光纖通信電子教案

光纖通信電子教案課程名稱光纖通信使用教材光纖通信技術(shù)主編孫學(xué)康出版社人民郵電出版社出版時(shí)間2008年5月專業(yè)班級0712401~02授課時(shí)數(shù)總64課時(shí);理論:48課時(shí);實(shí)踐:16課時(shí);其他:課時(shí);授課教師授課時(shí)間2009年至2010年學(xué)年度第二學(xué)期主要參考文獻(xiàn)1.張寶富等編《光纖通信》西安電子科技大學(xué)出版社2007年2.[美]DjafarK.Mynbaev編《光纖通信技術(shù)》機(jī)械工業(yè)出版社2002年3.吳彥文等編《光網(wǎng)絡(luò)的生存性技術(shù)》北京郵電大學(xué)出版社2002年4.劉增基等編《光纖通信》西安電子科技大學(xué)出版社2005年課題1、光纖通信概述目的要求1.了解光纖通信發(fā)展的歷史2.了解光纖通信的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用3.掌握光纖通信系統(tǒng)的基本組成4.了解光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀及展望教學(xué)重點(diǎn)1.光纖通信系統(tǒng)的一般組成2.光端機(jī)、光纖鏈路的基本功能教學(xué)難點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)的組成與功能教學(xué)課時(shí)2教學(xué)方法講授法、演示法、討論法教學(xué)內(nèi)容和步驟《光纖通信》課程內(nèi)容介紹、專業(yè)學(xué)習(xí)方法、參考資料介紹第1章概論第2章光纖和光纜第3章通信用光器件第4章光端機(jī)第5章數(shù)字光纖通信系統(tǒng)第6章模擬光纖通信系統(tǒng)第7章光纖通信新技術(shù)第8章光纖通信網(wǎng)絡(luò)1.1光纖通信的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀1.1.1探索時(shí)期的光通信中國古代用“烽火臺”報(bào)警歐洲旗語望遠(yuǎn)鏡，目視光通信1880年，美國人貝爾發(fā)明了用“光電話”1960年，美國人梅曼發(fā)明了第一臺紅寶石激光器1.1.2現(xiàn)代光纖通信1966年，英籍華裔學(xué)者高錕和霍克哈姆的論文指出利用光纖進(jìn)行信息傳輸，奠定了現(xiàn)代光通信基礎(chǔ)。1970年，美國康寧公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。1976年，世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)成功。光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：第一階段(1966~1976年)，是基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。第二階段(1976~1986年)，提高傳輸速率和增加傳輸距離的發(fā)展時(shí)期。第三階段(1986~1996年)，全面深入、開展新技術(shù)研究的時(shí)期1.1.3國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用1.2.1光纖通信的優(yōu)點(diǎn)1.容許頻帶很寬，傳輸容量很大；2.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小；3.重量輕、體積小；4.抗電磁干擾性能好；5.泄漏小，保密性能好；6.節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用。1.2.2光纖通信的應(yīng)用光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：①通信網(wǎng)②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)③有線電視網(wǎng)；工業(yè)電視系統(tǒng)；自動(dòng)控制系統(tǒng)④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成1.光發(fā)射機(jī)：把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路(常簡稱為電/光或E/O轉(zhuǎn)換)。2.光纖線路：把來自光發(fā)射機(jī)的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。3.光接收機(jī)：把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(常簡稱為光/電或O/E轉(zhuǎn)換)。1.4數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)1.4.1數(shù)字通信系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：1.抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。