1、努力學習，注意身體努力學習，注意身體 艱苦的歷程已完成一多半了。艱苦的歷程已完成一多半了。光纖通信的優點光纖通信的優點1. 容許頻帶很寬，傳輸容量很大容許頻帶很寬，傳輸容量很大2. 損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小3. 重量輕、重量輕、 體積小體積小4. 抗電磁干擾性能好抗電磁干擾性能好5. 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好光纖通信的缺點光纖通信的缺點抗拉強度低，容易折斷抗拉強度低，容易折斷 (比如經常被挖斷比如經常被挖斷) 光纖連接困難光纖連接困難(斷面是否垂直、焊接點是否有氣泡等斷面是否垂直、焊接點是否有氣泡等)光纖通信過程中怕水、怕冰光纖通信過程

2、中怕水、怕冰 (OH-根吸收增大損耗根吸收增大損耗)光纖怕彎曲光纖怕彎曲 (導致損耗增加導致損耗增加)6. 節約金屬材料，節約金屬材料， 有利于資源合理使用有利于資源合理使用光纖通信系統的基本組成光纖通信系統的基本組成 光纖通信系統可以傳輸數字、模擬信號。以數字電話和模擬電視為例。 圖 1.4 光纖通信系統的基本組成(單向傳輸) 信息源電發射機光發射機光接收機電接收機信息宿基本光纖傳輸系統光纖線路接 收發 射電信號輸入光信號輸出光信號輸入電信號輸出數字通信系統的優點：數字通信系統的優點： 抗干擾能力強，傳輸質量好。 可以用再生中繼，傳輸距離長。 適用各種業務的傳輸，靈活性大。 容易實現高強度的

3、保密通信。 便于加密 易于集成，實現小型化，可降低成本。數字通信系統的缺點：數字通信系統的缺點： 占用頻帶較寬，系統的頻帶利用率不高。但是光纖通信的頻帶很寬，足夠克服數字通信的缺點。 1 數字通信系統數字通信系統 2 模擬通信系統模擬通信系統 占用帶寬較窄，電路簡單、價格便宜。 2.1光纖結構和類型光纖結構和類型2.1.1光纖結構光纖結構n1n2 ，相對折射率差=(n1-n2)/n1， 0.3%0.6% 單模光纖； 1%2% 多模光纖。纖芯纖芯 高純度SiO2，有極少量的摻雜(如GeO2，P2O5)，用來提高纖芯對光的折射率n1，以傳輸光信號。 包層包層：摻雜的高純度SiO2。摻雜劑(如B2O

4、3) 用來適當降低n2 。涂覆層涂覆層：包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層。 一次涂覆層一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機硅或硅橡膠材料； 緩沖層緩沖層一般為性能良好的填充油膏； 二次涂覆層二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。 涂覆的作用是保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷，同時又增加了光纖的機械強度與可彎曲性，起著延長光纖壽命的作用。光纖種類很多，作為通信用的由高純石英光纖主要有三種。2.1.2光纖類型光纖類型突變型多模光纖突變型多模光纖(SIF),圖2.2(a)，折射率由纖芯的n1突變到包層的n2。2a=5080m，光線以折線形狀傳播，特點是信號畸變大。漸變型多模光纖漸變型多模光纖(GIF)

5、,圖2.2(b)，折射率由纖芯中心n1逐漸減小到包層的n2。2a=50m，光線以正弦形狀傳播，特點是信號畸變小。單模光纖單模光纖(SMF),圖2.2(c)，折射率突變，2a=810m，光線直線傳播。只能傳輸一個模式(兩個偏振態簡并), 信號畸變很小。多模光纖的纖芯直徑比單模光纖大很多，可以容納數百個模式。漸變型多模光纖和單模光纖，包層外徑包層外徑2b都選用都選用125 m。 圖 2.2三種基本類型的光纖(a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖 橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot(a)輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖50 m125mrnAitAot(b)10

6、 m125mrnAitAot(c)允許多個模式在其中傳輸的光纖，或者說在多模光纖中允許存在多個分離的傳導模。優點：優點：芯徑大，容易注入光功率，可以使用LED作為光源缺點：缺點：存在模間色散，只能用于短距離傳輸單模光纖：單模光纖：只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖。優點：優點：單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，它不存在模間時延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，這對于高碼速長途傳輸是非常重要的。缺點：缺點：芯徑小，較多模光纖而言不容易進行光耦合，需要使用半導體激光器激勵。 圖 2.3典型特種單模光纖 (a) 雙包層； (b) 三角芯； (c) 橢圓芯 2a 2an1n2n3(a)(b)(b)

7、其他光纖其他光纖雙包層光纖(W型光纖), 可以得到在1.31.6m之間色散平坦光 纖(DFF)， 或把零色散波長移到1.55m的色散移位光纖(DSF)。三角芯光纖,適合于密集波分復用和孤子傳輸的長距離系統使用橢圓芯光纖,使傳輸光保持其偏振狀態，又稱為雙折射光纖或偏振保持光纖。 存在c 對應cc，光線在界面折射, 隨著傳播迅速衰減。只有c的圓錐內入射的光束才能在光纖中傳播321y1lLxoc23纖芯n1包層n2zc1空氣n02.2.1幾何光學方法幾何光學方法 1. 突變型多模光纖突變型多模光纖全反射臨界角c =sin-1(n2/n1)，只有c的圓錐內入射的光束才能在光纖中傳播NA的影響的影響 N

