第9章--光纤通信技术上课讲义.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第9章 光纤通信技术,9,1,光纤通信概述,9,.1.1,电磁波谱,信息的传输是以电磁波为媒介进行的。电磁波的波谱很宽，如图,9.1,所示。通信所用的波段是在波长为千米至微米数量级范围。,通信的容量与电磁波频率成正比,探索将更高频率的电磁波用于通信技术是人们追求的目标,。,各种频段电磁波的划分和常用传输媒质如表,9.1,所示。,9,频段和波段名称,频率范围和波长范围,传输媒质,主要用途,极低频,(ELF),极长波,30-3000Hz,0.1-l 000km,有线线对极长波无线电,潜艇通信、矿井通信,甚低频,(TLF),超长波,3-30kHz,1 000-lOkm,有线线对超长波无线电,潜艇通信、远程导航、远程无,线电通信,低频,(LF),长波,30-300kHz,lO-1 km,有线线对长波无线电,中远距离通信、地下通信、无,线电导航,中频,(MF),中波,O,3-3MHz,l 000-100m,同轴电缆中波无线电,调幅广播、导航、业余无线电,高频,(HF),短波,3-30MHz,10010m,同轴电缆短波无线电,调幅广播、移动通信、军用通,信,甚高频,(VHF),超短波,30300MHz,10,lm,同轴电缆超短波无线电,调幅广播、电视、移动通信、电,离层散射通信,特高频,(UHF),分米波,0.33 GHz,lOl cm,波导分米波无线电,微波接力、移动通信、空间遥,测雷达、电视,微,波,超高频,(SHF),厘米波,330GHz,101cm,波导厘米波无线电,雷达、微波接力、卫星和空间,通信,极高频,(EHF),毫米波,30,一,300GHz,10,一,lm,波导毫米波无线电,雷达、微波接力、射电天文,紫外、可见光、红外,105107 GHz,O,3,310,-6,cm,光纤激光空间传播,光通信,9.1.2,光纤通信系统基本结构与特点,光纤通信是以光波为载频、以光纤（光导纤维）为传输媒质的通信方式,。,光纤通信系统的基本组成如图,9.2,所示，它包括了电收发端机、光收发端机、光纤光缆线路、中继器等。,图,9.2,光纤通信系统组成,LD/LED,LD/LED,PIN/APD,光纤通信系统由于采用了光纤传输信号实现通信，因此，和其他通信系统相比，具有一系列独特的优点：,（,1,）,频带宽，通信容量大,（2）传输损耗低，无中继距离长,（3）抗电磁干扰,（,4,）光纤通信串话小，保密性强，使用安全,（,5,）体积小，重量轻，便于敷设,（6）材料资源丰富,9,.,2,光纤传输原理与特性,9.2.1,光纤的结构和分类,光纤是圆截面介质波导,(,图,9.3,),。光纤由纤芯、包层和涂覆层构成。纤芯由高度透明的材料构成；,包层的折射率略小于纤芯，从而可以形成光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输,；,涂覆层的作用是增强光纤的柔韧性。,为了进一,步保护光纤，提高光纤的机,械强度，在带有涂覆层的光纤外面在套一层热塑性材料，成为套塑层（或二次涂覆层）。在涂覆层和套塑层之间还需填,充一些缓冲材料，成为缓冲层（或称垫层）。,光纤大多为石英光纤。它以纯净的二氧化硅材料为主，中间掺以合适的杂质。掺锗和磷使折射率,增加,，掺硼和氟使折射率,降低,。,1,按光纤横截面的折射率分布分类,根据光纤横截面折射率分布的不同，常用的光纤可以分成,阶跃折射率分布光纤,（简称阶跃光纤）和,渐变折射率分布光纤,（简称渐变光纤两种类型，其折射率分布如图,9,4,所示。,图（,a,）,是光纤的横截面图，其纤芯直径为,2,a,，,包层直径为,2,b,。,(1),阶跃光纤：,图,(,b),为阶跃光纤横截面的折射率分布，纤芯折射率为,n1,，包层折射率为,n2,。纤芯和包层的折射率都是,均匀分布，,折射率在纤芯和包层的界面上发生突变。,第,9,章 光纤通信技术,（,2,）渐变光纤：,图（,C,）,为渐变光纤横截面的折射率分布，包层的折射率为,n2,，是均匀的，而在纤芯中折射率则随着纤芯的半径的加大而减小，,是非均匀的、且连续变化,。,此外，还有三角型折射率光纤，其纤芯折射率分布曲线为三角形；双包层光纤、四包层光纤等，如图,9,5,所示。,2,按光纤中的传导模式数量分类,光是一种电磁波，它沿光纤传输时可能存在多种不同的电磁场分布形式（即,传播模式,），能够在光纤中远距离传输的传播模式称为,传导模式,。根据传导模式数量的,不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。,(1),单模光纤,光纤中只传输一种模式，即基模（最低阶模式）。单模光纤的,纤芯直径约为 410,m,范围，包层直径为 125,m。,单模光纤适用于长距离、大容量的光纤通信系统。