光纤通信电子教案要点.pdf

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1、教师备课基本要求 1、备课是教学的基本环节，任课教师在备课过程中应根据教学大 纲，结合教材特点，针对授课对象的具体情况，认真组织教学 内容。 2、认真钻研教材， 广泛参阅文献资料， 抓住基本概念、 基本理论、 基本技能和每个章节的基本要求，确定教学重点和难点， 科学、 合理地安排教学内容。 3、不断更新和充实教学内容，注意结合社会实际，反映本学科发 展的科学技术新成就，并能体现自己的相关研究成果和学术观 点。 4、注重从学生实际出发，科学、合理设计各种教学方法、手段和 板书，充分体现以学生为中心，启发学生思考，引导学生掌握 学习方法。 5、教学安排及学时分配应与教学日历同步，合理、得当。 6、

2、每次教案应包括教学目的、教学重点、教学难点、教学过程、 教学方法和适量的作业布置等项目，并向学生推介的必要参考 书目。 7、无论是手写教案还是电子教案均按规定格式编写。 8、教学文件齐全，整体教案应包括“备课基本要求、教学大纲、 教学日历、授课表、学生平时考核表、教案”，且按此顺序进 行装订。 课程名称光纤通信 使用教材光纤通信技术 主编 孙学康出版社 人民邮电出版社出版时间2008 年 5 月 专业班级071240102 授课时数总 64 课时;理论: 48 课时;实践: 16 课时 ;其他: 课时; 授课教师 授课时间2009 年至 2010年学年度第二学期 主要参考文献 1. 张宝富等编

3、光纤通信西安电子科技大学出版社 2007年 2. 美Djafar K.Mynbaev编光纤通信技术机械工业出版社 2002 年 3. 吴彦文等编光网络的生存性技术北京邮电大学出版社 2002 年 4. 刘增基等编光纤通信西安电子科技大学出版社 2005年 教师备课纸第1 次 课题1、光纤通信概述 目的要求1. 了解光纤通信发展的历史 2. 了解光纤通信的优点及应用 3. 掌握光纤通信系统的基本组成 4.了解光纤通信的发展现状及展望 教学重点1. 光纤通信系统的一般组成 2. 光端机、光纤链路的基本功能 教学难点光纤通信系统的组成与功能 教学课时2 教学方法讲授法、演示法、讨论法 教学内容和步骤

4、 光纤通信课程内容介绍、专业学习方法、参考资料介绍 第 1 章概 论 第 2 章光纤和光缆 第 3 章通信用光器件 第 4 章光端机 第 5 章数字光纤通信系统 第 6 章模拟光纤通信系统 第 7 章光纤通信新技术 第 8 章光纤通信网络 1.1 光纤通信的发展历史和现状 教师备课纸 1.1.1 探索时期的光通信 中国古代用“烽火台”报警 欧洲旗语 望远镜，目视光通信 1880 年，美国人贝尔发明了用“光电话” 1960 年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器 1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆的论文指出利用光纤进行信 息传输，奠定了现代光通信基础。 1970

5、年，美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km 的石英光纤。 1976 年，世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验成功。 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段 (19661976 年)，是基础研究到商业应用的开发时期。 第二阶段 (19761986年) ， 提高传输速率和增加传输距离的发展时期。 第三阶段 (19861996 年)，全面深入、开展新技术研究的时期 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状 1.2 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光纤通信的优点 1. 容许频带很宽，传输容量很大； 2. 损耗很小，中继距离很长且误码率很小； 3. 重量轻、体积小； 教师备课纸 4. 抗电磁

6、干扰性能好； 5. 泄漏小，保密性能好； 6. 节约金属材料，有利于资源合理使用。 1.2.2 光纤通信的应用 光纤通信的各种应用可概括如下： 通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网；工业电视系统；自动控制系统 综合业务光纤接入网 1.3 光纤通信系统的基本组成 1. 光发射机：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 ( 常简称为电 / 光或 E/O转换)。 2. 光纤线路：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变( 失真) 和衰减传输到光接收机。 信 息 源 电 发 射 机 光 发 射 机 光 接 收 机 电 接 收 机 信 息 宿 基本光纤传输

