第2章 光纖、光器件及光系統(tǒng)

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第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

由于光網(wǎng)絡(luò)主要組成于光纖，光源，光檢測器及相關(guān)光無源器件等，本章將主要對這些部分的工作原理，分類，特性指標(biāo)及應(yīng)用等作以介紹。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)

習(xí)題與思考題2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

2.1

光

纖

及

光

纜2.1.1光纖結(jié)構(gòu)及分類1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖是光纖通信系統(tǒng)中的重要部件，是光信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)。光纖的結(jié)構(gòu)是取決于它的應(yīng)用和傳輸特性而定的，通信中使用的光纖一般為圓柱形，下面我們將介紹通信用光纖的基本結(jié)構(gòu)。1)光纖結(jié)構(gòu)通信光纖結(jié)構(gòu)一般由纖芯、包層和涂覆層3部分組成，如圖2-1所示。圖2-1光纖的結(jié)構(gòu)2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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纖芯：纖芯位于光纖的中心部位。直徑d1=4μm～50μm，單模光纖的纖芯為4μm～10μm，多模光纖的纖芯為50μm。纖芯的成分是高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑（如GeO2，P2O5），作用是提高纖芯對光的折射率（n1），以傳輸光信號。包層：包層位于纖芯的周圍。 包層直徑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）的作用則是適當(dāng)降低包層對光的折射率（n2），使之略低于纖芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信號封閉在纖芯中傳輸。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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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緊套光纖與松套光纖緊套光纖就是在一次涂覆的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，光纖在套管內(nèi)不能自由活動。松套光纖，就是在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，光纖可以在套管中自由活動。圖2-2套塑光纖結(jié)構(gòu)2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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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纖芯和包層折射率的分布有關(guān)。圖2-3所示為兩種典型光纖的折射率分布情況。一種稱為階躍折射率光纖；另一種稱為漸變折射率光纖，如圖2-3（a）、（b）所示。圖2-3光纖的折射率分布2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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光在階躍折射率光纖和漸變折射率光纖的傳播軌跡分別如圖2-4和圖2-5所示。圖2-4光在階躍折射率多模光纖中的傳播

圖2-5光在漸變折射率多模光纖中的傳播從上面兩個圖可見，光線在階躍折射率光纖中的的傳布軌跡近視于折線，而在漸變折射率多模光纖中的傳播軌跡近視于正弦曲線。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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2.光纖的分類光纖按照不同的分類方式有多種分類，例如按光纖傳輸模的數(shù)量分類我們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，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)分類可分為緊套光纖和松套光纖。下面我們分別介紹之：1）按傳輸模數(shù)分類按傳輸模的數(shù)量不同，光纖分為多模光纖和單模光纖。圖2-6光在階躍折射率光纖中的傳播2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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圖2-7光在單模光纖中的傳播軌跡2）按傳輸波長分類光纖可分為短波長光纖和長波長光纖。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1.31μm和1.55μm兩個窗口。按套塑結(jié)構(gòu)分類

3)按套塑結(jié)構(gòu)不同，光纖可分為緊套光纖和松套光纖。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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4)單模光纖的分類由于單模光纖具有大容量長距離的傳輸特性，在光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。下面我們重點對單模光纖的分類作一介紹：針對單模光纖，ITU-T建議規(guī)范了G.652、G.653、G.654和G.655四種單模光纖。G.652光纖

G.652光纖，也稱標(biāo)準(zhǔn)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2-8所示。圖（a）表示的階躍折射率設(shè)計稱為匹配包層型，圖（b）表示的階躍折射率設(shè)計被稱為凹陷包層型。G.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，色散零點發(fā)生了移動，所以叫色散位移光纖。

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G.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，其零色散點仍然在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。G.655光纖由于G.653光纖的色散零點在1550nm附近，DWDM系統(tǒng)在零色散波長處工作易引起四波混頻效應(yīng)。為了避免該效應(yīng)，將色散零點的位置從1550nm附近移開一定波長數(shù)，使色散零點不在1550nm附近的DWDM工作波長范圍內(nèi)。這種光纖就是非零色散位移光纖（NDSF）。這四種單模光纖的主要性能指標(biāo)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窗口的傳輸。由于G.654光纖和G.655光纖的截止波長都大于1310nm，所以G.654光纖和G.655光纖不能用于1310nm窗口。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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2.1.2光纖傳輸原理由于光具有波粒二象性，要研究光纖傳輸原理，我們可從這兩個角度入手來進(jìn)行研究。通常要詳細(xì)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(dǎo)出的波動方程得到解答。但在極限(波數(shù)k=2π/λ非常大，波長λ→0)條件下，可以用幾何光學(xué)的射線方程作近似分析。幾何光學(xué)的方法比較直觀，容易理解，但并不十分嚴(yán)格。不管是射線方程還是波動方程，數(shù)學(xué)推演都比較復(fù)雜，我們只選取其中主要部分和有用的結(jié)果。1.幾何光學(xué)方法

