光纤通信第五版_第四章讲义03
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光钎通信器件 第四章 光纤光栅原理及应用
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光纤通信器件
在光纤通信中的应用
相关参数(续):
双向1550nmWDM通信系统的 隔离滤波器
FWHM=0.2~1nm, R=100%
1550nmWDM系统的解复用器
1550nmWDM系统中光分插复用 器的
滤波器
FWHM=0.2~1nm, Isolation＞30dB
FWHM=0.1~1nm, Isolation＞50dB
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
a. 梯度应变调谐 应力可以改变光纤光栅的光栅常数Λ，也可以改变
光纤光栅的折射率分布，从而影响光纤光栅的工作波长， 完成波长调谐。
将光纤光栅部位嵌在松软的介质中，一端固定，另 外一端施加拉力，造成介质内光纤光栅部位出现梯度分 布的应力，使光纤光栅变成啁啾光纤光栅。
长距离传输的色散补偿(1550nm)
1530nm~1560nm光放大器的 增益平坦器
FWHM=0.1~10nm, D=1600ps/nm
FWHM=30nm, loss=0~10dB
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2019/9/19 光纤通信器件
在光纤通信中的应用
(1) 光源
a. DFB (Distributed Feedback) 光纤光栅激光器
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光纤通信器件
第四章 光纤光栅原理及应用
一、光纤光栅的工作原理
入 射 光
包 层
透 射 光
反 射 光
Λ
纤 芯
光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：
12 2
β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的 周期，在写入光栅的过程中确定下来。
《光纤通信》第四章讲课提纲
《光纤通信》第四章光端机讲课提纲浙江传媒学院陈柏年一、光发射机（一）概要1、功能：完成电/光转换（E/O），把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
2、组成：由光源、驱动器和调制器组成。
3、光源：光发射机的核心。
主要使用的光源器件是半导体激光器LD、半导体发光二极管LED和固体YAG激光器。
4、光源的调制方法：以光波作为载波，利用调制器将电信号调制到光的参数如光强、相位等。
目前主要使用光强度调制IM。
（1）直接调制：由电调制信号直接控制激光器的驱动电流，注入调制电流实现输出光波的强度调制。
直接调制会引入频率啁啾（光脉冲的载频随时间变化）。
（2）间接调制：利用晶体电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对光源辐射的强度调制。
指激光形成之后，在激光器外的光路上放置光调制器，用调制信号改变光调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。
如马赫-曾德尔M-Z波导调制器。
（二）数字光发送机1、功能：把电端机输出的数字基带电信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。
2、组成：主要有光源和电路两部分组成。
具体由输入电路（输入盘）和电／光转换电路（发送盘）组成。
（1）均衡放大：用以补偿由电缆传输所产生的电信号的衰减和畸变，保证电、光端机间信号的幅度、阻抗适配。
（2）码型变换：将电端机送入的信号码型从双极性的HDB3或CMI码变为单极性的NRZ码。
（3）复用扰码：复用是用一个大传输信道同时传送多个低速信号的过程。
扰码是使信号达到“0”、“1”等概率出现，利于时钟提取。
（4）时钟提取：提取与网络同步的时钟供给扰码与线路编码等电路。
（5）线路编码：以提取定时信息，提高误码检测能力。
（6）驱动电路（调制电路）：用经过编码的数字信号对光源进行直接光强度调制，完成电/光转换，是电／光转换电路的核心。
（7）光源：LD或LED，产生作为光载波的光信号。
光纤通信原理第四章光接收机
若两个随机变量的概率分布都是高斯函数，则它 们之和的概率密度函数也是高斯函数，且其方差等于 两个随机变量的方差之和。高斯分布的这一特点使接 收机灵敏度的计算得到简化。
在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总
噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率 为
•放大器输出噪声主要由前置级决定，只要第一级的增 益足够大，以后各级引入的噪声可略，
•分析时把所有噪声等效到输入端。
放大器输入端的噪声源
电阻的热噪声和有源器件的噪声，都是由无限
多个统计独立的不规则电子的运动产生的，它们的 总和的统计特性服从正态分布。放大器噪声的概率 密度函数可以表示为高斯函数
f x 21expx2m22
1．光接收机输入端等效电路及噪声源
is(t)：光电检测器等效电流源，in(t):光电检测 器的散粒噪声，Cd:光电检测器的结电容。Rb和Cs： 偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca：放大 器的输入电阻和电容。
放大器的有源器件会引入噪声。一般将第一 级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分两 种情况：一种是等效为输入端并联的电流噪声源ia, 设它的功率谱密度为sI；另一种是等效为输入端串 联的电压噪声源ea，设它的功率谱密度为SE。
4.2光接收机
4.2.1光接收机简介 4.2.2放大电路及其噪声 4.2.3光接收机灵敏度的计算
4.2.1 光接收机简介
光接收机的组成
光接收机：模拟和数字。模拟光接收机，主要用于 光纤CATV系统；数字光接收机，用于大部分通信系 统。
