光纤通信讲义（附件）

HENU 光纤通信讲义 通信工程系 巷无居人 2011-12-19 光纤通信讲义 II 目录 第一章 绪论 ...............................................................................................................................................1 第二章 光纤通信的基本理论 .......................................................................................................................4 第三章 光纤线路技术及器件 ..................................................................................................................... 13 第四章 光源及光发射机 ............................................................................................................................ 14 第五章 光检测器及光接收机 ..................................................................................................................... 19 第六章 光纤通信系统 ............................................................................................................................... 26 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1、石英光纤真实图（左） 2、光纤通信发明家高锟(左) 1998 年在英国接受 IEE 授予的奖章（右） 3、光纤通信技术的发展大体上可分为： 工作波长 光纤 激光器 比特率 B 中继距离 L 第一代 70 年代 850nm 多模 多模 10～100Mb/s 10Km 第二代 80 年代初 1300nm 多模 单模 多模 100Mb/s 1.7Gb/s 20Km 50Km 第三代 80 年代 中～90 年代初 1550nm 单模 单模 2.5Gb/s～10Gb/s 100Km 工作波长 光纤 激光器 比特率 B 中继距离 L 第 四 代 90 年代 1550nm 单模 单模 2.5Gb/s 10Gb/s 21000Km（环路） 1500Km 光放大系统 第五代 1550nm 单模 单模 波 分 复 用 WDM 单路速率:40,160,640Gb/s 信道数:8,16,64,128,1022 超长传输距离:27000Km(Loop) 6380(Line) 目 前 研 究内容 WDM 光网络；全光分组交换；光时分复用；光孤子通信；新型的光器件 光纤通信讲义 2 4、光纤通信系统的新波段 波段 波长范围(nm) 带宽(THz) 光放大器 应用 C 1530-1570 5.0 有 长途干线 C+L 1530-1610 9.7 有 长途干线 S+C+L 1490-1610 15.0 无 城/局域网 S + +S+C+L+L + 1450-1650 25.1 无 城/局域网 全波 1300-1650 48.9 无 城/局域网 5、网络容量演进战略 6、全球光纤通信主要供应商 7、部分电磁波频谱 2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s 20Gb/s 80Gb/s 320Gb/s 32 16 8 4 1 每波长比特率(TDM) 40Gb/s 80Gb/s 10Gb/s 40Gb/s WDM 波长 数 产品领域 领导厂商 光纤 Corning,Lucent,Alcatel,Sumitomo,Fujikura,Furukara 光缆 Siemens,Lucent,Pirelli,Alcatel,Sumitomo,Corning 光纤放大器 Lucent,Pirelli,Ciena,Corning,Nortel,Alcatel,Fujitsu 光发/光收 Lucent,Nortel,Alcatel,Fujitsu,AMP,Agilent,Hitachi,NEC,Siemens 光纤连接器 Lucent,AMP,3M,Siecor,Molex,Seiko,Alcoa Fujikura,Diamond DWDM器件 Corning,JDSU,DiCon,Lucent,Hitachi,Pirelli,3M 光无源器件 DiCon,Corning,Lucent,JDSU,ADC,Gould 光通信设备 Nortel,Lucent,Alcatel,NEC,CIENA,Fujitsu,CISCO 100 THz 10 THz 1 THz 100 GHz 10 GHz 1 GHz 100 MHz 10 MHz 1 MHz 1 m 可见光线 10 m 100 m 1 mm 10 mm 100 mm 1 m 10 m 100 m 中波(MF) 短波(HF) 米波(VHF) 分米波(UHF) 厘米波(SHF) 毫米波(EHF) 亚毫米波 远红外线 近红外线 (光纤通信用） 频率 波长 名称 紫外线 第一章 绪论 3 8、分贝与分贝毫瓦 功率比的分贝表示例子：dB = 10 log10 ( Pin / Pout) 功率比 10N 10 2 1 0.5 0.1 10-N dB +10N +10 +3 0 -3 -10 -10N dBm 单位的例子：dBm = 10 log10 ( P / 1mW) 功率 (mW) 100 10 2 1 0.5 0.1 0.01 0.001 功率 (dBm) +20 +10 +3 0 -3 -10 -20 -30 9、调制格式（光发射机） （1）归零码 RZ：代表比特 1 的光脉冲宽度比比特间隔窄，其振幅在比特周期结束前归零。 （2）非归零码 NRZ：光脉冲在整个时隙内保持不变，其振幅在两个连续的比特 1 之间不会降到零。 当前，数字光纤通信以采用 NRZ 码为主。有关各种调制码型的研究很多。 t t 0 0 0 1 1 1 RZ NRZ 光纤通信讲义 4 第二章 光纤通信的基本理论 一、三种基本类型光纤的折射率分布 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 二、ITU-T 建议规范的单模光纤（主要为前四种：G.652、G.653、G.654 和 G.655） 三、光纤的导光原理 1．折射和折射率 横截面 2a 2b r n 折射率分布 纤芯 包层Ai t Ao t (a) 输入脉冲 光线传播路径 输出脉冲 50 m 125 m r n Ai t Ao t (b) ¡«10 m 125 m r n Ai t Ao t (c) 第二章 光纤通信的基本理论 5 光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折 射指数。折射率可由下式确定： n = c/v 其中ν是光在某种介质中的速度，с是光在真空中的速度。 在折射率为 n 的介质中，光传播速度变为 c/n，光波长变为 0/n（ 0 表示光在真空中的波 长）。下表中给出了一些介质的折射率。 材料 空气 水 玻璃 石英 钻石 折射率 1.003 1.33 1.52～1.89 1.43 2.42 当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线 光的折射 光的反射 斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：1 = 3 n1sin 1 = n2sin 2 全反射是光信号在光纤中传播的必要条件 。 2．光的偏振 光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果光波的振动方向始终不变， 只是光波的振幅随相位改变，这样的光称为线偏振光，如下图（c）和（d）所示。 从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如下图（a）所示。 自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向的光强不相同，某一个振动方向 的光强比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光，如下图（b）所示。 光的偏振 3．光的色散 如下图所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这 是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率 n 不同，从 而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。 光纤通信讲义 6 自然光的色散 四、光纤的几何特性 光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、不圆度等。 1．芯直径 芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T 规定，多模光纤的芯直径为 50±3μm。 2．包层直径 包层直径指光纤的外径，ITU-T 规定，多模及单模光纤的包层直径均要求为 125±3μm。 目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从 125.0±3μm提高到 125.0±1μm。 3．纤芯/包层同心度和不圆度 纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中心程度。 目前光纤制造商已将纤芯/包层同心度从≤0.8μm的规格提高到≤0.5μm的规格。 不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度。 ITU-T 规定，芯径不圆度≤6%，包层不圆度（包括单模）＜2%。 4. 模场直径和有效面积 模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。 有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面 积。 模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引 起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。 因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。 下图为模场直径示意图。 模场直径 五、光纤传输特性的几个图形展示 1、色散引起的脉冲展宽示意图 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有 先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散，如上图所示。色散一般用时延差来表示， 第二章 光纤通信的基本理论 7 所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。 2、偏振模色散（PMD） 由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。 3、码间干扰（ISI） 色散将导致码间干扰。