《光纖通信技術(shù)》教學(xué)PPT

《光纖通信技術(shù)》教學(xué)PPT,光纖通信技術(shù),光纖通信,技術(shù),教學(xué),PPT 第第1章概述章概述1.1 光纖通信的基本概念光纖通信的基本概念1.2 光纖通信的優(yōu)越性光纖通信的優(yōu)越性1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成1.4 光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)1.1 光纖通信的基本概念 利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號(hào)的通信方式稱為光纖通信。光波屬于電磁波的范疇。屬于光波范疇之內(nèi)的電磁波包括紫外線、可見(jiàn)光和紅外線。1.1 光纖通信的基本概念圖1-1 電磁波的種類和名稱1.1 光纖通信的基本概念圖1-2 光波的波長(zhǎng)范圍目前光纖通信的實(shí)用工作波長(zhǎng)在近紅外區(qū)，即0818m的波長(zhǎng)區(qū)，對(duì)應(yīng)的頻率為167375THz 1.1 光纖通信的基本概念光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱為光纖）本身是一種介質(zhì)，目前實(shí)用通信光纖的基礎(chǔ)材料是SiO2，因此它是屬于介質(zhì)光波導(dǎo)的范疇。對(duì)于SiO2光纖，在上述波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的三個(gè)低損耗窗口，是目前光纖通信的實(shí)用工作波長(zhǎng)，即0.85m、1.31m及1.55m。1.2 光纖通信的優(yōu)越性傳輸頻帶寬，通信容量大傳輸損耗 抗電磁干擾的能力強(qiáng) 另外，光纖線徑細(xì)、重量輕，而且制作光纖的資源豐富。1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成目前采用比較多的系統(tǒng)形式是強(qiáng)度調(diào)制/直接檢波（IM/DD）的光纖數(shù)字通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由光發(fā)射機(jī)、光纖、光接收機(jī)以及長(zhǎng)途干線上必須設(shè)置的光中繼器組成。1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成圖1-3光纖數(shù)字通信系統(tǒng)示意圖 1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖通信系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸過(guò)程：（1）由電發(fā)射機(jī)輸出的脈碼調(diào)制信號(hào)送入光發(fā)射機(jī)，光發(fā)射機(jī)的主要作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)耦合進(jìn)光纖。光發(fā)射機(jī)中的重要器件是能夠完成電-光轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體光源，目前主要采用半導(dǎo)體激光器（LD）或半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）。1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖通信系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸過(guò)程：（2）在通信系統(tǒng)的線路上，目前主要采用由單模光纖制成的不同結(jié)構(gòu)形式的光纜，這是由于它具有較好的傳輸特性。1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖通信系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸過(guò)程：（3）光接收機(jī)的主要作用是將光纖送過(guò)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)對(duì)電信號(hào)的處理以后，使其恢復(fù)為原來(lái)的脈碼調(diào)制信號(hào)送入電接收機(jī)。光接收機(jī)中的重要部件是能夠完成光/電轉(zhuǎn)換任務(wù)的光電檢測(cè)器，目前主要采用光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖通信系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸過(guò)程：（4）為了保證通信質(zhì)量，在收發(fā)端機(jī)之間適當(dāng)距離上必須設(shè)有光中繼器。光纖通信中光中繼器的形式主要有兩種，一種是光-電-光轉(zhuǎn)換形式的中繼器，另一種是在光信號(hào)上直接放大的光放大器。1.4 光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)先進(jìn)的光纖通信技術(shù)必須建設(shè)和開(kāi)發(fā)基于同步數(shù)字體系（SDH）和波分復(fù)用（WDM）的大容量超高速光纖傳輸網(wǎng)，并積極開(kāi)展在光層上直接組網(wǎng)的光聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。同步數(shù)字體系（SDH）是當(dāng)前電信網(wǎng)的主要傳輸體制。波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)由于可以在一根光纖上同時(shí)傳送多個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)，因而通信容量將有很大程度的提高。1.4 光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)普通的點(diǎn)到點(diǎn)的波分復(fù)用系統(tǒng)雖然有巨大的通信容量，但只提供了原始的傳輸帶寬，必須要有靈活的節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)高效靈活的組網(wǎng)能力。光分叉復(fù)用器（OADM）和光交叉連接器（OXC）是靠光層面上的波長(zhǎng)連接來(lái)解決節(jié)點(diǎn)的容量擴(kuò)展問(wèn)題的，單個(gè)節(jié)點(diǎn)容量可從160Gbit/s增加到10Tbit/s。1.4 光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)光傳送聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)最新發(fā)展趨勢(shì)是自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON），使光聯(lián)網(wǎng)從靜態(tài)光聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)，使傳統(tǒng)的傳送網(wǎng)向業(yè)務(wù)網(wǎng)方向發(fā)展。第第3章光纖通信器件章光纖通信器件3.1 半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源3.2 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器半導(dǎo)體光電檢測(cè)器3.3 光放大器光放大器3.4 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 13.1 半導(dǎo)體光器件光源是光纖通信系統(tǒng)中光發(fā)射機(jī)的重要組成部件，其主要作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖。目前用于光纖通信的光源包括半導(dǎo)體激光器（Laser Diode，LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）。23.1 半導(dǎo)體光器件3.1.1 激光器的物理基礎(chǔ)3.1.2 激光器的工作原理3.1.3 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性3.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器3.1.5 量子阱半導(dǎo)體激光器33.1.1 激光器的物理基礎(chǔ)1光子的概念2費(fèi)米能級(jí)3光和物質(zhì)的相互作用41光子的概念光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.62610-34JS，稱為普朗克常數(shù)；f是光波頻率。