光通信原理 总复习

结电容
A
Cd w
PIN的噪声（和干扰）
量子噪声 ：由光子产生电子----空穴对的随机起伏 而引起。
功率谱密度为常数，可以看作为与频率无关，是一 种白噪声。
暗电流 ：带电粒子的热运动形成的电子空穴对 受电源电压和温度的影响是一个极不稳定的因素
第二节 光接收机
5.2.1 光接收机的前置放大部分 电路 5.2.2 光电集成接收组件 5.2.3 光前置放大级的噪声 5.2.4光前置放大级的信噪比
R I P
量子效率 I / e P /h
响应度和量子效率之间的关系
截止波长
c
hc Eg
1.24 Eg
R e h
Si 材 料 的 截 止 波 长 为 1 .06； Ge 材 料 的 截 止 波 长 为 1.65
PIN光电二极管的结构
耗尽区
P区 I区
N区
响应速度
1）光电二极管的结电容和负载电阻构成的RC时间常数 2）载流子在耗尽区内的定向运动速度 3）载流子在零电场区内的扩散运动速度
编码方法
编码方法与实现电路： （1）1B2B （2）5B6B （3）4B5B （4）8B10B （5）插0技术 （6）扰码
第五章 光接收机与基本光纤数字通信系统
概述 第一节 光探测器 第二节 光接收机 前置放大部分 第三节 光接收机其他部分 第四节 基本光纤数字通信系统
光接收机
光前置放大部分
第四章 光发射机
概述 第一节 光发射机使用的光源 第二节 光的调制 第三节 直接调制光发射机 第四节 外调制 第五节 线路编码
概述
电信号转化为光信号的这部分电路被称为光发射机。
电信号输入
线路 编码
驱动 电路
LD 或 LED 光信号
控制电路
第一节 光发射机使用的光源
1.光纤通信系统对光源的要求 2.半导体激光器 3.发光二极管（LED）
2.电特性
(1)电压-电流曲线 (2) 发光效率 (3)电光调制特性
发光曲线和阈值特性
注Βιβλιοθήκη Baidu电流
P
I
Ith
半导体激光器发光特性
3.发光二极管的发光特性
(1)发光特性
1)发光曲线 2)光谱特性 3) 温度特性 4)耦合效率
(2)发光二极管的电特性
1）电压-电流曲线 2）电光调制特性
半导体激光器和发光二极管比较
大
不能太
高
不易损 坏，可 靠性高
比较便 宜
近距离、 中小容 量系统
第三节 直接调制光发射机
P 输出光功率
I 调制电流信号 半导体激光器 （LD）
P I
发光二极管（LED）
激光器的调制电路
偏置部分 调制部分
Is
Ibs
～
有用信号
I0
Ib0
恒流源
驱动电路原理
Itotel
Is
I0
-Vcc
差动放大电路
光卡
电/光
前端
传输光路
光/电 前端
光卡
主机 电信号输入
主机 电信号输出
第三章传输光路
第一节 光纤和光缆
3.1.1 光纤的一般理论 3.1.2.通信用光纤的结构和制造 3.1.3.光缆的结构和制造 3.1.4.光纤中光信号的传输特性
第二节无源光器件
3.2.1.光纤连接器 3.2.2.光纤耦合器 3.2.3.其他器件 波分复用/解复用器
1) 通信必须有信息的发出者，信源 发出的是自身的信息，也可能是从别的信源获得的信息，可能是 人或机器 信息的发出者和通信的发起者不是同一含义，通信也可能由接收 者发起
2) 通信必须有信息的接受者，信宿 通信的接受者可以是明确的，也可以不明确。可以是人或机器
3) 通信方式 信息的承载方式 数字通信，模拟通信，编码方式
光接收机的前置放大部分
半导体光电二极管的等效电路 三种放大电路
(1)高阻抗放大 (2)低阻抗放大 (3)跨阻抗放大
半导体光电二极管的等效电路
跨阻抗放大
电压反馈并联输入放大器 电压反馈并联放大器 电路图
密勒定理 输入电阻 输出电压
前置放大级的噪声
量子噪声，暗电流噪声，热噪声，放大器噪声， 漏电流噪声，APD噪声
2)量子性，光子能量（频率）、光子数Ｎ
1.频率极高，可承载信息量极大 7.5亿条话路 2.相位与偏振方向不能直接检测出来
调幅 调频 调相 调偏 3.强度调制的光信号 非负的 双极性码 HDB3 RS-
232-C 4. 偏振度 偏振稳定性的度量 5. 相干性 相干时间 相干长度
相干性 相干时间 相干长度
C
C
复用段
复用方式
①按固定时隙复用 (同步方式)
②按帧复用（异步方式）
s(t) an f (t nT)
n
二进制数字的序列 ak ak 0 或1携带了用户的信息
a0 , a2 , a4......
a1, a3, a5......
