《光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課件第2章

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.1光纖及光纜2.2光源器件2.3光檢測器

2.4無源光器件2.5光通信系統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)主要由光纖、光源、光檢測器及相關(guān)的光無源器件等組成。本章主要介紹這些組成部分的工作原理、分類、特性指標及應(yīng)用等。

2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)及分類

1.光纖的結(jié)構(gòu)

光纖是光纖通信系統(tǒng)中的重要組成部件，是光信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)。光纖的結(jié)構(gòu)取決于它的應(yīng)用和傳輸特性，通信系統(tǒng)中使用的光纖一般為圓柱形。下面將介紹光纖通信系統(tǒng)中光纖的基本結(jié)構(gòu)。2.1光纖及光纜

1)光纖的基本結(jié)構(gòu)

光纖通信系統(tǒng)中的光纖一般由纖芯、包層和涂覆層三個部分組成，如圖2-1所示。

(1)纖芯。纖芯位于光纖的中心部位，直徑d1為4μm～50μm，其中單模光纖的纖芯直徑為4μm～10μm，多模光纖的纖芯直徑為50μm。纖芯的主要成分是高純度SiO2

，其中摻有極少量的摻雜劑(如GeO2，P2O5)。摻雜劑的作用是提高纖芯對光的折射率(n1)，以傳輸光信號。圖2-1光纖的基本結(jié)構(gòu)示意圖

(2)包層。包層位于纖芯的周圍，直徑d2＝125μm，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度SiO2,而摻雜劑(如B2O3)的作用是適當?shù)亟档桶鼘訉獾恼凵渎?n2)，使其略低于纖芯的折射率，即n1＞n2，這樣光信號可封閉在纖芯中傳輸。

(3)涂覆層。光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層、緩沖層和二次涂覆層。其中一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機硅或硅橡膠等材料;緩沖層一般為性能良好的填充油膏；二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物材料。涂覆的作用是保護光纖不受水汽侵蝕和機械擦傷，同時還可增加光纖的機械強度與可彎曲性，延長光纖的使用壽命。涂覆后的光纖其外徑約為1.5mm，通常所說的光纖指的就是這種光纖。

2)光纖的折射率分布與光線的傳播

在光纖中，光線的傳播路徑和光纖的纖芯及其包層折射率的分布有關(guān)。圖2-2所示為兩種典型光纖的折射率分布情況,其中一種稱為階躍折射率光纖;另一種稱為漸變折射率光纖。光在階躍折射率光纖中和漸變折射率光纖中的傳播軌跡分別如圖2-3和圖2-4所示。

從圖2-3和圖2-4中可見，光線在階躍折射率多模光纖中的傳播軌跡近似于折線，而在漸變折射率多模光纖中的傳播軌跡近似于正弦曲線。圖2-2光纖的折射率分布圖2-3光在階躍折射率多模光纖中的傳播示意圖圖2-4光在漸變折射率多模光纖中的傳播示意圖

2.光纖的分類

光纖有多種分類方式，若按光纖傳輸模的數(shù)量分類，則可將光纖分為多模光纖和單模光纖；若按光纖傳輸光信號波的波長分類，則可將光纖分為短波長光纖和長波長光纖；若按光纖套塑結(jié)構(gòu)分類,則可分為緊套光纖和松套光纖。下面我們將分別進行介紹。

1)按傳輸模數(shù)分類

按傳輸模的數(shù)量不同可將光纖分為多模光纖和單模光纖。

傳播模式的概念：當光在光纖中傳播時，如果光纖纖芯的幾何尺寸遠大于光波波長時，那么光在光纖中會以幾十種乃至幾百種的傳播模式進行傳播,如圖2-5所示,其中這些不同的光束稱為模式。

(1)多模光纖。當光纖的幾何尺寸(主要是纖芯直徑d1)遠大于光波波長(約1μm)時，在光纖傳輸?shù)倪^程中會存在著幾十種乃至幾百種的傳輸模式，這樣的光纖稱為多模光纖,如圖2-4和圖2-5所示。圖2-5光在階躍折射率光纖中的傳播示意圖

(2)單模光纖。當光纖的幾何尺寸(主要是纖芯直徑d1)較小，且與光波波長處在同一數(shù)量級時，如纖芯直徑d1在4μm～10μm的范圍內(nèi)，這時，光纖只允許一種模式(基模)在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖稱為單模光纖,如圖2-6所示。

由于單模光纖具有大容量長距離的傳輸特性，因此在光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。ITU-T建議規(guī)范了四種單模光纖：G.652、G.653、G.654和G.655光纖。圖2-6光在單模光纖中的傳播示意圖①G.652光纖。G.652光纖也稱標準單模光纖(SMF)，是指色散零點(即色散為零的波長)在1310nm附近的光纖。它的折射率分布如圖2-7所示,其中圖2-7(a)表示的階躍折射率設(shè)計稱為匹配包層型，圖2-7(b)表示的階躍折射率設(shè)計被稱為凹陷包層型。

圖2-7G.652光纖的折射率②G.653光纖。G.653光纖也稱色散位移光纖(DSF)，是指色散零點在1550nm附近的光纖。它相對于G.652光纖，其色散零點發(fā)生了移動，所以叫色散位移光纖。③G.654光纖。G.654光纖是截止波長移位的單模光纖,其設(shè)計重點是降低1550nm的衰減，由于它的零色散點仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散較高。G.654光纖主要應(yīng)用于海底光纖通信。

④G.655光纖。由于G.653光纖的色散零點在1550nm附近，因此DWDM系統(tǒng)在零色散波長處工作易引起四波混頻效應(yīng)。為了避免引起該效應(yīng)，可將色散零點的位置從1550nm附近移開一定的波長數(shù)，使色散零點不在1550nm附近的DWDM工作波長的范圍內(nèi)。這種光纖就是非零色散位移光纖(NDSF)。以上這四種單模光纖的主要性能指標是衰減、色散、偏振模色散(PMD)和模場直徑。

另外，G.653光纖是為了優(yōu)化1550nm窗口的色散性能而設(shè)計的，但它也可以用于1310nm窗口的信息傳輸。由于G.654光纖和G.655光纖的截止波長都大于1310nm，因此G.654光纖和G.655光纖不能用于131nm窗口。

2)按傳輸波長分類

按傳輸信號的波長不同可將光纖分為短波長光纖和長波長光纖,其中短波長光纖的波長為0.85μm(0.8μm～0.9μm)；長波長光纖的波長為1.3μm～1.6μm，主要有波長分別為1.31μm和1.55μm的兩個窗口。

3)按套塑結(jié)構(gòu)分類按套塑結(jié)構(gòu)的不同可將光纖分為緊套光纖和松套光纖。

緊套光纖是在做了一次涂覆層的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，使光纖在套管內(nèi)不能自由活動，如圖2-8(a)所示。而松套光纖是在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，這樣光纖可以在套管中自由活動，如圖2-8(b)所示。

圖2-8套塑光纖結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2光纖傳輸原理

由于光具有波粒二象性，因此研究光纖傳輸原理可從這兩個角度入手來進行研究。通常要詳細地描述光纖傳輸原理需要借助于光的粒子特性，由求解麥克斯韋方程組導出的波動方程得到解答，但是在極限(波數(shù)k＝2π/λ非常大，波長λ→0)條件下，可以用幾何光學的射線方程作近似分析。幾何光學的方法比較直觀，容易理解，但在理論上并不十分嚴格。不管是射線方程還是波動方程，其數(shù)學推演都比較復(fù)雜，我們只選取其中的主要部分和有用的結(jié)果進行介紹。

1.幾何光學方法

用幾何光學方法分析光纖傳輸原理，我們關(guān)注的問題主要是光束在光纖中傳播的空間分布和時間分布，并由此得到數(shù)值孔徑和時間延遲的概念。

1)突變型多模光纖

(1)數(shù)值孔徑。下面以突變型多模光纖的交軸(子午)光線為例來討論光纖的傳輸條件。設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0＝1，纖芯中心軸線與z軸一致，如圖2-9所示。光線在光纖端面以小角度θ從空氣中入射到纖芯(n0<n1)，折射角為θ1，折射后的光線在纖芯中沿直線方向傳播，并在纖芯與包層交界面以角度ψ1入射到包層(n1>n2)。

