【正文】 12 60 信號的數(shù)字化 ? 信號的數(shù)字化： 將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號 ，一般需要完成采樣、量化和編碼三個步驟 ? 采樣 是指用每隔一定時間間隔的信號樣本值序列代替原來在時間上連續(xù)的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化 ? 量化 是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量、有一定間隔的離散值。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 66 二、光通信用的激光光源 ? 半導(dǎo)體發(fā)光二極管 — LED ? 正面發(fā)光型 ：驅(qū)動電流小，輸出功率大； ? 側(cè)面發(fā)光型 ：驅(qū)動電流大，輸出光功率小，但光束輻射角較小，與光纖耦合效率高，其入纖光功率比正面發(fā)光型 LED大。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 74 N型 P型 光柵 有源層 DFB激光器 DBR DBR激光器 DBR 泵浦區(qū) N型 P型 DFB激光器中反饋發(fā)生在整個光腔有源區(qū)長度上，但 DBR激光器中的反饋并不發(fā)生在有源區(qū)內(nèi)。但調(diào)諧并不連續(xù)。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 84 ? 量子阱激光器可以只含 1個量子阱 (單量子阱 )，也可以含多個量子阱，還可以在內(nèi)部制造波紋光柵，構(gòu)成量子阱 —— 分布反饋 (QWDBF)激光器，從而獲得更窄的譜線寬度和更好的性能。 ? 下面 b圖可通過改變光纖外腔的長度實現(xiàn)波長調(diào)諧；或改變半導(dǎo)體激光器的電信號調(diào)制頻率，也可改變波長。 圖 3 LiNbO3電光效應(yīng)強度調(diào)制器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 94 四、光源與光纖的耦合及組件 ? 目前，面發(fā)光 LED與邊發(fā)光 LED同多模光纖的耦合效率可分別達到 1％和 10％，邊發(fā)光 LED與單模光纖的耦合效率小于 1％。與單模光纖的耦合效率主要決定于光源輻射光與光纖基模的匹配程度。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 106 光無源器件 ?光纖連接器 ?光耦合器 ?波分復(fù)用 /解復(fù)用器與光濾波器 ?光隔離器與光環(huán)行器 ?光衰減器 ?光開關(guān) ?調(diào)制器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 107 ? 一個完整的光纖通信系統(tǒng)，除了光纖、光源和光檢測器外，還需要許多配套的功能部件，特別是無源器件，它們對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴展或性能的提高，都是不可缺少的。 耦合器 大多 與波長無關(guān) ， 與波長有關(guān) 的耦合器專稱為波分 復(fù)用器 /解復(fù)用器 。其作用是消除光路中不連續(xù)處產(chǎn)生的反射光對光源、光放大器以及光路系統(tǒng)中產(chǎn)生的不良影響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。（ 40o，一般取 5o或 10o） ? (3)吸收型光衰減器 ：它是采用光學(xué)吸收材料制成衰減片，對光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。但泵浦效率相當(dāng)?shù)?，典型值?，而EDFA卻高達 11dB/mw。于是科學(xué)家們開發(fā)了工作在 ，要求的泵浦波長是 。光通過衰減片時主要是反射和透射，由膜層厚度的不同來改變反射量的大小，從而達到改變衰減量的目的。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是 SiO2，橫截面為矩形或半圓形。 ? 應(yīng)滿足的要求： ? 連接損耗要小 ? 裝拆方便（操作方便）； ? 穩(wěn)定性好；指連接后，插入損耗隨時間、環(huán)境的變化不大 ? 重復(fù)性好；一般要求重復(fù)使用次數(shù)大于 1000次 ? 互換性好；要求同一種型號的活動連接器可以互換 ? 體積小，重量輕，成本低 ? 光纖連接器分為兩類： ? 活動連接器 —— “活接頭 ”，主要用于光纖線路兩端與端機的連接中 ? 固定連接器 —— 不能拆卸，或只能進行破壞性拆卸的連接器，俗稱“死接頭 ” 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 110 光纖固定接頭的方法 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 111 帶狀陣列式連接器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 112 二、光纖耦合器 作用： 耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。 