2.可再生中繼，傳輸距離長。3.適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。4.數(shù)字通信系統(tǒng)易集成，易實(shí)現(xiàn)小型化、微型化。缺點(diǎn)：占用頻帶較寬，系統(tǒng)的頻帶利用率不高。例如，一路模擬電話只占用4KHz的帶寬，而一路數(shù)字電話要占用20~64KHz的帶寬1.4.2模擬通信系統(tǒng)占用帶寬較窄，電路簡單、價(jià)格便宜。作業(yè)光纖通信系統(tǒng)由哪幾部分組成？各自有什么主要功能？教學(xué)總結(jié)光纖通信的入門課，采用多媒體輔助教學(xué)，多次舉例引發(fā)學(xué)生思考，對比分析光通信的優(yōu)勢，授課淺顯易懂，思路清晰，富有激情，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)本課程。第2次課題2.1~2.3、光纖結(jié)構(gòu)和類型、幾何光學(xué)及波動(dòng)光學(xué)分析目的要求1.理解并掌握光纖的基本結(jié)構(gòu)及相對折射率概念2.掌握光纖的折射率分布特點(diǎn)及分類3.光纖的幾何光學(xué)分析方法及數(shù)值孔徑的概念4.突變型折射率光纖的波動(dòng)光學(xué)分析方法教學(xué)重點(diǎn)1.光纖折射率分布特點(diǎn)及分類方法2.光學(xué)分析的手段與相對折射率、數(shù)值孔徑的概念及含義教學(xué)難點(diǎn)1.突變型折射率光纖的波動(dòng)光學(xué)分析方法2.麥克斯韋波動(dòng)方程教學(xué)課時(shí)2教學(xué)方法演示法、練習(xí)法、講授法、探究法教學(xué)內(nèi)容和步驟2.1光纖（OpticalFiber）的結(jié)構(gòu)和類型2.1.1光纖結(jié)構(gòu)相對折射率差Δ=（n1-n2）/n1Δ越大，光束縛在纖芯的能力越強(qiáng)，但信息傳輸容量（速率）卻越小。2.1.2光纖類型1.實(shí)用光纖的折射率分布及分類:(a)突變型（階躍型）折射率多模光纖（Step-IndexFiber,SIF）(b)漸變型折射率多模光纖（Graded-IndexFiber,GIF）(c)單模光纖（Single-ModeFiber,SMF）2.典型特種單模光纖的折射率分布及分類：(a)雙包層光纖，折射率分布像W形，又稱為W型光纖(b)三角芯光纖，折射率分布呈三角形(c)橢圓芯光纖，折射率分布呈橢圓形2.2光纖傳輸原理2.2.1幾何光學(xué)分析方法1.數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)：光線進(jìn)入光纖進(jìn)行全反射的臨界角θc的正弦值定義為數(shù)值孔徑。2.數(shù)值孔徑NA的物理含義：NA(或θc)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，耦合效率越高；NA越大，纖芯對光的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好；NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。3.時(shí)間延遲差(脈沖展寬)：2.2.2麥克斯韋方程與波動(dòng)光學(xué)分析思路麥克斯韋方程組：電場分量的波動(dòng)方程：作業(yè)1.實(shí)用光纖分為哪幾類？單模光纖分為哪些類型？2.相對折射率及數(shù)值孔徑的概念及含義？兩者有何聯(lián)系？教學(xué)總結(jié)本次授課初涉專業(yè)基礎(chǔ)知識，用多媒體圖片來演示光纖結(jié)構(gòu)，分類法講述光纖類型，推演法進(jìn)行光學(xué)分析，授課層次清晰，重點(diǎn)突出、充分理論聯(lián)系實(shí)際，積極設(shè)疑互動(dòng)，強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)效果。第3次課題2.4~2.5、光纖的模式、光纖的色散及損耗目的要求1.了解光纖模式的概念及單模多模光纖的區(qū)別2.理解并掌握光纖色散的定義、分類、描述方法及影響3.光纖損耗的產(chǎn)生機(jī)理及分類4.光纖的單模傳輸條件教學(xué)重點(diǎn)1.光纖色散的產(chǎn)生機(jī)理及分類2.光纖損耗的產(chǎn)生機(jī)理及分類教學(xué)難點(diǎn)1.光纖模式數(shù)目2.色散的描述方法教學(xué)課時(shí)2教學(xué)方法講授法、發(fā)現(xiàn)法、討論法、演示法教學(xué)內(nèi)容和步驟2.4光纖的模式2.4.1光纖模式的基本概念在波動(dòng)光學(xué)分析法中，對得到的兩個(gè)貝塞爾函數(shù)的微分方程進(jìn)行求解，并應(yīng)用纖芯—包層邊界條件，可求得特征方程滿足邊界條件的解βm。此時(shí)可得到一個(gè)重要結(jié)論即電磁場不是以連續(xù)而是以離散的模式在光纖中傳播的，而βm所對應(yīng)的這種空間分布，在傳播過程中只有相位變化，沒有形狀的變化，且始終滿足邊界條件，這種空間分布稱為模式。2.4.2歸一化頻率V與單模傳輸條件歸一化頻率V：單模傳輸條件：傳輸模式數(shù)目隨V值增加而增多。