用幾何光學(xué)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。

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1.突變型多模光纖

數(shù)值孔徑為簡便起見，以突變型多模光纖的交軸(子午)光線為例，進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。設(shè)纖芯和包層折射率分別為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。光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯(n0<n1)，折射角為θ1，折射后的光線在纖芯直線傳播，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2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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如光線1。根據(jù)斯奈爾(Snell)定律得到

n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1 (2.1)

當(dāng)θ=θc時，相應(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°)，如光線2，當(dāng)θ>θc時，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。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)這個傳播條件，定義臨界角θc的正弦為數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律

（2.2）式中Δ=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對折射率差。設(shè)Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2°。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或θc)越大，光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的耦合效率越高。對于無損耗光纖，在θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好。但NA越大經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)實際使用場合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。

時間延遲現(xiàn)在我們來觀察光線在光纖中的傳播時間。根據(jù)圖2.9，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很小的條件下，其傳播時間即時間延遲為2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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(2.3)

式中c為真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光線之間時間延遲差近似為

(2.4)這種時間延遲差在時域產(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于不同入射角的光線經(jīng)光纖傳輸后，其時間延遲不同而產(chǎn)生的。設(shè)光纖NA=0.20，n1=1.5，L=1km，根據(jù)式(2.4)得到脈沖展寬Δτ=44ns，相當(dāng)于10MHz·km左右的帶寬。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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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:n1[1-?]=n2 r>a `(2.5)ra

式中，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(biāo)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。g=2，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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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數(shù)值孔徑由于漸變型多模光纖折射率分布是徑向坐標(biāo)r的函數(shù)，纖芯各點數(shù)值孔徑不同，所以要定義局部數(shù)值孔徑NA(r)和最大數(shù)值孔徑NAmax

(2.6)

(2.7)2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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漸變型多模光纖的光線軌跡射線方程的解用幾何光學(xué)方法分析漸變型多模光纖要求解射線方程，射線方程一般形式為 (2.8)式中，ρ為特定光線的位置矢量，s為從某一固定參考點起的光線長度。

經(jīng)分析可見，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Λ=2π/A=2πa/，取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a,Δ)，而與入射角θ0無關(guān)。這說明不同入射角相應(yīng)的光線，雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最終都會聚在P點上，見圖2-10，這種現(xiàn)象稱為自聚焦(SelfFocusing)效應(yīng)。

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圖

2-10漸變型多模光纖的光線傳播原理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。這是因為光線傳播速度v(r)=c/n(r)(c為光速)，入射角大的光線經(jīng)歷的路程較長，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線，n(r)較小，傳播速度較快，補償了較長的路程。入射角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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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2。光纖傳輸?shù)牟▌永碚撾m然幾何光學(xué)的方法對光線在光纖中的傳播可以提供直觀的圖像，但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(dǎo)出的波動方程分析電磁場的分布(傳輸模式)的性質(zhì)，才能更準(zhǔn)確地獲得光纖的傳輸特性。1）波動方程和電磁場表達(dá)式設(shè)光纖沒有損耗，折射率n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exp(jωt)，則標(biāo)量波動方程為

2.202.212024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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式中，E和H分別為電場和磁場在直角坐標(biāo)中的任一分量，c為光速。選用圓柱坐標(biāo)(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(biāo)中展開，得到電場的z分量Ez的波動方程為2.22圖

2-11光纖中的圓柱坐標(biāo)2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)經(jīng)推導(dǎo)和分析可得到在纖芯和包層的電場Ez(r,φ,z)和磁場Hz(r,φ,z)表達(dá)式為：

rr>aa（2.26）r

r>a（2.27）式中，k0=2π/λ，是自由空間波數(shù)，λ是波長,

是波阻抗,A為待定常數(shù)，由激勵條件確定。Jv(ur/a)為v階貝塞爾函數(shù)，Kv(wr/a)v階修正的貝塞爾函數(shù)。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)Jv(u)和Kv(w)如圖2-12所示，Jv(u)類似振幅衰減的正弦曲線，Kv(w)類似衰減的指數(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。u和w決定纖芯和包層橫向(r)電磁場的分布，稱為橫向傳輸常數(shù)；

