第三章光纤通信器件
章通信用光器件EDFA
② 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自发地跃迁到低能级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。
③ 在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时， 使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激
1．激光器的物理基础
（1）光子的概念
光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中 h=6.628×10−34 J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，f 是光
波频率，人们将这些光量子称为光子。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或
发射。
11.12.2020
（教材第可5编3页辑p）pt
11.12.2020
（教材第可5编4页辑p）pt
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3.1.1 激光器的工作原理 光纤通信
2．激光器的工作原理
激光器包括以下3个部分： • 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； • 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源 （泵浦源）； • 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益 物质，它是产生激光的必要条件。
如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在 正常状态下， N1 ＞ N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平
衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即
使N2 ＞ N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种
粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。
光纤通信技术-第三章-光源与光发射系统-电子教案 (3)
10.什么是张弛振荡？简述张弛振荡产生的原因。
11.什么是码型效应？如何消除码型效应。
12.什么是自脉动现象？自脉动现象有哪些特点？
13.光源的间接调制方法有哪些？
14.光纤通信系统对光发射机的基本要求有哪些？
15.光发射机为什么要进行自动温度控制？
16.光纤通信系统对光源器件的基本要求有哪些？
17.简述激光器的结发热效应。
18.何谓激光器的偏置电流？应如何选择偏置电流？
120.构成激光器必须具备的条件有哪些？
21.在光纤通信系统中，光源为什么要加正向电压？
22.简述半导体激光器的特性。
23.简述F-P腔半导体激光器的结构。
24.光发射机主要有哪些部分组成？简述各部分的作用。
4、课后作业：6。
3.4新型半导体激光器
重点介绍分布式反馈激光器的结构特点，引出在此特点基础上的发光原理，并指明它所具有的独特优点；简要介绍耦合腔半导体激光器与量子阱激光器的结构与特点。
3.5光源的调制
重点介绍光源的直接数字调制以及可能产生的效应：电光延迟、张弛振荡、自脉动、码型效应等。简要介绍光源的三种间接调制方式，包括：声光调制、热光调制和磁光调制。
3.6光发射机
首先介绍通信系统对光发射机的基本要求；重点介绍光发射机的组成与功能，包括：输入电路、光源和控制电路。
1：计划学时：2学时
2：讲授要求：
注意区分新型激光器与F-P腔激光器在结构和性能上的不同，使学生能够对前后学习的知识有一个连贯性的认识；详细介绍光发射机的三个组成部分，使学生清楚各部分的主要功能。
课程
光纤通信技术
章节
第三章
学期
2013/2014学年第一学期
光纤通信原理第三章3 光接收机灵敏度
v0 :"0" 码时输出电压的均值; v1 :"1" 码时输出电压的均值; D : 判决电平; f 0 ( x) :"0" 码时输出电压的概率密度 f1 ( x) :"1" 码时输出电压的概率密度
“0”码误判为“1”码的概率：
E01 =
“1”码误判为“0”码的概率：
E10 =
总误码率 BER
BER = P(0)E01 + P(1)E10
BER = P(0)E01 + P(1)E10
一般线路编码：P(0)=P(1) 则：
1 BER = ( E01 + E10 )
2
3.判决电平与灵敏度的计算
为使误码率最小
E01 = E10
D - V0 = V1 - D = Q
0
1
BER =
误码率和Q的对应关系
灵敏度的计算：
1. 从要求达到的误码率→Q值；
2. 计算出 0 和 1 → V0和V1;
3. 由光电检测器的响应度和放大器的传递 函数求出输入端“1”和“0”码时接收光功 率；
4. 求出平均光功率。
P(0)和P(1)分别表示码流中“０”码和“１”码出现的概
放大器的噪声是高斯分布的白噪声； 光电变换是泊松分布的随机过程； 雪崩倍增过程则是一个非常复杂的 随机过程。
1.高斯近似假设
放大器的噪声是概率密度函数为高斯函 数的白噪声
f ( x) =
v : 均值;
2: 放大器输出端的总噪声功率
2 =
2
Vna
简化计算： PIN 和APD近似为高斯分布
的随机过程
放大器噪声与检测器噪声之和的概率 密度函数仍为高斯函数
第三章光纤材料与光纤器件
11
矩形波导
脊型波导
沟道波导
平面掩埋沟道波导
在横截面的两个方向限制光波传播
12
光纤
13
光纤尺寸
★芯径 单模光纤： <10um; 多模光纤： 50um/62.5um
★包层直径 普通光纤： 125um
★涂覆层直径
125um
普通光纤
18
2-2、光纤导光
空气
包层 纤芯
sini n12 n22 sin 2 r
r 90o 发生全反射，光线可在光纤中传播
19
i i0 arcsin n12 n22
光线的传播
1. Meridional Ray子午光线的传播（总与光纤轴相交）
Cladding Cladding
光线的传播
光纤的优点
• 与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： ①传输频带极宽，通信容量很大；