,(2),多模光纤,光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在多个传导模式。,多模光纤的纤芯纤芯直径一般为 50,m,，,其横截面的折射率分布为,渐变型,，包层的外径125,m。,多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。,3,按光纤构成的原材料分类,（,1,）,石英系光纤,石英系光纤主要是由高纯度的,SiO2,并掺有适当的杂质制成，如用,和,作芯子，用,作包层。目前这种光纤损耗最低、强度和可靠性最高、应用最广泛。,（,2,）,多组分玻璃光纤,例如用钠玻璃掺有适当杂质制成的光纤。这种光纤的损耗较低，但可靠性不高。,（,3,）,塑料包层光纤,光纤的芯子是用石英制成，包层是硅树脂。,（,4,）,全塑光纤,光纤的芯子和包层均由塑料制成，其损耗较大，可靠性也不高。,4,按光纤的套塑层分类,（,1,）,紧套光纤,典型的紧套光纤各层之间都是紧贴的，光纤被套管紧紧箍住，不能在其中松动。在光纤与套管之间放置了一个缓冲层，以减小外面应力对光纤的作用。紧套光纤的结构简单，,使用和测试都比较方便。,（,2,）,松套光纤,典型的松紧套光纤的护套为松套管，光纤能在其中松动。管内空间填充油膏，以防水份渗入。松套光纤的机械性能、防水性能都比较好，便于成缆。若一根管内放入,2,20,根,光纤，可制成光纤束，称为松套光纤束。,9.2.2,光纤的导光原理,*,光具有波粒二象性，既可以将光看成光波，也可以将光看作是由光子组成的粒子流。,因而，在分析光纤中光的传输特性时相应地也有两种理论，即射线光学（即几何光学）理论和波动光学理论。,射线光学,是用光射线代表光能量传输线路来分析问题的方法。这种理论适用于光波长远远小于光波导尺寸的多模光纤，可以得到简单、直观的分析结果。,波动光学,是把光纤中的光作为经典电磁场来处理。从波动方程和电磁场的边界条件出发，可以得到全面、正确的解析或数字结果，给出光纤中的场的结构形式（即传输模式），从而给出光纤中完善的场的描述形式。它的特点是：能够精确地、全面地描述光纤的传输特性，这种理论,适合于单模光纤和多模光纤的分析。,1,采用射线光学分析光纤的特性,（,1,）多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析,在多模阶跃光纤的纤芯中，光接直线传输，在纤芯和包层的界面上光发生反射。由于光纤中纤芯的折射率,n,1,大于包层的折射率 所以在芯包界面存在着临界角 ，如图,9,6,所示。图,9,6,为阶跃光纤的子午光线。,通过光纤轴线的平面称称作,子午面,，,把传输中总是位于子午面内的光线称为,子午光线,）,当光线在芯包界面上的入射角 大于 时，将产生全反射。若 小于 ，入射光一部分反射，一部分通过界面进入包层，经过多次反射后，光很快衰减掉。所以可以形象地说阶跃光纤中的传输模式是：,靠光射线在纤芯和包层的界面上全反射而使能量集中在芯子之中传输。,这里首先定义光纤的相对折射率差，,这一参数直接影响光纤的性能。光纤通信中所用的光纤的一般小于,1,，所以可近似表示为,由光纤中光线在界面的全反射条件。可以推出临界角 为,那么光在纤芯端面的最大入射角 应满足,由此可以定义光纤的数值孔径为,数值孔径表征了光纤的集光能力,。由此看出,n1,n2,差别越大，即,越大，光纤的集光能力越强。通信用光纤的数值孔径是较小的。,在多模阶跃折射率光纤中满足全反射条件，但入射角不同光线的传输路径是不同的，使不同的光线所携带的能量到达终端的时间不同，即存在着时延差，即模式色散，从而使传输的脉冲发生了展宽，限制了光纤的传输容量。采用射线光学的分析方法可以计算出多模阶跃折射率光纤中子午光线的最大时延差：,（,2,）多模渐变折射率光纤的射线光学理论分析,多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是连续变化的。它随纤芯半径,r,的增加按一定规律减小，如前图,9,4,所示。采用渐变光纤的目的是减小多模光纤的模式色散。,在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为,渐变折射光纤的折射率分布可以表示为,如图,9,7,所示的渐变光纤中的子午射线，以不同入射角进入纤芯的光射线在光纤中传过同一距离时，靠近光纤轴线的射线所走的路程短，而远离轴线所走的路程长。由于纤芯折射率是渐变的，所以近轴处的光速慢，远轴处的光速快。当折射率分布指数,g,取最,佳时，就可以使全部子午射线以同样的轴向速度在光纤中传输。,分析指出，如果光纤的折射率分布采取双曲正割函数的分布，所有的子午射线具有完善的自聚焦性质，即从光纤端面入射的子午光线经过适当的距离会重新汇聚到一点，这些光线具有相同的时延。