光纖通信課件

概述1.1光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀1.1.1早期的光通信 到了1880年，貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話，這一大膽的嘗試，可以說(shuō)是現(xiàn)代光通信的開(kāi)端。 在這里，將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上，隨聲音的振動(dòng)而得到強(qiáng)弱變化的反射光束，這個(gè)過(guò)程就是調(diào)制。圖1.1貝爾電話系統(tǒng) 貝爾光電話和烽火報(bào)警一樣，都是利用大氣作為光通道，光波傳播易受氣候的影響，在大霧天氣，它的可見(jiàn)度距離很短，遇到下雨下雪天也有影響。1.1.2光纖通信 在大氣光通信受阻之后，人們將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn)，先后出現(xiàn)過(guò)反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn)，如圖1.2所示。圖1.2反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo) 1966年，英籍華人高錕(K.C.Kao，當(dāng)時(shí)工作于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過(guò)量的鉻、銅、鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì)，其次是拉制光纖時(shí)工藝技術(shù)造成了芯、包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻，他還發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小。 在高錕理論的指導(dǎo)下，1970年美國(guó)的康寧公司拉出了第一根損耗為20dB/km的光纖。 1977年美國(guó)在芝加哥進(jìn)行了44.736Mbit/s的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，1978年，日本開(kāi)始了32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纖通信實(shí)驗(yàn)；1979年，美國(guó)AT&T和日本NTT均研制出了波長(zhǎng)為1.35μm的半導(dǎo)體激光器， 日本也做出了超低損耗的光纖(損耗為0.2dB/km，波長(zhǎng)為1.55μm)，同時(shí)進(jìn)行了多模光纖(同時(shí)允許多個(gè)方向的光線在其中傳送的光纖)1.31μm的長(zhǎng)波長(zhǎng)傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 到如今，光纖通信已經(jīng)發(fā)展到以采用光放大器(OpticalAmplifier，OA)增加中繼距離和采用波分復(fù)用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)增加傳輸容量為特征的第四代系統(tǒng)。1.2光纖通信的主要特性1.2.1光纖通信的優(yōu)點(diǎn)1.光纖的容量大光纖通信是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)，其載波—光波具有很高的頻率(約1014Hz)，因此光纖具有很大的通信容量。2.損耗低、中繼距離長(zhǎng) 目前，實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖，此類(lèi)光纖在1.55μm波長(zhǎng)區(qū)的損耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低得多，因此，由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離也較其它介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長(zhǎng)得多。 如果今后采用非石英光纖，并工作在超長(zhǎng)波長(zhǎng)(＞2μm)，光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到10-3～10-5dB/km，此時(shí)光纖通信的中繼距離可達(dá)數(shù)千，甚至數(shù)萬(wàn)公里。3.抗電磁干擾能力強(qiáng) 我們知道，電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)的，也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè)。4.保密性能好對(duì)通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電通信方式很容易被人竊聽(tīng)：只要在明線或電纜附近(甚至幾公里以外)設(shè)置一個(gè)特別的接收裝置，就可以獲取明線或電纜中傳送的信息。更不用去說(shuō)無(wú)線通信方式。5.體積小，重量輕6.節(jié)省有色金屬和原材料1.2.2光纖通信的缺點(diǎn) 事物都是一分為二的，光纖通信有許多優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展很快，但光纖通信也有以下缺點(diǎn)。1.抗拉強(qiáng)度低2.光纖連接困難3.光纖怕水1.3光纖通信系統(tǒng)的組成和分類(lèi)1.3.1光纖通信系統(tǒng)的組成 光纖通信系統(tǒng)是以光纖為傳輸媒介，光波為載波的通信系統(tǒng)。主要由光發(fā)送機(jī)、光纖光纜、中繼器和光接收機(jī)組成。 系統(tǒng)中光發(fā)送機(jī)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并將生成的光信號(hào)注入光纖。光發(fā)送機(jī)一般由驅(qū)動(dòng)電路、光源和調(diào)制器構(gòu)成，如果是直接強(qiáng)度調(diào)制可以省去調(diào)制器，這些將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹。光接收機(jī)的作用是將光纖送來(lái)的光信號(hào)還原成原始的電信號(hào)。它一般由光電檢測(cè)器和解調(diào)器組成，對(duì)于直接強(qiáng)度調(diào)制解調(diào)器可以省略。光纖的作用是為光信號(hào)的傳送提供傳送媒介(信道)，將光信號(hào)由一處送到另一處。中繼器分為電中繼器和光中繼器(光放大器)兩種，其主要作用就是延長(zhǎng)光信號(hào)的傳輸距離。1.3.2光纖通信系統(tǒng)的分類(lèi) 根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類(lèi)型，光纖通信系統(tǒng)可以分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。 根據(jù)光源的調(diào)制方式，光纖通信系統(tǒng)可以分為直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)和間接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)。 根據(jù)光纖的傳導(dǎo)模數(shù)量，光纖通信系統(tǒng)可以分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖通信系統(tǒng)。 根據(jù)系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)，光纖通信系統(tǒng)可分為短波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)。

