光纖通信原理課件

第一講光纖通信概述

一、光纖通信的發(fā)展史與趨勢(shì)二、電磁波的波譜三、光纖通信系統(tǒng)基本組成四、光纖通信的特點(diǎn)

主要內(nèi)容

光纖通信是以光纖為傳輸媒質(zhì),以光信號(hào)為信息載體的通信方式.光纖通信的發(fā)展史

1880年，美國(guó)科學(xué)家貝爾發(fā)明光電話。光通信開始起源發(fā)展。1960年,美國(guó)人梅曼發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器。1966年，英籍華人高錕指出：如果能夠減少玻璃中的雜質(zhì)含量，就可以制造出損耗低于20dB/km的光纖。1970年是使光纖通信發(fā)展出現(xiàn)跨越的一年，美國(guó)康寧公司研制出了損耗系數(shù)為20dB/km的光纖.同年，美貝爾公司研制出使用壽命長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)的半導(dǎo)體激光器。光纖通信從此進(jìn)入飛速發(fā)展。光纖通信發(fā)展三個(gè)階段1966---1976年,是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。1976---1986年是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為目的和大力推廣的發(fā)展階段。1986----1996年是以實(shí)現(xiàn)超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo),全面深入開展新技術(shù)援救階段。電磁波的波譜（光纖窗口）（1.8μm至0.8μm）

遠(yuǎn)紅外紅外可見(jiàn)光紫外線（300至25μm）（25至0.76μm）（0.76至0.39）長(zhǎng)波中波短波微波毫米波光波X射線γ射線宇宙射線

3000km30km300m3m3cm0.3mm3μm30nm0.3nm30pm0.3pm波長(zhǎng)

0102104106108101010121014101610181020頻率（Hz）光纖通信系統(tǒng)的基本組成

驅(qū)動(dòng)電路

光源光中繼器光檢測(cè)器放大電路

光發(fā)送機(jī)

光接收機(jī)

電信號(hào)光纜光纜電信號(hào)

光發(fā)送機(jī)組成------半導(dǎo)體光源(核心)、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器。功能-----將待發(fā)送的電信號(hào)進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換出的光信號(hào)最大限度的注入光纖中進(jìn)行傳輸。

組成------光纖、光纖接頭和光連接器功能------把來(lái)自光發(fā)送機(jī)的光信號(hào),以盡可能小的畸變和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)光纖線路

光接收機(jī)組成------光電檢測(cè)器(核心)、放大器和相關(guān)電路功能------將光纖傳來(lái)的光信號(hào)進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換,并對(duì)轉(zhuǎn)換出的電信號(hào)進(jìn)行放大和恢復(fù).

光中繼機(jī)功能——將經(jīng)過(guò)一段光纖線路傳輸后產(chǎn)生了失真的光信號(hào)進(jìn)行放大及再生后送入下一段光纖中傳送從而可延長(zhǎng)光信號(hào)傳輸距離。傳輸衰減小，傳輸距離長(zhǎng)。傳輸頻帶寬，通信容量大。抗電磁干擾，傳輸質(zhì)量好。體積小、重量輕、便于施工。原材料豐富，節(jié)約有色金屬，有利于環(huán)保。易碎不易接續(xù)。光纖通信的特點(diǎn)第二講光纖光纜的結(jié)構(gòu)與分類主要內(nèi)容一、光纖的結(jié)構(gòu)二、光纖的分類三、光纜的結(jié)構(gòu)四、光纜的分類光纖的結(jié)構(gòu)纖芯位于光纖中心，直徑2a為5～75μm,作用是傳輸光波。包層位于纖芯外層，直徑2b為100～150μm,作用是將光波限制在纖芯中。纖芯和包層即組成裸光纖，兩者采用高純度二氧化硅（SiO2）制成，但為了使光波在纖芯中傳送，應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行不同摻雜，使包層材料折射率n2比纖芯材料折射率n1小，即光纖導(dǎo)光的條件是n1＞n2。一次涂敷層是為了保護(hù)裸纖而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮樹脂層，厚度一般為30～150μm。套層又稱二次涂覆或被覆層，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龍等材料。經(jīng)過(guò)二次涂敷的裸光纖稱為光纖芯線。

一次涂覆層

纖芯

包層

套層一次涂覆層包層纖芯套層光纖的結(jié)構(gòu)示意圖光纖的分類石英系列光纖（以SiO2為主要材料）按光纖組成材料劃分多組分光纖（材料由多組成分組成）液芯光纖（纖芯呈液態(tài)）塑料光纖（以塑料為材料）

階躍型光纖（SIF）光纖種類按光纖纖芯折射率分布劃分漸變型光纖（GIF）W型光纖單模光纖（SMF）

按光纖傳輸模式數(shù)劃分

多模光纖（MMF）光纖的纖芯折射率剖面分布2b2b2b2c2a2a2a

nnnn1n1n1n2n2n2n3

0abr0abr0acbr（a）階躍光纖（b）漸變光纖（c）W型光纖

階躍型光纖（SIF）：纖芯折射率呈均勻分布，纖芯和包層相對(duì)折射率差Δ為1%～2%。漸變型光纖（GIF）：纖芯折射率呈非均勻分布，在軸心處最大，而在光纖橫截面內(nèi)沿半徑方向逐漸減小，在纖芯與包層的界面上降至包層折射率n2。W型光纖（雙包層光纖）：在纖芯與包層之間設(shè)有一折射率低于包層的緩沖層，使包層折射率介于纖芯和緩沖層之間?？梢詫?shí)現(xiàn)在1.3～1.6μm之間色散變化很小的色散平坦光纖或把零色散波長(zhǎng)移到1.55μm的色散位移光纖。

ITU-T建議的光纖分類

G.651光纖:漸變多模光纖，工作波長(zhǎng)為1.31μm和1.55μm，在1.31μm處光纖有最小色散，而在1.55μm處光纖有最小損耗，主要用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)。G.652光纖：常規(guī)單模光纖，也稱為非色散位移光纖，其零色散波長(zhǎng)為1.31μm，在1.55μm處有最小損耗，是目前應(yīng)用最廣的光纖。G.653光纖：色散位移光纖，在1.55μm處實(shí)現(xiàn)最低損耗與零色散波長(zhǎng)一致，但由于在1.55μm處存在四波混頻等非線性效應(yīng)，阻礙了其應(yīng)用。G.654光纖：性能最佳單模光纖，在1.55μm處具有極低損耗（大約0.18dB/km）且彎曲性能好。。G.655光纖：非零色散位移單模光纖，在1.55μm～1.65μm處色散值為0.1～6.0ps/（nm.km），用以平衡四波混頻等非線性效應(yīng)，適用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系統(tǒng)。光纜的基本結(jié)構(gòu)光纜一般由纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三部分組成。纜芯：由單根或多根光纖芯線組成，有緊套和松套兩種結(jié)構(gòu)。緊套光纖有二層和三層結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)元件：用于增強(qiáng)光纜敷設(shè)時(shí)可承受的負(fù)荷。一般是金屬絲或非金屬纖維。護(hù)層：具有阻燃、防潮、耐壓、耐腐蝕等特性，主要是對(duì)已成纜的光纖芯線進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)敷設(shè)條件可由鋁帶/聚乙烯綜合縱包帶粘界外護(hù)層（

