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1、第4章 光纤通信系统,本章内容：4.1 光纤通信概述4.2 光纤和光缆4.3 光纤传输设备4.4 光纤通信网络4.5 光纤通信的新发展,4.1 光纤通信概述,我国古代使用的烽火台就是大气光通信的最好例子。后来的手旗、灯光甚至交通红绿灯等均可划入光通信的范畴。望远镜的出现，又极大地延长了这种目视光通信的距离。,1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。这种光电话利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化而变化，实现话音对光强度的调制。在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到硅光电池上，使光信号变换为电流，传送到
2、受话器。它证明了用光波作为载波传送信息的可行性。,贝尔电话系统,贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，这种光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。1966年英籍华人高琨博士提出光导纤维的概念在全世界范围内掀起了发展光纤通信的高潮。利用光导纤维作为光的传输媒介的光纤通信,其发展只有近四十年的历史。,随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视(CATV)，从单一类型信息的传输到多种业务的传输。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成
3、为未来国家信息基础设施的支柱。,光纤通信系统是以光导纤维和激光技术、光电集成技术为基础发展起来的通信系统，它具有频带宽、重量轻、体积小、节省能源，主要用于大容量国际、国内长途通信干线，也用于短局间中继。我国今后不再敷设新的长途电缆线路，而全部采用光缆。,光纤通信的发展可分为以下几代进程:第一代光纤通信系统，是以19731976年的850 nm波长的多模光纤通信系统为代表。第二代光纤通信系统，是20世纪70年代末,80年代初的多模和单模光纤通信系统。第三代光纤通信系统，是20世纪80年代中期以后的长波长单模光纤通信系统。第四代光纤通信系统，是指进入20世纪90年代以后的同步数字体系光纤传输网络。
4、,从通信网的发展来看第一代为纯电信网第二代通信网仅仅是用光纤代替铜线，使通信网的性能得到了某种改善，而网络的拓扑骨架基本上是之前的模式，光波通信的潜力尚未完全发挥。第三代通信网为全光通信网。1990年后，随着光纤与光波电子技术的发展，新颖光纤与半导体功能光器件相继问世，掀起了发展全光通信网的潮流。这种通信网中，不仅用光波系统传输信号，交换、复用、控制与路由选择等亦全部在光域完成，由此构建真正的光波通信网。,5.1.1 光纤通信的基本概念,光纤通信是以光波为载频，以光导纤维为传输媒介的通信方式。即利用光导纤维传输携带信息的光波信号的通信方式。,光纤通信系统由光发送机、光纤、光中继器和光接收机组成
5、。,光纤通信首先要在信源将欲传送的电话、电报、图像和数据等信号进行电/光转换，即把电信号先变成光信号。将电信号送至光发送机，对光源的光载波进行调制。再经由光纤（包括在本地进行光交换）传输到信宿，信宿必须将接收到的光信号作与发信端相反的变换，即进行光/电转换变成电信号，从而完成一次光纤通信的全过程。,光纤通信系统的组成,对于长距离的光纤通信系统，每隔一定距离需要接入光中继器。,实用的光纤通信系统一般都是双向的，每一端都有光发送机、光接收机和电发送机、电接收机并且每一端的光发送机和光接收机做在一起，称为光端机，电发送机和电接收机组合起来称为电端机。同样，中继器也有正反两个方向。,光纤通信也可分为模
6、拟通信和数字通信两种。模拟光通信中的光信号强度随电信号的变化而线性变化，通俗地讲，就是光线有“明”“暗”之分。数字光通信中的光信号与数字电信号相似，只有两种状态：“亮”和“灭”。,在实际应用中，作为一个完整的光纤通信系统，还应包括光中继器、监控系统、脉冲复接和脉冲分离系统、告警系统以及电源系统等。还需使用光连接器、光衰减器、光分路器、光耦合器、光分波器、光滤波器、光开关等。,纵观影响当今电信业的主要技术，很少有像光纤和光波传输系统那样能引发如此剧烈的变革。在光纤通信中，作为载波的光波频率比电波频率高得多，而作为传输介质光纤又比铜轴电缆或波导管的损耗低很多，因此相对电缆通信或微波通信，光纤通信具
7、有许多独特的优点。,4.1.2 光纤通信的特点,1.传输频带宽，通信容量大 采用波分复用(WDM)或光频分复用(OFDM)是增加光纤通信系统传输容量最有效的方法。,2.损耗很小，中继距离长 用做光纤的二氧化硅玻璃介质的纯净度增高，光纤的损耗降低。因此，中继距离可以很长，这样可在通信线路中减少中继站的数量，以降低成本并提高通信质量。,3.抗电磁干扰能力强 光纤是由纯度较高的电绝缘玻璃材料（二氧化硅）制成的，是不导电和无电感的，在有强烈电磁干扰的地区和场合中使用，光纤也不会产生感应电压、电流，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。,4.不产生串话、保密性强 光在光纤中传播时，几乎不向外
