光纤通信系统的基本构成

P / mW
4 3 2 1 0
70 ℃
80℃
不激 射 50
P - I曲线随温度的变化
22℃ 30℃ 40℃ 50℃ 60℃
1 00
5
I / mA
对激光器的保护： 1. 电源慢启动保护 2. 电源过流保护 3. 反向冲击电流保护 4. 焊接和静电保护
3.1 光纤通信用光源
3.1.2 发光二极管的主要特性 LD和LED的区别：LD发射的是受激辐射光 LED发射的是自发辐射光LED的结构和LD相 似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源 层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED 不需要光学谐振腔，没有阈值。
3.4 光电检测器件
光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其 性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏 度。 对光检测器的要求如下： (1)波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、 1.31 m和1.55 m兼容)； (2)响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生 最大的光电流； (3)噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号； (4)性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。
量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸 收光谱α(λ)，对长波长的限制由λ c=hc/Eg确 定。 Si适用于0.8-0.9 m波段，Ge和InGaAs适用 于1.3-1.6 m波段。响应度一般为0.5-0.6 (A/W)。
3.4 光电检测器件
2.响应时间和频率特性 光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响 应时间τ或截止频率fc(带宽B)表示。 PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载 流子在耗尽层的渡越时间τd和包括光电二极管在 内的检测电路RC常数所确定。减小耗尽层宽度w， 可以减小渡越时间τd ，从而提高截止频率fc，但 是同时要降低量子效率 。
3.1 光纤通信用光源
对通信用光源的要求如下： (1)发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致， 即中心波长应在0.85m、 1.31 m和1.55 m附近。 光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤 色散对带宽的限制。 (2)电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电 流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良 好。发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要 小，以利于提高光源与光纤之间的耦合效率。
W＝1 0m
2 0 m
2 0 m
3 0 m
3 0 m
5 0 m 1 0 m 近场 图样 0 .1 rad 远场 图样
GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样
1 .0
Hale Waihona Puke Baidu
T＝ 3 00 K
相对光强
0 .8 0 .6 0 .4 0 .2 0 80 60 40 20 20 0 辐射 角 (度 ) (a) 40 60 80 ∥ ⊥
3.5 3.0
ÂÊ P / mW ¦ ¹ ö ³ Êä
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0 150 50 I th100 ¹ ¤ ×÷ µç Á÷ I / mA (a)
¦ÂÊ P / mW ¹ ö ³ ÃæÊä µ¥
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0 20 40 60 80 ¹ ¤ ×÷ µç Á÷ I / mA (b)
3.1 光纤通信用光源
发光二极管的特点： 输出光功率较小；谱线宽度较宽；调制频 率较低；性能稳定， 寿命长；输出光功率线性范围宽；制造工 艺简单，价格低廉； 适用于小容量短距离系统。
3.1 光纤通信用光源
3.1.2.1 光谱特性 发光二极管发射的是自发辐射光， 没有谐振 腔对波长的选择，谱线较宽。
⊥
∥
典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样 (a) 光强的角分布； (b) 辐射光束
(b)
3.1 光纤通信用光源
3.1.1.3 转换效率和输出光功率特性 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率 表示，其定义是在阈值电流以上，每对复 合载流子产生的光子数。 当I<Ith时激光器发出的是自发辐射光； 当I>Ith时，发出的是受激辐射光，光功率随 驱动电流的增加而增加。
3.2 LD,LED驱动电路
(3)对激光器应施加足够的偏置电流，以便 抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振 荡，保证发射机正常工作 (4) 应采用自动功率控制(APC)和自动温度 控制(ATC)，以保证输出光功率有足够的稳 定性 电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双 极性码，而光源不能发射负脉冲，要变换为 适合于光纤传输的单极性码
色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模 式色散、波导色散等，引起接收的信号脉冲 展宽，从而限制了信息传输速率。 中继器间距受损耗限制和色散限制。 色散限制用距离带宽积（Mbps· km）表示。 三类光纤中SMF最高，GIF次之，SIF最低。
3.3 光传输媒质－光纤
3.3.3 实用光纤标准 G.651：GIF型光纤，适用于中小容量和中短 距离； G.652：常规单模光纤，第一代SMF，在波长 1.31 m处色散为零，传输距离只受损耗限制， 适用于大容量传输； G.653：色散移位光纤，第二代SMF，在波长 1.55 m色散为零，损耗小，适用于大容量长 距离传输；
Ï à ¶ Ô¹ â Ç¿
¡ ÷ £½ 70 nm
1300
²¨³¤ / nm
LED光谱特性
4 0℃ 3
输 出 功 率
25℃
70℃
2 1 0 50 100 150
/ mW
电流/mA
3.1 光纤通信用光源
3.1.2.2 光束的空间分布 发光二极管实际输出的光子数远远小于有源 区产生的光子数，一般外微分量子效率d 小于10%。 驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好；I过 大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I 曲线的斜率减小。
3.4 光电检测器件
3.4.1.1 PIN特性 1.量子效率和光谱特性 光电转换效率用量子效率或响应度ρ表示。 量子效率的定义为一次光生电子-空穴对和 入射光子数的比值
3.4 光电检测器件
响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功 率P0的比值
量子效率和响应度取决于材料的特性和器件 的结构。
3.4 光电检测器件
3.1 光纤通信用光源
3.1.2.3 频率特性
10
Ó¦ H( f ) ì Æ µÂÊÏ
e £ ½1.1 ns e£ ½2.1 ns e £ ½6.4 ns
100 µ÷ ÖÆ Æ µÂÊf / MHz
发光二极管(LED)的频率响应
0.1 10
1000
1310nm SLED , 8 pins DIP butterfly module

