光纤通信期中复习

1、努力学习，注意身体努力学习，注意身体 艰苦的历程已完成一多半了。艰苦的历程已完成一多半了。 光纤通信的优点光纤通信的优点 1. 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大 2. 损耗很小，中继距离很长且误码率很小损耗很小，中继距离很长且误码率很小 3. 重量轻、重量轻、 体积小体积小 4. 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 5. 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 光纤通信的缺点光纤通信的缺点 抗拉强度低，容易折断抗拉强度低，容易折断 (比如经常被挖断比如经常被挖断) 光纤连接困难光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等断面是否垂直、焊接点是否有气泡等) 光纤通信过程中怕水

2、、怕冰光纤通信过程中怕水、怕冰 (OH-根吸收增大损耗根吸收增大损耗) 光纤怕弯曲光纤怕弯曲 (导致损耗增加导致损耗增加) 6. 节约金属材料，节约金属材料， 有利于资源合理使用有利于资源合理使用 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 光纤通信系统可以传输数字、模拟信号。 以数字电话和模拟电视为例。 图 1.4 光纤通信系统的基本组成(单向传输) 信 息 源 电 发 射 机 光 发 射 机 光 接 收 机 电 接 收 机 信 息 宿 基本光纤传输系统 光纤线路 接 收发 射 电信号 输入 光信号 输出 光信号 输入 电信号 输出 数字通信系统的优点：数字通信系统的优点： 抗干扰能力强，

3、传输质量好。 可以用再生中 继，传输距离长。 适用各种业务的传输，灵活性大。 容易实现高强度的保密通信。 便于加密 易于集成，实现小型化，可降低成本。 数字通信系统的缺点：数字通信系统的缺点： 占用频带较宽，系统的频带利用率不高。但是光纤 通信的频带很宽，足够克服数字通信的缺点。 1 数字通信系统数字通信系统 2 模拟通信系统模拟通信系统 占用带宽较窄，电路简单、价格便宜。 2.1光纤结构和类型光纤结构和类型 2.1.1光纤结构光纤结构 n1n2 ，相对折射率差=(n1-n2)/n1， 0.3%0.6% 单模光纤； 1%2% 多模光纤。 纤芯纤芯 高纯度SiO2，有极少量的掺杂(如GeO2，

4、P2O5)，用来提高纤芯对光的折射率n1，以传输 光信号。 包层包层：掺杂的高纯度SiO2。掺杂剂(如B2O3) 用 来适当降低n2 。 涂覆层涂覆层：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。 一次涂覆层一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅 橡胶材料； 缓冲层缓冲层一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械 擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性， 起着延长光纤寿命的作用。 光纤种类很多，作为通信用的由高纯石英光纤主要有三种。 2.1.2光纤类型光纤类型 突变型多模光纤突变型多模光纤(SIF),图2.2(a)，折射率

5、由纤芯的n1突变到包层 的n2。2a=5080m，光线以折线形状传播，特点是信号畸变大。 渐变型多模光纤渐变型多模光纤(GIF),图2.2(b)，折射率由纤芯中心n1逐渐减 小到包层的n2。2a=50m，光线以正弦形状传播，特点是信号 畸变小。 单模光纤单模光纤(SMF),图2.2(c)，折射率突变，2a=810m，光线直 线传播。只能传输一个模式(两个偏振态简并), 信号畸变很小。 多模光纤的纤芯直径比单模光纤大很多，可以容纳数百个模式。 渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径包层外径2b都选用都选用125 m。 图 2.2三种基本类型的光纤 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；

6、（c） 单模光纤 横截面 2a 2b r n 折射率分布 纤芯包层 Ai t Ao t (a) 输入脉冲光线传播路径输出脉冲 50 m 125m r n Ai t Ao t (b) 10 m125m r n Ai t Ao t (c) 允许多个模式在其中传输的光纤，或者说 在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。 优点：优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为 光源 缺点：缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输 单模光纤：单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。 优点：优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在 模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽， 这对于高码速长途

7、传输是非常重要的。 缺点：缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合， 需要使用半导体激光器激励。 图 2.3典型特种单模光纤 (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 2a 2a n1 n2 n3 (a)(b)(b) 其他光纤其他光纤 双包层光纤(W型光纤), 可以得到在1.31.6m之间色散平坦光 纤(DFF)， 或把零色散波长移到1.55m的色散移位光纤(DSF)。 三角芯光纤,适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用 椭圆芯光纤,使传输光保持其偏振状态，又称为双折射光纤或偏 振保持光纤。 存在c 对应c c，光线在界面折射, 随着传播迅速衰减。 只有c的圆锥内入射的光束

8、才能在光纤中传播 3 2 1 y 1 l L x o c 2 3 纤芯n1 包层n2 z c 1 空气n0 2.2.1几何光学方法几何光学方法 1. 突变型多模光纤突变型多模光纤 全反射临界角c =sin-1(n2/n1)， 只有c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播 NA的影响的影响 NA大，接收光的能力强，耦合效率高，光纤抗弯曲性能 高。 但NA大，传输产生的信号畸也变大，限制了传输容量。 22 121 2NAnnn 设=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或c=12.2 (=(n1-n2)/n1 ) (2.3) 数值孔径数值孔径(numerical aperture, NA) 2.2

