光學基礎知識

1、會計學1光學基礎知識光學基礎知識第1頁/共49頁第一大部分：光通訊基礎知識第一大部分：光通訊基礎知識一一光通訊基本概念光通訊基本概念二二光纖光纖三三光纜光纜四四光電器件光電器件五五光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)六六激光器使用注意事項激光器使用注意事項七七光纖通信發(fā)展方向光纖通信發(fā)展方向大綱：第二大部分：產品基礎知識第二大部分：產品基礎知識TO光電組件光電組件光電產品的基本參數光電產品的基本參數器件發(fā)展方向器件發(fā)展方向第2頁/共49頁第一大部分：光通訊基礎知識第3頁/共49頁一、光通訊基本概念一、光通訊基本概念1、光纖通信、光纖通信光纖通信是以光波為載波，以光纖（光導纖維）為傳輸媒體，將信號從某一點傳

2、送到另一點的通信方式。具有傳輸距離遠（傳輸損耗小）、通信容量大（傳輸頻帶寬）、抗干擾性能好（不受電磁干擾）、保密性好（不產生光泄漏）、重量輕、體積小等優(yōu)點。 2、光纖通信基本組成、光纖通信基本組成 光纖通信主要由信源、電端機、光端機、光纖和接受體構成。3、光纖通信發(fā)展光纖通信發(fā)展1960年 ，世界上第一臺激光器研制成功；1966年，英國華裔科學家高琨博士等人根據光波導理論，認為如果使光纖中損耗減低到20db/km以下，就可能進行光纖通信，從此開創(chuàng)了光纖通信的先河；1970年， 第一根低損耗光纖（20dB/Km）研制成功 （美國康寧公司 ）；美國貝爾實驗室成功研制能在室溫條件下連續(xù)工作的半導體激

3、光器；1974年 ，美國貝爾實驗室成功研制出損耗為1dB/Km的光纖 （化學氣相沉積法（MCVD）第4頁/共49頁1976年，日本電話電報公司研制出損耗更低的光纖（0.5dB/Km）；20世紀80年代后期 ，光纖損耗已經降低到0.16dB/Km ；1982年我國第一條34Mb/s 光纖通信開通；1988年 ；第一條跨大西洋光纜投入運營 ；2002年，光纖通信單通道傳輸速率達到40Gb/s,DWDM傳輸光通信容量達10Tb/s；2002年后，光通信開始向最后一站用戶接入網邁進。二、光纖二、光纖1、光纖的分類、光纖的分類按工作波長：短波長（850nm) 長波長（1310nm、1550nm）按傳輸模

4、式：多模光纖和單模光纖按材料：石英光纖、塑料光纖等第5頁/共49頁2，光纖的拉制，光纖的拉制第6頁/共49頁3，光在光纖中的傳輸，光在光纖中的傳輸光在光纖中的傳輸遵循光的反射與折射定律。實際上，光在纖芯中全反射曲折前行。第7頁/共49頁三、光纜三、光纜含有光纖，符合現(xiàn)場實際使用要求的光、機械和環(huán)境規(guī)范的纜。由光纖、加強件和外護層等組成。光纜的分類：按芯數分為單芯、雙芯、多芯按結構分為層絞式、骨架式、帶狀等按敷設場合分為架空、直埋、管道、移動、室內、水下、海底等按用途分為通信用光纜和非通信用光纜四、光電器件四、光電器件1、無源光器件、無源光器件光分路器/耦合器：1xN（樹型）、NxN（星型）波分