8、辐射。光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。因此在同一光缆中，数根光纤之间不会相互干扰，即不会产生串话，也难以窃听，所以光纤通信和其它通信方式相比有更好的保密性。,5.线径细、重量轻 光纤的直径很小，只有125m左右，因此制成光缆后，直径要比相同容量的电缆小得多，而且重量也轻。,6.资源丰富、节约有色金属和原材料 电缆是由铜、铝、铅等金属材料制成的，而光纤的原材料是石英，在地球上资源丰富，而且用很少的原材料就可以拉制很长的光纤。,7.容易均衡 在电通信中，信号的各频率成分的幅度变化是不相等的，频率越低，幅度的变化越小；频率越高，其幅度变化则越大。这对信号的接收极为不利，为使各频率成分都受到
9、相同幅度的放大处理，就必须采用幅度均衡。对光纤通信系统则不同，在光纤通信的运用频带内，光纤对每一频率的损耗是相等的，一般情况下，不需要在中继站和接收端采取幅度均衡措施。,8.抗化学腐蚀、使用寿命长 石英材料具有一定的抗化学腐蚀能力。比由铜或铝组成的电缆抗腐蚀和氧化能力强，绝缘性能好，适用于强电系统，使用寿命长，一般认为光缆的寿命为2030年。,9.光纤接头不放电、不产生电火花 进水和受潮对金属导线意味着接地和短路。光纤是由玻璃制成，光纤不产生放电，也不存在发生火花的危险，所以安全性好。它适用于矿井下、军火仓库、石油化工等易燃易爆的环境中，它是比较理想的防爆型传输线路。,光纤通信存在一些缺点，如
10、：需要光/电和电/光变换部分；光直接放大难；电力传输困难；光纤质地脆、机械强度低，弯曲半径不宜太小；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等。,4.2 光纤和光缆,光纤通信中采用的传输媒介是光纤（Optical Fiber，OF）。光纤是通信的物理基础，是一种能够导光的透明玻璃丝。光纤与加强元件、外护层等组合而成光缆。,4.2.1 光纤结构和类型,1.光纤的结构 光纤就是用来导光的透明介质纤维，光纤是由中心的纤芯(折射率n1)和外围的包层(折射率n2)同轴组成的圆柱形细丝。,实用的光纤结构为自内向外为纤芯、包层及涂覆层。纤芯和包层合起来构成裸光纤，光纤的光学及传输特性主要由它决定。涂覆
11、层包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层，作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。,光纤的结构,纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。,光纤结构,2.光纤的分类按光纤剖面折射率分布分类：(1)阶跃光纤（又称为均匀光纤）纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤。,(2)渐变型光纤（又称为非均匀光纤）纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，折射率分布曲线为抛物线。,(3)三角形光纤
12、 纤芯折射率分布曲线为三角形。,光纤折射率分布曲线,按传导模的数目分类：传导模指能够在光纤中远距离传输的传播模式。(1)多模光纤 当纤芯的几何尺寸（直径一般为50m）远大于光波波长(如1.55m)时，光纤剖面折射率分布为渐变型，外径125m。光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，称为多模光纤。,(2)单模光纤 当纤芯的几何尺寸较小（一般为8m10m），与光波长在同一数量级，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。,多模光纤,单模光纤,光在阶跃折射率多模光纤中的传播,光在渐变折射率多模光纤中的传播,按光
13、纤套塑结构分类(1)紧套光纤 就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。(2)松套光纤 就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。若一根管内有多根光纤，称为松套光纤束。,紧套光纤 松套光纤,套塑光纤结构,按传输波长分类(1)短波长光纤 波长为0.85m（0.8m0.9m）(2)长波长光纤 波长为1.3m1.6m，主要有1.31m、1.55m。还有超长波长光纤。,按光纤材料不同(1)石英光纤(2)氟化物光纤(3)全塑光纤现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。,4.2.2 光纤的导光原
14、理,光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为 v=c/n式中：c2.997105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.5左右)。,引用几何光学中的折射和反射原理解释光在光纤中的传播现象。1.光的折射和全反射 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：反射光线折射光线。并服从光的反射和折射定律。,反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：31。折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1