7、系统 光纤线路 接 收发 射 电信号 输入 光信号 输出 光信号 输入 电信号 输出 教师备课纸 3. 光接收机：把从光纤线路输出、 产生畸变和衰减的微弱光信号转换 为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号( 常简称为光 / 电或 O/E转换)。 1.4 数字通信系统和模拟通信系统 1.4.1 数字通信系统 优点： 1. 抗干扰能力强，传输质量好。 2. 可再生中继，传输距离长。 3. 适用各种业务的传输，灵活性大。 4. 数字通信系统易集成，易实现小型化、微型化。 缺点：占用频带较宽，系统的频带利用率不高。例如，一路模拟电话 只占用 4KHz的带宽，而一路数字电话要占用2064KHz的

8、带宽 1.4.2 模拟通信系统 占用带宽较窄，电路简单、价格便宜。 作业 光纤通信系统由哪几部分组成？各自有什么主要功能？ 教学总结光纤通信的入门课，采用多媒体辅助教学，多次举例引发 学生思考，对比分析光通信的优势，授课浅显易懂，思路清晰，富有 激情，旨在激发学生的学习兴趣，引导学生深入学习本课程。 教师备课纸第2 次 课题2.12.3 、光纤结构和类型、几何光学及波动光学分析 目的要求1. 理解并掌握光纤的基本结构及相对折射率概念 2. 掌握光纤的折射率分布特点及分类 3. 光纤的几何光学分析方法及数值孔径的概念 4.突变型折射率光纤的波动光学分析方法 教学重点1. 光纤折射率分布特点及分类

9、方法 2. 光学分析的手段与相对折射率、 数值孔径的概念及含义 教学难点1. 突变型折射率光纤的波动光学分析方法 2. 麦克斯韦波动方程 教学课时2 教学方法演示法、练习法、讲授法、探究法 教学内容和步骤 2.1 光纤（ Optical Fiber）的结构和类型 2.1.1 光纤结构 相对折射率差 =（n1-n2）/n1 越大，光束缚在纤芯的能力越强， 但信息传输容量 （速率）却越小。 包层 n2 纤芯 n1 教师备课纸 2.1.2 光纤类型 1. 实用光纤的折射率分布及分类: (a) 突变型（阶跃型）折射率多模光纤（Step-Index Fiber,SIF） (b) 渐变型折射率多模光纤（

10、Graded-Index Fiber,GIF） (c) 单模光纤（ Single-Mode Fiber,SMF ） 2. 典型特种单模光纤的折射率分布及分类： 2a 2a n1 n2 n3 (a)(b)(b) 横截面 2a 2b r n 折射率分布 纤芯包层Ai t Ao t (a) 输入脉冲光线传播路径输出脉冲 50 m 125 m r n Ai t Ao t (b) 10 m125 m r n Ai t Ao t (c) 教师备课纸 (a) 双包层光纤，折射率分布像W形，又称为 W型光纤 (b) 三角芯光纤，折射率分布呈三角形 (c) 椭圆芯光纤，折射率分布呈椭圆形 2.2 光纤传输原理

11、2.2.1 几何光学分析方法 1. 数值孔径 (Numerical Aperture,NA)：光线进入光纤进行全反射的 临界角 c 的正弦值定义为数值孔径。 2. 数值孔径 NA的物理含义：NA(或c) 越大， 光纤接收光的能力越强， 耦合效率越高； NA 越大，纤芯对光的束缚越强，光纤抗弯曲性能越 好；NA 越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息 传输容量。 3. 时间延迟差 (脉冲展宽 ) ： 2.2.2 麦克斯韦方程与波动光学分析思路 麦克斯韦方程组： 3 2 1 y 1 l L x o c 2 3 纤芯 n 1 包层 n 2 z c 1 2 1 2 2 1 2 nnnNA

