第章光纖通信技術(shù)PPT課件

1、*單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)*第9章 光纖通信技術(shù) 第一節(jié) 光纖通信概述 第二節(jié) 光纖傳輸原理與特性 第三節(jié) 光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī) 第四節(jié) 光纖通信系統(tǒng) 第五節(jié) 光纖通信新技術(shù)91 光纖通信概述9.1.1 電磁波譜 信息的傳輸是以電磁波為媒介進(jìn)行的。電磁波的波譜很寬，如圖9.1所示。通信所用的波段是在波長(zhǎng)為千米至微米數(shù)量級(jí)范圍。 通信的容量與電磁波頻率成正比 探索將更高頻率的電磁波用于通信技術(shù)是人們追求的目標(biāo)。 各種頻段電磁波的劃分和常用傳輸媒質(zhì)如表9.1所示。9 頻段和波段名稱(chēng)

2、頻率范圍和波長(zhǎng)范圍 傳輸媒質(zhì) 主要用途極低頻(ELF)極長(zhǎng)波 30-3000Hz 0.1-l 000km有線(xiàn)線(xiàn)對(duì)極長(zhǎng)波無(wú)線(xiàn)電 潛艇通信、礦井通信甚低頻(TLF)超長(zhǎng)波 3-30kHz 1 000-lOkm有線(xiàn)線(xiàn)對(duì)超長(zhǎng)波無(wú)線(xiàn)電 潛艇通信、遠(yuǎn)程導(dǎo)航、遠(yuǎn)程無(wú) 線(xiàn)電通信 低頻(LF)長(zhǎng)波 30-300kHz lO-1 km有線(xiàn)線(xiàn)對(duì)長(zhǎng)波無(wú)線(xiàn)電 中遠(yuǎn)距離通信、地下通信、無(wú) 線(xiàn)電導(dǎo)航 中頻(MF)中波 O3-3MHz l 000-100m同軸電纜中波無(wú)線(xiàn)電調(diào)幅廣播、導(dǎo)航、業(yè)余無(wú)線(xiàn)電高頻(HF)短波 3-30MHz 10010m同軸電纜短波無(wú)線(xiàn)電調(diào)幅廣播、移動(dòng)通信、軍用通信甚高頻(VHF)超短波 30300M

3、Hz 10lm同軸電纜超短波無(wú)線(xiàn)電調(diào)幅廣播、電視、移動(dòng)通信、電離層散射通信特高頻(UHF) 分米波 0.33 GHz lOl cm波導(dǎo)分米波無(wú)線(xiàn)電微波接力、移動(dòng)通信、空間遙測(cè)雷達(dá)、電視 微 波超高頻(SHF) 厘米波 330GHz 101cm波導(dǎo)厘米波無(wú)線(xiàn)電雷達(dá)、微波接力、衛(wèi)星和空間通信極高頻(EHF) 毫米波 30一300GHz 10一lm波導(dǎo)毫米波無(wú)線(xiàn)電雷達(dá)、微波接力、射電天文 紫外、可見(jiàn)光、紅外 105107 GHz O3310-6 cm光纖激光空間傳播光通信 9.1.2 光纖通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 光纖通信是以光波為載頻、以光纖（光導(dǎo)纖維）為傳輸媒質(zhì)的通信方式。 光纖通信系統(tǒng)的基本組成

4、如圖9.2所示，它包括了電收發(fā)端機(jī)、光收發(fā)端機(jī)、光纖光纜線(xiàn)路、中繼器等。圖9.2 光纖通信系統(tǒng)組成LD/LEDLD/LEDPIN/APD 光纖通信系統(tǒng)由于采用了光纖傳輸信號(hào)實(shí)現(xiàn)通信，因此，和其他通信系統(tǒng)相比，具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）頻帶寬，通信容量大 （2）傳輸損耗低，無(wú)中繼距離長(zhǎng)（3）抗電磁干擾（4）光纖通信串話(huà)小，保密性強(qiáng)，使用安全（5）體積小，重量輕，便于敷設(shè)（6）材料資源豐富 9.2 光纖傳輸原理與特性 9.2.1 光纖的結(jié)構(gòu)和分類(lèi) 光纖是圓截面介質(zhì)波導(dǎo)(圖9.3 )。光纖由纖芯、包層和涂覆層構(gòu)成。纖芯由高度透明的材料構(gòu)成； 包層的折射率略小于纖芯，從而可以形成光波導(dǎo)效應(yīng)，使大部分

5、的光被束縛在纖芯中傳輸； 涂覆層的作用是增強(qiáng)光纖的柔韌性。 為了進(jìn)一步保護(hù)光纖，提高光纖的機(jī)械強(qiáng)度，在帶有涂覆層的光纖外面在套一層熱塑性材料，成為套塑層（或二次涂覆層）。在涂覆層和套塑層之間還需填充一些緩沖材料，成為緩沖層（或稱(chēng)墊層）。 光纖大多為石英光纖。它以純凈的二氧化硅材料為主，中間摻以合適的雜質(zhì)。摻鍺和磷使折射率增加，摻硼和氟使折射率降低。1按光纖橫截面的折射率分布分類(lèi) 根據(jù)光纖橫截面折射率分布的不同，常用的光纖可以分成階躍折射率分布光纖（簡(jiǎn)稱(chēng)階躍光纖）和漸變折射率分布光纖（簡(jiǎn)稱(chēng)漸變光纖兩種類(lèi)型，其折射率分布如圖94所示。 圖（a）是光纖的橫截面圖，其纖芯直徑為2a，包層直徑為2b。

6、(1) 階躍光纖： 圖(b)為階躍光纖橫截面的折射率分布，纖芯折射率為n1，包層折射率為n2。纖芯和包層的折射率都是均勻分布，折射率在纖芯和包層的界面上發(fā)生突變。第9章 光纖通信技術(shù) （2）漸變光纖： 圖（C）為漸變光纖橫截面的折射率分布，包層的折射率為n2，是均勻的，而在纖芯中折射率則隨著纖芯的半徑的加大而減小，是非均勻的、且連續(xù)變化。 此外，還有三角型折射率光纖，其纖芯折射率分布曲線(xiàn)為三角形；雙包層光纖、四包層光纖等，如圖95所示。 2按光纖中的傳導(dǎo)模式數(shù)量分類(lèi) 光是一種電磁波，它沿光纖傳輸時(shí)可能存在多種不同的電磁場(chǎng)分布形式（即傳播模式），能夠在光纖中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膫鞑ツＪ椒Q(chēng)為傳導(dǎo)模式。根據(jù)

7、傳導(dǎo)模式數(shù)量的不同，光纖可以分為單模光纖和多模光纖兩類(lèi)。 (1) 單模光纖 光纖中只傳輸一種模式，即基模（最低階模式）。單模光纖的纖芯直徑約為 410m范圍，包層直徑為 125m。單模光纖適用于長(zhǎng)距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)。(2) 多模光纖 光纖中傳輸?shù)哪Ｊ讲恢挂粋€(gè)，即在光纖中存在多個(gè)傳導(dǎo)模式。多模光纖的纖芯纖芯直徑一般為 50m，其橫截面的折射率分布為漸變型，包層的外徑125m。多模光纖適用于中距離、中容量的光纖通信系統(tǒng)。 3按光纖構(gòu)成的原材料分類(lèi) （1）石英系光纖 石英系光纖主要是由高純度的 SiO2 并摻有適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)制成，如用 和 作芯子，用 作包層。目前這種光纖損耗最低、強(qiáng)度和可靠性最

8、高、應(yīng)用最廣泛。 （2）多組分玻璃光纖 例如用鈉玻璃摻有適當(dāng)雜質(zhì)制成的光纖。這種光纖的損耗較低，但可靠性不高。 （3）塑料包層光纖 光纖的芯子是用石英制成，包層是硅樹(shù)脂。 （4）全塑光纖 光纖的芯子和包層均由塑料制成，其損耗較大，可靠性也不高。 4按光纖的套塑層分類(lèi) （1）緊套光纖 典型的緊套光纖各層之間都是緊貼的，光纖被套管緊緊箍住，不能在其中松動(dòng)。在光纖與套管之間放置了一個(gè)緩沖層，以減小外面應(yīng)力對(duì)光纖的作用。緊套光纖的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用和測(cè)試都比較方便。 （2）松套光纖 典型的松緊套光纖的護(hù)套為松套管，光纖能在其中松動(dòng)。管內(nèi)空間填充油膏，以防水份滲入。松套光纖的機(jī)械性能、防水性能都比較好，便于