纤芯折射率分布为,分析渐变光纤中的光线传输轨迹时，采用射线方程，可以由已知的折射率分布和初始条件求出光线的轨迹。射线方程为,由于渐变光纤纤芯折射率是变化的，所以纤芯端面上不同点的集光能力不同，因此在渐变光纤中引入本地数值孔径的概念，它是指光纤端面上某一点的数值孔径，表征了渐变光纤端面上某一点的集光能力的大小。其表达式为,2,采用波动理论分析光纤的特性,光是电磁波它具有电磁波的通性。因此，光波在光纤中传输的一些基本性质都可以从电磁场的基本方程,麦克斯韦方程组,推导出来。一般的求解方法是由麦克斯韦方程组推导出光在均匀介质中的波动方程，经过简化后的波动方程为,式中,0,为光波导介质（或真空）的导磁率；,为光波导介质的介电系数。,如果电磁场作简谐振荡，由波动方程可以推出均匀介质中的矢量亥姆霍兹方程,在直角坐标系中，,E，H,的,x,，,y,，,z,分量均满足标量的亥姆霍兹方程,在光纤的分析中，求上述亥姆霍兹方程满足边界条件的解，即可得到光纤中的场的解,答。求解的方法主要有标量近似解和矢量解。,（,1,）标量近似解,分析阶跃光纤时，假设光纤里的横向,(,非光传输的方向）电磁场的幅度满足标量亥姆霍兹方程，求出近似解。这是一种近似，前提是光纤的相对折射率差已很小。西很小,的光纤称作弱导波光纤，一般阶跃光纤可以满足这一条件。,分析渐变光纤时，假设纤芯的尺寸无穷，,边界不起作用，然后假设横向（非光传输的方向）电磁场的幅度满足标量亥姆霍兹方程，求出近似解。采用这一解法可以得到光纤中各个模式的传输系数、模式的截止条件、单模传输条件、多模传输时的模式数量、模式功率分布等的简便计算公式。还可以利用这一方法来分析光纤的色散特性。,采用标量近似解得到的光纤中的模式为标量模。,（,2,）矢量解,矢量解是求满足边界条件的矢量亥姆霍兹方程的解答。矢量解中各个分量在直角坐标系中都满足标量的亥姆霍兹方程。,在分析阶跃光纤时，纤芯和包层的折射率都是均匀的，所以矢量解是严格的分析方,法，它可以得到精确的模式及分布，但是比较复杂。对于渐变光纤，需要作一些,近似假设，分析仍然十分复杂，需进行数值计算。,采用矢量解得到的光纤中的模式为矢量模式。,9.2.3,光纤的传输特性,光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性和色散特性，此外还有光纤的非线性效应。,1,光纤的损耗特性,光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率会不断下降。光纤对光波产生的衰减作用称为光纤的损耗。,衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数）,，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，其表达式为,光纤的损耗特性,是光纤的一个很重要的传输参数，它对于评价光纤质量和确定光纤通信系统的中继距离有着,决定性,的作用。目前光纤在,1,.,55m,处的损耗可以做到0.2,dBkm,左右，接近光纤损耗的,理论极限值,。,（,1,）引起光纤损耗的因素,光纤的损耗因素主要有,吸收损耗、散射损耗和其他损耗,。这些损耗又可以归纳为本,征损耗、制造损耗和附加损耗等。,除上述三类损耗外，在光纤的使用中还会存在,连接损耗、耦合损耗,，如果光纤中入射光功率超出某值时还会有非线性效应带来的散射损耗。,（,2,）光纤的损耗特性曲线,损耗谱,将以上三类损耗相加就可以得到总的损耗，它是一条随波长而变化的曲线，叫做光纤的损耗特性曲线,损耗谱。,第,9,章 光纤通信技术,如图,9.8,为石英光纤的损耗谱曲线。从图中可以看到光纤通信所使用,的,3,个低损耗,“,窗口,”3,个低损耗谷，,850,nm,波段,短波长波段,1310,nm,波段,长波长波段,1550,nm,波段,长波长波段,。,目前光纤通信系统主要工作在,1310,nm,波段和,1550,nm,波段上，尤其是,1550,nm,波段，长距离大容量的光纤通信系统多工作在这一波段。,2,光纤的色散特性,(1),光纤色散的概念,光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，,由于不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号畸变的一种物理现象。在数字光纤通信系统中，色散使光脉冲发生展宽。,对于数字光纤通信系统，当色散严重时，会导致光脉冲前后相互重叠，造成,码间干扰,，增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。,第,9,章 光纤通信技术,（,2,）光纤色散的表示法,光纤的色散可以用不同的方法来表示，常用的有,色散系数,D,（,）、,最大时延差,光纤的带宽等,。