最新《光纤通信》第三章光接收机
光纤通信第三章
不同材料光电二极管的响应度曲线
e0 h
2）响应波长
光电效应满足条件： hv E g
即 hc/Eg
截止波长：
c=Ehcg
= 1.24（m）
Eg(eV)
响应波长：Si:
0.51.0m
Ge , InGaAs: 1.01.6m
当入射波长太短时，大量光子在 零场区被吸收，光电转换效率会 下降。
3、PIN光电二极管主要特性参数 1）光电转换效率
量子效率η：
光 生 入 电 射 子 光 对 子 空 数 穴 对 P I0 P //h e0I P P 0h e0
响应度R： 一次光生电流IP和入射光功率P0的比值
RIP e0(A/W) P0 h
R IP (m)
3.4 光接收机的灵敏度
灵敏度Sr:在满足误码率或信噪比的条件下，光接 收机最低接收的平均光功率〈P〉min，并以dBm为单位。由 定义得到
Sr 10lg1P0min3 dBm
灵敏度的影响因素
1）检测器和放大器噪声的影响 2）比特速率的影响
p T 3 2 min
p T 7 6 min
I层作用：增加了耗尽层宽度。提高响应速度、光电 转换效率。
光 抗反射膜
电极
P＋
(n ) N＋ E 电极
2、工作原理 如果断开电路？ 则不会有电流 只有电势
当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续 向 N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量， 电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流 子），并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区 相互逆方向作漂移运动，并在外部电路形成光电流。
ห้องสมุดไป่ตู้
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
光纤通信ppt概要
2 1 Rt2
2Ct2
d 2
Rt Rb // Ra ； Ct Cd Cs Ca ；ZT 是放大器、均衡滤
波器的传递函数，它表示输入电流与输出电压之间的传
递关系，实为转移阻抗
可以看出：①偏置电阻Rb越大，电阻的热噪声越小；② 输入电阻Rt越大、输入电容Ct越小，串联电压噪声源对 总噪声的影响越小
4．APD的过剩噪声
APD的过剩噪声系数为
g2
g2
F G
g2
G2
在工程上，为简化计算，常用过剩噪声指
数来表示过剩噪声系数，即
F G≈Gx
3.3 放大电路及其噪声
3.3.1 噪声的数学处理
1．噪声的统计性质
对噪声的分析应采用随机过程的分析方法 电阻内部微观粒子的热骚动是一个随机过 程
对于随机噪声XN来说，落在x1和x1+dx1之 间的概率是
2kK gm
gSmi 是FE场T，效应管0.7的；跨对导G；aA是s F器ET件，的 ≈数值1.系1 数，对
（3）输出瑞的总噪声功率
当得vn2aR到b足2RkbK够 e大0Igate时 2，kgKm上vRn1b式a2 中 C的gZtmT2第 一2 d2项 2可kgKm以 C2忽t2 略 ，Z T 因 此2 2d
3.3.3 场效应管和双极晶体管
的噪声源
1．输入端的等效电路及噪声源
场效应管的主要噪声源有两个 : 栅漏电流的散粒噪声 沟道热噪声
（1）散粒噪声
散粒噪声其功率谱密度为 SI e0Igate e漏0为电电流子电荷，e0 1.61019C，Igate是场效应管的栅
（2）沟道热噪声 功率谱密度为
d iout df
3.2.1
PN 结 的 光
光接收机的结构及原理
光接收机的结构及原理光接收机是一种用于接收光信号并转换为电信号的设备。
它在光通信系统中起着至关重要的作用。
本文将详细介绍光接收机的结构和原理，以匡助读者更好地理解该设备的工作原理和性能。
一、光接收机的结构光接收机通常由以下几个主要组成部份构成：1. 光探测器：光探测器是光接收机的核心部件，用于将光信号转换为电信号。
常见的光探测器包括光电二极管（Photodiode）和光电导（Phototransistor）等。
光电二极管是一种半导体器件，当光照射到其PN结时，会产生电流。
光电导是一种具有放大功能的光电二极管，它可以将光信号转换为电流信号，并通过放大电路放大电流信号。
