光纖通信技術(shù)

第二篇光纖通信技術(shù)第一章概述第二章光器件介紹第三章光放大技術(shù)第四章復(fù)用技術(shù)第五章相干光通信技術(shù)第六章SDH技術(shù)第1章概論1·1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀1·2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1·3光纖通信系統(tǒng)的基本組成1.1光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀早期的光通信早期利用光進(jìn)行通信的例子可以追溯到中國周朝的“烽火臺(tái)”

這種原始形式的光通信只能傳遞一些簡單的事先約定好的信息

公元前200年左右,古希臘的Polybios發(fā)明了一種傳輸系統(tǒng)，不僅可以傳遞一些固定信息，還可以傳遞字母。αζλπφβημρΧγωυσθδιξτΨεκον左右大約每分鐘可以傳送8個(gè)字符，如果每個(gè)字符5Bit,傳輸速率為0.67bit/s圖1.1貝爾電話系統(tǒng)到了1880年，貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話，這一大膽的嘗試，可以說是現(xiàn)代光通信的開端。 在這里，將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動(dòng)而得到強(qiáng)弱變化的反射光束，這個(gè)過程就是調(diào)制。這個(gè)系統(tǒng)的傳輸距離很短，而且還受到其它因素的影響。雖然這個(gè)系統(tǒng)沒有實(shí)用價(jià)值，但它證明用光波作為載波傳送信息是可行的。以上幾種通信都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它的可見度距離很短，遇到下雨、下雪天也有影響。也就是這種通信不是全天候的。在光器件方面，1960年使用的是固體紅寶石激光器，1961開發(fā)出氦-氖氣體激光器，1970年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功可以在室溫下工作的半導(dǎo)體激光器。光纖通信 在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)，先后出現(xiàn)過反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn).這種系統(tǒng)存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)這種系統(tǒng)理論上是可行的，但在實(shí)際應(yīng)用上遇到了無法克服的困難現(xiàn)場施工時(shí)，校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜為了不受地面活動(dòng)的影響。只能在人車稀少的地方使用，或?qū)⒉▽?dǎo)深埋地下。在光傳輸介質(zhì)方面，研究了以下三種光傳輸手段：（1）光在大氣中傳播。（2）光通過一系列透鏡在管道中傳輸。（3）利用玻璃纖維傳輸光波。光纖通信應(yīng)具備的條件要有理想的傳輸媒介要有理想的光源1966年，英籍華人高錕(K.C.Kao，當(dāng)時(shí)工作于英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題，發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)。當(dāng)時(shí)光纖的損耗是1000dB/Km當(dāng)時(shí)預(yù)言經(jīng)過提純和改善材料的均勻性，可以降低到幾個(gè)dB/km1970年取得重大突破，美國康寧公司研制出了損耗20dB/km的石英光纖，這樣的損耗已經(jīng)能夠與同軸電纜進(jìn)行競爭了。隨后一段時(shí)間損耗不斷降低：1972年康寧公司降到4dB/km1973年美國貝爾試驗(yàn)室降到2.5dB/km1974年美國貝爾試驗(yàn)室降到1.1dB/km1976年日本電報(bào)電話公司等降到0.47dB/km1979年0.2dB/km1984年0.157dB/km1986年0.154dB/km光源取得進(jìn)展1970美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司和前蘇聯(lián)先后突破了半導(dǎo)體激光器在低溫（-200℃）或脈沖激勵(lì)條件下工作的限制，研制成功在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器——雖然激光器的壽命只有幾小時(shí)，其為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨后幾年的發(fā)展1973年7000小時(shí)（短波長）1977年10萬小時(shí)1976年日本電報(bào)電話公司研制城1.3μm