检测方式：相干和非相干。相干检测，先将接收的 光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器变换 成中频信号；非相干检测，常用的非相干检测是直接 功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号变换成 基带信号。
在高斯近似下，放大器和均衡滤波器输出端的总
噪声的概率密度函数依然是高斯函数，且总噪声功率 为
•放大器输出噪声主要由前置级决定，只要第一级的增 益足够大，以后各级引入的噪声可略，
•分析时把所有噪声等效到输入端。
放大器输入端的噪声源
电阻的热噪声和有源器件的噪声，都是由无限
多个统计独立的不规则电子的运动产生的，它们的 总和的统计特性服从正态分布。放大器噪声的概率 密度函数可以表示为高斯函数
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1．光接收机输入端等效电路及噪声源
is(t)：光电检测器等效电流源，in(t):光电检测 器的散粒噪声，Cd:光电检测器的结电容。Rb和Cs： 偏置电阻和偏置电路的杂散电容，Ra和Ca：放大 器的输入电阻和电容。
放大器的有源器件会引入噪声。一般将第一 级有源器件的各种噪声源都等效到输入端，分两 种情况：一种是等效为输入端并联的电流噪声源ia, 设它的功率谱密度为sI；另一种是等效为输入端串 联的电压噪声源ea，设它的功率谱密度为SE。
4.2光接收机
4.2.1光接收机简介 4.2.2放大电路及其噪声 4.2.3光接收机灵敏度的计算
4.2.1 光接收机简介
光接收机的组成
光接收机：模拟和数字。模拟光接收机，主要用于 光纤CATV系统；数字光接收机，用于大部分通信系 统。
检测方式：相干和非相干。相干检测，先将接收的 光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器变换 成中频信号；非相干检测，常用的非相干检测是直接 功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号变换成 基带信号。
光纤通信第5版-第4章-集成光波导-3-4
栅剖面是矩形的，实际上可能是正弦形、三角形或其他
形状。
• 采用强度呈周期变化的光照射重铬酸白明胶层，可以产
生周期性的折射率变化，制造出相位光栅。
图4.18 光栅耦合器。(a)周 期电介质条阵列；(b)折射 率呈周期性变化的电介质层
工作原理： 光栅将入射光衍射形成一个或多个传输波。如果这些波中的
NA n0 sin0 n12 n22
整个结果对阶跃折射率光纤也是有效的
(4.21)
参考图4.5模式图，当归一化厚度比较小时，只存在很少的几个
模式，且对应的传输角间隔比较大。入射角必须与这些角度相 匹配才能较好耦合。
对于支持很多模式的波导，这些分散的可传播角间隔很小。 如果d/λ足够大、这些角度会变得非常接近，可近似认为连续，
Prism Coupling np
Ep prism field
p Prism
gap n1 n2
n3 = air
TE0 field in the film
np sin p n1 sin.......... .......... 4.22
相位匹配的物理意义：波导中的传播模与激励起这个模式
心薄膜的延伸场会相互影响，即两者之间会发生耦合，导致能 量从棱镜转移到中心薄膜中去。
棱镜耦合
gap n1 n2
np
Ep 棱镜中的场
p
n3 = air
TE0 薄膜中的场
np is the index of the prism material.
棱镜
从一个以临界角反射的表面透射出能量似乎不可能。 但全反射理论是在假设两种介质的边界是无限延伸的前提下
的输入波沿波导轴向的相移必须相等。
Prism Coupling np
形状。
• 采用强度呈周期变化的光照射重铬酸白明胶层，可以产
生周期性的折射率变化，制造出相位光栅。
图4.18 光栅耦合器。(a)周 期电介质条阵列；(b)折射 率呈周期性变化的电介质层
工作原理： 光栅将入射光衍射形成一个或多个传输波。如果这些波中的
NA n0 sin0 n12 n22
整个结果对阶跃折射率光纤也是有效的
(4.21)
参考图4.5模式图，当归一化厚度比较小时，只存在很少的几个
模式，且对应的传输角间隔比较大。入射角必须与这些角度相 匹配才能较好耦合。
对于支持很多模式的波导，这些分散的可传播角间隔很小。 如果d/λ足够大、这些角度会变得非常接近，可近似认为连续，
Prism Coupling np
Ep prism field
p Prism
gap n1 n2
n3 = air
TE0 field in the film
np sin p n1 sin.......... .......... 4.22
相位匹配的物理意义：波导中的传播模与激励起这个模式
心薄膜的延伸场会相互影响，即两者之间会发生耦合，导致能 量从棱镜转移到中心薄膜中去。
棱镜耦合
gap n1 n2
np
Ep 棱镜中的场
p
n3 = air
TE0 薄膜中的场
np is the index of the prism material.
棱镜
从一个以临界角反射的表面透射出能量似乎不可能。 但全反射理论是在假设两种介质的边界是无限延伸的前提下
的输入波沿波导轴向的相移必须相等。
Prism Coupling np
光纤通信第五版_第四章讲义（ＰＤＦ）
4.1 电介质平板波导 4.2 对称平板波导中的模式 4.3 非对称平板波导中的模式 4.4 波导的耦合4.5 平板波导的色散和失真4.6 集成光器件 4.7 总结和讨论第4章 集成光波导4.5 平板波导的色散和失真除了材料色散导致的脉冲展宽以外，在波导中还有另外两种情况导致的脉冲展宽现象：波导色散和多模失真。
2▪波导膜厚度d 固定，对于线宽为Δλ=λ2-λ1光源，等效折射n eff率随波长变化，因此其波导中的速度也发生变化，最终导致脉冲展宽，该种现象称为波导色散。
4.5.1 波导色散 32λd λd ▪波导色散与材料色散同时存在▪波导色散与材料色散拥有同样的公式形式4波导色散： ()()24.4 /''λλλτ∆-=∆-=∆g eff M n cL ()()14.3 /''λλλτ∆-=∆-=∆M n cL 材料色散： 4.5.1 波导色散54.5.1 波导色散 ▪集合了材料色散和波导色散的总脉冲展宽可以写成：()()λτ∆+-=∆g M M L /▪因为材料色散M 有可能为负值(例如在石英玻璃中，当工作波长超过1300nm 时)，由色散引起的总脉冲展宽实际上有可能会因为波导色散的存在反而减小。
