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光纤通信课件-44页精选文档
光通信与光电技术
课程教学
• 方法
– 基础内容＋知识应用
• 方式
– 课堂讲授
• 考核
– 平时表现＋期末考试
课程简介
• 光通信
– 以光波为载体的通信方式
• 光电技术
– 光学、电子学、光电转换
• 光互连
– 用光技术实现两个以上通信单元的链接结构
• 光通信——光互连——光电技术 • 理论层次——应用层次——技术细节
空间光调制器
光纤旋转连接器
第一章 光通信基础知识
• 1.1 光互连网络概念及背景
– 光互连定义：以光的波粒二相性与物质相互作 用产生的各种现象实现数据和信号传输和交换 的理论和技术
– 波粒二相性? – 相互作用? – 传输和交换？
• 光通信的发展
– 50年代，集成电路芯片 – 60年代，半导体激光器 – 70年代，激光二极管室温运转 – 80年代，低损耗硅玻璃光纤
– 自由空间光互连 – 光波导互连（光纤互连）
• 点对点 • 总线 • 环网 • 全连接
网络拓扑
• 超立方体 • 星型 • 树型 • 网格 • 混合
并行系统中的光纤互连
• 光多路复用
– 时分复用（TDM） – 频分复用（FDM） – 波分复用（WDM）
• 解复用
– 棱镜 – 衍射光栅 – 阵列波导光栅 – 干涉滤光片 – 布拉格光纤光栅法
课程简介
• 光通信基础知识 • 光通信器件基础 • 光链路及光开关 • 光网络中的全息技术 • 光网络中的空间光调制器 • 光网络中的光纤旋转连接器
光开关
用于光交换 设备及系统 中实现全光 层次的路由 选择、波长 选择等功能
全息技术
用一条激光束将一个 物体照亮，使其反射 到那个底板上去，再 用另一条光束，经 过平面镜，也反射到 那个底板上去，两者 在底板上形成一幅“干 涉图样”。底板再受到 第二条波长相同的激 光束照射时，就会显 现出清晰的图象。
光纤通信系统PPT课件
套塑光纤结构
48 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
❖按传输波长分类 (1)短波长光纤
37 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
(3)三角形光纤 纤芯折射
率分布曲线为 三角形。
38 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
光纤折射率分布曲线 39 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
❖按传导模的数目分类： 传导模指能够在光纤中远距离传输的传
播模式。 (1)多模光纤
当纤芯的几何尺寸（直径一般为50μm） 远大于光波波长(如1.55μm)时，光纤剖面折 射率分布为渐变型，外径125μm。光纤传输 的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模 式，称为多模光纤。
40 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
(2)单模光纤 当纤芯的几何尺寸较小（一般为
8μm～10μm），与光波长在同一数量级， 这时，光纤只允许一种模式（基模）在 其中传播，其余的高次模全部截止，这 样的光纤称为单模光纤。
单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。
41 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒 质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础 设施的支柱。
7 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
光纤通信系统是以光导纤维和激光 技术、光电集成技术为基础发展起来的 通信系统，它具有频带宽、重量轻、体 积小、节省能源，主要用于大容量国际、 国内长途通信干线，也用于短局间中继。 我国今后不再敷设新的长途电缆线路， 而全部采用光缆。
实用的光纤通信系统一般都是双向 的，每一端都有光发送机、光接收机和 电发送机、电接收机并且每一端的光发 送机和光接收机做在一起，称为光端机， 电发送机和电接收机组合起来称为电端 机。同样，中继器也有正反两个方向。
48 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
❖按传输波长分类 (1)短波长光纤
37 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
(3)三角形光纤 纤芯折射
率分布曲线为 三角形。
38 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
光纤折射率分布曲线 39 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
❖按传导模的数目分类： 传导模指能够在光纤中远距离传输的传
播模式。 (1)多模光纤
当纤芯的几何尺寸（直径一般为50μm） 远大于光波波长(如1.55μm)时，光纤剖面折 射率分布为渐变型，外径125μm。光纤传输 的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模 式，称为多模光纤。
40 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
(2)单模光纤 当纤芯的几何尺寸较小（一般为
8μm～10μm），与光波长在同一数量级， 这时，光纤只允许一种模式（基模）在 其中传播，其余的高次模全部截止，这 样的光纤称为单模光纤。
单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。
41 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒 质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础 设施的支柱。
