光纤课件ch5 (2)资料讲解

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1、第五章 光缆和光纤通信器件,5.1光纤的温度特性和机械特性 5.2光缆的结构和种类 5.3无源光器件 5.4发光二极管器件简介 5.5半导体激光二极管器件 5.6电检测器件 5.7其它新型光通信器件简介,5.1光纤的温度特性和机械特性,1光纤的温度特性 通常情况下，光纤的特性受温度影响不大，但是在温度很低时，损耗随温度降低而增加，尤其是在温度非常低时，损耗急剧增加，所以高寒地区工作的光缆应注意到这个特性。,产生这种现象的原因是光纤的热膨冷缩。 构成光纤的二氧化硅(SiO2)的热膨胀系数很小，在温度降低时几乎不收缩。而光纤在成缆过程中必须经涂覆和加上一些其他构件，涂覆材料及其他构件的膨胀系数较大

2、，当温度降低时，收缩比较严重，所以当温度变化时，材料的膨胀系数不同，将使光纤产生微弯，尤其表现在低温区。 随着温度的降低，光纤的附加损耗逐渐增加，当温度降至-55左右，附加损耗急剧增加。 因此，在设计光纤通信系统时，必须考虑光缆的高、低温循环试验，以检验光纤的损耗是否符合指标要求。,5.2 光缆的结构和种类,由光纤的温度特性和机械特性可知光纤必须制作成光缆才能使用。光缆线路在长期使用中，必须经受敷设安装和长期维护运用的考验。 因此，对光缆有如下基本要求： 不能因成缆而使光纤的传输特性恶化； 在成缆过程中光纤不断裂； 缆径细、重量轻； 便于施工和维护,1光缆的基本结构 光缆由缆芯、加强元件和外护

3、层组成。 (1) 缆芯 缆芯由光纤芯线组成，它可分为单芯和多芯两种。 二次涂覆主要采用下列两种保护结构： 紧套结构 松套结构,两种保护结构如图5-2-1所示,(2) 加强元件 光纤材料比较脆，容易断裂，为了使光缆便于承受敷设安装时所加的外力等，因此在光缆中要加一根或多根加强元件位于中心或分散在四周。 加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维增强塑料(FRP)等。 (3) 护层 光缆的护层主要是对已经成缆的光纤芯线起保护作用，避免由于外部机械力和环境影响造成对光纤的损坏。,2光缆的种类 (1) 层绞式光缆 (2) 单位式光缆 (3) 骨架式光缆 (4) 带状式光缆,3几种新型光缆简介 (1) 常规光

4、缆 长途通信光缆线路广泛使用的是G652常规单模光缆。这种光缆的光纤损耗在=1.55m附近时最小，但色散较大约为18ps/(nmkm)；在=1.31m损耗较小，约0.35dB/km色散几乎为零。 (2) 色散位移光缆 色散位移光缆即是由色散位移光纤DSF构成的光缆。DSF是使单模光纤的材料色散和波导色散相互补偿，在1.55m附近总色散为零。 色散位移光缆可以实现光纤通信系统的大容量，超长距离的传输。,(3) 非零色散光缆 它是由非零色散光纤NZDF构成的光缆。 在波分复用WDM技术中，DSF由于光纤的非线性效应而产生四波混频等现象。为了解决这个问题设计一种新型光缆。 非零色散光纤NZDF，光纤

5、工作波长在1.541.565m范围内，色散值不为零，但这个值较小约为1.04.0ps/(kmnm)。和常规光纤相比，在这个波长范围内，色散和损耗都比较小，所以可以实现超长距离的传输，又可以采用WDM技术。,(4) 色散平坦光缆 利用WDM技术，为了挖掘光纤的潜力，充分利用光纤的有效带宽，在1.31.6m的波长范围内，都能够保持低损耗和低色散，在相对比较宽的范围内得到平坦的低色散特性，设计一种新型光纤色散平坦光纤DFF。由DFF构成的光缆即是色散平坦光缆。 DFF也是通过改变光纤的折射率的方法实现在1.31.6m波长范围内的平坦的低色散。,5.3无源光器件,在光纤通信系统中需要众多的无源光器件，

