光纤通道培训教材

1、继电保护光纤通道 贺家李 徐刚 编著天 津 大 学电力研究与培训中心二零零七年九月 继电保护光纤通道第一节 光纤通讯的发展简史光波是波长极短的电磁波。因此，科学家早已断定利用光波进行通讯在理论上是可行的，也是人们长期以来梦寐以求的。光波的频率在3×1014以上，用这样高频率的波作为载波，可获得比现有通讯方式大万倍的通讯容量，又不受一般的电磁干扰，因而是一种理想的传输介质。但是如何使光波沿着预定的通道长距离传输却是一个极难的问题。只有当激光和光导纤维问世之后，才使这一难题的解决成为可能。利用光纤作为光的传输介质的研究工作经历了约30年的时间，早在1950年国外就有人开始了光在光纤中传输

2、的理论研究。1951年出现了用于医疗的光导纤维。但由于那时的光纤中光的传输衰耗太大，故不能用于一定距离的光通讯。1966年，英籍华人高锟博士揭示了制成衰耗低于20dB/km光纤的可能性。而当时世界上最优良的光学玻璃衰耗在1000dB/km左右。因而这个预见未被普通相信和重视。只有美国贝尔实验室主席Iam Ross和英国电信研究所（BTRL，BPO）的领导人对此极感兴趣，遂与美国康宁玻璃公司合作研制。至1970年该公司的Maurer等人首先制成了衰耗为20dB/km的光纤，取得了重大突破。高锟博士指出，降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要途径。沿此途径，在1974年光纤衰耗已降低到2

3、dB/km。另外，玻璃内的OH离子也是造成衰耗的重要因素。解决此问题后，到1980年用于1.55m波长的光纤衰耗值已降低到0.2dB/km。实现光纤通讯的另一重要问题是光源。60年代，光纤通讯的研究主要应用波长为0.85m附近的近红外区。因此，当时主要研究GaAlAs(镓铝砷)半导体激光器。当时制成的这种激光器不能在室温下运用，寿命很短。经过长时间艰难的研究工作，到1970年Hayashi等人终于制成了能在室温下连续运行的GaAlAs激光器。与此同时，1971年Burrus等人制成了GsAlAs发光二极管（LED），其寿命长、价格低廉，但频谱宽、速率低、功率小。80年代制成了适用于1.3m、1

4、.55m的InGaAsP(铟镓砷磷)长波长激光器和发光管，现已得到广泛应用。光接收器件也是光纤通讯必不可少的重要组成部分。随着光纤的发展，及时地研制成功适用于短波长的Si-PIN管和Si-APD雪崩光电二极管及适用长波长的InGaAs或InP的PIN管和APD管，还有Ge-APD管等。1976年后，美国建成传输速率为44Mbit/s（每秒传送44M位数字信号）、传输距离达到10km的商用光纤通讯线路。80年代，光纤通讯进入大规模发展阶段。目前世界上光纤通讯已被广泛应用，全世界光纤用量每年约60007000万km 。国际上565Mbit/s的高速光纤通讯系统（可传送7680路双向电话）已广泛应用

5、，2.4Gbit/s超高速系统也将投入运行。我国早在70年代初就开展了光纤通讯的研究，70年代末已经能制造用于1.3 m波长、衰耗为4dB/km的多模光纤，并能制造0.85 m波长的发光二极管和激光器。80年代初，研制成长波长多模光纤、长波长激光器和PIN-FET光电检测组件，在武汉建立了市内光纤线路。1991年，建成合肥至芜湖的150km光纤线路。目前全国每年光纤用量约在550万km以上。国产的光纤衰耗可低至0.34dB/km，年产量已超过100万km。由此可见，我国光纤通讯的发展非常迅速，在电力系统中也得到广泛应用。第二节 光纤通讯的优点和构成原理 光纤通讯与其他通讯方式比较有很多优点，对

6、应用于电力系统而言，主要有以下几点。 （1）通讯容量大 随着电力系统保护、控制、远动技术的发展，需要愈来愈大的通讯容量。微波通道的通讯容量一般只有960路，而用光缆构成的光纤通道当用0.85m短波长时通讯容量可达1920路，当用1.55m长波长时通讯容量可达7680路。 （2）工作可靠 载波通道受雷电和电力系统操作产生的电磁干扰很大，信号衰耗受天气变化的影响很大，有时甚至不能工作。微波通道受电磁干扰较小，但在恶劣天气条件下信号衰落很大。光纤通道不受电磁干扰，基本上不受天气变化的影响，因此工作可靠性远高于载波和微波通道。这对于电力系统特别重要。 图1示光纤通讯系统构成框图，图中示出了通道的一个传

7、输方向。向反方向传输的结构与此完全相同。图中发端的电端机是常规的通讯发送设备，用于对信息的信号进行处理，例如进行模数转换，调制和多路复用等。发端的光端机内有作为光源的激光器或发光器或发光二极管，其作用是将电信号调制到光信号上。然后将经调制的光源输入光纤，向对端传输。光信号在传输途中要经过多次中继器的整形和放大，以恢复其形状和强度，再向前传输。中继器的间隔大约为5070km。中继器的原理是用光检测器将光信号变成电信号，经过整形放大后，再变成光信号。在。收端正好相反。经光纤传来的光信号经光检测器后变成电信号，再经收端电端机的解调，恢复成发端信号的形状。 图1 光纤通讯系统构成框图 第三节 光纤及其