光纖和光纜 光纖作為光纖通信系統(tǒng)的物理傳輸媒介，有著巨大的優(yōu)越性。 本章首先介紹光纖的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型，然后用射線光學(xué)理論和波動(dòng)光學(xué)理論重點(diǎn)分析光在階躍型光纖中的傳輸情況，最后簡(jiǎn)要介紹光纜的構(gòu)造、典型結(jié)構(gòu)與光纜的型號(hào)。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型2.1.1光纖的結(jié)構(gòu) 光纖(OpticalFiber，OF)就是用來(lái)導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維，一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成的，一般可以分為三部分：折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層，如圖2.1所示。圖2.1光纖結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2光纖的類(lèi)型光纖的分類(lèi)方法很多，既可以按照光纖截面折射率分布來(lái)分類(lèi)，又可以按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少、光纖使用的材料或傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)來(lái)分類(lèi)。1.按光纖截面上折射率分布分類(lèi) 按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為階躍型光纖(Step-IndexFiber，SIF)和漸變型光纖(Graded-IndexFiber，GIF)，其折射率分布如圖2.2所示。圖2.2光纖的折射率分布 光纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數(shù)n(r)來(lái)表示。2.按傳輸模式的數(shù)量分類(lèi) 按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模光纖(Multi-ModeFiber，MMF)和單模光纖(SingleModeFiber，SMF)。 在一定的工作波上，當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳輸時(shí)，則這種光纖稱(chēng)為多模光纖。 單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。3.按光纖的工作波長(zhǎng)分類(lèi) 按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。4.按ITU-T建議分類(lèi) 按照ITU-T關(guān)于光纖類(lèi)型的建議，可以將光纖分為G.651光纖(漸變型多模光纖)、G.652光纖(常規(guī)單模光纖)、G.653光纖(色散位移光纖)、G.654光纖(截止波長(zhǎng)光纖)和G.655(非零色散位移光纖)光纖。 按套塑(二次涂覆層)可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖。 現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。2.2光纖的射線理論分析2.2.1基本光學(xué)定義和定律 光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，其傳播速度為v=c/n 式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的傳播速度；n是介質(zhì)的折射率(空氣的折射率為1.00027，近似為1；玻璃的折射率為1.45左右)。 反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，并且反射角等于入射角，即：θ1′＝θ1。 折射定律：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1sinθ1=n2sinθ22.2.2光纖中光的傳播 一束光線從光纖的入射端面耦合進(jìn)光纖時(shí)，光纖中光線的傳播分兩種情形：一種情形是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，并且一個(gè)傳播周期與光纖軸線相交兩次，這種光線稱(chēng)為子午射線，那個(gè)包含光纖軸線的固定平面稱(chēng)為子午面；另一種情形是光線在傳播過(guò)程中不在一個(gè)固定的平面內(nèi)，并且不與光纖的軸線相交，這種光線稱(chēng)為斜射線。1.子午射線在階躍型光纖中的傳播 階躍型光纖是由半徑為a、折射率為常數(shù)n1的纖芯和折射率為常數(shù)n2的包層組成，并且n1>n2，如圖2.6所示。圖2.6光線在階躍型光纖中的傳播2.子午射線在漸變型光纖中的傳播 漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別在于其纖芯的折射率不是常數(shù)，而是隨半徑的增加而遞減直到等于包層的折射率。3.斜射線在光纖中的傳播 子午射線的傳播過(guò)程始終在一個(gè)子午面內(nèi)，因此可以在二維的平面內(nèi)來(lái)分析，很直觀。2.2.3光纖中的模式傳輸1.傳導(dǎo)模的概念 模式是波動(dòng)理論的概念。在波動(dòng)理論中，一種電磁場(chǎng)的分布稱(chēng)之為一個(gè)模式。在射線理論中，通常認(rèn)為一個(gè)傳播方向的光線對(duì)應(yīng)一種模式，有時(shí)也稱(chēng)之為射線模式。2.相位一致條件 光纖中光波相位的變化情況如圖2.9所示，在這里以階躍型光纖為例來(lái)討論光纖的相位一致條件，不作復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，只提及波動(dòng)光學(xué)中的基本觀點(diǎn)和結(jié)論。圖2.9光纖中光波相位的變化情況 相位一致條件就是說(shuō)：如果圖中所示的這個(gè)模式在A、B處相位相等，則經(jīng)過(guò)一段傳播距離后，在A′、B′處也應(yīng)該相位相等或相差2π的整數(shù)倍。 光纖的相位一致條件也可以從另外一個(gè)角度出發(fā)得到。根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)可知：波在無(wú)限空間中傳播時(shí)，形成行波；而在有限空間傳播時(shí)，形成駐波。 一旦確定了光波導(dǎo)和光波長(zhǎng)，那么n1、n2、纖芯直徑2a以及真空中光的傳播常數(shù)k0也就確定了，而且式(2-17)中的最大N值也就確定了。 對(duì)于漸變型多模光纖，同樣，其導(dǎo)模不僅要滿足全反射條件，還要滿足相位一致條件。 在漸變型多模光纖中，低階模由于靠近光纖軸線，其傳播路程短，但靠近軸線處的折射率大，該處光線傳播速度慢；高階模遠(yuǎn)離軸線，它的傳播路程長(zhǎng)，但離軸線越遠(yuǎn)折射率越小，該處光線的傳播速度越快。2.2.4多模光纖與單模光纖 多模光纖和單模光纖是由光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)決定的，判斷一根光纖是不是單模傳輸，除了光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)有關(guān)。 為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在此引入一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光纖的歸一化頻率，一般用V表示，其表達(dá)式如下：1.多模光纖 顧明思義，多模光纖就是允許多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w，或者說(shuō)在多模光纖中允許存在多個(gè)分離的傳導(dǎo)模。2.單模光纖 只能傳輸一種模式的光纖稱(chēng)為單模光纖。單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，它不存在模間時(shí)延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。單模光纖的帶寬一般都在幾十GHz·km以上。2.3均勻光纖的波動(dòng)理論分析2.3.1平面波在理想介質(zhì)中的傳播1.均勻平面波的一般概念 所謂均勻平面波是指在與傳播方向垂直的無(wú)限大的平面上，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的幅度和相位都相等的波型，簡(jiǎn)稱(chēng)為平面波。 平面波是非常重要的波型，一些復(fù)雜的波可以由平面波疊加得到。在折射率為n的無(wú)限大的介質(zhì)中，一工作波長(zhǎng)為λ0的平面波在其中傳播，其波數(shù)為： 式中：k0是真空中的波數(shù)，ω是光的角頻率，μ和ε分別是介質(zhì)的導(dǎo)磁率和介電常數(shù),設(shè)平面波傳播方向的單位矢量為as，則k=as·k稱(chēng)為平面波在該介質(zhì)中的波矢量。2.平面波在介質(zhì)分界面上的反射和折射 反射波與入射波在原點(diǎn)處的復(fù)振幅之比稱(chēng)為反射系數(shù)；傳遞波與入射波在原點(diǎn)處的復(fù)振幅之比稱(chēng)為傳遞系數(shù)，表示為： 式中：R、T都是復(fù)數(shù)，包括大小及相位。其模值分別表示反射波、傳遞波與入射波幅度的大小之比；2Ф1、2Ф2是R和T的相角，分別表示在介質(zhì)分界面上反射波、傳遞波比入射波超前的相位。3.平面波的全反射 全反射是一種重要的物理現(xiàn)象，當(dāng)光波從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時(shí)才能產(chǎn)生全反射，即全反射必須滿足：n1>n2，θc<θ1<90°。(1)全反射情況時(shí)介質(zhì)1中波的特點(diǎn) 在全反射時(shí)，式(2-32)根號(hào)中是負(fù)數(shù)，因此可以變化成下面的形式。(2)全反射情況時(shí)介質(zhì)2中波的特點(diǎn) 全反射時(shí)，將式(2-34)代入式(2-30b)，即可得到垂直極化波全反射時(shí)的傳遞系數(shù)。(3)導(dǎo)行波和輻射波的概念 綜上所述，當(dāng)平面波由光密介質(zhì)射向兩介質(zhì)分界面上時(shí)，根據(jù)入射角θ1的大小，可以產(chǎn)生兩種類(lèi)型的波：當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)行波，能量集中在光密介質(zhì)及其界面附近；當(dāng)入射角小于臨界角時(shí)產(chǎn)生輻射波，一部分能量輻射到光疏介質(zhì)中并在其中傳播。對(duì)于光波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，導(dǎo)波是一種重要的波型。2.3.2階躍光纖的波動(dòng)理論1.基本概念(1)麥克斯韋方程組和邊界條件［1］ 在均勻光纖中，介質(zhì)材料一般是線性和各向同性的，并且不存在電流和自由電荷，因此在無(wú)源區(qū)域，均勻、無(wú)損、簡(jiǎn)諧形式的麥克斯韋方程組為： 式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量；D為電位移矢量；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量。且D與E，B與H有下列關(guān)系。(2)亥姆霍茲方程 從麥克斯韋方程組出發(fā)，可以導(dǎo)出光波所滿足的亥姆霍茲方程。根據(jù)矢量關(guān)系，有如下兩個(gè)等式。式中：A代表任何一個(gè)矢量，當(dāng)然E、H也滿足式(2-47)。(3)波的類(lèi)型和模式 在單一均勻介質(zhì)中傳播的波為平面波，稱(chēng)為橫電磁波，用TEM表示，TEM波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向與波的傳播方向垂直，即在波導(dǎo)的傳播方向上既沒(méi)有磁場(chǎng)分量也沒(méi)有電場(chǎng)分量，且三者兩兩相互垂直。 對(duì)于同一類(lèi)型的波，其場(chǎng)強(qiáng)在圓周方向(即φ方向)或徑向方向(即r方向)的分布情況又會(huì)有所區(qū)別，即電磁場(chǎng)的分布會(huì)不盡相同。 目前通信用光纖的相對(duì)折射率差Δ<<1，稱(chēng)為弱導(dǎo)光纖。這種光纖可以近似地用平面波束分析光的傳播。2.階躍型光纖的波動(dòng)理論 階躍型光纖的波動(dòng)理論分析就是以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)，根據(jù)光纖的邊界條件，從亥姆霍茲方程解出階躍型光纖中導(dǎo)波的場(chǎng)方程，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出其特征方程，研究其導(dǎo)波模式，分析其傳輸特性。(1)亥姆霍茲方程的解 階躍型光纖的纖芯半徑為a，包層半徑為b，纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，其截面形狀如圖2.17(a)所示。圖2.16幾個(gè)低階模的場(chǎng)型(實(shí)線為電力線，虛線為磁力線，λg=2π/β)(2)特征方程 要確定光纖中導(dǎo)模的特性，就需要確定參數(shù)U、W和β，只有亥姆霍茲方程的解是不夠的。由于光纖中的導(dǎo)模還必須滿足光纖的邊界條件，所以還要利用光纖的邊界條件來(lái)確定場(chǎng)表達(dá)式中的參數(shù)U、W和β。(3)光纖中的導(dǎo)模類(lèi)型及特征方程 上面已經(jīng)得到了光纖中場(chǎng)的亥姆霍茲方程和弱導(dǎo)光纖中導(dǎo)波的特征方程，接下來(lái)分析光纖中存在哪些模式及這些模式的特征方程。①TEM波 光纖中是否存在TEM波呢?根據(jù)定義，TEM波在波導(dǎo)的傳播方向(Z方向)上既沒(méi)有電場(chǎng)分量，又沒(méi)有磁場(chǎng)分量。即Ez＝0、Hz＝0。如果光纖中存在TEM波，則根據(jù)Ez、Hz的表達(dá)式(2-75)和式(2-76)可以得到A＝B＝0，再將A＝B＝0代入式(2-77)、式(2-78)得到Er、Eφ、Hr、Eφ都為零，即光纖中不存在電磁場(chǎng)，所以光纖中根本不存在TEM波。②TE波和TM波 光纖中是否存在TE波和TM波，實(shí)際上是看單獨(dú)的TE波和TM波是否滿足邊界條件。如果光纖中存在TE波，根據(jù)TE波的定義，TE波在波導(dǎo)的傳播方向(Z方向)上沒(méi)有電場(chǎng)分量，只有磁場(chǎng)分量，即Ez＝0，根據(jù)Ez表達(dá)式(2-75)可以得到A＝0，然后將A＝0代入式(2-83b)中得到③EH波和HE波 從上面的闡述中可以看到，當(dāng)m≠0時(shí)，光纖中不能存在TE波和TM波，而只能是Ez、Hz同時(shí)存在的EH波和HE波。(4)導(dǎo)模的特性 模的特性可以用3個(gè)特征參數(shù)U、W和β來(lái)描述。U表示導(dǎo)模場(chǎng)在纖芯內(nèi)部的橫向分布規(guī)律；W表示導(dǎo)模場(chǎng)在纖芯外部的橫向分布規(guī)律。①導(dǎo)模的截止條件→