8、A大，接收光的能力強，耦合效率高，光纖抗彎曲性能高。但NA大，傳輸產生的信號畸也變大，限制了傳輸容量。221212NAnnn設=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或c=12.2(=(n1-n2)/n1 ) (2.3)數值孔徑數值孔徑(numerical aperture, NA) 2.2)時間延遲時間延遲光線在光纖中的傳播時間問題光線在光纖中的傳播時間問題211111sec(1)2nln Ln Lccc最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光線之間時間延遲差近似為 (2.4)cLnNAcnLcnLc12121)(22(2.5) 這種時間延遲差在時域產生脈沖展寬，或稱為信號畸變。 設光

9、纖NA=0.20，n1=1.5，L=1km，得脈沖展寬=44ns。 入射角的光線傳輸長度為L(ox), 經歷的路程為l (oy)，傳播時間或時間延遲為 2. 漸變型多模光纖漸變型多模光纖n1為纖芯中心中心折射率，=(n1-n2)/n1，g: 折射率分布指數。121112 ( ) 1( ) ggrrnnaa n11-=n2 ra 0ran(r)= g，(r/a)0，突變型多模光纖g=2，拋物線折射率分布，脈沖展寬最小脈沖展寬最小。 (2.6)n與r有關，各點的各點的NA不同不同222)()(nrnrNA22max12NAnn 自聚焦效應自聚焦效應 當光線從中軸線(z=0, ri=0)入射，得00

10、(0)sin()*cos()AnrAzAz(2.14a)(2.14b)漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離z的正弦函數，其幅度取決于入射角0， 其周期=2/A=2a/ ，與入射角0無關。即不同入射角的光線，雖然傳輸路徑不同，但是都會聚在軸上某點上，這種現象稱為自聚焦效應自聚焦效應。 2sin()cos()iiArAzAz在光纖內部(2.14*)周期的數量級：a20m, 0.01, =1.111mm多模光纖信號畸變小的定性解釋多模光纖信號畸變小的定性解釋漸變型多模光纖中各光線的時間延遲近似相等近似相等。入射角大的光線經歷的路程較長，但大部分路程遠離中心軸線，n(r)較小，入射角小的光線情況正好相反

11、，其路程較短，但速度較慢。所以這些光線的光程差別小，時間延遲近似相等。 222222212(/ )knwbVnn 歸一化傳輸常數(2.28) 取值范圍為 n2k n1k，等效于 0b1， 歸一化頻率22122 aVnn2. 特征方程和傳輸模式特征方程和傳輸模式 2.2.2 光纖傳輸的波動理論光纖傳輸的波動理論結論(物理含義、常數) 每條曲線表示一個傳輸模式的 隨V的變化， 所以方程(2.26)又稱為色散方程。 色散曲線含義： 電磁波分類電磁波分類所謂模式是指電磁場的不同分布形式，按照是否為橫波可分為以下3類：1. 橫電模 (TE)：z方向上的電場分量為0，或電場分量垂直于z2. 橫磁模 (TM

12、)： z方向上的磁場分量為0，或磁場分量垂直于z3. 混合模 (HE or EH)：z方向上的電場和磁場都不為0 HE (Ez Hz) 相反 EH (Ez Hz) 3. 多模漸變型光纖的多模漸變型光纖的模式特性模式特性傳輸常數傳輸常數 普遍公式2121)(21 ggMmknM是模式總數， m()是傳輸常數大于的模式數。 22221()()222ggVMa k ngg 2221221(2)2( )()ggk nk nmM突變型光纖, g,M=V2/2； 平方律光纖，g=2，M=V2/4。(2.32b)(2.32a)(2.31)單模條件和截止波長單模條件和截止波長 單模光纖的模式特性單模光纖的模式

13、特性對于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個臨界波臨界波長長 c，當c時，是單模傳輸。2.405cVV和c的關系從圖2.8可以看到，傳輸模式數目隨V值的增加而增多。當V2.405時，只有HE11(LP01)一個模式存在。HE11稱為基模，由兩個偏振態簡并而成。 由此得到單模傳輸條件為 221222.405aVnn 光場分布和模場半徑光場分布和模場半徑 200( )exp () rE rEww0稱為模場半徑(MFD)：光功率為e-1E20時的光場半徑寬度(E20為軸心的光功率)，即光纖截面的光斑尺寸。單模光纖的基模HE11的電磁場(振幅)分布近似為高斯分布 2.3.1光纖色散光纖色散 1.

14、 色散、色散、 帶寬和脈沖展寬帶寬和脈沖展寬色散色散 在光纖中傳輸時，不同成分的光的時間延遲不同。 例如單模光纖約80%的光功率在纖芯中傳播，20%在包層中傳播,其有效折射率介于n1,n2之間,具體值與功率比有關。模式色散模式色散 不同模式的時間延遲不同， 它取決于光纖的折射率分布，以及材料的色散。材料色散材料色散 光纖折射率隨波長而改變，導致延遲不同。波導色散波導色散 波導結構參數與波長有關，不同波長延遲不同。偏振模色散偏振模色散 不同偏振態不同傳輸速度色散的影響及表示方法。色散的影響及表示方法。模擬調制信號: 色散限制帶寬； 3dB光帶寬f3dB 數字脈沖信號: 色散產生脈沖展寬。 脈沖展