2. 光电转换电路：光电转换电路用于将光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号转换为电压信号，并进行放大。
光电转换电路通常包括前置放大电路、滤波电路和放大器等。
前置放大电路用于提高光电二极管或者光电导的灵敏度，滤波电路用于滤除噪声和杂散信号，放大器用于放大电流信号，以便进一步处理和解析。
3. 接收电路：接收电路用于对光电转换电路输出的电压信号进行解码和处理。
它通常包括解调电路、解码电路和信号处理电路等。
解调电路用于将调制的光信号解调为基带信号，解码电路用于将基带信号解码为原始数据信号，信号处理电路用于对原始数据信号进行滤波、放大和整形等处理，以便进一步应用和分析。
4. 光纤连接器：光纤连接器用于将光接收机与光纤连接起来，以实现光信号的传输。
常见的光纤连接器有FC、SC、LC等不同类型，它们具有低插损、高耐用性和良好的光学性能，能够确保光信号的高质量传输。
二、光接收机的工作原理光接收机的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 光信号接收：光接收机首先接收来自光纤的光信号。
光信号通过光纤传输到光接收机的光探测器。
2. 光电转换：光探测器将接收到的光信号转换为电信号。
光电二极管或者光电导在光照射下产生电流，电流的大小与光信号的强度成正比。
3. 电信号放大：光电转换电路对光电二极管或者光电导输出的微弱电流信号进行放大。
光接收机的结构和原理
光接收机的结构和原理光接收器，又称为光电探测器或光检测器，是光通信系统中重要的组成部分。
它用于将光信号转换为电信号，并在接收端进行信号放大和处理。
光接收器的结构和原理决定了其灵敏度、速度和可靠性等特性。
在典型的光接收器中，可以找到以下几个主要组成部分：1.光电转换器：光电转换器通常由光电二极管、光电效应材料或光伏电池等组成。
它的作用是将光信号转换为电荷或电压。
2.前放器：前放器用于放大光电转换器输出的电信号。
它通常由放大器、滤波器和电源等组成。
前放器的作用是增强信号强度，并提高信号噪声比。
3.可调增益控制器：可调增益控制器用于控制信号放大倍数。
光接收器通常需要调整增益来适应不同的光信号强度。
可调增益控制器允许用户根据需要调整放大倍数。
4.信号处理电路：信号处理电路用于对接收到的光信号进行处理。
它通常包括滤波器、放大器、时钟恢复电路和调制解调器等。
信号处理电路的作用是提取和解码光信号中的信息。
5.输出接口：输出接口用于将处理后的电信号传递给下游设备或系统。
它通常包括电缆连接器、光纤连接器和电路板连接器等。
光接收器的原理基于光电效应，即光照射到特定材料上时会产生电流或电荷。
光接收器的工作流程如下：1.光信号输入：光信号通过光纤或其他光路输入到光接收器中。
2.光电转换：光信号照射到光电转换器上，激发光电效应材料中的电子。
这些激发的电子会产生电流或电荷，并通过引出线路传输出来。
3.信号放大：经过光电转换的信号被传输到前放器中。
前放器对信号进行放大和滤波，以增强信号强度并减小背景噪声。
4.增益控制：可调增益控制器调整信号的放大倍数。
这是为了适应不同的信号强度，避免信号过载或衰减。
5.信号处理：信号处理电路对信号进行进一步的处理，如滤波和解调。
滤波器可以去除噪声和杂散信号，解调器可以提取和恢复光信号中的编码信息。
6.输出信号：经过处理的信号通过输出接口传输给下游设备或系统，进行后续的数据处理或应用。
光接收器的性能由其结构和原理决定。
光纤通信_实验3实验报告接收机灵敏度和动态范围测量实验
课程名称：光纤通信实验名称：实验3 接收机灵敏度和动态范围测量实验姓名：班级：学号：实验时间：指导教师：得分：一、实验目的1、了解和掌握光收端机灵敏度的指标要求和测试方法。
2、掌握误码仪的使用方法。
二、实验器材主控&信号源模块25 号光收发模块23 号光功率计 & 误码仪模块三、实验原理光接收机的性能指标主要包括灵敏度和动态范围。
（1）灵敏度灵敏度是光端机的重要特性指标之一，它表示了光接收机接收微弱信号的能力，是系统设计的重要依据。
光接收机灵敏度的定义是：在给定误码率或信噪比条件下，光接收机所能接收的最小平均光功率。
在测灵敏度时应注意 3 点：1、在测量光接收机灵敏度时，首先要确定系统所要求的误码率指标。
对不同长度和不同应用的光纤数字通信系统，其误码率指标是不一样的。