7 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
光纤通信系统是以光导纤维和激光 技术、光电集成技术为基础发展起来的 通信系统，它具有频带宽、重量轻、体 积小、节省能源，主要用于大容量国际、 国内长途通信干线，也用于短局间中继。 我国今后不再敷设新的长途电缆线路， 而全部采用光缆。
实用的光纤通信系统一般都是双向 的，每一端都有光发送机、光接收机和 电发送机、电接收机并且每一端的光发 送机和光接收机做在一起，称为光端机， 电发送机和电接收机组合起来称为电端 机。同样，中继器也有正反两个方向。
光纤通信基础知识ppt课件
应用场景
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光纤通信知识演示文稿资料课件
光纤通信知识演示文稿资料课件
目录
• 光纤通信概述 • 光纤通信原理 • 光纤通信系统组成 • 光纤通信的应用 • 光纤通信的未来发展
01
光纤通信概述
光纤通信定义
光纤通信是一种利用光波在光纤中传输信息的一种通信方式。它通过将电信号转 换为光信号，在光纤中传输，并在接收端将光信号转换回电信号，实现信息的传 递。
光纤通信系统主要由光源、光纤、光检测器和传输介质等部分组成。其中，光纤 是核心部分，负责传输光信号。
光纤通信发展历程
01
02
03
04
1960年代
光纤通信的初步探索和研究阶 段，人们开始认识到光纤在通
信领域的应用潜力。
1970年代
实验阶段，开始进行光纤通信 实验，验证其可行性和优势。
1980年代
商用阶段，光纤通信开始进入 商用领域，逐渐应用于长途和
光的调制方式
01
02
03
强度调制
通过改变光源的输出强度 来传递信息。在强度调制 中，信息被编码为光信号 的明暗变化，即光强。
频率调制
息被编码为光信号的波长 变化。
相位调制
通过改变光的相位来传递 信息。在相位调制中，信 息被编码为光信号的相位 变化。
光的解调方式
光功率放大器
用于放大光信号的功率，提高传输距 离和接收机的接收灵敏度。
05
04
调制器
用于将电信号调制到光信号上，使光 信号的幅度、相位或频率随电信号变 化。
光中继器
功能
光中继器用于放大和 整形光信号，补偿光 纤传输中的损耗和色 散，延长通信距离。
组成
光中继器主要由光接 收机、光放大器和光 发送机组成。
保护层用于保护光纤不受外界环境的影响 和损伤，保证光信号的传输质量和稳定性 。
目录
• 光纤通信概述 • 光纤通信原理 • 光纤通信系统组成 • 光纤通信的应用 • 光纤通信的未来发展
01
光纤通信概述
光纤通信定义
光纤通信是一种利用光波在光纤中传输信息的一种通信方式。它通过将电信号转 换为光信号，在光纤中传输，并在接收端将光信号转换回电信号，实现信息的传 递。
光纤通信系统主要由光源、光纤、光检测器和传输介质等部分组成。其中，光纤 是核心部分，负责传输光信号。
光纤通信发展历程
01
02
03
04
1960年代
光纤通信的初步探索和研究阶 段，人们开始认识到光纤在通
信领域的应用潜力。
1970年代
实验阶段，开始进行光纤通信 实验，验证其可行性和优势。
1980年代
商用阶段，光纤通信开始进入 商用领域，逐渐应用于长途和
光的调制方式
01
02
03
强度调制
通过改变光源的输出强度 来传递信息。在强度调制 中，信息被编码为光信号 的明暗变化，即光强。
频率调制
息被编码为光信号的波长 变化。
相位调制
通过改变光的相位来传递 信息。在相位调制中，信 息被编码为光信号的相位 变化。
光的解调方式
光功率放大器
用于放大光信号的功率，提高传输距 离和接收机的接收灵敏度。
05
04
调制器
用于将电信号调制到光信号上，使光 信号的幅度、相位或频率随电信号变 化。
光中继器
功能
光中继器用于放大和 整形光信号，补偿光 纤传输中的损耗和色 散，延长通信距离。
组成
光中继器主要由光接 收机、光放大器和光 发送机组成。
保护层用于保护光纤不受外界环境的影响 和损伤，保证光信号的传输质量和稳定性 。
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
光纤通信原理-(全套)PPT课件
为了描述光纤中传输的模式数目，在
此引入一个非常重要的结构参数，即光纤
的归一化频率，一般用V表示，其表达式 如下：
V k 0 n m a2 2 0n m a2 C n m a2
1. 多模光纤
顾明思义，多模光纤就是允许多个模 式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤 中允许存在多个分离的传导模。
光纤的作用是为光信号的传送提供传 送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一 处。
中继器分为电中继器和光中继器(光放 大器)两种，其主要作用就是延长光信号的 传输距离。
1.3.2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型，光纤通信系统 可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通 信系统。
根据光源的调制方式，光纤通信系统 可以分为直接调制光纤通信系统和间接调 制光纤通信系统。
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区 的 损 耗 可 低 到 0 . 1 8 dB/km， 比 已 知 的 其 他通信线路的损耗都低得多，因此，由其 组成的光纤通信系统的中继距离也较其它 介质构成的系统长得多。
图2.2 光纤的折射率分布
光纤的折射率变化可以用折射率 沿半径的分布函数n(r)来表示。
n r n n 1 2
r a r a
2. 按传输模式的数量分类
按光纤中传输的模式数量，可以将光 纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF) 和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
光纤课件chap4-1
➢ 以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出 光功率和光束方向性，直接影响光纤通信 系统的传输容量和传输距离，是光源最重 要的技术指标。
10
2.
