光通信技术-高新讲座

1、光通信技术光通信技术主讲教师：刘岚岚主讲教师：刘岚岚信息技术IT：Information Technologyn包括四个部分：信息获取，信息传输，信息处理和信息应用。n信息技术革命主要体现在三个方面：n微电子技术 n数字技术 n光通信技术 第一章第一章 引言引言第二章第二章 传输光路传输光路第三章第三章 光发射机光发射机第四章第四章 光接收机光接收机第五章第五章 光放大光放大第一章第一章 引言引言 光纤通信发展的历史、优点和应用光纤通信发展的历史、优点和应用光纤通信的概念光纤通信的概念 光通信的概念光通信的概念 光通信光通信是利用是利用光波光波来传送信息的。来传送信息的。通信技术通信技术电通信

2、电通信光通信光通信根据使用的电磁波频率范围分类：根据使用的电磁波频率范围分类：有线通信有线通信无线通信无线通信光纤通信光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输是以光作为信息载体，以光纤作为传输介质的光信息传输技术。介质的光信息传输技术。LASER通信是通过某种媒体进行的信息传递。通信是通过某种媒体进行的信息传递。 光纤通信优点光纤通信优点GOOD损耗低，损耗低，0.2dB/km传输容量大，传输容量大，400nm，50THz重量轻，体积小，重量轻，体积小，27g/km fiber资源丰富，石英资源丰富，石英抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高防爆性能

3、好防爆性能好宽带宽，大容量，能量集中，器件尺寸小，功耗低宽带宽，大容量，能量集中，器件尺寸小，功耗低。1. 探索时期的光通信探索时期的光通信 在这个时期，美国麻省理工学院利用在这个时期，美国麻省理工学院利用He-Ne激光器和激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验。激光器进行了大气激光通信试验。由于没有找到由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的研对光通信的研究曾一度走入了低潮。究曾一度走入了低潮。 1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激发明了第一台红宝石激光器，光器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，给光通

4、信带来了新的希望。激光器的发明和应用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。年的光通信进入一个崭新的阶段。 1880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送发明了用光波作载波传送话音的话音的“光电话光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。贝尔光电话是现代光通信的雏型。 原始形式的光通信原始形式的光通信:中国古代用中国古代用“烽火台烽火台”报警，欧报警，欧洲人用旗语传送信息。洲人用旗语传送信息。 2 现代光纤通信现代光纤通信 指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方这一发

5、展方向向 1966年，英籍华裔学者年，英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。的基础。光纤发明人高锟光纤发明人高锟 Charles K.Kao论文：论文：光频介质纤维表面波导光频介质纤维表面波导1966（Dielectric-Fiber Suface Waveguide for Optical Frequency

6、)提出：制造石英光纤可实现光纤通信提出：制造石英光纤可实现光纤通信指出指出 三点：三点： 光纤的容量很大光纤的容量很大 高纯石英光纤的损失可低达高纯石英光纤的损失可低达 20dB/km 单模光纤的原理构造单模光纤的原理构造高锟高锟光纤之父光纤之父光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟( (左左) )1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章2009年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟，年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟，美国科学家威拉德美国科学家威拉德博伊尔和乔治博伊尔和乔治史密斯。史密斯。 瑞典皇家科学院说，高锟在瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传有关光在纤

7、维中的传输以用于光学通信方面输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。奖另一半奖金。 1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年，美国康宁年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推

8、向一个新阶段。的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 1973 年，美国贝尔年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长波长1.2m)。 在以后的在以后的 10 年中，波长为年中，波长为1.55 m的光纤损耗：的光纤损耗： 1979 年是年是0.20 dB/km，1984年是年是0

9、.157 dB/km，1986 年年是是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。接近了光纤最低损耗的理论极限。 Corning 的的3位科学家位科学家Dr.DonalKeck,Dr.Bob Maurer, Dr.Peter Schultz于于1970年研制出低年研制出低损失光纤损失光纤. 1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展 1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质双异质结半导体激光

