光纖課件ch5

1、第五章 光纜和光纖通信器件,5.1光纖的溫度特性和機械特性 5.2光纜的結構和種類 5.3無源光器件 5.4發(fā)光二極管器件簡介 5.5半導體激光二極管器件 5.6電檢測器件 5.7其它新型光通信器件簡介,5.1光纖的溫度特性和機械特性,1光纖的溫度特性通常情況下，光纖的特性受溫度影響不大，但是在溫度很低時，損耗隨溫度降低而增加，尤其是在溫度非常低時，損耗急劇增加，所以高寒地區(qū)工作的光纜應注意到這個特性。,產(chǎn)生這種現(xiàn)象

2、的原因是光纖的熱膨冷縮。構成光纖的二氧化硅(SiO2)的熱膨脹系數(shù)很小，在溫度降低時幾乎不收縮。而光纖在成纜過程中必須經(jīng)涂覆和加上一些其他構件，涂覆材料及其他構件的膨脹系數(shù)較大，當溫度降低時，收縮比較嚴重，所以當溫度變化時，材料的膨脹系數(shù)不同，將使光纖產(chǎn)生微彎，尤其表現(xiàn)在低溫區(qū)。隨著溫度的降低，光纖的附加損耗逐漸增加，當溫度降至-55℃左右，附加損耗急劇增加。因此，在設計光纖通信系統(tǒng)時，必須考慮光纜的高、低溫循環(huán)試驗，以檢驗光

3、纖的損耗是否符合指標要求。,,2光纖的機械特性目前構成光纖的材料是SiO2，要被拉成125μm的細絲。在拉絲過程中，光纖的抗拉強度約為10～20kg/mm2如拉絲后立即在光纖表面進行涂覆，抗拉強度可達400kg/mm2。這里所說光纖的強度是指抗張強度，當光纖受到的張力超過它的承受能力時，光纖就將斷裂對于光纖抗斷強度，它和涂覆層的厚度有關，當涂覆厚度為5～10μm時，抗斷強度為330kg/   mm2只有強度符

4、合要求的光纖才能用來成纜。,,5.2 光纜的結構和種類,由光纖的溫度特性和機械特性可知光纖必須制作成光纜才能使用。光纜線路在長期使用中，必須經(jīng)受敷設安裝和長期維護運用的考驗。因此，對光纜有如下基本要求： ① 不能因成纜而使光纖的傳輸特性惡化； ② 在成纜過程中光纖不斷裂； ③ 纜徑細、重量輕； ④ 便于施工和維護,1光纜的基本結構光纜由纜芯、加強元件和外護層組成。(1) 纜芯纜芯由光纖芯線組

5、成，它可分為單芯和多芯兩種。二次涂覆主要采用下列兩種保護結構：① 緊套結構② 松套結構,,兩種保護結構如圖5-2-1所示,(2) 加強元件光纖材料比較脆，容易斷裂，為了使光纜便于承受敷設安裝時所加的外力等，因此在光纜中要加一根或多根加強元件位于中心或分散在四周。加強元件的材料可用鋼絲或非金屬的纖維——增強塑料(FRP)等。(3) 護層光纜的護層主要是對已經(jīng)成纜的光纖芯線起保護作用，避免由于外部機械力和環(huán)境影響造成

6、對光纖的損壞。,,2光纜的種類(1) 層絞式光纜(2) 單位式光纜(3) 骨架式光纜(4) 帶狀式光纜,,3幾種新型光纜簡介(1) 常規(guī)光纜長途通信光纜線路廣泛使用的是G·652常規(guī)單模光纜。這種光纜的光纖損耗在λ=1.55μm附近時最小，但色散較大約為18ps/(nm·km)；在λ=1.31μm損耗較小，約0.35dB/km色散幾乎為零。(2) 色散位移光纜色散位移光纜即是由色散

7、位移光纖DSF構成的光纜。DSF是使單模光纖的材料色散和波導色散相互補償，在1.55μm附近總色散為零。色散位移光纜可以實現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)的大容量，超長距離的傳輸。,,(3) 非零色散光纜它是由非零色散光纖NZDF構成的光纜。在波分復用WDM技術中，DSF由于光纖的非線性效應而產(chǎn)生四波混頻等現(xiàn)象。為了解決這個問題設計一種新型光纜。非零色散光纖NZDF，光纖工作波長在1.54～1.565μm范圍內，色散值不為零，但這個值較小約為