再次说明了为什么远距离高速传输时光源波长都比较大。
模式不同则传输路径不同，考虑一下这种现象的最糟情况， 即最低阶模式以90°角传播，最高阶模式以临界角传播。
设L 为波导长度。
注意，两个模式具有相同的波长。
4.5.2 多模失真n 1n 2 n 1 > n 2 最低阶模 L 2n 2θc高阶模L 1轴向模式传输时间：22112sin L L n L n θ==c (4.25)cLn v L t 1==轴向传输对于临界角传输：21sin L L θ=c 4.5.2 多模失真 所以临界角传输的总传输路径为c n Ln c n n Ln v n Ln 22112121t =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=临界角传输(4.26)临界角传输的总时间为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛21n n L 4.5.2 多模失真总延时为：2211)(cn n n n L -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆τ这就是同一波长的光波在波导中以不同模式传输时单位长度上的模式脉冲展宽时间。
光纤通信第五版_第四章讲义01
n2 n1 n 3 n1
光在折射率为n1的中间中传播，d一般小于1μm 上下衬底层的折射率都小于n1 光线通过内全反射被束缚在中心薄膜之中传播
• θ必须同时大于θc1和θc2 • 反射面光滑，薄膜均匀 • 介质损耗低
4.1 电介质平板波导
常用材料LiNbO3和GaAs，损耗分别为1dB/cm，
光线 1在B点反射并向上传播时的波前 光线 2 在D点未经反射时的波前
n2 A C
D
E
D
E
光线向下传播时的波前
n1
光线向下传播时的波前
d
n2
B
n1
d
n2
B
光线向上传播时的波前
光线向上传播时的波前
波的相位变化：传播相移 +界面反射相位突变
光线 1 从 AB经历的相位变化为：
1 AB k0n1 2 2 CD k0n1
3
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4.2 对称平板波导中的模式
• •
•
因为通过改变光线的入射角，可以改变总相移
所以只有几个（或一个）离散的角度可满足模式条件，称以 这些（这个）角度传输的波为波导中的模式。不满足模式条 件的波会因为相消干涉迅速衰减（就像谐振腔一样） 谐振腔是对其中传输波的频率产生了离散的作用，而平板波 导对其中传输的光的入射角产生了离散的作用。
4.3 非对称平板波导中的模式
4.4 波导的耦合 4.5 平板波导的色散和失真 4.6 集成光器件 4.7 总结和讨论
4.1 电介质平板波导
y x z n3 n1 n2 q （ n 1>n2，n1>n3) 传播条件： d
光纤通信(朱宗玖)第四章
4.3.2 发光二极管工作特性
1.
发光二极管的光输出特性，亦即P－I 特性。当注入电流较小时，发光二极管的 输出功率曲线基本是线性的，所以 LED 广 泛用于模拟信号传输系统。但电流太大时， 由于PN结发热而出现饱和状态。
2.
发光二极管的发射光谱比半导体激光 器宽很多，如长波长LED谱宽可达100nm。 发光二极管对光纤传输带宽的影响也因之 比激光器大。因光纤的色散与光源谱宽成 比例，故LED
2. 能级的跃迁
电子在低能级E1的基态和高能级Ei的 激发态之间位置变化叫做跃迁，电子在原 子核外的跃迁有三种基本方式：自发辐射、 受激辐射和受激吸收。 图4.1为半导体光源的发光机理示意图。
(1) 受激吸收 在正常状态下，电子处于低电能级E1， 在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃 迁到高能级 E2上，这种跃迁称为受激吸收。 电子跃迁后，在低能级 E1留下相同数目的 空穴，见图4.1(a)。
4.2.1 P-N 结半导体激光器的结构 和原理
1. 同质结半导体激光器
GaAs P-N 结半导体激光器的结构如图 4.3(a) 所示，它的核心部分是一个 P-N结， PN结由高掺杂浓度的P型GaAs半导体材料和N 型 GaAs半导体材料组成的。激光就是由 P-N 结区发出的，因此 P-N 结也叫做作用区或有 源区。由于P区和N区是同一种半导体材料， 因此又称同质结半导体激光器。
第四章 光源和光发射机
4.1 半导体光源的发光机理
4.2 半导体激光器 4.3 发光二极管
4.4 光 源的 半导体光源的发光机理
4.1.1 能级的跃迁
1.
电子具有的内能为粒子的能级，电子 在原子核外就存在许多能级，最低能级 E1 称为基态，能量比基态大的能级 Ei(i=2 ， 3， 4……)称为激发态。
光纤通信课件第四章
主要用于以LED作为光源的数字光发射机。 适用于10 Mbit/s以下 的低速率系统。
（2）射极耦合跟随器LD驱动电路 图4-8是射极耦合跟随器LD驱动电路，适合于LD系统使用。这 种电路为恒流源，电流噪声小，缺点是动态范围小，功耗较大。 （3）反馈稳定LD驱动电路 图4-9是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其控 制过程如下：
源寿命长等。
6
4.1.1 光发送机的基本组成
光纤通信
数字光发送机的基本组成包括均衡放大、码型变换、复用、
扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路
（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。如图4-2。
图4-2 数字光发送机原理方框图
7
4.1.1 光发送机的基本组成
光纤通信
（1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。
（2）自动温度控制（ATC）原理 图4-14示出ATC电路原理图。控制过程可以表示如下：
T (环境) T (LD、热沉) RT I (致冷器) T (LD)
图4-14 ATC电路原理