10、器结半导体激光器(短波长短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。导体激光器的发展奠定了基础。 1973 年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到7000小时。小时。 1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。激光器。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。万小时。 1979年美国电报电话年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司公司和日本电报电话公司研制

11、成功发射波长为研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年年成成为光纤通信发展的一个重要里程碑为光纤通信发展的一个重要里程碑 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展 1976 年，美国在亚特兰大年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。用光纤通信系统的现场试验。 1980 年，美国标准化年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。光纤通信系统投入商业应用。 1976 年和年和 1978 年，日本先后进

12、行了速率为年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变的突变型多模光纤通信系统，型多模光纤通信系统， 以及速率为以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通的渐变型多模光纤通信系统的试验。信系统的试验。 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 随后，由美、日、随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于1988年建成。年建成。 第一条横跨太平洋第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展

13、开，年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。促进了全球通信网的发展。光纤通信的发展光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段第一阶段(19661976年年)，这是从基础研究到商业应，这是从基础研究到商业应用的开发时期。用的开发时期。 第二阶段第二阶段(19761986年年)，这是以提高传输速率和增，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。 第三阶段第三阶段(1986 )，这是以，这是以超大容量、超长距离超大容量、超长距离为为目标、全面深入开展新技术研究

14、的时期。目标、全面深入开展新技术研究的时期。 3. 光纤通信的光纤通信的应用应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。是当前研究开发应用的主要目标。 光纤通信的各种应用可概括如下：光纤通信的各种应用可概括如下： 通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广

15、域网 有线电视网（有线电视网（CATV）的干线和分配网）的干线和分配网 数字机顶盒数字机顶盒(STB-Set Top Box)，宽带双向的多媒，宽带双向的多媒体通信网。体通信网。 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端用户用户用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备用户用户 现代通信方式示意图现代通信方式示意图用户终端用户终端交换设备交换设备接入网接入网电复接设备电复接设备传输系统传输系统电电/光光光光/电电前端前端前端前端网卡网卡电信号输入电信号输入网卡网卡电信号输出电信号输出传输光路传输光路光纤通

16、信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成第一节第一节 光纤光纤第二节第二节 无源光器件无源光器件 第二章第二章 传输光路传输光路传输光路要求传输光路要求 传输光路传输光路指的是从光信号的产生到接收的整个光通路指的是从光信号的产生到接收的整个光通路 要求要求: : 1. 没有光能的损失没有光能的损失 2. 没有色散和脉冲展宽（延迟问题）没有色散和脉冲展宽（延迟问题）3. 光强的响应是线性的光强的响应是线性的4. 偏振不敏感性、相位稳定性偏振不敏感性、相位稳定性 第一节第一节 光纤光纤2.1.1 光纤的一般理论光纤的一般理论2.1.2 通信用光纤的结构通信用光纤的结构2.1.1 光纤的一般理论光纤的

17、一般理论射线理论射线理论光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。n全反射原理全反射原理光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种不同介光线在均匀介质中是以直线传播的，但在两种不同介质的分界面会产生反射和折射现象：质的分界面会产生反射和折射现象：入射光入射光反射光反射光折射光折射光折射率折射率n1折射率折射率n2n1 n21当当n1n2 1 c时时发生全反射发生全反射c：临界角：临界角n光纤中光波的传输原理光纤中光波的传输原理-全反射全反射“之之”字线传输字线传输只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在只要满足全内反射条件

18、连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输。光纤纤芯内传输。当光在光纤中发生全反射现象时，由于光当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以以可以大大降低光纤的衰耗大大降低光纤的衰耗。n2n1光纤全反射纤芯8-10um包层 125um涂覆层 250umn1n2当光从折射率高(n1)的媒质入射到折射率低(n2)的媒质，入射角超过临界角时，光线在两种媒质的界面上不发生折射现象，只有反射。临界角：sinc = n2/n1横向谐振：2 ta=n2.1.2 通信光纤结构和制造通信光纤结构和制造1.光