例如，在短距离光纤数字通信系统中，要求误码率一般为，而在 420km 数字段中，则要求每个中继器的误码率为。
对同一个光接收机来说，当要求的误码率指标不同时，其接收机的灵敏度也就不同。
要求误码率越小，则灵敏度就越低，即要求接收的光功率就越大。
因此，必须明确，对某一接收机来说，灵敏度不是一个固定不变的值，它与误码率的要求有关。
测量时，首先要确定系统设计要求的误码率，然后再测该误码率条件下的光接收机灵敏度的数值。
2、要注意光接收机灵敏度定义中的光功率是指最小平均光功率，而不是指任何一个在达到系统要求的误码率时所对应的光功率。
因此，要特别注意“最小”的概念。
所谓“最小”，就是指当接收的光功率只要小于此值，误码率立即增加而达不到要求。
应该指出，对某一接收机来说，光功率只要在它的动态范围内变化，都能保证系统要求的误码率。
但灵敏度只有一个，即接收机所能接收的最小光功率。
3、灵敏度指的是平均光功率，而不是光脉冲的峰值功率。
这样，光接收机的灵敏度就与传输信号的码型有关。
码型不同，占空比不同，平均光功率也不同，即灵敏度不同。
在光纤数字传输系统中常用的 2 种码型 NRZ 码和 RZ 码的占空比分别为100%和 50%。
2013光纤通信第3章_光接收机(东北电力大学)
e P m, t0 , t0 L m!
2．雪崩倍增过程的统计性质
假设整个雪崩过程进行的相当快，每一初始的 “电子—空穴”对倍增出随机数为gl的二次“电 子—空穴”对（包括初始“电子—空穴”对本 身），可以得出gl = n的概率为
2
d 2kKrb'b 2
ZT
2
1 2 d 2 2 Cd Cs Rb 2
ZT
1 2 2 d 2 Ct Rt 2
3.3.4 前置放大器的设计
1．低阻型前置放大器
这种前置放大器从频带的要求出发选择偏置电阻， 1 使之满足 Rt≤ 的要求。BW为码速率所要求 2BW Ct 的放大器的带宽
Ip
4．响应速度
响应速度常用响应时间（上升时间和下降时间） 来表示
影响响应速度的主要因素有3点 （1）光电二极管和它的负载电阻的RC时间常数 结电容与耗尽区的宽度w及结区面积A有关
Cd =
A
w
（2）载流子在耗尽区里的渡越时间 下图为漂移速度与电场强度关系
若想使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，反向偏压 须满足 V ＞ Esw
时间间隔里，可以
1 x t dt T 2
T 2
1 lim F x , T T 2T
2
d
左边表示平均功率，而
1 S x lim F x , T T 2T
2
就是此函数的双边平均功率谐密度，简称功率谱 密度，它表示1 Hz频带上平均功率的大小。所谓 “双边”，是指对的正负频域都有意义
d ea22 df e0 I c k 2 K 2 2 gm e0 I c
光接收机的结构及原理(精)
光接收机的结构及原理一、光接收机的概述光接收机（Optical Receiver）是指把光信号转换成电信号的装置，常用于光纤通信等场合。
光接收机又称为光检测器，光探测器（photo-detector）或光电转换器（Optical-to-Electrical Converter，OEC）。
光接收机必须能够快速、准确地将光信号转换为相应的电信号，而且要具备良好的稳定性和抗干扰能力。
二、光接收机的结构光接收机通常由以下五个部分组成：•光纤接收头•光电转换器•前置放大器•滤波器•后置放大器2.1 光纤接收头光纤接收头是光接收机的入口部分，主要功能是把光纤中传输的光信号转换成电信号，进一步进行处理。
光纤接收头由透镜、滤波器、光电转换器等部分组成，一般都是具有高精度、高质量、高稳定性的组件。
2.2 光电转换器光电转换器是光接收机的核心组件，它是将光信号转换成电信号的装置。
光电转换器通常采用半导体材料，如硅、锗、InGaAs等材料制造而成。
光电转换器有两个电极，当光照射在光电转换器上时，产生光电效应，使电子加速并跃迁，进而导致电流的流动，从而将光信号转换成电信号。
2.3 前置放大器前置放大器是光接收机的信号前置放大器，主要功能是将弱电信号进行放大，增强信号的强度，减少噪声对信号的影响。
前置放大器一般采用低噪声放大器，能提高信噪比，保证信号的传输质量。
2.4 滤波器滤波器是光接收机中的重要组成部分，主要通过选择特定的频率范围内的电信号，剔除掉干扰信号，使得输出信号更加纯净。