第七章 光放大
第一节 光放大器的原理和一般特性 第二节 半导体光放大器 第三节 掺铒光纤放大器 第四节 光纤拉曼放大器
第一节 光放大器的原理和一般特性
7.1.1光放大原理 7.1.2 光增益谱宽与带宽 7.1.3 饱和输出功率 7.1.4 放大器噪声 7.1.5 放大器应用分类
均匀展宽二能级系统的增益系数
g( )
g0
1 (
0 ) 2 T22
P Ps
g():ω 频率处的增益系数
0 :原子跃迁频率，由跃迁能带的带隙决定。
功率限制系统的中继距离
L PT PR M e 2Ac 2Ad P0 Ps Pr M e 2Ad P0
Af As M c
Af As M c
Me----系统的设计富余度（dB）；时间和环境因素的影 响，不小于3dB。
Ac ----连接器损耗（dB/个）；0.3~1dB/个。 Af ---- 衰 减 常 数 （ dB/km）； 约 为 0 . 4 dB/km
2． 通信系统的基本组成
信源
变换器
信道
反变 换器
信宿
噪声
通信系统
2． 通信系统的基本组成
信源
通信终端
信道
通信终端
信宿
噪声
通信系统
第二节 光纤通信的特点
2.2.1 光通信与光纤通信 2.2.2 光信号的基本特征 2.2.3 光纤信道的基本特性
2.2.2 光信号的基本特征
1)波动性: 频率(波长)、幅度、相位、偏振方向
第一节 光纤和光缆
3.1.1 光纤的一般理论
1. 射线理论 2. 波动理论 模式理论 模耦合理论 3. 量子理论
3.1.2 通信用光纤的结构和制造 3.1.3 光缆的结构和制造 3.1.4 光纤中光信号的传输特性
1. 光纤损耗 2. 时延与色散 3. 非线性效应
3.1.4 光纤的传输特性
1. 光纤损耗 2.时延与色散 3.非线性效应
第三节 光纤通信系统的基本组成
第一节 通信的一般概念
1． 通信的一般概念
什么是通信? 通信要素
2． 通信系统的基本组成
通信系统的基本组成模型
3. 通信的基本要求
（1）通信的实时性 （2）通信的可靠性 （3）通信质量
1． 通信的一般概念 什么是通信?
“通信是信息的发出着按照双方事先一致同意的协定以某种方式经 过某种途径将信息传递给接收者的全过程”
光 谱 出光 特性 功率
温度特性
响应速 度
相干性
可靠性
价格
适用场 合
窄 ， mW数 影 响 大 ， 较快易 较好
色 散 量级 动 态 范 围 于高速
LD
影 小
响
小
调制
较易损 坏，寿 命较短
比较贵
长距离、 大容量 系统
宽， μW和
LE 色 散 nW量 D 影响 级
大
特性好， 慢较调 差
动态范围 制频率
第二节 信号的概念 第三节 数字信号和模拟信号 第四节 噪声
第一节 信息的基本知识
1． 信息的概念
（1） 什么是信息？ （2） 信息的基本特征
2． 信息的度量
（1）信息量 （2）信息量的单位
3． 信源
（1）信源的信息量 （2）信源编码
第二节 信号的概念 ---什么是信号？
1．信号的物理性 2．信号的信息性
目录
第一章 信息与信号 第二章 光通信的一般概念 第三章 传输光路 第四章 光发射机 第五章 光接收机与基本光纤数字通信系统 第六章 基于电复用的光纤通信系统 第七章 光放大 第八章 光路复用技术
第一章 信息与信号
第一节 信息的基本知识 1． 信息的概念 2． 信息的度量 3． 信息源 4. 信息系统与信道
光纤损耗谱
3.1.4 光纤的传输特性--色散
(1)色散的概念
(2)色散的影响
(3)色散的分类
总色散
(4)色散对通信系统的影响
3.1.4光纤的传输特性--非线性效应
1. 弹性非线性:
自相位调制, 交叉相位调制, 四波混频
2. 非弹性:
布里渊散射 拉曼效应
第二节 无源光器件
指不需要外界输入能量即可工作的光路部件 光纤连接器、光纤耦合器、光环形器、 光滤波器、波分复用/解复用器 光衰减器、光隔离器、 偏振控制器、起偏器 准直器
