1 光纖通信概述2本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)

光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀。

光纖通信的光波波譜。

光纖通信系統(tǒng)的基本組成與分類。

光纖通信的特點(diǎn)與應(yīng)用。

光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)。本章重點(diǎn)

光纖通信系統(tǒng)的基本組成。

光纖通信的特點(diǎn)。本章難點(diǎn)

光纖通信的光波波譜。光纖通信概述3學(xué)習(xí)本章的目的和要求

掌握光纖通信的概念。

了解光纖通信的產(chǎn)生及發(fā)展。

掌握光纖通信的組成及特點(diǎn)。光纖通信概述41.1

光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀1．光纖通信發(fā)展的里程碑

1966年高錕博士發(fā)表的論文《用于光頻的光纖表面波導(dǎo)》。

2．光纖通信發(fā)展的實(shí)質(zhì)性突破

1970年美國(guó)康寧公司制造出當(dāng)時(shí)世界上第一根超低損耗光纖。

3．光纖通信爆炸性的發(fā)展（1）光纖損耗

1970年：20dB/km；1972年：4dB/km；

1974年：1.1dB/km；1976年：0.5dB/km；

1979年：0.2dB/km；1990年：0.14dB/km。51.1

光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀

（2）光器件光發(fā)送器件：砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器→異質(zhì)結(jié)條形激光器→分布反饋式激光器（DFB-LD）和多量子阱（MQW）激光器。光接收器件：Si-PIN→APD。（3）光纖通信系統(tǒng)從小容量到大容量、從短距離到長(zhǎng)距離、從PDH→SDH→DWDM。在智能光網(wǎng)絡(luò)（ION）、光分插復(fù)用器（OADM）、光交叉連接設(shè)備（OXC）等方面也取得巨大進(jìn)展。61.2

光纖通信的光波波譜

1．光波波譜光波是電磁波，光波范圍包括紅外線、可見光、紫外線，其波長(zhǎng)范圍為：300μm～6×10?3μm?？梢姽庥杉t、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色的連續(xù)光波組成，其中紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光的波長(zhǎng)最短。波長(zhǎng)再短就是X射線、γ射線。電磁波波譜圖如圖1-1所示。71.2

光纖通信的光波波譜圖1-1電磁波波譜圖81.2

光纖通信的光波波譜

2．光纖通信的光波波譜光纖通信的波譜在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之間，即波長(zhǎng)在0.8μm～1.8μm之間，屬于紅外波段，將0.8μm～0.9μm稱為短波長(zhǎng)，1.0μm～1.8μm稱為長(zhǎng)波長(zhǎng)，2.0μm以上稱為超長(zhǎng)波長(zhǎng)。各種單位的換算公式如表1-1所示。表1-1 各種單位的換算公式c＝3×108m/s1MHz（兆赫）＝106Hzλ＝c/f1GHz（吉赫）＝109Hz1μm（微米）＝10?6m1THz（太赫）＝1012Hz1nm（納米）＝10?9m1PHz（拍赫）＝1015Hz1?（埃）＝10?10m91.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與分類

1.3.1光纖通信系統(tǒng)的基本組成所謂光纖通信，就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信的目的。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖如圖1-2所示。由光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)組成。圖1-2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖101.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與分類

光發(fā)射機(jī)的作用就是進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換成的光脈沖信號(hào)碼流輸入到光纖中進(jìn)行傳輸。光源器件一般是LED和LD。光纖：完成光波的傳輸。光接收機(jī)的作用就是進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換。光收器件一般是PIN和APD。111.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與分類

1.3.2光纖通信系統(tǒng)的分類

1．按傳輸信號(hào)分類（1）數(shù)字光纖通信系統(tǒng)（2）模擬光纖通信系統(tǒng)

2．按波長(zhǎng)和光纖類型分類（1）短波長(zhǎng)（0.85μm左右）多模光纖通信系統(tǒng)（2）長(zhǎng)波長(zhǎng)（1.31μm）多模光纖通信系統(tǒng)（3）長(zhǎng)波長(zhǎng)（1.31μm）單模光纖通信系統(tǒng)（4）長(zhǎng)波長(zhǎng)（1.55μm）單模光纖通信系統(tǒng)121.4光纖通信的特點(diǎn)與應(yīng)用

1.4.1光纖通信的特點(diǎn)（1）通信容量大（2）中繼距離長(zhǎng)（3）保密性能好（4）適應(yīng)能力強(qiáng)（5）體積小、重量輕、便于施工和維護(hù)（6）原材料來源豐富，潛在價(jià)格低廉（7）光纖通信同樣也存在著如下缺點(diǎn)：①需要光/電和電/光變換部分；②光直接放大難；③電力傳輸困難；④彎曲半徑不宜太??；⑤需要高級(jí)的切斷接續(xù)技術(shù)；⑥分路耦合不方便。131.4光纖通信的特點(diǎn)與應(yīng)用

1.4.2光纖通信的應(yīng)用（1）光纖在公用電信網(wǎng)間作為傳輸線。（2）局域網(wǎng)中的應(yīng)用。（3）光纖寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)及光纖用戶線。（4）作為危險(xiǎn)環(huán)境下的通信線。諸如發(fā)電廠、化工廠、石油庫(kù)等場(chǎng)所。（5）滿足不同網(wǎng)絡(luò)層面的應(yīng)用。核心網(wǎng)層面、城域網(wǎng)層面、局域網(wǎng)層面等。（6）應(yīng)用于專網(wǎng)。光纖通信主要應(yīng)用于電力、公路、鐵路、礦山等通信專網(wǎng)。141.5光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)

