【正文】 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 150 數字光通信系統(tǒng) ? 1. 光發(fā)射機 ? 光發(fā)射機的主要功能是將電端機送來的電信號轉換為適合于光纖中傳輸的光信號，其原理框圖如下： 線路編碼 控制電路 光纖 光源 調制電路 LED/LD 電信號 光信號 167。但泵浦效率相當低，典型值＜ ，而EDFA卻高達 11dB/mw。于是科學家們開發(fā)了工作在 ，要求的泵浦波長是 。 光放大器 一、光放大器分類 二、光放大器的主要功能 三、摻雜光纖放大器 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 143 一、光放大器分類 ?半導體激光放大器 (SLA) ?法布里－珀羅型激光放大器 ?行波半導體激光放大器 ?光纖型光放大器 ?光纖喇曼放大器 (FRA) ?光纖布里淵放大器 (FBA) ?光纖參量放大器 (FPA) ?摻雜光纖放大器 (EDFA) 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 144 二、光放大器的主要功能 ? 超長距離、超大容量的光纖通信系統(tǒng)，特別是適合于陸地長干線和海下系統(tǒng) ? 光孤子通信，以在線光放大器延伸通信距離，即作在線中繼光放大器 ? 光纖用戶系統(tǒng)中，主要用于補償耦合所造成的光損耗，提高用戶數目，起到功率放大作用，如寬帶業(yè)務、CATV等 ? 光波復用系統(tǒng)中提高復用密度 如摻鉺光纖放大器的增益帶寬可達 1THz，若按 1GHz進行頻率分割，可達 1000路的復用通信容量 ? 用于光電測量及其它信息處理系統(tǒng)中 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 145 光發(fā)射機 光接收機 光纖 光纖 EDFA EDFA 在線放大器 光發(fā)射機 光接收機 光纖 EDFA 功率放大器 光發(fā)射機 光接收機 光纖 EDFA 前置放大器 光發(fā)射機 光接收機 節(jié)點 EDFA 補償損耗放大器 光纖總線 a、在線放大器 b、光發(fā)射機功率增強器 c、接收機前置放大器 d、局域網中用于補償分配損耗 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 146 光纖放大器構成方框圖 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 147 三、摻雜光纖放大器 ? 摻鉺光纖放大器（ EDFA） 是利用摻鉺光纖這一活性介質，當泵浦光輸入到 EDF中時，就可以將大部分處于基態(tài)的 Er 3+抽運到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的 Er 3+又迅速無輻射地轉移到亞穩(wěn)態(tài)上，由于 Er 3+在亞穩(wěn)態(tài)上的平均停留時間為10ms，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數反轉，此時，信號光子通過摻鉺光纖，在受激輻射效應作用下產生大量與自身完全相同的光子，使信號光子迅速增多，這樣在輸出端就可以得到被不斷放大的光信號。 ? 要求： 插入損耗低、轉換重復性好、開關速度快、使用壽命長、結構緊湊 ? 主要指標： 插入損耗、開關 (轉換 )速度 (ms量級 )、消光比：接收機 10lgP通 /P斷 ? 分類： 機械式光開關： 利用電磁鐵或步進電機驅動光纖、棱鏡或反射鏡等光學元件實現(xiàn)光路轉換 ? 優(yōu)點：插入損耗小，串擾小，適合各種光纖，技術成熟 ? 缺點：開關速度慢，結構不緊湊，容易受振動、沖擊的影響，消光比較大 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 139 棒透鏡 棱鏡 可動光纖 光纖固定裝置 反射鏡 GRIN透鏡 0 1 6 2 4 5 3 1 6機械式光開關 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 140 光開關－ 2 ? 機械式光開關可分為鏡可動型和光纖可動型兩種 固體光開關 ，又稱非機械式光開關：利用磁光效應、電光效應或聲光效應實現(xiàn)光路轉換 ? 優(yōu)點：開關速度快，重復性好，可靠性高，使用壽命長，尺寸小，可單片集成 ? 缺點：插入損耗大，串擾大，應予改進 半導體光波導開關 ：通過改變波導區(qū)內折射率達到光波的導通或截止。（ 40o，一般取 5o或 10o） ? (3)吸收型光衰減器 ：它是采用光學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。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。 ? 光衰減器的 工作機理主要有三種 ： ? (1)耦合型光衰減器 ：它是通過輸入、輸出光束對準偏差的控制來改變光耦合量的大小，從而達到改變衰減量的目的。 ? 要求及主要指標 ：插入損耗小 (1~2dB)、隔離度大 (反向衰減 )(30~40dB)、飽和磁場低、價格便宜、體積小、便于集成 ? 組成： 由起偏器、檢偏器及法拉第轉子材料所組成的法拉第旋光器等組成。其作用是消除光路中不連續(xù)處產生的反射光對光源、光放大器以及光路系統(tǒng)中產生的不良影響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。波導的材料根據器件的功能來選擇，一般是 SiO2，橫截面為矩形或半圓形。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 116 ? 微器件型： 用自聚焦透鏡和分光片、濾光片或光柵等微光學器件可以構成各種耦合器。 