19、纤结构光纤结构2.光纤的类型光纤的类型 纤芯主要采用高纯度的纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅，并掺有二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率n1； 包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率剂，主要是降低包层的光折射率n2； 涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。强度和可弯曲性。2.1.2 通信光纤的结构通信光纤的结构1.光纤的结构光纤的结构1.光纤的结构光纤的结构 石英光纤石英光纤 芯层芯层 包层包层 涂敷层涂敷层 护套护套:

20、 :紧套紧套 松套松套ncorenclad2. 光纤的类型光纤的类型光纤的分类方法很多光纤的分类方法很多 ：按照按照光纤截面折射率分布光纤截面折射率分布来分类；来分类；按照按照光纤中传输模式数光纤中传输模式数的多少来分类；的多少来分类；按照光纤使用的按照光纤使用的材料材料来分类；来分类；按照传输的按照传输的工作波长工作波长来分类。来分类。(1) 按光纤截面上折射率分布分类按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为：按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为： 阶跃型光纤阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)和渐变和渐变型光纤型光纤(Graded-Index

21、 Fiber，GIF。(2) 按传输模式的数量分类按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模和单模光纤光纤(Single Mode Fiber，SMF)。 在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为输时，则这种光纤称为多模光纤多模光纤。 单模光纤单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模纤只能传输基模(最低阶模最低阶模)，不存在模间时延，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得

22、多的带宽，这对于高差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。码速传输是非常重要的。(3) 按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长分类 按光纤的工作波长可以将光纤分为：按光纤的工作波长可以将光纤分为：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。纤。(4) 按按ITU-T建议分类建议分类n按照按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将关于光纤类型的建议，可以将光纤分为光纤分为G.651光纤光纤(渐变型多模光纤渐变型多模光纤)、G.652光纤光纤(常规单模光纤常规单模光纤)、G.653光纤光纤(色散位移光色散位移光纤纤)、G.654光纤光纤(截止波长光纤截

23、止波长光纤)和和G.655(非零非零色散位移光纤色散位移光纤)光纤。光纤。n按套塑按套塑(二次涂覆层二次涂覆层)可以将光纤分为松套光可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。纤和紧套光纤。n现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。光纤。 标准单模光纤（标准单模光纤（G.652光纤）光纤） 色散位移单模光纤（色散位移单模光纤（G.653光纤）光纤） 1550nm波长最低衰减光纤（波长最低衰减光纤（G.654光纤）光纤） 非零色散位移光纤（非零色散位移光纤（G.655光纤）光纤） 色散补偿

24、光纤（色散补偿光纤（G.65X光纤）光纤） 色散平坦光纤色散平坦光纤在在1310nm波长工作时，理论色散值为零，衰耗大；波长工作时，理论色散值为零，衰耗大；在在1550nm波长工作时，传输损耗最低，色散系数较大。波长工作时，传输损耗最低，色散系数较大。单通路速率达到单通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。时，需要采取色散调节手段。在我国占在我国占99%以上。虽称以上。虽称1310nm性能最佳光纤，但性能最佳光纤，但绝大部绝大部分却用于分却用于1550 nm，其原因是在，其原因是在1310nm无实用化光放大器。无实用化光放大器。它可传输它可传输2.5G或以或以2.5G 为基群的为基群

25、的WDM系统；但传输系统；但传输TDM的的10G，面临色散受限的难题（色度色散与，面临色散受限的难题（色度色散与PMD）。）。n 实现了在实现了在1550nm波长低衰减和零色散。波长低衰减和零色散。n 可以可以20Gbit/s系统，不需任何色散补偿。系统，不需任何色散补偿。n日本全国铺设。日本全国铺设。n在在1550nm波长，衰耗和色散皆为最小值，波长，衰耗和色散皆为最小值，可实现大容量长距离传输。因出现四波混频可实现大容量长距离传输。因出现四波混频效应效应(FWM),限制了它在限制了它在WDM（波分复用）（波分复用）方面的应用。方面的应用。 选用纯选用纯SiO2芯来降低光纤的衰减芯来降低光纤