LAP），鋼帶（或鋼絲）鎧裝和聚乙烯護(hù)層等組成。

實(shí)際使用的光纜分類

分類方法

光纜種類按所使用的光線分類單模光纜、多模光纜、（階躍型、漸變型）按纜芯結(jié)構(gòu)劃分層絞式、骨架式、大束管式、帶式、單元式按外護(hù)套結(jié)構(gòu)分類無(wú)鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝按光纜中有無(wú)金屬分類有金屬光纜、無(wú)金屬光纜按維護(hù)方式分類充油光纜、充氣光纜按敷設(shè)方式分類直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜按適用范圍分類中繼光纜、海底光纜、用戶光纜、局內(nèi)光纜、長(zhǎng)途光纜第三講光纖的導(dǎo)光原理

主要內(nèi)容一、光的基本特性二、階躍光纖的導(dǎo)光原理分析三、漸變光纖的導(dǎo)光原理分析四、光纖的模式五、光纖的特性參數(shù)

光的反射與折射示意圖光的全反射示意圖

①

②n1

n2n2n1

n2

階躍光纖的導(dǎo)光原理示意圖階躍型光纖折射率是沿徑向呈階躍分布，在軸向呈均勻分布，是包層折射率，是纖芯折射率。假設(shè)圖中的階躍型光纖為理想的圓柱體，光線若垂直于光纖端面入射，并與光纖軸線重合，或平行，這時(shí)光線將沿纖芯軸線方向向前傳播。若光線以某一角度入射到光纖端面時(shí)，光線進(jìn)入纖芯會(huì)發(fā)生折射。當(dāng)光線到達(dá)纖芯與包層的界面上時(shí)，發(fā)生全反射或折射現(xiàn)象。若要使光線在光纖中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，必須使光線在纖芯與包層的界面上發(fā)生全反射，即入射角大于臨界角。由前面分析已知光纖的臨界角為

漸變光纖的導(dǎo)光原理示意圖

為了分析漸變型光纖中光的傳播，將纖芯劃分成若干同軸的薄層，假設(shè)各層內(nèi)折射率均勻分布，而每層折射率從里到外逐漸減小，即有＞＞＞＞…。若光以一定的入射角從軸心處第一層射向與第二層的交界面時(shí)，由于是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，折射接角大于入射角，光線將折射進(jìn)第二層射向與第三層的交界面，并再次發(fā)生折射進(jìn)入第三層，依次第推，由于光線都是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，入射角將隨折射次數(shù)增大。當(dāng)在某一界面處（圖中是在第三層和第四層的界面上），入射角大于臨界角時(shí)，光線將出現(xiàn)全反射，方向不再朝向包層而是朝向軸心。之后光線是從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，入射角逐漸減小，直至穿過(guò)軸心后，光線又出現(xiàn)從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，重復(fù)上述折射過(guò)程。因此，當(dāng)纖芯分層數(shù)無(wú)限多，其厚度趨于零時(shí)，漸變型光纖纖芯折射率呈連續(xù)變化，光線在其中的傳播軌跡不再是折線，而是一條近似于正弦型的曲線。

光纖的光學(xué)參數(shù)

相對(duì)折射率差Δ數(shù)值孔徑NA

相對(duì)折射率差Δ對(duì)于階躍型光纖，假設(shè)是包層折射率，是纖芯折射率，且＞，和的差值大小直接影響光纖的性能。故引入相對(duì)折射率差Δ表示其相差程度。

對(duì)于通信光纖，≈，上式簡(jiǎn)化成為

對(duì)于漸變型光纖，若軸心處（r=0）的折射率為,則相對(duì)折射率差定義為

數(shù)值孔徑

NA對(duì)于階躍型光纖，當(dāng)光線在纖芯與包層界面上發(fā)生全反射時(shí)，光波在纖芯中傳播軌跡為折線，相應(yīng)的端面入射角記為光纖波導(dǎo)的孔徑角（或端面臨界角）。即只有光纖端面入射角大于的光線才能在光纖中傳播，故光纖的受光區(qū)域是一個(gè)圓錐形區(qū)域，圓錐半錐角的最大值就等于。為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導(dǎo)孔徑角的正弦值為光纖的數(shù)值孔徑（NA），即：由于，上式簡(jiǎn)化成為可見(jiàn)，光纖的數(shù)值孔徑與纖芯與包層直徑無(wú)關(guān)，只與兩者的相對(duì)折射率差有關(guān)。若纖芯和包層的折射率差越大，NA值就越大，即光纖的集光能力就越強(qiáng)。對(duì)于階躍型光纖，由于纖芯折射率均勻分布，纖芯端面各點(diǎn)的數(shù)值孔徑都相同，即各點(diǎn)收光能力相同。對(duì)于漸變型光纖，纖芯折射率分布不均勻，光線在其端面不同點(diǎn)入射，光纖的收光能力不同，因此漸變型光纖數(shù)值孔徑定義為：光纖中的模式電磁波的傳播遵從麥克斯維爾方程，而在光纖中傳播的電磁場(chǎng)，還滿足光纖這一傳輸介質(zhì)的邊界條件。因此根據(jù)由光纖結(jié)構(gòu)決定的光纖的邊界條件，可求出光纖中可能傳播的模式有橫電波、橫磁波和混合波。（1）橫電波縱軸方向只有磁場(chǎng)分量，沒(méi)有電場(chǎng)分量；橫截面上有電場(chǎng)分量的電磁波。中下標(biāo)m表示電場(chǎng)沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示電場(chǎng)沿徑向方向的變化周數(shù)。（2）橫磁波縱軸方向只有電分量，沒(méi)有磁場(chǎng)分量；橫截面上有磁場(chǎng)分量的電磁波。中下標(biāo)m表示磁場(chǎng)沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示磁場(chǎng)沿徑向方向的變化周數(shù)。（3）混合波或縱軸方向既有電分量又有磁場(chǎng)分量，是橫電波和橫磁波的混合。無(wú)論哪種模式，當(dāng)m和n的組合不同，表示的模式也不同。光纖的歸一化頻率

歸一化頻率是為表征光纖中所能傳播的模式數(shù)目多少而引入的一個(gè)特征參數(shù)。其定義為：其中，

——是光纖的纖芯半徑；

——是光纖的工作波長(zhǎng)；和——分別是光纖的纖芯和包層折射率；

——真空中的波數(shù)；

——光纖的相對(duì)折射率差。傳播常數(shù)β傳播常數(shù)β是描述光纖中各模式傳輸特性的一個(gè)參數(shù)，光纖中各模式的傳輸或截止都可以由該參數(shù)決定。光纖通信中信息就是由傳導(dǎo)模傳送的。傳導(dǎo)模的傳播常數(shù)是限制在到之間的，即＜β＜。當(dāng)β＞時(shí)，包層中的電磁場(chǎng)不再衰減，而成為振蕩函數(shù)，這時(shí)傳導(dǎo)模已不能集中于光纖纖芯中傳播，此時(shí)的模式稱為輻射模，即傳導(dǎo)模截止。當(dāng)β=時(shí)，傳導(dǎo)模處于臨界截止?fàn)顟B(tài)，光線在纖芯和包層的界面掠射。歸一化傳播常數(shù)β/k0與歸一化頻率V的關(guān)系曲線0123456

n1β/k0n2HE11TE01HE12HE41HE31TE01HE21HE22EH11TM01TM02EH21單模傳輸條件

當(dāng)0＜＜2.405時(shí),光纖中除主模（或基模）模以外，其余模式均截止，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)單模傳輸。多模傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)對(duì)于階躍型光纖，光纖中的傳輸模式數(shù)為

對(duì)于漸變型光纖，光纖中的傳輸模式數(shù)為截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)是單模光纖特有的參數(shù)，是對(duì)應(yīng)于第一高階模的歸一化截止頻率時(shí)的波長(zhǎng)。即故通?？捎盟袛嗍欠駟文鬏?。模場(chǎng)直徑

