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光网络技术基础

王鸿滨编著

华为技术有限公司

2001年7月

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光网络技术基础前言

前言

从1970年世界上第一根超低耗光纤问世，光通信技术却取得了极其惊人的进展。它经历了从短波长到长波长、从多模系统到单模系统、从1310nm波长到1550nm波长、从PDH到SDH、从单波长到WDM的发展里程，技术不断升级、层次不断提升、水平不断提高，目前已经成为信息传输无可争议的最主要手段。

鉴于PDH本身体制方面的缺陷而难以适应现代通信网的需求，SDH于90年代初期应运而生。而正当SDH方兴未艾、大有席卷全世界之际，90年代末期WDM技术又异军突起而且来势迅猛异常，应用前景十分广阔。伴随着OADM与ODX的推广应用，信息传输网正向全光网络的方向发展。可以预言，如果说20世纪是一个电网络时代的话，那么21世纪将是一个光网络的时代。

从PDH到SDH是光通信技术的一次重大体制变革。SDH是微处理机技术与高速大容量光纤传输相结合的产物，因具有速率统一，帧结构一致，上下电路简便以及强大的运行、管理与维护能力等巨大优点，所以倍受人们青睐。

由于WDM技术具有传输容量巨大、可节约大量光纤资源、各通道彼此独立、扩容升级方便等优点，所以近几年获得了极其广泛地应用。

本书是为对光纤通信了解不多的读者而写，因此着重于基础知识的阐述；如果读者想对光网络技术作更深入的了解，可阅读编者编写的《光网络技术》一书。

欢迎批评指正。

编者

2001年7月

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光网络技术基础目录

i 目

录前

言......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................22第一篇光纤通信基础 (2)

2第一章光纤与光缆 (2)

第二章光源与光发送机 (9)

第三章光接收器件与光接收机.............................................................................................................15第四章

光纤通信系统............................................................................................................................20第二篇同步数字体系.. (22)

22第一章概论 (22)

第二章速率与帧结构 (27)

第三章开销 (29)

第四章净负荷指针 (34)

第五章复用与映射 (37)

第六章同步复用设备 (43)

第七章数字交叉连接设备 (51)

第八章同步光缆传输系统 (54)

第九章SDH 网同步 (61)

第十章网络性能 (65)

第十一章SDH 传送网 (67)

第十二章网络管理系统 (74)

第三篇波分复用系统 (76)

76第一章WDM 概述 (76)

第二章波分复用器件 (79)

第三章光放大器 (82)

第四章调制器光源 (86)

第五章光接口 (89)

第六章波长转换器 (92)

第七章光监控通道................................................................................................................................94第八章

WDM 系统的保护......................................................................................................................96光网络技术的发展方向.. (98)

98

光网络技术基础第一篇第一章光纤与光缆第一篇光纤通信基础

第一章光纤与光缆

§1.1

所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。

1．光纤通信发展简史

由于光波具有极高的频率（3×1014赫兹），也就是说是具有极高的宽带从而可以容纳巨大容量的信息，所以用光波作为载体来进行通信一直是人们几百年来追求的目标，但苦于没有合适的传输媒质而长期未有进展。

（1）．光纤通信的里程碑

1966年，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在PIEE杂志发表了一篇著名文章：《用于光频的6光纤表面波导》，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性；设计了通信用光纤的波导结构；更重要的是科学地予言了制造通信用超低耗光纤的可能性，

以后的事实发展雄辩地证明了高锟博士文章的理论性和科学予言的正确性，所以该文被誉为光纤通信的里程碑。

（2）．导火线

1970年美国康宁玻璃公司用改进型化学汽相沉积法（MCVD）制造出当时世界上第一根超低耗光纤，虽然只有几米长，损耗系数较大（20dB/km），但却成为使光纤通信爆炸性发展的导火线线。

（3）．爆炸性发展

自1970年以后，世界各国对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之快远远超出了人们的意料之外。

从光纤的损耗看，其进展速度之快令人惊叹不一：72年便降到4dB/km，74年为1.1 dB/km，76年为0.5dB/km，79年为0.2dB/km；1990年大批量生产的光纤损耗降到0.14dB/km水平，它已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。

