光通信技術(shù)-高新講座

1、光通信技術(shù)光通信技術(shù)主講教師：劉嵐嵐主講教師：劉嵐嵐信息技術(shù)IT：Information Technologyn包括四個(gè)部分：信息獲取，信息傳輸，信息處理和信息應(yīng)用。n信息技術(shù)革命主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：n微電子技術(shù) n數(shù)字技術(shù) n光通信技術(shù) 第一章第一章 引言引言第二章第二章 傳輸光路傳輸光路第三章第三章 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)第四章第四章 光接收機(jī)光接收機(jī)第五章第五章 光放大光放大第一章第一章 引言引言 光纖通信發(fā)展的歷史、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用光纖通信發(fā)展的歷史、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用光纖通信的概念光纖通信的概念 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來(lái)傳送信息的。來(lái)傳送信息的。通信技術(shù)通信技術(shù)電通信

2、電通信光通信光通信根據(jù)使用的電磁波頻率范圍分類：根據(jù)使用的電磁波頻率范圍分類：有線通信有線通信無(wú)線通信無(wú)線通信光纖通信光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的光信息傳輸技術(shù)。介質(zhì)的光信息傳輸技術(shù)。LASER通信是通過(guò)某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。通信是通過(guò)某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。 光纖通信優(yōu)點(diǎn)光纖通信優(yōu)點(diǎn)GOOD損耗低，損耗低，0.2dB/km傳輸容量大，傳輸容量大，400nm，50THz重量輕，體積小，重量輕，體積小，27g/km fiber資源豐富，石英資源豐富，石英抗電磁干擾，不易串音，抗雷擊，通信質(zhì)量高抗電磁干擾，不易串音，抗雷擊，通信質(zhì)量高防爆性能

3、好防爆性能好寬帶寬，大容量，能量集中，器件尺寸小，功耗低寬帶寬，大容量，能量集中，器件尺寸小，功耗低。1. 探索時(shí)期的光通信探索時(shí)期的光通信 在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)麻省理工學(xué)院利用在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。由于沒(méi)有找到由于沒(méi)有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)， 對(duì)光通信的研對(duì)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，美國(guó)人梅曼年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，光器， 給光通信帶來(lái)了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，給光通

4、信帶來(lái)了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。 1880年，美國(guó)人貝爾年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送發(fā)明了用光波作載波傳送話音的話音的“光電話光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。 原始形式的光通信原始形式的光通信:中國(guó)古代用中國(guó)古代用“烽火臺(tái)烽火臺(tái)”報(bào)警，歐報(bào)警，歐洲人用旗語(yǔ)傳送信息。洲人用旗語(yǔ)傳送信息。 2 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 指明通過(guò)指明通過(guò)“原材料的提純制造出適合于原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方這一發(fā)

5、展方向向 1966年，英籍華裔學(xué)者年，英籍華裔學(xué)者高錕高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信光纖通信的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。光纖發(fā)明人高錕光纖發(fā)明人高錕 Charles K.Kao論文：論文：光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)1966（Dielectric-Fiber Suface Waveguide for Optical Frequency

6、)提出：制造石英光纖可實(shí)現(xiàn)光纖通信提出：制造石英光纖可實(shí)現(xiàn)光纖通信指出指出 三點(diǎn)：三點(diǎn)： 光纖的容量很大光纖的容量很大 高純石英光纖的損失可低達(dá)高純石英光纖的損失可低達(dá) 20dB/km 單模光纖的原理構(gòu)造單模光纖的原理構(gòu)造高錕高錕光纖之父光纖之父光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明家高錕高錕( (左左) )1998年在英國(guó)接受年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)率谟璧莫?jiǎng)?wù)?009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者英國(guó)華裔科學(xué)家高錕，年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者英國(guó)華裔科學(xué)家高錕，美國(guó)科學(xué)家威拉德美國(guó)科學(xué)家威拉德博伊爾和喬治博伊爾和喬治史密斯。史密斯。 瑞典皇家科學(xué)院說(shuō)，高錕在瑞典皇家科學(xué)院說(shuō)，高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳有關(guān)光在纖

7、維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，他將獲得取得了突破性成就，他將獲得今年物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共今年物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共500萬(wàn)瑞典克朗（約合萬(wàn)瑞典克朗（約合70萬(wàn)美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件萬(wàn)美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享今年物理學(xué)）圖像傳感器，將分享今年物理學(xué)獎(jiǎng)另一半獎(jiǎng)金。獎(jiǎng)另一半獎(jiǎng)金。 1970年，年，光纖光纖研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年，美國(guó)康寧年，美國(guó)康寧(Corning)公司研制成功損耗公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開(kāi)發(fā)推

8、向一個(gè)新階段。的石英光纖。把光纖通信的研究開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新階段。 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。 1973 年，美國(guó)貝爾年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本電報(bào)電話年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長(zhǎng)波長(zhǎng)1.2m)。 在以后的在以后的 10 年中，波長(zhǎng)為年中，波長(zhǎng)為1.55 m的光纖損耗：的光纖損耗： 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， 接近了光纖最低損耗的理論極限。接近了光纖最低損耗的理論極限。 Corning 的的3位科學(xué)家位科學(xué)家Dr.DonalKeck,Dr.Bob Maurer, Dr.Peter Schultz于于1970年研制出低年研制出低損失光纖損失光纖. 1970 年，光纖通信用年，光纖通信用光源光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展 1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光

