阻礙漂移運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到平衡，使P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。這時(shí)在PN結(jié)上施加正向電壓，減弱內(nèi)部電場，能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在電子和空穴擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。 PN結(jié)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)結(jié)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3. 激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩

26、和光學(xué)諧振腔要形成激光，必須借助光學(xué)諧振腔，對(duì)頻率和方向進(jìn)行選擇。 圖 3.4 (a) 諧振腔和激光振蕩； (b) 光反饋 2n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)初始位置光光強(qiáng)輸出OXL(b) 法布里-珀羅諧振腔由兩個(gè)的平行反射鏡(R1和R2)構(gòu)成。腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，實(shí)現(xiàn)受激輻射。光經(jīng)腔鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向的光被減弱。經(jīng)多次反饋，光強(qiáng)得到放大，方向性得到改善，形成激光輸出。在熱平衡狀態(tài)下，單位摩爾數(shù)的物質(zhì)中，處于能級(jí)E1和E2的原子數(shù)N1和N2存在如下關(guān)系 (波爾茲曼分布波爾茲曼分布)2211exp()NEENkT (E2-E1)0，T0，N1N2。 受激吸

27、收和受激輻射速率正比于N1和N2，且比例系數(shù)相等。如果N2N1(粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn))，受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用。如果N1N2，受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)22nLLqnq或q=1, 2, 3 稱為縱模模數(shù)。每個(gè)q對(duì)應(yīng)的波長及其振蕩稱為一個(gè)縱模。th= + 211ln21RRL th為閾值增益系數(shù)， 為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1，R21為兩個(gè)反射鏡的反射率。1)腔內(nèi)存在增益和損耗因素，當(dāng)二者相當(dāng)時(shí)， 在諧振腔內(nèi)建立穩(wěn)定的激光振蕩， 其閾值條件閾值條件為2)激光在腔內(nèi)振蕩時(shí)以駐波形式存在，

28、必須滿足一定的相位條件相位條件閾值條件與相位條件閾值條件與相位條件兩種結(jié)構(gòu)：F-P腔激光器和分布反饋型（DFB）激光器。 F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如圖4.9所示。圖4.9 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖4. 半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：有 源 層 ：有 源 層 ：中 間 的 一 層 厚0.10.3m的窄帶隙P型半導(dǎo)體；限制層：限制層：兩側(cè)的寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里法布里 - 珀羅珀羅(FP)諧振腔諧振腔。激光的光子能量，近似近似等于禁

29、帶寬度Eg (eV)，即 hf=Eg ，f 為光的頻率, h為普朗克常數(shù)。換算為波長(m)，有半導(dǎo)體激光器的主要特性半導(dǎo)體激光器的主要特性1. 發(fā)射波長和光譜特性發(fā)射波長和光譜特性ggEEhc24. 1不同半導(dǎo)體材料有不同的Eg，因而有不同的。(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85m波段， (InGaAsP-InP)材料適用于1.31.55m波段。例例 GaAlAs DH激光器的光譜特性激光器的光譜特性。直流驅(qū)動(dòng)：直流驅(qū)動(dòng)： i) 波長有一定分布。圖 3.7GaAlAsDH激光器的光譜特性(a) 直流驅(qū)動(dòng); (b) 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制 ii) 隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模數(shù)逐漸減少，線

30、寬變窄。數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制: 隨著電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，如采用分布反饋激光器。IW 10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近 場 圖 樣0.1rad遠(yuǎn) 場 圖 樣近場：近場：激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場：遠(yuǎn)場：離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。2. 激光束的空間分布激光束的空間分布近場和遠(yuǎn)場是由諧振腔的橫向尺寸，即平行于PN結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模橫模。如圖，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄，這個(gè)

31、方向的場圖總是單橫模。圖 3.8 GaAlAsDH條形激光器的近場圖 3. 轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性d()eththhfPPII()/()/thdthPPhfP eIIeI hf有產(chǎn)生光子數(shù)產(chǎn)生光子數(shù)/輸入電子數(shù)輸入電子數(shù)I: 驅(qū)動(dòng)電流, P:輸出光功率，Pth和Ith為閾值, e為電子電荷。 IIth時(shí)是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。 1098765432100 20 40 60 80工 作 電 流 I / mA單 面 輸 出 功 率P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工 作 電 流 I / mA輸 出 功 率P