人們將這些光量子稱為光子。不同頻率的光子具有不同的能量。光具有波、粒兩重性。52費(fèi)米能級(jí)（1）原子能級(jí)的概念物質(zhì)是由原子組成的，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的。當(dāng)物質(zhì)中原子的內(nèi)部能量變化時(shí)，可能產(chǎn)生光波。電子在原子中圍繞原子核按一定軌道運(yùn)動(dòng)，而且只能有某些允許的軌道。由于在每一個(gè)軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，就相應(yīng)具有一定的電子能量，因此，電子運(yùn)動(dòng)的能量只能有某些允許的數(shù)值。這些所允許的能量值因軌道不同，都是一個(gè)個(gè)地分開(kāi)的，即是不連續(xù)的。我們把這些分立的能量值稱為原子的不同能級(jí)。62費(fèi)米能級(jí)（2）費(fèi)米能級(jí)電子按能量大小的分布確有一定的規(guī)律。電子占據(jù)能級(jí)的概率遵循費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：在熱平衡條件下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律是物質(zhì)粒子能級(jí)分布的基本規(guī)律，它反映了物質(zhì)中的電子按一定規(guī)律占據(jù)能級(jí)。7圖3-1 費(fèi)米分布函數(shù)變化曲線 83光和物質(zhì)的相互作用光可以被物質(zhì)吸收，也可以從物質(zhì)中發(fā)射。在研究光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，愛(ài)因斯坦指出，這里存在著三種不同的基本過(guò)程，即自發(fā)輻射、受激吸收以及受激輻射。93光和物質(zhì)的相互作用（1）自發(fā)輻射發(fā)射光子的頻率自發(fā)輻射的特點(diǎn)如下：這個(gè)過(guò)程是在沒(méi)有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，是自發(fā)躍遷。輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬。電子的發(fā)射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。103光和物質(zhì)的相互作用圖3-2 原子的自發(fā)輻射113光和物質(zhì)的相互作用（2）受激吸收物質(zhì)在外來(lái)光子的激發(fā)下，低能級(jí)上的電子吸收了外來(lái)光子的能量，而躍遷到高能級(jí)上，這個(gè)過(guò)程叫做受激吸收。受激吸收的特點(diǎn)如下。這個(gè)過(guò)程必須在外來(lái)光子的激發(fā)下才會(huì)產(chǎn)生，因此是受激躍遷。外來(lái)光子的能量要等于電子躍遷的能級(jí)之差。受激躍遷的過(guò)程不是放出能量，而是消耗外來(lái)光能。123光和物質(zhì)的相互作用圖3-3 原子的受激吸收 133光和物質(zhì)的相互作用（3）受激輻射處于高能級(jí)E2的電子，當(dāng)受到外來(lái)光子的激發(fā)而躍遷到低能級(jí)E1時(shí)，放出一個(gè)能量為hf的光子。由于這個(gè)過(guò)程是在外來(lái)光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，因此叫做受激輻射。受激輻射的特點(diǎn)如下。外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差。受激過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子。這個(gè)過(guò)程可以使光得到放大。143光和物質(zhì)的相互作用圖3-4 原子的受激輻射 153.1.2 激光器的工作原理激光器是指能夠產(chǎn)生激光的自激振蕩器。要使得光產(chǎn)生振蕩，必須先使光得到放大，而產(chǎn)生光放大的前提，由前面的討論可知，是物質(zhì)中的受激輻射必須大于受激吸收。受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。163.1.2 激光器的工作原理1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大之間的關(guān)系 2激光器的基本組成 3光學(xué)諧振腔 4激光器的參量 171粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大之間的關(guān)系在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光放大作用要想物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射作用大于受激吸收作用，也就是必須使N2N1。這種粒子數(shù)一反常態(tài)的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。將處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為增益物質(zhì)或激活物質(zhì)。182激光器的基本組成激光振蕩器必須包括以下三個(gè)部分：能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源，能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。193光學(xué)諧振腔 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)。在增益物質(zhì)兩端，適當(dāng)?shù)奈恢?，放置兩個(gè)反射鏡M1和M2互相平行，就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔。如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔。對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，如M1的反射系數(shù)r=1；另一個(gè)為部分反射，如M2的反射系數(shù)r1，產(chǎn)生的激光由此射出。諧振腔如何產(chǎn)生激光振蕩。203光學(xué)諧振腔圖3-5 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 213光學(xué)諧振腔圖3-6 激光器示意圖 223光學(xué)諧振腔綜合上述分析可知，要構(gòu)成一個(gè)激光器，必須具備以下三個(gè)組成部分：工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。工作物質(zhì)在泵浦源的作用下發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活物質(zhì)，從而有光的放大作用。激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。234激光器的參量（1）平均衰減系數(shù)在光學(xué)諧振腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩的先決條件是放大的光能要足以抵消腔內(nèi)的損耗。諧振腔內(nèi)損耗的大小用平均衰減系數(shù)表示為 244激光器的參量（2）增益系數(shù)激活物質(zhì)的放大作用用增益系數(shù)G來(lái)表示。G表示光通過(guò)單位長(zhǎng)度的激活物質(zhì)之后，光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分比。254激光器的參量圖3-7 激活物質(zhì)的放大作用 264激光器的參量（3）閾值條件將激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件閾值條件為其中Gt稱為閾值增益系數(shù)。激光器的閾值條件只決定于光學(xué)諧振腔的固有損耗。損耗越小，閾值條件越低，激光器就越容易起振。274激光器的參量（4）諧振頻率諧振頻率是光學(xué)諧振腔的重要參數(shù)。光學(xué)諧振腔的諧振條件或稱駐波條件283.1.3 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性 半導(dǎo)體激光器是有閾值的器件，它和發(fā)光二極管（LED）同屬半導(dǎo)體發(fā)光器件。光纖通信對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光器件的基本要求有下列幾點(diǎn)。（1）光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)符合目前光纖的三個(gè)低損耗窗口,即短波長(zhǎng)波段的0.85m、長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的1.31m與1.55m。