由于各波长成分到达的时间先后不一致，因而使得光脉冲加长了（T+ ΔT），这叫作脉冲展宽，如下图。脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠，形成码间干扰，码间干 扰将引起误码，因而限制了传输的码速率和传输距离。 4、光纤的机械特性 光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉 强度。 （1）光纤的抗拉强度 光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。 影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤 制造材料和制造工艺。 ① 预制棒的质量。 ② 拉丝炉的加温质量和环境污染。 ③ 涂覆技术对质量的影响。 ④ 机械损伤。 （2）光纤断裂 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 存在气泡、杂物的光纤，会在一定张力下断裂，如下图所示。 光纤断裂和应力关系示意图 （3）光纤的寿命 光纤的寿命，习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用 寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。 （4）光纤的机械可靠性 一般来说，二氧化硅包层光纤的机械可靠性已经得到广泛的认可。为了提高光纤的机械可 光纤通信讲义 8 靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛，从而增加网络的寿命。 5、光纤的温度特性 光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大，如下图所示。 光纤低温特性曲线 六、各种典型结构的光缆 （1）层绞式结构光缆 把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故 又称之为古典光缆。 下图所示是目前在市话中继和长途线路上采用的几种层绞式结构光缆的示意图（截面）。 6 芯紧套层绞式光缆 12 芯松套层绞式直埋光缆 12 芯松套层绞式直埋防蚁光缆 6～48 芯松套层绞式水底光缆 第二章 光纤通信的基本理论 9 12 芯松套+8 芯×2 线对层绞式直埋光缆 （2）骨架式结构光缆 骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而 构成。 骨架结构有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增强基本单元型，图 1（b）为螺旋型结构， 图 2 为基本单元结构。目前，我国采用的骨架式结构光缆，都是采用如图 1 所示的结构。图 3 所示是采用骨架式结构的自承式架空光缆。 图 1 2 芯骨架式光缆 图 2 70 芯骨架式光缆 图 3 骨架式自承式架空光缆 （3）束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。 图 1 所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。 图 2、3 所示是属于分散加强构件配置方式的束管式结构光缆。 图 1 12 芯束管式光缆 图 2 6～48 芯束管式光缆 图 3 LEX 束管式光缆 光纤通信讲义 10 （4）带状结构光缆 把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或 松套管内，形成骨架式或层绞式结构。如下图所示。 中心束管式带状光缆 层绞式带状光缆 （5）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆，如下图所示。 这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软 线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。 单芯软光缆 （6）特殊结构光缆 特殊结构的光缆，主要有光/电力组合缆、光/架空地线组合缆和海底光缆和无金属光缆。这里只 介绍后两种。 ①海底光缆 有浅海光缆和深海光缆两种，图 1 所示为典型的浅海光缆，图 2 所示 是较为典型的深海光缆。 ②无金属光缆 无金属光缆是指光缆除光纤、绝缘介质外（包括增强构件、护层）均是全塑 结构，适用于强电场合，如电站、电气化铁道及强电磁干扰地带。 浅海光缆 深海光缆 七、光缆的种类 1．按传输性能、距离和用途分 可分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆。 2．按光纤的种类分 可分为多模光缆、单模光缆。 3．按光纤套塑方法分 第二章 光纤通信的基本理论 11 可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带状多芯单元光缆。 4．按光纤芯数多少分 可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、六芯光缆、八芯光缆、十二芯光缆和二十四芯光缆 等。 5．按加强件配置方法分 光缆可分为中心加强构件光缆（如层绞式光缆、骨架式光缆等）、分散加强构件光缆（如束 管两侧加强光缆和扁平光缆）、护层加强构件光缆（如束管钢丝铠装光缆）和 PE 外护层加一定 数量的细钢丝的 PE 细钢丝综合外护层光缆。 6．按敷设方式分 光缆可分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆。 7．按护层材料性质分 光缆可分为聚乙烯护层普通光缆、聚氯乙烯护层阻燃光缆和尼龙防蚁防鼠光缆。 8．按传输导体、介质状况分 光缆可分为无金属光缆、普通光缆和综合光缆。 9．