32、 / mW(a)(b) 圖 3.10 光功率特性(a) 短波長AlGaAs/GaAs; (b) 長波長InGaAsP/InP 在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)0.010.11100.1110100fr調(diào)制頻率f / GHz相對(duì)光功率在直接光強(qiáng)調(diào)制下， 激光輸出光功率P和調(diào)制頻率f的關(guān)系為 2 222(0)( )1 (/) 4(/)rrPP fffff4. 頻率特性頻率特性011(1)2rspphthIIfII 圖 3.11 半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性 Fr :弛豫頻率,:阻尼因子, Ith:閾值電流, I0:偏置電流；I :零增益電流，高摻雜LD, I=0，低摻雜LD, I=(0

33、.70.8) Ith；sp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命， ph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。 圖中 fr是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr為12 GHz。在接近fr 處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。 隨溫度升高，隨溫度升高，Ith增大，增大， d減小，減小，導(dǎo)致輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不再出光了。00exp()thTIIT5. 溫度特性溫度特性當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，在一定溫度范圍內(nèi)，有 d對(duì)溫度不十分敏感，例如， GaAlAs-GaAs激光器在77 K時(shí)d50%，在300 K時(shí)， d30%。T為結(jié)區(qū)溫度(K)，T0為特征溫度。GaAlAs-GaAs激光器T0=10

34、0150K、InGaAsP-InP激光器T0=4070 K，所以長波長InGaAsP-InP激光器輸出光功率對(duì)溫度的變化更加敏感。圖 3.12 P- I曲線隨溫度的變化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射圖3.12示出脈沖調(diào)制的激光器，由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P - I曲線的變化。 衍射光柵有源層N層P層輸出光光柵有源層ba(a)(b)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):在有源層附近有沿長度方向制作的衍射光柵3.1.3分布反饋激光器分布反饋激光器(Distributed Feed Back, DFB) 普通激光器依靠腔鏡

35、對(duì)光進(jìn)行反饋，DFB激光器在靠近有源層的區(qū)域制作了布拉格光柵,使光沿有源層分布式反饋。 光在傳播時(shí)發(fā)生布拉格衍射，使向前和向后的光相互耦合(即相干疊加)，從而對(duì)波長作出選擇。在腔體中使用布拉格光柵 (FBG) 會(huì)對(duì)特定波長發(fā)生強(qiáng)烈反射。這些特定的波長稱為布拉格波長： 。只有符合反射條件的頻率的光會(huì)得到強(qiáng)烈反射產(chǎn)生激光。其輸出波長為：2Ben2(1/2)2BBemn Lm=0對(duì)應(yīng)兩個(gè)閾值最低、增益相同的縱模，其波長為 221,21()2 2Ben L其中，ne為材料有效折射率，B為布喇格波長，m為衍射級(jí)數(shù)， L為光柵長度 DFB激光器的優(yōu)點(diǎn)激光器的優(yōu)點(diǎn)： 單縱模激光器。單縱模激光器。相當(dāng)于F-P

36、激光器的腔長L，每一個(gè)形成一個(gè)微型諧振腔， 很小使得m階和(m+1)階模之間的波長間隔比F-P大得多。 譜線窄，譜線窄， 波長穩(wěn)定性好。波長穩(wěn)定性好。 每一個(gè)柵距相當(dāng)于一個(gè)FP腔，所以布喇格反射可以看作多級(jí)調(diào)諧，譜線明顯變窄，可以窄到幾個(gè)GHz。 光柵具有鎖定波長的作用，因而波長的穩(wěn)定性得以改善。 動(dòng)態(tài)譜線好。動(dòng)態(tài)譜線好。比FP激光器的動(dòng)態(tài)譜線的展寬要改善一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。 線性好。線性好。線性非常好， 廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。分布布拉格反射 (DBR) 激光器DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)的外面，它相當(dāng)于在有源區(qū)的一側(cè)或兩側(cè)加了一段分布式布拉格反射器，起著衍射光柵的作用，因此