26、的衰减 最大优点：在最大优点：在1550nm波长的最低衰减为波长的最低衰减为0.18dB/km 制造困难，价格昂贵，不实用。制造困难，价格昂贵，不实用。 截止波长移位的单模光纤，它的设计重截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低点是降低1550nm波长处的衰减。波长处的衰减。 1550nm损耗最小光纤，主要用于长再损耗最小光纤，主要用于长再生中继距离的海底光缆。生中继距离的海底光缆。因既可传输因既可传输TDM（时分复用模式（时分复用模式 ）的）的10G，又可传，又可传以以2.5G或或10G为基群的为基群的WDM系统，所以近年倍受青系统，所以近年倍受青睐。但睐。但理想的理想的G.655光纤无法

27、实现，因为在光纤的有光纤无法实现，因为在光纤的有效横截面积与色散斜率二方面难以均衡。效横截面积与色散斜率二方面难以均衡。 目前，目前，G.655光纤尚光纤尚无国际统一规范。无国际统一规范。 大的有效面积，会有效地避免非线性效应，但大的有效面积，会有效地避免非线性效应，但 将导致色散斜率的增加。将导致色散斜率的增加。 小的色散斜率将会便于色散的补偿；但其有效小的色散斜率将会便于色散的补偿；但其有效 面积却减小。面积却减小。单模光纤主要技术规范单模光纤主要技术规范光纤 G.652 G.653 G.654 G.655 截止波长nm 1270 1270 1530 1470 零色散波长nm 1300-1

28、324 1500-1600 色散斜率ps/km.nm20.093 0.085 最大色散值ps/km.nm 1310 3.5 3.5 3.5 1550 202050%more DWDM channels!3rd4th5thAllWave vs. Conventional FiberMore Usable Optical SpectrumAllWave 光纤光纤范崇澄 FS-89第二节第二节 无源光器件无源光器件主要功能：主要功能：对信号对信号(或能量或能量)的传输路径进行连接、合成、的传输路径进行连接、合成、分支；分支；对信号的形态进行变换以及有目的衰减其能对信号的形态进行变换以及有目的衰减其能

29、量等量等 光无源器件在光纤通信系统、光纤局域网光无源器件在光纤通信系统、光纤局域网(包包括计算机光纤网、微波光纤网、光纤传感网等括计算机光纤网、微波光纤网、光纤传感网等)以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件，有着广泛的应用。件，有着广泛的应用。第二节第二节 无源光器件无源光器件 3.2.1 光纤连接器光纤连接器 3.2.2 光纤耦合器光纤耦合器 3.2.3 波长相关器件波长相关器件 滤波器滤波器 光纤光栅光纤光栅 WDM 3.2.4 偏光器件偏光器件 PC3.2.5 功率相关器件功率相关器件 光衰耗器，光隔离器，光环形器光衰耗器，光隔离器，光环形器

30、 3.2.6 自聚焦透镜与光纤准直器自聚焦透镜与光纤准直器3.2.7 光开关光开关 重点重点电电/光光光光/电电前端前端前端前端网卡网卡电信号输入电信号输入网卡网卡电信号输出电信号输出传输光路传输光路光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成第三章第三章 光发射机光发射机电信号转化为光信号的这部分电路被电信号转化为光信号的这部分电路被称为称为光发射机光发射机。第一节第一节 光发射机使用的光源光发射机使用的光源第二节第二节 光的调制光的调制重点重点“IM-DD”“IM-DD”（强度调制（强度调制- -直接检测）直接检测）是这样一种电路，其功能是是这样一种电路，其功能是将输入的数字电信号转化将输