12、 0)( 22 E c nw E0)( 22 H c nw H c Ln NA cn L cn L c 12 1 2 1 )( 22 教师备课纸 电场分量的波动方程： 作业 1. 实用光纤分为哪几类？单模光纤分为哪些类型？ 2.相对折射率及数值孔径的概念及含义？两者有何联系？ 教学总结本次授课初涉专业基础知识，用多媒体图片来演示光纤结 构，分类法讲述光纤类型，推演法进行光学分析，授课层次清晰，重 点突出、充分理论联系实际，积极设疑互动，强化学生学习效果。 0)( 11 2 2 2 2 2 22 2 Z ZZZZ E c nw Z EE rr E rr E 教师备课纸第3 次 课题2.42.5

13、、光纤的模式、光纤的色散及损耗 目的要求1. 了解光纤模式的概念及单模多模光纤的区别 2. 理解并掌握光纤色散的定义、分类、描述方法及影响 3. 光纤损耗的产生机理及分类 4.光纤的单模传输条件 教学重点1. 光纤色散的产生机理及分类 2. 光纤损耗的产生机理及分类 教学难点1. 光纤模式数目 2. 色散的描述方法 教学课时2 教学方法讲授法、发现法、讨论法、演示法 教学内容和步骤 2.4 光纤的模式 2.4.1 光纤模式的基本概念 在波动光学分析法中，对得到的两个贝塞尔函数的微分方程进行求 解，并应用纤芯包层边界条件，可求得特征方程满足边界条件的解 m 。此时可得到一个重要结论即电磁场不是以

14、连续而是以离散的模 式在光纤中传播的，而 m 所对应的这种空间分布，在传播过程中只 有相位变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，这种空间分布 称为模式。 2.4.2 归一化频率 V与单模传输条件 教师备课纸 归一化频率 V： 单模传输条件： 传输模式数目随 V值增加而增多。当 V值减小时，不断发生模式截止， 模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V c 时，是单模传输，这个临界波长c 称为截止波长。 2.5 光纤传输特性 损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离， 色 散则限制系统的传输容量。 2.5.1 光纤色散 1. 色散定义 色散(Dispersion)是在光纤中传输的

15、光信号， 由于不同成分的光的时 间延迟不同而产生的一种物理效应。 405.2 2 2 2 2 1 nn a V 1.1 色散平坦 色散移位 常规 1.21.31.41.5 1.61.7 2 0 1 0 0 1 0 2 0 波长 / m 色 散 / ( p s ( n m k m ) 1) 2 2 2 1 2 nn a v 教师备课纸 2. 色散类型 色散包括模式色散、材料色散和波导色散三种类型。 模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的。 材料色散是由于光纤材料折射率随波长改变而产生的。 波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的。 3. 色散的描述方法 色散对光纤传输系统的影响， 在时

16、域和频域的表示方法不同。色散通 常用 3dB光带宽 f3dB 或脉冲展宽 表示。 4. 单模光纤的色散 理想单模光纤没有模式色散， 只有材料色散和波导色散。 材料色散和 波导色散总称为色度色散，常简称为色散。 5. 偏振模色散 在理想完善的单模光纤中，HE11 模由两个具有相同传输常数相互垂 直的偏振模简并组成。 但实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯 1/2 1/e 输入脉冲 光 纤 1 t Pi(t) (t) H1(f) 1 f f3dB 0 3 1 0 l g H ( f ) / d B Po(t) h(t) H2( f ) H( f ) t 2 输出脉冲 教师备课纸 椭圆度和内部残余

17、应力， 使两个偏振模的传输常数不同，这样产生的 时间延迟差称为偏振模色散或双折射色散。 2.5.2 光纤损耗 1. 光纤损耗的分类：吸收损耗和散射损耗 2. 损耗的产生机理： 吸收损耗是 SiO2 材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。 散射损耗是材料微观密度不均匀而引起的瑞利散射和由光纤结构缺 陷(如气泡) 引起的散射产生的。 3. 实用光纤的损耗谱 作业 1. 光纤的色散是什么？色散分为哪些类型？ 2.光纤损耗的产生机理是什么？损耗分为哪些类型？色散 和损耗分别对通信系统有何影响？ 教学总结本次课探讨的是光纤最重要的两个传输特性，不仅从理论 上清晰地分析了色散与损耗的产生原理，还运用

