光通信技术-高新讲座.ppt

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1、光通信技术光通信技术主讲教师：刘岚岚主讲教师：刘岚岚信息技术IT：Information Technologyn包括四个部分：信息获取，信息传输，信息处理和信息应用。n信息技术革命主要体现在三个方面：n微电子技术 n数字技术 n光通信技术 第一章第一章 引言引言第二章第二章 传输光路传输光路第三章第三章 光发射机光发射机第四章第四章 光接收机光接收机第五章第五章 光放大光放大第一章第一章 引言引言 光纤通信发展的历史、优点和应用光纤通信发展的历史、优点和应用光纤通信的概念光纤通信的概念 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来传送信息的。来传送信息的。通信技术通信技术电通信电

2、通信光通信光通信根据使用的电磁波频率范围分类：根据使用的电磁波频率范围分类：有线通信有线通信无线通信无线通信光光纤纤通通信信是是以以光光作作为为信信息息载载体体，以以光光纤纤作作为为传传输输介质的光信息传输技术。介质的光信息传输技术。LASER通信是通过某种媒体进行的信息传递。通信是通过某种媒体进行的信息传递。光纤通信优点光纤通信优点GOOD损耗低，损耗低，0.2dB/km传输容量大，传输容量大，400nm，50THz重量轻，体积小，重量轻，体积小，27g/km fiber资源丰富，石英资源丰富，石英抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高防爆性能好防爆

3、性能好宽带宽，大容量，能量集中，器件尺寸小，功耗低宽带宽，大容量，能量集中，器件尺寸小，功耗低。1.探索时期的光通信探索时期的光通信 在在这这个个时时期期，美美国国麻麻省省理理工工学学院院利利用用He-Ne激激光光器器和和CO2激光器进行了大气激光通信试验。激光器进行了大气激光通信试验。由由于于没没有有找找到到稳稳定定可可靠靠和和低低损损耗耗的的传传输输介介质质，对对光光通通信信的的研研究曾一度走入了低潮。究曾一度走入了低潮。1960年年，美美国国人人梅梅曼曼(Maiman)发发明明了了第第一一台台红红宝宝石石激激光光器器，给给光光通通信信带带来来了了新新的的希希望望。激激光光器器的的发发明明

4、和和应应用用，使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。年的光通信进入一个崭新的阶段。1880年年，美美国国人人贝贝尔尔(Bell)发发明明了了用用光光波波作作载载波波传传送送话音的话音的“光电话光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。贝尔光电话是现代光通信的雏型。原原始始形形式式的的光光通通信信:中中国国古古代代用用“烽烽火火台台”报报警警，欧欧洲人用旗语传送信息。洲人用旗语传送信息。2 现代光纤通信现代光纤通信 指指明明通通过过“原原材材料料的的提提纯纯制制造造出出适适合合于于长长距距离离通通信信使使用用的的低低损损耗耗光光纤纤”这这一一发发展展方方向向 1966年年，英英籍籍华华

5、裔裔学学者者高高锟锟(C.K.Kao)和和霍霍克克哈哈姆姆(C.A.Hockham)发发表表了了关关于于传传输输介介质质新新概概念念的的论论文文，指指出出了了利利用用光光纤纤(Optical Fiber)进进行行信信息息传传输输的的可可能能性性和和技技术术途途径径，奠定了现代光通信奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。的基础。光纤发明人高锟光纤发明人高锟 Charles K.Kao论文：光频介质纤维表面波导论文：光频介质纤维表面波导1966（Dielectric-Fiber Suface Waveguide for Optical Frequency)提出：制造石英光纤可实现光纤通信提出：制

6、造石英光纤可实现光纤通信指出指出 三点：三点：光纤的容量很大光纤的容量很大 高纯石英光纤的损失可低达高纯石英光纤的损失可低达 20dB/km 单模光纤的原理构造单模光纤的原理构造高锟高锟光纤之父光纤之父光纤通信发明家光纤通信发明家高锟高锟(左左)1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章2009年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟，年诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟，美国科学家威拉德美国科学家威拉德博伊尔和乔治博伊尔和乔治史密斯。史密斯。瑞典皇家科学院说，高锟在瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面输以用于光学通信方面”取得

7、了突破性成就，他将获得取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。奖另一半奖金。1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年年，美美国国康康宁宁(Corning)公公司司研研制制成成功功损损耗耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶

8、段。1972年年，康康宁宁公公司司高高纯纯石石英英多多模模光光纤纤损损耗耗降降低低到到4 dB/km。1973 年年，美美国国贝贝尔尔(Bell)实实验验室室的的光光纤纤损损耗耗降降低低到到2.5dB/km。1974 年降低到年降低到1.1dB/km。1976 年年，日日本本电电报报电电话话(NTT)公公司司将将光光纤纤损损耗耗降降低低到到0.47 dB/km(波长波长1.2m)。在以后的在以后的 10 年中，波长为年中，波长为1.55 m的光纤损耗：的光纤损耗：1979 年年是是0.20 dB/km，1984年年是是0.157 dB/km，1986 年年是是0.154 dB/km，接近了光纤

9、最低损耗的理论极限。接近了光纤最低损耗的理论极限。19701970年康宁研制出低损失光纤年康宁研制出低损失光纤Corning 的的3位科学家位科学家Dr.DonalKeck,Dr.Bob Maurer,Dr.Peter Schultz于于1970年研制出低年研制出低损失光纤损失光纤.光纤长度光纤长度光纤长度光纤长度 (米米米米)29,)29,28.128.1损失损失损失损失(dB/km)17,18.2(dB/km)17,18.2 芯直径芯直径芯直径芯直径(微米微米微米微米)3.7(3.7(单模单模单模单模)(Dr.Keck(Dr.Keck的实验室记录的实验室记录的实验室记录的实验室记录)Cor

10、ning 展览馆展览馆 1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展取得了实质性的进展 1970年年，美美国国贝贝尔尔实实验验室室、日日本本电电气气公公司司(NEC)和和前前苏苏联联先先后后，研研制制成成功功室室温温下下连连续续振振荡荡的的镓镓铝铝砷砷(GaAlAs)双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器(短短波波长长)。虽虽然然寿寿命命只只有有几几个个小小时时，但但它它为为半半导导体激光器的发展奠定了基础。体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到年，半导体激光器寿命达到7000小时。小时。1976年年，日日本本电电报报电电话话公公司司研研制制成成功功

11、发发射射波波长长为为1.3 m的铟镓砷磷的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。激光器。1977 年年，贝贝尔尔实实验验室室研研制制的的半半导导体体激激光光器器寿寿命命达达到到10万小时。万小时。1979年年美美国国电电报报电电话话(AT&T)公公司司和和日日本本电电报报电电话话公公司司研研制成功发射波长为制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年年成成为光纤通信发展的一个重要里程碑为光纤通信发展的一个重要里程碑 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展 1976 年年，美美

12、国国在在亚亚特特兰兰大大(Atlanta)进进行行了了世世界界上上第第一一个个实用光纤通信系统的现场试验。实用光纤通信系统的现场试验。1980 年，美国标准化年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。光纤通信系统投入商业应用。1976 年年和和 1978 年年，日日本本先先后后进进行行了了速速率率为为34 Mb/s的的突突变变型型多多模模光光纤纤通通信信系系统统，以以及及速速率率为为100 Mb/s的的渐渐变变型型多多模模光光纤纤通通信系统的试验。信系统的试验。1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随随后后，由由美美、日日、英英、法法发发起起的的

13、第第一一条条横横跨跨大大西西洋洋 TAT-8海底光缆通信系统于海底光缆通信系统于1988年建成。年建成。第第一一条条横横跨跨太太平平洋洋 TPC-3/HAW-4 海海底底光光缆缆通通信信系系统统于于1989年年建建成成。从从此此，海海底底光光缆缆通通信信系系统统的的建建设设得得到到了了全全面面展展开开，促进了全球通信网的发展。促进了全球通信网的发展。光纤通信的发展光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：可以粗略地分为三个阶段：第第一一阶阶段段(19661976年年)，这这是是从从基基础础研研究究到到商商业业应应用的开发时期。用的开发时期。第第二二阶阶段段(19761986年年)，这这是是以以提提

