回到目的地-實現(xiàn)光纖通訊課件

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——實現(xiàn)光纖通信哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院光子科學(xué)與技術(shù)研究中心2007年3月7.1光源及其驅(qū)動7.1.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)在大量原子相互靠近形成半導(dǎo)體晶體時，由于半導(dǎo)體晶體內(nèi)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(dǎo)體內(nèi)部自由運動的電子(簡稱自由電子)所填充的能帶稱為導(dǎo)帶；價電子所填充的能帶稱為價帶；導(dǎo)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)。7.1光源及其驅(qū)動半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)7.1光源及其驅(qū)動7.1.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管 半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-emittingDiode，LED)基本應(yīng)用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆蓋整個光纖通信系統(tǒng)使用波長范圍，典型值為0.85μm、1.31μm及1.55μm。 LED的工作原理可以歸納如下：當(dāng)給LED外加合適的正向電壓時，Pp結(jié)之間的勢壘(相對于空穴)和Np結(jié)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(qū)擴散到p區(qū)和從N區(qū)擴散到p區(qū)(由于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，p區(qū)中外來的電子和空穴不會分別擴散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其他衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。7.1光源及其驅(qū)動LED結(jié)構(gòu)：面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管、超輻射發(fā)光二極管。

1.面發(fā)光二極管

面發(fā)光SLED（SurfaceEmitting）二極管的典型結(jié)構(gòu)。它由N－P—P雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成。這種LED發(fā)射面積限定在一個小區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域的橫向尺寸與光纖尺寸相近。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(qū)域，使光纖與光發(fā)射面靠近，同時，在凹陷的區(qū)域注入環(huán)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(fā)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(fā)散角大，水平和垂直發(fā)散角都可達到120°，與光纖的耦合效率低。7.1光源及其驅(qū)動2.邊發(fā)光二極管

邊發(fā)光二極管，也采用了雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。利用SiO2掩模技術(shù)，在P面形成垂直于端面的條形接觸電極(約40~50μm)，從而限定了有源層的寬度；同時，增加光波導(dǎo)層，進一步提高光的限定能力，把有源區(qū)產(chǎn)生的光輻射導(dǎo)向發(fā)光面，以提高與光纖的耦合效率。其有源層一端鍍高反射膜，另一端鍍增透膜，以實現(xiàn)單向出光。在垂直于結(jié)平面方向，發(fā)散角約為30°，具有比面發(fā)光二極管高的輸出耦合效率。

7.1光源及其驅(qū)動3.超輻射發(fā)光二極管

超輻射發(fā)光二極管SLD（SuperluminescentDiodes）是一種介于激光二極管LD和發(fā)光二極管LED之間的半導(dǎo)體光源，它的出現(xiàn)和發(fā)展是受到光纖陀螺的驅(qū)動，對它的要求是有高的功率輸出并有寬的光譜寬度?？梢钥闯觯慕Y(jié)構(gòu)大體上與激光器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的目的是使得SLD既有很高的輸出功率而又不產(chǎn)生激射振蕩，因為要使輸出功率增加，最簡單辦法是增大注入電流，但是，過高的注入電流可能會導(dǎo)致激射振蕩。非泵浦的后尾部區(qū)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(fā)光二極管在光纖通信中的應(yīng)用還比較少。

7.1光源及其驅(qū)動LED光源特性

(1)光譜特性。發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬7.1光源及其驅(qū)動LED光源特性

(3)LED的溫度特性7.1光源及其驅(qū)動LED光源特性

(3)LED的調(diào)制特性在規(guī)定的正向偏置工作電流下，對LED進行數(shù)字脈沖或模擬信號電流調(diào)制，便可實現(xiàn)對輸出光功率的調(diào)制。調(diào)制頻率或調(diào)制帶寬是光通信用LED的重要參數(shù)之一，它關(guān)系到LED在光通信中的傳輸速度大小，LED因受到有源層內(nèi)少數(shù)載流子壽命的限制，其調(diào)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(tǒng)中的應(yīng)用，通常LED的應(yīng)用主要局限在低帶寬和局域網(wǎng)上。調(diào)制帶寬是衡量發(fā)光二極管的調(diào)制能力，其定義是在保證調(diào)制度不變的情況下，當(dāng)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(diào)制帶寬，它可以表示為

式中，τ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(fā)射GaAIAs發(fā)光管最高功率可達15mW，而3dB帶寬為17MHz；當(dāng)最大調(diào)制帶寬為1.1GHz時，功率降低至0.2mW。LED的輸出功率與調(diào)制帶寬的乘積是一個常數(shù)

7.1光源及其驅(qū)動LED光源特性

(3)LED的調(diào)制特性調(diào)制頻率或調(diào)制帶寬是光通信用LED的重要參數(shù)之一，它關(guān)系到LED在光通信中的傳輸速度大小，LED因受到有源層內(nèi)少數(shù)載流子壽命的限制，其調(diào)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(tǒng)中的應(yīng)用，通常LED的應(yīng)用主要局限在低帶寬和局域網(wǎng)上。調(diào)制帶寬是衡量發(fā)光二極管的調(diào)制能力，其定義是在保證調(diào)制度不變的情況下，當(dāng)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(diào)制帶寬，它可以表示為

式中，τ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(fā)射GaAIAs發(fā)光管最高功率可達15mW，而3dB帶寬為17MHz；當(dāng)最大調(diào)制帶寬為1.1GHz時，功率降低至0.2mW。LED的輸出功率與調(diào)制帶寬的乘積是一個常數(shù)

7.1光源及其驅(qū)動LED光源特性

(3)LED的調(diào)制特性7.1光源及其驅(qū)動LED光源特性

(3)LED與光纖的耦合ElectrodeSiO2

(insulator)ElectrodeFiber(multimode)EpoxyresinEtchedwellDoubleheterostructureLightiscoupledfromasurfaceemittingLEDintoamultimodefiberusinganindexmatchingepoxy.ThefiberisbondedtotheLEDstructure.(a)FiberAmicrolensfocusesdiverginglightfromasurfaceemittingLEDintoamultimodeopticalfiber.Microlens