18、分类、 对比的方法来 讲述色散与损耗的分类以及对通信系统的不同影响，教学效果良好。 波长 / m 损 耗 / ( d B k m 1) 0.8 0 2 4 6 8 10 0.61.0 1.21.41.6 800 损 耗 / ( d B k m 1 ) 波长 / nm 0.0 SIF GIF SMF 0.5 1.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 1.5 1000120014001600 a bc d e a b c d e 850 1300 1310 1380 1550 1.81 0.35 0.34 0.40 0.19 nmdB / km (a)(b) 1.8 教师备课纸第4 次 课题

19、2.62.7 、光纤光缆的连接方法、光纤特性的测量方法 目的要求1. 了解光纤和光缆的常用工程连接方法 2. 理解工程中光纤特性测量的种类及重要性 3. 光纤主要传输特性的测量方法 教学重点1. 光纤连接的分类 2. 色散（带宽）、损耗及截止波长的测量方法 教学难点1. 色散（带宽）测量 2. 截止波长的测量 教学课时2 教学方法演示法、讲授法、实验法 教学内容和步骤 2.6 光缆及光纤光缆的工程连接 2.6.1 光缆结构和类型 光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。 光缆的类型参多媒体课件图示。 2.6.2 光纤光缆的工程连接方法 一般在工程上有固定连接和活动连接两种连接方

20、法，固定连接需要用 到专门的光纤熔接设备，如光纤自动熔接机。 2.7 光纤特性测量 光纤的特性参数可分几何特性、光学特性和传输特性三类。 几何特性 包括纤芯与包层的直径、 偏心度和不圆度； 光学特性主要有折射率分 教师备课纸 布、数值孔径、模场直径和截止波长；传输特性主要有损耗、带宽和 色散。下面分别介绍光纤的损耗、带宽(色散) 和截止波长的测量。 2.7.1 损耗测量 损耗测量有两种基本方法： 一是测量通过光纤的传输光功率，称剪断 法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。 1. 剪断法 光纤损耗系数由式来确定。 其中 L 为被测光纤长度 (km)，P1和 P2分别为输入光

21、功率和输出光功 率(mW 或 W)。 在实际应用中，也可采用插入法作为替代方法。 2. 后向散射法 利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方 法，称为后向散射法。 设光纤中正向传输光功率为P，经过 L1 和 L2 点(L1P2)，从这两点返回输入端 (L=0) 。光检测器的后向散射光 )/(lg 10 2 1 KmdB p p L a 偏置电路 注入装置光源 P1P 2 被测光纤 检测器 放大器 电平测量 教师备课纸 功率分别为 Pd(L1) 和 Pd(L2) ，经分析推导得到，正向和反向平均损 耗系数： 后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间 来确定光

22、纤的长度L。用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时 域反射仪 (OTDR) 。OTDR不仅可测量光纤损耗系数和光纤长度，还可 以测量连接器和接头的损耗， 观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的 位置，是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。 2.7.2 带宽（色散）测量 光纤带宽测量有时域和频域两种基本方法。时域法是测量通过光纤的 光脉冲产生的脉冲展宽， 又称脉冲法； 频域法是测量通过光纤的频率 响应，又称扫频法。 光纤色散测量有相移法、 脉冲时延法和干涉法等。 这里只介绍相移法， )/( )( )( lg )(2 10 2 1 12 KmdB LPd Lpd LL a 光 学 系统耦 合 器

23、件光 学 系统 光 学 系统 信 号 处理 放 大 器 示 波 器 数 据 处理 系 统 被 测 光纤 光 源 光 检 测器 教师备课纸 这种方法是测量单模光纤色散的基准方法。 角频率为 的正弦信号调制的光波，经长度为L 的单模光纤传输后， 其时间延迟 取决于光波长 。不同时间延迟产生不同相位。用波 长为1 和2 的受调制光波，分别通过被测光纤，由=2-1 产生的时间延迟差为 ，相位移为 。推导可得： 为避免测量误差，一般要测量一组i- i 值，再计算出 C()。 2.7.3 截止波长测量 实际工程中截止波长的测量方法有：在弯曲状态下， 测量损耗波长 函数的传输功率法； 改变波长，观察 LP0

