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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，当
2、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。,2光纤的机械特性目前构成光纤的材料是SiO2，要被拉成125m的细丝。在拉丝过程中，光纤的抗拉强度约为1020kg/mm2如拉丝后立即在光纤表面进行涂覆，抗拉强度可达400kg/mm2。这里所说光纤的强度是指抗张强度，当光纤受到的张力超过它的承受能力时，光纤就将断裂对于光纤抗断强度，它和涂覆层的厚度有关，当涂覆厚度为510
3、m时，抗断强度为330kg/mm2只有强度符合要求的光纤才能用来成缆。,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
4、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
5、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，
6、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，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
7、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
8、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。
9、,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
10、,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。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
11、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PN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
12、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
13、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)
14、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。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
15、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
16、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 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)
17、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。内光电效应当投射到物体光子能量不那么大，但是却大于该物体材料所需的某一数值时，会由于这个能量的被吸收而在物体内部产和电子空穴时，光照后产生的电子空穴对叫光
18、生载流子。内光电效应器件从结构上分类：(1)光电导型(2)光生伏打型(3)光磁电型(在光通信中较少使用)(4)PIN光电二极管(5)雪崩型光电二极管。,光纤通信的检测器，应具备如下条件和要求才能完成光电转换：(1)高的光电转换效率(2)足够高的响应速度，或有大的带宽(热控测器则不能)。(3)高的接收灵敏度，即能控测极微弱的光信号，对此，检测器应有很低的噪声，(与光电转换效率相区别)。(4)低的功耗和长的寿命。,2PIN光电二极管PIN光电二极管光纤通信应用广泛的器件。目前国产PIN光电二极管有：(1)Si-PIN管(用于0.80.9m光纤通信系统)(2)Ge-PIN管(用于1.31m光通信系统
19、)，(3)InGaAsP-PIN管(用于1.31m和1.55m系统)PIN管常与FET构成组件使用(Field Effect Transistor)广泛用于通信工程上。PIN-FET组件既具有光检测(光电转换)功能又具有信号放大功能(低噪声、高增益，功态范围大)。,3雪崩光电二极管(APD)它是带内增益的半导体管。采用APD优点是：当一个接收系统的噪声主要来自于前置放大器和负载电阻的势噪声时，雪崩光电二极管内部增益提供了一种增益信号，但在一定增益范围内不增加总噪声功率的方法。从而提高了系统的信噪比。雪崩光电二极管结构种类：(1)保护环结构；(2)台型结构；(3)拉通型结构。,用于光纤通信的雪崩
20、光电二极管：(1)硅雪崩光由二极管(Si-APD)响应光谱范围：0.61.1m(第一通光窗口)(0.85m)量子效率因结构不同而异：(2)锗雪崩光电二极管(Ge-APD)(第二窗口1.31m)响应光谱0.81.65m；,4肖特基光电二极管 肖特基光电二极管是利用肖特基势垒收集光生载流子的光电探测器。所谓肖特基势垒就是指金属和半导体相互接触而在其界面处产生的势垒。,5集成光学光电探测器为适应光电子集成电路(OEIC)的要求，人们正在探索适应于单片集成的各种光波导探测器。从集成方法来看，有如下类型的探测器：光波导Si探测器外延长InGaAs探测器电吸收光波导探测器离子注入探测器,1光发射接收模块光
21、发射接收模块是在光发射接收组件基础上出现的具有实用化的多功能组件。在一个相对紧密的结构中包含了多少元器件或电路块，即相对紧密结构的集成单元数量，小的集成单元数称之为组件，大的集成单元数称之为模块。,5.7其它新型光通信器件简介,以光发射为例，把在一个相对紧密结构中包含了激光二极管、监视光电二极管、光隔离器、热电致冷器、温度传感器、控制电路、尾纤或连接器等且具有光发射功能的部件称之为激光器组件；而激光器模块是指在激光器组件内还包含一定量的电路部分(如驱动电路、AGC电平检测电路、VCA电路、电路状态监视电路等)的激光器组件。器件的模块化已成为发展的必然趋势。根据用途不同，模块的种类也越来越多，但
22、最基础的模块是光发射模块、光接收模块、光收发一体模块、单纤双向收发模块或突发式模块等。,2光调制器在直接调制半导体激光二极管的过程中，由于啁啾特性存在，不仅使单个纵模的线宽展宽，而且在单模光纤中传播时，在色散作用下将使非线性失真增大。这两种不利的结果，将对光纤链路产生极其不利的影响。解决的办法是使用外调制器。光调制器广泛应用于外调制的光发射机和数据链路中，通过光调制器不仅可以改变光波的强度，而且还可调制光波的相位和偏振态,光调制器的主要种类有：LiNbO3光调制器半导体光调制器聚合物波导光调制器等等,3光纤激光器和光放大器在目前Si基光纤和未来的中红外光纤系统中，光纤激光器和放大器是潜力巨大的
23、光有源器件。光纤激光器按其激射机理可分为稀土掺杂光纤激光器、光纤非线性效应激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器和光纤孤子激光器，其中以稀土掺杂光纤激光器的开发最为成熟，并已应用于光纤通信系统。,目前稀土掺杂光纤放大器按其掺杂元素和工作机理可分为铒掺杂光纤放大器(EDFA)、镨掺杂光纤放大器(PDFA)、铥掺杂光纤放大器(TDFA)和利用光纤非线性效应的拉曼光纤放大器(RFA)，其中工作于1.55m波段的EDFA已大量应用于光纤通信系统；以TDFA和EDFA以及RFA和EDFA混合的系统已实现超带宽合波传输。,4光开关光开关与光开关阵列是光纤通信系统重要的光器件，随着光纤通信技术的发展，特别是
24、数据通信和密集波分复用(DWDM)系统的应用，复杂的网络拓扑对可靠、灵活的网管产生了强烈的需求。DWDM在城域网和接入网应用对具有插/分和交换功能的光开关的需要更加迫切。随着网络转向全光平台，光域优化、路由、保护和自愈的网络功能已成为关键，这一切都离不开光开关。光开关的主要任务是切换光路，光开关归为四个大类，即机械式光开关、液晶光开关、电光式光开关,5波分复用器件波分复用(WDM)就是按照一定波长间隔，把若干路经过调制的光信号通过波分复用器合并在一起，通过一根光纤来传输。习惯上把波长间隔小于0.8nm称为密波分复用(DWDM)。DWDM除了上面介绍的光器件外，还需要:(1)波分复用器，又称合波器。(2)光分播复用器(OADM)，用于节点处，起上下信道作用。(3)解复用器，将前面的复用信号分开。(4)光交叉连接器，它是实现全光通信的关键等等。,6光纤用户接入器件近几年来，光纤接入网发展十分迅速，光纤用户器件由于和需要方面的原因，发展更加迅猛。光纤用户接入网的主要器件有：(1)带光斑尺寸转换器的激光器(SSC-LD)；(2)窄线宽DFB LD；(3)波导光电二极管(WG PD)；(4)石英材料平面光路技术(PLC)；(5)光分支器等等。除此之外，光纤接入系统组件发展也十分迅速。,