→②遠(yuǎn)離截止時(shí)的U值 光纖中導(dǎo)模的U值是隨頻率而變化的。上面所討論的Uc值只適用于導(dǎo)模截止時(shí)的情況。

2.4光纜2.4.1光纜的典型結(jié)構(gòu)1.光纜的構(gòu)造 光纜的構(gòu)造一般分為纜芯和護(hù)層兩大部分。(1)纜芯 在光纜的構(gòu)造中，纜芯是主體，其結(jié)構(gòu)是否合理，與光纖的安全運(yùn)行關(guān)系很大。一般來(lái)說(shuō)，纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，在光纜受到一定的拉力、側(cè)壓力等外力時(shí)，光纖不應(yīng)承受外力影響；其次纜芯內(nèi)的金屬線對(duì)也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。(2)護(hù)層 光纜護(hù)層同電纜護(hù)層的情況一樣，是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體。其作用是進(jìn)一步保護(hù)光纖，使光纖能適應(yīng)在各種場(chǎng)地敷設(shè)，如架空、管道、直埋、室內(nèi)、過(guò)河、跨海等。對(duì)于采用外周加強(qiáng)元件的光纜結(jié)構(gòu)，護(hù)層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械特性方面的能力。2.光纜的典型結(jié)構(gòu) 光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種，如圖2.21所示。我國(guó)及歐亞各國(guó)用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式兩種。圖2.21光纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖(1)層絞式結(jié)構(gòu) 層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱(chēng)為古典式光纜。(2)骨架式結(jié)構(gòu) 骨架式光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中，槽的橫截面可以是V形、U形或其他合理的形狀，槽的縱向呈螺旋形或正弦形，一個(gè)空槽可放置5~10根一次涂覆光纖。(3)束管式結(jié)構(gòu) 束管式結(jié)構(gòu)的光纜近年來(lái)得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把松套管擴(kuò)大為整個(gè)纖芯，成為一個(gè)管腔，將光纖集中松放在其中。(4)帶狀式結(jié)構(gòu) 帶狀式結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內(nèi)做成光纖帶，然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。2.4.2光纜的種類(lèi)與型號(hào)1.光纜的種類(lèi) 光纜的種類(lèi)很多，其分類(lèi)方法也很多，習(xí)慣的分類(lèi)有： 根據(jù)光纜的傳輸性能、距離和用途，光纜可以分為市話光纜、長(zhǎng)途光纜、海底光纜和用戶光纜；根據(jù)光纖的種類(lèi)，光纜可以分為多模光纜、單模光纜；根據(jù)光纖套塑的種類(lèi)，光纜可以分為緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和帶狀式多芯單元光纜；根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為單芯光纜和多芯光纜等等；根據(jù)加強(qiáng)構(gòu)件的配置方式，光纜可以分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如束管式光纜)和護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如帶狀式光纜)；根據(jù)敷設(shè)方式，光纜可以分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；根據(jù)護(hù)層材料性質(zhì)，光纜可以分為普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。2.光纜的型號(hào)［6］

光纜的種類(lèi)較多，同其他產(chǎn)品一樣，具有具體的型式和規(guī)格。(1)光纜的型式代號(hào) 光纜的型式代號(hào)是由分類(lèi)、加強(qiáng)構(gòu)件、派生(形狀、特性等)、護(hù)套和外護(hù)層五部分組成，如圖2.22所示。圖2.22光纜的型式代號(hào)①光纜分類(lèi)代號(hào)及其意義

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；

GW：通信用無(wú)金屬光纜。②加強(qiáng)構(gòu)件的代號(hào)及其意義 無(wú)符號(hào)：金屬加強(qiáng)構(gòu)件；

F：非金屬加強(qiáng)構(gòu)件；

G：金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件；

H：非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件。③派生特征的代號(hào)及其意義

B：扁平式結(jié)構(gòu)；

Z：自承式結(jié)構(gòu)；

T：填充式結(jié)構(gòu)；

S：松套結(jié)構(gòu)。 注：當(dāng)光纜型式兼有不同派生特征時(shí)，其代號(hào)字母順序并列。④護(hù)套的代號(hào)及其意義

Y：聚乙烯護(hù)套；

V：聚氯乙烯護(hù)套；

U：聚氨酯護(hù)套；

A：鋁、聚乙烯護(hù)套；

L：鋁護(hù)套；

Q：鉛護(hù)套；

G：鋼護(hù)套；

S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護(hù)套。⑤外護(hù)層的代號(hào)及其意義 外護(hù)層是指鎧裝層及鎧裝層外面的外被層，參照國(guó)標(biāo)GB2952-82的規(guī)定，外護(hù)層采用兩位數(shù)字表示，各代號(hào)的意義如表2.4所示。(2)光纖的規(guī)格代號(hào) 光纖的規(guī)格代號(hào)是由光纖數(shù)目、光纖類(lèi)別、光纖主要尺寸參數(shù)、傳輸性能和適用溫度五部分組成，各部分均用代號(hào)或數(shù)字表示。①光纖數(shù)目 用光纜中同類(lèi)別光纖的實(shí)際有效數(shù)目的阿拉伯?dāng)?shù)字表示。②光纖類(lèi)別的代號(hào)及其意義

J：二氧化硅系多模漸變型光纖；

T：二氧化硅系多模階躍型(突變型)光纖；

Z：二氧化硅系多模準(zhǔn)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。③光纖的主要尺寸參數(shù)代號(hào)及其意義 用阿拉伯?dāng)?shù)字(含小數(shù)點(diǎn))以μm為單位表示多模光纖的芯徑/包層直徑或單模光纖的模場(chǎng)直徑/包層直徑。④傳輸性能代號(hào)及其意義 光纖的傳輸特性代號(hào)是由使用波長(zhǎng)、損耗系數(shù)、模式帶寬的代號(hào)(分別為a、bb、cc)構(gòu)成。 其中a表示使用波長(zhǎng)的代號(hào)，其數(shù)字代號(hào)規(guī)定如下： 1：使用波長(zhǎng)在0.85μm區(qū)域； 2：使用波長(zhǎng)在1.31μm區(qū)域； 3：使用波長(zhǎng)在1.55μm區(qū)域。

bb表示損耗系數(shù)的代號(hào)，其數(shù)字依次為光纜中光纖損耗系數(shù)值(dB/km)的個(gè)位和十分位。cc表示模式帶寬的代號(hào)，其數(shù)字依次是光纜中光纖模式帶寬數(shù)值(MHz·km)的千位和百位數(shù)字。單模光纖無(wú)此項(xiàng)。注意：同一光纜適用于兩種以上的波長(zhǎng)，并具有不同的傳輸特性時(shí)，應(yīng)同時(shí)列出各波長(zhǎng)上的規(guī)格代號(hào)，并用"/"劃開(kāi)。⑤適用溫度代號(hào)及其意義

A：適用于-40℃~+40℃；

B：適用于-30℃~+50℃；

C：適用于-20℃~+60℃；

D：適用于-5℃~+60℃。

光纖的傳輸特性3.1光纖的損耗特性3.1.1吸收損耗 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子(OH－)等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱(chēng)為本征吸收損耗。1.本征吸收損耗 本征吸收損耗在光學(xué)波長(zhǎng)及其附近有兩種基本的吸收方式。(1)紫外吸收損耗 紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。(2)紅外吸收損耗 紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損耗。2.雜質(zhì)吸收損耗 光纖中的有害雜質(zhì)主要有過(guò)渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－。3.原子缺陷吸收損耗 通常在光纖的制造過(guò)程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右。3.1.2散射損耗1.線性散射損耗 任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無(wú)缺的，無(wú)論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類(lèi)損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱(chēng)為線性散射損耗。(1)瑞利散射 瑞利散射是一種最基本的散射過(guò)程，屬于固有散射。 對(duì)于短波長(zhǎng)光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強(qiáng)調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。(2)光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗) 在光纖制造過(guò)程中，由于工藝、技術(shù)問(wèn)題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。2.非線性散射損耗 光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。3.1.3彎曲損耗 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱(chēng)為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱(chēng)為微彎。 在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過(guò)程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。 微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機(jī)理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。3.1.4光纖損耗系數(shù) 為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱(chēng)為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長(zhǎng)度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用α表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： 式中：L為光纖長(zhǎng)度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或μW為單位。3.2光纖的色散特性3.2.1色散的概念