,光纤的色散系数,D,（,）,定义为单位光谱线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差，其公式为,最大时延差,描述,光纤中,速度最快和最慢的光波的时延之差。时延差越大，,色散就越严重。,光纤带宽,是用光纤的频率特性来描述光纤的色散，它是把光纤看作一个具有一定带宽的低通滤波器，光脉冲经过光纤传输后，光波的幅度随着调制的频率增加而减小，直到为零，而脉冲宽度则发生展宽。经理论推导，光纤的带宽和时延差的关系为,（,3,）光纤色散的种类,根据色散产生的原因，光纤色散的种类主要可以分为,模式色散、材料色散和波导色散,三种。模式色散是由于信号不是单一模式携带所导致的，又称为模间色散；材料色散和波导色散是由于同一个模式内携带信号的光波频率成分不同所导致的，所以也叫做模内色散。,模式色散,在多模光纤中存在许多传输模式，即使在同一波长，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，,到达接收端所用的时间不同,，产生了模式色散。,材料色散,由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散叫材料色散,材料色散主要是由光源的光谱宽度所引起。由于光纤通信中使用的光源不是单色光，具有一定的光谱宽度，这样不同波长的光波传输速度不同，从而产生时延差，引起脉冲,展宽。,波导色散,同一模式的相位常数,随波长而变化，即群速度随波长而变化，从而引起色散，称为波导色散,。,波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的。,3,光纤的非线性效应,光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用：,一方面可引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串话、信号载波的移动等；,另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。,光纤的非线性可以分为两类，即受激散射效应和折射率扰动。,（,1,）受激散射效应,受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向、且光波的频率发生改变，这种现象称为受激散射效应。受激散射效应有两种形式，即,受激布里渊散,射,和,受激拉曼散射,。这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子，同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个能量子。,两种散射的主要区别,受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子,受激布里渊散射转变为声频声子；,光纤中的受激布里渊散射只发生在后向，受激拉曼散射主要是前向。受激布里渊散射和受激拉曼散射都使得入射光能量降低，在光纤中形成一种损耗机制。在较低光功率下，这些散射可以忽略。当入射光功率超过一定阈值后，受激散射效应随入射光功率成指数增加。,（,2,）折射率扰动,在入射光功率较低的情况下，可以认为石英光纤的折射率与光功率无关。但是在较高光功率下，则应考虑光强度引起的光纤折射率的变化，它们的关系为,折射率扰动主要引起,4,种非线性效应：,即自相位调制（,SPM,）、,交叉相位调制（,XPM,）。,四波混频（,FWM,）、,光孤子形成。,自相位调制,是指光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用。它导致光谱展宽，从而影响系统的性能。,交叉相位调制,是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。交叉相位调制不仅与光波自身强度有关，而且与其他同时传输的光波的强度有关，所以交叉相位调制总伴有自相位调制。交叉相位调制会使信号脉冲谱展宽。,四波混频,是指由,2,个或,3,个不同波长的光波混合后产生新的光波的现象。其产生原因是某一波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产生新的波长。四波混频对于密集波分复用（,DWDM,）,光纤通信系统影响较大，成为限制其性能的重要因素。,非线性折射率和色散间的相互作用，可以使光脉冲得以压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，,可以形成光孤子,。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中，保持形状和脉宽不变。