(Ti2O3:SiO2

glass)(b)7.1光源及其驅(qū)動LED光源特性

(3)LED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

fiberELED7.1光源及其驅(qū)動有源層材料類型輻射波長（nm）譜寬（nm）耦合功率(μW)正向電流（mA）上升/下降時間（ns）AlGaAsELED85035~6510~8060~1002/2~6.5/6.5GaAsSLED8504080~140100-GaAsELED8503510~321006.5/6.5InGaAsPSLED130011010~501003/3InGaAsPELED13002510~15030~1001.5/2.5InGaAsPELED155040~701000~7500200~5000.4/0.4~12/12LED技術(shù)參數(shù)7.1光源及其驅(qū)動7.1.3半導(dǎo)體激光器(LaserDiode，LD)1.激光二極管的類型結(jié)構(gòu)(1)常用激光二極管的類型結(jié)構(gòu)在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的LD中，通常采用具有橫模限制作用的激光二極管結(jié)構(gòu)，這種激光二極管稱為條形激光二極管(StripeLaserDiode，SLD)或窄區(qū)激光二極管。一種增益波導(dǎo)型激光二極管的類型結(jié)構(gòu)如圖所示，圖中虛線之間的部分為電流流經(jīng)的區(qū)域。拱棱波導(dǎo)條形激光二極管7.1光源及其驅(qū)動7.1光源及其驅(qū)動(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(tài)，其增益峰值附近的數(shù)個模式攜帶著大部分的輸出光功率。①分布反饋機理激光二極管 在分布反饋(DistributedFeedback，DFB)機理激光二極管中，通過諧振腔和具有頻率選擇反饋功能的光柵共同完成反饋作用。7.1光源及其驅(qū)動③量子阱激光二極管 出現(xiàn)較晚的量子阱(QuantumWell，QW)激光二極管，已經(jīng)在實際系統(tǒng)尤其是相干傳輸系統(tǒng)和波分復(fù)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。④波長可調(diào)諧單頻激光二極管 波長可調(diào)諧單頻激光二極管是波分復(fù)用系統(tǒng)、相干光通信系統(tǒng)及光交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，其主要性能指標(biāo)包括調(diào)諧速度和波長調(diào)諧范圍。7.1光源及其驅(qū)動LD的工作特性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(xiàn)象，整體線性不如LED。LD的P-I特性7.1光源及其驅(qū)動7.1光源及其驅(qū)動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(yōu)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(tǒng)的要求。7.1光源及其驅(qū)動3.調(diào)制特性7.1光源及其驅(qū)動3.調(diào)制特性7.1光源及其驅(qū)動4.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(yōu)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(tǒng)的要求。7.1光源及其驅(qū)動7.1.4光發(fā)射機光源的選擇光源功率光譜，包括：中心波長、光譜半寬、發(fā)光模式，穩(wěn)定性，功率穩(wěn)定性，光譜穩(wěn)定性，跳模影響應(yīng)用類型，尾纖？單模？多模？光耦合？體積壽命驅(qū)動是否方便價格影響光源穩(wěn)定性的因素影響光強的因素（1)有源區(qū)電流密度由驅(qū)動電流決定（2)價電子數(shù)由溫度決定?？梢姡绊懓l(fā)光過程的外部參數(shù)為有源區(qū)的電流和溫度，穩(wěn)定光強必須從這兩個參數(shù)入手。影響光譜的因素（1)驅(qū)動電流（2)溫度穩(wěn)定光譜同樣需要穩(wěn)定驅(qū)動電流和溫度。7.1光源及其驅(qū)動驅(qū)動電流對LED光譜的影響7.1光源及其驅(qū)動溫度對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(xiàn)縱模躍變，這一現(xiàn)象和注入電流增加的情況類似?？v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．7.1光源及其驅(qū)動光源的驅(qū)動類型穩(wěn)恒電流驅(qū)動（ACC）光源的自動電流控制（AutomaticCurrentControl，簡稱ACC）也稱恒流驅(qū)動，是較為常用的光源驅(qū)動電路，穩(wěn)恒功率驅(qū)動（APC）光源的輸出光功率與驅(qū)動電流的特性對溫度是具有依賴關(guān)系的，而在溫度變動的情況下，如果保持其輸出光功率的穩(wěn)定性，APC（AutomaticPowerControl）是一種普遍使用的方法。7.1光源及其驅(qū)動光源的驅(qū)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(huán)境溫度的影響，僅僅采用APC驅(qū)動而不對LD激光器的溫度進行控制，是不完全的。另外根據(jù)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(huán)境溫度的控制十分非常必要的。現(xiàn)在許多廠家出產(chǎn)的LD激光器模塊，都是集成溫敏電阻和半導(dǎo)體制冷器，所以在使用中對自動溫度控制電路（AutomaticTeperatureControl）ATC電路的掌握是必不可少的。

7.1光源及其驅(qū)動設(shè)計要素：穩(wěn)恒電流發(fā)生我們知道，直接利用三極管、FET或者一些穩(wěn)壓器都可以得到“穩(wěn)流源”。這種電流源或者不易調(diào)節(jié)，或者穩(wěn)定性（尤其是溫度穩(wěn)定性）不好，因此在LD驅(qū)動中最好別采用。比較通常的方法是采用線性V/I轉(zhuǎn)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(gòu)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(fā)射極通過需驅(qū)動的LD接電源。集電極同時還連到運放的負(fù)輸入端構(gòu)成反饋回路。如果電路工作在線性區(qū)，根據(jù)運放的虛短虛斷就可以得出：輸出給LD的電流I＝V/R。7.1光源及其驅(qū)動設(shè)計要素：穩(wěn)恒電流發(fā)生采用這種方式獲得穩(wěn)定電流的關(guān)鍵是控制電壓本身穩(wěn)定，運放的輸入噪聲小，以及取樣電阻穩(wěn)定。最后強調(diào)一點，電路一定要工作在線性區(qū)，否則V/I轉(zhuǎn)換就不成立。7.1光源及其驅(qū)動設(shè)計要素：電流調(diào)節(jié)控制絕大部分LD的輸出功率都是和驅(qū)動電流相關(guān)的，因此也都采用電流驅(qū)動。較好的電流源要能在0～100毫安間調(diào)節(jié)，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(zhuǎn)時因內(nèi)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(diào)節(jié)輸出電流，輸出也會不穩(wěn)定。調(diào)節(jié)不當(dāng)會毀壞LD。利用數(shù)字方式來控制比較好，但因競爭－冒險等現(xiàn)象，DA轉(zhuǎn)換也可能有毛刺。這同樣潛伏著危險。數(shù)字旋紐。有點象機械鼠標(biāo)的原理，旋轉(zhuǎn)面板上的旋紐時會不停產(chǎn)生脈沖。后續(xù)電路可以測出旋轉(zhuǎn)方向和脈沖數(shù)，從而加減電流。電流的步進值也可以隨著旋轉(zhuǎn)速度動態(tài)調(diào)節(jié)7.1光源及其驅(qū)動設(shè)計要素：ACC電路（一）7.1光源及其驅(qū)動設(shè)計要素：ACC電路（二）7.1光源及其驅(qū)動設(shè)計要素：自動溫度控制溫度直接影響輸出功率和波長，穩(wěn)定溫度是改善激光噪聲的有效手段。如果LD內(nèi)集成熱敏電阻和TEC，怎樣利用它們構(gòu)成溫控環(huán)路？如果LD內(nèi)沒溫控元件，怎樣從LD外部盡量準(zhǔn)確地測量和控制有源區(qū)的溫度？LD和散熱設(shè)備的封裝以及位置安排又該如何呢？7.1光源及其驅(qū)動溫度控制電路（一）7.1光源及其驅(qū)動溫度控制電路（二）7.1光源及其驅(qū)動設(shè)計要素：APC電路如果LD內(nèi)集成背向光探測器，怎樣利用它？它又有什么局限？