24、1模和 LP11模产生的两个脉 冲变为一个脉冲的时延法； 改变波长，观察近场图由环形变为高斯形 的近场法。这里只介绍传输功率法， 这种方法是测量单模光纤截止波 长的基准方法，一般实测截止波长稍小于理论截止波长。 作业 1. 光缆的类型有哪些？光纤光缆的连接方法有哪些？ 2.工程上光纤传输特性的常用测量办法分类及各自原理？ 教学总结鉴于本课程的应用性较强特补充了该次课内容，运用了多 媒体辅助，公式推演，图形辅助等多种教学方法，由浅入深地讲述了 光通信工程中值得注意的几个问题，学生积极性高，教学效果良好。 Lw C 教师备课纸第5 次 课题3.13.5 、激光器、光检测器原理及分类、光无源器件 目

25、的要求1. 掌握激光器和光检测器的工作原理 2. 掌握常见的激光器和光检测器的分类及各自特点 3. 掌握光无源器件的分类及特点 教学重点1. 激光器的工作原理、分类及特性 2. 光检测器的工作原理、分类及特性 教学难点1. 粒子数反转分布及光学谐振放大 2. 雪崩光电效应及光检测器噪声特性分析 教学课时6 教学方法讲授法、演示法、讨论法 教学内容和步骤 3.1 光源 3.2 光检测器 3.3 光无源器件 通信用光器件可分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光 源、光检测器和光放大器，分别是光发射机、光接收机和光中继器的 关键器件，和光纤一起决定着光纤系统的水平。光无源器件主要有连 接器、

26、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，它们对光 纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。 本章主要介绍通信用光器件的工作原理和主要特性，为系统的设计提 供选择依据。 教师备课纸 3.1 光源 光源是光发射机的核心部件。 本小节首先介绍半导体激光器(LD) 的工作原理、基本结构和主要特 性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器(DFB-LD)，最后介 绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产 生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡的。

27、 激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大 )的缩写。 1. 受激辐射和粒子数反转分布 电子在低能级的基态和高能级的激发态之间的跃迁有三种基本方式： (1) 在正常状态下，电子处于低能级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，在低能级留下相同数目的空穴，见图(a) 。 (2) 在高能级 E2的电子是不稳定的， 即使没有外界的作用， 也会自动 地跃迁到低能级 E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去， 这种跃迁称为自发

28、辐射，见图(b) 。 (3) 在高能级 E2 的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见 图(c) 。 教师备课纸 相干光与非相干光的本质区别是什么？ 如何得到粒子数反转分布的状态呢? 2. 激光振荡和光学谐振腔 粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。 只 有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择， 才能 获得连续的光放大和激光振荡输出。 激光器的阈值条件是什么？ 光学谐振腔产生激光振荡的相位条件是什么？ h f1 2 初态E2 E1 终态E2 E1 (a)(b) h f1 2 (c) h f1

29、 2 h f1 2 2 n 反射镜 光的振幅 反射镜 L (a) 初 始 位 置 光 光 强 输出 OXL (b) 21 1 ln 2 1 RRL th q nL n qL 2 2 或 教师备课纸 3. 半导体激光器基本结构 半导体激光器基本结构是双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三 层不同类型半导体材料构成：中间层为有源层，两侧分别为P型和 N 型半导体，称为限制层。 3.1.2 半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的 能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，因此激光器发射波长可 由公式 hf=Eg 或来确定。

30、2. 激光束的空间分布 激光束的空间分布可用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射 镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 3. 转换效率和输出光功率特性 激光器的电 / 光转换效率用外微分量子效率表示，其定义是在阈值电 流以上，每对复合载流子产生的光子数目。 4. 频率特性 IM 激光器输出光功率和调制频率满足： 5. 温度特性 激光器输出光功率随温度变化的两个原因：一是激光器的阈值电流随 温度升高而增大；二是外微分量子效率随温度升高而减小。温度升高， 阈值电流增大，外微分量子效率减小， 输出功率明显下降甚至不激射。 gg EE hc24.1 hf e I p eII