②由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；
③串扰小，信号传输质量高；
④光纤抗电磁干扰，保密性好；
⑤光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；
⑥耐化学腐蚀；
⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大 量有色金属。
➢在短短几十年时间里，光纤的损耗已由 1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信 在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。
6
光纤通信的发展历程
• 20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走 向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价， 传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。
➢ 1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出 石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；
光纤通信第三章3-接收机灵敏度
系统升级与维护
兼容性
当考虑升级光纤通信系统时，必须确保新接 收机与现有系统的其他部分兼容。这包括与 发送器、中继器和网络的兼容性。不兼容的 设备可能导致信号质量下降、通信中断或其 他不可预测的行为。
维护和修理
在光纤通信系统的运营期间，接收机可能需 要定期维护和修理。这可能涉及清洁光学元 件、检查连接器和电缆、以及更换损坏的组 件等任务。为了确保系统的可靠性和稳定性 ，必须采取适当的维护措施并快速修理任何
光纤通信第三章接收机灵敏度
目
CONTENCT
录
• 接收机灵敏度的定义 • 接收机灵敏度与系统性能的关系 • 提高接收机灵敏度的方法 • 接收机灵敏度与其他参数的关系 • 实际应用中的考虑因素
01
接收机灵敏度的定义
定义
接收机灵敏度是指接收机在特定噪声背景下，能够检测到的最小 信号功率。它反映了接收机对微弱信号的检测能力。
影响因素
01
02
03
04
噪声水平
接收机的内部噪声和外部噪声 都会影响其灵敏度。内部噪声 主要由电子器件的热噪声和散 粒噪声引起，外部噪声则包括 环境噪声和邻近信道的干扰噪 声。
动态范围
动态范围是指接收机在保证一 定性能指标下，能够接收的最 大信号功率与最小信号功率之 比。动态范围越大，表示接收 机能够在较大的信号变化范围 内保持稳定的性能。
100%
噪声来源
主要包括散弹噪声、热噪声和激 光器自发辐射噪声等。
80%
信噪比改善
通过降低噪声、提高信号功率或 降低系统带宽等方法可以提高信 噪比，从而提高接收机灵敏度。
动态范围
动态范围
系统正常工作所需的输入信号功率范围，即最大可承受的信号功率与 阈值信号之间的差值。
第3章 光纤通信器件32ppt课件
耦合器反射到其他端的光功率Pr的比值，用分贝表
示
DIR＝10 lg Pic
Pr
46
• 一致性U 者不同输出端耦合比的等同性。
47
3.3.3 光隔离器与光环行器
1．光隔离器的基本原理和结构 2．光环行器 3．光隔离器与光环行器的主要性能参数
48
• 互易器件 耦合器和其他大多数光无源器件的输 入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件 。
• 星形耦合器 这是一种n×m耦合器，其功能是把n根 光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光 纤，m和n不一定相等。这种耦合器通常用作多端功率
37
定向耦合器 这是一种2×2的3端或4端耦 合器，其功能是分别取出光纤中向不同方 向传输的光信号。光信号从端1传输到端2， 一部分由端3输出，端4无输出；光信号从 端2传输到端1，一部分由端4输出，端3无 输出。定向耦合器可用作分路器，不能用
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3.3.2 光耦合器
光耦合器 作用：把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输入的光信号组合成一个输出。
1．光耦合器的类型 2 2．光纤式耦合器的参数 （主要特性）
35
1．光耦合器的类型
• 光耦合器按其功能及形状不同可分为T形、星形、 定向、波分复用器/解复用器。
36
• T形耦合器 这是一种2×2的3端耦合器，其功能是把 一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤， 或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光 纤。这种耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或 功率组合器。
波分复用器/解复用器 这是一种与波长有38
• 光耦合器按其结构不同可分为棱镜式和光纤式 两类。
棱镜 棱镜型
P1 输入端口
P2
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历第一章：光纤通信概述1.1 光纤通信的定义与发展历程1.2 光纤通信的优点与局限性1.3 光纤通信的应用领域第二章：光纤与光波导2.1 光纤的构造与类型2.2 光纤的传输原理2.3 光波导的类型与特点第三章：光纤通信器件3.1 光源与光发射器3.2 光接收器与光检测器3.3 光纤耦合器与光波分路器3.4 光放大器与光调制器第四章：光纤通信系统4.1 光纤通信系统的组成与工作原理4.2 光纤通信系统的性能评价指标4.3 光纤通信系统的分类与特点第五章：光纤通信技术的发展趋势5.1 高速光纤通信技术5.2 光纤通信网络技术5.3 新型光纤材料与器件5.4 光纤通信在5G及未来通信网络中的应用教学方法：1. 讲授：通过讲解、案例分析等方式，使学生掌握光纤通信的基本原理、技术及其应用。
2. 互动：鼓励学生提问、发表观点，提高课堂氛围，促进学生思考。
3. 实践：组织实验室参观、实践操作等活动，让学生亲身体验光纤通信技术的应用。
4. 讨论：组织小组讨论，培养学生团队合作精神，提高解决问题的能力。