22
4.1.4 温度特性及自动温度控制 光纤通信
注：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。 对于短波长激光器，一般只需加自动功率控制电路即可。 对于长波长激光器，由于其阀值电流随温度的漂移较大，因此，
27
4.2.1 光接收机的基本组成
光纤通信
3．均衡器
均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡 补偿，减小误码率。
4．再生电路
再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号， 由判决器和时钟恢复电路组成。
5．自动增益控制（AGC）
（2）射极耦合跟随器LD驱动电路 图4-8是射极耦合跟随器LD驱动电路，适合于LD系统使用。这 种电路为恒流源，电流噪声小，缺点是动态范围小，功耗较大。 （3）反馈稳定LD驱动电路 图4-9是利用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其控 制过程如下：
源寿命长等。
6
4.1.1 光发送机的基本组成
光纤通信
数字光发送机的基本组成包括均衡放大、码型变换、复用、
扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路
（ATC和APC）及光源的监测和保护电路等。如图4-2。
图4-2 数字光发送机原理方框图
7
4.1.1 光发送机的基本组成
光纤通信
（1）均衡放大：补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变。
（2）自动温度控制（ATC）原理 图4-14示出ATC电路原理图。控制过程可以表示如下：
T (环境) T (LD、热沉) RT I (致冷器) T (LD)
图4-14 ATC电路原理
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4.1.4 温度特性及自动温度控制 光纤通信
注：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。 对于短波长激光器，一般只需加自动功率控制电路即可。 对于长波长激光器，由于其阀值电流随温度的漂移较大，因此，
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4.2.1 光接收机的基本组成
光纤通信
3．均衡器
均衡器的作用是对已畸变(失真)和有码间干扰的电信号进行均衡 补偿，减小误码率。
4．再生电路
再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号， 由判决器和时钟恢复电路组成。
5．自动增益控制（AGC）
光纤通信课件第四讲.pptx
高温炉
预制棒
非接触式 测径仪
固化炉
测温仪 炉温 控制
调速设备
收线轮(拉丝机)
9
4.1.7光纤的制造
三、套塑工艺：套上一层尼龙。 目的：进一步保护光纤，提高光纤的机械强度 分为松套和紧套： 松套：光纤可以在套管中松动，机械性能好(套管先 承受压力)；防水性能好(光纤与外套之间有油膏， 因此可以防水) 紧套：不能活动，结构相对简单
高温
Gecl4 o2 Geo2 2cl2 3、缩棒过程：经过外包层，纤芯的沉积，形成一根中空壁厚的石 英管，此时升高火焰温度到1700-2000摄氏度，保持石英管旋转， 软化，在表面张力作用下收缩而将管子中心填满，形成中心区折射 率较高而包层折射率较低的预制棒
8
4.1.6光纤的制造
三、拉丝工艺：示意图
光纤制造工艺
以石英光纤为例，实用的制造方法有内气相氧化法 (IVPO)、外气相氧化法(OVPO)、改进的化学气相沉积法 (MCVD)、气相轴向沉积法(VAD)及等离子化学气相沉积 法(PCVD)等。欧美及我国主要采用改进的化学气相沉积 法MCVD法，该法提高了反应物浓度使沉积速率，比化学 气相沉积(CVD)法快100倍以上，并且可在数小时内将预制 件拉成几公里长的多模纤维，由于简单实用，已成为常规 的光纤生产方法。日本则开发气相轴向沉积法VAD工艺， 除回收率高外，还可制成大型预制件(达2500g，可拉制 50µm芯径的光纤580km)，可采用低纯原料。
包层沉积过程中，常使用的掺杂剂有三溴化硼，三氯化硼等， 反应方程式为：
高温
sicl4 o2 sio2 2cl2
高温
4Bcl3 3o2 2B2o3 6cl2
高温
4BBr3 3o2 2B2o3 6Br2
《光纤通信》课件第4章 无源光器件
其中光纤耦合器由于制作时只需要光纤， 不需要 其他光学元件， 具有与传输光纤容易连接且损耗较低、 耦合过程无需离开光纤， 不存在任何反射端面引起的 回波损耗等优点， 因而更适合光纤通信， 有时也称为 全光纤元件。 下面主要介绍光纤耦合器的原理和性能 参数。 2×2的耦合器是最基本的耦合单元， 其他的光 纤耦合器都可通过它级连而成， 所以我们重点讨论 2×2光纤耦合器。
图4.2 (a) D2>Ｄ1; (b) NA1>NA2; (c) MFD1>MFD2
4.1.2 光纤连接方法 光纤连接是指两根光纤之间的永久或半永久连接，
它的典型应用在于建立一个很长的光链路，或者用在 不需要经常连接和断开光纤的情况中。为了实施和计 算这样的连接，必须考虑的因素有两根光纤的几何差 异、 光纤在接点时的对准误差和接头的机械强度。 这 里介绍光纤通信中常用的连接方法。
1. 插入损耗
连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。 正如 前面所讨论的，存在各种可能的原因引起光的损耗。 为 了减小插入损耗，可使用三种方法。第一种方法是使用 保护套来最小化连接和拆开光缆时产生的弯曲损耗。第 二种方法是将加固件(例如芳香族聚酰胺线)与连接器连接 在一起，浙样就释放了光纤自身的张力。第三种方法就 是用插针体来保护裸光纤。
其中， Pj是在端口j的输出功率， Pi是端口i的输入 功率。 如果光功率从端口1输入， 则附加损耗等于：
Pex
(dB)
10
lg
P3
P4 P1
（4.4）
在理想状态下， 输出功率之和应该等于输入功率。 附加损耗定量给出了实际情况和理想状态的差别， 因 此附加损耗应尽可能小。 对于正在讨论的耦合器， 依 赖于其类型， 典型附加损耗在0.06～0.15 dB之间变化。