光源组件实例
3.3 光传输媒质－光纤
3.3.1 光纤基本类型 突变折射率型多模光纤（SIF）：纤芯直径＝50～60 m，光线以折射形状沿纤芯轴线方向传播，存在多 条路径，并有较大的时延差，因而信号畸变大。 渐变折射率型多模光纤（GIF）：纤芯直径＝50 m， 光线以曲线形状沿纤芯轴线方向传播，各条路径时 延差较小，因而信号畸变较小。 单模光纤（SMF）：纤芯很细，直径约10 m，光 线以直线形状沿纤芯轴线方向传播，只有一种传播 模式，信号畸变很小。
3.3 光传输媒质－光纤
3.3.2 光纤传输特性 传输损耗，由材料吸收和杂质散射等因素引 起。有三个低损耗窗口： （1）0.85 m附近，损耗2-4dB/km; （2）1.31 m附近，损耗约0.5dB/km; （3）1.55 m附近，损耗约0.2dB/km。
3.3 光传输媒质－光纤

3.1 光纤通信用光源
3.1.1 半导体激光器的主要特性 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实 现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用 谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振 荡的。
3.1 光纤通信用光源
3.1.1.1 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg (eV )。 在直流驱动下，发射光波长只有符合激光振荡的相 位条件的波长存在。这些波长取决于激光器纵向 长度L，并称为激光器的纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小，谱线宽度变窄。这 种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择， 使边模消失、主模增益增加而产生的。 当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激 光器称为静态单纵模激光器。
830 828
Im/mA I=100mA Po=10mW
40
832 830 828
I=85mA Po=6mW
832 830 828 826
35
30
I= 8 0mA Po=4mW
25
832 830 828 826 824
L=250μm
W=12 μm
T=300K
836 834 832 830 828 826 824
3.1 光纤通信用光源
(3)允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足 系统的大传输容量的要求。 (4)器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温 度稳定性好，可靠性高，寿命长。 (5)此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方 便，价格便宜。 以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和 光束方向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和 传输距离，是光源最重要的技术指标。
I=75mA Po=2.3mW
0 (a)
822 820
799
800
801
(b)
802
GaAlAs-DH激光器的光谱特性
(a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制
3.1 光纤通信用光源
3.1.1.2 激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场和远场来描述。 近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布； 远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。
3.3 光传输媒质－光纤
G.654： 1.55 m损耗最小的SMF， 1.31 m 处色散为零； G.655：非零色散光纤，是新一代的SMF，适 用于波分复用系统，提供更大的传输容量。
光纤的制备技术
中心束管式光缆 （西古）
中心束管式带状光缆（西古）
住友高精度单芯光纤 切割刀FC-6S
古河S177光纤熔接机
3.2 LD,LED驱动电路
直接光强调制的数字光发射机主要电路有:调 制电路、控制电路和线路编码电路。 采用激光器作光源时，还有偏置电路。
3.2 LD,LED驱动电路
对调制电路和控制电路的要求如下： (1)输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率和 全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数) 应大于10，以保证足够的光接收信噪比。 (2) 输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟(电光延 迟)时间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延 迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的 光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形
3.1.1.5 温度特性 激光器输出光功率随温度而变化有两个原因（1）激 光器的阈值电流Ith随温度升高而增大（2）外微分 量子效率d随温度升高而减小。 温度升高时，Ith增大， d减小， 输出光功率明显下 降， 达到一定温度时，激光器就不激射了。 当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变 化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值 电流随温度呈指数变化，长波长激光器输出光功 率对温度的变化更加敏感。
第三章 光纤通信系统的 基本构成
本章内容



3.1 光纤通信用光源 3.2 LD,LED驱动电路 3.3 光传输媒质-光纤 3.4 光电检测器件 3.5 光无源器件
3.1 光纤通信用光源
光源是光发射机的关键器件，其功能是把电 信号转换为光信号。 目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体 激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或 称发光管(LED)，有些场合也使用固体激光器。
典型半导体激光器的光功率特性
(a) 短波长AlGaAs/GaAs (b) 长波长InGaAsP/InP
3.1 光纤通信用光源
3.1.1.4 频率特性
1 00
相对光功率
10
1
0 .1 0 .0 1
0 .1 1 fr 调制 频率 f / GHz
10
半导体激光器的直接调制频率特性
3.1 光纤通信用光源
3.4 光电检测器件
目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器 有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。 APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要 求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电 路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合， 宜采用PIN管。
3.4 光电检测器件
3.4.1 PIN光电二极管 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光 被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应 速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设 置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)， 这种结构便是常用的PIN光电二极管。