qqq
➢ 直接光强调制的数字光发射机主要电路有:调制 电路、控制电路和线路编码电路
➢ 采用激光器作光源时，还有偏置电路
➢ 对调制电路和控制电路的要求如下：
➢ (1) 输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率 和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒 数)应大于10，以保证足够的光接收信噪比。
27
＋U
LD Ib
PD 检测 器
输出 监测
Uin
V1
UB1 V3
V2
－ UA1 A1 ＋
C
UR
Io
电流 源
Rf
信号参考 Uin
图 4.8 反馈稳定LD驱动电路
PLD →UPD →(UPD+ Uin + UR) → UA1→ Ib →PLD 28
把PD检测器的输出监测电压UPD、信号参考电压 Uin 和直流
11
➢ (2) 输出光脉冲的宽度应远大于开通延 迟(电光延迟)时间， 光脉冲的上升时间、 下降时间和开通延迟时间应足够短，以 便在高速率调制下，输出的光脉冲能准 确再现输入电脉冲的波形
➢(3) 对激光器应施加足够的偏置电流，以 便抑制在较高速率调制下可能出现的张 弛振荡，保证发射机正常工作
➢(4) 应采用自动功率控制(APC)和自动温 度控制(ATC)， 以保证输出光功率有足 够的稳定性
➢ “结发热效应”将引起调制失真。
➢ 与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调 制速率的“结发热效应”更加明显。
➢ 这是因为随着调制速率的提高，码元时间间隔缩 短，使结区温度来不及发生变化。
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2.
qqq
➢ 直接光强调制的数字光发射机主要电路有:调制 电路、控制电路和线路编码电路
➢ 采用激光器作光源时，还有偏置电路
➢ 对调制电路和控制电路的要求如下：
➢ (1) 输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率 和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒 数)应大于10，以保证足够的光接收信噪比。
27
＋U
LD Ib
PD 检测 器
输出 监测
Uin
V1
UB1 V3
V2
－ UA1 A1 ＋
C
UR
Io
电流 源
Rf
信号参考 Uin
图 4.8 反馈稳定LD驱动电路
PLD →UPD →(UPD+ Uin + UR) → UA1→ Ib →PLD 28
把PD检测器的输出监测电压UPD、信号参考电压 Uin 和直流
11
➢ (2) 输出光脉冲的宽度应远大于开通延 迟(电光延迟)时间， 光脉冲的上升时间、 下降时间和开通延迟时间应足够短，以 便在高速率调制下，输出的光脉冲能准 确再现输入电脉冲的波形
➢(3) 对激光器应施加足够的偏置电流，以 便抑制在较高速率调制下可能出现的张 弛振荡，保证发射机正常工作
➢(4) 应采用自动功率控制(APC)和自动温 度控制(ATC)， 以保证输出光功率有足 够的稳定性
➢ “结发热效应”将引起调制失真。
➢ 与调制速率对激光器瞬态特性的影响相反，低调 制速率的“结发热效应”更加明显。
➢ 这是因为随着调制速率的提高，码元时间间隔缩 短，使结区温度来不及发生变化。
《光纤通信》课件
总结词
海底光缆通信系统是光纤通信的重要应用之 一，它实现了跨洋、跨国之间的高速、大系统利用光纤作为传输介质， 通过海底光缆将各个国家和地区连接起来， 实现了高速、大容量的信息传输。这种系统 广泛应用于国际通信、广播电视、金融交易 等领域，对于全球信息交流和经济发展具有 重要意义。
光纤通信系统组成
光发信机
将电信号转换为光信号，通过光纤传输。
光纤
传输光信号的介质，具有低损耗、高带宽等 特点。
光收信机
将光信号转换为电信号，实现信息的接收和 解调。
中继器
用于延长传输距离和提高信号质量，包括光 放大器、光检测器等组件。
02
光纤基础知识
光的本质与传播
光的波粒二象性
光既具有波动特性，又具有粒子 特性。在光纤通信中，利用光的 波动特性进行信息传输。
《光纤通信》课件
目录 Contents
• 光纤通信概述 • 光纤基础知识 • 光纤通信技术 • 光纤通信应用 • 光纤通信发展趋势与挑战 • 案例分析
01
光纤通信概述
光纤通信定义
01
光纤通信是一种利用光波在光纤 中传输信息的通信方式。它通过 光信号的调制和传输，实现信息 的传递和交换。
02
光纤通信具有传输容量大、传输 距离远、传输损耗低、抗电磁干 扰等优点，是现代通信网络的重 要组成部分。
光纤通信发展历程
1960年代
激光的发明为光纤通信奠定了 基础。
1970年代
低损耗石英光纤的研制成功， 为光纤通信的实用化创造了条 件。
1980年代
光纤通信进入实用化阶段，广 泛应用于电话、有线电视等领 域。
1990年代至今
光纤通信技术不断发展，传输 速率和传输距离不断提高，成 为现代通信网络的主流技术。
光纤通信课件4章
Field will damp Field will propagate without attenuation
The cutoff frequency (higher frequencies can go through)