9、) 时间延迟时间延迟光线在光纤中的传播时间问题光线在光纤中的传播时间问题 2 1111 1 sec(1) 2 nln Ln L ccc 最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光线之间时间延迟差 近似为 (2.4) c Ln NA cn L cn L c 1 2 1 2 1 )( 22 (2.5) 这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。 设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1km，得脉冲展宽=44ns。 入射角的光线传输长度为L(ox), 经历的路程为l (oy)，传播时 间或时间延迟为 2. 渐变型多模光纤渐变型多模光纤 n1为纤芯中心中心折射率，=(n1-n2)/n1，g:

10、 折射率分布指数。 12 11 12 ( ) 1( ) gg rr nn aa n11-=n2 ra 0ra n(r)= g，(r/a)0，突变型多模光纤 g=2，抛物线折射率分布，脉冲展宽最小脉冲展宽最小。 (2.6) n与r有关，各点的各点的NA不同不同 2 2 2 )()(nrnrNA 22 max12 NAnn 自聚焦效应自聚焦效应 当光线从中轴线(z=0, ri=0)入射，得 0 0 (0) sin() *cos() An rAz Az (2.14a) (2.14b) 渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，其 幅度取决于入射角0， 其周期=2/A=2a/ ，与入射 角0无关

11、。即不同入射角的光线，虽然传输路径不同， 但是都会聚在轴上某点上，这种现象称为自聚焦效应自聚焦效应。 2 sin() cos() i i A rAz Az 在光纤内部 (2.14*) 周期的数量级：a20m, 0.01, =1.111mm 多模光纤信号畸变小的定性解释多模光纤信号畸变小的定性解释 渐变型多模光纤中各光线的时间延迟近似相等近似相等。入 射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离 中心轴线，n(r)较小，入射角小的光线情况正好相反， 其路程较短，但速度较慢。所以这些光线的光程差 别小，时间延迟近似相等。 222 2 222 12 (/ )knw b Vnn 归一化传输常数 (2.

12、28) 取值范围为 n2k n1k，等效于 0b1， 归一化频率 22 12 2 a Vnn 2. 特征方程和传输模式特征方程和传输模式 2.2.2 光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论结论(物理含义、常数) 每条曲线表示一个 传输模式的 随V 的变化， 所以方 程(2.26)又称为色 散方程。 色散曲线含义： 电磁波分类电磁波分类 所谓模式是指电磁场的不同分布形式， 按照是否为横波可分为以下3类： 1. 横电模 (TE)：z方向上的电场分量为0，或电场分量 垂直于z 2. 横磁模 (TM)： z方向上的磁场分量为0，或磁场分 量垂直于z 3. 混合模 (HE or EH)：z方向上的电场和磁

13、场都不为0 HE (Ez Hz) 相反 EH (Ez Hz) 3. 多模渐变型光纤的多模渐变型光纤的模式特性模式特性 传输常数传输常数 普遍公式 2 1 2 1 ) )( (21 g g M m kn M是模式总数， m()是传输常数大于的模式数。 2 222 1 ()() 222 ggV Ma k n gg 222 1 22 1 (2) 2 ( )() g g k n k n mM 突变型光纤, g,M=V2/2； 平方律光纤，g=2，M=V2/4。 (2.32b) (2.32a) (2.31) 单模条件和截止波长单模条件和截止波长 单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性 对于给定的光纤(n1

14、、n2和a确定)，存在一个临界波临界波 长长 c，当c时，是单模 传输。 2.405 c V V和c的关系 从图2.8可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。 当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在。HE11称 为基模，由两个偏振态简并而成。 由此得到单模传输 条件为 22 12 2 2.405 a Vnn 光场分布和模场半径光场分布和模场半径 2 0 0 ( )exp () r E rE w w0称为模场半径(MFD)：光功率为e-1E20时的光场半径宽度 (E20为轴心的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。 单模光纤的基模HE11的电磁场(振幅)分布近似为高斯分布 2.3.1

15、光纤色散光纤色散 1. 色散、色散、 带宽和脉冲展宽带宽和脉冲展宽 色散色散 在光纤中传输时，不同成分的光的时间延迟不同。 例如单模光纤约80%的光功率在纤芯中传播，20%在包 层中传播,其有效折射率介于n1,n2之间,具体值与功率 比有关。 模式色散模式色散 不同模式的时间延迟不同， 它取决于光纤 的折射率分布，以及材料的色散。 材料色散材料色散 光纤折射率随波长而改变，导致延迟不同。 波导色散波导色散 波导结构参数与波长有关，不同波长延迟 不同。 偏振模色散偏振模色散 不同偏振态不同传输速度 色散的影响及表示方法。色散的影响及表示方法。 模拟调制信号: 色散限制带宽； 3dB光带宽f3dB

