光电产品相关知识介绍

1、光通信用光电产品相关知识介绍目 录 1 基本概念 2 关于光系统 3 关于光纤 4 关于光无源器件 5 关于光有源器件 6 关于组件 7 关于光模块 8 关于光电子产品质量1 基本概念1.1 光纤通信 利用光学纤维做传输介质、用光作载波信号的数字通信。 光学纤维主要成分可以是二氧化硅（石英）、氟化物或塑料。1.2 模拟信号 随消息变化、在规定时间内,幅值可以取连续范围内的任意数值的信号。1.3 数字信号 在时间上分离和幅值上量化的信号。1.4 时分复用 对来自不同低速率信道的数字信号进行交替排列,并使之在同一个高速通信媒体上传输多个信道的综合数字信号的技术。1.5 同步传输模式 SDH . .

2、 . 由一些网络单元（如复用器、数字交叉连接设备）组成的，在光纤上进行同步信息传输、复用和交叉连接的系统（或网络）。 . SDH的特点是： . . 具有全世界统一的网络节点接口和统一的时钟； . 有一套标准化的信息结构等级，如STM-1，STM-4，STM-16,STM-64,STM-256等 ; .所有网络单元都有标准光接口，从而可以在光路上互通； . . 大量采用软件进行网络管理和控制，因为其帧结构中含有丰富 . （约占5%）的用于维护管理的比特1.6 有源光电子器件 内部具有电或光作用层、能使电变为光（如激光器）或光变为电（如探测器）功能或电、光相互作用（如光调制器）的器件。1.7 无源

3、光电子器件 不必借助外部任何光或电的能量而能自身某种功能的器件，如光连接器、光衰减器、光功率分配器、光隔离器等。1.8 MQW-DFB-LD 量子阱分布反馈激光器。1.9 PIN-PD 内部具有P型-本征-N性掺杂的半导体光电二极管。1.10 光模块 由有源光电子器件、IC、无源元件（如电阻、电容、光隔离器）和光纤混合集成在一起、完成某些功能的小体积线路块。关于光系统2.1 光通信简要发展历史1966年,英国标准电信研究所华裔学者高锟博士和霍克海姆先生,根据介 质波导理论大胆预言,如果通过杂质提纯,把玻璃(石英)光纤的传输损耗较 由2000dB/km降低到20dB/km,就有可能用于光通信,这

4、种预言完全为科研 进步所证实,因此人们把高锟博士称为光纤通信之父; 1967年,美国贝尔实验室潘尼希等人发明并制作出了第一只近红外光半 导体异质结AlGaAs/GaAs 激光器;同期前苏联约飞研究所也制作出了短波 长半导体异质结激光器. 1978年左右,武汉邮科院赵梓森院士和他的同伴们,在实验室内拉制出了中 国第一根光纤,于是人们通常把赵梓森院士称为中国的光纤之父。 光纤实用化.1970年,美国康宁玻璃公司研制出损耗为20dB/km的石英 光纤,1972-1973年,在0.85微米波段,光纤的损耗已下降到2dB/km. C ) 第一条光纤通信. 1976年第一条速率为44.7Mb/s 光纤通信

5、系统在美国 亚特兰大的地下管道中诞生.上世纪80年代,由短波长(0.85m)通信,发展到长波长1.31 m通信,再发 展到1.55 m通信;并在全世界范围内统一了同步传输体制(SDH) (这是 因为1.31 m光传输损耗降到0.5dB/km左右,1.55 m传输损耗降低到 0.2dB/km左右.上世纪90年代, 推出波分复用(WDM)和掺铒光纤放大器,实现了Tb/s的 传输;并实现了传输速率4010Gb/S的通信,中国几乎同步进行.2000年左右,国际上实现了单通道传输速率为40Gb/S的通信试验; 武汉邮科院2005年通过了国家攻关项目STM-256(40Gb/S)光系统设备专家验收.2.2

6、 光纤通信的优点光纤通信不仅具有数字通信的优点,而且具有光纤的优点。a) 光纤的带宽大,由光纤低损耗区(1260-1360)nm,(1480-1580)nm 200nm 理论带宽达30THz,而现在TDM+DWDM最大容量为11Tb/s; 光纤损耗小,在1.31m光波段,损耗约为0.35dB/km ,而在1.55m光波 段,其损耗最小可达0.18dB/km;而铜缆损耗在30-40dB/km,损耗差100倍 左右;c) 不怕电磁干扰,保密性好;因为光纤有很厚的包层和涂敷层;d) 光纤不怕高温和腐蚀(与铜缆比较),寿命长,因为光纤的主要成份是SIO2e) 体积小,重量轻.光纤芯径仅10-50 m,

7、成缆光纤直径也仅1mm左右; 光纤原料广泛,取之不尽,用之不竭 .2.3 各种各样的光通信网络 通过二三十年的发展，光通信系统发展到光网络，可分为光骨干网（干线）、广域网、局域网和用户接入网。 一个主干光通信系统，主要由信源和信宿、电端机（发送、接收）、光端机（发送、接收）、光纤、中继器和无源器件组成。 在电端机（发）中要实现模/数变换和信源编码，在光端机（发）中要实现线路编码、扰码和数字调制；在光端机（收）中要实现光接收放大和时钟提取和判决再生。光模块就是光端机中的关键部件。 信源电端机光端机(发)EDFA色散补偿光端机(收)电端机信宿3 关于光纤3.1 光纤结构 光纤由纤芯、包层、涂敷层和