通工专业-光纤通信技术-第四章-光探测器与光接收机
光纤通信系统对光探测器的要求
（1）灵敏度高：灵敏度高表示探测器把 光功率转变为电流的效率高。在实际的光接 收机中，光纤传来的信号极其微弱，有时只 有1nw左右。为了得到较大的信号电流，人 们希望灵敏度尽可能的高。
（2）响应速度快：指射入光信号后，马上就有 电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出， 不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信 号完全不延迟是不可能的，但是应该限制在一个 范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的不断 提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的 要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。
RC 2.2RT CT （4.6）
式中，CT为电路的总电容，RT为电路的总电阻。
考虑上述三个因素的影响，总的上升时间为
(
2 RC
2 d
2 i
)1/ 2
PIN-PD特性参数(3)噪声
•噪声
噪声直接影响光接收机的灵敏度。
散粒噪声（信号电流和暗电流产生）
暗电流是器件在反偏压0.9UB条件下，没有入射光时 产生的反向电流，与光电二极管的材料和结构有关
I层较厚，几乎占据了整个耗 尽区。绝大部分的入射光在I层 内被吸收并产生大量的电子-空 穴对。在I层两侧是掺杂浓度很 高的P型和N型半导体，P层和 N层很薄，吸收入射光的比例 很小。因而光产生电流中漂移 分量占了主导地位，这就大大 加快了响应速度。另外，可通 过控制耗尽层的宽度w，来改 变器件的响应速度。
4.1 光探测器
4.1.1光电检测原理——PN结的光电效应
光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半导 体PN结的光电效应实现的。
当光照射到光电二极管的光敏面 上时，能量大于或等于带隙能量 Eg的光子将激励价带上的电子吸 收光子的能量而跃迁到导带上 （受激吸收），可以产生自由电 子-空穴对（称为光生载流子）。 在耗尽层，由于内部电场的作用， 电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成漂移电流。
移动通信(第五版)(章坚武)第4章
(4-22)
课件制作：蔡彦
第4章 数字调制技术 假设：
2 Φ1 (t ) cos(2πf ct ) Ts 2 Φ2 (t ) sin(2πf ct ) Ts
则有
0≤t≤Ts
(4-23)
0≤t≤Ts
(4-24)
π π sQPSK (t ) Es cos(i 1) Φ1 (t ) Es sin(i 1) Φ2 (t ) 2 2
(2) 尽可能提高频谱利用率: ·占用频带要窄，带外辐射要小(采用FDMA、TDMA调制 方式)；
· 占用频带尽可能宽，但单位频谱所容纳的用户数多 ( 采 用CDMA调制方式)；
(3) 具有良好的误码性能。
物信学院 课件制作：蔡彦
第4章 数字调制技术
4.1.1 影响数字调制的因素
数字调制方式应考虑如下因素：抗扰性，抗多径衰落的
第4章 数字调制技术 3. BPSK接收机 如果信道无多径传输出现, 接收端的BPSK信号可表示为
2 Eb s BPSK (t ) a (t ) cos(2πf ct c ch ) Tb 2 Eb a (t ) cos(2πf ct ) Tb
式中, θch是相对于信道时延有关的相位。
当今蜂窝系统、PCS和无绳电话采用的主要调制方式见 表4-1。
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第4章 数字调制技术
表4-1 蜂窝系统、 PCS和无绳电话采用的主要调制方式
物信学院
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第4章 数字调制技术
4.2 线性调制技术
数字调制技术可广义分为线性和非线性调制两类。在线性 调制中, 发射信号s(t)的幅度随调制信号a(t)线性变化。线性调 制技术(Linear Modulation Techniques)具有频道利用率高的优点。
光纤通信系统第四章PPT课件
• 光电二极管（PD） • 雪崩光电二极管
.
3
1、光电二极管（PD）
1） PD的工作原理
PIN能带图
光电效应 --受激吸收过程 • 当入射光子能量大于禁带 宽度时，价带上的电子可以 吸收光子而跃迁到导带上， 产生一个电子-空穴对。 • 电子-空穴对在电场的作用 下定向运动，形成光电流。 • 光电二极管工作在反向偏 压下。
.
耗尽区
h > Eg 或 hc / Eg
4
h > Eg
2） PD的工作特性
a) 波长响应范围
定义：
c
hc Eg
124 Eg(eV)
为光电二极管的上截止波长。
Si材料的PD：1.06 m
Ge 或InGaAs材料：1.6~1.7 m
当入射波长太短时，光电转换效率会 下降。
Si材料的PD：0.5~1.0 m
(G)
Ge[1
(1
k)
(Ge 1)2 Ge2
]
当F空h (穴G注)入高场G区h时[1，过剩1噪k声k系数(GhG2 h21)2 ]
k= h / e
APD的结构设计:
• 对k远小于1的APD, 应尽量使电子电流注入高场区; • 对k远大于1的APD, 应尽量使空穴电流注入高场区; • 避免使用k=1的材料制作APD。
ie (x)
0
0
x
exp{ . ( e h ) d x }
21
0
Ge
ie (W ) ie (0)
I ie (0)
W
1
x
1 e exp{ (e h )dx}dx0 Nhomakorabea0
雪崩击穿 Ge
W
x
eexp { (eh)dx}dx 1
.
3
1、光电二极管（PD）
1） PD的工作原理
PIN能带图
光电效应 --受激吸收过程 • 当入射光子能量大于禁带 宽度时，价带上的电子可以 吸收光子而跃迁到导带上， 产生一个电子-空穴对。 • 电子-空穴对在电场的作用 下定向运动，形成光电流。 • 光电二极管工作在反向偏 压下。
.