15、 sin1=n2 sin2 可见，当n1n2时，折射角大于入射角21。,当入射角1增大到某一值c时，可使折射角2=90，这时的入射角称为临界角。如果入射角大于临界角，光线将全部反射回光密媒介，成为全反射。光纤就是利用光的这种全反射特性导光的。全反射是一种重要的物理现象，当光波从光密介质射入光疏介质，且入射角1大于临界角c，光线将全部反射回去，产生全反射。即全反射必须满足：n1n2，c190。,全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。,全反射过程,2.光纤的导光原理(1)阶跃型光纤的导光原理 光线入射在纤芯与包层界面上会发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时，它被再次全反射回纤芯
16、中，这样所有满足1c的光线都会被限制在纤芯中而向前传输，这就是光纤传光的基本原理。,光的折射和光的反射,从几何光学角度看，并不是所有从空气射向光纤端面的光都能在光纤中满足全反射条件而传播。只有位于入射光线与光纤轴线夹角为0（数值孔径角或叫临界接收角）的圆锥体之内的那些光线，才能在光纤内满足全反射条件被光纤捕捉而形成传导模。位于这个圆锥体之外的光线，尽管也能入射到光纤中，但不能在光纤中形成全反射而传播，只能折射到光纤的包层形成辐射模，射入到空气中。,空气折射率n0n1,(2)渐变型光纤的导光原理 当光线入射角小于该光纤的数值孔径角0时光线都将被束缚在光纤纤芯中传播。选择合适的折射率分布就有可能使
17、所有光线同时到达光纤输出端。,4.2.3 光纤的传输特性,光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变(失真)，因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。,1.光纤的衰减特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。,光纤的损耗归纳为：本征损耗、光纤制造损耗和附加损耗等3类。主要取决于吸收损耗、散射损耗、几何缺陷损耗、弯曲损耗。决定光纤衰减常数的损
18、耗主要是吸收损耗和散射损耗。,光纤损耗的分类,光波在光纤中传输时，如果有部分光被光材料吸收，而转换为热能，这种衰减现象叫做吸收损耗。,由于光纤的结构不均匀，使光纤中传导的光在不均匀点变更其传播方向，这种现象称为光的色散，由此产生的损耗为散射损耗。,光纤吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH)等杂质对光的吸收而产生的损耗，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。吸收损耗前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。后者属于光纤制造损耗。,本征损耗：紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗
19、。红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损耗称为瑞利散射损耗。,光纤制造损耗：光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH。通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗。在光纤制造过程中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损耗。由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留
20、气泡和裂痕等等。,附加损耗：主要是由于光纤受到弯曲和微弯曲而产生。实际中，有两种情况的弯曲：一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲，习惯称为弯曲或宏弯；一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯曲。在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。光纤的弯曲会引起辐射损耗。微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损耗机理和弯曲一致。,光纤损耗谱特性,吸收损耗和散射损耗均与传输光能的波长有关。曲线中有几个衰减小的“传输窗口”：=0.80.9 m，为短波长窗口；=1.3 m或1.55m，为长波长窗口。瑞利散射损失曲线和材料
21、固有吸收损失曲线相交形成=1.55 m处的最低损失窗口，衰减可达0.15 dB/km以下。,2.光纤的色散特性 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按赤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。,自然光的色散,不同波长的光在空气中传播时具有相同的速度和折射率。而在玻璃中传播时，它们的速度V各不相同。根据 n=C/V 可知，石英玻璃对波长不同的光波将呈现不同的折射率。在一定波长范围内，波长越长，传播速度越快，折射率越小。,光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不