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光网络技术基础第一篇第一章光纤与光缆

从光纤通信系统看，1976年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统，码率仅为45Mb/s，中继距离为10km。但到1985年，多模光纤通信系统就迅速商用化（140Mb/s）；1990年，单模光纤通信系统又进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散移位光纤和波分复用的现场试验；而且陆续制定数字同步体系（SDH）的技术标准；1993年SDH技术席卷全世界；1998年波分复用技术又迅速崛起，取得了极其广泛的应用。

总之，从1970年到现在虽然只有短短三十年时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。但光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高阶段方向发展。

2．光纤通信优点

光纤通信之所以受到人们的极大重视，这是因为它具有无以伦比的优越性。

（1）．通信容量巨大

从理论上讲，一根光纤可以同时传输100亿个话路。虽然目前远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输50万个话路的试验已经取得成功。一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至几百根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。

（2）．中继距离长

由于光纤具有极低的衰耗系数，若配以适当的光发送与光接收设备及光放大器，可使其中继距离达数十、数百公里。这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。

（3）．保密性能好

光波在光纤中传输时只在其芯区进行，没有光“泄漏”出去，因此其保密性能极好。

（4）．适应能力强

适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强等。

（5）．体积小、重量轻、便于施工和维护

光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以在水底敷设或架空敷设。§1.2光纤的构造

1．光纤的构造

光纤呈园柱形，它由纤芯、包层与涂敷层三大部分组成，如图1.1.1所示。

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光网络技术基础第一篇第一章光纤与光缆

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涂层n2

包层n2

包层

涂层

纤芯n1

沉

大

海

1

d1d2

图1.1.1光纤构造

（1）．纤芯

纤芯位于光纤的中心部位（直径d1=5~50微米），其成份是高纯度的二氧化硅，此外还掺有极少量的掺杂剂（如二氧化锗，五氧化二磷），起作用是适当提高纤芯对光的折射率(n1)，以利于降低光纤的损耗。

（2）．包层

包层位于纤芯的周围（直径d2=125微米），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，以利于降低光纤的损耗。

（3）．涂敷层

光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。涂敷后的光纤外径约1.5厘米。

2．光纤的分类

在初期，光纤的种类繁多，但发展到光纤通信取得极其广泛应用的现在，长波长单模光纤已经成为应用的主流，所以我们只介绍按传播模式的分类，即单模光纤与多模光纤。

（1）．传播模式概念

光是一种频率极高的电磁波，当它在光纤中传播时，根据波动光学和电磁场理论，通过繁琐地求解麦氏方程组之后就会发现，当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播，其中LP01模被称为基模，其余的皆称为高次模。

光网络技术基础第一篇第一章光纤与光缆

（2）．多模光纤

当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1微米），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传播模式。这样的光纤称为多模光纤。

不同的传播模式会具有不同的传播速度与相位，因此经过长距离传输之后会产生时延，导致光脉冲变宽。

模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低了其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。

（3）．单模光纤

当光纤的几何尺寸(主要是芯径d1)可以与光波长相比拟时，如芯径d1在5~10微米范围，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。

由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤特别适用于大容量传输。

单模光纤还可以继续再分，如G.652、G.653、G.654、G.655光纤等，具体可见第二篇§8.1节。

（4）．关于光纤的工作波长

石英光纤的损耗曲线如图1.1.2所示。

图1.1.2石英光纤的衰耗谱曲线

从图可以看出，在1300~1500nm范围，光纤的损耗较低；而且光纤的材料色散也大大减小。因此目前光纤皆工作在此波长范围，即所谓长波长。

在光纤通信初期，光纤曾经工作在850nm范围（短波长），但因其损耗与色散都比较大，现已无人采用。

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光网络技术基础第一篇第一章光纤与光缆

63．光在光纤中的传播

光在光纤中的传播理论是非常复杂的，它需要用波动光学理论和电磁场理论，通过繁琐地求解麦氏方程组来解决。

我们只需简单了解光在光纤中的传播轨迹即可。

光在多模光纤中的传播轨迹如图1.1.3所示，之所以传播轨迹呈如此聚焦形状，是因

为对光纤纤芯和包层的折射率分布进行了十分巧妙地安排。

图1.1.3光在多模光纤中的传播轨迹

光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播，如图1.1.4所示。

因为光在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，其余的高次模全部截止。平行于光轴直线传播的光线代表传播中的基模。

