第五章 光缆和光纤通信器件
5.1光纤的温度特性和机械特性
5.2光缆的结构和种类
5.3无源光器件
5.4发光二极管器件简介
5.5半导体激光二极管器件
5.6电检测器件
5.7其它新型光通信器件简介
5.1光纤的温度特性和机械特性
1
通常情况下, 光纤的特性受温
度影响不大, 但是在温度很低
时, 损耗随温度降低而增加,
尤其是在温度非常低时, 损耗
急剧增加, 所以高寒地区工作
的光缆应注意到这个特性 。
? 产生这种现象的原因是光纤的热膨冷缩 。
? 构成光纤的二氧化硅 (SiO2)的热膨胀系数很小,
在温度降低时几乎不收缩 。 而光纤在成缆过程
中必须经涂覆和加上一些其他构件, 涂覆材料
及其他构件的膨胀系数较大, 当温度降低时,
收缩比较严重, 所以当温度变化时, 材料的膨
胀系数不同, 将使光纤产生微弯, 尤其表现在
低温区 。
? 随着温度的降低, 光纤的附加损耗逐渐增加,
当温度降至 -55℃ 左右, 附加损耗急剧增加 。
? 因此, 在设计光纤通信系统时, 必须考虑光缆
的高, 低温循环试验, 以检验光纤的损耗是否
符合指标要求 。
? 2
? 目前构成光纤的材料是 SiO2,要被拉成 125μm
的细丝 。 在拉丝过程中, 光纤的抗拉强度约为
10～ 20kg/mm2
? 如拉丝后立即在光纤表面进行涂覆, 抗拉强度
可达 400kg/mm2 。
? 这里所说光纤的强度是指抗张强度, 当光纤受
到的张力超过它的承受能力时, 光纤就将断裂
? 对于光纤抗断强度, 它和涂覆层的厚度有关,
当涂覆厚度为 5 ～ 10μ m时, 抗断强度为
330kg/ mm2
? 只有强度符合要求的光纤才能用来成缆 。
5.2 光缆的结构和种类
? 由光纤的温度特性和机械特性可知光纤必须制
作成光缆才能使用 。 光缆线路在长期使用中,
必须经受敷设安装和长期维护运用的考验 。
? 因此,
? ①
? ②
? ③ 缆径细,
? ④ 便于施工和维护
? 1
? 光缆由缆芯, 加强元件和外护层组成 。
? (1)
? 缆芯由光纤芯线组成, 它可分为单芯和
多芯两种 。
? 二次涂覆主要采用下列两种保护结构：
? ①
? ②
? 两种保护结构如图 5-2-1所示
? (2) 加强元件
? 光纤材料比较脆, 容易断裂, 为了使光
缆便于承受敷设安装时所加的外力等,
因此在光缆中要加一根或多根加强元件
位于中心或分散在四周 。
? 加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤
维 —— 增强塑料 (FRP)等 。
? (3) 护层
? 光缆的护层主要是对已经成缆的光纤芯
线起保护作用, 避免由于外部机械力和
环境影响造成对光纤的损坏 。
? 2 光缆的种类
? (1)
? (2)
? (3)
? (4) 带状式光缆
? 3
? (1)
? 长途通信光缆线路广泛使用的是 G·652常规单
模光缆 。 这种光缆的光纤损耗在 λ=1.55μm附近
时最小, 但色散较大约为 18ps/(nm·km)；在
λ=1.31μm损耗较小, 约 0.35dB/km色散几乎为
零 。
? (2) 色散位移光缆
? 色散位移光缆即是由色散位移光纤 DSF构成的
光缆 。 DSF是使单模光纤的材料色散和波导色
散相互补偿, 在 1.55μm附近总色散为零 。
? 色散位移光缆可以实现光纤通信系统的大容量,
超长距离的传输 。
? (3)
? 它是由非零色散光纤 NZDF构成的光缆 。
? 在波分复用 WDM技术中, DSF由于光纤的非
线性效应而产生四波混频等现象 。 为了解决这
个问题设计一种新型光缆 。
? 非零色散光纤 NZDF,光纤工作波长在 1.54～
1.565μ m范围内, 色散值不为零, 但这个值较
小约为 1.0～ 4.0ps/(km·nm)。 和常规光纤相比,
在这个波长范围内, 色散和损耗都比较小, 所
以可以实现超长距离的传输, 又可以采用
WDM技术 。
? (4) 色散平坦光缆
? 利用 WDM技术, 为了挖掘光纤的潜力, 充分
利用光纤的有效带宽, 在 1.3～ 1.6μm的波长范
围内, 都能够保持低损耗和低色散, 在相对比
较宽的范围内得到平坦的低色散特性, 设计一
种新型光纤 —— 色散平坦光纤 DFF。 由 DFF构
成的光缆即是色散平坦光缆 。
? DFF也是通过改变光纤的折射率的方法实现在
1.3～ 1.6μ m波长范围内的平坦的低色散 。
5.3无源光器件
? 在光纤通信系统中需要众多的无源光器
件，在光路中起着光纤连接、光功率分
配、光信息的衰减、隔离和调制、光波
分复用、光信道切换等作用。这些无源
光器件包括连接器、分路器与耦合器、
衰减器、隔离器、滤波器、波分复用器、
光开关和调制器等。
? 1 光纤的连接与光纤连接器
? 光纤与光纤的连接有两种：一种是永久
性连接, 另一种是活动连接 。
? 光纤与光纤的永久性连接通常采用高频
电弧放电熔接的方法 。
? 活动连接是通过光纤连接器来实现
? 光纤连接器的作用不仅实现光纤与光纤
之间的活动连接, 还可以实现系统中设
备之间, 设备与仪表之间, 设备与光纤
之间的活动连接 。
? 光纤连接器的结构种类很多, 但大多用
精密套筒来准直纤芯, 以降低损耗 。
? 光纤连接器又分多模连接器和单模连接