8、套塑层构成，其示意图如下图所示。 其中，单模单模光纤纤芯4-9m，多模光纤纤芯50 -62.5m，包层外径125 m，涂敷层外径250 m ;套塑层外径900 m 。 纤芯、包层的主要成分是二氧化硅，并掺以少量锗、磷、硼等。 根据纤芯、包层的折射率分布，可分为阶跃型和梯度（变渐）型光纤。 其折射率差在(1-5)%范围.3.2 光纤主要特性光纤主要特性有衰减、色散和模式。衰减 由于介质（如OH-）吸收、不均匀物质散射和弯曲泄露，在光纤传输的光会产生衰减。 衰减(dB/km) 2 0.2 波长(m) 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 衰减系数 = (10/L) Lg (Pi / Po

9、) 对波长为1310nm的光，其衰减系数为0.35dB/km；而对波长1550nm的光，其衰减指标为0.2dB/km左右。 光 纤低损耗区有两个窗口：1260-1360nm, 1480-1580nm；b) 色散 不同波长的光的传播速度和路径与折射率紧密相关，从而分开的现象，就是色散。如夏天雨后彩虹、三棱镜分色，示意图如下： 1、 2、。 n 1 2 含有一定光谱宽度的光束在光纤中传播时也会产生色散，从而导致脉冲信号展宽，引起码间干扰,示意图如下： C ) 模式 光是电磁场,光在光纤中传输可用麦克思韦电磁场理论来进行分析。 光在光纤中传输时不仅应满足麦克思韦方程,而且受边界条件的限制,于是在光纤

10、中只可能存在某些稳定的电磁场分布,而不是任意的电磁场分布。 所谓光纤模式就是稳定的电磁场分布. 在单模光纤中，由于芯径小,只可能存在一个模式,如右该模式称为单横模。. 在多模光纤中，由于芯径大,可存在多横模，如图：4.1 种类 4 光通信用光无源器件 光通信用光无源器件品种、规格很多，它们起着光纤接续、聚光和准直、衰减、功率分配、波长分配、光学隔离、色散补偿、开关等作用。其主要种类有： a) 光连接器(包括光纤跳线) b) 光衰减器 c) 光耦合器(包括分光片） d) 光隔离器 e) 波分复用器 f) 光调制器 9) 色散补偿器 h) 光开关 i) 微光透镜/光准直器(GRIN)4.2 几种主

11、要的活动光连接器 .FC型系列连接器 FC型连接器是一种用螺纹连接、外部零件采用金属材料制作的连接器，其插针主要有PC型、APC型两种，即FC/PC、FC/APC。 FC/APC主要用于高速、长途干线系统的光纤连接。b) SC型连接器 SC型连接器与FC型连接器的插针和套筒完全一样，但外壳采用塑料制 作，采用矩形结构，便于密集安装，可直接插拔，且可做成多芯连接， 如两芯、四芯。其插针主要也有PC型、APC型两种。 SC型连接器示意图如下所示。C) ST型连接器 ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构,使其连接时能准确对中。其插头示意图如下所示。 还有其它规格和种类型的连接器, 如LC型、MU-R

12、J型连接器等；这些连接器有的用量比较小，有的正在发展之中。5 关于光有源器件5.1 定义和分类 光有源器件指的是光电子器件。 光电子器件是指具有把光转变为电（如光探测器）或把电转变为光（如发光管、激光器）功能的单个独立的半导体器件。 光电子器件可分为光发射器件和光探测器件两大类。 光发射器件可分为一般发光管、超辐射发光管和激光器； 光探测器件可分为PIN型光电二极管和雪崩光电二极管。 5.2 激光器主要类别和基本结构 由于材料、波长、结构、性能、电极形式、发射方式等不同，激光器有很多种类。 从谐振腔结构分类，可分为F-P 腔激光器和分布反馈激光器； 从光发射方式分类，可分为側面出光和正面出光（

13、VCSEL）激光器。一个侧面出光的F-P 激光器管芯基本结构如下所示。 量子阱分布反馈激光器具有阈值电流小、光谱窄、输出功率大、温度特性好等优点，是高速 直接调制激光器优选的光发射器件，其示意图如下。 5.3 激光器主要性能A 光功率-电流-电压（P-I-V）特性与阈值电流： P-I-V特性 激光器组件的P-I-V特性是指，激光器输出光功率、正向注入电流以及正向电压之间的关系曲线。其典型曲线如下图所示。 P(Mw)、 V P-I 5 I-V 1.5 I(mA) 12 B 光谱特性 .激光器光谱特性如下所示。.5.4 探测器主要类别和基本结构 . 由于材料、结构、性能、发射方式等不同，探测器有很

14、多种类。 从内部结构（如掺杂、倍增层）分类，可分为PIN型光电二极管和雪崩光电二极管（APD）； 从光入射方式分类，可分为正面进光和侧面近光探测器。 一个正面进光的平面PIN 光探测器管芯结构如下所示。抗 反 射 膜光电 极(n)PNE电 极5.5 光探测器主要光电特性 主要光谱特性有：光响应范围、P-V-I曲线、光响应度、带宽（响应速率）、暗电流等。 PIN光探测器的P-V-I曲线示意图如下所示。 I V 6 关于组件光通信用光电子产品分类 根据信号传输方式不同，可分为数字（信号）产品、模拟（信号）产品； 根据用途不同，可分为SDH网用产品、接入网用产品（包括有线和无线接入网，如CDMA、突发式光模块）、CATV网用产品、以太网用产品； 模拟 SDH 产品 FTTH（包括CATV） 数字 以太网 根据功能特点，可分为光发射组件和模块、光接收组件和模块、光放大模块（如EDFA）和光调制器；（ 根据光谱和光功率特点，光发射器件又可分为激光器、超辐射发光管（或激发管）、发光管；） 根据传输速率，可分为155Mb/s以下速率、（155-622）Mb/s速率、 （1.25-2.5-3