9、成纜。若一根管內(nèi)放入220根光纖，可制成光纖束，稱(chēng)為松套光纖束。 9.2.2 光纖的導(dǎo)光原理* 光具有波粒二象性，既可以將光看成光波，也可以將光看作是由光子組成的粒子流。因而，在分析光纖中光的傳輸特性時(shí)相應(yīng)地也有兩種理論，即射線(xiàn)光學(xué)（即幾何光學(xué)）理論和波動(dòng)光學(xué)理論。射線(xiàn)光學(xué)是用光射線(xiàn)代表光能量傳輸線(xiàn)路來(lái)分析問(wèn)題的方法。這種理論適用于光波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光波導(dǎo)尺寸的多模光纖，可以得到簡(jiǎn)單、直觀(guān)的分析結(jié)果。 波動(dòng)光學(xué)是把光纖中的光作為經(jīng)典電磁場(chǎng)來(lái)處理。從波動(dòng)方程和電磁場(chǎng)的邊界條件出發(fā)，可以得到全面、正確的解析或數(shù)字結(jié)果，給出光纖中的場(chǎng)的結(jié)構(gòu)形式（即傳輸模式），從而給出光纖中完善的場(chǎng)的描述形式。它的特點(diǎn)是

10、：能夠精確地、全面地描述光纖的傳輸特性，這種理論適合于單模光纖和多模光纖的分析。 1采用射線(xiàn)光學(xué)分析光纖的特性 （1）多模階躍折射率光纖的射線(xiàn)光學(xué)理論分析 在多模階躍光纖的纖芯中，光接直線(xiàn)傳輸，在纖芯和包層的界面上光發(fā)生反射。由于光纖中纖芯的折射率 n1 大于包層的折射率 所以在芯包界面存在著臨界角 ，如圖96所示。圖96為階躍光纖的子午光線(xiàn)。通過(guò)光纖軸線(xiàn)的平面稱(chēng)稱(chēng)作子午面，把傳輸中總是位于子午面內(nèi)的光線(xiàn)稱(chēng)為子午光線(xiàn)） 當(dāng)光線(xiàn)在芯包界面上的入射角 大于 時(shí)，將產(chǎn)生全反射。若 小于 ，入射光一部分反射，一部分通過(guò)界面進(jìn)入包層，經(jīng)過(guò)多次反射后，光很快衰減掉。所以可以形象地說(shuō)階躍光纖中的傳輸模式是：

11、 靠光射線(xiàn)在纖芯和包層的界面上全反射而使能量集中在芯子之中傳輸。 這里首先定義光纖的相對(duì)折射率差， 這一參數(shù)直接影響光纖的性能。光纖通信中所用的光纖的一般小于1，所以可近似表示為 由光纖中光線(xiàn)在界面的全反射條件?？梢酝瞥雠R界角 為那么光在纖芯端面的最大入射角 應(yīng)滿(mǎn)足由此可以定義光纖的數(shù)值孔徑為數(shù)值孔徑表征了光纖的集光能力。由此看出n1,n2差別越大，即 越大，光纖的集光能力越強(qiáng)。通信用光纖的數(shù)值孔徑是較小的。 在多模階躍折射率光纖中滿(mǎn)足全反射條件，但入射角不同光線(xiàn)的傳輸路徑是不同的，使不同的光線(xiàn)所攜帶的能量到達(dá)終端的時(shí)間不同，即存在著時(shí)延差，即模式色散，從而使傳輸?shù)拿}沖發(fā)生了展寬，限制了光纖的

12、傳輸容量。采用射線(xiàn)光學(xué)的分析方法可以計(jì)算出多模階躍折射率光纖中子午光線(xiàn)的最大時(shí)延差：（2）多模漸變折射率光纖的射線(xiàn)光學(xué)理論分析 多模漸變折射率光纖纖芯中的折射率是連續(xù)變化的。它隨纖芯半徑r的增加按一定規(guī)律減小，如前圖94所示。采用漸變光纖的目的是減小多模光纖的模式色散。 在多模漸變折射率光纖中，相對(duì)折射率差定義為 漸變折射光纖的折射率分布可以表示為 如圖97所示的漸變光纖中的子午射線(xiàn)，以不同入射角進(jìn)入纖芯的光射線(xiàn)在光纖中傳過(guò)同一距離時(shí)，靠近光纖軸線(xiàn)的射線(xiàn)所走的路程短，而遠(yuǎn)離軸線(xiàn)所走的路程長(zhǎng)。由于纖芯折射率是漸變的，所以近軸處的光速慢，遠(yuǎn)軸處的光速快。當(dāng)折射率分布指數(shù)g取最佳時(shí)，就可以使全部子午

13、射線(xiàn)以同樣的軸向速度在光纖中傳輸。 分析指出，如果光纖的折射率分布采取雙曲正割函數(shù)的分布，所有的子午射線(xiàn)具有完善的自聚焦性質(zhì)，即從光纖端面入射的子午光線(xiàn)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)木嚯x會(huì)重新匯聚到一點(diǎn)，這些光線(xiàn)具有相同的時(shí)延。纖芯折射率分布為 分析漸變光纖中的光線(xiàn)傳輸軌跡時(shí)，采用射線(xiàn)方程，可以由已知的折射率分布和初始條件求出光線(xiàn)的軌跡。射線(xiàn)方程為 由于漸變光纖纖芯折射率是變化的，所以纖芯端面上不同點(diǎn)的集光能力不同，因此在漸變光纖中引入本地?cái)?shù)值孔徑的概念，它是指光纖端面上某一點(diǎn)的數(shù)值孔徑，表征了漸變光纖端面上某一點(diǎn)的集光能力的大小。其表達(dá)式為 2采用波動(dòng)理論分析光纖的特性 光是電磁波它具有電磁波的通性。因此，光波

14、在光纖中傳輸?shù)囊恍┗拘再|(zhì)都可以從電磁場(chǎng)的基本方程麥克斯韋方程組推導(dǎo)出來(lái)。一般的求解方法是由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出光在均勻介質(zhì)中的波動(dòng)方程，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的波動(dòng)方程為式中0為光波導(dǎo)介質(zhì)（或真空）的導(dǎo)磁率； 為光波導(dǎo)介質(zhì)的介電系數(shù)。 如果電磁場(chǎng)作簡(jiǎn)諧振蕩，由波動(dòng)方程可以推出均勻介質(zhì)中的矢量亥姆霍茲方程 在直角坐標(biāo)系中，E，H的x，y，z分量均滿(mǎn)足標(biāo)量的亥姆霍茲方程 在光纖的分析中，求上述亥姆霍茲方程滿(mǎn)足邊界條件的解，即可得到光纖中的場(chǎng)的解答。求解的方法主要有標(biāo)量近似解和矢量解。（1）標(biāo)量近似解 分析階躍光纖時(shí)，假設(shè)光纖里的橫向(非光傳輸?shù)姆较颍╇姶艌?chǎng)的幅度滿(mǎn)足標(biāo)量亥姆霍茲方程，求出近似解。這是一種近似

15、，前提是光纖的相對(duì)折射率差已很小。西很小的光纖稱(chēng)作弱導(dǎo)波光纖，一般階躍光纖可以滿(mǎn)足這一條件。 分析漸變光纖時(shí)，假設(shè)纖芯的尺寸無(wú)窮，邊界不起作用，然后假設(shè)橫向（非光傳輸?shù)姆较颍╇姶艌?chǎng)的幅度滿(mǎn)足標(biāo)量亥姆霍茲方程，求出近似解。采用這一解法可以得到光纖中各個(gè)模式的傳輸系數(shù)、模式的截止條件、單模傳輸條件、多模傳輸時(shí)的模式數(shù)量、模式功率分布等的簡(jiǎn)便計(jì)算公式。還可以利用這一方法來(lái)分析光纖的色散特性。 采用標(biāo)量近似解得到的光纖中的模式為標(biāo)量模。 （2）矢量解 矢量解是求滿(mǎn)足邊界條件的矢量亥姆霍茲方程的解答。矢量解中各個(gè)分量在直角坐標(biāo)系中都滿(mǎn)足標(biāo)量的亥姆霍茲方程。 在分析階躍光纖時(shí)，纖芯和包層的折射率都是均勻的