3.2.2模式色散

所謂模式色散，用光的射線理論來(lái)說(shuō)，就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時(shí)延差。1.階躍型光纖中的模式色散 在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②，如圖3.6所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線①和光線②到達(dá)終端的時(shí)延差。圖3.6階躍型光纖的模式色散2.漸變型光纖中的模式色散 在漸變型光纖中合理地設(shè)計(jì)光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時(shí)速度得到補(bǔ)償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小。3.2.3材料色散 一般情況下，材料色散往往是用色散系數(shù)這個(gè)物理量來(lái)衡量，色散系數(shù)定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各頻率成份通過(guò)單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的色散，用D(λ)表示，單位是ps/（nm·km）。2.材料色散 在已知材料色散系數(shù)的前提下，材料色散的表達(dá)式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導(dǎo)出，材料色散用τm表示。τm(λ)=Dm(λ)·Δλ·L 式(3-25)中：Δλ為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍；L是光纖的傳播長(zhǎng)度。3.2.4波導(dǎo)色散 式(3-23)中的第二項(xiàng)與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān)，而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項(xiàng)稱(chēng)之為波導(dǎo)色散系數(shù)，用Dw(λ)表示。3.2.5極化色散 極化色散也稱(chēng)為偏振模色散，用τp表示。從本質(zhì)上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。 單模光纖中可能同時(shí)存在LP01x和LP01y兩種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵(lì)和邊界條件的隨機(jī)變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。 當(dāng)光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時(shí)，兩個(gè)極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數(shù)βx和βy不相等。對(duì)于弱導(dǎo)光纖，βy和βx之差可以近似地表示為：式中：nx和ny分別為x方向和y方向的折射率。3.2.6總色散

光纖的總色散為： 值得說(shuō)明的是，單模光纖一般只給出色散系數(shù)D，其中包含了材料色散和波導(dǎo)色散的共同影響。3.2.7光纖的色散和帶寬對(duì)通信容量的影響

光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過(guò)光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過(guò)光纖時(shí)，就會(huì)受到嚴(yán)重衰減，如圖3.12所示。圖3.12

光纖的帶寬(f為調(diào)制信號(hào)頻率) 通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時(shí)的頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降3dB對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱(chēng)為3dB光帶寬?？捎檬?3-33)表示。 光功率總是要用光電子器件來(lái)檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光功率，于是： 從式(3-34)中可以看出，3dB光帶寬對(duì)應(yīng)于6dB電帶寬。1.色散與帶寬的關(guān)系 既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光纖的同一個(gè)特性，那么它們之間必然存在著一定的聯(lián)系。2.模式畸變帶寬和波長(zhǎng)色散帶寬 由于總色散包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散，所以光纖的總帶寬也可表示為： 式中：BM是由模式色散引起的模式畸變帶寬；Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長(zhǎng)色散帶寬。 波長(zhǎng)色散帶寬定義為： 式中：Δλ是光源的譜線寬度，單位是nm；L是光纖的長(zhǎng)度，單位是km；D(λ)是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù)(即波長(zhǎng)色散系數(shù))，單位是ps/(nm·km)，其中材料色散占主導(dǎo)地位。3.鏈路總帶寬對(duì)通信容量的影響 光纖鏈路總帶寬與光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系要分光纖鏈路中間有無(wú)接頭。對(duì)于無(wú)接頭的一個(gè)制造長(zhǎng)度的光纖總帶寬BT與其單位公里帶寬B的關(guān)系如下：BT=B·L-γ 式中：L是光纖的制造長(zhǎng)度(km)，γ為帶寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關(guān)，一般在0.5～1.0之間(多模光纖取0.5～0.9，單模光纖γ＝1)。3.3成纜對(duì)光纖特性的影響3.3.1光纜特性1.拉力特性 光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100～400kg范圍。2.壓力特性 光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100～400kg/10cm。3.彎曲特性 彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差Δ以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。4.溫度特性 光纖本身具有良好的溫度特性。3.3.2成纜對(duì)光纖特性的影響1.成纜的附加損耗 不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會(huì)帶來(lái)附加損耗，稱(chēng)之為成纜損耗。2.成纜可以改善光纖的溫度特性 套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它的損耗隨溫度變化如圖3.14中虛線所示。圖3.14光纖和光纜的溫度特征 把光纖制成光纜，溫度特性會(huì)得到相當(dāng)大的改善，如圖3.14中的實(shí)線所示。3.機(jī)械強(qiáng)度增加 這一點(diǎn)是很顯然的。一般光纖的斷點(diǎn)強(qiáng)度約為1～5kg，而由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上述值；不僅如此，光纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強(qiáng)。3.4典型光纖參數(shù) 目前，ITU-T(國(guó)際電信聯(lián)盟－電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu))分別對(duì)G.651光纖、G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖的主要參數(shù)特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

G.651光纖稱(chēng)為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。

G.652光纖稱(chēng)為常規(guī)單模光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.31μm處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制。

G.653光纖稱(chēng)為色散位移光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.55μm處色散為零，損耗又最小。

G.654光纖稱(chēng)為截止波長(zhǎng)光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.31μm處色散為零，在1.55μm處色散為17～20ps/nm·km，和G.652光纖相同。

G.655光纖稱(chēng)為非零色散位移光纖，是一種改進(jìn)的色散位移光纖。

常用光無(wú)源器件4.1光纖連接器4.1.1光纖連接器的結(jié)構(gòu)與種類(lèi) 光纖(纜)活動(dòng)連接器是實(shí)現(xiàn)光纖(纜)之間活動(dòng)連接的光無(wú)源器件，它還具有將光纖(纜)與其他無(wú)源器件、光纖(纜)與系統(tǒng)和儀表進(jìn)行活動(dòng)連接的功能。1.光纖連接器的結(jié)構(gòu) 光纖連接器基本上是采用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使兩根光纖的纖芯對(duì)準(zhǔn)，保證90%以上的光能夠通過(guò)，目前有代表性并且正在使用的光纖連接器主要有五種結(jié)構(gòu)。(1)套管結(jié)構(gòu) 套管結(jié)構(gòu)的連接器由插針和套筒組成。(2)雙錐結(jié)構(gòu) 雙錐結(jié)構(gòu)連接器是利用錐面定位。(3)V形槽結(jié)構(gòu)

V形槽結(jié)構(gòu)的光纖連接器是將兩個(gè)插針?lè)湃隫形槽基座中，再用蓋板將插針壓緊，利用對(duì)準(zhǔn)原理使纖芯對(duì)準(zhǔn)，(如圖4.3所示)。圖4.3V形槽結(jié)構(gòu)(4)球面定心結(jié)構(gòu) 球面定心結(jié)構(gòu)由兩部分組成，一部分是裝有精密鋼球的基座，另一部分是裝有圓錐面(相當(dāng)于車(chē)燈的反光鏡)的插針。(5)透鏡耦合結(jié)構(gòu) 透鏡耦合又稱(chēng)遠(yuǎn)場(chǎng)耦合，它分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種，其結(jié)構(gòu)分別如圖4.5、圖4.6所示。圖4.5球透鏡耦合結(jié)構(gòu)圖4.6自聚焦透鏡耦合2.光纖活動(dòng)連接器的種類(lèi) 光纖活動(dòng)連接器的品種、型號(hào)很多，其中有代表性的有：FC、ST、SC、D4、雙錐、VFO(球面定心)、F-SMA、MT-RJ連接器等等。 下面針對(duì)FC、SC和ST這三種連接器作簡(jiǎn)單的介紹。(1)FC系列連接器

FC型連接器是一種用螺紋連接，外部零件采用金屬材料制作的連接器，它是我國(guó)電信網(wǎng)采用的主要品種，我國(guó)已制定了FC型連接器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。(3)ST型連接器