16、 数字脉冲信号: 色散产生脉冲展宽。 脉冲展宽。 脉冲展宽脉冲展宽 =(2n+2m+ 2w)1/2 下标 n m w 指模式色散、材料色散和波导色散 3dB带宽带宽 一般|H(f)|随频率的增加而下降，光纤起了低通滤波器的作 用。 定义3dB光带宽光带宽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光带宽为 3 2ln2 1187 () 2 dB MHZf 用高斯脉冲半极大全宽度(FWHM)= =2.355， 代 入式(2.47a)得到 2 2ln2 3 440 () dB MHZf

17、 和是信号通过光纤产生的脉冲展宽，单位为ns。 输入脉冲一般不是函数。设输入和输出脉冲都为高斯函 数，其rms脉冲宽度分别为1和2，频率响应分别为H1(f)和H2(f)， 根据傅里叶变换特性得到 (2.48) 由此得到， 信号通过光纤后产生的脉冲展宽 = 或 = ， 1和2分别为输入脉冲和输出脉冲的 FWHM。 光纤3dB光带宽f3dB和脉冲展宽、的定义示于图2.11。 2 1 2 2 2 1 2 2 2 1 ( ) ( ) ( ) Hf H f Hf 图 2.11 光纤带宽和脉冲展宽的定义 1/2 1/ e 输入脉冲 光 纤 1 t Pi(t)(t) H1(f)1 f f3dB 0 3 10

18、lgH( f )/dB Po(t) h(t) H2( f ) H( f ) t 2 输出脉冲 吸收损耗吸收损耗 由光纤材料引起的固有吸收和杂质、缺陷 吸收产生。 电子跃迁紫外(UV)区(7m) 损耗的机理损耗的机理 散射损耗散射损耗 由材料密度不均引起的瑞利散射和结构缺陷 (如气泡)引起的散射产生的。该损耗与波长无关。 光纤损耗光纤损耗 此外还有弯曲损耗弯曲损耗 图 2.16光纤损耗谱 (a) 三种实用光纤； (b) 优质单模光纤 波 长 / m 损 耗 /( dBkm 1) 0.8 0 2 4 6 8 10 0.61.0 1.21.41.6 800 损 耗 / (dBkm 1) 波 长 /

19、nm 0.0 SIF GIF SMF 0.5 1.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 1.5 10001200 14001600 a bc d e a b c d e 850 1300 1310 1380 1550 1.81 0.35 0.34 0.40 0.19 nmdB / km (a)(b) 1.8 一般地，损耗与波长的关系为 =A/4+B+CW()+IR()+UV() (2.61b) 2. 实用光纤的损耗谱实用光纤的损耗谱 A为瑞利散射系数, B为结构缺陷散射产生的损耗，CW()、 IR() 和UV()分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。 由图2.16看到： 从(SI

20、F),(GIF)到 (SMF)光纤，损耗依次减小。 在0.81.55m波段内, 除吸收峰外, 损耗随波长增加迅速减 小。 在1.39mOH-吸收峰两侧1.31m和1.55m存在两个损耗 极小 的波长“窗口”。 另一方面, 从多模SIF、GIF光纤到SMF光纤，色散依次减 小(带宽依次增大)。 石英单模光纤的零色散波长在1.31m，还可以把零色 散波长从1.31m移到1.55m，实现带宽最大损耗最小的 传输。 正因为如此，光纤通信从SIF、GIF光纤发展到 SMF光纤，从短波长(0.85m)“窗口”发展到长波 (1.31m和1.55m)“窗口”，使系统技术水平不断提高。 后向散射法后向散射法测量

21、光纤的后向散射光功率 瑞利散射光功率与传输光功率成比例。 测量原理测量原理 在光纤的输入端注入一个窄光脉冲，该脉冲 在传输时产生瑞利散射, 一部分散射光沿光纤返回，这 种连续不断向输入端传输的散射光称为后向反射光。靠 近输入端的光波传输损耗小，散射回来的信号就强，离 输入端远的地方光波的传输损耗大，散射回来的信号就 弱。测出两点散射光返回的光功率以及两点间的距离， 就可算出平均衰减系数。 L1 L2 输入脉冲输入脉冲 返回脉冲返回脉冲1 返回脉冲返回脉冲2 2.5光纤特性测量方法光纤特性测量方法 1 212 ()10 lg(/) 2()() d d P L adB Km LLP L 分母中的2

22、表示来回两次传输。 21 21 1 () 2 c tt LL n 若测得由L1和L2点散射回来的光功率分别为Pd(L1)和 Pd(L2)，有 (2.62b) 测量仪器测量仪器 光时域反射仪(OTDR)。 原理是 脉冲发生器根据主时钟产生窄光脉冲，经 光耦合器将光耦合进被测光纤，同时将散射和反射 信号耦合进光电检测器，将信号处理后显示输出波 形，并输出有关数据。 dB ( ) b ( ) c ( )d ( ) e ( ) a length 图 2.24是后向散射功率 曲线的示例， 图中 (a)输入端反射区； (b)恒定斜率区， 用以确 定损耗系数； (c)连接器、 接头或局部 缺陷引起的损耗；