31、入的数字电信号转化为用光的强度表征信息的数字光信号为用光的强度表征信息的数字光信号第一节第一节 光发射机使用的光源光发射机使用的光源3.1.1 半导体激光器（半导体激光器（LD）3.1.2 发光二极管发光二极管(LED)3.1.1 半导体激光器半导体激光器LD（laser diode）n1. 法布里法布里-珀罗谐振腔：晶体的珀罗谐振腔：晶体的天然解理面天然解理面n2. 分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB): 光栅结构光栅结构n3. Bragg 反射激光器反射激光器(DBR):光栅光栅结构结构常用的激光器常用的激光器同轴型同轴型FP激光器激光器n法布里-珀罗谐振腔：晶体的天然解理面解理面解理面

32、NP耗尽层耗尽层金属电极金属电极金属电极金属电极常用的激光器常用的激光器 DFB激光器激光器n双列直插n蝶形封装F-P光谱特性多谱线，模式多，选频特性不好多谱线，模式多，选频特性不好DFB光谱特性3.1.2.发光二极管发光二极管LED(light emitting diode)LED是一种将电能转化为可见光的半导体。是一种将电能转化为可见光的半导体。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W和nW量级特性

33、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、中小容量系统重点重点第二节第二节 光的调制光的调制可能的承载信息的参量可能的承载信息的参量:光的光的幅度幅度：幅度调制和幅度调制和强度强度调制调制光的频率：光的频率：频率调制频率调制光的相位：光的相位：相位调制相位调制光的偏振：光的偏振：偏振调制偏振调制 光的量子态：量子态调制光的量子态：量子态调制现在成熟利用的光的参量是强度现在成熟利用的光的参量是强度调制调制重点重点直接强度调制和外调制的区别直接强度调制和外调制的区别线路编码驱动电路L D 或LED控制电路电信号输入光信号直接调制的光发射机线路编码驱动电路LD

34、或LED控制电路电信号输入光信号外调制器件间接调制的光发射机 直接调制直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。电流，使输出光随电信号变化而实现的。 这种方案技术简单，成本较低，容易实现。直接调制这种方案技术简单，成本较低，容易实现。直接调制时时,会引起激光器的谱线展宽会引起激光器的谱线展宽,导致单模光纤色散增加导致单模光纤色散增加,限制通限制通信系统的容量。信系统的容量。2.5Gb/s（10Gb/s）以下。）以下。 外调制外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器把激光的产生和调制分

35、开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。的输出光而实现的。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。使用。适用高速系统适用高速系统 2.5Gb/s（10Gb/s）以上）以上。 第三节第三节 直接调制光发射机直接调制光发射机电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机。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）I调制电流信号输出光功率半导体激光器（LD）PLD的特点：工作电流超的特点：工作电流超过阈值电流时

36、才输出激过阈值电流时才输出激光，是有光，是有阈值的阈值的器件。器件。LD驱动电路：驱动驱动电路：驱动LD光源器件发光必须是直流光源器件发光必须是直流偏置电流偏置电流Ib和信号电流和信号电流Im共同作用的结果。共同作用的结果。3.3.13.3.1激光器的驱动电路激光器的驱动电路偏置部分调制部分 IbsIb0有用信号恒流源I0Is偏置电路是一个偏置电路是一个有用有用信号电流信号电流（调制部分）（调制部分）与与直流电流直流电流的相加电的相加电路。路。偏置电路偏置电路要求：要求：1.直流偏置电流接近激直流偏置电流接近激光器的阈值；光器的阈值；2.偏置电流不能过大。偏置电流不能过大。重点重点直流偏置直流