滤波器的种类有很多，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
根据需要选择不同的滤波器，进行信号的处理和滤波。
2.5 后置放大器后置放大器是光接收机的信号后置放大器，主要作用是对放大信号进行进一步的增强，以达到输出信号的高质量、高精度和高效率。
三、光接收机的原理光接收机的原理是光电转换技术，即把光信号转换为电信号。
它的基本原理是：在光电转换器中，光束在达到光电转换器表面后，被半导体吸收产生电子-空穴对，使电子加速并跃迁，进而导致电流的流动，从而将光信号转换成电信号。
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节教材光收发设备
3. 光学谐振腔
• 图3-8 光学谐振腔的结构
31
3. 光学谐振腔
• 图3-9 激光器示意图
32
3. 光学谐振腔
• 综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须具备以下三个组成部分: 工作物 质、泵浦源和光学谐振腔。
• 工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质，从而有光的 放大作用。
22
3. 光和物质的相互作用
• 图3-6 原子的受激吸收
23
3. 光和物质的相互作用
（3）受激辐射 处于高能级E2的电子, 当受到外来光子的激发而跃
迁到低能级E1时, 放出一个能量为hf的光子。由于这个过 程是在外来光子的激发下产生的, 因此叫做受激辐射。 受激辐射的特点如下。 ① 外来光子的能量等于跃迁的能级之差。 ② 受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同, 而且相位、偏振方向和传播方向都相同, 因此称它们 是 全同光子。 ③ 这个过程可以使光得到放大。
24
3. 光和物质的相互作用
• 图3-7原子的受激辐射
25
3.1.2 激光器的工作原理
• 激光器是指能够产生激光的自激振荡器。 • 要使得光产生振荡, 必须先使光得到放大,
而产生光放大的前提, 由前面的讨论可知, 是 物质中的受激辐射必须大于受激吸收。 • 受激辐射是产生激光的关键。
26
3.1.2 激光器的工作原理
“0”码平均发送光功率之比。可用下式表示
（3-1）
式中, P11为全“1”码时的平均光功率；P00为 全 “0”码时的平均光功率。一般要求EXT≥10dB 。
5
3.0.1 光发送机
（3）调制特性要好 所谓调制特性好, 是指光源的P−I曲线在使用范围内 线性特性好, 否则在调制后将产生非线性失真。 除此之外, 还要求电路尽量简单、成本低、稳定性 好、光源寿命长等。
光接收机(光纤通信课件)
一、数字光接收机
光接收机的主要作用
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，生成与发送端相同的电信号，输入 到电接收端机，并且用自动增益控制电路（AGC） 保证稳定的输出。
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。
小结
6．光接收机的噪声主要来自光接收机内部噪声：包括光电 检测器的噪声和光接收机的电路噪声。光电检测器的噪声 包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD的倍增噪 声；电路噪声主要是前置放大器的噪声。
7. 数字光接收机主要指标有光接收机的灵敏度和动态范围。
4 光接收机的电路噪声
光接收机的电路噪声主要指前置放大器噪声， 其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声。
一、数字光接收机
（三） 光接收机的主要指标
1 光接收机的灵敏度
光接收机的灵敏度是指在系统满足给定误码率指标的条件下，光接收机所需的 最小平均接收光功率Pmin（mW）。工程中常用毫瓦分贝（dBm）来表示，即
AGC放大器 峰值检波器
AGC电路
一、数字光接收机
（二）光接收机的噪声特性
光接收机的噪声主要来自光接收机内部噪声： 包括光电检测器的噪声和光接收机的电路噪声。
光电检测器的噪声
入射
光子
包括量子噪声、暗电流噪声、
漏电流噪声和APD的倍增噪声；