由于單模光纖的邊界沒(méi)有明確的邊界，包層之外有相當(dāng)大的光場(chǎng)存在，故不能象多模光纖一樣用纖芯表示橫截面的導(dǎo)光范圍，只能用模場(chǎng)直徑表示。它表示了單模光纖的基模能量集中的程度。CCITT規(guī)定，單模光纖.31μm處的模場(chǎng)直徑應(yīng)在9～10μm,偏差不應(yīng)超過(guò)±10%。第四講光纖的損耗特性主要內(nèi)容一、損耗的定義二、損耗的種類及其產(chǎn)生原因三、損耗波譜特性損耗的定義當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)α表示：(單位：dB/km)損耗大小影響光纖的傳輸距離長(zhǎng)短和中繼距離的選擇

損耗的種類吸收損耗散射損耗其他損耗

吸收損耗本征吸收損耗是由于光纖材料本身吸收光能量產(chǎn)生的。主要存在紅外波段的分子振動(dòng)吸收和紫外波段的電子躍遷吸收。雜質(zhì)吸收損耗主要是由于光纖中含有的各種過(guò)渡金屬離子和氫氧根（OH-）離子在光的激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)，吸收光能量造成。

散射損耗散射損耗是指在光纖中傳輸?shù)囊徊糠止庥捎谏⑸涠淖儌鬏敺较?，從而使一部分光不能到達(dá)收端所產(chǎn)生的損耗。主要包含瑞利散射損耗、非線性散射損耗和波導(dǎo)效應(yīng)散射損耗。瑞利散射損耗是由于光纖材料折射率分布小尺寸的隨即不均勻性所引起的本征損耗。瑞利散射損耗與波長(zhǎng)的四次方成反比，即波長(zhǎng)越短，損耗越大。因此對(duì)短波長(zhǎng)窗口影響較大。非線性散射損耗是當(dāng)光強(qiáng)度大到一定程度時(shí)，產(chǎn)生非線性喇曼散射和布里淵散射，使輸入光信號(hào)的能量部分轉(zhuǎn)移到新的頻率成分上而形成損耗。因此非線性散射損耗是隨廣播頻率變化的。在常規(guī)光纖中由于半導(dǎo)體激光器發(fā)送光功率較小，該損耗可忽略。但在DWDM系統(tǒng)中，由于總功率很大，就必須考慮其影響。波導(dǎo)效應(yīng)散射損耗是由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)缺陷引起的損耗，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)缺陷主要由熔煉和拉絲工藝不完善造成。其他損耗主要是連接損耗和彎曲損耗和微彎損耗。連接損耗是由于進(jìn)行光纖接續(xù)是端面不平整或光纖位置未對(duì)準(zhǔn)等原因造成接頭處出現(xiàn)損耗。其大小與連接使用的工具和操作者技能有密切關(guān)系。彎曲損耗是由于光纖中部分傳導(dǎo)模在彎曲部位成為輻射模而形成的損耗。它與彎曲半徑成指數(shù)關(guān)系，彎曲半徑越大，彎曲損耗越小。微彎損耗是由于成纜時(shí)產(chǎn)生不均勻的側(cè)壓力，導(dǎo)致纖芯與包層的界面出現(xiàn)局部凹凸引起。光纖的損耗波譜曲線損耗dB/km一般測(cè)試曲線理想測(cè)試曲線長(zhǎng)波長(zhǎng)窗口瑞利散射波導(dǎo)缺陷吸收紫外吸收紅外吸收短波長(zhǎng)窗口第五講光纖的色散特性主要內(nèi)容一、色散的定義二、色散的種類及其產(chǎn)生原因三、色散的計(jì)算分析四、單模光纖的色散波譜特性色散的定義光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時(shí)延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對(duì)中繼距離有影響。色散的大小常用時(shí)延差表示，時(shí)延差是光脈沖中不同模式或不同波長(zhǎng)成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時(shí)間差。二、色散的種類模式色散材料色散波導(dǎo)色散

模式色散模式色散是由于光纖不同模式在同一波長(zhǎng)下傳播速度不同，使傳播時(shí)延不同而產(chǎn)生的色散。只有多模光纖才存在模式色散，它主要取決于光纖的折射率分布。階躍型光纖的模式色散

在階躍型光纖中，當(dāng)光線端面的入射角小于端面臨界角時(shí)，將在纖芯中形成全反射。若每條光線代表一種模式，則不同入射角的光線代表不同的模式，不同入射角的光線，在光纖中的傳播路徑不同，而由于纖芯折射率均勻分布，纖芯中不同路徑的光線的傳播速度相同，均為，因此不同路徑的光線到達(dá)輸出端的時(shí)延不同，從而產(chǎn)生脈沖展寬，形成模式色散。階躍型光纖中模式色散示意圖

圖中，沿光纖軸線傳播的光線①傳播路徑最短，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖傳播時(shí)延t1最小,等于

=

光纖中路徑最長(zhǎng)的是以端面臨界角入射的光線②，它所產(chǎn)生的時(shí)延t2是最大時(shí)延，等于：

=

所以階躍型光纖中不同的模式的最大時(shí)延差Δt為：

漸變型光纖中光線的傳播路徑是近似于正弦形曲線，其中正弦幅度大的光線傳播距離長(zhǎng)，而正弦幅度小的光線傳輸路程短，但由于漸變型光纖纖芯折射率分布在軸心處最大并沿徑向逐漸減小，所以正弦幅度最大的光線由于離軸心遠(yuǎn)，折射率小而傳播速率高，而正弦幅度最小的光線由于離軸心近，折射率大而傳播速率低，結(jié)果在到達(dá)輸出端時(shí)相互之間的時(shí)延差近似為零，從而使?jié)u變型多模光纖的模式色散較小。一般漸變型多模光纖的每公里長(zhǎng)度上的最大時(shí)延差為漸變型光纖的模式色散材料色散材料色散是由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)變化而使模式內(nèi)不同波長(zhǎng)的光時(shí)間延遲不同產(chǎn)生的色散。取決于光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性和光源的譜線寬度。對(duì)于譜線寬度為Δλ的光波，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖后，由材料色散引起的時(shí)延差為該式也可寫成

式中，C=3×108m/s,是真空中的光速,

—是光源的譜線寬度波導(dǎo)色散

波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的色散。取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯包層的相對(duì)折射率差。波導(dǎo)色散和材料色散都是模式的本身色散，也稱模內(nèi)色散。對(duì)于多模光纖，既有模式色散，又有模內(nèi)色散，但主要以模式色散為主。而單模光纖不存在模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散，由于波導(dǎo)色散比材料色散小很多，通?？梢院雎?。單模光纖色散波譜特性曲線第六講光纖的連接主要內(nèi)容一、光纖固定連接的方法二、連接損耗產(chǎn)生的原因

光纖連接的類型固定接續(xù)是永久性連接，一般用于光纖傳輸線路的兩段光纖的連接?；顒?dòng)連接是可拆卸連接，通常用活動(dòng)連接器在光纖與設(shè)備或儀表的尾纖之間連接。

光纖固定連接的方法熔接法粘接法

光纖的熔接法

光纖熔接的基本原理是使被接光纖的軸心對(duì)準(zhǔn)以后，用加熱的方式將光纖端面熔化而使其熔為一體。最常用的方法是電弧熔接法，它是利用兩個(gè)電極之間的高壓電弧產(chǎn)生高溫使被接光纖的端面熔接的方法。

電弧熔接法操作步驟

①光纖端面的制備

②光纖的電弧熔接

③接頭的保護(hù)