β決定縱向(z)電磁場分布和傳輸性質(zhì)，所以稱為(縱向)傳輸常數(shù)。圖2-12（a)貝賽爾函數(shù)；（b)修正的貝賽爾函數(shù)2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2）本征方程基于上述電磁場分布方程，在考慮到貝塞爾函數(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(dāng)假設(shè)，我們就可以得到光纖的電磁場分析下的特征方程，從而得到相關(guān)結(jié)果。通常波動方程和特征方程的精確求解都非常繁雜，一般要進(jìn)行簡化。大多數(shù)通信光纖的纖芯與包層相對折射率差Δ都很小(例如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(dǎo)光纖，對于弱導(dǎo)光纖β滿足的本征方程可以簡化為（2.28）2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)3）LPmn模的截止條件首先我們引入一個有用的參量——歸一化頻率，定義為

(2.29)

可以證明，在w=wc=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（2.28）的右端此時為零。于是，截止時有當(dāng)uc不為0時(2.30)這就是截止情況下的特征方程，由此可以解出uc，確定截止條件。uc是m-1階貝塞爾函數(shù)的根。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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當(dāng)m=0時，J-1(uc)=J1(uc)=0，可解出uc=μ1,n-1=0，3.83171，7.01559，10.17347，…，這里μ1,n-1是一階貝塞爾函數(shù)的第n-1個根，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(dāng)歸一化頻率V小于3.83171時，LP02模不能在光纖中傳輸，而LP01?？偸强梢栽诠饫w中傳輸?shù)摹?/p>

當(dāng)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，n=1,2,3,…。對于m=1，uc=μ0n=2.40483，5.52008，8.65373，…。表2.1列出了較低階LPmn模截止時的uc值。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)表2.1截止時較低階LPmn模的uc值

根據(jù)前面的分析，當(dāng)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（2.31）2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)稱為光纖的單模傳輸條件。因為歸一化頻率是工作波長和折射率分布的函數(shù)，當(dāng)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，可表示為

（2.32）（2.32）4）LPmn模遠(yuǎn)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)也增加，即傳播的模式增加?，F(xiàn)在我們分析另一種極端情況：遠(yuǎn)離截止時的情況。隨著光纖歸一化頻率的增加，導(dǎo)波的徑向歸一化衰減常數(shù)w越來越大，這意味著導(dǎo)波在包層中徑向衰減加快，導(dǎo)波能量往光纖纖芯中集中，當(dāng)V和w足夠大時，除靠近V的幾個高階模外，導(dǎo)波能量基本集中在光纖纖芯當(dāng)中。我們把這種狀態(tài)稱為遠(yuǎn)離截止的情況。同樣方法我們可得到遠(yuǎn)離截止時的特征方程可簡化為2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

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Jm(u)=0(2.33)

可見遠(yuǎn)離截止時的特征值是m階貝塞爾函數(shù)的根μmn（n=1,2,3,…）。表2.2中列出了μmn較低階的值。表2.2遠(yuǎn)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(yuǎn)離截止時為m階貝塞爾函數(shù)的第n個根，在一般情況下應(yīng)在這兩者之間變化。

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第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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。-芯直徑：芯直徑主要是對多模光纖的要求。ITU-T規(guī)定，多模光纖的芯直徑為50±3μm。-包層直徑：包層直徑指光纖的外徑，ITU-T規(guī)定，多模及單模光纖的包層直徑均要求為125±3μm。

目前，光纖生產(chǎn)制造商已將光纖外徑規(guī)格從125.0±3μm提高到125.0±1μm。-纖芯/包層同心度和不圓度：纖芯/包層同心度是指纖芯在光纖內(nèi)所處的中心程度。目前光纖制造商已將纖芯/包層同心度從≤0.8μm的規(guī)格提高到≤0.5μm的規(guī)格。不圓度包括芯徑的不圓度和包層的不圓度。ITU-T規(guī)定，纖芯/包層同心度誤差≤6%（單模為＜1.0μm），芯徑不圓度≤6%，包層不圓度（包括單模）＜2%。-光纖翹曲度：光纖翹曲度指在特定長度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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2。光纖的光學(xué)特性

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

光纖折射率分布，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

。最大理論數(shù)值孔徑（NAmax）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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)光纖的數(shù)值孔徑（NA）對光源耦合效率、光纖損耗、彎曲的敏感性以及帶寬有著密切的關(guān)系，數(shù)值孔徑大，容易耦合，微彎敏感小，帶寬較窄。模場直徑和有效面積模場直徑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公式計算出有效面積。模場直徑越小，通過光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)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，影響系統(tǒng)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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)圖2-13模場直徑2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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光纜長度上單模傳輸，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(xué)特性影響光纖的連接質(zhì)量，施工對它們不產(chǎn)生變化，而傳輸特性則相反，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，另有機械特性和溫度特性。1）光纖的損耗特性

光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強度逐漸減弱，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3種損耗。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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不同，這些頻率成分和模式到達(dá)光纖終端有先有后，使得光脈沖發(fā)生展寬，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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