的激光器1979年美國電報(bào)電話公司和日本電報(bào)電話公司研制成功1.55μm的激光器這時(shí)低損耗的光纖和半導(dǎo)體激光器都已被研制出來，具備了光纖通信實(shí)用化的基礎(chǔ)我國在光纖通信研究方面的進(jìn)展我國1974年開始研究，1976年研制出多模光纖，1979年建成5.7km實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，1983年建成連接武漢3鎮(zhèn)的8Mbits/s系統(tǒng),1985年又?jǐn)U容成34Mbits/s,開始實(shí)用。1991年起，不再建長途電纜通信系統(tǒng)，而大力發(fā)展光纖通信。“八五”期間，建成22條光纜干線、總長度33000km的“八縱八橫”光纖通信干線傳輸網(wǎng)。1999年建成8×2.5Gbits/sDWDM系統(tǒng)。最近報(bào)道：我國已經(jīng)領(lǐng)先研制出80×40Gb/sDWDM工程化與試驗(yàn)系統(tǒng)。可以實(shí)現(xiàn)4000萬人（對）同時(shí)通話，或傳輸幾萬路超高清晰度數(shù)字電視。光纖通信的發(fā)展大致分成3個(gè)階段第一階段（1966－1976年）開發(fā)時(shí)期從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了短波長（0.85μm）低速率的（45Mb/s或34Mb/s)多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10km即第一代光纖通信第二階段（1976－1984年）以提高傳送速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)，屬于大力推廣應(yīng)用時(shí)期光波波長從0.85μm1.31μm光纖具有較低的損耗和最低的色散即：第二代光纖通信第三階段大容量超長距離為目標(biāo) －光纖從多模

單模－光波波長從0.85μm1.31μm1.55μm－無中繼傳輸速率140Mb/s—565Mb/s－廣泛應(yīng)用于長途干線和跨洋通信即：第三代光纖通信光纖通信技術(shù)發(fā)展趨勢繼續(xù)增大通信容量和傳輸距離光同步數(shù)字體系得到了迅速應(yīng)用和發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)本地用戶光纖網(wǎng)和ATM引起世界重視光電集成技術(shù)迅速發(fā)展全光通信技術(shù)發(fā)展迅速1.2光纖通信的主要特性1.2.1光纖通信的優(yōu)點(diǎn)1.光纖的容量大

光纖通信是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)，其載波—光波具有很高的頻率(約1014Hz)，因此光纖具有很大的通信容量。2.損耗低、中繼距離長

目前，實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖，此類光纖在1.55μm波長區(qū)的損耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低得多，因此，由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離也較其它介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長得多。如果今后采用非石英光纖，并工作在超長波長(＞2μm)，光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到10-3～10-5dB/km，此時(shí)光纖通信的中繼距離可達(dá)數(shù)千，甚至數(shù)萬公里。3.抗電磁干擾能力強(qiáng)

我們知道，電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè)。4.保密性能好

對通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電通信方式很容易被人竊聽：只要在明線或電纜附近(甚至幾公里以外)設(shè)置一個(gè)特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。更不用去說無線通信方式。5.體積小，重量輕6.節(jié)省有色金屬和原材料1.2.2光纖通信的缺點(diǎn)

事物都是一分為二的，光纖通信有許多優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點(diǎn)。

1.抗拉強(qiáng)度低2.光纖連接困難3.光纖怕水1.2.3光纖通信的應(yīng)用電信應(yīng)用

長距離大容量系統(tǒng)干線數(shù)據(jù)通信

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信方面視頻圖像通信

用于廣播電視與共用天線（CATV）系統(tǒng)文稿電信號編碼轉(zhuǎn)變成便于傳輸?shù)男盘栠€原成原始電信號電信號打印文稿信源電發(fā)射機(jī)電接收機(jī)調(diào)制解調(diào)信宿傳輸媒介銅線傳真機(jī)傳真機(jī)一般通信系統(tǒng)的傳輸部分1.3