23、(d)介质缺陷(如气泡)引 起的反射； (e)输出端反射区， 用以 确定光纤长度。 图 2.24 后向散射功率曲线 通信用光器件可以分为通信用光器件可以分为有源器件有源器件和和无源器件无源器件两两 种类型。种类型。 光纤通信中，需要有光源发光，将电信号光纤通信中，需要有光源发光，将电信号 转变为光信号，还要有光接收器件，将光信号转化转变为光信号，还要有光接收器件，将光信号转化 为电信号。这种发光器件和光接收器件统称为为电信号。这种发光器件和光接收器件统称为光电光电 器件器件，或，或有源器件。有源器件。 对光信号进行处理的器件对光信号进行处理的器件 称为称为无源器件无源器件。 C3 C3 通信用

24、光器件通信用光器件 有源器件：光源、光检测器和光放大器， 无源器件：连接器、耦合器、波分复用器、 调制器、光开关、和隔离器等。 1. 受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 hf12 初态E2 E1 终态E2 E1 (a)(b) hf12 (c) hf12 hf12 (a) 受激吸收受激吸收 (b) 自发辐射自发辐射 (c) 受激辐射受激辐射 E1 ：低能级：低能级 E2：低能级：低能级 hf12= E2 - E1 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相 同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态 的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内， 相位和偏振态

25、是混乱的，这种光称为非相干光。 图 3.2半导体的能带和电子分布 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体 Eg/2 Eg/2 Ef Ec Ev Eg 导 带 价 带 能 量 Ec Ef Eg Ev Eg Ec Ef Ev (a)(b)(c) 2. PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 半导体中由于原子间的相互作用，电子所处的能态扩 展成能级连续分布的能带。能量低的称为价带，高的称为 导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差 Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。 根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子 占据的概率为费米分

26、布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级费米能级 )exp(1 1 )( kT EE Ep f 一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的， 用Ef 位于禁带中央来表示。 在本征半导体中掺入施主杂质， 称为N型半导体。 在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P 型半导体。 单一半导体不可能用通电的方法实现粒子数反转 显然能量越高，分布概率越小 图3.3PN结的能带和电子分布 (a) P - N结内载流子运动； (b) 零偏压时P - N结的能带图； (c) 正向偏压下P - N结能带图 hf hf E p c E p f E p v E n c E n f E n v 内部

27、电场 外加电场 电子，空穴 (c) 势垒 能量 E p c P区 E n c Ef E p v N区 E n v (b) P区 PN 结空 间电 荷区 N区 内部电场 扩散 漂移 (a) 在PN结界面上，载流子发生扩散 运动，形成内部电场，阻碍漂移运 动，最终达到平衡，使P区和N区 的Ef相同，结果能带发生倾斜。这 时在PN结上施加正向电压，减弱 内部电场，能带倾斜减小，扩散增 强。最后在PN结形成一个特殊的 增益区。增益区的导带主要是电子， 价带主要是空穴，结果获得粒子数 反转分布。在电子和空穴扩散过程 中，导带的电子可以跃迁到价带和 空穴复合，产生自发辐射光。 PN结实现粒子数反转结实现粒

28、子数反转 3. 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔 要形成激光，必须借助光学谐振腔，对频率和方向进行选择。 图 3.4 (a) 谐振腔和激光振荡； (b) 光反馈 2n 反射镜 光的振幅 反射镜 L (a) 初 始 位 置 光 光 强 输出 OXL (b) 法布里-珀罗谐振腔由两个的平行反射镜(R1和R2)构成。腔内的激 活物质具有粒子数反转分布，实现受激辐射。光经腔镜反射，沿 轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。经多次反 馈，光强得到放大，方向性得到改善，形成激光输出。 在热平衡状态下，单位摩尔数的物质中，处于能级E1和 E2的原子数N1和N2存在如下关系 (波尔兹曼分布波

29、尔兹曼分布) 221 1 exp() NEE NkT (E2-E1)0，T0，N1N2。 受激吸收和受激辐射速率正比于N1和N2，且比例系数相等。 如果N2N1(粒子数反转粒子数反转)，受激辐射大于受激吸收， 当光通过这种物质时，会产生放大作用。 如果N1N2，受激吸收大于受激辐射。当光通过这种 物质时，光强按指数衰减。 粒子数反转粒子数反转 2 2 nL Lq nq 或 q=1, 2, 3 称为纵模模数。 每个q对应的波长及其振荡称为一个纵模。 th= + 21 1 ln 2 1 RRL th为阈值增益系数， 为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长 度，R1，R21为两个反射镜的反射率