1．目前的進(jìn)展情況（1）光纖通信的基礎(chǔ)研究方面（2）光纖研制方面（3）無源光器件研制方面（4）光傳輸設(shè)備和系統(tǒng)的研究方面（5）光接入網(wǎng)的研究方面（6）理論研究方面

151.5光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)

2．發(fā)展趨勢(shì)（1）向超高速系統(tǒng)發(fā)展（2）向超大容量WDM系統(tǒng)演進(jìn)（3）向光傳送網(wǎng)方向發(fā)展（4）向G.655光纖發(fā)展（5）向?qū)拵Ч饫w接入網(wǎng)方向發(fā)展16 光纖和光纜

17本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章內(nèi)容光纖的結(jié)構(gòu)和類型。光纖的導(dǎo)光原理。光纖的特性。光纜的結(jié)構(gòu)和種類。本章重點(diǎn)光纖的結(jié)構(gòu)和類型。光纖的特性。光纜的種類。本章的難點(diǎn)光纖的導(dǎo)光原理。光纖和光纜18學(xué)習(xí)本章目的和要求

掌握光纖的結(jié)構(gòu)和類型。了解光纖的導(dǎo)光原理。掌握光纖的特性。掌握光纜的結(jié)構(gòu)和種類。光纖和光纜192.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型

2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)

1.光纖結(jié)構(gòu)光纖由纖芯、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)202.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型

（1）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(duì)光的折射率（n1），以傳輸光信號(hào)。（2）包層：包層位于纖芯的周圍。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(duì)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(hào)封閉在纖芯中傳輸。212.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型

（3）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。一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料；緩沖層一般為性能良好的填充油膏；二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。涂覆的作用是保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加了光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用。涂覆后的光纖其外徑約1.5mm。通常所說的光纖為此種光纖。222.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型

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(dòng)。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(dòng)。圖2-2套塑光纖結(jié)構(gòu)232.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型2．光纖的折射率分布與光線的傳播圖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242.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型

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2-5和圖2-6所示。圖2-5

光在階躍折射率多模光纖中的傳播圖2-6光在漸變折射率多模光纖中的傳播252.1.2光纖的分類

若按傳輸模的數(shù)量分類可分為多模光纖和單模光纖若按傳輸波長(zhǎng)分類可分為短波長(zhǎng)光纖和長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖若按套塑結(jié)構(gòu)分類可分為緊套光纖和松套光纖262.1.2光纖的分類

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。傳播模式概念：當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，如果光纖纖芯的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，光在光纖中會(huì)以幾十種乃至幾百種傳播模式進(jìn)行傳播。如圖2-4所示。這些不同的光束稱為模式。圖2-4

光在階躍折射率光纖中的傳播272.1.2光纖的分類

（1）多模光纖當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1）遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)（約1μm），光纖傳輸?shù)倪^程中會(huì)存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式，這樣的光纖稱為多模光纖。如圖2-5和圖2-6所示。（2）單模光纖當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1

）較小，與光波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)，如芯徑d1

在4μm～10μm范圍，這時(shí)，光纖只允許一種模式（基模）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖稱為單模光纖。如圖2-7所示。282.1.2光纖的分類圖2-7光在單模光纖中的傳播軌跡292.1.2光纖的分類

2．按傳輸波長(zhǎng)分類光纖可分為短波長(zhǎng)光纖和長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。短波長(zhǎng)光纖的波長(zhǎng)為0.85μm（0.8μm～0.9μm）長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖的波長(zhǎng)為1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm兩個(gè)窗口。

3．按套塑結(jié)構(gòu)分類按套塑結(jié)構(gòu)不同，光纖可分為緊套光纖和松套光纖。

302.1.2光纖的分類

4．單模光纖的分類

ITU-T建議規(guī)范了G.652、G.653、G.654和G.655四種單模光纖。（1）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(diǎn)（即色散為零的波長(zhǎng)）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(jì)稱為匹配包層型，圖（b）表示的階躍折射率設(shè)計(jì)被稱為凹陷包層型。（2）G.653光纖

G.653光纖也稱色散位移光纖（DSF），是指色散零點(diǎn)在1550nm附近的光纖，它相對(duì)于G.652光纖，色散零點(diǎn)發(fā)生了移動(dòng)，所以叫色散位移光纖。312.1.2光纖的分類圖2-8G.652光纖的折射率322.1.2光纖的分類

4．單模光纖的分類（3）G.654光纖

G.654光纖是截止波長(zhǎng)移位的單模光纖。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低1550nm的衰減，其零色散點(diǎn)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。（4）G.655光纖由于G.653光纖的色散零點(diǎn)在1550nm附近，DWDM系統(tǒng)在零色散波長(zhǎng)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(diǎn)的位置從1550nm附近移開一定波長(zhǎng)數(shù)，使色散零點(diǎn)不在1550nm附近的DWDM工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)。這種光纖就是非零色散位移光纖（NDSF）。332.1.2光纖的分類