16、，所以矢量解是嚴(yán)格的分析方法，它可以得到精確的模式及分布，但是比較復(fù)雜。對(duì)于漸變光纖，需要作一些近似假設(shè)，分析仍然十分復(fù)雜，需進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。 采用矢量解得到的光纖中的模式為矢量模式。 9.2.3 光纖的傳輸特性 光纖的傳輸特性主要包括光纖的損耗特性和色散特性，此外還有光纖的非線(xiàn)性效應(yīng)。 1光纖的損耗特性 光波在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加，光功率會(huì)不斷下降。光纖對(duì)光波產(chǎn)生的衰減作用稱(chēng)為光纖的損耗。 衡量光纖損耗特性的參數(shù)為衰減系數(shù)（損耗系數(shù)），定義為單位長(zhǎng)度光纖引起的光功率衰減，其表達(dá)式為 光纖的損耗特性是光纖的一個(gè)很重要的傳輸參數(shù)，它對(duì)于評(píng)價(jià)光纖質(zhì)量和確定光纖通信系統(tǒng)的中繼距離有著決定性

17、的作用。目前光纖在 1.55m處的損耗可以做到0.2dBkm左右，接近光纖損耗的理論極限值。（1）引起光纖損耗的因素 光纖的損耗因素主要有吸收損耗、散射損耗和其他損耗。這些損耗又可以歸納為本征損耗、制造損耗和附加損耗等。 除上述三類(lèi)損耗外，在光纖的使用中還會(huì)存在連接損耗、耦合損耗，如果光纖中入射光功率超出某值時(shí)還會(huì)有非線(xiàn)性效應(yīng)帶來(lái)的散射損耗。 （2）光纖的損耗特性曲線(xiàn)損耗譜 將以上三類(lèi)損耗相加就可以得到總的損耗，它是一條隨波長(zhǎng)而變化的曲線(xiàn)，叫做光纖的損耗特性曲線(xiàn)損耗譜。第9章 光纖通信技術(shù) 如圖9. 8為石英光纖的損耗譜曲線(xiàn)。從圖中可以看到光纖通信所使用的3個(gè)低損耗“窗口”3個(gè)低損耗谷，850

18、nm波段短波長(zhǎng)波段1310nm波段長(zhǎng)波長(zhǎng)波段1550nm波段長(zhǎng)波長(zhǎng)波段。 目前光纖通信系統(tǒng)主要工作在1310nm波段和1550nm波段上，尤其是 1550nm波段，長(zhǎng)距離大容量的光纖通信系統(tǒng)多工作在這一波段。 2光纖的色散特性 (1)光纖色散的概念 光纖所傳輸?shù)男盘?hào)是由不同頻率成分和不同模式成分所攜帶的，由于不同頻率成分和不同模式成分的傳輸速度不同，從而導(dǎo)致信號(hào)畸變的一種物理現(xiàn)象。在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，色散使光脈沖發(fā)生展寬。 對(duì)于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，當(dāng)色散嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光脈沖前后相互重疊，造成碼間干擾，增加誤碼率。所以光纖的色散不僅影響光纖的傳輸容量，也限制了光纖通信系統(tǒng)的中繼距離。第9章 光纖

19、通信技術(shù) （2）光纖色散的表示法 光纖的色散可以用不同的方法來(lái)表示，常用的有色散系數(shù)D（）、最大時(shí)延差,光纖的帶寬等。 光纖的色散系數(shù)D（）定義為單位光譜線(xiàn)寬光源在單位長(zhǎng)度光纖上所引起的時(shí)延差，其公式為最大時(shí)延差描述光纖中速度最快和最慢的光波的時(shí)延之差。時(shí)延差越大，色散就越嚴(yán)重。 光纖帶寬是用光纖的頻率特性來(lái)描述光纖的色散，它是把光纖看作一個(gè)具有一定帶寬的低通濾波器，光脈沖經(jīng)過(guò)光纖傳輸后，光波的幅度隨著調(diào)制的頻率增加而減小，直到為零，而脈沖寬度則發(fā)生展寬。經(jīng)理論推導(dǎo)，光纖的帶寬和時(shí)延差的關(guān)系為（3）光纖色散的種類(lèi) 根據(jù)色散產(chǎn)生的原因，光纖色散的種類(lèi)主要可以分為模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散三種。

20、模式色散是由于信號(hào)不是單一模式攜帶所導(dǎo)致的，又稱(chēng)為模間色散；材料色散和波導(dǎo)色散是由于同一個(gè)模式內(nèi)攜帶信號(hào)的光波頻率成分不同所導(dǎo)致的，所以也叫做模內(nèi)色散。 模式色散 在多模光纖中存在許多傳輸模式，即使在同一波長(zhǎng)，不同模式沿光纖軸向的傳輸速度也不同，到達(dá)接收端所用的時(shí)間不同，產(chǎn)生了模式色散。 材料色散 由于光纖材料的折射率是波長(zhǎng)的非線(xiàn)性函數(shù)，從而使光的傳輸速度隨波長(zhǎng)的變化而變化，由此而引起的色散叫材料色散 材料色散主要是由光源的光譜寬度所引起。由于光纖通信中使用的光源不是單色光，具有一定的光譜寬度，這樣不同波長(zhǎng)的光波傳輸速度不同，從而產(chǎn)生時(shí)延差，引起脈沖展寬。 波導(dǎo)色散 同一模式的相位常數(shù)隨波長(zhǎng)而

21、變化，即群速度隨波長(zhǎng)而變化，從而引起色散，稱(chēng)為波導(dǎo)色散。 波導(dǎo)色散主要是由光源的光譜寬度和光纖的幾何結(jié)構(gòu)所引起的。3光纖的非線(xiàn)性效應(yīng) 光纖中的非線(xiàn)性效應(yīng)對(duì)于光纖通信系統(tǒng)有正反兩方面的作用： 一方面可引起傳輸信號(hào)的附加損耗、波分復(fù)用系統(tǒng)中信道之間的串話(huà)、信號(hào)載波的移動(dòng)等； 另一方面又可以被利用來(lái)開(kāi)發(fā)如放大器、調(diào)制器等新型器件。 光纖的非線(xiàn)性可以分為兩類(lèi)，即受激散射效應(yīng)和折射率擾動(dòng)。 （1）受激散射效應(yīng) 受激散射效應(yīng)是光通過(guò)光纖介質(zhì)時(shí)，有一部分能量偏離預(yù)定的傳播方向、且光波的頻率發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為受激散射效應(yīng)。受激散射效應(yīng)有兩種形式，即受激布里淵散射和受激拉曼散射。這兩種散射都可以理解為一個(gè)高

22、能量的光子被散射成一個(gè)低能量的光子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)能量為兩個(gè)光子能量差的另一個(gè)能量子。 兩種散射的主要區(qū)別 受激拉曼散射的剩余能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣忸l聲子 受激布里淵散射轉(zhuǎn)變?yōu)槁曨l聲子； 光纖中的受激布里淵散射只發(fā)生在后向，受激拉曼散射主要是前向。受激布里淵散射和受激拉曼散射都使得入射光能量降低，在光纖中形成一種損耗機(jī)制。在較低光功率下，這些散射可以忽略。當(dāng)入射光功率超過(guò)一定閾值后，受激散射效應(yīng)隨入射光功率成指數(shù)增加。 （2）折射率擾動(dòng) 在入射光功率較低的情況下，可以認(rèn)為石英光纖的折射率與光功率無(wú)關(guān)。但是在較高光功率下，則應(yīng)考慮光強(qiáng)度引起的光纖折射率的變化，它們的關(guān)系為 折射率擾動(dòng)主要引起4種非線(xiàn)性效應(yīng)：