按结构方式分 光缆可分为扁平结构光缆、层绞式结构光缆、骨架式结构光缆、铠装结构光缆（包括单、 双层铠装）和高密度用户光缆等。 10．目前通信用光缆可分为 （1）室(野)外光缆——用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。 （2）软光缆——具有优良的曲挠性能的可移动光缆。 （3）室（局）内光缆——适用于室内布放的光缆。 （4）设备内光缆——用于设备内布放的光缆。 （5）海底光缆——用于跨海洋敷设的光缆。 （6）特种光缆——除上述几类之外，作特殊用途的光缆。 八、光缆型号的表示 光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横线分开。 （1） 光缆型式由五个部分组成，如下图所示。 光缆型式的组成部分 图中： Ⅰ：分类代号及其意义为： GY——通信用室（野）外光缆； GR——通信用软光缆； GJ——通信用室（局）内光缆； GS——通信用设备内光缆； GH——通信用海底光缆； GT——通信用特殊光缆。 Ⅱ：加强构件代号及其意义为： 无符号——金属加强构件； F——非金属加强构件； G——金属重型加强构件； H——非金属重型加强构件。 Ⅲ：派生特征代号及其意义为： D——光纤带状结构； G——骨架槽结构； B——扁平式结构； Z——自承式结构。 光纤通信讲义 12 T——填充式结构。 Ⅳ： 护层代号及其意义为； Y——聚乙烯护层； V——聚氯乙烯护层；U——聚氨酯护层； A——铝-聚乙烯粘结护层； L——铝护套；G——钢护套； Q——铅护套； S——钢-铝-聚乙烯综合护套。 Ⅴ：外护层的代号及其意义为： 外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如下表所示。 外护层代号及其意义 代 号 铠装层（方式） 代 号 外护层（材料） 0 无 0 无 1 —— 1 纤维层 2 双钢带 2 聚氯乙烯套 3 细圆钢丝 3 聚乙烯套 4 粗圆钢丝 — — 5 单钢带皱纹纵包 — — （2）光缆规格由五部分七项内容组成，如下图所示。 光缆的规格组成部分 图中： Ⅰ： 光纤数目用 1、2、……，表示光缆内光纤的实际数目。 Ⅱ： 光纤类别的代号及其意义。 J——二氧化硅系多模渐变型光纤； T——二氧化硅系多模突变型光纤； Z——二氧化硅系多模准突变型光纤； D——二氧化硅系单模光纤； X——二氧化硅纤芯塑料包层光纤； S——塑料光纤。 Ⅲ： 光纤主要尺寸参数 用阿拉伯数（含小数点数）及以μm 为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模 场直径及包层直径。 Ⅳ：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由 a、bb 及 cc 三组数字代号构成。 a——表示使用波长的代号，其数字代号规定如下： 1——波长在 0.85μm区域； 2——波长在 1.31μm区域； 3——波长在 1.55μm区域。 注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的 规格代号，并用“/”划开。 bb——表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（dB/km）的个位和 十位数字。 cc——表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHz·km） 第三章 光纤线路技术及器件 13 的千位和百位数字。单模光纤无此项。 Ⅴ：适用温度代号及其意义。 A——适用于−40℃～+40℃ B——适用于−30℃～+50℃ C——适用于−20℃～+60℃ D——适用于−5℃～+60℃ 光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如下图所示。其符合有关电缆MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714104293316_1中导电线芯规格构 成的规定。 光缆中附加金属导线编号示意图 例如，2 个线径为 0.5mm 的铜导线单线可写成 2×1×0.5；；4 个线径为 0.9mm 的铝导线四线组 可写成 4×4×0.9L；4 个内导体直径为 2.6mm，外径为 9.5mm 的同轴对，可写成 4×2.6/9.5。 （3）光缆型号例题 设有金属重型加强构件、自承式、铝护套和聚乙烯护层的通信用室外光缆，包括 12 根芯径 /包层直径为 50/125μm 的二氧化硅系列多模突变型光纤和 5 根用于远供及监测的铜线径为 0.9mm 的四线组，且在 1.31μm 波长上，光纤的损耗常数不大于 1.0dB/km，模式带宽不小于 800MHz·km；光缆的适用温度范围为−20℃～+60℃。 该光缆的型号应表示为： GYGZL03-12T50/125（21008）C+5×4×0.9。 第三章 光纤线路技术及器件 1、光纤连接损耗的来源： 光纤通信讲义 14 2、不同连接器的图片 注：最后一个图为 D4 光纤跳线，其特点如下： 特点 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 ： D4连接器是旧款的连接器的一种，带有定位环和压力控制弹 簧。插针直径为 2.0mm。D4压接型连接器的主体为黄铜镀镍 材料，并可选择多种颜色的尾套。D4适配器也有提供 使用范围: 光纤通信网络 光纤宽带接入网 光纤 CATV 光纤仪器仪表 光纤局域网 原材料组成: 插芯: 高质量高强度日本精工二氧化锆陶瓷插芯 外部件:多种型号可供选择 日本精工.美国安普.美国 MOLEX.国产 光缆:美国康宁 多种尺寸可选(Φ0.9mm.Φ2.0mm ,Φ 3.0mm) 3、固定连接器 第四章 光源及光发射机 一、光与物质的三大相互作用图解 第四章 光源及光发射机 15 二、PN 结的能带和电子分布 a. P - N 结内载流子运动 b. 