8、传光原理一.光纤与光缆1. 光纤的构造图2为光纤横截面示意图。如图所示，光纤由纤芯、包层、涂敷层和套塑四部分组成。纤芯位于光纤的中心，是光传输的主要途径，其主要成分是高纯度的二氧化硅，其纯度要达到99.9999%，其余成分为掺入的杂质。常用的杂质有五氧化二磷（P2O5）和二氧化锗（GeO2）。掺加此杂质的作用是提高纤芯的电介强度和折射率。纤芯的直径2a一般在550m之间。包层也是掺加有少量杂质的高纯度二氧化硅。包层所用的杂质为氟或硼，其作用是降低包层的电介强度和折射率。包层的直径2b一般为125m。包层的外面涂敷一层很薄的环氧树脂或硅橡胶，其作用是增加光纤的机械强度。涂敷层之外是用尼龙或聚乙烯

9、作成的套塑，其作用也是加强光纤的机械强度。 (a) (b) 图2光纤横截面示意图 图3 阶跃型(a)和渐变型(b)光纤的折射率沿横截面的分布 根据杂质在纤芯材料中的分布，光纤分阶跃型和渐变型两种。所谓阶跃型光纤是指纤芯材料中杂质的分布是均匀的，因而在纤芯中各处电介常数和折射率也是均匀的、相同的，是一常数。但在纤芯与包层分界处，电介常数和折射率阶跃式地突然减少。所谓渐变型光纤是指纤芯中杂质从轴线开始沿着半径方向逐渐变化，因而纤芯材料中电介常数和折射率也沿着半径方向逐渐变化。图3(a)和（b）分别表示这两种光纤中折射率沿横截面的分布。在这两种光纤中光的传输方式是不同的，详见后面。2. 光缆在实际应

10、用中，将多根光纤集中在一起作成类似于电缆的光缆进行敷设，以保证不受外界的影响而损坏。4表示一六芯光缆的横截面。光纤围绕一多股钢丝绳排列。多股钢丝绳的作用是增强光缆的机械强度。此外，为了保证中继站之间的电信号联系，有些情况下也为了给中继站供电，在光缆中通常还敷设一对塑料包皮的铜导线。除了六芯光缆外，还有四芯，八芯的光缆等。 图4 六芯光缆横截面示意图象 图5. 光在两种介质分界面处的反射与折射二. 光在光纤中的传播1光的反射和折射 当光从一种介质入射到另一种介质时，由于光在两种介质中传播的速度不同，在两种介质的分界面上要反射和折射。如果两种介质材料成份都是均匀的，则其物理常数如导磁率和电介常数也

11、必然是均匀的。设用下标1和下标2分别表示两种介质，其导磁率都等于空气的导磁率，即,，其电介常数分别为1和2，光在两种介质中传播速度各为1= , 2= , 其对于光的折射率分别为：n1= n2= 设光的入射角为1，反射角为1，折射角为2，如图6所示，则根据斯奈尔（Snell）定律： (1) 2. 光的全反射 如果上面所举的两种介质的折射率之间的关系为n1>n2，则由式（1）知，如果 ， 则可以发生 (2)这是没有意义的，这说明折射角大于90°，亦即光不会进入介质2 ，而是全部反射回介质1。这种现象就是光的全反射。从式（1）可见，产生全反射与否不但与n2/n1 有关,也与入射角有关

12、。设产生全反射的临界入射角为，则应有 (2-3)3.光在光纤中的传播图6（a）示光在阶跃型光纤中传播的情况。所谓阶跃式是指在纤芯中和包层中光的折射率都是均匀分布的。包层的折射率n小于纤芯的折射率n。从纤芯到包层，在分界面上折射率突然减小。光通过光纤轴线斜射入光纤。当入射角大于等于临界入射角时，产生全反射，光线不进入包层，完全在纤芯中沿着轴线方向曲折前进。实线和虚线代表不同的入射角时的传播情况。图6（b）示光在渐变型光纤中的传播情况。所谓渐变式是指在纤芯中从轴线沿着径向方向折射率逐渐减小。由于在渐变型光纤中，纤芯中的折射率沿半径方向逐渐变化，故光在行进中连续地产生折射，行进路径呈曲线形状。 图6

13、 光在光纤中的传播方式 （a）阶跃型光纤中光的传播（b）渐变型光纤中光的传播 4光纤的类型34光纤有三种基本型式：(1)多模(折射率)阶跃式，简称多模阶跃式；(2)多模(折射率)渐变式，简称多模渐变式；(3)单模(折射率)阶跃式，简称单模阶跃式。 多模是指可传送多束光线，单模则指沿轴线传送一束光线。在图7（a)的多模光纤中所能传输的光束数(模式)决定于纤芯的半径和纤芯与包层折射率的差别。由多个光束组成的光脉冲在多模阶跃式光纤中传输时，沿轴线传输的光束传输的路程最短，因而传输所需的时间也最短。与轴线夹角愈大的光束在传输过程中反射的次数越多，经过的路程越长，传输到末端所需的时间也越长，因而各光束到

