1、回到目的地回到目的地 實現光纖通信實現光纖通信哈爾濱工程大學理學院哈爾濱工程大學理學院光子科學與技術研究中心光子科學與技術研究中心20072007年年3 3月月7.1.1半導體光源的物理基礎半導體光源的物理基礎在大量原子相互靠近形成半導體晶體時，由于半導體晶體內部電子的共有化運動，使孤立原子中離散能級變成能帶。半導體內部自由運動的電子(簡稱自由電子)所填充的能帶稱為導帶；價電子所填充的能帶稱為價帶；導帶和價帶之間不允許電子填充，所以稱為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)。半導體的能帶結構半導體的能帶結構l自發輻射：自發輻射：處于高能級的電子狀態是不穩定的，它將自發地從

2、高能級(在半導體晶體中更多是指導帶的一個能級)運動(稱為躍遷)到低能級(在半導體晶體中更多是指價帶的一個能級)與空穴復合，同時釋放出一個光子。由于不需要外部激勵，所以該過程稱為自發輻射。l受激輻射：受激輻射：在外來光子的激勵下，電子從高能級躍遷到低能級與空穴復合，同時釋放出一個與外來光子同頻、同相的光子。由于需要外部激勵，所以該過程稱為受激輻射。7.1.2半導體發光二極管半導體發光二極管半導體發光二極管(Light-emitting Diode，LED)基本應用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆蓋整個光纖通信系統使用波長范圍，典型值為0.85m、1.31m及1.55m。LED的工作原理可

3、以歸納如下：當給LED外加合適的正向電壓時，Pp結之間的勢壘(相對于空穴)和Np結之間的勢壘(相對于電子)降低，大量的空穴和電子分別從P區擴散到p區和從N區擴散到p區(由于雙異質結構，p區中外來的電子和空穴不會分別擴散到P區和N區)，在有源區形成粒子數反轉分布狀態，最終克服受激吸收及其他衰減而產生自發輻射的光輸出。LED結構：結構：面發光二極管、邊發光二極管、超輻射發光二面發光二極管、邊發光二極管、超輻射發光二極管。極管。1. 面發光二極管面發光二極管面發光SLED（Surface Emitting）二極管的典型結構。它由NPP雙異質結構成。這種LED發射面積限定在一個小區域內，該區域的橫向尺

4、寸與光纖尺寸相近。利用腐蝕的方法在襯底材料正對有源層的地方腐蝕出一個凹陷的區域，使光纖與光發射面靠近，同時，在凹陷的區域注入環氧樹脂，并在光纖末端放置透鏡或形成球透鏡，以提高光纖的接收效率。面發光二極管輸出的功率較大，一般注入100mA電流時，就可達幾個毫瓦，但光發散角大，水平和垂直發散角都可達到120，與光纖的耦合效率低。2. 邊發光二極管邊發光二極管邊發光二極管，也采用了雙異質結結構。利用SiO2掩模技術，在P面形成垂直于端面的條形接觸電極(約4050m)，從而限定了有源層的寬度；同時，增加光波導層，進一步提高光的限定能力，把有源區產生的光輻射導向發光面，以提高與光纖的耦合效率。其有源層一

5、端鍍高反射膜，另一端鍍增透膜，以實現單向出光。在垂直于結平面方向，發散角約為30，具有比面發光二極管高的輸出耦合效率。3. 超輻射發光二極管超輻射發光二極管超輻射發光二極管SLD（Superluminescent Diodes）是一種介于激光二極管LD和發光二極管LED之間的半導體光源，它的出現和發展是受到光纖陀螺的驅動，對它的要求是有高的功率輸出并有寬的光譜寬度。可以看出，它的結構大體上與激光器的結構相似。除了條形金屬接觸部分沒有擴展到二極管芯片整個長度外，其他部分的長度與條形激光器相同。這種結構的目的是使得SLD既有很高的輸出功率而又不產生激射振蕩，因為要使輸出功率增加，最簡單辦法是增大注

6、入電流，但是，過高的注入電流可能會導致激射振蕩。非泵浦的后尾部區域是后向光波的吸收體，僅有前向光波被放大。目前，超輻射發光二極管在光纖通信中的應用還比較少。除了上面介紹的幾種發光二極管外，還有高速發光二極管。除了上面介紹的幾種發光二極管外，還有高速發光二極管。對于諸如局域網對于諸如局域網(LAN)和類似短距離網絡系統和類似短距離網絡系統(如計算機數據如計算機數據線路線路)應用而言，系統設計者總是希望使用應用而言，系統設計者總是希望使用LED，而不愿使用，而不愿使用激光二極管激光二極管LD，其原因是，其原因是LED除有低成本外，還具有高的溫除有低成本外，還具有高的溫度穩定性、高的可靠性、寬的工作

7、溫度范圍、低的噪聲和簡度穩定性、高的可靠性、寬的工作溫度范圍、低的噪聲和簡單的控制電路等優點。但是，單的控制電路等優點。但是，LED的窄帶寬和進入光纖的光的窄帶寬和進入光纖的光功率又限制它在上述短距離、大容量系統中的應用。研究、功率又限制它在上述短距離、大容量系統中的應用。研究、開發出工作于數百兆比特每秒到數吉比特每秒速率的開發出工作于數百兆比特每秒到數吉比特每秒速率的LED和和相應的驅動電路，將會對短距離電話用戶環路和局域網數據相應的驅動電路，將會對短距離電話用戶環路和局域網數據光纖系統帶來極大的方便性和經濟性，特別是對即將到來的光纖系統帶來極大的方便性和經濟性，特別是對即將到來的寬帶綜合業