ST型連接器采用帶鍵的卡口式鎖緊機(jī)構(gòu)，確保連接時(shí)準(zhǔn)確對(duì)中。(4)不同型號(hào)插頭互相連接的轉(zhuǎn)換器 對(duì)于上述FC、SC、ST三種連接器，在對(duì)不同型號(hào)插頭連接時(shí)，需要轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接。(5)活動(dòng)連接器跳線的規(guī)格 由于實(shí)際使用情況非常復(fù)雜，因而跳線的規(guī)格也多種多樣。在選擇跳線時(shí)，至少有下述幾個(gè)參數(shù)是需要明確的。(6)新型多芯光纖連接器 隨著用戶通信網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大、WDM的普及、電信網(wǎng)／數(shù)據(jù)網(wǎng)的光纖化乃至多媒體大容量信息處理設(shè)備的發(fā)展均推動(dòng)著光纜向多芯、高密度方向深入發(fā)展，帶狀多芯光纜需要用多芯光纖連接器進(jìn)行連接，多芯帶狀光纖MT連接器就應(yīng)運(yùn)而生。4.1.2光纖連接器特性 評(píng)價(jià)一個(gè)連接器的主要指標(biāo)有4個(gè)，即插入損耗、回波損耗、重復(fù)性和互換性。1.插入損耗 插入損耗是指光纖中的光信號(hào)通過(guò)活動(dòng)連接器之后，其輸出光功率相對(duì)輸入光功率的比率的分貝數(shù)，表達(dá)式為：Ac＝-10lgP1/P0(dB)式中：Ac為連接器插入損耗；P0為輸入端的光功率；P1為輸出端的光功率。2.回波損耗 回波損耗又稱(chēng)為后向反射損耗。它是指光纖連接處，后向反射光對(duì)輸入光的比率的分貝數(shù)，表達(dá)式為：Ar＝-10lgPR/P0

(dB)式中：Ar表示回波損耗；P0表示輸入光功率；PR表示后向反射光功率。3.重復(fù)性和互換性 重復(fù)性是指光纖(纜)活動(dòng)連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示。互換性是指連接器各部件互換時(shí)插入損耗的變化，也用dB表示。4.2光纖耦合器 光耦合器是將光信號(hào)進(jìn)行分路或合路、插入、分配的一種器件。4.2.1光纖耦合器的結(jié)構(gòu)與原理 制作光耦合器可以有多種方法，大致可分為分立光學(xué)元件組合型、全光纖型、平面波導(dǎo)型等。 下面主要介紹熔融拉錐法的原理。 熔融拉錐法就是將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。(1)熔融拉錐型單模光纖耦合器 在單模光纖中，傳導(dǎo)模是兩個(gè)正交的基模(HE11)信號(hào)。圖4.9所示是單模光纖耦合器的迅衰場(chǎng)耦合示意圖，其中歸一化頻率(2)熔融拉錐型多模光纖耦合器 在多模光纖中，傳導(dǎo)模是若干個(gè)分立的模式，不僅應(yīng)在數(shù)值孔徑角內(nèi)，還要同時(shí)滿足4an1sinθ=mλ(m=1，2，3，…)。其中，a為纖芯半徑，n1是纖芯折射率，θ為傳導(dǎo)模與光軸的夾角，λ為傳輸光的波長(zhǎng)?？偟哪Ｊ綌?shù)為：M=V2/2

式中：V為歸一化頻率。4.2.2光纖耦合器的特性1.插入損耗 插入損耗(InsertinLoss，IL)定義為指定輸出端口的光功率相對(duì)全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝(dB)表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為 其中：ILi是第i個(gè)輸出端口的插入損耗；Pouti是第i個(gè)輸出端口測(cè)到的光功率值；Pin是輸入端的光功率值。2.附加損耗 附加損耗(ExcessLoss，EL)定義為所有輸出端口的光功率總和相對(duì)于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝(dB)表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中：Pouti為第i個(gè)輸出口的輸出功率；Pin為輸入光功率。3.分光比 分光比(CouplingRatio，CR)是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對(duì)輸出總功率的百分比，在具體應(yīng)用中常用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為例如對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器，1∶1或50∶50代表了同樣的分光比，即輸出為均分的器件。4.方向性 方向性也是光耦合器所特有的一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)，它是衡量器件定向傳輸性的參數(shù)。以標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時(shí)，輸入端非注入光端口的輸出光功率(圖4.8中的I2)與總注入光功率的比值，以分貝(dB)為單位的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中：Pin1代表總注入光功率；Pin2代表輸入端非注入光端口的輸出光功率。5.均勻性 均勻性就是衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。它定義為在器件的工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出功率的最大變化量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中：MIN(Pout)為最小輸出光功率；MAX(Pout)為最大輸出光功率。6.偏振相關(guān)損耗 偏振相關(guān)損耗(PolarizationDependentLoss，PDL)是衡量器件性能對(duì)于傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)的敏感程度的參量。它是指當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)發(fā)生360°變化時(shí)，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量： 在實(shí)際應(yīng)用中，光信號(hào)偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，為了不影響器件的使用效果往往要求器件有足夠小的偏振相關(guān)損耗。7.隔離度 隔離度是指某一光路對(duì)其他光路中的信號(hào)的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話”小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中：Pt是某一光路輸出端測(cè)到的其他光路信號(hào)的功率值；Pin是被檢測(cè)光信號(hào)的輸入功率值。4.3波分復(fù)用/解復(fù)用器4.3.1波分復(fù)用/解復(fù)用器的原理與分類(lèi)1.光柵型 衍射光柵型波分復(fù)用器件是近年發(fā)展起來(lái)的。衍射光柵是利用硅襯底單晶各向異性腐蝕制作的光柵與棱鏡分光相比具有更大優(yōu)勢(shì)，常用來(lái)制作波分復(fù)用器的主要分光元件。2.波導(dǎo)陣列光柵型 圖4.15所示是一種波導(dǎo)陣列光柵型波分復(fù)用器件。它是由輸入、輸出波導(dǎo)、空間耦合器和波導(dǎo)陣列光柵構(gòu)成。圖4.15波導(dǎo)陣列光柵型DWDM3.光纖光柵 光纖光柵是利用光纖制造中的缺陷，用紫外光照射，使得光纖纖芯折射率分布呈周期性變化圖4.17光纖光柵濾波作用，在滿足布拉格光柵條件的波長(zhǎng)上全反射，而其余波長(zhǎng)通過(guò)的是一種全光纖陷波濾波器，如圖4.17所示。圖4.17光纖光柵濾波作用(1)干涉法 干涉法是利用雙光束干涉原理，將一束紫外光分成兩束平行光，并在光纖外形成干涉場(chǎng)，調(diào)節(jié)兩干涉臂長(zhǎng)，使得形成的干涉條紋周期滿足制作光纖光柵的要求。(2)相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用預(yù)先制作的膜板，當(dāng)紫外光通過(guò)相位板時(shí)產(chǎn)生干涉，從而在光纖圓柱面形成干涉場(chǎng)，將光柵寫(xiě)入光纖。4.3.2波分復(fù)用/解復(fù)用器的特性1.解復(fù)用器 以光信號(hào)波長(zhǎng)為函數(shù)的解復(fù)用器的主要光學(xué)特性有以下幾點(diǎn)。 (1)中心波長(zhǎng)(或通帶)λ1、λ2…λn+1 (2)中心波長(zhǎng)工作范圍Δλ1、Δλ2 (3)中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的最小插入損耗L1式中：P′1代表波長(zhǎng)為λ1的光束在輸出端的光功率；P01分別代表波長(zhǎng)為λ1的光束在輸入端合路信號(hào)中的光功率。4.相鄰信道之間串音耦合最大值L12 式中：P‘1代表波長(zhǎng)為λ1的光束在輸出端串?dāng)_到λ2的輸出端口處的光功率，P2分別代表波長(zhǎng)為λ2的光束在輸出端口處的輸出光功率。(5)偏振相關(guān)損耗 偏振相關(guān)損耗是指光信號(hào)以不同的偏振狀態(tài)輸入時(shí)(如線偏振、圓偏振、橢圓偏振等)，對(duì)應(yīng)輸出端口插入損耗最大變化量。2.復(fù)用器 以光信號(hào)波長(zhǎng)為函數(shù)的復(fù)用器的光學(xué)特性，可用于給定的輸入端口(1#至N#端口為輸入端口，0#端口為輸出端口)。4.4光開(kāi)關(guān)4.4.1光開(kāi)關(guān)的種類(lèi)1.機(jī)械式光開(kāi)關(guān) 機(jī)械式光開(kāi)關(guān)是最傳統(tǒng)的光開(kāi)關(guān)，一種實(shí)用化的機(jī)械式多模光纖光開(kāi)關(guān)的插入損耗小于1dB，開(kāi)關(guān)時(shí)間小于1ms。(1)微光機(jī)電系統(tǒng)光開(kāi)關(guān) 微光機(jī)電系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)是微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)與傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型機(jī)械式光開(kāi)關(guān)。(2)毛細(xì)管效應(yīng)光開(kāi)關(guān) 毛細(xì)管效應(yīng)光開(kāi)關(guān)是采用了電毛細(xì)管效應(yīng)或熱毛細(xì)管效應(yīng)的光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。(3)金屬薄膜光開(kāi)關(guān) 金屬薄膜光開(kāi)關(guān)使用了金屬膜與無(wú)源波導(dǎo)相結(jié)合的構(gòu)形，其結(jié)構(gòu)如圖4.23所示。圖4.23使用了金屬膜與無(wú)源波導(dǎo)相結(jié)合的光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)2.液晶光開(kāi)關(guān) 液晶光開(kāi)關(guān)是在硅襯底材料上制作出偏振光束分支波導(dǎo)，再把每個(gè)分支波導(dǎo)交叉點(diǎn)刻蝕成有一定角度的槽，槽內(nèi)裝上折射匹配的液晶，液晶槽下面是電熱器。3.熱光效應(yīng)光開(kāi)關(guān) 熱光效應(yīng)光開(kāi)關(guān)是利用加熱光波導(dǎo)，改變光波導(dǎo)的折射率，引起主波導(dǎo)與需要的分支波導(dǎo)間的光耦合，從而實(shí)現(xiàn)光開(kāi)/關(guān)的器件。4.4.2光開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)1.插入損耗插入損耗是指輸入與輸出端口之間光功率的減少，以分貝來(lái)表示：式中：P0為進(jìn)入輸入端的光功率；P1為輸出端接收的光功率。插入損耗與開(kāi)關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。2.回波損耗 回波損耗(也稱(chēng)反射損耗或反射率)是指從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值，以分貝表示：式中：P0為進(jìn)入輸入端的光功率；P1為輸入端口接收到的返回光功率?；夭〒p耗與開(kāi)關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。3.隔離度 隔離度是指兩個(gè)相隔離輸出端口光功率的比值，以分貝來(lái)表示。式中：n、m為開(kāi)關(guān)的兩個(gè)隔離端口(n≠m)；Pin是光從i端口輸入時(shí)n端口的輸出光功率，Pim是光從n端口輸入時(shí)在m端口測(cè)得的光功率。4.遠(yuǎn)端串?dāng)_ 遠(yuǎn)端串?dāng)_是指光開(kāi)關(guān)的接通端口的輸出光功率與串入另一端口的輸出光功率的比值。5.近端串?dāng)_ 近端串?dāng)_是指當(dāng)其他端口接終端匹配，連接的端口與另一個(gè)名義上是隔離的端口的光功率之比。6.消光比 消光比是兩個(gè)端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差。 式中：ILnm為n，m端口導(dǎo)通時(shí)的插入損耗；ILnm0為n，m端口非導(dǎo)通時(shí)的插入損耗。7.開(kāi)關(guān)時(shí)間 開(kāi)關(guān)時(shí)間是指開(kāi)關(guān)端口從某一初始狀態(tài)轉(zhuǎn)為通或斷所需的時(shí)間，開(kāi)關(guān)時(shí)間從開(kāi)關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻算起。