23、即自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）。四波混頻（FWM）、光孤子形成。自相位調(diào)制是指光在光纖內(nèi)傳輸時(shí)光信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化對(duì)自身相位的作用。它導(dǎo)致光譜展寬，從而影響系統(tǒng)的性能。交叉相位調(diào)制是任一波長(zhǎng)信號(hào)的相位受其他波長(zhǎng)信號(hào)強(qiáng)度起伏的調(diào)制產(chǎn)生的。交叉相位調(diào)制不僅與光波自身強(qiáng)度有關(guān)，而且與其他同時(shí)傳輸?shù)墓獠ǖ膹?qiáng)度有關(guān)，所以交叉相位調(diào)制總伴有自相位調(diào)制。交叉相位調(diào)制會(huì)使信號(hào)脈沖譜展寬。 四波混頻是指由2個(gè)或3個(gè)不同波長(zhǎng)的光波混合后產(chǎn)生新的光波的現(xiàn)象。其產(chǎn)生原因是某一波長(zhǎng)的入射光會(huì)改變光纖的折射率，從而在不同頻率處發(fā)生相位調(diào)制，產(chǎn)生新的波長(zhǎng)。四波混頻對(duì)于密集波分復(fù)用（DWDM）光纖通信系統(tǒng)影

24、響較大，成為限制其性能的重要因素。 非線(xiàn)性折射率和色散間的相互作用，可以使光脈沖得以壓縮變窄。當(dāng)光纖中的非線(xiàn)性效應(yīng)和色散相互平衡時(shí)，可以形成光孤子。光孤子脈沖可以在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，保持形狀和脈寬不變。 9.2.4 單模光纖 單模光纖：指在給定的工作波長(zhǎng)上只傳輸單一基模的光纖。由于只傳輸基模，不存在模式色散，具有相當(dāng)寬的傳輸帶寬，使其適用于長(zhǎng)距離、大容量的信系統(tǒng)。1單模光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 為保證單模傳輸，光纖的芯徑為 410 m。 單模光纖纖芯的折射率分布要求為均勻分布設(shè)計(jì)，但由于光纖制造過(guò)程中的某些不完善，纖芯折射率分布實(shí)際上是非均勻的。此外，為了制造的合理及改善光纖性能，單模光纖的包層折射率常

25、是變化的。 2單模光纖的特性參數(shù) 單模光纖的主要特性參數(shù)有折射率分布、衰減系數(shù)、色散、截止波長(zhǎng)、模場(chǎng)直徑等。 3單模光纖的偏振 所謂單模光纖，實(shí)際上傳輸兩個(gè)相互正交的基模。在完善的光纖中，這兩個(gè)模式有相同的相位常數(shù)，是互相兼并的。但實(shí)際光纖總帶有某種程度的不完善，例如纖芯的橢圓變形、光纖內(nèi)部的殘余應(yīng)力等等。這些因素使得兩正交基模的相位常數(shù)不相等。這種現(xiàn)象叫做光纖的雙折射。由于雙折射，兩模式的群速度不同，從而引起偏振色散。 4單模光纖的分類(lèi) 按照國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)ITUT的最新建議G652，G653，G654，G655，單模光纖可以分為4種，即非色散位移單模光纖、色散位移單模光纖、截止波

26、長(zhǎng)位移單模光纖和非零色散位移單模光纖。93 光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī) 光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)統(tǒng)稱(chēng)為光端機(jī)。 光端機(jī)是光纖通信系統(tǒng)中的光纖傳輸終端設(shè)備，它們位于電端機(jī)和光纖傳輸線(xiàn)路之間（見(jiàn)圖92）。 光發(fā)送機(jī)的主要作用是將電端機(jī)送來(lái)的電信號(hào)變換為光信號(hào)，并耦合進(jìn)光纖中進(jìn)行傳輸。光發(fā)送機(jī)中的光源是整個(gè)系統(tǒng)的核心器件，它的性能直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)的性能和質(zhì)量指標(biāo)。第9章 光纖通信技術(shù) 光接收機(jī)的主要作用是將光纖傳輸后的幅度被衰減、波形產(chǎn)生畸變的、微弱的光信號(hào)變換為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、整形、再生后，再生成與發(fā)送端相同的電信號(hào)，輸入到電接收端機(jī)。 光接收機(jī)中的關(guān)鍵器件是半導(dǎo)體光檢測(cè)器，它和接收機(jī)中的前置

27、放大器合稱(chēng)光接收機(jī)前端。前端的性能是決定光接收機(jī)的主要因素。 9.3.1 半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管 1光纖通信系統(tǒng)對(duì)光源的要求 光纖通信系統(tǒng)對(duì)于光源的要求可以概括為： 光源的發(fā)射波長(zhǎng)應(yīng)該與光纖的低損耗窗口一致，即為 850 nm，1310 nm和 1550 nm的3個(gè)低損耗窗口 光源有足夠高的、穩(wěn)定的輸出光功率，以滿(mǎn)足系統(tǒng)中繼距離的要求，一般為數(shù)十微 瓦至數(shù)微瓦為宜；光源的光譜線(xiàn)寬要窄，即單色性好，以減小光纖色散對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響；調(diào)制方法簡(jiǎn)單，且要響應(yīng)速度快，以滿(mǎn)足高速率傳輸?shù)男枰?；電光轉(zhuǎn)換效率要高；能夠在室溫下連續(xù)工作； 體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定可靠。2半導(dǎo)體激光器 （1）基本原

28、理 受激輻射是半導(dǎo)體激光器的基本工作原理。半導(dǎo)體激光器是由共價(jià)單晶體所制成的。 在半導(dǎo)體材料中，原子是緊密地按一定規(guī)則排列的。由于電子的共有化運(yùn)動(dòng)，使能級(jí)產(chǎn)生了分裂，并形成了能帶，如圖9.9所示。晶體中電子填充能帶遵守泡利相容原理和能量最小原理。低能帶首先被占滿(mǎn)，稱(chēng)為滿(mǎn)帶；價(jià)電子占據(jù)的能帶稱(chēng)為價(jià)帶；價(jià)帶上面的自由電子占據(jù)的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶；導(dǎo)帶和價(jià)帶之間是不能被電子占據(jù)的禁帶，通常用 Eg 表示導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能量差，稱(chēng)為禁帶寬度 Eg=Ec-Ev第9章 光纖通信技術(shù)（2）半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖9.10 所示。在P區(qū)和N區(qū)之間為有源區(qū)（或激活區(qū)）和有源區(qū)兩側(cè)的限制層，這種結(jié)

29、構(gòu)稱(chēng)為異質(zhì)結(jié)構(gòu)；兩個(gè)端面為自然解理面形成平行反射鏡，構(gòu)成光學(xué)諧振腔。有源區(qū)為光提供增益，而諧振腔的作用是提供光學(xué)正反饋，并控制激光束的特性. 半導(dǎo)體激光器要產(chǎn)生穩(wěn)定的激光振蕩必須滿(mǎn)足一定的條件，即閾值條件和相位條件。 通常采用的半導(dǎo)體激光器為條型激光器，其有源區(qū)為條型結(jié)構(gòu)，閾值較低，并且與光纖耦合效率較高。條型激光器主要有兩種結(jié)構(gòu)，即增益導(dǎo)引條型和折射率導(dǎo)引條型。如圖911為兩種條型半導(dǎo)體激光器的橫截面結(jié)構(gòu)圖。在長(zhǎng)距離、大容量光纖通信系統(tǒng)中，一般采用QW激光器、DFB-LD激光器和DBR-LD激光器。他們具有光譜線(xiàn)寬窄、動(dòng)態(tài)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)、閥值電流低等優(yōu)點(diǎn)。（3）穩(wěn)態(tài)特性 發(fā)射波長(zhǎng) 構(gòu)成半導(dǎo)體激光

