光通信技術(shù)高新講座

光通信技術(shù)高新講座第一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日信息技術(shù)

IT：InformationTechnology包括四個(gè)部分：信息獲取，信息傳輸，信息處理和信息應(yīng)用。信息技術(shù)革命主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：微電子技術(shù)數(shù)字技術(shù)光通信技術(shù)第二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第一章引言第二章傳輸光路第三章光發(fā)射機(jī)第四章光接收機(jī)第五章光放大第三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第一章引言光纖通信發(fā)展的歷史、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用第四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光纖通信的概念光通信的概念

光通信是利用光波來(lái)傳送信息的。通信技術(shù)電通信光通信根據(jù)使用的電磁波頻率范圍分類：有線通信無(wú)線通信光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的光信息傳輸技術(shù)。LASER通信是通過(guò)某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。第五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光纖通信優(yōu)點(diǎn)GOOD損耗低，0.2dB/km傳輸容量大，400nm，50THz重量輕，體積小，27g/kmfiber資源豐富，石英抗電磁干擾，不易串音，抗雷擊，通信質(zhì)量高防爆性能好寬帶寬，大容量，能量集中，器件尺寸小，功耗低。。。。。。第六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日1.探索時(shí)期的光通信

?在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。由于沒(méi)有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。?1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器，給光通信帶來(lái)了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。?1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。?原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語(yǔ)傳送信息。

第七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日2現(xiàn)代光纖通信

指明通過(guò)“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。第九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光纖發(fā)明人高錕CharlesK.Kao論文：《光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》1966（Dielectric-FiberSufaceWaveguideforOpticalFrequency)提出：制造石英光纖可實(shí)現(xiàn)光纖通信指出三點(diǎn)：光纖的容量很大高純石英光纖的損失可低達(dá)20dB/km

單模光纖的原理構(gòu)造高錕——光纖之父第十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光纖通信發(fā)明家高錕(左)

1998年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)碌谑豁?yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者英國(guó)華裔科學(xué)家高錕，美國(guó)科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯。

瑞典皇家科學(xué)院說(shuō)，高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，他將獲得今年物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共500萬(wàn)瑞典克朗（約合70萬(wàn)美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享今年物理學(xué)獎(jiǎng)另一半獎(jiǎng)金。第十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日1970年，光纖研制取得了重大突破

?1970年，美國(guó)康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開(kāi)發(fā)推向一個(gè)新階段。

?1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。

?1973年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974年降低到1.1dB/km。

?1976年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長(zhǎng)1.2μm)。

?在以后的10年中，波長(zhǎng)為1.55μm的光纖損耗：

1979年是0.20dB/km，1984年是0.157dB/km，1986年是0.154dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。第十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日1970年康寧研制出低損失光纖Corning的3位科學(xué)家Dr.DonalKeck,Dr.BobMaurer,Dr.PeterSchultz于1970年研制出低損失光纖.

光纖長(zhǎng)度(米)29, 28.1損失(dB/km)17,18.2

芯直徑(微米) 3.7(單模)(Dr.Keck的實(shí)驗(yàn)室記錄)第十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日Corning展覽館第十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日

1970年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展

?1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

?1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。

?1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。

?1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。

?1979年美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。

由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑第十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日

實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

?1976年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

?1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。

?1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。

?1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。

?

隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。

?第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開(kāi)，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。第十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：

?第一階段(1966~1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)時(shí)期。?第二階段(1976~1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。

?第三階段(1986~)，這是以超大容量、超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開(kāi)展新技術(shù)研究的時(shí)期。第十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日

3.光纖通信的應(yīng)用光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速，是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：①通信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)（CATV）的干線和分配網(wǎng)數(shù)字機(jī)頂盒(STB-SetTopBox)，寬帶雙向的多媒體通信網(wǎng)。④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)第十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備衛(wèi)星通信微波通信光纖通信移動(dòng)通信發(fā)送機(jī)接收機(jī)傳輸系統(tǒng)用戶終端用戶終端用戶用戶用戶終端用戶終端用戶環(huán)路交換設(shè)備電復(fù)接設(shè)備用戶用戶