10、器結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng)短波長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1973 年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。小時(shí)。 1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3 m的銦鎵砷磷的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。激光器。 1977 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。萬(wàn)小時(shí)。 1979年美國(guó)電報(bào)電話年美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司公司和日本電報(bào)電話公司研制

11、成功發(fā)射波長(zhǎng)為研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55 m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。 由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使 1970 年年成成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑 實(shí)用實(shí)用光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展的發(fā)展 1976 年，美國(guó)在亞特蘭大年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 1980 年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT - 3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。 1976 年和年和 1978 年，日本先后進(jìn)

12、行了速率為年，日本先后進(jìn)行了速率為34 Mb/s的突變的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，型多模光纖通信系統(tǒng)， 以及速率為以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。信系統(tǒng)的試驗(yàn)。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。 隨后，由美、日、隨后，由美、日、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。年建成。 第一條橫跨太平洋第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光纜通信系統(tǒng)于海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展

13、開(kāi)，年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開(kāi)，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。光纖通信的發(fā)展光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：可以粗略地分為三個(gè)階段： 第一階段第一階段(19661976年年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)時(shí)期。用的開(kāi)發(fā)時(shí)期。 第二階段第二階段(19761986年年)，這是以提高傳輸速率和增，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。 第三階段第三階段(1986 )，這是以，這是以超大容量、超長(zhǎng)距離超大容量、超長(zhǎng)距離為為目標(biāo)、全面深入開(kāi)展新技術(shù)研究

14、的時(shí)期。目標(biāo)、全面深入開(kāi)展新技術(shù)研究的時(shí)期。 3. 光纖通信的光纖通信的應(yīng)用應(yīng)用 光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中， 都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速， 是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。 光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下： 通信網(wǎng)通信網(wǎng) 構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣

15、域網(wǎng) 有線電視網(wǎng)（有線電視網(wǎng)（CATV）的干線和分配網(wǎng)）的干線和分配網(wǎng) 數(shù)字機(jī)頂盒數(shù)字機(jī)頂盒(STB-Set Top Box)，寬帶雙向的多媒，寬帶雙向的多媒體通信網(wǎng)。體通信網(wǎng)。 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端用戶用戶用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備用戶用戶 現(xiàn)代通信方式示意圖現(xiàn)代通信方式示意圖用戶終端用戶終端交換設(shè)備交換設(shè)備接入網(wǎng)接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)電電/光光光光/電電前端前端前端前端網(wǎng)卡網(wǎng)卡電信號(hào)輸入電信號(hào)輸入網(wǎng)卡網(wǎng)卡電信號(hào)輸出電信號(hào)輸出傳輸光路傳輸光路光纖通

16、信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成第一節(jié)第一節(jié) 光纖光纖第二節(jié)第二節(jié) 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 第二章第二章 傳輸光路傳輸光路傳輸光路要求傳輸光路要求 傳輸光路傳輸光路指的是從光信號(hào)的產(chǎn)生到接收的整個(gè)光通路指的是從光信號(hào)的產(chǎn)生到接收的整個(gè)光通路 要求要求: : 1. 沒(méi)有光能的損失沒(méi)有光能的損失 2. 沒(méi)有色散和脈沖展寬（延遲問(wèn)題）沒(méi)有色散和脈沖展寬（延遲問(wèn)題）3. 光強(qiáng)的響應(yīng)是線性的光強(qiáng)的響應(yīng)是線性的4. 偏振不敏感性、相位穩(wěn)定性偏振不敏感性、相位穩(wěn)定性 第一節(jié)第一節(jié) 光纖光纖2.1.1 光纖的一般理論光纖的一般理論2.1.2 通信用光纖的結(jié)構(gòu)通信用光纖的結(jié)構(gòu)2.1.1 光纖的一般理論光纖的

17、一般理論射線理論射線理論光是一種頻率很高的電磁波，而光纖本身是一種介質(zhì)波導(dǎo)。光是一種頻率很高的電磁波，而光纖本身是一種介質(zhì)波導(dǎo)。n全反射原理全反射原理光線在均勻介質(zhì)中是以直線傳播的，但在兩種不同介光線在均勻介質(zhì)中是以直線傳播的，但在兩種不同介質(zhì)的分界面會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象：質(zhì)的分界面會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)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當(dāng)當(dāng)n1n2 1 c時(shí)時(shí)發(fā)生全反射發(fā)生全反射c：臨界角：臨界角n光纖中光波的傳輸原理光纖中光波的傳輸原理-全反射全反射“之之”字線傳輸字線傳輸只要滿足全內(nèi)反射條件連續(xù)改變?nèi)肷浣堑娜魏喂馍渚€都能在只要滿足全內(nèi)反射條件

18、連續(xù)改變?nèi)肷浣堑娜魏喂馍渚€都能在光纖纖芯內(nèi)傳輸。光纖纖芯內(nèi)傳輸。當(dāng)光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，由于光當(dāng)光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，由于光線基本上全部在纖芯區(qū)進(jìn)行傳播，沒(méi)有光跑到包層中去，所線基本上全部在纖芯區(qū)進(jìn)行傳播，沒(méi)有光跑到包層中去，所以可以以可以大大降低光纖的衰耗大大降低光纖的衰耗。n2n1光纖全反射纖芯8-10um包層 125um涂覆層 250umn1n2當(dāng)光從折射率高(n1)的媒質(zhì)入射到折射率低(n2)的媒質(zhì)，入射角超過(guò)臨界角時(shí)，光線在兩種媒質(zhì)的界面上不發(fā)生折射現(xiàn)象，只有反射。臨界角：sinc = n2/n1橫向諧振：2 ta=n2.1.2 通信光纖結(jié)構(gòu)和制造通信光纖結(jié)構(gòu)和制造1.光

