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概述:一、光源在光纖通信系統(tǒng)中,光源器件可實現(xiàn)從電信號到光信號的轉(zhuǎn)換,是光發(fā)射機以及光纖通信系統(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)。光纖通信系統(tǒng)要求光源具有合適的發(fā)射波長,處在光纖的低損耗窗口之中;有足夠大的輸出功率,從而有較長的傳輸距離;有較窄的發(fā)光譜線,可以減少光纖的色散對信號傳輸質(zhì)量的影響;易于與光纖耦合,確保更多的光功率進入光纖;易于調(diào)制,響應(yīng)速度要快,調(diào)制失真小,帶寬大;在室溫下能連續(xù)工作,可靠性高,壽命至少在10萬小時以上。下面簡單介紹已廣泛應(yīng)用的兩類半導(dǎo)體光源:半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光二極管(LD)。1發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二極管(LED)是低速、短距離光波通信系統(tǒng)中常用的光源。其壽命很長,受溫度影響較小,輸出光功率與注入電流的線性關(guān)系較好,價格也比較便宜。驅(qū)動電路簡單,不存在模式噪聲等問題。發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)簡單,是一個正向偏置的PN同質(zhì)結(jié),電子-空穴對在耗盡區(qū)輻射復(fù)合發(fā)光,稱為電致發(fā)光。發(fā)出的部分光耦合進入光纖供傳輸使用°LED所發(fā)出的光是非相于光,具有較寬的譜寬(30?60nm)和較大的發(fā)射角(F00。)。自發(fā)輻射產(chǎn)生的功率是由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流提供的,當(dāng)注入電流為I,在穩(wěn)態(tài)時,電子空穴對通過輻射和非輻射復(fù)合,其復(fù)合率等于載流子注入Pint(2.1)率I/q,其中發(fā)射電子的復(fù)合率決定于內(nèi)量子效率nint,光子產(chǎn)生率為(Inint/q),因此LED內(nèi)產(chǎn)生的光功率為式中,①為光量子能量。假定所有發(fā)射的光子能量近似相等,并設(shè)從LED逸出的功率占內(nèi)部產(chǎn)生功率的份額為next,則LED的發(fā)射功率為Pint(2.1)p=np=nn(方w/q)i(2.2)eextintextintflnext亦稱為外量子效率。由上式可知,LED發(fā)射功率P和注入電流I成正比。發(fā)光二極管LED是光纖通信中的常用光源,它的發(fā)光僅僅是自發(fā)輻射,屬于非相于光源,其輸出光發(fā)射角較大,但LED線性度好,調(diào)制時動態(tài)范圍大,信號失真小,也就是P-I曲線線性好,其P-I特性曲線如圖2.1所示。2激光器(LD)半導(dǎo)體激光二極管(LD)或簡稱半導(dǎo)體激光器與發(fā)光二極管LED不同,它通過受激輻射發(fā)光,是一種閾值器件。由于受激輻射與自發(fā)輻射的本質(zhì)不同,導(dǎo)致了半導(dǎo)體激光器不僅能產(chǎn)生高功率(N10mW)輻射,而且輸出光發(fā)散角窄(垂直發(fā)散角為30?50°,水平發(fā)散角為0?30°),與單模光纖的耦合效率高(約30%?50%),輻射光譜線窄(M=0.1?1.0nm),適用于高比特工作,載流于復(fù)合壽命短,能進行高速(>20GHz)直接調(diào)制,非常適合于作高速長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。激光是具有極好單色性、方向性和光強的一種光源。世界上第一臺激光器是1960年美國人梅曼發(fā)明的紅寶石激光器。實現(xiàn)一個激光器必須滿足的三個基本條件是(1)需要有合適的工作物質(zhì)(發(fā)光介質(zhì)),具有合適的能級分布,可以產(chǎn)生合適波氏的光輻射;(2)需要可以實現(xiàn)工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激勵能源——泵浦源。(3)需要可以進行方向和頻率選擇的光學(xué)諧振腔。對于線性度良好的半導(dǎo)體激光器,輸出功率可以表示為P=/門(I-I)其中(門=門int以徹。)