31、hfpp th th d /)( /)( 2222 )/(4)/(1 )0( ffff p fP 教师备课纸 3.1.3 分布反馈激光器 随着技术的进步， 要求新型半导体激光器的谱线宽度更窄，并在高速 率脉冲调制下保持动态单纵模特性，发射光波长更加稳定， 能实现调 谐，阈值电流更低，输出光功率更大。分布反馈(Distributed Feed Back, DFB) 激光器便是这种类型激光器的典型代表。 普通激光器用FP谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进 行反馈，而DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构 (波纹状 )衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化， 使光沿

32、有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。 光栅周期 与波长的关系由式确定。 DFB激光器与 FP激光器相比 , 具有以下优点： 单纵模激光器。 谱线，波长稳定性好。 动态谱线好。 线性好。 e B n m 2 衍射光栅 有源层 N层 P层 输出光 光栅 有源层 b a (a)(b) 教师备课纸 3.1.4 发光二极管 发光二极管有两种类型：正面发光型和侧面发光型。 发光二极管具有如下工作特性： (1) 光谱特性：发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长 进行选择，谱线较宽； (2) 光束的空间分布：正面发光型LED辐射图呈朗伯分布； (3) 输出光功率特性； (4) 频率特性； 3.1

33、.5 各种光源的性能对比与应用分析 LED通常与多模光纤耦合，用于小容量短距离系统；LD通常与 G.652 和 G.653 单模光纤耦合， 用于大容量长距离系统； 分布反馈激光器主 要与 G.653 或 G.654 单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大 容量超长距离的新型光纤系统。 3.2 光检测器 光检测器是光接收机的核心部件。 3.2.1 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，由半导体PN结的光电效应 实现的。目前常用的光检测器有PIN-PD和 APD-PD 两种类型。 3.2.2 PIN光电二极管 PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体I ，这便是常用的

34、 PIN 光电二极管。 PIN光电二极管具有如下主要特性： 教师备课纸 (1) 量子效率和光谱特性： 光电转换效率用量子效率或响应度 表示。量子效率 的定义为一 次光生电子 -空穴对和入射光子数的比值（板书定义式）。 响应度的定义为一次光生电流和入射光功率的比值（板书定义式）。 (2) 响应时间和频率特性； (3) 噪声特性： 噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的 灵敏度。噪声通常用均方噪声电流(在 1负载上消耗的噪声功率 ) 来 描述。 均方散粒（散弹或量子）噪声： （板书定义式） 暗电流噪声包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散 形成的本征暗电流：（板书定

35、义式） 均方热噪声电流：（板书定义式） 3.2.3 雪崩光电二极管 (APD) APD的典型结构如 N+P P+结构（也被称为拉通型APD ） 。 1. 倍增因子定义为 APD输出光电流和一次光生电流的比值： 2. 过剩噪声因子是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。 3.2.4 常见光检测器的性能对比与应用分析 APD 是有增益的光电二极管， 常用在光接收机灵敏度要求较高的场合， 采用 APD有利于延长系统的传输距离； 灵敏度要求不高的场合， 一般 采用 PIN-PD。 P I I g 0 教师备课纸 3.3 光无源器件 无源器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高， 都是不 可缺少的

36、。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入 损耗小、反射损耗大、 工作温度范围宽、 性能稳定、寿命长、体积小、 价格便宜，许多器件还要求便于集成。 本节主要介绍无源光器件的类 型、原理和主要性能。 3.3.1 连接器和接头 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光 纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无 源器件之间的连接。 接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要用于光纤线路 的构成，通常在工程现场实施。 国内外大多借助专用自动熔接机在现 场热熔接，也可用V形槽连接。热熔接接头平均损耗达0.05 dB/ 个。 3.3.2 光耦合器