（2）能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。（3）與光纖的耦合效率高。（4）光源的譜線寬度窄。（5）壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定。293.1.3 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性1半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理 2半導(dǎo)體激光器的工作特性 301半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理用半導(dǎo)體材料作為激活物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器。在半導(dǎo)體激光器中，從光振蕩的形式上來(lái)看，主要有兩種方式構(gòu)成的激光器，一種是用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀羅諧振腔），這種激光器稱為F-P腔激光器；另一種是分布反饋型（DFB）激光器。311半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。321半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-9 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖 331半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-10 InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器示意圖 341半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理半導(dǎo)體的能帶分布。本征半導(dǎo)體的能帶分布。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的形成。在重?fù)诫s情況下，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的能帶分布。P-N結(jié)外加正偏壓后的能帶分布以及激光的產(chǎn)生。351半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-11 本征半導(dǎo)體的能帶分布 361半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-12 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體重?fù)诫s能帶圖371半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-13 P-N結(jié)空間電荷區(qū) 381半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理 P-N結(jié)外加正偏壓后的能帶分布以及激光的產(chǎn)生。P-N結(jié)空間電荷區(qū)的形成。P-N結(jié)形成后的能帶分析。P-N結(jié)外加正偏壓后的能帶分布。激光的產(chǎn)生。391半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-14 P-N結(jié)形成后的能帶分布 401半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-15 外加正偏壓后P-N結(jié)的能帶分布 412半導(dǎo)體激光器的工作特性（1）閾值特性對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流值稱為閾值電流，用It表示。（2）光譜特性半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。激光器產(chǎn)生的激光有多模和單模。422半導(dǎo)體激光器的工作特性 圖3-16 激光器輸出特性曲線 432半導(dǎo)體激光器的工作特性（2）光譜特性半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。激光器產(chǎn)生的激光有多模和單模。442半導(dǎo)體激光器的工作特性 圖3-17 GaAs激光器的光譜 452半導(dǎo)體激光器的工作特性（3）溫度特性激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。462半導(dǎo)體激光器的工作特性圖3-18 GaAlAs/GaAs激光器的典型輸出光譜 472半導(dǎo)體激光器的工作特性（4）轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，衡量轉(zhuǎn)換效率的高低常用功率轉(zhuǎn)換效率來(lái)表示。激光器的功率轉(zhuǎn)換效率定義為輸出光功率與消耗的電功率之比，用P表示。482半導(dǎo)體激光器的工作特性圖3-19 激光器閾值電流隨溫度變化的曲線 493.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器 分布反饋半導(dǎo)體激光器是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的單縱模激光器，即在高速調(diào)制下仍然能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的。這種激光器又可分為分布反饋激光器（DFB）及分布布拉格反射激光器兩種，這兩種激光器的工作原理都是基于布拉格反射原理。布拉格反射是指當(dāng)光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)，能夠產(chǎn)生周期性的反射，把這種反射稱為布拉格反射。503.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器 圖3-20 分布反饋半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖 513.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器 1DFB激光器在普通的半導(dǎo)體激光器中，利用在激活物質(zhì)兩端的反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)光反饋。而在DFB激光器中，是通過(guò)腔體內(nèi)的周期光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。523.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器 2 DBR激光器DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)的外面。它相當(dāng)于在有源區(qū)的一側(cè)或兩側(cè)加了一段分布式布拉格反射器，起著衍射光柵的作用，因此可以將它看成是端面反射率隨波長(zhǎng)變化而變化的特殊激光器。DBR激光器的特點(diǎn)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。533.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器 圖3-21 DBR半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 543.1.5 量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱激光器與一般雙異質(zhì)結(jié)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很薄，屬于雙異質(zhì)結(jié)器件。理論分析表明，當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時(shí)，則在有源層與兩邊相鄰層的能帶將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。結(jié)構(gòu)中這種“阱”的作用使得電子和空穴被限制在極薄的有源區(qū)內(nèi)，因此有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的濃度很高。量子阱半導(dǎo)體激光器還可分為單量子阱和多量子阱激光器。553.1.5 量子阱半導(dǎo)體激光器圖3-22 量子阱半導(dǎo)體激光器 563.2 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機(jī)中的第一個(gè)部件，由光纖傳輸來(lái)的光信號(hào)通過(guò)它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。