圖2-9突變型多模光纖的光線傳播原理若改變?nèi)肷浣铅?，則不同的θ值對應(yīng)的入射光線將在纖芯與包層的交界面發(fā)生反射或折射。根據(jù)全反射原理，存在一個臨界角θc，當θ<θc時，其相對應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖芯，并以折線的形狀向前傳播，如圖2-9中的光線1所示。根據(jù)斯奈爾(Snell)定律得到

n0sinθ＝n1sinθ1＝n1cosψ1

(2.1)

當θ＝θc時，其相對應(yīng)的光線將以ψc入射到交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為90°)，如圖2-9中的光線2所示；當θ>θc時，其相對應(yīng)的光線將在交界面折射進入包層并逐漸消失，如圖2-9中的光線3所示。由此可見，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。

根據(jù)上述傳播條件，定義臨界角θc的正弦函數(shù)為數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)，由定義和斯奈爾定律得到

(2.2)

其中，Δ＝(n1－n2)/n1為纖芯與包層間的相對折射率差。例如，設(shè)Δ＝0.01，n1＝1.5，可得到NA＝0.21或θc＝12.2°。

數(shù)值孔徑NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或θc)的值越大，光纖接收光的能力就越強，從光源到光纖的耦合效率也就越高。對于無損耗光纖，在臨界角θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA的值越大，纖芯對光能量的束縛就越強，光纖抗彎曲的性能就越好。

但是NA的值越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變就越大，從而限制了信息的傳輸容量，所以要根據(jù)實際的使用場合來選擇適當?shù)腘A值。

(2)時間延遲?，F(xiàn)在我們來觀察光線在光纖中的傳播時間。在圖2-9中，入射角為θ的光線在長度為L(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(oy)，在θ的值很小的條件下，其傳播時間(即時間延遲)為

(2.3)

其中,c為真空中的光速。在光纖中分別以最大入射角(θ＝θc)和最小入射角(θ＝0)入射的光線之間的時間延遲差近似為

(2.4)

這種時間延遲差在時域中產(chǎn)生脈沖展寬，或稱為信號畸變。由此可見，突變型多模光纖的信號畸變是由以不同的入射角進入光纖的光線經(jīng)光纖傳輸后，其時間延遲不同而產(chǎn)生的。設(shè)光纖中NA＝0.20，n1＝1.5，L＝1km，根據(jù)式(2.4)得到Δτ＝44ns，相當于10MHz·km左右的傳輸帶寬。

2)漸變型多模光纖

漸變型多模光纖具有能減小脈沖展寬、增加帶寬的優(yōu)點。漸變型光纖折射率分布的普遍公式為

(2.5)

其中，n1和n2分別為纖芯中心和包層的折射率;r和a分別為徑向坐標和纖芯半徑;Δ＝(n1－n2)/n1為相對折射率差;g為折射率分布指數(shù)。在g→∞，(r/a)→0的極限條件下，式(2.5)表示突變型多模光纖的折射率分布。在g＝2時，n(r)按平方律(拋物線)變化，表示常規(guī)漸變型多模光纖的折射率分布。在具有這種分布的光纖中，以不同入射角入射的光線會聚在中心軸線的一點上，因而其脈沖展寬減小。

(1)數(shù)值孔徑。由于漸變型多模光纖折射率分布是徑向坐標r的函數(shù)，纖芯中各點數(shù)值孔徑又不相同，因此要定義局部數(shù)值孔徑NA(r)和最大數(shù)值孔徑NAmax，它們分別為

(2.6)

(2.7)(2)漸變型多模光纖的光線傳播軌跡。用幾何光學的方法分析漸變型多模光纖中光線的傳播需要求解射線方程。射線方程的一般形式為

(2.8)

其中，ρ為特定光線的位置矢量;s為以某一固定參考點為起點的光線長度。選用圓柱坐標(r,φ，z)，把漸變型多模光纖的子午面(r-z)示于圖2-10。圖2-10漸變型多模光纖的光線傳播原理由式(2.5)可知，一般光纖的相對折射率差都很小，光線和中心軸線z的夾角也很小，即sinθ≈θ。由于折射率分布具有圓對稱性和沿軸線的均勻性，因此n與φ和z無關(guān)，式(2.8)可簡化為

(2.9)

把式(2.5)和g＝2代入式(2.8)得到

解這個二階微分方程得到光線的軌跡為

r(z)＝C1sin(Az)＋C2cos(Az) (2.10)

其中， ;C1和C2是待定常數(shù)，由邊界條件確定。設(shè)光線以角度θ0從特定點(z＝0,r＝ri)入射到光纖中，并在任意點(z,r)以角度θ*從光纖中射出,由式(2.10)及其微分得到

(2.11)

由圖2-10的入射光得到

，把這個近似關(guān)系式代入式(2.11)得到

把C1和C2代入式(2.10)得到

(2.12a)

由射出光線得到

，將這個近似關(guān)系式和對式(2.10)求微分得到

θ*＝－An(r)risin(Az)＋θ0cos(Az) (2.12b)

取n(r)≈n(0)，由式(2.12)得到光線軌跡的普遍公式為

(2.13)

這個公式就是自聚焦透鏡的理論依據(jù)。自聚焦效應(yīng)為方便觀察光線的傳播軌跡，把光線的入射點移到中心軸線(z＝0,ri＝0)上，由式(2.12)和式(2.13)得到

(2.14)

(2.15)

由此可見，漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離z的正弦函數(shù)。對于確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角θ0，其周期

取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a,Δ)，而與入射角θ0無關(guān)。這說明不同的入射角相對應(yīng)的光線，雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最終都會聚在點P上，如圖2-10所示，這種現(xiàn)象稱為自聚焦(SelfFocusing)效應(yīng)。

(3)漸變型多模光纖的時延特性。漸變型多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不同入射角相對應(yīng)的光線會聚在同一點上，而且這些光線的時間延遲也近似相等。這是因為光線的傳播速度v(r)＝c/n(r)(c為光速)，入射角度大的光線經(jīng)歷的路程較長，但大部分光線的路程遠離中心軸線，n(r)的值較小，且傳播速度較快，因而補償了較長的光線路程。入射角度小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢，所以這些光線的時間延遲近似相等。 在圖2-10中，設(shè)在光線傳播軌跡上任意點(z,r)的速度為v(r)，其徑向分量為

(2.16)

那么光線從O點到P點的時間延遲為

(2.17)

由圖2-10可以得到

，又

，利用這些條件，再把式(2.5)代入式(2.17)得到

(2.18)

與突變型多模光纖的處理相似，對于漸變型多模光纖可取θ0＝θc(rm＝a)和θ0＝0(rm＝0)的時間延遲差為Δτ，由式(2.18)得到

(2.19)

設(shè)a＝25μm，n(0)＝1.5,Δ＝0.01，由式(2.19)計算得到的Δτ≈0.03ps。

2.光纖傳輸?shù)牟▌永碚?/p>

雖然用幾何光學的方法對光線在光纖中的傳播可以提供直觀的圖像，但是對光纖的傳輸特性只能提供近似的結(jié)果。光波是電磁波，只有通過求解由麥克斯韋方程組導出的波動方程分析電磁場分布(傳輸模式)的性質(zhì)，才能更準確地獲得光纖的傳輸特性。

1)波動方程和電磁場表達式

設(shè)光纖沒有損耗，折射率n的變化很小，在光纖中傳播的是角頻率為ω的單色光，電磁場與時間t的關(guān)系為ejωt，則標量波動方程為圖2-11光纖中的圓柱坐標

(2.20)

(2.21)其中，E和H分別為電場和磁場在直角坐標中的任一分量;c為光速。選用圓柱坐標(r,φ，z)，使z軸與光纖中心軸線一致，如圖2-11所示。將式(2.20)在圓柱坐標中展開，得到電場的z分量Ez的波動方程為

(2.22)磁場分量Hz的方程式和式(2.22)完全相同，不再將其列出。解方程式(2.22)，求出Ez和Hz，再通過麥克斯韋方程組求出其他電磁場分量，就得到任意位置的電場和磁場。

把Ez(r,φ,z)分解為Ez(r)、Ez(φ)和Ez(z),設(shè)光沿光纖軸向(z軸)傳輸，其傳輸常數(shù)為β，則Ez(z)應(yīng)為e－jβz。由于光纖的圓對稱性，因此Ez(φ)應(yīng)為方位角φ的周期函數(shù)，并設(shè)為ejvφ，其中v為整數(shù)?，F(xiàn)在只有Ez(r)為未知函數(shù)，利用這些表達式，電場z分量可以寫成