15、寬。 脈沖展寬脈沖展寬 =(2n+2m+ 2w)1/2 下標 n m w 指模式色散、材料色散和波導色散 3dB帶寬帶寬 一般|H(f)|隨頻率的增加而下降，光纖起了低通濾波器的作用。 定義3dB光帶寬光帶寬f3dB， |H(f3dB)/H(0)|= 1/2 (2.44a)或等效的 T(f)=10 lg|H(f3dB)/H(0)|= -3 (2.44b)3dB光帶寬為32ln2 1187()2dBMHZf用高斯脈沖半極大全寬度(FWHM)= =2.355， 代入式(2.47a)得到2 2ln23440()dBMHZf和是信號通過光纖產生的脈沖展寬，單位為ns。 輸入脈沖一般不是函數。設輸入和輸

16、出脈沖都為高斯函數，其rms脈沖寬度分別為1和2，頻率響應分別為H1(f)和H2(f)，根據傅里葉變換特性得到 (2.48) 由此得到， 信號通過光纖后產生的脈沖展寬 = 或 = ， 1和2分別為輸入脈沖和輸出脈沖的FWHM。 光纖3dB光帶寬f3dB和脈沖展寬、的定義示于圖2.11。 2122212221( )( )( )HfH fHf圖 2.11 光纖帶寬和脈沖展寬的定義 1/21/ e輸入脈沖光 纖1tPi(t)(t)H1(f)1ff3dB0310lgH( f )/dBPo(t) h(t)H2( f ) H( f )t2輸出脈沖吸收損耗吸收損耗 由光纖材料引起的固有吸收和雜質、缺陷吸收產

17、生。 電子躍遷紫外(UV)區(7m)損耗的機理損耗的機理 散射損耗散射損耗 由材料密度不均引起的瑞利散射和結構缺陷(如氣泡)引起的散射產生的。該損耗與波長無關。 光纖損耗光纖損耗 此外還有彎曲損耗彎曲損耗圖 2.16光纖損耗譜 (a) 三種實用光纖； (b) 優質單模光纖 波 長 / m損 耗 /( dBkm 1)0.802468100.61.01.21.41.6800損 耗 / (dBkm 1)波 長 / nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600abcdeabcde85013001310138015501.810.350.3

18、40.400.19nmdB / km(a)(b)1.8一般地，損耗與波長的關系為 =A/4+B+CW()+IR()+UV() (2.61b) 2. 實用光纖的損耗譜實用光纖的損耗譜A為瑞利散射系數, B為結構缺陷散射產生的損耗，CW()、 IR()和UV()分別為雜質吸收、紅外吸收和紫外吸收產生的損耗。 由圖2.16看到： 從(SIF),(GIF)到 (SMF)光纖，損耗依次減小。在0.81.55m波段內, 除吸收峰外, 損耗隨波長增加迅速減小。在1.39mOH-吸收峰兩側1.31m和1.55m存在兩個損耗極小 的波長“窗口”。 另一方面, 從多模SIF、GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小(

19、帶寬依次增大)。 石英單模光纖的零色散波長在1.31m，還可以把零色散波長從1.31m移到1.55m，實現帶寬最大損耗最小的傳輸。 正因為如此，光纖通信從SIF、GIF光纖發展到SMF光纖，從短波長(0.85m)“窗口”發展到長波 (1.31m和1.55m)“窗口”，使系統技術水平不斷提高。 后向散射法后向散射法測量光纖的后向散射光功率 瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例。測量原理測量原理 在光纖的輸入端注入一個窄光脈沖，該脈沖在傳輸時產生瑞利散射, 一部分散射光沿光纖返回，這種連續不斷向輸入端傳輸的散射光稱為后向反射光。靠近輸入端的光波傳輸損耗小，散射回來的信號就強，離輸入端遠的地方光波的傳輸

20、損耗大，散射回來的信號就弱。測出兩點散射光返回的光功率以及兩點間的距離，就可算出平均衰減系數。L1L2輸入脈沖輸入脈沖返回脈沖返回脈沖1返回脈沖返回脈沖22.5光纖特性測量方法光纖特性測量方法1212()10lg(/)2()()ddP LadB KmLLP L分母中的2表示來回兩次傳輸。21211()2c ttLLn若測得由L1和L2點散射回來的光功率分別為Pd(L1)和Pd(L2)，有(2.62b)測量儀器測量儀器 光時域反射儀(OTDR)。原理是 脈沖發生器根據主時鐘產生窄光脈沖，經光耦合器將光耦合進被測光纖，同時將散射和反射信號耦合進光電檢測器，將信號處理后顯示輸出波形，并輸出有關數據。

21、 dB( ) b( ) c( )d( ) e( ) alength圖 2.24是后向散射功率曲線的示例， 圖中(a)輸入端反射區； (b)恒定斜率區， 用以確定損耗系數； (c)連接器、 接頭或局部缺陷引起的損耗； (d)介質缺陷(如氣泡)引起的反射； (e)輸出端反射區， 用以確定光纖長度。 圖 2.24 后向散射功率曲線 通信用光器件可以分為通信用光器件可以分為有源器件有源器件和和無源器件無源器件兩兩種類型。種類型。 光纖通信中，需要有光源發光，將電信號光纖通信中，需要有光源發光，將電信號轉變為光信號，還要有光接收器件，將光信號轉化轉變為光信號，還要有光接收器件，將光信號轉化為電信號。這種