零偏压时 P - N 结的能带倾斜图； c. 正向偏压下 P - N 结能带图 三、LED 与 LD 的工作原理 1、发光二极管（LED）的工作原理：PN 结外加一个足够大的正向偏压（即 P 接 正、N 接负），P 区内的空穴大量注入 N 区，N 区的电子大量注入 P 区，这样在 P 区与 N 区靠近界面的地方通过扩散作用就产生了复合发光，释放出光能，实现发 光。这种发光是一种自发辐射，所以发出的是荧光。由于这种发光是正向偏置把 电子注入到结区的，又称为电致发光。这就是发光二极管的工作原理。 2、半导体激光器（LD）的工作原理：当 PN 结外加一个足够大的正向偏压时，在 PN 结区，导带主要由电子占据，价带主要由 空穴占据，即实现了粒子数反转分布的区域，称为有源区，这个有源区可以实现光的放大作用。由自发辐射产生的光子，在有 源区由于受激辐射将不断得到放大。同时，如果利用半导体材料晶体的天然解理面构造光学谐振腔，那么，在有源区的放大补 偿了各种损耗后，就会有稳定的激光输出。这就是半导体激光器的基本原理。 四、光源的驱动电路（数字信号调制电路） 1、LED 驱动电路：最常用的是差分电流开关电路 图 1 示出由三极管组成的共发射极驱动电路，这种简单的驱动电路主要用于以发光二极管 LED 作为光源的光发射机。数字信号 Uin 从三极管 V 的基极输入，通过集电极的电流驱动 LED。 数字信号“0”码和“1”码对应于 V 的截止和饱和状态，电流的大小根据对输出光信号幅度的 光纤通信讲义 16 要求确定。 这种驱动电路适用于 10 Mb/s 以下的低速率系统，更高速率系统应采用差分电流开关电路。 2、LD 驱动电路：常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用 图 2 是常用的射极耦合驱动电路，适合于激光器系统使用。电流源为由 V1 和 V2 组成的差分开 关电路，它提供了恒定的偏置电流。在 V2 基极上施加直流参考电压 UB， V2 集电极的电压取 决于 LD 的正向电压，数字电信号 Uin 从 V1 基极输入。 当信号为“0”码时，V1 基极电位比 UB 高而抢先导通，V2 截止， LD 不发光；反之，当信号为“１”码时，V1 基极电位比 UB 低， V2 抢先导通，驱动 LD 发光。 V1 和 V2 处于轮流截止和非饱和导通状态，有利于提高调制速率。当三极管截止频率 fr≥ 4.5 GHz时，这种电路的调制速率可达 300 Mb/s。 射极耦合电路为恒流源，电流噪声小，这种电路的缺点是动态范围小，功耗较大。 由于温度变化和工作时间加长，LD 的输出光功率会发生变化。为保证输出光功率的稳定， 必须改进电路设计。 图 3 是利用反馈电流使输出光功率稳定的 LD 驱动电路，其主体和图 2 相同，只是由 V3 支 路为 LD 提供的偏置电流 Ib 受到激光器背向输出光平均功率和输入数字信号均值的控制。 把 PD 检测器的输出监测电压 UPD、信号参考电压和直流参考电压 UR 施加到运算放大器 A1 的反相输入端，经放大后，控制 V3 基极电压和偏置电流 Ib。 一个更加完善的自动功率控制(APC)电路如图 4 所示。从 LD 背向输出的光功率，经 PD 检 测器检测、运算放大器 A1 放大后送到比较器 A3 的反相输入端。 同时，输入信号参考电压和直流参考电压经 A2 比较放大后，送到 A3 的同相输入端。A3 和 V3 组成直流恒流源调节 LD 的偏流，使输出光功率稳定。 图 3 反馈稳定LD驱动电路 V2V1 电流源Io Uin £«U V3 £ £ « A1 C Ib Rf 信号参考 UR 输出监测 PD 检测器LD UB1 UA1 Uin 第四章 光源及光发射机 17 五、自动温度控制电路 温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成， 图 5 示出温度控制装置的方框图。 激光器激光器 导热导热 制冷器制冷器 热敏电阻热敏电阻 温度控制电路温度控制电路 PDPD 自动功率控制（自动功率控制（APCAPC））电路电路 偏置电流偏置电流 DFBDFB--LDLD组件组件 激光器激光器 导热导热 制冷器制冷器 热敏电阻热敏电阻 温度控制电路温度控制电路 PDPD 自动功率控制（自动功率控制（APCAPC））电路电路 偏置电流偏置电流 DFBDFB--LDLD组件组件 图 5 APC 和 ATC 结构图 致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把 它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。 目前，微致冷大多采用半导体致冷器，它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的电偶来实 现致冷的 用若干对电偶串联或并联组成的温差电功能器件，温度控制范围可达 30~40 ℃。 为提高致冷效率和温度控制精度，把致冷器和热敏电阻封装在激光器管壳内，温度控制精 度可达±0.5 ℃。 从而使激光器输出平均功率和发射波长保持恒定，避免调制失真。 图 6 ATC 电路原理 图 4 APC电路原理 V2V1 信号参考 Uin £ £ « A1 £ £ « A2 £ £ « A3 PD 直流参考 £U£U V3 Ib LD £ £ « A R4 TEC t RT LD PIN 2 4 6 8 1 3 5 7 £«U R1 R2 R3 BA £«U V 光纤通信讲义 18 ATC 电路主要由 R1、R2、 R3 和热敏电阻 RT 组成“换能”电桥，通过电桥把温度的变化转 换为电量的变化。运算放大器 A 的差动输入端跨接在电桥的对端，用以改变三极管 V 的基极电 流。 在设定温度(例如 20 ℃)时，调节 R3 使电桥平衡，A、B 两点没有电位差，传输到运算放大器 A 的信号为零，流过致冷器 TEC 的电流也为零。 