耗尽区
h > Eg 或 hc / Eg
4
h > Eg
2） PD的工作特性
a) 波长响应范围
定义：
c
hc Eg
124 Eg(eV)
为光电二极管的上截止波长。
Si材料的PD：1.06 m
Ge 或InGaAs材料：1.6~1.7 m
当入射波长太短时，光电转换效率会 下降。
Si材料的PD：0.5~1.0 m
(G)
Ge[1
(1
k)
(Ge 1)2 Ge2
]
当F空h (穴G注)入高场G区h时[1，过剩1噪k声k系数(GhG2 h21)2 ]
k= h / e
APD的结构设计:
• 对k远小于1的APD, 应尽量使电子电流注入高场区; • 对k远大于1的APD, 应尽量使空穴电流注入高场区; • 避免使用k=1的材料制作APD。
ie (x)
0
0
x
exp{ . ( e h ) d x }
21
0
Ge
ie (W ) ie (0)
I ie (0)
W
1
x
1 e exp{ (e h )dx}dx0 Nhomakorabea0
雪崩击穿 Ge
W
x
eexp { (eh)dx}dx 1
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作用长度L与耦合长度Lc相等，则当无外接施加电压的情况下光 功率完全从左边被耦合到右边，即：
4.6.2 有源器件
当施加外部电压时，导致一个波导的折射率上升，令一个波 导的折射率下降，从而导致没有功率耦合，此时P2/P1 = 1 且 P 3/P1 = 0，所有的光功率在左边波导中传输。 光电开光同样可以作为一个数字调制器使用，数字信号的1
17
18
4.6.1 无源器件——定向耦合器
对于理想情况下没有损耗的耦合，功率比为：
4.6.1 无源器件——定向耦合器
例：如果耦合区域的实际长度 L 为 Lc/2,，试计算输出耦合比。
P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc)
(4.30)
P2/P1 = cos2 (p/4) = (0.707)2 = 0.5
• 外调制不改变激光的波长，而内调制不然，内调制改变波长
和线宽的现象称之为“啁啾”
下，而外调制的频率可以高达数十Gbps，原因如下：
高斯非啁啾分布
33
高斯负啁啾分布
高斯正啁啾分布
34
4.6.2 有源器件——光调制器 4.6.3 光电子集成光学
• 以下应用情况，啁啾的存在将严重影响系统性能： （ 1）信道间隔很小的光复用（第9章介绍） （ 2）工作在最小色散波长的光纤通信系统
由平行的LiNbO3衬底上采用钛扩散形成的波导构成。
工作原理：不加电压，输出光功率最大；施加合适电压，
光束之间可能有180°相位差，输出最小。
Pout pV 0.5 1 cos Pin Vp
V 施加在电机上的电压Vp 是 180o 相位差时需要的电压，可见在
输入电压为Vp的情况下，输出功率为输入功率的一半。
器、复用器、解复用器、透镜、棱镜等
减器、可调滤波器、光源、光检测器等
16
4
2015/3/25
4.6.1 无源器件——定向耦合器
4.6.1 无源器件——定向耦合器
图为定向耦合器，设光功率通过端口1进入，如果两个波导
的传播因子相同，部分功率从端口2 输出，另一部分功率从 端口 3输出。理想情况下，没有光到端口4。
n1 L c
2
这就是同一波长的光波在波导中以不同模式传输时单位
如果 n1 和 n2 非常接近，则有： (4.28)
n1 n1 n 2 L cn n n 1 2 1
即为模式脉冲展宽
4.5.2 多模失真
(4.31)
P3/P1 = sin2 (p/4) = (0.707)2 = 0.5
50% 功率从2口和3口输出，因此 10 log P2/P1 = 10 log 0.5 = -3 dB 这是一个3dB定向耦合器。
其中 Lc 是能量完全偶合进下面波导所需要的长度，称为耦
合长度 ，通过选择合适的L，可以实现0-100%的耦合。
d 1
4.24
3.14
波导膜厚度d固定，对于线宽为Δλ=λ2-λ1光源，等效折射neff
率随波长变化，因此其波导中的速度也发生变化，最终导 致脉冲展宽，该种现象称为波导色散。
3 4
1
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4.5.1 波导色散
4.5.2 多模失真
模式不同则传输路径不同，考虑一下这种现象的最糟情况，
造而来
中心薄膜使用LiNbO3，具有强电光特性，通过在LiNbO3衬底
上进行钛扩散产生一个较高折射率区
P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc) L 是作用长度 Lc 是耦合长度
打开 关闭
光功率输入
25
由外加电压V形成的 电场
26
4.6.2 有源器件——电光开关
(4.33)
线性输出区域在0.5Vp附近 ，可以通过施加-Vp/2偏置电压的方 法将该点作为工作点，在输出特性方程中用V-Vp/2替代V ，可 得：
31
由图可见，线性区域已经迁移到0电压附近，该设备即可用于 数字调制，也可用于模拟调制。
32
8
2015/3/25
4.6.2 有源器件——光调制器
• 如同前面介绍的集成光开关和光调制器，使用传输介质的声
4.6.2 有源器件——光调制器
• 外调制工作频率更高，不受光源响应时间影响；
光、电光、磁光以及其他效应，通过改变激光束的某一个或
几个参数，将信息加载到光波上的调制方式，称之为外调制 • 与外调制对应，内调制是信号对光源本身直接调制，通常是 通过激光器电源，改变激光输出幅度 • 通常，10Gbps是一条分界线，内调制只能工作在10Gbps以
4.5.2 多模失真
以相对折射率差表示的数值孔径为：
平板波导中的总脉冲展宽可以写成：
NA n1 2
因此模式脉冲展宽可以写成其与数值孔径的关系
L
L L mod dis
2
2
NA 2 L 2cn 1
光信号是电信号的放大形式
4.6.3 光电子集成光学
总结与讨论
工作原理：光电光
对于数字系统，放大的电信号经过判决后重新形成数字信号， 最后通过耦合器将光信号送入光纤，发向远方 可靠性高、易于接入到较大的网络、大批量生产成本低
再对半导体激光的输出进行调制，获得脉冲恢复的调制信号
电介质波导中的光传输问题： 平板波导中的模式 等效折射率，模式条件，模式图，总模数计算公式 波导的耦合 数值孔径 波导的色散和失真 材料色散，波导色散，模式畸变 集成光器件 光调制器，啁啾，外调制
19
20