,9.2.4,单模光纤,单模光纤：指在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤。由于只传输基模，不存在模式色散，具有相当宽的传输带宽，使其适用于长距离、大容量的信系统,。,1,单模光纤的结构特点,为保证单模传输，光纤的芯径为,4,10,m,。,单模光纤纤芯的折射率分布要求为均匀分布设计，但由于光纤制造过程中的某些不完善，纤芯折射率分布实际上是非均匀的。此外，为了制造的合理及改善光纤性,能，单模光纤的包层折射率常是变化的。,2,单模光纤的特性参数,单模光纤的主要特性参数有,折射率分布、衰减系数、色散、截止波长、模场直径等。,3,单模光纤的偏振,所谓单模光纤，实际上传输两个相互正交的基模。在完善的光纤中，这两个模式有相同的相位常数，是互相兼并的。但实际光纤总带有某种程度的不完善，例如纤芯的椭圆变,形、光纤内部的残余应力等等。这些因素使得两正交基模的相位常数不相等。这种现象叫做光纤的双折射。由于双折射，两模式的群速度不同，从而引起偏振色散。,4,单模光纤的分类,按照国际电信联盟电信标准化部门,ITU,T,的最新建议,G,652,，,G,653,，,G,654,，,G,655,，,单模光纤可以分为,4,种，即,非色散位移单模光纤,、,色散位移单模光纤,、,截止波长位移单模光纤,和,非零色散位移单模光纤,。,9,3,光发送机与光接收机,光发送机与光接收机统称为光端机。,光端机是光纤通信系统中的光纤传输终端设备，它们位于电端机和光纤传输线路之间（见图,9,2,）。,光发送机,的主要作用是将电端机送来的电信号变换为光信号，并耦合进光纤中进行传输。光发送机中的光源是整个系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标,。,第,9,章 光纤通信技术,光接收机,的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机。,光接收机中的关键器件是,半导体光检测器,，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端的性能是决定光接收机的主要因素。,9.3.1,半导体激光器和发光二极管,1,光纤通信系统对光源的要求,光纤通信系统对于光源的要求可以概括为：,光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致,，即为,850,nm,，,1310 nm,和,1550,nm,的,3,个低损耗窗口,光源有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统中继距离的要求，一般为数十微,瓦至数微瓦为宜；,光源的,光谱线宽要窄,，即,单色性好,，以减小光纤色散对信号传输质量的影响；,调制方法简单，且要响应速度快，以满足高速率传输的需要；,电光转换效率要高；,能够在室温下连续工作；,体积小、重量轻、寿命长，工作稳定可靠。,2,半导体激光器,（,1,）基本原理,受激辐射是半导体激光器的基本工作原理。半导体激光器是由共价单晶体所制成的。,在半导体材料中，原子是紧密地按一定规则排列的。由于电子的共有化运动，使能级,产生了分裂，并形成了能带，如图,9.9,所示。,晶体中电子填充能带遵守泡利相容原理和能量最小原理。低能带首先被占满，称为,满带,；价电子占据的能带称为,价带,；价带上面的自由电子占据的能带称为,导带,；导带和价带之间是不能被电子占据的,禁带,，通常用,Eg,表示导带和价带之间的能量差，称为禁带宽度,Eg=Ec-Ev,第,9,章 光纤通信技术,（,2,）半导体激光器的结构,半导体激光器的基本结构如图,9.10,所示。在,P,区和,N,区之间为有源区（或激活区）和有源区两侧的限制层，这种结构称为异质结构；两个端面为自然,解理面,形成平行反射镜，构成,光学谐振腔,。,有源区为光提供增益,，而,谐振腔的作用是提供光学正反馈,，并控制激光束的特性.,半导体激光器要产生稳定的激光振荡必须满足一定的条件，即,阈值条件,和,相位条件,。通常采用的半导体激光器为条型激光器，其有源区为条型结构，阈值较低，并且与光纤耦合效率较高。条型激光器主要有两种结构，即增益导引条型和折射率导引条型。如图,9,11,为两种条型半导体激光器的横截面结构图。在长距离、大容量光纤通信系统中，一般采用,QW,激光器、,DFB-LD,激光器和,DBR-LD,激光器。他们具有光谱线宽窄、动态单纵模运转、阀值电流低等优点。,（,3,）稳态特性,发射波长,构成半导体激光器的材料决定了激光器的发射波长。一般采用,GaAs/GaAlAs,材料构成,850,nm,波段的短波长半导体激光器，它是以,GaAs,作为有源区；采用,InGaP/Inp,材料构成长波长（,1100,1700,nm,）,半导体激光器，它是以,InGaAsP,作为有源区。