圖2-15色散引起的脈沖展寬示意圖

光纖的色散可分為模式色散、色度色散、偏振模色散。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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，不同模式的光束的時間延遲不同而產(chǎn)生的色散，稱模式色散。色度色散由于光源的不同頻率（或波長）成分具有不同的群速度，在傳輸過程中，不同頻率的光束的時間延遲不同而產(chǎn)生色散稱為色度色散。色度色散包括材料色散和波導(dǎo)色散。材料色散由于材料折射率隨光信號頻率的變化而不同，光信號不同頻率成分所對應(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱為材料色散。波導(dǎo)色散由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散稱為波導(dǎo)色散。其大小可以和材料色散相比擬，普通單模光纖在1.31μm處這兩個值基本相互抵消。注：模式色散主要存在于多模光纖。單模光纖無模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。當(dāng)波長在1.31μm附近，色散接近為零。色散系數(shù)就是單位波長間隔內(nèi)光波長信號通過單位長度光纖所產(chǎn)生的時延差，用D表示，單位是ps/（nm·km）。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)偏振模色散（PMD）由于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。圖2-16偏振模色散2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)3）碼間干擾（ISI）色散將導(dǎo)致碼間干擾。由于各波長成分到達(dá)的時間先后不一致，因而使得光脈沖加長了（T+ΔT），這叫作脈沖展寬，如圖2-17。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊，形成碼間干擾，碼間干擾將引起誤碼，因而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。圖2-17碼間干擾2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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，使用者最關(guān)心的是抗拉強度。光纖的抗拉強度光纖的抗拉強度很大程度上反映了光纖的制造水平。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。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。光纖斷裂分析存在氣泡、雜物的光纖，會在一定張力下斷裂，如圖2-18所示。光纖的壽命

光纖的壽命，習(xí)慣稱使用壽命，當(dāng)光纖損耗加大以致系統(tǒng)開通困難時，稱其已達(dá)到了使用壽命。從機械性能講，壽命指斷裂壽命。光纖的機械可靠性

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(rèn)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，從而增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。

2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)5。光纖的溫度特性光纖的溫度特性，是指在高、低溫條件下對光纖損耗的影響，一般是損耗增大。如圖2-19所示。圖2-19光纖低溫特性曲線2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.1.4

光纜結(jié)構(gòu)及分類1。光纜的結(jié)構(gòu)

光纜由纜芯、護(hù)層和加強芯組成。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。護(hù)層

護(hù)層主要是對已成纜的光纖芯線起保護(hù)作用，避免受外界機械力和環(huán)境損壞。護(hù)層可分為內(nèi)護(hù)層（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外護(hù)層（多用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護(hù)套加鋼絲鎧裝等）。加強芯

加強芯主要承受敷設(shè)安裝時所加的外力。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2．各種典型結(jié)構(gòu)的光纜層絞式結(jié)構(gòu)光纜把經(jīng)過套塑的光纖繞在加強芯周圍絞合而構(gòu)成。層絞式結(jié)構(gòu)光纜類似傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)，故又稱之為古典光纜。圖2-20～圖2-21所示是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）。圖2-206芯緊套層絞式光纜 圖2-2112芯松套層絞式直埋光纜2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)骨架式結(jié)構(gòu)光纜骨架式結(jié)構(gòu)光纜是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。骨架結(jié)構(gòu)有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增強基本單元型，圖2-22（b）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，都是采用如圖2.22所示的結(jié)構(gòu)。圖2-2212芯骨架式光纜2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)帶狀結(jié)構(gòu)光纜把帶狀光纖單元放入大套管中，形成中心束管式結(jié)構(gòu)；也可把帶狀光纖單元放入凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。如圖2-23、2-24所示。圖2-23中心束管式帶狀光纜