19、纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)2.光纖的類型光纖的類型 纖芯主要采用高純度的纖芯主要采用高純度的SiO2二氧化硅，并摻有二氧化硅，并摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率n1； 包層也是高純度的二氧化硅，也摻雜一些摻雜包層也是高純度的二氧化硅，也摻雜一些摻雜劑，主要是降低包層的光折射率劑，主要是降低包層的光折射率n2； 涂層采用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機(jī)械涂層采用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機(jī)械強(qiáng)度和可彎曲性。強(qiáng)度和可彎曲性。2.1.2 通信光纖的結(jié)構(gòu)通信光纖的結(jié)構(gòu)1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 石英光纖石英光纖 芯層芯層 包層包層 涂敷層涂敷層 護(hù)套護(hù)套:

20、 :緊套緊套 松套松套ncorenclad2. 光纖的類型光纖的類型光纖的分類方法很多光纖的分類方法很多 ：按照按照光纖截面折射率分布光纖截面折射率分布來(lái)分類；來(lái)分類；按照按照光纖中傳輸模式數(shù)光纖中傳輸模式數(shù)的多少來(lái)分類；的多少來(lái)分類；按照光纖使用的按照光纖使用的材料材料來(lái)分類；來(lái)分類；按照傳輸?shù)陌凑諅鬏數(shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)工作波長(zhǎng)來(lái)分類。來(lái)分類。(1) 按光纖截面上折射率分布分類按光纖截面上折射率分布分類按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為：按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為： 階躍型光纖階躍型光纖(Step-Index Fiber，SIF)和漸變和漸變型光纖型光纖(Graded-Index

21、 Fiber，GIF。(2) 按傳輸模式的數(shù)量分類按傳輸模式的數(shù)量分類 按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模光纖為多模光纖(Multi-Mode Fiber，MMF)和單模和單模光纖光纖(Single Mode Fiber，SMF)。 在一定的工作波上，當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳在一定的工作波上，當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳輸時(shí)，則這種光纖稱為輸時(shí)，則這種光纖稱為多模光纖多模光纖。 單模光纖單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模纖只能傳輸基模(最低階模最低階模)，不存在模間時(shí)延，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得

22、多的帶寬，這對(duì)于高差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。碼速傳輸是非常重要的。(3) 按光纖的工作波長(zhǎng)分類按光纖的工作波長(zhǎng)分類 按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為：按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為：短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。纖。(4) 按按ITU-T建議分類建議分類n按照按照ITU-T關(guān)于光纖類型的建議，可以將關(guān)于光纖類型的建議，可以將光纖分為光纖分為G.651光纖光纖(漸變型多模光纖漸變型多模光纖)、G.652光纖光纖(常規(guī)單模光纖常規(guī)單模光纖)、G.653光纖光纖(色散位移光色散位移光纖纖)、G.654光纖光纖(截止波長(zhǎng)光纖截

23、止波長(zhǎng)光纖)和和G.655(非零非零色散位移光纖色散位移光纖)光纖。光纖。n按套塑按套塑(二次涂覆層二次涂覆層)可以將光纖分為松套光可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖。纖和緊套光纖。n現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模躍型多模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。光纖。 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（G.652光纖）光纖） 色散位移單模光纖（色散位移單模光纖（G.653光纖）光纖） 1550nm波長(zhǎng)最低衰減光纖（波長(zhǎng)最低衰減光纖（G.654光纖）光纖） 非零色散位移光纖（非零色散位移光纖（G.655光纖）光纖） 色散補(bǔ)償

24、光纖（色散補(bǔ)償光纖（G.65X光纖）光纖） 色散平坦光纖色散平坦光纖在在1310nm波長(zhǎng)工作時(shí)，理論色散值為零，衰耗大；波長(zhǎng)工作時(shí)，理論色散值為零，衰耗大；在在1550nm波長(zhǎng)工作時(shí)，傳輸損耗最低，色散系數(shù)較大。波長(zhǎng)工作時(shí)，傳輸損耗最低，色散系數(shù)較大。單通路速率達(dá)到單通路速率達(dá)到STM-64時(shí)，需要采取色散調(diào)節(jié)手段。時(shí)，需要采取色散調(diào)節(jié)手段。在我國(guó)占在我國(guó)占99%以上。雖稱以上。雖稱1310nm性能最佳光纖，但性能最佳光纖，但絕大部絕大部分卻用于分卻用于1550 nm，其原因是在，其原因是在1310nm無(wú)實(shí)用化光放大器。無(wú)實(shí)用化光放大器。它可傳輸它可傳輸2.5G或以或以2.5G 為基群的為基群