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(chǎng)直徑。另：G.653光纖是為了優(yōu)化1550nm窗口的色散性能而設(shè)計(jì)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(zhǎng)都大于1310nm，所以G.654光纖和G.655光纖不能用于1310nm窗口。342.2光纖的導(dǎo)光原理

1．折射和折射率光線在不同的介質(zhì)中以不同的速度傳播，描述介質(zhì)的這一特征的參數(shù)就是折射率，或稱折射指數(shù)。折射率可由下式確定：

n=c/v

其中ν是光在某種介質(zhì)中的速度，с是光在真空中的速度。在折射率為n的介質(zhì)中，光傳播速度變?yōu)閏/n，光波長(zhǎng)變?yōu)?/p>

0/n（

0表示光在真空中的波長(zhǎng)）。表2-1中給出了一些介質(zhì)的折射率。表2-1 不同介質(zhì)的折射率材料空氣水玻璃石英鉆石折射率1.0031.331.52～1.891.432.42352.2光纖的導(dǎo)光原理

當(dāng)一條光線照射到兩種介質(zhì)相接的邊界時(shí)，入射光線分成兩束：反射光線和折射光線（如圖2-9所示）。圖2-9光的折射圖2-10光的反射斯涅耳定律給出了定義這些光線方向的規(guī)則：

1=

3

n1sin

1=n2sin

2

全反射是光信號(hào)在光纖中傳播的必要條件。362.2光纖的導(dǎo)光原理

2．光的偏振光波屬于橫波，即光的電磁場(chǎng)振動(dòng)方向與傳播方向垂直。如果光波的振動(dòng)方向始終不變，只是光波的振幅隨相位改變，這樣的光稱為線偏振光，如圖2-11（c）和圖2-11（d）所示。從普通光源發(fā)出的光不是偏振光，而是自然光，如圖2-11（a）所示。自然光在傳播的過程中，由于外界的影響在各個(gè)振動(dòng)方向的光強(qiáng)不相同，某一個(gè)振動(dòng)方向的光強(qiáng)比其他方向占優(yōu)勢(shì)，這種光稱為部分偏振光，如圖2-11（b）所示。372.2光纖的導(dǎo)光原理圖2-11

光的偏振382.2光纖的導(dǎo)光原理3．光的色散如圖2-12所示，當(dāng)日光通過棱鏡或水霧時(shí)會(huì)呈現(xiàn)按紅橙黃綠青藍(lán)紫順序排列的彩色光譜。這是由于棱鏡材料（玻璃）或水對(duì)不同波長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)于不同的顏色）的光呈現(xiàn)的折射率n不同，從而使光的傳播速度不同和折射角度不同，最終使不同顏色的光在空間上散開。圖2-12

自然光的色散392.3光纖特性

2.3.1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。

1．芯直徑芯直徑主要是對(duì)多模光纖的要求。ITU-T規(guī)定，多模光纖的芯直徑為50±3μm。

2．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。402.3光纖特性3．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%。

4．光纖翹曲度光纖翹曲度指在特定長(zhǎng)度光纖上測(cè)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。注：纖芯/包層同心度對(duì)接續(xù)損耗的影響最大，其次是翹曲度。412.3.2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(chǎng)直徑及截至波長(zhǎng)等。

1．折射率分布光纖折射率分布，可用下式表示：

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(duì)折射率差，Δ=(n1?n2)/n1

。多模光纖的折射率分布，決定光纖帶寬和連接損耗，單模光纖的折射率分布，決定工作波長(zhǎng)的選擇。422.3.2光纖的光學(xué)特性

2．最大理論數(shù)值孔徑（NAmax）最大理論數(shù)值孔徑的定義為：

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。光纖的數(shù)值孔徑（NA）對(duì)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。432.3.2光纖的光學(xué)特性

3．模場(chǎng)直徑和有效面積

模場(chǎng)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(chǎng)直徑的物理意義相同，通過模場(chǎng)直徑可以利用圓面積公式計(jì)算出有效面積。模場(chǎng)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(shí)，會(huì)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(duì)于傳輸光纖而言，模場(chǎng)直徑（或有效面積）越大越好。圖2-13所示為模場(chǎng)直徑示意圖。442.3.2光纖的光學(xué)特性圖2-13模場(chǎng)直徑452.3.2光纖的光學(xué)特性

4．截止波長(zhǎng)理論上的截止波長(zhǎng)是單模光纖中光信號(hào)能以單模方式傳播的最小波長(zhǎng)。截止波長(zhǎng)條件可以保證在最短光纜長(zhǎng)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(jià)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(duì)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(duì)傳輸特性將產(chǎn)生直接的影響。462.3.3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(jī)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(qiáng)度逐漸減弱，光纖對(duì)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(hào)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。（1）吸收損耗光纖吸收損耗是制造光纖的材料本身造成的損耗，包括紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收。472.3.3光纖的傳輸特性

（2）散射損耗由于材料的不均勻使光信號(hào)向四面八方散射而引起的損耗稱為瑞利散射損耗。光纖制造中，結(jié)構(gòu)上的缺陷會(huì)引起與波長(zhǎng)無關(guān)的散射損耗。（3）彎曲損耗光纖的彎曲會(huì)引起輻射損耗。實(shí)際中，有兩種情況的彎曲：一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲；一種是微彎曲。決定光纖衰減常數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射損耗，彎曲損耗對(duì)光纖衰減常數(shù)的影響不大。482.3.3光纖的傳輸特性