22、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。色散一般用时延差来表示，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。光纤的色散有模间色散、模内色散。,多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称为模间色散。对于单模光纤，由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的传播速度，在传输过程中，不同波长的光束的时间延迟不同而产生色散，称为模内（色度）色散。模内色散包括材料色散和波导色散。,光源辐射的光载波，严格讲不是单一频率，其总是占据一定的频谱宽度，而光纤材料折射率随频率而变化，因此，信号不同
23、频率分量具有不同的传播速度，即经过不同的时延到达接收点，从而引起光纤的脉冲展宽，称为光纤的材料色散。,在特定结构的光纤中，传输模的个数以及它们的传播常数与光波长有关。这种色散称为光纤的波导色散。由于波导色散是由光纤几何结构决定的，故也称为结构色散。,光纤的色散（模间色散、模内色散）会限制光纤的传输带宽。对多模光纤，带宽主要受模间色散的限制；对单模光纤，影响带宽的是材料色散和波导色散。,光纤的色散种类和特点,光纤的色散会使入射光信号的不同频率成份或不同模式间产生传播延时差，传输至光纤末端时，有的先到达，有的后到达。各频率成分或各模式的合成对模拟信号来说将出现信号失真；对数字信号来说，将使合成光脉
24、冲展宽。色散越大，脉冲展宽越多。,色散引起的脉冲展宽,色散使沿光纤传输的光脉冲展宽，最终可能使两个相邻脉冲发生重叠。重叠严重时使接收机无法区分它们，造成误码。,光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减。,通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)。3dB光带宽对应于6dB电带宽。,4.2.4 光缆,1.光缆结构 根据不同的
25、用途和条件,制成的光缆种类很多,但其基本结构是相同的。所谓“光缆”就是由多根光纤和辅助联络信号线、加强构件、填充物以及外护层构成。,光缆中加强构件是由钢丝线、钢绞线和芳伦纤维（非金属）材料构成。加强件在缆中的位置可以是中心式，也可以分布式或铠装式。其目的是为了使光缆便于承受敷设安装时所施加的外力等。,光缆结构,2.光缆的种类（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。,层绞式结构光缆,12芯松套层绞式直埋光缆,6芯紧套层绞式光缆,12芯松套层绞式直埋防蚁光缆,自承重架空光缆,自承式光缆,8字型自承式光缆,铠装地埋光缆,6
26、48芯松套层绞式水底光缆,12芯松套+8芯2线对层绞式直埋光缆,（2）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。,中心束管式带状光缆,层绞式带状光缆,（3）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。,骨架式结构,70芯骨架式光缆,41000芯光纤带骨架式光缆,12芯骨架式光缆,骨架式自承式架空光缆,（4）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。,12芯束管式
27、光缆,212芯中心束管式光缆（钢丝铠装）,648芯束管式光缆,LEX束管式光缆,（5）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆。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,还有特殊结构的光缆，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。目前通信主要光缆可分为（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。,236芯
28、松套层绞式水下光缆,2144芯阻燃松套层绞式光缆,室外光缆层绞式阻燃光缆,海底光缆,管道光缆,浅海光缆,深海光缆,水下光缆,4.3 光纤传输设备,光纤传输设备包括：终端设备中继设备即光端机和光中继机。,通信距离长时需要加光中继器延长通信距离。,4.3.1 光端机的作用及其基本组成,光端机是光纤通信系统中的光纤传输终端设备，位于电端机和光纤传输线路之间。每一部光端机包含光发送机和光接收机两部分，光发送机完成E/O（电/光）转换，光接收机完成O/E转换，光纤实现光信号的传输。,1.光端机的作用一是将电端机汇集的各种待发送的电信号转变成适合光纤传输的光信号，并送入光纤线路进行传输。二是将由光纤传输线
