第四章光纤通信系统4-2

1、第第4章章 光纤通信系统光纤通信系统4.1 系统概述系统概述4.2 光纤传输线光纤传输线4.3 光纤传输设备光纤传输设备4.4 光路无源器件光路无源器件4.5 光纤通信系统的总体设计光纤通信系统的总体设计4.6 光纤通信新技术光纤通信新技术本章主要内容本章主要内容光纤传输设备包括：光纤传输设备包括：o 终端设备终端设备o 中继设备中继设备即即光端机光端机和和光中继机光中继机。4.1 系统概述 o 光发射机的作用：光发射机的作用： 将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传输光纤。输光纤。o 光发射机光发射机=光源光源+驱动电路驱动电路+辅助电路辅助

2、电路4.3.1 光发射机 两种半导体光源两种半导体光源发光二极管（发光二极管（LED）：）： 输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调制速率低。输出非相关光，谱宽宽、入纤功率小、调制速率低。 适用短距离低速系统适用短距离低速系统激光二极管激光二极管(LD): 输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制速率高。输出相干光，谱宽窄、入纤功率大、调制速率高。 适用长距离高速系统适用长距离高速系统4.3.1.1 光 源 6发光二极管发光二极管(LED)和激光二极管和激光二极管(LD)n 孤立原子的能级和半导体的能带孤立原子的能级和半导体的能带1. 孤立原子的能级o 原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。围绕

3、原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础2. 半导体的能带o 在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。在图5.2中，半导体内部自由电子所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础半导体的能带结构4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的物理基础半导体光源

4、的物理基础n 光与物质的相互作用光与物质的相互作用1. 自发辐射自发辐射o 处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础o根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为：h12=E2-E1o式中：h为普朗克常数，其值为6.62610-34Js；12为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的物理基础半导体光

5、源的物理基础2. 受激辐射受激辐射o 在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子。由于需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。3. 受激吸收受激吸收o 在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础n 粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态o 1. 粒子数正常分布状态粒子数正常分布状态o 在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级上电子数。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础o 2. 粒子数反转分布状态粒子数反转分

6、布状态o 为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。o 有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础n 发光二极管的工作原理发光二极管的工作原理o半导体发光二极管(Light-emitting Diode，LED) 可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85m、1.31m及1.55m。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理o 1. 发光二极管的类型结构发光二极管的类型结构o 按照器件输出光的方式，可以将发光二

7、极管分为三种类型结构：表面发光二极管、边发光二极管及超辐射发光二极管。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理n 2. LED的工作原理的工作原理o LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴)和Np结之间的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理4.3.1 光发射机

8、光发射机半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理n 激光二极管的工作原理激光二极管的工作原理o 在结构上，半导体激光二极管(Laser Diode，LD)与其他类型的激光器是相同的，都主要由三部分构成：激励源、工作物质及谐振腔。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理激光二极管的类型结构激光二极管的类型结构(1) 常用激光二极管的类型结构常用激光二极管的类型结构o 在双异质结构的LD中，通常采用具有横模限制作用的激光二极管结构，这种激光二极管称为条形激光二极管(Stripe Laser Diode，SLD)或窄区激光二极管。o一种增益波导型激光二极管的类型结构如图5

9、.6所示，图中虚线之间的部分为电流流经的区域。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理一种扩散条形激光二极管4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理拱棱波导条形激光二极管4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理o 2. 激光二极管的工作原理激光二极管的工作原理o LD的工作原理可以归纳如下：当给LD外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理o 那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播、

10、边发生受激辐射放大(其余自发辐射光子均被衰减掉)，直至传播到高反射率界面又被反射回有源层，再次向另一个方向传播受激辐射放大。如此反复，直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。4.3.1 光发射机光发射机半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理光纤通信系统对光源的要求：o （1）合适的发射波长；）合适的发射波长；o （2）合适的输出功率和效率；）合适的输出功率和效率；o （3）谱线宽度窄、以降低光纤色散的影响谱线宽度窄、以降低光纤色散的影响o （4）辐射角小、与光纤的耦合效率高辐射角小、与光纤的耦合效率高o （5）调制特性好、线性好、带宽大调制特性好、线