14、高高传传输输速速率率和和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第第三三阶阶段段(1986 )，这这是是以以超超大大容容量量、超超长长距距离离为为目标、全面深入开展新技术研究的时期。目标、全面深入开展新技术研究的时期。3.光纤通信的光纤通信的应用应用 光光纤纤可可以以传传输输数数字字信信号号，也也可可以以传传输输模模拟拟信信号号。光光纤纤在在通通信信网网、广广播播电电视视网网与与计计算算机机网网，以以及及在在其其它它数数据据传传输输系系统统中中，都都得得到到了了广广泛泛应应用用。光光纤纤宽宽带带干干线线传传送送网网和和接接入入网网发发

15、展展迅迅速速，是当前研究开发应用的主要目标。是当前研究开发应用的主要目标。光纤通信的各种应用可概括如下：光纤通信的各种应用可概括如下：通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网（有线电视网（CATV）的干线和分配网）的干线和分配网数数字字机机顶顶盒盒(STB-SetTopBox)，宽宽带带双双向向的的多多媒媒体体通信网。通信网。综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网用户环路交换设备电复接设备卫星通信微波通信光纤通信移动通信发送机接收机传输系统用户终端用户终端用户用户用户终端用户终端用户环路交换设备电复接设备用户用户现代通信方式示意图现代通信方式示意

16、图用户终端用户终端交换设备交换设备接入网接入网电复接设备电复接设备传输系统传输系统电电/光光光光/电电前端前端前端前端网卡网卡电信号输入电信号输入网卡网卡电信号输出电信号输出传输光路传输光路光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成第一节第一节 光纤光纤第二节第二节 无源光器件无源光器件 第二章第二章 传输光路传输光路传输光路要求传输光路要求传输光路传输光路指的是从光信号的产生到接收的整个光通路指的是从光信号的产生到接收的整个光通路要求要求:1.1.没有光能的损失没有光能的损失2.2.没有色散和脉冲展宽（延迟问题）没有色散和脉冲展宽（延迟问题）3.3.光强的响应是线性的光强的响应是线性的4.

17、4.偏振不敏感性、相位稳定性偏振不敏感性、相位稳定性 第一节第一节 光纤光纤 光纤的一般理论光纤的一般理论2.1.2 2.1.2 通信用光纤的结构通信用光纤的结构光纤的一般理论光纤的一般理论射线理论射线理论光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。光是一种频率很高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导。n全反射原理全反射原理光光线线在在均均匀匀介介质质中中是是以以直直线线传传播播的的，但但在在两两种种不不同同介介质的分界面会产生反射和折射现象：质的分界面会产生反射和折射现象：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当当n1n2 1 c时时发生全反射

18、发生全反射c：临界角：临界角n光纤中光波的传输原理光纤中光波的传输原理-全反射全反射“之之”字线传输字线传输只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输。光纤纤芯内传输。当光在光纤中发生全反射现象时，由于光当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以以可以大大降低光纤的衰耗大大降低光纤的衰耗。n2n1光纤全反射纤芯8-10um包层 125um涂覆层 250umn1n2当光从折射率高(n1)的媒质入射到折射率低(n2)的媒

19、质，入射角超过临界角时，光线在两种媒质的界面上不发生折射现象，只有反射。临界角：sinc=n2/n1横向谐振：2 ta=n 通信光纤结构和制造通信光纤结构和制造1.光纤结构光纤结构2.光纤的类型光纤的类型 纤芯主要采用高纯度的纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅，并掺有二氧化硅，并掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率n1；包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺杂剂，主要是降低包层的光折射率剂，主要是降低包层的光折射率n2；涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机械强度和可弯曲性。强度和

20、可弯曲性。2.1.2 通信光纤的结构通信光纤的结构1.1.光纤的结构光纤的结构1.1.光纤的结构光纤的结构 石英光纤石英光纤 芯层芯层 包层包层 涂敷层涂敷层 护套护套:紧套紧套 松套松套芯芯芯芯包层包层包层包层树脂被覆层树脂被覆层树脂被覆层树脂被覆层ncorenclad2.光纤的类型光纤的类型光纤的分类方法很多光纤的分类方法很多：按照按照光纤截面折射率分布光纤截面折射率分布来分类；来分类；按照按照光纤中传输模式数光纤中传输模式数的多少来分类；的多少来分类；按照光纤使用的按照光纤使用的材料材料来分类；来分类；按照传输的按照传输的工作波长工作波长来分类。来分类。(1)按光纤截面上折射率分布分类按