8、務數字網絡具有更大的吸引力。目前已有直接調寬帶綜合業務數字網絡具有更大的吸引力。目前已有直接調制速率可達到制速率可達到300Mb/s以上的高速以上的高速LED產品問世。產品問世。LED 光源特性光源特性(1) 光譜特性。發光二極管發射的是自發輻射光，光譜特性。發光二極管發射的是自發輻射光， 沒有諧振腔對沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬波長的選擇，譜線較寬LED 光源特性光源特性(2) LED的的P-I特性特性4 3 2 1 0 50 100 150 02570電流電流/mA輸出功率輸出功率/ mWLED 光源特性光源特性(3) LED的溫度特性的溫度特性80090040C25C85C01740

9、Relative spectral output power840880Wavelength (nm)The output spectrum from AlGaAs LED. Valuesnormalized to peak emission at 25C. 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)LED 光源特性光源特性(3) LED的調制特性的調制特性在規定的正向偏置工作電流下，對LED進行數字脈沖或模擬信號電流調制，便可實現對輸出光功率的調制。LED 光源特性光源特性(3) LED的調制特性的調制特性在規定的正向偏置工作電流下，對L

10、ED進行數字脈沖或模擬信號電流調制，便可實現對輸出光功率的調制。調制頻率或調制帶寬是光通信用LED的重要參數之一，它關系到 LED在光通信中的傳輸速度大小，LED因受到有源層內少數載流子壽命的限制，其調制的最高頻率通常只有幾十兆赫茲，從而限制了LED在高比特速率系統中的應用，通常LED的應用主要局限在低帶寬和局域網上。調制帶寬是衡量發光二極管的調制能力，其定義是在保證調制度不變的情況下，當LED輸出的交流光功率下降到低頻率值的一半時(3dB)的頻率就是LED的調制帶寬，它可以表示為 式中，為載流子的壽命。為了提高帶寬，希望縮短載流子的壽命，可以通過增大有源層的摻雜濃度和提高注入少子濃度改善帶寬

11、性能，但是帶寬的增加卻會使得LED輸出光功率下降。例如面發射GaAIAs發光管最高功率可達15 mW，而3 dB帶寬為17 MHz；當最大調制帶寬為1.1GHz時，功率降低至0.2 mW。LED的輸出功率與調制帶寬的乘積是一個常數 21fLED 光源特性光源特性(3) LED的調制特性的調制特性常數Pf調制頻率或調制帶寬是光通信用LED的重要參數之一，它關系到 LED在光通信中的傳輸速度大小，LED因受到有源層內少數載流子壽命的限制，其調制的最高頻率通常只有幾十兆赫茲，從而限制了LED在高比特速率系統中的應用，通常LED的應用主要局限在低帶寬和局域網上。調制帶寬是衡量發光二極管的調制能力，其定

12、義是在保證調制度不變的情況下，當LED輸出的交流光功率下降到低頻率值的一半時(3dB)的頻率就是LED的調制帶寬，它可以表示為 式中，為載流子的壽命。為了提高帶寬，希望縮短載流子的壽命，可以通過增大有源層的摻雜濃度和提高注入少子濃度改善帶寬性能，但是帶寬的增加卻會使得LED輸出光功率下降。例如面發射GaAIAs發光管最高功率可達15 mW，而3 dB帶寬為17 MHz；當最大調制帶寬為1.1GHz時，功率降低至0.2 mW。LED的輸出功率與調制帶寬的乘積是一個常數 21fLED 光源特性光源特性(3) LED的調制特性的調制特性常數PfLED 光源特性光源特性(3) LED與光纖的耦合與光纖

13、的耦合ElectrodeSiO2 (insulator)ElectrodeFiber (multimode)Epoxy resinEtched wellDouble heterostructureLight is coupled from a surface emitting LEDinto a multimode fiber using an index matchingepoxy. The fiber is bonded to the LEDstructure.(a)FiberA microlens focuses diverging light from a surfaceemittin

14、g LED into a multimode optical fiber.Microlens (Ti2O3:SiO2 glass)(b)LED 光源特性光源特性(3) LED與光纖的耦合與光纖的耦合Multimode fiberLens(a)ELEDActive layerLight from an edge emitting LED is coupled into a fiber typically by using a lens or aGRIN rod lens.GRIN-rod lens(b)Single mode fiberELEDLED 光源特性光源特性(3) LED與光纖的耦合與

15、光纖的耦合有源層材料類型輻射波長（nm）譜寬（nm）耦合功率(W)正向電流（mA）上升/下降時間（ns）AlGaAsELED85035651080601002/26.5/6.5GaAsSLED8504080140100-GaAsELED8503510321006.5/6.5InGaAsPSLED130011010501003/3InGaAsPELED13002510150301001.5/2.5InGaAsPELED15504070100075002005000.4/0.412/12LED技術參數技術參數7.1.3半導體激光器半導體激光器(Laser Diode，LD)1. 激光二極管的類型結

16、構(1) 常用激光二極管的類型結構 在雙異質結構的LD中，通常采用具有橫模限制作用的激光二極管結構，這種激光二極管稱為條形激光二極管(Stripe Laser Diode，SLD)或窄區激光二極管。 一種增益波導型激光二極管的類型結構如圖所示，圖中虛線之間的部分為電流流經的區域。一種擴散條形激光二極管一種擴散條形激光二極管拱棱波導條形激光二極管拱棱波導條形激光二極管(2) 單頻激光二極管一般地，普通激光二極管只能工作于多縱模狀態，其增益峰值附近的數個模式攜帶著大部分的輸出光功率。 分布反饋機理激光二極管在分布反饋(Distributed Feedback，DFB)機理激光二極管中，通過諧振腔和