果LD內(nèi)沒有光探測器，怎樣實現(xiàn)自動功率控制？

7.1光源及其驅(qū)動APC電路（一）7.1光源及其驅(qū)動APC電路（二）7.1光源及其驅(qū)動電路保護：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(qū)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(dāng)然這樣效率也比較低，調(diào)節(jié)也較為麻煩。常用的方法是限制V/I轉(zhuǎn)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(dāng)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。7.1光源及其驅(qū)動電路保護：慢啟動慢啟動有時也稱緩啟動，或者軟開關(guān)，不過軟開關(guān)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(lián)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(gòu)成RLC的混合濾波器，效果也很是有限。實驗中發(fā)現(xiàn)，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(qū)動部分用電池供電，僅有一根地線和直流電源連接，當(dāng)直流電源的開關(guān)在其內(nèi)部產(chǎn)生沖擊電流時，部分沖擊仍可以通過地線以及空間輻射構(gòu)成回路，在LD上產(chǎn)生沖擊電流！總的思路是：關(guān)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(guān)、磁珠、扼流線圈、無源RLC網(wǎng)、肖特基二極管等等。7.1光源及其驅(qū)動慢啟動電路該軟啟動采用達林頓管、電容、電阻實現(xiàn)。緩啟動的時間可長達數(shù)秒。該電路還能實現(xiàn)緩關(guān)斷，以防止

過壓或突然掉電。7.1光源及其驅(qū)動電路保護：電源濾波問題：如果驅(qū)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7.1光源及其驅(qū)動電路保護：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(fā)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(jīng)過這些阻抗并產(chǎn)生壓降，這個電壓降表示放大器電源節(jié)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(xiàn)。7.1光源及其驅(qū)動電路保護：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(huán)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(yīng)進入電路。寄生互電容耦合了靜電干擾，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(yīng)。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(dǎo)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(dǎo)磁率或者很大的厚度以削弱磁場與導(dǎo)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(jié)構(gòu)和電路分立元件的排放。7.1光源及其驅(qū)動7.2探測器與放大電路光檢測器的工作原理光檢測器的特性參數(shù)光接收機光收發(fā)合一模塊光纖通信技術(shù)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(zhuǎn)換成電流信號。其工作過程的基本機理是光的吸收。當(dāng)能量超過禁帶寬度Eg的光子入射到半導(dǎo)體材料上時，每一個光子若被半導(dǎo)體材料吸收將會產(chǎn)生一個電子-空穴對，如果此時在半導(dǎo)體材料上加上電場，電子-空穴對就會在半導(dǎo)體材料中渡越，形成光電流。

光檢測器的工作原理

左側(cè)入射的信號光透過P＋區(qū)進入耗盡區(qū)，當(dāng)PN結(jié)上加反向偏置電壓時，耗盡區(qū)內(nèi)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N區(qū)漂移，空穴向P＋區(qū)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(qū)的寬度由反向電壓的大小決定。符號P＋表示重?fù)诫s區(qū)。7.2探測器與放大電路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(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)，P+和N型半導(dǎo)體材料之間插入了一層摻雜濃度很低的半導(dǎo)體材料（如Si），記為I，稱為本征區(qū)。7.2探測器與放大電路APD光檢測器 APD光檢測器也稱為雪崩光電二極管（AvalanchePhotodiode），其工作機理如下：入射信號光在光電二極管中產(chǎn)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(dāng)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(dǎo)帶上去，于是就產(chǎn)生新的電子-空穴對，新產(chǎn)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(chǎn)生新的電子-空穴對，這樣就引起了產(chǎn)生新載流子的雪崩過程。也就是說，一個光子最終產(chǎn)生了許多的載流子，使得光信號在光電二極管內(nèi)部就獲得了放大。APD光電二極管7.2探測器與放大電路7.2探測器與放大電路光檢測器的特性參數(shù)1．量子效率入射光（功率為Pin）中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光生電流的光子數(shù)和入射的總光子數(shù)之比稱為量子效率，它的計算由下式給出，即

2．響應(yīng)度光檢測器的光電流與入射光功率之比稱為響應(yīng)度，有

響應(yīng)度的單位是A/W。對于給定的波長，響應(yīng)度是一個常數(shù)，但是當(dāng)考慮的波長范圍較大時，它就不是常數(shù)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(yīng)度會在截止波長處迅速下降。響應(yīng)度與量子效率的關(guān)系為

考慮到APD光檢測器的雪崩效應(yīng)，它的響應(yīng)度可表示為

APD光檢測器的響應(yīng)度在0.75～130之間。3．響應(yīng)光譜為了產(chǎn)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(dǎo)體材料的禁帶寬度和對應(yīng)波長見表1。常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和對應(yīng)波長半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg/eV波長/nmSi1.171067半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg/eV波長/nmGe0.7751610GaAs1.424876InP1.35924AlGaAs1.42~1.92879~650InGaAs0.75~1.241664~1006InGaAs0.75~1.351664~9244．響應(yīng)時間響應(yīng)時間是用來反映光檢測器對瞬變或高速調(diào)制光信號響應(yīng)能力的參數(shù)。如前所述，它主要受以下三個因素的影響：①耗盡區(qū)的光載流子的渡越時間；②耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴散時間；③光電二極管及與其相關(guān)的電路的RC時間常數(shù)。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(qū)內(nèi)產(chǎn)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(fā)的電子數(shù)量越多，暗電流越大。對于PIN管，設(shè)溫度為T1時的暗電流為Id(T1)，當(dāng)溫度上升到T2時則有

式中，C是經(jīng)驗常數(shù)，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(jù)所選用半導(dǎo)體材料的不同，暗電流的變化范圍在0.1～500nA之間。光檢測器的噪聲光檢測器的噪聲是限制光纖通信系統(tǒng)接收機靈敏度的關(guān)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(tǒng)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(dǎo)致的瞬間電子數(shù)目圍繞其平均值的起伏稱為熱噪聲。3．1/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(nèi)，當(dāng)信號的調(diào)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。7.2探測器與放大電路PIN產(chǎn)品及參數(shù)PIN光電二極管具有較好的光電轉(zhuǎn)換線性度、響應(yīng)速度快、不需要高的工作電壓等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。長波長PIN管性能指標(biāo)（深圳飛通光電股份有限公司提供）參數(shù)符號測試條件最小典型最大單位波長1100—1600nm暗電流IdVR=5V,25℃—15nA響應(yīng)度（1310nm）RVR=5V,

=1310nm0.80——A/W飽和光功率PVR=5V——10mW光敏面直徑—75—m上升、下降時間tr,tfRL=50—0.1—ns電容CVR=5V——0.75pF7.2探測器與放大電路2．APD產(chǎn)品及參數(shù)APD-TIA組件的光電性能。

參數(shù)符號測試條件范圍單位最小值典型值最大值響應(yīng)波長—1260—1580nmAPD擊穿電壓VBRId=100A，Tc=+25℃50—70VVBR溫度系數(shù)Tc=-20℃~+85℃—0.126—V/℃工作電流DC355065mA響應(yīng)度RPin=-30dBm,

=1310nm,M=10.750.85—A/W帶寬（-3dB）AC,RL=50,M=10,

=1310nm,Pin=-30dBm1.51.8—GHz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-7-5—dBm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探測器與放大電路7.2.3光接收機光接收機的組成 光接收機的作用是將光纖終端的光信號轉(zhuǎn)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(tǒng)分模擬和數(shù)字兩種傳輸系統(tǒng)。在這兩種不同系統(tǒng)中采用的光接收機分別稱為模擬光接收機和數(shù)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(jīng)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(jù)模擬信號的調(diào)制方式，選擇相應(yīng)的解調(diào)器，解調(diào)后的信號即為所需的模擬電信號。數(shù)字光接收機方框圖如圖（b）所示，考慮到數(shù)字系統(tǒng)的普及性，本節(jié)重點介紹數(shù)字光接收機各部分的功能及相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。7.2探測器與放大電路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(jīng)過前置放大器放大，前置放大器在光接收機中起關(guān)鍵作用，要求它有足夠小的噪聲、適當(dāng)?shù)膸捄鸵欢ǖ脑鲆?。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(yīng)晶體管互阻抗前置放大器、PIN-FET（PIN管與場效應(yīng)管）前置放大器組件等。其輸出電壓為