电路噪声
主要是前置放大器的噪声。前 置放大器的噪声包括电阻热噪 声及晶体管组件内部噪声。
（二）光接收机的噪声特性
3 雪崩管倍增噪声
由于雪崩光电二极管的雪崩倍增作用是随机的，这种随 机性，必然要引起雪崩管输出信号的浮动，从而引入噪声。
现代光纤通信技术及应用第3章光发送机和光接收机课件
图 半导体的能带和电子分布
3.2.1 半导体激光器的发光机理
2. 注入式半导体激光器的工作原理
图 注入式半导体激光器结构示意图
注入式半导体激光器结构示意图上图所示，注入式半导体激光器的主体是一 个正向偏置的PN结，当电流密度超过阈值时，注入载流子（电子和空穴）在PN 结结区通过受激辐射复合，产生激光。
3.3.3 垂直腔面发射激光器
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是很有发展前景的新型 光电器件，也是光通信中革命性的光发射器件。VCSEL优 于边发射激光器的地方有：易于实现二维平面和光电集成； 圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；可以实现高速调制， 能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统；有源区尺寸 极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须 解理，封装后即可进行在片实验；在很大的温度和电流范 围内都能单纵模工作；价格低。
入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即 粒子数反转后，在发光束方向上的受激发射比自发发射的强 度大几个数量级。 总结激光发射的首要条件：
工作物质（即能实现粒子跃迁的晶体材料，如GaAs和InGaAsP） 外界供给能量满足粒子数反转（常采用电流注入法）
3.1.1 激光产生的原理
光的吸收和放大
获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到 高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大 于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。
光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来
入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相 同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的放大过程。
《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。
光纤通信原理 第三章 光纤通信技术
图 双纤单向WDM传输
(2) 单纤双向传输。 双向WDM传输是指光通路在一根光 纤上同时向两个不同的方向传输。如图7.8所示，所用波长相 互分开， 以实现双向全双工的通信。
1 光发射机 1
光接机 1
…
…
n 光发射机 n 1′ 光接收机
复用/解复用器
…
n′ 光接收机
1…n
光纤 放大器
n＋1…2n
光接收机 n
在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开，完成多路光信号 传输的任务。
反方向通过另一根光纤传输的原理与此相同。
1 光发射机
1
…
复用器
n 光发射机 n
1′ 光接收机 n′ 光接收机
…
解复用器
光纤放大器 1…n
光纤放大器 1…n
解复用器
光接收机
1
…
光接收机 n
复用器
1 光发射机
1′
…
n 光发射机
n′
如果一个区域内所有的光纤传输链路都升级为WDM传输， 我们就可以在这些WDM链路的交叉(结点)处设置以波长为单位 对光信号进行交叉连接的光交叉连接设备(OXC)，或进行光上下 路的光分插复用器(OADM)，则在原来由光纤链路组成的物理层 上面就会形成一个新的光层。
在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来， 形成一个跨越多个OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息 传送，并且这种光通路可以根据需要灵活、动态地建立和释放， 这就是目前引人注目的、 新一代的WDM全光网络。