ω 1 ⎛ lπ ⎞ ⎛ mπ ⎞ f c ( Hz ) = C = ⎜ ⎟ +⎜ ⎟ 2π 2π εµ ⎝ a ⎠ ⎝ b ⎠
E x = E x 0 cos( β z + ϖ t )
Hy = H y 0 cos( β z + ϖ t )
β =
2π
ϖ = 2π f : angular frequency
5
λ
: propagation constant
☺ Fiber-Optic Communications Technology Fiber-
where β = 2π / λ = ω /v , and θ , φ are initial phases.
6
☺ Fiber-Optic Communications Technology Fiber-
EM Waves: Propagation in a Lossy Medium
From the Maxwell’s Eqn. or the Wave Equation, one has
4.2 Propagation of EM Waves
Wave Eq. for a Time-Harmonic EM Field
The time-harmonic EM filed in phasor form is
E = E(r )e
jω t
,
H = H (r )e jω t
which real parts of the expressions give the physical expressions of the fields. The wave equations becomes
The cutoff frequency (higher frequencies can go through)
ω 1 ⎛ lπ ⎞ ⎛ mπ ⎞ f c ( Hz ) = C = ⎜ ⎟ +⎜ ⎟ 2π 2π εµ ⎝ a ⎠ ⎝ b ⎠
E x = E x 0 cos( β z + ϖ t )
Hy = H y 0 cos( β z + ϖ t )
β =
2π
ϖ = 2π f : angular frequency
5
λ
: propagation constant
☺ Fiber-Optic Communications Technology Fiber-
where β = 2π / λ = ω /v , and θ , φ are initial phases.
6
☺ Fiber-Optic Communications Technology Fiber-
EM Waves: Propagation in a Lossy Medium
From the Maxwell’s Eqn. or the Wave Equation, one has
4.2 Propagation of EM Waves
Wave Eq. for a Time-Harmonic EM Field
The time-harmonic EM filed in phasor form is
E = E(r )e
jω t
,
H = H (r )e jω t
which real parts of the expressions give the physical expressions of the fields. The wave equations becomes
光纤通信课件4-optical-fiber
The preceding estimate of Pth applies to a narrowband CW beam as it neglects the temporal and spectral characteristics of the incident light. In a lightwave system, the signal is in the form of a bit stream. For a single short pulse whose width is much smaller than the phonon lifetime, no SBS is expected to occur. However, for a highspeed bit stream, pulses come at such a fast rate that successive pulses build up the acoustic wave, similar to the case of a CW beam, although the SBS threshold increases. The exact value of the average threshold power depends on the modulation format (RZ versus NRZ) and is typically ∼5 mW. It can be increased to 10 mW or more by increasing the bandwidth of the optical carrier to >200 MHz through phase modulation. SBS does not produce interchannel crosstalk in WDM systems because the 10-GHz frequency shift is much smaller than typical channel spacing.