29、路传来的对端的已调光信号转换成电信号，经处理后送至电端机。,2.基本组成 光发送机主要由输入接口、光线路码型变换和光发送等电路组成。光接收机主要由光接收、光线路码型反变换和输出接口等电路组成。光端机有主备用机，可自动倒换。,4.3.2 光发送电路,1.基本组成及其作用 数字光发送机的基本组成包括预处理（均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取）、光源、光源的调制（驱动）电路、光源的控制电路（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。,信道编码电路,光源驱动与调制电路,光发送电路用于将经过处理的电信号对光源进行调制，形成已调光信号复合到光纤中。,数字光发送机原理,信道编码电路,光源驱动与调制电路
30、,补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。,将HDB3码或CMI码（传号反转码）变化为NRZ码。,用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。,使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。,提取PCM中的时钟信号，供给其它电路使用。,完成电/光变换任务。,产生作为光载波的光信号。,稳定工作温度。,稳定输出的平均光功率。,光源过流保护电路、无光告警电路、LD偏流（寿命）告警等。,2.光源（1）对光源的要求 发送光波的中心波长应在0.85m、1.31m和1.55m附近。光源输出的光功率要足够大，且稳定度要高。可靠性高，寿命长。光谱的谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。允许的调制速率要高或响应
31、速度要快，以满足系统大的传输容量。电/光转换效率高，发送光束方向性好，以提高耦合效率。器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。,输出光功率、谱线宽度、调制速率和光束方向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源最重要的技术指标。光发射部分的核心是产生激光或荧光的光源，它是组成光纤通信系统的重要器件。目前，用于光纤通信的光源主要是激光二极管(LD)和发光二极管(LED)。前者发出的是激光，而后者发出的是荧光。,发光二极管(LED)和激光二极管(LD),光源的种类及特性,（2）半导体光源的发光机理 物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。最低的能级
32、E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级E i（i=2，3，4，）都称为激发态。,基态,激发态,当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为E=E2E1，并以光子的形式释放出来。当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量E=hf12的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。,光与物质的三种作用形式 光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。,受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级E1（即基态），在入射光作用下，电子会吸收光子的能量跃迁到高能级E2（即激发态）上，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收光电
33、检测器。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。,自发辐射 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射发光二极管。,受激辐射 在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射激光器。,(a)自发辐射；(b)受激吸收；(c)受激辐射,半导体发光器件是通过电子在能级之间的跃迁而发光的。在构成半导体晶体的原子内部各个电子都占有
34、所规定的能级。处于不同轨道上的核外电子具有的能量不同，外层轨道电子能量大，内层轨道上的电子能量小。,半导体的能带 在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示。,能量低的能带是价带，相对应于原子最内层电子（价电子）所填充的能带，处在价带的电子被原子束缚，不能参与导电。价带中电子在外界能量作用下，可以克服原子的束缚，被激发到能量更高的导带之中去，成为自由电子，可以参与导电。,E
35、1,E5,如果让占据较高能级Ej的电子跃迁到较低能级Ei上，就会以光的形式放出等于能级差的能量，这时能级差Eg和光的振荡频率fij 之间的关系为 Eg=(Ej-Ei)=fij h。式中h为普朗克常数(h=6.62610-34 焦耳秒)。可见，不同能级间电子的跃迁所发光的频率是不同的。,半导体发光器件由适当的P型材料和N型材料所构成，两种材料的交界区形成P-N结，如果在P-N结上加上正向电压，则N型区的电子及P型区的空穴源源不断地流向P-N 结区。在那里电子与空穴自发地复合，复合时电子从高能级的导带跃迁至低能级价带而产生与跃迁所释放的能量相等的光子。在这种情况下，各个光子在时间上及方向上都不相同