圖2-24層絞式帶狀光纜2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)單芯結(jié)構(gòu)光纜單芯結(jié)構(gòu)光纜簡稱單芯軟光纜，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用特種光纜以及制作單芯軟光纜的光纖。圖2-25單芯軟光纜2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)3。光纜的種類按傳輸性能、距離和用途分可分為市話光纜、長途光纜、海底光纜和用戶光纜。按光纖的種類分可分為多模光纜、單模光纜。按光纖套塑方法分可分為緊套光纜、松套光纜、束管式光纜和帶狀多芯單元光纜。按光纖芯數(shù)多少分可分為單芯光纜、雙芯光纜、四芯光纜、六芯光纜、八芯光纜、十二芯光纜和二十四芯光纜等。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(hù)層加強構(gòu)件光纜（如束管鋼絲鎧裝光纜）和PE外護(hù)層加一定數(shù)量的細(xì)鋼絲的PE細(xì)鋼絲綜合外護(hù)層光纜。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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。按護(hù)層材料性質(zhì)分光纜可分為聚乙烯護(hù)層普通光纜、聚氯乙烯護(hù)層阻燃光纜和尼龍防蟻防鼠光纜。按傳輸導(dǎo)體、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。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、雙層鎧裝）和高密度用戶光纜等。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)4。光纜的標(biāo)識1）光纜的分類：目前通信用光纜可分為：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。軟光纜——具有優(yōu)良的曲撓性能的可移動光纜。室（局）內(nèi)光纜——適用于室內(nèi)布放的光纜。設(shè)備內(nèi)光纜——用于設(shè)備內(nèi)布放的光纜。海底光纜——用于跨海洋敷設(shè)的光纜。特種光纜——除上述幾類之外，作特殊用途的光纜。2）光纜型號的標(biāo)識光纜型號的標(biāo)識由它的型式代號和規(guī)格代號構(gòu)成，中間用一短橫線分開。光纜型號的標(biāo)識由五部分構(gòu)成，如圖2-26所示。圖2-26光纜型式的組成部分2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

圖2-26光纜型式的組成部分圖中：

Ⅰ：分類代號及其意義為：

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：加強構(gòu)件代號及其意義為：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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

Ⅲ：派生特征代號及其意義為：

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：護(hù)層代號及其意義為；

Y——聚乙烯護(hù)層； V——聚氯乙烯護(hù)層；

U——聚氨酯護(hù)層； A——鋁-聚乙烯粘結(jié)護(hù)層；

L——鋁護(hù)套； G——鋼護(hù)套；

Q——鉛護(hù)套； S——鋼-鋁-聚乙烯綜合護(hù)套。

Ⅴ：外護(hù)層的代號及其意義為：2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)代

號鎧裝層（方式）代

號外護(hù)層（材料）0無0無1——1纖維層2雙鋼帶2聚氯乙烯套3細(xì)圓鋼絲3聚乙烯套4粗圓鋼絲——5單鋼帶皺紋縱包——

外護(hù)層是指鎧裝層及其鎧裝外邊的外護(hù)層，外護(hù)層的代號及其意義如表2.3所示。表2.3外護(hù)層的代號及其意2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)3）光纜規(guī)格由五部分七項內(nèi)容組成，如圖2-27所示。

圖2-27光纜的規(guī)格組成部分2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)圖中：

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

Ⅱ：光纖類別的代號及其意義。

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。

Ⅲ：光纖主要尺寸參數(shù)用阿拉伯?dāng)?shù)（含小數(shù)點數(shù)）及以μm為單位表示多模光纖的芯徑及包層直徑，單模光纖的模場直徑及包層直徑。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)Ⅳ：帶寬、損耗、波長表示光纖傳輸特性的代號由a、bb及cc三組數(shù)字代號構(gòu)成。

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以上波長，并具有不同傳輸特性時，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。兩位數(shù)字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。兩位數(shù)字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。單模光纖無此項。

Ⅴ：適用溫度代號及其意義。

A——適用于?40℃～+40℃B——適用于?30℃～+50℃C——適用于?20℃～+60℃

D——適用于?5℃～+60℃2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.2光

源

器

件2.2.1發(fā)光原理原子的能級

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，也即只能在特定的軌道上運動，電子的能量不能為任意值，只能具有一系列的不連續(xù)的分立值。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)。通常情況下，大多數(shù)粒子處于基態(tài)，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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

（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，如圖2-28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上的粒子由于不穩(wěn)定，將自發(fā)的向低能級E1躍遷，發(fā)射出能量為hf的光子，f為光子的頻率，有

（2.37）（2.37）2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)圖2-28玻爾茲曼分布曲線式中，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，但彼此無關(guān)，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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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(a)自發(fā)輻射；(b)受激吸收；(c)受激輻射2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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，是受到外來入射光子激發(fā)引起的，而且受激輻射所發(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。因此受激輻射的發(fā)光是相干光。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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)正常分布。粒子在各能級之間分布符合費米統(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)的幾率，稱為費米分布函數(shù);Ef為費米能級，與物質(zhì)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(biāo)志。當(dāng)能級E<Ef，f(E)>0.5時，說明這種能級被粒子占據(jù)的幾率大于50%；當(dāng)能級E<Ef