Ez(r,φ,z)＝Ez(r)ej(vj－βz)

(2.23)把式(2.23)代入式(2.22)得到

(2.24)

其中，k=2π/λ=2πf/c=ω/c

，λ和f分別為光的波長和頻率。這樣就把分析光纖中的電磁場分布，歸結(jié)為求解貝塞爾(Bessel)方程式(2.24)。設(shè)纖芯(0≤r≤a)的折射率n(r)＝n1，包層(r≥a)的折射率n(r)＝n2，實際上突變型多模光纖和常規(guī)單模光纖都滿足這個條件。為求解方程式(2.21)，需要引入無量綱參數(shù)u、w和V，其中：

利用這些參數(shù)，可以把式(2.24)分解為以下兩個貝塞爾微分方程：

(2.25a)

(2.25b)因為光能量要在纖芯(0≤r≤a)中傳輸，所以在r＝0處電磁場應(yīng)為有限實數(shù)；在包層(r≥a)內(nèi)光能量沿徑向r迅速衰減，當r→∞時，電磁場應(yīng)消逝為0。

根據(jù)上述這些特點，式(2.25a)的解應(yīng)取v階貝塞爾函數(shù)Jv(ur/a)，而式(2.25b)的解應(yīng)取v階修正的貝塞爾函數(shù)Kv(wr/a)。因此，在纖芯和包層中的電場Ez(r,φ,z)和磁場Hz(r,φ,z)的表達式為(2.26)

(2.27)其中,k0＝2π/λ＝2πf/c＝ω/c，λ和f分別為光的波長和頻率；z0＝(μ/ε)1/2為電磁阻抗，μ為介質(zhì)的磁導率，ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；A為待定常數(shù)，由激勵條件確定。

Jv(u)和Kv(w)的波形如圖2-12所示，其中Jv(u)的波形類似于振幅衰減的正弦曲線，Kv(w)的波形類似于衰減的指數(shù)曲線。式(2.24)表明，光纖傳輸模式的電磁場分布和性質(zhì)取決于特征參數(shù)u、w和β的值，其中u和w決定了纖芯和包層橫向(r)電磁場的分布，稱為橫向傳輸常數(shù)；β決定了縱向(z)電磁場的分布和傳輸性質(zhì)，所以稱為(縱向)傳輸常數(shù)。圖2-12貝賽爾函數(shù)和修正的貝賽爾函數(shù)波形圖

2)本征方程

基于上述電磁場分布方程式，并且考慮到貝塞爾函數(shù)的特點，電磁波在光纖纖芯和包層間的邊界條件，以及適當?shù)募僭O(shè)，我們就可以得到光纖在電磁場分析下的特征方程式，從而得到相關(guān)的結(jié)果。通常波動方程式和特征方程式的精確求解都非常繁雜，一般需要進行簡化。大多數(shù)通信光纖的纖芯與包層的相對折射率差Δ都很小(如Δ<0.01)，因此有n1≈n2≈n和β＝nk的近似條件，這種光纖稱為弱導光纖。對于弱導光纖，β滿足的本征方程式可以簡化為

(2.28)

3)LPmn模的截止條件

我們首先引入一個有用的參量——歸一化頻率，其定義為

(2.29)

可以證明，在ω＝ωc＝0時，Vc＝uc，分別稱為歸一化截止頻率和歸一化截止相位常數(shù)。顯然，在截止條件下得到的特征函數(shù)的解uc就是所對應(yīng)模式的截止條件Vc,特征方程式(2.28)的右端此時為0,于是有

當uc不為0時，有

(2.30)

這就是截止情況下的特征方程式，由式(2.30)可以解出uc的值來確定截止條件。uc是m－1階貝塞爾函數(shù)的根。

當m＝0時，J－1(uc)＝J1(uc)＝0，可解出uc＝μ1,n－1＝0，3.83171，7.01559，…，而μ1,n－1是一階貝塞爾函數(shù)的第n－1個根，其中n＝1,2,3,…。顯然，LP01模的截止頻率為0，LP02模的截止頻率為3.83171，這意味著當歸一化頻率V小于3.83171時，LP02模是不能在光纖中傳輸?shù)模鳯P01模卻總是可以在光纖中傳輸。當m≠0時，Jm－1(uc)＝0，可解出uc＝μm－1，n，它是m－1階貝塞爾函數(shù)的第n個根，其中n＝1,2,3,…。對于m＝1，uc＝μ0,n＝2.40483，5.52008，8.65373，…。表2-1列出了截止時低階LPmn模的uc值。表2-1截止時低階LPmn模的uc值根據(jù)前面的分析，當光纖的歸一化頻率小于LP11模的截止頻率時，光纖中將只有LP01模能夠運行，我們將

V<Vc＝2.40483 (2.31)

稱為光纖的單模傳輸條件。因為光纖歸一化頻率是工作波長和折射率分布的函數(shù)，所以當光纖參數(shù)確定后，只有工作波長大于某一特定波長時，光纖才能實現(xiàn)單模傳輸，我們稱這個特定波長為光纖的截止波長，表示為

(2.32)4)LPmn模遠離截止時的解及其物理意義

從上面對模式截止條件的分析可以看出，在光纖中隨著歸一化頻率V的增大，它所截止的模式的階數(shù)也相應(yīng)增加，即傳播的模式增加。現(xiàn)在我們將分析另一種極端情況：遠離截止時的情況。隨著光纖歸一化頻率的增加，導波的徑向歸一化衰減常數(shù)w越來越大，這意味著導波在包層中徑向的衰減加快，導波能量向光纖纖芯中集中。當V和w足夠大時，除靠近V的幾個高階模外，導波能量基本上都集中在光纖纖芯之中，我們把這種狀態(tài)稱為遠離截止的情況。用分析截止情況同樣的方法，我們可得到遠離截止時的特征方程式并簡化為

Jm(u)＝0 (2.33)

可見遠離截止時的特征值是m階貝塞爾函數(shù)的根umn(n＝1,2,3,…)。表2-2中列出遠離截止時LPmn模的u值。表2-2遠離截止時LPmn模的u值綜上所述，LPmn模的u值在截止時為m－1階貝塞爾函數(shù)的第n個根，在遠離截止時為m階貝塞爾函數(shù)的第n個根，在一般情況下該值應(yīng)在這兩者之間變化。2.1.3光纖傳輸特性

1.光纖的幾何特性

光纖的幾何特性包括芯直徑、包層直徑、纖芯/包層同心度、不圓度和光纖翹曲度等。

1)芯直徑

芯直徑主要是對多模光纖要求的。ITU-T規(guī)定，多模光纖的芯直徑為50μm±3μm。

2)包層直徑

包層直徑指光纖的外徑。ITU-T規(guī)定，多模光纖及單模光纖的包層直徑均為125μm±3μm。目前，光纖生產(chǎn)制造商已將光纖外徑的規(guī)格從125.0μm±3μm提高到125.0μm±1μm。

3)纖芯/包層同心度

纖芯/包層同心度是指纖芯在光纖內(nèi)所處的中心程度。ITU-T規(guī)定，纖芯/包層同心度誤差不大于6%(單模光纖纖芯/包層同心度小于1.0μm)。目前,光纖制造商已將纖芯/包層同心度從不大于0.8μm的規(guī)格提高到不大于0.5μm的規(guī)格。

4)不圓度

不圓度包括芯徑的不圓度和包層的不圓度。ITU-T規(guī)定，芯徑不圓度不大于6%，包層不圓度(包括單模)小于2%。

5)光纖翹曲度

光纖翹曲度是指在特定長度的光纖上測量到的彎曲度，可用曲率半徑來表示彎曲度。翹曲度(即曲率半徑)數(shù)值越大，意味著光纖越直。

注：纖芯/包層同心度對接續(xù)損耗的影響最大，翹曲度對其的影響次之。

2.光纖的光學特性

光纖的光學特性有折射率分布、最大理論數(shù)值孔徑、模場直徑及截止波長等。

1)折射率分布

光纖折射率的分布可用下式表示：

(2.34)

