光纖通信系統(tǒng)概論

光纖通信系統(tǒng)為何研究光纖通信？常用的無線通信中，短波受電離層影響嚴(yán)重，信道質(zhì)量差，超短波或微波只能視距內(nèi)使用，所以會(huì)經(jīng)常在路邊看到高高的手機(jī)基站天線，而衛(wèi)星通信則需要建立地面站和發(fā)射衛(wèi)星，成本較高。在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，所以不受干擾；而且作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗小得多；且光纖采用的玻璃材質(zhì)，不導(dǎo)電，不會(huì)因斷路、雷擊等原因產(chǎn)生火花，因此安全性強(qiáng)，在易燃，易爆等場合特別適用。光纖通信容許頻帶很寬，傳輸容量很大；損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很??；抗電磁干擾能力強(qiáng)；泄露小，保密性好；節(jié)約金屬材料。在骨干網(wǎng)中常應(yīng)用光纖，其容量可通過加纖無限擴(kuò)展，而無線則不行。光纖通信技術(shù)特點(diǎn)：

傳輸容量大；傳輸損耗小，中繼距離長；抗干擾性好，保密性強(qiáng)，使用安全；材料資源豐富，可節(jié)約金屬材料；重量輕，可撓性好，敷設(shè)方便。

光纖通信是不是完美無缺？光纖通信除了上述優(yōu)點(diǎn)外，也存在一些缺點(diǎn)。例如組件昂貴，光纖質(zhì)地脆、機(jī)械強(qiáng)度低，連接比較困難，分路、耦合不方便，彎曲半徑不宜太小等。這些缺點(diǎn)在技術(shù)上都是可以克服的，它不影響光纖通信的實(shí)用。光纖通信的概念通信(communication):從廣義的角度來說，就是彼此之間傳遞信息?，F(xiàn)代的通信一般是指電信(telecommunication)。IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))：對電信的定義是借助諸如電話系統(tǒng)、無線電系統(tǒng)或電視系統(tǒng)這樣的設(shè)備，在相隔一定距離的條件下進(jìn)行的信息交換。電通信(electricalcommunication):廣義的電通信指的是一切運(yùn)用電波作為載體而傳送信息的所有通信方式的總稱，而不管傳輸所使用的介質(zhì)是什么。電通信又可分為有線電通信和無線電通信。光通信(opticalcommunication):廣義的光通信指的是一切運(yùn)用光波作為載體而傳送信息的所有通信方式的總稱，而不管傳輸所使用的介質(zhì)是什么。光通信也可以分為利用大氣進(jìn)行通信的無線光通信和利用石英光纖或塑料光纖進(jìn)行通信的有線光通信。人們通常把應(yīng)用石英光纖的有線光通信簡稱為光纖通信（opticalfibercommunication）光通信光纖通信≠點(diǎn)對點(diǎn)光纖通信鏈路示意圖雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話激光器(發(fā)送源)1960Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD光纖(傳輸介質(zhì))1951醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預(yù)言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開發(fā)單模光纖光纖通信的發(fā)展歷史光纖通信技術(shù)發(fā)展的精髓—提高光纖通信系統(tǒng)容量光纖通信的發(fā)展歷史四大里程碑1960年，世界上第一臺(tái)相干振蕩光源－紅寶石激光器問世。1970年，美國康寧玻璃公司的卡普隆（Kapron）博士等拉制出損耗僅為20dB/km的光纖

。1985年，南安普敦大學(xué)的Mears等人制成了摻鉺光纖放大器（erbium-dopedfiberamplifier,EDFA）。90年代，光纖光柵、全光纖光子器件、平面波導(dǎo)器件及其集成的出現(xiàn)