25、的WDM系統(tǒng)；但傳輸系統(tǒng)；但傳輸TDM的的10G，面臨色散受限的難題（色度色散與，面臨色散受限的難題（色度色散與PMD）。）。n 實(shí)現(xiàn)了在實(shí)現(xiàn)了在1550nm波長(zhǎng)低衰減和零色散。波長(zhǎng)低衰減和零色散。n 可以可以20Gbit/s系統(tǒng)，不需任何色散補(bǔ)償。系統(tǒng)，不需任何色散補(bǔ)償。n日本全國(guó)鋪設(shè)。日本全國(guó)鋪設(shè)。n在在1550nm波長(zhǎng)，衰耗和色散皆為最小值，波長(zhǎng)，衰耗和色散皆為最小值，可實(shí)現(xiàn)大容量長(zhǎng)距離傳輸。因出現(xiàn)四波混頻可實(shí)現(xiàn)大容量長(zhǎng)距離傳輸。因出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)效應(yīng)(FWM),限制了它在限制了它在WDM（波分復(fù)用）（波分復(fù)用）方面的應(yīng)用。方面的應(yīng)用。 選用純選用純SiO2芯來(lái)降低光纖的衰減芯來(lái)降低光纖

26、的衰減 最大優(yōu)點(diǎn)：在最大優(yōu)點(diǎn)：在1550nm波長(zhǎng)的最低衰減為波長(zhǎng)的最低衰減為0.18dB/km 制造困難，價(jià)格昂貴，不實(shí)用。制造困難，價(jià)格昂貴，不實(shí)用。 截止波長(zhǎng)移位的單模光纖，它的設(shè)計(jì)重截止波長(zhǎng)移位的單模光纖，它的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低點(diǎn)是降低1550nm波長(zhǎng)處的衰減。波長(zhǎng)處的衰減。 1550nm損耗最小光纖，主要用于長(zhǎng)再損耗最小光纖，主要用于長(zhǎng)再生中繼距離的海底光纜。生中繼距離的海底光纜。因既可傳輸因既可傳輸TDM（時(shí)分復(fù)用模式（時(shí)分復(fù)用模式 ）的）的10G，又可傳，又可傳以以2.5G或或10G為基群的為基群的WDM系統(tǒng)，所以近年倍受青系統(tǒng)，所以近年倍受青睞。但睞。但理想的理想的G.655光纖無(wú)法

27、實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诠饫w的有光纖無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诠饫w的有效橫截面積與色散斜率二方面難以均衡。效橫截面積與色散斜率二方面難以均衡。 目前，目前，G.655光纖尚光纖尚無(wú)國(guó)際統(tǒng)一規(guī)范。無(wú)國(guó)際統(tǒng)一規(guī)范。 大的有效面積，會(huì)有效地避免非線性效應(yīng)，但大的有效面積，會(huì)有效地避免非線性效應(yīng)，但 將導(dǎo)致色散斜率的增加。將導(dǎo)致色散斜率的增加。 小的色散斜率將會(huì)便于色散的補(bǔ)償；但其有效小的色散斜率將會(huì)便于色散的補(bǔ)償；但其有效 面積卻減小。面積卻減小。單模光纖主要技術(shù)規(guī)范單模光纖主要技術(shù)規(guī)范光纖 G.652 G.653 G.654 G.655 截止波長(zhǎng)nm 1270 1270 1530 1470 零色散波長(zhǎng)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 光纖光纖范崇澄 FS-89第二節(jié)第二節(jié) 無(wú)源光器件無(wú)源光器件主要功能：主要功能：對(duì)信號(hào)對(duì)信號(hào)(或能量或能量)的傳輸路徑進(jìn)行連接、合成、的傳輸路徑進(jìn)行連接、合成、分支；分支；對(duì)信號(hào)的形態(tài)進(jìn)行變換以及有目的衰減其能對(duì)信號(hào)的形態(tài)進(jìn)行變換以及有目的衰減其能

29、量等量等 光無(wú)源器件在光纖通信系統(tǒng)、光纖局域網(wǎng)光無(wú)源器件在光纖通信系統(tǒng)、光纖局域網(wǎng)(包包括計(jì)算機(jī)光纖網(wǎng)、微波光纖網(wǎng)、光纖傳感網(wǎng)等括計(jì)算機(jī)光纖網(wǎng)、微波光纖網(wǎng)、光纖傳感網(wǎng)等)以及各類光纖傳感系統(tǒng)中是必不可少的重要器以及各類光纖傳感系統(tǒng)中是必不可少的重要器件，有著廣泛的應(yīng)用。件，有著廣泛的應(yīng)用。第二節(jié)第二節(jié) 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 3.2.1 光纖連接器光纖連接器 3.2.2 光纖耦合器光纖耦合器 3.2.3 波長(zhǎng)相關(guān)器件波長(zhǎng)相關(guān)器件 濾波器濾波器 光纖光柵光纖光柵 WDM 3.2.4 偏光器件偏光器件 PC3.2.5 功率相關(guān)器件功率相關(guān)器件 光衰耗器，光隔離器，光環(huán)形器光衰耗器，光隔離器，光環(huán)形器

30、 3.2.6 自聚焦透鏡與光纖準(zhǔn)直器自聚焦透鏡與光纖準(zhǔn)直器3.2.7 光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān) 重點(diǎn)重點(diǎn)電電/光光光光/電電前端前端前端前端網(wǎng)卡網(wǎng)卡電信號(hào)輸入電信號(hào)輸入網(wǎng)卡網(wǎng)卡電信號(hào)輸出電信號(hào)輸出傳輸光路傳輸光路光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成第三章第三章 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的這部分電路被電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的這部分電路被稱為稱為光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)。第一節(jié)第一節(jié) 光發(fā)射機(jī)使用的光源光發(fā)射機(jī)使用的光源第二節(jié)第二節(jié) 光的調(diào)制光的調(diào)制重點(diǎn)重點(diǎn)“IM-DD”“IM-DD”（強(qiáng)度調(diào)制（強(qiáng)度調(diào)制- -直接檢測(cè)）直接檢測(cè)）是這樣一種電路，其功能是是這樣一種電路，其功能是將輸入的數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)化將輸