14、达终端的时间也不同，使得光脉冲变宽。这种现象称为光的色散，这就使得各光脉冲之间的间隔不能太小，免得互相衔接使脉冲丢失，使信号发生错误。因此，多模阶跃式光纤的数据传输速率较低，只能用于短距离数据传输，也常用于图像传输。这种光纤的优点是直径较大，机械强度较大，光源和光纤的对准比较容易。图7 光纤的类别和光的传输途径示意(a)多模阶跃式；(b)多模渐变式；(c)单模阶跃式在图7(b)中的多模渐变式光纤中，纤芯的折射率从轴线沿着径向方向逐渐减小。光束沿着轴线传输的距离虽短，但速度较慢，距中心线越远处光束的传输距离虽长但速度较快，这就部分地补偿了由于路程不同而产生的时间差异，使光脉冲的变形减小。这种光纤

15、用于中等距离、中等信号速率的数据传输。图7(c)的单模阶跃式光纤的纤芯半径较小，只传输沿中心线射入的一种光束，消除了色散现象，可用于远距离高数据速率的传输。其缺点是光纤太细，机械强度较小，需要非常精密的光源与光纤的对准工具，这些问题目前都已圆满解决。5光缆敷设的方法光缆有五种敷设的方法：(1)包在架空地线的铝绞线内；(2)绕在输电线导线上；(3)埋在沿线路的电缆沟中；(4)挂在输电线导线或架空地线导线上；(5)专门敷设平行于输电线的架空光缆线路。上述五种敷设方法中，第一种方法最好，在国外已得到大量应用，在我国也已开始应用。当光纤通道用于5070km以下的短距离输电线，不需要中继站，和导引线保护

16、一样，但没有过电压、电磁干扰等问题。目前，对光纤的降低衰耗、现场“焊接”、对正等技术和工具问题都已解决，故可用于任何长距离的输电线，只是与微波保护一样每经过5070km需要设立一个中继站。和载波和微波通道不同，光纤通信是单方向的，发送和接收各用一根光纤。因光纤通信容量很大，可与其他通信部门复用。 三 光纤的损耗与色散 光在光纤中传播时能量会愈来愈小，这是由于光纤引起的能量损耗所致。引起能量损耗的原因很多，但可归结为吸收和散射两大类，分别简要说明如下。1. 光在光纤中的吸收损耗 （1）. 光纤材料本身引起的吸收损耗 1) 红外吸收损耗。石英玻璃（SiO2）是光纤的基础材料。在波长9m、12.5m

17、和21m处，其Si-O键发生振动而吸收一部分光能，从而造成损耗。这几个波长都在红外区域，故称红外吸收损耗。由于目前光纤的工作波长与这几个振动波长的距离较远，故红外吸收损耗对光纤通讯影响不; 2）紫外吸收损耗。在光纤材料SiO2的原子中，一些处于低能级的电子会吸收紫光的一些能量而跃迁到高能级状态，因而造成光能的损失。这种由于电子跃迁造成的损耗发生在波长为0.16m附近的紫外区域。因此，对常用的0.85m波长的光纤通讯有一定的影响。 (2) 光纤材料中杂质造成的吸收损耗 杂质的吸收损耗主要是由于金属离子和OH 根离子造成的。 1 ) 金属离子造成的损耗。 在光纤材料杂质中可能有铁、铜、钒、镍、和钴

18、等金属离子。这些金属离子要吸收一些光能造成损耗，但是现代提纯技术水平大大提高，使得金属离子的吸收损耗已不重要; 2) OH-根离子造成的损耗。 在光纤加工过程中，不可避免的要有一些OH-根离子残留于其中，OH-根离子的振动要产生光能损耗。OH-根振动的基波位于2.73m处，在此处吸收损耗量最大。这距离常用的波长较远，无大影响。但其二次和三次谐波分别出现在1.38m和0.95m。距常用的波长较近，有一定的影响。三次以上谐波的振动形成的吸收损耗很小，可以忽略不计。 3) 原子缺陷造成的吸收损耗。 原子缺陷造成的吸收损耗是在光纤材料受到某种激励，例如热激励或强幅射激励时，造成原子缺陷而吸收光能，称为

19、原子缺陷吸收损耗。目前在光纤制作时，已选用这种损耗最小的石英玻璃，因而原子缺陷吸收损耗的影响已经很小。 2. 光在光纤中的散射损耗太阳光穿过大气时，遇到大气的分子或微粒会发生散射而使天空变成蔚蓝色。同样，光在光纤中传输时遇到光纤微观结构的不均匀性也会产生散射。制作光纤时，其玻璃材料在冷却过程中，内部会出现分子级的密度不均匀性，这种不均匀微粒的尺寸比光波波长还要小，光遇到这些不均匀的微粒就要发生散射，造成散射损耗，称之为瑞利散射损耗。瑞利散射损耗与成正比。故波长增大时，瑞利散射损耗急剧减小。此外，在入射光很强时，还会发生受激散射，即布里渊受激散射和喇曼受激散射。因为这样产生的散射光与入射光的波长