。工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第一代70年代850nm多模多模44.7Mb/s～10km第二代80年代初1300nm多模單模多模140Mb/s20～50km第三代80年代中～90年代初1550nm單模單模PDH群路(140Mb/s)50～100km爆炸性發(fā)展工作波長光纖激光器比特率B中繼距離L第四代90年代1550nm單模單模SDH，WDM技術(shù)2.5Gb/s無中繼：80～120KmEDFA：1500Km第五代1550nm單模單模WDM網(wǎng)絡(luò)，單波長10,40,160Gb/s信道數(shù):8,16,64,128,1022超長傳輸距:27000km(Loop)6380(Line)目前研究內(nèi)容WDM光網(wǎng)絡(luò)；全光分組交換；光時(shí)分復(fù)用；光孤子通信；新型的光器件爆炸性發(fā)展光纖通信超高速大容量長距離網(wǎng)絡(luò)化一根光纖中可同時(shí)傳輸一百多路信號(hào)，采用特殊技術(shù)甚至可以同時(shí)傳輸1022路單路速率不斷提升，已達(dá)到10、20、40Gb/s采用OTDM技術(shù)甚至可達(dá)640Gb/s各種通信技術(shù)的快速發(fā)展使上千甚至上萬公里的長距離傳輸成為可能全光網(wǎng)成為目前光通信領(lǐng)域最熱門的話題之一光纖通信系統(tǒng)的基本要求是能將任何信息無失真地從發(fā)送端傳送到用戶端，這首先要求作為傳輸媒質(zhì)的光纖應(yīng)具有均勻、透明的理想傳輸特性，任何信號(hào)均能以相同速度無損無畸變地傳輸。但實(shí)際光纖通信系統(tǒng)中所用的光纖都存在損耗和色散，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度較高時(shí)還存在非線性。在實(shí)際系統(tǒng)中，光信號(hào)到底如何傳輸？其傳輸特性、傳輸能力究竟如何？光纖光纖的構(gòu)造纖芯：高純度SiO2+摻雜劑如GeO2等，2a：9~50μm。折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。包層：高純度SiO2+摻雜劑如B2O3，2b：125μm。光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。涂覆層：環(huán)氧樹脂、硅橡膠和尼龍。保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械損傷，同時(shí)增加光纖的柔韌性。纖芯和包層都用石英作為基本材料，折射率差通過在纖芯和包層進(jìn)行不同的摻雜來實(shí)現(xiàn)。纖芯摻入Ge和P折射率包層摻入B折射率光纖概述光纖概述根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為：不同的折射率分布，傳輸特性完全不同三種主要類型光纖的比較光纖的分類工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖以及紅外光纖（0.85μm、1.3μm和1.55μm）等折射率：階躍型、近階躍型、漸變型和其它型（如三角型、W型、凹陷型）等。傳輸模式：單模（SM）光纖（偏振保持光纖、非偏振保持光纖）和多模（MM）光纖兩種。

原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、復(fù)合材料（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料，晶體光纖等。按被覆材料還可分為無機(jī)材料（碳等）、金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。制造方法：有外汽相沉積法（OVD）、汽相軸向沉積法（VAD）、改進(jìn)汽相沉積法（MCVD）和等離子體化學(xué)汽相沉積工藝（PCVD）等。幾何光學(xué)方法更簡單直觀，但用波動(dòng)理論可以對光纖的傳輸特性和傳輸原理有更精確的分析光纖的傳輸原理光線理論（幾何光學(xué)方法）把光看作射線，并引用幾何光學(xué)中反射與折射原理解釋光在光纖中傳播的物理現(xiàn)象波動(dòng)理論（波動(dòng)光學(xué)方法）把光波當(dāng)作電磁波，把光纖看作光波導(dǎo)，用電磁場分布的模式來解釋光在光纖中的傳播現(xiàn)象階躍型多模光纖的子午光線傳播原理光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯(n0<n1)，折射角為，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在纖芯與包層交界面以角度入射到包層(n1>n2)。改變角度θ，不同θ相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。只有在半錐角為的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播?？諝獾恼凵渎蕁0=1光線理論High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding所有大于臨界角