5
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4.6.1 无源器件——定向耦合器
对于理想的耦合器，端口4（称为隔离端口）的输出
4.6.1 无源器件——功率分配器
下图展示的是一个集成光功率分配器，又称为Y型功 分器 :
为0，因此：
10 log P4/P1 = 10 log 0 = -
P in
0.5Pin
0.5Pin 光从左边进入，然后在右端被平均分成了两路
（ 3）单模光纤没有模式展宽，但是有波导色散
（ 4）单频光源没有波导色散，但有模式展宽
4.6 集成光器件
利用集成光学技术可以制造无源器件与有源器件。
4.6.1 无源器件—透镜
无源器件：定向耦合器、分束器、隔离器、滤波 有源器件：调幅器、调相器、光开关、可变光衰
无源器件一般都可以通过改变波导的结构来制作 下图给出了一个用这种方法构造的集成光透镜
光电子集成电路(OEIC)
可一个基片上实现光器件与电器件的功能，一般采用半导 半导体材料提供了将光源、光检测器和电子线路组合在同
体基片和薄膜波导制作。
（3）高速链路和相干检测系统（第10章讨论）
一基片上的可能。
光中继器是基于这种概念的一个具体应用
35
36
9
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4.6.3 光电子集成光学
21
22
4.6.1 无源器件——功率分配器
通过Y型功分器的级联，可以形成更多输出口的分束器 0.125Pin
4.6.2 有源器件
有源器件按其功能可分为两类：
控制光：光开关、光偏转器、光扫描器、光调制器等
转换光：光源（电光转换）、光检测器（光电转换）
电光材料根据所施加的电场改变其折射率。 声光材料依赖声波（由波导表面压电效应所激发）与光束 所有的有源控制功能都可以通过电光或声光效应来实现。
sin c
L1
L2 L1
L2 2 n Ln1 n1 Ln1 2 n c v n 2c 2
(4.26)
2
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4.5.2 多模失真
即最低阶模式以90°角传播，最高阶模式以临界角传播。 设 L为波导长度。 注意，两个模式具有相同的波长。 n2 n1 L1 c
集合了材料色散和波导色散的总脉冲展宽可以写成：
/ L M M g
因为材料色散M 有可能为负值(例如在石英玻璃中，当工
作波长超过 1300nm时 )，由色散引起的总脉冲展宽实际上 有可能会因为波导色散的存在反而减小。再次说明了为
4.7 总结和讨论
2
4.5.1 波导色散
4.5.1 波导色散
波导色散与材料色散同时存在 波导色散与材料色散拥有同样的公式形式
波导色散： / L neff '' M g c 材料色散： / L n '' M c
d 2
4.6.3 光电子集成光学
光中继器组成：
工作原理：光电光
GaAs衬底、GaAs光检测器、完成所有电功能的GaAs金
光电导器件接收来自光纤的光信号，从而阻抗改变，输出电 对于模拟系统电信号放大后调制半导体激光器的输出，输出
属半导体场效应管、AlGaAs半导体激光器光源。
流将随光变化，光信号转换成电信号。
光输入
光输出 光输入 光输出
30
4.6.2 有源器件——光调制器
M-Z调制器的输出特性曲线为： Pout/Pin
4.6.2 有源器件——光调制器
输出特性曲线图
Pout pV 0.5 1 cos Pin Vp
电压 (4.32) 信号电压
Pout pV 0.5 1 sin Pin Vp
(4.29)
模式脉冲展宽与数值孔径的平方成正比
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4.5.2 多模失真
4.6.2 有源器件
当施加外部电压时，导致一个波导的折射率上升，令一个波 导的折射率下降，从而导致没有功率耦合，此时P2/P1 = 1 且 P 3/P1 = 0，所有的光功率在左边波导中传输。 光电开光同样可以作为一个数字调制器使用，数字信号的1
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4.6.1 无源器件——定向耦合器
对于理想情况下没有损耗的耦合，功率比为：
4.6.1 无源器件——定向耦合器
例：如果耦合区域的实际长度 L 为 Lc/2,，试计算输出耦合比。
P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc)
(4.30)
P2/P1 = cos2 (p/4) = (0.707)2 = 0.5
• 外调制不改变激光的波长，而内调制不然，内调制改变波长
和线宽的现象称之为“啁啾”
下，而外调制的频率可以高达数十Gbps，原因如下：
高斯非啁啾分布
33
高斯负啁啾分布
高斯正啁啾分布
34
4.6.2 有源器件——光调制器 4.6.3 光电子集成光学
• 以下应用情况，啁啾的存在将严重影响系统性能： （ 1）信道间隔很小的光复用（第9章介绍） （ 2）工作在最小色散波长的光纤通信系统
由平行的LiNbO3衬底上采用钛扩散形成的波导构成。
工作原理：不加电压，输出光功率最大；施加合适电压，
光束之间可能有180°相位差，输出最小。
Pout pV 0.5 1 cos Pin Vp
V 施加在电机上的电压Vp 是 180o 相位差时需要的电压，可见在
输入电压为Vp的情况下，输出功率为输入功率的一半。
器、复用器、解复用器、透镜、棱镜等
减器、可调滤波器、光源、光检测器等
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4.6.1 无源器件——定向耦合器
4.6.1 无源器件——定向耦合器
图为定向耦合器，设光功率通过端口1进入，如果两个波导
的传播因子相同，部分功率从端口2 输出，另一部分功率从 端口 3输出。理想情况下，没有光到端口4。
n1 L c
2
这就是同一波长的光波在波导中以不同模式传输时单位
如果 n1 和 n2 非常接近，则有： (4.28)
n1 n1 n 2 L cn n n 1 2 1
即为模式脉冲展宽
4.5.2 多模失真
(4.31)
P3/P1 = sin2 (p/4) = (0.707)2 = 0.5
50% 功率从2口和3口输出，因此 10 log P2/P1 = 10 log 0.5 = -3 dB 这是一个3dB定向耦合器。
