光電產(chǎn)品相關(guān)知識(shí)介紹

1、光通信用光電產(chǎn)品相關(guān)知識(shí)介紹目 錄 1 基本概念 2 關(guān)于光系統(tǒng) 3 關(guān)于光纖 4 關(guān)于光無源器件 5 關(guān)于光有源器件 6 關(guān)于組件 7 關(guān)于光模塊 8 關(guān)于光電子產(chǎn)品質(zhì)量1 基本概念1.1 光纖通信 利用光學(xué)纖維做傳輸介質(zhì)、用光作載波信號(hào)的數(shù)字通信。 光學(xué)纖維主要成分可以是二氧化硅（石英）、氟化物或塑料。1.2 模擬信號(hào) 隨消息變化、在規(guī)定時(shí)間內(nèi),幅值可以取連續(xù)范圍內(nèi)的任意數(shù)值的信號(hào)。1.3 數(shù)字信號(hào) 在時(shí)間上分離和幅值上量化的信號(hào)。1.4 時(shí)分復(fù)用 對(duì)來自不同低速率信道的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行交替排列,并使之在同一個(gè)高速通信媒體上傳輸多個(gè)信道的綜合數(shù)字信號(hào)的技術(shù)。1.5 同步傳輸模式 SDH . .

2、 . 由一些網(wǎng)絡(luò)單元（如復(fù)用器、數(shù)字交叉連接設(shè)備）組成的，在光纖上進(jìn)行同步信息傳輸、復(fù)用和交叉連接的系統(tǒng)（或網(wǎng)絡(luò)）。 . SDH的特點(diǎn)是： . . 具有全世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口和統(tǒng)一的時(shí)鐘； . 有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級(jí)，如STM-1，STM-4，STM-16,STM-64,STM-256等 ; .所有網(wǎng)絡(luò)單元都有標(biāo)準(zhǔn)光接口，從而可以在光路上互通； . . 大量采用軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理和控制，因?yàn)槠鋷Y(jié)構(gòu)中含有豐富 . （約占5%）的用于維護(hù)管理的比特1.6 有源光電子器件 內(nèi)部具有電或光作用層、能使電變?yōu)楣猓ㄈ缂す馄鳎┗蚬庾優(yōu)殡姡ㄈ缣綔y(cè)器）功能或電、光相互作用（如光調(diào)制器）的器件。1.7 無源

3、光電子器件 不必借助外部任何光或電的能量而能自身某種功能的器件，如光連接器、光衰減器、光功率分配器、光隔離器等。1.8 MQW-DFB-LD 量子阱分布反饋激光器。1.9 PIN-PD 內(nèi)部具有P型-本征-N性摻雜的半導(dǎo)體光電二極管。1.10 光模塊 由有源光電子器件、IC、無源元件（如電阻、電容、光隔離器）和光纖混合集成在一起、完成某些功能的小體積線路塊。關(guān)于光系統(tǒng)2.1 光通信簡(jiǎn)要發(fā)展歷史1966年,英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所華裔學(xué)者高錕博士和霍克海姆先生,根據(jù)介 質(zhì)波導(dǎo)理論大膽預(yù)言,如果通過雜質(zhì)提純,把玻璃(石英)光纖的傳輸損耗較 由2000dB/km降低到20dB/km,就有可能用于光通信,這

4、種預(yù)言完全為科研 進(jìn)步所證實(shí),因此人們把高錕博士稱為光纖通信之父; 1967年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室潘尼希等人發(fā)明并制作出了第一只近紅外光半 導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)AlGaAs/GaAs 激光器;同期前蘇聯(lián)約飛研究所也制作出了短波 長(zhǎng)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器. 1978年左右,武漢郵科院趙梓森院士和他的同伴們,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)拉制出了中 國(guó)第一根光纖,于是人們通常把趙梓森院士稱為中國(guó)的光纖之父。 光纖實(shí)用化.1970年,美國(guó)康寧玻璃公司研制出損耗為20dB/km的石英 光纖,1972-1973年,在0.85微米波段,光纖的損耗已下降到2dB/km. C ) 第一條光纖通信. 1976年第一條速率為44.7Mb/s 光纖通信

5、系統(tǒng)在美國(guó) 亞特蘭大的地下管道中誕生.上世紀(jì)80年代,由短波長(zhǎng)(0.85m)通信,發(fā)展到長(zhǎng)波長(zhǎng)1.31 m通信,再發(fā) 展到1.55 m通信;并在全世界范圍內(nèi)統(tǒng)一了同步傳輸體制(SDH) (這是 因?yàn)?.31 m光傳輸損耗降到0.5dB/km左右,1.55 m傳輸損耗降低到 0.2dB/km左右.上世紀(jì)90年代, 推出波分復(fù)用(WDM)和摻鉺光纖放大器,實(shí)現(xiàn)了Tb/s的 傳輸;并實(shí)現(xiàn)了傳輸速率4010Gb/S的通信,中國(guó)幾乎同步進(jìn)行.2000年左右,國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了單通道傳輸速率為40Gb/S的通信試驗(yàn); 武漢郵科院2005年通過了國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目STM-256(40Gb/S)光系統(tǒng)設(shè)備專家驗(yàn)收.2.2