30、。 1)腔内存在增益和损耗因素，当二者相当时， 在谐振腔 内建立稳定的激光振荡， 其阈值条件阈值条件为 2)激光在腔内振荡时以驻波形式存在，必须满足一定的相位条件相位条件 阈值条件与相位条件阈值条件与相位条件 两种结构：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。 F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图4.9所示。 图4.9 半导体激光器的结构示意图 4. 半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 双异质结双异质结半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 基本结构：基本结构： 有 源 层 ：有 源 层 ：中 间 的 一 层 厚 0.10.3m的窄带隙P型半导体； 限制层：限制层：两侧的宽带隙的

31、P型 和N型半导体。 三层半导体置于基片(衬底) 上，前后两个晶体解理面 作为反射镜构成法布里法布里 - 珀罗珀罗(FP)谐振腔谐振腔。 激光的光子能量，近似近似等于禁带宽度Eg (eV)，即 hf=Eg ，f 为光的频率, h为普朗克常数。换算为波长 (m)，有 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 gg EE hc24. 1 不同半导体材料有不同的Eg，因而有不同的。 (GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85m波段， (InGaAsP- InP)材料适用于1.31.55m波段。 例例 GaAlAs DH激光器的光谱特性激光器的光谱特性

32、。 直流驱动：直流驱动： i) 波长有一定分布。 图 3.7GaAlAsDH激光器的光谱特性 (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制 ii) 随着驱动电流的增加， 纵模数逐渐减少，线宽 变窄。 数字调制数字调制: 随着电流增大， 纵模模数增多，谱线宽度 变宽。要得到高速数字调制 的动态单纵模激光器，必须改 变激光器的结构，如采用分布 反馈激光器。 I W 10 m 20 m 20 m 30 m 30 m 50 m 10 m 近 场 图 样 0.1rad 远 场 图 样 近场：近场：激光器输出反射镜面上的光强分布， 远场：远场：离反射镜面一定距离处的光强分布。 2. 激光束的空间分

33、布激光束的空间分布 近场和远场是由谐振腔的横向尺寸， 即平行于PN结平面的宽度w和垂直于 结平面的厚度t所决定，并称为激光 器的横模横模。如图，平行于结平面的谐 振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由 多横模变为单横模；垂直于结平面的 谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图 总是单横模。 图 3.8 GaAlAsDH条形激光器的近场图 3. 转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 d () e thth hf PPII ()/ ()/ th d th PPhfP e IIeI hf 有 产生光子数产生光子数/输入电子数输入电子数 I: 驱动电流, P:输出光功 率，Pth和Ith为阈值, e为

34、电子电荷。 IIth时是受激辐射光， 光功率随驱动电流的增 加而增加。 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00 20 40 60 80 工 作 电 流 I / mA 单 面 输 出 功 率P / mW 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 00 50100150Ith 工 作 电 流 I / mA 输 出 功 率P / mW (a)(b) 图 3.10 光功率特性 (a) 短波长AlGaAs/GaAs; (b) 长波长InGaAsP/InP 在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数 0.010.1110 0.1 1 10 100 fr 调制频率f / GHz 相对光

35、功率 在直接光强调制下， 激光输出光功率P和调制频率f的关系为 2 222 (0) ( ) 1 (/) 4(/) rr P P f ffff 4. 频率特性频率特性 0 11 (1) 2 r spphth II f II 图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性 Fr :弛豫频率,:阻尼因子, Ith:阈值电流, I0:偏置电流；I :零增益电流，高掺杂 LD, I=0，低掺杂LD, I=(0.70.8) Ith； sp为有源区内的电子寿命， ph为谐振 腔内的光子寿命。 图中 fr是调制频率的上限，一 般激光器的fr为12 GHz。在接近 fr 处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟 调制要产

36、生非线性失真。 随温度升高，随温度升高，Ith增大，增大， d减小，减小，导致输出光功率明显下降， 达到一定温度时，激光器就不再出光了。 0 0 exp() th T II T 5. 温度特性温度特性 当对激光器进行脉冲调制时，在一定温度范围内，有 d对温度不十分敏感，例如， GaAlAs-GaAs激光器在77 K时 d50%，在300 K时， d30%。 T为结区温度(K)，T0为特征温度。GaAlAs-GaAs激光器 T0=100150K、InGaAsP-InP激光器T0=4070 K，所以长波长 InGaAsP-InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。 图 3.12 P- I曲线随温

37、度的变化 22 30 40 50 60 70 80 P / mW 5 4 3 2 1 0 50100 I / mA 不激射 图3.12示出脉冲调制 的激光器，由于温度 升高引起阈值电流增 加和外微分量子效率 减小，造成的输出光 功率特性P - I曲线的 变化。 衍射光栅 有源层 N层 P层 输出光 光栅 有源层 b a (a)(b) 结构特点结构特点:在有源层附近有沿长度方向制作的衍射光栅 3.1.3分布反馈激光器分布反馈激光器(Distributed Feed Back, DFB) 普通激光器依靠腔镜对光进行反馈，DFB激光器在靠近有 源层的区域制作了布拉格光栅,使光沿有源层分布式反馈。 光