通信系統(tǒng)組成無線通信系統(tǒng)組成信源電發(fā)射機(jī)電接收機(jī)無線發(fā)射機(jī)無線接收機(jī)信宿無線傳輸媒機(jī)介調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)組成信源電發(fā)射機(jī)電接收機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)信宿光纖傳輸媒介調(diào)制解調(diào)光纖通信系統(tǒng)組成（合成）信源電發(fā)射機(jī)電接收機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)信宿光纖傳輸媒介信源的作用將用戶信息（如聲音、圖像或文字等）轉(zhuǎn)換成原始電信號這種原始的電信號稱為基帶信號這個(gè)基帶信號被送入電發(fā)射機(jī)電發(fā)射機(jī)的作用就是把基帶信號轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)男盘?。如果這個(gè)轉(zhuǎn)換需要調(diào)制，則稱其輸出信號為已調(diào)信號光發(fā)射機(jī)的作用不論是數(shù)字信號，還模擬信號將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成光信號將轉(zhuǎn)換后的光信號用近可能高效率耦合進(jìn)入光纖光纖的作用作用盡可能少的失真盡可能小的衰耗將光信號傳遞到接收端光接收機(jī)光接收機(jī)的作用將光發(fā)射機(jī)送出來的光信號轉(zhuǎn)換（還原）成為電信號電接收機(jī)的作用將光接收機(jī)傳送過來的電信號還原為基帶信號。電接收機(jī)的工作是與電發(fā)射機(jī)相反。信宿的作用將基帶信號恢復(fù)成用戶信息：如語音、圖像，視頻圖像等基本光纖傳輸系統(tǒng)通過配置適當(dāng)?shù)墓馄骷梢源蟠筇岣呋竟饫w傳輸系統(tǒng)的能力和性能例如：在光纖線路中插入光纖放大器，便可以組成光纖中繼長途系統(tǒng)又如：通過配置光波分復(fù)用和解復(fù)用可以組成大容量波分復(fù)用系統(tǒng)第2章通信用光器件有源器件無源器件光源光檢測器光放大器連接器耦合器波分復(fù)用器隔離器光開關(guān)調(diào)制器通信用光器件波長轉(zhuǎn)換2.1光纖的結(jié)構(gòu)、類型及性質(zhì)2.1.0最早的光纖1930年德國的一個(gè)醫(yī)科學(xué)生第一次制造出了用于傳輸圖像的光纖(束),但是圖像很模糊重新排列光纖順序,沒有意識(shí)到真正的原因成束的光纖相互接觸,會(huì)在接觸的地方使一根光纖中的光泄漏到另一根光纖中解決這個(gè)問題的是一個(gè)密歇根大學(xué)的一個(gè)本科生解決了這個(gè)問題---使用玻璃包層目前的光纖結(jié)構(gòu)2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)光纖的作用就是將光能限制在光纖表面以內(nèi)，并引導(dǎo)光能沿光纖軸向傳播包層的作用減少散射損耗—散射損耗是由前纖芯表面介質(zhì)不連續(xù)造成的。增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度—光纖細(xì)而且脆防止在光纖與外界接觸時(shí)光纖可能受到的污染。光纖折射率的取值光纖的包層折射率一定要小于纖芯折射率這時(shí)光纖能夠傳輸光必要條件，它們之間的差別用相對折射率差△來表示。單模光纖

△=0.3%~0.6%多模光纖△=1%~2%取值范圍2.1.2光纖的分類根據(jù)光纖的折射率構(gòu)成的不同分成兩類階躍折射率光纖—纖芯折射率是均勻的梯度折射率光纖—纖芯折射率隨著離纖芯的距離而改變根據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ降亩嗌儆锌蓪⒐饫w為單模光纖（Step-IndexFiber,SIF）—只能傳輸一種模式多模光纖（Graded-IndexFiber,GIF）—同時(shí)傳輸多種模式根據(jù)損耗的大小低損耗光纖—使用玻璃石英作為纖芯材料，包層使用另一種玻璃或塑料高損耗光纖—纖芯使用塑料材料，包層也使用塑料光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純度石英（SiO2）制成的光纖三種基本類型光纖的結(jié)構(gòu)

(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖

多模光纖的優(yōu)點(diǎn)－與單模比較由于多模光纖的纖芯較粗，容易將光功率注入光纖易于將相同的光纖連接在一起可以使用發(fā)光二極管LED作為光源，因?yàn)長ED價(jià)格便宜，使用壽命長，電路簡單多模光纖的主要缺點(diǎn)：它存在模間色散，因?yàn)槊總€(gè)模的傳播速度略微不同。單模光纖的優(yōu)點(diǎn)它的帶寬很寬它的缺點(diǎn)是：必須使用半導(dǎo)體激光器作為光源，所以價(jià)格較貴，電路復(fù)雜操作不不如多模方便，因?yàn)槔w芯較細(xì)主要用途：

突變型多模光纖只能用于小容量短距離系統(tǒng)。

漸變型多模光纖適用于中等容量中等距離系統(tǒng)。

單模光纖用在大容量長距離的系統(tǒng)。特種單模光纖大幅度提高光纖通信系統(tǒng)的水平

1.55μm色散移位光纖實(shí)現(xiàn)了10Gb/s容量的100km的超大容量超長距離系統(tǒng)。

色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。

三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖的光功率，增加傳輸距離。

偏振保持光纖用在外差接收方式的相干光系統(tǒng)，這種系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。2.1.3光纖傳輸特性