（4）衰減系數(shù)光纖的衰減系數(shù)是指光在單位長(zhǎng)度光纖中傳輸時(shí)的衰耗量，單位一般用dB/km。它是描述光纖損耗的主要參數(shù)。在單模光纖中有兩個(gè)低損耗區(qū)域，分別在1310nm和1550nm附近，即通常說的1310nm窗口和1550nm窗口；1550nm窗口又可以分為C-band（1525nm～1562nm）和L-band（1565nm～1610nm）。如圖2-14所示。492.3.3光纖的傳輸特性圖2-14

光纖的特性502.3.3光纖的傳輸特性

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(shí)延差來表示，所謂時(shí)延差，是指不同頻率的信號(hào)成分傳輸同樣的距離所需要的時(shí)間之差。圖2-15色散引起的脈沖展寬示意圖512.3.3光纖的傳輸特性

光纖的色散可分為模式色散、色度色散、偏振模色散。（1）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(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的色散，稱模式色散。（2）色度色散由于光源的不同頻率（或波長(zhǎng)）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(shí)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。522.3.3光纖的傳輸特性①材料色散由于材料折射率隨光信號(hào)頻率的變化而不同，光信號(hào)不同頻率成分所對(duì)應(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱為材料色散。②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(gè)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(zhǎng)在1.31μm附近，色散接近為零。

色散系數(shù)就是單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)光波長(zhǎng)信號(hào)通過單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的時(shí)延差，用D表示，單位是ps/（nm·km）。532.3.3光纖的傳輸特性

（3）偏振模色散（PMD）由于光信號(hào)的兩個(gè)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542.3.3光纖的傳輸特性

（4）碼間干擾（ISI）色散將導(dǎo)致碼間干擾。由于各波長(zhǎng)成分到達(dá)的時(shí)間先后不一致，因而使得光脈沖加長(zhǎng)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552.3.3光纖的傳輸特性

3．光纖的機(jī)械特性光纖的機(jī)械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強(qiáng)度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關(guān)心的是抗拉強(qiáng)度。（1）光纖的抗拉強(qiáng)度光纖的抗拉強(qiáng)度很大程度上反映了光纖的制造水平。影響光纖抗拉強(qiáng)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(duì)質(zhì)量的影響。④機(jī)械損傷。562.3.3光纖的傳輸特性

（2）光纖斷裂分析存在氣泡、雜物的光纖，會(huì)在一定張力下斷裂，如圖2-18所示。圖2-18光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖572.3.3光纖的傳輸特性

（3）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(shí)，稱其已達(dá)到了使用壽命。從機(jī)械性能講，壽命指斷裂壽命。（4）光纖的機(jī)械可靠性一般來說，二氧化硅包層光纖的機(jī)械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。為了提高光纖的機(jī)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。

582.3.3光纖的傳輸特性4．光纖的溫度特性光纖的溫度特性，是指在高、低溫條件下對(duì)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592.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

2.4.1光纜的結(jié)構(gòu)

1．光纜的結(jié)構(gòu)光纜由纜芯、護(hù)層和加強(qiáng)芯組成。（1）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。（2）護(hù)層護(hù)層主要是對(duì)已成纜的光纖芯線起保護(hù)作用，避免受外界機(jī)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）。（3）加強(qiáng)芯加強(qiáng)芯主要承受敷設(shè)安裝時(shí)所加的外力。602.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

2．各種典型結(jié)構(gòu)的光纜（1）層絞式結(jié)構(gòu)光纜把經(jīng)過套塑的光纖繞在加強(qiáng)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2-24所示是目前在市話中繼和長(zhǎng)途線路上采用的幾種層絞式結(jié)構(gòu)光纜的示意圖（截面）。612.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖2-2112芯松套層絞式直埋光纜圖2-206芯緊套層絞式光纜622.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖2-2212芯松套層絞式直埋防蟻光纜632.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖2-236～48芯松套層絞式水底光纜642.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類圖2-2412芯松套+8芯×2線對(duì)層絞式直埋光纜652.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

（2）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(qiáng)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(qiáng)基本單元型，圖2-25（b）為螺旋型結(jié)構(gòu)，圖2-26為基本單元結(jié)構(gòu)。目前，我國(guó)采用的骨架式結(jié)構(gòu)光纜，都是采用如圖2-25所示的結(jié)構(gòu)。圖2-27所示是采用骨架式結(jié)構(gòu)的自承式架空光纜。662.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類圖2-2512芯骨架式光纜672.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖2-2670芯骨架式光纜682.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖2-27骨架式自承式架空光纜692.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

（3）束管式結(jié)構(gòu)光纜把一次涂覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)芯配置在套管周圍而構(gòu)成。圖2-28所示的光纜結(jié)構(gòu)即屬護(hù)層增強(qiáng)構(gòu)件配制方式。圖2-29、2-30所示是屬于分散加強(qiáng)構(gòu)件配置方式的束管式結(jié)構(gòu)光纜。另圖2-34所示的淺海光纜實(shí)際上就是雙層加鎧裝束管式光纜。702.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類圖2-2812芯束管式光纜712.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖2-296～48芯束管式光纜722.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖2-30LEX束管式光纜732.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