當(dāng)V值減小時(shí)，不斷發(fā)生模式截止，模式數(shù)目逐漸減少。特別值得注意的是當(dāng)V<2.405時(shí)，只有HE11(LP01)模式存在，其余模式全部截止。HE11稱為基模，由兩個(gè)偏振態(tài)簡并而成。由此得到單模傳輸條件為：上式必定存在一個(gè)臨界波長λc，當(dāng)λ<λc時(shí)，是多模傳輸，當(dāng)λ>λc時(shí)，是單模傳輸，這個(gè)臨界波長λc稱為截止波長。2.5光纖傳輸特性損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性。損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離，色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量。2.5.1光纖色散1.色散定義色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。2.色散類型色散包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散三種類型。模式色散是由于不同模式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。材料色散是由于光纖材料折射率隨波長改變而產(chǎn)生的。波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的。3.色散的描述方法色散對光纖傳輸系統(tǒng)的影響，在時(shí)域和頻域的表示方法不同。色散通常用3dB光帶寬f3dB或脈沖展寬Δτ表示。4.單模光纖的色散理想單模光纖沒有模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。材料色散和波導(dǎo)色散總稱為色度色散，常簡稱為色散。5.偏振模色散在理想完善的單模光纖中，HE11模由兩個(gè)具有相同傳輸常數(shù)相互垂直的偏振模簡并組成。但實(shí)際光纖不可避免地存在一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應(yīng)力，使兩個(gè)偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時(shí)間延遲差稱為偏振模色散或雙折射色散。2.5.2光纖損耗1.光纖損耗的分類：吸收損耗和散射損耗2.損耗的產(chǎn)生機(jī)理：吸收損耗是SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。散射損耗是材料微觀密度不均勻而引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。3.實(shí)用光纖的損耗譜作業(yè)1.光纖的色散是什么？色散分為哪些類型？2.光纖損耗的產(chǎn)生機(jī)理是什么？損耗分為哪些類型？色散和損耗分別對通信系統(tǒng)有何影響？教學(xué)總結(jié)本次課探討的是光纖最重要的兩個(gè)傳輸特性，不僅從理論上清晰地分析了色散與損耗的產(chǎn)生原理，還運(yùn)用分類、對比的方法來講述色散與損耗的分類以及對通信系統(tǒng)的不同影響，教學(xué)效果良好。第4次課題2.6~2.7、光纖光纜的連接方法、光纖特性的測量方法目的要求1.了解光纖和光纜的常用工程連接方法2.理解工程中光纖特性測量的種類及重要性3.光纖主要傳輸特性的測量方法教學(xué)重點(diǎn)1.光纖連接的分類2.色散（帶寬）、損耗及截止波長的測量方法教學(xué)難點(diǎn)1.色散（帶寬）測量2.截止波長的測量教學(xué)課時(shí)2教學(xué)方法演示法、講授法、實(shí)驗(yàn)法教學(xué)內(nèi)容和步驟2.6光纜及光纖光纜的工程連接2.6.1光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜一般由纜芯和護(hù)套兩部分組成，有時(shí)在護(hù)套外面加有鎧裝。光纜的類型參多媒體課件圖示。2.6.2光纖光纜的工程連接方法一般在工程上有固定連接和活動(dòng)連接兩種連接方法，固定連接需要用到專門的光纖熔接設(shè)備，如光纖自動(dòng)熔接機(jī)。2.7光纖特性測量光纖的特性參數(shù)可分幾何特性、光學(xué)特性和傳輸特性三類。幾何特性包括纖芯與包層的直徑、偏心度和不圓度；光學(xué)特性主要有折射率分布、數(shù)值孔徑、模場直徑和截止波長；傳輸特性主要有損耗、帶寬和色散。下面分別介紹光纖的損耗、帶寬(色散)和截止波長的測量。2.7.1損耗測量損耗測量有兩種基本方法：一是測量通過光纖的傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測量光纖的后向散射光功率，稱后向散射法。1.剪斷法光纖損耗系數(shù)由式來確定。其中L為被測光纖長度(km)，P1和P2分別為輸入光功率和輸出光功率(mW或W)。在實(shí)際應(yīng)用中，也可采用插入法作為替代方法。2.后向散射法利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來確定光纖損耗系數(shù)的方法，稱為后向散射法。