22、發光器件和光接收器件統稱為為電信號。這種發光器件和光接收器件統稱為光電光電器件器件，或，或有源器件。有源器件。 對光信號進行處理的器件對光信號進行處理的器件稱為稱為無源器件無源器件。 C3 C3 通信用光器件通信用光器件有源器件：光源、光檢測器和光放大器，無源器件：連接器、耦合器、波分復用器、 調制器、光開關、和隔離器等。1. 受激輻射和粒子數反轉分布受激輻射和粒子數反轉分布hf12初態E2E1終態E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf12(a) 受激吸收受激吸收 (b) 自發輻射自發輻射(c) 受激輻射受激輻射E1 ：低能級：低能級E2：低能級：低能級hf12= E2 - E1受激輻

23、射光的頻率、相位、偏振態和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自發輻射光是由大量不同激發態的電子自發躍遷產生的，其頻率和方向分布在一定范圍內，相位和偏振態是混亂的，這種光稱為非相干光。 圖 3.2半導體的能帶和電子分布(a) 本征半導體； (b) N型半導體； (c) P型半導體 Eg/2Eg/2EfEcEvEg導 帶價 帶能 量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)2. PN結的能帶和電子分布結的能帶和電子分布 半導體中由于原子間的相互作用，電子所處的能態擴展成能級連續分布的能帶。能量低的稱為價帶，高的稱為導帶，導帶底的能量Ec和價帶頂的能量Ev之間的能量差Ec-Ev=Eg稱

24、為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據禁帶。 根據量子統計理論，在熱平衡狀態下，能量為E的能級被電子占據的概率為費米分布式中，k為波茲曼常數，T為熱力學溫度。Ef 稱為費米能級費米能級)exp(11)(kTEEEpf 一般狀態下，本征半導體的電子和空穴是成對出現的，用Ef 位于禁帶中央來表示。 在本征半導體中摻入施主雜質，稱為N型半導體。 在本征半導體中，摻入受主雜質，稱為P型半導體。 單一半導體不可能用通電的方法實現粒子數反轉顯然能量越高，分布概率越小圖3.3PN結的能帶和電子分布(a) P - N結內載流子運動；(b) 零偏壓時P - N結的能帶圖；(c) 正向偏壓下P - N結能帶圖 hfhf

25、EpcEpfEpvEncEnfEnv內部電場外加電場電子，空穴(c)勢壘能量EpcP區EncEfEpvN區Env(b)P區PN結空間電荷區N區內部電場 擴散 漂移(a)在PN結界面上，載流子發生擴散運動，形成內部電場，阻礙漂移運動，最終達到平衡，使P區和N區的Ef相同，結果能帶發生傾斜。這時在PN結上施加正向電壓，減弱內部電場，能帶傾斜減小，擴散增強。最后在PN結形成一個特殊的增益區。增益區的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結果獲得粒子數反轉分布。在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產生自發輻射光。 PN結實現粒子數反轉結實現粒子數反轉3. 激光振蕩和光學諧振腔激光振蕩

26、和光學諧振腔要形成激光，必須借助光學諧振腔，對頻率和方向進行選擇。 圖 3.4 (a) 諧振腔和激光振蕩； (b) 光反饋 2n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)初始位置光光強輸出OXL(b) 法布里-珀羅諧振腔由兩個的平行反射鏡(R1和R2)構成。腔內的激活物質具有粒子數反轉分布，實現受激輻射。光經腔鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向的光被減弱。經多次反饋，光強得到放大，方向性得到改善，形成激光輸出。在熱平衡狀態下，單位摩爾數的物質中，處于能級E1和E2的原子數N1和N2存在如下關系 (波爾茲曼分布波爾茲曼分布)2211exp()NEENkT (E2-E1)0，T0，N1N2。 受激吸

27、收和受激輻射速率正比于N1和N2，且比例系數相等。如果N2N1(粒子數反轉粒子數反轉)，受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質時，會產生放大作用。如果N1N2，受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質時，光強按指數衰減。 粒子數反轉粒子數反轉22nLLqnq或q=1, 2, 3 稱為縱模模數。每個q對應的波長及其振蕩稱為一個縱模。th= + 211ln21RRL th為閾值增益系數， 為諧振腔內激活物質的損耗系數，L為諧振腔的長度，R1，R21為兩個反射鏡的反射率。1)腔內存在增益和損耗因素，當二者相當時， 在諧振腔內建立穩定的激光振蕩， 其閾值條件閾值條件為2)激光在腔內振蕩時以駐波形式存在，

28、必須滿足一定的相位條件相位條件閾值條件與相位條件閾值條件與相位條件兩種結構：F-P腔激光器和分布反饋型（DFB）激光器。 F-P腔激光器從結構上可分為3種，如圖4.9所示。圖4.9 半導體激光器的結構示意圖4. 半導體激光器基本結構半導體激光器基本結構雙異質結雙異質結半導體激光器基本結構半導體激光器基本結構基本結構：基本結構：有 源 層 ：有 源 層 ：中 間 的 一 層 厚0.10.3m的窄帶隙P型半導體；限制層：限制層：兩側的寬帶隙的P型和N型半導體。三層半導體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體解理面作為反射鏡構成法布里法布里 - 珀羅珀羅(FP)諧振腔諧振腔。激光的光子能量，近似近似等于禁

29、帶寬度Eg (eV)，即 hf=Eg ，f 為光的頻率, h為普朗克常數。換算為波長(m)，有半導體激光器的主要特性半導體激光器的主要特性1. 發射波長和光譜特性發射波長和光譜特性ggEEhc24. 1不同半導體材料有不同的Eg，因而有不同的。(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85m波段， (InGaAsP-InP)材料適用于1.31.55m波段。例例 GaAlAs DH激光器的光譜特性激光器的光譜特性。直流驅動：直流驅動： i) 波長有一定分布。圖 3.7GaAlAsDH激光器的光譜特性(a) 直流驅動; (b) 300 Mb/s數字調制 ii) 隨著驅動電流的增加，縱模數逐漸減少，線