光纖端面的制備先將任意一段待接光纖套上一根熱可縮保護(hù)套管，以備接續(xù)后保護(hù)接頭。用專用光纖剝線鉗剝出約40mm的裸光纖，并用干凈的軟紙或無(wú)水酒精棉球講其擦干凈。用專用光纖切割器切割出平整無(wú)傾斜的光纖端面。

光纖端面的制作結(jié)果示意圖

光纖的電弧熔接將制備好的兩段光纖放入光纖熔接機(jī)調(diào)整架的V型槽中固定，并將兩光纖的端面置于熔接的電極之間，相距適當(dāng)距離。調(diào)節(jié)調(diào)整架，使光纖軸心對(duì)準(zhǔn)。預(yù)放電對(duì)光纖端面進(jìn)行加熱整形，使光纖端面無(wú)毛刺、清潔、平整。將光纖沿軸向稍加推進(jìn)，使兩端面直接接觸并有一定相互擠壓時(shí)停止移動(dòng)。繼續(xù)放電直至光纖端面充分熔融連為一體。

接頭的保護(hù)將預(yù)先套好的熱可縮管輕輕移到接頭處。把套有熱可縮管的光纖放入加熱器中，加熱至熱可縮管熔化成可塑狀，緊貼光纖對(duì)接頭部位進(jìn)行保護(hù)。

粘接法

粘接法是將軸心對(duì)準(zhǔn)的光纖用折射率與纖芯接近的粘接劑粘接固定的方法。一般分為槽接法和套管法。槽接法是把兩根光纖放入精密的V型槽中并加以調(diào)整，然后該上蓋板對(duì)光纖加壓是光纖軸心對(duì)準(zhǔn)后再用粘接劑固定。套管法是從玻璃套管的兩端分別插入待接的光纖，通過(guò)套管內(nèi)徑使軸心對(duì)準(zhǔn)后，從套管中部的橫向孔注入粘接劑將光纖粘接固定。

連接損耗產(chǎn)生的主要原因光纖的軸心錯(cuò)位光纖端面間間隙過(guò)大光纖端面有傾斜形成折角光纖端面不完整菲涅爾反射損耗不同種類光纖進(jìn)行連接

主要原因

示意圖

軸心錯(cuò)位

端面間間隙過(guò)大

端面有傾斜形成折角

連接損耗產(chǎn)生的主要原因連接損耗產(chǎn)生的主要原因

主要原因

示意圖

端面不完整

光纖折射率不同

光纖芯徑不同

菲涅爾反射損耗

n1n2n1n2n3第七講

光纖的測(cè)量主要內(nèi)容

一、損耗測(cè)量二、帶寬測(cè)量

三、色散測(cè)量四、截止波長(zhǎng)測(cè)量光纖的特性參數(shù)幾何特性——纖芯與包層的直徑、偏心度、非圓率光學(xué)特性——折射率分布、數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)傳輸特性——損耗、帶寬、色散一、損耗測(cè)量

剪斷法插入法后向散射法

剪斷法剪斷法是基本測(cè)量方法，使用儀器簡(jiǎn)單，測(cè)試精度高，但具有破壞性，因此不能在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中使用。

[測(cè)試原理]：損耗系數(shù)(dB/km)[測(cè)試預(yù)處理]：（1）建立NAb≈NAf的光學(xué)系統(tǒng)；（2）建立穩(wěn)態(tài)模式模擬器，一般包括擾模器、濾模器和包層模消除器（3）用一根性能和被測(cè)光纖相同的輔助光纖代替光纖耦合長(zhǎng)度作用。剪斷法剪斷法光纖損耗測(cè)試系統(tǒng)圖插入法插入法是在注入裝置的輸出和光檢測(cè)器的輸入之間用1～2m長(zhǎng)的短光纖直接連接，測(cè)出光功率Pi，然后在兩者間插入被測(cè)光纖，再測(cè)出光功率Po，據(jù)此計(jì)算損耗系數(shù)。插入法光纖損耗測(cè)試系統(tǒng)圖

調(diào)制振蕩器光源信號(hào)處理與數(shù)字顯示光檢測(cè)器短接光纖(1～2km)

被測(cè)光纖

后向散射法測(cè)試原理由于光纖中散射光的強(qiáng)弱反映了光纖長(zhǎng)度上各點(diǎn)衰減大小，菲涅爾反射光能反映斷點(diǎn)位置，因此可通過(guò)檢測(cè)反向傳輸?shù)捷斎攵说谋诚蛏⑸涔夂头颇鶢柗瓷涔夤β首兓瘉?lái)確定光纖損耗系數(shù)，并判斷光纖斷點(diǎn)位置和光纖長(zhǎng)度。后向散射法測(cè)試系統(tǒng)框圖

OTDR測(cè)試曲線圖中，A是輸入端菲涅爾反射點(diǎn)，即光纖的始端。

B是光纖接頭點(diǎn)。

C是介質(zhì)缺陷引起的反射，表示光纖的斷裂處。

D是輸出端菲涅爾反射點(diǎn)，表示光纖末端。

AB、BC、CD是恒定斜率區(qū)，用以確定損耗系數(shù)。即光纖長(zhǎng)度是光纖的損耗系數(shù)光纖帶寬是色散在頻域的反映，多模光纖的帶寬主要由模式色散引起。帶寬的測(cè)試方法主要有時(shí)域法和頻域法。二、帶寬測(cè)量時(shí)域法——又稱脈沖展寬法。利用測(cè)量通過(guò)光纖的光脈沖產(chǎn)生的脈沖寬度確定光纖的帶寬。頻域法——又稱掃頻法，測(cè)量通過(guò)光纖的頻率響應(yīng)來(lái)測(cè)量帶寬，此法多用于多模光纖的測(cè)量。時(shí)域法測(cè)試系統(tǒng)框圖頻域法測(cè)試系統(tǒng)框圖頻域法測(cè)試曲線三、色散測(cè)量

[測(cè)試方法]：相移法是測(cè)量單模光纖的色散的方法。[相移法測(cè)量原理]用角頻率為ω的正弦信號(hào)調(diào)制的光波，經(jīng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的單模光纖傳輸后，其時(shí)延取決于光波長(zhǎng)λo。不同時(shí)延產(chǎn)生不同的相位φ，用波長(zhǎng)為λ1和λ2的受調(diào)制光波，分別通過(guò)被測(cè)光纖，有產(chǎn)生的時(shí)延差為Δτ，相移為Δφ，則長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖總色散為光纖色散系數(shù)為相移法測(cè)量系統(tǒng)框圖四、截止波長(zhǎng)測(cè)量

[測(cè)試原理]：對(duì)常規(guī)光纖，通過(guò)對(duì)折射率分布的測(cè)量，確定纖芯半徑a和纖芯與包層的折射率n1和n2，由下式就可計(jì)算出截止波長(zhǎng)λc。

[測(cè)試方法]：傳輸功率法——測(cè)量單模光纖截止波長(zhǎng)的基準(zhǔn)方法。在彎曲狀態(tài)下測(cè)量損耗-波長(zhǎng)函數(shù)。時(shí)延法——改變波長(zhǎng)，觀察LP01模和LP11模產(chǎn)生的兩個(gè)脈沖變?yōu)橐粋€(gè)脈沖。近場(chǎng)法——改變波長(zhǎng)，觀察近場(chǎng)圖由環(huán)形變?yōu)楦咚剐?。第八講半導(dǎo)體激光器（一）主要內(nèi)容半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器工作原理

半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，并利用光學(xué)諧振腔的正反饋實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。

半導(dǎo)體激光器工作原理光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光振蕩和光學(xué)諧振腔