光檢測(cè)器和光接收器4.1光檢測(cè)器的工作原理

光檢測(cè)器的作用是將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。其工作過(guò)程的基本機(jī)理是光的吸收，見(jiàn)第1章1.1節(jié)。當(dāng)能量超過(guò)禁帶寬度Eg的光子入射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，每一個(gè)光子若被半導(dǎo)體材料吸收將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，如果此時(shí)在半導(dǎo)體材料上加上電場(chǎng)，電子-空穴對(duì)就會(huì)在半導(dǎo)體材料中渡越，形成光電流。圖4.1.1說(shuō)明了光檢測(cè)器的工作原理。

圖4.1.1光檢測(cè)器的工作原理

左側(cè)入射的信號(hào)光透過(guò)P＋區(qū)進(jìn)入耗盡區(qū)，當(dāng)PN結(jié)上加反向偏置電壓時(shí)，耗盡區(qū)內(nèi)受激吸收生成的電子-空穴對(duì)分別在電場(chǎng)的作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，電子向N區(qū)漂移，空穴向P＋區(qū)漂移，從而在外電路形成了隨光信號(hào)變化的光生電流信號(hào)。耗盡區(qū)的寬度由反向電壓的大小決定。符號(hào)P＋表示重?fù)诫s區(qū)。4.1.1PIN光檢測(cè)器PIN光檢測(cè)器也稱(chēng)為PIN光電二極管，在此，PIN的意義是表明半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)，P+和N型半導(dǎo)體材料之間插入了一層摻雜濃度很低的半導(dǎo)體材料（如Si），記為I，稱(chēng)為本征區(qū)，如圖4.1.2所示。

圖4.1.2PIN光電二極管在圖4.1.1中，入射光從P+區(qū)進(jìn)入后，不僅在耗盡區(qū)被吸收，在耗盡區(qū)外也被吸收，它們形成了光生電流中的擴(kuò)散分量，如P+區(qū)的電子先擴(kuò)散到耗盡區(qū)的左邊界，然后通過(guò)耗盡區(qū)才能到達(dá)N區(qū)，同樣，N區(qū)的空穴也是要擴(kuò)散到耗盡區(qū)的右邊界后才能通過(guò)耗盡區(qū)到達(dá)P+區(qū)。我們將耗盡區(qū)中光生電流稱(chēng)為漂移分量，它的傳送時(shí)間主要取決于耗盡區(qū)寬度。顯然擴(kuò)散電流分量的傳送要比漂移電流分量所需時(shí)間長(zhǎng)，結(jié)果使光檢測(cè)器輸出電流脈沖后沿的拖尾加長(zhǎng)，由此產(chǎn)生的時(shí)延將影響光檢測(cè)器的響應(yīng)速度。設(shè)耗盡區(qū)寬度為w，載流子在耗盡區(qū)的漂移時(shí)間可由下式計(jì)算，即（4.1.1）是載流子的漂移速度；如果耗盡區(qū)的寬度較窄，大多數(shù)光子尚未被耗盡區(qū)吸收，便已經(jīng)到達(dá)了N區(qū)，而在這部分區(qū)域，電場(chǎng)很小，無(wú)法將電子和空穴分開(kāi)，所以導(dǎo)致了量子效率比較低。的典型值為100ps。實(shí)際上，PN結(jié)耗盡區(qū)可等效成電容，它的大小與耗盡區(qū)寬度的關(guān)系如下： （4.1.2）式中，

是半導(dǎo)體的介電常數(shù)；A是耗盡區(qū)的截面積。Cd的典型值為1～2pF?？梢?jiàn)，耗盡區(qū)寬度w越窄，結(jié)電容越大，電路的RC時(shí)間常數(shù)也越大，不利于高速數(shù)據(jù)傳輸。考慮到漂移時(shí)間和結(jié)電容效應(yīng)，光電二極管的帶寬可以表示成 （4.1.3）式中，RL是負(fù)載電阻。由上述分析可知，增加耗盡區(qū)寬度是非常有必要的。由圖4.1.2可見(jiàn)，I區(qū)的寬度遠(yuǎn)大于P+區(qū)和N區(qū)寬度，所以在I區(qū)有更多的光子被吸收，從而增加了量子效率；同時(shí)，擴(kuò)散電流卻很小。PIN光檢測(cè)器反向偏壓可以取較小的值，因?yàn)槠浜谋M區(qū)厚度基本上是由I區(qū)的寬度決定的。當(dāng)然，I區(qū)的寬度也不是越寬越好，由式（4.1.1）和式（4.1.3）可知，寬度w越大，載流子在耗盡區(qū)的漂移時(shí)間就越長(zhǎng)，對(duì)帶寬的限制也就越大，故需綜合考慮。由于不同半導(dǎo)體材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收系數(shù)不同，所以本征區(qū)的寬度選取也各不相同。例如Si

PIN光吸收系數(shù)比InGaAsPIN小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以它的本征區(qū)寬度大約是40