5、復用器：合波器和分波器、濾波器光纖連接器：活動（FC、ST、SC等）、適配器（直通）光開關光衰減器：固定、可變光隔離器：單方向傳輸光的器件第8頁/共49頁2、有源光器件、有源光器件光源：發(fā)光二極管（LED） 激光二極管（LD）光電檢測器：PIN光電管、PIN-TIA組件 雪崩光電二極管（APD）光纖放大器（EDFA）五、光纖傳輸系統(tǒng)五、光纖傳輸系統(tǒng)1、光纖傳輸系統(tǒng)新技術、光纖傳輸系統(tǒng)新技術延長中繼距離的新技術光放大器(EDFA)外調制器(電光晶體LiNbO3)色散補償(DCF、Bragg光纖光柵)提高通信容量的新技術時分復用技術（TDM）波分復用技術（WDM）2、光纖傳輸系統(tǒng)的基本框圖如下、光

6、纖傳輸系統(tǒng)的基本框圖如下第9頁/共49頁電端機驅動光源光檢測判決再生光源光檢測放大電端機發(fā)送光發(fā)送機光纖光纜光中繼器光接收機接收光纖光纜模擬通信：信噪比和諧波失真數字通信：誤碼率和相位抖動第10頁/共49頁六，激光器使用注意事項六，激光器使用注意事項光通信用激光器發(fā)射出對人眼有害的、肉眼看不見的紅外光，如果近距離正眼觀看，可能引起人眼視網膜瞬間的損傷。因此，在觀察激光束時，千萬不要用肉眼直接觀察。激光器表面貼有激光輻射和方向的“警告標記”和“窗口標記”，如下圖示第11頁/共49頁激光器使用需注意以下幾點a）熱的預防 激光器是一種高功率密度的熱功耗器件，使用時應盡量遠離熱源，不得在高于規(guī)定的最高

7、工作溫度下使用，否則會造成其性能和壽命的快速退化。器件管角的焊接時間有嚴格限制（一般不得超過10秒鐘），焊接溫度也必須嚴格控制在260以內。 b)力的預防 激光器及尾纖都十分脆弱，無論在安裝或操作時都必須盡量避免過大的扭絞力、牽引力和扭矩。尾纖不要扭絞，牽引力不得超過500克力（5牛頓），其彎曲半徑不得小于30mm。 c) 電的預防 采取靜電放電（ESD）防護和電流浪涌防護;對激光器禁止施加反向電壓。第12頁/共49頁1、傳輸速率達到Tb/s的系統(tǒng)設備2、摻雜有關化學元素（如鉺、鐠等）的光纖放大器3、光交換機4、密集波分復用（DWDM）設備5、適用于長距離、高速率、能承受較高光功率密度的新型光

8、纖（如非零色散位移光纖-G.655光纖、無水吸收峰光纖-全波光纖等）6、集成光學器件及其它光通信元器件7、能兼容不同速率、協(xié)議和制式的全光網絡技術等七、光纖通信發(fā)展方向七、光纖通信發(fā)展方向第13頁/共49頁第二大部分：產品基礎知識第14頁/共49頁一、一、TO1、LD TOLD TO主要材料為TO帽、TO座、LD芯片、背光PD芯片等。第15頁/共49頁1.1 LD TO帽最常用的有普通球帽、2.0大球帽、非球帽。透鏡材料為BK7、SF6、SF8等，帽桶材料為KOVER。普通球帽的耦合效率大概在10%左右，焦距在6.3mm左右；大球帽的耦合效率大概在15%左右，焦距在6.5mm左右；非球帽的耦合

9、效率大概在35%左右，目前常用的焦距為7.5mm。普通球帽和2.0大球帽除了一個透鏡為1.5一個透鏡為2.0一點不同之處外，其他尺寸基本相同。所以這兩種TO帽在外觀上不好區(qū)分。第16頁/共49頁普通球帽透鏡并非標準的圓形，如圖所示： 第17頁/共49頁非球透鏡帽的結構如下圖所示：第18頁/共49頁 非球透鏡TO的耦合效率是最高的，但是我們平常用的最多的7.5焦距非球透鏡卻不是耦合效率最高的一種。 非球TO的耦合效率和TO帽的關系曲線如圖：第19頁/共49頁 由此看出非球TO的最大理論耦合效率-2.5dB（56%），此時TO的焦距約為f=1.27（LD芯片距TO底座位置）+3.97-2.27（透