，f(E)<0.5時，說明這種能級被粒子占據(jù)的幾率小于50%。也就是說，低于費米能級的能級被粒子占據(jù)的幾率大，高于費米能級的能級被粒子占據(jù)的幾率小。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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：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；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；需要可以進(jìn)行方向和頻率選擇的光學(xué)諧振腔。如圖2-30激光器構(gòu)成原理示意圖所示，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)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)生的光子由于受激輻射不斷放大，產(chǎn)生的光子在諧振腔中經(jīng)過反射鏡多次反射，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。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)圖2-30激光器構(gòu)成原理示意圖除了上述三個基本條件，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情況，所以也就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，激光器才能建立起穩(wěn)定的激光輸出，其閾值條件（臨界條件）為(2.39)2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)其中，γth為實現(xiàn)穩(wěn)定激光輸出所必須的最小增益，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)?，這時只有在滿足特定相位關(guān)系的光波才能得到彼此加強，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，…。由上式可以看出，激光器中振蕩光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)，一種分布就是一個激光器的縱模。

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第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)相鄰兩縱模之間的頻率之差

(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，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。上面介紹了激光產(chǎn)生的一般原理。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(dǎo)體激光器等。由于半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、調(diào)制方便、調(diào)制速度高等優(yōu)點，在光纖通信等方面得到了廣泛應(yīng)用。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.2.2LED光源1.發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管根據(jù)其發(fā)光面與PN結(jié)的結(jié)平面平行或垂直可分為面發(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)。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

圖2-31發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu) (a)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)；(b)邊發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

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第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.發(fā)光二極管的工作特性

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發(fā)光效率、光譜特性、P―I特性、調(diào)制特性等。光譜特性

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反映了有源區(qū)材料的導(dǎo)帶與價帶內(nèi)的載流子分布。線寬隨有源區(qū)摻雜濃度的增加而增加。面發(fā)光二極管一般是重?fù)诫s，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?fù)诫s時，發(fā)射波長還向長波長方向移動。同時，溫度的變化會使線寬加寬，載流子的能量分布變化也會引起線寬的變化，如圖2-32(b)、(c)所示。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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，其P―I曲線如圖2-33(a)所示。

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第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)圖2-33發(fā)光二極管的P―I特性及溫度特性2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)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。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)光二極管的外量子效率即總效率為

(2.43)2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)4)調(diào)制特性根據(jù)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，如圖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.

圖2-34發(fā)光二極管的調(diào)制原理圖

(a)數(shù)字調(diào)制；(b)模擬調(diào)制2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.2.3半導(dǎo)體激光器1.半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)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)。不同的是，半導(dǎo)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，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(dǎo)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，它與光纖耦合效率較高。

條形激光器主要有兩種結(jié)構(gòu)：增益導(dǎo)引條形和折射率導(dǎo)引條形。如圖2-36(a)所示為增益導(dǎo)引條形半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。如圖2-36(b)所示為折射率導(dǎo)引條形半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

圖2-36半導(dǎo)體激光器的橫截面結(jié)構(gòu)

(a)增益導(dǎo)引條形；(b)折射率導(dǎo)引條形2.半導(dǎo)體激光器的工作特性1)P―I特性典型的半導(dǎo)體激光器如圖2-37所示。

圖2-37半導(dǎo)體激光器P―I曲線2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

圖2-38半導(dǎo)體激光器P―I曲線隨溫度的變化為解決半導(dǎo)體激光器溫度敏感的問題，可以在驅(qū)動電路中進(jìn)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(dǎo)體激光器與熱敏電阻、半導(dǎo)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，控制制冷器，實現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋自動恒溫。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2)光譜特性半導(dǎo)體激光器的光譜特性主要由其縱模決定。圖2-39為多縱模半導(dǎo)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)射功率等于大于峰值波長功率50%的所有波長，也稱半高全寬光譜寬度。

圖2-39半導(dǎo)體激光器的光譜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。

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第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)3)調(diào)制特性如果2-41為半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制的原理圖。

(a)數(shù)字調(diào)制 (b)模擬調(diào)制 圖2-41激光二極管的調(diào)制原理圖2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)4)碼型效應(yīng)。電光延遲還會產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)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)、(b)所示

圖2-43碼型效應(yīng)

消除碼型效應(yīng)最簡單的方法就是增加直流偏置電流。

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第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)5)自脈動。某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下，輸出的光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的振蕩，振蕩的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。

圖2-44輸出光脈沖的自脈動通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.2.4新型激光器(動態(tài)單縱模激光器)

在光纖通信中，為降低光纖色散，希望光源的線寬盡可能的窄，因此要求激光器工作在單縱模狀態(tài)。從前面半導(dǎo)體激光器的輸出譜線隨注入電流變化的特性可以看出，當(dāng)注入工作電流高于閾值時，隨著輸出光功率的增加，就能夠進(jìn)入單縱模工作狀態(tài)。

圖2-45所示為激光器在不同調(diào)制速率和調(diào)制深度時的輸出光譜。這種類型的器件就不適合在高速通信系統(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的半導(dǎo)體激光器稱為動態(tài)單縱模激光器。圖2-45高速調(diào)制時激光器的輸出譜線2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