它是利用材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。目前在光纖通信系統(tǒng)中，常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，一種是PIN光電二極管，另一種是APD雪崩光電二極管。573.2 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器3.2.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)3.2.2 光纖通信中常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器3.2.3 光電檢測(cè)器的特性583.2.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)是指如下這種情況：光照射到半導(dǎo)體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)帶的電子吸收光子的能量，從價(jià)帶越過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價(jià)帶中出現(xiàn)光空穴，即光電子空穴對(duì)，又稱光生載流子。593.2.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)圖3-23 半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng) 603.2.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)當(dāng)光照射在某種材料制成的半導(dǎo)體光電二極管上時(shí)，若有光電子空穴對(duì)產(chǎn)生，顯然必須滿足如下關(guān)系，即 c稱為截止波長(zhǎng)，fc稱為截止頻率。613.2.2 光纖通信中常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器1PIN光電二極管 2APD雪崩光電二極管 621PIN光電二極管圖3-24 PIN光電二極管能帶圖 631PIN光電二極管圖3-25 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖 642APD雪崩光電二極管如果能使電信號(hào)進(jìn)入放大器之前，先在光電二極管內(nèi)部進(jìn)行放大，這就引出了一種另外類型的光電二極管，即雪崩光電二極管，又稱APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其內(nèi)部放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)而完成的。652APD雪崩光電二極管（1）雪崩光電二極管的雪崩倍增效應(yīng)（2）雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)及其工作原理目前光纖通信系統(tǒng)中，使用的雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)型式，有保護(hù)環(huán)型和拉通（又稱通達(dá)）型。雪崩光電二極管隨使用的材料不同有幾種：SiAPD（工作在短波長(zhǎng)區(qū)）；GeAPD，InGaAsAPD等（工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)）。662APD雪崩光電二極管圖3-26 雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)和能帶示意圖 673.2.3 光電檢測(cè)器的特性1響應(yīng)度R0和量子效率 2響應(yīng)時(shí)間 3暗電流ID 4雪崩倍增因子G5倍增噪聲和過(guò)剩噪聲系數(shù)F（G）681響應(yīng)度R0和量子效率響應(yīng)度和量子效率都是描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量。（A/W）光電二極管的響應(yīng)度和量子效率與入射光波頻率有關(guān)。692響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來(lái)表示。一個(gè)快速響應(yīng)的光電檢測(cè)器，它的響應(yīng)時(shí)間一定是短的。上面討論的響應(yīng)時(shí)間是從時(shí)域角度來(lái)看的，若從頻域角度看，短的響應(yīng)時(shí)間即意味這個(gè)器件的帶寬寬。703暗電流ID 理想條件下，當(dāng)沒(méi)有光照射時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無(wú)光電流輸出。但是實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵(lì)，在無(wú)光情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。嚴(yán)格地說(shuō)，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。由理論研究可知，暗電流將引起光接收機(jī)噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。714雪崩倍增因子G雪崩光電二極管還有一個(gè)與雪崩倍增效應(yīng)對(duì)應(yīng)的參量雪崩倍增因子。在忽略暗電流影響條件下，它定義為一般APD的倍增因子G在40100之間。PIN光電管因無(wú)雪崩倍增作用，所以G=1。725倍增噪聲和過(guò)剩噪聲系數(shù)F（G）從物理概念上容易理解，雪崩光電二極管的倍增是具有隨機(jī)性的。這種隨機(jī)性的電流起伏將帶來(lái)附加噪聲，一般稱為倍增噪聲。倍增噪聲可以用過(guò)剩噪聲系數(shù)F（G）來(lái)描述為733.3 光放大器3.3.1 光放大器的分類3.3.2 EDFA的結(jié)構(gòu)與工作原理3.3.3 EDFA的主要特性參數(shù)743.3.1 光放大器的分類從大的方面來(lái)分，光放大器主要包括半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種。半導(dǎo)體光放大器（SOA）是由半導(dǎo)體材料制成的，如果將半導(dǎo)體激光器兩端的反射去除，即變成沒(méi)有反饋的半導(dǎo)體行波光放大器，它能適合不同波長(zhǎng)的光放大。光纖放大器又包括兩種。非線性光纖放大器摻鉺光纖放大器（EDFA）753.3.1 光放大器的分類摻鉺光纖放大器的主要優(yōu)點(diǎn)如下。（1）工作波長(zhǎng)處在1.531.56m范圍，與光纖最小損耗窗口一致。（2）對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)的泵浦功率低，僅需幾十毫瓦；而拉曼放大器需0.51W的泵浦源進(jìn)行激勵(lì)。（3）增益高、噪聲低、輸出功率大，它的增益可達(dá)40dB，噪聲系數(shù)可低至34dB，輸出功率可達(dá)1420dBm。（4）連接損耗低，因?yàn)槭枪饫w型放大器，因此與光纖連接比較容易，連接損耗可低至0.1dB。763.3.2 EDFA的結(jié)構(gòu)與工作原理 1EDFA的基本結(jié)構(gòu)2EDFA的工作原理771EDFA的基本結(jié)構(gòu)圖3-27 摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖 782EDFA的工作原理圖3-28 鉺離子能帶圖 792EDFA的工作原理圖3-29 鉺離子的吸收譜 802EDFA的工作原理圖3-30 EDFA的泵浦方式 813.3.3 EDFA的主要特性參數(shù)1功率增益2飽和輸出功率3噪聲系數(shù)821功率增益功率增益定義為 功率增益=10log（輸出光功率/輸入光功率)它表示了光放大器的放大能力，增益的大小與泵浦光功率以及光纖長(zhǎng)度等諸因素有關(guān)。831功率增益圖3-31 摻鉺光纖放大器功率增益與泵浦功率間的關(guān)系 841功率增益圖3-32 摻鉺光纖放大器功率增益與光纖長(zhǎng)度間的關(guān)系 852飽和輸出功率輸出飽和功率是一個(gè)描述輸入信號(hào)功率與輸出信號(hào)功率之間關(guān)系的參量。在摻鉺光纖放大器中，輸入信號(hào)功率和輸出信號(hào)功率并不完全成正比關(guān)系，而是存在著飽和的趨勢(shì)。摻鉺光纖放大器的最大輸出功率常用3dB飽和輸出功率來(lái)表示。862飽和輸出功率圖3-33 摻鉺光纖放大器輸出飽和功率曲線 872飽和輸出功率圖3-34 摻鉺光纖放大器的增益飽和特性 883噪聲系數(shù) 摻鉺光纖放大器噪聲的主要來(lái)源包括：信號(hào)光的散彈噪聲，信號(hào)光波與放大器自發(fā)輻射光波之間的差拍噪聲，被放大的自發(fā)輻射光的散彈噪聲，光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波間差拍噪聲。