37、可以將它看成是端面反射率隨波長變化而變化的特殊激光器。DBR激光器的特點(diǎn)和工作特性與DFB激光器類似。但其閾值電流要比DFB激光器的閾值電流高。LED發(fā)光為自發(fā)輻射；結(jié)構(gòu)：類似LD，但是LED不需要光學(xué)諧振腔， 沒有閾值。類型：正面發(fā)光型LED， 側(cè)面發(fā)光型LED，區(qū)別區(qū)別：相比于正面型，側(cè)面型LED驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率較小， 但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高。 3.1.4 發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖 3.14兩類發(fā)光二極管(LED) 相對(duì)LD，LED輸出光功率較小，譜線較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡單，價(jià)格低廉，在小容量短距

38、離系統(tǒng)中廣泛使用。 相對(duì)LD，LED輸出光功率較小，譜線較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡單，價(jià)格低廉，在小容量短距離系統(tǒng)中廣泛使用。譜線較寬譜線較寬。發(fā)光二極管的工作特性：發(fā)光二極管的工作特性： (1) 光譜特性光譜特性。 (2) 光束的空間分布光束的空間分布 正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布，即P()=P0cos ，半功率點(diǎn)輻射角 120o, 側(cè)面發(fā)光型, 120, 2535。由于大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。 （3）輸出光功率特性）輸出光功率特性 d小于10%。I較小時(shí)，P-I線性較好；I過大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象

39、，使P-I 曲線的斜率減小。LED工作電流為50100 mA，輸出光功率為幾mW2( )1( )(0)1 (2)ep fH fPf (4) 頻率特性。頻率特性。頻率響應(yīng)f為調(diào)制頻率, P(f)為對(duì)應(yīng)光功率，e為少數(shù)載流子的壽命。LED的截止頻率截止頻率 fc=1/(2e) 其對(duì)應(yīng)相應(yīng)1( )2H f關(guān)于LED的小結(jié)原理：外加電場實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，電子原理：外加電場實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，電子-空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光導(dǎo)致發(fā)光為什么要使用為什么要使用LED：1. 驅(qū)動(dòng)電路簡單驅(qū)動(dòng)電路簡單2. 不需要溫控電路不需要溫控電路3. 成本低、產(chǎn)量高成本低、產(chǎn)量高優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：輸出光功率線性范圍寬輸出

40、光功率線性范圍寬 (P-I特性特性)性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定壽命長壽命長制造工藝簡單、價(jià)格低廉制造工藝簡單、價(jià)格低廉缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：輸出光功率較小輸出光功率較小: 幾個(gè)毫瓦幾個(gè)毫瓦譜線寬度較寬譜線寬度較寬:幾十個(gè)納米到上百納米幾十個(gè)納米到上百納米調(diào)制頻率較低調(diào)制頻率較低這種器件在這種器件在小容量小容量、短距離短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時(shí)，能量大于或等于帶隙能量Eg的光子將激勵(lì)價(jià)帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上，可以產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)（稱為光生載流子）。電子-空穴對(duì)在反向偏置的外電場作用下立即分開并在結(jié)區(qū)中向兩端流動(dòng)，從而在外電路中形成電流（光電流）

41、。3.2 光檢測(cè)器光檢測(cè)器3.2.1光電二極管工作原理光電二極管工作原理 由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)施加反向偏壓，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量。由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。 光電效應(yīng)反向偏壓 PIN光電二極管光電二極管I層是N型本征半導(dǎo)體，用(N)表示；兩側(cè)是高摻雜的P型和N型半導(dǎo)體。I層很厚，入射光在其內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和N+

42、層很薄，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層， 因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。 PIN光電二極管的主要特性：光電二極管的主要特性： (1) 量子效率和光譜特性。 00/-/PPIeIhfPhfPe光生電子 空穴對(duì)入射光子數(shù)響應(yīng)度響應(yīng)度: 一次光生電流一次光生電流IP和入射光功率和入射光功率P0的比值的比值 量子效率量子效率0PIePhf (2) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性。 對(duì)于數(shù)字脈沖調(diào)制信號(hào)，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時(shí)間，分別定義為脈沖上升時(shí)間r和脈沖下降時(shí)間f。 光生電流I(