教学评估：1. 平时成绩：考察学生出勤、课堂表现、作业完成情况等。
2. 期中考试：测试学生对光纤通信基本概念、原理和技术掌握程度。
3. 课程设计：要求学生完成一项与光纤通信相关的课程设计，培养实际操作能力。
4. 期末考试：全面考察学生对课程内容的掌握程度。
课程日历：第1周：光纤通信概述第2周：光纤与光波导第3周：光纤通信器件第4周：光纤通信系统第5周：光纤通信技术的发展趋势第六章：光纤通信系统的性能优化6.1 信号衰减与色散管理6.2 光纤非线性效应及其补偿6.3 光信号调制与解调技术第七章：光纤通信网络7.1 光纤通信网络的拓扑结构7.2 波分复用技术（WDM）7.3 光交换技术与光路由器7.4 光纤通信网络的规划与设计第八章：光纤通信技术的应用8.1 光纤通信在数据通信中的应用8.2 光纤通信在电信网络中的应用8.3 光纤传感器与光纤测量技术8.4 光纤医疗成像与治疗技术第九章：光纤通信技术的标准化与协议9.1 光纤通信标准化的意义与过程9.2 主要的光纤通信协议与标准9.3 光纤通信协议的发展趋势第十章：光纤通信技术的未来发展10.1 新型光纤材料与器件的研究10.2 量子光纤通信技术10.3 光纤通信在物联网中的应用10.4 光纤通信在未来通信网络中的挑战与机遇教学方法：6. 结合案例分析，深入探讨光纤通信系统的性能优化技术及其在实际应用中的作用。
《光纤通信》第3章课后习题答案
1．计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做同样的计算。
解：波长为1m λμ=的光子能量为834206310// 6.6310 1.991010c m s E hf hc J s J mλ---⨯===⨯⋅⨯=⨯ 对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为346286.6310110 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯346266.631010010 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为20.14/I W cm =。
如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。
解：光子数为3484441660.14 6.6310310101010 3.98100.710c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯=⨯=⨯=⨯=⨯⨯ 3．如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。
解：粒子数为3482161 6.6310310 3.98100.510c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯====⨯⨯ 4．光与物质间的相互作用过程有哪些？答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。
5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。
处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。
6．什么是激光器的阈值条件？答：阈值增益为1211ln 2th G L r r α=+其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。
当激光器的增益th G G ≥时，才能有激光放出。
（详细推导请看补充题1、2）7．由表达式/E hc λ=说明为什么LED 的FWHM 功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？证明：由/E hc λ=得到2hc E λλ∆=-∆，于是得到2E hc λλ∆=-∆，可见当E ∆一定时，λ∆与2λ成正比。
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3.2 半导体光电检测器 3.3 光无源器件
第三章光纤通信器件
1
3.2 半导体光电检测器
• 光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第 一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换 为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电
• 目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检 测器有两种：
• （1）PIN光电二极管 • （2）APD雪崩光电二极管
V型槽基底
• 在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的光纤端面
紧靠在一起，如图所示。然后将两根光纤使用粘合剂
连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通道既可
以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片作成
第三章光纤通信器件
13
APD雪崩光电二极管结构
• 雪崩光电二极管的结构和能带示意图
第三章光纤通信器件
14
雪崩光电二极管RAM-APD的场 分布
第三章光纤通信器件
15
（2）雪崩光电二极管的结构及 其工作原理
第三章光纤通信器件
16
3.2.3 光电检测器的特性
1．响应度R0和量子效率η 2．响应时间 3．暗电流ID 4．雪崩倍增因子G 5．倍增噪声和过剩噪声系数F（G）
第三章光纤通信器件
4
3.2.1 半导体的光电效应
• 半导体材料的光电效应
第三章光纤通信器件
5
3.2.1 半导体的光电效应
• 当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，
若有光电子—空穴对产生，显然必须满足如下关系，
即
fc
Eg h
c
hc Eg
• λc称为截止波长，fc称为截止频率。
第三章光纤通信器件
11
2．APD雪崩光电二极管
（1 （2 • 目前光纤通信系统中，使用的雪崩光电二极管
结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。 • 雪崩光电二极管随使用的材料不同有几种：