現(xiàn)代通信方式示意圖用戶終端交換設(shè)備接入網(wǎng)電復(fù)接設(shè)備傳輸系統(tǒng)第二十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日電/光光/電前端前端網(wǎng)卡電信號(hào)輸入網(wǎng)卡電信號(hào)輸出傳輸光路光纖通信系統(tǒng)的基本組成第二十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)光纖第二節(jié)無(wú)源光器件第二章傳輸光路第二十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日傳輸光路要求

傳輸光路指的是從光信號(hào)的產(chǎn)生到接收的整個(gè)光通路

要求:

1.沒(méi)有光能的損失

2.沒(méi)有色散和脈沖展寬（延遲問(wèn)題）3.

光強(qiáng)的響應(yīng)是線性的4.偏振不敏感性、相位穩(wěn)定性

第二十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)光纖

光纖的一般理論2.1.2通信用光纖的結(jié)構(gòu)第二十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日

光纖的一般理論射線理論光是一種頻率很高的電磁波，而光纖本身是一種介質(zhì)波導(dǎo)。全反射原理 光線在均勻介質(zhì)中是以直線傳播的，但在兩種不同介質(zhì)的分界面會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象：入射光反射光折射光折射率n1折射率n2n1>n2θ1當(dāng)n1>n2θ1>θc時(shí)發(fā)生全反射θc：臨界角第二十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光纖中光波的傳輸原理-全反射“之”字線傳輸只要滿足全內(nèi)反射條件連續(xù)改變?nèi)肷浣堑娜魏喂馍渚€都能在光纖纖芯內(nèi)傳輸。當(dāng)光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，由于光線基本上全部在纖芯區(qū)進(jìn)行傳播，沒(méi)有光跑到包層中去，所以可以大大降低光纖的衰耗。n2n1第二十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光纖全反射纖芯8-10um包層125um涂覆層250umn1n2當(dāng)光從折射率高(n1)的媒質(zhì)入射到折射率低(n2)的媒質(zhì)，入射角超過(guò)臨界角時(shí)，光線在兩種媒質(zhì)的界面上不發(fā)生折射現(xiàn)象，只有反射。臨界角：sinc

=n2/n1橫向諧振：2

βta=nπ第二十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日

通信光纖結(jié)構(gòu)和制造1.光纖結(jié)構(gòu)2.光纖的類型第二十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日

纖芯主要采用高純度的SiO2二氧化硅，并摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率n1；

包層也是高純度的二氧化硅，也摻雜一些摻雜劑，主要是降低包層的光折射率n2；

涂層采用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機(jī)械強(qiáng)度和可彎曲性。2.1.2通信光纖的結(jié)構(gòu)1.光纖的結(jié)構(gòu)第二十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日1.光纖的結(jié)構(gòu)石英光纖芯層包層涂敷層護(hù)套:緊套松套芯包層樹(shù)脂被覆層ncore>nclad第三十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日2.光纖的類型光纖的分類方法很多：按照光纖截面折射率分布來(lái)分類；按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少來(lái)分類；按照光纖使用的材料來(lái)分類；按照傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)來(lái)分類。第三十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日(1)按光纖截面上折射率分布分類

按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為：階躍型光纖(Step-IndexFiber，SIF)和漸變型光纖(Graded-IndexFiber，GIF。第三十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為：不同的折射率分布，傳輸特性完全不同第三十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日(2)按傳輸模式的數(shù)量分類 按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模光纖(Multi-ModeFiber，MMF)和單模光纖(SingleModeFiber，SMF)。第三十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日在一定的工作波上，當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳輸時(shí)，則這種光纖稱為多模光纖。單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。第三十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日(3)按光纖的工作波長(zhǎng)分類