的光線都被限制在纖芯內(nèi)。以不同入射角進(jìn)入光纖的光線將經(jīng)歷不同的途徑，雖然在輸入端同時(shí)入射并以相同的速度傳播，但到達(dá)光纖輸出端的時(shí)間卻不同，出現(xiàn)了時(shí)間上的分散，導(dǎo)致脈沖嚴(yán)重展寬。模間色散光線理論分析法雖然可簡單直觀地得到光線在光纖中傳輸?shù)奈锢韴D像，但由于忽略了光的波動(dòng)性質(zhì)，不能了解光場在纖芯、包層中的結(jié)構(gòu)分布以及其他許多特性。尤其是對單模光纖，由于芯徑尺寸小，光線理論就不能正確處理單模光纖的問題。在光波導(dǎo)理論中，更普遍地采用波動(dòng)光學(xué)的方法，即把光作為電磁波來處理，研究電磁波在光纖中的傳輸規(guī)律，得到光纖中的傳播模式、場結(jié)構(gòu)、傳輸常數(shù)及截止條件。出發(fā)點(diǎn)：麥克斯韋方程組波動(dòng)理論z=0z=L色散光纖色散光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時(shí)延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。光纖的色散將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，最終影響通信距離和容量。色散的大小常用時(shí)延差表示，時(shí)延差是光脈沖中不同模式或不同波長成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時(shí)間差。單位：ps/nm.km色散類型模間色散：不同模式對應(yīng)有不同的模折射率，導(dǎo)致群速度不同和脈沖展寬（僅多模光纖有）波導(dǎo)色散：傳播常數(shù)隨頻率變化材料色散：折射率隨頻率變化偏振模色散PMD波長色散色散的種類及其產(chǎn)生原因第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜特性損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光發(fā)射機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)光源體積小，與光纖之間有較高的耦合效率；發(fā)射的光波波長應(yīng)位于光纖的三個(gè)低損耗窗口，即0.85μm、1.31μm和1.55μm波段；可以進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制；可靠性高，要求它工作壽命長、工作穩(wěn)定性好，具有較高的功率穩(wěn)定性、波長穩(wěn)定性和光譜穩(wěn)定性；發(fā)射的光功率足夠高，以便可以傳輸較遠(yuǎn)的距離；溫度穩(wěn)定性好，即溫度變化時(shí)，輸出光功率以及波長變化應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。由于光纖通信系統(tǒng)的傳輸媒介是光纖，因此作為光源的發(fā)光器件，應(yīng)滿足以下要求：半導(dǎo)體光源的優(yōu)越性半導(dǎo)體光源體積小，有較高的耦合效率；發(fā)射波長適合在光纖中低損耗傳輸；可直接進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，即只要將信號(hào)電流注入到半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管，即可得到相應(yīng)的光信號(hào)輸出；可靠性高，不僅發(fā)射功率大、耦合效率高、響應(yīng)速度快，而且發(fā)射光的相干性也好，在高速率、大容量的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。光源常用的半導(dǎo)體發(fā)光器件：發(fā)光二極管(LED)，和激光二極管(LD)激光器的產(chǎn)生激光器是1960年由美國人梅曼發(fā)明的新型光源，利用受激輻射原理，是一種方向性好、強(qiáng)度很高、相干性好的光源。產(chǎn)生激光的三個(gè)先決條件：要有一個(gè)合適的激光工作物質(zhì)（發(fā)光介質(zhì)）。需要一個(gè)能保證粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激勵(lì)能源——泵浦源。把激光工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔，利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生穩(wěn)定的激光振蕩。半導(dǎo)體激光器：半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)LED與LD的工作原理不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。N層P層輸出自發(fā)光N層P層（a）正面發(fā)光二極管SLED（b）側(cè)面發(fā)光二極管ELED輸出自發(fā)光側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。LED的基本性質(zhì)光譜特性：發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬，因此在光纖中傳輸時(shí)材料色散和波導(dǎo)色散見嚴(yán)重，且大發(fā)散角使耦合效率也較低。響應(yīng)速度：LED的響應(yīng)速度受載流子自發(fā)復(fù)合壽命所限制,其響應(yīng)速度較低熱特性：LED的輸出功率隨溫度的升高而減小，但它不是閾值器件，所以功率不會(huì)隨溫度而發(fā)生很大的改變，實(shí)際應(yīng)用中不必進(jìn)行溫度控制。優(yōu)點(diǎn)：輸出光功率較小；譜線寬度較寬；調(diào)制頻率較低；性能穩(wěn)定，壽命長；輸出光功率線性范圍寬；制造工藝簡單，價(jià)格低廉；適用于小容量短距離系統(tǒng)光源的調(diào)制光調(diào)制：將光信號(hào)加載到光源的發(fā)射光束上。調(diào)制后的光波經(jīng)過光纖信道送至接收端，由光接收機(jī)鑒別出它的變化，再現(xiàn)出原來的信息，稱為光解調(diào)。光源的調(diào)制分為兩類：直接調(diào)制：把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號(hào)，采用的是電源調(diào)制方法，也稱內(nèi)調(diào)制方法。僅適用于半導(dǎo)體光源（LD和LED）。間接調(diào)制：利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對激光輻射的調(diào)制，這種調(diào)制方法適合于半導(dǎo)體激光器，也適應(yīng)于其他類型的激光器。