光與物質(zhì)相互作用的三種基本方式

自發(fā)輻射——無(wú)外界激勵(lì)而高能級(jí)電子自發(fā)躍遷到低能級(jí)，同時(shí)釋放出光子。受激輻射——高能級(jí)電子受到外來(lái)光作用，被迫躍遷到低能級(jí)，同時(shí)釋放出光子，且產(chǎn)生的新光子與外來(lái)激勵(lì)光子同頻同方向，為相干光。受激吸收——低能級(jí)電子在外來(lái)光作用下吸收光能量而躍遷到高能級(jí)。

E2

E1

E2

E1

hf12

hf12

hf12

hf12

初態(tài)

終態(tài)(b)自發(fā)輻射(c)受激輻射(a)受激吸收能級(jí)與電子躍遷示意圖粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布設(shè)在單位物質(zhì)中低能級(jí)電子數(shù)和高能級(jí)電子數(shù)分別為N1和N2物質(zhì)在正常狀態(tài)下N1＞N2，受激吸收與受激輻射的速率分別比例于N1和N2且比例系數(shù)相等，此時(shí)光通過(guò)該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)衰減，物質(zhì)為吸收物質(zhì)。若N2＞N1，受激吸收小于受激輻射，光通過(guò)該物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)會(huì)放大，該物質(zhì)成為激活物質(zhì)。N2＞N1的分布與正常狀態(tài)相反，故稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。半導(dǎo)體的能帶和電子分布

能量?jī)r(jià)帶價(jià)帶EgEfEf/2Ef/2EgEfEeEvEvEeEgEfEeEv(a)本征半導(dǎo)體(b)N型半導(dǎo)體(c)P型半導(dǎo)體空穴電子能帶——電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成的連續(xù)分布的能級(jí)。價(jià)帶——能量低的能帶。導(dǎo)帶——能量高的能帶。禁帶Eg——導(dǎo)帶底的能量Ee和價(jià)帶頂能量Ev間的能量差在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布

費(fèi)米能級(jí)——用于描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)，在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。在本征半導(dǎo)體中，位于禁帶中央；N型半導(dǎo)體中增大；在P型半導(dǎo)體中減小。

PN結(jié)的能帶和電子分布

PN結(jié)空間電場(chǎng)區(qū)P區(qū)N區(qū)++++++Ef能量EePEVPEeNEVNP區(qū)N區(qū)EVPEePEeNEVNEfNEfPhfhf

PN結(jié)界面上由于多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成內(nèi)部空間電場(chǎng)區(qū)，該電場(chǎng)導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，無(wú)外加電壓時(shí)，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)，能帶發(fā)生傾斜。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)被削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，能帶傾斜減小，在PN結(jié)形成一個(gè)增益區(qū)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布區(qū)）可產(chǎn)生自發(fā)輻射。光學(xué)諧振腔

光學(xué)諧振腔——由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成。腔內(nèi)物質(zhì)具備粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可用其產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作入射光，經(jīng)反射鏡反射沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向傳播的光被減弱，反射光經(jīng)反射鏡多次反射不斷被放大，方向性不斷改善，使增益大幅度提高。激光振蕩激活物質(zhì)在被置于光學(xué)諧振腔后，能對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，可獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出激光起振閾值條件：腔內(nèi)增益與損耗相當(dāng)時(shí)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，閾值條件為：是

閾值增益系數(shù)；

是諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)；為諧振腔長(zhǎng)度激光振蕩的相位條件為：或半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)（LH）雙異質(zhì)結(jié)（DH）

雙異質(zhì)結(jié)（DH)LD的結(jié)構(gòu)限制層GayAl1-yAs有源層GaAs限制層GaXAl1-XAsGaAs襯底光輻射金屬接觸雙異質(zhì)結(jié)（DH)LD的工作原理示意圖PGayAl1-yAsPGaAsNGaXAl1-XAsE能量N折射率P光功率電子復(fù)合異質(zhì)勢(shì)壘空穴＜5%－+(b)(a)(d)(c)雙異質(zhì)結(jié)（DH)LD的工作原理雙異質(zhì)結(jié)（DH)LD由三層不同類型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)不同的波長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)中間一層窄帶隙P型半導(dǎo)體為有源層，兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體是限制層，三層半導(dǎo)體置于基片上，前后兩個(gè)晶體解理面為反射鏡構(gòu)成諧振腔。光從有源層沿垂直于PN結(jié)的方向射出。第九講半導(dǎo)體激光器（二）

主要內(nèi)容

一、半導(dǎo)體激光器的工作特性二、分布式反饋激光器DBF半導(dǎo)體激光器的工作特性發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性

激光束的空間分布

轉(zhuǎn)換效率和光功率特性

頻率特性

溫度特性

發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性發(fā)射波長(zhǎng)：光譜特性：譜線寬度——光譜特性中最大功率的一半對(duì)應(yīng)的波譜寬度。記為。隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，譜線寬度變窄。而調(diào)制電流增加，譜線寬度變寬。中心波長(zhǎng)——光譜特性中最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。記為。

激光束的空間分布激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)表示。近場(chǎng)——激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布。遠(yuǎn)場(chǎng)——離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。場(chǎng)圖由諧振腔橫向尺寸決定。平行于結(jié)平面的諧振腔寬度由寬變窄，場(chǎng)圖有多橫模單橫模；當(dāng)垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度很薄時(shí)，場(chǎng)圖總是單橫模。

典型激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性θ⊥θ∥(b)輻射光束(a)光強(qiáng)的角分布相對(duì)光強(qiáng)輻射角θ（度00.80.60.40.2⊥∥電光轉(zhuǎn)換效率外量子效率—表示光源的電/光轉(zhuǎn)換效率。定義為在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)。即光功率特性Ith熒光區(qū)激光區(qū)頻率特性在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率和調(diào)制頻率的關(guān)系為

是弛豫頻率，是調(diào)制頻率的上限，一般為1～2GHz；

是阻尼因子；半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性0.010.11fr10調(diào)制頻率f/GHz1001010.1相對(duì)光功率溫度特性激光器輸出光功率隨溫度而變化的原因是：1、激光器的

閾值電流隨溫度升高而增大；2、外量子效率隨溫度升高而減小。3、閾值電流隨溫度變化的規(guī)律可表示為：

P-I曲線隨溫度的變化示意圖P(mW)I(mA)050100765432180℃60℃50℃20℃30℃70℃40℃第十講發(fā)光二極管LED主要內(nèi)容一、發(fā)光二極管的工作原理二、發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)三、發(fā)光二極管的工作特性發(fā)光二極管的工作原理LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光（非相干光）。大多采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和N型限制層間，但沒(méi)有光學(xué)諧振腔，故無(wú)閾值。LED分為正面發(fā)光型和側(cè)面發(fā)光型，側(cè)面發(fā)光型LED的驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率小，但光束發(fā)射角小，與光纖的耦合效率高，故入纖光功率比正面發(fā)光型LED高。發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)球透鏡環(huán)氧樹脂P層有源層N層發(fā)光區(qū)(a)正面發(fā)光型微透鏡P型限制層有源層波導(dǎo)層N型限制層(b)側(cè)面發(fā)光型發(fā)光二極管的工作特性

光譜特性光束空間分布輸出光功率特性

頻率特性

LED的光譜特性

發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒(méi)有光學(xué)諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線寬，短波長(zhǎng)LED譜線寬度為30～50nm。長(zhǎng)波長(zhǎng)LED的譜線寬度為6～120nm。1300波長(zhǎng)/nm相對(duì)光強(qiáng)Δλ=70nm