30、器的材料決定了激光器的發(fā)射波長(zhǎng)。一般采用GaAs/GaAlAs材料構(gòu)成850 nm波段的短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，它是以 GaAs作為有源區(qū)；采用InGaP/Inp材料構(gòu)成長(zhǎng)波長(zhǎng)（11001700 nm）半導(dǎo)體激光器，它是以 InGaAsP作為有源區(qū)。P-I特性 半導(dǎo)體激光器的P-I特性是指它的輸出功率P隨注入電流I的變化關(guān)系。圖9.12為一半導(dǎo)體激光器的典型P-I特性曲線(xiàn)。隨著激光器注入電流的增加，其輸出光功率增加，但不是呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)注入電流低于閾值時(shí)，輸出功率很?。划?dāng)注入電流大于閾值電流后，輸出光功率隨注入電流的增加而急劇增加。第9章 光纖通信技術(shù) 溫度特性 半導(dǎo)體激光器是對(duì)溫度敏感的器件，它

31、的輸出光功率隨溫度而變化。圖9.13為一激光器的P-I特性隨溫度變化的情況。隨著溫度的升高，器件的閾值電流增大，而且輸出光的峰值波長(zhǎng)會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移。 實(shí)用化的半導(dǎo)體激光器必須對(duì)溫度加以控制。第9章 光纖通信技術(shù)模式特性 半導(dǎo)體激光器中所允許的光場(chǎng)模式分為T(mén)E和TM兩組每一組模式對(duì)應(yīng)著電（或磁）場(chǎng)在垂直于PN結(jié)平面方向（橫向）、平行于PN結(jié)平面方向（側(cè)向）和傳輸方向（縱向）的穩(wěn)定駐波形式，這三個(gè)方向上的駐波分別稱(chēng)為橫模、側(cè)模和縱模。激光器的橫模和側(cè)模決定了輸出光束的空間分布 ；縱模則表示了激光器在諧振腔方向上光波的振蕩特性，即激光器發(fā)射的光譜的性質(zhì)。在光纖通信系統(tǒng)中要求半導(dǎo)體激光器工作于基橫

32、模和單側(cè)模，以提高與光纖的耦合效率。為減小光纖帶來(lái)的色散，要求激光器單縱模工作，特別是在高速調(diào)制下的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。 光譜特性 半導(dǎo)體激光器的光譜特性主要是由激光器的縱模決定。 激光器的光譜會(huì)隨著注入電流而發(fā)生變化。當(dāng)注入電流低于閾值電流時(shí)，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如圖9. 14（a）所示。當(dāng)電流增大到閾值電流時(shí)，光譜突然變窄，光譜中心強(qiáng)度急劇增加，出現(xiàn)了激光，如圖914(b)所示。對(duì)于單縱模半導(dǎo)體激光器，由于只有一個(gè)縱模，其譜線(xiàn)更窄，如圖914(c)所示。第9章 光纖通信技術(shù) 激光器的效率 半導(dǎo)體激光器把激勵(lì)的電功率轉(zhuǎn)換成光功率發(fā)射出去，常用功率效率和量子效率衡量激光器轉(zhuǎn)換效率的高低

33、。最常用的是外微分量子效率，其定義為激光器達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，表達(dá)式為 3發(fā)光二極管 （1）基本原理 發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。 發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器在材料、異質(zhì)結(jié)構(gòu)上沒(méi)有很大差別。二者在結(jié)構(gòu)上的主要差別是：發(fā)光二極管沒(méi)有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。發(fā)光二極管的發(fā)光僅限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，是非相干光。 （2）發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu) 為了獲得高輻射度，發(fā)光二極管一般采用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光面與PN結(jié)的結(jié)平面平行或垂直而分為面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管。它們的結(jié)構(gòu)如下圖所示。第9章 光纖通信技術(shù)第9章 光纖通信技術(shù) （

34、3）工作特性 與半導(dǎo)體激光器相比，由于二者在發(fā)光機(jī)理和結(jié)構(gòu)上存在差異，因此使得它們?cè)谥饕阅苌洗嬖诿黠@差異。 PI 特性。 發(fā)光二極管的P-I特性曲線(xiàn)如圖9.16所示。發(fā)光二極管不存在閾值，輸出光功率與注入電流之間呈線(xiàn)性關(guān)系，且線(xiàn)性范圍較大。當(dāng)注入電流較大時(shí)，由于PN結(jié)的發(fā)熱，發(fā)光效率降低，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。從圖中可以看出，在相同注入電流下面發(fā)光二極管的發(fā)輸出功率比邊發(fā)光二極管大。第9章 光纖通信技術(shù)第9章 光纖通信技術(shù)光譜特性 由于發(fā)光二極管輸出的是自發(fā)輻射光，并且沒(méi)有光學(xué)諧振腔，所以輸出光譜要比半導(dǎo)體激光器寬的多。圖9.17給出了發(fā)光二極管的光譜曲線(xiàn)。第9章 光纖通信技術(shù) 溫度特性 與半導(dǎo)體激

35、光器相比，發(fā)光二極管的溫度特性是很好的，如圖9.18所示。由于發(fā)光二極管的輸出光功率隨溫度變化不大，在實(shí)際使用中可以不加溫度控制。 遠(yuǎn)場(chǎng)特性 遠(yuǎn)場(chǎng)特性是距離器件輸出端面一定距離的光束在空間上的分布。 發(fā)光二極管輸出光的發(fā)散角較半導(dǎo)體激光器大，因此它與光纖耦合的效率很低，使得出纖光功率很低。與半導(dǎo)體激光器相比，發(fā)光二極管的突出優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、可靠性高、調(diào)制電路簡(jiǎn)單、成本低，所以它在一些傳輸速率不太高、傳輸距離不太長(zhǎng)的系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 4光源的調(diào)制 光調(diào)制是用待發(fā)送的電信號(hào)控制光載波的某一參量（如光強(qiáng)度等），使之?dāng)y帶發(fā)送信息的過(guò)程，也就是完成電光轉(zhuǎn)換的過(guò)程。 根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分

36、為直接調(diào)制和間接調(diào)制兩大類(lèi)。 直接調(diào)制方法僅適用于半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管，這種方法是把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管，從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)。 直接調(diào)制后的光波電場(chǎng)振幅的平方正比于調(diào)制信號(hào)，是一種光強(qiáng)度調(diào)制（IM）的方法。 間接調(diào)制是利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光輻射的調(diào)制。 間接調(diào)制最常用的是外調(diào)制的方法，即在激光形成以后加載調(diào)制信號(hào)。具體方法是在激光器的外光路上放置調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制電壓，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，則激光得到調(diào)制。間接調(diào)制的方法是用集成光學(xué)的方法把激光器和調(diào)制器集成在一起，用信號(hào)控制元件的物理性質(zhì)，從而改變

37、激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。 直接調(diào)制的方法具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，是光纖通信系統(tǒng)中常采用的調(diào)制方式。但是對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行直接調(diào)制時(shí)，激光器的動(dòng)態(tài)譜線(xiàn)加寬，使單模光纖的色散增加，限制了光纖的傳輸容量。 為了消除動(dòng)態(tài)譜線(xiàn)加寬對(duì)高速光纖通信系統(tǒng)的影響，在高速長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)中一般采用間接調(diào)制的方法。 9.3.2 光發(fā)送機(jī) 在光纖通信系統(tǒng)中，要將電端機(jī)送來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，即進(jìn)行EO變換，這是光發(fā)送機(jī)的任務(wù)。 1光發(fā)送機(jī)的組成 在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，光發(fā)送機(jī)主要有輸入接口、線(xiàn)路編碼、調(diào)制電路、光源及其控制電路。數(shù)字光發(fā)送機(jī)的構(gòu)成如圖9.19所示。 PCM電端機(jī)的電信號(hào)首先通過(guò)輸入接口變換