当环境温度升高时，LD 的管芯和热沉温度也升高，使具有负温度系数的热敏电阻 RT 的阻 值减小，电桥失去平衡。 这时 B 点的电位低于 A 点的电位，运算放大器 A 的输出电压升高，V 的基极电流增大，致 冷器 TEC 的电流也增大致冷端温度降低，热沉和管芯的温度也降低，因而保持温度恒定。 这个控制过程可以表示如下： T(环境) T(LD、热沉) →RT →I(致冷器) →T(LD) ATC 的致冷器和热敏电阻以及 APC 的 PIN-PD 封装在 LD 管壳内构成的组件如图 7 所示 光源组件实例光源组件实例 图 7 光源组件实例 六、数字光发射机框图 图 8 数字光发射机框图 七、拉通型 APD 抗反射膜 光 电极 第五章 光检测器及光接收机 19 第五章 光检测器及光接收机 光接收机：把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复 为原传输的信号。组成：光检测器、低噪声前置放大器、主放大器、均衡器以及滤波器等。 光检测器：将接收到的光信号转换成电信号。 5.1 光探测原理 一、PN 结的光电效应 光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换的。 1.光电效应：在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应。 2.光电检测器核心器件：光电二极管(PD)，是一个工作在反向偏压下的 PN 结二极管。 3.PN 结的光电效应及条件：如图 5.1 所示，当入射光子能量 hf 小于禁带宽度 Eg时，不论入射 光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件 hf ≥Eg （5.1） 即光频 fc＜ 的入射光是不能产生光电效应的，将 fc 转换为波长，则 λc= （5.2） 即只有波长λ＜ λc 的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故λc 为产生光电效应的入 射光的最大波长，又称为截至波长，相应的 fc 称为截至频率。 图 5.1 半导体材料的光电效应 µç¼« µç¼« ¹â ¿¹·´ÉäĤ N £« P P £« (P) E 图9 APD结构图 h E g gE hc 光纤通信讲义 20 二、光探测过程的基本原理 假设入射光子的能量 hf 超过禁带能量 Eg，是有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产 生一个电子空穴对，发生受激吸收。在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电 子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽层，电子向N 区漂移，空穴向 P 区漂移，空穴和从负 电极进入的电子复合，电子则离开 N 区进入正电极。当电路闭合时，在外电路形成光生电流 IP。 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号变成电流信号。光生电流 IP 与产 生的电子空穴对和这些载流子运动的速度有关。也就是说直接与入射光功率 Pin 成正比，即 inP RPI  （5.3） 式中 R 是光电检测器响应度（用 A/W 表示）。由此式可以得到 in P P I R  （5.4） 响应度 R 可以用量子效应表示，其定义是产生的电子数与入射光子数之比，即 R q hf hfP qI in P  / /  （5.5） 式中 q=1.6×10-19库仑，是电子荷，h=6.63×10-34焦耳-秒，是普朗克常数，f是入射光频率。由 此式可以得到响应度 24.1   hf q R （5.6） 式中 fc / 是入射光波长，用微米表示。上式表示光电检测器响应度随波长而增加，这是因 为光子能量 hf减小时可以产生与减少的能量相等的电流。R 和λ的这种线性关系不能一直保持 下去，因为光子能量太小时将不能产生电子。当光子能量变得比禁带能量 Eg小时，无论入射光 多强，光电效应也不会发生，此时量子效率下降到零，也就是说，光电效应必须满足（5.1） 式的光电效应条件。 5.2 半导体光检测器 5.2.1 光检测器 一、概述 1.核心器件： 2. 3.对光检测器的基本要求是： 第五章 光检测器及光接收机 21 （1）在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的 光电流； （2）具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； （3）具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； （4）具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； （5）具有较小的体积、较长的工作寿命等。 二、PN 光电二极管 1、工作原理：入射光从 P 侧进入，在耗尽区光吸收产生的电子－空穴对在内建电场作用下分别 向左右两侧运动，产生光电流。 2、响应时间：由光功率输入转化为光电流输出，有一定时间迟后，其值主要决定于载流子通过 耗尽区的渡越时间，见如下公式及图。 （5.7） 3、PN 光电二极管缺点：由于 PN 结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光 电转换效率低，响应速度慢，见图 5.2 所示。 图 5.2 考虑漂移和扩散运动时 PN 光电二极管对矩形脉冲的响应 带宽受限的主要因素:产生的光电流中存在扩散分量，它与耗尽区外的光吸收有关。载流子作扩 散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的托尾加长，影响光 sr vw 光纤通信讲义 22 电二极管的响应速度。 