21、光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为：按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为：阶阶跃跃型型光光纤纤(Step-Index Fiber，SIF)和和渐渐变型光纤变型光纤(Graded-Index Fiber，GIF。根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同(2)按传输模式的数量分类按传输模式的数量分类 按按光光纤纤中中传传

22、输输的的模模式式数数量量，可可以以将将光光纤纤分分为为多多模模光光纤纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和和单单模模光纤光纤(Single Mode Fiber，SMF)。在在一一定定的的工工作作波波上上，当当有有多多个个模模式式在在光光纤纤中中传传输时，则这种光纤称为输时，则这种光纤称为多模光纤多模光纤。单单模模光光纤纤是是只只能能传传输输一一种种模模式式的的光光纤纤，单单模模光光纤纤只只能能传传输输基基模模(最最低低阶阶模模)，不不存存在在模模间间时时延延差差，具具有有比比多多模模光光纤纤大大得得多多的的带带宽宽，这这对对于于高高码码速速传传输是非常重要的。输是非常重要的。(3)

23、按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长分类 按光纤的工作波长可以将光纤分为：按光纤的工作波长可以将光纤分为：短短波波长长光光纤纤、长长波波长长光光纤纤和和超超长长波波长长光光纤。纤。(4)按按ITU-T建议分类建议分类n按按照照ITU-T关关于于光光纤纤类类型型的的建建议议，可可以以将将光光纤纤分分为为G.651光光纤纤(渐渐变变型型多多模模光光纤纤)、G.652光光纤纤(常常规规单单模模光光纤纤)、G.653光光纤纤(色色散散位位移移光光纤纤)、G.654光光纤纤(截截止止波波长长光光纤纤)和和G.655(非非零零色色散位移光纤散位移光纤)光纤。光纤。n按按套套塑塑(二二次次涂涂覆覆层层)可可

24、以以将将光光纤纤分分为为松松套套光纤和紧套光纤。光纤和紧套光纤。n现现在在实实用用的的石石英英光光纤纤通通常常有有以以下下三三种种：阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤、渐渐变变型型多多模模光光纤纤和和阶阶跃跃型型单单模模光纤。光纤。单模光纤的种类单模光纤的种类标准单模光纤（标准单模光纤（G.652光纤）光纤）色散位移单模光纤（色散位移单模光纤（G.653光纤）光纤）1550nm波长最低衰减光纤（波长最低衰减光纤（G.654光纤）光纤）非零色散位移光纤（非零色散位移光纤（G.655光纤）光纤）色散补偿光纤（色散补偿光纤（G.65X光纤）光纤）色散平坦光纤色散平坦光纤在在1310nm波长工作时，理论色散

25、值为零，衰耗大；波长工作时，理论色散值为零，衰耗大；在在1550nm波长工作时，传输损耗最低，色散系数较大。波长工作时，传输损耗最低，色散系数较大。单通路速率达到单通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。时，需要采取色散调节手段。G.652光纤光纤标准单模光纤标准单模光纤在在我我国国占占99%以以上上。虽虽称称1310nm性性能能最最佳佳光光纤纤，但但绝绝大大部部分分却用于却用于1550 nm，其原因是在，其原因是在1310nm无实用化光放大器。无实用化光放大器。它可传输它可传输2.5G或以或以2.5G 为基群的为基群的WDM系统；但传输系统；但传输TDM的的10G，面临色散受限的难

26、题（色度色散与，面临色散受限的难题（色度色散与PMD）。）。G.653光纤光纤色散位移单模光纤色散位移单模光纤n 实现了在实现了在1550nm波长低衰减和零色散。波长低衰减和零色散。n 可以可以20Gbit/s系统，不需任何色散补偿。系统，不需任何色散补偿。n日本全国铺设。日本全国铺设。n在在1550nm波波长长，衰衰耗耗和和色色散散皆皆为为最最小小值值，可可实实现现大大容容量量长长距距离离传传输输。因因出出现现四四波波混混频频效效应应(FWM),限限制制了了它它在在WDM（波波分分复复用用）方面的应用。方面的应用。G.654光纤光纤-1550nm波长最低衰减光纤波长最低衰减光纤选用纯选用纯S

27、iO2芯来降低光纤的衰减芯来降低光纤的衰减最大优点：在最大优点：在1550nm波长的最低衰减为波长的最低衰减为0.18dB/km制造困难，价格昂贵，不实用。制造困难，价格昂贵，不实用。截止波长移位的单模光纤，它的设计重截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低点是降低1550nm波长处的衰减。波长处的衰减。1550nm损损耗耗最最小小光光纤纤，主主要要用用于于长长再再生中继距离的海底光缆。生中继距离的海底光缆。因因既既可可传传输输TDM（时时分分复复用用模模式式）的的10G，又又可可传传以以2.5G或或10G为为基基群群的的WDM系系统统，所所以以近近年年倍倍受受青青睐睐。但但理理想想的的G.