38、成普通的NRZ碼。輸入接口的作用是不僅保證電、光端機(jī)問(wèn)信號(hào)的幅度、阻抗適配，而且要進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇a型變換，以適合光發(fā)送機(jī)的要求。輸入接口的構(gòu)成如圖920所示。 在光纖通信系統(tǒng)中，由于光源不可能有負(fù)光能，只能采用“0”“1”二電平碼。但是簡(jiǎn)單的二電平碼具有隨信息隨機(jī)起伏的直流和低頻分量，對(duì)接收端判決不利，因此需要進(jìn)行線(xiàn)路編碼以適應(yīng)光纖線(xiàn)路傳輸?shù)囊蟆?調(diào)制電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制電流，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的強(qiáng)度調(diào)制。 半導(dǎo)體激光器是對(duì)溫度敏感的元件，其輸出功率和輸出光譜的中心波長(zhǎng)會(huì)隨溫度變化。因此光發(fā)送機(jī)要增加控制電路，包括自動(dòng)的功控電路和溫控電路。 2光源的數(shù)字調(diào)制與驅(qū)動(dòng) 這里主要討論直接調(diào)制原理。 對(duì)于

39、半導(dǎo)體光源，其輸出的光功率與注入電流成正比，通過(guò)改變注入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)光波的強(qiáng)度調(diào)制（IM）。 在光纖通信系統(tǒng)中，數(shù)字調(diào)制主要是指PCM編碼調(diào)制。編碼調(diào)制是先將連續(xù)的模擬信號(hào)通過(guò)取樣、量化和編碼，轉(zhuǎn)換成M進(jìn)制脈沖代碼，用矩形脈沖的有、無(wú)（“0”碼和“1”碼）來(lái)表示信號(hào)。圖9.21為L(zhǎng)ED和LD數(shù)字調(diào)制原理。第9章 光纖通信技術(shù)（1）LED的數(shù)字調(diào)制和驅(qū)動(dòng) 從圖924可以看到，在LED上要加以小的直流正向偏置（01mA），其目的是提高LED的響應(yīng)速度。至于調(diào)制電流幅度 ，應(yīng)根據(jù)LED的P-I特性來(lái)選擇。既要保證有足夠的輸出光脈沖的幅度，又要考慮LED對(duì)電流的承受能力。 （2）LD的數(shù)字調(diào)制和驅(qū)動(dòng) 由

40、于LD是閾值器件，必須在LD上加稍低于閾值電流 的偏置電流 Ib ，再疊加調(diào)制電流Im ，如圖9.24所示。偏置電流的大小直接影響激光器的高速調(diào)制性質(zhì)，要兼顧到電光延遲、張馳振蕩、碼型效應(yīng)、結(jié)發(fā)熱效應(yīng)、激光器的消光比、散粒噪聲等各方面情況。一般偏置電流 ?。?.71.0） 。 Im調(diào)制電流幅度的選擇，應(yīng)根據(jù)LD的P-I特性曲線(xiàn)，既要保證有足夠的輸出光脈沖的幅度，又要考慮光源的負(fù)擔(dān)，還要考慮選擇光源的線(xiàn)性區(qū)域。 對(duì)激光器進(jìn)行高速脈沖調(diào)制時(shí)，調(diào)制電路既要有快的開(kāi)關(guān)速度又要保持有良好的電流脈沖波形，此外，光源本身的響應(yīng)速度也要快。數(shù)字調(diào)制電路應(yīng)是電流開(kāi)關(guān)電路，最常用的是差分電流開(kāi)關(guān)。目前，直接強(qiáng)度調(diào)

41、制速率可以達(dá)到 10 Gbit/s。3控制電路 半導(dǎo)體激光器是高速傳輸?shù)睦硐牍庠?，但是，半?dǎo)體激光器對(duì)溫度是很敏感的，而且隨著激光器的老化其輸出功率也將減小。 激光器的閾值隨著溫度和老化而變化，從而使輸出光信號(hào)的光功率發(fā)生變化；激光器的發(fā)射中心波長(zhǎng)隨溫度的升高向長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移。 控制電路的作用就是消除溫度和器件老化的影響，穩(wěn)定輸出光信號(hào)。目前主要采用的穩(wěn)定方法有：自動(dòng)溫度控制和自動(dòng)功率控制。 （1）自動(dòng)溫度控制（ATC） 溫度控制由微型半導(dǎo)體制冷器、熱敏電阻及控制電路組成。熱敏元件探測(cè)半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫，與設(shè)定的基準(zhǔn)溫度比較、放大后，驅(qū)動(dòng)制冷器的控制電路，改變制冷電流，從而保持激光器在恒定的溫度下

42、工作。 目前微型制冷器多采用利用半導(dǎo)體材料的泊爾帖效應(yīng)制成的半導(dǎo)體制冷器。 激光器的溫度控制常采用內(nèi)制冷的方式提高制冷效率和控制精度。 溫度控制只能控制溫度變化引起的輸出光功率的變化，不能控制由于器件老化而產(chǎn)生的輸出功率的變化。 （2）自動(dòng)功率控制（APC） 要精確控制激光器的輸出功率，應(yīng)從兩方面著手：控制激光器的偏置電流，使其自動(dòng)跟蹤閾值的變化，從而使激光器總是偏置在最佳的工作狀態(tài)；控制激光器調(diào)制脈沖電流的幅度，使其自動(dòng)跟蹤外微分量子效率的變化，從而保持輸出光脈沖信號(hào)的幅度恒定。 自動(dòng)功率控制方法有兩種：一是通過(guò)光反饋來(lái)自動(dòng)調(diào)整偏置電流的自動(dòng)偏置控制法；二是峰值功率平均功率控制法。第二種方法

43、不僅可以自動(dòng)控制偏置電流，還可以控制調(diào)制電流的幅度，因此對(duì)LD輸出光功率有很好的穩(wěn)定作用。 4光發(fā)送機(jī)的主要指標(biāo) 光發(fā)送機(jī)的主要指標(biāo)有平均發(fā)送光功率和消光比及光譜特性。（1）平均發(fā)送光功率 光發(fā)送機(jī)的平均發(fā)送光功率是在正常條件下，光發(fā)送機(jī)發(fā)送光源尾纖輸出的平均光功率。平均發(fā)送光功率指標(biāo)應(yīng)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可維護(hù)性以及光纖線(xiàn)路的長(zhǎng)短等因素全面考慮，并不是越大越好。（2）消光比 消光比的定義為全“1”碼平均發(fā)送光功率與全“0”碼平均發(fā)送光功率之比?？捎孟率奖硎臼街?， 為全”1”碼時(shí)的平均光功率； 為全“0”碼時(shí)的平均光功率 。 （3）光譜特性 對(duì)于高速光纖通信系統(tǒng)，光源的光譜特性成為制

44、約系統(tǒng)性能的至關(guān)重要的參數(shù)指標(biāo)，它影響了系統(tǒng)的色散性能，需要仔細(xì)考慮。9.3.3 光檢測(cè)器 光檢測(cè)器是把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件，由于從光纖中傳輸過(guò)來(lái)的光信號(hào)非常微弱且有畸變的信號(hào)，因此光纖通信系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器提出了非常高的要求：在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，光檢測(cè)器能輸出盡可能大的光電流；有足夠高的響應(yīng)速度和足夠的工作帶寬，即對(duì)高速光脈沖信號(hào)有足夠快的響應(yīng)能力；產(chǎn)生的附加噪聲?。还怆娹D(zhuǎn)換線(xiàn)性好，保真度高；工作穩(wěn)定可靠，工作壽命長(zhǎng)；體積小，使用簡(jiǎn)便。 目前，滿(mǎn)足上述要求、適合于光纖通信系統(tǒng)使用的光檢測(cè)器主要有半導(dǎo)體PIN光電極管、雪崩光電二極管（APD）、光電晶體管等

45、，其中前兩種應(yīng)用最為廣泛。1PIN光電二極管（1）基本原理和結(jié)構(gòu) 受激吸收是半導(dǎo)體光檢測(cè)器的基本工作原理。 半導(dǎo)體光檢測(cè)器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)，工作在反向偏壓下的PN結(jié)光電二極管是最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體光檢測(cè)器。 當(dāng)PN結(jié)上加有反向偏壓時(shí)(P區(qū)加負(fù),N區(qū)加正)，外加電場(chǎng)的方向和空間電荷區(qū)里電場(chǎng)的方向相同，外電場(chǎng)使勢(shì)壘加強(qiáng)，PN結(jié)的能帶如圖9.22所示。由于光電M極管加有反向偏壓，因此空間電荷區(qū)里載流子基本上耗盡了，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為耗盡區(qū)。 當(dāng)光束入射到PN結(jié)上，且光子能量破大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 時(shí)，價(jià)帶上的電子可以吸收光子躍遷到導(dǎo)帶，結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)電子一空穴對(duì)。如果光生電子一空穴對(duì)在耗盡區(qū)里產(chǎn)生，那