光纖 a(直通臂 )傳輸的輸出光功率為 Pa，光纖 b(耦合臂 )的輸出光功率為 Pb, 則 Pa=Cos2(CλL) ； Pb=Sin2(CλL)； L— 耦合器有效作用長度； Cλ為取決于光纖參數和光波長的耦合系數。 耦合器 大多 與波長無關 ， 與波長有關 的耦合器專稱為波分 復用器 /解復用器 。 ? 應滿足的要求： ? 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 ? 重復性好；一般要求重復使用次數大于 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。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 108 光發(fā)射機 隔離器 連接器 分路 開關 開關 合路 連接 連接 衰減器 連接器 光接收機 按器件在傳輸線路上所發(fā)揮的功能可分為：光纖連接器、耦合器、合 /分路器、光開關、光衰減器、光隔離器、光環(huán)形器等。 ? 作用 ：連接光波導和光路；控制光的傳播方向；控制光功率達分配；控制光波導之間、器件之間和光波導與器件之間的光耦合；合波、分波等。 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 ?波分復用 /解復用器與光濾波器 ?光隔離器與光環(huán)行器 ?光衰減器 ?光開關 ?調制器 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)的構成、功能的擴展或性能的提高，都是不可缺少的。 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 ?高的光電轉換效率 ?足夠快的響應速度 ?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，躍到導帶 (受激吸收 )成為自由電子 ? 過程： 在電場作用下， 耗盡區(qū)內： 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， 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 ? 結構 ： P— I— N 三層結構 ? 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，響應速度快 ? Si— PIN， 響應波長 ～ 1μm,響應時間幾個 ns ? Ge— PIN， 響應波長 ～ ,響應時間 20多個 ns PIN光電二極管的結構 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 103 四、雪崩光電二極管 APD ? 結構： 在 N、 P區(qū)大量摻雜，使各自的多數載流子濃度變大 ? 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 → 產生新生載流子 (由碰撞產生 )→ 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結構圖 我國高速接收器件的研制相對落后，目前的通信結構為 ／ s，但 10Gb／ S的 PIN— TIA光接收器組件已達國際先進水平。 LD組件 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 97 激光器組件 ? 為便于在光纖通信發(fā)射機上使用，常將激光器 LD與其控制件組成組件。欲提高耦合效率，同樣需要采用透鏡耦合方式。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。 ? LD的發(fā)光面尺寸及發(fā)散角均比 LED小，因此與相同數值孔徑的光纖的耦合效率要高得多。面發(fā)光 LED的耦合效率可達到 15％，邊發(fā)光 LED同多模光纖的耦合效率可達到 30％。要提高耦合效率，需要采用透鏡耦合方式。 圖 3 LiNbO3電光效應強度調制器 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％。電光效應是指外電場加到晶體上引起晶體折射率變化的現(xiàn)象。 圖 1模擬信號調制 (a)LED模擬信號調制 (b)LD模擬信號調制 圖 2數字信號調制 (a)LED數字信號調制 (b)LD數字信號調制 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 93 ? 2)間接調制 (外調制 ) ? 調制信號不是直接加在激光器上，而是加在調制器上，其優(yōu)點是：無附加啁啾，可實現(xiàn)高速率調制。 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 91 光纖光柵 DFB激光器 a. 長可調諧 光與現(xiàn)代科技 2022/2/12 92 三、光源的調制 ? 1)直接調制 (內調制 ) ? 直接調制是利用電信號直接改變半導體激光器的注入電流，來獲得與電信號相對應的光強信號。 ? 下面 b圖可通過改變光纖外腔的長度實現(xiàn)波長調諧；或改變半導體激光器的電信號調制頻率，也可改變波長。 ? 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的調制頻率就能控制輸出激光的頻率和模式。由于光柵的選頻作用，諧振腔只能反饋某一特定波長的光，輸出單頻激光，再經過隔離器輸出線寬較窄、功率高和噪聲低的激光。此激光器含有 4個量子阱，阱的厚度僅為 70?，發(fā)射譜線可減少到 2MHz左右。 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，還可以在內部制造波紋光柵，構成量子阱 —— 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。由于它的波長由在布拉格段的內建光柵決定，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