8、1.0～4.0ps/(km·nm)。和常規(guī)光纖相比，在這個波長范圍內，色散和損耗都比較小，所以可以實現(xiàn)超長距離的傳輸，又可以采用WDM技術。,,(4) 色散平坦光纜利用WDM技術，為了挖掘光纖的潛力，充分利用光纖的有效帶寬，在1.3～1.6μm的波長范圍內，都能夠保持低損耗和低色散，在相對比較寬的范圍內得到平坦的低色散特性，設計一種新型光纖——色散平坦光纖DFF。由DFF構成的光纜即是色散平坦光纜。DFF也是通過改變光

9、纖的折射率的方法實現(xiàn)在1.3～1.6μm波長范圍內的平坦的低色散。,,5.3無源光器件,在光纖通信系統(tǒng)中需要眾多的無源光器件，在光路中起著光纖連接、光功率分配、光信息的衰減、隔離和調制、光波分復用、光信道切換等作用。這些無源光器件包括連接器、分路器與耦合器、衰減器、隔離器、濾波器、波分復用器、光開關和調制器等。,1光纖的連接與光纖連接器光纖與光纖的連接有兩種：一種是永久性連接，另一種是活動連接。光纖與光纖的永久性連接通常采用高

10、頻電弧放電熔接的方法。活動連接是通過光纖連接器來實現(xiàn)光纖連接器的作用不僅實現(xiàn)光纖與光纖之間的活動連接，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)中設備之間、設備與儀表之間、設備與光纖之間的活動連接。,,光纖連接器的結構種類很多，但大多用精密套筒來準直纖芯，以降低損耗。光纖連接器又分多模連接器和單模連接器。接口類型有FC型、及SC型、ST等幾種類型。根據(jù)不同要求使用。,,2光纖分路器及耦合器 在光纖通信系統(tǒng)或光纖測試中，經(jīng)常要遇到需要從

11、光纖的主傳輸信道中取出一部分光，作為監(jiān)測、控制等使用，這就用到光纖分路器；也需要把兩個不同方向來的光信號合起來送 入一根光纖中傳輸，這就用光纖耦合器來完成。 分路器及耦合器按其結構不同可分為棱鏡式和光纖式兩類。 光纖分路器及耦合器種類很多，有：Y型分路器、X型2×2定向耦合器、1×N及N×N星型耦合器等等。,,3光衰減器當輸入光功率超過某一范圍時，為了使光接收機不產(chǎn)生失真

12、，或為了滿足光線路中某種測試的需要，就必須對輸入光信號進行一定程度的衰減。目前常用的光衰減器主要采用金屬蒸發(fā)膜來吸收光能進行光衰減，衰減量的大小與膜的厚度成正比。光衰減器可分為固定衰減器和可變衰減器兩種。,,4光隔離器某些光器件，像LD及光放大器等對來自連接器、熔接點、濾波器等的反射光非常敏感，并導致性能惡化。因此需要用光隔離器來阻止反射光。光隔離器是一種只允許單向光通過的無源光器件，其工作基于法拉第旋轉的非互易性。,,

13、5光開關光開關在光纖通信技術中作光路切換之用，如系統(tǒng)的主備切換等。光開關主要有兩大類，即機械式及波導式。機械式開關如圖5-3-6所示,,6光濾波器光濾波器在光纖通信系統(tǒng)中的應用正在不斷擴大，如波分復用系統(tǒng)中的波長選擇、光放大器中的噪聲濾波等。光濾波器的種類很多，如干涉濾光片型、FP型、馬赫—曾特型、聲光型、電光型、光柵型及有源型等。目前用得較多的是干涉濾光片型及FP型。,,7波分復用器波分復用器把不同波長的

14、光信號復合注入到一根光纖中；或者把復合的多波長信號解復用，把不同波長的信號分離出來。波分復用器的種類：有棱鏡色散型、衍射光柵型及干涉濾光型等，波分復用器的結構：由光纖、分光元件和準直聚焦系統(tǒng)組成,,5.4發(fā)光二極管器件簡介,1發(fā)光二極管(LED)發(fā)光二級管(LED)于1962年發(fā)明，1968年用于光檢測，后用于通信。它的發(fā)光機理是電致發(fā)光，當LED的PN結加上正向偏壓時，在電場的作用下，PN結有源區(qū)注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合