按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為：短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。第三十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日(4)按ITU-T建議分類 按照ITU-T關(guān)于光纖類型的建議，可以將光纖分為G.651光纖(漸變型多模光纖)、G.652光纖(常規(guī)單模光纖)、G.653光纖(色散位移光纖)、G.654光纖(截止波長(zhǎng)光纖)和G.655(非零色散位移光纖)光纖。 按套塑(二次涂覆層)可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖。 現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。第三十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日單模光纖的種類標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（G.652光纖）色散位移單模光纖（G.653光纖）1550nm波長(zhǎng)最低衰減光纖（G.654光纖）非零色散位移光纖（G.655光纖）色散補(bǔ)償光纖（G.65X光纖）色散平坦光纖第三十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日在1310nm波長(zhǎng)工作時(shí)，理論色散值為零，衰耗大；在1550nm波長(zhǎng)工作時(shí)，傳輸損耗最低，色散系數(shù)較大。單通路速率達(dá)到STM-64時(shí)，需要采取色散調(diào)節(jié)手段。G.652光纖——標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在我國(guó)占99%以上。雖稱1310nm性能最佳光纖，但絕大部分卻用于1550nm，其原因是在1310nm無(wú)實(shí)用化光放大器。它可傳輸2.5G或以2.5G為基群的WDM系統(tǒng)；但傳輸TDM的10G，面臨色散受限的難題（色度色散與PMD）。第三十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日G.653光纖——色散位移單模光纖

實(shí)現(xiàn)了在1550nm波長(zhǎng)低衰減和零色散。可以20Gbit/s系統(tǒng)，不需任何色散補(bǔ)償。日本全國(guó)鋪設(shè)。在1550nm波長(zhǎng)，衰耗和色散皆為最小值，可實(shí)現(xiàn)大容量長(zhǎng)距離傳輸。因出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)(FWM),限制了它在WDM（波分復(fù)用）方面的應(yīng)用。第四十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日G.654光纖--1550nm波長(zhǎng)最低衰減光纖選用純SiO2芯來(lái)降低光纖的衰減最大優(yōu)點(diǎn)：在1550nm波長(zhǎng)的最低衰減為0.18dB/km制造困難，價(jià)格昂貴，不實(shí)用。截止波長(zhǎng)移位的單模光纖，它的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低1550nm波長(zhǎng)處的衰減。1550nm損耗最小光纖，主要用于長(zhǎng)再生中繼距離的海底光纜。第四十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日因既可傳輸TDM（時(shí)分復(fù)用模式）的10G，又可傳以2.5G或10G為基群的WDM系統(tǒng)，所以近年倍受青睞。但理想的G.655光纖無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诠饫w的有效橫截面積與色散斜率二方面難以均衡。目前，G.655光纖尚無(wú)國(guó)際統(tǒng)一規(guī)范?！蟮挠行娣e，會(huì)有效地避免非線性效應(yīng)，但將導(dǎo)致色散斜率的增加?！〉纳⑿甭蕦?huì)便于色散的補(bǔ)償；但其有效面積卻減小。G.655光纖——非零色散位移光纖第四十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日單模光纖主要技術(shù)規(guī)范光纖G.652G.653G.654G.655截止波長(zhǎng)nm<1270<1270<1530<1470零色散波長(zhǎng)nm1300-13241500-1600色散斜率ps/km.nm2<0.093<0.085最大色散值ps/km.nm1310<3.5<3.5<3.51550<20<20<6.0典型損耗值B/km13100.3-0.415500.15-0.250.19-0.250.15-0.190.19-0.25工作窗口nm1310和1550155015501550重點(diǎn)第四十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日引起損耗的因素第四十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(zhǎng)(nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜特性損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km光纖通信的三個(gè)“窗口”——0.85μm,1.3μm,1,55μm重點(diǎn)第四十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日160017001400130012001500Attenuation(dB/km)Wavelength(nm)