(2.3)e2qdthda.+a這里的量子效率nint,表征注入電子通過受激輻射轉(zhuǎn)化為光子的比例。在高于閾值區(qū)域,大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的nint接近于1。式(2.3)表明,激光輸出功率決定于內(nèi)量于效率和光腔損耗,并隨著電流而增大,當(dāng)注入電流I>Ith時,輸出功率與I成線性關(guān)系。其增大的速率即P-I曲線的斜率,稱為斜率效率%嘴d(24)P-I特性是選擇半導(dǎo)體激光器的重要依據(jù)。在選擇時,應(yīng)選閾值電流Ith盡可能小,Ith對應(yīng)P值小,而且沒有扭折點的半導(dǎo)體激光器,這樣的激光器工作電流小,工作穩(wěn)定性高,消光比大,而且不易產(chǎn)生光信號失真。且要求P-I曲線的斜率適當(dāng)。斜率太小,則要求驅(qū)動信號太大,給驅(qū)動電路帶來麻煩;斜率太大,則會出現(xiàn)光反射噪聲及使自動光功率控制環(huán)路調(diào)整困難。半導(dǎo)體激光器具有高功率密度和極高量于效率的特點,微小的電流變化會導(dǎo)致光功率輸出變化,是光纖通信中最重要的一種光源,激光二極管可以看作為一種光學(xué)振蕩器,要形成光的振蕩,就必須要有光放大機制,也即激活介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,而且產(chǎn)生的增益足以抵消所有的損耗。將開始出現(xiàn)凈增益的條件稱為閾值條件。一般用注入電流值來標(biāo)定閾值條件,也即閾值電流Ith,當(dāng)輸入電流小于Ith時,其輸出光為非相十的熒光,類似于LED發(fā)出光,當(dāng)電流大于Ith時,則輸出光為激光,且輸入

電流和輸出光功率成線性關(guān)系,P-I特性如圖2.2所示。二、光檢測器3.5光檢測器是用以將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電流信號。由于從光纖中傳過來的光信號一般都很微弱,因此對光檢測器的基本要求:在工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度,即對一定的入射光功率,能夠輸出盡可能大的光電流;有足夠快的響應(yīng)速度,能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng);具有盡可能低的噪聲,以降低器件本身對信號的影響;具有良好的線性關(guān)系,保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真;具有較小的體積、較長的工作壽命等。3.51光電二極管(PIN)半導(dǎo)體光檢測器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)加反向偏壓時,外加電場方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場方向一致,勢壘加強,在PN結(jié)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。當(dāng)光束入射到PN結(jié)上,且光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg時,價帶上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上,形成一個電子空穴對。在耗盡區(qū),電子在內(nèi)建電場的作用下向N區(qū)漂移,空穴向P區(qū)漂移,如果PN結(jié)外電路構(gòu)成回路,就會形成光電流。當(dāng)入射光功率變化時,光電流也隨之線性變化,從而把光信號轉(zhuǎn)換成電流信號。當(dāng)入射光子能量小于£自時,不論入射光有多強,光電效應(yīng)也不會發(fā)生,即光電效應(yīng)必須滿足(2.5)hv>E(2.5)g即存在hc(2.6)hc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長,稱為截止波長。以京為材料的光電二極管c=1.06m,Ge為材料的光電二極管,c=1.60m。利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN結(jié)光電二極管。