6、 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)光纖通信不僅具有數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn),而且具有光纖的優(yōu)點(diǎn)。a) 光纖的帶寬大,由光纖低損耗區(qū)(1260-1360)nm,(1480-1580)nm 200nm 理論帶寬達(dá)30THz,而現(xiàn)在TDM+DWDM最大容量為11Tb/s; 光纖損耗小,在1.31m光波段,損耗約為0.35dB/km ,而在1.55m光波 段,其損耗最小可達(dá)0.18dB/km;而銅纜損耗在30-40dB/km,損耗差100倍 左右;c) 不怕電磁干擾,保密性好;因?yàn)楣饫w有很厚的包層和涂敷層;d) 光纖不怕高溫和腐蝕(與銅纜比較),壽命長(zhǎng),因?yàn)楣饫w的主要成份是SIO2e) 體積小,重量輕.光纖芯徑僅10-50 m,

7、成纜光纖直徑也僅1mm左右; 光纖原料廣泛,取之不盡,用之不竭 .2.3 各種各樣的光通信網(wǎng)絡(luò) 通過二三十年的發(fā)展，光通信系統(tǒng)發(fā)展到光網(wǎng)絡(luò)，可分為光骨干網(wǎng)（干線）、廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)和用戶接入網(wǎng)。 一個(gè)主干光通信系統(tǒng)，主要由信源和信宿、電端機(jī)（發(fā)送、接收）、光端機(jī)（發(fā)送、接收）、光纖、中繼器和無源器件組成。 在電端機(jī)（發(fā)）中要實(shí)現(xiàn)模/數(shù)變換和信源編碼，在光端機(jī)（發(fā)）中要實(shí)現(xiàn)線路編碼、擾碼和數(shù)字調(diào)制；在光端機(jī)（收）中要實(shí)現(xiàn)光接收放大和時(shí)鐘提取和判決再生。光模塊就是光端機(jī)中的關(guān)鍵部件。 信源電端機(jī)光端機(jī)(發(fā))EDFA色散補(bǔ)償光端機(jī)(收)電端機(jī)信宿3 關(guān)于光纖3.1 光纖結(jié)構(gòu) 光纖由纖芯、包層、涂敷層和

8、套塑層構(gòu)成，其示意圖如下圖所示。 其中，單模單模光纖纖芯4-9m，多模光纖纖芯50 -62.5m，包層外徑125 m，涂敷層外徑250 m ;套塑層外徑900 m 。 纖芯、包層的主要成分是二氧化硅，并摻以少量鍺、磷、硼等。 根據(jù)纖芯、包層的折射率分布，可分為階躍型和梯度（變漸）型光纖。 其折射率差在(1-5)%范圍.3.2 光纖主要特性光纖主要特性有衰減、色散和模式。衰減 由于介質(zhì)（如OH-）吸收、不均勻物質(zhì)散射和彎曲泄露，在光纖傳輸?shù)墓鈺?huì)產(chǎn)生衰減。 衰減(dB/km) 2 0.2 波長(zhǎng)(m) 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 衰減系數(shù) = (10/L) Lg (Pi / Po

9、) 對(duì)波長(zhǎng)為1310nm的光，其衰減系數(shù)為0.35dB/km；而對(duì)波長(zhǎng)1550nm的光，其衰減指標(biāo)為0.2dB/km左右。 光 纖低損耗區(qū)有兩個(gè)窗口：1260-1360nm, 1480-1580nm；b) 色散 不同波長(zhǎng)的光的傳播速度和路徑與折射率緊密相關(guān)，從而分開的現(xiàn)象，就是色散。如夏天雨后彩虹、三棱鏡分色，示意圖如下： 1、 2、。 n 1 2 含有一定光譜寬度的光束在光纖中傳播時(shí)也會(huì)產(chǎn)生色散，從而導(dǎo)致脈沖信號(hào)展寬，引起碼間干擾,示意圖如下： C ) 模式 光是電磁場(chǎng),光在光纖中傳輸可用麥克思韋電磁場(chǎng)理論來進(jìn)行分析。 光在光纖中傳輸時(shí)不僅應(yīng)滿足麥克思韋方程,而且受邊界條件的限制,于是在光纖

10、中只可能存在某些穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布,而不是任意的電磁場(chǎng)分布。 所謂光纖模式就是穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布. 在單模光纖中，由于芯徑小,只可能存在一個(gè)模式,如右該模式稱為單橫模。. 在多模光纖中，由于芯徑大,可存在多橫模，如圖：4.1 種類 4 光通信用光無源器件 光通信用光無源器件品種、規(guī)格很多，它們起著光纖接續(xù)、聚光和準(zhǔn)直、衰減、功率分配、波長(zhǎng)分配、光學(xué)隔離、色散補(bǔ)償、開關(guān)等作用。其主要種類有： a) 光連接器(包括光纖跳線) b) 光衰減器 c) 光耦合器(包括分光片） d) 光隔離器 e) 波分復(fù)用器 f) 光調(diào)制器 9) 色散補(bǔ)償器 h) 光開關(guān) i) 微光透鏡/光準(zhǔn)直器(GRIN)4.2 幾種主