20

10

0-10-20Dispersion(ps/nmkm)0.10.20.30.40.50.6ConventionalFiber

（1440－1625nm）230ch360chAllWaveFiber（1335－1625nm）5thAllWaveeliminatesthe1385nmwaterpeakAdditionalchannelsareinOptimumDispersionrangefor10Gb/sDWDMAllWaveoffers>50%moreDWDMchannels!3rd4th5thAllWavevs.ConventionalFiberMoreUsableOpticalSpectrumAllWave?光纖范崇澄FS-89第四十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)無(wú)源光器件主要功能：對(duì)信號(hào)(或能量)的傳輸路徑進(jìn)行連接、合成、分支；對(duì)信號(hào)的形態(tài)進(jìn)行變換以及有目的衰減其能量等光無(wú)源器件在光纖通信系統(tǒng)、光纖局域網(wǎng)(包括計(jì)算機(jī)光纖網(wǎng)、微波光纖網(wǎng)、光纖傳感網(wǎng)等)以及各類光纖傳感系統(tǒng)中是必不可少的重要器件，有著廣泛的應(yīng)用。第四十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)無(wú)源光器件

3.2.1光纖連接器3.2.2光纖耦合器3.2.3波長(zhǎng)相關(guān)器件濾波器光纖光柵WDM3.2.4偏光器件PC3.2.5功率相關(guān)器件光衰耗器，光隔離器，光環(huán)形器

3.2.6自聚焦透鏡與光纖準(zhǔn)直器3.2.7光開(kāi)關(guān)重點(diǎn)第四十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日電/光光/電前端前端網(wǎng)卡電信號(hào)輸入網(wǎng)卡電信號(hào)輸出傳輸光路光纖通信系統(tǒng)的基本組成第四十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第三章光發(fā)射機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的這部分電路被稱為光發(fā)射機(jī)。第一節(jié)光發(fā)射機(jī)使用的光源第二節(jié)光的調(diào)制重點(diǎn)第五十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日“IM-DD”（強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)）是這樣一種電路，其功能是將輸入的數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)化為用光的強(qiáng)度表征信息的數(shù)字光信號(hào)第五十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)光發(fā)射機(jī)使用的光源3.1.1半導(dǎo)體激光器（LD）3.1.2發(fā)光二極管(LED)第五十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日3.1.1半導(dǎo)體激光器LD（laserdiode）1.法布里----珀羅諧振腔：晶體的天然解理面2.分布反饋激光器(DFB):光柵結(jié)構(gòu)3.Bragg反射激光器(DBR):光柵結(jié)構(gòu)第五十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日常用的激光器——同軸型FP激光器法布里----珀羅諧振腔：晶體的天然解理面解理面NP耗盡層金屬電極金屬電極第五十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日常用的激光器——

DFB激光器雙列直插蝶形封裝第五十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日F-P光譜特性多譜線，模式多，選頻特性不好第五十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日DFB光譜特性第五十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日3.1.2.發(fā)光二極管LED(lightemittingdiode)LED是一種將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)體。第五十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管比較光譜特性出光功率溫度特性響應(yīng)速度相干性可靠性價(jià)格適用場(chǎng)合LD窄，色散影響小mW數(shù)量級(jí)影響大，動(dòng)態(tài)范圍小較快易于高速調(diào)制較好較易損壞，壽命較短比較貴長(zhǎng)距離、大容量系統(tǒng)LED寬，色散影響大μW和nW量級(jí)特性好，動(dòng)態(tài)范圍大慢較調(diào)制頻率不能太高差不易損壞，可靠性高比較便宜近距離、中小容量系統(tǒng)重點(diǎn)第五十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)光的調(diào)制可能的承載信息的參量:光的幅度：幅度調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制光的頻率：頻率調(diào)制光的相位：相位調(diào)制光的偏振：偏振調(diào)制