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光信号
前置放大器 光检测器
主放大器
均衡器
偏压控制
AGC 电路
判决器
再生码流
时钟 提取
图 4.14 数字光接收机方框图
1. 光检测器 光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是
响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。
对光检测器的要求如下：
(1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm) 兼容；
光 检 测器 N＋-InP 基 片
P-接 触 片 N-接 触 片 GaA s基 片
电 路 部分
图 4.15 光电集成接收机
4.2 光检测器
4.2.1 光电二极管工作原理
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。
PN结界面
电子和空穴 的扩散运动
内部电场
漂移运动
(2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最大的光电 流；
(3) 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号； (4) 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小。 目前， 适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管 和雪崩光电二极管(APD)。
2. 放大器 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的
对于工作在1.3~1.6 μm波长的系统，人们需要基于InP的 OEIC接收机。
在1991年试验成功的单路InGaAs OEIC接收机，其运行速率 达5 Gb/s。
InGaAs OEIC接收机也可以用混合法实现。
如图4.15所示， 电元件集成在GaAs基片上，而光检测器集 成在InP基片上，两个部分通过接触片连接在一起。
均衡的目的：
•对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信 号进行补偿。
• 使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉 冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。
再生电路包括：判决电路和时钟提取电路
再生电路功能：从放大器输出的信号与噪声混合的波形中 提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原 发送的码流。
为了解决这一矛盾， 就需要改进PN结光电二极管的结构。
4.2.2 PIN 光电二极管
PIN光电二极管的产生
由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢。
为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的 本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。
漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P 层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称 为光电效应。
当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P 区。同样，P区的空穴流向N区， 便形成了光生电流。
当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号 转换成电信号。
这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产 生的电子 - 空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件， 就是简单的光电二极管(PD)。
另外，可通过控制耗尽层的宽度ω，来改变器件的响应速度。
光 抗 反 射膜
电极
P＋
(n )
N＋ E
电极
图3. 21 PIN光电二极管结构
PIN光电二极管具有如下主要特性： (一) 量子效率和光谱特性。 光电转换效率用量子效率η或响应度ρ表示。量子效率
η的定义为一次光生电子 -空穴对和入射光子数的比值
如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压， 目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而 减小光生电流中的扩散分量。
由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量 的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层， 又会增加载流子漂移的渡越时间， 使响应速度减慢。
第四章 光检测器和光接收波形被 展宽的微弱光信号转换为电信号，并放大处理，恢复为原始的 数字码流。
主要性能指标：灵敏度和动态范围
4.1 光接收机基本组成
直接强度调制，采用直接检测方式的数字光接收机方框图 示于图4.14。 主要包括：
光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、 时钟提 取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。
灵敏度影响很大。
前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前 放可供选择(参看4.2.2节)。
主放大器一般是多级放大器，它的作用是：
（1）提供足够的增益 （2）并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在 一定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。
主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。
3. 均衡和再生
4. 光电集成接收机
图4.14中除光检测器以外的所有元件都是标准的电子器件， 很容易用标准的集成电路(IC)技术将它们集成在同一芯片上。
不论是硅(Si)还是砷化镓(GaAs)IC技术都能够使集成电路 的工作带宽超过2 GHz，甚至达到10 GHz。
为了适合高传输速率的需求，人们一直在努力开发单片光 接收机，即用“光电集成电路(OEIC)技术”在同一芯片上集成 包括光检测器在内的全部元件。
光生电子对 空穴对 入射光子数
IP /e P0 / hf
IP P0
hf e
(3.13)
响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值
IP e ( A /W )
PIN光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21。
中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π(N)表示； 两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。
I层很厚， 吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充 分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效 率。
两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占 据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大 大提高了响应速度。
能带倾斜
当入射光作用在PN结时 如或果等光于子带的隙能( h量f ≥大E于g ) 发生受激吸收
在耗尽层
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。
在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生 电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流相同方向的扩散电流。