（4）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2-31、2-32所示。圖2-31

中心束管式帶狀光纜圖2-32層絞式帶狀光纜742.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類（5）單芯結(jié)構(gòu)光纜單芯結(jié)構(gòu)光纜簡(jiǎn)稱單芯軟光纜，如圖2-33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(cè)試軟線和特殊通信場(chǎng)所用特種光纜以及制作單芯軟光纜的光纖。圖2-33單芯軟光纜752.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

（6）特殊結(jié)構(gòu)光纜特殊結(jié)構(gòu)的光纜，主要有光/電力組合纜、光/架空地線組合纜和海底光纜和無金屬光纜。這里只介紹后兩種。①海底光纜有淺海光纜和深海光纜兩種，圖2-34所示為典型的淺海光纜，圖2-35所示是較為典型的深海光纜。②無金屬光纜無金屬光纜是指光纜除光纖、絕緣介質(zhì)外（包括增強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)層）均是全塑結(jié)構(gòu)，適用于強(qiáng)電場(chǎng)合，如電站、電氣化鐵道及強(qiáng)電磁干擾地帶。762.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖2-34

淺海光纜772.4光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖2-35深海光纜782.4.2光纜的種類

1．按傳輸性能、距離和用途分可分為市話光纜、長(zhǎng)途光纜、海底光纜和用戶光纜。

2．按光纖的種類分可分為多模光纜、單模光纜。

3．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。

4．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。792.4.2光纜的種類

5．按加強(qiáng)件配置方法分光纜可分為中心加強(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（如束管兩側(cè)加強(qiáng)光纜和扁平光纜）、護(hù)層加強(qiáng)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。

6．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。

7．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。802.4.2光纜的種類8．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。

9．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。

10．目前通信用光纜可分為（1）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。（2）軟光纜——具有優(yōu)良的曲撓性能的可移動(dòng)光纜。（3）室（局）內(nèi)光纜——適用于室內(nèi)布放的光纜。（4）設(shè)備內(nèi)光纜——用于設(shè)備內(nèi)布放的光纜。（5）海底光纜——用于跨海洋敷設(shè)的光纜。（6）特種光纜——除上述幾類之外，作特殊用途的光纜。812.4.3光纜的結(jié)構(gòu)和種類

光纜型號(hào)由它的型式代號(hào)和規(guī)格代號(hào)構(gòu)成，中間用一短橫線分開。（1）光纜型式由五個(gè)部分組成，如圖2-36所示。圖2-36光纜型式的組成部分822.4.3光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖中：

Ⅰ：分類代號(hào)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(qiáng)構(gòu)件代號(hào)及其意義為：無符號(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。832.4.3光纜的結(jié)構(gòu)和種類Ⅲ：派生特征代號(hào)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(hào)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。842.4.3光纜的結(jié)構(gòu)和種類Ⅴ：外護(hù)層的代號(hào)及其意義為：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(hào)及其意義如表2-2所示。表2-2 外護(hù)層代號(hào)及其意義代

號(hào)鎧裝層（方式）代

號(hào)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——852.4.3光纜的結(jié)構(gòu)和種類

（2）光纜規(guī)格由五部分七項(xiàng)內(nèi)容組成，如圖2-37所示。圖2-37光纜的規(guī)格組成部分862.4.3光纜的結(jié)構(gòu)和種類

圖中：

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

Ⅱ：光纖類別的代號(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(diǎn)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(chǎng)直徑及包層直徑。872.4.3光纜的結(jié)構(gòu)和種類Ⅳ：帶寬、損耗、波長(zhǎng)表示光纖傳輸特性的代號(hào)由a、bb及cc三組數(shù)字代號(hào)構(gòu)成。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——波長(zhǎng)在0.85μm區(qū)域；2——波長(zhǎng)在1.31μm區(qū)域；3——波長(zhǎng)在1.55μm區(qū)域。注意，同一光纜適用于兩種及以上波長(zhǎng)，并具有不同傳輸特性時(shí)，應(yīng)同時(shí)列出各波長(zhǎng)上的規(guī)格代號(hào)，并用“/”劃開。bb——表示損耗常數(shù)的代號(hào)。兩位數(shù)字依次為光纜中光纖損耗常數(shù)值（dB/km）的個(gè)位和十位數(shù)字。cc——表示模式帶寬的代號(hào)。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(xiàng)。882.4.3光纜的結(jié)構(gòu)和種類

Ⅴ：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℃892.4.3光纜的結(jié)構(gòu)和種類光纜中還附加金屬導(dǎo)線（對(duì)、組）編號(hào)，如圖2-38所示。其符合有關(guān)電纜標(biāo)準(zhǔn)中導(dǎo)電線芯規(guī)格構(gòu)成的規(guī)定。圖2-38光纜中附加金屬導(dǎo)線編號(hào)示意圖例如，2個(gè)線徑為0.5mm的銅導(dǎo)線單線可寫成2×1×0.5；；4個(gè)線徑為0.9mm的鋁導(dǎo)線四線組可寫成4×4×0.9L；4個(gè)內(nèi)導(dǎo)體直徑為2.6mm，外徑為9.5mm的同軸對(duì)，可寫成4×2.6/9.5。902.4.3光纜的結(jié)構(gòu)和種類（3）光纜型號(hào)例題設(shè)有金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件、自承式、鋁護(hù)套和聚乙烯護(hù)層的通信用室外光纜，包括12根芯徑/包層直徑為50/125μm的二氧化硅系列多模突變型光纖和5根用于遠(yuǎn)供及監(jiān)測(cè)的銅線徑為0.9mm的四線組，且在1.31μm波長(zhǎng)上，光纖的損耗常數(shù)不大于1.0dB/km，模式帶寬不小于800MHz·km；光纜的適用溫度范圍為?20℃～+60℃。