設(shè)光纖中正向傳輸光功率為P，經(jīng)過L1和L2點(diǎn)(L1<L2)時(shí)分別為P1和P2(P1>P2)，從這兩點(diǎn)返回輸入端(L=0)。光檢測器的后向散射光功率分別為Pd(L1)和Pd(L2)，經(jīng)分析推導(dǎo)得到，正向和反向平均損耗系數(shù)：后向散射法不僅可以測量損耗系數(shù)，還可利用光在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)間來確定光纖的長度L。用后向散射法的原理設(shè)計(jì)的測量儀器稱為光時(shí)域反射儀(OTDR)。OTDR不僅可測量光纖損耗系數(shù)和光纖長度，還可以測量連接器和接頭的損耗，觀察光纖沿線的均勻性和確定故障點(diǎn)的位置，是光纖通信系統(tǒng)工程現(xiàn)場測量不可缺少的工具。2.7.2帶寬（色散）測量光纖帶寬測量有時(shí)域和頻域兩種基本方法。時(shí)域法是測量通過光纖的光脈沖產(chǎn)生的脈沖展寬，又稱脈沖法；頻域法是測量通過光纖的頻率響應(yīng)，又稱掃頻法。光纖色散測量有相移法、脈沖時(shí)延法和干涉法等。這里只介紹相移法，這種方法是測量單模光纖色散的基準(zhǔn)方法。角頻率為ω的正弦信號調(diào)制的光波，經(jīng)長度為L的單模光纖傳輸后，其時(shí)間延遲τ取決于光波長λ。不同時(shí)間延遲產(chǎn)生不同相位φ。用波長為λ1和λ2的受調(diào)制光波，分別通過被測光纖，由Δλ=λ2-λ1產(chǎn)生的時(shí)間延遲差為Δτ，相位移為Δφ。推導(dǎo)可得：為避免測量誤差，一般要測量一組λi-φi值，再計(jì)算出C(λ)。2.7.3截止波長測量實(shí)際工程中截止波長的測量方法有：在彎曲狀態(tài)下，測量損耗—波長函數(shù)的傳輸功率法；改變波長，觀察LP01模和LP11模產(chǎn)生的兩個(gè)脈沖變?yōu)橐粋€(gè)脈沖的時(shí)延法；改變波長，觀察近場圖由環(huán)形變?yōu)楦咚剐蔚慕鼒龇ā＿@里只介紹傳輸功率法，這種方法是測量單模光纖截止波長的基準(zhǔn)方法，一般實(shí)測截止波長稍小于理論截止波長。作業(yè)1.光纜的類型有哪些？光纖光纜的連接方法有哪些？2.工程上光纖傳輸特性的常用測量辦法分類及各自原理？教學(xué)總結(jié)鑒于本課程的應(yīng)用性較強(qiáng)特補(bǔ)充了該次課內(nèi)容，運(yùn)用了多媒體輔助，公式推演，圖形輔助等多種教學(xué)方法，由淺入深地講述了光通信工程中值得注意的幾個(gè)問題，學(xué)生積極性高，教學(xué)效果良好。第5次課題3.1~3.5、激光器、光檢測器原理及分類、光無源器件目的要求1.掌握激光器和光檢測器的工作原理2.掌握常見的激光器和光檢測器的分類及各自特點(diǎn)3.掌握光無源器件的分類及特點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)1.激光器的工作原理、分類及特性2.光檢測器的工作原理、分類及特性教學(xué)難點(diǎn)1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及光學(xué)諧振放大2.雪崩光電效應(yīng)及光檢測器噪聲特性分析教學(xué)課時(shí)6教學(xué)方法講授法、演示法、討論法教學(xué)內(nèi)容和步驟3.1光源3.2光檢測器3.3光無源器件通信用光器件可分為有源器件和無源器件兩種類型。有源器件包括光源、光檢測器和光放大器，分別是光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著光纖系統(tǒng)的水平。光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等，它們對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。本章主要介紹通信用光器件的工作原理和主要特性，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供選擇依據(jù)。3.1光源光源是光發(fā)射機(jī)的核心部件。本小節(jié)首先介紹半導(dǎo)體激光器(LD)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和主要特性，然后進(jìn)一步介紹性能更優(yōu)良的分布反饋激光器(DFB-LD)，最后介紹可靠性高、壽命長和價(jià)格便宜的發(fā)光管(LED)。3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射的光放大)的縮寫。1.受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布電子在低能級的基態(tài)和高能級的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：(1)在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴，見圖(a)。(2)在高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自動(dòng)地躍遷到低能級E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射，見圖(b)。