图1.1.4光在单模光纤中的传播轨迹

§1.3光纤的光纤的特性参数

特性参数光纤的特性参数可以分为三大类即几何特性参数、光学特性参数与传输特性参数。我们仅简单介绍二个最重要的参数。

1．损耗系数

损耗系数的定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值。

损耗系数是光纤最重要的特性参数之一。因为在很大程度上它决定了光纤通信的传输距离。

光网络技术基础第一篇第一章光纤与光缆

光纤的损耗机理：使光纤产生损耗的原因很多，但其中最主要的是杂质吸收所引起的损耗。在光纤材料中的杂质如氢氧根离子、过渡金属离子（铜、铁、铬等）对光的吸收能力极强，它们是产生光纤损耗的主要因素。因此要想获得低损耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行十分严格的化学提纯，使其纯度达99.9999%以上。

2．色度色散系数

（1）．色度色散的概念

所谓色度色散，通俗地讲就是光纤传输对光脉冲的展宽与畸变效应。

光脉冲的展宽与畸变会导致光传输质量的劣化，如码间干扰、误码等。

光纤的色度色散大致由三部分组成，即模式色散、材料色散与波导色散。

A）．模式色散

所谓模式色散，是指单色光在多模光纤中传输时会存在着许多种传播模式，因每种传播模式都具有不同的传播速度，所以在传输的过程中会出现时延差，从而在接收端发生光脉冲展宽。

模式色散仅对多模光纤有效，它在光纤的色度色散中占有极大的比重，比材料色散与波导色散之和还要高出几十倍。

B）．材料色散

所谓材料色散，是指光纤材料对不同波长的光具有不同的色散作用。

无论谱线多么狭窄的光源器件，它所发出的光也不会是单色光，而是会包含有多个波长。不同波长的光在光纤中的传播速度是不一样的，所以经光纤传输后会出现时延。

对多模光纤而言，由于其模式色散数值较大，所以其材料色散的影响甚小。

对单模光纤而言，由于其模式色散为零，所以其材料色散占重要地位。

C）．波导色散

所谓波导色散，是指因光纤的波导结构所产生的色散作用。

波导结构是指光纤的芯径与包层直径的大小、芯区与包层的折射率数值，以及光纤的横截面折射率分布规律等，光纤的波导结构不同，对光的传输会产生不同的色散作用。

对多模光纤而言，其波导色散的影响甚小。

对单模光纤而言，由于其模式色散为零，所以其波导色散占重要地位。

（2）．色度色散系数D(λ)

对于多模光纤而言，因其模式色散的数值甚大，常用带宽系数来描述其色散特性；因目前极少使用多模光纤，故不予以讨论。

对于单模光纤而言，其色散主要表现为材料色散与波导色散，统一考虑这二者的影响，谓之色度色散系数。

所谓光纤的色度色散系数，是指每公里长度的光纤，传输单位光源谱宽时所产生的脉冲展宽值，其单位为ps/nm.km。

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光网络技术基础第一篇第一章光纤与光缆

光纤的色散系数越小，对光脉冲的畸变与展宽越小，越适合于大容量、长距离的传输。

§1.4光缆简介

光缆设计的任务是，为光纤提供可靠的机械保护，使之适应外部使用环境，并确保在敷设与使用过程中光缆中的光纤具有稳定可靠的传输性能。

光缆的制造技术与电缆是不一样的。光纤虽有一定的强度和抗张能力，但经不起过大的侧压力与拉伸力；光纤在短期内接触水是没有问题的，但若长期处在多水的环境下会使光纤内的氢氧根离子增多，增加了光纤的衰耗。因此制造光缆不仅要保证光纤在长期使用过程中机械、物理性能，而且还要注意其防水防潮性能。

在光纤通信初期，多采用紧套光纤的层绞式结构，它是从电缆的结构演变而来。但由于光纤直接绕在光缆中的加强芯上，所以难以保证在其施工与使用过程中不受外部侧压力与内部应力的影响。后来光缆发展到骨架式结构光缆，即把紧套光纤绕在处光缆中心部位的骨架上。由于具有骨架的保证使光纤的环境优于层绞式结构光缆。第三类光缆结构是松套光纤的层绞式结构，即把经过予涂敷的光纤松散地放在由聚丙烯或尼龙制成的松套管之中，松套管内填充石油膏等。由于光纤在松套管内可以松散地活动，所以可以免受内部应力与外部侧压力的影响。第四类光缆结构是束管式光缆与带状光缆，即把光纤束放在外壁比松套管更加坚硬的管子中，光纤束位于光缆的中心部位，而光缆的加强芯则移到外护层之中。