46、么在電場(chǎng)的作用下，電子將向N區(qū)漂移，空穴將向P區(qū)漂移，從而形成光生電流。為了得到高量子效率、高響應(yīng)速度，器件一般采用PIN結(jié)構(gòu)。它是在高摻雜P型和N型半導(dǎo)體材料之間生長(zhǎng)一層本征半導(dǎo)體材料或低摻雜半導(dǎo)體材料，稱(chēng)為I層。高摻雜的P區(qū)和N區(qū)非常薄。如圖9.23所示。這種結(jié)構(gòu)使得光子在耗盡區(qū)內(nèi)能夠被充分吸收，以利于提量子效率和響應(yīng)速度。對(duì)于InGaAs材料制作的光電二極管，還往往采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高器件的量子效率。 （2）特性 PIN光電二極管的主要特性包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度等。 波長(zhǎng)響應(yīng)范圍 從光電二極管的工作原理可以知道，光子能量hf大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。這一條

47、件限制了光電二極管使用的上限波長(zhǎng) ，有 其中，上限波長(zhǎng)和禁帶寬度的單位分別為m和eV。上限波長(zhǎng)又稱(chēng)為光電二極管的截止波長(zhǎng)。只有入射光的波長(zhǎng)小于 時(shí)，光電二極管才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。 另外，由于半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收作用是隨著波長(zhǎng)的減小而迅速增加，當(dāng)波長(zhǎng)較短時(shí)，光在半導(dǎo)體材料表面層即被吸收殆盡，使光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)降低。因此，材料對(duì)于光的吸收限制了光電二極管使用的下限波長(zhǎng)。響應(yīng)度和量子效率 響應(yīng)度和量子效率表征了光電M極管的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度定義R為 量子效率的定義為 響應(yīng)速度 作為光檢測(cè)器，在光纖通信系統(tǒng)中要能夠檢測(cè)高頻調(diào)制的光信號(hào)，因此響應(yīng)速度是光電二極管的一個(gè)重要參數(shù)。響應(yīng)速度通常用響應(yīng)時(shí)間來(lái)表示。

48、響應(yīng)時(shí)間為光電二極管對(duì)矩形光脈沖的響應(yīng)電脈沖的上升時(shí)間或下降時(shí)間。影響響應(yīng)速度的主要因素有：結(jié)電容和負(fù)載電阻的RC時(shí)間常數(shù)、載流子在耗盡區(qū)里的渡越時(shí)間及耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子的擴(kuò)散時(shí)間。 線(xiàn)性飽和 光電二極管的線(xiàn)性飽和是指它有一定的功率檢測(cè)范圍，當(dāng)入射功率太強(qiáng)時(shí)，光電流和光功率將不成正比，從而產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。一般PIN光電二極管在入射光功率低于毫瓦量級(jí)時(shí)，能夠保持比較好的線(xiàn)性。 擊穿電壓和暗電流 無(wú)光照射時(shí)PIN作為一種PN結(jié)器件，在負(fù)偏壓下也有反向電流流過(guò)，稱(chēng)此電流為PIN光電二極管的暗電流。暗電流是光電二極管的重要參數(shù)。暗電流主要是由半導(dǎo)體內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子、空穴對(duì)形成的。當(dāng)偏壓增大時(shí)，暗電

49、流增大。當(dāng)偏壓增大到一定值時(shí)，暗電流激增，即發(fā)生反向擊穿（即為非破壞性的雪崩擊穿，如不能盡快散熱，就會(huì)變?yōu)槠茐男缘凝R納擊穿）。噪聲特性 光電二極管的噪聲主要是量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲。 2雪崩光電二極管（APD） （1）基本原理和結(jié)構(gòu) 雪崩光電二極管是具有內(nèi)部增益的光檢測(cè)器，它可以用來(lái)檢測(cè)微弱光信號(hào)并獲得較大的輸出光電流。 雪崩光電二極管能夠獲得內(nèi)部增益是基于碰撞電離效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)上加高的反偏壓時(shí)，耗盡層的電場(chǎng)很強(qiáng)，光生載流子經(jīng)過(guò)時(shí)就會(huì)被電場(chǎng)加速，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高時(shí)，光生載流子獲得很大的動(dòng)能，它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)中與半導(dǎo)體晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)出新的電子一空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為

50、碰撞電離。碰撞電離產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下同樣又被加速，重復(fù)前一過(guò)程，這樣多次碰撞電離的結(jié)果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，形成雪崩倍增效應(yīng)，APD就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的光檢測(cè)器。 圖為APD拉通型（RAPD）結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)的器件具有高效、快速、低噪聲的特點(diǎn)。第9章 光纖通信技術(shù) （2）APD的特性 與PIN光電二極管相比，APD的主要特性也包括：波長(zhǎng)響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、量子效率。響應(yīng)速度等，除此之外，APD的特性還包括了雪崩倍增特性、噪聲特性、溫度特性等。APD的雪崩倍增因子 APD的雪崩倍增因子(M)定義為 從定義可見(jiàn)，倍增因子是APD的電流增益系數(shù)。由于

51、雪崩倍增過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，因而倍增因子是在一個(gè)平均之上隨機(jī)起伏的量，所以上式的定義應(yīng)理解為統(tǒng)計(jì)平均倍增因子。 APD對(duì)的過(guò)剩噪聲 APD的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和過(guò)剩噪聲。過(guò)剩噪聲是APD的主要噪聲。 過(guò)剩噪聲的產(chǎn)生主要與兩個(gè)過(guò)程有關(guān)，即光子被吸收產(chǎn)生初級(jí)電子一空穴對(duì)的隨機(jī)性和在雪崩區(qū)產(chǎn)生二次電子一空穴對(duì)的隨機(jī)性。這兩個(gè)過(guò)程是不能準(zhǔn)確測(cè)定的，因此產(chǎn)生了過(guò)剩噪聲。 響應(yīng)度和量子效率 由于A(yíng)PD具有電流增益，所以APD的響應(yīng)度比PIN的響應(yīng)度大大提高，有 量子效率只與初級(jí)光生載流子數(shù)目有關(guān)，不涉及倍增問(wèn)題，故量子效率值總是小于1。線(xiàn)性飽和 APD的線(xiàn)性工作范圍沒(méi)有PIN寬，它適

52、宜于檢測(cè)微弱光信號(hào)。當(dāng)光功率達(dá)到幾個(gè)微瓦以上時(shí)，輸出電流和入射光功率之間的線(xiàn)性關(guān)系變壞，能夠達(dá)到的最大倍增增益也降低了，產(chǎn)生了飽和現(xiàn)象。 擊穿電壓和暗電流 APD的暗電流有初級(jí)暗電流和倍增暗電流之分，它隨著倍增因子的增加而增加；此外還有漏電流，漏電流不經(jīng)過(guò)倍增。 APD偏置電壓接近擊穿電壓。擊穿電壓并非是APD的破壞電壓，撤去該電壓APD能正常工作。APD的響應(yīng)速度 APD的響應(yīng)速度主要取決于載流子完成倍增過(guò)程所需要的時(shí)間、載流子在耗盡層的渡越時(shí)間以及結(jié)電容和負(fù)載電阻的RC時(shí)間常數(shù)等因素。渡越時(shí)間的影響相對(duì)比較大，其余因素可通過(guò)改進(jìn)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使影響減至很小。9.3.4 光接收機(jī) 1光接收機(jī)