(3)在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射，見圖(c)。相干光與非相干光的本質(zhì)區(qū)別是什么？如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?2.激光振蕩和光學(xué)諧振腔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。激光器的閾值條件是什么？光學(xué)諧振腔產(chǎn)生激光振蕩的相位條件是什么？3.半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)是雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成：中間層為有源層，兩側(cè)分別為P型和N型半導(dǎo)體，稱為限制層。3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性1.發(fā)射波長和光譜特性半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，因此激光器發(fā)射波長可由公式hf=Eg或來確定。2.激光束的空間分布激光束的空間分布可用近場和遠(yuǎn)場來描述。近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。3.轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率表示，其定義是在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)目。4.頻率特性IM激光器輸出光功率和調(diào)制頻率滿足：5.溫度特性激光器輸出光功率隨溫度變化的兩個(gè)原因：一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大；二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。溫度升高，閾值電流增大，外微分量子效率減小，輸出功率明顯下降甚至不激射。3.1.3分布反饋激光器隨著技術(shù)的進(jìn)步，要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性，發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，閾值電流更低，輸出光功率更大。分布反饋(DistributedFeedBack,DFB)激光器便是這種類型激光器的典型代表。普通激光器用FP諧振腔兩端的反射鏡，對激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋，而DFB激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱為分布反饋激光器。光柵周期Λ與波長的關(guān)系由式確定。DFB激光器與FP激光器相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)：①單縱模激光器。②譜線，波長穩(wěn)定性好。③動(dòng)態(tài)譜線好。④線性好。3.1.4發(fā)光二極管發(fā)光二極管有兩種類型：正面發(fā)光型和側(cè)面發(fā)光型。發(fā)光二極管具有如下工作特性：(1)光譜特性：發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長進(jìn)行選擇，譜線較寬；(2)光束的空間分布：正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布；(3)輸出光功率特性；(4)頻率特性；3.1.5各種光源的性能對比與應(yīng)用分析LED通常與多模光纖耦合，用于小容量短距離系統(tǒng)；LD通常與G.652和G.653單模光纖耦合，用于大容量長距離系統(tǒng)；分布反饋激光器主要與G.653或G.654單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量超長距離的新型光纖系統(tǒng)。3.2光檢測器光檢測器是光接收機(jī)的核心部件。3.2.1光電二極管工作原理光電二極管(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。目前常用的光檢測器有PIN-PD和APD-PD兩種類型。3.2.2PIN光電二極管PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體I，這便是常用的PIN光電二極管。PIN光電二極管具有如下主要特性：(1)量子效率和光譜特性：光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率η或響應(yīng)度ρ表示。量子效率η的定義為一次光生電子-空穴對和入射光子數(shù)的比值（板書定義式）。響應(yīng)度的定義為一次光生電流和入射光功率的比值（板書定義式）。(2)響應(yīng)時(shí)間和頻率特性；(3)噪聲特性：噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度。