38、在传播时发生布拉格衍射，使向前和向后的光相互耦合(即相 干叠加)，从而对波长作出选择。 在腔体中使用布拉格光栅 (FBG) 会对特定波长发生强烈反射。 这些特定的波长称为布拉格波长： 。只有符合反射 条件的频率的光会得到强烈反射产生激光。其输出波长为： 2 Be n 2 (1/2) 2 B B e m n L m=0对应两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为 2 2 1,2 1 () 2 2 B e n L 其中，ne为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数， L为光栅长度 DFB激光器的优点激光器的优点： 单纵模激光器。单纵模激光器。 相当于F-P激光器的腔长L，每一个形成一个微型谐振

39、腔， 很小使 得m阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比F-P大得多。 谱线窄，谱线窄， 波长稳定性好。波长稳定性好。 每一个栅距相当于一个FP腔，所以布喇格反射可以看作多级调谐， 谱线明显变窄，可以窄到几个GHz。 光栅具有锁定波长的作用，因而波长的稳定性得以改善。 动态谱线好。动态谱线好。 比FP激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。 线性好。线性好。 线性非常好， 广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。 分布布拉格反射 (DBR) 激光器 DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面，它相当于在有源区的 一侧或两侧加了一段分布式布拉格反射器，起着衍射光栅的作 用，因此可以将它看成是端面反射

40、率随波长变化而变化的特殊 激光器。DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似。但 其阈值电流要比DFB激光器的阈值电流高。 LED发光为自发辐射； 结构：类似LD，但是LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。 类型：正面发光型LED， 侧面发光型LED， 区别区别：相比于正面型，侧面型LED驱动电流较大，输出光功率 较小， 但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高。 3.1.4 发光二极管发光二极管 图 3.14两类发光二极管(LED) 相对LD，LED输出光功率较小，谱线较宽，调制频率 较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性 范围宽， 而且制造工艺简单，价格低廉，在小容量短距离

41、 系统中广泛使用。 相对LD，LED输出光功率较小，谱线较宽，调制频率 较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性 范围宽， 而且制造工艺简单，价格低廉，在小容量短距离 系统中广泛使用。 谱线较宽谱线较宽。 发光二极管的工作特性：发光二极管的工作特性： (1) 光谱特性光谱特性。 (2) 光束的空间分布光束的空间分布 正面发光型LED辐射图呈朗伯分布，即P()=P0cos ，半功率点辐射角 120o, 侧面 发光型, 120, 2535。由于大，LED与光纤的耦合效率一般小于10%。 （3）输出光功率特性）输出光功率特性 d小于10%。I较小时，P-I线性较好；I过大时，由于PN结发热

42、产生饱和现象，使 P-I 曲线的斜率减小。LED工作电流为50100 mA，输出光功率为几mW 2 ( )1 ( ) (0) 1 (2) e p f H f P f (4) 频率特性。频率特性。 频率响应 f为调制频率, P(f)为对应光功率，e为少数载流子的寿命。 LED的截止频率截止频率 fc=1/(2e) 其对应相应 1 ( ) 2 H f 关于LED的小结 原理：外加电场实现粒子数反转，电子原理：外加电场实现粒子数反转，电子-空穴对的自发复合空穴对的自发复合 导致发光导致发光 为什么要使用为什么要使用LED： 1. 驱动电路简单驱动电路简单 2. 不需要温控电路不需要温控电路 3. 成

43、本低、产量高成本低、产量高 优点：优点： 输出光功率线性范围宽输出光功率线性范围宽 (P-I特性特性) 性能稳定性能稳定 寿命长寿命长 制造工艺简单、价格低廉制造工艺简单、价格低廉 缺点：缺点： 输出光功率较小输出光功率较小: 几个毫瓦几个毫瓦 谱线宽度较宽谱线宽度较宽:几十个纳米到上百纳米几十个纳米到上百纳米 调制频率较低调制频率较低 这种器件在这种器件在小容量小容量、短距离短距离系统中发挥了重要作用系统中发挥了重要作用 当光照射到光电二极管的光敏 面上时，能量大于或等于带隙 能量Eg的光子将激励价带上的 电子吸收光子的能量而跃迁到 导带上，可以产生自由电子- 空穴对（称为光生载流子）。 电

44、子-空穴对在反向偏置的外 电场作用下立即分开并在结区 中向两端流动，从而在外电路 中形成电流（光电流）。 3.2 光检测器光检测器 3.2.1光电二极管工作原理光电二极管工作原理 由半导体PN结的光电效应把光信号转换为电信号 施加反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗 尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩 散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多， 所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性 区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢。 光电效应 反向偏压 PIN光电二极管光电二极管 I层是N型本征半导体，用(N) 表示；两侧是高掺杂