37、偏置脉冲信号脉冲信号-VccI0IsItotel驱动电路原理驱动电路原理如果有两个电流源如果有两个电流源并联并联工作，那么总工作，那么总电流就等于这两个电流就等于这两个电流源电流电流源电流之和之和电流源，内阻非常大的电源。电流源，内阻非常大的电源。晶体管晶体管偏置电路偏置电路差动放大电路差动放大电路 恒流源恒流源调制电路调制电路要求：要求：快的快的开关速度开关速度和保持良和保持良好的电流好的电流脉冲波形脉冲波形可以看做一个双掷开可以看做一个双掷开关，通过控制关，通过控制2个开个开关的开合，达到调制关的开合，达到调制的目的。的目的。K1K2差动放大电路 T1T2驱动芯片36693.3.2 激光器

38、的控制电路 温度控制温度控制 激光器的阈值、发光功率、甚至于波长均与温度有关激光器的阈值、发光功率、甚至于波长均与温度有关稳定激光稳定激光器的各项指标器的各项指标 激光器是高发热器件，过高的结温将导致激光器损坏激光器是高发热器件，过高的结温将导致激光器损坏保护激光保护激光器不损坏器不损坏 光功率控制光功率控制 重点重点温度控制温控原理激光器制冷器探测器QT图 温度闭环控制电路放大温度控制热敏电阻 温度检测电桥 )25(1 )(25TRTR+3VT+5V温度的变化温度的变化热敏电阻阻值变化热敏电阻阻值变化电压的变化电压的变化平衡电桥平衡电桥放大放大控制制冷器的控制制冷器的制冷电流制冷电流控制温度

39、控制温度温度控制半导体制冷器（帕尔帖元件） 逆热电效应：电流产生两面的温度差 +-冷面热面图 帕尔帖元件DRV591 -FEATURESn Low Supply Voltage Operation: 2.8 V to 5.5 VnHigh Efficiency Generates Less HeatnOver-Current and Thermal ProtectionnFault Indicators for Over-Current, Thermal and Under-Voltage ConditionsnPWM Scheme Optimized for EMIDRV591外部连接关系光

40、功率控制为什么要光功率控制 温度变化使光功率不稳定平均光功率不稳定带来的问题 造成判决时脉冲的前后沿抖动 光功率控制光功率控制光功率控制原理激光器偏置电路光探测器IP去偏置电路比较电压设定第四节第四节 外调制外调制-直接强度调制和外调制的区别线路编码驱动电路L D 或LED控制电路电信号输入光信号直接调制的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外调制器件间接调制的光发射机外调制的方法外调制的方法n1 电光效应n2 声光效应n3 磁光效应n4 EAM（电吸收调制）折射率随所施加的电压改变而改变的现象折射率随所施加的电压改变而改变的现象 电电/光光光光/电电前端前端前端前端网

41、卡网卡电信号输入电信号输入网卡网卡电信号输出电信号输出传输光路传输光路光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成第四章第四章 光接收机光接收机 第一节第一节 光探测器光探测器第二节第二节 光接收机的性能要求光接收机的性能要求光接收机的作用是将传输光路中的光信号转换为电信号。光接收机的作用是将传输光路中的光信号转换为电信号。概述光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光发送机光接收机光接收机电端机电端机电信号输入电信号输出传输光路光纤通信系统光接收机光接收机重点重点光接收机光纤光前置放大部分光前置放大部分光前端接口光检测器前置放大器主放大主放大器均衡滤波AGC电路数字信号恢复判决电路再生放

42、大时钟提取译码部分译码器帧同步并行输出光检测器重点重点前置放大电路半导体光电二极管的等效电路半导体光电二极管的等效电路n三种放大电路(1)高阻抗放大高阻抗放大:灵敏度高,带宽迅低,动态范围降低。用于低速系统。(2)低阻抗放大低阻抗放大:带宽提高，动态范围有所改善，接收灵敏度低。信噪比低。(3)跨阻抗放大跨阻抗放大：输入电阻比较小，动态范围比较大。反输入电阻比较小，动态范围比较大。反馈电阻比较大，所以电阻上的热噪声比较小。馈电阻比较大，所以电阻上的热噪声比较小。 任务：将半导体光电二极管产生的微弱的光电流，无失真的任务：将半导体光电二极管产生的微弱的光电流，无失真的转化为较大的电信号，然后进入主