噪聲通常用均方噪聲電流(在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率)來描述。均方散粒（散彈或量子）噪聲：（板書定義式）暗電流噪聲包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流：（板書定義式）均方熱噪聲電流：（板書定義式）3.2.3雪崩光電二極管(APD)APD的典型結(jié)構(gòu)如N+PΠP+結(jié)構(gòu)（也被稱為拉通型APD）。1.倍增因子定義為APD輸出光電流和一次光生電流的比值：2.過剩噪聲因子是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)。3.2.4常見光檢測器的性能對比與應(yīng)用分析APD是有增益的光電二極管，常用在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場合，采用APD有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離；靈敏度要求不高的場合，一般采用PIN-PD。3.3光無源器件無源器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可缺少的。雖然對各種器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入損耗小、反射損耗大、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長、體積小、價(jià)格便宜，許多器件還要求便于集成。本節(jié)主要介紹無源光器件的類型、原理和主要性能。3.3.1連接器和接頭連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng))連接的器件，主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實(shí)施。國內(nèi)外大多借助專用自動(dòng)熔接機(jī)在現(xiàn)場熱熔接，也可用V形槽連接。熱熔接接頭平均損耗達(dá)0.05dB/個(gè)。3.3.2光耦合器耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號組合成一個(gè)輸出。這種器件大多與波長無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。1.耦合器類型T形耦合器（a）星形耦合器（b）定向耦合器（c）波分復(fù)用器/解復(fù)用器(也稱合波器/分波器)（d）2.基本結(jié)構(gòu)耦合器基本類型主要有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型三種（參多媒體）。3.主要特性耦合器主要特性參數(shù)：耦合比：功率分路損耗：附加損耗：插入損耗：方向DIR(隔離度)：一致性U：不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同輸出端耦合比的等同性。3.3.3光隔離器與光環(huán)行器互易器件與非互易器件的區(qū)別是什么？隔離器就是一種非互易器件，插入損耗的典型值約為1dB。隔離器工作原理如下圖所示：3.3.4光環(huán)行器一般有三個(gè)或四個(gè)端口，主要用于光分插復(fù)用器。3.3.5光調(diào)制器(以馬赫-曾德爾干涉型調(diào)制器為例)3.3.6光開關(guān)分為兩大類：機(jī)械光開關(guān)；固體光開關(guān)。機(jī)械光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小，串?dāng)_小，適合各種光纖，技術(shù)成熟；缺點(diǎn)是開關(guān)速度慢。固體光開關(guān)正相反，優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快；缺點(diǎn)是插入損耗大，串?dāng)_大，只適合單模光纖。作業(yè)1.光源的類型有哪些？光檢測器的類型有哪些？2.各種有源光器件和無源光器件的特性及應(yīng)用特點(diǎn)如何？3.簡述半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理。教學(xué)總結(jié)本次課全面對通信用光器件進(jìn)行講解，運(yùn)用多媒體圖片演示、理論分析、特性對比、分類、列表等多種方法，層次清晰，結(jié)構(gòu)鮮明，重難點(diǎn)突出、課堂氣氛活躍，與學(xué)生互動(dòng)積極，教學(xué)效果好。第6次課題4.1~4.3、光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)及線路編碼目的要求1.掌握光發(fā)射機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、原理及主要特性2.掌握光接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、原理及主要特性3.理解數(shù)字光纖通信的線路編碼原理及分類教學(xué)重點(diǎn)1.光端機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理2.