6、在光路中起着光纤连接、光功率分配、光信息的衰减、隔离和调制、光波分复用、光信道切换等作用。这些无源光器件包括连接器、分路器与耦合器、衰减器、隔离器、滤波器、波分复用器、光开关和调制器等。,1光纤的连接与光纤连接器 光纤与光纤的连接有两种：一种是永久性连接，另一种是活动连接。 光纤与光纤的永久性连接通常采用高频电弧放电熔接的方法。 活动连接是通过光纤连接器来实现 光纤连接器的作用不仅实现光纤与光纤之间的活动连接，还可以实现系统中设备之间、设备与仪表之间、设备与光纤之间的活动连接。,光纤连接器的结构种类很多，但大多用精密套筒来准直纤芯，以降低损耗。 光纤连接器又分多模连接器和单模连接器。 接口类型

7、有FC型、及SC型、ST等几种类型。根据不同要求使用。,2光纤分路器及耦合器 在光纤通信系统或光纤测试中，经常要遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为监测、控制等使用，这就用到光纤分路器；也需要把两个不同方向来的光信号合起来送 入一根光纤中传输，这就用光纤耦合器来完成。 分路器及耦合器按其结构不同可分为棱镜式和光纤式两类。 光纤分路器及耦合器种类很多，有：Y型分路器、X型22定向耦合器、1N及NN星型耦合器等等。,3光衰减器 当输入光功率超过某一范围时，为了使光接收机不产生失真，或为了满足光线路中某种测试的需要，就必须对输入光信号进行一定程度的衰减。 目前常用的光衰减器主要采用金属蒸发

8、膜来吸收光能进行光衰减，衰减量的大小与膜的厚度成正比。 光衰减器可分为固定衰减器和可变衰减器两种。,4光隔离器 某些光器件，像LD及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器来阻止反射光。 光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作基于法拉第旋转的非互易性。,5光开关 光开关在光纤通信技术中作光路切换之用，如系统的主备切换等。 光开关主要有两大类，即机械式及波导式。 机械式开关如图5-3-6所示,6光滤波器 光滤波器在光纤通信系统中的应用正在不断扩大，如波分复用系统中的波长选择、光放大器中的噪声滤波等。 光滤波器的种类很多，如干涉滤光片

9、型、FP型、马赫曾特型、声光型、电光型、光栅型及有源型等。 目前用得较多的是干涉滤光片型及FP型。,7波分复用器 波分复用器把不同波长的光信号复合注入到一根光纤中；或者把复合的多波长信号解复用，把不同波长的信号分离出来。 波分复用器的种类：有棱镜色散型、衍射光栅型及干涉滤光型等， 波分复用器的结构：由光纤、分光元件和准直聚焦系统组成,5.4发光二极管器件简介,1发光二极管(LED) 发光二级管(LED)于1962年发明，1968年用于光检测，后用于通信。它的发光机理是电致发光，当LED的PN结加上正向偏压时，在电场的作用下，PN结有源区注入的少数载流子与多数载流子复合而发光，发光过程是自发辐射

10、。 LED类型有：边发光二极管(ELED)、面发光二极管(SLED)和超辐射发光二级管(SLD,2边发光二极管(ELED) 边发光二极管即PN结平面与发光面垂直。为了使器件有好的光和载流子限制，大多采用双异质结(DH)结构。 边发光二极管一般采用与LD相同条形结构，一个端面镀全反射膜，另一端镀增透(减反膜)取消谐振腔激光振荡。,边发光二极管特点是： 减小光束发散小，垂直于结平面方向发散角30左右。比面发光二极管光束窄，从侧面向光纤芯发射，易于和光纤耦合。 相同注入电流下，有较小的载流子寿命，故调制带比面发光二极管高(可达200MHz)。,3面发光二极管(SLED) 面发光二极管(SLED)即P

11、N管面与发光面平行，SLED有如下特点：驱动电流较大，发光强度高，温度特性较好；但带宽较宽，单色性差。 面发光二极管(SLED)的结构如图5-4-2所示,4高速发光二极管 对光纤传输系统来说，要求LED有高的输出光功率和宽的调制带宽。 要想获得大于300MHz的带宽，必须增加二极管有源区中的复合(辐射和非辐射)速率，减少少子寿命是提高LED带宽的有效途径。 可以从高速LED设计制作和高速LED驱动电路两个方面来考虑。,高速LED设计制作准则 (1) 高的注入电流和小的有源区面积 (2) 有源区的重掺杂 (3) 利用双分子复合效应 高速LED驱动电路 LED驱动电路的最佳设计对改善短距高速光纤通