17、具有頻率選擇反饋功能的光柵共同完成反饋作用。 耦合腔激光二極管模式選擇也可以采用耦合腔結構實現，其基本機理為：雖然兩個諧振腔具有各自不同的振蕩縱模，但是當兩個諧振腔放在一起構成耦合腔(或復合腔)時，這時只有兩個諧振腔中相同的縱模才能成為耦合腔的振蕩縱模，再加上增益譜的作用，最終實現了模式選擇功能。 量子阱激光二極管出現較晚的量子阱(Quantum Well，QW)激光二極管，已經在實際系統尤其是相干傳輸系統和波分復用系統中得到廣泛應用。 波長可調諧單頻激光二極管波長可調諧單頻激光二極管是波分復用系統、相干光通信系統及光交換網絡的關鍵器件，其主要性能指標包括調諧速度和波長調諧范圍。LD的工作特性

18、1. LD的P-I特性 LD的P-I特性如圖5.13所示。就P-I特性曲線整體而言，由于存在閾值現象，整體線性不如LED。LD的的P-I特性特性2. 光譜特性LD的光譜特性如圖所示。在圖中，0為LED的峰值波長(典型值為0.85m、1.31m和1.55m)；為譜線寬度，其定義為縱模包絡或主模光強度下降到最大值一半時對應的波長寬度。3. 溫度特性與LED比較，溫度主要對LD的閾值電流、輸出光功率及峰值工作波長影響較大。為了降低溫度對LD的影響，可以采用兩種方法：選擇溫度特性優異的新型LD，或通過一個外加的自動溫度控制電路，使LD的溫度特性能夠滿足系統的要求。3. 調制特性3. 調制特性4. 溫度

19、特性與LED比較，溫度主要對LD的閾值電流、輸出光功率及峰值工作波長影響較大。為了降低溫度對LD的影響，可以采用兩種方法：選擇溫度特性優異的新型LD，或通過一個外加的自動溫度控制電路，使LD的溫度特性能夠滿足系統的要求。7.1.4光發射機光發射機光源的選擇光源功率光譜，包括：中心波長、光譜半寬、發光模式，穩定性，功率穩定性，光譜穩定性，跳模影響應用類型，尾纖？單模？多模？光耦合？體積壽命驅動是否方便價格影響光源穩定性的因素影響光強的因素（1) 有源區電流密度由驅動電流決定（2) 價電子數由溫度決定。可見，影響發光過程的外部參數為有源區的電流和溫度，穩定光強必須從這兩個參數入手。影響光譜的因素（

20、1) 驅動電流（2) 溫度穩定光譜同樣需要穩定驅動電流和溫度。驅動電流對LED光譜的影響溫度對LD光譜的影響 激光器在閾值電流以上工作時，隨著溫度增加，縱模向長波方向平移，并且在某個溫度下出現縱模躍變，這一現象和注入電流增加的情況類似。 縱模向長波平移的原因同樣可以用折射率增加及有效禁帶寬度縮小來解釋。模的躍變涉及到各個模之間增益的變化，有待于深入研究光源的驅動類型穩恒電流驅動（ACC）光源的自動電流控制（Automatic Current Control，簡稱ACC）也稱恒流驅動，是較為常用的光源驅動電路，穩恒功率驅動（APC）光源的輸出光功率與驅動電流的特性對溫度是具有依賴關系的，而在溫度

21、變動的情況下，如果保持其輸出光功率的穩定性，APC（Automatic Power Control）是一種普遍使用的方法。光源的驅動類型溫度控制電路（ATC）我們知道，激光二極管輸出光功率的浮動，根本的原因是受環境溫度的影響，僅僅采用APC驅動而不對LD激光器的溫度進行控制，是不完全的。另外根據研究表明，激光器的工作溫度上升10攝氏度，則其壽命減小一倍，所以對于環境溫度的控制十分非常必要的。現在許多廠家出產的LD激光器模塊，都是集成溫敏電阻和半導體制冷器，所以在使用中對自動溫度控制電路（Automatic Teperature Control）ATC電路的掌握是必不可少的。 設計要素：穩恒電流

22、發生我們知道，直接利用三極管、FET或者一些穩壓器都可以得到“穩流源”。這種電流源或者不易調節，或者穩定性（尤其是溫度穩定性）不好，因此在LD驅動中最好別采用。比較通常的方法是采用線性V/I轉換電路。典型的電路由輸入控制電壓V、一個運放、一個NPN三極管、一個取樣電阻R構成，運放正輸入端連輸入電壓，輸出端連三極管基極，三極管集電極通過取樣電阻接地，發射極通過需驅動的LD接電源。集電極同時還連到運放的負輸入端構成反饋回路。如果電路工作在線性區，根據運放的虛短虛斷就可以得出：輸出給LD的電流IV/R。設計要素：穩恒電流發生采用這種方式獲得穩定電流的關鍵是控制電壓本身穩定，運放的輸入噪聲小，以及取樣

23、電阻穩定。最后強調一點，電路一定要工作在線性區，否則V/I轉換就不成立 。設計要素：電流調節控制絕大部分LD的輸出功率都是和驅動電流相關的，因此也都采用電流驅動。較好的電流源要能在0100毫安間調節，起伏小于100微安。更好的則要求起伏低于10微安甚至1微安。 電位器旋轉時因內部接觸不好，電阻時大時小并間有毛刺，利用它的電阻值來調節輸出電流，輸出也會不穩定。調節不當會毀壞LD。利用數字方式來控制比較好，但因競爭冒險等現象，DA轉換也可能有毛刺。這同樣潛伏著危險。數字旋紐。有點象機械鼠標的原理，旋轉面板上的旋紐時會不停產生脈沖。后續電路可以測出旋轉方向和脈沖數，從而加減電流。電流的步進值也可以隨

