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第五章 光功率发射和耦合

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第5章 无源光器件和WDM技术

第5章 无源光器件和WDM技术
l cos 2 l AB BC l 2l cos cos cos
相位差为

2 l n

当相位差为2的整数倍时，所有的透射波 同相相长，形成强的输出光束，对应的透 射波长为 2nl cos
T
m
m = 1，2，3，…
5.3.6 光栅
光栅形状
基本的光栅方程可以表示为 k b(sin in sin d ) k = 1，2，3，…
非线性环路镜的典型结构
输出光功率随输入功率的变化
非线性环路镜可以采用多种不同的结构， 实现不同的目的,下图为改进的非线性环路 镜
非线性环路镜可以用于不同的系统中，实 现不同的目的 下图为NOLM可以作为一个光逻辑与门， 在光时分复用（OTDM）系统中实现解复 用的功能
5.3 光学无源器件
5.3.1 偏振分束器
33阵列阵列波导光栅型复波导光栅型复用用解复用器解复用器阵列波导光栅型arrayedwavequidegratingawg复用解复用器的原理结构和输出特性随着复用波长数的不断增加一种称为波长交织器的复用解复用器问世这种器件是一种梳状滤波器可以对信号的频谱进行梳理和交织也称为光数字波分复用器5555光开关是构成光网络中光交叉连接oxc和光分插复用oadm设备的核心器件也是光网络实现保护倒换的必需器件其主要性能除了插入损耗隔离度开关速度和偏振敏感性等外还有消光比和阻塞性质消光比是指开关on和off时输出功率之比常用db表示阻塞性质是指任一输入端的信号能否在任意时刻接通到任意输出端的性质55
5.5 光 开 关
光开关是构成光网络中光交叉连接（OXC） 和光分插复用（OADM）设备的核心器件， 也是光网络实现保护倒换的必需器件，其 主要性能除了插入损耗、隔离度、开关速 度和偏振敏感性等外，还有消光比和阻塞 性质 消光比是指开关on和off时输出功率之比 （常用dB表示），阻塞性质是指任一输入 端的信号能否在任意时刻接通到任意输出 端的性质

005-激光器驱动电路的基本原理PPT课件

005-激光器驱动电路的基本原理PPT课件
B: 在任何工作状态下，对电路的供电电流都是稳定的， 减少由于供电电流不稳定带来的问题；
C: 对调制电流的控制，可以通过控制电流元的电路完 成，简单可靠，注意，我们对激光管的调制，关注的要 点都是电流；
9
调制电路：假负载的作用
假负载（DUMMY LOAD)的存在是为了保证差分电流驱动电路的两端的负 载一致，稳定工作； 假负载可以用一个二极管+电阻来模拟激光管，也可以简单的用一个电阻 来模拟激光管，甚至有时候被直接连接到VCC 这几种用法在实际的设计中，都有会看到；
23
自动功率控制电路：APC电路的重要性
根本的原因：激光器有明显的温度特性，并且会明显的老化； APC电路的基本原理：通过一个几乎没有温度特性、几乎不会老 化、并且和激光器耦合效率非常稳定的光电二极管来监视激光器 的发射光功率，自动调整偏置电流，保持激光器发射光功率稳定 阈值：和温度和工作时间有关系； 发光效率：和温度和工作时间有关系；
31
自动功率控制电路：总结
在通常的生产中，采用SINGLE LOOP的APC环路，加上调制电流温度补 偿机制，基本上可以获得比较理想的结果；
32
激光器EOL指示电路
比较器用于判断APC环路时候已经无法维持发射光功率 EOL：END OF LIFE
33
典型的驱动电路举例：1-2G差分驱动
34
典型的驱动电路举例：10G差分驱动
最基本的道理总结起来： 如果传输介质是均匀的，即阻抗 一致，就不会有反射；
如果终点是开路，会产生一个同 相同幅度的反射波
如果终点是短路，会产生一个反 相同幅度的反射波
13
驱动器和激光管的连接
14
驱动器和激光管的连接
在远端观察到的实际信号

华中科大光纤通信Chapter_5_Lightwave_Systems-2

华中科大光纤通信Chapter_5_Lightwave_Systems-2

光发射机
N
复用器解Biblioteka 用器N光接收机•波长稳定、窄线宽 •高速、小啁啾调制
增益平坦、宽带、较高输出功率
•高灵敏度 •宽动态范围
关键器件与关键技术
复用/解复用器 光发射机 光放大器（EDFA）
关键器件与关键技术
1、复用/解复用器
功用：
在波分复用（WDM）系统中，将不同波长的光 信 号复合注入到一根光纤（复用），或者相反地把复合的 不同波长信号分离开来（解复用） 类型：
DFB-LD组件
温控电路
波长反馈控制
采用介质膜滤波片的波长锁定
温度传感器 激光器管芯 0激光输出
TEC温度控制器
TEC温度 控制电路
V
V 0+ 0-
V
0
0-
0
0+
波长
关键器件与关键技术
复用/解复用器
光发射机
光放大器(EDFA,SOA,RA)
EDFA
Gain Flattening
Passive equalization
Pre-equalize the input signal
Add dopant: fluoride based EDFA
Broadband filter Hybrid pump
Active equalization
PT
Prec
MS CL
f
con
L
P T P rec CL M s

