光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、光通訊基礎(chǔ)知識(shí)與產(chǎn)品知識(shí)培訓(xùn)第一大部分：光通訊基礎(chǔ)知識(shí)第一大部分：光通訊基礎(chǔ)知識(shí)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(xiàng)激光器使用注意事項(xiàng)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(chǎn)品基礎(chǔ)知識(shí)第二大部分：產(chǎn)品基礎(chǔ)知識(shí)TO光電組件光電組件光電產(chǎn)品的基本參數(shù)光電產(chǎn)品的基本參數(shù)器件發(fā)展方向器件發(fā)展方向第一大部分：光通訊基礎(chǔ)知識(shí)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(dǎo)纖維）為傳輸媒體，將信號(hào)從某一點(diǎn)傳送到另一點(diǎn)的通信方式。具有傳輸距離遠(yuǎn)（傳輸損耗?。?、

2、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(chǎn)生光泄漏）、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。 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(jī)、光端機(jī)、光纖和接受體構(gòu)成。3、光纖通信發(fā)展、光纖通信發(fā)展1960年 ，世界上第一臺(tái)激光器研制成功；1966年，英國(guó)華裔科學(xué)家高琨博士等人根據(jù)光波導(dǎo)理論，認(rèn)為如果使光纖中損耗減低到20db/km以下，就可能進(jìn)行光纖通信，從此開(kāi)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(guó)康寧公司 ）；美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制能在室溫條件下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器；1974年 ，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出損耗為

3、1dB/Km的光纖 （化學(xué)氣相沉積法（MCVD）1976年，日本電話電報(bào)公司研制出損耗更低的光纖（0.5dB/Km）；20世紀(jì)80年代后期 ，光纖損耗已經(jīng)降低到0.16dB/Km ；1982年我國(guó)第一條34Mb/s 光纖通信開(kāi)通；1988年 ；第一條跨大西洋光纜投入運(yùn)營(yíng) ；2002年，光纖通信單通道傳輸速率達(dá)到40Gb/s,DWDM傳輸光通信容量達(dá)10Tb/s；2002年后，光通信開(kāi)始向最后一站用戶接入網(wǎng)邁進(jìn)。二、光纖二、光纖1、光纖的分類、光纖的分類按工作波長(zhǎng)：短波長(zhǎng)（850nm) 長(zhǎng)波長(zhǎng)（1310nm、1550nm）按傳輸模式：多模光纖和單模光纖按材料：石英光纖、塑料光纖等2，光纖的拉制，

4、光纖的拉制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(shí)際上，光在纖芯中全反射曲折前行。三、光纜三、光纜含有光纖，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用要求的光、機(jī)械和環(huán)境規(guī)范的纜。由光纖、加強(qiáng)件和外護(hù)層等組成。光纜的分類：按芯數(shù)分為單芯、雙芯、多芯按結(jié)構(gòu)分為層絞式、骨架式、帶狀等按敷設(shè)場(chǎng)合分為架空、直埋、管道、移動(dòng)、室內(nèi)、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(wú)源光器件、無(wú)源光器件光分路器/耦合器：1xN（樹(shù)型）、NxN（星型）波分復(fù)用器：合波器和分波器、濾波器光纖連接器：活動(dòng)（FC、ST、SC等）、適配器（直通）光開(kāi)關(guān)光衰減器：固定、可變光隔

5、離器：?jiǎn)畏较騻鬏敼獾钠骷?、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(cè)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(shù)、光纖傳輸系統(tǒng)新技術(shù)延長(zhǎng)中繼距離的新技術(shù)光放大器(EDFA)外調(diào)制器(電光晶體LiNbO3)色散補(bǔ)償(DCF、Bragg光纖光柵)提高通信容量的新技術(shù)時(shí)分復(fù)用技術(shù)（TDM）波分復(fù)用技術(shù)（WDM）2、光纖傳輸系統(tǒng)的基本框圖如下、光纖傳輸系統(tǒng)的基本框圖如下電端機(jī)驅(qū)動(dòng)光源光檢測(cè)判決再生光源光檢測(cè)放大電端機(jī)發(fā)送光發(fā)送機(jī)光纖光纜光中繼器光接收機(jī)接收光纖光纜模擬通信：