產(chǎn)生信號畸變的主要原因是光纖中存在色散，損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性：

損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量

色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分（模式，頻率等）的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。光纖色散1.色散、帶寬和脈沖展寬色散的種類模式色散材料色散波導(dǎo)色散模式色散由不同的傳輸模式時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生，只在多模光纖中存在。與光纖的折射率分布有關(guān)（漸變光纖、突變光纖）與光纖材料折射率波長特性有關(guān)。材料色散由于光纖的折射率隨波長而改變，模式內(nèi)部部不同波長成分的光（實(shí)際光源不是純單色光）的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生取決于光纖材料折射率的波長特性取決于光源的譜線寬度波導(dǎo)色散由波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。

光纖損耗

損耗的存在光信號幅度減小限制系統(tǒng)的傳輸距離。在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示(2.3)習(xí)慣上α的單位用dB/km，由式(2.2)得到損耗系數(shù)Po=Piexp(-αL)(2.2)設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，根據(jù)式(2.1)，輸出光功率應(yīng)為式中，α是損耗系數(shù)。(2.1)

1.損耗的機(jī)理

圖2.5是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，圖2.5單模光纖損耗譜，示出各種損耗機(jī)理這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分

吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。

散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。

瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。2.2光源

光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號轉(zhuǎn)換為光信號。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有：半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器(LD)發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)有些場合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。

對光源的要求在光纖通信種考慮的幾個(gè)因素決定著對光源的選擇：①信號源的波長必須位于所用光纖的傳輸窗口；②功率應(yīng)足夠大，以便于接收機(jī)接收，但功率也不能過高，以免引光纖中非線性效應(yīng)或使接收機(jī)過載；③光源的光譜不能太寬，因?yàn)樯⑾拗屏藥?；④光源還必須將光有效的耦合進(jìn)光纖中。半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是圖3.5示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長。圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3μm的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體，稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里-珀羅(FP)諧振腔。

圖3.6示出DH激光器工作原理。由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。P層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)散到N層。

半導(dǎo)體激光器實(shí)物帶尾纖的半導(dǎo)體激光器發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同：

LD發(fā)射的是受激輻射光；

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。發(fā)光二極管LED的結(jié)構(gòu)LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。發(fā)光二極管有兩種類型一類是正面發(fā)光型LED，另一類是側(cè)面發(fā)光型LED其結(jié)構(gòu)示于圖3.14。和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動(dòng)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，因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。

圖3.14兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側(cè)面發(fā)光型與激光器LD相比，發(fā)光二極管的缺點(diǎn)：<1>發(fā)光二極管輸出光功率較??；<2>譜線寬度較寬；<3>調(diào)制頻率較低。發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)：<1>發(fā)光二極管溫度特性更穩(wěn)定，并且電光轉(zhuǎn)換噪聲很??；<2>工作壽命長；<3>輸出光功率線性范圍寬；<4>制造工藝簡單，價(jià)格低廉。<5>驅(qū)動(dòng)電路簡單因此，這種器件在低成本、高可靠性、小容量和短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。

LED與LD比較發(fā)光二極管具有如下工作特性(1)光譜特性

發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬，如圖。隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，譜線加寬，且峰值波長向長波長方向移動(dòng)，短波長和長波長LED的移動(dòng)分別為0.2~0.3nm/℃和0.3~0.5nm/℃。LED光譜特性

(2)光束的空間分布。

在垂直于發(fā)光平面上，正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布，即P(θ)=P0

cosθ，半功率點(diǎn)輻射角θ≈120°。側(cè)面發(fā)光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于θ大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。

圖3.16發(fā)光二極管(LED)的P-I特性(3)輸出光功率特性。

發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率ηd小于10%。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)，P-I曲線的線性較好；

I過大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I曲線的斜率減小。在通常工作條件下，LED工作電流為50~100mA，輸出光功率為幾mW，由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百μW。LED的P__I特性曲線原理：由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流進(jìn)行自發(fā)輻射而發(fā)光43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW信源電發(fā)射機(jī)電接收機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)信宿光纖傳輸媒介2.3光檢測器電－光轉(zhuǎn)換光－電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件就是光電二極管(PD)