實現(xiàn)單縱模的方法很多，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F―P激光器不同，它不是靠解理面形成的諧振腔工作，而是依賴沿縱向等間隔分布反射的光柵工作。分布反饋式半導(dǎo)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），結(jié)構(gòu)分別如圖2-46和圖2-47所示。圖2-46DFB激光器的結(jié)構(gòu)圖2-47DBR激光器的結(jié)構(gòu)2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)分布反饋式激光器具有以下優(yōu)點：單縱模振蕩。利用光柵實現(xiàn)選頻，可以很容易實現(xiàn)單縱模。譜線窄，波長穩(wěn)定性好。由于光柵的作用，使分布反饋式激光器的譜線寬度窄到幾個吉赫茲，并且改善了穩(wěn)定性。動態(tài)譜線好。在高速調(diào)制時分布反饋式激光器譜線也有所展寬，但比F―P激光器的動態(tài)譜線展寬小一個數(shù)量級，同時仍然保持單縱模特性。線性度好。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.3光檢測器2.3.1光電檢測器原理半導(dǎo)體光檢測器是利用半導(dǎo)體材料內(nèi)部的光電效應(yīng)制成的。如圖2-48，當(dāng)光入射在PN結(jié)時，如果光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度（帶隙）Eg，就會激發(fā)受激吸收，使價帶的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，在導(dǎo)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。這種由于入射光照射而在半導(dǎo)體材料內(nèi)產(chǎn)生光生載流子的現(xiàn)象，稱為半導(dǎo)體的光電效應(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(dāng)PN結(jié)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)界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。當(dāng)光束入射到PN結(jié)上，且光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg時，價帶上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上，形成一個電子—空穴對。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

在耗盡區(qū)，在內(nèi)建電場的作用下電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，如果PN結(jié)外電路構(gòu)成回路，就會形成光電流。當(dāng)入射光功率變化時，光電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)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

即存在

(2.47)

λc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，稱為截止波長。以Si為材料的光電二極管,λc=1.06μm;以Ge為材料的光電二極管，λc=1.60μm。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)圖2-48半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN結(jié)光電二極管。但這種光電二極管結(jié)構(gòu)簡單，無法降低暗電流和提高響應(yīng)度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實際上不適合做光纖通信的檢測器。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.3.2PIN光電二極管1.PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)如圖2-49所示，PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，生成一層摻雜極低的本征材料，稱為I層。在外加反向偏置電壓作用下，I層中形成很寬的耗盡層。由于I層吸收系數(shù)很小，入射光可以很容易地進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子—空穴對，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。另外，I層兩側(cè)的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。圖2-49PIN光電二極管結(jié)構(gòu)2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.PIN光電二極管的特性

PIN光電二極管的主要特性包括波長響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度及噪聲特性等。波長響應(yīng)范圍由式（2.47）可知，不同半導(dǎo)體材料存在著上限波長即截止波長。當(dāng)入射波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止波長時，光電轉(zhuǎn)換效率會大大降低。圖2-50為光纖通信中用作光檢測器的幾種材料的吸收系數(shù)隨波長的變化情況。

從圖中可以看出，當(dāng)波長很短時，材料的吸收系數(shù)很大，這樣，光在半導(dǎo)體材料表層即被吸收殆盡。在表層產(chǎn)生的光生載流子要擴(kuò)散到耗盡層才能產(chǎn)生光生電流，而在表層為零電場擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散速度很慢，在光生載流子還沒有到達(dá)耗盡層時就大量被復(fù)合掉了，使得光電轉(zhuǎn)換效率在波長很短時大大下降。

綜上所述，檢測某波長的光時要選擇合適材料作成的光檢測器。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)圖2-50用作光檢測器的幾種導(dǎo)體材料的吸收2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)響應(yīng)度響應(yīng)度是描述光檢測器能量轉(zhuǎn)換效率的一個參量。它定義為

（2.49）

其中，Pin為入射到光電二極管上的光功率；Ip為所產(chǎn)生的光電流。它的單位為A/W。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)量子效率

量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即

其中,e為電子電荷，其值為1.6×10-19C。所以有

（2.51）

式中,λ單位取μm?？梢?，光電檢測器的響應(yīng)度隨波長的增大而增大。圖2-51為PIN光電二極管的響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系?？梢钥闯?，響應(yīng)度、量子效率隨著波長的變化而變化。為提高量子效率，必須減少入射表面的反射率，使入射光子盡可能多地進(jìn)入PN結(jié)；同時減少光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)內(nèi)被充分吸收。（2.50）2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)響應(yīng)速度響應(yīng)速度是光電檢測器的另一個重要參數(shù)，通常用響應(yīng)時間（上升時間和下降時間）來表示。光電二極管在接收機中使用時通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。如圖2-52為檢測器電路及其等效電路，其中Cd、Rs、RL分別為檢測器的結(jié)電容、串聯(lián)電阻、負(fù)載電阻，CA、RA分別為放大器的輸入電容和電阻。