信道总损耗：
系统裕量
CL f L con splice
对发射（发射功率）、传输（传输损耗）和接收（接收灵敏度）进行功率预算
上升时间预算

第五章 集成光无源器件

第五章 集成光无源器件

第五章 集成光无源器件
5.1 基本元件
5.1.1 定向耦合器及分支波导 1、定向耦合器 2、分支波导 5.1.2 透镜 1、模折射率透镜 2、短程透镜 3、折射和衍射微透镜 4、微透镜阵列在集成光学中的应用
5.1.1 定向耦合器及分支波导
目前常用的是光纤耦合器（Coupler）又称分支器（Splitter）， 是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属於光无源元件领域， 在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到， 与光纤连接器分列无源元件中使用最大项的。 光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位1×2，亦即将光讯号分 成两个功率）、星状／树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属 高密度分出，即波长间距窄，则属於DWDM）。 制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（Micro Optics）、光波导 式（Wave Guide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90％）
偏振分束器（PBS）
• 作用：用于组合或分开偏振态相互垂直的 TE和TM模式 • 原理：
2、分支（功分）波导
• 零间隙定向耦合 • 过渡锥形波导作用
– 降低反射 – 降低辐射损耗
1：2功分器 锥角~几%---十几% 分支臂夹角同上 波导宽度~几m 损耗~1dB
过渡锥形波导
5.1.2 透镜
傅里叶变换 透镜 聚集成像---聚焦、发散、扩束、准直，， 模折射率透镜 短程透镜 微透镜---直径10m~1mm
5.2.1 电光开关和电光调制器
• 原理---一致 • 区别---光转换速度：开关 ---慢（ms)，调制器---快 （ps) • 主要参数 –调制深度（消光比）
I I0 / I0 , I0 Im t I I0 / Im , Im I0

第五章 无源光器件

第五章 无源光器件

∆n( E ) ∝ γE + ξE
2
Optical fiber Principle and Application 5-8
γE ξE
2
谱克尔电光效应 γ 线性电光系数 克尔电光效应
ξ二次电光系数
线性电光效应所需的电压比克尔效应要低一些
C.铌酸锂晶体（ C.铌酸锂晶体（LiNbo3）的谱克尔效应 铌酸锂晶体
∆n
n n = − ∆η = − γE 2 2
3
3
Optical fiber Principle and Application 5-9
Δn(E)也是外加电场的线性函数,当信号电场E改变时,介质 的折射 n(E)也是外加电场的线性函数,当信号电场E改变时, 也是外加电场的线性函数 随之线性变化,从而实现对光的调制。 率n随之线性变化,从而实现对光的调制。 二. 相位调制器
Optical fiber Principle and Application 5-1
光无源器件（参见P.57） 第五章 光无源器件（参见 ）
第一节 光无源元件的结构形式 第二节 光纤的连接损耗与光纤连接器 第三节 光波导的横向耦合与耦合器 第四节 光调制器 第五节 其他无源器件
Optical fiber Principle and Application 5-2
n( E ) =
1 3 n + ∆n = n − rn E 2
当光波通过此晶体时 , 经受的相位变化为 :
ϕ = k 0 n ( E ) L = ϕ (0) − π
rn 3 LE
λ0
L调制器的长度 , λ 0 波长 , ϕ (0) = 2πnL / λ 0 未加电压时的相位 变化
Optical fiber Principle and Application 5-11

光子学-第五章-光波导与光纤

光子学-第五章-光波导与光纤
其中 00 c2 0 8.8541012 f / m, 0 4 107 h / m ,
200


/ c2

k
2 0
,
n2 (n为介质折射率)
k 2
200


k
2 0
n2
2019/5/17
3
波导模式
A B coshd
由TE模的第二式得
Hz

ipA exp

p x
d i z
x d
Hz

ipB sinhxexp i z

由 H z的连续性则导出：
pA hBsinhd
x d
从上两式就得到本征值方程： pd hd tanhd （3）
则第一个本征值(TE)：h = 1.278 x 106
(m-1), p = 4.239 x 106 (m-1)。
由 2 h2 k02n22 及由此式构成的三角
形可求出：
1 1.4834 10 7（m1 )
另一导模请自行求之。
1 4.92 0
2019/5/17
19
3 非对称波导中的波导模
• 非对称波导 折射率
n2 > n3 > n1，
传播常数 k0n3 k0n2
• TE 简谐模的波动方程为：