24、著旋轉速度動態調節設計要素：ACC電路（一）R1VCCC1R2R3VCCR4R2V2LEDR520/5WVEEZR3ZR2ZR1b2c3e1V1R5V3+3-268741IC1OP1設計要素：ACC電路（二）設計要素：自動溫度控制溫度控制電路（一）溫度控制電路（二）設計要素：APC電路如果LD內集成背向光探測器，怎樣利用它？它又有什么局限？果LD內沒有光探測器，怎樣實現自動功率控制？APC電路（一）APC電路（二）電路保護：限流限流電路比較可靠的方法是給每只LD都串一限流固定電阻，用驅動電路中最高電壓減去LD的壓降后除以最大電流，就是限流電阻的阻值了。當然這樣效率也比較低，調節也較為麻煩。常用

25、的方法是限制V/I轉換的控制電壓，從而限制輸出電流。限制電壓就比較容易了，用運放搭一雙輸入整流電路，使得輸出總等于輸入中的最小值。以一個輸入接原來的控制電壓，另一輸入接限流控制電壓。顯然，當輸出控制電壓低于限流電壓時，它能靈活控制輸出電流；一旦它超過限流控制，輸出電流就被鎖在極限上了。電路保護：慢啟動慢啟動有時也稱緩啟動，或者軟開關，不過軟開關算是電源理論中的專用詞匯了，特別針對消除沖擊電流。并聯RC可以吸收部分沖擊電流，但不能完全吸收。即使再加入電感構成RLC的混合濾波器，效果也很是有限。實驗中發現，只要直流電源上有沖擊，無論后面用什么辦法，這種沖擊都很難完全消除。并且，即使驅動部分用電池供

26、電，僅有一根地線和直流電源連接，當直流電源的開關在其內部產生沖擊電流時，部分沖擊仍可以通過地線以及空間輻射構成回路，在LD上產生沖擊電流！總的思路是：關鍵是得到盡可能干凈的直流電源，然后就是將各種濾沖擊的方法全加上。主要器件有FET緩變開關、磁珠、扼流線圈、無源RLC網、肖特基二極管等等。慢啟動電路 該軟啟動采用達林頓管、電容、電阻實現。緩啟動的時間可長達數秒。該電路還能實現緩關斷，以防止 過壓或突然掉電。R1C3b2c3e1V1b1c2e3V2C4C1C6C2C5CAPL1L2InOut電路保護：電源濾波問題：如果驅動器旁邊有高頻、大功率源的干擾，例如：電動機或者電鉆，需要對電源的高頻噪聲加

27、以濾除。否則，由電源引進的瞬間高頻沖擊電流，將會使LD損壞。方法： （1）采用電源濾波器 （2）增加脈沖泄放回路電路保護：電路退耦 電源噪聲會通過運放的電源輸入管腳與運算放大器的信號通路發生耦合。這種噪聲常常由于電源線上的阻抗與放大器共電源的其它線路上電流相互作用引起的。電源電流經過這些阻抗并產生壓降，這個電壓降表示放大器電源節點處的噪聲。 這里，耦合噪聲與放大器的輸入噪聲一起被放大。對電源噪聲的抑制，需要采用有效的退耦來實現。電路保護：接地與屏蔽外部噪聲源作為背景噪聲反映了電路的工作環境。背景噪聲一般由于外部靜電源和磁性源引起。靜電和磁性噪聲信號通過寄生效應進入電路。寄生互電容耦合了靜電干擾

28、，寄生互電感耦合了磁性干擾。靜電噪聲源和磁性噪聲源與放大器隔離是非常有效的方法，可非常好地去除寄生耦合效應。屏蔽較隔離的效果稍差，但也可以很好地去除耦合，只是對于靜電耦合和磁性耦合分別要求不同的屏蔽材料。靜電去耦要求屏蔽材料有高導電率以便將容性耦合電流分流接地。磁性去耦要求屏蔽材料有高導磁率或者很大的厚度以削弱磁場與導電屏蔽的耦合。外部噪聲的限制要求我們要注意放大器的放置、屏蔽、電路的結構和電路分立元件的排放。p光檢測器的工作原理 p光檢測器的特性參數p光 接 收 機p光收發合一模塊p光纖通信技術的回顧和展望 7.2.1 光檢測器的工作原理光檢測器的作用是將接收到的光信號轉換成電流信號。其工作

29、過程的基本機理是光的吸收。當能量超過光檢測器的作用是將接收到的光信號轉換成電流信號。其工作過程的基本機理是光的吸收。當能量超過禁帶寬度禁帶寬度Eg的光子入射到半導體材料上時，每一個光子若被半導體材料吸收將會產生一個電子的光子入射到半導體材料上時，每一個光子若被半導體材料吸收將會產生一個電子-空穴對，空穴對，如果此時在半導體材料上加上電場，電子如果此時在半導體材料上加上電場，電子-空穴對就會在半導體材料中渡越，形成光電流。空穴對就會在半導體材料中渡越，形成光電流。光檢測器的工作原理光檢測器的工作原理左側入射的信號光透過左側入射的信號光透過P區進入耗盡區，當區進入耗盡區，當PN結上加反向偏置電壓時

30、，耗盡區內受激吸收生成的電子結上加反向偏置電壓時，耗盡區內受激吸收生成的電子-空穴對分別在電場的作用下做漂移運動，電子向空穴對分別在電場的作用下做漂移運動，電子向N區漂移，空穴向區漂移，空穴向P區漂移，從而在外電路形成了隨區漂移，從而在外電路形成了隨光信號變化的光生電流信號。耗盡區的寬度由反向電壓的大小決定。符號光信號變化的光生電流信號。耗盡區的寬度由反向電壓的大小決定。符號P表示重摻雜區。表示重摻雜區。 PIN光檢測器PIN光檢測器也稱為PIN光電二極管，在此，PIN的意義是表明半導體材料的結構，P+和N型半導體材料之間插入了一層摻雜濃度很低的半導體材料（如Si），記為I，稱為本征區。APD