30、寬變窄。數字調制數字調制: 隨著電流增大，縱模模數增多，譜線寬度變寬。要得到高速數字調制的動態單縱模激光器，必須改變激光器的結構，如采用分布反饋激光器。IW 10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近 場 圖 樣0.1rad遠 場 圖 樣近場：近場：激光器輸出反射鏡面上的光強分布，遠場：遠場：離反射鏡面一定距離處的光強分布。2. 激光束的空間分布激光束的空間分布近場和遠場是由諧振腔的橫向尺寸，即平行于PN結平面的寬度w和垂直于結平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模橫模。如圖，平行于結平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現出由多橫模變為單橫模；垂直于結平面的諧振腔厚度t很薄，這個

31、方向的場圖總是單橫模。圖 3.8 GaAlAsDH條形激光器的近場圖 3. 轉換效率和輸出光功率特性轉換效率和輸出光功率特性d()eththhfPPII()/()/thdthPPhfP eIIeI hf有產生光子數產生光子數/輸入電子數輸入電子數I: 驅動電流, P:輸出光功率，Pth和Ith為閾值, e為電子電荷。 IIth時是受激輻射光，光功率隨驅動電流的增加而增加。 1098765432100 20 40 60 80工 作 電 流 I / mA單 面 輸 出 功 率P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工 作 電 流 I / mA輸 出 功 率P

32、 / mW(a)(b) 圖 3.10 光功率特性(a) 短波長AlGaAs/GaAs; (b) 長波長InGaAsP/InP 在閾值電流以上，每對復合載流子產生的光子數0.010.11100.1110100fr調制頻率f / GHz相對光功率在直接光強調制下， 激光輸出光功率P和調制頻率f的關系為 2 222(0)( )1 (/) 4(/)rrPP fffff4. 頻率特性頻率特性011(1)2rspphthIIfII 圖 3.11 半導體激光器的直接調制頻率特性 Fr :弛豫頻率,:阻尼因子, Ith:閾值電流, I0:偏置電流；I :零增益電流，高摻雜LD, I=0，低摻雜LD, I=(0

33、.70.8) Ith；sp為有源區內的電子壽命， ph為諧振腔內的光子壽命。 圖中 fr是調制頻率的上限，一般激光器的fr為12 GHz。在接近fr 處，數字調制要產生弛豫振蕩，模擬調制要產生非線性失真。 隨溫度升高，隨溫度升高，Ith增大，增大， d減小，減小，導致輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不再出光了。00exp()thTIIT5. 溫度特性溫度特性當對激光器進行脈沖調制時，在一定溫度范圍內，有 d對溫度不十分敏感，例如， GaAlAs-GaAs激光器在77 K時d50%，在300 K時， d30%。T為結區溫度(K)，T0為特征溫度。GaAlAs-GaAs激光器T0=10

34、0150K、InGaAsP-InP激光器T0=4070 K，所以長波長InGaAsP-InP激光器輸出光功率對溫度的變化更加敏感。圖 3.12 P- I曲線隨溫度的變化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射圖3.12示出脈沖調制的激光器，由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P - I曲線的變化。 衍射光柵有源層N層P層輸出光光柵有源層ba(a)(b)結構特點結構特點:在有源層附近有沿長度方向制作的衍射光柵3.1.3分布反饋激光器分布反饋激光器(Distributed Feed Back, DFB) 普通激光器依靠腔鏡

35、對光進行反饋，DFB激光器在靠近有源層的區域制作了布拉格光柵,使光沿有源層分布式反饋。 光在傳播時發生布拉格衍射，使向前和向后的光相互耦合(即相干疊加)，從而對波長作出選擇。在腔體中使用布拉格光柵 (FBG) 會對特定波長發生強烈反射。這些特定的波長稱為布拉格波長： 。只有符合反射條件的頻率的光會得到強烈反射產生激光。其輸出波長為：2Ben2(1/2)2BBemn Lm=0對應兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為 221,21()2 2Ben L其中，ne為材料有效折射率，B為布喇格波長，m為衍射級數， L為光柵長度 DFB激光器的優點激光器的優點： 單縱模激光器。單縱模激光器。相當于F-P

36、激光器的腔長L，每一個形成一個微型諧振腔， 很小使得m階和(m+1)階模之間的波長間隔比F-P大得多。 譜線窄，譜線窄， 波長穩定性好。波長穩定性好。 每一個柵距相當于一個FP腔，所以布喇格反射可以看作多級調諧，譜線明顯變窄，可以窄到幾個GHz。 光柵具有鎖定波長的作用，因而波長的穩定性得以改善。 動態譜線好。動態譜線好。比FP激光器的動態譜線的展寬要改善一個數量級左右。 線性好。線性好。線性非常好， 廣泛用于模擬調制的有線電視光纖傳輸系統中。分布布拉格反射 (DBR) 激光器DBR激光器是將光柵刻在有源區的外面，它相當于在有源區的一側或兩側加了一段分布式布拉格反射器，起著衍射光柵的作用，因此