36、，这种光称为自发光,该发光器件叫做发光管。,发光二极管(LED)是低速、短距离光通信系统中常用光源。LED的原理是在LED注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。LED是非相干光源，它的发光过程是自发辐射过程，发出的是荧光，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。,(a)光的自发辐射(b)光的受激辐射,另一种光称为激光，是利用谐振腔产生振荡的原理而获得的。在P-N结的两端加工出两个平行光洁的反射镜面。此镜面垂直于P-N结的平面，和它的长度方向形成一个谐振腔。当施加正向电压于P-N结时，P-N结内首先发出自发光，其中部分光子沿着与反射面垂直的方向前进，这一部分光子受反射镜面的反射，在谐振腔内
37、来回反射。,同时，激发腔内的电子与空穴复合（受到产生的光子的作用），即激发电子从导带跃迁至价带而产生新的光子。部分新产生的光子也同样在谐振腔内来回反射。只要外加的电压和电流足够大，那么光子的来回反射将激发更多的光子，产生正反馈作用，使受激辐射大为加强，遂产生激光。反射镜面是半透明的，既可使部分光子反射回腔内，也可让部分光子辐射出去。这种发光器件叫做激光器。,明,半导体激光器在正向偏压下工作，在正向偏压的作用下，电子流不断注入P-N结，使P-N结的载流子失去平衡而处于粒子数反转状态。当那些高能级上的粒子向低能级跃迁时就发出光子。光学谐振腔起反馈及选频作用，光束在这里来回反射而得到增强。当满足振荡
38、条件时，就可得到激光。,（3）半导体激光器的特性P-I特性（输出光功率特性）当注入电流I增加时，输出光功率P随之增加，当I增加到阈值Ith时，输出光功率急剧增加。,产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。,激光二极管LD的P-I曲线,光谱特性 光源谱线宽度是衡量器件发光单色性的一个物理量。激光器发射光谱的宽度取决于激发的纵模数目。观察半导体激光器的光谱，可以看到激光器的光谱随激励电流而变化。当激励电流低于阈值电流时，发出的是荧光，这时的光谱很宽。当电流增大到阈值时，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，这表明出现了激光。由此可知，光谱变窄，单色性加强是半导体激光器达到阈
39、值时的一个特征。因而可通过激光器光谱的测量来确定阈值电流。,(a)单纵模；(b)多纵模,激光器的激射频率会随注入电流微量变动,温度特性 半导体激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大。尤其是工作于长波长波段的激光器，阈值电流Ith对温度更敏感。,短波长LD温度特性,长波长LD温度特性,激光器的寿命可以用阈值电流的增值来估量。通常激光器的阈值随使用时间增长而增大。经验表明，激光器的阈值增大在50%内，能继续工作，当阈值增达 3 倍时，激光器将迅速损坏。目前，激光器的寿命尚是一个薄弱环节。它对光纤通信系统的可靠性有决定性作用。,（4）发光二极管的特性 当注入电流较小时，发光二极管的输出功率曲线基本是
40、线性的。所以LED广泛用于模拟系统。LED的辐射光谱比LD宽很多，如长波长谱宽可达 100 nm，短波长LED也有数十纳米。由于光谱宽，光纤材料色散会引起较大的光脉冲展宽，限制了传输速率和距离。温度对发光二极管的光功率影响比半导体激光器要小。,短波长LED温度特性,长波长LED温度特性,3.光调制技术（光源驱动）光调制是用待发送的电信号控制光载波的某一参量，使之携带发送信息的过程，即电/光变换。可分为直接调制和间接调制两大类。目前采用的主要是直接光强度调制，并由光源驱动电路完成。直接调制方法仅适用于半导体光源(LD和LED)，这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED，从而获得相应
41、的光信号，所以采用电源调制方法。,因为发光二极管和半导体激光器的输出光功率(对激光器来说，是指阈值以上线性部分)基本上与注入电流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈线性，所以可以通过改变注入电流来实现光强度调制。,从调制信号的形式来说，光调制又可分为模拟信号调制和数字信号调制。模拟信号调制是直接用连续的模拟信号(如话音、电视等信号)对光源进行调制，把连续的模拟信号电流叠加在直流偏置电流上，适当地选择直流偏置电流的大小，可以减小光信号的非线性失真。模拟调制电路，应是电流放大电路。,发光二极管的模拟调制(a)模拟调制原理；(b)简单的模拟调制电路,（a）LED数字调制原理(b)LD的数字调制原
42、理,输出光信号,p,I,t,Iin,输入电信号,p,I,输出光信号,输入电信号,Iin,Ith,Ib,输出光功率将随调制信号的电流变化而变化。即输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号。在LED上要加以小的直流正向偏置(01mA)，其目的是提高LED的响应速度。至于调制电流的幅度ID，应根据LED的P-I特性来选择，既要保证有足够的输出光脉冲的幅度，又要考虑LED对电流的承受能力。,由于LD是阈值器件，当激光器的驱动电流大于阈值电流Ith时，输出光功率P和驱动电流I基本上是线性关系。必须在LD上加稍低于阈值电流Ith的偏置电流IB，再叠加调制电流ID。一般偏置电流IB取(0.71.