互阻放大器的主要優(yōu)點是：動態(tài)范圍較寬；輸出阻抗小，不易感應(yīng)耦合噪聲；性能穩(wěn)定，容易通過調(diào)節(jié)RF控制增益。2．增益可調(diào)節(jié)的主放大器前置放大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(diào)節(jié)增益的作用。當(dāng)光電檢測器輸出的信號出現(xiàn)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(diào)整，即輸入信號越大，增益越小，反之，對于小的信號呈現(xiàn)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。3．濾波器 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，光脈沖從光發(fā)射機輸出，經(jīng)過光纖長距離傳輸，由于光纖色散的影響，波形將出現(xiàn)拖尾，系統(tǒng)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特性，會使光脈沖發(fā)生畸變，同時加劇碼元間的串?dāng)_，造成判決電路誤判，產(chǎn)生誤碼。所以在判決電路前必須加濾波器對已發(fā)生畸變和有嚴(yán)重碼間干擾的信號進行均衡，使其盡可能地恢復(fù)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(jīng)發(fā)生拖尾現(xiàn)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?dāng)_。但經(jīng)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(yīng)為零。這樣，即使經(jīng)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(guān)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．時鐘恢復(fù)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(shè)法知道應(yīng)在什么時刻進行判決，亦即應(yīng)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(fù)電路應(yīng)該完成的功能。接著再根據(jù)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(shù)指標(biāo)靈敏度是光接收機最重要的參數(shù)，它表征光接收機調(diào)整到最佳工作狀態(tài)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(guī)定信噪比SNR（SignalNoiseRatio）所要求的最小平均接收光功率；對于數(shù)字光接收機而言，它等于在滿足特定誤碼率BER（biterrorrate）條件下，光接收機所需的最小平均光功率，通常，數(shù)字光接收機要求的誤碼率小于10－9，也即要求1×109個碼元中最多有1個錯碼。由于靈敏度與誤碼率密切相關(guān)，所以先討論數(shù)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(guān)系。7.2探測器與放大電路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和比特0的概率密度函數(shù)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(biāo)1表示應(yīng)出現(xiàn)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(biāo)0表示應(yīng)出現(xiàn)比特0。假設(shè)比特1和0到達的概率相同，都是1/2，誤碼率則為

濾波器輸出信號在抽樣時刻的統(tǒng)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(shù)學(xué)期望；為方差。利用概率密度函數(shù)便可計算P1和P0。設(shè)比特1對應(yīng)的高斯輸出均值和方差分別是b1和，比特0對應(yīng)的高斯輸出均值和方差分別是b0和，如圖所示。2．量子極限假設(shè)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(chǎn)生。在該條件下，就可以得到數(shù)字系統(tǒng)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(shù)；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(jīng)不能用前述的高斯分布來描述噪聲特性，而是應(yīng)用泊松分布形容電子-空穴對產(chǎn)生的起伏，即

式中，n為Np個光子產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)，光功率入射到光檢測器上而沒有產(chǎn)生電子-空穴對的概率是

由此可以推導(dǎo)得出誤碼率的表達式

可以算得，當(dāng)要求時，Np=9ln1021，也就是說，每個比特1含有的平均光子數(shù)應(yīng)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(tǒng)特性的基本物理限制，大多數(shù)接收機的靈敏度要比量子極限高出20dB左右。3．靈敏度光接收機的靈敏度與諸多因素有關(guān)，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，也較為復(fù)雜，這里僅僅給出一種計算的公式，對它的推導(dǎo)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

7.2探測器與放大電路光收發(fā)合一模塊

光收發(fā)合一模塊是將傳統(tǒng)分離的發(fā)射、接收組件合二為一的一種新型光電器件，其應(yīng)用的領(lǐng)域包括千兆以太網(wǎng)、同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)（SDH/SONET）、CWDM、CDMA光纖直放站、光纖通道、城域網(wǎng)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米。光收發(fā)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(fā)合一模塊的外形圖。這里介紹某光收發(fā)合一模塊產(chǎn)品，其功能簡述如下：2.488Gb/s光發(fā)射接收單元；16路155.52Mb/s復(fù)用/解復(fù)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40~80km；差分LVPECL（低壓正發(fā)射極耦合邏輯）數(shù)據(jù)接口；診斷環(huán)回；線路環(huán)回；單＋3.3V電源。7.2探測器與放大電路2.5Gb/s長程Transponder模塊結(jié)構(gòu)（武漢電信器件公司）7.2探測器與放大電路性能參數(shù)測試環(huán)境最小值典型值最大值單位發(fā)射部分平均輸出光功率-20+3dBm消光比8.210dB輸出眼圖滿足TelcordiaGR-253和ITU-TG.975建議要求中心波長RTXM164129013101330nmRTXM163148015501580nm邊模抑制比30dB-20dB帶寬1nm性能參數(shù)測試環(huán)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?fù)p-27dB無光告警點-38-36dBmBER=1×10-11性能參數(shù)測試環(huán)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(fù)端負(fù)載阻抗100VCC-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(jiān)測500mV激光器偏置電流監(jiān)測20mV/mA激光器關(guān)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(huán)回使能LVPECL電平（低有效）線路環(huán)回使能LVPECL電平（低有效）MUX/DEMUX復(fù)位LVPECL電平（低有效）RTXM163/164電接口技術(shù)指標(biāo)（武漢電信器件公司提供）7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)7.3.1模擬信號的調(diào)制與解調(diào)1.直接強度調(diào)制直接強度調(diào)制方式就是用基帶信號直接對光源進行強度調(diào)制，也就是使光源的光強度直接隨傳輸?shù)男盘栕兓?。此時光纖通信系統(tǒng)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(xiàn)達到較好的性能指標(biāo)。在這種調(diào)制方式中，通常使用驅(qū)動電流—光輸出特性線性較好的LED作光源。7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)2.脈沖頻率調(diào)制(PFM)

脈沖頻率調(diào)制（PFM）方式是目前模擬信號傳輸中傳輸質(zhì)量較高的一種方式，是信號進行光強度調(diào)制之前的一種預(yù)處理過程。信號經(jīng)過脈沖頻率調(diào)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(zhì)量的提高。脈沖頻率調(diào)制有兩種方式，一種是調(diào)制脈沖的重復(fù)頻率隨信號幅度大小呈線性變化，而脈沖持續(xù)期(脈寬)固定不變，另一種則是脈沖占空比為11，而調(diào)制脈沖的重復(fù)頻率仍然與信號的幅度成比例變化，也稱為方波頻率調(diào)制。7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)脈沖頻率調(diào)制的電路實現(xiàn)

利用ICL8038構(gòu)成脈沖頻率調(diào)制電路7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)脈沖頻率調(diào)制的電路實現(xiàn)

利用MC1658構(gòu)成脈沖頻率調(diào)制電路7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)脈沖頻率調(diào)制的電路實現(xiàn)

7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)脈沖頻率調(diào)制的電路實現(xiàn)