45、的P型和N 型半导体。 I层很厚，入射光在其内部被充 分吸收而产生大量电子-空穴对， 因而大幅度提高了光电转换效 率。两侧P+层和N+层很薄，I 层几乎占据整个耗尽层， 因而 光生电流中漂移分量占支配地 位，从而大大提高了响应速度。 另外，可通过控制耗尽层的宽 度w，来改变器件的响应速度。 PIN光电二极管的主要特性：光电二极管的主要特性： (1) 量子效率和光谱特性。 00 /- / PP IeIhf PhfPe 光生电子 空穴对 入射光子数 响应度响应度: 一次光生电流一次光生电流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 0 P Ie Phf (2) 响应时间和频率特

46、性。 对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最 大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时 间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f。 光生电流I()下降3dB的频率定义为截止频率fc。 (3) 噪声。 包括散粒噪声散粒噪声(Shot Noise)和热噪声热噪声。噪声通常用均 方噪声电流(在1负载上消耗的噪声功率)来描述。 散粒噪声是一种实验观测中的读出噪声，当观测中携带能量的粒子 （如电路中的电子或光学仪器中的光子）数量少到能够引发数据读 取中出现可观测到的统计涨落，这种读出的统计涨落被称作散粒噪 声。 均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B e:电子电荷，

47、B:放大器带宽，IP:信号电流, Id:暗电流。 2eIPB 量子噪声，由入射光子和所形成的电子-空穴对都具 有离散性和随机性而产生。这是一种不可克服的本征噪声， 它决定光接收机灵敏度的极限。 2eIdB 暗电流产生的噪声。 器件在反向偏压条件下，没有入 射光时会产生反向直流电流。它包括晶体材料表面缺陷形成的 泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。，例如Si-PIN， Id100nA。 i2T= (3.23) 式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温 度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结 果。 因此， 光电二极管的总均方噪声电流为 4kTB R 2 4

48、 2 () + Pd kTB ie IIB R 均方热噪声电流 I0 NPP(N) 光 当光入射到PN结时产生电子-空穴对。如果结区电场 达到200 kV/cm以上，初始电子获得足够能量和晶格 原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生新的电子- 穴对。 新的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产 生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。 APD具有光 电转换效率高、响应速度快和附加噪声低等优点。 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD) 图图6.4 APD的结构的结构 两种类型两种类型 常用的APD结构包括拉通型拉通型APD和保护环型保护环型APD。 1. 倍增因子倍增因子g APD输出光电流Io和一次光

49、生电流IP的比值。 0 P I g I (g 20100) 两个参数两个参数 n B n B URIUUU I g / )(1 1 )/(1 0 0 经验公式 式中，U为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射 光波长有关的常数，R为体电阻。当UUB时，RIo/UB1， 上式可简化为 2 1 0 )( P BB nrI U nRI U g 连接器和接头连接器和接头 连接器连接器是光纤之间可拆卸可拆卸连接的器件; 接头接头则是固定固定连接。 连接器有单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器， 图 3.27 套管结构连接器简图 光纤套管插针粘结剂 接头：用自动熔接机热熔接，或者用V形槽连接。 光耦

50、合器光耦合器 (分波合波器) 功能：功能：把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输 入的光信号组合成一个输出。 1. 耦合器类型耦合器类型 T形 (a) 星 形 (b) 定 向 (c) 2 3 1 4 1 2 N 12N (d) 波 分 3.2光光 无无 源源 器器 件件 T形耦合器形耦合器 把一根光纤输入的光信号分配给两根光纤， 或把 两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。 星形耦合器星形耦合器 把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配 给m根光纤。 定向耦合器定向耦合器 分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。 光信号从端1传输到端2， 一部分由端3输出，端4无输出；光信号

51、从端2传 输到端1，一部分由端4输出，端3无输出。定向耦合器可用作分路器，不能 用作合路器。 波分复用器波分复用器/解复用器解复用器(也称合波器/分波器) ，把多个不同波长 的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器是把一根光 纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。 2. 基本结构基本结构 (1)光纤型光纤型 把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作器件。 (2)微器件型微器件型 用自聚焦透镜和分光片、滤光片或光 栅等微光学器件可以构成T型耦合器、定向耦合器和 波分解复用器。 (3) 波导型波导型 在一片平板衬底上制作所需形状的光波 导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根

52、据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形 或半圆形。 法拉弟 旋转器 偏振器 反射光 阻塞 入射光 偏振器 SOP 1 P 2 P 功能功能: 实现光的单向传输。 用途：用途：置于激光器或光放大器后，避免反射光返回 到该器件致使器件性能变坏。 主要参数：主要参数： i)插入损耗插入损耗 对正向入射光，其值越小越好; 1dB ii)隔离度隔离度 对反向反射光，其值越大越好， 4050dB 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器 图 3.34 隔离器的工作原理 工作原理工作原理 磁致旋光 环行器环行器工作原理类似隔离器，但是具有多个端口。 在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端

53、口2 输入的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。 光环行器主要用于光分插复用器中。 图 3.36光环行器 (a) 三端口； (b) 四端口 1 3 2 (a)(b) 13 2 4 光调制器光调制器 外调制：电光效应、 磁光效应、声光效应。 电光调制，电光晶体如铌酸锂(LiNbO3) 的折射率n和 外加电场E的关系为 n=n0+E+E2 式中和是张量，称为电光系数。 当=0时，为线性电光效应或普克尔(Pockel)效应。 当=0时，n随E2按比例变化， 为二次电光效应或克尔效 应。调制器是利用线性电光效应实现的，因为折射率n随 外加电场E而变化， 改变了入射光的相位和输出光功率。