20、不一样，故称为非线性散射。受激散射是一种受激现象，与其他受激现象一样，它的产生有一定的阈值。研究表明，只有当入射到光纤中的光功率达到80 mW时，才会引起严重的非线性散射而造成非线性散射损耗。但光纤通讯中使用的半导体光源能注入光纤的功率远小于此数值，因此可以不考虑这种散射损耗。 3.光纤的幅射损耗以上所讲的吸收损耗和散射损耗都是由于光纤材料本身的固有性质所引起的，故称为本征损耗。除此而外，在光纤生产和敷设过程中还会产生一些附加的缺陷而造成损耗。例如纤芯的直径和包层的尺寸的不均匀性，玻璃中残留的气泡、敷设时过大的弯曲等都会产生光的幅射。幅射光的一部分进入包层而引起幅射损耗。随着现代光纤制作水平工

21、艺的提高，幅射损耗已可减到最低水平。 4光纤中光能总损耗的谱特性与工作窗口上述各种损耗都与入射光的波长有关。总损耗对波长的关系称为总损耗的谱特性。如图8所示。可以看到，在短波长范围和长波长范围有三个损耗相对较低的范围：0.8 0.9m，1.21.3m，1.441.52m。这三个波长范围一般用于光纤通讯，称为三个工作窗口。图8 光纤总损耗的谱特性与工作窗口 5. 光纤的色散上面提到色散，下面再作一详细说明。所谓色散是指利用光纤进行数字通讯时光脉冲被展宽的现象。光在光纤中传输时的色散现象如图9所示。图中示出光在阶跃型光纤中传播时脉冲被展宽的原因。 图9 光在光纤中传输时的色散现象（ a）脉冲展宽的

22、原因; （b）入射角不同，波长、速度相同的两束光和它们的合成脉冲；（c）色散示意图图9（a）示以不同入射角射入光纤的两束光1和2。设二光束的波长相同，因而在光纤中的传播速度也相同。 图9（b）示当二光束的入射角相同时它们各自的脉冲和合成脉冲。在此情况下没有色散现象。但如果 二束光的入射角不同，因而反射角也不同，向前传播的路程也不同。设光束1沿轴线方向射入，因而无反射地向前传输。而光束2以产生全反射的入射角射入，而按折线所示的路径向前传输。由于光束2走的路程长于光束1所走的路程，故其到达末端的时间比光束1到达的时间晚，因而在输出端两个脉冲相加产生的合成脉冲比输入端的合成脉冲宽。这种现象叫做色散，

23、如图9（c）所示。由于色散现象存在，使得用在数字通讯时脉冲之间的间隔不能太小，亦即传送速率不能太高，这限制了通讯容量的提高。此外，因色散造成的脉冲展宽程度与传送距离有关，因此色散也限制了光纤通讯的距离。第四节 光发讯机一 概述与高频通道和微波通道相似，光纤通道是要将代表话音、控制命令、遥测数据或信息的音频信号或脉冲调制在一种光源上，通过光纤传送到远端。这就需要有光源、调制或编码电路和相应的控制电路。这些电路构成光发信机，其框图示于图3-1。其主要器件是光源。由于光纤通道的传输介质是光纤，因而对于光源有一些特殊的要求：（1） 由于光纤芯径很小，要求光源要有较小的发光面积，并且与光纤之间能够很好耦

24、合。（2） 光源发光的波长应在光纤通讯的三个低耗的工作窗口内，即0.80.9、1.21.3、1.451.55m。（3） 由于光纤通道要传送许多路高速脉冲信号，因此要求光源有足够大的功率和很快的响应速度。（4） 作为电力系统的主要通讯系统，要求光源具有很高的可靠性，对温度等外界条件的变化不敏感。图10 光发讯机框图二 激光发生的原理光纤通道的光源主要是半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。为了解释这种光源的工作原理，首先要了解半导体发光的机理，亦即光的受激吸收、自发辐射和受激辐射的过程。1. 能级和能带 物质中的原子由原子核和围绕其旋转的很多电子组成。每个电子都沿着一定的轨道旋转，每个轨道

25、代表着沿其旋转的电子所具有的一定能量。根据量子力学的理论，电子的轨道不能是连续的，任意的，因此每个电子只能具有对应于所在轨道的能量，其值也是不连续的，任意的，故称为能级。一个电子要从一个轨道跃迁到另一轨道，必须吸收或释放两个轨道能级之差的能量。其放出的能量常以光的形式辐射出来。图11（a）（b）示一个孤立原子中电子的轨道和能级。最外层的电子称为价电子，其数目决定了物质的原子价。 半导体中的原子按一定的规则排列，构成晶体。原子的最外层电子常为多个原子所共有，成为共价电子。由于各原子的互相影响。共价电子不可能只具有一个能级，而是可具有相差很小的许多能级，称为能带。价电子所具有的能带称为价带，其最高

26、能级用E1表示(电子带负电荷其能量是负的, E1是的最大)，如图11（c）所示。 价带中的电子受到外界能源，例如光或热的激发，可以吸收一定的能量而脱离原子核的束缚而自由移动，亦即从价带跃迁到导电带，简称导带。导带中的电子在外加电场的作用下移动形成电流。 导带的最小能级用E2或E表示，价带的最高能级用E1或E表示.电子不能具有E1到E2之间的能级。此区域代表的能带称为禁带。禁带的能量用Ef表示，因此，要使电子从价带跃迁到导带必须吸收等于Ef 的能量。 在稳定状态下，能级较低的电子有一定的概率跃迁到较高的能级。能级较高的电子也有一定的概率跃迁到较低的能级。在某个能级之下，被电子占据的概率大于1/2