器 。
? 接口类型有 FC型, 及 SC型, ST等几种
类型 。 根据不同要求使用 。
? 2 光纤分路器及耦合器
? 在光纤通信系统或光纤测试中, 经常要遇
到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光,
作为监测, 控制等使用, 这就用到光纤分路器；
也需要把两个不同方向来的光信号合起来送
入一根光纤中传输, 这就用光纤耦合器来完成 。
? 分路器及耦合器按其结构不同可分为棱镜
式和光纤式两类 。
? 光纤分路器及耦合器种类很多, 有,Y型
分路器, X型 2× 2定向耦合器, 1× N及 N× N
星型耦合器等等 。
? 3 光衰减器
? 当输入光功率超过某一范围时, 为了使
光接收机不产生失真, 或为了满足光线
路中某种测试的需要, 就必须对输入光
信号进行一定程度的衰减 。
? 目前常用的光衰减器主要采用金属蒸发
膜来吸收光能进行光衰减, 衰减量的大
小与膜的厚度成正比 。
? 光衰减器可分为固定衰减器和可变衰减
器两种 。
? 4 光隔离器
? 某些光器件, 像 LD及光放大器等对来自
连接器, 熔接点, 滤波器等的反射光非
常敏感, 并导致性能恶化 。 因此需要用
光隔离器来阻止反射光 。
? 光隔离器是一种只允许单向光通过的无
源光器件, 其工作基于法拉第旋转的非
互易性 。
? 5 光开关
? 光开关在光纤通信技术中作光路切换之用, 如
系统的主备切换等 。
? 光开关主要有两大类, 即 机械式 及 波导式 。
? 机械式开关如图 5-3-6所示
? 6 光滤波器
? 光滤波器在光纤通信系统中的应用正在
不断扩大, 如波分复用系统中的波长选
择, 光放大器中的噪声滤波等 。
? 光滤波器的种类很多, 如干涉滤光片型,
FP型, 马赫 — 曾特型, 声光型, 电光型,
光栅型及有源型等 。
? 目前用得较多的是干涉滤光片型及 FP型 。
? 7 波分复用器
? 波分复用器把不同波长的光信号复合注
入到一根光纤中；或者把复合的多波长
信号解复用, 把不同波长的信号分离出
来 。
? 波分复用器的种类：有棱镜色散型, 衍
射光栅型及干涉滤光型等,
? 波分复用器的结构：由光纤, 分光元件
和准直聚焦系统组成
5.4发光二极管器件简介
? 1发光二极管 (LED)
? 发光二级管 (LED)于 1962年发明, 1968年用于
光检测, 后用于通信 。 它的发光机理是电致发
光, 当 LED的 PN结加上正向偏压时, 在电场
的作用下, PN结有源区注入的少数载流子与
多数载流子复合而发光, 发光过程是自发辐射 。
? LED类型有：边发光二极管 (ELED),面发光
二极管 (SLED)和超辐射发光二级管 (SLD
? 2 边发光二极管 (ELED)
? 边发光二极管即 PN结平面与发光面垂直 。 为了使器件
有好的光和载流子限制, 大多采用双异质结 (DH)结构 。
? 边发光二极管一般采用与 LD相同条形结构, 一个端面
镀全反射膜, 另一端镀增透 (减反膜 )取消谐振腔激光振
荡 。
? 边发光二极管特点是,
? ① 减小光束发散小, 垂直于结平面方向
发散角 30° 左右 。 比面发光二极管光束
窄, 从侧面向光纤芯发射, 易于和光纤
耦合 。
? ② 相同注入电流下, 有较小的载流子寿
命, 故调制带比面发光二极管高 (可达
200MHz)。
? 3 面发光二极管 (SLED)
? 面发光二极管 (SLED)即 PN管面与发光面平行, SLED
有如下特点：驱动电流较大, 发光强度高, 温度特性
较好；但带宽较宽, 单色性差 。
? 面发光二极管 (SLED)的结构如图 5-4-2所示
? 4 高速发光二极管
? 对光纤传输系统来说, 要求 LED有高的
输出光功率和宽的调制带宽 。
? 要想获得大于 300MHz的带宽, 必须增加
二极管有源区中的复合 (辐射和非辐射 )速
率, 减少少子寿命是提高 LED带宽的有
效途径 。
? 可以从高速 LED设计制作和高速 LED驱
动电路两个方面来考虑 。
? 高速 LED
? (1) 高的注入电流和小的有源区面积
? (2) 有源区的重掺杂
? (3) 利用双分子复合效应
? 高速 LED
? LED驱动电路的最佳设计对改善短距高速光纤
通信的消光比和调制速度至关重要 。
? 一个完整的高速 LED驱动电路, 除基本的驱动
电路功能外, 还要加上输入逻辑电平, 保持电
路和其它电路 。
? 5
? 超辐射发光二极管 (SLD)是一种介于
激光二极管 (LD)和发光二极管 (LED)之间
的半导体光源, 它的出现和发展完全受到
光纤陀螺的驱动, 并成为一种重要的光源 。
? 短波 SLD易于得到较大的功率输出,
而长波 SLD除具有更高的可靠性和更长的
寿命外, 还具有谱线宽和抗核辐射性能好
的优点 。
? 6 LED组件
? LED组件由 LED芯片, LED驱动电路组
成 。
? 对于高级 LED组件, 为了保证 LED稳定
可靠工作, 还配置温控系统 。
5.5半导体激光二极管器件
? 1 半导体激光器概述
? 半导体激光器 LD的原理是：在有源区中高掺杂的 PN
结在上由于外加电压不断注入电子, 在 PN结上形成粒
子数反转分布, 在有源区中产生受激辐射而发出激光 。