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(diào)。脈沖頻率調(diào)制解調(diào)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(xiàn)脈沖頻率信號的解調(diào)，恢復(fù)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7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)脈沖頻率調(diào)制的電路實現(xiàn)

7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)脈沖頻率調(diào)制的電路實現(xiàn)

7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)7.3.1數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)1.直接強度調(diào)制直接強度調(diào)制方式就是用基帶信號直接對光源進行強度調(diào)制，也就是使光源的光強度直接隨傳輸?shù)男盘栕兓４藭r光纖通信系統(tǒng)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(xiàn)達到較好的性能指標(biāo)。在這種調(diào)制方式中，通常使用驅(qū)動電流—光輸出特性線性較好的LED作光源。7.3調(diào)制與解調(diào)技術(shù)7.3.1數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)對于數(shù)字光發(fā)射機，電形式的數(shù)字信號通過輸入接口后，必須經(jīng)過碼型變換，將普通的二進制雙極性信號轉(zhuǎn)換成適合在光纖中傳輸?shù)拇a型信號，然后送至驅(qū)動電路，完成這一功能的部件稱為線路編碼單元，（1）線路編碼單元

數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)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(xiàn)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(tài)；6B為一組，共有64個狀態(tài)。要在64個狀態(tài)中選出32個代替5B的狀態(tài)對應(yīng)，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20000001100101100101610000110001110001100001110011100001171000111100101000120001011011010001018100101110100100103000111000111000111910011010011010011400100110101100100201010011010011010050010110010110010121101010101010101016001101001101001102210110010110010110700111100111000111231011101011101010080100010101110100024110001110000110009010011010011010012511001011001011001100101010101010101026110100110100110101101011001011001011271101101101100101012011001011001011002811100011100011100130110110110100010129111010111010010011401110101110000110301111001111000110015011110011100011103111111001101001101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(jù)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”。mB1H中的H稱為混合碼，它可以用于在線誤差檢測、區(qū)間通信或者是幀同步、公務(wù)、數(shù)據(jù)、監(jiān)測等信息的傳送。mB1P中的P碼是奇偶校驗碼，當(dāng)m位碼內(nèi)“1”的個數(shù)為奇數(shù)時，則P碼為“1”，反之為“0”。

輸入數(shù)據(jù)的碼型變換可以由編碼器實現(xiàn)。由于對激光器的驅(qū)動必須是串行的數(shù)據(jù)脈沖，所以編碼器的最后輸出需將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行形式。

外調(diào)制器特點和類型

光源采用直接調(diào)制方式時，由于帶寬受半導(dǎo)體光源的振蕩頻率的限制和光源啁啾效應(yīng)的存在，使得這種方式無法應(yīng)用在2.5Gb/s以上的高速率光纖通信系統(tǒng)中。此時，必須使用外調(diào)制器。圖3.4.1為外調(diào)制光發(fā)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(diào)制器的電極上，從而把來自激光二極管的連續(xù)光波轉(zhuǎn)換成為一個隨電信號變化的光輸出信號。

外調(diào)制下的光源是在直流狀態(tài)下工作，因而避免了激光器的啁啾效應(yīng)。

7.4光信號的調(diào)制常用的外調(diào)制器類型有：馬赫－曾特（M-Z）型電光強度調(diào)制器；多量子阱電吸收MQW－EA（Electroabsorption）調(diào)制器。

1.M-Z型電光強度調(diào)制器

圖3.4.2是M-Z型調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖。它用鈮酸鋰晶體LiNbO3制成，其中的光波導(dǎo)是在晶體上用鈦擴散技術(shù)制作。電信號加到如圖所示的電極上，來自激光器的連續(xù)波輸入到調(diào)制器的左端，然后被均勻地分配到兩個臂中，經(jīng)過電信號的調(diào)制后從右端輸出。

M-Z型電光強度調(diào)制器的轉(zhuǎn)移特性可表示為

（3.4.1）

式中，PS是入射光功率，Le是附加損耗，Vπ稱作半波電壓，它取決于調(diào)制器材料和尺寸，V是調(diào)制電信號，φb稱為配置相位，它取決于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。圖3.4.3畫出了調(diào)制器P—V歸一化關(guān)系曲線，由圖可見，輸出光與調(diào)制電壓在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性的關(guān)系。

P—V調(diào)制曲線M-Z型調(diào)制器結(jié)構(gòu)0.5歸一化功率1V調(diào)制電壓輸出光功率Vπ/2Vm2.多量子阱電吸收MQW－EA調(diào)制器

多量子阱電吸收MQW－EA調(diào)制器可將外調(diào)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(diào)制器的主要缺點，M-Z型調(diào)制器要求較高的調(diào)制電壓（10V），并且有較大的插入損耗。

該調(diào)制器工作過程是這樣的：由DFB激光器輻射的連續(xù)光波穿過由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的波導(dǎo)管。當(dāng)不加電壓時，因為波導(dǎo)管的截止波長小于入射光的波長，所以DFB激光器發(fā)射的光可順利穿過波導(dǎo)管；當(dāng)加上調(diào)制電壓后，波導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg變小，因而截止波長增大，波導(dǎo)材料開始吸收人射光，也即電場對光的作用等效成一個衰減器。轉(zhuǎn)移特性表示為

（3.4.2）

式中，V是調(diào)制電壓，α是和調(diào)制器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，對于MQW型，該值在2～4之間，P0為調(diào)制電壓為零時的輸出光功率，V0為常數(shù)。

光纖通信系統(tǒng)對調(diào)制的要求是：高的調(diào)制速率和寬的調(diào)制帶寬；低的驅(qū)動電壓；低的插入損耗；高消光比。

7.4光信號的調(diào)制3.4.2外調(diào)制器工作原理

外調(diào)制器通常是基于晶體的電光、聲光、磁光等效應(yīng)或者晶體對光頻的吸收作用工作的。以晶體的電光效應(yīng)為例，當(dāng)把電壓加到晶體上的時候，將使晶體的折射率發(fā)生變化，結(jié)果引起通過該晶體的光波特性發(fā)生變化，晶體的這種性質(zhì)稱為電光效應(yīng)。

圖3.4.4示出了LiNbO3波導(dǎo)相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，條形波導(dǎo)是通過在x切割的LiNbO襯底上用鈦擴散技術(shù)制造的寬9、長lcm形成的，調(diào)制電場E加在z方向，產(chǎn)生的折射率變化為

式中，LiNbO3晶體的參數(shù)為：。調(diào)制電場為調(diào)制信號電壓，d為電極間的距離。傳輸光波在波導(dǎo)中產(chǎn)生的相位變化為

式中，L為波導(dǎo)長度，稱為半波電壓

由于條形波導(dǎo)的L／d很大，使得半波電壓大大下降。對于圖所示的相位波導(dǎo)調(diào)制器，調(diào)制電極間距8，半波電壓僅為0.85V。在相位匹配的行波狀態(tài)下，調(diào)制帶寬達5GHz。

LiNbO晶體端面進行增透處理，單模尾纖用V型槽和UV環(huán)氧樹脂粘膠。在波長為1550nm時，光纖—波導(dǎo)—光纖的TE模插入損耗僅1.8dB。

LiNbO波導(dǎo)相位調(diào)制器3.4.3外調(diào)制器技術(shù)指標(biāo)