2 E y j (x, y, z) 200n j 2 Ey j 0 j = 1,2,3
（7）
• 令 / y 0 , 在 z 方向的波
Eyj (x, z) Eyj (x, z)ei z
F
(ht)

光纤通信课后习题解答第5章光源与光发送机习题解答

光纤通信课后习题解答第5章光源与光发送机习题解答

光纤通信课后习题解答第5章光源与光发送机习题解答98 习题解答1、比较LED 和LD ，并说明各自适应的工作范围。

答：LED 的发射光功率比LD 要小，不适合长距离系统；LED 的光谱宽度比LD 大得多，不适合长距离系统；LED 的调制带宽比LD 小得多，不适合长距离系统；LED 的温度特性比LD 好得多。

所以，LED 适应于短距离小容量光纤通信系统，而LD 适应于长距离大容量光纤通信系统。

2、试说明LED 的工作原理。

答：当给LED 外加合适的正向电压时，Pp 结之间的势垒（相对于空穴）和Np 结之间的势垒（相对于电子）降低，大量的空穴和电子分别从P 区扩散到p 区和从N 区扩散到p 区（由于双异质结构，p 区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P 区和N 区），在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其它衰减而产生自发辐射的光输出。

3、试说明LD 的工作原理。

答：当给LD 外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放大（其余自发辐射光子均被衰减掉），直至传播到高反射率界面由被反射回有源层，再次向另一个方向传播受激辐射放大。

如此反复，直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。

4、为什么应用单纵模LD 光纤通信系统的传输速率远大于使用LED 光纤通信系统的传输速率？答：因为单纵模LD 的谱线宽度比LED 的谱线宽度小得多，单纵模LD 的调制带宽比LED 的调制带宽大得多，所以单纵模LD 光纤通信系统的传输速率远大于使用LED 光纤通信系统的传输速率。

5、若激光物质的禁带宽度为0.8eV 。

试问该激光物质所能辐射的光波长是多少？答：=1.24/0.85=1.55 6、光与物质的相互作用有哪几种方式？答：光与物质的相互作用时，存在自发辐射、受激辐射及受激吸收三种基本过程。