27、，此能级称为“费米能级”如图11（c）中虚线所示。 图11 电子的轨道、能级和能带（a）轨道；（b）能级；（c）能带2. 受激吸收如图12所示，当低能级E1上的一个电子受到一个具有 能量e=E1-E2的光子照射时，可能吸收此能量而跃迁到高能级E2上去。这个过程称为光的受激吸收。光的受激吸收有一定的概率。设N1为处于能级E2上的电子密度（单位体积的电子数），照射的光子频率为 f21=(E2-E1)/h , h=6.626176×10-34J·S，h为普朗克常数，设在E1能级上每个电子在单位时间内能够发生受激吸收的概率为W,在时间dt内单位体积内跃迁到高能级E2的电子数为dN1

28、2= WN1dt则 W12= dN12 / N1dt (4)其值与温度和照射光的频率等因素有关。 （a） (b) 图12 电子的受激吸收和自发辐射（a）受激吸收 (b) 自发辐射3.自发辐射电子总是力图占据较低的能级，因而在高能级E2上的电子是不稳定的，总是力图向低能级E1跃迁。这种跃迁是自发的（非受激的）。电子在自发跃迁时以光的形式释放出其多余的能量E2-E1，称为自发辐射。自发辐射光的频率为 f21=（E2-E1）/ h (5)自发幅射也有一定的概率A21，设位于能级E2上的电子数为N2，在dt时间内单位体积中由E2自发跃迁到E1的电子数为 dN21=A21N2dt即 A21= dN21/

29、 N2 dt (6)4. 受激辐射 除了自发跃迁外，处于高能级E2上的电子受到光子照射时，也可以从E2跃迁到低能 级E1，同时辐射出频率为f12的光子。这种辐射称为受激辐射。与受激吸收相似，产生受激辐射也有一定的概率W21，即 W21=dN21 / N2dt (7)式中N2为处于能级E2的电子密度；dN12为dt时间内产生受激辐射的电子数。受激辐射与自发辐射不同之处在于：自发辐射是电子独立的从高能级E2向低能级E1跃迁时辐射的光。各电子自发辐射发出的光虽然频率相同，但彼此无关，可以有不同的相位，并且可向所有方向传播。而受激辐射的光子和激励源的光子不仅频率相同，而且相位和传播方向也相同，亦即受激

30、辐射的光是一种和入射光相干的光。在受激辐射过程中，如果激励源光子的频率 f与正好满足 hf=E2-E1则处于高能级E2电子发生受激辐射，由E2跃迁到E1，又激励E1上的电子发生受激吸收，由E1跃迁到E2。亦即受激吸收和受激辐射两个过程同时发生，而且发生的概率相同。5. 光的放大 对于一般的物质，在热平衡状态下处于低能级E1的电子数N1总是大于处于高能级E2的电子数N2，因而受激吸收占主导地位，称为吸收媒质。光经过吸收媒质时，其能量逐渐被吸收而光强减弱。 在一定的条件下，可使某些物质的高能级E2上的电子数N2大于低能级E1上的电子数N1。在这种情况下，光的受激辐射将占主导地位。在一个光子的激发下

31、可使E2上的一个电子受激辐射，产生另一个与入射光子的频率、相位、传播方向完全相同的光子。一个光子变成两个光子。亦即光被放大。如果E2的电子数能从外界能源不断供给，则这种放大可继续维持下去。产生光放大的条件是使高能级上的电子数N2大于低能级上的电子数N1，这称为电子数的反转分布。 6. 光的谐振 与电子学中的振荡器一样，如果将被放大光的一部分作为正反馈来进行进一步放大，则可产生光的振荡。图13为光振荡器示意图，是由光的放大媒质与两个反射镜构成。后面的反射镜对光进行全部反射，反射率为100%。前面的反射镜有一小孔，可使被放大光的一部分通过小孔射出，形成激光光束。其余被反射回去的部分光因而产生光的振

32、荡。从图中可看出能够被放大和产生振荡的光只能是与谐振腔轴线平行的光。不平行的光将穿过谐振腔两侧面而逸出。因此经过放大和振荡而输出的激光具有很强的方向性，能量非常集中，这是激光最大的特点。，图13光振荡器示意图三 半导体激光器（LD） 1. 半导体发光原理在N型半导体中，多数载流子电子的数目极多；而在P型半导体中，多数载流子空穴的数目极多。当将这两种不同的半导体结合在一起时，N型半导体中的电子向P型半导体中扩散，P型半导体中的空穴向N 型半导体中扩散，因而在两种半导体结合处形成 了一个只有空间电荷没有自由电荷的区域，叫做P-N结，两种空间电荷之间出现一个静电场，称为自建电场，如图14所示。自建电

33、场阻止了电子和空穴的进一步扩散，而达到了一种平衡状态。在平衡状态下，由于自建电场的存在，PN两种半导体之间出现了一个电位差VD，称为势垒，因而P型半导体中电子的能带都比相应的N型半导体中电子的能带高一个eVD值，如图15所示。 e为电子的电荷。 (a) (b)图14 P-N结的空间电荷和自建电场 图15 PN结的势垒和能级分布 势垒的大小与半导体材料中所掺的杂质的浓度有关。在杂质浓度很大的情况下，势垒很大，使得N型半导体中导带最低能级EC甚至于低于P型材料价带的最高能级EV。在杂质浓度足够大时，N材料的EC低于费米能级EF。而P材料中的EV高于EF，低于费米能级的区域容易被电子占据，故N材料中