,P-I,特性,半导体激光器的,P-I,特性是指它的,输出功率,P,随,注入电流,I,的变化关系。图,9.12,为一半导体激光器的典型,P-I,特性曲线。随着激光器注入电流的增加，其输出光功率增加，但不是呈线性关系。当注入电流低于阈值时，输出功率很小；当注入电流大于阈值电流后，输出光功率随注入电流的增加而急剧增加。,第,9,章 光纤通信技术,温度特性,半导体激光器是对温度敏感的器件，它的输出光功率随温度而变化。图,9.13,为一,激光器的,P-I,特性随温度变化的情况。,随着温度的升高，器件的阈值电流增大，而且输出光的峰值波长会向长波长方向漂移,。,实用化的半导体激光器必须对温度加以控制。,第,9,章 光纤通信技术,模式特性,半导体激光器中所允许的光场模式分为,TE,和,TM,两组每一组模式对应着电（或磁）场在垂直于,PN,结平面方向（横向）、平行于,PN,结平面方向（侧向）和传输方向（纵向）的稳定驻波形式，这三个方向上的驻波分别称为横模、侧模和纵模。激光器的横模和侧模决定了输出光束的空间分布,；纵模则表示了激光器在谐振腔方向上光波的振荡特性，即激光器发射的光谱的性质。在光纤通信系统中要求半导体激光器工作于基横模和单侧模，以提高与光纤的耦合效率。为减小光纤带来的色散，要求激光器单纵模工作，特别是在高速调制下的单纵模运转。,光谱特性,半导体激光器的光谱特性主要是由激光器的纵模决定。,激光器的光谱会随着注入电流而发生变化。当注入电流低于阈值电流时，半导体激光器发出的是荧光，光谱很宽，如图,9.14,（,a,）,所示。当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，光谱中心强度急剧增加，出现了激光，如图,9,14(b),所示。对于单纵模半导体激光器，由于只有一个纵模，其谱线更窄，如图,9,14(c),所示。,第,9,章 光纤通信技术,激光器的效率,半导体激光器把激励的电功率转换成光功率发射出去，常用功率效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低。最常用的是外微分量子效率，其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，表达式为,3,发光二极管,（,1,）基本原理,发光二极管（,LED,）,是非相干光源，它的基本工作原理是,自发辐射。,发光二极管与半导体激光器在材料、异质结构上没有很大差别。二者在结构上的主要差别是：,发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。发光二极管的发光仅限于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光,。,（,2,）发光二极管的结构,为了获得高辐射度，发光二极管一般采用双异质结构。根据发光二极管的发光面与,PN,结的结平面平行或垂直而分为面发光二极管和边发光二极管。它们的结构如下图所示。,第,9,章 光纤通信技术,第,9,章 光纤通信技术,（,3,）工作特性,与半导体激光器相比，由于二者在发光机理和结构上存在差异，因此使得它们在主要性能上存在明显差异。,P,I,特性。,发光二极管的,P-I,特性曲线如图,9.16,所示。发光二极管不存在阈值，输出光功率与注入电流之间呈线性关系，且线性范围较大。当注入电流较大时，由于,PN,结的发热，发光效率降低，出现饱和现象。从图中可以看出，在相同注入电流,下,面发光二极管的发输出功率比边发光二极管大,。,第,9,章 光纤通信技术,第,9,章 光纤通信技术,光谱特性,由于发光二极管输出的是自发辐射光，并且没有光学谐振腔，所以输出光谱要比半导体激光器宽的多。图,9.17,给出了发光二极管的光谱曲线。,第,9,章 光纤通信技术,温度特性,与半导体激光器相比，发光二极管的温度特性是很好的，如图,9.18,所示。由于发光二极管的输出光功率随温度变化不大，在实际使用中可以不加温度控制。,远场特性,远场特性,是距离器件输出端面一定距离的光束在空间上的分布。,发光二极管输出光的发散角较半导体激光器大，因此它与光纤耦合的效率很低，使得出纤光功率很低。,与半导体激光器相比，发光二极管的突出优点是寿命长、可靠性高、调制电路简单、成本低，所以它在一些传输速率不太高、传输距离不太长的系统中得到了广泛的应用。,4,光源的调制,光调制是用待发送的电信号控制光载波的某一参量（如光强度等），使之携带发送信息的过程，也就是完成电光转换的过程。,根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。,直接调制,方法仅适用于半导体激光器和发光二极管，这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入半导体激光器或发光二极管，从而获得相应的光信号。