2.3.1光電二極管工作原理

光電二極管(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場。內(nèi)部電場使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶發(fā)生傾斜，在PN結(jié)界面附近形成耗盡層如下圖。當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)hf≥Eg如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)，便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子-空穴對。在耗盡層，由于內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。 在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場作用下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子-空穴對的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。

由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。

PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖2-9。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。I層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)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(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。2.3.2

PIN光電二極管圖2-9PIN光電二極管結(jié)構(gòu)光電二極管的外型結(jié)構(gòu)

光電二極管輸出電流I和反偏壓U滿足一定關(guān)系。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達(dá)到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見下圖。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。

2.3.3雪崩光電二極管(APD)

APD載流子雪崩式倍增示意圖

APD的結(jié)構(gòu)有多種類型，如圖2-10示出的N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。在這種類型的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到Π(P)層，一直抵達(dá)P+接觸層，是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。

圖2-10APD結(jié)構(gòu)圖2.4光無源器件

一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測器外，還需要許多其它光器件，特別是無源器件。這些器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少的。雖然對各種器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入損耗小、反射損耗大、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長、體積小、價(jià)格便宜，許多器件還要求便于集成。本節(jié)主要介紹無源光器件的類型、原理和主要性能。

一、連接器和接頭連接器用于設(shè)備之間的活動(dòng)性連接這種連接不是永久性的連接；連接系統(tǒng)的一端，用于將光纜與發(fā)射機(jī)或接受機(jī)相連將室外光纜引入大樓的接插板上設(shè)備之間缺點(diǎn)就插入損耗大

一般在光纖的中間通常使用接頭，在光纜的終端通常使用連接器連接器的結(jié)構(gòu)連接器要求的加工精度很高，因?yàn)楣饫w很細(xì)，容許的公差很小。連接器面板當(dāng)光纜引入室內(nèi)后，往往接在如下圖的面板上，便于操作和管理。連接器的種類ST連接器SC連接器FC連接器光纖連接器的種類很多，目前常用的類型是如下所列的三種。SC連接器—展開和裝配形式ST連接器—展開和裝配形式各種連接器實(shí)物圖一般情況下，我們使用的連接器都帶一段尾纖。跳線隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。

隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。結(jié)構(gòu)圖可見：P26圖2-16

二、光隔離器

三、

光開關(guān)有時(shí)，為了系統(tǒng)能夠安全可靠的工作，設(shè)計(jì)了冗余系統(tǒng)，這樣需要配置光開關(guān)。光開關(guān)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光纖損壞光開關(guān)技術(shù)光機(jī)械開關(guān)微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)氣泡開關(guān)電光開關(guān)液晶開關(guān)光機(jī)械開關(guān)光機(jī)械開關(guān)能移動(dòng)光纖以改變光信號的方向。光纖的固定部分輸出光纖機(jī)械連接可移動(dòng)光纖其優(yōu)點(diǎn)：插入損耗小、串?dāng)_小，適合各種光纖，技術(shù)成熟缺點(diǎn)：開關(guān)速度慢。光機(jī)械開關(guān)光機(jī)械開關(guān)還能移動(dòng)光學(xué)器件以改變光信號的方向，如轉(zhuǎn)動(dòng)光學(xué)鏡片來改變光信號的方向。光纖微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)MEMS開關(guān)利用非常小的可移動(dòng)微反射鏡改變光的方向。這種技術(shù)來于制作集成電子電路的光刻法。氣泡開關(guān)在液體波導(dǎo)中利用液體中來回移動(dòng)的氣泡做開關(guān)電光開關(guān)利用物理材料的電光效應(yīng)來做開關(guān)，這種材料（鈮酸鋰）隨著外加電壓的不同而改變折射率，折射率的改變會(huì)改變通過光波導(dǎo)的光的速度，從而兩路波導(dǎo)信號在不同的輸出端有信號輸出。液晶開關(guān)液晶開關(guān)是通過改變光的偏振態(tài)來工作的。磁光效應(yīng)光開關(guān)磁光效應(yīng)是指線偏振光在磁性介質(zhì)中傳播時(shí)，受外磁場的作用其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的一種物理現(xiàn)象。旋光物質(zhì)一般采用釔鐵石榴石（YIG）晶體材料，當(dāng)迎著磁場方向觀察，偏振光總是按反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。磁光效應(yīng)光開關(guān)原理法拉第旋轉(zhuǎn)器和石英旋轉(zhuǎn)器對光束偏振面的旋轉(zhuǎn)分別為－45°和+45°從上端口輸出；法拉第旋轉(zhuǎn)器和石英旋轉(zhuǎn)器對光束偏振面的旋轉(zhuǎn)皆為+45°光從下端口輸出。1×2磁光光開關(guān)2x2磁光光開關(guān)