11、性好、带宽大o （6）寿命长、稳定性号，体积小、耗电省寿命长、稳定性号，体积小、耗电省4.3.1.1 光 源 （1）合适的发射波长）合适的发射波长光源的波长必须在石英光纤的三个低损耗窗口内。即三个典型值：0.85m、1.31m和1.55m)；目前第一窗口已基本不用，第二个窗口正在大量使用，并逐渐向第三个窗口过渡。4.3.1.1 光 源 (2)合适的输出功率和效率合适的输出功率和效率 发射功率=接受灵敏度+系统损耗。 对于一个系统来讲，在接受灵敏度一定的情况下，发射功率越大，其可承受的系统损耗就越大，传输距离也就越远。 光源的效率=发射功率/消耗的电功率 目前对光源效率的要求是10%.4.3.1

12、.1 光 源 （3）谱线宽度窄谱线宽度窄 为谱线宽度，其定义为纵模包络或主模光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度。谱线宽度越宽，光纤的色散越大，使光纤通信的传输码速显著降低。4.3.1.1 光 源 （4）与光纤的耦合效率高与光纤的耦合效率高 耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。 影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高。光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率。 一般说来，LD与单模光纤的耦合效率可以达到30% 50%，LED与单模光纤的耦合效率非常低，只有百分之几甚至更小。4.3.1.1 光 源 （5）调

13、制特性好调制特性好 改变光源的注入电流就可以改变其输出光功率，即可以直接由信号电流来调制光信号。在光纤通信系统中，要求光源调制效率高，其调制速率也应适合于系统传输码速的要求。同时，还要求不产生自脉动，弛张振荡或其他调制噪声。4.3.1.1 光 源 （6） 可靠性高、可靠性高、寿命长寿命长 为了使光纤通信系统稳定工作，光源的绝对寿命应以10-100万小时为目标。对于LED来说，在额定驱动电流下发射机输出功率下降3dB，认为其寿命已到；对LD，对于无反馈控制的，发射机在“1”码时输出光功率下降3dB认为寿终正寝；对于有反馈的，当偏置电流增大到最大允许值时，即认为使用寿命已到。4.3.1.1 光 源

14、 （7）温度特性好）温度特性好 光源在温度变化时，其输出功率、阈值电流和中心波长都将发生变化。因此应要求光源有好的温度特性，减少温度变化的影响。4.3.1.1 光 源 4.3.1.1 光 源 o 存在阈值电流存在阈值电流Ith：当注入电流小于Ith时，自发辐射发光；当注入电流超过Ith时，受激辐射发光；输出功率与注入电流基本保持线性关系。o 对温度很敏感对温度很敏感：随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。需进行温度控制。有 )exp()(00TTITIth4.3.1.1 光 源 （8）码型效应好）码型效应好 电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时，使后一个光脉冲幅度受到前一个

15、脉冲的影响的效应 两个连“1”时，第一个脉冲过后，有源区的电子以指数形式衰减。调制速率很高，脉冲间隔小于衰减周期，使第二个脉冲到来时，前一电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，有源区电子密度较高，输出光脉冲幅度和宽度增大。 消除：增加直流偏置电流。在阈值附近，脉冲持续时和脉冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间大大减小，码型效应得到抑制。4.3.1.1 光 源 消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比，通常用符号EX表示： 作为一个好的光源，希望在最小输出时，没有光功率输出，否则会产生噪声，一般要求EXT1：10.最小平均发送光功率最大平均发送光功率EXT（9）消光比好）

16、消光比好4.3.1.1 光 源 驱动电路也称光调制是用待发送的电信号控制光载波的某一参量，使之携带发送信息的过程，即电/光变换。 可分为直接调制和间接调制两大类。 目前采用的主要是直接光强度调制，并由光源驱动电路完成。直接调制方法仅适用于半导体光源(LD和LED)，这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号，所采用电源调制方法。4.3.1.2 驱动电路 因为发光二极管和半导体激光器的输出光功率(对激光器来说，是指阈值以上线性部分)基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性，所以可以通过改变注入电流来实现光强度调制。 4.3.1.2 驱动电路