但因為這種簡單結(jié)構(gòu),無法減低暗電流和提高響應(yīng)度,器件的穩(wěn)定度也比較差,實際上不適合做光纖通信的檢測器。PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間,生成一層摻雜極低的本征材料,稱為I層。在外加反向偏置電壓作用下,I層中形成很寬的耗盡層。而且,I層吸收系數(shù)很小,入射光可以很容易進入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子空穴對,因而大幅提高了光電轉(zhuǎn)換效率。另外,I層兩側(cè)的P層、N層很薄,光生載流子的漂移時間很短,大大提高了器件的響應(yīng)速度。描述光電二極管的特性:(1)波長相應(yīng)范圍:半導(dǎo)體光電檢測器只可以對一定波長范圍的光信號進行有效的光電轉(zhuǎn)換,這一波長范圍就是波長響應(yīng)范圍。(2)響應(yīng)度:描述光檢測器能量轉(zhuǎn)換效率的一個參量。它定義為R=、(2.7)Pin其中Pin為入射到光電二極管上的光功率,Ip為所產(chǎn)生的光電流。它的單位為A/W。(3)量子效率:量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比,即-=1-(2.8)其中e為電子電荷,其值為1.6x10-19C。所以有式中人單位取四m??梢?,光電檢測器的相應(yīng)度隨波長的增大而增大。(4)響應(yīng)速度:光電檢測器的另一個重要參數(shù),經(jīng)常用響應(yīng)時間(上升時間和下降時間)來表示。其主要影響因素有檢測器和負(fù)載的RC時間常數(shù)、載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時間、耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴散引起的延遲。(5)噪聲特性:光電二極管的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲以及負(fù)載電阻的熱噪聲,除負(fù)載電阻的熱噪聲以外,其它都為散彈噪聲。散彈噪聲是由于帶電粒子產(chǎn)生和運動的隨機性而引起的一種具有均勻頻譜的白噪聲。2雪崩光電二極管(APD)當(dāng)耗盡區(qū)中的場強達到足夠高時,入射光產(chǎn)生的電子或空穴將不斷被加速而獲得很高的能量,這些高能量的電子和空穴在運動過程中與晶格碰撞,使晶體中的原子電離,激發(fā)出新的電子空穴對。這些碰撞電離產(chǎn)生的電子和空穴在場中也被加速,也可以電離其它的原子,重復(fù)著這一過程。經(jīng)過多次后電離,載流子迅速增加,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檢測器。與PIN相比,雪崩光電二極管的主要特性也包括波長響應(yīng)范圍、量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)速度等,除此之外,由于APD中雪崩倍增效應(yīng)的存在,APD的特性還包括雪崩倍增特性、倍增噪聲、溫度特性等。初級要求:一、任務(wù)1根據(jù)激光源的各種參數(shù)設(shè)計并實現(xiàn)模擬光發(fā)送電路。2利用PIN檢測器實現(xiàn)光接收電路。3設(shè)計電放大電路。二、功能要求將信號源的正弦信號,通過光電調(diào)制變?yōu)楣庑盘枺霉饫w傳輸,然后再光電解調(diào),恢復(fù)為原始的電信號?;謴?fù)的電信號可隨信號源的電信號頻率及幅度改變。三、性能參數(shù)要求圖4.1模擬光纖通信系統(tǒng)示意圖1信號源的信號范圍為30KHz到2MHz,信號幅度為1V左右的電信號。2光發(fā)送電路的輸出光信號功率為-5dBm到-16dBm,通過LD或LED光源的直流電流為50mA左右,最小不低于30mA最大不大于80mA,光波長為1550nm或1310nm。3接收信號放大后的波形不能失真,低頻信號幅度峰峰值為500mv到1v,最好能放大到3v左右。頻率和幅度都能隨信號源變化。高級要求:一、任務(wù)1設(shè)計一個低頻正弦信號源。2設(shè)計一個寬頻低噪聲放大電路。3完成高頻模擬信號的光收發(fā)電路系統(tǒng)。二、功能要求1將設(shè)計的信號源與光發(fā)送電路連接,要求輸出與輸入阻抗相適應(yīng),保證信號的光輸出功率。2對高頻信號源進行電光調(diào)制和光電解調(diào)并放大。