31、入的數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)化為用光的強(qiáng)度表征信息的數(shù)字光信號(hào)為用光的強(qiáng)度表征信息的數(shù)字光信號(hào)第一節(jié)第一節(jié) 光發(fā)射機(jī)使用的光源光發(fā)射機(jī)使用的光源3.1.1 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）3.1.2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)3.1.1 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器LD（laser diode）n1. 法布里法布里-珀羅諧振腔：晶體的珀羅諧振腔：晶體的天然解理面天然解理面n2. 分布反饋激光器分布反饋激光器(DFB): 光柵結(jié)構(gòu)光柵結(jié)構(gòu)n3. Bragg 反射激光器反射激光器(DBR):光柵光柵結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)常用的激光器常用的激光器同軸型同軸型FP激光器激光器n法布里-珀羅諧振腔：晶體的天然解理面解理面解理面

32、NP耗盡層耗盡層金屬電極金屬電極金屬電極金屬電極常用的激光器常用的激光器 DFB激光器激光器n雙列直插n蝶形封裝F-P光譜特性多譜線，模式多，選頻特性不好多譜線，模式多，選頻特性不好DFB光譜特性3.1.2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED(light emitting diode)LED是一種將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)體。是一種將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)體。半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管比較光 譜特性出光功率溫度特性響 應(yīng) 速度相干性 可靠性 價(jià)格適用場(chǎng)合LD窄 ，色 散影 響小mW數(shù)量級(jí)影響大，動(dòng)態(tài)范圍小較快易于高速調(diào)制較好較易損壞，壽命較短比較貴長(zhǎng)距離、大容量系統(tǒng)LED寬，色 散影 響大W和nW量級(jí)特性

33、好，動(dòng)態(tài)范圍大慢 較 調(diào)制 頻 率不 能 太高差不易損壞，可靠性高比較便宜近距離、中小容量系統(tǒng)重點(diǎn)重點(diǎn)第二節(jié)第二節(jié) 光的調(diào)制光的調(diào)制可能的承載信息的參量可能的承載信息的參量:光的光的幅度幅度：幅度調(diào)制和幅度調(diào)制和強(qiáng)度強(qiáng)度調(diào)制調(diào)制光的頻率：光的頻率：頻率調(diào)制頻率調(diào)制光的相位：光的相位：相位調(diào)制相位調(diào)制光的偏振：光的偏振：偏振調(diào)制偏振調(diào)制 光的量子態(tài)：量子態(tài)調(diào)制光的量子態(tài)：量子態(tài)調(diào)制現(xiàn)在成熟利用的光的參量是強(qiáng)度現(xiàn)在成熟利用的光的參量是強(qiáng)度調(diào)制調(diào)制重點(diǎn)重點(diǎn)直接強(qiáng)度調(diào)制和外調(diào)制的區(qū)別直接強(qiáng)度調(diào)制和外調(diào)制的區(qū)別線路編碼驅(qū)動(dòng)電路L D 或LED控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)直接調(diào)制的光發(fā)射機(jī)線路編碼驅(qū)動(dòng)電路LD

34、或LED控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)外調(diào)制器件間接調(diào)制的光發(fā)射機(jī) 直接調(diào)制直接調(diào)制 用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。 這種方案技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)。直接調(diào)制這種方案技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)。直接調(diào)制時(shí)時(shí),會(huì)引起激光器的譜線展寬會(huì)引起激光器的譜線展寬,導(dǎo)致單模光纖色散增加導(dǎo)致單模光纖色散增加,限制通限制通信系統(tǒng)的容量。信系統(tǒng)的容量。2.5Gb/s（10Gb/s）以下。）以下。 外調(diào)制外調(diào)制 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分

35、開(kāi)，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。 外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。使用。適用高速系統(tǒng)適用高速系統(tǒng) 2.5Gb/s（10Gb/s）以上）以上。 第三節(jié)第三節(jié) 直接調(diào)制光發(fā)射機(jī)直接調(diào)制光發(fā)射機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的這部分電路被稱為光發(fā)射機(jī)。I調(diào)制電流信號(hào)輸出光功率半導(dǎo)體激光器（LD）PPI發(fā)光二極管（LED）I調(diào)制電流信號(hào)輸出光功率半導(dǎo)體激光器（LD）PLD的特點(diǎn)：工作電流超的特點(diǎn)：工作電流超過(guò)閾值電流時(shí)

36、才輸出激過(guò)閾值電流時(shí)才輸出激光，是有光，是有閾值的閾值的器件。器件。LD驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)LD光源器件發(fā)光必須是直流光源器件發(fā)光必須是直流偏置電流偏置電流Ib和信號(hào)電流和信號(hào)電流Im共同作用的結(jié)果。共同作用的結(jié)果。3.3.13.3.1激光器的驅(qū)動(dòng)電路激光器的驅(qū)動(dòng)電路偏置部分調(diào)制部分 IbsIb0有用信號(hào)恒流源I0Is偏置電路是一個(gè)偏置電路是一個(gè)有用有用信號(hào)電流信號(hào)電流（調(diào)制部分）（調(diào)制部分）與與直流電流直流電流的相加電的相加電路。路。偏置電路偏置電路要求：要求：1.直流偏置電流接近激直流偏置電流接近激光器的閾值；光器的閾值；2.偏置電流不能過(guò)大。偏置電流不能過(guò)大。重點(diǎn)重點(diǎn)直流偏置直流