光缆可以适用于各种不同的使用环境，如架空光缆，直埋式光缆、铠装光缆、海底光缆、阻燃光缆等等。

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光网络技术基础第一篇第二章光源与光发送机第二章光源与光发送机

§2.1光纤通信对光源器件的要求

（1）．发射光波长适中

光源所发射光波的波长，必须落在光纤呈现低衰耗的波长区域，即1300~1600nm。

（2）．发光功率足够大

为保证一定的传输距离，光源器件应有足够大的发送光功率。由于光纤的几何尺寸极小，所以要求光源器件要具有与光纤较高的耦合效率。

（3）．发光谱线窄

光源发射出来的光的谱线宽度应该越窄越好。若其谱线过宽，受光纤色度色散的作用使脉冲展宽就越历害，减小了光纤的传输容量与传输距离。

（4）．温度特性好

光源的性能（发射波长、发光功率）易随温度变化而变化，尤其是在较高温度下其性能容易劣化。因此要求光源具有良好的温度特性。

（5）．工作寿命长

光纤通信要求光源长期连续工作，因此光源器件的工作寿命越长越好。

§2.2发光二极管LED

LED是由GaAsAl类P型材料与N型材料制成的二极管，若在其二端加上正偏置电压，则在PN结区会产生电子与空穴的复合效应，复合时会释放出能量而发光（自发幅射发光）。

1．LED优点

（1）．线性度好

LED发光功率的大小基本上与其中的工作电流成正比关系，即LED具有良好的线性度，其发光特性曲线如图1.2.1所示。但只有模拟传输才对光源的线性度有较高要求。

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光网络技术基础第一篇第二章光源与光发送机

图1.2.1LED特性曲线

（2）．温度特性好

相对于LD而言，LED的温度特性是比较好的。在温度变化100°C的范围内，其发光功率的降低不会超过50％，因此在使用时一般不需要加温控措施。

（3）．价格低、寿命长、使用简单

LED使用非常简单，不需要进行予偏置，也不需要加温控措施。

LED价格低廉，寿命长。

2．LED缺点

（1）．谱线较宽

LED所发出的光不是相干光而是莹光，所以其谱线较宽，一般在30~100nm范围。这样大的谱线宽度受光纤色散的作用后，会产生很大的脉冲展宽，难以用于大容量通信。

（2）．与光纤的耦合效率低

LED和光纤的耦合效率较低，一般仅有1％~2％，最多不超过10%。

3．LED的应用

因LED的谱线较宽，受光纤色散的作用后，会产生很大的脉冲展宽，所以难以用于大容量的光纤通信。

因它与光纤的耦合效率低，输入到光纤中的光功率较小，所以难以用于长距离的光纤通信。

总之，LED广泛地应用在小容量、短距离的光纤通信之中。

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光网络技术基础第一篇第二章光源与光发送机§2.3半导体激光器LD

LD的发光是受激发光，即利用LD中的谐振腔产生振荡而激射出大量频率相同的光子，从而形成激光。

1．LD的优点

（1）．发光谱线窄

由于LD发的是激光，所以其谱线十分狭窄，仅有1~5nm，甚至更小。

谱线越窄，就越适用于大容量的传输，因此发光谱线窄是LD最具吸引力的优点。

对于一般的半导体激光器与LED而言，常用根均方谱宽δλrms来描述其谱宽。所谓根均方谱宽δλrms，是指峰值光功率下降到其最大值的0.607时的谱线宽度。如图1.2.2所示。

对于单纵模体激光器，常用-20dB谱宽来描述其谱宽，详见第二篇的§8.2节。

图1.2.2光源器件的谱宽

（2）．与光纤的耦合效率高

LD所发激光的方向性好、发散角小，所以它与光纤的耦合效率较高。用直耦方式就可达20％以上，如果采用适当的耦合措施可达90％。

（3）．阈值器件

LD的发光特性曲线如图1.2.3所示。

从图可以看出，当LD中的工作电流低于其阈值电流I th时，LD仅能发出极微弱的非相干光；当LD中的工作电流大于I th时，它会发出谱线狭窄的激光，这相当于谐振腔产生了振荡。所以LD是阈值器件。