該光纜的型號(hào)應(yīng)表示為：

GYGZL03-12T50/125（21008）C+5×4×0.9。91 通信用光器件

92本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章內(nèi)容光源：半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管。光電檢測(cè)器：PIN和APD光電二極管。無源光器件：光連接器、光衰減器、光耦合器和光開關(guān)等。本章重點(diǎn)激光器的工作原理。光源和光電檢測(cè)器工作原理及其工作特性。無源光器件的功能及主要性能。本章難點(diǎn)發(fā)光機(jī)理。通信用光器件93學(xué)習(xí)本章目的和要求

了解半導(dǎo)體激光器的物理基礎(chǔ)。掌握半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管工作原理及其工作特性。熟悉光源的驅(qū)動(dòng)電路工作原理。掌握光電檢測(cè)器的工作原理及特性。掌握無源光器件的功能及主要性能。通信用光器件943.1光源

光源器件：光纖通信設(shè)備的核心，其作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)送入光纖。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。半導(dǎo)體激光器（LD）：適用于長(zhǎng)距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。發(fā)光二極管（LED）：適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、可靠性好。953.1.1激光器的工作原理

半導(dǎo)體激光器：是向半導(dǎo)體P-N結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩輸出激光。

1．激光器的物理基礎(chǔ)（1）光子的概念光量子學(xué)說認(rèn)為，光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.628×10?34J·s（焦耳·秒），稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。

當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。963.1.1激光器的工作原理

（2）原子能級(jí)物質(zhì)是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。原子有不同穩(wěn)定狀態(tài)的能級(jí)。最低的能級(jí)E1

稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級(jí)Ei（i=2，3，4，…）都稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子從較高能級(jí)E2躍遷至較低能級(jí)E1時(shí)，其能級(jí)間的能量差為?E=E2?E1，并以光子的形式釋放出來，這個(gè)能量差與輻射光的頻率f12之間有以下關(guān)系式

式中，h為普朗克常數(shù)，f12

為吸收或輻射的光子頻率。當(dāng)處于低能級(jí)E1

的電子受到一個(gè)光子能量?E=hf12的光照射時(shí)，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級(jí)E2

上去。光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測(cè)元件就是利用這兩種現(xiàn)象。973.1.1激光器的工作原理

（3）光與物質(zhì)的三種作用形式光與物質(zhì)的相互作用，可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，將發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種物理過程。如圖3-1所示。圖3-1能級(jí)和電子躍遷983.1.1激光器的工作原理①在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級(jí)（即基態(tài)）E1，在入射光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級(jí)（即激發(fā)態(tài)）E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收——光電檢測(cè)器。②處于高能級(jí)E2

上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)E1

上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射——發(fā)光二極管。③在高能級(jí)E2上的電子，受到能量為hf12的外來光子激發(fā)時(shí)，使電子被迫躍遷到低能級(jí)E1

上與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)與激光發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子（稱為全同光子）。由于這個(gè)過程是在外來光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，所以這種躍遷稱為受激輻射——激光器。注：受激輻射光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。993.1.1激光器的工作原理

（4）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。如設(shè)低能級(jí)上的粒子密度為N1，高能級(jí)上的粒子密度為N2，在正常狀態(tài)下，N1

＞N2，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光的放大作用。要想物質(zhì)產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即使N2

＞N1

（高能級(jí)上的電子數(shù)多于低能級(jí)上的電子數(shù)），這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大而發(fā)光的首要條件。1003.1.1激光器的工作原理

2．激光器的工作原理激光器包括以下3個(gè)部分：

必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）；

必須有能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源（泵浦源）；

必須有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。（1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。1013.1.1激光器的工作原理

（2）泵浦源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。（3）光學(xué)諧振腔激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。

1023.1.1激光器的工作原理圖3-2光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)①光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置，放置兩個(gè)反射系數(shù)分別為r1和r2的平行反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔。如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔，如圖3-2所示。對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，另一個(gè)為部分反射。1033.1.1激光器的工作原理②諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程如圖3-3所示，當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即可產(chǎn)生自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射的方向不與光學(xué)諧振腔軸線平行，就被反射出諧振腔。只有與諧振腔軸線平行的自發(fā)輻射才能存在，繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)它遇到一個(gè)高能級(jí)上的粒子時(shí)，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷，在從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)中放出一個(gè)全同的光子，為受激輻射。當(dāng)受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回反射一次，相位的改變量正好是2π的整數(shù)倍時(shí)，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強(qiáng)，產(chǎn)生諧振。達(dá)到一定強(qiáng)度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成一束筆直的激光。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量時(shí)，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。1043.1.1激光器的工作原理圖3-3激光器示意圖1053.1.1激光器的工作原理③光學(xué)諧振腔的諧振條件與諧振頻率設(shè)諧振腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則諧振腔的諧振條件為