37、偏置脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)-VccI0IsItotel驅(qū)動(dòng)電路原理驅(qū)動(dòng)電路原理如果有兩個(gè)電流源如果有兩個(gè)電流源并聯(lián)并聯(lián)工作，那么總工作，那么總電流就等于這兩個(gè)電流就等于這兩個(gè)電流源電流電流源電流之和之和電流源，內(nèi)阻非常大的電源。電流源，內(nèi)阻非常大的電源。晶體管晶體管偏置電路偏置電路差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路 恒流源恒流源調(diào)制電路調(diào)制電路要求：要求：快的快的開(kāi)關(guān)速度開(kāi)關(guān)速度和保持良和保持良好的電流好的電流脈沖波形脈沖波形可以看做一個(gè)雙擲開(kāi)可以看做一個(gè)雙擲開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制關(guān)，通過(guò)控制2個(gè)開(kāi)個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，達(dá)到調(diào)制關(guān)的開(kāi)合，達(dá)到調(diào)制的目的。的目的。K1K2差動(dòng)放大電路 T1T2驅(qū)動(dòng)芯片36693.3.2 激光器

38、的控制電路 溫度控制溫度控制 激光器的閾值、發(fā)光功率、甚至于波長(zhǎng)均與溫度有關(guān)激光器的閾值、發(fā)光功率、甚至于波長(zhǎng)均與溫度有關(guān)穩(wěn)定激光穩(wěn)定激光器的各項(xiàng)指標(biāo)器的各項(xiàng)指標(biāo) 激光器是高發(fā)熱器件，過(guò)高的結(jié)溫將導(dǎo)致激光器損壞激光器是高發(fā)熱器件，過(guò)高的結(jié)溫將導(dǎo)致激光器損壞保護(hù)激光保護(hù)激光器不損壞器不損壞 光功率控制光功率控制 重點(diǎn)重點(diǎn)溫度控制溫控原理激光器制冷器探測(cè)器QT圖 溫度閉環(huán)控制電路放大溫度控制熱敏電阻 溫度檢測(cè)電橋 )25(1 )(25TRTR+3VT+5V溫度的變化溫度的變化熱敏電阻阻值變化熱敏電阻阻值變化電壓的變化電壓的變化平衡電橋平衡電橋放大放大控制制冷器的控制制冷器的制冷電流制冷電流控制溫度

39、控制溫度溫度控制半導(dǎo)體制冷器（帕爾帖元件） 逆熱電效應(yīng)：電流產(chǎn)生兩面的溫度差 +-冷面熱面圖 帕爾帖元件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外部連接關(guān)系光

40、功率控制為什么要光功率控制 溫度變化使光功率不穩(wěn)定平均光功率不穩(wěn)定帶來(lái)的問(wèn)題 造成判決時(shí)脈沖的前后沿抖動(dòng) 光功率控制光功率控制光功率控制原理激光器偏置電路光探測(cè)器IP去偏置電路比較電壓設(shè)定第四節(jié)第四節(jié) 外調(diào)制外調(diào)制-直接強(qiáng)度調(diào)制和外調(diào)制的區(qū)別線路編碼驅(qū)動(dòng)電路L D 或LED控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)直接調(diào)制的光發(fā)射機(jī)線路編碼驅(qū)動(dòng)電路LD或LED控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)外調(diào)制器件間接調(diào)制的光發(fā)射機(jī)外調(diào)制的方法外調(diào)制的方法n1 電光效應(yīng)n2 聲光效應(yīng)n3 磁光效應(yīng)n4 EAM（電吸收調(diào)制）折射率隨所施加的電壓改變而改變的現(xiàn)象折射率隨所施加的電壓改變而改變的現(xiàn)象 電電/光光光光/電電前端前端前端前端網(wǎng)

41、卡網(wǎng)卡電信號(hào)輸入電信號(hào)輸入網(wǎng)卡網(wǎng)卡電信號(hào)輸出電信號(hào)輸出傳輸光路傳輸光路光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成第四章第四章 光接收機(jī)光接收機(jī) 第一節(jié)第一節(jié) 光探測(cè)器光探測(cè)器第二節(jié)第二節(jié) 光接收機(jī)的性能要求光接收機(jī)的性能要求光接收機(jī)的作用是將傳輸光路中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光接收機(jī)的作用是將傳輸光路中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。概述光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成光發(fā)送機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)電端機(jī)電端機(jī)電信號(hào)輸入電信號(hào)輸出傳輸光路光纖通信系統(tǒng)光接收機(jī)光接收機(jī)重點(diǎn)重點(diǎn)光接收機(jī)光纖光前置放大部分光前置放大部分光前端接口光檢測(cè)器前置放大器主放大主放大器均衡濾波AGC電路數(shù)字信號(hào)恢復(fù)判決電路再生放