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光网络技术基础第一篇第二章光源与光发送机

B

图1.2.3LD特性曲线

在实际使用时必须对LD进行予偏置。即予先赋于LD一个偏置电流I B，其值略小于但接近于LD的阈值电流I th，使其仅发出极微弱的光；一旦有信号输入，LD立即工作在受激发光区，发出功率很大的激光。

2．LD的缺点

（1）．温度特性欠佳

和LED相比，LD的温度特性欠佳。这主要表现在其阈值电流Ith随温度的上升而增加，所以一般要加温控措施。

（2）．线性度较差

LD的线性度较LED差，但这并不影响LD在数字光纤通信中的广泛应用，因为数字光纤通信对光源的线性度并没有过高的要求。

3．LD的应用

因LD的谱线窄，所以可用于大容量的光纤通信；又因为它与光纤的耦合效率较高，输入到光纤中的光功率较大，所以可用于长距离的光纤通信。

尽管LD也有一些不足，如线性度与温度特性欠佳。但数字光纤通信对光源器件的线性度并没有严格要求；而温度特性欠佳可以通过一些有效的措施来补偿，因此LD成为大容量、长距离光纤通信最重要的光源器件。

§2.4光发送机

1．光发送机方框图

光发送机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用就是把数字电信息转换成光脉冲信号发送到光纤中进行传输。其方框图如图1.2.4所示。

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光网络技术基础第一篇第二章光源与光发送机

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图1.2.4光发送机方框图在图1.2.4中,输入接口的作用是进行电平转换。予处理是对电脉冲信号进行整形。调制电路的作用是把电信号码流变成相应的光脉冲码流进而发送到光纤当中；它是光发送机的核心。自动发光功率控制（APC ）是采用负反馈方法来控制光源器件的发光功率，使之恒定。自动温度控制（ATC ）是为LD 提供一个温度恒定的环境。

2．调制方法

为了获得与电脉冲码流相对应的光脉冲流，必须对光源进行调制。

调制方法大致可以分为二类，一类是直接调制，另一类是外调制。

（1）．直接调制方式

所谓直接调制，就是用电信号直接去改变光源的工作电流，从而获得与电信号码流相对应的光脉冲流。直接调制的示意图如图1.2.5所示。如当电脉冲为“1”时，使光源的工作电流大于其阈值电流，故发激光（P 1）；而当电脉冲为“0”时，使光源的工作电流小于其阈值电流，故只发微弱的光（P 0）。

图1.2.5LD 的直接调制方式

t 调制电路

光网络技术基础第一篇第二章光源与光发送机

14（2）．外调制方式

当传输速率很高时，采用直接调制方式会出现所谓“啁啾”现象，使光源的发射波长发生偏移。为克服“啁啾”现象，于是出现了外调制方式。

外调制的思路是让光源连续发光（直流光），在其外部用电信号间接地控制直流光的有无，从而获得与电信号相对应的光脉冲流。详见第三篇WDM §4.1部分。

3．调制电路

直接调制的调制电路有许多种，如共射极电路、射随电路、电流开关电路等。直调方式的原理电路如图1.2.6所示。

在图1.2.6中，Rb 为半导体激光器LD 提供予偏值电流I B ，即当电信号V i =0时，LD 中有电流I B 流过，故只发很微弱的光P 0；而当V i =1时，LD 中的电流超过其阈值电流I th ，于是发出激光P 1。