15、而發(fā)光，發(fā)光過程是自發(fā)輻射。LED類型有：邊發(fā)光二極管(ELED)、面發(fā)光二極管(SLED)和超輻射發(fā)光二級管(SLD,2邊發(fā)光二極管(ELED)邊發(fā)光二極管即PN結平面與發(fā)光面垂直。為了使器件有好的光和載流子限制，大多采用雙異質結(DH)結構。邊發(fā)光二極管一般采用與LD相同條形結構，一個端面鍍全反射膜，另一端鍍增透(減反膜)取消諧振腔激光振蕩。,,邊發(fā)光二極管特點是：① 減小光束發(fā)散小，垂直于結平面方向發(fā)散角30

16、76;左右。比面發(fā)光二極管光束窄，從側面向光纖芯發(fā)射，易于和光纖耦合。② 相同注入電流下，有較小的載流子壽命，故調制帶比面發(fā)光二極管高(可達200MHz)。,,3面發(fā)光二極管(SLED)面發(fā)光二極管(SLED)即PN管面與發(fā)光面平行，SLED有如下特點：驅動電流較大，發(fā)光強度高，溫度特性較好；但帶寬較寬，單色性差。面發(fā)光二極管(SLED)的結構如圖5-4-2所示,,4高速發(fā)光二極管對光纖傳輸系統(tǒng)來說，要求LED有高的輸

17、出光功率和寬的調制帶寬。要想獲得大于300MHz的帶寬，必須增加二極管有源區(qū)中的復合(輻射和非輻射)速率，減少少子壽命是提高LED帶寬的有效途徑?？梢詮母咚貺ED設計制作和高速LED驅動電路兩個方面來考慮。,,高速LED設計制作準則(1)    高的注入電流和小的有源區(qū)面積(2)    有源區(qū)的重摻雜(3) 利用雙分子復合效應 高速LED驅動電路LE

18、D驅動電路的最佳設計對改善短距高速光纖通信的消光比和調制速度至關重要。一個完整的高速LED驅動電路，除基本的驅動電路功能外，還要加上輸入邏輯電平、保持電路和其它電路。,,5超輻射發(fā)光二極管 超輻射發(fā)光二極管(SLD)是一種介于激光二極管(LD)和發(fā)光二極管(LED)之間的半導體光源，它的出現(xiàn)和發(fā)展完全受到光纖陀螺的驅動，并成為一種重要的光源。 短波SLD易于得到較大的功率輸出，而長波SLD除具有更高的可靠性和

19、更長的壽命外，還具有譜線寬和抗核輻射性能好的優(yōu)點。,,6LED組件LED組件由LED芯片、LED驅動電路組成。對于高級LED組件，為了保證LED穩(wěn)定可靠工作，還配置溫控系統(tǒng)。,,5.5半導體激光二極管器件,1半導體激光器概述半導體激光器LD的原理是：在有源區(qū)中高摻雜的PN結在上由于外加電壓不斷注入電子，在PN結上形成粒子數(shù)反轉分布，在有源區(qū)中產(chǎn)生受激輻射而發(fā)出激光。激光產(chǎn)生需要滿足三個條件：可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布增益介質

20、，如InGaAsP等三能級或四能級結構；泵浦源(pump)給激光物質提供能量光學諧振腔，通過增益介質(有源區(qū))兩端的反射鏡實現(xiàn)正反饋。,2法布里－珀羅型半導體激光二極管法布里－珀羅(F－P)型激光二極管(LD)是最常見和最普通的LD，這種LD由外延生長的有源層和有源層兩邊的限制層構成，諧振腔由晶體的兩個解理面構成。光纖通信的F－P型LD通常為雙異質結(DH)LD，有源層可以是N型，也可以是P型。F－P LD在高速調制下，或

21、者在溫度和注入電流變化時，不再維持原來的激射模式，而出現(xiàn)模式跳躍和譜線展寬，這對于高速調制不利。為了維持單模，減小光譜展寬，所以必須研究動態(tài)單模激光器。,,3分布反饋激光二極管和分布Bragg反射器激光二極管 (1) 分布反饋激光二極管分布反饋激光二極管(DFB LD)和F－P型激光二級管(F－P LD)的主要區(qū)別在于它沒有集總反射的諧振腔反射鏡，它的反射機構是由有源區(qū)波導上的Bragg光柵提供的，這種反射機構是一種分布式的反

22、饋機構，因而得名分布反饋激光二極管。它的性能遠遠超過普通F－P LD，特別是Bragg光柵的選頻功能使得它具有非常好的單色性和方向性。此外，正因為它沒有使用晶體解理面作為反射鏡，使得它更容易集成化，在光電子集成電路(OEIC)中有著十分誘人的優(yōu)點,,DFB LD的譜線寬度非常的窄。目前已成為中長距離光纖通信應用的主要激光器，特別在1.3μm和1.55μm光纖通信系統(tǒng)中。在光纖有線電視(CATV)傳輸系統(tǒng)中，DFB LD已成為不可替代的