光电耦合器工作原理

光电耦合器工作原理

光电耦合器工作原理光电耦合器（Optocoupler）是一种能够将电气信号与光信号进行隔离、耦合、转换的光电器件，它通常由发光二极管、光敏三极管及驱动电路组成。

在工业自动化控制系统中，光电耦合器广泛应用于数字程控系统、微电子线路、电测量和改善系统隔离等领域。

本文将从光电耦合器的结构、工作原理、分类和性能等方面进行介绍。

一、光电耦合器的结构光电耦合器的结构大致可以分为两种类型：输出型光电耦合器和输入型光电耦合器。

输出型光电耦合器由发光二极管、光敏三极管和输出端组成。

输入型光电耦合器则由输入端、发光二极管和光敏三极管组成。

输出型光电耦合器：发光二极管通过正向偏置一定电压，使其在正向电压下发出光信号。

而光敏三极管则是在其基底注入正电荷后，即在其发射极和基极之间增加一个反向电压与光电流流经相对应的集电电流。

输出端则是将光敏三极管的集电极输出作为信号，进行信号隔离和转换。

输入型光电耦合器：输入段的照明器（发光二极管）处于正偏压下，由外界电源向发光二极管注入电流，从而使其发射出一定的光信号。

而光敏三极管则处于反向偏置下，当其光电流增加时，通过反向放大作用，将电流的放大器收集，并将其分配到输出端。

二、光电耦合器的工作原理光电耦合器的原理是通过光信号的转换，将输入信号和输出信号进行隔离。

它包含两个部分：发光二极管和光敏三极管。

光敏三极管通过接收到的光信号将其转换为电信号，然后经过输出端向外输出。

在输出时，通过封闭驱动电路至光敏三极管的输入端，可以有效地保证电信号不会进入输出端，从而实现信号与环境之间的隔离联系。

三、光电耦合器的分类光电耦合器不仅按照结构分类，还可以按照其工作方式进行分类。

按照工作方式，光电耦合器可以分为直流型、交流型和数码型三种。

直流型光电耦合器：它能正常工作于直流信号的传输，但在传输过程中会产生一些相关噪声。

直流型光电耦合器还有一个优点就是其具有隔离性能，能够对系统外界的电磁干扰提供较好的保护。

光纤通信原理第五章1 无源光器件和WDM技术

光纤通信原理第五章1 无源光器件和WDM技术
波长，每一波长有一个相移Δθi=2πneff ΔL/ λi。此外，
每一波长在输入和输出耦合器中受到相移。结果是一个波 长的每一空间分量受到不同的相移，并在输出耦合器中相 互干涉，形成一系列最大光强，它们的方向取决于波长值。
1 .... 5
Input fibre
Constant path difference = between waveguides
P0
P1
P2
P1 = P0 cos2(Kz)
P2 = P0 sin2(Kz)
K是耦合系数，和耦合区的长度、光纤的半 径及光波长有关； z是耦合区长度。
插入损耗：L=10log[P1/(P3+P2)] (dB) 分光比： R=P2/（P3＋P2) 耦合系数：K=P3/P1 隔离度： I=10log[(P2+P3)/P4] (dB)
1 2
3
3端口环行器中端口1到端口2的光路
自聚焦透镜
主要作用是准直光束 。 自聚焦透镜是一种圆柱棒状微光学元件， 其折射率分布同自聚焦光纤，直径远大于自 聚焦光纤芯径 。
1、渐变折射率分布材料 2、依靠光线轨迹的弯曲实现光学成像
F-P腔滤波器
由两块平行的高反射率的镜面构成 谐振腔，对特定波长的光波发生谐振而 得到频率选择性。
B = 2neff
neff是纤芯的等效折射率； 是光栅周期 。
λ1—λ16
布拉格光栅
λ1—λ15
λ16
光纤光栅：体积小、插入损耗低、可以与 光纤有良好的匹配。
环形器
λ1—λ15、λ16
FBG
λ1—λ15、λ16
λ16
λ16
光纤光栅的应用
•光纤激光器 •波分复用器 •传感器

新光电第五章第一、二节

新光电第五章第一、二节
U0 Ub R R ( R R0 ) 2
(5-21)
（5-22）
R01：光敏电阻RT1的暗电阻。此时电桥平衡破坏，开路电压U0为： 弱光条件下R << R01 + R1 ，取R1= R2 =R ，R01=R02 =R0 ，上式为： (5-23)
R02：RT2的暗电阻。
可见，输出电压U0与光敏电阻变化量R成比例，并与补偿臂负 载电阻R有关。令dU0 /dR=0，可计算出R=R0时， U0取得最大值：
UL 0 此时，光敏电阻上的电压近似与电源电压相等。这种光敏电 阻上的电压保持不变的偏置称为恒压偏置。信号电压变为：
U IRL R 2 U b Sg ( R RL )
2
(5-16)
RL E
Sg E：光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因， Sg E = G。 式(5-17)表示恒压偏置的输出信号与光敏电阻阻值无关，仅取 决于电导的相对变化：ΔU= Ub RLΔG
Ub是两个关键参数，需慎重选择。
第五章 第二节 光电检测电路的静态设计
• 1．负载电阻的确定
1) 恒流偏置。RL>>R时，负载电流IL由式(5-3)简化为：
Ub IL RL
(5-12)
表明负载电流与光敏电阻值无关，且近似为常数。 随入射光照度E的变化，负载电流的变化I由式(5-3)变为：
I SU b ( R 2 ) E RL
第五章 第二节 光电检测电路的静态设计
如果令
Im i 1 j
(5-11)
由式(5-11)可以看出，流过光敏电阻R的微变光电流i 相当于电流源在RC并联电路中被C分流后流过电阻的 电流。图中C是按光敏电阻属性引入的等效电容，

光纤通信第三版pdf完全版本光纤通信原理与技术

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相关信息：【作者】（美）Gerd Keiser【格式】超星转成的pdf【译者】李⽟权等【 ISBN 】7-5053-7637-3【出版社】电⼦⼯业出版社【系列名】国外电⼦通信教材【出版⽇期】2002年7⽉【版别版次】2002年7⽉第⼀版第⼀次印刷【简介】本书是⼀本系统介绍光纤通信知识的专著。

全书共分为13章，内容涉及光纤传输原理和传输特性、半导体光源和光检测器的⼯作原理及⼯作特性、数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统、光放⼤器的⼯作原理和性能、WDM系统原理、光⽹络以及光纤通信系统测量。