4、解决方法：减小 P,N 区厚度，增加耗尽区的宽度，使大部分入射光功率在耗尽区吸收，减少 P,N 区吸收的光能—PIN。 5.2.2 PIN 光电二极管 一、PIN 光电二极管的结构及工作原理 1.PIN 光电二极管的产生：为改善器件的特性，在 PN 结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导 体(称为 I)，这种结构便是常用的 PIN 光电二极管。 2.PIN 光电的工作原理和结构： （1）中间的 I 层是 N 型掺杂浓度很低的本征半导体：I 层很厚，吸收系数很小，入射光很容易 进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。 （2）两侧是掺杂浓度很高的 P 型和 N 型半导体，用 P+和N+表示。两侧 P+层和 N+层很薄，吸 收入射光的比例很小，I 层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大 大提高了响应速度。 另外，可通过控制耗尽层的宽度 w，来改变器件的响应速度。 二、PIN 光电二极管的特性： 1.波长响应范围：半导体光电检测器只可对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一 波长范围就是波长响应范围。 材料的选择：（1）材料的带隙决定了截止波长要大于被检测的光波波长（2）材料的吸收系数不 能太大。 2.响应度：描述光检测器能量转换效率的一个参量，定义公式如（5.4）。 3.量子效应：表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射 光子数之比，公式（5.5）。 提高量子效应方法：减小入射表面的反射率，使入射光子尽可能多地进入 PN 结；同时减少在 表面层被吸收的可能性，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区内被充分吸收。 4.响应速度：是光电检测器的另一个重要参数，通常用响应时间（上升时间和下降时间）来表 示。 5.噪声特性：包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。除负载电阻的 热噪声以外，其它都为散弹噪声（由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频 谱的白噪声） 5.1.3 雪崩光电二极管(APD) 一、雪崩光电二极管的工作原理与结构 1.定义：雪崩光电二极管，又称 APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/电转换作用，而 且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。 2.工作原理：APD 的雪崩效应 APD 的雪崩倍增效应，是在二极管的 P-N 结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场 区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了 能量；越过禁带到导带，产生了新的电子—空穴对；新产生的电子—空穴对在强电场中又被加 速，再次碰撞，又激发出新的电子—空穴对……如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管 子内部获得了倍增。 APD 就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。 3.结构：例如拉通（又称通达）型。（ 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 上第 63 页，图 3.26） 二、雪崩光电二极管的特性 与 PIN 相比，雪崩光电二极管的主要特性也包括波长响应范围、量子效应、响应度响应速 度等。除此之外，由于 APD 中雪崩倍增效应的存在，APD 的特性还包括雪崩倍增特性、倍增 第五章 光检测器及光接收机 23 噪声、温度特性等。 1.倍增因子：书上第 63 页，公式（3.25） 2.噪声特性：除了与 PIN 相同的噪声外，还有附加的噪声。 三、 四、 5.2 数字光接收机 5.2.1 光接收机 一、光接收机作用：是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电 信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端 机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。 二、组成：光接收机中的关键器件是半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收 机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。 强度调制—直接检波（IM-DD）的光接收机方框图如下图所示，主要包括光电检测器、前 置放大器、主放大器、均衡器、时钟恢复电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）电路等。 图 5.2 数字光接收机方框图 三、分类： 光纤通信讲义 24 5.2.2 数字光接收机的组成 一、结构： 1. 2. 二、主要组成部分的作用： 1.光电检测器：光电检测器是把光信号变换为电信号的关键器件 2.放大器：光接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。 （1）对前置放大器：要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。 前置放大器的的类型目前有 3 种：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（或跨导前置放大器）。 （2）主放大器：一般是多级放大器，它的功能主要是提供足够高的增益，把来自前置放大器的 输出信号放大到判决电路所需的信号电平。并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信 号在一定范围内变化时，输出电信号应保持恒定输出。 主放大器和 AGC 决定着光接收机的动态范围。 3.均衡器：均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡补偿，减小误码率。 4.再生电路：再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，由判决器和时钟 恢复电路组成。再生电路包括：判决电路和时钟提取电路。 5.自动增益控制（AGC）：AGC 就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加了光接收机 的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。 三、光电集成接收机 1.图 5.2 中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件，很容易用标准的集成电路(IC)技术 将它们集成在同一芯片上。 2.不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC 技术都能够使集成电路的工作带宽超过 2 GHz，甚至达到 10 GHz。 3.为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光接收机，即用“光电集成电路(OEIC) 技术”在同一芯片上集成包括光检测器在内的全部元件。 4.对于工作在 1.3~1.6 μm波长的系统，人们需要基于 InP 的 OEIC 接收机。 5.在 1991 年试验成功的单路 InGaAs OEIC 接收机，其运行速率达 5 Gb/s。 6.InGaAs OEIC 接收机也可以用混合法实现。 四、数字光发送机的主要指标： 1.灵敏度：是指在给定误码率条件下，能够检测到的最小信号光功率，通常用 dBm 表示。它表 示接收机检测微弱信号的能量。 光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的最小平均接 收光功率 Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即 第五章 光检测器及光接收机 25 2.动态范围：指接收机可以正常工作的输入信号的变化范围。 光接收机的动态范围是指在保证系统误码率指标的条件下，接收机的最低输入光功率 （dBm）和最大允许输入光功率（dBm）之差（dB）。 动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强光的能力，数字光接 收机的动态范围一般应大于 15 dB。 由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小要发生变化，为实现宽动态范围，采用 AGC 是十分有必要的。AGC 一般采用直流运算放大器构成的反馈控制电路来实现。 对于 APD 光接收机，AGC 控制光检测器的偏压和放大器的输出； 对于 PIN 光接收机，AGC 只控制放大器的输出。 3.误码率：误码率是码元被错误判决的概率，可以用在一定的时间间隔内，发生差错的码元数 和在这个时间间隔内传输的总码元数之比来表示。 4.信噪比： 5.自动增益控制(AGC)：放大器是一个普通的宽带高增益放大器， 由于前置放大器输出信号幅 度较大，所以主放大器的噪声通常不必考虑。 5.2.3 数字光接收机的噪声 一、数字光接收机的噪声源 1.分类： （1）外部电磁干扰产生：这部分噪声的危害可以通过屏蔽或滤波加以消除； （2）内部产生：这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择 和电路的设计与制造尽可能减小，一般不可能完全消除。 我们要讨论的噪声是指内部产生的随机噪声。 2.光接收机噪声的主要来源是:光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声。 因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级 放大的信号，只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。 3.主要两种噪声： （1）光电检测器的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和 APD 的倍增噪声。 （2）电路噪声主要是前置放大器的噪声。前置放大器的噪声包括电阻热噪声及晶体管组件内部 噪声。 4.各种噪声产生的原因： （1）量子噪声：是指当一个光电检测器受到外界光照，其光子激励而产生的光生载流子是随机 的，从而导致输出电流的随机起伏。这是检测器固有的噪声。 （2）暗电流噪声：暗电流是指无光照射时光电检测器中产生的电流。由于激励出的暗电流是浮 动的，就产生了噪声，称为暗电流噪声。 （3）雪崩管倍增噪声：由于雪崩光电二极管的雪崩倍增作用是随机的，这种随机性，必然要引 起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声。 （4）光接收机的电路噪声：主要指前置放大器噪声，其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪 声。 二、数字光接收机的噪声特性的分析方法 噪声是一种随机过程，应采取随机过程的分析方法。用概率密度和概率分布函数来表示随 机过程的统计特性。 )dBm( mW1 lg10 minR P P  )dB(lg10 10 lg10 10 lg10 min max 3 min