42、大時(shí)鐘提取譯碼部分譯碼器幀同步并行輸出光檢測(cè)器重點(diǎn)重點(diǎn)前置放大電路半導(dǎo)體光電二極管的等效電路半導(dǎo)體光電二極管的等效電路n三種放大電路(1)高阻抗放大高阻抗放大:靈敏度高,帶寬迅低,動(dòng)態(tài)范圍降低。用于低速系統(tǒng)。(2)低阻抗放大低阻抗放大:帶寬提高，動(dòng)態(tài)范圍有所改善，接收靈敏度低。信噪比低。(3)跨阻抗放大跨阻抗放大：輸入電阻比較小，動(dòng)態(tài)范圍比較大。反輸入電阻比較小，動(dòng)態(tài)范圍比較大。反饋電阻比較大，所以電阻上的熱噪聲比較小。饋電阻比較大，所以電阻上的熱噪聲比較小。 任務(wù)：將半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的微弱的光電流，無(wú)失真的任務(wù)：將半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的微弱的光電流，無(wú)失真的轉(zhuǎn)化為較大的電信號(hào)，然后進(jìn)入主

43、放大器作進(jìn)一步的放大。轉(zhuǎn)化為較大的電信號(hào)，然后進(jìn)入主放大器作進(jìn)一步的放大。第一節(jié)光檢測(cè)器 光檢測(cè)的物理基礎(chǔ)光檢測(cè)的物理基礎(chǔ):光電效應(yīng)光電效應(yīng)4.1.1 PIN半導(dǎo)體光電二極半導(dǎo)體光電二極管管 4.1.2 APD雪崩光電二極管雪崩光電二極管 4.1.1 PIN半導(dǎo)體光電二極管n本征材料I（intrinsic ）-不摻雜P區(qū)N區(qū)耗盡區(qū)I區(qū)步驟：步驟：1.在半導(dǎo)體表面被反射，損失一部分光能；在半導(dǎo)體表面被反射，損失一部分光能；2.透過(guò)不能產(chǎn)生電子空穴對(duì)的表面，進(jìn)一步消耗一部分透過(guò)不能產(chǎn)生電子空穴對(duì)的表面，進(jìn)一步消耗一部分光能；光能；3.剩余的光能到達(dá)能夠產(chǎn)生電子空穴對(duì)的耗盡區(qū)，產(chǎn)生剩余的光能到達(dá)能夠

44、產(chǎn)生電子空穴對(duì)的耗盡區(qū)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)；電子空穴對(duì)；4.最后剩余的一部分光能，透過(guò)耗盡區(qū)而消耗掉。最后剩余的一部分光能，透過(guò)耗盡區(qū)而消耗掉。)exp(1)exp()1 (100wwprheIp雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）可以對(duì)尚未進(jìn)入）可以對(duì)尚未進(jìn)入后面放大器的輸入電路的初級(jí)光電流進(jìn)行后面放大器的輸入電路的初級(jí)光電流進(jìn)行內(nèi)部放大。內(nèi)部放大。 這樣可以顯著地增加接收機(jī)的這樣可以顯著地增加接收機(jī)的靈敏度，靈敏度， 因?yàn)樵谶€沒(méi)有遇到接收機(jī)電路的因?yàn)樵谶€沒(méi)有遇到接收機(jī)電路的熱噪聲之前就已放大了光電流。熱噪聲之前就已放大了光電流。 為了達(dá)到為了達(dá)到載流子的倍增，載流子的倍增， 光生載流子必須

45、穿過(guò)一個(gè)光生載流子必須穿過(guò)一個(gè)具有非常高的電場(chǎng)的高場(chǎng)區(qū)。具有非常高的電場(chǎng)的高場(chǎng)區(qū)。 4.1.2 APD雪崩光電二極管在這個(gè)高場(chǎng)區(qū)，在這個(gè)高場(chǎng)區(qū)， 光生電子或空穴可以獲得光生電子或空穴可以獲得很高的能量，很高的能量， 因此它們高速碰撞在價(jià)帶上因此它們高速碰撞在價(jià)帶上的電子使之產(chǎn)生電離，的電子使之產(chǎn)生電離， 從而激發(fā)出新的電從而激發(fā)出新的電子子空穴對(duì)，空穴對(duì)， 這種載流子倍增的機(jī)理稱為這種載流子倍增的機(jī)理稱為碰撞電離。碰撞電離。 新產(chǎn)生的載流子同樣由電場(chǎng)加新產(chǎn)生的載流子同樣由電場(chǎng)加速，速， 并獲得足夠的能量從而導(dǎo)致更多的碰并獲得足夠的能量從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，撞電離產(chǎn)生， 這種現(xiàn)象就是所謂的

46、這種現(xiàn)象就是所謂的雪崩效雪崩效應(yīng)應(yīng)。 當(dāng)偏置電壓低于二極管的擊穿電壓時(shí)，當(dāng)偏置電壓低于二極管的擊穿電壓時(shí)， 產(chǎn)生的載流子總數(shù)是有限的。產(chǎn)生的載流子總數(shù)是有限的。 偏置電壓高偏置電壓高于擊穿電壓時(shí)，于擊穿電壓時(shí)， 產(chǎn)生的載流子就可以無(wú)限產(chǎn)生的載流子就可以無(wú)限多了。多了。 APD雪崩光電二極管雪崩光電二極管 獲得雪崩增益的條件：獲得雪崩增益的條件： 1）有足夠高的電壓作用，所以雪崩二極管都是工作）有足夠高的電壓作用，所以雪崩二極管都是工作在高壓下；在高壓下；2）需要一個(gè)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)的工作區(qū)。）需要一個(gè)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)的工作區(qū)。 APD雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)P+IPN+吸收增益電場(chǎng)距離參數(shù)單位硅檢測(cè)器鍺檢測(cè)