10、鏡尺寸）+0.8(L1)+6（L2）=9.77mm。1.2 LD TO座最常見的LD TO底座為肖特的TO56底座。下邊為肖特一款TO56座的外形圖：第20頁/共49頁1.3 LD芯片根據芯片性能，LD芯片分為FP和DFB。FP腔半導體激光器是利用兩個端面對光進行集中反饋。DFB激光器是內含布拉格光柵來實現(xiàn)光的反饋的，因為內含布拉格光柵選擇工作波長，所以DFB激光器的諧振器損耗就有明顯的波長依存性。所以DFB的單色性和穩(wěn)定性優(yōu)于FP。第21頁/共49頁兩種芯片的光譜特性如下第22頁/共49頁1.4 背光PD芯片背光PD有PIN200和PIN300。根據受光面積和PD芯片的粘貼位置來決定LD T

11、O的背光電流大小。2，PD TOPD TO主要材料為TO帽、TO座、PD芯片、TIA、陶瓷電路板和電容。為提高靈敏度，防止串擾，TO封裝要求：1，PIN盡可能靠近IC。2，打線盡可能短。470pFD-D+VccCasePhy1095第23頁/共49頁2.1 PD TO帽探測器的帽子越高，焦點越近，靈敏度越高。最常用的幾款PD TO帽的帽高為2.9mm、3.2mm和3.5mm等。同時，PD芯片的陶瓷墊片的高度也可以調節(jié)PD的焦距。陶瓷墊片有0.25mm、0.4mm、0.5mm等。目前我們使用的帽高2.9的PD TO如圖所示。第24頁/共49頁2.2 PD芯片探測器芯片分PIN和APD。對于PIN

12、，光敏面越大耦合時越好找光，但光敏面越大帶寬越窄。目前155M和622M的PD光敏面為75、80，1.25G的PD光敏面為55、60。APD為雪崩二極管，是利用光生載流子的雪崩效應使反向結電流產生倍增。2.3 TIATIA是將探測器芯片產生的光電流進行差分放大輸出的作用。如圖所示。第25頁/共49頁2.4 PD TO座最常見的PD TO底座為肖特的TO46底座。下邊為肖特一款TO46座的外形圖：第26頁/共49頁二，光電組件二，光電組件目前的光組件的有TOSA、ROSA、BOSA、Triplexer、蝶形封裝光組件等。第27頁/共49頁TOSA內部結構圖內部結構圖第28頁/共49頁ROSA內部

13、結構圖內部結構圖第29頁/共49頁BOSA內部結構圖內部結構圖第30頁/共49頁Triplexer內部結構圖內部結構圖第31頁/共49頁i s o l a t o rf r o n t l e n sC h i pr e a r l e n sf i b e rh e a t s i n kA L N s u b m o u n t蝶形封裝內部結構圖蝶形封裝內部結構圖第32頁/共49頁三，光電產品的基本參數三，光電產品的基本參數1，激光器件的最大額定值，激光器件的最大額定值1.1 儲存溫度（Tstg）器件不工作狀態(tài)下的最高環(huán)境溫度。1.2 工作溫度（Top）器件工作狀態(tài)下的最大管殼溫度。1.3

14、 正向電流（If）可以施加到器件上不引起器件損壞的最大連續(xù)正向電流。1.4 反向電壓（Vr）可以施加到器件上不引起器件損壞的最大反向電壓。1.5 背光PD反向電壓（Vd）可以施加到背光PD上不引起器件損壞的最大反向電壓。第33頁/共49頁2，激光器的光電特性參數，激光器的光電特性參數2.1 正向電壓（Vf）當正向驅動電流為一確定值時對應激光二極管的正向電壓。2.2 閾值電流（Ith）激光二極管開始產生震蕩的正向電流。2.3 輸出光功率（P0）規(guī)定調制電流下激光器輸出的光功率。2.4 峰值波長（p）在規(guī)定的輸出光功率時，光譜內最大強度的光譜波長為峰值波長。2.5 中心波長（c）峰值波長下降3dB