摻鉺光纖放大器噪聲特性可用噪聲系數(shù)F來(lái)表示，它定義為F=放大器的輸入信噪比/放大器的輸出信噪比893.4 無(wú)源光器件3.4.1 光定向耦合器3.4.2 光隔離器與光環(huán)行器3.4.3 光濾波器3.4.4 光開(kāi)關(guān)3.4.5 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器3.4.6 波分復(fù)用器3.4.7 光纖光柵903.4.1 光定向耦合器1光定向耦合器的結(jié)構(gòu) 2光纖式定向耦合器的參數(shù) 911光定向耦合器的結(jié)構(gòu)光定向耦合器按其結(jié)構(gòu)不同可分為棱鏡式和光纖式兩類。921光定向耦合器的結(jié)構(gòu)圖3-35 棱鏡式和光纖式定向耦合器 932光纖式定向耦合器的參數(shù)（1）隔離度A。（2）插入損耗L。（3）分光比T。943.4.2 光隔離器與光環(huán)行器 1光隔離器的基本原理和結(jié)構(gòu) 2光環(huán)行器 3光隔離器與光環(huán)行器的主要性能參數(shù) 951光隔離器的基本原理和結(jié)構(gòu)圖3-36 光隔離器的工作原理圖 962光環(huán)行器圖3-37 三端口光環(huán)行器 973光隔離器與光環(huán)行器的主要性能參數(shù)對(duì)于光隔離器與光環(huán)行器來(lái)講，它們都是希望從輸入端口輸入的光信號(hào)到輸出端口時(shí)，衰減盡量小，即要求器件的插入損耗要??；對(duì)于不應(yīng)有輸出的端口，要求隔離度要高。器件典型的插入損耗為1dB左右，隔離度為4050dB。983.4.3 光濾波器圖3-38 F-P腔光濾波器 993.4.3 光濾波器F-P腔型光濾波器的主體是F-P諧振腔。描述F-P腔型光濾波器的特性參數(shù)主要是自由譜域（FSR）及帶寬（BW）。（1）自由譜域（FSR）：為相鄰波長(zhǎng)之間的距離（2）帶寬（BW）：為諧振峰降至一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻帶寬度，又稱為3dB帶寬。1003.4.4 光開(kāi)關(guān)能夠控制傳輸通路中光信號(hào)通或斷或進(jìn)行光路切換作用的器件，稱為光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)是全光交換技術(shù)中的關(guān)鍵器件。光開(kāi)關(guān)一般包括兩種：機(jī)械式光開(kāi)關(guān)和電子式光開(kāi)關(guān)。1013.4.4 光開(kāi)關(guān)圖3-39 機(jī)械式光開(kāi)關(guān) 1023.4.4 光開(kāi)關(guān)圖3-40 電子式光開(kāi)關(guān) 1033.4.5 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 能夠使信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)的器件稱為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器根據(jù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換機(jī)理可分為光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器比較容易實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是與偏振無(wú)關(guān)；主要缺點(diǎn)是由于速度受電子器件限制，因此不適應(yīng)高速大容量光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的要求。全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器技術(shù)主要由半導(dǎo)體光放大器（SOA）構(gòu)成。1041光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器圖3-41 光電光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器1052全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器圖3-42 全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器1063.4.6 波分復(fù)用器在一根光纖中能同時(shí)傳輸多波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù)，稱為光波分復(fù)用技術(shù)（WDM）。如果在系統(tǒng)發(fā)送端采用此技術(shù)，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)送入光纖傳輸?shù)脑O(shè)備稱為光波分復(fù)用器。在系統(tǒng)接收端可通過(guò)解復(fù)用器（分波器），將組合在一起的光信號(hào)分離并送入不同的終端。1073.4.6 波分復(fù)用器1光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理 2光波分復(fù)用器 1081光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理光波分復(fù)用器是對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行合成與分離的光器件。由光波分復(fù)用器構(gòu)成的光波分復(fù)用系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)分，可分為單纖單向WDM系統(tǒng)和單纖雙向WDM系統(tǒng)。1091光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-43 單纖單向結(jié)構(gòu)WDM傳輸系統(tǒng) 1101光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-44 單纖雙向結(jié)構(gòu)WDM傳輸系統(tǒng) 1112光波分復(fù)用器（1）光波分復(fù)用器的工作原理器件的各端口可以作為輸入端口，也可以作為輸出端口。1122光波分復(fù)用器圖3-45 WDM光傳輸原理圖 1132光波分復(fù)用器（2）光波分復(fù)用器的光學(xué)特性 復(fù)用器復(fù)用器的光學(xué)特性可以用給定的輸入端口的插入損耗波長(zhǎng)關(guān)系曲線表示。解復(fù)用器解復(fù)用的光學(xué)特性，可以用輸入端到N個(gè)輸出端的各信道的波長(zhǎng)插入損耗關(guān)系曲線來(lái)表達(dá) 1142光波分復(fù)用器圖3-46 復(fù)用器插入損耗波長(zhǎng)關(guān)系曲線 1152光波分復(fù)用器圖3-47 解復(fù)用器波長(zhǎng)插入損耗關(guān)系曲線 1162光波分復(fù)用器 中心波長(zhǎng)和中心波長(zhǎng)的工作范圍 中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的最小插入損耗L1和L2 相鄰信道之間串音耦合最大值L12和L231172光波分復(fù)用器（3）熔融光纖型波分復(fù)用器熔融光纖型是指將兩根光纖緊靠在一起并通過(guò)加熱使兩光纖熔接而成。這種復(fù)用器非常便于與光纖通信系統(tǒng)耦合連接，而且插入損耗極小，且體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。1182光波分復(fù)用器圖3-48 熔融光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖 1193.4.7 光纖光柵光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的一種光纖無(wú)源器件。它是利用光纖中的光敏性而制成的。光敏性是指當(dāng)外界入射的紫外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)而發(fā)生永久性改變。人們利用這種效應(yīng)可在幾厘米之內(nèi)寫入折射率分布光柵，稱為光纖光柵。光纖光柵最顯著的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于與光纖耦合，而且它具有高波長(zhǎng)選擇性。1203.4.7 光纖光柵圖3-49 光纖布拉格光柵濾波器 121第第4章光纖通信系統(tǒng)章光纖通信系統(tǒng)4.