? 激光产生需要满足三个条件,
? 可实现粒子数反转分布增益介质, 如 InGaAsP等三能
级或四能级结构；
? 泵浦源 (pump)给激光物质提供能量
? 光学谐振腔, 通过增益介质 (有源区 )两端的反射镜实
现正反馈 。
? 2 法布里－珀罗型半导体激光二极管
? 法布里－珀罗 (F－ P)型激光二极管 (LD)是最常
见和最普通的 LD,这种 LD由外延生长的有源
层和有源层两边的限制层构成, 谐振腔由晶体
的两个解理面构成 。
? 光纤通信的 F－ P型 LD通常为双异质结 (DH)LD，
有源层可以是 N型, 也可以是 P型 。
? F－ P LD在高速调制下, 或者在温度和注入电
流变化时, 不再维持原来的激射模式, 而出现
模式跳跃和谱线展宽, 这对于高速调制不利 。
为了维持单模, 减小光谱展宽, 所以必须研究
动态单模激光器 。
? 3 分布反馈激光二极管和分布 Bragg反射器激光
二极管
? (1)
? 分布反馈激光二极管 (DFB LD)和 F－ P型激光二级
管 (F－ P LD)的主要区别在于它没有集总反射的谐
振腔反射镜, 它的反射机构是由有源区波导上的
Bragg光栅提供的, 这种反射机构是一种分布式
的反馈机构, 因而得名分布反馈激光二极管 。
? 它的性能远远超过普通 F－ P LD,特别是 Bragg光
栅的选频功能使得它具有非常好的单色性和方向
性 。 此外, 正因为它没有使用晶体解理面作为反
射镜, 使得它更容易集成化, 在光电子集成电路
(OEIC)中有着十分诱人的优点
? DFB LD的谱线宽度非常的窄 。 目前已成
为中长距离光纤通信应用的主要激光器,
特别在 1.3μ m和 1.55μ m光纤通信系统中 。
在光纤有线电视 (CATV)传输系统中,
DFB LD已成为不可替代的光源 。
? (2) 分布 Bragg反射器 (DBR)激光二级管
? 分布 Bragg反射器激光二极管 (DBR LD)是为了
克服分布反馈激光二极管 (DFB LD)的一些缺
点而设计的, 它的结构是把周期性沟槽放在有
源波导两外侧的无源波导上 。
? 在未来的通信和 CATV共纤传输的波分复用
(WDM)系统中, DBR LD倍受青睐, 因为 DBR
LD具有出色的宽带波长可调特性 。
? 它是 LD光源的发展方向之一 。
? 4
? (1) 量子阱激光二级管的能带
? (2)
? 阈值电流很低可达 0.1mA以下；可在较高的温
度下工作；具有窄的谱线宽度和高的调制速度
? 5 激光器组件
? 激光器组件是指在一个紧密结构中 (如管壳
内 ),除激光二极管 (LD)芯片外, 还配置其他
元件和实现 LD工作必要的少量电路块的集成
器件,
? (1) 光隔离器
? (2)
? (3) 尾纤和连接器 。
? (4) LD的驱动电路
? (5) 热敏电阻
? (6) 热电致冷器 (TEC)
? (7) 自动温控电路 (ATC)
? (8) 自动功率控制电路 (APC)
5.6电检测器件
? 1
? 光检测器是光信号的接收器件, 是将光
信号转变为电信号的一种有源器件 。
? 光量子检测器可分为外光电效应检测器
和内光电效应检测器 。
? 外光电效应检测器 —— 大能量光子照射时,
能使物体内部电子逸出表面, 该效应称为外光
电效应 。 有光电子管, 光电倍增管, 红外变像
管 (红外夜视仪 )等 。
? 内光电效应 —— 当投射到物体光子能量不
那么大, 但是却大于该物体材料所需的某一数
值时, 会由于这个能量的被吸收而在物体内部
产和电子 — 空穴时, 光照后产生的电子 — 空穴
对叫光生载流子 。
? 内光电效应器件从结构上分类,(1)光电导
型 (2)光生伏打型 (3)光磁电型 (在光通信中较少
使用 )(4)PIN光电二极管 (5)雪崩型光电二极管 。
? 光纤通信的检测器, 应具备如下条件和
? (1) 高的光电转换效率
? (2) 足够高的响应速度, 或有大的带宽
(热控测器则不能 )。
? (3) 高的接收灵敏度, 即能控测极微弱的
光信号, 对此, 检测器应有很低的噪声,
(与光电转换效率相区别 )。
? (4) 低的功耗和长的寿命 。
? 2 PIN
? PIN光电二极管光纤通信应用广泛的器件 。
? 目前国产 PIN
? (1) Si-PIN管 (用于 0.8～ 0.9μm光纤通信系统 )
? (2) Ge-PIN管 (用于 1.31μm光通信系统 ),
? (3) InGaAsP-PIN管 (用于 1.31μm和 1.55μm系统 )
? PIN 管 常与 FET 构成 组件使用 (Field Effect
Transistor)广泛用于通信工程上 。
? PIN-FET组件既具有光检测 (光电转换 )功能又
具有信号放大功能 (低噪声, 高增益, 功态范
围大 )。
? 3 雪崩光电二极管 (APD)
? 它是带内增益的半导体管 。
? 采用 APD优点是：当一个接收系统的噪
声主要来自于前置放大器和负载电阻的
势噪声时, 雪崩光电二极管内部增益提
供了一种增益信号, 但在一定增益范围
内不增加总噪声功率的方法 。 从而提高
了系统的信噪比 。
? 雪崩光电二极管结构种类,(1)保护环结
构； (2)台型结构； (3)拉通型结构 。
?