43、0)Ith。调制电流ID幅度的选择，应根据LD的P-I特性曲线，既要保证有足够的输出光脉冲的幅度，又要考虑光源的负担，还要考虑选择光源的线性区域。,直接光强度数字调制,ID,4.3.3 光接收电路,1.基本组成及其作用 光接收电路的作用是将通过光纤传来的衰减后的光信号，变为电信号，再经放大均衡和定时再生恢复为原数字信号后，供终端处理使用。包括:光电检测器、光信号接收电路和信道解码电路三部分。由光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路组成。,数字光接收机,光信号接收电路,信道解码电路,利用光电二极管将发射光端机经光纤传送过来的光信号转换为电信
44、号。完成光/电信号的转换。,前置放大和主放大：将电信号放大到足够电平输出给均衡器。,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。,用反馈环路来控制主放大器的增益。,把经均衡后的波形判决再生为原来的波形。,发端编码和扰码的逆过程。,从接收信号中提取时钟。,2.光检测器(1)对光检测器的要求 在系统的工作波长上要有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，光电检测器能输出尽可能大的光电流。波长响应要和光纤的3个低损耗窗口兼容。有足够高的响应速度和足够的工作带宽。,产生的附加噪声要尽可能低，能够接收极微弱的光信号。光电转换线性好，保真度高。工作性能稳定，可靠性高，寿命长。功耗和体积小，
45、使用简便。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。,(2)PIN光电二极管 用作光电检测的P-N结常用工作方式是通过外电路对P-N结加反向偏压，在这种状态下工作的P-N结器件称为光电二极管(PD)。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。,光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。当外电路接通时，就会有光生电流Is流过负载。入射到P-N结的光越强，光生电动势就越大。如果将被调制的光信号照射到该连接了
46、外电路的光电二极管的P-N结上，它就将被调制的光信号还原成带有原信息的电信号。,光电二极管工作原理(a)光电效应(b)加反向偏压后的能带,光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。,PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层。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。,原理：把电源通过负载R给P-N结加反向偏压，当其受到适当波长的光照射时，在偏置电路中形成
47、光电流。入射到P-N结的光越强，负载R得到的电流越大。,PIN光电二极管工作原理,(3)雪崩光电二极管(APD)雪崩光电二极管APD是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当外加很高的反偏电压时，在光的照射下将使载流子急剧增加，产生“雪崩”现象，从而在外偏置电路的负载RL上获得较大的光电流。当反向偏压增加到一定数值时，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。,根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和
48、晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。,APD载流子雪崩式倍增示意图,APD工作原理,I,4.3.4 接口及线路码型变换,PCM设备经电缆输送给光端机的数字码是双极性码。目前常用的双极性码有HDB3码和CMI码。HDB3码适用于(234)Mb/s（13次群）的数字信号接口。而CMI码适用于140Mb/s数字信号接口。,对于光纤数字系统，目前主要采用光强度调制方式，即传输信息仅用发光器件发出的光“有”或“无”（“亮”和“暗”）两种状态代表调制信号，因此只宜采用单极性码。,PCM通信系统中的接口速率和
49、码型：PCM系统中的这些码型并不都适合在数字光纤通信系统中传输。为此，在光端机中必须进行码型变换。,1.接口处理输入和输出接口电路的主要作用：将PCM数字复接设备送来的数字信号(一、二、三次群为HDB3码，四次群为CMI码)变换成单极性的不归零二进制信号，以便提取时钟和实现光调制。输出接口则完成相反的过程。,要点：光端机与电端机接口时，首先要有接口码型变换，双极性码单极性码；单极性码信号在光纤中传输时，光端机要有相应的线路码型变换，进一步把信码变为线路码型。,2.线路码型变换与反变换 在光发送机中，码型变换是把NRZ码变成适合在光纤线路中传送的线路码型，再送入光发送设备中调制光源。在光接收机中
50、，先把检测出来的线路码通过反变换还原为单极性NRZ码，经输出接口编成接口码型，由连接电缆送给PCM设备。,数字光发射机的组成,双极性码NRZ码,NRZ码线路码型,数字光接收机的组成,对传输码型的主要要求有：(1)能提供足够的定时信息，减少码流中长连“0”或长连“1”的码字；(2)“0”、“1”分布均匀，以利于端机和中继设备的定时提取，便于信号再生判决；(3)有一定的规律，便于进行不中断业务的误码检测；(4)设备简单、功耗低；(5)能传输监控、公务和区间信号；能实现比特序列独立性，即不论传输的信息信号如何特殊，其传输系统都不依赖于信息信号，而进行正确的传输。,线路码型的种类：扰码 在系统光发射机