37、可以將它看成是端面反射率隨波長變化而變化的特殊激光器。DBR激光器的特點和工作特性與DFB激光器類似。但其閾值電流要比DFB激光器的閾值電流高。LED發光為自發輻射；結構：類似LD，但是LED不需要光學諧振腔， 沒有閾值。類型：正面發光型LED， 側面發光型LED，區別區別：相比于正面型，側面型LED驅動電流較大，輸出光功率較小， 但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高。 3.1.4 發光二極管發光二極管圖 3.14兩類發光二極管(LED) 相對LD，LED輸出光功率較小，譜線較寬，調制頻率較低。但發光二極管性能穩定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡單，價格低廉，在小容量短距

38、離系統中廣泛使用。 相對LD，LED輸出光功率較小，譜線較寬，調制頻率較低。但發光二極管性能穩定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡單，價格低廉，在小容量短距離系統中廣泛使用。譜線較寬譜線較寬。發光二極管的工作特性：發光二極管的工作特性： (1) 光譜特性光譜特性。 (2) 光束的空間分布光束的空間分布 正面發光型LED輻射圖呈朗伯分布，即P()=P0cos ，半功率點輻射角 120o, 側面發光型, 120, 2535。由于大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。 （3）輸出光功率特性）輸出光功率特性 d小于10%。I較小時，P-I線性較好；I過大時，由于PN結發熱產生飽和現象

39、，使P-I 曲線的斜率減小。LED工作電流為50100 mA，輸出光功率為幾mW2( )1( )(0)1 (2)ep fH fPf (4) 頻率特性。頻率特性。頻率響應f為調制頻率, P(f)為對應光功率，e為少數載流子的壽命。LED的截止頻率截止頻率 fc=1/(2e) 其對應相應1( )2H f關于LED的小結原理：外加電場實現粒子數反轉，電子原理：外加電場實現粒子數反轉，電子-空穴對的自發復合空穴對的自發復合導致發光導致發光為什么要使用為什么要使用LED：1. 驅動電路簡單驅動電路簡單2. 不需要溫控電路不需要溫控電路3. 成本低、產量高成本低、產量高優點：優點：輸出光功率線性范圍寬輸出

40、光功率線性范圍寬 (P-I特性特性)性能穩定性能穩定壽命長壽命長制造工藝簡單、價格低廉制造工藝簡單、價格低廉缺點：缺點：輸出光功率較小輸出光功率較小: 幾個毫瓦幾個毫瓦譜線寬度較寬譜線寬度較寬:幾十個納米到上百納米幾十個納米到上百納米調制頻率較低調制頻率較低這種器件在這種器件在小容量小容量、短距離短距離系統中發揮了重要作用系統中發揮了重要作用當光照射到光電二極管的光敏面上時，能量大于或等于帶隙能量Eg的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導帶上，可以產生自由電子-空穴對（稱為光生載流子）。電子-空穴對在反向偏置的外電場作用下立即分開并在結區中向兩端流動，從而在外電路中形成電流（光電流）

41、。3.2 光檢測器光檢測器3.2.1光電二極管工作原理光電二極管工作原理 由半導體PN結的光電效應把光信號轉換為電信號施加反向偏壓，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側中性區的寬度，從而減小光生電流中的擴散分量。由于載流子擴散運動比漂移運動慢得多，所以減小擴散分量的比例便可顯著提高響應速度。由于PN結耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區吸收， 因而光電轉換效率低，響應速度慢。 光電效應反向偏壓 PIN光電二極管光電二極管I層是N型本征半導體，用(N)表示；兩側是高摻雜的P型和N型半導體。I層很厚，入射光在其內部被充分吸收而產生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉換效率。兩側P+層和N+

42、層很薄，I層幾乎占據整個耗盡層， 因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應速度。 PIN光電二極管的主要特性：光電二極管的主要特性： (1) 量子效率和光譜特性。 00/-/PPIeIhfPhfPe光生電子 空穴對入射光子數響應度響應度: 一次光生電流一次光生電流IP和入射光功率和入射光功率P0的比值的比值 量子效率量子效率0PIePhf (2) 響應時間和頻率特性。 對于數字脈沖調制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時間，分別定義為脈沖上升時間r和脈沖下降時間f。 光生電流I(

43、)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。 (3) 噪聲。 包括散粒噪聲散粒噪聲(Shot Noise)和熱噪聲熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1負載上消耗的噪聲功率)來描述。散粒噪聲是一種實驗觀測中的讀出噪聲，當觀測中攜帶能量的粒子（如電路中的電子或光學儀器中的光子）數量少到能夠引發數據讀取中出現可觀測到的統計漲落，這種讀出的統計漲落被稱作散粒噪聲。均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B e:電子電荷，B:放大器帶寬，IP:信號電流, Id:暗電流。 2eIPB 量子噪聲，由入射光子和所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機性而產生。這是一種不可克服的本征噪聲， 它決定光接收機靈敏度的

44、極限。 2eIdB 暗電流產生的噪聲。 器件在反向偏壓條件下，沒有入射光時會產生反向直流電流。它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴散形成的本征暗電流。，例如Si-PIN， Id100nA。 i2T= (3.23) 式中，k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電阻并聯的結果。 因此， 光電二極管的總均方噪聲電流為4kTBR242 () + PdkTBie IIBR 均方熱噪聲電流I0NPP(N)光當光入射到PN結時產生電子-空穴對。如果結區電場達到200 kV/cm以上，初始電子獲得足夠能量和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離

45、，產生新的電子- 穴對。新的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增。 APD具有光電轉換效率高、響應速度快和附加噪聲低等優點。 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 圖圖6.4 APD的結構的結構兩種類型兩種類型常用的APD結構包括拉通型拉通型APD和保護環型保護環型APD。1. 倍增因子倍增因子g APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。 0PIgI(g 20100)兩個參數兩個參數nBnBURIUUUIg/ )(11)/(100經驗公式式中，U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關的常數，R為體電阻。當UUB時，RIo/UB1，