光的量子態(tài)：量子態(tài)調(diào)制現(xiàn)在成熟利用的光的參量是強(qiáng)度調(diào)制重點(diǎn)第六十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日直接強(qiáng)度調(diào)制和外調(diào)制的區(qū)別線路編碼驅(qū)動(dòng)電路LD或LED控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)直接調(diào)制的光發(fā)射機(jī)線路編碼驅(qū)動(dòng)電路LD或LED控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)外調(diào)制器件間接調(diào)制的光發(fā)射機(jī)第六十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日

直接調(diào)制用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。這種方案技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)。直接調(diào)制時(shí),會(huì)引起激光器的譜線展寬,導(dǎo)致單模光纖色散增加,限制通信系統(tǒng)的容量。2.5Gb/s（10Gb/s）以下。

外調(diào)制把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。適用高速系統(tǒng)2.5Gb/s（10Gb/s）以上。第六十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)直接調(diào)制光發(fā)射機(jī)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的這部分電路被稱為光發(fā)射機(jī)。I調(diào)制電流信號(hào)輸出光功率半導(dǎo)體激光器（LD）PPI發(fā)光二極管（LED）第六十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日I調(diào)制電流信號(hào)輸出光功率半導(dǎo)體激光器（LD）PLD的特點(diǎn)：工作電流超過(guò)閾值電流時(shí)才輸出激光，是有閾值的器件。LD驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)LD光源器件發(fā)光必須是直流偏置電流Ib和信號(hào)電流Im共同作用的結(jié)果。第六十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日激光器的驅(qū)動(dòng)電路偏置部分調(diào)制部分IbsIb0有用信號(hào)恒流源～I(xiàn)0Is偏置電路是一個(gè)有用信號(hào)電流（調(diào)制部分）與直流電流的相加電路。偏置電路要求：1.直流偏置電流接近激光器的閾值；2.偏置電流不能過(guò)大。重點(diǎn)第六十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日直流偏置脈沖信號(hào)-VccI0IsItotel驅(qū)動(dòng)電路原理如果有兩個(gè)電流源并聯(lián)工作，那么總電流就等于這兩個(gè)電流源電流之和電流源，內(nèi)阻非常大的電源。晶體管偏置電路第六十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日差動(dòng)放大電路

恒流源恒流源調(diào)制電路要求：快的開(kāi)關(guān)速度和保持良好的電流脈沖波形可以看做一個(gè)雙擲開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制2個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，達(dá)到調(diào)制的目的。K1K2第六十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日差動(dòng)放大電路T1T2第六十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日驅(qū)動(dòng)芯片3669第六十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日3.3.2激光器的控制電路溫度控制激光器的閾值、發(fā)光功率、甚至于波長(zhǎng)均與溫度有關(guān)——穩(wěn)定激光器的各項(xiàng)指標(biāo)激光器是高發(fā)熱器件，過(guò)高的結(jié)溫將導(dǎo)致激光器損壞——保護(hù)激光器不損壞光功率控制

重點(diǎn)第七十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日溫度控制溫控原理激光器制冷器探測(cè)器QT圖溫度閉環(huán)控制電路放大第七十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日溫度控制熱敏電阻溫度檢測(cè)電橋

+3VT+5V溫度的變化熱敏電阻阻值變化電壓的變化平衡電橋放大控制制冷器的制冷電流控制溫度第七十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日溫度控制半導(dǎo)體制冷器（帕爾帖元件）逆熱電效應(yīng)：電流產(chǎn)生兩面的溫度差+-冷面熱面圖帕爾帖元件第七十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日DRV591-FEATURES

LowSupplyVoltageOperation:2.8Vto5.5VHighEfficiencyGeneratesLessHeatOver-CurrentandThermalProtectionFaultIndicatorsforOver-Current,ThermalandUnder-VoltageConditionsPWMSchemeOptimizedforEMI第七十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日DRV591外部連接關(guān)系第七十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光功率控制為什么要光功率控制溫度變化使光功率不穩(wěn)定平均光功率不穩(wěn)定帶來(lái)的問(wèn)題造成判決時(shí)脈沖的前后沿抖動(dòng)