34、EC到EF之间聚集着很多电子，而在P材料之中EF到EV之间容易被空穴占据，故聚集着很多空穴。 当给PN结加以正向电压（正加在P，负加压N）时，此电压抵消了一部分自建电场，使势垒减小，如图15所示。这样就造成了P-N结区域的电子数反转分布，即导带EC上的电子数多于价带EV上的电子数。因此在外加电压的激发下，电子产生受激辐射，发生激光。只要外加电源产生的电流足够大，足以补充导带中的电子，激光将会连续发射出去。 2. 半导体激光器 砷化镓激光器采用砷化镓（GaAs）作为激活媒质，掺杂的浓度很大。GaAs是III-V族化合物，当掺入IV族元素如Te时，就形成N型半导体，其载流子浓度可达（13）

35、5;1018/cm3；当掺入II族元素如Zn 时，就形成P型半导体，其载流子浓度约为（24）×1019 / cm 3；。用这种半导体构成的P-N结就是激光器的的发光源区，称为有源区。在PN结两端，按照晶体的天然晶面切成相互平行并且光滑的平面，称为解理面。这两个解理面就构成两个反射镜，其间形成激光器的谐振腔。其侧面不要磨光，使不与谐振腔轴线平行的光发散出去，不要反射回来进行放大。在P-N结上下底面上，接上电极，与外电源相连，N接负极，P接正极。 在发光源区内，产生电子数的反转分布，在接通外电源，而且电流超过一定的门坎值时，就会在自发辐射的激发下，使受激辐射大于受激吸收。一个光子就会激发

36、出很多频率、相位、传播方向完全相同的光子，产生光的放大。此外，由于谐振腔的存在，放大的光被进一步放大因而产生振荡，从一端反射镜的小孔向外发射激光。为了使激光能连续的稳定的发射，必须由外电源供给一定的电流，维持有源区粒子数的反转分布。使激光器刚开始产生激光 的注入电流称为激光器的阈值电流。其值愈小时激光器效率就愈高。阈值电流密度一般在（10100）×103A/cm范围内。 用砷化镓一种材料作成的P-N结半导体激光器称为同质结半导体激光器。这种激光器的有源区是载流子扩散产生的，一般较宽。因此，为了能使其发出激光，就需要较大的阈值电流，使激光器的效率降低。此外，这种激光器有源区发出的光有显

37、著的衍射现象。衍射出有源区的光消耗了光能，使输出光的功率降低。同质结半导体激光器的结构如图16（a）所示。为了克服同质结半导体激光器的上述缺点，可采用异质结半导体激光器，即由不同材料构成的P-N结激光器。异质结半导体激光器又有单异质结激光器和双异质结激光器之分。其原理简单解释如下。图16 半导体激光器结构示意图 （a）同质结半导体激光器；（b）单异质结激光器；（c）双异质结激光器 图16（b）示单异质结激光器结构。在此P-N结中，由于镓铝砷GaAlAs禁带宽度较大，在GaAs（p+）之间的交界面上出现一个电位势垒很大的陡坡，使电子不能越过交界面而被限制在GaAs（p）内。因此，GaAs（p）内

38、的电子浓度增大，加强了受激辐射的放大。其次，由于GaAlAs的折射率低于GaAs的折射率约5%，使得在交界面处形成一个高反射层，使受激辐射的光被限制在GaAs中，减少了周围材料对受激辐射光的吸收，提高了光的输出功率。GaAlAs（p+）层的存在不仅提高了光的输出功率，而且还降低了激光器的阈值电流。这种激光器的阈值电流密度约为8000A/cm2。 图16（c）示双异质结激光器的结构。它与单异质结激光器不同之处是在GaAs（p）的左侧也增加了一层GaAlAsN。在GaAsp与GaAlAsN之间形成PN结。GaAlAsN与GaAlAsp+相似，进一步从左侧限制了电子的逾越，增大了GaAsp中电子的浓

39、度，增强了光的放大作用。而且也从左侧限制了光的衍射，进一步提高了光的输出功率，降低了阈值电流。双异质结半导体激光器可使阈值电流降低到7001600A/cm2。 3. 半导体激光器的特性。 (1). 输出特性 半导体激光器的输出光功率P与注入电流I之间的函数关系曲线称为激光器的输出特性，半导体激光器的输出光功率与有源区的电子密度、光子密度、注入电流、有源区厚度以及材料的杂质密度等因素有关，可以通过理论计算得到，也可用实验方法得到。 图17（a）示理论计算得到的输出特性，图17（b）示用实验方法得到的输出特性，可见两者非常接近。图中Ith代表阈值电流。I<Ith区域称为荧光区，是导带中电子自

40、发跃迁到价带而产生自发辐射的区域。I>Ith区称为激光区，是电子受激辐射而产生激光的区域，在此区域所发的光不但强度很大，而且频率、相位、传播方向都相同，是相干激光。 （a） (b)图17 激光器(LD) 的输出特性 图18 激光器(LD)输出光 （a）理论计算的输出特性；（b）实验得出的输出特性 功率随温度的变化关 (2). 温度特性 向半导体激光器P-N 结注入的电功率大部分变成光能发射出去，但也有一部分电功率转化为热消耗掉，P-N结的温度升高。 这将引起阈值电流的变化，从而引起输出光功率的变化。图18示镓铝砷一镓砷激光器输出光功率随温度变化的关系。四. 半导体发光二极管（LED） 半