三、性能參數(shù)1信號源的頻率在1KHz到100KHz的低頻區(qū)或頻率在100KHz到2MHz的高頻區(qū),頻率可調(diào),幅度峰峰值為1v,且幅度可調(diào)。2光發(fā)送電路的輸出光信號功率為-5dBm到-16dBm,通過LD或LED光源的直流電流為50mA左右,最小不低于30mA最大不大于80mA,光波長為1550nm或1310nm。3對高頻1-2MHz的信號源在接收端可放大到500mv到1V左右,波形不能失真。四、實驗儀器1信號源2直流電源3示波器4萬用表五、參考文獻1康華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京:高等教育出版社,1979.2方強,梁猛.光纖通信.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.:題目六數(shù)字信號光發(fā)送接收系統(tǒng)初級要求:一、任務(wù)1設(shè)計數(shù)字光發(fā)送電路。2設(shè)計數(shù)字光接收電路。3設(shè)計電放大電路。圖4.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)示意圖二、功能要求將信號源輸出的低頻方波信號,通過光電調(diào)制變?yōu)楣庑盘?,用光纖傳輸,然后再光電解調(diào),放大恢復(fù)為原始的電信號。三、性能參數(shù)要1信號源的頻率可調(diào),范圍為1KHz到1MHz,信號幅度為1V左右的電信號。2光發(fā)送電路的輸出光信號功率為-5dBm到-16dBm,通過LD或LED光源的直流電流為50mA左右,最小不低于30mA最大不大于80mA,光波長為1550nm或1310nm。3接收信號放大后的波形不能失真,幅度峰峰值為500mv到1v,最好能放大到3v左右。頻率和幅度都能隨信號源變化4接收到的信號經(jīng)過低噪聲放大器后可達到一定的信噪比。高級要求:一、任務(wù)1設(shè)計一個方波信號源。2設(shè)計一個寬頻低噪聲放大電路。3完成高頻數(shù)字信號的光收發(fā)電路系統(tǒng)。二、功能要求1將設(shè)計的信號源與光發(fā)送電路連接,要求輸出與輸入阻抗相適應(yīng),保證信號的光輸出功率。2對高頻信號源進行電光調(diào)制和光電解調(diào)并放大。三、性能參數(shù)1信號源的頻率在1KHz到100KHz的低頻區(qū)或頻率在100KHz到2MHz的高頻區(qū),頻率可調(diào),幅度峰峰值為1v,且幅度可調(diào)。2光發(fā)送電路的輸出光信號功率為-5dBm到-16dBm,通過LD或LED光源的直流電流為50mA左右,最小不低于30mA最大不大于80mA,光波長為1550nm或1310nm。3對高頻2MHz的信號源在接收端可放大到500mv到1V左右,波形不能失真。四、實驗儀器1信號源2直流電源3示波器4萬用表五、參考文獻1康華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京:高等教育出版社,1979.2方強,梁猛.光纖通信.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.3王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè)計.北京:高等教育出版社,1985.題目七光學(xué)仿真第一組7-1光波偏振態(tài)的仿真目的:通過對兩相互垂直偏振態(tài)的合成:1.掌握圓偏振,橢圓偏振及線偏振的概念及基本特性;2.掌握偏振態(tài)的分析方法。任務(wù)與要求:對兩相互垂直偏振態(tài)的合成進行計算,繪出電場的軌跡。要求計算在中=0,中=兀/4,中=兀/2,中=3兀/4,中=兀,中=5兀/4,中=3兀/2,中=7兀/4,在Ex=Ey及Ex=2Ey情況下的偏振態(tài)曲線并總結(jié)規(guī)律。光波在介質(zhì)中界面上的反射及透射特性的仿真目的:通過反射系數(shù)及透射系數(shù)的計算:1.掌握反射系數(shù)及透射系數(shù)的概念;2.掌握反射光與透射光振幅和相位的變化規(guī)律;3.掌握理解布儒斯特角和全反射臨界角的概念。任務(wù)與要求:對n1=1,n2=1.52及n1=1.52,n2=1的兩種介質(zhì),分別計算反射光與透射光振幅和相位的變化,繪出變化曲線并總結(jié)規(guī)律平行平板多光束干涉的仿真目的:通過對平行平板多光束干涉的計算:1.掌握等傾干涉的概念;2.