43、)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。 (3) 噪聲。 包括散粒噪聲散粒噪聲(Shot Noise)和熱噪聲熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1負(fù)載上消耗的噪聲功率)來描述。散粒噪聲是一種實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中的讀出噪聲，當(dāng)觀測(cè)中攜帶能量的粒子（如電路中的電子或光學(xué)儀器中的光子）數(shù)量少到能夠引發(fā)數(shù)據(jù)讀取中出現(xiàn)可觀測(cè)到的統(tǒng)計(jì)漲落，這種讀出的統(tǒng)計(jì)漲落被稱作散粒噪聲。均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B e:電子電荷，B:放大器帶寬，IP:信號(hào)電流, Id:暗電流。 2eIPB 量子噪聲，由入射光子和所形成的電子-空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生。這是一種不可克服的本征噪聲， 它決定光接收機(jī)靈敏度的

44、極限。 2eIdB 暗電流產(chǎn)生的噪聲。 器件在反向偏壓條件下，沒有入射光時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向直流電流。它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流。，例如Si-PIN， Id100nA。 i2T= (3.23) 式中，k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。 因此， 光電二極管的總均方噪聲電流為4kTBR242 () + PdkTBie IIBR 均方熱噪聲電流I0NPP(N)光當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如果結(jié)區(qū)電場達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子獲得足夠能量和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離

45、，產(chǎn)生新的電子- 穴對(duì)。新的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增。 APD具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 圖圖6.4 APD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)兩種類型兩種類型常用的APD結(jié)構(gòu)包括拉通型拉通型APD和保護(hù)環(huán)型保護(hù)環(huán)型APD。1. 倍增因子倍增因子g APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。 0PIgI(g 20100)兩個(gè)參數(shù)兩個(gè)參數(shù)nBnBURIUUUIg/ )(11)/(100經(jīng)驗(yàn)公式式中，U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。當(dāng)UUB時(shí)，RIo/UB1，

46、上式可簡化為 210)(PBBnrIUnRIUg連接器和接頭連接器和接頭 連接器連接器是光纖之間可拆卸可拆卸連接的器件; 接頭接頭則是固定固定連接。 連接器有單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器，圖 3.27 套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖 光纖套管插針粘結(jié)劑接頭：用自動(dòng)熔接機(jī)熱熔接，或者用V形槽連接。光耦合器光耦合器 (分波合波器)功能：功能：把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出， 或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。 1. 耦合器類型耦合器類型T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分3.2光光 無無 源源 器器 件件T形耦合器形耦合器 把一根光纖輸入的光信號(hào)分配給兩根光纖， 或把

47、兩根光纖輸入的光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖。星形耦合器星形耦合器 把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖。定向耦合器定向耦合器 分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。光信號(hào)從端1傳輸?shù)蕉?， 一部分由端3輸出，端4無輸出；光信號(hào)從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。 波分復(fù)用器波分復(fù)用器/解復(fù)用器解復(fù)用器(也稱合波器/分波器) ，把多個(gè)不同波長的光信號(hào)組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長的光信號(hào)，分配給不同的接收機(jī)。2. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)(1)光纖型光纖型把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作器

48、件。(2)微器件型微器件型 用自聚焦透鏡和分光片、濾光片或光柵等微光學(xué)器件可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器。 (3) 波導(dǎo)型波導(dǎo)型 在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。 法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光偏振器SOP1P2P功能功能: 實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸。用途：用途：置于激光器或光放大器后，避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。主要參數(shù)：主要參數(shù)： i)插入損耗插入損耗 對(duì)正向入射光，其值越小越好; 1dB ii)隔離度隔離度 對(duì)反向反射光，其值越大越好， 4050dB光隔離器與光環(huán)

49、行器光隔離器與光環(huán)行器圖 3.34 隔離器的工作原理 工作原理工作原理磁致旋光環(huán)行器環(huán)行器工作原理類似隔離器，但是具有多個(gè)端口。 在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號(hào)在端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)在端口3輸出，端口3輸入的光信號(hào)由端口1輸出。光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。 圖 3.36光環(huán)行器 (a) 三端口； (b) 四端口 132(a)(b)1324光調(diào)制器光調(diào)制器外調(diào)制：電光效應(yīng)、 磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)。電光調(diào)制，電光晶體如鈮酸鋰(LiNbO3) 的折射率n和外加電場E的關(guān)系為 n=n0+E+E2 式中和是張量，稱為電光系數(shù)。 當(dāng)=0時(shí)，為線性電光效應(yīng)或普克爾(Pockel)效應(yīng)。當(dāng)=