,直接调制后的光波电场振幅的平方正比于调制信号，是一种,光强度调制,（,IM,）,的方法。,间接调制,是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制。,间接调制最常用的是外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。具体方法是在激光器的外光路上放置调制器，在调制器上加调制电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，则激光得到调制。间接调制的方法是用集成光学的方法把激光器和调制器集成在一起，用信号控制元件的物理性质，从而改变激光输出特性以实现调制。,直接调制的方法具有简单、经济、易于实现的优点，是光纤通信系统中常采用的调制方式。但是对半导体激光器进行直接调制时，激光器的动态谱线加宽，使单模光纤的色散增加，限制了光纤的传输容量。,为了消除动态谱线加宽对高速光纤通信系统的影响，在高速长距离光纤通信系统中一般采用间接调制的方法。,9.3.2,光发送机,在光纤通信系统中，要将电端机送来的电信号转变为光信号，即进行,E,O,变换，这是光发送机的任务。,1,光发送机的组成,在光纤数字通信系统中，光发送机主要有输入接口、线路编码、调制电路、光源及其控制电路。数字光发送机的构成如图,9.19,所示。,PCM,电端机,的电信号首先通过输入接口变换成普通的,NRZ,码。输入接口的作用是不仅保证电、光端机问信号的幅度、阻抗适配，而且要进行适当的码型变换，以适合光发送机的要求。输入接口的构成如图,9,2,0,所示。,在光纤通信系统中，由于光源不可能有负光能，只能采用,“0”“,1”,二,电平码。但是简单的二电平码具有随信息随机起伏的直流和低频分量，对接收端判决不利，因此需要进行线路编码以适应光纤线路传输的要求。,调制电路将电信号转变为调制电流，以便实现对光源的强度调制。,半导体激光器是对温度敏感的元件，其输出功率和输出光谱的中心波长会随温度变化。因此光发送机要增加控制电路，包括自动的功控电路和温控电路。,2,光源的数字调制与驱动,这里主要讨论直接调制原理。,对于半导体光源，其输出的光功率与注入电流成正比，,通过改变注入电流来实现光波的强度调制（,IM,）。,在光纤通信系统中，数字调制主要是指,PCM,编码调制。编码调制是先将连续的模拟信号通过取样、量化和编码，转换成,M,进制脉冲代码，用矩形脉冲的有、无（,“0”,码和,“,1”,码）来表示信号。图,9.21,为,LED,和,LD,数字调制原理。,第,9,章 光纤通信技术,（,1,）,LED,的数字调制和驱动,从图,9,24,可以看到，在,LED,上要加以小的直流正向偏置（,0,1,mA,），,其目的是提高,LED,的响应速度。至于调制电流幅度,，,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。,（,2,）,LD,的数字调制和驱动,由于,LD,是阈值器件，必须在,LD,上加稍低于阈值电流 的偏置电流,Ib,，再叠加调制电流,Im,，如图,9.24,所示。偏置电流的大小直接影响激光器的高速调制性质，要兼顾到电光延迟、张驰振荡、码型效应、结发热效应、激光器的消光比、散粒噪声等各方面情况。一般偏置电流 取（,0.7,1.0,）。,Im,调制电流幅度的选择，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。,对激光器进行高速脉冲调制时，调制电路既要有快的开关速度又要保持有良好的电流脉冲波形，此外，光源本身的响应速度也要快。数字调制电路应是电流开关电路，最常用的是差分电流开关。目前，直接强度调制速率可以达到 10,Gbit/s。,3,控制电路,半导体激光器是高速传输的理想光源，但是，半导体激光器对温度是很敏感的，而且随着激光器的老化其输出功率也将减小。,激光器的阈值随着温度和老化而变化，,从而使输出光信号的光功率发生变化；激光器的发射中心波长随温度的升高向长波长漂移。,控制电路的作用就是消除温度和器件老化的影响，稳定输出光信号。目前主要采用的稳定方法有：自动温度控制和自动功率控制。,（,1,）,自动温度控制,（,ATC,）,温度控制由微型半导体制冷器、热敏电阻及控制电路组成。热敏元件探测半导体激光器的结温，与设定的基准温度比较、放大后，驱动制冷器的控制电路，改变制冷电流，从而保持激光器在恒定的温度下工作。,目前微型制冷器多采用利用半导体材料的泊尔帖效应制成的半导体制冷器。,激光器的温度控制常采用内制冷的方式提高制冷效率和控制精度。,温度控制只能控制,温度变化,引起的输出光功率的变化，不能控制由于,器件老化,而产生的输出功率的变化。