复用/解复用器 n＋1
光发射机
1′
…
2n 光发射机
n′
图 单纤双向WDM传输
双向WDM系统在设计和应用时必须要考虑几个关键的系 统因素：
光纤通信第三章3接收机灵敏度
I d ]hT (t
tl )dtl
20
3）求 [Voutl (t)]2
N
N
[Voutl (t)]2 e0 gl hT (t tl ) e0 gshT (t ts )
l 1
s1
N
NN
e02 gl 2hT 2 (t tl ) e02
gl gs hT (t tl )hT (t ts )
D f0(x)dx
“1”码误判为“0”码的概率E：10
误码率
D
f1(x)dx
BER E01P(0) E10P(1)
3
2、光接收机灵敏度计算方法
1）精确计算：从雪崩倍增实际的概率密度函
数出发计算总噪声的概率密度函数，进而计算接
收机的灵敏度。
X X1 X2
2）高斯近似计算
fX (x) fX1 fX 2
Vnd2(0)e0g2 {eh0
[ bmahxp(tl
k
k
T)
bmahxp(tl)b0hp(tl)]Id}hT2(ttl)dlt
引入参量：
25
1
h p ( tl kT ) hT 2 ( tl ) dt l
k
I1 h p ( tl ) hT 2 ( tl )dt l
I 2
1
x2
e 2 dx
2
D
E 10
ห้องสมุดไป่ตู้
1
e dv
(
v
b max
2
2 1
)2
2 1
令 x b max v , dx dv
1
1
E 10 b max D
1 2
x2
e 2 dx
1
光纤通信原理课后答案
光纤通信原理课后答案【篇一：光纤通信原理参考答案】>第一章习题1-1 什么是光纤通信?光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
1-2 光纤通信工作在什么区，其波长和频率是什么?1-3 bl积中b和l分别是什么含义?系统的通信容量用bl积表示，其含义是比特率—距离积表示，b为比特率，l为中继间距。
1-4 光纤通信的主要优点是什么?光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。
主要有：(1) 通信容量大(2) 中继距离远(3) 抗电磁干扰能力强，无串话(4) 光纤细，光缆轻(5) 资源丰富，节约有色金属和能源。
光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。
因而经济效益非常显著。
1-5 试画出光纤通信系统组成的方框图。
一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。
1-5 试叙述光纤通信的现状和发展趋势。
略1第二章习题求：(1) 激光波长；(2) 平均能流密度；(3) 平均能量密度；(4) 辐射强度；1）??c3?108（??3?1013?10?5m（2）?ws?10010?10?9(10?2)2?3.18?1013j/ms2（3）?c?3.18?10133?108?1.06?105j/m2s（4）i??3.18?1013j/ms22-2 以单色光照射到相距为0.2mm的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m。
（1）从第一级明纹到同侧旁第四级明纹间的距离为7.5mm，求单色光的波长；（1）??axd??k?x?d?d?1a x4?4axd?4?x1?3aa(x4?x1)3d?5?10?7m（2）?x?d?a?3?10?3m22-3 一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。
油的折射率为1.3，玻璃的折射率为1.5 ，若单色光的波长可由光源连续调节，并观察到500nm与700nm这两个波长的单色光在反射中消失，求油膜的厚度。
解：由于空气的折射率小于油的折射率，油的折射率小于玻璃的折射率，薄油膜的上、下两表面反射而形成相干光，由于两束光的路程不同而引起的光程差为2 n2e；由于薄油膜的上、下两表面反射光都发生位相突变而不引起额外的光程差。
光纤通信第四版课后答案张德民胡庆