43、放大器作进一步的放大。转化为较大的电信号，然后进入主放大器作进一步的放大。第一节光检测器 光检测的物理基础光检测的物理基础:光电效应光电效应4.1.1 PIN半导体光电二极半导体光电二极管管 4.1.2 APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管 4.1.1 PIN半导体光电二极管n本征材料I（intrinsic ）-不掺杂P区N区耗尽区I区步骤：步骤：1.在半导体表面被反射，损失一部分光能；在半导体表面被反射，损失一部分光能；2.透过不能产生电子空穴对的表面，进一步消耗一部分透过不能产生电子空穴对的表面，进一步消耗一部分光能；光能；3.剩余的光能到达能够产生电子空穴对的耗尽区，产生剩余的光能到达能够

44、产生电子空穴对的耗尽区，产生电子空穴对；电子空穴对；4.最后剩余的一部分光能，透过耗尽区而消耗掉。最后剩余的一部分光能，透过耗尽区而消耗掉。)exp(1)exp()1 (100wwprheIp雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）可以对尚未进入）可以对尚未进入后面放大器的输入电路的初级光电流进行后面放大器的输入电路的初级光电流进行内部放大。内部放大。 这样可以显著地增加接收机的这样可以显著地增加接收机的灵敏度，灵敏度， 因为在还没有遇到接收机电路的因为在还没有遇到接收机电路的热噪声之前就已放大了光电流。热噪声之前就已放大了光电流。 为了达到为了达到载流子的倍增，载流子的倍增， 光生载流子必须

45、穿过一个光生载流子必须穿过一个具有非常高的电场的高场区。具有非常高的电场的高场区。 4.1.2 APD雪崩光电二极管在这个高场区，在这个高场区， 光生电子或空穴可以获得光生电子或空穴可以获得很高的能量，很高的能量， 因此它们高速碰撞在价带上因此它们高速碰撞在价带上的电子使之产生电离，的电子使之产生电离， 从而激发出新的电从而激发出新的电子子空穴对，空穴对， 这种载流子倍增的机理称为这种载流子倍增的机理称为碰撞电离。碰撞电离。 新产生的载流子同样由电场加新产生的载流子同样由电场加速，速， 并获得足够的能量从而导致更多的碰并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电离产生，撞电离产生， 这种现象就是所谓的

46、这种现象就是所谓的雪崩效雪崩效应应。 当偏置电压低于二极管的击穿电压时，当偏置电压低于二极管的击穿电压时， 产生的载流子总数是有限的。产生的载流子总数是有限的。 偏置电压高偏置电压高于击穿电压时，于击穿电压时， 产生的载流子就可以无限产生的载流子就可以无限多了。多了。 APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管 获得雪崩增益的条件：获得雪崩增益的条件： 1）有足够高的电压作用，所以雪崩二极管都是工作）有足够高的电压作用，所以雪崩二极管都是工作在高压下；在高压下；2）需要一个产生雪崩效应的工作区。）需要一个产生雪崩效应的工作区。 APD雪崩光电二极管结构P+IPN+吸收增益电场距离参数单位硅检测器锗检测

47、器铟镓砷检测器PIN APDPINAPDPINAPD波长范围nm400110080018009001700峰值波长nm900830155013001300(1550)1300(1550)响应度,芯片耦合后A/W0.60.30.5577130501200.650.7,0.50.653282.5250.630.8 (0.750.97)0.50.7 (.60.8)量子效率%6590775055557560706070增益G倍数1150250154011030过剩噪声指数x-0.30.5-0.951-0.7偏压-电流nA1-100.115050010500120