光源的直接調(diào)制原理直接調(diào)制的特點(diǎn)：將要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED調(diào)制后的光波振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)（強(qiáng)度調(diào)制）簡單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn)響應(yīng)帶寬有限（~2.5Gb/s）引入調(diào)制啁啾，使發(fā)射譜線增寬，振蕩模數(shù)增加，造成傳輸色散增加，使傳輸?shù)墓饷}沖展寬，限制光纖通信的傳輸容量。對激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，注入電流不斷變化，結(jié)果使有源區(qū)內(nèi)載流子濃度也隨之變化，導(dǎo)致折射率隨之變化，激光器的諧振頻率發(fā)生漂移，動(dòng)態(tài)譜線展寬，調(diào)制頻率越高，調(diào)制電流越大，譜線展寬也越大。IPO共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路：主要用于以發(fā)光二極管作為光源的光發(fā)射機(jī)。發(fā)光二極管LED模擬調(diào)制原理：連續(xù)的模擬信號(hào)電流疊加在直流偏置電流上，適當(dāng)選擇直流偏置的大小，使靜態(tài)工作點(diǎn)位于發(fā)光管特性曲線線性段的中點(diǎn)，可以減小光信號(hào)的非線性失真。在所有通信系統(tǒng)中，用LED作為光源時(shí)，均采用直接強(qiáng)度調(diào)制(IM)數(shù)字信號(hào)的直接調(diào)制數(shù)字調(diào)制主要是指PCM編碼調(diào)制。信號(hào)電流為單向二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用單向脈沖電流的“有”、“無”(“1”碼和“0”碼)控制發(fā)光管的發(fā)光與否。LED數(shù)字系統(tǒng)都是通過控制流經(jīng)發(fā)光管電流的辦法達(dá)到調(diào)制輸出光功率的目的。LED數(shù)字信號(hào)調(diào)制電路只有一級(jí)共發(fā)射極的晶體管調(diào)制電路，晶體管用作飽和開關(guān)，晶體管的集電極電流就是LED的注入電流。信號(hào)由A點(diǎn)接入?！?”碼時(shí)晶體三極管不導(dǎo)通；“1”碼時(shí)晶體三極管導(dǎo)通，于是注入電流注入到LED管，使得LED管發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)調(diào)制。LED數(shù)字信號(hào)調(diào)制電光調(diào)制電光調(diào)制的基本工作原理是利用晶體的電光效應(yīng)。電光效應(yīng)是指由外加電壓引起的晶體的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象?；竟ぷ髟恚豪秒姽饩w（如鈮酸鋰晶體等）的電光效應(yīng)，當(dāng)外加電場變化時(shí)，將引起晶體折射率n隨之變化的現(xiàn)象。折射率的變化又將引起光波相位的變化。其中電場變化實(shí)際上就是對應(yīng)于調(diào)制電壓的變化（即需要傳輸?shù)男盘?hào)的變化）（電光調(diào)幅）。調(diào)制電壓的變化最終將得到光波的相位的變化，從而達(dá)到電光調(diào)相的結(jié)果(直接從電光晶體輸出情況)。光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器常規(guī)的光電混合中繼器放大光信號(hào)時(shí)，需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、電放大、再定時(shí)、脈沖整形以及電光轉(zhuǎn)換，這種方式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代通信傳輸?shù)囊蟆Ｌ峁┕庑盘?hào)增益，以補(bǔ)償光信號(hào)在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無中繼傳輸距離。光放大器的作用

半導(dǎo)體光放大器(SOA)利用半導(dǎo)體制作的半導(dǎo)體光放大器（SOA）小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成;性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大

光纖放大器(OFA)

利用稀土摻雜的光纖放大器（EDFA、PDFA）利用光纖非線性效應(yīng)制作的非線性光纖放大器（FRA、FBA）性能與光偏振方向無關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小光放大器的分類電流輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)輸出光信號(hào)摻雜光纖輸入光信號(hào)泵浦光波分復(fù)用器輸出光信號(hào)純石英光纖輸入光信號(hào)泵浦光波分復(fù)用器（a）半導(dǎo)體光放大器（b）摻雜光纖放大器（c）受激散射光纖放大器光放大器的基本工作原理在泵浦能量（電或光）的作用下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（非線性光纖放大器除外），然后通過受激輻射實(shí)現(xiàn)對入射光的放大。光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實(shí)現(xiàn)入射光信號(hào)放大的一種器件。其機(jī)制與激光器完全相同。實(shí)際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)沒有反饋或反饋較小的激光器。(1)法布里-珀羅(Fabry-PerotAmplifier,FPA)