41、导体发光二极管（LED）所用的材料和半导体激光器（LD）所用的材料一样，主要是用镓铝砷（GaAlAs）和铟镓砷磷（InGaAsP）。其发光原理也和激光器一样，但是利用自发辐射，而不是受激辐射，没有谐振腔，不经过放大。因此所发的光是荧光而不是激光。它不需要太大的电流注入PN结、不需要形成电子数的反转分布。因此，就没有阈值电流问题。由于发光二极管发光输出特性线性度较好，使用简单、成本低廉、寿命长，因而在对性能要求不高的场合使用得很多，故也是光纤通讯中的重要光源。 按照光的输出方向，半导体发光二极管可分为表面发光型和侧面发光型两种。1. 表面发光型 表面发光型发光二极管的光输出方向与PN结面垂直，如

42、图19所示，可用GaAlAs双异质结构作成这种二极管。其最上面的N型GaAs作成的帽状，中心有孔以便插入光纤；周围接电极，最下面的P型GaAs板下面安装散热片和电极。当外加电源的正极接下面电极，负极接上面电极，通电后有电流流过即可发光。所发的光从光纤输出。为了使发光二极管能够更好地与光纤耦合，可在二极管与光纤之间放置一小球透镜。图19 半导体发光二极管 （a）表面发光型发光二极管（b）侧面发光型发光二极管2. 侧面发光型 侧面发光型发光二极管的结构与上述基本相同，只是它输出光的方向与PN结面平行，如图19（b）所示。 由于侧面发光型的发光二极管的光输出方向与PN结面平行，因而PN结的两面在有源

43、区周围形成波导，将辐射光导向发光面，因而可获得较好的耦合效率，故其输出光的方向性较表面发光型好。但侧面发光型发光二极管的发光面比表面发光型发光二级管小，因此，就整体而言，二者输出的光功率大致相同。五. 驱动与调制电路 为了使激光器或发光二极管发光都需要注入电流，即进行驱动。为了用光信号传送信息需要对光信号进行调制。通常可将此二任务合并，用驱动调制电路来完成。 与电信号相同，对光信号也可用调幅、调频、调相的方法进行调制。但由于目前采用的光源的频谱不纯，中心频率不稳定，因而用调频和调相的方法进行调制比较困难。故在当前实用的光纤通讯系统中几乎都采用调幅的方法，即使光源输出的光强度跟随调制信号按线性关

44、系变化。一般采用改变半导体光源器件的激励电流而得到光调幅的方法。1. 模拟信号调制 用模拟信号控制半导体光源的注入电流，使输出光强度随调制信号作线性变化称为模拟信号调制。图19（a）示发光二极管LED的驱动调制电路，实际上这是一三极管甲类放大器，LED为其负载电阻，调制信号通过电容耦合加于基极，经放大后通过LED。由于是甲类线性放大器，故通过LED的电流与调制信号波形完全一致。如果调整放大器的偏置电阻使得Ic 变化范围在发光二级输出特性P-I的线性范围，如图19（b）所示，即可使发光的强度随调制信号作线性变化。图20 . LED的单管模拟信号驱动调制电路 （a）驱动调制电路；（b）调制原理 图

45、21 示出一双管模拟式驱动调制电路，其工作原理与单管电路相同。但因双管中的第一管按共集电极接线，其输入阻抗很高，需要的调制信号功率很小。 图22示出一差分模拟式驱动调制电路。三极管V1和V2特性完全相同，构成差分放大器。V3为一恒流源，通过其集电极的电流是恒定的。参考电压U1用以调整LED的工作点。调制信号Vin加于V1的基极，经过V1放大，放大后的信号电流流过其集电极和V3集电极，因V3为一恒流源，其集电极电流不变，流过V1的电流增加必引起V2的电流减少，亦即流过LED的电流必与放大后的信号电流大小相等、相位相反。因此LED发出的光亦将随着信号电压变化，或者说被信号所调制。 图21. LED

46、的双管模拟式驱动调制电路 图22 LED的差分模拟式驱动调制电路2. 数字信号调制电路数字信号一般采用脉冲编码（PCM）方式传送信息。通过通道传送的是脉冲。因此光源P-I特性的非线性不再是考虑的主要问题，而电路的开关工作速度，即调制速度将成为首要问题。LED光源的调制速度较慢，只能用于较低速度的数字光发讯机中。在较高速度的数字发讯机中，多采用LD作光源。(1)发光二极管的数字信号驱动调制电路图23示一种共发射极单管数字式驱动调制电路。三极管导通时工作于饱和状态。由于三极管工作于饱和工作状态，在饱和期间集电极-集极PN结中贮存了大量的少数载流子，在截止时需要一定的时间来消除这些载流子，因此导通关