50、0時(shí)，n隨E2按比例變化， 為二次電光效應(yīng)或克爾效應(yīng)。調(diào)制器是利用線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)檎凵渎蕁隨外加電場E而變化， 改變了入射光的相位和輸出光功率。功能: 把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并耦合到光纖線路中。 電/光轉(zhuǎn)換光源調(diào)制(直接調(diào)制和外調(diào)制) 圖 4.1直接光強(qiáng)數(shù)字調(diào)制原理 (a) LED數(shù)字調(diào)制原理； (b) LD的數(shù)字調(diào)制原理 第 4 章 光端機(jī)4.1光發(fā)射機(jī)基本組成組成：光源組成：光源+電路電路rdt電脈沖光脈沖調(diào)制特性1. 電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象在高電速脈沖調(diào)制下，LD的瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖所示。存在電光延遲時(shí)間td，ns量級(jí)。 存在張弛振蕩光強(qiáng)振蕩衰減，其頻率 0.

51、52 GHz。 圖 4.3 光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 后果：限制調(diào)制速率1）當(dāng)最高調(diào)制 接近r時(shí)，波形失真嚴(yán)重，導(dǎo)致誤碼。因此實(shí)際使用時(shí)， 最高調(diào)制 r。 2) 電光延遲產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼過后的第一個(gè)“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)“”碼丟失， 這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)”。用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補(bǔ)償方法， 可以消除碼型效應(yīng)增加注入電流j，有利于提高張弛振蕩頻率r，減小其幅度衰減時(shí)間o，以及減小電光延遲時(shí)間td，因此對(duì)LD施加偏置電流是非常必要的。 危害：限制調(diào)制速率電脈沖光脈沖2 ns5 ns2 ns(a)(b)(c)12圖4.4

52、 碼型效應(yīng) a) 、(b)碼效應(yīng)波形；（c）改善后波形電脈沖光脈沖2 ns5 ns2 ns(a)(b)(c)12碼型效應(yīng)的產(chǎn)生原因如圖，在 “1”碼之前，有較長的連“0”碼， 由于電光延遲時(shí)間長和光脈沖上升時(shí)間的影響，因此脈沖變小。第二個(gè)脈沖到來時(shí)，由于第一個(gè)脈沖的電子復(fù)合尚未完全消失，有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時(shí)間短， 脈沖較大。 “碼型效應(yīng)”的特點(diǎn)是， 在脈沖序列中較長的連“0”碼后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。用適當(dāng)?shù)摹斑^調(diào)制”補(bǔ)償方法， 可以消除碼型效應(yīng)，圖 (c)。UCR2LEDC1R1UinV低電平0碼和高電平1碼對(duì)應(yīng)于

53、V的截止和飽和導(dǎo)通狀態(tài)。調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制數(shù)字信號(hào)調(diào)制電路：電流開關(guān)電路。 1 以LED作為光源的光發(fā)射機(jī)調(diào)制電路。數(shù)字信號(hào)Uin從三極管V的基極輸入，通過集電極的電流驅(qū)動(dòng)LED。圖 4.6 共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路 R1為緩沖電阻，C1為加速電容，可提高電路的工作速度。R2為限流電阻，R3可提供一個(gè)正向偏置電流，以提高響應(yīng)速度。三極管一直在飽和，截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)很慢，適用于10 Mb/s以下的低速率系統(tǒng)。圖 4.6 共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路 UCR2LEDC1R1UinV3R 4.1.4溫度特性和自動(dòng)溫度控制 1. 激光器的溫度特性1）溫度升高，Ith增加，d 減小，輸出光脈沖幅度下降。

54、圖 4.10溫度引起的光輸出的變化(a) 閾值電流變化引起的光輸出的變化； (b) 外微分量子效率變化引起的光輸出的變化 PIPI20 C25 C70 C20 C電流脈沖光脈沖t0t TI1I0t=0時(shí)電脈沖到來，電流為I1，由于電流的熱效應(yīng)，結(jié)區(qū)溫度逐漸升高，LD的Ith增大，使輸出光脈沖的幅度逐漸減小。當(dāng)t=T時(shí)電流脈沖過后，電流從I1減小到I0，結(jié)區(qū)溫度逐漸降低， Ith減小，使輸出光脈沖的幅度增大?！敖Y(jié)發(fā)熱效應(yīng)”將引起調(diào)制失真。2）結(jié)發(fā)熱效應(yīng)調(diào)制電流引起激光器結(jié)區(qū)溫度的變化，使輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化。圖 4.11 結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 低調(diào)制速率的“結(jié)發(fā)熱效應(yīng)”更加明顯。光接收機(jī)基本組成 直接