光檢測器 光檢測器，又稱檢波器、探測器 作用： 接收光信號，完成光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊环N有源器件 ?一、光纖通信對光檢測器要求 ?二、光電二極管 PD ?三、改進型光電二極管 PIN ?四、雪崩光電二極管 APD 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 100 一、光纖通信對光檢測器要求 ?高的光電轉(zhuǎn)換效率 ?足夠快的響應(yīng)速度 ?高的接收靈敏度 ?低的功耗 ?穩(wěn)定、可靠、便宜 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 101 二、光電二極管 PD ? 工作原理： 加反向電壓 (與自建場方向相同 )，有光照 (hfEg)→ 價帶中電子吸收光子能量，躍到導(dǎo)帶 (受激吸收 )成為自由電子 ? 過程： 在電場作用下， 耗盡區(qū)內(nèi)： 電子 (漂移 ) →N 區(qū) N區(qū) 空穴 (漂移 ) →P 區(qū) P區(qū) (光 ? ?電流 ?) → 完成光 /電變換 條件： hfEg 或 λhc/Eg，截止波長 λc=凡是 λ λc的光，才有光電效應(yīng)， 擴散 形成光生電流 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 102 三、改進型光電二極管 — PIN ? 結(jié)構(gòu) ： P— I— N 三層結(jié)構(gòu) ? 原理 ： hfEg →( 光照 )受激吸收 → 電子漂移 → 擴散 → 形成光生電流 ? 好處 ：量子效率高，響應(yīng)速度快 ? Si— PIN， 響應(yīng)波長 ～ 1μm,響應(yīng)時間幾個 ns ? Ge— PIN， 響應(yīng)波長 ～ ,響應(yīng)時間 20多個 ns PIN光電二極管的結(jié)構(gòu) 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 103 四、雪崩光電二極管 APD ? 結(jié)構(gòu)： 在 N、 P區(qū)大量摻雜，使各自的多數(shù)載流子濃度變大 ? 特點： 可承受很高的反向偏壓 PIN： 0~20V， APD： 20~150V ? 原理： 加高反偏電壓 → 耗盡區(qū)形成強電場 → 光照(克服 Eg) → 形成初始載流子 → 有高能量 (或運動速度很快 ) → 運行中高速碰撞 → 產(chǎn)生新生載流子 (由碰撞產(chǎn)生 )→ 新生載流子和原始載流子再撞擊 → 電子濃度瞬時猛增 → 電流急劇增長 → “雪崩”、“倍增” → 完成光 /轉(zhuǎn)換 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 104 APD載流子雪崩式倍增示意圖（只畫出電子） 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 105 APD結(jié)構(gòu)圖 我國高速接收器件的研制相對落后，目前的通信結(jié)構(gòu)為 ／ s，但 10Gb／ S的 PIN— TIA光接收器組件已達國際先進水平。 ? LD的發(fā)光面尺寸及發(fā)散角均比 LED小，因此與相同數(shù)值孔徑的光纖的耦合效率要高得多。電光效應(yīng)是指外電場加到晶體上引起晶體折射率變化的現(xiàn)象。 ? 該激光器不僅輸出激光的線寬窄，易與光纖耦合，而且通過對光柵加以縱向拉伸力或改變 LD的調(diào)制頻率就能控制輸出激光的頻率和模式。由于它的波長由在布拉格段的內(nèi)建光柵決定，這種激光器工作穩(wěn)定，對相干通信系統(tǒng)是很有用的 . 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 81 波長可調(diào)諧耦合腔半導(dǎo)體激光器 多段 DBR激光器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 82 多縱模激光器發(fā)展到單縱模激光器的演化過程 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 83 量子阱（ QW）激光器 ? 基本 結(jié)構(gòu) 與普通的雙異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)類似，只是 有源區(qū)的厚度很薄 ，通常的 DH激光器為：1000～ 2022? (1197。m )分開。 ? DFB機制產(chǎn)生模式選擇的條件為布拉格條件，只有當(dāng)波長滿足下式，耦合才發(fā)生。 ? 單色性和方向性好 ，以減少光纖的材料色散，提高光纜和光纖的耦合效率。 輔助系統(tǒng)： 包括監(jiān)控管理系統(tǒng)、告警處理系統(tǒng)、電源供給系統(tǒng)、公務(wù)通信系統(tǒng)、區(qū)間通信系統(tǒng)、自動倒換系統(tǒng)，即輔助信號的傳輸方式的考慮等。 綜合業(yè)務(wù) 光纖接入網(wǎng) ，分為有源接入網(wǎng)和無源接入網(wǎng)，可實現(xiàn)電話、數(shù)據(jù)、視頻 (會議電視、可視電話等 )多媒體業(yè)務(wù)綜合接入核心網(wǎng)，提供各種各樣的社區(qū)服務(wù)。 全網(wǎng)由 2個環(huán)組成 。