17、从调制信号的形式来说，光调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如话音、 电视等信号)对光源进行调制，把连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当地选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。模拟调制电路，应是电流放大电路。4.3.1.2 驱动电路发光二极管的模拟调制 (a) 模拟调制原理； (b) 简单的模拟调制电路 PIBLED(a)(b)OI4.3.1.2 驱动电路（a）LED数字调制原理 (b) LD的数字调制原理 输出光信号输出光信号pItIin输入电信号输入电信号pI输出光信号输出光信号输入电信号输入电信号IinIthIb4.3.1.2

18、 驱动电路 输出光功率将随调制信号的电流变化而变化。即输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号。 在LED上要加一小的直流正向偏置(01mA)，其目的是提高LED的响应速度。至于调制电流的幅度ID，应根据LED的P-I特性来选择，既要保证有足够的输出光脉冲的幅度， 又要考虑LED对电流的承受能力。4.3.1.2 驱动电路 由于LD是阈值器件，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系。必须在LD上加稍低于阈值电流Ith的偏置电流IB，再叠加调制电流ID 。一般偏置电流IB取(0.71.0)Ith。调制电流ID幅度的选择，应根据LD的P-I特性曲

19、线，既要保证有足够的输出光脉冲的幅度，又要考虑光源的负担，还要考虑选择光源的线性区域。4.3.1.2 驱动电路直接光强度数字调制ID4.3.1.2 驱动电路光源的自动温度控制光源的自动温度控制（ATC） o 随着温度的升高，半导体光源（特别是LD ）的特性要发生劣化（发光功率降低、波长漂移、阈值增加等）。o 温度控制采用微型制冷器、热敏元件及控制电路组成。热敏元件监测激光器的结温，与设定的基准温度比较，根据温度差异的情况，驱动制冷器的控制电路，改变制冷效果，从而使激光器在恒定的温度下工作。o 微型制冷器多采用利用半导体材料的珀尔帖效应制成的半导体制冷器。珀尔帖效应是当直流电流通过P型和N型两种

20、半导体组成的电偶时，可以使一端吸热而使另一端放热的一种现象。 自动温度控制方框图自动温度控制方框图 激光器激光器制冷器制冷器热敏电阻热敏电阻控制电路控制电路光源的自动功率控制（光源的自动功率控制（APC） LD的输出功率与温度变化有关，与器件的老化有关。随着老化，LD的阈值上升，输出光功率下降。采取自动功率控制稳定输出光功率。 光接收机组成框图 o 把接收到的光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复原传输的信号。适用于数字系统也适用于模拟系统。 光检测器前 置放大器主放大器均衡器滤波器光信号电信号4.3.2 光接收机对光检测器的基本要求对光检测器的基本要求o 1）在系

21、统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；o 2）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；o 3）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；o 4）具有良好的线性关系，保证信号转换过程中的不失真；o 5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。 光电检测器的原理光电检测器的原理o 当PN结加反向偏压时，外加电场方向与PN结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。o 当光束入射到PN结上，且光子能量hv大于半导体材料的带隙Eg时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。o 在耗尽区，电子在内建电场的作

22、用下向N区漂移，空穴向P区漂移，如果PN结外电路构成回路，就会形成光电流。o 当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。 PIN光电二极管光电二极管设计了轻度掺杂或不掺杂的本征半导体。展宽耗尽层，增多了可产生的电载流子的掺杂I层吸收系数小，大幅度提高光电转换效率。将吸收集中在本征区，避免PN结P区吸收光时的慢响应。 耗尽区漂移运动快，是光生电流的主要因素；扩散区，场分布趋于零，扩散速度慢。为保证检测器快的响应速度和高的效率，应设法减小零电场P区N区厚度而增加耗尽区厚度，并尽量避免光生电子-空穴对在零电场区里产生PIN光电二极管光电二极管o PIN的缺点： 由于耗尽区