47、器銦鎵砷檢測(cè)器PIN APDPINAPDPINAPD波長(zhǎng)范圍nm400110080018009001700峰值波長(zhǎng)nm900830155013001300(1550)1300(1550)響應(yīng)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倍數(shù)1150250154011030過(guò)剩噪聲指數(shù)x-0.30.5-0.951-0.7偏壓-電流nA1-100.115050010500120

48、15結(jié)電容PF1.231.3225250.520.5上升時(shí)間第二節(jié)第二節(jié) 光接收機(jī)的要求光接收機(jī)的要求 （1)1)極低的誤碼率極低的誤碼率（2）較高的接收靈敏度（較低的接收光平）；）較高的接收靈敏度（較低的接收光平）；（3）較寬的帶寬，即能夠接收較高速率的光信號(hào)碼流；）較寬的帶寬，即能夠接收較高速率的光信號(hào)碼流；（4）較大的動(dòng)態(tài)范圍，即可以接收的最大的光信號(hào)和最?。┹^大的動(dòng)態(tài)范圍，即可以接收的最大的光信號(hào)和最小的光信號(hào)的范圍比較大；的光信號(hào)的范圍比較大；（5）較低的輸出噪聲。）較低的輸出噪聲。第五章第五章 光放大光放大 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器第三節(jié)第三

49、節(jié) 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器5-1 概述光放大器光放大器的出現(xiàn)是繼的出現(xiàn)是繼光纖光纖、激光器激光器之后在光信息領(lǐng)域之后在光信息領(lǐng)域的新突破。在光纖通信中享有重要的地位。的新突破。在光纖通信中享有重要的地位。光放大器首先解決的是光放大器首先解決的是光路損耗的功率補(bǔ)償問(wèn)題光路損耗的功率補(bǔ)償問(wèn)題。光光放大器能對(duì)光信號(hào)直接放大，省去光電轉(zhuǎn)換的麻煩放大器能對(duì)光信號(hào)直接放大，省去光電轉(zhuǎn)換的麻煩，得到了廣泛的應(yīng)用。得到了廣泛的應(yīng)用。光放大器的出現(xiàn)，預(yù)示著光信息領(lǐng)域?qū)⒂行碌耐黄?。光放大器的出現(xiàn)，預(yù)示著光信息領(lǐng)域?qū)⒂行碌耐黄?。它將成為光信?hào)處理、光邏輯門(mén)、各種光功能器件的它將成為光信號(hào)處理、光邏輯門(mén)、各種光

50、功能器件的基礎(chǔ)元件。基礎(chǔ)元件。 光放大器的類型一般，光放大器都由一般，光放大器都由增益介質(zhì)增益介質(zhì)、泵浦源泵浦源、輸入輸出耦輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)合結(jié)構(gòu)組成。組成。根據(jù)增益介質(zhì)不同分類根據(jù)增益介質(zhì)不同分類根據(jù)泵浦源不同分類根據(jù)泵浦源不同分類根據(jù)輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)不同分類根據(jù)輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)不同分類放大器的基本結(jié)構(gòu) 根據(jù)增益介質(zhì)的不同分類：根據(jù)增益介質(zhì)的不同分類：活性介質(zhì)活性介質(zhì) 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料: :半導(dǎo)體激光放大器半導(dǎo)體激光放大器摻稀土摻稀土(Nd, Sm, Ho, Er, Pr, Tm.和和Yb)光纖，利光纖，利用受激輻射機(jī)直接放大用受激輻射機(jī)直接放大, 如摻雜光纖放大器；如摻雜光纖放大器；基

51、于光纖的非線性效應(yīng)基于光纖的非線性效應(yīng)( (受激散射受激散射) )光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器光纖布里淵放大器光纖布里淵放大器 光放大器的類型光放大器的類型半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器摻雜光纖放大器摻雜光纖放大器 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器受激散射光纖放大器受激散射光纖放大器 光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器根據(jù)泵浦類型不同分類根據(jù)泵浦類型不同分類電泵浦電泵浦-半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器光泵浦光泵浦-光纖放大器光纖放大器摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器光泵浦光泵浦光泵浦光泵浦是基于活性介質(zhì)吸收泵浦光，使粒子從低能級(jí)是基于活性介質(zhì)吸收泵浦光，使粒子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，實(shí)

52、現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，各種躍遷到高能級(jí)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，各種摻雜光纖摻雜光纖制作制作的的光放大器光放大器屬于這一類。屬于這一類。 電泵浦電泵浦-半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器外建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)利用半導(dǎo)體材料固有的受激輻射放大機(jī)制利用半導(dǎo)體材料固有的受激輻射放大機(jī)制, 實(shí)現(xiàn)相干光實(shí)現(xiàn)相干光放大放大其原理和結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體激光器相似。其原理和結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體激光器相似。當(dāng)偏置電流低于振蕩閾值時(shí)當(dāng)偏置電流低于振蕩閾值時(shí), 激光二極管對(duì)輸入的相干激光二極管對(duì)輸入的相干光具有線性放大作用。光具有線性放大作用。當(dāng)偏置電流高于振蕩閾值時(shí)當(dāng)偏置電流高于振蕩閾值時(shí), 通過(guò)注入鎖定通過(guò)注入鎖定, 激光二極激光二極管可以作為激光器管可以作為激光器。放大器應(yīng)用分類放大器應(yīng)用分類 根據(jù)用途分類：根據(jù)用途分類：后置放大器后置放大器(功率放大器功率