54、 功能: 把电信号转换为光信号，并耦合到光纤线路中。 电/光转换光源调制(直接调制和外调制) 图 4.1直接光强数字调制原理 (a) LED数字调制原理； (b) LD的数字调制原理 第 4 章 光端机 4.1光发射机基本组成 组成：光源组成：光源+电路电路 r d t 电脉冲 光脉冲 调制特性 1. 电光延迟和张弛振荡现象电光延迟和张弛振荡现象 在高电速脉冲调制下，LD的瞬态响应波形如图所示。 存在电光延迟时间td，ns量级。 存在张弛振荡光强振荡衰减，其频率 0.52 GHz。 图 4.3 光脉冲瞬态响应波形 后果：限制调制速率 1）当最高调制 接近r时，波形失真严重，导致误码。因此实际使

55、 用时， 最高调制 r。 2) 电光延迟产生码型效应。当td与数字调制的码元持续时间T/2 为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变 窄，幅度减小，严重时可能使单个“”码丢失， 这种现象称为 “码型效应”。 用适当的“过调制”补偿方法， 可以消除码型效应 增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率r， 减小其幅度衰减时间o，以及减小电光延迟 时间td，因此对LD施加偏置电流是非常必 要的。 危害：限制调制速率 电脉冲 光脉冲 2 ns5 ns2 ns (a)(b)(c) 12 图4.4 码型效应 a) 、(b)码效应波形； （c）改善后波形 电脉冲 光脉冲 2 ns5 ns2 n

56、s (a)(b)(c) 12 码型效应的产生原因 如图，在 “1”码之前，有较长的连“0”码， 由于电光延迟时 间长和光脉冲上升时间的影响，因此脉冲变小。 第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消失， 有源区电子密度较高，因此电光延迟时间短， 脉冲较大。 “码型效应”的特点是， 在 脉冲序列中较长的连“0”码后出 现的“1”码，其脉冲明显变小， 而且连“0”码数目越多，调制速 率越高，这种效应越明显。用适 当的“过调制”补偿方法， 可以 消除码型效应，图 (c)。 UC R2 LED C1 R1 Uin V 低电平0码和高电平1码对应 于V的截止和饱和导通状态。 调制电路和自动功率

57、控制 数字信号调制电路：电流开关电路。 1 以LED作为光源的光发射机调制电路。 数字信号Uin从三极管V的基极输入，通过集 电极的电流驱动LED。 图 4.6 共发射极驱动电路 R1为缓冲电阻，C1为加速电 容，可提高电路的工作速度。 R2为限流电阻，R3可提供一 个正向偏置电流，以提高响 应速度。 三极管一直在饱和，截 止两种状态转换，导致系 统响应很慢，适用于10 Mb/s以下的低速率系统。 图 4.6 共发射极驱动电路 UC R2 LED C 1 R1 Uin V 3 R 4.1.4温度特性和自动温度控制 1. 激光器的温度特性 1）温度升高，Ith增加，d 减小，输出光脉冲幅度下降。

58、 图 4.10温度引起的光输出的变化 (a) 阈值电流变化引起的光输出的变化； (b) 外微分量 子效率变化引起的光输出的变化 P I P I 20 C 25 C 70 C 20 C 电流脉冲 光脉冲 t0t T I1 I0 t=0时电脉冲到来，电流为I1，由于 电流的热效应，结区温度逐渐升高， LD的Ith增大，使输出光脉冲的幅度逐 渐减小。 当t=T时电流脉冲过后，电流从I1减 小到I0，结区温度逐渐降低， Ith减 小，使输出光脉冲的幅度增大。“结 发热效应”将引起调制失真。 2）结发热效应 调制电流引起激光器结区温度的变化，使输出光脉冲的形状发生变化。 图 4.11 结发热效应 低调制

59、速率的“结发热效应”更加明显。 光接收机基本组成 直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图 4.14，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时 钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。 4.2光接收机 图 4.14 数字光接收机方框图 光检测器 偏压控制 前置放大器 AGC 电路 均衡器判决器 时钟 提取 再生码流 主放大器 光信号 前端线性通道时钟提取 数据再生 光/电转换，对光检测器的要求如下： (1)波长响应与光纤低损耗窗口(0.85，1.31m和1.55m)兼容； (2)响应度高。在一定的接收光功率下，产生最大的光电流； (3) 噪声低， 能接收极

60、微弱的光信号； (4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小。 目前使用PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。 1. 光检测器 2. 放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前 放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择(参看4.2.2节)。 主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益， 并通过它实现自 动增益控制(AGC)，以使输入光信号在一定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。 主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。 2. 放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很 大。前放的噪声取决于放大