光纤通信课后答案第一章基本理论1、阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么?答:当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即O<V<2.40483时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。
2、管线的损耗和色散对光纤通信系统有哪些影响?答:在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一，在很大程度上决定着传输系统的中继距离;光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
3、光纤中有哪几种色散?解释其含义。
答: (1）模式色散:在多模光纤中存在许多传输模式，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，而产生了模式色散。
(2）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，由此引起的色散称为材料色散。
(3）波导色散:统一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此引起的色散称为波导色散。
5、光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响?答: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以及信号载波的移动等，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。
6、单模光纤有哪几类?答:单模光纤分为四类: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、非零色散位移单模光纤。
7、光缆由哪几部分组成?答:加强件、缆芯、外护层。
*、光纤优点:巨大带宽(200THz)、传输损耗小、体积小重量轻、抗电磁干扰、节约金属。
*、光纤损耗:光纤对光波产生的衰减作用。
引起光纤损耗的因素:本征损耗、制造损耗、附加损耗。
*、光纤色散:由于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，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，导致信号的畸变。
引起光纤色散的因素:光信号不是单色光、光纤对于光信号的色散作用。
色散种类:模式色散(同波长不同模式)、材料色散(折射率)、波导色散(同模式，相位常数)。
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10-5
10-6
给定 10-7 BER 10-8
10-9 10-10
动态范围D
-32 -30 -28
-12
接收灵敏度Pmin
≈
P(dBm)
-10 -8 -6
过载功率Pmax
§3.4 光接收机的均衡网络
升余弦形频谱
在光纤通信系统中，常设计均衡网络使 输出波形具有升余弦形频谱。
□频谱
1
0 <(1-)/Ts
《光纤通信》第三章光接收机
光接收机框图
探
测 光器 信
号
前置 放大器
主放 大器
均衡器
AGC 电路
判决器 译码器
时钟 提取
探测器： 实现光电变换。 前放： 实现低噪声放大。 主放： 提供足够的增益，且增益受AGC电路的控制。 均衡器： 保证判决时不存在码间干扰。 判决器、时钟提取：对信号进行再生。 AGC电路：改变接收机的增益，扩大接收机的动态范围。
□对于APD Pmin18EXT(%) (dB)
例：EXT=10% Pmin=1.8dB
其它因素对灵敏度的影响 P190
暗电流 输入波形 放大器噪声 ……
§3.3 接收机的动态范围
接收机的动态范围
保证达到给定误码率的条件下，允许接收 光功率的变化范围。(dB)
------反映接收机接收强信号的能力。
例: G=100, x=0.5, F(G)=10, APD放大噪声比放大信号多10倍。
G=100, x=1.0, F(G)=100, APD放大噪声比放大信号多100倍。
过剩噪声指数为APD的重要指标.