6、信噪比和諧波失真數(shù)字通信：誤碼率和相位抖動(dòng)六，激光器使用注意事項(xiàng)六，激光器使用注意事項(xiàng)光通信用激光器發(fā)射出對(duì)人眼有害的、肉眼看不見(jiàn)的紅外光，如果近距離正眼觀看，可能引起人眼視網(wǎng)膜瞬間的損傷。因此，在觀察激光束時(shí)，千萬(wàn)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(biāo)記”和“窗口標(biāo)記”，如下圖示激光器使用需注意以下幾點(diǎn)a）熱的預(yù)防 激光器是一種高功率密度的熱功耗器件，使用時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源，不得在高于規(guī)定的最高工作溫度下使用，否則會(huì)造成其性能和壽命的快速退化。器件管角的焊接時(shí)間有嚴(yán)格限制（一般不得超過(guò)10秒鐘），焊接溫度也必須嚴(yán)格控制在260以內(nèi)。 b)力的預(yù)防 激光器及尾纖都十分脆弱，無(wú)

7、論在安裝或操作時(shí)都必須盡量避免過(guò)大的扭絞力、牽引力和扭矩。尾纖不要扭絞，牽引力不得超過(guò)500克力（5牛頓），其彎曲半徑不得小于30mm。 c) 電的預(yù)防 采取靜電放電（ESD）防護(hù)和電流浪涌防護(hù);對(duì)激光器禁止施加反向電壓。1、傳輸速率達(dá)到Tb/s的系統(tǒng)設(shè)備2、摻雜有關(guān)化學(xué)元素（如鉺、鐠等）的光纖放大器3、光交換機(jī)4、密集波分復(fù)用（DWDM）設(shè)備5、適用于長(zhǎng)距離、高速率、能承受較高光功率密度的新型光纖（如非零色散位移光纖-G.655光纖、無(wú)水吸收峰光纖-全波光纖等）6、集成光學(xué)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)等七、光纖通信發(fā)展方向七、光纖通信發(fā)展方向第二大部分：

8、產(chǎn)品基礎(chǔ)知識(shí)一、一、TO1、LD TOLD TO主要材料為T(mén)O帽、TO座、LD芯片、背光PD芯片等。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(gè)透鏡為1.5一個(gè)透鏡為2.0一點(diǎn)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。普通球帽透鏡并非標(biāo)準(zhǔn)的圓形，如圖所示： 非球透鏡帽的結(jié)構(gòu)如下圖所示： 非球透鏡

9、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(guān)系曲線如圖： 由此看出非球TO的最大理論耦合效率-2.5dB（56%），此時(shí)TO的焦距約為f=1.27（LD芯片距TO底座位置）+3.97-2.27（透鏡尺寸）+0.8(L1)+6（L2）=9.77mm。1.2 LD TO座最常見(jiàn)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：1.3 LD芯片根據(jù)芯片性能，LD芯片分為FP和DFB。FP腔半導(dǎo)體激光器是利用兩個(gè)端面對(duì)光進(jìn)行集中反饋。DFB激光器是內(nèi)含布拉格光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)光的反饋的，因?yàn)閮?nèi)含布拉格光柵選擇工

10、作波長(zhǎng)，所以DFB激光器的諧振器損耗就有明顯的波長(zhǎng)依存性。所以DFB的單色性和穩(wěn)定性優(yōu)于FP。兩種芯片的光譜特性如下1.4 背光PD芯片背光PD有PIN200和PIN300。根據(jù)受光面積和PD芯片的粘貼位置來(lái)決定LD TO的背光電流大小。2，PD TOPD TO主要材料為T(mén)O帽、TO座、PD芯片、TIA、陶瓷電路板和電容。為提高靈敏度，防止串?dāng)_，TO封裝要求：1，PIN盡可能靠近IC。2，打線盡可能短。470pFD-D+VccCasePhy10952.1 PD TO帽探測(cè)器的帽子越高，焦點(diǎn)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(shí)，PD芯片的陶

11、瓷墊片的高度也可以調(diào)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。2.2 PD芯片探測(cè)器芯片分PIN和APD。對(duì)于PIN，光敏面越大耦合時(shí)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(yīng)使反向結(jié)電流產(chǎn)生倍增。2.3 TIATIA是將探測(cè)器芯片產(chǎn)生的光電流進(jìn)行差分放大輸出的作用。如圖所示。2.4 PD TO座最常見(jiàn)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：二，光電組件二，光電組件目前的光組件