其中，n1為纖芯折射率;n2為包層折射率;a為芯半徑;r為離開纖芯中心的徑向距離;Δ為相對折射率差，Δ＝(n1－n2)/n1。

多模光纖的折射率分布決定光纖的帶寬和連接損耗，單模光纖的折射率分布決定工作波長的選擇。

2)最大理論數(shù)值孔徑

最大理論數(shù)值孔徑的定義為

(2.35)

其中，n1為階躍光纖均勻纖芯的折射率(梯度光纖為纖芯中心的最大折射率);n2為均勻包層的折射率。

光纖的數(shù)值孔徑(NA)與光源的耦合效率、光纖損耗、彎曲的敏感性以及帶寬都有著密切的關(guān)系，數(shù)值孔徑大則容易耦合，微彎敏感小則帶寬較窄。

3)模場直徑和有效面積

模場直徑(MFD)是指描述單模光纖中光能集中程度的參量。有效面積與模場直徑的物理意義相同，通過模場直徑可以利用圓面積計算公式求出有效面積。

模場直徑越小，通過光纖橫截面的能量密度就越大。當通過光纖的能量密度過大時，會引起光纖的非線性效應(yīng)，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低而影響系統(tǒng)的性能。因此，對于傳輸光纖而言，模場直徑(或有效面積)越大越好。圖2-13所示為模場直徑示意圖。

圖2-13模場直徑示意圖

4)截止波長

理論上的截止波長是單模光纖中光信號能以單模方式傳播的最小波長。截止波長條件可以保證在最短的光纜長度上以單模方式傳輸，并且可以抑制高次模的產(chǎn)生或可以將產(chǎn)生的高次模噪聲功率代價減小到完全可以忽略的地步。

注：幾何特性、光學特性影響光纖的連接質(zhì)量，但施工不會使它們發(fā)生變化，而傳輸特性正好相反，它不影響施工，但施工對傳輸特性將產(chǎn)生直接的影響。

3.光纖的傳輸特性

光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和色散特性。

1)光纖的損耗特性

光波在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率的強度逐漸減弱，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗(或衰減)。

光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗這三種損耗。

(1)吸收損耗。光纖的吸收損耗是由制造光纖的材料本身造成的損耗，包括紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收。

(2)散射損耗。由于光纖材料的不均勻而使光信號向四面八方散射所引起的損耗稱為瑞利散射損耗。

在光纖的制造中，其結(jié)構(gòu)上的缺陷會引起與波長無關(guān)的散射損耗。

(3)彎曲損耗。光纖的彎曲會引起輻射損耗。在實際應(yīng)用中，有兩種彎曲：一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲；另一種是微彎曲。

(4)衰減系數(shù)。光纖的衰減系數(shù)是指光在單位長度的光纖中傳輸時的衰耗量，單位一般用dB/km表示。它是描述光纖損耗的主要參數(shù),決定光纖衰減系數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射損耗，彎曲損耗對光纖衰減系數(shù)的影響不大。在單模光纖中有兩個低損耗區(qū)域，分別在1310nm和1550nm附近，即通常所說的1310nm窗口和1550nm窗口，而1550nm窗口又可以分為Cband(1525nm～1562nm)和Lband(1565nm～1610nm)，如圖2-14所示。

圖2-14光纖的特性2)光纖的色散特性

光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度也不同，這些頻率成分和模式到達光纖終端有先有后，使得光脈沖展寬，這就是光纖的色散，如圖2-15所示。色散一般用時延差來表示，所謂時延差，是指不同頻率的信號成分傳輸同樣的距離所需要的時間之差。

圖光纖的色散可分為模式色散、色度色散、偏振模色散。

(1)模式色散。多模光纖中不同模式的光束有不同的群速度。在傳輸過程中，由不同模式光束的時間延遲不同而產(chǎn)生的色散稱為模式色散。圖2-15色散引起的脈沖展寬示意

(2)色度色散。光源中的不同頻率(或波長)成分具有不同的群速度。在光信號的傳輸過程中，由不同頻率光束的時間延遲不同而產(chǎn)生的色散稱為色度色散。色度色散包括材料色散和波導色散。

①材料色散。光纖材料折射率隨光信號頻率的變化而不同，光信號不同頻率的成分所對應(yīng)的群速度也不相同，由此引起的色散稱為材料色散。

②波導色散。由光纖波導結(jié)構(gòu)引起的色散稱為波導色散。波導色散的大小可以和材料色散相比擬，如普通單模光纖在波長為1.31μm處的這兩個值基本上可相互抵消。注：模式色散主要存在于多模光纖之中，單模光纖中無模式色散，只有材料色散和波導色散。光信號的波長在1.31μm附近的色散接近0。

色散系數(shù)就是在單位波長間隔內(nèi)光波長信號通過單位長度的光纖所產(chǎn)生的時延差，用D表示，其單位是ps/(nm·km)。

(3)偏振模色散。由光信號的兩個正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱偏振模色散(PMD),如圖2-16所示。

圖2-16偏振模色散示意圖

3)碼間干擾

色散將導致碼間干擾(ISI)，由于光信號在傳輸中各波長成分到達的時間先后不一致，因而使得光脈沖加長了T＋ΔT，這就叫做脈沖展寬，如圖2-17所示。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊而形成碼間干擾，碼間干擾將引起誤碼，從而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。

圖2-17碼間干擾示意圖4.光纖的機械特性

光纖的機械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強度、彎曲以及扭絞性能等，而使用者最關(guān)心的是抗拉強度。

光纖的抗拉強度在很大程度上反映了光纖的制造工藝水平。影響光纖抗拉強度的主要因素是光纖制造材料和制造工藝，包括：①預(yù)制棒的質(zhì)量；②拉絲爐的加溫質(zhì)量和環(huán)境污染；③涂覆技術(shù)對質(zhì)量的影響;④機械損傷。

存在氣泡和雜物的光纖會在一定的張力作用下發(fā)生斷裂，如圖2-18所示。

圖2-18光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖習慣上將光纖的壽命稱為使用壽命。當光纖損耗加大致使系統(tǒng)的開通出現(xiàn)困難時，稱其已達到了使用壽命。從機械性能上講，光纖的壽命是指其斷裂壽命。

一般來說，二氧化硅包層光纖的機械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認可。為了提高光纖的機械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦可增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。

5.光纖的溫度特性

光纖的溫度特性是指在高溫和低溫條件下對光纖損耗的影響。光纖低溫特性曲線如圖2-19所示。

圖2-19光纖低溫特性曲線2.1.4光纜的結(jié)構(gòu)及分類

1.光纜的結(jié)構(gòu)

光纜由纜芯、護層和加強芯組成。

(1)纜芯。纜芯由光纖的芯數(shù)決定，可分為單芯型和多芯型兩種。

(2)護層。護層主要是對已成纜的光纖芯線起保護作用的，以避免受外界機械力作用以及環(huán)境等因素的影響而損壞。護層可分為內(nèi)護層(多用聚乙烯或聚氯乙烯等)和外護層(多用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護套加鋼絲鎧裝等)。

(3)加強芯。加強芯主要承受敷設(shè)安裝時所加的外力。

2.各種典型結(jié)構(gòu)的光纜

1)層絞式結(jié)構(gòu)光纜

層絞式結(jié)構(gòu)光纜是指把經(jīng)過套塑的光纖繞在加強芯周圍絞合而構(gòu)成的光纜。層絞式結(jié)構(gòu)光纜類似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)，故又稱為古典光纜。

目前，在市話中繼和長途線路上采用的幾種層絞式結(jié)構(gòu)光纜的示意圖(截面)如圖2-20和圖2-21所示。圖2-206芯緊套層絞式光纜

圖2-2112芯松套層絞式直埋光纜

2)骨架式結(jié)構(gòu)光纜

骨架式結(jié)構(gòu)光纜是指把緊套光纖或一次涂覆光纖放入加強芯周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成的光纜。

骨架式結(jié)構(gòu)光纜有中心增加螺旋型、正反螺旋型和分散增強基本單元型三種，圖2-22(b)所示為中心增加螺旋型結(jié)構(gòu)。目前，我國采用的骨架式結(jié)構(gòu)光纜都是如圖2-22所示的結(jié)構(gòu)。