12、信的消光比和调制速度至关重要。 一个完整的高速LED驱动电路，除基本的驱动电路功能外，还要加上输入逻辑电平、保持电路和其它电路。,5超辐射发光二极管 超辐射发光二极管(SLD)是一种介于激光二极管(LD)和发光二极管(LED)之间的半导体光源，它的出现和发展完全受到光纤陀螺的驱动，并成为一种重要的光源。 短波SLD易于得到较大的功率输出，而长波SLD除具有更高的可靠性和更长的寿命外，还具有谱线宽和抗核辐射性能好的优点。,6LED组件 LED组件由LED芯片、LED驱动电路组成。 对于高级LED组件，为了保证LED稳定可靠工作，还配置温控系统。,5.5半导体激光二极管器件,1半导体激光器概述 半

13、导体激光器LD的原理是：在有源区中高掺杂的PN结在上由于外加电压不断注入电子，在PN结上形成粒子数反转分布，在有源区中产生受激辐射而发出激光。 激光产生需要满足三个条件： 可实现粒子数反转分布增益介质，如InGaAsP等三能级或四能级结构； 泵浦源(pump)给激光物质提供能量 光学谐振腔，通过增益介质(有源区)两端的反射镜实现正反馈。,2法布里珀罗型半导体激光二极管 法布里珀罗(FP)型激光二极管(LD)是最常见和最普通的LD，这种LD由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。 光纤通信的FP型LD通常为双异质结(DH)LD，有源层可以是N型，也可以是P型。

14、FP LD在高速调制下，或者在温度和注入电流变化时，不再维持原来的激射模式，而出现模式跳跃和谱线展宽，这对于高速调制不利。为了维持单模，减小光谱展宽，所以必须研究动态单模激光器。,3分布反馈激光二极管和分布Bragg反射器激光二极管 (1) 分布反馈激光二极管 分布反馈激光二极管(DFB LD)和FP型激光二级管(FP LD)的主要区别在于它没有集总反射的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供的，这种反射机构是一种分布式的反馈机构，因而得名分布反馈激光二极管。 它的性能远远超过普通FP LD，特别是Bragg光栅的选频功能使得它具有非常好的单色性和方向性。此外，正因为它

15、没有使用晶体解理面作为反射镜，使得它更容易集成化，在光电子集成电路(OEIC)中有着十分诱人的优点,DFB LD的谱线宽度非常的窄。目前已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器，特别在1.3m和1.55m光纤通信系统中。在光纤有线电视(CATV)传输系统中，DFB LD已成为不可替代的光源。,(2) 分布Bragg反射器(DBR)激光二级管 分布Bragg反射器激光二极管(DBR LD)是为了克服分布反馈激光二极管(DFB LD)的一些缺点而设计的，它的结构是把周期性沟槽放在有源波导两外侧的无源波导上。 在未来的通信和CATV共纤传输的波分复用(WDM)系统中，DBR LD倍受青睐，因为DBR

16、LD具有出色的宽带波长可调特性。 它是LD光源的发展方向之一。,4量子阱激光二极管 (1) 量子阱激光二级管的能带,(2) 量子阱激光二极管的优点 阈值电流很低可达0.1mA以下；可在较高的温度下工作；具有窄的谱线宽度和高的调制速度,5激光器组件 激光器组件是指在一个紧密结构中(如管壳内)，除激光二极管(LD)芯片外，还配置其他元件和实现LD工作必要的少量电路块的集成器件，其他元件和电路应包括： (1) 光隔离器 (2) 监视光电二极管 (3) 尾纤和连接器。 (4) LD的驱动电路 (5) 热敏电阻 (6) 热电致冷器(TEC) (7) 自动温控电路(ATC) (8) 自动功率控制电路(APC) ,5.6电检测器件,1光电检测器类型 光检测器是光信号的接收器件，是将光信号转变为电信号的一种有源器件。 光量子检测器可分为外光电效应检测器和内光电效应检测器。,外光电效应检测器大能量光子照射时，能使物体内部电子逸出表面，该效应称为外光电效应。有光电子管、光电倍增管、红外变像管(红外夜视仪)等。 内光电效应当投