? (1) 硅雪崩光由二极管 (Si-APD)
? 响应光谱范围,0.6～ 1.1μm(第一通光窗
口 )(0.85μm)
? 量子效率因结构不同而异,
? (2) 锗雪崩光电二极管 (Ge-APD)(第二窗
口 1.31μm)
? 响应光谱 0.8～ 1.65μ m；
? 4 肖特基光电二极管
? 肖特基光电二极管是利用肖特基势垒
收集光生载流子的光电探测器 。 所谓肖
特基势垒就是指金属和半导体相互接触
而在其界面处产生的势垒 。
? 5 集成光学光电探测器
? 为适应光电子集成电路 (OEIC)的要求,
人们正在探索适应于单片集成的各种光
波导探测器 。 从集成方法来看, 有如下
? ·光波导 Si
? ·外延长 InGaAs
? ·
? ·离子注入探测器
? 1 光发射接收模块
? 光发射接收模块是在光发射接收组件基
础上出现的具有实用化的多功能组件 。
? 在一个相对紧密的结构中包含了多少元
器件或电路块, 即相对紧密结构的集成
单元数量, 小的集成单元数称之为组件,
大的集成单元数称之为模块 。
5.7其它新型光通信器件简介
? 以光发射为例, 把在一个相对紧密结构中
包含了激光二极管, 监视光电二极管, 光隔离
器, 热电致冷器, 温度传感器, 控制电路, 尾
纤或连接器等且具有光发射功能的部件称之为
激光器组件；而激光器模块是指在激光器组件
内还包含一定量的电路部分 (如驱动电路, AGC
电平检测电路, VCA电路, 电路状态监视电路
等 )的激光器组件 。
? 器件的模块化已成为发展的必然趋势 。
? 根据用途不同, 模块的种类也越来越多, 但最
基础的模块是光发射模块, 光接收模块, 光收
发一体模块, 单纤双向收发模块或突发式模块
等 。
? 2 光调制器
? 在直接调制半导体激光二极管的过程中, 由于
啁啾特性存在, 不仅使单个纵模的线宽展宽,
而且在单模光纤中传播时, 在色散作用下将使
非线性失真增大 。
? 这两种不利的结果, 将对光纤链路产生极其不
利的影响 。 解决的办法是使用外调制器 。
? 光调制器广泛应用于外调制的光发射机和数据
链路中, 通过光调制器不仅可以改变光波的强
度, 而且还可调制光波的相位和偏振态
?
? LiNbO3
?
? 聚合物波导光调制器等等
? 3
? 在目前 Si基光纤和未来的中红外光纤系
统中, 光纤激光器和放大器是潜力巨大
的光有源器件 。
? 光纤激光器按其激射机理可分为稀土掺
杂光纤激光器, 光纤非线性效应激光器,
单晶光纤激光器, 塑料光纤激光器和光
纤孤子激光器, 其中以稀土掺杂光纤激
光器的开发最为成熟, 并已应用于光纤
通信系统 。
? 目前稀土掺杂光纤放大器按其掺杂元素
和工作机理可分为铒掺杂光纤放大器
(EDFA),镨掺杂光纤放大器 (PDFA),铥
掺杂光纤放大器 (TDFA)和利用光纤非线
性效应的拉曼光纤放大器 (RFA),其中工
作于 1.55μ m波段的 EDFA已大量应用于
光纤通信系统；以 TDFA和 EDFA以及
RFA和 EDFA混合的系统已实现超带宽合
波传输 。
? 4
? 光开关与光开关阵列是光纤通信系统重要的光
器件, 随着光纤通信技术的发展, 特别是数据
通信和密集波分复用 (DWDM)系统的应用, 复
杂的网络拓扑对可靠, 灵活的网管产生了强烈
的需求 。 DWDM在城域网和接入网应用对具有
插 /分和交换功能的光开关的需要更加迫切 。 随
着网络转向全光平台, 光域优化, 路由, 保护
和自愈的网络功能已成为关键, 这一切都离不
开光开关 。
? 光开关的主要任务是切换光路,
? 光开关归为四个大类, 即机械式光开关, 液晶
光开关, 电光式光开关
? 5
? 波分复用 (WDM)就是按照一定波长间隔, 把
若干路经过调制的光信号通过波分复用器合并
在一起, 通过一根光纤来传输 。 习惯上把波长
间隔小于 0.8nm称为密波分复用 (DWDM)。
? DWDM除了上面介绍的光器件外, 还需要,
? (1)波分复用器, 又称合波器 。
? (2)光分播复用器 (OADM),用于节点处, 起上
下信道作用 。
? (3)解复用器, 将前面的复用信号分开 。
? (4)光交叉连接器, 它是实现全光通信的关键等
等 。
? 6 光纤用户接入器件
? 近几年来, 光纤接入网发展十分迅速, 光纤用
户器件由于和需要方面的原因, 发展更加迅猛 。
? (1)带光斑尺寸转换器的激光器 (SSC-LD)
? (2)窄线宽 DFB LD
? (3)波导光电二极管 (WG PD)
? (4)石英材料平面光路技术 (PLC)
? (5)光分支器等等 。
? 除此之外, 光纤接入系统组件发展也十分迅速 。
5.1光纤的温度特性和机械特性
5.2光缆的结构和种类
5.3无源光器件
5.4发光二极管器件简介
5.5半导体激光二极管器件
5.6电检测器件
5.7其它新型光通信器件简介
5.1光纤的温度特性和机械特性
1
通常情况下, 光纤的特性受温
度影响不大, 但是在温度很低
时, 损耗随温度降低而增加,
尤其是在温度非常低时, 损耗
急剧增加, 所以高寒地区工作
的光缆应注意到这个特性 。