將一般的FP半導(dǎo)體激光器當(dāng)作光放大器使用。(2)行波式光放大器(Travelling-WaveAmplifier,TWA)在Fabry-Perot激光器的兩端面上涂上抗反射膜，以獲得寬帶、高輸出、低噪聲的放大光。半導(dǎo)體光放大器的分類根據(jù)光放大器端面反射率和工作偏置條件，將半導(dǎo)體光放大器分為：缺點(diǎn)：對偏振（亦即極化態(tài)）非常敏感。不同的偏振模式，具有不同的增益G，如橫電模（TE）和橫磁模（TM）的增益差可達(dá)5~8dBEDFA中的Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)鉺離子簡化能級(jí)示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nm泵浦波長可以是520、650、800、980、1480nm,波長短于980nm的泵浦效率低，980nm和1480nm的LD已經(jīng)商品化,因而通常采用980和1480nm泵浦。EDFA的工作原理EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信號(hào)光與波長較其為短的光波(泵浦光)同沿光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子吸收而使其躍遷至更高能級(jí)，并可通過能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿光纖長度得到放大，泵浦光沿光纖長度不斷衰減。TDFA的能級(jí)泵浦圖摻銩光纖放大器第一級(jí)泵浦通過基態(tài)吸收將Tm3+由基態(tài)泵浦到3H4能級(jí)，并由于多量子馳豫衰減到亞穩(wěn)態(tài)3F4第二級(jí)泵浦將Tm3+從能級(jí)3F4泵浦到3H4。第二級(jí)泵浦減少了3F4能級(jí)的粒子數(shù)，同時(shí)增加了3H4的粒子數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。TDFA的主要應(yīng)用是DWDM系統(tǒng)，它的研制成功，可以和EDFA進(jìn)行多波段合波的傳輸，從而解決了通信容量的問題。光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器把經(jīng)光纖傳輸后幅度被衰減，波形被展寬的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并處理放大，恢復(fù)為原發(fā)射的數(shù)字序列。光接收機(jī)的作用光電檢測器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能特別是響應(yīng)度和噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。對光電檢測器的要求如下：

(1)波長響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85μm、1.31μm和1.55μm)兼容；

(2)響應(yīng)度要高，在一定的接收光功率下，能產(chǎn)生最大的光電流；

(3)噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號(hào)；(4)性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。光電二極管工作原理：半導(dǎo)體的光電效應(yīng)為了得到較高的量子效率，必須加大耗盡區(qū)的厚度，使得可以吸收大部分的光子（PIN光電二極管：在P型和N型材料之間加一層輕摻雜的N型材料，稱為I層，即本征層，稱為PIN光電二極管）。但是，耗盡區(qū)越厚，光生載流子漂移渡越反向偏置結(jié)的時(shí)間就越長。由于載流子的漂移時(shí)間又決定了光電二極管的響應(yīng)速度，所以必須在響應(yīng)速度和量子效率之間采取折衷。外加反向偏壓，更有利于耗盡層的加寬，產(chǎn)生更多的電子和空穴流PIN光電二極管的優(yōu)點(diǎn)是：噪聲小、工作電壓低（僅十幾伏）、工作壽命長，使用方便和價(jià)格便宜。PIN光電二極管的缺點(diǎn)是：沒有倍增效應(yīng)。即在同樣大小入射光的作用下僅產(chǎn)生較小的光電流，所以用它做成的光接收機(jī)之靈敏度不高。PIN光電二極管只能用于較短距離的光纖通信（小容量與大容量皆可）。APD雪崩光電二極管PIN：1個(gè)光子最多產(chǎn)生一對電子-空穴對,無增益APD：利用電離碰撞,1個(gè)光子產(chǎn)生多對電子-空穴對,有增益工作過程：入射光一對電子-空穴對(一次光生電流)與晶格碰撞電離多對電子-空穴對(二次光生電流）吸收外電場加速耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子－空穴對的作用。增加了一個(gè)附加層：高電場區(qū)（增益區(qū)），以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子－空穴對。N+