3光放大技術(shù)光放大器的種類半導(dǎo)體光放大器原理及應(yīng)用EDFA的工作原理、特性及應(yīng)用3.1光纖放大器種類

光放大器有兩種類型：半導(dǎo)體光放大器光纖放大器（摻鉺光纖放大器和非線性光纖放大器）半導(dǎo)體光放大器將半導(dǎo)體激光器兩端的反射鏡去掉，就能對通過它的光進(jìn)行放大，這就構(gòu)成了半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器種類法布里－泊羅半導(dǎo)體光放大器 把半導(dǎo)體激光器作為光放大器使用行波式光放大器 光在行進(jìn)過程中將其放大的 高增益、高輸出功率、寬頻帶等?

半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是：小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成?

半導(dǎo)體光放大器的缺點(diǎn)是：

性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。光纖放大器的性能與光偏振方向無關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)缺點(diǎn)光纖放大器也是以激光原理為基礎(chǔ)，在激光器里有一個(gè)諧振腔，光在諧振腔里振蕩并產(chǎn)生激光，光纖放大器是沒有端鏡和諧振腔的，被放大的光僅僅通過放大器一次，通過把工作發(fā)光物質(zhì)制作成光纖形狀所以稱為光纖激光器。嚴(yán)格的講，光纖放大器與光纖激光器不同光纖放大器

摻鉺光纖放大器工作原理

圖示出摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理，說明了光信號放大的原因。從圖可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個(gè)能級：?能級1代表基態(tài)，能量最低?能級2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級?能級3代表激發(fā)態(tài)，能量最高

圖2-23摻鉺光纖放大器的工作原理

(a)硅光纖中鉺離子的能級圖；(b)EDFA的吸收和增益頻譜

為提高放大器增益，應(yīng)提高對泵浦光的吸收，使基態(tài)Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)，圖2-23(b)示出EDFA增益和吸收頻譜。

當(dāng)泵浦(Pump,抽運(yùn))光的光子能量等于能級3和能級1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(1→3)。但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快返回到能級2。但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快返回到能級2。如果輸入的信號光的光子能量等于能級2和能級1的能量差，則處于能級2的Er3+將躍遷到基態(tài)(2→1)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號光得到放大。由此可見，這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號光的結(jié)果。摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和特性

如圖為光纖放大器構(gòu)成原理圖輸入信號光隔離器波分復(fù)用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件，把泵浦光與信號光耦合在一起的波分復(fù)用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的。

設(shè)計(jì)高增益摻鉺光纖(EDF)是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵，

EDF的增益取決于Er3+的濃度、光纖長度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。

對泵浦光源的基本要求是大功率和長壽命。波長為1.480μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，輸出光功率高達(dá)100mW,泵浦光轉(zhuǎn)換為信號光效率在6dB/mW以上。

摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有：

?工作波長正好落在光纖通信最佳波段(1500～1600nm)；其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達(dá)0.1dB。?增益高，約為30～40dB;飽和輸出光功率大，約為10～15dBm；增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。?噪聲指數(shù)小，一般為4～7dB；用于多信道傳輸時(shí)，隔離度大，無串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。?頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度為20～40nm，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。如果加上1310nm摻鐠光纖放大器(PDFA)，頻帶可以增加一倍。所以“波分復(fù)用+光纖放大器”被認(rèn)為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。

1550nmEDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。已經(jīng)介紹過的副載波CATV系統(tǒng)，WDM或OFDM系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。

圖7.5(a)光纖放大器的應(yīng)用形式中繼放大器

LDPD中繼放大器EDFA的應(yīng)用，歸納起來可以分為三種形式，如圖7.5所示。

?中繼放大器（LA：LineAmplifier）在光纖線路上每隔一定的距離設(shè)置一個(gè)光纖放大器，以延長干線網(wǎng)的傳輸距離）

?前置放大器（PA：Preamplifier)置于光接收機(jī)的前面，放大非常微弱的光信號，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，對噪聲要求非?？量?。