其中 Lc 是能量完全偶合进下面波导所需要的长度，称为耦
合长度 ，通过选择合适的L，可以实现0-100%的耦合。
d 1
4.24
3.14
波导膜厚度d固定，对于线宽为Δλ=λ2-λ1光源，等效折射neff
率随波长变化，因此其波导中的速度也发生变化，最终导 致脉冲展宽，该种现象称为波导色散。
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4.5.1 波导色散
4.5.2 多模失真
模式不同则传输路径不同，考虑一下这种现象的最糟情况，
造而来
中心薄膜使用LiNbO3，具有强电光特性，通过在LiNbO3衬底
上进行钛扩散产生一个较高折射率区
P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc) L 是作用长度 Lc 是耦合长度
打开 关闭
光功率输入
25
由外加电压V形成的 电场
26
4.6.2 有源器件——电光开关
(4.33)
线性输出区域在0.5Vp附近 ，可以通过施加-Vp/2偏置电压的方 法将该点作为工作点，在输出特性方程中用V-Vp/2替代V ，可 得：
31
由图可见，线性区域已经迁移到0电压附近，该设备即可用于 数字调制，也可用于模拟调制。
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4.6.2 有源器件——光调制器
• 如同前面介绍的集成光开关和光调制器，使用传输介质的声
4.6.2 有源器件——光调制器
• 外调制工作频率更高，不受光源响应时间影响；
光、电光、磁光以及其他效应，通过改变激光束的某一个或
几个参数，将信息加载到光波上的调制方式，称之为外调制 • 与外调制对应，内调制是信号对光源本身直接调制，通常是 通过激光器电源，改变激光输出幅度 • 通常，10Gbps是一条分界线，内调制只能工作在10Gbps以
4.5.2 多模失真
以相对折射率差表示的数值孔径为：
平板波导中的总脉冲展宽可以写成：
NA n1 2
因此模式脉冲展宽可以写成其与数值孔径的关系
L
L L mod dis
2
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NA 2 L 2cn 1
光信号是电信号的放大形式
4.6.3 光电子集成光学
总结与讨论
工作原理：光电光
对于数字系统，放大的电信号经过判决后重新形成数字信号， 最后通过耦合器将光信号送入光纤，发向远方 可靠性高、易于接入到较大的网络、大批量生产成本低
再对半导体激光的输出进行调制，获得脉冲恢复的调制信号
电介质波导中的光传输问题： 平板波导中的模式 等效折射率，模式条件，模式图，总模数计算公式 波导的耦合 数值孔径 波导的色散和失真 材料色散，波导色散，模式畸变 集成光器件 光调制器，啁啾，外调制
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4.6.1 无源器件——定向耦合器
对于理想的耦合器，端口4（称为隔离端口）的输出
4.6.1 无源器件——功率分配器
下图展示的是一个集成光功率分配器，又称为Y型功 分器 :
为0，因此：
10 log P4/P1 = 10 log 0 = -
P in
0.5Pin
0.5Pin 光从左边进入，然后在右端被平均分成了两路
（ 3）单模光纤没有模式展宽，但是有波导色散
（ 4）单频光源没有波导色散，但有模式展宽
4.6 集成光器件
利用集成光学技术可以制造无源器件与有源器件。
4.6.1 无源器件—透镜
无源器件：定向耦合器、分束器、隔离器、滤波 有源器件：调幅器、调相器、光开关、可变光衰
无源器件一般都可以通过改变波导的结构来制作 下图给出了一个用这种方法构造的集成光透镜
光电子集成电路(OEIC)
可一个基片上实现光器件与电器件的功能，一般采用半导 半导体材料提供了将光源、光检测器和电子线路组合在同
体基片和薄膜波导制作。
（3）高速链路和相干检测系统（第10章讨论）
一基片上的可能。
光中继器是基于这种概念的一个具体应用
35
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4.6.3 光电子集成光学
21
22
4.6.1 无源器件——功率分配器
通过Y型功分器的级联，可以形成更多输出口的分束器 0.125Pin
4.6.2 有源器件
有源器件按其功能可分为两类：
控制光：光开关、光偏转器、光扫描器、光调制器等
转换光：光源（电光转换）、光检测器（光电转换）
电光材料根据所施加的电场改变其折射率。 声光材料依赖声波（由波导表面压电效应所激发）与光束 所有的有源控制功能都可以通过电光或声光效应来实现。
sin c
L1
L2 L1
L2 2 n Ln1 n1 Ln1 2 n c v n 2c 2
(4.26)
2
2015/3/25
4.5.2 多模失真
即最低阶模式以90°角传播，最高阶模式以临界角传播。 设 L为波导长度。 注意，两个模式具有相同的波长。 n2 n1 L1 c
集合了材料色散和波导色散的总脉冲展宽可以写成：
/ L M M g
因为材料色散M 有可能为负值(例如在石英玻璃中，当工
作波长超过 1300nm时 )，由色散引起的总脉冲展宽实际上 有可能会因为波导色散的存在反而减小。再次说明了为
4.7 总结和讨论
2
4.5.1 波导色散
4.5.1 波导色散
波导色散与材料色散同时存在 波导色散与材料色散拥有同样的公式形式
波导色散： / L neff '' M g c 材料色散： / L n '' M c
d 2
4.6.3 光电子集成光学
光中继器组成：
工作原理：光电光
GaAs衬底、GaAs光检测器、完成所有电功能的GaAs金
光电导器件接收来自光纤的光信号，从而阻抗改变，输出电 对于模拟系统电信号放大后调制半导体激光器的输出，输出
属半导体场效应管、AlGaAs半导体激光器光源。
流将随光变化，光信号转换成电信号。
光输入
光输出 光输入 光输出
30
4.6.2 有源器件——光调制器
M-Z调制器的输出特性曲线为： Pout/Pin
4.6.2 有源器件——光调制器
输出特性曲线图
Pout pV 0.5 1 cos Pin Vp
电压 (4.32) 信号电压
Pout pV 0.5 1 sin Pin Vp
(4.29)
模式脉冲展宽与数值孔径的平方成正比
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4.5.2 多模失真