就这样把电信号变成了光脉冲信号，完成了直接调制过程。

4．光发送机的主要指标

光发送机有多项技术指标，我们仅介绍最重要的三项。

（1）．发光功率Ps

发送光功率是光发送机最重要的技术指标，它是指在“0”、“1”码等概率出现的情况下，光发送机输出的光功率值，单位为dBm 。

在一般情况下，光发送机的平均发光功率越大越好。因为其值越大，其传输距离可能越长。

（2）．谱宽δλ

它其实就是光发送机中所用光源器件的谱宽。光源器件的谱宽越窄越好，因为谱宽越窄，由它引起的色度色散就越小，就越利于进行大容量的传输。

（3）．光源器件的寿命

正如我们已经所知，光源器件的寿命越长越好。就目前水平而言，至少也应该在30万小时以上。

电脉冲流

光脉冲流

图1.2.6：调制电路

光网络技术基础第一篇第三章光接收器件与光接收机

15第三章光接收器件与光接收机

§3.1光纤通信对光接收器件的要求

（1）．量子效率高

所谓量子效率η是指光接收器件的光/电转换效率。

因为经光纤传输来的光信号十分微弱，仅有毫微瓦（nw ）数量级，要想从这么微弱的光信中检测出通信信息，光接收器件必须具有很高的光/电转换效率。

（2）．附加噪声低

光接收器件在工作时会产生一些附加噪声如暗电流噪声、倍增噪声等。这些噪声如果很大，就会附加在只有毫微瓦数量级的微弱光信号上，降低了光接收机的灵敏度。

（3）．体积小、重量轻、寿命长。

§3.2PIN 光二极管

在光纤通信中使用的光接收器件有二大类，即PIN 光二极管与APD 光二极管。

1．PIN 光二极管的工作机理

所谓PIN 光二极管，是在由硅或锗或Ⅲ－Ⅴ族化合物构成的PN 结中间，插入一层掺杂浓度十分低的半导体材料（I 型）而形成的光二极管。其构造如图1.3.1所示。

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图1.3.1PIN 光二极管构造

光网络技术基础第一篇第三章光接收器件与光接收机

当PIN光二极管处反偏压时，其构成材料在光的作用下会产生光生载流子（空穴-电子对），它们的定向流动就形成了光电流。

理论研究与实验表明，光二极管的量子效率与耗尽层的宽度成正比。插入掺杂浓度十分低的I型半导体材料的目的是增加耗尽层的宽度，即为了提高光二极管的量子效率。

2．PIN光二极管的特性参数

(1)．响应度（量子效率η）R

所谓响应度R，是指单位光功率信号入射到光二极管时所产生的首次光电流，其单位为：A/W。

因此当光功率信号P(t)入射到光二极管时，产生的光电流为：

Is(t)=Ip(t)=RP(t)(A)(1.3.1) PIN光二极管的响应度大小主要是由其量子效率决定的，优质的光二极管的量子效率可达到90％以上。

（2）．结电容Cd

结电容Cd一方面影响PIN二极管的响应时间，另一方面对光接收机的灵敏度起重要影响。

结电容越小越好，一般为几个PF。

3．PIN光二极管的特点及应用范围

PIN光二极管的优点是：附加噪声小、工作电压低（仅几伏）、工作寿命长，使用方便、价格便宜。

PIN光二极管的缺点是：没有倍增效应。即在同样大小入射光的作用下只能产生较小的光电流，所以用它做成的光接收机灵敏度不高。

因此，PIN光二极管只能用于较短距离的光纤通信（小容量与大容量皆可）。

§3.3APD光二极管

1．APD光二极管的工作机理

APD光二极管的工作机理是：在高反偏压状态下，APD光二极管内部形成高电场区，而光生载流子（空穴-电子对）在高电场作用下会作高速运动，于是通过碰撞电离效应会产生出几十倍的新空穴-电子对，从而形成较大的光信号电流。

APD光二极管的构造如图1.3.2所示。

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光网络技术基础第一篇第三章光接收器件与光接收机

高电场区漂移区

图1.3.2APD光二极管的构造

当外加给APD光二极管的反向偏压增加到一定数值（如100伏以上）时，其内部的耗尽层会穿过P区进入π区，从而形成高电场区。

在高电场区，由入射光产生的首次空穴-电子对在高电场作用下做高速运动。在运动过程中会出现“碰撞电离”现象而产生新的二次、三次空穴电子对。因此，由入射光产生的一个首次空穴电子对，可能会产生几十个或几百个新空穴电子对，即所谓“倍增”效应。

因此在同样大小入射光的作用下，由于倍增效应，APD光二极管可以产生比PIN光二极管大得多的光电流。

2．APD光二极管的特性参数

APD光二极管也具有一些和PIN光二极管相类似的特性参数，如响应度R（量子效率）、结电容等，其物理意义完全相同。

我们仅介绍APD光二极管特有的二项参数。

（1）．增益G

增益G代表经APD放大后的光电流与首次光电流之比。从微观上讲，代表一个首次空穴电子对经碰撞电离后产生的新空穴电子对数量。

因此APD产生的信号光电流为：

Is(t)=G·R·P(t)(A)(1.3.2)