第七十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光功率控制光功率控制原理激光器偏置電路光探測(cè)器IP去偏置電路比較電壓設(shè)定第七十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)外調(diào)制--直接強(qiáng)度調(diào)制和外調(diào)制的區(qū)別線路編碼驅(qū)動(dòng)電路LD或LED控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)直接調(diào)制的光發(fā)射機(jī)線路編碼驅(qū)動(dòng)電路LD或LED控制電路電信號(hào)輸入光信號(hào)外調(diào)制器件間接調(diào)制的光發(fā)射機(jī)第七十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日外調(diào)制的方法1電光效應(yīng)2聲光效應(yīng)3磁光效應(yīng)4EAM（電吸收調(diào)制）折射率隨所施加的電壓改變而改變的現(xiàn)象

第七十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日電/光光/電前端前端網(wǎng)卡電信號(hào)輸入網(wǎng)卡電信號(hào)輸出傳輸光路光纖通信系統(tǒng)的基本組成第八十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第四章光接收機(jī)

第一節(jié)

光探測(cè)器第二節(jié)光接收機(jī)的性能要求第八十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光接收機(jī)的作用是將傳輸光路中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。概述光纖通信系統(tǒng)的基本組成光發(fā)送機(jī)光接收機(jī)電端機(jī)電端機(jī)電信號(hào)輸入電信號(hào)輸出傳輸光路光纖通信系統(tǒng)光接收機(jī)重點(diǎn)第八十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光接收機(jī)光纖光前置放大部分光前端接口光檢測(cè)器前置放大器主放大主放大器均衡濾波AGC電路數(shù)字信號(hào)恢復(fù)判決電路再生放大時(shí)鐘提取譯碼部分譯碼器幀同步并行輸出光檢測(cè)器重點(diǎn)第八十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日前置放大電路半導(dǎo)體光電二極管的等效電路三種放大電路(1)高阻抗放大:靈敏度高,帶寬迅低,動(dòng)態(tài)范圍降低。用于低速系統(tǒng)。(2)低阻抗放大:帶寬提高，動(dòng)態(tài)范圍有所改善，接收靈敏度低。信噪比低。(3)跨阻抗放大：輸入電阻比較小，動(dòng)態(tài)范圍比較大。反饋電阻比較大，所以電阻上的熱噪聲比較小。

任務(wù)：將半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的微弱的光電流，無(wú)失真的轉(zhuǎn)化為較大的電信號(hào)，然后進(jìn)入主放大器作進(jìn)一步的放大。第八十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)光檢測(cè)器

光檢測(cè)的物理基礎(chǔ):光電效應(yīng)PIN半導(dǎo)體光電二極管APD雪崩光電二極管第八十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日4.1.1PIN半導(dǎo)體光電二極管本征材料I（intrinsic）--不摻雜P區(qū)N區(qū)耗盡區(qū)I區(qū)第八十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日步驟：1.在半導(dǎo)體表面被反射，損失一部分光能；2.透過(guò)不能產(chǎn)生電子空穴對(duì)的表面，進(jìn)一步消耗一部分光能；3.剩余的光能到達(dá)能夠產(chǎn)生電子空穴對(duì)的耗盡區(qū)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)；4.最后剩余的一部分光能，透過(guò)耗盡區(qū)而消耗掉。第八十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日雪崩光電二極管（APD）可以對(duì)尚未進(jìn)入后面放大器的輸入電路的初級(jí)光電流進(jìn)行內(nèi)部放大。這樣可以顯著地增加接收機(jī)的靈敏度，因?yàn)樵谶€沒(méi)有遇到接收機(jī)電路的熱噪聲之前就已放大了光電流。為了達(dá)到載流子的倍增，光生載流子必須穿過(guò)一個(gè)具有非常高的電場(chǎng)的高場(chǎng)區(qū)。4.1.2APD雪崩光電二極管第八十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日在這個(gè)高場(chǎng)區(qū)，光生電子或空穴可以獲得很高的能量，因此它們高速碰撞在價(jià)帶上的電子使之產(chǎn)生電離，從而激發(fā)出新的電子—空穴對(duì)，這種載流子倍增的機(jī)理稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的載流子同樣由電場(chǎng)加速，并獲得足夠的能量從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象就是所謂的雪崩效應(yīng)。當(dāng)偏置電壓低于二極管的擊穿電壓時(shí)，產(chǎn)生的載流子總數(shù)是有限的。偏置電壓高于擊穿電壓時(shí)，產(chǎn)生的載流子就可以無(wú)限多了。第八十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日APD雪崩光電二極管