55、強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測(cè)方式的數(shù)字光接收機(jī)方框圖示于圖4.14，主要包括光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、 時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。4.2光接收機(jī) 圖 4.14 數(shù)字光接收機(jī)方框圖 光檢測(cè)器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時(shí)鐘提取再生碼流主放大器光信號(hào)前端線性通道時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生光/電轉(zhuǎn)換，對(duì)光檢測(cè)器的要求如下：(1)波長響應(yīng)與光纖低損耗窗口(0.85，1.31m和1.55m)兼容；(2)響應(yīng)度高。在一定的接收光功率下，產(chǎn)生最大的光電流；(3) 噪聲低， 能接收極微弱的光信號(hào)； (4) 性能穩(wěn)定， 可靠性高， 壽命長， 功耗和體積小。 目前使用PIN光電

56、二極管和雪崩光電二極管(APD)。1. 光檢測(cè)器2. 放大器 前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇(參看4.2.2節(jié))。 主放大器一般是多級(jí)放大器，它的作用是提供足夠的增益， 并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，以使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)， 輸出電信號(hào)保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。 2. 放大器 前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光接收機(jī)的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇(參看4.2.2節(jié))。主放大器一般是多級(jí)放大器，它的作用是提供足夠

57、的增益， 并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，以使輸入光信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)， 輸出電信號(hào)保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。 3. 均衡和再生均衡 對(duì)產(chǎn)生畸變(失真)的電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號(hào)的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，減小誤碼率。 再生 再生電路包括判決電路和時(shí)鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號(hào)與噪聲混合的波形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對(duì)碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。 4.2.3誤碼率(BER)tIsImI1(t)I0(t)判決門限D(zhuǎn)0圖 4.18 計(jì)算誤碼率的示意圖 誤碼率的計(jì)算： 用噪聲電流(壓)的概率密度函數(shù)來計(jì)算。如圖，

58、I1是“1”碼的電流，I0是“0”碼的電流。 Im是“”碼的平均電流，而“0”碼的平均電流為0。D為判決門限值，一般取D=Im/2。如I1D，則“0”可能被誤判為“”碼。光接收機(jī)對(duì)碼元誤判的概率稱為誤碼率。01mIDDQNN01mIQNN或 1015101410131012101110101091081071061054.555.566.577.5Q誤碼率圖4.19 誤碼率和Q的關(guān)系Q 超擾比。含有信噪比的概念只要知道Q值，就可求出誤碼率，如圖：Q=6, BER10-9，Q7， BER=10-12。 對(duì)于PIN光電二極管，NDm，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、

59、8B9B、 17B18B等等。 最簡單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“”變換為“01”， 把“1”變換為“10”。 因此最大的連“”和連“”的數(shù)目不會(huì)超過兩個(gè)，例如1001和0110。但是在相同時(shí)隙內(nèi)，傳輸1比特變?yōu)閭鬏?比特， 碼速提高了1倍。 4.3.2 mBnB碼1. mBnB碼編碼原理4.3線路編碼線路編碼 3B4B碼，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個(gè)碼字， 變換為4B碼時(shí)， 共有(24)16個(gè)碼字，見表4.2。 從4B碼的16個(gè)碼字中挑選8個(gè)碼字來代替3B碼。 設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個(gè)“0”，變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“

60、”；在3B碼中有2個(gè)“1”， 變?yōu)?B碼時(shí)補(bǔ)1個(gè)“0”。而000用0001和1110交替使用； 111用0111和1000交替使用。同時(shí)，規(guī)定一些禁止使用的碼字， 稱為禁字，例如0000和1111。 “碼字?jǐn)?shù)字和”(WDS)：是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼， 用“+1”代表“”碼，整個(gè)碼字的代數(shù)和即為WDS。 如果整個(gè)碼字“”碼多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼多于“1”碼， 則WDS為負(fù)；如果數(shù)目相等，則WDS為0。例如：對(duì)于0111，WDS=+2；對(duì)于0001， WDS=-2；對(duì)于0011，WDS=0。 nB碼的選擇nB碼的選擇原則：盡可能選擇|WDS|最小的碼字， 禁止