31、光檢測器APD光檢測器也稱為雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode），其工作機理如下：入射信號光在光電二極管中產生最初的電子-空穴對，由于光電二極管上加了較高的反向偏置電壓，電子-空穴對在該電場作用下加速運動，獲得很大動能，當它們與中性原子碰撞時，會使中性原子價帶上的電子獲得能量后躍遷到導帶上去，于是就產生新的電子-空穴對，新產生的電子-空穴對稱為二次電子-空穴對。這些二次載流子同樣能在強電場作用下，碰撞別的中性原子進而產生新的電子-空穴對，這樣就引起了產生新載流子的雪崩過程。也就是說，一個光子最終產生了許多的載流子，使得光信號在光電二極管內部就獲得了放大。APD光電二極管

32、光檢測器的特性參數光檢測器的特性參數 1量子效率入射光（功率為Pin）中含有大量光子，能轉換為光生電流的光子數和入射的總光子數之比稱為量子效率，它的計算由下式給出，即 2響應度光檢測器的光電流與入射光功率之比稱為響應度，有 響應度的單位是A/W。對于給定的波長，響應度是一個常數，但是當考慮的波長范圍較大時，它就不是常數了。隨著入射光波長的增加，入射光子的能量越來越小，如果小于禁帶寬度時，響應度會在截止波長處迅速下降。響應度與量子效率的關系為 考慮到APD光檢測器的雪崩效應，它的響應度可表示為 APD光檢測器的響應度在0.75130之間。hPqI/inPinPPIR hqR PINAPDMRhM

33、qR3響應光譜為了產生光生載流子，入射光子的能量必須大于光檢測器材料的禁帶寬度，即滿足條件 常用半導體材料的禁帶寬度和對應波長見表1。 常用半導體材料的禁帶寬度和對應波長gEh半導體材料禁帶寬度Eg/eV波長 /nmSi1.171067半導體材料禁帶寬度Eg/eV波長 /nmGe0.7751610GaAs1.424876InP1.35924AlGaAs1.421.92879650InGaAs0.751.2416641006InGaAs0.751.3516649244響應時間響應時間是用來反映光檢測器對瞬變或高速調制光信號響應能力的參數。如前所述，它主要受以下三個因素的影響：耗盡區的光載流子的渡

34、越時間；耗盡區外產生的光載流子的擴散時間； 光電二極管及與其相關的電路的RC時間常數。5暗電流暗電流是指光檢測器上無光入射時的電流。雖然沒有入射光，但是在一定溫度下，外部的熱能可以在耗盡區內產生一些自由電荷，這些電荷在反向偏置電壓的作用下流動，形成了暗電流。顯然，溫度越高，受溫度激發的電子數量越多，暗電流越大。對于PIN管，設溫度為T1時的暗電流為Id(T1)，當溫度上升到T2時則有 式中，C是經驗常數，Si光電二極管的C值為8。暗電流最終決定了能被檢測到的最小光功率，也就是光電二極管的靈敏度。根據所選用半導體材料的不同，暗電流的變化范圍在0.1500 nA之間。r35. 0tB CTTTIT

35、I/ )(1d2d122)()(光檢測器的噪聲光檢測器的噪聲是限制光纖通信系統接收機靈敏度的關鍵因素，其噪聲源有以下幾種。1散粒噪聲而實際上，光生電流是一個隨機變量，它圍繞著某一平均統計值而起伏，這種起伏稱做散粒噪聲的電流起伏is(t)。散粒噪聲屬于白噪聲，為了降低它的影響，通常在判決電路之前使用低通濾波器，使得信道的帶寬變窄。2熱噪聲溫度變化導致的瞬間電子數目圍繞其平均值的起伏稱為熱噪聲。31/f噪聲除了散粒噪聲和熱噪聲以外，光電二極管還存在1/f噪聲，顧名思義，該噪聲與頻率成反比，一般而言，它的影響只在低頻范圍內，當信號的調制頻率大于100MHz時，就可以忽略它對光電二極管輸出信號的作用了

36、。PIN產品及參數PIN光電二極管具有較好的光電轉換線性度、響應速度快、不需要高的工作電壓等優點，得到了廣泛的應用。長波長PIN管性能指標（深圳飛通光電股份有限公司提供）參數符號測試條件最小典型最大單位波長11001600nm暗電流IdVR = 5V, 2515nA響應度（1310nm）RVR = 5V, = 1310nm0.80A/W飽和光功率PVR = 5V10mW光敏面直徑75m上升、下降時間t r, tfRL = 500.1ns電容CVR = 5V0.75pF2APD產品及參數 APD-TIA組件的光電性能。 參 數符號測 試 條 件范 圍單位最小值典型值最大值響應波長12601580

37、nmAPD擊穿電壓VBRId = 100A，Tc = +255070VVBR溫度系數Tc = -20+850.126V/工作電流DC355065mA響應度RPin = -30dBm, = 1310nm, M = 10.750.85A/W帶寬（-3dB）AC, RL = 50, M = 10, = 1310nm, Pin = -30dBm1.51.8GHz輸出阻抗Z0差分輸出406080跨阻Zt差分輸出，f = 100MHz1.622.5k飽和光功率PsAC, RL = 50, NRZ, 2.48832Gb/s，PRBS = 223-1, RER = 10-10, = 1550nm-7-5dBm