?后置放大器

（BA：BoosterAmplifier)置于光接收機(jī)的后面，以提高發(fā)射機(jī)功率。對后置放大器噪聲要求不高，而飽和輸出光功率是主要參數(shù)。圖7.5(b)光纖放大器的應(yīng)用形式前置放大器和后置放大器

LDPD后置放大器前置放大器光纖4光波分復(fù)用技術(shù)

隨著人類社會(huì)信息時(shí)代的到來，對通信的需求呈現(xiàn)加速增長的趨勢。發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù))對通信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長和滿足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)。在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)外，還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù)：（1）光時(shí)分復(fù)用(OTDM)（2）光波分復(fù)用(WDM)（3）光頻分復(fù)用(OFDM)（4）副載波復(fù)用(SCM)光波分復(fù)用原理

1.WDM的概念

光波分復(fù)用(WDM：WavelengthDivisionMultiplexing)技術(shù)是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長光信號的一項(xiàng)技術(shù)。光波分復(fù)用（WDM）的基本原理是：在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復(fù)用)，并作進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用，簡稱光波分復(fù)用技術(shù)。

圖7.6中心波長在1.3μm和1.55μm的硅光纖低損耗傳輸窗口

(插圖表示1.55μm傳輸窗口的多信道復(fù)用)光纖的帶寬有多寬？在硅光纖存在兩個(gè)低損耗傳輸窗口：波長為1.31μm(1.25～1.35μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬(|Δf|=|-Δλc/λ2|,λ和Δλ分別為中心波長和相應(yīng)的波段寬度，c為真空中光速)為17700GHz；

波長為1.55μm(1.50～1.60μm)的窗口，相應(yīng)的帶寬為12500GHz。

兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過30THz。如果信道頻率間隔為10GHz，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個(gè)信道。由于一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實(shí)現(xiàn)光信道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還較為困難。在這種情況下，人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。WDM－每條光纖傳輸2～4個(gè)波長，初期2個(gè)波長CWDM－粗波分復(fù)用，每條光纖傳輸4～8個(gè)波長DWDM－密集波分復(fù)用，支持8個(gè)以上，最新的系統(tǒng)支持上百個(gè)波長目前該系統(tǒng)是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8，16或更多個(gè)波長在一對光纖上(也可采用單光纖)構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各個(gè)波長之間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，約對應(yīng)于200GHz,100GHz或更窄的帶寬。

WDM、DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒有多大區(qū)別以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM和DWDM來區(qū)分是1310/1550nm簡單復(fù)用還是在1550nm波長區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信界應(yīng)用時(shí)，都采用DWDM技術(shù)。由于1310/1550nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一些專門場合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱來代替DWDM。

WDM技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)升級、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV，HDTV和IPoverWDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的吸引力。目前，“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復(fù)用(WDM)+非零色散光纖(NZDSF，即G.655光纖)+光子集成(PIC)”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。

如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級為WDM傳輸，我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點(diǎn))處設(shè)置以波長為單位對光信號進(jìn)行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC)，或進(jìn)行光上下路的光分插復(fù)用器(OADM)，則在原來由光纖鏈路組成的物理層上面就會(huì)形成一個(gè)新的光層。在這個(gè)光層中，相鄰光纖鏈路中的波長通道可以連接起來，形成一個(gè)跨越多個(gè)OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息傳送，并且這種光通路可以根據(jù)需要靈活、動(dòng)態(tài)地建立和釋放，這就是目前引人注目的、新一代的WDM全光網(wǎng)絡(luò)。

2.WDM系統(tǒng)的基本形式光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，將不同波長的信號結(jié)合在一起經(jīng)一根光纖輸出的器件稱為復(fù)用器(也叫合波器)。反之，經(jīng)同一傳輸光纖送來的多波長信號分解為各個(gè)波長分別輸出的器件稱為解復(fù)用器(也叫分波器)。從原理上講，這種器件是互易的(雙向可逆)，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過來使用，就是復(fù)用器。

因此復(fù)用器和解復(fù)用器是相同的(除非有特殊的要求)。

WDM系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要有以下兩種形式：雙纖單向傳輸單纖雙向傳輸。

(1)雙纖單向傳輸。