46、上式可簡化為 210)(PBBnrIUnRIUg連接器和接頭連接器和接頭 連接器連接器是光纖之間可拆卸可拆卸連接的器件; 接頭接頭則是固定固定連接。 連接器有單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器，圖 3.27 套管結構連接器簡圖 光纖套管插針粘結劑接頭：用自動熔接機熱熔接，或者用V形槽連接。光耦合器光耦合器 (分波合波器)功能：功能：把一個輸入的光信號分配給多個輸出， 或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。 1. 耦合器類型耦合器類型T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分3.2光光 無無 源源 器器 件件T形耦合器形耦合器 把一根光纖輸入的光信號分配給兩根光纖， 或把

47、兩根光纖輸入的光信號組合在一起，輸入一根光纖。星形耦合器星形耦合器 把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖。定向耦合器定向耦合器 分別取出光纖中向不同方向傳輸的光信號。光信號從端1傳輸到端2， 一部分由端3輸出，端4無輸出；光信號從端2傳輸到端1，一部分由端4輸出，端3無輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。 波分復用器波分復用器/解復用器解復用器(也稱合波器/分波器) ，把多個不同波長的光信號組合在一起，輸入到一根光纖；解復用器是把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號，分配給不同的接收機。2. 基本結構基本結構(1)光纖型光纖型把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術制作器

48、件。(2)微器件型微器件型 用自聚焦透鏡和分光片、濾光片或光柵等微光學器件可以構成T型耦合器、定向耦合器和波分解復用器。 (3) 波導型波導型 在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層。波導的材料根據器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。 法拉弟旋轉器偏振器反射光阻塞入射光偏振器SOP1P2P功能功能: 實現光的單向傳輸。用途：用途：置于激光器或光放大器后，避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。主要參數：主要參數： i)插入損耗插入損耗 對正向入射光，其值越小越好; 1dB ii)隔離度隔離度 對反向反射光，其值越大越好， 4050dB光隔離器與光環

49、行器光隔離器與光環行器圖 3.34 隔離器的工作原理 工作原理工作原理磁致旋光環行器環行器工作原理類似隔離器，但是具有多個端口。 在三端口環行器中，端口1輸入的光信號在端口2輸出，端口2輸入的光信號在端口3輸出，端口3輸入的光信號由端口1輸出。光環行器主要用于光分插復用器中。 圖 3.36光環行器 (a) 三端口； (b) 四端口 132(a)(b)1324光調制器光調制器外調制：電光效應、 磁光效應、聲光效應。電光調制，電光晶體如鈮酸鋰(LiNbO3) 的折射率n和外加電場E的關系為 n=n0+E+E2 式中和是張量，稱為電光系數。 當=0時，為線性電光效應或普克爾(Pockel)效應。當=

50、0時，n隨E2按比例變化， 為二次電光效應或克爾效應。調制器是利用線性電光效應實現的，因為折射率n隨外加電場E而變化， 改變了入射光的相位和輸出光功率。功能: 把電信號轉換為光信號，并耦合到光纖線路中。 電/光轉換光源調制(直接調制和外調制) 圖 4.1直接光強數字調制原理 (a) LED數字調制原理； (b) LD的數字調制原理 第 4 章 光端機4.1光發射機基本組成組成：光源組成：光源+電路電路rdt電脈沖光脈沖調制特性1. 電光延遲和張弛振蕩現象電光延遲和張弛振蕩現象在高電速脈沖調制下，LD的瞬態響應波形如圖所示。存在電光延遲時間td，ns量級。 存在張弛振蕩光強振蕩衰減，其頻率 0.

51、52 GHz。 圖 4.3 光脈沖瞬態響應波形 后果：限制調制速率1）當最高調制 接近r時，波形失真嚴重，導致誤碼。因此實際使用時， 最高調制 r。 2) 電光延遲產生碼型效應。當td與數字調制的碼元持續時間T/2為相同數量級時，會使“0”碼過后的第一個“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單個“”碼丟失， 這種現象稱為“碼型效應”。用適當的“過調制”補償方法， 可以消除碼型效應增加注入電流j，有利于提高張弛振蕩頻率r，減小其幅度衰減時間o，以及減小電光延遲時間td，因此對LD施加偏置電流是非常必要的。 危害：限制調制速率電脈沖光脈沖2 ns5 ns2 ns(a)(b)(c)12圖4.4

52、 碼型效應 a) 、(b)碼效應波形；（c）改善后波形電脈沖光脈沖2 ns5 ns2 ns(a)(b)(c)12碼型效應的產生原因如圖，在 “1”碼之前，有較長的連“0”碼， 由于電光延遲時間長和光脈沖上升時間的影響，因此脈沖變小。第二個脈沖到來時，由于第一個脈沖的電子復合尚未完全消失，有源區電子密度較高，因此電光延遲時間短， 脈沖較大。 “碼型效應”的特點是， 在脈沖序列中較長的連“0”碼后出現的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數目越多，調制速率越高，這種效應越明顯。用適當的“過調制”補償方法， 可以消除碼型效應，圖 (c)。UCR2LEDC1R1UinV低電平0碼和高電平1碼對應于