這時，水下機器人又要“上陣”了：對修復(fù)的海底光纜進行“沖埋”，即用高壓水槍將海底的淤泥沖出一條溝，將修復(fù)的海底光纜“安放”進去。 用相同辦法將另一段光纜也拉出海面。中國電信通達世界的國際光纜網(wǎng)絡(luò)將為其在 21世紀(jì)的發(fā)展與競爭創(chuàng)造一個廣闊的舞臺。到 1998年，基礎(chǔ)網(wǎng)建設(shè)取得重大成果。研制出應(yīng)變多量子阱 DFB激光器， STM STM4 收 /發(fā)模塊和 STM16接收模塊。 ? 1992年，研制出摻鉺光纖 EDF 。 ? 1989年，漢陽－漢南 140Mbit/s 單模光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗收。 ? 1982年，研制成功長波長用的激光器組件和探測器組件（ PINFET）。研制出 GaAsLD 。 光纖，激光空間傳播 光通信 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 13 ? 紅外光：波長 λ ? 紫外光：波長 λ ? 可見光： λ ,其波長范圍能被人眼感覺到 ? 目前光纖通信使用的波長范圍是在 近紅外區(qū) 內(nèi)， 即波長 λ 為 : ~ 頻率 f 為 : (~) 1014Hz ? 可分為短波長段： ， 長波長段： 這是目前所采用的 三個通信窗口 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 14 ? 光纖通信的問世，有兩大難題： 光源 傳光媒質(zhì) ? 第一個難題：光源很多，需相干光源，且工作穩(wěn)定 到 1960年美國人 Maiman發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，但工作時間不長 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 15 激光特點 ? 能量高度集中 ? 頻率單一 ? 方向性好 ? 相干性好（頻率、相位、偏振方向、傳播方向一致） 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 16 第二個難題：傳輸媒質(zhì)－ 1 ? 1950年，光在光纖中傳輸問題開始了理論研究 ? 1951年，發(fā)明了醫(yī)用光導(dǎo)纖維，但損耗太大 ? 60年代，提出許多方法，用氣體透鏡系列進行光限制傳輸 ? 1966年，英籍華人高琨 ()博士提出：電沿著導(dǎo)線傳輸，光也能沿著線傳，可利用 SiO2石英玻璃制成低損耗光纖的設(shè)想。 光通信的器件 ? 光源 ? 光檢測器 ? 光無源器件 ? 光放大器 ? 167。 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 ?一、光通信的發(fā)展史 ?二、 先進 國家光纖通信的發(fā)展 ?三、我國光纖通信事業(yè)的發(fā)展 ?四、云南省光纖通信事業(yè)發(fā)展 ?五、光纖通信的發(fā)展趨勢 167。T、 MCI、 SPRINT公司，光纖化程度已分別高達 100％、 88％和 100％ 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 23 世界成纜市場銷售量光纖、 世界市場單模光纖平均價格 年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2022 2022 總長度/104km 1810 2300 2900 3470 4070 4730 5580 6570 價格 / ($/km) 68 67 72 69 60 52 46 44 年份 1998 1999 2022 2022 2022 2022 單模光纖總長度/104km 4110 4600 5350 6230 7200 8110 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 24 三、我國光纖通信事業(yè)的發(fā)展 ? 我國的光通信 起步較早 ， 70年代初 就開始了大氣傳輸光通信的研究，隨之又進行光纖和光電器件的研究，自 1977 年初 ，研制出 第一根石英光纖 起，跨過一道道難關(guān)，取得一個又一個零的突破。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 25 我國光纖通信事業(yè)的發(fā)展－ 1 ? 1980年， 1300nm 窗口衰減降至 ， 1550nm 窗口衰減為 。 ? 1984年，武漢、天津 34Mbit/s市話中繼光傳輸系統(tǒng)工程建成（多模）。成功地研制出 1550nm分布反饋激光器（ DFBLD）。上海－無錫 565Mbit/s 單模光傳輸系統(tǒng)工程通過郵電部鑒定驗收。研制出 OADM、 OXC樣機。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 31 我國光纖通信事業(yè)的發(fā)展－ 7 ? 僅 1998年，全年新建成 13條長途光纜干線，完成了 14條長途光纜干線的擴容工程；全國電信光纜總長達 100萬公里。 ? 以上情況使中國電信到北美、臺灣等方向的互聯(lián)網(wǎng)電路大量中斷，到歐洲、亞太等方向的專線、話音電路部分中斷。另一段裝上浮標(biāo)，暫時任其漂在海上。到93年時建成光纜總長約 1萬公里，除怒江、迪慶外均被覆蓋。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 48