47、断的频率不能太高。图24示一发射极耦合的差分数字式驱动调制电路。其工作原理与用于模拟电路的差分放大器相同。由于有发射极恒流源的反馈和限制作用。而且两管轮流导通和截止，因而可工作于较高的速率。图中D1和D2硅二极管的温度特性和V1、V2管的PN结温度特性相同，用作V1和V2管的温度补偿。 图23 LED的单管数字式驱动调制电路 图24 LED的差分数字式驱动调制电路(2) 半导体激光器的数字信号驱动调制电路 图25 示用于半导体激光器的驱动调制电路。V1、V2和V3仍为一差分驱动调制电路，与图24相同。经LD发出的调制光一方面通过光纤送出，一方面将其一部分通过光检测器PIN又变成电信号。此电信号

48、经过运算放大器A1放大后改变V3的基极电位和集电极电流，控制LD的偏置电流，产生负反馈作用。例如当LD的光功率PLD减少时，使PIN的电流IPIN减少，因而使运算放大器A1的“-”端电位（UPIN+UREF+UIN）降低，使A1输出电位UOA1升高，使V3基极电流升高，使V1的集电极电流，亦即流过LD的电流升高，使LD的输出光功率PLD增大，从而达到反馈的目的。当LD的光功率PLD 增大时，反馈过程与此相似。光检测器PIN与LD组装在一起，见下节.。图25 LD的反馈式高稳定数字式驱动调制电路 第五节 光收信机一 光电检测器 能够将光功率转变成电功率的器件称为光电检测器。凡是能够产生光电效应的

49、物质都可作成光电检测器。过去曾用光电效应物质作成阴极的光电管作为光检测器。现代的光电检测器一般用半导体材料作成，光纤通讯中最常用的光电检测器是PIN光电二极管和APD雪崩二极管。 1. PIN光电二极管首先介绍PN结的光电效应。如果给半导体PN结加上与自建电场方向相同电压，使势垒加强、PN结的耗尽区将变宽，其能带结构如图26所示。PN结区内已无自由载流子。如果用光照射此PN结，并且当光子的能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，那么价带的电子可以吸收一个光子的能量而跃迁到导带，产生一对光生电子和空穴，则在外加电场作用下，电子将向N区漂移，而空穴向P区漂移，形成光生电流。这样，光信号就变成了电信号。

50、但是光生电子和空穴在PN结区向两极漂移途中也会发生复合而失去电荷，造成光的吸收，降低了光电转换效率。为了解决这个问题，一方面选择对光的吸收较少的物质作光电二极管。另一方面，延长光生电子-空穴对在PN结区的寿命，即减小复合的概率，应使PN结较宽、杂质浓度较低。PN结宽可产生较多的光生电子空穴对，杂质浓度低可减少复合的概率。由此出发作成了PIN光电二极管，如图26所示。将PN 结改变成PIN三层结构。P层和N层都很薄，中间为掺杂较轻的N型半导体，称为I层。I层很宽。因而使整个PN结区变宽。提高光电转换效率。（a） （b）图26 半导体PN结能带结构和其光电效应 （a）能带结构；（b）先电效应图27

51、 PIN光电二极管的结构与电场分布（a）PIN的结构（b）PIN内部的电场分布 2. APD雪崩型光电二极管 PIN 光电二极管虽然有较大的光电转换效率，但没有放大作用。对于微弱的光信号仍然无法检测。因此，人们又研究制造出了具有放大作用的雪崩光电二极管APD。 (a) (b) 图28 拉通型雪崩二极管RAPD（a）RAPD 的结构；（b）RAPD 的电场分布 图28（a）示一拉通型（Reach-though）雪崩二极管RAPD的结构。RAPD是一种N+PP+层结构，所谓区是掺杂很轻的P半导体材料。当RAPD加上较高的反向电压时，电场强度如图28（b）所示，可见在P和N+间形成一段高场强区，称为

52、雪崩区。 在雪崩区，光生电子-空穴对在强电场作用下，获得很大动能，运动速度很高。高速运动的电子碰到别的原子时，会激发出新的电子一空穴对，后者也获得很大动能。象雪崩一样使电流迅速增大，亦即将光电流放大。当电压增高到一定程度时，耗尽层拉通到区，一直到达P+区。电压再增大时，电场将在P和区分布，使高场强区电压增大缓慢，不会被击穿。因此得到了一种理想的光电转换效率高、频率特性好、噪声低的光电检测器件。因为这种二极管使用的电压很高，为避免PN结从边缘被击穿，故围绕材料有一保护环。 第六节 数字通信原理一 数字通信概论 1. 数字通信是将电话语音，电视图像或电流电压等连续的模拟量经过采样变成离散的模拟量如

53、图29所示，图29(a)表示连续的模拟量。图29(b)为采样脉冲，即读取模拟量瞬时值的时刻，图29(c)是经采样后得到的离散模拟量，称为PAM，其包络线与原连续的模拟量一致。将离散的模拟量PAM再经过量化（例如四舍五入法）变成整数如图30所示，再将此量化的离散模拟量通过模-数(A/D)转换变成二进制数，称为脉冲编码，这种信号称为脉冲编码信号PCM.。PCM信号可以调制到微波通道上用微波传送，也可以调制的光波上用光纤通道传送。这就是数字微波通道和数字光纤通道。关于采样和A/D转换详见本书第八章微机保护。2编码的基本规则将离散化的模拟量用相对应的二进制码表示，变成PCM信号称为编码。编码有几种规则，目前最常用的规则叫折叠二进制编码。以八位二进制码为例，这种码的最高位即第7位为符号位，或符号码，以“0”表示正数，以“1”表示负数。其余7位从最低位（第0位）到第6