48、15结电容PF1.231.3225250.520.5上升时间第二节第二节 光接收机的要求光接收机的要求 （1)1)极低的误码率极低的误码率（2）较高的接收灵敏度（较低的接收光平）；）较高的接收灵敏度（较低的接收光平）；（3）较宽的带宽，即能够接收较高速率的光信号码流；）较宽的带宽，即能够接收较高速率的光信号码流；（4）较大的动态范围，即可以接收的最大的光信号和最小）较大的动态范围，即可以接收的最大的光信号和最小的光信号的范围比较大；的光信号的范围比较大；（5）较低的输出噪声。）较低的输出噪声。第五章第五章 光放大光放大 第一节第一节 概述概述第二节第二节 半导体光放大器半导体光放大器第三节第三

49、节 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器5-1 概述光放大器光放大器的出现是继的出现是继光纤光纤、激光器激光器之后在光信息领域之后在光信息领域的新突破。在光纤通信中享有重要的地位。的新突破。在光纤通信中享有重要的地位。光放大器首先解决的是光放大器首先解决的是光路损耗的功率补偿问题光路损耗的功率补偿问题。光光放大器能对光信号直接放大，省去光电转换的麻烦放大器能对光信号直接放大，省去光电转换的麻烦，得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。光放大器的出现，预示着光信息领域将有新的突破。光放大器的出现，预示着光信息领域将有新的突破。它将成为光信号处理、光逻辑门、各种光功能器件的它将成为光信号处理、光逻辑门、各种光

50、功能器件的基础元件。基础元件。 光放大器的类型一般，光放大器都由一般，光放大器都由增益介质增益介质、泵浦源泵浦源、输入输出耦输入输出耦合结构合结构组成。组成。根据增益介质不同分类根据增益介质不同分类根据泵浦源不同分类根据泵浦源不同分类根据输入输出耦合结构不同分类根据输入输出耦合结构不同分类放大器的基本结构 根据增益介质的不同分类：根据增益介质的不同分类：活性介质活性介质 半导体材料半导体材料: :半导体激光放大器半导体激光放大器掺稀土掺稀土(Nd, Sm, Ho, Er, Pr, Tm.和和Yb)光纤，利光纤，利用受激辐射机直接放大用受激辐射机直接放大, 如掺杂光纤放大器；如掺杂光纤放大器；基

51、于光纤的非线性效应基于光纤的非线性效应( (受激散射受激散射) )光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器光纤布里渊放大器光纤布里渊放大器 光放大器的类型光放大器的类型半导体光放大器半导体光放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器受激散射光纤放大器受激散射光纤放大器 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器根据泵浦类型不同分类根据泵浦类型不同分类电泵浦电泵浦-半导体光放大器半导体光放大器光泵浦光泵浦-光纤放大器光纤放大器掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器光泵浦光泵浦光泵浦光泵浦是基于活性介质吸收泵浦光，使粒子从低能级是基于活性介质吸收泵浦光，使粒子从低能级跃迁到高能级，实

52、现粒子数反转，各种跃迁到高能级，实现粒子数反转，各种掺杂光纤掺杂光纤制作制作的的光放大器光放大器属于这一类。属于这一类。 电泵浦电泵浦-半导体光放大器半导体光放大器外建电场实现粒子数反转外建电场实现粒子数反转利用半导体材料固有的受激辐射放大机制利用半导体材料固有的受激辐射放大机制, 实现相干光实现相干光放大放大其原理和结构与半导体激光器相似。其原理和结构与半导体激光器相似。当偏置电流低于振荡阈值时当偏置电流低于振荡阈值时, 激光二极管对输入的相干激光二极管对输入的相干光具有线性放大作用。光具有线性放大作用。当偏置电流高于振荡阈值时当偏置电流高于振荡阈值时, 通过注入锁定通过注入锁定, 激光二极激光二极管可以作为激光器管可以作为激光器。放大器应用分类放大器应用分类 根据用途分类：根据用途分类：后置放大器后置放大器(功率放大器功率