15、的連線中心對應的波長位置。2.6 譜寬（）對于FP LD，采用ITU-TG.957建議的最大均方根（RMS）寬度定義光譜寬度。對于DFB LD，采用ITU-TG.957建議，峰值波長跌落-20dB的最大全寬。2.7 邊模抑制比（SMSR）在規(guī)定的出光功率和調制時，最高光譜峰強度與次高光譜峰強度之比。2.8 上升/下降時間（tr/tf）指LD輸出光功率的脈沖響應時間。從額定光功率的10%上升到90%的時間為上升時間，從額定光功率的90%下降到10%的時間為下降時間。第34頁/共49頁2.9 開通延遲（ton）開通延遲是指調制的光脈沖上升沿在電信號為“開”后到達全幅度的10%對應的時間。第35頁/

16、共49頁2.10 串聯(lián)電阻（dV/dI）指在工作電流處計算器件的電壓電流的微分而確定的。對于一個激光二極管，總是希望有較小的串聯(lián)電阻。高的串聯(lián)電阻可能時因為器件的P邊和N邊的低質量金屬化歐姆接觸的結果。因此串聯(lián)電阻是評價淀積在激光二極管上金屬化接觸質量的一個參數。第36頁/共49頁2.11 背光電流（Im）規(guī)定在LD輸出光功率時，背光二極管的光電流。2.12 背光二極管暗電流（Id）背光二極管在規(guī)定的反向電壓和沒有光照的情況下的輸出電流，單位nA。2.13 背光PD電容（Ct）指PD在規(guī)定的反向電壓下陽極和陰極之間的電容。2.14 跟蹤誤差（TE）不同溫度下，背光相同時的出光功率之比。3，探測

17、器的最大額定值，探測器的最大額定值3.1 正向電流（If）指探測器所能承受的最大連續(xù)正向電流。3.2 反向電流（Ir）指探測器所能承受的最大連續(xù)正向電流。3.3 反向電壓（Vr）指探測器所能承受的最大反向電壓。第37頁/共49頁4，探測器的光電特性參數，探測器的光電特性參數4.1 正向壓降（Vf）指在無光照情況下，通過正向電流為規(guī)定值時，探測器正負極之間產生的壓降。4.2 響應度（R）探測器產生的光電流與入射光強度之比。4.3 APD反向擊穿電壓（Vbr）APD載流子倍增因子達到無窮大時的電壓。在實際定義時把擊穿電壓定義為在無光照情況下，反向電流達到一個規(guī)定值時的反向電壓。4.4 擊穿電壓溫度

18、系數（r）擊穿電壓隨溫度變化的系數。指溫度變化時維持一個倍增因子不變的電壓隨溫度變化的系數。4.5 APD暗電流（Id）在Vbr-3或90%Vbr情況下在無入射光的情況下，器件內部產生的反向電流。4.6 靈敏度在有前置放大器的情況下，靈敏度是依據比特誤碼率（BER）特性所確定的。在規(guī)定波長和速率下，在誤碼率為某一數值時（BER=10-10或10-9）的最小可接收光功率。第38頁/共49頁4.7 飽和光功率（Ps）在工作速率下，誤碼率為某一數值時的最大接收光功率。4.8 告警信號閾值在工作速率下，從大到小的改變輸入光功率，當光功率減小到某一數值時，組件的告警輸出信號電平出現(xiàn)反轉，這是的光功率即為告警信號閾值。四，器件發(fā)展方向四，器件發(fā)展方向1，光學引擎，光學引擎第39頁/共49頁2，混合集成方案，混合集成方案這種方案將激光器，探測器芯片，平面光波導，介質膜濾光片在一個光學平臺上直接組裝在一起它的優(yōu)點：體積進