線路編碼的原理教學(xué)難點(diǎn)1.理想光接收機(jī)的量子極限及誤碼率分析2.光發(fā)射機(jī)的調(diào)制特性分析教學(xué)課時(shí)6教學(xué)方法演示法、講授法、練習(xí)法、討論法教學(xué)內(nèi)容和步驟4.1光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)的功能是把電端機(jī)輸出的基帶信號轉(zhuǎn)換為光信號，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路。調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。4.1.1光發(fā)射機(jī)基本組成光發(fā)射機(jī)主要有光源和電路兩部分。1.光源是光發(fā)射機(jī)的核心器件。對其要求如下：(1)發(fā)射的光波長應(yīng)和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應(yīng)在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近。(2)電/光轉(zhuǎn)換效率要高。(3)調(diào)制速率要高，響應(yīng)速度要快。(4)器件溫度穩(wěn)定性好，可靠性高，壽命長。(5)體積小，重量輕，安裝使用方便，價(jià)格便宜。2.調(diào)制電路和控制電路直接光強(qiáng)調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)主要電路有調(diào)制電路、控制電路、線路編碼電路和偏置電路。對其要求如下：(1)輸出光脈沖的通斷比(全“1”碼平均光功率和全“0”碼平均光功率的比值，或消光比的倒數(shù))應(yīng)大于10，以保證足夠的光接收信噪比。(2)輸出光脈沖的寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開通延遲(電光延遲)時(shí)間，光脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間和開通延遲時(shí)間應(yīng)足夠短，以便在高速率調(diào)制下，輸出的光脈沖能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。(3)對激光器應(yīng)施加足夠的偏置電流，以便抑制在較高速率調(diào)制下可能出現(xiàn)的張弛振蕩，保證發(fā)射機(jī)正常工作。(4)應(yīng)采用自動(dòng)功率控制(APC)和自動(dòng)溫度控制(ATC)，以保證輸出光功率有足夠的穩(wěn)定性。3.線路編碼電路因?yàn)殡姸藱C(jī)輸出的數(shù)字信號是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼。4.1.2調(diào)制特性1.電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象2.自脈動(dòng)現(xiàn)象3.結(jié)發(fā)熱效應(yīng)4.1.3調(diào)制電路和自動(dòng)功率控制數(shù)字調(diào)制電路應(yīng)采用電流開關(guān)電路，常用的是差分電流開關(guān)電路。工作時(shí)，LD輸出光功率可能會發(fā)生變化，為保證輸出光功率的穩(wěn)定，必須采用APC電路。4.1.4溫度特性和自動(dòng)溫度控制4.2光接收機(jī)4.2.1光接收機(jī)基本組成直接強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測方式的數(shù)字光接收機(jī)主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時(shí)鐘提取電路、取樣判決器以及自動(dòng)增益控制(AGC)電路。1.光檢測器光檢測器是光接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件。對其要求如下：(1)波長響應(yīng)與光纖低損耗窗口(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；(4)性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。光檢測器主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。2.放大器前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，其噪聲對光接收機(jī)靈敏度影響很大。主放大器一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的增益，并通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，以使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電信號保持恒定。它和AGC電路共同決定著光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。