28、655光光纤纤无无法法实实现现，因因为为在在光光纤纤的的有有效横截面积与色散斜率二方面难以均衡。效横截面积与色散斜率二方面难以均衡。目前，目前，G.655光纤尚光纤尚无国际统一规范。无国际统一规范。大的有效面积，会有效地避免非线性效应，但大的有效面积，会有效地避免非线性效应，但 将导致色散斜率的增加。将导致色散斜率的增加。小的色散斜率将会便于色散的补偿；但其有效小的色散斜率将会便于色散的补偿；但其有效 面积却减小。面积却减小。G.655光纤光纤非零色散位移光纤非零色散位移光纤单模光纤主要技术规范单模光纤主要技术规范光纤 G.652 G.653 G.654 G.655 截止波长nm 1270 1

29、270 1530 1470 零色散波长nm 1300-1324 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 光纤光纤范崇澄 FS-89第二节第二节 无源光器件无源光器件主要功能：主要功能：对对信信号号(或或能能量量)的的传传输输路路径径进进行行连连接接、合合成成、分支；分支；对对信信号号的的形形态态进

30、进行行变变换换以以及及有有目目的的衰衰减减其其能能量等量等光光无无源源器器件件在在光光纤纤通通信信系系统统、光光纤纤局局域域网网(包包括括计计算算机机光光纤纤网网、微微波波光光纤纤网网、光光纤纤传传感感网网等等)以以及及各各类类光光纤纤传传感感系系统统中中是是必必不不可可少少的的重重要要器件，有着广泛的应用。器件，有着广泛的应用。第二节第二节 无源光器件无源光器件 3.2.1 光纤连接器光纤连接器 3.2.2 光纤耦合器光纤耦合器 3.2.3 波长相关器件波长相关器件 滤波器滤波器 光纤光栅光纤光栅 WDM 3.2.4 偏光器件偏光器件 PC3.2.5 功率相关器件功率相关器件光衰耗器，光隔离

31、器，光环形器光衰耗器，光隔离器，光环形器 3.2.6 自聚焦透镜与光纤准直器自聚焦透镜与光纤准直器3.2.7 光开关光开关 重点重点电电/光光光光/电电前端前端前端前端网卡网卡电信号输入电信号输入网卡网卡电信号输出电信号输出传输光路传输光路光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成第三章第三章光发射机光发射机电信号转化为光信号的这部分电路被电信号转化为光信号的这部分电路被称为称为光发射机光发射机。第一节第一节光发射机使用的光源光发射机使用的光源第二节第二节光的调制光的调制重点重点“IM-DD”“IM-DD”（强度调制（强度调制-直接检测）直接检测）是这样一种电路，其功能是是这样一种电路，其功

32、能是将输入的数字电信号转化将输入的数字电信号转化为用光的强度表征信息的数字光信号为用光的强度表征信息的数字光信号第一节第一节光发射机使用的光源光发射机使用的光源半导体激光器（半导体激光器（LD）发光二极管发光二极管(LED)半导体激光器半导体激光器LD（laserdiode）n1.法布里法布里-珀罗谐振腔：晶体的珀罗谐振腔：晶体的天然解理面天然解理面n2.分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB):光栅结构光栅结构n3.Bragg反射激光器反射激光器(DBR):光栅结光栅结构构常用的激光器常用的激光器同轴型同轴型FP激光器激光器n法布里-珀罗谐振腔：晶体的天然解理面解理面解理面NP耗尽层耗尽层金属