本书理论体系严谨，内容深⼊浅出，并且紧密联系实际，是通信⼯程及相关专业⾼年级本科⽣、研究⽣的⼀本好教材，也是通信⼯程师的⼀本很好的参考书。

【⽬录】第1章光纤通信总览1.1 基本的⽹络信息速率1.2 光纤光学系统的演进1.3 光纤传输链路的基本单元1.4 仿真与建模⼯具1.4.1 仿真和建模⼯具的特征1.4.2 编程语⾔1.4.3 PTDS仿真和建模⼯具1.5 本书的使⽤和扩展1.5.1 参考资料1.5.2 CD—ROM中的仿真程序1.5.3 光⼦学实验室1.5.4 基于Web的资源参考⽂献第2章光纤：结构、导波原理和制造2.1 光的特性2.1.1 线偏振2.1.2 椭圆偏振和圆偏振2.1.3 光的量⼦特性2.2 基本的光学定律和定义2.3 光纤模式和结构2.3.1 光纤分类2.3.2 射线和模式2.3.3 阶跃折射率光纤结构2.3.4 射线光学表述2.3.5 介质平板波导中的波动解释2.4 圆波导的模式理论2.4.1 模式概述2.4.2 对关键的模式概念的归纳2.4.3 麦克斯韦⽅程2.4.4 波导⽅程式2.4.5 阶跃折射率光纤中的波动⽅程2.4.6 模式⽅程2.4.7 阶跃折射率光纤中的模式2.4.8 线偏振模2.4.9 阶跃折射率光纤中的功率流2.5 单模光纤2.5.1 模场直径2.5.2 单模光纤中的传播模2.6 梯度折射率光纤的结构2.7 光纤材料2.7.1 玻璃纤维2.7.2 卤化物玻璃纤维2.7.3 有源玻璃纤维2.7.4 硫属化合物玻璃纤维2.7.5 塑料光纤2.8 光纤制造2.8.1 外部汽相氧化法2.8.2 汽相轴向沉积法2.8.3 改进的化学汽相沉积法2.8.4 等离⼦体活性化化学汽相沉积法2.8.5 双坩埚法2.9 光纤的机械特性2.10 光缆习题参考⽂献第3章光纤中的信号劣化3.1 损耗3.1.1 损耗单位3.1.2 吸收损耗3.1.3 散射损耗3.1.4 弯曲损耗3.1.5 纤芯和包层损耗3.2 光波导中的信号失真3.2.1 信息容量的确定3.2.2 群时延3.2.3 材料⾊散3.2.4 波导⾊散3.2.5 单模光纤中的信号失真3.2.6 偏振模⾊散3.2.7 模间⾊散3.3 梯度折射率光波导中的脉冲展宽3.4 模式耦合3.5 单模光纤的优化设计3.5.l 折射率剖⾯3.5.2 截⽌波长3.5.3 ⾊散计算3.5.4 模场直径3.5.5 弯曲损耗习题参考⽂献第4章光源4.1 半导体物理学专题4.1.1 能带4.1.2 本征材料和⾮本征材料4.1.3 pn结4.1.4 直接带隙和间接带隙4.1.5 半导体器件的制造4.2 发光⼆极管(LED)4.2.1 LED的结构4.2.2 光源材料4.2.3 量⼦效率和LED的功率4.2.4 LED的调制4.3 半导体激光器4.3.1 半导体激光器的模式和阈值条件4.3.2 半导体激光器的速率⽅程4.3.3 外量⼦效率4.3.4 谐振频率4.3.5 半导体激光器结构和辐射⽅向图4.3.6 单模激光器4.3.7 半导体激光器的调制4.3.8 温度特性4.4 光源的线性特性4.5 模式噪声、模分配噪声和反射噪声4.6 可靠性考虑习题参考⽂献第5章光功率发射和耦合5.1 光源⾄光纤的功率发射5.1.1 光源的输出⽅向图5.1.2 功率耦合计算5.1.3 发射功率与波长的关系5.1.4 稳态数值孔径5.2 改善耦合的透镜结构5.2.1 ⾮成像微球5.2.2 半导体激光器与光纤的耦合5.3 光纤与光纤的连接5.3.1 机械对准误差5.3.2 光纤相关损耗5.3.3 光纤端⾯制备5.4 LED与单模光纤的耦合5.5 光纤连接5.5.1 连接⽅法5.5.2 单模光纤的连接5.6 光纤连接器5.6.1 连接器的类型5.6.2 单模光纤连接器5.6.3 连接器回波损耗习题参考⽂献第6章光检测器6.1 光电⼆极管的物理原理6.1.1 pin光电⼆极管6.1.2 雪崩光电⼆极管6.2 光检测器噪声6.2.1 噪声源6.2.2 信噪⽐6.3 检测器响应时间6.3.1 耗尽层光电流6.3.2 响应时间6.4 雪崩倍增噪声6.5 InGaAsAPD结构6.6 温度对雪崩增益的影响6.7 光检测器的⽐较习题参考⽂献第7章光接收机7.1 接收机⼯作的基本原理7.1.1 数字信号传输7.1.2 误码源7.1.3 接收机结构7.1.4 傅⾥叶变换表⽰7.2 数字接收机性能7.2.1 