外調(diào)制器常用的技術(shù)指標(biāo)有：

1.調(diào)制深度

調(diào)制深度ηI的定義為

（3.4.8）

式中，I為調(diào)制波光強，I0為不加調(diào)制信號時的光強，Im為加最大調(diào)制信號時的光強。

2.調(diào)制指數(shù)

調(diào)制指數(shù)ηφ的定義為

（3.4.9）

式中，為導(dǎo)模在外電場作用下產(chǎn)生的折射率增量，d為電極長度。

3.半波電壓

半波電壓定義為調(diào)制指數(shù)為π時的調(diào)制電壓。

4.調(diào)制帶寬

調(diào)制帶寬定義為

（3.4.10）

式中，R是調(diào)制器等效電路中與電容C并聯(lián)的負(fù)載電阻，C是調(diào)制器的集總電容，包括電極、連接器和引線電容，但主要由電極電容確定。當(dāng)R=50Ω,C=2pF時，GHz。

外調(diào)制器的技術(shù)指標(biāo)還有最大調(diào)制頻率、單位帶寬驅(qū)動功率、插入損耗和消光比等。

M-Z型電光強度調(diào)制器的調(diào)制深度可達80％，半波電壓約3.6V，調(diào)制帶寬可達17GHZ，功耗35μW/MHz。

表3.7列出了工作速率為10Gb/sLiNbO調(diào)制器的技術(shù)指標(biāo)。LiNbO調(diào)制器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)范圍單位光學(xué)參數(shù)工作波長1535～1565nm插入損耗<5dB消光比>12dB反射損耗>-40dB射頻參數(shù)帶寬>8GHzVπ@DC>5.5V上升/下降時間<50ps偏置Vπ@DC<8V阻抗>1000Ω7.4光信號的調(diào)制7.5復(fù)用技術(shù) 盡管目前光纖通信單信道實用化系統(tǒng)的傳輸速率發(fā)展到了10Gbit/s，線路的利用率有了很大提高，但與光纖巨大的帶寬潛力相比還微不足道。 本章將介紹光時分復(fù)用、波分復(fù)用、光頻分復(fù)用、光碼分復(fù)用和光副載波復(fù)用等常用的幾種光復(fù)用技術(shù)。光復(fù)用技術(shù)的基本概念光時分復(fù)用技術(shù)密集波分復(fù)用技術(shù)密集波分復(fù)用系統(tǒng)的非線性串?dāng)_7.5復(fù)用技術(shù) 復(fù)用技術(shù)是為了提高通信線路的利用率，而采用的在同一傳輸線路上同時傳輸多路不同信號而互不干擾的技術(shù)。 另一種復(fù)用技術(shù)稱為“統(tǒng)計復(fù)用”。它全稱叫做“統(tǒng)計時分多路復(fù)用”(StatisticalTimeDivisionMultiplexing，STDM)，或稱“異步時分多路復(fù)用”。7.5復(fù)用技術(shù) 光纖通信經(jīng)過30多年的發(fā)展，單信道實用化系統(tǒng)的傳輸速率從1976年的45Mbit/s發(fā)展到了10Gbit/s，線路的利用率得到了很大提高(但與光纖巨大的帶寬潛力相比這點帶寬還微不足道)。7.5復(fù)用技術(shù) 光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)是在一芯光纖中同時傳輸多波長光信號的一項技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端將組合波長的光信號分開，并作進一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端。7.5復(fù)用技術(shù) 為了進一步提高光纖帶寬利用率，相鄰兩光載波的間隔將越來越小，一般認(rèn)為：當(dāng)相鄰光載波的間隔小到0.1nm(10GHz)以下時，此時的復(fù)用稱為光頻分復(fù)用。 光時分復(fù)用(OTDM)技術(shù)指利用高速光開關(guān)把多路光信號在時域里復(fù)用到一路上的技術(shù)。 光副載波復(fù)用(OSCM)技術(shù)是將基帶信號首先調(diào)制到GHz的副載波上，再把副載波調(diào)制到THz的光載波上。7.5復(fù)用技術(shù) 光碼分復(fù)用(OCDM)技術(shù)是CDM(CodeDivisionMultiplexing)技術(shù)和光纖通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在這種復(fù)用技術(shù)中，每個信道不是占用一個給定的波長、頻率或者時隙，而是以一個特有的編碼脈沖序列方式來傳送其比特信息。 光波分復(fù)用、光時分復(fù)用、光副載波復(fù)用和光碼分復(fù)用都是正在使用和研究的光纖復(fù)用技術(shù)，這些技術(shù)的使用能增加線路容量，提高線路利用率。7.5復(fù)用技術(shù) 光時分復(fù)用(OTDM)的原理與電時分復(fù)用相同，只不過電時分復(fù)用是在電域中完成，而光時分復(fù)用是在光域中進行，即將高速的光支路數(shù)據(jù)流(例如10Gbit/s，甚至40Gbit/s)直接復(fù)用進光域，產(chǎn)生極高比特率的合成光數(shù)據(jù)流。7.5復(fù)用技術(shù)比特交錯光時分復(fù)用 比特交錯光時分復(fù)用時，首先由鎖模激光器產(chǎn)生窄脈沖周期序列，然后將窄脈沖周期序列分路為n路，每路窄脈沖周期序列分別被一路支路數(shù)據(jù)流(電信號)外調(diào)制，對已調(diào)制過的第i支路光數(shù)據(jù)流(i=1，2，…n)脈沖通過適當(dāng)長度的硅光纖延時i×τ(光在硅光纖中傳播速度約為2×108m/s，1km的光纖提供約5μs的時延)，這樣，不同支路光脈沖流延遲時間不同，在時間上復(fù)用不會重疊，便于數(shù)據(jù)流的復(fù)接。7.5復(fù)用技術(shù)分組交錯光時分復(fù)用 分組交錯光時分復(fù)用和比特交錯光時分復(fù)用一樣，首先由鎖模激光器產(chǎn)生窄脈沖周期序列，然后將窄脈沖周期序列分路為n路，每路窄脈沖周期序列分別被一路支路數(shù)據(jù)流(電信號)外調(diào)制。7.5復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)壓縮的原理框圖如圖(b)所示。圖中的3dB耦合器起分路和合路作用，它將輸入的窄光脈沖分為兩路，或?qū)⑻幚硗旰蟮膬陕饭饷}沖合并為一路；兩個半導(dǎo)體放大器(SemiconductorOpticalAmplifier，SOA)具有高電平驅(qū)動時透光，低電平驅(qū)動時吸光的特性，它們的驅(qū)動時鐘相位相差180°，放大器的作用一是對分路損耗進行補償，二是在互補的兩路時鐘驅(qū)動下輪流透光，從而將光脈沖流分組(每組的比特數(shù)取決于驅(qū)動時鐘高電平的寬度)，使一組通過延遲線，另一組則不通過延遲線；延遲線的作用是將比特組延遲一定的時間。7.5復(fù)用技術(shù)分組交錯復(fù)用原理圖光波分復(fù)用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)技術(shù)是在一根光纖中同時傳輸多個波長光信號的一項技術(shù)。其基本原理是在發(fā)送端將不同波長的光信號組合起來(復(fù)用)，并耦合到光纜線路上的同一根光纖中進行傳輸，在接收端又將組合波長的光信號分開(解復(fù)用)，并作進一步處理，恢復(fù)出原信號后送入不同的終端，因此將此項技術(shù)稱為光波長分割復(fù)用技術(shù)，簡稱光波分復(fù)用技術(shù)。7.5復(fù)用技術(shù) 波分復(fù)用技術(shù)有以下主要特點。 (1)可以充分利用光纖的巨大帶寬潛力，使一根光纖上的傳輸容量比單波長傳輸增加幾十至上萬倍。 (2)N個波長復(fù)用以后在一根光纖中傳輸，在大容量長途傳輸時可以節(jié)約大量的光纖。7.5復(fù)用技術(shù)(3)波分復(fù)用通道對傳輸信號是完全透明的，即對傳輸碼率、數(shù)據(jù)格式及調(diào)制方式均具有透明性，可同時提供多種協(xié)議的業(yè)務(wù)，不受限制地提供端到端業(yè)務(wù)。(4)可擴展性好。(5)降低器件的超高速要求。7.5復(fù)用技術(shù) WDM系統(tǒng)從不同的角度可以分為不同的類型，常見的分類方法有：從傳輸方向分，可以分為雙纖單向波分復(fù)用系統(tǒng)和單纖雙向波分復(fù)用系統(tǒng)；從光接口類型分，可以分為集成式波分復(fù)用系統(tǒng)和開放式波分復(fù)用系統(tǒng)。1.雙纖單向傳輸 單向DWM是指所有光路同時在一根光纖上沿同一方向傳送，如圖8.10所示。7.5復(fù)用技術(shù)雙纖單向傳輸示意圖7.5復(fù)用技術(shù)2.單纖雙向傳輸 同一光波分復(fù)用器既可作合波器，又可作分波器，具有方向的可逆性，因此，可以在同一根光纖上實現(xiàn)雙向傳輸。3.集成式波分復(fù)用系統(tǒng) 考慮到各波長之間的影響最小和更多廠家的設(shè)備能互通工作，WDM使用的激光器發(fā)出的光的中心波長、波長間隔、中心頻率偏移等均有嚴(yán)格的規(guī)定，必需符合ITU-TG.692建議。7.5復(fù)用技術(shù)4.開放式波分復(fù)用系統(tǒng) 開放式系統(tǒng)就是在波分復(fù)用器前加入波長轉(zhuǎn)換器(OpticalTransitionUnit，OTU)，將SDH非規(guī)范的波長轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)波長，如圖8.13所示。7.5復(fù)用技術(shù)開放式WDM系統(tǒng)7.5復(fù)用技術(shù)WDM系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與工作原理 一般來說，WDM系統(tǒng)主要由以下五部分組成：光發(fā)射機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。 光發(fā)射機是WDM系統(tǒng)的核心，除了對WDM系統(tǒng)中發(fā)射激光器的中心波長有特殊的要求外，還需要根據(jù)WDM系統(tǒng)的不同應(yīng)用(主要是傳輸光纖的類型和無電中繼傳輸?shù)木嚯x)來選擇具有一定色度色散容限的發(fā)射機。7.5復(fù)用技術(shù)7.6.1耦合器