Si—APD（工作在短波长区）；Ge—APD， InGaAs—APD等（工作在长波长区）。
第三章光纤通信器件
12
（1）雪崩光电二极管的雪崩倍 增效应
及器件的结构有关。
第三章光纤通信器件
18
2．响应时间
• 响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入射 光信号变化快慢的状态。
• • 一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短
• 上面讨论的响应时间是从时域角度来看的，若从频域
第三章光纤通信器件
19
3．暗电流ID
• 理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应 无光电流输出。但是实际上由于热激励、宇宙 射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光 电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。
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2．APD雪崩光电二极管
• 如果能使电信号进入放大器之前，先在光电二 极管内部进行放大，这就引出了一种另外类型 的光电二极管，即雪崩光电二极管，又称APD （Avalanche Photo Diode
• 它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大 作用，其内部放大作用是靠管子内部的雪崩倍
第三章光纤通信器件
第三章光纤通信器件
2
3.2 半导体光电检测器
3.2.1 半导体的光电效应 3.2.2 光纤通信中常用的半导体光电检测器 3.2.3 光电检测器的特性
第三章光纤通信器件
3
3.2.1 半导体的光电效应
• 半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光 照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大， 则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量， 从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电 子，在价带中出现光空穴，即光电子—空穴对，
• 严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。
• 由理论研究可知，暗电流将引起光接收机噪声
第三章光纤通信器件
20
4．雪崩倍增因子G
• 雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参 量—雪崩倍增因子。
• 在忽略暗电流影响条件下，它定义为
G Io IP
• 一般APD的倍增因子G在40～100之间。PIN光电管因 无雪崩倍增作用，所以G=1。
6
3.2.2 光纤通信中常用的半导体 光电检测器
1．PIN光电二极管 2．APD雪崩光电二极管
第三章光纤通信器件
7
1．PIN光电二极管
• PIN光电二极管能带图
第三章光纤通信器件
8
PIN光电二极管工作原理
第三章光纤通信器件
9
PIN光电二极管结构
• PIN光电二极管结构示意图
第三章光纤通信器件
第三章光纤通信器件
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1．响应度R0和量子效率η
• 响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理 量。
•
＝每秒每光秒生入电射子光－子空数穴对＝
Ip / e P0 / hf
＝ Ip P0
hf e
R0
Ip P0
A/W
R0
e hf
A/W
• 光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率、材料的特性
空穴对的随机数
第三章光纤通信器件
22
3.3 无源光器件
3.3.1 连接器和接头 3.3.2 光耦合器 3.3.3 光隔离器与光环行器 3.3.4 光开关 3.3.5 光滤波器 3.3.6 波长转换器 3.3.7波分复用器 3.3.8 光纤光栅 3.3.9 光调制器
第三章光பைடு நூலகம்通信器件
23
• 1、作用 • 2、工作原理及结构 • 3、性能参数
第三章光纤通信器件
21
5．倍增噪声和过剩噪声系数F （G）
• 从物理概念上容易理解，雪崩光电二极管的倍增是具 有随机性的。
• 这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍 增噪声。
• 倍增噪声可以用过剩噪声系数F（G）来描述为
F(G)gg22 Gg22
g 是每个初始电子-空穴对因雪崩效应产生二次电子-
第三章光纤通信器件
24
3.3.1 连接器和接头
• 光纤连接方法包括光纤熔接法、V型槽机械连接和弹性 管连接。第一种方法可产生永久性的连接，而后两种 连接方法在需要时可以将已连接的光纤拆开。
• 光纤熔接 • 作用：实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要
用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。 • 连接器 • 作用：实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，
主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之 间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。
第三章光纤通信器件
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1. 光纤熔接
第三章光纤通信器件
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第三章光纤通信器件
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• V型槽机械连接 • 弹性管连接
2. 连接器
第三章光纤通信器件
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待连接的光纤
在此处使用环氧 化物将光纤端面 粘贴在一起或将 光纤夹紧以定位