误码概率7.2.2 量⼦极限7.3 接收机性能的详细计算7.3.1 接收机噪声7.3.2 散弹噪声7.3.3 接收机灵敏度计算7.3.4 性能曲线7.3.5 ⾮零消光⽐7.4 前置放⼤器的类型7.4.1 ⾼阻抗FET放⼤器7.4.2 ⾼阻抗双极晶体管放⼤器7.4.3 互阻抗放⼤器7.4.4 ⾼速电路7.5 模拟接收机习题参考⽂献第8章数字传输系统8.1 点到点链路8.1.1 系统考虑8.1.2 链路的功率预算8.1.3 展宽时间预算8.1.4 第⼀窗⼝传输距离8.1.5 单模光纤链路的传输距离8.2 线路编码8.2.1 NRZ码8.2.2 RZ码8.2.3 分组码8.3 纠错8.4 噪声对系统性能的影响8.4.1 模式噪声8.4.2 模分配噪声8.4.3 凋嗽8.4.4 反射噪声习题参考⽂献第9章模拟系统9.1 模拟链路概述9.2 载噪⽐9.2.1 载波功率9.2.2 光检测器和前置放⼤器的噪声9.2.3 相对强度噪声(RIN)9.2.4 反射对RIN的影响9.2.5 极限条件9.3 多信道传输技术9.3.1 多信道幅度调制9.3.2 多信道频率调制9.3.3 副载波复⽤习题参考⽂献第10章 WDM概念和器件10.1 WDM的⼯作原理10.2 ⽆源器件10.2.1 2x 2光纤耦合器10.2.2 散射矩阵表⽰法10.2.3 2x 2波导辊合器10.2.4 星形精合器10.2.5 马赫—曾德尔⼲涉仪复⽤器10.2.6 光纤光栅滤波器10.2.7 基于相位阵列的WDM器件10.3 可调谐光源10.4 可调谐滤波器10.4.1 系统考虑10.4.2 可调谐滤波器的类型习题参考⽂献第11章光放⼤器11.1 光放⼤器的基本应⽤和类型11.1.1 ⼀般应⽤11.1.2 放⼤器的类型11.2 半导体光放⼤器11.2.1 外泵浦11.2.2 放⼤器增益11.3 掺饵光纤放⼤器11.3.1 放⼤机制11.3.2 EDFA的结构11.3.3 EDFA的功率转换效率及增益11.4 放⼤器噪声11.5 系统应⽤11.5.1 功率放⼤器11.5.2 在线放⼤器11.5.3 前置放⼤器11.5.4 多信道运⽤11.5.5 在线放⼤器增益控制11.6 波长变换器11.6.1 光栅波长变换器11.6.2 光波混合波长变换器习题参考⽂献第12章光⽹络12.1 基本⽹络12.1.1 ⽹络拓扑12.1.2 ⽆源线形总线的性能12.1.3 星形结构的性能12.2 SONET／SDH12.2.1 传输格式和速率12.2.2 光接⼝12.2.3 SONET／SDH环12.2.4 S0NET／SDH⽹络12.3 ⼴播选择WDM⽹络12.3.1 ⼴播选择单跳⽹12.3.2 ⼴播选择多跳⽹12.3.3 洗牌⽹多跳⽹12.4 波长路由⽹12.4.1 光交叉连接12.4.2 波长变换器的性能评估12.5 ⾮线性对⽹络性能的影响12.5.1 有效长度与⾯积12.5.2 受激拉曼散射12.5.3 受激布⾥渊散射12.5.4 ⾃相位调制和交叉相位调制12.5.5 四波混频12.5.6 ⾊散管理12.6 WDM⼗EDFA系统的性能12.6.1 链路带宽12.6.2 特定BER所需的光功率12.6.3 串扰12.7 孤⼦12.7.1 孤⼦脉冲12.7.2 孤⼦参数12.7.3 孤⼦宽度和间隔12.8 光CDMA12.9 超⾼容量⽹络12.9.1 超⼤容量WDM系统12.9.2 ⽐特间插光TDM12.9.3 时隙光TDM习题参考⽂献第13章测量13.1 测量标准和测试过程13.2 测试设备13.2.1 光功率计13.2.2 光衰减器13.2.3 可调谐激光器13.2.4 光谱分析仪13.2.5 光时域反射仪13.2.6 多功能光测试系统13.3 损耗测量13.3.1 截断法13.3.2 插⼊损耗法13.4 ⾊散的测量13.4.1 模间⾊散13.4.2 模间⾊散的时域测量13.4.3 模问⾊散的频域测量13.4.4 ⾊度⾊散13.4.5 偏振模⾊散13.5 0TDR的场地应⽤13.5.1 0TDR轨迹13.5.2 损耗测量13.5.3 光纤故障定位13.6 眼图13.7 光谱分析仪的应⽤13.7.1 光源特性13.7.2 EDFA增益与噪声系数的测试习题参考⽂献附录A 国际单位制附录B 常⽤的数学关系附录C 贝塞⽿函数附录D 分贝附录E 通信理论专题附录F ⾊散因⼦。