圖2-2212芯骨架式結(jié)構(gòu)光纜3)帶狀結(jié)構(gòu)光纜

可以把帶狀光纖單元放入大套管中形成中心束管式結(jié)構(gòu),也可以把帶狀光纖單元放入凹槽或松套管內(nèi)形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu),分別如圖2-23和圖2-24所示。

4)單芯結(jié)構(gòu)光纜

單芯結(jié)構(gòu)光纜簡稱為單芯軟光纜，如圖2-25所示。這種結(jié)構(gòu)的光纜主要用于局內(nèi)(或站內(nèi))或用來制作儀表測試軟線和特殊通信場所的特種光纜，以及制作單芯軟光纜的光纖。

圖2-23中心束管式帶狀光纜圖2-24層絞式帶狀光纜

圖2-25單芯軟光纜3.光纜的種類

(1)按傳輸性能、距離和用途分，光纜可分為市話光纜、長途光纜、海底光纜和用戶光纜。

(2)按光纖的種類分，光纜可分為多模光纜、單模光纜。

(3)按光纖套塑方法分,光纜可分為緊套光纜、松套光纜、束管式光纜和帶狀多芯單元光纜。

(4)按光纖芯數(shù)多少分，光纜可分為單芯光纜、雙芯光纜、4芯光纜、6芯光纜、8芯光纜、12芯光纜和24芯光纜等。

(5)按加強件配置方法分，光纜可分為中心加強構(gòu)件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強構(gòu)件光纜(如束管兩側(cè)加強光纜和扁平光纜)、護層加強構(gòu)件光纜(如束管鋼絲鎧裝光纜)和PE外護層加一定數(shù)量的細鋼絲的PE細鋼絲綜合外護層光纜。

(6)按敷設(shè)方式分，光纜可分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜。

(7)按護層材料性質(zhì)分，光纜可分為聚乙烯護層普通光纜、聚氯乙烯護層阻燃光纜和尼龍防蟻防鼠光纜。

(8)按傳輸導體和介質(zhì)狀況分，光纜可分為無金屬光纜、普通光纜和綜合光纜。

(9)按結(jié)構(gòu)方式分，光纜可分為扁平結(jié)構(gòu)光纜、層絞式結(jié)構(gòu)光纜、骨架式結(jié)構(gòu)光纜、鎧裝結(jié)構(gòu)光纜(包括單層和雙層鎧裝)和高密度用戶光纜等。

4.光纜的標識

1)光纜的分類

目前通信用光纜可分為：

(1)室(野)外光纜：用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷設(shè)的光纜。

(2)軟光纜：具有優(yōu)良的曲撓性能的可移動光纜。

(3)室(局)內(nèi)光纜：適用于室內(nèi)布放的光纜。

(4)設(shè)備內(nèi)光纜：用于設(shè)備內(nèi)布放的光纜。

(5)海底光纜：用于跨海洋敷設(shè)的光纜。

(6)特種光纜：除上述幾類之外，作為特殊用途的光纜。

2)光纜型號的標識

光纜型號的標識是由它的型式代號和規(guī)格代號構(gòu)成的，中間用一短橫線分開。光纜型式由五部分構(gòu)成，如圖2-26所示。

圖2-26光纜型式的組成部分在圖2-26中：

·Ⅰ表示分類代號，其意義如下：

GY——通信用室(野)外光纜；

GR——通信用軟光纜；

GJ——通信用室(局)內(nèi)光纜；

GS——通信用設(shè)備內(nèi)光纜；

GH——通信用海底光纜；

GT——通信用特殊光纜。

·Ⅱ表示加強構(gòu)件代號，其意義如下：

無符號——金屬加強構(gòu)件；

F——非金屬加強構(gòu)件；

G——金屬重型加強構(gòu)件；

H——非金屬重型加強構(gòu)件。

·Ⅲ表示派生特征代號,其意義如下：

D——光纖帶狀結(jié)構(gòu)；

G——骨架槽結(jié)構(gòu)；

B——扁平式結(jié)構(gòu)；

Z——自承式結(jié)構(gòu)；

T——填充式結(jié)構(gòu)。

·Ⅳ表示護層代號，其意義如下：

Y——聚乙烯護層；

V——聚氯乙烯護層；

U——聚氨酯護層；

A——鋁-聚乙烯粘結(jié)護層；

L——鋁護套；

G——鋼護套；

Q——鉛護套；

S——鋼-鋁-聚乙烯綜合護套。

·Ⅴ表示外護層代號。外護層是指鎧裝層及鎧裝外邊的外護層。外護層的代號及其意義如表2-3所示。表2-3外護層的代號及其意義

圖2-27光纜規(guī)格的組成部分在圖2-27中：

·Ⅰ表示光纖數(shù)目,用1、2、…表示光纜內(nèi)光纖的實際數(shù)目。

·Ⅱ表示光纖類別的代號,其意義如下：

J——二氧化硅系多模漸變型光纖；

T——二氧化硅系多模突變型光纖；

Z——二氧化硅系多模準突變型光纖；

D——二氧化硅系單模光纖；

X——二氧化硅纖芯塑料包層光纖；

S——塑料光纖。

·Ⅲ表示光纖的主要尺寸參數(shù)，用阿拉伯數(shù)(含小數(shù))且以μm為單位來表示多模光纖的芯徑和包層直徑，以及單模光纖的模場直徑和包層直徑。

·Ⅳ表示光纖傳輸特性的代號由a、bb和cc三組數(shù)字代號構(gòu)成，其中：

a表示使用波長的代號，其數(shù)字代號規(guī)定如下：

1——波長在0.85μm區(qū)域；

2——波長在1.31μm區(qū)域；

3——波長在1.55μm區(qū)域。注意：同一光纜適用于兩種及其以上波長，并且在具有不同的傳輸特性時，應(yīng)同時列出各波長上的規(guī)格代號，并用“/”劃開。

bb表示損耗常數(shù)的代號,用兩位數(shù)字來表示，它們依次為光纜中光纖損耗常數(shù)值(dB/km)的個位和十位數(shù)字。

cc表示模式帶寬的代號，用兩位數(shù)字來表示，它們依次為光纜中光纖模式帶寬分類數(shù)值(MHz·km)的千位和百位數(shù)字。在單模光纖中無此項。

·Ⅴ表示適用溫度代號,其意義如下：

A——適用于－40℃～＋40℃;

B——適用于－30℃～＋50℃;

C——適用于－20℃～＋60℃;

D——適用于－5℃～＋60℃。

2.2.1發(fā)光原理

1.原子的能級

激光的產(chǎn)生與光源內(nèi)部原子的結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)密切相關(guān)。原子由原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的核外電子組成。近代物理實驗證明，原子中的電子只能以一定的量子狀態(tài)存在，即只能在特定的軌道上運動，電子的能量不能為任意值，只能是具有一系列的不連續(xù)的分立值。2.2光源器件我們把這種電子、原子、分子等微觀粒子的能量不連續(xù)的分立的內(nèi)能稱為粒子的能級。粒子處于最低能級時稱為基態(tài)；處于比基態(tài)高的能級時稱為激發(fā)態(tài)。

在通常情況下，大多數(shù)的粒子處于基態(tài)，只有少數(shù)粒子被激發(fā)至高能級，且能級越高，處于該能級的粒子數(shù)越少。在熱平衡條件下，各能級上的粒子數(shù)分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計分布，即圖2-28玻爾茲曼分布曲線

(2.36)

其中，N1、N2為處于能級E1、E2上的粒子數(shù);k0＝1.381×10－23J/K，為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度。圖2-28所示為玻爾茲曼分布曲線

2.光與物質(zhì)的相互作用

研究指出，光與物質(zhì)間存在以下三種相互作用關(guān)系：

1)自發(fā)輻射

在沒有外界激發(fā)的情況下，處于高能級E2上的粒子因不穩(wěn)定而將自發(fā)地向低能級E1躍遷，發(fā)射出能量為hf的光子，f為光子的頻率，有

(2.37)

其中，h＝6.625×10－34J·s為普朗克常數(shù)。這種發(fā)光過程稱為自發(fā)輻射，如圖2-29(a)所示。

對于處在高能級E2上的粒子來說，它們各自獨立地、隨機地分別躍遷到低能級E1上，發(fā)射出一個一個的光子，這些光子的能量相同，但彼此間沒有關(guān)系，且具有不同的相位及偏振方向，因此自發(fā)輻射發(fā)出的光是非相干光。