11、要的活動(dòng)光連接器 .FC型系列連接器 FC型連接器是一種用螺紋連接、外部零件采用金屬材料制作的連接器，其插針主要有PC型、APC型兩種，即FC/PC、FC/APC。 FC/APC主要用于高速、長(zhǎng)途干線系統(tǒng)的光纖連接。b) SC型連接器 SC型連接器與FC型連接器的插針和套筒完全一樣，但外殼采用塑料制 作，采用矩形結(jié)構(gòu)，便于密集安裝，可直接插拔，且可做成多芯連接， 如兩芯、四芯。其插針主要也有PC型、APC型兩種。 SC型連接器示意圖如下所示。C) ST型連接器 ST型連接器采用帶鍵的卡口式鎖緊機(jī)構(gòu),使其連接時(shí)能準(zhǔn)確對(duì)中。其插頭示意圖如下所示。 還有其它規(guī)格和種類型的連接器, 如LC型、MU-R

12、J型連接器等；這些連接器有的用量比較小，有的正在發(fā)展之中。5 關(guān)于光有源器件5.1 定義和分類 光有源器件指的是光電子器件。 光電子器件是指具有把光轉(zhuǎn)變?yōu)殡姡ㄈ绻馓綔y(cè)器）或把電轉(zhuǎn)變?yōu)楣猓ㄈ绨l(fā)光管、激光器）功能的單個(gè)獨(dú)立的半導(dǎo)體器件。 光電子器件可分為光發(fā)射器件和光探測(cè)器件兩大類。 光發(fā)射器件可分為一般發(fā)光管、超輻射發(fā)光管和激光器； 光探測(cè)器件可分為PIN型光電二極管和雪崩光電二極管。 5.2 激光器主要類別和基本結(jié)構(gòu) 由于材料、波長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)、性能、電極形式、發(fā)射方式等不同，激光器有很多種類。 從諧振腔結(jié)構(gòu)分類，可分為F-P 腔激光器和分布反饋激光器； 從光發(fā)射方式分類，可分為側(cè)面出光和正面出光（

13、VCSEL）激光器。一個(gè)側(cè)面出光的F-P 激光器管芯基本結(jié)構(gòu)如下所示。 量子阱分布反饋激光器具有閾值電流小、光譜窄、輸出功率大、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)，是高速 直接調(diào)制激光器優(yōu)選的光發(fā)射器件，其示意圖如下。 5.3 激光器主要性能A 光功率-電流-電壓（P-I-V）特性與閾值電流： P-I-V特性 激光器組件的P-I-V特性是指，激光器輸出光功率、正向注入電流以及正向電壓之間的關(guān)系曲線。其典型曲線如下圖所示。 P(Mw)、 V P-I 5 I-V 1.5 I(mA) 12 B 光譜特性 .激光器光譜特性如下所示。.5.4 探測(cè)器主要類別和基本結(jié)構(gòu) . 由于材料、結(jié)構(gòu)、性能、發(fā)射方式等不同，探測(cè)器有很

14、多種類。 從內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如摻雜、倍增層）分類，可分為PIN型光電二極管和雪崩光電二極管（APD）； 從光入射方式分類，可分為正面進(jìn)光和側(cè)面近光探測(cè)器。 一個(gè)正面進(jìn)光的平面PIN 光探測(cè)器管芯結(jié)構(gòu)如下所示?？?反 射 膜光電 極(n)PNE電 極5.5 光探測(cè)器主要光電特性 主要光譜特性有：光響應(yīng)范圍、P-V-I曲線、光響應(yīng)度、帶寬（響應(yīng)速率）、暗電流等。 PIN光探測(cè)器的P-V-I曲線示意圖如下所示。 I V 6 關(guān)于組件光通信用光電子產(chǎn)品分類 根據(jù)信號(hào)傳輸方式不同，可分為數(shù)字（信號(hào)）產(chǎn)品、模擬（信號(hào)）產(chǎn)品； 根據(jù)用途不同，可分為SDH網(wǎng)用產(chǎn)品、接入網(wǎng)用產(chǎn)品（包括有線和無線接入網(wǎng)，如CDMA、突發(fā)式光模塊）、CATV網(wǎng)用產(chǎn)品、以太網(wǎng)用產(chǎn)品； 模擬 SDH 產(chǎn)品 FTTH（包括CATV） 數(shù)字 以太網(wǎng) 根據(jù)功能特點(diǎn)，可分為光發(fā)射組件和模塊、光接收組件和模塊、光放大模塊（如EDFA）和光調(diào)制器；（ 根據(jù)光譜和光功率特點(diǎn)，光發(fā)射器件又可分為激光器、超輻射發(fā)光管（或激發(fā)管）、發(fā)光管；） 根據(jù)傳輸速率，可分為155Mb/s以下速率、（155-622）Mb/s速率、 （1.25-2.5-3