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)4.2 衰減和色散隊(duì)中繼距離的影響衰減和色散隊(duì)中繼距離的影響4.3 噪聲及靈敏度分析噪聲及靈敏度分析14.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng) 4.1.1 光纖通信中的線路碼型4.1.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)24.1.1 光纖通信中的線路碼型在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)，而由交換機(jī)送來(lái)的電信號(hào)符合ITU-T所規(guī)定的脈沖編碼調(diào)制(PCM)通信系統(tǒng)中的接口碼速率和碼型。HDB3（三階高密度雙極性碼）CMI（反轉(zhuǎn)碼）PCM系統(tǒng)中的這些碼型并不都適于在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中傳輸 34.1.1 光纖通信中的線路碼型在PDH光纖通信系統(tǒng)中是通過(guò)重新編碼，通常稱為線路編碼，即在原有的碼流中插入脈沖。在PDH光纖通信系統(tǒng)中，常使用的線路編碼有分組碼、偽雙極性碼(CMI和DMI)和插入碼。使用不同的線路編碼，光端機(jī)的輸出信號(hào)速率不同。因此在PDH系統(tǒng)中僅具有標(biāo)準(zhǔn)的電接口，而無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的光接口。但在SDH系統(tǒng)中，SDH信號(hào)速率與其線路速率是相同的。44.1.2 IM-DD光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1光發(fā)射機(jī)2光接收機(jī)3光纖通信系統(tǒng)51光發(fā)射機(jī)(1)光源的調(diào)制特性光源所采用的調(diào)制方式包括內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制（也稱為直接調(diào)制或間接調(diào)制）。在IM-DD光纖通信系統(tǒng)中，采用的是內(nèi)調(diào)制。通常內(nèi)調(diào)制適用于半導(dǎo)體光源。據(jù)調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)不同，內(nèi)調(diào)制又可分為模擬信號(hào)的調(diào)制和數(shù)字信號(hào)的調(diào)制。61光發(fā)射機(jī)圖4-1 半導(dǎo)體光源的直接調(diào)制原理 71光發(fā)射機(jī)圖4-2 光數(shù)字發(fā)射機(jī)原理圖 81光發(fā)射機(jī)(2)對(duì)光發(fā)射機(jī)的要求 光源的發(fā)光波長(zhǎng)要合適 合適的輸出光功率 較好的消光比 調(diào)制特性好此外還希望光發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性好，光源的壽命長(zhǎng)等。91光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 均衡放大 碼型變換 復(fù)用復(fù)用是指利用一個(gè)大的傳輸信道來(lái)同時(shí)傳送多個(gè)低容量的信息以及開(kāi)銷信息的過(guò)程。101光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 擾碼為了保證所提取時(shí)鐘的頻率以及相位與光發(fā)射機(jī)中的時(shí)鐘信號(hào)一致，必須避免所傳信號(hào)碼流中出現(xiàn)長(zhǎng)“0”或長(zhǎng)“1”的現(xiàn)象。解決這一問(wèn)題的方法就是擾碼，即在發(fā)送端加入一個(gè)擾碼電路，而在接收端則要加一個(gè)與擾碼相反的解擾電路，以恢經(jīng)過(guò)擾碼后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)調(diào)制電路對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，讓光源發(fā)出的光信號(hào)強(qiáng)度跟隨信號(hào)碼流的變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光纖。復(fù)信號(hào)碼流原來(lái)的狀態(tài)。時(shí)鐘111光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 調(diào)制(驅(qū)動(dòng))經(jīng)過(guò)擾碼后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)調(diào)制電路對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，讓光源發(fā)出的光信號(hào)強(qiáng)度跟隨信號(hào)碼流的變化，形成相應(yīng)的光脈沖送入光纖。121光發(fā)射機(jī)圖4-3 LG1625激光驅(qū)動(dòng)器原理圖 131光發(fā)射機(jī)圖4-4 LG1625與246型激光器的連接示意圖 141光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 自動(dòng)功率控制由于老化等因素的影響，使得光發(fā)射機(jī)的光源在使用一段時(shí)間之后，出現(xiàn)輸出光功率降低的現(xiàn)象。為了保持光源輸出功率的穩(wěn)定，在光發(fā)射機(jī)中常使用自動(dòng)功率控制(APC)電路。151光發(fā)射機(jī)圖4-5 激光器老化使輸出光功率降低 161光發(fā)射機(jī)圖4-6 激光器溫度變化引起輸出功率的變化 171光發(fā)射機(jī)圖4-7 自動(dòng)功率控制電路 181光發(fā)射機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 自動(dòng)溫度控制 特性曲線對(duì)環(huán)境溫度的變化反映很靈敏，使輸出光功率的大小隨溫度出現(xiàn)變化。在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，為了能使激光器的輸出特性保持穩(wěn)定，在發(fā)射機(jī)盤上需安裝自動(dòng)溫度控制(ATC)電路。191光發(fā)射機(jī)圖4-8 環(huán)境溫度變化引起輸出光功率的變化 201光發(fā)射機(jī)圖4-9 自動(dòng)溫度控制電路方框圖 212光接收機(jī)(3)光發(fā)射機(jī)的組成方框圖和各部分功能 其他保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路LD保護(hù)電路無(wú)光告警電路 222光接收機(jī)圖4-10 數(shù)字光纖通信接收光端機(jī)方框圖 232光接收機(jī) 光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器的作用是將由發(fā)送光端機(jī)經(jīng)光纖傳過(guò)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，即具有光/電轉(zhuǎn)換功能。目前廣泛使用的光電檢波管是PIN管和雪崩光電二極管，前者稱為半導(dǎo)體光電二極管后者又稱為APD管。后者具有信號(hào)放大的作用。242光接收機(jī) 前置放大器由于這個(gè)放大器與光電檢測(cè)器緊緊相連，故稱前置放大器。對(duì)多數(shù)放大器的前級(jí)提出特別的要求是非常必要的，它應(yīng)具有低噪聲、高增益的特性，這樣才能得到較大的信噪比。由于跨阻型前置放大器不僅具有寬頻帶、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，而且其動(dòng)態(tài)范圍也比高阻型前置放大器改善很多，因此在光纖通信中得到廣泛的使用。252光接收機(jī)圖4-11 1319型高速光纖接收組件 262光接收機(jī) 放大器主放大器的作用有下述兩個(gè)方面。將前置放大器輸出的信號(hào)放大到判決電路所需要的信號(hào)電平。它還是一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的放大器。一般主放大器的峰峰值輸出是幾伏數(shù)量級(jí)。272光接收機(jī)圖4-12 LG1605限幅放大器 282光接收機(jī) 均衡器拖尾現(xiàn)象采用均衡器來(lái)使經(jīng)過(guò)其后的波形，在本碼判決時(shí)刻，其瞬時(shí)值應(yīng)為最大值；而這個(gè)本碼波形的拖尾在鄰碼判決時(shí)刻的瞬時(shí)值應(yīng)為零。這樣，即使經(jīng)過(guò)均衡后的輸出波形仍有拖尾，但是這個(gè)拖尾在鄰碼判決的這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻為零，從而不干擾對(duì)鄰碼的判決。