此外，APD的增益G随其两端的反向偏压的变化而显著变化；所以在实际使用中要采取反馈措施来稳定其反向偏压。

17

光网络技术基础第一篇第三章光接收器件与光接收机

18（2）．倍增噪声因子X

在高电场发生的碰撞电离效应是一个随机过程，即每个首次空穴-电子对经碰撞电离后产生的新空穴子对的数量，不是一个常数而是随机的。APD 倍增效应的这种起伏性就产生了一种特殊的噪声─倍增噪声。

倍增噪声可用倍增噪声系数F （G ）来描述，即：

F （

G ）≈G x (1.3.3)其中：X 叫做APD 的倍增噪声指数因子，X=0.5~1.0；它与构成APD 的材料、APD 的结构、制造工艺等有关。

因此，增益G 越大，虽然APD 产生的光电流越大，但由其产生的倍增噪声也越大。但我们可以使APD 处于最佳增益状态，既能使产生的光电流最大，又能使产生的倍增噪声最小。

3．APD 光二极管的特点及应用

APD 的最大优点就是具有倍增效应，由它制成的光接收机具有很高的灵敏度，一般可比PIN 光接收机的灵敏度高10~20dB ，因此可以大大增加光纤通信的传输距离。

APD 缺点是产生了倍增噪声以及需要高压。但当然如果使用得当（处最佳增益状态），可以把倍增噪声影响降低到最低程度。

因此，APD 在大容量、长距离的光纤通信中得到了十分广泛的应用，成为光纤通信中最重要的光接收器件。

§3.4光接收机

光接收机是光纤通信系统重要组成部分，其作用就是从微弱的光信号中检测出电信号（通信信息），并经过放大、均衡后再生出波形整齐的电信号码流。

1．光接收机方框图

光接收机的方框图如图1.3.3所示。

图1.3.3光接收机方框图

光网络技术基础第一篇第三章光接收器件与光接收机19前置放大器作用是把光接收器件产生的微弱光电流进行予放大。前置放大器的设计至关重要，其噪声性能对光接收机灵敏度的影响甚大。

主放大器其作用是把信号进一步放大，以满足判决再生电路对信号幅度的要求。均衡器把主放大器输出的脉冲进行均衡，以形成最有利于进行判决的升余弦波形（码间干扰最小、能量集中）。判决再生电路对均衡器输出的脉冲流进行判决，并再生成波形整齐的新脉冲码流。高压偏压电路向APD 光二极管提供反向偏压，通过调节APD 的反向偏压，使APD 处于最佳增益状态。

2．光接收机灵敏度Pr

所谓灵敏度，是指在保证规定误码率要求的条件下(如BER ＝1×10-10)，光接收机所需要的最小光功率值。

灵敏度是光接收机一项最重要的技术指标。其值越小越好。

光接收机灵敏度的高低与许多因素有关：

(1)．光接收器件的量子效率η

光接收机灵敏度和光接收器件的量子效率η成正比关系，即η值越大越好。

(2)．放大电路的噪声性能

因此精心设计前置放大器（低噪声、宽带宽），也是提高灵敏度的重要手段。

（3）．APD 倍增噪声指数因子X

APD 的噪声系数为F(G)≈G x

，因此X 值越大，APD 产生的倍增噪声越大，灵敏度下降。X 值降低0.1，灵敏度改善1dB 。因此应选择倍增噪声指数因子低的APD 。

3．APD 的最佳增益Gopt

增益越大，它所产生的光电流越大，可以提高光接收机灵敏度；但增益越大，产生的的噪声也越大，又降低了灵敏度。

理论与实践证明，存在着一个最佳增益值Gopt ，它既能使APD 产生的光电流最大，又能使APD 产生的倍增噪声影响最小。最佳增益可通过调节APD 的反偏压来实现。

6．光接收机的主要技术指标

（1）．光接收机灵敏度Pr

它是光接收机最重要的技术指标，我们已经对之进行了介绍。

灵敏度会随码率的提高而降低。传输码率每提高4倍，其灵敏度会降低6dB 。

（2）．过载光功率

其定义是：在保证一定误码率要求(如BER ＝1×10-10)的条件下，光接收机所允许的最大光功率值。过载光功率越大越好。

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