23、加宽接近吸收区，反向偏压又不能很高，使载流子的漂移时间拉长，影响响应速度的进一步提高。 光生电流微弱，必须进行多次放大，不可避免引入放大器噪声，从而使接收机信噪比降低。PIN光电二极管光电二极管APD光电二极管光电二极管o 改进PIN管，使光生电流在其内部进行放大。o 增加附加层，应用光生载流子在耗尽层内高电场作用下的高速碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增.使信号功率增加，又在一定范围减小了噪声功率的增加。APD的雪崩效应的雪崩效应 APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电

24、子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子空穴对；新产生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。PIN光电检测器光电检测器的特性的特性 o 响应波长响应波长o 响应度响应度o 量子效率量子效率o 响应速度响应速度o 噪声特性噪声特性 响应波长响应波长o 波长响应范围：光检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换o 上限波长：即截止波长o 下限波长：当波长很短时，材料的吸收系数很大。光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到

25、耗尽层才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。 响应度响应度o 描述光检测器能量转换效率的一个参量o Pin为入射到光电二极管上的光功率，Ip为所产生的光电流。它的单位为A/W。 inpPIR 量子效率量子效率 表示入射光子转换为光电子的效率。定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比。 ehfRhfPeIinP/入入射射光光子子数数子子空空穴穴对对数数光光电电转转换换产产生生的的有有效效电电241.hfeR响应速度响应速度o 用响应时间（上升时间和下降时间）来表示 tt光光脉脉冲冲检检波

26、波输输出出RLhn nhn nRLRsRACACd输出输出输出输出影响响应速度的主要因素影响响应速度的主要因素 完整的响应过程：从输入光信号开始到转换成电信号被检测.1）载流子漂移通过耗尽区的渡越时间：与电场强度有关，电场强度较低时，漂移速度正比与电场强度，当电场强度达到某一值后，漂移速度不再变化。 2）耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟3）检测器和它的负载的RC时间常数：对检测器来说，就要尽可能降低结电容 噪声特性噪声特性o 包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。o 散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱

27、的白噪声。 o 前置放大器是低噪声放大器，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。o 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。 前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器o 由于前置放大器的噪声特性是影响光接收机的灵敏度的主要因素之一，所以前置放大器必须有良好的噪声特性，同时还必须考虑带宽特性。o 有三类前置放大器电路，即低阻抗前置放大器电路、高阻抗前置放大器电路和互阻抗前置放大器电路。 低阻抗前置放大器 高阻抗前置放大器 互阻

28、抗前置放大器 数字光接收机的灵敏度数字光接收机的灵敏度 o 灵敏度是指在给定误码率条件下，能够检测到的最小信号光功率，通常用dBm表示。表示接收机检测微弱信号的能力。是光接收机最重要的性能指标。o 影响光接收机的灵敏度的主要因素是光检测器和前置放大器的噪声特性。o 根据要达到的误码率，利用噪声特性，确定入射光功率，从而确定灵敏度。 )()(lg)(mWmWPdBmP110 动态范围动态范围o实际中，光接收机的输入光脉冲信号的功率由于中继距离的不同、线路衰减随温度的变化及发送光功率的变化等会发生不同程度的变化。光接收机要保证可以在不同输入条件下都可以正常工作o光接收机的动态范围是指在保证系统误码

29、率指标的条件下，接收机的最低输入光功率（dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。即minmaxlg)(PPdBD10 4.3.4.3.3 3 光中继机1.光中继机的作用 光纤通信利用光纤传输信号。光信号在传输过程会出现两个问题：（1）光纤损耗使光信号的幅度衰减，限制了光信号的传输距离；（2）光纤的色散特性使光信号波形失真，造成噪声和误码率增加。 这些不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。69 为了增加光纤的通信距离和通信容量，就必须在光纤传输线路中每隔一定距离设置一个中继器。以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。中继器的功能主要有：（1）补偿衰减的光信号；（2）对失真的信号波形进行整形（恢复信号的原形） 。4.3.4.3.3 3 光中继机70通常有两种中继方法： 一种是传统方法，采用光-电-光转换方式，亦称光电光混合中继器，是间接光中继器； 另一种采用光放大器对