292光接收機(jī)圖4-13 未經(jīng)均衡出現(xiàn)的脈沖拖尾現(xiàn)象 302光接收機(jī)圖4-14 單個(gè)脈沖均衡前后波形的比較 312光接收機(jī) 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路判決器由判決電路和碼形成電路構(gòu)成。判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路合起來(lái)構(gòu)成脈沖再生電路。脈沖再生電路的作用是將均衡器輸出的信號(hào)恢復(fù)成理想的數(shù)字信號(hào) 322光接收機(jī)圖4-15 信號(hào)再生示意圖 332光接收機(jī)圖4-16 時(shí)鐘恢復(fù)電路方框圖 342光接收機(jī)圖4-17 時(shí)鐘恢復(fù)電路波形圖 352光接收機(jī)圖4-18 NRZ碼的功率譜密度分布圖 362光接收機(jī)圖4-19 RZ碼功率譜密度分布圖 372光接收機(jī)圖4-20 一種非線性處理電路 382光接收機(jī)圖4-21 非線性處理電路中的波形圖 392光接收機(jī) 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路調(diào)諧放大它的作用是用非線性處理后的波形來(lái)激勵(lì)調(diào)諧放大器，然后在它的諧振回路中選出時(shí)鐘頻率fb的簡(jiǎn)諧波，經(jīng)調(diào)諧放大后的波形如圖4-17(d)所示。限幅經(jīng)過(guò)限幅，可將上述簡(jiǎn)諧信號(hào)波形變?yōu)槿鐖D4-17(e)所示的波形。整形、移相整形電路將經(jīng)限幅后的波形變?yōu)榫匦蚊}沖；移相網(wǎng)絡(luò)再將此矩形脈沖串的相位調(diào)整到最佳判決時(shí)所需要的相位，最后得到如圖4-17(f)所示的時(shí)鐘信號(hào)。402光接收機(jī) 判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路判決電路和碼形成電路可由與非門電路和R-S(復(fù)位位置)觸發(fā)器來(lái)構(gòu)成。412光接收機(jī)圖4-22 脈沖再生電路原理方框圖 422光接收機(jī) 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)增益控制光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍D是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，光接收機(jī)的最低輸入光功率(用dBm來(lái)描述)和最大允許輸入光功率(用dBm描述)之差，其單位為dB。它表示光接收機(jī)正常工作時(shí)，光信號(hào)應(yīng)有一個(gè)范圍，這個(gè)范圍就是光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。432光接收機(jī) 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)增益控制光接收機(jī)的自動(dòng)增益控制(AGC)就是用反饋環(huán)路來(lái)控制主放大器的增益，在采用雪崩管的光接收機(jī)中還通過(guò)控制雪崩管的高壓來(lái)控制雪崩管的雪崩增益。442光接收機(jī)圖4-23 自動(dòng)增益控制工作原理方框圖 452光接收機(jī) 解擾、解復(fù)用和碼型變換電路在光發(fā)射機(jī)中首先進(jìn)行碼型變換。在光發(fā)射機(jī)中對(duì)數(shù)字碼流進(jìn)行擾碼處理。還需將判決器輸出的信號(hào)進(jìn)行解擾碼和碼型變換處理以恢復(fù)原碼流。發(fā)送端根據(jù)所輸入信號(hào)的性質(zhì)不同，將會(huì)采用不同的復(fù)用方式以提高信道的利用率，因而接收端則需進(jìn)行相反的操作，即解復(fù)用。462光接收機(jī) 輔助電路輔助電路包括箝位電路、溫度補(bǔ)償電路和告警電路等。472光接收機(jī)圖4-24 STM-16光接收器電原理圖 483光纖通信系統(tǒng)圖4-25 IM-DD光纖通信系統(tǒng)原理框圖 493光纖通信系統(tǒng)(1)光中繼器光脈沖信號(hào)從光發(fā)射機(jī)輸出經(jīng)光纖傳輸若干距離以后，由于光纖損耗和色散的影響，將使光脈沖信號(hào)的幅度受到衰減，波形出現(xiàn)失真，這樣就限制了光脈沖信號(hào)在光纖中做長(zhǎng)距離的傳輸。503光纖通信系統(tǒng)圖4-26 最簡(jiǎn)單的光中繼器原理方框圖 513光纖通信系統(tǒng)圖4-27 實(shí)用的中繼器方框圖 523光纖通信系統(tǒng)(2)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)為監(jiān)視、監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。在光纖通信的監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采用的是集中監(jiān)控方式。監(jiān)控內(nèi)容監(jiān)控的內(nèi)容分別包括監(jiān)視和控制兩部分。監(jiān)控信號(hào)的傳輸在數(shù)字通信系統(tǒng)中采用時(shí)分復(fù)用的方式來(lái)完成監(jiān)控信號(hào)的傳輸，但不同的傳輸體制，其監(jiān)控信號(hào)的傳輸方式有所區(qū)別。534.2 衰減和色散對(duì)中繼距離的影響4.2.1 衰減和色散對(duì)中繼距離的影響4.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光線路4.2.3 使用光放大器的SDH高速線路544.2.1 衰減和色散對(duì)中繼距離的影響1衰減對(duì)中繼距離的影響2色散對(duì)中繼距離的影響3最大中繼距離的計(jì)算551衰減對(duì)中繼距離的影響一個(gè)中繼段上的傳輸衰減包括兩部分，其一是光纖本身的固有衰減，再者就是光纖的連接損耗和微彎帶來(lái)的附加損耗。構(gòu)成光纖損耗的原因很復(fù)雜，歸結(jié)起來(lái)主要包括兩大類：吸收損耗和散射損耗。引起光纖損耗的因素還有光纖彎曲和微彎產(chǎn)生的損耗以及纖芯與包層中的損耗等等。562色散對(duì)中繼距離的影響 光纖自身存在色散，即材料色散、波導(dǎo)色散和模式色散。對(duì)于單模光纖，因?yàn)閮H存在一個(gè)傳輸模，故單模光纖只包括材料色散和波導(dǎo)色散。除此之外，還存在著與光纖色散有關(guān)的種種因素，其中比較重要的有三類：碼間干擾、模分配噪聲和啁啾聲。572色散對(duì)中繼距離的影響(1)碼間干擾對(duì)中繼距離的影響 系統(tǒng)的傳輸速率越高，光纖的色散系數(shù)越大，光源譜寬越寬。582色散對(duì)中繼距離的影響(2)模分配噪聲對(duì)中繼距離的影響 激光器的光譜特性 模分配噪聲的產(chǎn)生及影響592色散對(duì)中繼距離的影響圖4-28 普通激光器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)譜線 602色散對(duì)中繼距離的影響圖4-29 高速調(diào)制時(shí)多縱模的隨機(jī)起伏 612色散對(duì)中繼距離的影響(3)啁啾聲對(duì)中繼距離的影響 對(duì)于處于直接強(qiáng)度調(diào)制狀態(tài)下的單縱模激光器，其載流子密度的變化隨注入電流的變化而變化。這樣使有源區(qū)的折射率指數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致激光器諧振腔的光通路長(zhǎng)度相應(yīng)變化，結(jié)果致使振蕩波長(zhǎng)隨時(shí)間偏移，這就是頻率啁啾現(xiàn)象。因?yàn)檫@種時(shí)間偏移是隨機(jī)的，因而當(dāng)受上述影響的光脈沖經(jīng)過(guò)光纖后，在光纖色散的作用下，可以使光脈沖波形發(fā)生展寬，因此接收取樣點(diǎn)所接收的信號(hào)中就會(huì)存在隨機(jī)成分，這就是一種噪聲啁啾聲。623最大中繼距離的計(jì)算 中繼距離是光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要任務(wù)。在中繼距離的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮衰減和色散這兩個(gè)限制因素。633最大中繼距離的計(jì)算(1)衰減受限系統(tǒng)在衰減受限系統(tǒng)中，中繼距離越長(zhǎng)，則光纖通信系統(tǒng)的成本越低，獲得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益越高。