? 产生这种现象的原因是光纤的热膨冷缩 。
? 构成光纤的二氧化硅 (SiO2)的热膨胀系数很小,
在温度降低时几乎不收缩 。 而光纤在成缆过程
中必须经涂覆和加上一些其他构件, 涂覆材料
及其他构件的膨胀系数较大, 当温度降低时,
收缩比较严重, 所以当温度变化时, 材料的膨
胀系数不同, 将使光纤产生微弯, 尤其表现在
低温区 。
? 随着温度的降低, 光纤的附加损耗逐渐增加,
当温度降至 -55℃ 左右, 附加损耗急剧增加 。
? 因此, 在设计光纤通信系统时, 必须考虑光缆
的高, 低温循环试验, 以检验光纤的损耗是否
符合指标要求 。
? 2
? 目前构成光纤的材料是 SiO2,要被拉成 125μm
的细丝 。 在拉丝过程中, 光纤的抗拉强度约为
10～ 20kg/mm2
? 如拉丝后立即在光纤表面进行涂覆, 抗拉强度
可达 400kg/mm2 。
? 这里所说光纤的强度是指抗张强度, 当光纤受
到的张力超过它的承受能力时, 光纤就将断裂
? 对于光纤抗断强度, 它和涂覆层的厚度有关,
当涂覆厚度为 5 ～ 10μ m时, 抗断强度为
330kg/ mm2
? 只有强度符合要求的光纤才能用来成缆 。
5.2 光缆的结构和种类
? 由光纤的温度特性和机械特性可知光纤必须制
作成光缆才能使用 。 光缆线路在长期使用中,
必须经受敷设安装和长期维护运用的考验 。
? 因此,
? ①
? ②
? ③ 缆径细,
? ④ 便于施工和维护
? 1
? 光缆由缆芯, 加强元件和外护层组成 。
? (1)
? 缆芯由光纤芯线组成, 它可分为单芯和
多芯两种 。
? 二次涂覆主要采用下列两种保护结构：
? ①
? ②
? 两种保护结构如图 5-2-1所示
? (2) 加强元件
? 光纤材料比较脆, 容易断裂, 为了使光
缆便于承受敷设安装时所加的外力等,
因此在光缆中要加一根或多根加强元件
位于中心或分散在四周 。
? 加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤
维 —— 增强塑料 (FRP)等 。
? (3) 护层
? 光缆的护层主要是对已经成缆的光纤芯
线起保护作用, 避免由于外部机械力和
环境影响造成对光纤的损坏 。
? 2 光缆的种类
? (1)
? (2)
? (3)
? (4) 带状式光缆
? 3
? (1)
? 长途通信光缆线路广泛使用的是 G·652常规单
模光缆 。 这种光缆的光纤损耗在 λ=1.55μm附近
时最小, 但色散较大约为 18ps/(nm·km)；在
λ=1.31μm损耗较小, 约 0.35dB/km色散几乎为
零 。
? (2) 色散位移光缆
? 色散位移光缆即是由色散位移光纤 DSF构成的
光缆 。 DSF是使单模光纤的材料色散和波导色
散相互补偿, 在 1.55μm附近总色散为零 。
? 色散位移光缆可以实现光纤通信系统的大容量,
超长距离的传输 。
? (3)
? 它是由非零色散光纤 NZDF构成的光缆 。
? 在波分复用 WDM技术中, DSF由于光纤的非
线性效应而产生四波混频等现象 。 为了解决这
个问题设计一种新型光缆 。
? 非零色散光纤 NZDF,光纤工作波长在 1.54～
1.565μ m范围内, 色散值不为零, 但这个值较
小约为 1.0～ 4.0ps/(km·nm)。 和常规光纤相比,
在这个波长范围内, 色散和损耗都比较小, 所
以可以实现超长距离的传输, 又可以采用
WDM技术 。
? (4) 色散平坦光缆
? 利用 WDM技术, 为了挖掘光纤的潜力, 充分
利用光纤的有效带宽, 在 1.3～ 1.6μm的波长范
围内, 都能够保持低损耗和低色散, 在相对比
较宽的范围内得到平坦的低色散特性, 设计一
种新型光纤 —— 色散平坦光纤 DFF。 由 DFF构
成的光缆即是色散平坦光缆 。
? DFF也是通过改变光纤的折射率的方法实现在
1.3～ 1.6μ m波长范围内的平坦的低色散 。
5.3无源光器件
? 在光纤通信系统中需要众多的无源光器
件，在光路中起着光纤连接、光功率分
配、光信息的衰减、隔离和调制、光波
分复用、光信道切换等作用。这些无源
光器件包括连接器、分路器与耦合器、
衰减器、隔离器、滤波器、波分复用器、
光开关和调制器等。
? 1 光纤的连接与光纤连接器
? 光纤与光纤的连接有两种：一种是永久
性连接, 另一种是活动连接 。
? 光纤与光纤的永久性连接通常采用高频
电弧放电熔接的方法 。
? 活动连接是通过光纤连接器来实现
? 光纤连接器的作用不仅实现光纤与光纤
之间的活动连接, 还可以实现系统中设
备之间, 设备与仪表之间, 设备与光纤
之间的活动连接 。
? 光纤连接器的结构种类很多, 但大多用
精密套筒来准直纤芯, 以降低损耗 。
? 光纤连接器又分多模连接器和单模连接
器 。
? 接口类型有 FC型, 及 SC型, ST等几种
类型 。 根据不同要求使用 。
? 2 光纤分路器及耦合器
? 在光纤通信系统或光纤测试中, 经常要遇
到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光,