23、光源。,,(2) 分布Bragg反射器(DBR)激光二級管分布Bragg反射器激光二極管(DBR LD)是為了克服分布反饋激光二極管(DFB LD)的一些缺點而設計的，它的結構是把周期性溝槽放在有源波導兩外側的無源波導上。在未來的通信和CATV共纖傳輸?shù)牟ǚ謴陀?WDM)系統(tǒng)中，DBR LD倍受青睞，因為DBR LD具有出色的寬帶波長可調特性。它是LD光源的發(fā)展方向之一。,,4量子阱激光二極管 (1) 量子阱激光二級管的

24、能帶,,(2) 量子阱激光二極管的優(yōu)點閾值電流很低可達0.1mA以下；可在較高的溫度下工作；具有窄的譜線寬度和高的調制速度,5激光器組件 激光器組件是指在一個緊密結構中(如管殼內)，除激光二極管(LD)芯片外，還配置其他元件和實現(xiàn)LD工作必要的少量電路塊的集成器件，其他元件和電路應包括：(1) 光隔離器(2) 監(jiān)視光電二極管(3) 尾纖和連接器。(4) LD的驅動電路 (5) 熱敏電阻 (6) 熱

25、電致冷器(TEC)(7) 自動溫控電路(ATC)(8) 自動功率控制電路(APC) ,,5.6電檢測器件,1光電檢測器類型光檢測器是光信號的接收器件，是將光信號轉變?yōu)殡娦盘柕囊环N有源器件。光量子檢測器可分為外光電效應檢測器和內光電效應檢測器。,外光電效應檢測器——大能量光子照射時，能使物體內部電子逸出表面，該效應稱為外光電效應。有光電子管、光電倍增管、紅外變像管(紅外夜視儀)等。 內光電效應——當投射到物

26、體光子能量不那么大，但是卻大于該物體材料所需的某一數(shù)值時，會由于這個能量的被吸收而在物體內部產(chǎn)和電子—空穴時，光照后產(chǎn)生的電子—空穴對叫光生載流子。 內光電效應器件從結構上分類：(1)光電導型(2)光生伏打型(3)光磁電型(在光通信中較少使用)(4)PIN光電二極管(5)雪崩型光電二極管。,,光纖通信的檢測器，應具備如下條件和要求才能完成光電轉換：(1) 高的光電轉換效率 (2) 足夠高的響應速度，或有大的帶寬 (熱控測

27、器則不能)。(3) 高的接收靈敏度，即能控測極微弱的光信號，對此，檢測器應有很低的噪聲，(與光電轉換效率相區(qū)別)。(4) 低的功耗和長的壽命。,,2PIN光電二極管PIN光電二極管光纖通信應用廣泛的器件。目前國產(chǎn)PIN光電二極管有：(1) Si-PIN管(用于0.8～0.9μm光纖通信系統(tǒng))(2) Ge-PIN管(用于1.31μm光通信系統(tǒng))， (3) InGaAsP-PIN管(用于1.31μm和1.55μm系

28、統(tǒng))PIN管常與FET構成組件使用(Field Effect Transistor)廣泛用于通信工程上。PIN-FET組件既具有光檢測(光電轉換)功能又具有信號放大功能(低噪聲、高增益，功態(tài)范圍大)。,,3雪崩光電二極管(APD)它是帶內增益的半導體管。采用APD優(yōu)點是：當一個接收系統(tǒng)的噪聲主要來自于前置放大器和負載電阻的勢噪聲時，雪崩光電二極管內部增益提供了一種增益信號，但在一定增益范圍內不增加總噪聲功率的方法。從而提

29、高了系統(tǒng)的信噪比。雪崩光電二極管結構種類：(1)保護環(huán)結構；(2)臺型結構；(3)拉通型結構。 ,,用于光纖通信的雪崩光電二極管：(1) 硅雪崩光由二極管(Si-APD)響應光譜范圍：0.6～1.1μm(第一通光窗口)(0.85μm)量子效率因結構不同而異：(2) 鍺雪崩光電二極管(Ge-APD)(第二窗口1.31μm)響應光譜0.8～1.65μm；,,4肖特基光電二極管 肖特基光電二極管是利用肖