38、靈敏度PrAC, RL = 50, NRZ, 2.48832Gb/s，PRBS = 223-1, RER = 10-10, = 1550nm-33-31dBm光反射ORL = 1310nm，單模光纖-30dB7.2.3 光光 接接 收收 機機光接收機的組成光接收機的作用是將光纖終端的光信號轉換為電信號，然后進行放大、處理，最后還原成原始的電信號形式。光纖通信系統分模擬和數字兩種傳輸系統。在這兩種不同系統中采用的光接收機分別稱為模擬光接收機和數字光接收機。模擬光接收機比較簡單，方框圖如圖（a）所示，光檢測器的輸出信號經低噪聲前置放大器放大后，送入主放大器做進一步放大處理，然后根據模擬信號的調制方

39、式，選擇相應的解調器，解調后的信號即為所需的模擬電信號。數字光接收機方框圖如圖（b）所示，考慮到數字系統的普及性，本節重點介紹數字光接收機各部分的功能及相關的技術指標。1前置放大器從光檢測器輸出的電流信號十分微弱，必須經過前置放大器放大，前置放大器在光接收機中起關鍵作用，要求它有足夠小的噪聲、適當的帶寬和一定的增益。前置放大器有多種類型，如雙極型晶體管前置放大器、場效應晶體管互阻抗前置放大器、PIN-FET（PIN管與場效應管）前置放大器組件等。其輸出電壓為 互阻放大器的主要優點是：動態范圍較寬；輸出阻抗小，不易感應耦合噪聲；性能穩定，容易通過調節RF控制增益。2增益可調節的主放大器 前置放大

40、器輸出信號的幅度對于信號的判決是不夠的，因此還需主放大器做進一步的放大。主放大器除了將前置放大器輸出的信號放大到判決電路所需要的信號電平外，還起著調節增益的作用。當光電檢測器輸出的信號出現起伏時，通過光接收機的自動增益控制電路對主放大器的增益進行調整，即輸入信號越大，增益越小，反之，對于小的信號呈現較大的增益，這樣主放大器的輸出信號幅度在一定范圍不受輸入信號的影響。一般主放大器的峰-峰值輸出大約是幾伏。FPoutRIv3濾波器在數字光纖通信系統中，光脈沖從光發射機輸出，經過光纖長距離傳輸，由于光纖色散的影響，波形將出現拖尾，系統中其他的器件，如光放大器、光檢測器等，因其帶寬的限制和非理想的傳輸

41、特性，會使光脈沖發生畸變，同時加劇碼元間的串擾，造成判決電路誤判，產生誤碼。所以在判決電路前必須加濾波器對已發生畸變和有嚴重碼間干擾的信號進行均衡，使其盡可能地恢復原來的狀況，以利于定時判決。濾波器的機理可以用波形說明。圖（a）中的波形表示單個已經發生拖尾現象的碼元，在其他碼元的判決時刻，其存在的拖尾會對其他碼元造成串擾。但經過濾波器后輸出的波形，在本碼元判決時刻，波形的瞬時值為最大值；而這個碼元波形的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬時值應為零。這樣，即使經過濾波均衡以后的輸出波形仍有拖尾，但是這個拖尾在鄰碼判決的這個關鍵時刻為零，從而不干擾對相鄰碼元的判決，上述這種情況可從圖（b）中明顯地看出。4時鐘

42、恢復和判決電路為了能從濾波器的輸出信號判決出是“0”碼還是“1”碼，首先要設法知道應在什么時刻進行判決，亦即應將混合在信號中的時鐘信號（又稱定時信號）提取出來，這是時鐘恢復電路應該完成的功能。接著再根據給定的判決門限電平，按照時鐘信號所“指定”的瞬間來判決由濾波器送過來的信號，若信號電平超過判決門限電平，則判為“1”碼；低于判決門限電平，則被判為“0”碼。上述信號再生過程，可從圖中十分明顯地看出來。光接收機的技術指標靈敏度是光接收機最重要的參數，它表征光接收機調整到最佳工作狀態時，接收機接收微弱信號的能力。對于模擬光接收機而言，則是光接收機工作在規定信噪比SNR（Signal Noise Ra

43、tio）所要求的最小平均接收光功率；對于數字光接收機而言，它等于在滿足特定誤碼率BER（bit error rate）條件下，光接收機所需的最小平均光功率，通常，數字光接收機要求的誤碼率小于109，也即要求1109個碼元中最多有1個錯碼。由于靈敏度與誤碼率密切相關，所以先討論數字光接收機誤碼率的決定因素，然后再介紹靈敏度的表達式及與誤碼率的關系。1誤碼率誤碼率的定義是 造成誤碼的原因很多，如光纖的色散、光電二極管的噪聲、前置放大器的噪聲等，在這里討論的是光接收機噪聲對誤碼率的影響。為了計算光接收機的誤碼率，必須知道濾波器輸出信號的概率分布。圖（a）為比特1和比特0的脈沖電平示意圖，記接收比特1

44、和比特0的概率密度函數分別為p (v/1)、p (v/0)，如圖（b）所示，判決電平為vth。顯然，在判決時刻將比特1誤判成0的概率是p (v/1)曲線中v vth的概率，它由下式計算，即 式中，P1的下標1表示應出現比特1。同樣，判決時刻將比特0誤判成1的概率即是曲線中的概率可表示為 下標0表示應出現比特0。假設比特1和0到達的概率相同，都是1/2，誤碼率則為 總的比特數出錯的比特數BERthd) 1/(1vvvpPthd)0/(0vvvpP)(21BER01PP 濾波器輸出信號在抽樣時刻的統計特性常用高斯分布近似來描述，高斯分布的概率密度為 式中，m為高斯隨機變量的均值，也稱為數學期望；為