2)受激吸收

在外來光子的作用下，處在低能級上的粒子吸收光子的能量躍遷到較高能級上的過程稱為受激吸收，如圖2-29(b)所示。處在低能級E1上的粒子在一個頻率為f＝(E2－E1)/h的外來光子的作用下，吸收光子的能量躍遷到能級E2上去。

圖2-29自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射示意圖

3)受激輻射

處在高能級E2上的粒子，在受到頻率為f＝(E2－E1)/h的光子作用下，受激躍遷到低能級E1上并發(fā)出頻率為f的光子的過程稱為受激輻射，如圖2-29(c)所示。受激輻射的過程不是自發(fā)的，而是受到外來入射光子的激發(fā)引起的，并且受激輻射所發(fā)射的光子具有與入射光子相同的能量、頻率以及相同的相位、偏振方向、傳播方向等，這種光子稱為全同光子。因此受激輻射產(chǎn)生的光是相干光。

3.粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布及光放大

通常情況下(即熱平衡條件下)，處于低能級的粒子數(shù)較高能級的粒子數(shù)要多，稱為粒子數(shù)的正常分布。粒子在各能級之間的分布符合費米統(tǒng)計規(guī)律:

(2.38)

其中,f(E)是能量為E的能級被粒子占據(jù)的概率，稱為費米分布函數(shù);Ef為費米能級，與物質(zhì)的特性有關(guān)，不一定是一個為粒子占據(jù)的實際能級，只是一個表明粒子占據(jù)能級狀況的標志。當能級E<Ef、f(E)>0.5時，說明這種能級被粒子占據(jù)的概率大于50%；當能級E>Ef、f(E)<0.5時，說明這種能級被粒子占據(jù)的概率小于50%。也就是說，低于費米能級的能級被粒子占據(jù)的概率大，高于費米能級的能級被粒子占據(jù)的概率小。

在外界能量作用下，處于低能級的粒子將不斷地被激發(fā)到高能級上去，從而使高能級上的粒子數(shù)大于低能級上的粒子數(shù)，這種分布狀態(tài)稱為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。在外界入射光的激發(fā)下，高能級上的粒子產(chǎn)生大量的全同光子，以實現(xiàn)對入射光的放大作用。我們把處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。這種物質(zhì)可以是固體、液體或氣體，還可以是半導體材料。把利用光激勵、放電激勵或化學激勵等方法達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的方法稱為泵浦或抽運。

4.激光器的一般工作原理

激光器(Laser,LightAmplificationbySimulatedEmissionofRadiation)是具有極好單色性、方向性和光強的一種光源。世界上第一臺激光器是1960年美國人梅曼發(fā)明的紅寶石激光器。實現(xiàn)一個激光器必須滿足的三個基本條件是：

(1)需要有合適的工作物質(zhì)(發(fā)光介質(zhì))，具有合適的能級分布，可以產(chǎn)生合適波長的光輻射；

(2)需要可以實現(xiàn)工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激勵能源——泵浦源；

(3)需要可以進行方向和頻率選擇的光學諧振腔。

如圖2-30激光器構(gòu)成原理示意圖所示，將反射率為100%的全反射鏡與反射率為90%~95%的部分反射鏡平行放置在工作物質(zhì)的兩端以構(gòu)成諧振腔。諧振腔中的工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，處在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子因受激輻射而不斷放大，產(chǎn)生的光子在諧振腔中經(jīng)過反射鏡多次反射后，在諧振腔中沿非軸線方向的光子很快逸出了腔外，而沿軸線方向的光子往復(fù)傳輸不斷地被放大，且方向性、增益不斷改善，最后從反射鏡輸出即為激光。圖激光器除了滿足上述三個基本條件，要產(chǎn)生激光還必須滿足閾值條件及相位條件。在激光器的工作過程中，光在諧振腔內(nèi)傳播，除了增益介質(zhì)的光放大作用外，還存在工作物質(zhì)的吸收、介質(zhì)不均勻引起的散射、反射鏡的非理想性引起的透射及散射等損耗，所以只有光波在諧振腔內(nèi)往復(fù)一次的放大增益大于各種損耗引起的衰減時，激光器才能建立穩(wěn)定的激光輸出，其閾值條件(臨界條件)為圖2-30激光器構(gòu)成原理示意

(2.39)

其中，γth為實現(xiàn)穩(wěn)定激光輸出所必需的最小增益，稱為閾值增益系數(shù);α為諧振腔內(nèi)工作物質(zhì)的損耗系數(shù)；L為諧振腔腔長；r1、r2分別為兩個反射鏡的反射率。

由于在諧振腔中光波是在兩塊反射鏡之間往復(fù)傳輸?shù)?，這時只有滿足特定相位關(guān)系的光波才能得到彼此的加強，因此這種條件稱為相位條件，即

(2.40)

式中，fq為光波的頻率;n為工作介質(zhì)的折射率;c為光速;q＝1，2，…。由式(2.40)可以看出，激光器中振蕩光的頻率只能取某些分立值，不同q的一系列取值對應(yīng)于沿諧振腔軸向一系列不同的電磁場分布狀態(tài)，其一種分布就是一個激光器的縱模。相鄰兩縱模之間的頻率之差為(2.41)

稱為縱模間隔，它與諧振腔長及工作物質(zhì)有關(guān)。

激光振蕩也可以出現(xiàn)在垂直于腔軸線的方向上，這是平面波偏離軸向傳輸時產(chǎn)生的橫向電磁場分布，稱為橫模。

自從1960年激光器問世以來，人們已經(jīng)研制出了各種固體、氣體以及半導體激光器等。由于半導體激光器具有體積小、重量輕、壽命長,以及調(diào)制方便、調(diào)制速度高等優(yōu)點，因此在光纖通信等方面得到了廣泛的應(yīng)用。2.2.2LED光源

1.發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光面與PN結(jié)的結(jié)平面是平行的還是垂直的可將其分為面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管兩種結(jié)構(gòu)，如圖2-31所示。這兩種結(jié)構(gòu)都可以用同質(zhì)結(jié)制造，也可以用異質(zhì)結(jié)制造，只不過在實際中多采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

圖2-31(a)即為面發(fā)光二極管的典型結(jié)構(gòu)，由N-P-P雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成。這種LED的發(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中正對有源區(qū)的地方腐蝕出一個凹陷的區(qū)域，使光纖可以與發(fā)射面靠近，同時，在凹陷的區(qū)域內(nèi)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，一般在注入100mA電流時，其輸出功率就可達幾個毫瓦，但光發(fā)散角度大，水平方向和垂直方向的發(fā)散角都可達到120°，與光纖的耦合效率低。

圖2-31(b)為邊發(fā)光二極管，也采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。利用SiO2

掩膜技術(shù)，在P面形成垂直于端面的條形接觸電極(約40μm~50μm)，從而限定了有源區(qū)的寬度；同時，增加光波導層，進一步提高光的限定能力，把有源區(qū)產(chǎn)生的光輻射導向發(fā)光面，以提高與光纖的耦合效率。其有源區(qū)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)平面的方向，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。

圖2-31發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

2.發(fā)光二極管的工作特性

發(fā)光二極管作為光纖通信系統(tǒng)中所用的光源，我們所關(guān)注的發(fā)光二極管的特性包括光譜特性、P-I特性、發(fā)光效率、調(diào)制特性等。

1)光譜特性

由于發(fā)光二極管是自發(fā)輻射發(fā)光，并且沒有諧振腔實現(xiàn)對波長的選擇，因此發(fā)光譜線較寬，半最大值處的全寬度(FWHM)Δλ＝1.8kT(λ2/ch)(nm)，并隨著輻射波長λ的增加而按λ2增加。一般短波長GaAlAs-GaAs發(fā)光二極管的譜線寬度約為10nm~50nm，長波長InGaAsP-InP發(fā)光二極管的譜線寬度約為50nm~120nm。如圖2.32(a)為一典型1.3μmLED的輸出譜線。發(fā)光二極管的譜線寬度(簡稱線寬)反映了有源區(qū)材料的導帶與價帶內(nèi)的載流子分布,并隨著有源區(qū)摻雜濃度的增加而增加。面發(fā)光二極管一般是重摻雜，而邊發(fā)光二極管為輕摻雜，因此面發(fā)光二極管的線寬就較寬,而且重摻雜時，發(fā)射波長還會向長波長方向移動。同時，溫度的變化會使發(fā)光二極管的線寬加寬，載流子的能量分布變化也會引起線寬的變化，如圖2-32(b)和(c)所示。