m，而InGaAsPIN本征區(qū)寬度大約是4

m。這也決定了兩種不同材料制成的光檢測(cè)器帶寬和使用的光波段范圍不同，Si

PIN用于850nm波段，InGaAsPIN則用于1310nm和1550nm波段。4.1.2APD光檢測(cè)器

APD光檢測(cè)器也稱(chēng)為雪崩光電二極管（AvalanchePhotodiode），其工作機(jī)理如下：入射信號(hào)光在光電二極管中產(chǎn)生最初的電子-空穴對(duì)，由于光電二極管上加了較高的反向偏置電壓，電子-空穴對(duì)在該電場(chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng)，獲得很大動(dòng)能，當(dāng)它們與中性原子碰撞時(shí)，會(huì)使中性原子價(jià)帶上的電子獲得能量后躍遷到導(dǎo)帶上去，于是就產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)稱(chēng)為二次電子-空穴對(duì)。這些二次載流子同樣能在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，碰撞別的中性原子進(jìn)而產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，這樣就引起了產(chǎn)生新載流子的雪崩過(guò)程。也就是說(shuō)，一個(gè)光子最終產(chǎn)生了許多的載流子，使得光信號(hào)在光電二極管內(nèi)部就獲得了放大。 從結(jié)構(gòu)來(lái)看，APD與PIN的不同在于增加了一個(gè)附加層P，如圖4.1.3所示。在反向偏置時(shí)，夾在I層與N+層間的PN+結(jié)中存在著強(qiáng)電場(chǎng)，一旦入射信號(hào)光從左側(cè)P+區(qū)進(jìn)入I區(qū)后，在I區(qū)被吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其中的電子迅速漂移到PN+結(jié)區(qū)，PN+結(jié)中的強(qiáng)電場(chǎng)便使得電子產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。圖4.1.3APD光電二極管與PIN光檢測(cè)器比較起來(lái)，光電流在器件內(nèi)部就得到了放大，從而避免了由外部電子線路放大光電流所帶來(lái)的噪聲。我們從統(tǒng)計(jì)平均的角度設(shè)一個(gè)光子產(chǎn)生M個(gè)載流子，它等于APD光電二極管雪崩后輸出的光電流IM與未倍增時(shí)的初始光電流IP的比值 （4.1.4）式中，M稱(chēng)為倍增因子。倍增因子與載流子的電離率有關(guān)，電離率是指載流子在漂移的單位距離內(nèi)平均產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)。電子電離率與空穴電離率是不相同的，分別用和表示，它們與反向偏置電壓、耗盡區(qū)寬度、摻雜濃度等因素有關(guān)，記為 （4.1.5）式中，kA為電離系數(shù)，它是光檢測(cè)器性能的一種度量。對(duì)M的影響可由下式給出，即 （4.1.6）當(dāng) 時(shí)，僅有電子參與雪崩過(guò)程，，增益隨w指數(shù)增長(zhǎng)；當(dāng)且時(shí)，由式（4.1.6）可得，出現(xiàn)雪崩擊穿。通常，M值的范圍在10~500之間。APD光電二極管出現(xiàn)雪崩擊穿是因?yàn)樗拥姆聪蚱秒妷哼^(guò)大，考慮到M與反向偏置電壓之間的密切關(guān)系，常用經(jīng)驗(yàn)公式描述它們的關(guān)系，即 （4.1.7）式中，n是與溫度有關(guān)的特性指數(shù)，n=2.5～7；VBR是雪崩擊穿電壓，對(duì)于不同的半導(dǎo)體材料，該值從70～200V不等；V為反向偏置電壓，一般取其為VBR的80%～90%。APD管使用時(shí)必須注意保持工作電壓低于雪崩擊穿電壓，以免損壞器件。

4.2光檢測(cè)器的特性參數(shù)4.2.1光檢測(cè)器性能參數(shù)1．量子效率入射光（功率為Pin）中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光生電流的光子數(shù)和入射的總光子數(shù)之比稱(chēng)為量子效率，它的計(jì)算由下式給出，即 （4.2.1）式中，q為電子電荷（1.6×10－19C）；IP為產(chǎn)生的光電流；h為普朗克常數(shù)；v為光子的頻率。量子效率的范圍在50%～90%之間。2．響應(yīng)度光檢測(cè)器的光電流與入射光功率之比稱(chēng)為響應(yīng)度，有 （4.2.2）響應(yīng)度的單位是A/W。該特性表明光檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的效率。R的典型值范圍是0.5~1.0A/W。例如，Si光檢測(cè)器在波長(zhǎng)為900nm時(shí)，R值是0.65A/W；Ge光檢測(cè)器的R值是0.45A/W（1300nm時(shí)）；InGaAs在波長(zhǎng)為1300nm和1550nm時(shí)，響應(yīng)度分別是0.9A/W和1.0A/W。對(duì)于給定的波長(zhǎng)，響應(yīng)度是一個(gè)常數(shù)，但是當(dāng)考慮的波長(zhǎng)范圍較大時(shí)，它就不是常數(shù)了。隨著入射光波長(zhǎng)的增加，入射光子的能量越來(lái)越小，如果小于禁帶寬度時(shí)，響應(yīng)度會(huì)在截止波長(zhǎng)處迅速下降。響應(yīng)度與量子效率的關(guān)系為 （4.2.3）考慮到APD光檢測(cè)器的雪崩效應(yīng)，它的響應(yīng)度可表示為 （4.2.4）APD光檢測(cè)器的響應(yīng)度在0.75～130之間。3．響應(yīng)光譜為了產(chǎn)生光生載流子，入射光子的能量必須大于光檢測(cè)器材料的禁帶寬度，即滿足條件 （4.2.5）常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)見(jiàn)表4.1。表4.1常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg/eV波長(zhǎng)/nmSi1.171067半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg/eV波長(zhǎng)/nmGe0.7751610GaAs1.424876InP1.35924AlGaAs1.42~1.92879~650InGaAs0.75~1.241664~1006InGaAs0.75~1.351664~924式（4.2.5）也可以表示成（4.2.6）式中，

c稱(chēng)為截止波長(zhǎng)。也就是說(shuō)，對(duì)確定的半導(dǎo)體檢測(cè)材料，只有波長(zhǎng)小于截止波長(zhǎng)的光才能被檢測(cè)到，并且探測(cè)器的量子效率隨著波長(zhǎng)的變化而變化，這種特性被稱(chēng)做響應(yīng)光譜。所以光檢測(cè)器不具有通用性，各種材料的響應(yīng)光譜不同。常用的光電半導(dǎo)體材料有Si，Ge，InGaAs，InGaAsP，GaAsP等，圖4.2.1示出了幾種材料的響應(yīng)光譜。圖4.2.1半導(dǎo)體材料的響應(yīng)光譜4．響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是用來(lái)反映光檢測(cè)器對(duì)瞬變或高速調(diào)制光信號(hào)響應(yīng)能力的參數(shù)。如前所述，它主要受以下三個(gè)因素的影響：①耗盡區(qū)的光載流子的渡越時(shí)間；②耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴(kuò)散時(shí)間；③光電二極管及與其相關(guān)的電路的RC時(shí)間常數(shù)。響應(yīng)時(shí)間可以用光檢測(cè)器輸出脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間來(lái)表示。當(dāng)光電二極管的結(jié)電容比較小時(shí)，上升時(shí)間和下降時(shí)間較短且比較一致；當(dāng)光電二極管的結(jié)電容比較大時(shí)，響應(yīng)時(shí)間會(huì)受到負(fù)載電阻與結(jié)電容所構(gòu)成的RC時(shí)間常數(shù)的限制，上升時(shí)間和下降時(shí)間都較長(zhǎng)。一般光檢測(cè)器的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)中給出的是上升時(shí)間，對(duì)于PIN管而言，通常上升時(shí)間tr<1ns；對(duì)于APD管而言，該值小于0.5ns。光檢測(cè)器的帶寬與上升時(shí)間成反比，它們的關(guān)系可表示為 （4.2.7）5．暗電流暗電流是指光檢測(cè)器上無(wú)光入射時(shí)的電流。雖然沒(méi)有入射光，但是在一定溫度下，外部的熱能可以在耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一些自由電荷，這些電荷在反向偏置電壓的作用下流動(dòng)，形成了暗電流。顯然，溫度越高，受溫度激發(fā)的電子數(shù)量越多，暗電流越大。對(duì)于PIN管，設(shè)溫度為T(mén)1時(shí)的暗電流為Id(T1)，當(dāng)溫度上升到T2時(shí)則有 （4.2.8）式中，C是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Si光電二極管的C值為8。暗電流最終決定了能被檢測(cè)到的最小光功率，也就是光電二極管的靈敏度。根據(jù)所選用半導(dǎo)體材料的不同，暗電流的變化范圍在0.1～500nA之間。4.2.2光檢測(cè)器的噪聲光檢測(cè)器的噪聲是限制光纖通信系統(tǒng)接收機(jī)靈敏度的關(guān)鍵因素，其噪聲源有以下幾種。1．散粒噪聲式（4.2.2）說(shuō)明，如果入射光功率是一恒定值，光生電流就是一個(gè)常量。而實(shí)際上，光生電流是一個(gè)隨機(jī)變量，它圍繞著某一平均統(tǒng)計(jì)值而起伏，這種起伏稱(chēng)做散粒噪聲的電流起伏is(t)?？紤]散粒噪聲電流的影響后，光電二極管中的光生電流表示為 （4.2.9）式中，IP為平均電流。散粒噪聲可以用均方散粒噪聲電流表示，即 （4.2.10）式中，B是帶寬，它與我們的考察點(diǎn)有關(guān)，如果考察點(diǎn)在光電二極管的輸出端，則B為光電二極管的帶寬；如果考察點(diǎn)在光檢測(cè)器后的判決電路端，則B為接收機(jī)的帶寬。需要說(shuō)明的是，式（4.2.9）已經(jīng)考慮了暗電流的影響。對(duì)于雪崩光電二極管，散粒噪聲受到了雪崩效應(yīng)的影響，其計(jì)算公式為 （4.2.11）式中，F(xiàn)A稱(chēng)為過(guò)剩噪聲指數(shù)，它由下面的公式計(jì)算，即 （4.2.12）式中，kA是電離系數(shù)，它與選用的半導(dǎo)體材料有關(guān)，對(duì)于Si，kA為0.03；對(duì)于Ge，kA為0.8；對(duì)于InGaAs，kA為0.5。式（4.2.12）表明，為了得到較小的過(guò)剩噪聲指數(shù)，就需要有較小的電離系數(shù)，這就是為什么用Si材料制作的APD性能要優(yōu)于其他材料制作的APD的原因。當(dāng)電離過(guò)程僅僅是由電子引起的時(shí)候，