極限值設(shè)計(jì)法 643最大中繼距離的計(jì)算（2）色散受限系統(tǒng) 光纖的色散與帶寬 光纖每公里帶寬與L公里帶寬間的關(guān)系 光纖帶寬與半功率點(diǎn)寬度W之間的關(guān)系 色散受限距離 a 多縱模激光器（MLM）和發(fā)光二極管（LED）b 單縱模激光器（SLM）c 采用外調(diào)制器654.2.2 10Gbit/s及10Gbit/s以上的SDH光線路1光源頻率啁啾影響 2光纖的色散特性影響 3極化模色散的影響 4系統(tǒng)功率預(yù)算限制 661光源頻率啁啾影響為了能夠直觀地度量其影響，因此引入啁啾系數(shù)a來(lái)評(píng)估光源的頻率啁啾影響。啁啾系數(shù)的定義如下：672光纖的色散特性影響通常將接收機(jī)靈敏度下降1dB光纖長(zhǎng)度稱為色散受限距離。通常在采用單縱模激光器的光纖通信系統(tǒng)中，影響接收靈敏度的因素有兩個(gè)，其一是傳輸信號(hào)的速率（即信號(hào)的信息帶寬），其二是頻率啁啾。683極化模色散的影響理論上單模光纖中只傳輸一個(gè)基模，但實(shí)際上在單模光纖中的基模存在兩個(gè)模式，即橫向電場(chǎng)沿y方向極化和沿x方向極化的的兩個(gè)模式，它們的極化方向相互垂直，這兩種模式分別為L(zhǎng)P01x和LP01y。但在實(shí)際光纖中，由于光纖形狀、折射率以及應(yīng)力等分布的不均勻，兩種模式的縱向速度不同，從而導(dǎo)致相移不同，在時(shí)間上表現(xiàn)為不同極化態(tài)之間的群時(shí)延不同，使脈沖波形出現(xiàn)展寬現(xiàn)象。694系統(tǒng)功率預(yù)算限制系統(tǒng)功率預(yù)算是指光纖通信系統(tǒng)中光源輸出功率與接收靈敏度之差。為了避免光纖工作于非線性狀態(tài)，通常，光源輸出光功率不得超過(guò)3dBm。另外，信號(hào)經(jīng)信道傳輸時(shí)或多或少都會(huì)受到信道噪聲的影響。為了解決傳輸距離較短的問(wèn)題，人們?cè)诠饫w通信系統(tǒng)中采用摻餌光纖放大器（EDFA）。704.2.3 使用光放大器的SDH高速線路1使用EDFA的光纖通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn) 2EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 3無(wú)電再生的最大中繼距離 4EDFA在級(jí)聯(lián)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法 711使用EDFA的光纖通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)（1）可擴(kuò)展中繼距離。（2）具有透明性。（3）可作中繼器使用，節(jié)約成本。（4）可擴(kuò)大用戶數(shù)。722EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的主要作用是延長(zhǎng)中繼距離，當(dāng)它與波分復(fù)用技術(shù)、光孤子技術(shù)相結(jié)合時(shí)，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離的傳輸。（1）作為前置放大器（2）作為功率放大器（3）作光中繼器使用732EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用圖4-30 EDFA的應(yīng)用 743無(wú)電再生的最大中繼距離在使用光放大器的光纖通信系統(tǒng)中同樣要考慮衰減和色散的影響。衰減受限光纖通信系統(tǒng)的中繼距離可以表示為754EDFA在級(jí)聯(lián)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法（1）噪聲積累影響（2）光纖的非線性限制（3）增益均衡764EDFA在級(jí)聯(lián)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法圖4-31 EDFA增益不平坦性對(duì)多級(jí)級(jí)聯(lián)的影響 774.3 噪聲及靈敏度分析 4.3.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)噪聲及靈敏度 4.3.2 EDFA的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)784.3.1 IM-DD光纖通信系統(tǒng)噪聲及靈敏度1接收機(jī)噪聲2接收靈敏度791接收機(jī)噪聲（1）散粒噪聲和熱噪聲散粒噪聲是指圍繞一個(gè)平均統(tǒng)計(jì)值做隨機(jī)起伏波動(dòng)的、由光電檢測(cè)器件自身產(chǎn)生的一種噪聲。熱噪聲是由于電子在光電檢測(cè)器的負(fù)載電阻RL上做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，而產(chǎn)生的電流隨機(jī)起伏的現(xiàn)象，使所傳輸?shù)男盘?hào)附加上了一種噪聲，這種附加噪聲就是熱噪聲。801接收機(jī)噪聲（2）光接收機(jī)的SNRPIN只對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，而無(wú)放大功能。而APD除具有光電轉(zhuǎn)換功能外，還具有信號(hào)放大功能，即其平均輸出功率為IP=RGPin，其中R為響應(yīng)度。SNR隨Pin線性增大，而且與量子效率、接收機(jī)的帶寬f以及光子能量hf有關(guān)。最佳平均雪崩增益（Gmax）811接收機(jī)噪聲圖4-32 1.55m InGaAs APD接收機(jī)最佳APD增益Gmax與入射光功率Pin的關(guān)系822接收靈敏度接收靈敏度是指在滿足給定誤碼率（BER=110-10）條件下，光接收機(jī)能夠接收到的最小平均光功率。接收靈敏度是與系統(tǒng)誤碼性能有關(guān)的物理量。832接收靈敏度（1）誤碼率誤碼率是指這兩種情況下的誤碼概率可用下式給出：84圖4-33 比特誤碼率和Q參數(shù)的關(guān)系 852接收靈敏度（2）Q與接收靈敏度之間的關(guān)系 864.3.2 EDFA的級(jí)聯(lián)系統(tǒng) 1級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比 2級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度 871級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比（1）自發(fā)輻射噪聲基中自發(fā)輻射的光子中的一部分疊加在放大的光纖傳輸模上一起沿光纖傳輸，并會(huì)被后面的放大器放大，這就產(chǎn)生了自發(fā)輻射噪聲（ASE）。ASE的總功率是由帶寬為B0的光纖中所有模式所攜帶的ASE的積累。ASE總功率為881級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比（1）自發(fā)輻射噪聲自發(fā)輻射因子nsp表示了放大器中粒子反轉(zhuǎn)能力的大小，可用下式表示：891級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的信噪比（2）光放大器的級(jí)聯(lián)影響由于放大的自發(fā)輻射噪聲在到達(dá)光接收機(jī)之前是呈現(xiàn)積累關(guān)系，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)性能。解決這一問(wèn)題的方法是在線路的適當(dāng)處加入光電光中繼器，將此噪聲去除。902級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度（1）EDFA作為前置放大器的直接檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)光纖通信系統(tǒng)中使用了光放大器，此時(shí)系統(tǒng)中不僅存在散粒噪聲、熱噪聲，而且還會(huì)受到放大的自發(fā)輻射的影響。912級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度圖4-34 采用EDFA作前置放大器時(shí)的接收靈敏度與FA和光濾波器帶寬的關(guān)系 922級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度(2)放大器的級(jí)聯(lián)在EDFA級(jí)聯(lián)光纖通信系統(tǒng)中，一方面其中每個(gè)光放大器都會(huì)產(chǎn)生放大器自發(fā)輻射(ASE)噪聲，并沿線路繼續(xù)傳輸，且與信號(hào)一起被后面的光放大器放大，放大后的自發(fā)輻射噪聲在到達(dá)光接收機(jī)之前積累，并影響系統(tǒng)性能；另一方面當(dāng)ASE電平增加時(shí)，它逐漸使光放大器出現(xiàn)飽和，并減小信號(hào)增益，在接收端SNR甚至下降更多。932級(jí)聯(lián)光放大器系統(tǒng)的接收靈敏度圖4-35 信號(hào)功率PS和ASE功率PASE沿級(jí)聯(lián)光放大器線路的變化 94