圖2-32發(fā)光二極管的輸出譜線特性

2)P-I特性

發(fā)光二極管的P-I特性是指輸出的光功率隨注入電流的變化關(guān)系，P-I特性曲線如圖2-33(a)所示。當注入電流較小時，P-I特性曲線的線性度非常好；但當注入電流比較大時，由于PN結(jié)的發(fā)熱，發(fā)光效率降低，出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。在同樣的注入電流下，面發(fā)光二極管的輸出功率要比邊發(fā)光二極管的大2.5~3倍，這是因為邊發(fā)光二極管受到更多的吸收和界面復(fù)合的影響。

在通常應(yīng)用條件下，發(fā)光二極管的工作電流為50mA~150mA，輸出功率為幾個毫瓦，但因為其與光纖的耦合效率很低，所以入纖功率要小得多。溫度對發(fā)光二極管的P-I特性也有影響，當溫度升高時，同一注入電流下的發(fā)光二極管的發(fā)射功率要降低，如圖2-33(b)所示。發(fā)光二極管的溫度特性相對較好，在實際應(yīng)用中一般可以不加溫度控制。

3)發(fā)光效率

發(fā)光效率是描述發(fā)光二極管電光能量轉(zhuǎn)換的重要參量，分為內(nèi)量子效率和外量子效率。發(fā)光二極管是靠注入有源區(qū)的電子與空穴的復(fù)合輻射發(fā)光的，但是并非所有的注入電子與空穴都能夠產(chǎn)生輻射復(fù)合,發(fā)射光子也存在非輻射復(fù)合，每種復(fù)合的概率取決于其材料及結(jié)構(gòu)。圖2-33發(fā)光二極管的P-I特性及溫度特性內(nèi)量子效率代表有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光子數(shù)與注入的電子-空穴對數(shù)之比，即

(2.42)

發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率可以做得很高，有的甚至可以接近100%，但實際的發(fā)光二極管輸出的光子數(shù)遠低于有源區(qū)中產(chǎn)生的光子數(shù)，這一方面是由于發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子被其他部分的材料吸收，另一方面是由于PN結(jié)的波導效應(yīng)，光子能逸出界面的數(shù)目大大減少，因此發(fā)光二極管的外量子效率即總效率為

(2.43)4)調(diào)制特性從P-I特性可以看出，改變發(fā)光二極管的注入電流就可以改變其輸出光功率，圖2-34所示為發(fā)光二極管的調(diào)制原理圖。把這種直接改變光源注入電流實現(xiàn)調(diào)制的方式稱為直接調(diào)制或內(nèi)調(diào)制。需要注意的是，在圖示的模擬調(diào)制中，首先要給發(fā)光二極管直流偏置，以防止當信號為負時，可能會因反偏而造成的損壞。顯然，對于模擬調(diào)制P-I關(guān)系的非線性會使調(diào)制信號產(chǎn)生失真，必要時可以利用線性補償電路來進行改善。

圖2-34發(fā)光二極管的調(diào)制原理圖圖2-35發(fā)光二極管的調(diào)制響應(yīng)由于PN結(jié)的結(jié)電容以及雜散電容的存在，因此使得發(fā)光二極管的調(diào)制特性隨著調(diào)制的頻率提高而變化。發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可表示為

(2.44)其中，f為調(diào)制頻率;P(f)為對應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功率;τ為載流子的壽命。如圖2-35所示，隨著調(diào)制頻率的提高，光功率輸出要下降。定義發(fā)光二極管的截止頻率

,則H(f)＝

。載流子的壽命與摻雜濃度、注入電流密度及有源區(qū)厚度有關(guān)。顯然，要提高截止頻率以增加調(diào)制帶寬，就要盡可能地縮短載流子的壽命，可以通過有源區(qū)重摻雜以及高注入等方法來改進。2.2.3半導體激光器

1.半導體激光器的結(jié)構(gòu)

半導體激光器同發(fā)光二極管一樣，也采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),所不同的是半導體激光器縱向的兩個端面是晶體的解理面，相互平行且垂直于結(jié)平面，一個端面鍍反射膜，另一個端面輸出，構(gòu)成了激光器的FP諧振腔。同時，它采用條形結(jié)構(gòu)，使有源區(qū)光場不僅在垂直于結(jié)平面方向受到限制，并且在平行于結(jié)平面的水平方向也有波導效應(yīng)，使光子及載流子局限在一個較窄及較薄的條形區(qū)域內(nèi)，以提高光子及載流子的濃度。我們把這種條形有源區(qū)的激光器稱為條形激光器，它與光纖耦合的效率較高。 條形激光器主要有兩種結(jié)構(gòu)：增益導引條形和折射率導引條形。圖2-36(a)所示為增益導引條形半導體激光器的結(jié)構(gòu)。利用Zn擴散和氧化物隔離等技術(shù)在條形有源區(qū)兩邊形成高阻層，這樣只有在條形有源區(qū)內(nèi)有電流流過且具有光增益特性，條形區(qū)以外損耗較大，光信號被限制在條形區(qū)域內(nèi)。這種利用增益分布限制光子的激光器稱為增益導引條形半導體激光器。圖2-36(b)所示為折射率導引條形半導體激光器的結(jié)構(gòu),其條形有源區(qū)兩側(cè)為具有較低折射率的材料，從而形成光波導效應(yīng)，實現(xiàn)對光子的約束。這種激光器具有輸出功率穩(wěn)定、線性特性好、調(diào)制速率高等優(yōu)點，但制作工藝較為復(fù)雜。

圖2-36半導體激光器的橫截面結(jié)構(gòu)

2.半導體激光器的工作特性

1)P-I特性

典型的半導體激光器如圖2-37所示。從圖上可以看出，半導體激光器存在閾值電流Ith。當注入電流小于閾值電流時，器件發(fā)出微弱的自發(fā)輻射光，類似于發(fā)光二極管的發(fā)光情況;當注入電流的值超過閾值，器件進入受激輻射狀態(tài)時，光功率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本上保持線性關(guān)系。

半導體激光器的P-I特性對溫度很敏感，圖2-38給出了不同溫度下P-I特性的變化情況。由圖可見，隨著溫度的升高，閾值電流增大，發(fā)光功率降低。閾值電流與溫度的關(guān)系可以表示為

(2.45)

其中,T為器件的絕對溫度；T0為激光器的特征溫度；I0為常數(shù)。

圖2-37半導體激光器P-I曲線

圖2-38半導體激光器P-I曲線隨溫度的變化為解決半導體激光器溫度敏感的問題，可以在驅(qū)動電路中進行溫度補償，或是采用制冷器來保持器件的溫度穩(wěn)定。通常將半導體激光器與熱敏電阻、半導體制冷器等封裝在一起構(gòu)成組件，熱敏電阻用來檢測器件溫度以及控制制冷器，實現(xiàn)閉環(huán)負反饋自動恒溫控制。

2)光譜特性

半導體激光器的光譜特性主要由其縱模決定。圖2-39所示為多縱模半導體激光器的典型譜線，其中λp為具有最大輻射功率的縱模的峰值所對應(yīng)的波長，稱為峰值波長;Δλ為光譜輻射帶寬，包括發(fā)射功率不小于峰值波長功率50%的所有波長，也稱半高全寬光譜寬度；ΔλL是一個縱模中光譜輻射功率為其最大值一半的譜線兩點間的波長間隔。圖2-39半導體激光器的光譜定義邊模抑制比SMSR為主模功率P主與最強邊模功率P邊之比，它是半導體激光器頻譜純度的一種度量。

(2.46)

與發(fā)光二極管的譜線特性相比，半導體激光器的發(fā)光譜線較為復(fù)雜，它會隨著工作條件的變化而發(fā)生變化。當注入電流低于閾值電流時，激光器發(fā)出的是熒光，光譜較寬；當電流增大到閾值電流時，光譜突然變窄，強度增強，出現(xiàn)激光；當注入電流進一步增大，主模的增益增加，而邊模的增益減小，振蕩模式減少，最后會出現(xiàn)單縱模，如圖2-40所示。