獲得雪崩增益的條件：

1）有足夠高的電壓作用，所以雪崩二極管都是工作在高壓下；2）需要一個(gè)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)的工作區(qū)。第九十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日APD雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)P+IPN+吸收增益電場(chǎng)距離第九十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)單位硅檢測(cè)器鍺檢測(cè)器銦鎵砷檢測(cè)器PIN

APDPINAPDPINAPD波長(zhǎng)范圍nm400~1100800~1800900~1700峰值波長(zhǎng)nm900830155013001300(1550)1300(1550)響應(yīng)度,芯片耦合后A/W0.60.3~0.5577~13050~1200.65~0.7,0.5~0.653~282.5~250.63~0.8(0.75~0.97)0.5~0.7(.6~0.8)量子效率%65~907750~5555~7560~7060~70增益G倍數(shù)1150~25015~40110~30過(guò)剩噪聲指數(shù)x-0.3~0.5-0.95~1-0.7偏壓-V45~1002206~1020~355<30暗電流nA1-100.1~150~50010~5001~201~5結(jié)電容PF1.2~31.3~22~52~50.5~20.5上升時(shí)間ns0.5~10.1~20.1~0.50.5~0.80.06~0.50.1~0.5第九十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)光接收機(jī)的要求

（1)極低的誤碼率（2）較高的接收靈敏度（較低的接收光平）；（3）較寬的帶寬，即能夠接收較高速率的光信號(hào)碼流；（4）較大的動(dòng)態(tài)范圍，即可以接收的最大的光信號(hào)和最小的光信號(hào)的范圍比較大；（5）較低的輸出噪聲。第九十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日第五章光放大

第一節(jié)概述第二節(jié)半導(dǎo)體光放大器第三節(jié)摻鉺光纖放大器第九十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日5-1概述光放大器的出現(xiàn)是繼光纖、激光器之后在光信息領(lǐng)域的新突破。在光纖通信中享有重要的地位。光放大器首先解決的是光路損耗的功率補(bǔ)償問(wèn)題。光放大器能對(duì)光信號(hào)直接放大，省去光電轉(zhuǎn)換的麻煩，得到了廣泛的應(yīng)用。光放大器的出現(xiàn)，預(yù)示著光信息領(lǐng)域?qū)⒂行碌耐黄?。它將成為光信?hào)處理、光邏輯門、各種光功能器件的基礎(chǔ)元件。第九十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日光放大器的類型一般，光放大器都由增益介質(zhì)、泵浦源、輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)增益介質(zhì)不同分類根據(jù)泵浦源不同分類根據(jù)輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)不同分類第九十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日放大器的基本結(jié)構(gòu)

第九十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)增益介質(zhì)的不同分類：活性介質(zhì)

半導(dǎo)體材料:半導(dǎo)體激光放大器摻稀土(Nd,Sm,Ho,Er,Pr,Tm.和Yb)光纖，利用受激輻射機(jī)直接放