h=0，kA=0，此時(shí)FA的極限值為2。散粒噪聲屬于白噪聲，為了降低它的影響，通常在判決電路之前使用低通濾波器，使得信道的帶寬變窄。2．熱噪聲溫度變化導(dǎo)致的瞬間電子數(shù)目圍繞其平均值的起伏稱(chēng)為熱噪聲。熱噪聲由均方熱噪聲電流表示，即 （4.2.13）式中，kB為玻耳茲曼常數(shù)（1.38×10－23J/K）；T為熱力學(xué)溫度；RL為負(fù)載電阻。式（4.2.13）適用于PIN和APD光檢測(cè)器。3．1/f噪聲除了散粒噪聲和熱噪聲以外，光電二極管還存在1/f噪聲，顧名思義，該噪聲與頻率成反比，一般而言，它的影響只在低頻范圍內(nèi)，當(dāng)信號(hào)的調(diào)制頻率大于100MHz時(shí)，就可以忽略它對(duì)光電二極管輸出信號(hào)的作用了。綜上所述，光電二極管總的噪聲電流均方值可以表示為 （4.2.14）在實(shí)際使用中，噪聲也可以用單位帶寬的電流均方根表示，對(duì)于散粒噪聲，有 （4.2.15）圖4.2.2PIN光電二極管

（深圳飛通光電股份有限公司提供）4.2.3光檢測(cè)器產(chǎn)品介紹1．PIN產(chǎn)品及參數(shù)PIN光電二極管具有較好的光電轉(zhuǎn)換線性度、響應(yīng)速度快、不需要高的工作電壓等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。圖4.2.2為PIN管的外形圖。表4.2為其性能指標(biāo)。表4.2長(zhǎng)波長(zhǎng)PIN管性能指標(biāo)（深圳飛通光電股份有限公司提供）參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件最小典型最大單位波長(zhǎng)

1100—1600nm暗電流IdVR=5V,25℃—15nA響應(yīng)度（1310nm）RVR=5V,

=1310nm0.80——A/W飽和光功率PVR=5V——10mW光敏面直徑

—75—

m上升、下降時(shí)間tr,tfRL=50

—0.1—ns電容CVR=5V——0.75pF

表4.2中的飽和光功率決定了光電流作為光功率的線性關(guān)系的最大功率值。當(dāng)入射光功率比較大時(shí)，光生電流不再與輸入功率成正比，而是呈飽和趨勢(shì)，式（4.2.2）不再成立。光敏面直徑則決定了光電二極管的激活區(qū)，當(dāng)光從光纖耦合到光電二極管必須考慮該參數(shù)的作用，應(yīng)選擇合適的透鏡系統(tǒng)，使得光電二極管的感光區(qū)達(dá)到最大光覆蓋。制造商在很多產(chǎn)品中已經(jīng)解決了光纖到光電二極管的耦合問(wèn)題，如圖4.2.2所示的帶有尾纖的產(chǎn)品。電容的數(shù)值依賴(lài)于所加的反向偏振電壓，所以表4.2中給出了測(cè)試條件。 除了上述的性能指標(biāo)外，還有該光電二極管額定極限值，它們是：存儲(chǔ)溫度為-40℃～+85℃，工作溫度為-40℃～+85℃，反向電壓為30V。光電二極管的輸出電流比較小，必須在它后面加放大器，對(duì)微弱的電流信號(hào)進(jìn)行放大，將光電二極管和放大器制作在一起就是光檢測(cè)器組件。如PIN-TIA組件和APD-TIA組件，其中TIA稱(chēng)為互阻放大器，它可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，在光接收機(jī)中，常將它稱(chēng)為前置放大器。圖4.2.3APD-TIA光檢測(cè)器

（深圳飛通光電股份有限公司提供）2．APD產(chǎn)品及參數(shù)圖4.2.3示出了傳輸速率為2.5GBb/s、APD-TIA同軸帶尾纖的光檢測(cè)器組件示意圖，它具有內(nèi)置的AGC電路，差分輸出，采用5針帶尾纖封裝。表4.3給出了該APD-TIA組件的光電性能。

參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件范圍單位最小值典型值最大值響應(yīng)波長(zhǎng)

—1260—1580nmAPD擊穿電壓VBRId=100

A，Tc=+25℃50—70VVBR溫度系數(shù)

Tc=-20℃~+85℃—0.126—V/℃工作電流DC355065mA響應(yīng)度RPin=-30dBm,

=1310nm,M=10.750.85—A/W帶寬（-3dB）AC,RL=50

,M=10,

=1310nm,Pin=-30dBm1.51.8—GHz輸出阻抗Z0差分輸出406080

跨阻Zt差分輸出，f=100MHz1.622.5k

飽和光功率PsAC,RL=50

,NRZ,2.48832Gb/s，PRBS=223-1,RER=10-10,

=1550nm-7-5—dBm靈敏度PrAC,RL=50

,NRZ,2.48832Gb/s，PRBS=223-1,RER=10-10,

=1550nm—-33-31dBm光反射ORL

=1310nm，單模光纖——-30dBAPD-TIA的極限額定參數(shù)有：TIA工作電壓（+5V），TIA工作電流（70mA），APD偏置電壓（VBR），APD偏置電流（2mA）等。使用光電二極管的注意事項(xiàng)有：①靜電防護(hù)，儀器設(shè)備、工具、電路板接地良好，操作者需穿戴防靜電服并通過(guò)高電阻接地；②焊接溫度不超過(guò)260℃，焊接時(shí)間不超過(guò)10s；③嚴(yán)禁超過(guò)額定極限電壓。4.3光接收機(jī)4.3.1光接收機(jī)的組成 光接收機(jī)的作用是將光纖終端的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行放大、處理，最后還原成原始的電信號(hào)形式。光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能的優(yōu)劣直接影響了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能。 光纖通信系統(tǒng)分模擬和數(shù)字兩種傳輸系統(tǒng)。在這兩種不同系統(tǒng)中采用的光接收機(jī)分別稱(chēng)為模擬光接收機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)。模擬光接收機(jī)比較簡(jiǎn)單，方框圖如圖4.3.1（a）所示，光檢測(cè)器的輸出信號(hào)經(jīng)低噪聲前置放大器放大后，送入主放大器做進(jìn)一步放大處理，然后根據(jù)模擬信號(hào)的調(diào)制方式，選擇相應(yīng)的解調(diào)器，解調(diào)后的信號(hào)即為所需的模擬電信號(hào)。模擬光接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)將在第6章中討論。 數(shù)字光接收機(jī)方框圖如圖4.3.1（b）所示，考慮到數(shù)字系統(tǒng)的普及性，本節(jié)重點(diǎn)介紹數(shù)字光接收機(jī)各部分的功能及相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。如圖4.3.1所示，光接收機(jī)主要由光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器、濾波器、判決電路、時(shí)鐘恢復(fù)電路、自動(dòng)增益控制電路等電路組成。各部分的功能敘述如下。1．前置放大器從光檢測(cè)器輸出的電流信號(hào)十分微弱，必須經(jīng)過(guò)前置放大器放大，前置放大器在光接收機(jī)中起關(guān)鍵作用，要求它有足夠小的噪聲、適當(dāng)?shù)膸捄鸵欢ǖ脑鲆妗Ｇ爸梅糯笃饔卸喾N類(lèi)型，如雙極型晶體管前置放大器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管互阻抗前置放大器、PIN-FET（PIN管與場(chǎng)效應(yīng)管）前置放大器組件等。圖4.3.2示出了被廣泛采用的放大器原理圖，其輸出電壓為 （4.3.1）互阻放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)態(tài)范圍較寬；輸出阻抗小，不易感應(yīng)耦合噪聲；性能穩(wěn)定，容易通過(guò)調(diào)節(jié)RF控制增益。2．增益可調(diào)節(jié)的主放大器前置放大器輸出信號(hào)的幅度對(duì)于信號(hào)的判決是不夠的，因此還需主放大器做進(jìn)一步的放大。主放大器除了將前置放大器輸出的信號(hào)放大到判決電路所需要的信號(hào)電平外，還起著調(diào)節(jié)