PπP+電場E高電場區(qū)耗盡區(qū)+-雪崩區(qū)雪崩電離需要的最小電場雪崩倍增效應(yīng)PN結(jié)上加反向高壓，使耗盡層的電場強(qiáng)度增加，進(jìn)入耗盡層的光生載流子動(dòng)能很大，更容易與晶格碰撞而產(chǎn)生新的電子-空穴對。這些電子-空穴對又被電場加速而獲得足夠大的動(dòng)能，又可產(chǎn)生新的電子-空穴對。依次類推，耗盡層的載流子數(shù)目劇增，發(fā)生雪崩效應(yīng)，從而使反向結(jié)電流倍增。光接收機(jī)光信號(hào)光檢測器前置放大主放大器均衡濾波判決器時(shí)鐘提取輸出AGC電路前端線性通道時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再生對信號(hào)進(jìn)行高增益放大與整形，提高信噪比，減少誤碼率。偏壓控制將耦合入光電檢測器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)變電流，然后進(jìn)行預(yù)放大（電流－電壓轉(zhuǎn)換），以便后級(jí)作進(jìn)一步處理。是光接收機(jī)的核心。性能指標(biāo):接收靈敏度、誤碼率或信噪比光接收機(jī)光信號(hào)光檢測器前置放大主放大器均衡濾波判決器時(shí)鐘提取輸出AGC電路前端線性通道時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再生偏壓控制提供高的增益，放大到適合于判決電路的電平。對主放輸出的失真數(shù)字脈沖進(jìn)行整形，使之成為有利于判決碼間干擾最小的升余弦波形?？筛鶕?jù)輸入信號(hào)（平均值）大小自動(dòng)調(diào)整放大器增益，使輸出信號(hào)保持恒定。用以擴(kuò)大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。光接收機(jī)光信號(hào)光檢測器前置放大主放大器均衡濾波判決器時(shí)鐘提取輸出AGC電路前端線性通道時(shí)鐘提取與數(shù)據(jù)再生偏壓控制為了精確地確定“判決時(shí)刻”，需要從信號(hào)碼流中提取準(zhǔn)確的時(shí)鐘信息作為標(biāo)定，以保證與發(fā)送端一致。為確定是“1”或是“0”，需要對某時(shí)隙的碼元作出判決。若判決結(jié)果為“1”，則由再生電路產(chǎn)生一個(gè)矩形“1”脈沖；若判決結(jié)果為“0”，則由再生電路重新輸入一個(gè)“0”。任務(wù)：把線性通道輸出的升余弦波形恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)根據(jù)所使用的光波長、傳輸信號(hào)形式、傳輸光纖類型、信號(hào)的調(diào)制方式、光接收方式的不同，光纖通信系統(tǒng)可分成:分類方式類別特點(diǎn)按信號(hào)類型數(shù)字光纖通信抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好模擬光纖通信對系統(tǒng)要求高，適用于圖像傳輸按光波長（通道）個(gè)數(shù)單波長（通道）技術(shù)難度小，應(yīng)用成熟多波長（WDM）傳輸容量大，距離遠(yuǎn)按調(diào)制方式直接強(qiáng)度調(diào)制IM技術(shù)成熟，成本低外調(diào)制高速傳輸，成本較高按接收方式直接檢測DD技術(shù)成熟，成本低，效率高相干調(diào)制CD靈敏度高，傳輸容量大，距離遠(yuǎn)按光纖特性多模光纖MMF采用850nm波長，距離短單模光纖SMF采用1310/1550nm波長，傳輸容量大，距離遠(yuǎn)光纖通信系統(tǒng)的分類基本光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分：光發(fā)送部分：光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器光傳輸部分：光纖和光纖放大器（或中繼器）光接收部分：光電檢測（波）器光接收電端機(jī)信號(hào)入信號(hào)出光發(fā)送光傳輸功率放大器線路放大器前置放大器光源光調(diào)制器光檢測器電端機(jī)SMPI-SR基本光纖通信系統(tǒng)MPI-R點(diǎn)到點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（單向傳輸）電端機(jī)：實(shí)現(xiàn)用戶信號(hào)和適合信道傳輸?shù)男盘?hào)之間的轉(zhuǎn)換。基本光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光發(fā)送部分光源是發(fā)送部分的關(guān)鍵器件，光纖通信系統(tǒng)要求光源有一定的輸出光功率，譜線寬度小、工作穩(wěn)定可靠、壽命長。半導(dǎo)體注入式激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)

在短波段(800~900nm)，常使用鎵鋁砷(GaAlAs)LD和LED

在長波段(1000~1600nm)，常用銦鎵砷磷(InGaAsP)LED調(diào)制技術(shù)：直接強(qiáng)度調(diào)制/間接調(diào)制直接調(diào)制(IM)