33、电极金属电极金属电极金属电极常用的激光器常用的激光器 DFB激光器激光器n双列直插n蝶形封装F-P光谱特性多谱线，模式多，选频特性不好多谱线，模式多，选频特性不好DFB光谱特性3.1.2.发光二极管发光二极管LED(light emitting diode)LED是一种将电能转化为可见光的半导体。是一种将电能转化为可见光的半导体。半导体激光器和发光二极管比较光 谱特性出光功率温度特性响应速度相干性 可靠性 价格适用场合LD窄，色 散影 响小mW数量级影响大，动态范围小较快易于高速调制较好较易损坏，寿命较短比较贵长 距 离、大容量系统LED宽，色 散影 响大W和nW量级特性好，动态范围大慢较调制

34、频率不能太高差不易损坏，可靠性高比较便宜近 距 离、中小容量系统重点重点第二节第二节光的调制光的调制可能的承载信息的参量可能的承载信息的参量:光的光的幅度幅度：幅度调制和幅度调制和强度强度调制调制光的频率：光的频率：频率调制频率调制光的相位：光的相位：相位调制相位调制光的偏振：光的偏振：偏振调制偏振调制光的量子态：量子态调制光的量子态：量子态调制现在成熟利用的光的参量是强度现在成熟利用的光的参量是强度调制调制重点重点直接强度调制和外调制的区别直接强度调制和外调制的区别线路编码驱动电路LD或LED控制电路电信号输入光信号直接调制的光发射机线路编码驱动电路LD或LED控制电路电信号输入光信号外调制

35、器件间接调制的光发射机 直接调制直接调制 用用电电信信号号直直接接调调制制半半导导体体激激光光器器或或发发光光二二极极管管的的驱驱动动电电流，使输出光随电信号变化而实现的。流，使输出光随电信号变化而实现的。这这种种方方案案技技术术简简单单，成成本本较较低低，容容易易实实现现。直直接接调调制制时时,会会引引起起激激光光器器的的谱谱线线展展宽宽,导导致致单单模模光光纤纤色色散散增增加加,限限制制通信系统的容量。通信系统的容量。2.5Gb/s（10Gb/s）以下。）以下。外调制外调制 把把激激光光的的产产生生和和调调制制分分开开，用用独独立立的的调调制制器器调调制制激激光光器器的输出光而实现的。的输

36、出光而实现的。外外调调制制的的优优点点是是调调制制速速率率高高，缺缺点点是是技技术术复复杂杂，成成本本较较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。适用高速系统适用高速系统 2.5Gb/s（10Gb/s）以上）以上。第三节第三节直接调制光发射机直接调制光发射机电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机。I调制电流信号输出光功率半导体激光器（LD）PPI发光二极管（LED）I调制电流信号输出光功率半导体激光器（LD）PLD的的特特点点：工工作作电电流流超超过过阈阈值值电电流流时时才才输输出出激激光光，是有是有阈值的阈值的器件。器

37、件。LD驱驱动动电电路路：驱驱动动LD光光源源器器件件发发光光必必须须是是直直流流偏偏置置电电流流Ib和和信信号号电电流流Im共共同作用的结果。同作用的结果。激光器的驱动电路激光器的驱动电路偏置部分调制部分 IbsIb0有用信号恒流源I0Is偏置电路是一个偏置电路是一个有用有用信号电流信号电流（调制部分）（调制部分）与与直流电流直流电流的相加电的相加电路。路。偏置电路偏置电路要求：要求：1.直流偏置电流接近激直流偏置电流接近激光器的阈值；光器的阈值；2.偏置电流不能过大。偏置电流不能过大。重点重点直流偏置直流偏置脉冲信号脉冲信号-VccI0IsItotel驱动电路原理驱动电路原理如果有两个电流

38、源如果有两个电流源并联并联工作，那么总工作，那么总电流就等于这两个电流就等于这两个电流源电流电流源电流之和之和电流源，内阻非常大的电源。电流源，内阻非常大的电源。晶体管晶体管偏置电路偏置电路差动放大电路差动放大电路恒流源恒流源调制电路调制电路要求：要求：快的快的开关速度开关速度和保持良和保持良好的电流好的电流脉冲波形脉冲波形可可以以看看做做一一个个双双掷掷开开关关，通通过过控控制制2个个开开关关的的开开合合，达达到到调调制制的目的。的目的。K1K2差动放大电路T1T2驱动芯片36693.3.2 激光器的控制电路 温度控制温度控制激光器的阈值、发光功率、甚至于波长均与温度有关激光器的阈值、发光功