作为监测, 控制等使用, 这就用到光纤分路器；
也需要把两个不同方向来的光信号合起来送
入一根光纤中传输, 这就用光纤耦合器来完成 。
? 分路器及耦合器按其结构不同可分为棱镜
式和光纤式两类 。
? 光纤分路器及耦合器种类很多, 有,Y型
分路器, X型 2× 2定向耦合器, 1× N及 N× N
星型耦合器等等 。
? 3 光衰减器
? 当输入光功率超过某一范围时, 为了使
光接收机不产生失真, 或为了满足光线
路中某种测试的需要, 就必须对输入光
信号进行一定程度的衰减 。
? 目前常用的光衰减器主要采用金属蒸发
膜来吸收光能进行光衰减, 衰减量的大
小与膜的厚度成正比 。
? 光衰减器可分为固定衰减器和可变衰减
器两种 。
? 4 光隔离器
? 某些光器件, 像 LD及光放大器等对来自
连接器, 熔接点, 滤波器等的反射光非
常敏感, 并导致性能恶化 。 因此需要用
光隔离器来阻止反射光 。
? 光隔离器是一种只允许单向光通过的无
源光器件, 其工作基于法拉第旋转的非
互易性 。
? 5 光开关
? 光开关在光纤通信技术中作光路切换之用, 如
系统的主备切换等 。
? 光开关主要有两大类, 即 机械式 及 波导式 。
? 机械式开关如图 5-3-6所示
? 6 光滤波器
? 光滤波器在光纤通信系统中的应用正在
不断扩大, 如波分复用系统中的波长选
择, 光放大器中的噪声滤波等 。
? 光滤波器的种类很多, 如干涉滤光片型,
FP型, 马赫 — 曾特型, 声光型, 电光型,
光栅型及有源型等 。
? 目前用得较多的是干涉滤光片型及 FP型 。
? 7 波分复用器
? 波分复用器把不同波长的光信号复合注
入到一根光纤中；或者把复合的多波长
信号解复用, 把不同波长的信号分离出
来 。
? 波分复用器的种类：有棱镜色散型, 衍
射光栅型及干涉滤光型等,
? 波分复用器的结构：由光纤, 分光元件
和准直聚焦系统组成
5.4发光二极管器件简介
? 1发光二极管 (LED)
? 发光二级管 (LED)于 1962年发明, 1968年用于
光检测, 后用于通信 。 它的发光机理是电致发
光, 当 LED的 PN结加上正向偏压时, 在电场
的作用下, PN结有源区注入的少数载流子与
多数载流子复合而发光, 发光过程是自发辐射 。
? LED类型有：边发光二极管 (ELED),面发光
二极管 (SLED)和超辐射发光二级管 (SLD
? 2 边发光二极管 (ELED)
? 边发光二极管即 PN结平面与发光面垂直 。 为了使器件
有好的光和载流子限制, 大多采用双异质结 (DH)结构 。
? 边发光二极管一般采用与 LD相同条形结构, 一个端面
镀全反射膜, 另一端镀增透 (减反膜 )取消谐振腔激光振
荡 。
? 边发光二极管特点是,
? ① 减小光束发散小, 垂直于结平面方向
发散角 30° 左右 。 比面发光二极管光束
窄, 从侧面向光纤芯发射, 易于和光纤
耦合 。
? ② 相同注入电流下, 有较小的载流子寿
命, 故调制带比面发光二极管高 (可达
200MHz)。
? 3 面发光二极管 (SLED)
? 面发光二极管 (SLED)即 PN管面与发光面平行, SLED
有如下特点：驱动电流较大, 发光强度高, 温度特性
较好；但带宽较宽, 单色性差 。
? 面发光二极管 (SLED)的结构如图 5-4-2所示
? 4 高速发光二极管
? 对光纤传输系统来说, 要求 LED有高的
输出光功率和宽的调制带宽 。
? 要想获得大于 300MHz的带宽, 必须增加
二极管有源区中的复合 (辐射和非辐射 )速
率, 减少少子寿命是提高 LED带宽的有
效途径 。
? 可以从高速 LED设计制作和高速 LED驱
动电路两个方面来考虑 。
? 高速 LED
? (1) 高的注入电流和小的有源区面积
? (2) 有源区的重掺杂
? (3) 利用双分子复合效应
? 高速 LED
? LED驱动电路的最佳设计对改善短距高速光纤
通信的消光比和调制速度至关重要 。
? 一个完整的高速 LED驱动电路, 除基本的驱动
电路功能外, 还要加上输入逻辑电平, 保持电
路和其它电路 。
? 5
? 超辐射发光二极管 (SLD)是一种介于
激光二极管 (LD)和发光二极管 (LED)之间
的半导体光源, 它的出现和发展完全受到
光纤陀螺的驱动, 并成为一种重要的光源 。
? 短波 SLD易于得到较大的功率输出,
而长波 SLD除具有更高的可靠性和更长的
寿命外, 还具有谱线宽和抗核辐射性能好
的优点 。
? 6 LED组件
? LED组件由 LED芯片, LED驱动电路组
成 。
? 对于高级 LED组件, 为了保证 LED稳定
可靠工作, 还配置温控系统 。
5.5半导体激光二极管器件
? 1 半导体激光器概述
? 半导体激光器 LD的原理是：在有源区中高掺杂的 PN
结在上由于外加电压不断注入电子, 在 PN结上形成粒
子数反转分布, 在有源区中产生受激辐射而发出激光 。
? 激光产生需要满足三个条件,
? 可实现粒子数反转分布增益介质, 如 InGaAsP等三能
级或四能级结构；