45、方差。利用概率密度函數便可計算P1和P0。設比特1對應的高斯輸出均值和方差分別是b1和，比特0對應的高斯輸出均值和方差分別是b0和，如圖所示。222)(exp21)(mxxf2量子極限假設光檢測器具有理想特性，量子效率為1，且無熱噪聲，無暗電流，這樣沒有光功率入射時，就沒有電子-空穴對產生。在該條件下，就可以得到數字系統中對于給定誤碼率所要求的最小接收光功率，這個最小接收到的功率值就是量子極限。量子極限的計算公式如下： 式中，Np是比特1所含的平均光子數；B為比特率。Np值取決于所需達到的特定比特率。對于理想光檢測器，已經不能用前述的高斯分布來描述噪聲特性，而是應用泊松分布形容電子-空穴對產生

46、的起伏，即 式中，n為Np個光子產生的電子-空穴對數，光功率入射到光檢測器上而沒有產生電子-空穴對的概率是 由此可以推導得出誤碼率的表達式 可以算得，當要求時，Np = 9 ln 10 21，也就是說，每個比特1含有的平均光子數應至少為21個，這就是所謂的量子極限值。對于確定波長、比特率、量子極限的功率要求。量子極限是對系統特性的基本物理限制，大多數接收機的靈敏度要比量子極限高出20dB左右。2prhcBNP!e)()(ppnNnPNnpe)0(NPpeBERN3靈敏度光接收機的靈敏度與諸多因素有關，比如光檢測器的靈敏度、前置放大器的類型和噪聲特性、光脈沖形狀、非理想均衡等，計算方法有很多種，

47、也較為復雜，這里僅僅給出一種計算的公式，對它的推導過程就不再贅述。光接收機中光檢測器類型的不同，靈敏度的計算方法也不一樣。對于PIN檢測器，光接收機的靈敏度可表示為 2/12aPINr,)(11iqhcQEES光收發合一模塊光收發合一模塊光收發合一模塊是將傳統分離的發射、接收組件合二為一的一種新型光電器件，其應用的領域包括千兆以太網、同步數字傳輸系統（SDH /SONET）、CWDM、CDMA光纖直放站、光纖通道、城域網等，傳輸速率分為155Mb/s、622Mb/s、1.25Gb/s、2.5Gb/s、10Gb/s等，采用的波長為850nm、1310nm、1550nm，傳輸距離從幾百米到一百多千

48、米。光收發合一模塊通常由插拔式光電器件、電子功能線路和光接口幾個部分組成，圖4.4.1為一些光收發合一模塊的外形圖。這里介紹某光收發合一模塊產品，其功能簡述如下：2.488Gb/s光發射接收單元；16路155.52Mb/s復用/解復用功能；采用1310/1550nm無制冷DFB激光器和APD型光接受組件，可傳輸4080km；差分LVPECL（低壓正發射極耦合邏輯）數據接口；診斷環回；線路環回；單3.3V電源。2.5Gb/s長程Transponder模塊結構 （武漢電信器件公司）性能參數測試環境最小值典型值最大值單位發射部分平均輸出光功率-20+3dBm消光比8.210dB輸出眼圖滿足Telco

49、rdia GR-253和ITU-T G.975建議要求中心波長RTXM164129013101330nmRTXM163148015501580nm邊模抑制比30dB-20dB帶寬1nm性能參數測試環境最小值典型值最大值單位接收部分接收靈敏度PRBS=223-1-32-31dBm飽和光功率-7通道代價RTXM1641dBRTXM1632接收光回損-27dB無光告警點-38-36dBmBER=110-11性能參數測試環境最小值典型值最大值單位輸入輸入高電平VCC-1.25VCC-0.55V輸入低電平VCC-2.00VCC-1.40建立時間1.5ns保持時間1ns輸出輸出高電平正負端負載阻抗100V

50、CC-1.1VCC-0.8輸出低電平VCC-1.9VCC-1.4差分輸出峰-峰值10001800mV建立時間2ns保持時間2ns激光器輸出光功率監測500mV激光器偏置電流監測20mV/mA激光器關斷LVPECL電平（高有效）激光器失效告警LVPECL電平（低有效）無光告警輸出LVPECL電平（低有效）診斷環回使能LVPECL電平（低有效）線路環回使能LVPECL電平（低有效）MUX/DEMUX復位LVPECL電平（低有效）RTXM163/164電接口技術指標（武漢電信器件公司提供）7.3.1模擬信號的調制與解調模擬信號的調制與解調1.直接強度調制直接強度調制方式就是用基帶信號直接對光源進行強

51、度調制，也就是使光源的光強度直接隨傳輸的信號變化。此時光纖通信系統的傳輸帶寬只要滿足信號帶寬就夠了，其缺點是對光源的線性度要求高如用普通LD作光源則由于光源的非線性和模式噪聲和模分配噪聲的限制，難以實現達到較好的性能指標。在這種調制方式中，通常使用驅動電流光輸出特性線性較好的LED作光源。 2.脈沖頻率調制脈沖頻率調制(PFM) 脈沖頻率調制（PFM）方式是目前模擬信號傳輸中傳輸質量較高的一種方式，是信號進行光強度調制之前的一種預處理過程。信號經過脈沖頻率調制以后，可以有效避免光源非線性帶來的影響，并以此換取傳輸質量的提高。脈沖頻率調制有兩種方式，一種是調制脈沖的重復頻率隨信號幅度大小呈線性變

52、化，而脈沖持續期(脈寬)固定不變，另一種則是脈沖占空比為11，而調制脈沖的重復頻率仍然與信號的幅度成比例變化，也稱為方波頻率調制。 脈沖頻率調制的電路實現脈沖頻率調制的電路實現 利用ICL8038構成脈沖頻率調制電路 脈沖頻率調制的電路實現脈沖頻率調制的電路實現 R1 R2 C1 C2 C3 -5.2v -12v R6 2 2 8 8 11 11 14 4 4 6 6 1 1 5 5 IN OUT 利用MC1658構成脈沖頻率調制電路 脈沖頻率調制的電路實現脈沖頻率調制的電路實現 脈沖頻率調制的電路實現脈沖頻率調制的電路實現 PFM信號的頻譜中不含基帶成份，所以不能直接采用低通濾波器進行解調。