光模块常见参数

光模块常见参数

光模块常见参数：光模块的性能对整个光通信的传输质量和稳定性起到关键性作用。

1.传输速率: 1.25G,2.5G, 10G, 25G,40G,100G,400G, 800G表示单位时间内传输的数量。

传输速率的提高可以提高光通信系统的数据传输能力。

2. 波长范围：波长范围是光模块可以工作的波长范围。

常见波长：850nm,1310nm,1550nm. 对应：短距，中距和长距传输。

3. 发射功率：指的是光模块发射端发射输出的光功率，即光模块发射端光源的平均输出光功率。

影响传输距离和稳定性。

通常发射光功率越大，传输距离越长。

光功率的过小，输出光功率小于接收光功率灵敏度，模块不能正常接收光信号；发射光功率过大，接收端可以在接受范围内通过增加接收端的衰减装置使用，但是需要的偏置电流过大，影响信号传输质量和光模块的使用寿命。

质量差的光模块，一般发射功率偏低。

查看光功率：DDM信息查看；光功率计查看。

高温影响光功率：温度过高，1）对二极管性能有影响，效率低，光功率减小；2）高温下，光学元件膨胀引起光耦合损失：光学元件在高温下热膨胀，导致光模块内部耦合效率低，降低光功率输出。

3）热传导不良引起组件过热，比如高温下导致光模块内部热传导不良，关键组件过热，降低光功率输出。

所以对应的工作场景，选择对应的光模块；商业级，工业级，扩展级。

商业级：0℃～70℃，多用于企业网，数据中心，机房等；商业级光模块在市场上最常见的。

扩展级：-20℃～+85℃，多用于野外偏远山区，隧道灯。

环境相对恶劣。

工业级：-40℃～+85℃，多用于工厂自动化，铁路和职能交通系统，电力设施变电站等行业的工业以太网。

环境恶劣，保证持久稳定输出。

4. 接收灵敏度：接收端接收到的最小的光功率。

接收端接收到的光功率越大，传输距离越远。

通常，发射光功率越大，接收端收到的光功率越大，传输距离越远。

接收光功率影响因素：光纤连接问题，比如光纤连接不稳定或者存在损坏，连接头损坏，光纤过度弯曲等。

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n1 n 3.60 1.48 R n n 3.60 1.48 0.174 1
2 2
这相当于17.4%的发射功率反射回光源，与这一R值相对应的 耦合功率由下式给定：
Pcoupled 1 RPemitted
由反射造成的功率损耗为：
P
2p
0

a
0
pr rdrd
NA(0) 1 (r / a) 2 NA(r ) 0
ra ra
假设光纤折射率剖面为抛物线，可以得到P与p(0)的关系为： r 2 2p a pa 2 P p01 rdrd p(0) 0 0 2 a
机械对准误差
由于纤芯尺寸细微，因此很难实现完全精确的机械对准。 由此导致的机械对准误差将成为连接损耗的主要原因。机械损 耗分为三种： (1) 横向 (轴向) 误差 (2) 纵向误差
(3) 角度误差
横向误差—阶跃光纤
阶跃光纤的数值孔径在端面上为常数，因而从一根光纤耦合进 入另一根光纤的光功率正比于两根光纤公共的区域面积：
第五章 光功率发射和耦合
本章内容
光源-光纤的耦合 光纤-光纤的耦合 光纤的连接和光纤连接器
5.1 光源至光纤的功率发射
耦合效率：耦合进光纤的光功率(PF)与光源发射的总功率(Ps) 之比：
PF Ps
那么，我们关心的问题是如何让耦合效率最高。
光源的辐射角分布 B
能够耦合入纤的光功率取决于光源的辐射角分布 B的定义：单位发射面入射到单位立体角内的光功率 B的单位：平方厘米、单位球面度的瓦特数 (W/cm2· sr) 光源 发射区域
0
0
对于阶跃光纤，其NA是常数，即NA与s和r无关，于是：
PLED ,step p 2 rs2 B0 NA
2
因此：
PLED , step
Ps NA2 , ra 2 a 2 P NA , r a 作业 r s s
例
LED有一个半径为35 mm的圆形发射区，并且在给定的驱 动电流下，朗伯辐射方向图的轴向发射强度为150W/(cm2· sr) 。对于一根纤芯半径为50 mm，NA = 0.20的光纤，入纤功率为 ： 2 2 PLED , step Ps NA p 2 rs2 B0 NA
PM B02
于是，耦合入纤的功率总和不变：
M PM 2pa
2 2 n12 n2 B0
稳态数值孔径
LED发射的光耦合入多模光纤之后，由于非传播模式的能量 衰减，将在开始的~50 m存在注入模式达到稳态的过程。
NAin
NAout
非传播模式的损耗
与轴心夹角大的模式不断损耗
5.2 改善耦合的透镜结构
p 2 0.0035 cm2 150 W / cm2 sr 0.20 0.725m W




2
如果纤芯半径为25 mm，NA = 0.20，入纤功率为：
PLED , step a 2 P ( NA ) r s s 25mm 35mm 0.725m W 0.37m W
1 sin 2 cos2 T B , B0 cos B0 cosL
式中 T 和 L 是垂直方向和水平方向的功率分布系数，一般边 发光 LED 的L = 1 而 LD 的 L > 100；T 的值一般较大
例
半导体激光器在水平方向上 ( = 0) 的半功率光束角度为2 = 10度。因此，根据
ra ra
考虑端面反射的功率耦合
当端面存在反射时，对于垂直的光纤端面，耦合进光纤的功 率由于光的反射将降低一个因子大小：
n1 n R n n 1
2
R为光纤纤芯端面的菲涅尔反射系数，n和n1分别为外部介质 和纤芯的折射率。
例
一个折射率为3.6的GaAs光源耦合进折射率为1.48的石英 光纤中，如果光纤端面和光源在物理上紧密相接，于是在光 源和光纤头端的分界面上发生菲涅尔反射：
因此可以得到接收光纤所耦合的总功率为：
P T P 1P 2
当横向对准误差 d << a 时，上式近似为：
8d PT P1 3pa
当 d/a < 0.4，上式引入的误差不到1%。最后，我们可以获得由 于横向误差带来的耦合损耗：
PT LF 10 log F 10 log P
1
a
a
r1
d d , 1 arccos 2 cos 2a
1
d/2
(r, )
横向误差—梯度光纤
通过积分可以分别求出两个区域的耦合功率P1和P2为：
2 1/ 2 a d d d d 2 P P p 0 arccos 1 5 1 2 2 2 2a 2a 2a 6a 2
Acomm 2 d d 2a arccos d a 2a 4
2 2