? 泵浦源 (pump)给激光物质提供能量
? 光学谐振腔, 通过增益介质 (有源区 )两端的反射镜实
现正反馈 。
? 2 法布里－珀罗型半导体激光二极管
? 法布里－珀罗 (F－ P)型激光二极管 (LD)是最常
见和最普通的 LD,这种 LD由外延生长的有源
层和有源层两边的限制层构成, 谐振腔由晶体
的两个解理面构成 。
? 光纤通信的 F－ P型 LD通常为双异质结 (DH)LD，
有源层可以是 N型, 也可以是 P型 。
? F－ P LD在高速调制下, 或者在温度和注入电
流变化时, 不再维持原来的激射模式, 而出现
模式跳跃和谱线展宽, 这对于高速调制不利 。
为了维持单模, 减小光谱展宽, 所以必须研究
动态单模激光器 。
? 3 分布反馈激光二极管和分布 Bragg反射器激光
二极管
? (1)
? 分布反馈激光二极管 (DFB LD)和 F－ P型激光二级
管 (F－ P LD)的主要区别在于它没有集总反射的谐
振腔反射镜, 它的反射机构是由有源区波导上的
Bragg光栅提供的, 这种反射机构是一种分布式
的反馈机构, 因而得名分布反馈激光二极管 。
? 它的性能远远超过普通 F－ P LD,特别是 Bragg光
栅的选频功能使得它具有非常好的单色性和方向
性 。 此外, 正因为它没有使用晶体解理面作为反
射镜, 使得它更容易集成化, 在光电子集成电路
(OEIC)中有着十分诱人的优点
? DFB LD的谱线宽度非常的窄 。 目前已成
为中长距离光纤通信应用的主要激光器,
特别在 1.3μ m和 1.55μ m光纤通信系统中 。
在光纤有线电视 (CATV)传输系统中,
DFB LD已成为不可替代的光源 。
? (2) 分布 Bragg反射器 (DBR)激光二级管
? 分布 Bragg反射器激光二极管 (DBR LD)是为了
克服分布反馈激光二极管 (DFB LD)的一些缺
点而设计的, 它的结构是把周期性沟槽放在有
源波导两外侧的无源波导上 。
? 在未来的通信和 CATV共纤传输的波分复用
(WDM)系统中, DBR LD倍受青睐, 因为 DBR
LD具有出色的宽带波长可调特性 。
? 它是 LD光源的发展方向之一 。
? 4
? (1) 量子阱激光二级管的能带
? (2)
? 阈值电流很低可达 0.1mA以下；可在较高的温
度下工作；具有窄的谱线宽度和高的调制速度
? 5 激光器组件
? 激光器组件是指在一个紧密结构中 (如管壳
内 ),除激光二极管 (LD)芯片外, 还配置其他
元件和实现 LD工作必要的少量电路块的集成
器件,
? (1) 光隔离器
? (2)
? (3) 尾纤和连接器 。
? (4) LD的驱动电路
? (5) 热敏电阻
? (6) 热电致冷器 (TEC)
? (7) 自动温控电路 (ATC)
? (8) 自动功率控制电路 (APC)
5.6电检测器件
? 1
? 光检测器是光信号的接收器件, 是将光
信号转变为电信号的一种有源器件 。
? 光量子检测器可分为外光电效应检测器
和内光电效应检测器 。
? 外光电效应检测器 —— 大能量光子照射时,
能使物体内部电子逸出表面, 该效应称为外光
电效应 。 有光电子管, 光电倍增管, 红外变像
管 (红外夜视仪 )等 。
? 内光电效应 —— 当投射到物体光子能量不
那么大, 但是却大于该物体材料所需的某一数
值时, 会由于这个能量的被吸收而在物体内部
产和电子 — 空穴时, 光照后产生的电子 — 空穴
对叫光生载流子 。
? 内光电效应器件从结构上分类,(1)光电导
型 (2)光生伏打型 (3)光磁电型 (在光通信中较少
使用 )(4)PIN光电二极管 (5)雪崩型光电二极管 。
? 光纤通信的检测器, 应具备如下条件和
? (1) 高的光电转换效率
? (2) 足够高的响应速度, 或有大的带宽
(热控测器则不能 )。
? (3) 高的接收灵敏度, 即能控测极微弱的
光信号, 对此, 检测器应有很低的噪声,
(与光电转换效率相区别 )。
? (4) 低的功耗和长的寿命 。
? 2 PIN
? PIN光电二极管光纤通信应用广泛的器件 。
? 目前国产 PIN
? (1) Si-PIN管 (用于 0.8～ 0.9μm光纤通信系统 )
? (2) Ge-PIN管 (用于 1.31μm光通信系统 ),
? (3) InGaAsP-PIN管 (用于 1.31μm和 1.55μm系统 )
? PIN 管 常与 FET 构成 组件使用 (Field Effect
Transistor)广泛用于通信工程上 。
? PIN-FET组件既具有光检测 (光电转换 )功能又
具有信号放大功能 (低噪声, 高增益, 功态范
围大 )。
? 3 雪崩光电二极管 (APD)
? 它是带内增益的半导体管 。
? 采用 APD优点是：当一个接收系统的噪
声主要来自于前置放大器和负载电阻的
势噪声时, 雪崩光电二极管内部增益提
供了一种增益信号, 但在一定增益范围
内不增加总噪声功率的方法 。 从而提高
了系统的信噪比 。
? 雪崩光电二极管结构种类,(1)保护环结
构； (2)台型结构； (3)拉通型结构 。
?