相干长度: 在这段长度内，光有稳定的相位关系
L vg t
相干时间 光源的稳定发光时间有关，也就是与光源的 频带宽度有关 t 1 f FP-LD激光器 f 150MHz 6ns， 1.2m DFB激光器 f 10MHz0.1μs 20m 外腔激光器 f 1MHz 200m
2.2.3 光纤信道的基本特征
光纤
光前端 光检 接口 测器
前置 放大 器
主放大
主放 大器
均衡 滤波
AGC电路
数字信号恢复
判决 电路
再生 放大
时钟提取
译码部分
译码器
并行输出
帧同步
第一节光检测器
概述 5.1.1光检测的物理基础:电光效应 5.1.2 PIN半导体光电二极管 5.1.3 APD雪崩光电二极管
PN结的工作参数
响应度
激光器的控制电路
温度控制 光功率控制
探测器
制冷器
T
Q
激光器
+5V +3V
T
第五节 线路编码
为什么要线路编码？ 编码方法与实现电路：
信道编码的主要目的
1.从双极性信号转换为单极性信号 2.保证光端机同步，要有丰富的时钟分量，以便于时钟
提取 3. 使平均光功率稳定 4. 误码检测，必须得留一些冗余 5. 其他用途：勤务电话、定位码
Af As M c
Af As M c
PT----发送光功率（dBm）； PR----接收机理论灵敏度（dBm），与实际灵敏度差一
个连接器的衰减值。
Ps----入纤功率，；LD光源，-3、-6、-9dBm Pr----接收机灵敏度（dBm），每个中继段内
BER≤1x10-10时，连接器前最低平均光功率。
4.1.2.半导体激光器
1.基本原理 2.材料与结构 3.基本特性
2.半导体激光器--基本原理
三个基本条件 激励源，提供能量靠它。调制激励电流 粒子数反转分布（有源区内） 光学谐振腔，稳定的振荡输出和单一的谱线
I
P
3．基本特性
1.发光特性
(1)发光曲线和阈值特性 (2)光谱特性 (3) 温度特性 (4) 光斑、发散角和耦合效率 (5)噪声特性
（1310nm）、0.25dB/km（1550nm）。
As----平均每公里光纤接头损耗（dB/km）；一般在 0.1dB/km以下。
第六章 基于电复用的光纤通信系统
第一节 复用技术概述 第二节 时分复用的基本原理 第三节 同步数字体系SDH
复用段和再生段
复用器 A
解复用器 A
B
3R
3R
B
再生段
第三节 数字信号和模拟信号
1．一般概念 2．同步 3．包
第四节 噪声
1.干扰 2.狭义噪声
第二章 光通信的一般概念
第一节 通信的一般概念
2.1.1通信的一般概念 2.1.2通信系统的基本组成 2.1.3通信的基本问题
第二节 光纤通信的特点
2.2.1光通信与光纤通信 2.2.2 光信号的基本特征 2.2.3 光纤信道的基本特性
第三节 光接收机(其他部分)
5.3.1 主放大部分 5.3.2 数字信号恢复部分（时钟提取） 5.3.3 光接收机的误码率 5.3.4 光接收机的灵敏度 5.3.5 译码部分
第四节 基本光纤数字通信系统
功率限制系统的中继距离
L PT PR M e 2Ac 2Ad P0 Ps Pr M e 2Ad P0
1.光信道（传输光路） 光纤，光有源器件和光无源器件， 光纤放大器、光连接器、光耦合器、光纤光栅、波分 复用器、偏振控制器......
2.带宽 1.2到1.6 um 20亿个话路 3.几乎没有噪声
光源 探测器，量子噪声 光纤放大器 自发辐射噪声 ASE 串音 反射 4.相位敏感和偏振不稳定
光纤通信系统的基本组成
g0 :在 0处、且输入平均光功率很小的增益系
数，也称为峰值增益系数。
Ps :为饱和功率，与粒子的驰豫时间有关。 T2 :为增益介质的驰豫时间，一般0.1ps~1ns。
7.1.2 光增益谱宽
在小信号条件下 P 1
Ps
g( )
1
(
g0
0
) 2 T22
增 益 谱 的 半 高 全 宽 （ FWHM）（Full Wide Haff Maximum）