12、的有TOSA、ROSA、BOSA、Triplexer、蝶形封裝光組件等。TOSA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ROSA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖BOSA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Triplexer內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖蝶形封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖三，光電產(chǎn)品的基本參數(shù)三，光電產(chǎn)品的基本參數(shù)1，激光器件的最大額定值，激光器件的最大額定值1.1 儲(chǔ)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（To

13、p）器件工作狀態(tài)下的最大管殼溫度。1.3 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。2，激光器的光電特性參數(shù)，激光器的光電特性參數(shù)2.1 正向電壓（Vf）當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電流為一確定值時(shí)對(duì)應(yīng)激光二極管的正向電壓。2.2 閾值電流（Ith）激光二極管開(kāi)始產(chǎn)生震蕩的正向電流。2.3 輸出光功率（P0）規(guī)定調(diào)制電流下激光器輸出的光功率。2.4 峰值波長(zhǎng)（p）在規(guī)定的輸出光功率時(shí)，光譜內(nèi)最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)。2.5 中心波長(zhǎng)（

14、c）峰值波長(zhǎng)下降3dB的連線中心對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置。2.6 譜寬（）對(duì)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(duì)于DFB LD，采用ITU-TG.957建議，峰值波長(zhǎng)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(diào)制時(shí)，最高光譜峰強(qiáng)度與次高光譜峰強(qiáng)度之比。2.8 上升/下降時(shí)間（tr/tf）指LD輸出光功率的脈沖響應(yīng)時(shí)間。從額定光功率的10%上升到90%的時(shí)間為上升時(shí)間，從額定光功率的90%下降到10%的時(shí)間為下降時(shí)間。2.9 開(kāi)通延遲（ton）開(kāi)通延遲是指調(diào)制的光脈沖上升沿在電信號(hào)為“開(kāi)”后到達(dá)全幅度的10%對(duì)應(yīng)的時(shí)間。2.1

15、0 串聯(lián)電阻（dV/dI）指在工作電流處計(jì)算器件的電壓電流的微分而確定的。對(duì)于一個(gè)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(shí)因?yàn)槠骷腜邊和N邊的低質(zhì)量金屬化歐姆接觸的結(jié)果。因此串聯(lián)電阻是評(píng)價(jià)淀積在激光二極管上金屬化接觸質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。2.11 背光電流（Im）規(guī)定在LD輸出光功率時(shí)，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(méi)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(yáng)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(shí)的出光功率之比。3，探測(cè)器的最大額定值，探測(cè)器的最大額定

16、值3.1 正向電流（If）指探測(cè)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(cè)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(cè)器所能承受的最大反向電壓。4，探測(cè)器的光電特性參數(shù)，探測(cè)器的光電特性參數(shù)4.1 正向壓降（Vf）指在無(wú)光照情況下，通過(guò)正向電流為規(guī)定值時(shí)，探測(cè)器正負(fù)極之間產(chǎn)生的壓降。4.2 響應(yīng)度（R）探測(cè)器產(chǎn)生的光電流與入射光強(qiáng)度之比。4.3 APD反向擊穿電壓（Vbr）APD載流子倍增因子達(dá)到無(wú)窮大時(shí)的電壓。在實(shí)際定義時(shí)把擊穿電壓定義為在無(wú)光照情況下，反向電流達(dá)到一個(gè)規(guī)定值時(shí)的反向電壓。4.4 擊穿電壓溫度系數(shù)（r）擊穿電壓隨溫度變化的系數(shù)。指溫度變化時(shí)維持一個(gè)倍增因子不變的電壓隨溫度變化的系數(shù)。4.5 APD暗電流（Id）在Vbr-3或90%Vbr情況下在無(wú)入射光的情況下，器件內(nèi)部產(chǎn)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(jù)比特誤碼率（BER）特性所確定的。在規(guī)定波長(zhǎng)和速率下，在誤碼率為某一數(shù)值時(shí)（BER=10-10或10-9）的最小可接收光功率。4.7 飽和光功率（Ps）在工作速率下，誤碼率為某一數(shù)值時(shí)的最大接收光功率。4.8 告警信號(hào)閾值在工作速率下，從大到小的改變輸入光功率，當(dāng)光功率減小到某一數(shù)值時(shí)，組件的告警輸出信號(hào)電平出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，這是的光功率即為告警信號(hào)閾值