? (1) 硅雪崩光由二极管 (Si-APD)
? 响应光谱范围,0.6～ 1.1μm(第一通光窗
口 )(0.85μm)
? 量子效率因结构不同而异,
? (2) 锗雪崩光电二极管 (Ge-APD)(第二窗
口 1.31μm)
? 响应光谱 0.8～ 1.65μ m；
? 4 肖特基光电二极管
? 肖特基光电二极管是利用肖特基势垒
收集光生载流子的光电探测器 。 所谓肖
特基势垒就是指金属和半导体相互接触
而在其界面处产生的势垒 。
? 5 集成光学光电探测器
? 为适应光电子集成电路 (OEIC)的要求,
人们正在探索适应于单片集成的各种光
波导探测器 。 从集成方法来看, 有如下
? ·光波导 Si
? ·外延长 InGaAs
? ·
? ·离子注入探测器
? 1 光发射接收模块
? 光发射接收模块是在光发射接收组件基
础上出现的具有实用化的多功能组件 。
? 在一个相对紧密的结构中包含了多少元
器件或电路块, 即相对紧密结构的集成
单元数量, 小的集成单元数称之为组件,
大的集成单元数称之为模块 。
5.7其它新型光通信器件简介
? 以光发射为例, 把在一个相对紧密结构中
包含了激光二极管, 监视光电二极管, 光隔离
器, 热电致冷器, 温度传感器, 控制电路, 尾
纤或连接器等且具有光发射功能的部件称之为
激光器组件；而激光器模块是指在激光器组件
内还包含一定量的电路部分 (如驱动电路, AGC
电平检测电路, VCA电路, 电路状态监视电路
等 )的激光器组件 。
? 器件的模块化已成为发展的必然趋势 。
? 根据用途不同, 模块的种类也越来越多, 但最
基础的模块是光发射模块, 光接收模块, 光收
发一体模块, 单纤双向收发模块或突发式模块
等 。
? 2 光调制器
? 在直接调制半导体激光二极管的过程中, 由于
啁啾特性存在, 不仅使单个纵模的线宽展宽,
而且在单模光纤中传播时, 在色散作用下将使
非线性失真增大 。
? 这两种不利的结果, 将对光纤链路产生极其不
利的影响 。 解决的办法是使用外调制器 。
? 光调制器广泛应用于外调制的光发射机和数据
链路中, 通过光调制器不仅可以改变光波的强
度, 而且还可调制光波的相位和偏振态
?
? LiNbO3
?
? 聚合物波导光调制器等等
? 3
? 在目前 Si基光纤和未来的中红外光纤系
统中, 光纤激光器和放大器是潜力巨大
的光有源器件 。
? 光纤激光器按其激射机理可分为稀土掺
杂光纤激光器, 光纤非线性效应激光器,
单晶光纤激光器, 塑料光纤激光器和光
纤孤子激光器, 其中以稀土掺杂光纤激
光器的开发最为成熟, 并已应用于光纤
通信系统 。
? 目前稀土掺杂光纤放大器按其掺杂元素
和工作机理可分为铒掺杂光纤放大器
(EDFA),镨掺杂光纤放大器 (PDFA),铥
掺杂光纤放大器 (TDFA)和利用光纤非线
性效应的拉曼光纤放大器 (RFA),其中工
作于 1.55μ m波段的 EDFA已大量应用于
光纤通信系统；以 TDFA和 EDFA以及
RFA和 EDFA混合的系统已实现超带宽合
波传输 。
? 4
? 光开关与光开关阵列是光纤通信系统重要的光
器件, 随着光纤通信技术的发展, 特别是数据
通信和密集波分复用 (DWDM)系统的应用, 复
杂的网络拓扑对可靠, 灵活的网管产生了强烈
的需求 。 DWDM在城域网和接入网应用对具有
插 /分和交换功能的光开关的需要更加迫切 。 随
着网络转向全光平台, 光域优化, 路由, 保护
和自愈的网络功能已成为关键, 这一切都离不
开光开关 。
? 光开关的主要任务是切换光路,
? 光开关归为四个大类, 即机械式光开关, 液晶
光开关, 电光式光开关
? 5
? 波分复用 (WDM)就是按照一定波长间隔, 把
若干路经过调制的光信号通过波分复用器合并
在一起, 通过一根光纤来传输 。 习惯上把波长
间隔小于 0.8nm称为密波分复用 (DWDM)。
? DWDM除了上面介绍的光器件外, 还需要,
? (1)波分复用器, 又称合波器 。
? (2)光分播复用器 (OADM),用于节点处, 起上
下信道作用 。
? (3)解复用器, 将前面的复用信号分开 。
? (4)光交叉连接器, 它是实现全光通信的关键等
等 。
? 6 光纤用户接入器件
? 近几年来, 光纤接入网发展十分迅速, 光纤用
户器件由于和需要方面的原因, 发展更加迅猛 。
? (1)带光斑尺寸转换器的激光器 (SSC-LD)
? (2)窄线宽 DFB LD
? (3)波导光电二极管 (WG PD)
? (4)石英材料平面光路技术 (PLC)
? (5)光分支器等等 。
? 除此之外, 光纤接入系统组件发展也十分迅速 。