39、率、甚至于波长均与温度有关稳定激光稳定激光器的各项指标器的各项指标激光器是高发热器件，过高的结温将导致激光器损坏激光器是高发热器件，过高的结温将导致激光器损坏保护激光保护激光器不损坏器不损坏光功率控制光功率控制重点重点温度控制温控原理激光器制冷器探测器QT图 温度闭环控制电路放大温度控制热敏电阻 温度检测电桥+3VT+5V温度的变化温度的变化热敏电阻阻值变化热敏电阻阻值变化电压的变化电压的变化平衡电桥平衡电桥放大放大控制制冷器的控制制冷器的制冷电流制冷电流控制温度控制温度温度控制半导体制冷器（帕尔帖元件）逆热电效应：电流产生两面的温度差+-冷面热面图 帕尔帖元件DRV591-FEATURESn

40、 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外部连接关系光功率控制为什么要光功率控制 温度变化使光功率不稳定平均光功率不稳定带来的问题 造成判决时脉冲的前后沿抖动 光功率控制光功率控制光功率控制原理激

41、光器偏置电路光探测器IP去偏置电路比较电压设定第四节第四节外调制外调制-直接强度调制和外调制的区别线路编码驱动电路LD或LED控制电路电信号输入光信号直接调制的光发射机线路编码驱动电路LD或LED控制电路电信号输入光信号外调制器件间接调制的光发射机外调制的方法外调制的方法n1 电光效应n2 声光效应n3 磁光效应n4 EAM（电吸收调制）折射率随所施加的电压改变而改变的现象折射率随所施加的电压改变而改变的现象 电电/光光光光/电电前端前端前端前端网卡网卡电信号输入电信号输入网卡网卡电信号输出电信号输出传输光路传输光路光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成第四章第四章光接收机光接收机第一节

42、第一节光探测器光探测器第二节第二节光接收机的性能要求光接收机的性能要求光接收机的作用是将传输光路中的光信号转换为电信号。光接收机的作用是将传输光路中的光信号转换为电信号。概述光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成光发送机光接收机光接收机电端机电端机电信号输入电信号输出传输光路光纤通信系统光接收机光接收机重点重点光接收机光纤光前置放大部分光前置放大部分光前端接口光检测器前置放大器主放大主放大器均衡滤波AGC电路数字信号恢复判决电路再生放大时钟提取译码部分译码器帧同步并行输出光检测器重点重点前置放大电路半导体光电二极管的等效电路半导体光电二极管的等效电路n三种放大电路(1)高阻抗放大高阻抗放

43、大:灵敏度高,带宽迅低,动态范围降低。用于低速系统。(2)低阻抗放大低阻抗放大:带宽提高，动态范围有所改善，接收灵敏度低。信噪比低。(3)跨阻抗放大跨阻抗放大：输入电阻比较小，动态范围比较大。反输入电阻比较小，动态范围比较大。反馈电阻比较大，所以电阻上的热噪声比较小。馈电阻比较大，所以电阻上的热噪声比较小。任任务务：将将半半导导体体光光电电二二极极管管产产生生的的微微弱弱的的光光电电流流，无无失失真真的的转化为较大的电信号，然后进入主放大器作进一步的放大。转化为较大的电信号，然后进入主放大器作进一步的放大。第一节光检测器 光检测的物理基础光检测的物理基础:光电效应光电效应PIN半导体光电二极管

44、半导体光电二极管APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管4.1.1 PIN半导体光电二极管n本征材料I（intrinsic）-不掺杂P区N区耗尽区I区步骤：步骤：1.在半导体表面被反射，损失一部分光能；在半导体表面被反射，损失一部分光能；2.透透过过不不能能产产生生电电子子空空穴穴对对的的表表面面，进进一一步步消消耗耗一一部部分分光光能；能；3.剩剩余余的的光光能能到到达达能能够够产产生生电电子子空空穴穴对对的的耗耗尽尽区区，产产生生电电子空穴对；子空穴对；4.最后剩余的一部分光能，透过耗尽区而消耗掉。最后剩余的一部分光能，透过耗尽区而消耗掉。雪雪崩崩光光电电二二极极管管（APD）可可以以对对尚尚未