圖2-40半導體激光器輸出譜線與注入電流之間的變化

3)調(diào)制特性

圖2-41所示為半導體激光器直接調(diào)制的原理圖。與發(fā)光二極管的調(diào)制不同的是，由于存在閾值電流，因此在實際的調(diào)制電路中，為提高其響應(yīng)速度及不失真，需要進行直流偏置處理。

在高速調(diào)制的情況下，半導體激光器會出現(xiàn)許多復(fù)雜的動態(tài)性質(zhì)，如出現(xiàn)電光延遲、張弛振蕩和自脈動等現(xiàn)象，這些特性會影響系統(tǒng)的傳輸速率和通信質(zhì)量。

圖2-41半導體激光器的調(diào)制原理圖

圖2-42光脈沖的電光延遲和張弛振蕩示意圖

(1)電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象。半導體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖的瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖2-42所示，輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個時間延遲，稱為電光延遲時間，一般為納秒量級。當電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式的振蕩，稱為張弛振蕩。張弛振蕩的頻率一般為幾百兆赫茲到2GHz的量級。這些特性與激光器有源區(qū)的電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電流初始偏置量有關(guān)。

當信號的調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時，將會使輸出光信號的波形嚴重失真，勢必會增加接收機的誤碼率，所以，半導體激光器的張弛振蕩和電光延遲的存在限制了信號的調(diào)制頻率，它應(yīng)低于張弛振蕩頻率，這樣才能保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

可以通過在半導體激光器脈沖調(diào)制時加直流預(yù)偏置的方法，在脈沖到來之前將有源區(qū)內(nèi)的電子密度提高到一定的程度，從而使脈沖到來時電光延遲時間大大減小，而且張馳振蕩現(xiàn)象可以得到一定程度的抑制。隨著直流預(yù)偏置電流的增大，電光延遲時間會逐漸減小，增加直流預(yù)偏置電流也有利于抑制張馳振蕩。

電光延遲還會產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當電光延遲時間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間為相同數(shù)量級時，會使后一個光脈沖的幅度受到前一個脈沖的影響，這種影響現(xiàn)象稱為碼型效應(yīng)，如圖2-43(a)和(b)所示?？紤]在兩個接連出現(xiàn)的“1”碼脈沖調(diào)制時，第一個脈沖過后存儲在有源區(qū)的電子以指數(shù)的形式衰減，如果調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于其衰減周期，那么就會使第二個脈沖到來之時，前一個電流脈沖注入的電子并沒有完全復(fù)合消失，此時有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時間短，輸出光脈沖幅度和寬度就會增大。

碼型效應(yīng)的特點是在脈沖序列中較長的連“0”碼后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。消除碼型效應(yīng)最簡單的方法就是增加直流偏置電流。當激光器偏置電流在閾值附近時，脈沖持續(xù)時間和脈沖過后有源區(qū)內(nèi)電子密度變化不大，使得電子存儲的時間大大減小，碼型效應(yīng)就可得到抑制。另外，還可以采用在每一個正脈沖后跟一個負脈沖的雙脈沖信號進行調(diào)制的方法，如圖2-43(c)所示，用正脈沖產(chǎn)生光脈沖，用負脈沖來消除有源區(qū)內(nèi)的存儲電子。但負脈沖的幅度不能過大，以免激光器PN結(jié)被反向擊穿。

圖2-43碼型效應(yīng)示例圖2-44輸出光脈沖的自脈動

(2)自脈動現(xiàn)象。某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流電流驅(qū)動下，輸出的光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的振蕩，振蕩頻率在幾百兆赫茲到2GHz，如圖2-44所示，我們把這種脈沖波形的畸變稱為自脈動現(xiàn)象。和張馳振蕩一樣，它對激光器的高速脈沖調(diào)制性能也能產(chǎn)生影響。自脈動現(xiàn)象的出現(xiàn)是激光器在某些注入電流情況下發(fā)生的，它的出現(xiàn)及振蕩頻率與外加調(diào)制速率無關(guān)，僅與注入的總電流有關(guān)。自脈動現(xiàn)象產(chǎn)生的機理很復(fù)雜，主要是由于激光器內(nèi)部存在非線性增益而造成的，往往和激光器P-I特性的非線性有關(guān)。2.2.4新型激光器

在光纖通信中，為了降低光纖色散，希望光源的線寬盡可能地窄，因此要求激光器工作在單縱模狀態(tài)。從前面半導體激光器的輸出譜線隨注入電流變化的特性可以看出，當注入工作電流高于閾值電流時，隨著輸出光功率的增加，半導體激光器就能夠進入單縱模工作狀態(tài)。但這只是在直流情況下，而在實際應(yīng)用中，因為進行直接調(diào)制會使激光器的注入電流不斷地發(fā)生變化，所以有源區(qū)載流子的濃度也隨之發(fā)生變化，導致折射率和諧振條件發(fā)生變化。隨著調(diào)制頻率的提高和調(diào)制深度的加大，會使主模的強度下降，鄰近邊模的強度增強，單縱模分裂為多縱模，而且線寬也相應(yīng)地增大，因此調(diào)制速率越高，調(diào)制深度越大，譜線展寬得越多。

圖2-45所示為激光器在不同的調(diào)制速率和調(diào)制深度時的輸出光譜，這種類型的器件不能滿足在高速通信系統(tǒng)中單縱模工作時的要求。在高速調(diào)制下仍然可以工作在單縱模狀態(tài)的半導體激光器稱為動態(tài)單縱模激光器。實現(xiàn)單縱模工作方式的激光器很多，應(yīng)用最為廣泛的是分布反饋式激光器。分布反饋式激光器的結(jié)構(gòu)與普通的FP激光器的結(jié)構(gòu)不同，它不是靠解理面形成的諧振腔工作，而是依賴于沿縱向等間隔分布反射的光柵工作。分布反饋式半導體激光器分為分布反饋激光器(DFB-LD)和分布布拉格反射激光器(DBR-LD)，它們的結(jié)構(gòu)分別如圖2-46和圖2-47所示。圖2-45高速調(diào)制時激光器的輸出譜線圖2-46DFB激光器的結(jié)構(gòu)

圖2-47DBR激光器的結(jié)構(gòu)分布反饋式激光器具有以下優(yōu)點：

(1)單縱模振蕩。利用光柵實現(xiàn)選頻，可以很容易地實現(xiàn)單縱模。

(2)譜線窄，波長穩(wěn)定性好。由于光柵的作用，因此使分布反饋式激光器的譜線寬度窄到幾個吉赫茲，并且改善了波長的穩(wěn)定性。

(3)動態(tài)譜線好。在高速調(diào)制時分布反饋式激光器的譜線有所展寬，但比FP激光器的動態(tài)譜線展寬小一個數(shù)量級，同時其仍然保持單縱模特性。

(4)線性度好。

2.3.1光檢測器原理

半導體光檢測器是利用半導體材料內(nèi)部的光電效應(yīng)制成的。如圖2-48所示，當光入射在PN結(jié)時，如果光子的能量大于半導體的禁帶寬度(帶隙)Eg，那么就會激發(fā)受激吸收，使價帶的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，在導帶出現(xiàn)光生電子，而在價帶中出現(xiàn)光生空穴，形成光生電子-空穴對。這種由入射光照射而在半導體材料內(nèi)產(chǎn)生光生載流子的現(xiàn)象稱為半導體的光電效應(yīng)。2.3光檢測器圖2-48半導體材料的光電效應(yīng)

PN結(jié)的光電效應(yīng)：

光電二極管(PD)是一個工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管，由光電二極管作成的光檢測器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)。當PN結(jié)上加反向偏壓時，外加電場方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場方向一致，勢壘加強，在PN結(jié)界面附近的載流子基本上耗盡而形成耗盡區(qū)(層)。當光束入射到PN結(jié)上，且光子能量hv大于半導體材料的帶隙Eg時，價帶上的電子吸收光子能量后躍遷到導帶上，形成一個電子-空穴對。在耗盡區(qū)(層)中，電子在內(nèi)建電場的作用下向N區(qū)漂移，而空穴向P區(qū)漂移，如果PN結(jié)的外電路構(gòu)成回路，就會形成光電流,當入射光功率變化時，光電流也隨之發(fā)生線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。當入射光子能量小于Eg時，不論入射光有多強，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足

hv>Eg

即存在