§3.2 光接收机的灵敏度
接收灵敏度
(1) 保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的最小平均光功率。(W，dBm)
APD的过剩噪声系数：
F(G)Gx
x: 过剩噪声指数。
Si-APD:
x: 0.3-0.5
Ge-APD:
x: 0.8-1.0
InGaAs-APD: x: 0.5-0.7
雪崩光电二极管
APD的倍增噪声
F(G) 表示由于倍增作用而增加的一个噪声系数。 通过APD倍增后信号功率与G2成正比， 而噪声功率与G2•F(G)=G2+x成正比， 即APD放大噪声比放大信号多Gx倍。
系统对接收机动态范围的要求： D(dB)=[PTR(dBm)-10dB]~Pmin(dBm) 可正常接收比发送功率小10dB的光功率
例：fb=34Mb/s, Pmin=-44dBm, PTR=-3dBm 要求：D=31dB
接收机的动态范围
BER
10-4
D(dB)=Pmax(dBm)-Pmin(dBm)
Байду номын сангаас
均光能量为E1，码元宽度为Tb，一个码元平均光子
数为n，那么光接收机所需最小平均接收功率为 :
Pmin
E1 2Tb
nhv
2Tb
10.5Rbhv
灵敏度与码速的关系 P177
Rb Pmin(变差)
-20 Pmin(dBm)
PIN: PminRb3/2
-30
(4.5dB/比特率倍程)
APD：PminRb7/6
光电二极管
响应速度
□常用上升，下降时间表示。 □主要由结电容和负载电阻的时间常数决定。
上升时间(RL=50) Si: 300ps Ge: 500ps InGaAs: <100ps 工作于主干线：2.5Gbit/s
10Gbit/s
雪崩光电二极管（APD）
工作在高反向偏压的PN结二极管。
Rb: 码元速率 : 波长
光接收机灵敏度的量子极限
① 由于光源EXT=0，“0”码时接收的光能量为0； ② 光电二极管的暗电流为0、 “0”码时接收的光能
量为0、系统又无噪声，因此“0”码误判为“１” 码的概率为0，即Pe, 01=0。 ③ 由于系统无噪声，只要光电二极管输出一个电子 空穴对，判决器就能判出来。所以产生误码的惟 一可能就是当一个光脉冲输入时，光检测器没有 产生光电流，放大器没有电流输出。
V：反向电压
Si：G≈100
Ge：G≈10
InGaAs：G≈10～20
雪崩光电二极管
APD 的温度特性
G
100
20ºC 40ºC 60ºC
10
1
V
50
100
150
T VB。
APD实用时应在偏置电路中加温度补偿。
雪崩光电二极管
APD的倍增噪声
APD 噪声：
量子噪声（散弹噪声） 暗电流噪声 倍增噪声----影响最大
H()=
1 2
[1+sin
Ts 2
(
Ts
-)]
(1-) Ts
接收灵敏度Pmin≈-29.4 dBm
光接收机灵敏度的量子极限 P164例题
假设： 系统频带无限宽
系统无噪声 光源消光比为零 光电管暗电流为零 量子效率为1
☆ BER=10-9时， E1=21h
每个入射‘1’码脉冲应有21个光子的能量。 (2) 每个入射‘1’码脉冲含有的平均光子数为21个。 (3) Pmin=10.5•Rb hc/ (1)
-40
(3.5dB/比特率倍程) -50
APD比PIN改善
-60
灵敏度5-10dB
灵敏度与量子极限
-70
差10dB左右
-80
1
10
PIN APD
量子极限 100 1000 Rb(Mb/s)
LD消光比对灵敏度的影响 图3.4.5
EXT（百分比定义） Pmin恶化
□对于PIN Pmin9EXT(%) (dB)
④因为光子计数过程的概率分布为泊松分布，“1” 码持续期间产生的平均光子数λ=E1/hv,所以：
Pe,10=e-λλ0/0！=e-λ=e-E1/hv=e-n
⑤当“0”码和“1”码等概率出现时，误码率为：
Pe1 2Pe,011 2Pe,101 2Pe,10109 n21
⑥设传输的是非归零码(NRZ)，每个光脉冲最小平
入射光功率产生一次光生电流，一次光生电 流被雪崩放大，形成较大的反向电流。
I
RL u
P
I
N
光
°·
°·
· °
■ 响应波长
与PIN同。
雪崩光电二极管 G
平均雪崩增益
1000
G=
总输出电流 一次光生电流
100
10
经验公式：G=
1 1-(V/VB)m
1
VB V
VB: 击穿电压
m：常数，与APD材料、掺杂特性及波长有关
(2) 保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的每一光脉冲的最低平均能量。
(3) 保证达到给定误码率的条件下，光接收机需 要的每一光脉冲的最低平均光子数。
§3.2 光接收机的灵敏度
BER
10-4
10-5
10-6
10-7
给定BER 10-8
10-9 10-10
P(dBm)
-32 -30 -28 -26 -24