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1/ 2
进一步得到耦合效率：
F ,step
Acomm 2 d d arccos 2 pa p 2a pd d 1 2a
2 1/ 2

2 2
对于同一根光纤 发光面积越大， 耦合入纤的功率 越多
面发光LED的功率耦合—梯度光纤
渐变折射率光纤NA与无关但与r有关。对于r < a的情况，根据
P pB0
2
rs
有：
0

2p
0
NA2 ds rdr
2 PLED , graded 2p B0 n 2 (r ) n2 rdr 0
假设所有模式功率均匀分布，光纤-光纤的功率耦合与两根光 纤共有的模式数成正比。由此光纤-光纤的耦合效率为：
F
M comm ME
其中ME为发射光纤的模式数，Mcomm为两根光纤所共有的模 式数。因此，耦合损耗定义为：
LF 10log F
多模光纤-多模光纤的两种连接情况
发射光束充满接收 光纤的数值孔径， 因此接收光纤必须 与发射光纤完全对 准以减少损耗 接收光纤的输入数 值孔径大于发射光 纤的稳态数值孔径， 因此轻微的对准误 差不会对连接损耗 产生显著影响
光源的输出方向图：面LED
面发射LED近似为朗伯光源：各个方向等亮度I
dA' dA cos

dA
B , I dA I cosdA B0 cos
半功率光束角度：2 = 120度
光源的输出方向图：边LED和LD
二者在pn结平面的水平方向 = 0和垂直方向 = p/2 分别有不 同的辐射角分布：
例
假设两根梯度光纤存在着横向偏移d = 0.3a的对准误差。 我们可以得到从第一根光纤中耦合进第二根光纤中的光功率 比例为：
2 1/ 2 pT 2 d d 2 d d arccos 1 5 2 p p 2a 2 a 6 a 2 a 0.32 2 2 1 / 2 0.15 arccos(0.15) [1 (0.15) ] 5 p 3 2 0.748
透镜耦合一般用于光源发光面积小于纤芯面积的情况，其作 用是： (1) 扩大光源的发射面积，使之与纤芯区域匹配 (2) 改变光线的入射角，使之容易耦合入纤
非成像微球
假设微球的折射率为2.0，曲 率半径为RL，像距无穷大。 它可使光源发射区域面积显 著放大，其放大因子为M：
RL M r s
2
在使用透镜的条件下，LED能够耦合进一个张角为2的口径 中的光功率PL可以由下式计算：
RL 2 PL P sin r s s
2
本章内容
光源-光纤的耦合 光纤-光纤的耦合 光纤的连接和光纤连接器
5.3 光纤与光纤的连接
多模光纤的连接 单模光纤的连接
多模光纤的连接
Pcoupled L 10log P 10log(1 R) 0.83dB emitted
耦合入纤功率与工作波长无关
一方面，纤芯半径为a的阶跃光纤中传播的模式数目为：
1 2pa M 2
2 2 n12 n2
另一方面，由一个特定工作波长的光源激励起来的每个模式 平均携带的光功率为：
横向误差—梯度光纤
假设发射光纤的输入端面受到均匀照 射，那么纤芯所接收的光功率是落入光纤 的数值孔径以内的功率。光纤尾端面上某 点 r 处的光功率密度为： NA2 (r ) p(r ) p0 2 NA (0)
r
其中 p(0) 为光纤轴心上的功率密度。p(r)与光纤出射端面的 总功率p的关系为：
或者用分贝表示为：
10 log pT 1.27dB p
纵向误差
c
x
s
x s tanc
对阶跃光纤，纵向误差产生的损耗为：
a LF 10 log a s t an c
2
角度误差
当两根互连的光纤轴存在角度对准误差时，将损失掉置 于接收光纤的立体接收角之外的光功率。对于两根具有角度 对准误差为 的阶跃折射率光纤，在连接处的光功率损耗可 以表示为：

2p
0 2p
2p p 2 0 0 B , sin d d ds rdr
2p p 2 B0 cos sin d d ds rdr 0 0 0 0 p rs 2p 2p 2 ds rdr B0 cos sin d d 0 0 0 0 prs2 pB0 p 2 rs2 B0