53、V的截止和飽和導通狀態。調制電路和自動功率控制數字信號調制電路：電流開關電路。 1 以LED作為光源的光發射機調制電路。數字信號Uin從三極管V的基極輸入，通過集電極的電流驅動LED。圖 4.6 共發射極驅動電路 R1為緩沖電阻，C1為加速電容，可提高電路的工作速度。R2為限流電阻，R3可提供一個正向偏置電流，以提高響應速度。三極管一直在飽和，截止兩種狀態轉換，導致系統響應很慢，適用于10 Mb/s以下的低速率系統。圖 4.6 共發射極驅動電路 UCR2LEDC1R1UinV3R 4.1.4溫度特性和自動溫度控制 1. 激光器的溫度特性1）溫度升高，Ith增加，d 減小，輸出光脈沖幅度下降。

54、圖 4.10溫度引起的光輸出的變化(a) 閾值電流變化引起的光輸出的變化； (b) 外微分量子效率變化引起的光輸出的變化 PIPI20 C25 C70 C20 C電流脈沖光脈沖t0t TI1I0t=0時電脈沖到來，電流為I1，由于電流的熱效應，結區溫度逐漸升高，LD的Ith增大，使輸出光脈沖的幅度逐漸減小。當t=T時電流脈沖過后，電流從I1減小到I0，結區溫度逐漸降低， Ith減小，使輸出光脈沖的幅度增大。“結發熱效應”將引起調制失真。2）結發熱效應調制電流引起激光器結區溫度的變化，使輸出光脈沖的形狀發生變化。圖 4.11 結發熱效應 低調制速率的“結發熱效應”更加明顯。光接收機基本組成 直接

55、強度調制、直接檢測方式的數字光接收機方框圖示于圖4.14，主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、 時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制(AGC)電路。4.2光接收機 圖 4.14 數字光接收機方框圖 光檢測器偏壓控制前置放大器AGC電路均衡器判決器時鐘提取再生碼流主放大器光信號前端線性通道時鐘提取數據再生光/電轉換，對光檢測器的要求如下：(1)波長響應與光纖低損耗窗口(0.85，1.31m和1.55m)兼容；(2)響應度高。在一定的接收光功率下，產生最大的光電流；(3) 噪聲低， 能接收極微弱的光信號； (4) 性能穩定， 可靠性高， 壽命長， 功耗和體積小。 目前使用PIN光電

56、二極管和雪崩光電二極管(APD)。1. 光檢測器2. 放大器 前置放大器應是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇(參看4.2.2節)。 主放大器一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的增益， 并通過它實現自動增益控制(AGC)，以使輸入光信號在一定范圍內變化時， 輸出電信號保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機的動態范圍。 2. 放大器 前置放大器應是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇(參看4.2.2節)。主放大器一般是多級放大器，它的作用是提供足夠

57、的增益， 并通過它實現自動增益控制(AGC)，以使輸入光信號在一定范圍內變化時， 輸出電信號保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機的動態范圍。 3. 均衡和再生均衡 對產生畸變(失真)的電信號進行補償，使輸出信號的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，減小誤碼率。 再生 再生電路包括判決電路和時鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發送的碼流。 4.2.3誤碼率(BER)tIsImI1(t)I0(t)判決門限D0圖 4.18 計算誤碼率的示意圖 誤碼率的計算： 用噪聲電流(壓)的概率密度函數來計算。如圖，

58、I1是“1”碼的電流，I0是“0”碼的電流。 Im是“”碼的平均電流，而“0”碼的平均電流為0。D為判決門限值，一般取D=Im/2。如I1D，則“0”可能被誤判為“”碼。光接收機對碼元誤判的概率稱為誤碼率。01mIDDQNN01mIQNN或 1015101410131012101110101091081071061054.555.566.577.5Q誤碼率圖4.19 誤碼率和Q的關系Q 超擾比。含有信噪比的概念只要知道Q值，就可求出誤碼率，如圖：Q=6, BER10-9，Q7， BER=10-12。 對于PIN光電二極管，NDm，一般選取n=m+1。mBnB碼有1B2B、3B4B、5B6B、

59、8B9B、 17B18B等等。 最簡單的mBnB碼是1B2B碼，即曼徹斯特碼，這就是把原碼的“”變換為“01”， 把“1”變換為“10”。 因此最大的連“”和連“”的數目不會超過兩個，例如1001和0110。但是在相同時隙內，傳輸1比特變為傳輸2比特， 碼速提高了1倍。 4.3.2 mBnB碼1. mBnB碼編碼原理4.3線路編碼線路編碼 3B4B碼，輸入的原始碼流3B碼，共有(23)8個碼字， 變換為4B碼時， 共有(24)16個碼字，見表4.2。 從4B碼的16個碼字中挑選8個碼字來代替3B碼。 設計者應根據最佳線路碼特性的原則來選擇碼表。例如：在3B碼中有2個“0”，變為4B碼時補1個“

60、”；在3B碼中有2個“1”， 變為4B碼時補1個“0”。而000用0001和1110交替使用； 111用0111和1000交替使用。同時，規定一些禁止使用的碼字， 稱為禁字，例如0000和1111。 “碼字數字和”(WDS)：是在nB碼的碼字中，用“-1”代表“0”碼， 用“+1”代表“”碼，整個碼字的代數和即為WDS。 如果整個碼字“”碼多于“0”碼，則WDS為正；如果“0”碼多于“1”碼， 則WDS為負；如果數目相等，則WDS為0。例如：對于0111，WDS=+2；對于0001， WDS=-2；對于0011，WDS=0。 nB碼的選擇nB碼的選擇原則：盡可能選擇|WDS|最小的碼字， 禁止