37、 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入 的光信号组合成一个输出。 这种器件大多与波长无关， 与波长相关的 耦合器称为波分复用器 /解复用器。 T 形 (a) 星形 (b) 定 向 (c) 2 3 1 4 1 2 N 1 2 N (d) 波 分 教师备课纸 1. 耦合器类型 T形耦合器（ a） 星形耦合器（ b） 定向耦合器（ c） 波分复用器 / 解复用器 ( 也称合波器 / 分波器 )（d） 2. 基本结构 耦合器基本类型主要有光纤型、微器件型和波导型三种 （参多媒体）。 3. 主要特性 耦合器主要特性参数： 耦合比： 功率分路损耗： 附加损耗： 插入损耗： 方向 D

38、IR(隔离度)： 一致性 U：不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合 比的等同性。 3.3.3 光隔离器与光环行器 互易器件与非互易器件的区别是什么？ 隔离器就是一种非互易器件，插入损耗的典型值约为1 dB。 隔离器工作原理如下图所示： ) 1 lg(10 CR Ls N n N n ot it e Pin Pin p P L 1 1 lg10lg10 oc ic t p p Llg10 r ic p p DIRlg10 N n on oc Ot OC p p P P CR 1 教师备课纸 3.3.4 光环行器一般有三个或四个端口，主要用于光分插复用器。 3.3.5 光调制器 (以

39、马赫- 曾德尔干涉型调制器为例) 3.3.6 光开关分为两大类：机械光开关；固体光开关。 法拉弟 旋转器 偏振器 反射光 阻塞 入射光 偏振器 SOP 1 3 2 (a)(b) 13 2 4 信 号 电 压 电 极 输 出 光 电 光 晶 体光 波 导 输 入 光 教师备课纸 机械光开关的优点是插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟； 缺点是开关速度慢。 固体光开关正相反， 优点是开关速度快； 缺点是插入损耗大， 串扰大， 只适合单模光纤。 作业 1. 光源的类型有哪些？光检测器的类型有哪些？ 2.各种有源光器件和无源光器件的特性及应用特点如何？ 3. 简述半导体激光器的发光原理。 教学总

40、结本次课全面对通信用光器件进行讲解，运用多媒体图片演 示、理论分析、特性对比、分类、列表等多种方法，层次清晰，结构 鲜明，重难点突出、课堂气氛活跃，与学生互动积极，教学效果好。 教师备课纸第6 次 课题4.14.3 、光发射机、光接收机及线路编码 目的要求1. 掌握光发射机的基本结构、原理及主要特性 2. 掌握光接收机的基本结构、原理及主要特性 3. 理解数字光纤通信的线路编码原理及分类 教学重点1. 光端机的基本结构和原理 2. 线路编码的原理 教学难点1. 理想光接收机的量子极限及误码率分析 2. 光发射机的调制特性分析 教学课时6 教学方法演示法、讲授法、练习法、讨论法 教学内容和步骤

41、4.1 光发射机 光发射机的功能是把电端机输出的基带信号转换为光信号，并用耦合 技术有效注入光纤线路。 调制分为直接调制和外调制两种方式。 4.1.1 光发射机基本组成 光发射机主要有光源和电路两部分。 1. 光源是光发射机的核心器件。对其要求如下： (1) 发射的光波长应和光纤低损耗 “窗口”一致，即中心波长应在0.85 m 、1.31m和 1.55m附近。 (2) 电/ 光转换效率要高。 教师备课纸 (3) 调制速率要高，响应速度要快。 (4) 器件温度稳定性好，可靠性高，寿命长。 (5) 体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。 2. 调制电路和控制电路 直接光强调制的数字光发射机主要电

42、路有调制电路、控制电路、线路 编码电路和偏置电路。对其要求如下： (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。 (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

43、。 3. 线路编码电路 因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光源不能 发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传输的单极性码。 4.1.2 调制特性 1. 电光延迟和张弛振荡现象 2. 自脉动现象 教师备课纸 3. 结发热效应 4.1.3 调制电路和自动功率控制 数字调制电路应采用电流开关电路，常用的是差分电流开关电路。 工作时， LD输出光功率可能会发生变化，为保证输出光功率的稳定， 必须采用 APC电路。 4.1.4 温度特性和自动温度控制 4.2 光接收机 4.2.1 光接收机基本组成 直接强度调制、 直接检测方式的数字光接收机主要包括光检测器、前 置放大器、主放大器、均衡器、