53、脈沖頻率調制解調方案為，將輸入的脈沖頻率信號倍頻，將信號的頻譜搬運到2倍頻處，通過低通濾波便可實現脈沖頻率信號的解調，恢復出原始信號。 利用延遲線和異或門組成的二倍頻等寬脈沖形成電路 脈沖頻率調制的電路實現脈沖頻率調制的電路實現 脈沖頻率調制的電路實現脈沖頻率調制的電路實現 7.3.1數字信號的調制與解調數字信號的調制與解調1.直接強度調制直接強度調制方式就是用基帶信號直接對光源進行強度調制，也就是使光源的光強度直接隨傳輸的信號變化。此時光纖通信系統的傳輸帶寬只要滿足信號帶寬就夠了，其缺點是對光源的線性度要求高如用普通LD作光源則由于光源的非線性和模式噪聲和模分配噪聲的限制，難以實現達到較好的

54、性能指標。在這種調制方式中，通常使用驅動電流光輸出特性線性較好的LED作光源。 7.3.1數字信號的調制與解調數字信號的調制與解調對于數字光發射機，電形式的數字對于數字光發射機，電形式的數字信號通過輸入接口后，必須經過碼信號通過輸入接口后，必須經過碼型變換，將普通的二進制雙極性信型變換，將普通的二進制雙極性信號轉換成適合在光纖中傳輸的碼型號轉換成適合在光纖中傳輸的碼型信號，然后送至驅動電路，完成這信號，然后送至驅動電路，完成這一功能的部件稱為線路編碼單元，一功能的部件稱為線路編碼單元，（1）線路編碼單元數字光纖傳輸系統中常采用的碼型是5B6B和插入碼。5B6B是將輸入的碼流分成5比特為一組，然

55、后把每組編成6比特輸出。通過這樣的方式，可以達到平衡碼流、避免碼流中出現長連“0”和連“1”碼，使碼流中的時鐘易于提取。5B為一組，共有32個狀態；6B為一組，共有64個狀態。要在64個狀態中選出32個代替5B的狀態對應，選擇的方法很多，原則是使“0”和“1”的分布比較均勻。輸入碼字（5B）輸出碼字（6B）輸入碼字（5B）輸出碼字（6B）模式1模式2模式1模式20000001100101100101610000110001110001100001110011100001171000111100101000120001011011010001018100101110100100103000111

56、000111000111910011010011010011400100110101100100201010011010011010050010110010110010121101010101010101016001101001101001102210110010110010110700111100111000111231011101011101010080100010101110100024110001110000110009010011010011010012511001011001011001100101010101010101026110100110100110101101011001

57、011001011271101101101100101012011001011001011002811100011100011100130110110110100010129111010111010010011401110101110000110301111001111000110015011110011100011103111111001101001101插入碼是把輸入的二進制原始碼流分成m比特一組，然后在每組mB碼的末尾插入一個碼，根據該插入碼的用途，可以分成mB1C、mB1H和mB1P。mB1C中C碼稱為補碼，它實際上是第m位的補碼，如果第m位為“1”，則補碼為“0”，反之為“1”。mB

58、1H 中的H稱為混合碼，它可以用于在線誤差檢測、區間通信或者是幀同步、公務、數據、監測等信息的傳送。mB1P中的P碼是奇偶校驗碼，當m位碼內“1”的個數為奇數時，則P碼為“1”，反之為“0”。輸入數據的碼型變換可以由編碼器實現。由于對激光器的驅動必須是串行的數據脈沖，所以編碼器的最后輸出需將并行數據轉換成串行形式。 外調制器特點和類型光源采用直接調制方式時，由于帶寬受半導體光源的振蕩頻率的限制和光源啁啾效應的存在，使得這種方式無法應用在2.5Gb/s以上的高速率光纖通信系統中。此時，必須使用外調制器。圖3.4.1為外調制光發射機的基本組成。電信號不再是直接加在激光二極管光源上，而是加在外調制器

59、的電極上，從而把來自激光二極管的連續光波轉換成為一個隨電信號變化的光輸出信號。外調制下的光源是在直流狀態下工作，因而避免了激光器的啁啾效應。常用的外調制器類型有：馬赫曾特（M-Z）型電光強度調制器；多量子阱電吸收MQWEA（Electroabsorption）調制器。1. M-Z型電光強度調制器型電光強度調制器圖3.4.2是M-Z型調制器結構示意圖。它用鈮酸鋰晶體LiNbO3制成，其中的光波導是在晶體上用鈦擴散技術制作。電信號加到如圖所示的電極上，來自激光器的連續波輸入到調制器的左端，然后被均勻地分配到兩個臂中，經過電信號的調制后從右端輸出。 M-Z型電光強度調制器的轉移特性可表示為 （3.4

60、.1）式中，PS是入射光功率，Le是附加損耗，V稱作半波電壓，它取決于調制器材料和尺寸，V是調制電信號，b稱為配置相位，它取決于波導結構。圖3.4.3畫出了調制器PV歸一化關系曲線，由圖可見，輸出光與調制電壓在一定范圍內呈現線性的關系。PV調制曲線M-Z型調制器結構0.5歸一化功率1V調制電壓輸 出光 功率V/2VmbVVLPPessin122. 多量子阱電吸收多量子阱電吸收MQWEA調制器調制器 多量子阱電吸收MQWEA調制器可將外調制器與激光器DFB集成為一體，體積小，制造成本低，它避免了M-Z型調制器的主要缺點，M-Z型調制器要求較高的調制電壓（10V），并且有較大的插入損耗。該調制器工