（3-2）或 （3-3）式中，c為光在真空中的速度，λ為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的折射率，L為光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)，q=1，2，3…稱為縱模模數(shù)。諧振腔只對(duì)滿足式（3-2）的光波波長(zhǎng)或式（3-3）的光波頻率提供正反饋，使之在腔中互相加強(qiáng)產(chǎn)生諧振形成激光。1063.1.1激光器的工作原理④起振的閾值條件激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件。如以Gth表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是

（3-4）

α為光學(xué)諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)，r1，r2為光學(xué)諧振腔兩個(gè)反射鏡的反射系數(shù)。1073.1.2半導(dǎo)體激光器

用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器（LD），對(duì)LD的要求如下。①光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)符合目前光纖的三個(gè)低損耗窗口（即0.85μm、1.31μm和1.55μm）。②能夠在室溫下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。目前LD的尾纖輸出功率可達(dá)500μW～2mW；LED的尾纖輸出功率可達(dá)10μW左右。③與光纖耦合效率高。④光源的譜線寬度要窄。較好的LD的譜線寬度可達(dá)到0.1nm。⑤壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定。1083.1.2半導(dǎo)體激光器

1．半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理有兩種方式構(gòu)成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型（DFB）激光器。F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如圖3-4所示。圖3-4

半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖1093.1.2半導(dǎo)體激光器

（1）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。其核心部分是一個(gè)P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。缺點(diǎn)是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實(shí)用。（2）異質(zhì)半導(dǎo)體激光器異質(zhì)半導(dǎo)體激光器包括單異質(zhì)和雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器兩種。異質(zhì)半導(dǎo)體激光器的“結(jié)”是由不同的半導(dǎo)體材料制成的，目的是降低閾值電流，提高效率。特點(diǎn)是對(duì)電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強(qiáng)度。目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖3-5所示的銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。1103.1.2半導(dǎo)體激光器圖3-5InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu)n—InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層n—InP是襯底，頂層P+—InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。1113.1.2半導(dǎo)體激光器

（3）工作原理用半導(dǎo)體材料做成的激光器，當(dāng)激光器的P-N結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時(shí)，將使得P-N結(jié)的結(jié)區(qū)出現(xiàn)了高能級(jí)粒子多、低能級(jí)粒子少的分布狀態(tài)，這即是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這種狀態(tài)將出現(xiàn)受激輻射大于受激吸收的情況，可產(chǎn)生光的放大作用。被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的F-P光學(xué)諧振腔（諧振腔的兩個(gè)反射鏡是由半導(dǎo)體材料的天然解理面形成的）中來回反射，不斷增強(qiáng)，當(dāng)滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。1123.1.2半導(dǎo)體激光器2．半導(dǎo)體激光器的工作特性（1）發(fā)射波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放出的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式（3-1）得

hf=Eg （3-5）式中，，f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，c=3×108m/s，

h=6.628×10?34J·s，leV=1.60×10?19J為電子伏特，代入式（3-5）得

(μm) （3-6）由于能隙與半導(dǎo)體材料的成分及其含量有關(guān)，因此根據(jù)這個(gè)原理可以制成不同發(fā)射波長(zhǎng)的激光器。1133.1.2半導(dǎo)體激光器

（2）閾值特性對(duì)于LD，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，輸出光功率急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流稱為閾值電流，用Ith

表示。如圖3-6所示。閾值電流越小越好。圖3-6

典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線

1143.1.2半導(dǎo)體激光器

（3）光譜特性

LD的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。當(dāng)I＜Ith時(shí)，發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如圖3-7（a）所示。當(dāng)I＞Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖3-7（b）所示。圖3-7GaAlAs-GaAs激光器的光譜1153.1.2半導(dǎo)體激光器

隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模譜線，所對(duì)應(yīng)的光譜只有一根譜線，如圖3-8（a）所示。而在高碼速調(diào)制情況下，其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。如圖3-8（b）所示。一般，用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）。1163.1.2半導(dǎo)體激光器圖3-8GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜1173.1.2半導(dǎo)體激光器

（4）轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器的電光功率轉(zhuǎn)換效率常用微分量子效率ηd表示，其定義為激光器達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，其表達(dá)式為

（3-7）由此得（3-8）式中，P為激光器的輸出光功率；I為激光器的輸出驅(qū)動(dòng)電流，Pth為激光器的閾值功率；Ith為激光器的閾值電流；hf為光子能量；e為電子電荷?！?183.1.2半導(dǎo)體激光器

（5）溫度特性激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大，其變化情況如圖3-9所示。圖3-9

激光器閾值電流隨溫度變化的曲線1193.1.2半導(dǎo)體激光器

3．分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）

DFB-LD是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的單縱模激光器（稱為動(dòng)態(tài)單縱模激光器），即在高速調(diào)制下仍然能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的，如圖3-10所示。圖3-10DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖1203.1.2半導(dǎo)體激光器

4．量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱半導(dǎo)體激光器與一般雙異質(zhì)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很?。◣资＃?，如圖3-11所示。當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時(shí)，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。圖3-11量子阱半導(dǎo)體激光器1213.1.3發(fā)光二極管

1．LED的工作原理發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。1223.1.3發(fā)光二極管

2．LED的結(jié)構(gòu)

LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒有解理面，即沒有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。

LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-12所示。圖3-12

常用的兩類發(fā)光二極管（LED）1233.1.3發(fā)光二極管3．LED的工作特性（1）光譜特性

LED譜線寬度?λ比激光器寬得多。圖3-13是InGaAsPLED的輸出光譜。

圖3-13InGaAsPLED的發(fā)光光譜

1243.1.3發(fā)光二極管

（2）輸出光功率特性兩種類型的LED輸出光功率特性如圖3-14所示。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)，P?I曲線的線性較好；當(dāng)I過大時(shí)，由于P-N結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P?I曲線的斜率減小。圖3-14

發(fā)光二極管（LED）的P?I特性1253.1.3發(fā)光二極管

（3）溫度特性由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。（4）耦合效率由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。（5）調(diào)制特性調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型LED截止頻率為20MHz～30MHz，邊發(fā)光型LED截止頻率為100MHz～150MHz。

比較：

LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。1263.1.4半導(dǎo)體光源的應(yīng)用LED通常和多模光纖耦合，用于1.31μm或0.85μm波長(zhǎng)的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。

LD通常和單模光纖耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)。分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于1.55μm超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。1273.2光電檢測(cè)器

光電檢測(cè)器完成光/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：①在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；②具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；③具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響；④具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的不失真；⑤具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等。

目前常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。1283.2.1光電檢測(cè)器的工作原理

光電檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。光電效應(yīng)如圖3-15（a）和（b）所示。當(dāng)入射光子能量hf小于禁帶寬度Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足以下條件

hf≥Eg

（3-9）即光頻fc＜的入射光是不能產(chǎn)生光電效應(yīng)的，將fc轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)，則λc=。即只有波長(zhǎng)λ＜λc的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故λc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，又稱為截至波長(zhǎng)，相應(yīng)的fc

稱為截至頻率。1293.2.1光電檢測(cè)器的工作原理圖3-15半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)1303.2.2PIN光電二極管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，加一層輕摻雜的N型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個(gè)很寬的耗盡層，如圖3-16（a）所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-16（b）所示。圖3-16PIN光電二極管1313.2.3雪崩光電二極管

雪崩光電二極管，又稱APD（AvalanchePhotoDiode）。它不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。

1．APD的雪崩效應(yīng)

APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)；在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，獲得高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到了能量；越過禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子—空穴對(duì)；新產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子—空穴對(duì)……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。

APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測(cè)器。1323.2.3雪崩光電二極管2．APD的結(jié)構(gòu)目前APD結(jié)構(gòu)型式，有保護(hù)環(huán)型和拉通（又稱通達(dá)）型。保護(hù)環(huán)型在制作時(shí)淀積一層環(huán)形N型材料，以防止在高反壓時(shí)使P-N結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。拉通型雪崩光電二極管（RAPD）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場(chǎng)分布如圖3-17所示。圖3-17（a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-17（b）所示的是將縱向剖面順時(shí)針轉(zhuǎn)90°的示意圖。圖3-17（c）所示的是它的電場(chǎng)強(qiáng)度隨位置變化的分布圖。

APD隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長(zhǎng)區(qū)）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)）等。1333.2.3雪崩光電二極管圖3-17RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖1343.2.4光電檢測(cè)器的特性PIN管特性包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)時(shí)間和暗電流。

APD管除有上述特性外，還有雪崩倍增特性、溫度特性等。

1．PIN光電二極管的特性（1）響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。①響應(yīng)度響應(yīng)度定義（A/W） （3-10）

其中，Ip為光電檢測(cè)器的平均輸出電流，Pin為入射到光電二極管上的平均光功率。

1353.2.4光電檢測(cè)器的特性②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(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即 （3-11）其中，e為電子電荷，，hf為一個(gè)光子的能量，（3-12）式中m/s為光速，·s為普朗克常數(shù)。也就是說，光電二極管的響應(yīng)度和量子效率與入射光頻率（波長(zhǎng)）有關(guān)。圖3-18為硅APD雪崩管的量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系?！ぁ?/p>

1363.2.4光電檢測(cè)器的特性圖3-18為硅APD雪崩管的量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系。1373.2.4光電檢測(cè)器的特性

（2）響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)速度是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來表示。顯然響應(yīng)時(shí)間越短越好。（3）暗電流在理想條件下，當(dāng)沒有光照時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無光電流輸出。但是實(shí)際上由于熱激勵(lì)等，在無光情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。嚴(yán)格地說，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。暗電流會(huì)引起接收機(jī)噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。1383.2.4光電檢測(cè)器的特性

2．APD的特性

APD除了PIN的特性之外還包括雪崩倍增特性、溫度特性等。（1）倍增因子倍增因子g實(shí)際上是電流增益系數(shù)。在忽略暗電流影響的條件下，它定義為

g=I0/Ip

（3-13）

I0為有雪崩倍增時(shí)光電流平均值，Ip為無倍增效應(yīng)時(shí)光電流平均值。PIN管由于無雪崩倍增作用，所以g=1。（2）溫度特性隨著溫度的升高，倍增增益將下降。（3）噪聲特性

PIN管的噪聲，主要為量子噪聲和暗電流噪聲，APD管還有倍增噪聲。1393.3無源光器件

無源光器件是除光源器件、光檢波器件之外不需要電源的光通路部件。無源光器件可分為連接用的部件和功能性部件兩大類。連接用的部件有各種光連接器，用做光纖和光纖、部件（設(shè)備）和光纖、或部件（設(shè)備）和部件（設(shè)備）的連接。功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰減器、光開關(guān)和光隔離器等，用于