LED的光束空間分布

正面發(fā)光型的半功率點(diǎn)輻射角為120o，側(cè)面發(fā)光型的平行發(fā)射角為120o，垂直發(fā)射角為25o～35o。LED與光纖的耦合效率一般低于10%。

LED的輸出光功率特性正面發(fā)光側(cè)面發(fā)光電流I/mA發(fā)射光功率

P/mw0100200300400500

LED的一般外量子效率小于10%，驅(qū)動(dòng)電流較小時(shí)，P-I特性呈線性，I過(guò)大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I特性曲線斜率減小。通常LED的工作電流為50～100mA，輸出光功率為幾mW，由于發(fā)光光束輻射角大，入纖光功率只有幾百μW。LED的頻率響應(yīng)為：式中，為調(diào)制頻率，是對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率的輸出光功率，為少數(shù)載流子（電子）的壽命，定義為發(fā)光二極管的截止頻率，當(dāng)

時(shí)，

最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。

LED的頻率特性

LED的頻率響應(yīng)曲線τe=1.1μsτe=2.1μsτe=6.4μs調(diào)制頻率f/MHz頻率響應(yīng)101001000100.1

P(f)

LD和LED的一般性能比較

LD

LED工作波長(zhǎng)λ/μm1.31.551.31.55譜線寬度Δλ/nm1～21～3

50～10060～120閾值電流Ith/mA20～3030～60

工作電流I/mA

50～150100～150輸出功率P/mW

5～105～10

1～51～3入纖功率P/mW

1～31～30.1～0.30.1～0.2

調(diào)制帶寬B/MHz500～2000500～1000

50～15030～100輻射角θ/（°）

20×3020×50

30×12030×120壽命t/h106～107105～106108107工作溫度/℃

-20～50-20～50

-20～50-20～50三、分布式反饋激光器DBF分布式反饋激光器的工作原理分布式反饋激光器的優(yōu)點(diǎn)分布式反饋激光器的一般性能分布反饋激光器工作原理

DBF激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)（波紋狀）衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。衍射光柵的折射率為周期性變化，使有源層分布反饋。由有源曾層發(fā)出的光從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射，另一部分繼續(xù)前進(jìn)，在鄰近的光柵波紋峰反射。若兩部分反射光相互疊加則產(chǎn)生更強(qiáng)反饋，而其他波長(zhǎng)的光將被抵消；雖然每個(gè)光柵波紋峰反射光不大，但整個(gè)光柵有成百上千的波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。

光柵的周期Λ下式?jīng)Q定：

為材料有效折射率，是布拉格波長(zhǎng)，m為衍射系數(shù)。在普通DBF激光器中，有兩個(gè)閾值最低、增益相同的縱摸，其波長(zhǎng)為：為光柵長(zhǎng)度。在普通均勻光柵中，引入一個(gè)λ／4的相移變換，使原來(lái)的波峰變波谷，可有效提高模式選擇性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱摸激光器的要求。

分布式反饋激光器的一般性能工作波長(zhǎng)λ/μm1.31.55譜線寬度Δλ/nm1～21～3閾值電流Ith/mA20～3030～60連續(xù)波單縱模10-4～10-3輸出功率P/mW

20～4015～30

直接調(diào)制單縱模

0.04～0.5(1Gb/s.Hz)邊模抑制比/dB30～35頻譜漂移/（nm/℃）

＜0.08外量子效率ηd/%

2015工作溫度/℃

20～4015～30

DBF激光器的優(yōu)點(diǎn)是單縱摸激光器譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。動(dòng)態(tài)譜線好線性好，廣泛用于模擬調(diào)制的CATV傳輸系統(tǒng)。

第十一講

光電檢測(cè)器主要內(nèi)容一、光電檢測(cè)器的基本工作原理二、PIN光電檢測(cè)器三、雪崩光電檢測(cè)器APD一、光電檢測(cè)器的工作原理光電檢測(cè)器是外加反向偏壓的PN結(jié)，當(dāng)入射光作用時(shí)，發(fā)生受激吸收產(chǎn)生

光生電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)在耗盡層內(nèi)建電場(chǎng)作用下形成漂移電流，同時(shí)在耗盡層兩側(cè)部分電子-空穴對(duì)由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)入耗盡層，在電場(chǎng)作用下形成擴(kuò)散電流，這兩部分電流之和為光生電流。

光電二極管的工作原理光生電動(dòng)勢(shì)空穴電子擴(kuò)散NP擴(kuò)散漂移復(fù)合復(fù)合漂移光(a)光電效應(yīng)反偏壓空穴電子P導(dǎo)帶光(b)加反向偏壓后的能帶價(jià)帶N耗盡層二、PIN光電檢測(cè)器PIN光電檢測(cè)器的工作原理和結(jié)構(gòu)PIN光電檢測(cè)器的主要特性PIN光電檢測(cè)器的一般性能

PIN光電檢測(cè)器的工作原理PIN是為提高光電轉(zhuǎn)換效率而在PN結(jié)內(nèi)部設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體（I層）以擴(kuò)大耗盡層寬度的光電二極管。

PIN的工作原理示意圖P+W光IN+能量

PIN光電檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)P+N+I入射光電極電極E抗反射膜PIN光電檢測(cè)器的主要特性

量子效率光譜特性

響應(yīng)時(shí)間頻率特性

噪聲特性量子效率=光生電子-空穴對(duì)數(shù)／入射光子數(shù)，即

響應(yīng)度——是光生電流和入射光功率的比值

噪聲特性

噪聲直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管噪聲包括信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲和有負(fù)載電阻和后繼放大器輸入阻抗產(chǎn)生的熱噪聲。通常噪聲用均方噪聲電流描述。

均方散粒噪聲電流

均方熱噪聲電流

總均方噪聲電流

響應(yīng)時(shí)間——光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90％，或由后沿的90%下降到10%的時(shí)間定義為脈沖上升時(shí)間和脈沖下降時(shí)間。脈沖響應(yīng)時(shí)間為：頻率特性——當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)時(shí)，截止頻率為：[結(jié)論]：減小耗盡層寬度可以減小渡越時(shí)間，從而提高截止頻率。，但會(huì)降低量子效率。

PIN光電檢測(cè)器的一般性能

PIN光電二極管的一般性能

Si-PIN

InGaAs-PIN波長(zhǎng)響應(yīng)0.4～1.0

1～1．6響應(yīng)度0.4(0.85μm)

0.5（1.31μm）暗電流0.1～1

2～5響應(yīng)時(shí)間

2～10

0.2～1結(jié)電容

0.5～1

1～2工作電壓/V－5～－15－5～－15三、雪崩光電檢測(cè)器APDAPD的工作原理APD的結(jié)構(gòu)APD的主要特性APD的一般性能

APD的工作原理APD是通過(guò)在其結(jié)構(gòu)中構(gòu)造一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，當(dāng)光入射到PN結(jié)后，光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)后獲得能量做高速運(yùn)動(dòng)，與原子晶格產(chǎn)生碰撞電離出新的電子-空穴對(duì)，該過(guò)程反復(fù)多次后使載流子雪崩式倍增。

APD的結(jié)構(gòu)N+P+I（P）入射光電極抗反射膜PE強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)低電場(chǎng)區(qū)

APD的主要特性1）

倍增因子g——定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。2）

過(guò)剩噪聲因子F

——是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)

APD的倍增因子倍增因子g——定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。過(guò)剩噪聲因子F過(guò)剩噪聲因子F