,（,2,）,自动功率控制,（,APC,）,要精确控制激光器的输出功率，应从两方面着手：,控制激光器的偏置电流，使其自动跟踪阈值的变化，从而使激光器总是偏置在最佳的工作状态；,控制激光器调制脉冲电流的幅度，使其自动跟踪外微分量子效率的变化，从而保持输出光脉冲信号的幅度恒定。,自动功率控制方法有两种：一是通过光反馈来自动调整偏置电流的自动偏置控制法；二是峰值功率平均功率控制法。第二种方法不仅可以自动控制偏置电流，还可以控制调制电流的幅度，因此对,LD,输出光功率有很好的稳定作用。,4,光发送机的主要指标,光发送机的主要指标有平均发送光功率和消光比及光谱特性。,（,1,）平均发送光功率,光发送机的平均发送光功率是在正常条件下，光发送机发送光源尾纤输出的平均光功率。平均发送光功率指标应根据整个系统的经济性、稳定性、可维护性以及光纤线路的长短等因素全面考虑，并不是越大越好。,（,2,）,消光比,消光比的定义为全,“,1”,码平均发送光功率与全,“0”,码平均发送光功率之比。可用下式表示,式中，,为全,”1”,码时的平均光功率；为全,“0”,码时的平均光功率 。,（,3,）,光谱特性,对于高速光纤通信系统，光源的光谱特性成为制约系统性能的至关重要的参数指标，它影响了系统的色散性能，需要仔细考虑。,9.3.3,光检测器,光检测器是把光信号变为电信号的器件，由于从光纤中传输过来的光信号非常微弱且有畸变的信号，因此光纤通信系统对光检测器提出了非常高的要求：,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，光检测器能输出尽可能大的光电流；,有足够高的响应速度和足够的工作带宽，即对高速光脉冲信号有足够快的响应能力；,产生的附加噪声小；,光电转换线性好，保真度高；,工作稳定可靠，工作寿命长；,体积小，使用简便。,目前，满足上述要求、适合于光纤通信系统使用的光检测器主要有半导体,PIN,光电极管、雪崩光电二极管（,APD,）、,光电晶体管等，其中前两种应用最为广泛。,1,PIN,光电二极管,（,1,）基本原理和结构,受激吸收是半导体光检测器的基本工作原理。,半导体光检测器的核心是,PN,结的光电效应，工作在反向偏压下的,PN,结光电二极管是最简单的半导体光检测器。,当,PN,结上加有反向偏压时,(,P,区加负,N,区加正,),，外加电场的方向和空间电荷区里,电场的方向相同，外电场使势垒加强，,PN,结的能带如图,9.22,所示。由于光电,M,极管加有反向偏压，因此空间电荷区里载流子基本上耗尽了，这个区域称为耗尽区。,当光束入射到,PN,结上，且光子能量破大于半导体材料的禁带宽度 时，价带上的电子可以吸收光子跃迁到导带，结果产生一个电子一空穴对。如果光生电子一空穴对在耗尽区里产生，那么在电场的作用下，电子将向,N,区漂移，空穴将向,P,区漂移，从而形成光生电流。为了得到高量子效率、高响应速度，器件一般采用,PIN,结构。它是在高掺杂,P,型和,N,型半导体材料之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为,I,层。高掺杂的,P,区和,N,区非常薄。如图,9.23,所示。这种结构使得光子在耗尽区内能够被充分吸收，以利于提量子效率和响应速度。对于,InGaAs,材料制作的光电,二,极管，还往往采用异质结构，从而进一步提高器件的量子效率。,（,2,）特性,PIN,光电二极管的主要特性包括响应度、量子效率、响应速度等。,波长响应范围,从光电二极管的工作原理可以知道，光子能量,hf,大于半导体材料的禁带宽度才能产生光电效应。这一条件限制了光电二极管使用的上限波长,，有,其中，上限波长和禁带宽度的单位分别为,m,和,eV,。,上限波长又称为光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于 时，光电二极管才能产生光电效应。,另外，由于半导体材料对光的吸收作用是随着波长的减小而迅速增加，当波长较短时，光在半导体材料表面层即被吸收殆尽，使光电转换效应降低。因此，材料对于光的吸收限制了光电二极管使用的下限波长。,响应度和量子效率,响应度和量子效率表征了光电,M,极管的光电转换效率。响应度定义,R,为,量子效率的定义为,响应速度,作为光检测器，在光纤通信系统中要能够检测高频调制的光信号，因此响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应电脉冲的上升时间或下降时间。影响响应速度的主要因素有：结电容和负载电阻的,RC,时间常数、载流子在耗尽区里的渡越时间及耗尽区外产生的载流子的扩散时间。,线性饱和,光电二极管的线性饱和是指它有一定的功率检测范围，当入射功率太强时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。一般,PIN,光电二极管在入射光功率