掌握干涉特點及條紋銳度,自由光譜范圍及濾波特性等概念。任務(wù)與要求:對單色光(600nm)與復(fù)色光(兩種顏色,如600,620nm)進行多光束干涉(要求變化R值,如R=0.046,R=0.27,R=0.64,R=0.87,R=0.99)的計算,繪出干涉條紋,觀察條紋銳度;固定入射角(如0°,30°角),觀察選頻特性。對復(fù)色光觀察自由光譜范圍。對整個仿真進行總結(jié)歸納。光的圓孔衍射目的:1掌握近場和遠(yuǎn)場的概念,2.掌握夫瑯禾費圓孔衍射特點及艾里斑的概念,3.掌握菲涅爾圓孔衍射的特點。任務(wù)與要求:利用基爾霍夫衍射公式對圓孔衍射進行計算,入射波長為632.8nm,孔半徑為1mm,光源位于系統(tǒng)的軸線上,改變光源位置及觀察屏位置,觀察遠(yuǎn)場衍射圖案及艾里斑,近場觀察距離改變衍射圖案的變化;對仿真結(jié)果進行總結(jié)分析。第二組7-2光波偏振態(tài)的仿真目的:通過對兩相互垂直偏振態(tài)的合成:1.掌握圓偏振,橢圓偏振及線偏振的概念及基本特性;2.掌握偏振態(tài)的分析方法。任務(wù)與要求:對兩相互垂直偏振態(tài)的合成進行計算,繪出電場的軌跡。要求計算在9=0,9=^/4,9=兀/2,9=3兀/4,9=兀,9=5兀/4,9=3兀/2,9=7兀/4,在Ex=Ey及Ex=2Ey'情況下的偏振態(tài)曲線并總結(jié)規(guī)律。雙光束干涉的仿真目的:掌握1.光的相干條件;2.分波陣面雙光束干涉的特點。3.采用復(fù)色光,掌握時間相干性的概念任務(wù)與要求:對雙縫干涉進行計算,繪出1.單色光2.復(fù)色光()白光的干涉條紋,總結(jié)雙縫干涉的特點。平行平板多光束干涉的仿真目的:通過對平行平板多光束干涉的計算:1.掌握等傾干涉的概念;2.掌握干涉特點及條紋銳度,自由光譜范圍及濾波特性等概念。任務(wù)與要求:對單色光(600nm)與復(fù)色光(兩種顏色,如600,620nm)進行多光束干涉(要求變化R值,如R=0.046,R=0.27,R=0.64,R=0.87,R=0.99)的計算,繪出干涉條紋,觀察條紋銳度;固定入射角(如0°,30°角),觀察選頻特性。對復(fù)色光觀察自由光譜范圍。對整個仿真進行總結(jié)歸納。光的矩形孔衍射目的:1掌握近場和遠(yuǎn)場的概念,2.掌握夫瑯禾費矩形孔衍射的特點及單縫衍射的特點,3.掌握菲涅爾矩形孔及單縫衍射的特點。任務(wù)與要求:利用基爾霍夫衍射公式進行計算,入射波長為632.8nm,縫寬為1mm,光源位于系統(tǒng)的軸線上,要求計算遠(yuǎn)場衍射圖案,近場觀察距離改變衍射圖案的變化;對仿真結(jié)果進行總結(jié)分析。第三組7-3光波偏振態(tài)的仿真目的:通過對兩相互垂直偏振態(tài)的合成:1.掌握圓偏振,橢圓偏振及線偏振的概念及基本特性;2.掌握偏振態(tài)的分析方法。任務(wù)與要求:對兩相互垂直偏振態(tài)的合成進行計算,繪出電場的軌跡。要求計算在中=0,中=兀/4,中=兀/2,中=3兀/4,中=兀,中=5兀/4,中=3兀/2,中=7兀/4,在Ex=Ey及Ex=2Ey情況下的偏振態(tài)曲線并總結(jié)規(guī)律。光波場的時域頻譜分析目的:通過光波頻率譜的計算:1.掌握單色光,復(fù)色光的概念;2.掌握準(zhǔn)單色光的概念及光波頻譜寬窄的影響因素。任務(wù)與要求:對一些常見光波,如1.無限長等幅振蕩,2.持續(xù)有限時間的等幅振蕩,持續(xù)時間為1ns,1ms,1s,10s,100s等時間進行計算,3.指數(shù)衰減振蕩E(t)=e-腥-以兀v°t>0,0=0;1,5;10;100;進行傅里葉變換計算并繪出頻譜圖,總結(jié)影響頻譜寬窄的因素。薄膜干涉的仿真目的:1.掌握單層光學(xué)薄膜的反射特性;2.掌握光學(xué)薄膜的作用及增透增反的概念。任務(wù)與要求:對單層膜反射系數(shù)、反射率及相位因子進行計算,玻璃基片n=1.5,薄膜折射率依次取n,1.0,1.2,1.4,1.5,1.7,2.0,3.0,繪出反射率隨薄膜厚度,入射角及波長的變化曲線。總結(jié)薄膜反射的特點。光的圓孔衍射目的:1掌握近場和遠(yuǎn)場的概念,2.掌握夫瑯禾費圓孔衍射特點及艾里斑的概念,3.掌握菲涅爾圓孔衍射的特點。任務(wù)與要求:利用基爾霍夫衍射公式對圓孔衍射進行計算,入射波長為632.8nm,孔半徑為1mm,光源位于系統(tǒng)的軸線上,改變光源位置及觀察

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