53、的組成 對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制的數(shù)字光信號(hào)，在接收端采用直接檢測(cè)（DD）方式時(shí)，光接收機(jī)的主要組成如圖925所示。它由光電變換、前置放大、均衡濾波、判決、譯碼、自動(dòng)增益控制（AGC）、時(shí)鐘恢復(fù)及輸出接口等幾部分構(gòu)成。 光電變換的功能是把光信號(hào)變換為電流信號(hào)，它主要采用PIN光電二極管或雪崩光二極管（APD）。 前置放大部分是低噪聲、寬頻帶放大器，它的噪聲直接影響到接收機(jī)靈敏度的高低。 主放大器是一個(gè)增益可調(diào)的放大器，它把來(lái)自前置放大器的輸出信號(hào)放大到判決電路所需的信號(hào)電平。其增益應(yīng)受AGC信號(hào)控制，使入射功率在一定范圍變化時(shí)，輸出信號(hào)幅度保持恒定。 均衡濾波部分的作用是將輸出波形均衡成具有升余弦頻譜，以

54、消除碼間干擾。 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生。在發(fā)送端進(jìn)行了線(xiàn)路編碼，在接收端則需有相應(yīng)的譯碼電路。 輸出接口主要解決光接收端機(jī)和電接收端機(jī)之間阻抗和電壓的匹配問(wèn)題，保證光接收端機(jī)輸出信號(hào)順利地送入電接收端機(jī)。輸出接口的方框圖如圖926所示。 （1）放大電路 光接收機(jī)的放大電路包括前置放大器和主放大器。 前置放大器 光接收機(jī)的噪聲主要取決于前端的噪聲性能。因此，對(duì)于前置放大器就要求有較低的噪聲和較寬的帶寬，才能獲得較高的信噪比。前置放大器一般可分為三種：即低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器。 低阻抗前置放大器是指放大器的輸入阻抗相對(duì)較低。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，接收機(jī)不需要或

55、只需很少的均衡就能獲得很寬的帶寬，前置級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍也較大。但由于放大器的輸入阻抗較低，造成電路的噪聲較大。 高阻抗前置放大器是指放大器的輸入阻抗很高，其特點(diǎn)是電路的噪聲很小。但是，放大器的帶寬較窄，在高速系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)對(duì)均衡電路提出了很高的要求，限制了放大器在高速系統(tǒng)的應(yīng)用。 為了克服高阻抗和低阻抗前置放大器的缺點(diǎn)，使前置放大器既有較低的噪聲又有較寬的帶寬，在光接收機(jī)中廣泛采用跨阻抗前置放大器。它是在高阻抗前置放大器中引入負(fù)反饋后構(gòu)成的，如圖927所示。由于負(fù)反饋的作用，放大器不僅具有頻帶寬、噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，而且它的動(dòng)態(tài)范圍也比高阻抗前置放大器有很大改善。第9章 光纖通信技術(shù) 在光纖通信系統(tǒng)中，各部

56、分電路的集成化、模塊化是發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)于接收機(jī)的前端，采用光電混合技術(shù)將光檢測(cè)器和以場(chǎng)效應(yīng)管（FET）構(gòu)成的前置放大器混合集成在一起，作成PINFET或APDFET光接收組件，提高了響應(yīng)速度和靈敏度，在系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 第9章 光纖通信技術(shù) 主放大器和自動(dòng)增益控制（AGC）電路 光接收機(jī)中前置放大器的輸出信號(hào)較弱，不能滿(mǎn)足幅度判決的要求，因此還必須加以放大。主放大器一般是多級(jí)放大器，可以提供足夠的增益，使輸出信號(hào)滿(mǎn)足判決的要求。主放大器的另一功能是增益受控可調(diào)，即能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制（AGC），使接收機(jī)具有一定的動(dòng)態(tài)范圍。 均衡和再生電路 均衡電路的作用是對(duì)經(jīng)過(guò)光纖線(xiàn)路傳輸、已發(fā)生畸變和

57、有嚴(yán)重碼間干擾的信號(hào)進(jìn)行均衡，使其變?yōu)榇a間干擾盡可能小的信號(hào)，以利于判決再生電路的工作。 均衡的方法可以在頻域采用均衡網(wǎng)絡(luò)，也可以在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)。 頻域方法是采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)，將輸出波形均衡成具有升余弦頻譜，這是光接收機(jī)中最常用的均衡方法。 時(shí)域均衡的方法是先預(yù)測(cè)出一個(gè)“1”碼過(guò)后，在其他各個(gè)碼元的判決時(shí)刻，這個(gè)“1”碼的拖尾值，然后設(shè)法用與拖尾大小相等、極性相反的電壓來(lái)抵消拖尾，以消除碼間干擾。 再生電路的任務(wù)是把放大器輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)，它由判決電路和時(shí)鐘恢復(fù)電路組成。為了判定信號(hào)，首先要確定判決的時(shí)刻，這需要從均衡后的升余弦波形中提取準(zhǔn)確的時(shí)鐘。時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)南嘁坪?，在最佳時(shí)刻

58、對(duì)升余弦波形進(jìn)行取樣，然后將取樣幅度與判決閾值進(jìn)行比較，以判定碼元是“0”還是“1”，從而把升余弦波形恢復(fù)成原傳輸?shù)臄?shù)字波形。（4）光接收機(jī)的主要指標(biāo) 光接收機(jī)的主要指標(biāo)有光接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。 光接收機(jī)的靈敏度 光接收機(jī)的靈敏度是指在系統(tǒng)滿(mǎn)足給定誤碼率指標(biāo)的條件下，接收機(jī)所需的最小平均接收光功率 （mW），其大小若用毫瓦分貝（dBm）來(lái)表示，可表示為 影響接收機(jī)靈敏度的主要因素是噪聲，它包括光檢測(cè)器的噪聲放大器的噪聲等等。它是系統(tǒng)性能的綜合反映。 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是指在保證系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)的條件下，接收機(jī)的最大允許平均接收光功率Pmax 。與最小平均接收光功率Pr之

59、差。可以用dB表示為9.4 光纖通信系統(tǒng) 光纖通信系統(tǒng)類(lèi)： 按傳輸信號(hào)得種類(lèi)劃分有光纖模擬通信系統(tǒng)光纖數(shù)字通信系統(tǒng)； 按系統(tǒng)工作波長(zhǎng)劃分短波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)； 按傳輸信號(hào)得速率劃分高速光纖通信系統(tǒng)低速光纖系統(tǒng)等等。 94 光纖通信系統(tǒng) 光纖數(shù)字通信系統(tǒng)是數(shù)字通信網(wǎng)的一個(gè)組成部分，從數(shù)字通信網(wǎng)的角度來(lái)看，光纖數(shù)字通信系統(tǒng)是以光纖作為媒介，提供了一個(gè)數(shù)字鏈路。 典型的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)如圖931所示。 1電端機(jī) 電端機(jī)包括 PCM基群終端機(jī)和高次群復(fù)接（或分接）設(shè)備。2. 光發(fā)送端機(jī) 光發(fā)送端機(jī)主要完成電光變換，主要包括輸入接口、線(xiàn)路編碼、調(diào)制電路，光源及其控制電路等部分。3光中繼器

60、4光接收端機(jī) 光接收端機(jī)主要完成光電變換功能，主要包括光電變換、前置放大、均衡濾波、判決、譯碼、自動(dòng)增益控制（AGC）、時(shí)鐘恢復(fù)及輸出接口等幾部分。 5備用系統(tǒng) 為了保證通信系統(tǒng)的通暢，必須設(shè)置備用系統(tǒng)。備用系統(tǒng)包括光端機(jī)、光纖和光中繼器，但電端機(jī)一般無(wú)備用系統(tǒng)。備用系統(tǒng)可供一個(gè)或多個(gè)主用系統(tǒng)共用，當(dāng)某一個(gè)主用系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，即可倒換至備用系統(tǒng)。 6輔助系統(tǒng) 為了保證光纖通信系統(tǒng)的信號(hào)可靠傳送，以及整個(gè)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的管理。運(yùn)行和維護(hù)而設(shè)置的，它包括監(jiān)控管理系統(tǒng)、公務(wù)通信系統(tǒng)、自動(dòng)倒換系統(tǒng)、告警處理系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)等。9.5 光放大技術(shù) 9.5.1 光放大器 1半導(dǎo)體光放大器 半導(dǎo)體光放大器的