——是由于雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)。設(shè)（x是附加噪聲指數(shù)），則APD的均方量子噪聲電流為同理，APD的均方暗電流噪聲電流為附加噪聲指數(shù)與器件所用材料和制造工藝有關(guān)，Si-APD的x=0.3～0.5,Ge-APD的x=0.8～1.0,InGaAs-APD的x=0.5～0.7。

APD光電檢測(cè)器的一般性能

Si-APD

InGaAs-APD波長(zhǎng)響應(yīng)0.4～1.01～1．65響應(yīng)度0.5

0.5～0.7暗電流0.1～110～20響應(yīng)時(shí)間

0.2～0.50.1～0.3結(jié)電容

1～2＜0.5工作電壓

50～10040～60倍增因子30～10020～30附加噪聲指數(shù)0.3～0.5

0.5～0.7第十二講光無(wú)源器件主要內(nèi)容一、連接器和接頭二、光衰減器三、光耦合器

四、光隔離器和光環(huán)行器

五、光調(diào)制器

六、光開關(guān)

一、連接器和接頭連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸的連接器件，主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無(wú)源器件之間的連接。接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖間永久性連接，只要用于工程現(xiàn)場(chǎng)施工。方法：熱熔接或V形槽連接

光纖連接器的種類單芯連接器多芯連接器光纖粘接劑套管插針體套管結(jié)構(gòu)光纖連接器簡(jiǎn)圖光纖連接器的一般性能1）

性能

項(xiàng)目

型號(hào)或材料

性能插入損耗/dB

0.2---0.3重復(fù)性/dB

＜±0.1互換性/dB

＜±0.1反射損耗/dB

FC型

35---40PC型45---50壽命（插拔次數(shù)）

不銹鋼

103

陶瓷104工作溫度

不銹鋼－20----+70

陶瓷－40----+80二、光衰減器光衰減器主要用于光纖通信系統(tǒng)的特性測(cè)試和其他測(cè)試中，是對(duì)光功率有一定衰減量的器件。根據(jù)衰減量是否變化，可以分為固定衰減器和可變衰減器。光衰減器的基本原理在玻璃基片上蒸鍍透射系數(shù)（或反射系數(shù)變化很小的金屬膜，使通過(guò)鍍膜玻璃片的光功率被膜層材料吸收一部分，光強(qiáng)度受到衰減。金屬膜可以是鎳鉻等化合物材料，光的衰減量有膜的厚度進(jìn)行控制。固定衰減器固定衰減器對(duì)光功率衰減量固定不變，主要用于調(diào)整光纖傳輸線路的光損耗。輸入光纖輸出光纖光纖連接器光纖連接器透鏡透鏡衰減部分可變衰減器可變衰減器的衰減量可在一定范圍內(nèi)變化，用于測(cè)量光接收機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。(a)光路和結(jié)構(gòu)(b)步進(jìn)衰減片(c)連續(xù)衰減片厚薄三、光耦合器光耦合器的功能是把一個(gè)輸入光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。P1P2P3T型光纖耦合器光耦合器類型

T型光耦合器——是一種2×2的3端耦合器，可把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖的輸入光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖。主要用做不同分路比的功率分配器或組合器。

星型光耦合器——是一種n×m的耦合器，可把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖。

定向光耦合器——是一種2×2的3端或4端耦合器，用于分別驅(qū)除光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。只用于作分路器，不能作合路器。

波分復(fù)用/解復(fù)用器——波分復(fù)用器是與波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器，用于把多個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器用于把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分配給不同的光接收機(jī)。

常用光耦合器類型示意圖1（b）星型（c）定向型（d）波分復(fù)用型（a）T型423λ1λ2λNλ1+λ2+…λN

光耦合器基本結(jié)構(gòu)

光纖型

微器件型波導(dǎo)型

光耦合器主要特性1）

耦合比CR——是一個(gè)指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的光功率總和Pot的比值。2）

附加損耗Le——是全部輸入端光功率總和Pit和全部輸出端光功率總和Pot的比值。3）

插入損耗Lt——是一個(gè)指定輸入端光功率Pic和另一個(gè)指定輸出端的光功率Poc的比值。4）

方向性DIR（隔離度）——是一個(gè)指定輸入端光功率Pic和由耦合器反射到其他端的光功率Pr的比值。5）

一致性U——是不同輸入端得到的耦合比的均勻性或不同輸出端耦合比的等同性。四、光隔離器光隔離器——是一種非互易性器件，只允許光波往一個(gè)方向傳輸，阻止光波往其他方向尤其是反方向傳輸。一般用在激光器或光放大器后。插入損耗值為1dB,隔離度的典型值為40--50dB。光隔離器工作原理示意圖起偏振器法拉第旋轉(zhuǎn)器檢偏振器阻塞反射光經(jīng)SWP的入射光

SWP——SpatialWalk-offPolarizer空間分離偏振器，其作用是將入射光分解為垂直與水平兩個(gè)正交偏振分量，讓垂直分量通過(guò)，而水平分量偏折通過(guò)。光隔離器工作原理假設(shè)入射光是垂直偏振光，起偏振器的透振方向是在垂直方向，故入射光順利通過(guò)它射向法拉第旋轉(zhuǎn)器，法拉第旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，如45°，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無(wú)關(guān)。法拉第旋轉(zhuǎn)器后的檢偏振器透振方向若在45°方向上，則經(jīng)過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45°后的光能通過(guò)檢偏振器，即光沿正方向（從左到右）通過(guò)這些器件是沒(méi)有損耗的。但沿反方向（從右到左）傳送的反射光，其偏振態(tài)也在45°，當(dāng)反射光經(jīng)過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器再旋轉(zhuǎn)45°后，偏振態(tài)達(dá)到90°，變?yōu)樗狡窆猓瑒t無(wú)法通過(guò)起偏振器。五、光環(huán)行器

光環(huán)行器——是多端口的隔離器。主要用于光分插復(fù)用器。典型的環(huán)行器一般有三或四個(gè)端口，在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號(hào)在端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)在端口3輸出，端口3輸入光信號(hào)在端口1輸出。常用光環(huán)行器示意圖1231234(a)三端口(b)四端口六、光調(diào)制器光調(diào)制器——外調(diào)制方式中采用，把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，

可避免對(duì)光源直接調(diào)制產(chǎn)生線性調(diào)頻的限制。調(diào)制器一般用電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)使折射率改變，或用磁光效應(yīng)使光的透過(guò)率變化實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。

七、光開關(guān)光開關(guān)——用于轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光交換。機(jī)械光開關(guān)：利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路切換。其優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小、串?dāng)_小，適用于各種光纖，技術(shù)成熟。缺點(diǎn)是開關(guān)速度慢。固體光開關(guān)：用電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光路切換。優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快。缺點(diǎn)是插入損耗大、串?dāng)_大，只適用于單模光纖。

第十三講光發(fā)送機(jī)（一）主要內(nèi)容一、光端機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)二、系統(tǒng)對(duì)光發(fā)送機(jī)的要求三、光發(fā)送機(jī)的作用及組成框圖