圖2-52光電二極管電路

(a)接收電路；(b)等效電路2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)影響響應(yīng)速度的主要因素有：檢測器及其負(fù)載的RC時間常數(shù)。載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時間耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起的延遲5)噪聲特性

光電二極管的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲以及負(fù)載電阻的熱噪聲。除負(fù)載電阻的熱噪聲以外，其它都為散彈噪聲。散彈噪聲是由于帶電粒子產(chǎn)生和運動的隨機性而引起的一種具有均勻頻譜的白噪聲。量子噪聲是由于光電子產(chǎn)生和收集的統(tǒng)計特性造成的，與平均光電流Ip成正比。來自噪聲電流的均方值可表示為

（2.53）式中，Δf為噪聲帶寬。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.3.3APD雪崩光電二極管1.雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)當(dāng)耗盡區(qū)中的場強達(dá)到足夠高時，入射光產(chǎn)生的電子或空穴將不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子和空穴在運動過程中與晶格碰撞，使晶體中的原子電離，激發(fā)出新的電子—空穴對。這些碰撞電離產(chǎn)生的電子和空穴在場中也被加速，也可以電離其它的原子。經(jīng)過多次電離后，載流子迅速增加，形成雪崩倍增效應(yīng)。APD就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。

圖2-55為一種被稱為拉通型APD（RAPD）的結(jié)構(gòu)。π層為低摻雜區(qū)（接近本征態(tài)），而且很寬。當(dāng)偏壓加達(dá)到一定程度后，耗盡區(qū)將被拉通到π層，一直抵達(dá)P+層。這是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)

圖2-55一種稱為拉通型APD(RAPD)的結(jié)構(gòu)圖

(a)RAPD的結(jié)構(gòu)示意圖;(b)場分布示意圖2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.雪崩光電二極管的特性與PIN相比，雪崩光電二極管的主要特性也包括波長響應(yīng)范圍、量子效率、響應(yīng)度、響 應(yīng)速度等。除此之外，由于APD中雪崩倍增效應(yīng)的存在，APD的特性還包括雪崩倍增特性、 倍增噪聲、溫度特性等。1)倍增因子

定義倍增因子g為APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值:

（2.58）

g值隨反向偏壓、波長和溫度而變化。顯然，APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍。現(xiàn)在APD的g值已達(dá)到幾十甚至上百。2024/1/23通信與信息工程學(xué)院

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2)噪聲特性

APD中的噪聲除了量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲之外，還有附加的倍增噪聲。雪崩倍增效應(yīng)不僅對信號電流有放大作用，而且對噪聲電流也有放大作用。同時雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的載流子也是隨機的，所以會引入新的噪聲成分。用附加噪聲因子F(大于1）可描述雪崩效應(yīng)的隨機性所引起的噪聲增加的倍數(shù)。通常附加噪聲因子可表示為

（2.59）式中，x稱為附加噪聲指數(shù)，反映了不同材料的APD的附加噪聲的大小。對于Si，x=0.3~0.5；對于Ge，x=0.6~1.0；對于InGaAsP，x=0.5~0.7。

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第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)3)溫度特性

當(dāng)溫度變化時，原子的熱運動狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起電子、空穴電離系數(shù)的變化，使得APD的增益也隨溫度而變化。隨著溫度的升高，倍增增益下降。為保持穩(wěn)定的增益，需要在溫度變化的情況下進(jìn)行溫度補償。

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第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.4無源光器件2.4.1光纖連接器 光纖活動連接器是連接兩根光纖或光纜使其成為光通路可以重復(fù)裝拆的活接頭。它常被用于光源到光纖、光纖到光纖以及光纖與探測器之間的連接。在光纖通信系統(tǒng)、光信息處理系統(tǒng)、光學(xué)儀器儀表中，光纖活動連接器的使用非常廣泛。因此實用的連接器必須具備損耗低、體積小、重量輕、可靠性高、便于操作、重復(fù)性和互換性好以及價格低廉等優(yōu)點，還要求能承受機械振動和沖擊，適應(yīng)一定的溫度和濕度環(huán)境條件。另外，光纖活動連接器還需要有裝拆時防止雜質(zhì)污染的保護(hù)措施。

光纖活動連接器的種類五花八門，式樣繁多。光纖活動連接器可分為單芯型和多芯型，單芯型光纖活動連接器用于單根光纖之間的連接，多芯型光纖活動連接器用于多根