3.均衡和再生均衡的目的是對經(jīng)光纖傳輸、光/電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變(失真)的電信號進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號的波形適合于判決(一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形)，以消除碼間干擾，減小誤碼率。再生電路包括判決電路和時(shí)鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時(shí)鐘，并逐個(gè)地對碼元波形進(jìn)行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。4.光電集成接收機(jī)4.2.2噪聲特性三種前置放大器的噪聲比較：(1)雙極型晶體管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗低，電路時(shí)間常數(shù)RC小于信號脈沖寬度T，因而碼間干擾小，適于高速率傳輸系統(tǒng)。(2)場效應(yīng)管前置放大器的主要特點(diǎn)是輸入阻抗高，噪聲小，高頻特性較差，適用于低速率傳輸系統(tǒng)。(3)跨阻型前置放大器最大的優(yōu)點(diǎn)是改善了帶寬特性和動(dòng)態(tài)范圍，并具有良好的噪聲特性。4.2.3誤碼率由于噪聲的存在，放大器輸出的是一個(gè)隨機(jī)過程，其取樣值是隨機(jī)變量，因此在判決時(shí)可能發(fā)生誤判，把發(fā)射的“0”碼誤判為“1”碼，或把“1”碼誤判為“0”碼。光接收機(jī)對碼元誤判的概率稱為誤碼率(在二元制的情況下，等于誤比特率BER)，用較長時(shí)間間隔內(nèi)，在傳輸?shù)拇a流中，誤判的碼元數(shù)和接收的總碼元數(shù)的比值來表示。4.2.4靈敏度靈敏度是衡量光接收機(jī)性能的綜合指標(biāo)。靈敏度Pr的定義：在保證通信質(zhì)量(限定誤碼率或信噪比)的條件下，光接收機(jī)所需的最小平均接收光功率〈P〉min，并以dBm為單位。提問：理想光接收機(jī)的靈敏度可以達(dá)到多少?影響光接收機(jī)的靈敏度有哪些因素?1.理想光接收機(jī)的靈敏度假設(shè)光檢測器的暗電流為零，放大器完全沒有噪聲，系統(tǒng)可以檢測出單個(gè)光子形成的電子-空穴對所產(chǎn)生的光電流，這種接收機(jī)稱為理想光接收機(jī)。它的靈敏度只受到光檢測器的量子噪聲的限制，量子噪聲是伴隨光信號的隨機(jī)噪聲，只要有光信號輸入，就有量子噪聲存在。對于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，一般至少要有21個(gè)光子產(chǎn)生的光電流，才能保證判決時(shí)誤碼率滿足要求，這是光接收機(jī)可能達(dá)到的最高靈敏度，這個(gè)極限值是由量子噪聲決定的，所以稱為量子極限。2.影響光接收機(jī)靈敏度的因素影響實(shí)際光接收機(jī)靈敏度的因素很多，在限定誤碼率的條件下，決定光接收機(jī)靈敏度的主要因素是傳輸速率和光檢測器、前置放大器的特性，特別是噪聲特性。4.2.5自動(dòng)增益控制和動(dòng)態(tài)范圍由于前置放大器輸出信號幅度較大，所以主放大器的噪聲通常不必考慮。主放大器一般由多級放大器級聯(lián)構(gòu)成，其功能是提供足夠的增益A，以滿足判決所需的電平，主放大器的另一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AGC)，使光接收機(jī)具有一定的動(dòng)態(tài)范圍，以保證在入射光強(qiáng)度變化時(shí)輸出電流基本恒定。動(dòng)態(tài)范圍(DR)的定義是：在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率〈P〉max和所需最小平均接收光功率〈P〉min的比值，用dB表示。動(dòng)態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，它表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng)大于15dB。4.3線路編碼在光纖通信系統(tǒng)中，從電端機(jī)輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼。光源不可能發(fā)射負(fù)光脈沖，因此必須進(jìn)行碼型變換，以適合于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)囊蟆?shù)字光纖通信系統(tǒng)普遍采用二進(jìn)制二電平碼，即“有光脈沖”表示“１”碼，“無光脈沖”表示“0”碼。但簡單的二電平碼會帶來如下問題：(1)在碼流中，出現(xiàn)“１”碼和“0”碼的個(gè)數(shù)是隨機(jī)變化的，因而直流分量也會發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)(基線漂移)，給光接收機(jī)的判決帶來困難；(2)在碼流中，容易出現(xiàn)長串連“１”碼或長串連“0”碼，這樣可能造