光端機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)PCM復(fù)用設(shè)備輸入碼型變換電路輸出碼型變換電路光發(fā)送機(jī)光接收機(jī)備用系統(tǒng)公務(wù)系統(tǒng)CW倒換系統(tǒng)告警系統(tǒng)電源監(jiān)控系統(tǒng)PCM復(fù)用設(shè)備電信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)主用系統(tǒng)輔助系統(tǒng)一、光發(fā)送機(jī)的功能把電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行直接光強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)有效注入光纖線路。電/光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)。直接光強(qiáng)度數(shù)字調(diào)制原理PPIIIthIinIinIbtt(a)LED數(shù)字調(diào)制原理(b)LD數(shù)字調(diào)制原理擾碼線路編碼調(diào)制電路光源背向光監(jiān)測(cè)光發(fā)送機(jī)的組成框圖碼型變換均衡放大輸入碼型變換電路APCAPC光發(fā)送電路時(shí)鐘提取告警檢測(cè)輸入碼型變換電路均衡放大——補(bǔ)償經(jīng)電纜傳輸后產(chǎn)生的數(shù)字電信號(hào)失真。碼型變換——將電端機(jī)送入的信號(hào)碼型從HDB3或CMI碼變?yōu)镹RZ碼。擾碼——將信號(hào)中的長(zhǎng)連“0”或“1”有規(guī)律地進(jìn)行消除。時(shí)鐘提取——提取與網(wǎng)絡(luò)同步的時(shí)鐘供給擾碼與線路編碼等電路。光發(fā)送電路調(diào)制電路——用經(jīng)過(guò)編碼的數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行直接光強(qiáng)度調(diào)制，完成電/光轉(zhuǎn)換。自動(dòng)溫度控制電路ATC——保持光源的溫度恒定在室溫左右，以穩(wěn)定LD的閾值電流，從而穩(wěn)定發(fā)送光功率。自動(dòng)功率控制電路APC——檢測(cè)發(fā)送光功率變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光源的偏置電流，以穩(wěn)定發(fā)送光功率。其余保護(hù)及告警檢測(cè)電路——實(shí)現(xiàn)LD過(guò)流保護(hù)、LD無(wú)光告警及壽命告警。光纖通信系統(tǒng)中對(duì)光源的基本要求光源發(fā)光波長(zhǎng)必須與光纖的低損耗工作波長(zhǎng)相一致。光源的輸出功率必須足夠大。光源應(yīng)有高度可靠性。光源的譜線寬度要窄。電光轉(zhuǎn)換效率要盡量高。光源應(yīng)便于調(diào)制。光源應(yīng)體積小、重量輕，便于安裝。對(duì)調(diào)制電路和控制電路的要求

1）

消光比應(yīng)大于10。2）

輸出光脈沖寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于開通延遲。3）

光源的直流偏置電流足夠大。4)應(yīng)采用APC和ATC，以保證光源輸出光功率穩(wěn)定。

第十四講光發(fā)送機(jī)（二）主要內(nèi)容一、調(diào)制電路原理二、APC電路工作原理三、ATC電路工作原理調(diào)制電路原理圖(a)共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路(b)射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路電流源I0R2

R1

C1

Uin

Uc

v1

v2

Uin

UB

v

LED

LDIb-Ue共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路該電路主要用于以LED為光源的光發(fā)送機(jī)。數(shù)字信號(hào)Uin從三極管V的基極輸入，通過(guò)集電極的電流驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。數(shù)字信號(hào)“1”和“0”碼分別對(duì)應(yīng)于V的截止和飽和狀態(tài)，電流的大小根據(jù)輸出光信號(hào)幅度的要求確定。這種驅(qū)動(dòng)電路適用于10Mb/s以下的低速率系統(tǒng)。射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路該電路適合激光器系統(tǒng)使用。電流源由V1和V2組成的差分開關(guān)電路，它提供恒定的偏置電流。在V2基極上施加直流參考電壓UB，V2集電極的電壓取決于LD的正向偏壓，數(shù)字電信號(hào)Uin從V1的基極輸入。當(dāng)信號(hào)為“0”時(shí)，V1的基極電位比UB高而先導(dǎo)通，V2截止，LD不發(fā)光。當(dāng)信號(hào)為“0”時(shí)，V1的基極電位比UB低，而V2先導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)LD發(fā)光。V1和V2輪流處于截止和非飽和導(dǎo)通狀態(tài)，有利于提高調(diào)制速率。該電路的調(diào)制速率可達(dá)到300Mb/s,電流噪聲小，但動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。

LD的調(diào)制特性

電光延遲張弛振蕩現(xiàn)象

自脈動(dòng)現(xiàn)象電光延遲電光延遲電光延遲——激光器在高速調(diào)制下，輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在的一個(gè)初始延遲時(shí)間。其數(shù)量級(jí)一般為ns。

電光延遲會(huì)引入碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時(shí)間與數(shù)字調(diào)制信號(hào)的碼元持續(xù)時(shí)間為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼后的第一個(gè)“1”碼脈沖寬度變窄，幅度變小，嚴(yán)重時(shí)使單個(gè)“1”碼丟失，這種現(xiàn)象即“碼型效應(yīng)”。碼型效應(yīng)的敵特點(diǎn)是在脈沖序列中較多的“0”之后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”數(shù)越多，調(diào)制速率越高，該效應(yīng)越明顯。用適當(dāng)?shù)摹斑^(guò)調(diào)制”補(bǔ)償，可以消除碼型效應(yīng)。張弛振蕩現(xiàn)象張弛振蕩現(xiàn)象——當(dāng)電流脈沖注入激光器時(shí)，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩現(xiàn)象。其振蕩頻率一般為0.5到2GHz。該現(xiàn)象和電光延遲都會(huì)影響調(diào)制速率。當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，波形嚴(yán)重失真，會(huì)使接收機(jī)在抽樣判決時(shí)增加誤碼率，故實(shí)際調(diào)制頻率應(yīng)小于張弛振蕩頻率。電光延遲、張弛振蕩頻率和幅度衰減時(shí)間的表達(dá)式為：

其中是電子復(fù)合壽命，是諧振腔內(nèi)光子壽命，是注入電流密度，是閾值電流密度，是張弛振蕩幅度衰減到初始值的1/e時(shí)的時(shí)間。自脈動(dòng)現(xiàn)象

自脈動(dòng)現(xiàn)象——當(dāng)注入電流達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅高頻振蕩的現(xiàn)象。它是由于激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的，與P-I特性的扭折區(qū)域相對(duì)應(yīng)。自脈動(dòng)頻率可達(dá)2GHz，嚴(yán)重影響LD的高速調(diào)制。自動(dòng)功率控制電路原理圖+++---A1A2A3PDLDUiV1V2V3-U直流參考信號(hào)參考-UIb自動(dòng)功率控制電路原理從LD的背向輸出光功率，經(jīng)PD檢測(cè)器檢測(cè)、運(yùn)算放大器A1放大后送到比較器A3的反相輸入端，同時(shí)，輸入信號(hào)參考電壓和直流參考電壓經(jīng)A2比較放大后送到A3的同相端，A3和V3組成的直流恒流源調(diào)節(jié)LD的偏置電流Ib，使LD輸出光功率穩(wěn)定。自動(dòng)溫度控制電路原理圖TECR1R2R3RRTPINLDAAB+U+UV+-自動(dòng)溫度控制電路原理溫度控制裝置由制冷器TEC、熱敏電阻RT、和控制電路組成。由熱敏電阻和R1、R2、R3組成的“換能電橋”，通過(guò)電橋?qū)囟茸兓D(zhuǎn)換為電流的變化。運(yùn)算放大器的差動(dòng)輸入端跨接在電橋的對(duì)端，用于改變?nèi)龢O管的基極電流。在設(shè)定溫度（如20℃）時(shí)，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，A、B點(diǎn)間無(wú)電位差，故流過(guò)制冷器TEC的電流為零。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，LD的溫度升高，使具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻阻值變小，電橋失去平衡，使B點(diǎn)電位低于A點(diǎn)電位，運(yùn)算放大器輸出電壓升高，V的基極電流增大，制冷器的電流也增大，制冷端溫度降低，LD的溫度也降低，保持溫度恒定。控制過(guò)程可表示為：T（環(huán)境）