光通信技术 教学课件 作者 韩太林 第2章.pptx

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1、第2章通信用光源【知识要点】光源是光发射机的主要器件，主要功能是实现信号的电—光转换；光检测器位于光接收机内，主要功能是实现信号的光—电转换，不同的光纤通信系统对于光电探测器的要求不同。通过本章的学习使读者了解光纤通信系统所使用的光有源器件的基本要求、类型及在系统中的应用，重点掌握半导体光源的发光机理，半导体激光器的工作原理和特性。光源是光纤传输系统中的重要器件。它的作用是将电数字脉冲信号转换为光数字脉冲信号并将此信号送入光纤线路进行传送。目前，光纤通信系统中普遍采用的两大类光源是激光器（LaserDiode，LD）与发光管（Light

2、EmittingDiode，LED）。在高速率、远距离传输系统中均采用光谱宽度很窄的分布反馈式激光器（DFB）和多量子阱激光器（MQW）。在采用多模光纤的数据网络中，现在使用了新型的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。光纤通信系统所采用的光接收器件叫做光探测器，其作用是把接收到的光信号转换为电信号。光电探测器决定着整个信息系统的灵敏度、带宽及适应性。因而，不同的光纤通信系统对于光电探测器有不同的要求。归纳起来，主要有以下几点。1）在光纤通信所用的波长内，要有足够的灵敏度。2）要有足够的带宽，即对光信号有快速的响应能力。3）在对光信号解调的

3、过程中引入的噪声要小。4）光电探测器要体积小，使用方便，可靠性要高。5）可低功率工作，不需要过高的偏压或偏流。2.1光源性能的基本要求与类型2.1.1光纤通信对光源性能的基本要求（1）发光波长与光纤的低衰减窗口相符石英光纤的衰减—波长特性上有三个低衰耗的“窗口”，即850nm附近、1310nm附近和1550nm附近。因此，光源的发光波长应与这三个低衰减窗口相符。AlGaAs-GaAs激光二极管和发光二极管可以工作在850nm左右，InGaAsP-InP激光二极管和发光二极管可以覆盖1310nm和1550nm两个窗口。（2）足够的光输出功

4、率在室温下能长时间连续工作的光源，必须按光通信系统设计的要求，能提供足够的光输出功率。以单模光源为例，目前激光二极管能提供500μW～2mW的输出光功率（指尾纤输出，下同）；发光二极管可输出10μW左右的输出光功率。为了适应中等距离（如10～25km）传输要求，有的厂家研制出了输出光功率为100～300μW左右的小功率激光器。（3）可靠性高、寿命长光纤通信系统一旦连接进网，就必须连续工作，不允许中断，因此要求光源必须可靠性高，寿命长。初期激光二极管的寿命只有几分钟，是无法使用的。现在的激光二极管寿命已达百万小时以上，这对多中继的长途系统

5、来说是非常必要的。例如，北京到武汉约1000km，若平均50km设一个中继站，单系统运行（无备用系统），则全程不少于40只激光二极管。若每只二极管的平均寿命为100×104h，则从概率统计的角度每2.5×104h（相当于2.8年）就可能出现一次故障。（4）温度稳定性好光源的工作波长和输出光功率都与温度有关，温度变化会使光通信系统工作不稳定甚至中断，因此希望光源有较好的温度特性。目前较好的激光二极管已经不再需要用致冷器和ATC电路来保持工作温度恒定，只需有较好的散热器即可稳定工作。（5）光谱宽度窄由于光纤有色散特性，使较高速率信号的传输距

6、离受到一定限制。若光源谱线窄，则在同样条件下的无中继传输距离就长。例如，单模155Mbit/s系统要求无再生传输全程总色散为300ps/（nm·km），当采用普通单模光纤工作在1550nm窗口时，是一个色散限制系统。这时光纤色散约为18～20ps/（nm·km）。如果光源谱宽为1nm，只能传输17km左右；若光源谱宽为0.2nm时，传输距离可达80km以上。目前较好的激光二极管谱宽已可做到＜0.1nm。（6）调制特性好光源调制特性要好，即有较高的调制效率和较高的调制频率，以满足大容量高速率光纤通信系统的需要。（7）与光纤的耦合效率高光源

7、发出的光最终要耦合进光纤才能进行传输，因此希望光源与光纤有较高的耦合效率，使入纤功率大，中继间距加大。目前一般激光二极管的耦合效率为20％～30％。较高水平的耦合效率可超过50％。（8）尺寸小、重量轻通信用光源必须尺寸小，重量轻，便于安装使用，利于减小设备的重量与体积。2.1.2一般光源的类型与应用特点目前，光纤通信使用的光源均为半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。半导体光源最突出的优点是其工作波长可以对准光纤的低损耗、低色散窗口，此外它们还具有体积小、功耗低、易于实现内调制等特点，因而特别适用于光纤通信。半导体光源也存在非常突

8、出的缺点，包括输出功率小、热稳定性差、远场发散角大。所谓远场发射角大，是指半导体光源发出的激光功率（与其他激光器相比）不够集中，大致分布在30°左右的立体角内，因而有相当一部分光功率不能耦合进光纤，这一部分