30、特基勢壘收集光生載流子的光電探測器。所謂肖特基勢壘就是指金屬和半導體相互接觸而在其界面處產(chǎn)生的勢壘。,,5集成光學光電探測器為適應光電子集成電路(OEIC)的要求，人們正在探索適應于單片集成的各種光波導探測器。從集成方法來看，有如下類型的探測器：·光波導Si探測器·外延長InGaAs探測器·電吸收光波導探測器·離子注入探測器,,1光發(fā)射接收模塊光發(fā)射接收模塊是在光發(fā)射接

31、收組件基礎上出現(xiàn)的具有實用化的多功能組件。在一個相對緊密的結構中包含了多少元器件或電路塊，即相對緊密結構的集成單元數(shù)量，小的集成單元數(shù)稱之為組件，大的集成單元數(shù)稱之為模塊。,5.7其它新型光通信器件簡介,以光發(fā)射為例，把在一個相對緊密結構中包含了激光二極管、監(jiān)視光電二極管、光隔離器、熱電致冷器、溫度傳感器、控制電路、尾纖或連接器等且具有光發(fā)射功能的部件稱之為激光器組件；而激光器模塊是指在激光器組件內還包含一定量的電路部分(如驅動電路、

32、AGC電平檢測電路、VCA電路、電路狀態(tài)監(jiān)視電路等)的激光器組件。器件的模塊化已成為發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)用途不同，模塊的種類也越來越多，但最基礎的模塊是光發(fā)射模塊、光接收模塊、光收發(fā)一體模塊、單纖雙向收發(fā)模塊或突發(fā)式模塊等。,,2光調制器在直接調制半導體激光二極管的過程中，由于啁啾特性存在，不僅使單個縱模的線寬展寬，而且在單模光纖中傳播時，在色散作用下將使非線性失真增大。這兩種不利的結果，將對光纖鏈路產(chǎn)生極其不利的影響。解

33、決的辦法是使用外調制器。光調制器廣泛應用于外調制的光發(fā)射機和數(shù)據(jù)鏈路中，通過光調制器不僅可以改變光波的強度，而且還可調制光波的相位和偏振態(tài),,光調制器的主要種類有：LiNbO3光調制器半導體光調制器聚合物波導光調制器等等,,3光纖激光器和光放大器在目前Si基光纖和未來的中紅外光纖系統(tǒng)中，光纖激光器和放大器是潛力巨大的光有源器件。光纖激光器按其激射機理可分為稀土摻雜光纖激光器、光纖非線性效應激光器、單晶光纖激光器、

34、塑料光纖激光器和光纖孤子激光器，其中以稀土摻雜光纖激光器的開發(fā)最為成熟，并已應用于光纖通信系統(tǒng)。,,目前稀土摻雜光纖放大器按其摻雜元素和工作機理可分為鉺摻雜光纖放大器(EDFA)、鐠摻雜光纖放大器(PDFA)、銩摻雜光纖放大器(TDFA)和利用光纖非線性效應的拉曼光纖放大器(RFA)，其中工作于1.55μm波段的EDFA已大量應用于光纖通信系統(tǒng)；以TDFA和EDFA以及RFA和EDFA混合的系統(tǒng)已實現(xiàn)超帶寬合波傳輸。,,4光開關光

35、開關與光開關陣列是光纖通信系統(tǒng)重要的光器件，隨著光纖通信技術的發(fā)展，特別是數(shù)據(jù)通信和密集波分復用(DWDM)系統(tǒng)的應用，復雜的網(wǎng)絡拓撲對可靠、靈活的網(wǎng)管產(chǎn)生了強烈的需求。DWDM在城域網(wǎng)和接入網(wǎng)應用對具有插/分和交換功能的光開關的需要更加迫切。隨著網(wǎng)絡轉向全光平臺，光域優(yōu)化、路由、保護和自愈的網(wǎng)絡功能已成為關鍵，這一切都離不開光開關。光開關的主要任務是切換光路， 光開關歸為四個大類，即機械式光開關、液晶光開關、電光式光開關,,5波

36、分復用器件波分復用(WDM)就是按照一定波長間隔，把若干路經(jīng)過調制的光信號通過波分復用器合并在一起，通過一根光纖來傳輸。習慣上把波長間隔小于0.8nm稱為密波分復用(DWDM)。DWDM除了上面介紹的光器件外，還需要:(1)波分復用器，又稱合波器。(2)光分播復用器(OADM)，用于節(jié)點處，起上下信道作用。(3)解復用器，將前面的復用信號分開。(4)光交叉連接器，它是實現(xiàn)全光通信的關鍵等等。,,6光纖用戶接入器