光纤通信系统的基本构成

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3.2LD,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。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0.85m、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。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。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。3.1.1.1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。3.1光纤通信用光源GaAlAs-DH(a)直流驱动;(b)300Mb/s数字调制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)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。3.1光纤通信用光源GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样W＝10m20m20m30m30m50m10m近场图样0.1rad远场图样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⊥∥1.00.80.60.40.2080604020020406080T＝300K辐射角(度)相对光强(a)⊥∥(b)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IIth时激光器发出的是自发辐射光；当IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。3.1光纤通信用光源(a)短波长AlGaAs/GaAs(b)长波长InGaAsP/InP109876543210020406080¹¤×÷µçÁ÷I/mAµ¥ÃæÊä³ö¹¦ÂÊP/mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith¹¤×÷µçÁ÷I/mAÊä³ö¹¦ÂÊP/mW(a)(b)3.1光纤通信用光源3.1.1.4频率特性半导体激光器的直接调制频率特性0.010.11100.1110100fr调制频率f/GHz相对光功率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。3.1光纤通信用光源P-I曲线随温度的变化22℃30℃40℃50℃60℃70℃80℃P/mW54321050100I/mA不激射对激光器的保护：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3.1.2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。3.1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。3.1光纤通信用光源LED光谱特性1300²¨³¤/nm¡÷£½70nmÏà¶Ô¹âÇ¿43210501001500℃25℃70℃电流/mA输出功率/mW3.1.2.2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。3.1光纤通信用光源3.1.2.3频率特性3.1光纤通信用光源发光二极管(LED)的频率响应e£½1.1nse£½2.1nse£½6.4ns1001000100.110µ÷ÖÆƵÂÊf/MHzƵÂÊÏìÓ¦H(f)1310nmSLED,8pinsDIPbutterflymodule3.2LD,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。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3.2LD,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3.2LD,LED驱动电路光源组件实例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。3.3.2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；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。3.3光传输媒质－光纤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）古河S177光纤熔接机住友高精度单芯光纤切割刀FC-6S3.4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。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3.4.1PIN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。3.4光电检测器件3.4光电检测器件3.4.1.1PIN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λc=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。3.4光电检测器件SiPIN3.4.2APD雪崩二极管随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。APD就是根据这种特性设计的器件。对APD特性新引入的参数是倍增因子和附加噪声指数。3.4光电检测器件InGaAsAPD3.5光无源器件无源光器件的要求：插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成等。3.5.1连接器和接头连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。3.5光无源器件光纤连接器一般性能1.040~50PC型陶瓷-40~+80陶瓷-20~+70不锈钢工作温度/ºC不锈钢寿命（插拔次数）35~40FC型反射损耗/dB互换性/dB重复性/dB0.2~0.3插入损耗/dB性能型号或材料项目3101.0410精密套管结构连接器简图光纤套管插针粘结剂1)FC型光纤连接器这种连接器最早是由日本N