45、未进进入入后后面面放放大大器器的的输输入入电电路路的的初初级级光光电电流流进进行行内内部部放放大大。这这样样可可以以显显著著地地增增加加接接收收机机的的灵灵敏敏度度，因因为为在在还还没没有有遇遇到到接接收收机机电电路路的的热热噪噪声声之之前前就就已已放放大大了了光光电电流流。为为了了达达到到载载流流子子的的倍倍增增，光光生生载载流流子子必必须须穿穿过过一一个个具有非常高的电场的高场区。具有非常高的电场的高场区。4.1.2 APD雪崩光电二极管在在这这个个高高场场区区，光光生生电电子子或或空空穴穴可可以以获获得得很很高高的的能能量量，因因此此它它们们高高速速碰碰撞撞在在价价带带上上的的电电子子使

46、使之之产产生生电电离离，从从而而激激发发出出新新的的电电子子空空穴穴对对，这这种种载载流流子子倍倍增增的的机机理理称称为为碰碰撞撞电电离离。新新产产生生的的载载流流子子同同样样由由电电场场加加速速，并并获获得得足足够够的的能能量量从从而而导导致致更更多多的的碰碰撞撞电电离离产产生生，这这种种现现象象就就是是所所谓谓的的雪雪崩崩效效应应。当当偏偏置置电电压压低低于于二二极极管管的的击击穿穿电电压压时时，产产生生的的载载流流子子总总数数是是有有限限的的。偏偏置置电电压压高高于于击击穿穿电电压压时时，产产生生的的载载流流子子就就可可以以无无限限多了。多了。APD雪崩光电二极管雪崩光电二极管获得雪崩增

47、益的条件：获得雪崩增益的条件：1）有足够高的电压作用，所以雪崩二极管都是工作）有足够高的电压作用，所以雪崩二极管都是工作在高压下；在高压下；2）需要一个产生雪崩效应的工作区。）需要一个产生雪崩效应的工作区。APD雪崩光电二极管结构P+IPN+吸收增益电场距离参数单位硅检测器锗检测器铟镓砷检测器PIN APDPINAPDPINAPD波长范围nm400110080018009001700峰值波长nm900830155013001300(1550)1300(1550)响应度,芯片耦合后A/W0.60.30.5577130501200.650.7,0.50.653282.5250.630.8(0.75

48、0.97)0.50.7(.60.8)量子效率%6590775055557560706070增益G倍数1150250154011030过剩噪声指数x-0.30.5-0.951-0.7偏压-V451002206102035530暗电流nA1-100.11505001050012015结电容PF1.231.3225250.520.5上升时间ns0.510.120.10.50.50.80.060.5 0.10.5第二节第二节光接收机的要求光接收机的要求（1)1)极低的误码率极低的误码率（2）较高的接收灵敏度（较低的接收光平）；）较高的接收灵敏度（较低的接收光平）；（3）较宽的带宽，即能够接收较高速率的

49、光信号码流；）较宽的带宽，即能够接收较高速率的光信号码流；（4）较大的动态范围，即可以接收的最大的光信号和最小）较大的动态范围，即可以接收的最大的光信号和最小的光信号的范围比较大；的光信号的范围比较大；（5）较低的输出噪声。）较低的输出噪声。第五章第五章光放大光放大第一节第一节概述概述第二节第二节半导体光放大器半导体光放大器第三节第三节掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器5-1 概述光放大器光放大器的出现是继的出现是继光纤光纤、激光器激光器之后在光信息领域之后在光信息领域的新突破。在光纤通信中享有重要的地位。的新突破。在光纤通信中享有重要的地位。光放大器首先解决的是光放大器首先解决的是光路损耗的功率补

50、偿问题光路损耗的功率补偿问题。光光放大器能对光信号直接放大，省去光电转换的麻烦放大器能对光信号直接放大，省去光电转换的麻烦，得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。光放大器的出现，预示着光信息领域将有新的突破。光放大器的出现，预示着光信息领域将有新的突破。它将成为光信号处理、光逻辑门、各种光功能器件的它将成为光信号处理、光逻辑门、各种光功能器件的基础元件。基础元件。光放大器的类型一般，光放大器都由一般，光放大器都由增益介质增益介质、泵浦源泵浦源、输入输出耦输入输出耦合结构合结构组成。组成。根据增益介质不同分类根据增益介质不同分类根据泵浦源不同分类根据泵浦源不同分类根据输入输出耦合结构不同分类根据输