1.耦合器類型

耦合器是對光信號實現(xiàn)分路、合路和分配的無源器件，是波分復(fù)用、光纖局域網(wǎng)、光纖有線電視網(wǎng)以及某些測量儀表中不可缺少的光學(xué)器件。展示了幾種典型的光纖耦合器結(jié)構(gòu)圖。(b)4端口耦合器4312分路器合路器(a)3端口耦合器(c)星形耦合器NMλ1λ1＋λ2λ2λ1＋λ2(d)3波分復(fù)用器λ2λ1

(b)4端口耦合器4312分路器合路器(a)3端口耦合器(c)星形耦合器NMλ1λ1＋λ2λ2λ1＋λ2(d)3波分復(fù)用器λ2λ17.6構(gòu)成光通信鏈路系統(tǒng)還需要那些器件

其中圖(b)也稱為2ⅹ2耦合器，它用來完成光功率在不同端口間的分配，是構(gòu)成其它光學(xué)元件的基礎(chǔ)。圖(c)有多個輸入端口和多個輸出端口，稱為星型耦合器，它通常完成將單個輸入信號分配給多個輸出信號的功能。星型耦合器常用多個2ⅹ2耦合器級聯(lián)而成。圖(d)除了涉及光功率的分配外，還涉及到不同波長的分配，我們將它稱為波分復(fù)用器。它可以看作是一種特殊形式的光纖耦合器。光纖耦合器有熔錐型，研磨型。除用光纖制成耦合器外，還可用集成光波導(dǎo)制作耦合器。

7.6構(gòu)成光通信鏈路系統(tǒng)還需要那些器件

2.工作原理

2×2耦合器是最簡單的器件，我們以它為例來說明耦合器的工作原理。圖5.2.2為熔錐型光纖耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。

光纖耦合器結(jié)構(gòu)和原理7.6構(gòu)成光通信鏈路系統(tǒng)還需要那些器件

將兩根單模光纖扭絞在一起，然后加熱并拉伸，使它在長為W的距離內(nèi)均勻熔融以形成耦合器。在耦合區(qū)，纖芯直徑變小，歸一化頻率下降，由(2.3.10)式可知，V值越小模場直徑越大，也即模場超過光纖直徑的部分越多。見圖(5.2.2)。這樣，一個光模式的更多部分在耦合區(qū)的包層部分傳播，然后被耦合到另一根光纖的纖芯中。

從一根光纖耦合到另一根光纖的光功率取決于耦合區(qū)內(nèi)兩個纖芯之間的距離、兩個纖芯直徑和工作波長，并與耦合區(qū)的長度有關(guān)。

圖中Pin是輸入功率，P1稱為直通功率，P2是耦合到第二根光纖中的功率，P3、P4是由于耦合器彎曲和封裝而產(chǎn)生的反射和散射功率。假設(shè)耦合器是無損耗的，因為P3、P4的比例很小，在此也忽略掉，則耦合功率和直通功率分別可表示為

（5.2.1）

（5.2.2）

式中c為耦合系數(shù)

（5.2.3）

其中d為兩光纖耦合區(qū)中的纖芯距離，K0、K1為第二類零階和一階的貝塞爾函數(shù)。

圖5.2.3示出了歸一化功率與耦合區(qū)長度以及波長的關(guān)系。顯然，當(dāng)波長固定時，可以通過改變W等參數(shù)來制作不同性能的耦合器。

3.性能參數(shù)

表示光纖耦合器性能的主要參數(shù)有插入損耗，附加損耗，分光比與隔離度(串音)。在實際的耦合器中，信號通過它時，總會有一些損耗。兩種基本類型的損耗就是插入損耗和附加損耗。

（1）插入損耗

插入損耗是指光功率從特定的端口到另一端口路徑的損耗。從輸入端口k到輸出端口j的插入損耗可表示為

(5.2.4)

（2）附加損耗

附加損耗的定義是輸入功率與總輸出功率的比值

(5.2.5)

對于圖5.2.2所示的2×2耦合器有

（3）分光比

分光比是某一輸出端口的光功率與所有輸出端口光功率之比

(5.2.6)