44、时钟提取电路、取样判决器以及自动 增益控制 (AGC)电路。 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。对其要求如下： (1) 波长响应与光纤低损耗窗口(0.85 m 、 1.31m和 1.55m)兼容； (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。 光检测器主要有 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，其噪声对光接收机灵敏度影响很大。 主放大器一般是多级放大器， 它的作用是提供足够的增益， 并通过它 教师备

45、课纸 实现自动增益控制 (AGC) ，以使输入光信号在一定范围内变化时，输 出电信号保持恒定。它和AGC 电路共同决定着光接收机的动态范围。 3. 均衡和再生 均衡的目的是对经光纤传输、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，它的功能是从放大器输出的 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。 4. 光电集成接收机 4.2.2 噪声特性 三种前置放大器的噪声比较： (1) 双极型晶体管前置放大

46、器的主要特点是输入阻抗低，电路时间常 数 RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适于高速率传输系统。 (2) 场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高，噪声小，高频特 性较差，适用于低速率传输系统。 (3) 跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和动态范围，并 具有良好的噪声特性。 4.2.3 误码率 由于噪声的存在， 放大器输出的是一个随机过程，其取样值是随机变 量，因此在判决时可能发生误判，把发射的“0”码误判为“ 1”码， 教师备课纸 或把“1”码误判为“ 0”码。光接收机对码元误判的概率称为误码率 (在二元制的情况下，等于误比特率BER) ，用较长时间间隔内，在传 输的码流中，误

47、判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。 4.2.4 灵敏度 灵敏度是衡量光接收机性能的综合指标。 灵敏度 Pr 的定义：在保证通信质量 ( 限定误码率或信噪比 )的条件下， 光接收机所需的最小平均接收光功率Pmin，并以 dBm为单位。 提问： 理想光接收机的灵敏度可以达到多少? 影响光接收机的灵敏度有哪些因素? 1. 理想光接收机的灵敏度 假设光检测器的暗电流为零， 放大器完全没有噪声， 系统可以检测出 单个光子形成的电子 -空穴对所产生的光电流，这种接收机称为理想 光接收机。它的灵敏度只受到光检测器的量子噪声的限制，量子噪声 是伴随光信号的随机噪声，只要有光信号输入，就有量子噪声存在。

48、对于数字光纤通信系统，一般至少要有21 个光子产生的光电流，才 能保证判决时误码率满足要求，这是光接收机可能达到的最高灵敏 度，这个极限值是由量子噪声决定的，所以称为量子极限。 2. 影响光接收机灵敏度的因素 影响实际光接收机灵敏度的因素很多，在限定误码率的条件下， 决定 光接收机灵敏度的主要因素是传输速率和光检测器、前置放大器的特 )( 10 )min( lg10 3 dBm wP Pr 教师备课纸 性，特别是噪声特性。 4.2.5 自动增益控制和动态范围 由于前置放大器输出信号幅度较大，所以主放大器的噪声通常不必考 虑。主放大器一般由多级放大器级联构成，其功能是提供足够的增益 A，以满足判

49、决所需的电平，主放大器的另一个功能是实现自动增益 控制(AGC)，使光接收机具有一定的动态范围，以保证在入射光强度 变化时输出电流基本恒定。 动态范围 (DR)的定义是：在限定的误码率条件下， 光接收机所能承受 的最大平均接收光功率 Pmax和所需最小平均接收光功率 Pmin 的比值，用 dB表示。 动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强 光的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于15dB。 4.3 线路编码 在光纤通信系统中，从电端机输出的是适合于电缆传输的双极性码。 光源不可能发射负光脉冲， 因此必须进行码型变换， 以适合于数字光 纤通信系统传输的要求。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平 码，即“有光脉冲”表示“”码， “无光脉冲”表示“ 0”码。但简 单的二电平码会带来如下问题： (1) 在码流中，出现“”码和“ 0”码的个数是随机变化的，因