它說明輸出端口間光功率分配的百分比。對于2×2耦合器可以是

（4）隔離度

隔離度也稱作為方向性或串?dāng)_，隔離度高意味著線路之間的串?dāng)_小。它表示輸入功率出現(xiàn)在不希望的輸出端的多少。對于2×2耦合器，其數(shù)學(xué)形式是

(5.2.8)

圖5.2.4為某一耦合器的實物照片。表5.4為其性能指標(biāo)，表中的均勻性是在工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出功率的最大變化量。偏振相關(guān)損耗（PolarizationDependantLoss）是衡量耦合器對傳輸光信號偏振態(tài)敏感程度的參量，它指的是傳輸光信號的偏振方向發(fā)生3600的變化時，耦合器輸出端口輸出光功率的最大變化量。

1×2耦合器實物照片

7.6.2濾波器

濾波器是一種波長選擇器件，在光纖通信系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用，如上節(jié)光放大器中噪聲的濾波。特別在WDM光纖網(wǎng)絡(luò)中每個接收機都必須選擇所需要的信道，濾波器成為必不可少的部分。

濾波器分成固定濾波器和可調(diào)諧濾波器兩大類。前者是允許一個確定波長的信號光通過，而后者是可以在一定光帶寬范圍內(nèi)動態(tài)地選擇波長，見圖5.2.5所示。

(a)固定波長濾波器 (b)可調(diào)諧波段

圖5.2.5光濾波器功能和分類

光濾波器λk(固定)光濾波器λi(可調(diào))λ1，λ2，…λnΔλλ1λ2λn濾波器的特性如圖5.2.6所示。由該圖我們了解一下固定波長濾波器的主要參數(shù)，它們是中心波長λ0，帶寬Δλ，除它們以外，還有插入損耗和隔離度等。對于可調(diào)諧濾波器，主要參數(shù)有調(diào)諧范圍、帶寬、可分辨信道數(shù)、調(diào)諧速度、插入損耗、偏振相關(guān)損耗和分辨率等。其中可分辨信道數(shù)是信道范圍與最小信道間隔之比。調(diào)諧速度指的是濾波器調(diào)到指定波長所需要的時間。分辨率是濾波器能檢測的最小波長偏移。圖5.2.6

實際濾波器的傳輸特性λ(nm)傳輸特性（dB）λ0Δλ0.5dB我們首先了解固定波長濾波器的工作原理。

1.固定波長濾波器

（1）薄膜干涉濾波器

這種濾波器采用多層不同材料的介質(zhì)薄膜構(gòu)成，一層為高折射率，一層為低折射率，交疊而成。每層介質(zhì)的等效光學(xué)厚度為λ/4，利用各層的反射光與入射光的干涉效應(yīng)實現(xiàn)濾波。當(dāng)光由光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì)時，反射光不產(chǎn)生相移；而當(dāng)光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時，反射光產(chǎn)生1800相移。由于介質(zhì)厚度為λ/4，光經(jīng)低折射率層內(nèi)傳輸、反射、再傳輸后的總相移為3600，與經(jīng)高折射率層的反射光同相疊加，這樣，在中心波長附近，各層的反射光疊加，在濾波器上端面形成很強的反射光，得到中心波長為具有一定帶寬的光信號。其它頻率的光因不能滿足相長干涉而不能被反射。

薄膜干涉濾波器結(jié)構(gòu)

λ/4空氣λ/4λ/4空氣高折射率低折射率低折射率（2）法布里－珀羅固定波長濾波器

法布里－珀羅固定波長濾波器是由兩片平行鏡組成的諧振腔組成，如圖5.2.8 所示。當(dāng)入射光波長滿足諧振條件時方能通過，式中L為諧振腔體的長度，N為整數(shù)。

該濾波器的傳輸特性可由下式表示

（

式中 是介質(zhì)和平行鏡吸收引起的插入損耗，為兩平行鏡的反射率，是光在腔體中的速度，由（5.2.9）式可看出，傳輸特性是與R密切相關(guān)的一個周期函數(shù)，圖5.2.8(b)畫出了傳輸特性曲線，我們將周期長度稱為自由光譜范圍FSR

（5.2.10）

F-P濾波器的帶寬由下列公式給出

(5.2.11)

定義

（5.2.12）

為F-P濾波器的精細(xì)度，它反映濾波器的選擇性，即能分辨的最小頻率差。F-P濾波器原理

L平行鏡入射光平行鏡透射光R1FSRΔfP－F頻率R2R1<R2TFPF10.57.6構(gòu)成光通信鏈路系統(tǒng)還需要那些器件

2．可調(diào)諧濾波器

嚴(yán)格來說，可調(diào)諧濾波器屬于有源器件，它可以通過控制電壓或溫度的變化來改變?yōu)V波器的某些參數(shù)，從而達到波長動態(tài)選擇的目的。

可調(diào)諧濾波器主要使用在WDM系統(tǒng)中，WDM網(wǎng)絡(luò)中所有波長都應(yīng)從ITU標(biāo)準(zhǔn)中選取，如波長間隔約為0.8nm(1550nm窗口)，則對應(yīng)信道頻率間隔是100GHz。所以可調(diào)諧濾波器的調(diào)諧范圍、帶寬應(yīng)該根據(jù)要求來設(shè)計。我們討論以下幾種濾波器

（1）光纖法布里－珀羅濾波器

工作原理與F-P固定波長濾波器相同，輸入光纖和輸出光纖的兩個端面被拋光鍍膜，兩個光纖端面之間的部分構(gòu)成了法布里－珀羅腔，這兩根光纖經(jīng)過支架與壓電陶瓷相連，對壓電陶瓷施加電壓（300～500V）可使支架產(chǎn)生左右變化的位移，如圖，從而改變反射鏡之間的長度，達到波長調(diào)諧的目的。

如果不是通過壓電陶瓷改變F-P腔長而是在兩光纖端面之間填入介質(zhì)液晶，由于液晶的折射率隨著施加電壓的變化迅速改變，F(xiàn)-P腔的光子長度也隨之變化。這種填充液晶的濾波器調(diào)諧時間在10內(nèi)，調(diào)諧范圍達80nm，波長分辨率0.05~10nm，插入損耗為幾個分貝。光纖壓電陶瓷壓電陶瓷光纖反射鏡支架

光纖F-P濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

光纖壓電陶瓷壓電陶瓷光纖反射鏡支架7.6構(gòu)成光通信鏈路系統(tǒng)還需要那些器件

（2）馬赫－曾特干涉濾波器

馬赫－曾特（M-Z）干涉濾波器的機理是基于單色光經(jīng)過不同長度光波導(dǎo)傳輸后之間的干涉。在圖5.2.10中，兩個波長和的光信號輸入光纖，經(jīng)過方向耦合器使它們均勻地被分配到濾波器的兩臂上，光信號經(jīng)過兩臂時，獲得的相位變化不等，也即產(chǎn)生了相位差，當(dāng)它們以不同的相位到達第二個方向耦合器時，如果相位差滿足一定的條件，在輸出光纖1端，波長“相長”干涉，波長“相消”干涉，所以輸出波長為的光波。同理，輸出光纖2端輸出波長為的光波。圖5.2.10中，臂2上放置了光電材料，當(dāng)臂上的電壓改變時，該臂的折射率便發(fā)生變化，假設(shè)兩臂的長度相等為L，臂1的折射率為，臂長的折射率為，則在第二個耦合器輸入端兩個臂中光波的相位差為