第9章--光纤通信技术课件

第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 第一节第一节 光纤通信概述光纤通信概述 第二节第二节 光纤传输原理与特性光纤传输原理与特性 第三节第三节 光发送机与光接收机光发送机与光接收机 第四节第四节 光纤通信系统光纤通信系统 第五节第五节 光纤通信新技术光纤通信新技术9 91 1 光纤通信概述光纤通信概述9 9.1.1.1.1 电磁波谱电磁波谱 信信息息的的传传输输是是以以电电磁磁波波为为媒媒介介进进行行的的。电电磁磁波波的的波波谱谱很很宽宽，如如图图9.19.1所所示示。通通信信所所用用的波段是在波长为千米至微米数量级范围。的波段是在波长为千米至微米数量级范围。通信的容量与电磁波频率成正比通信的容量与电磁波频率成正比 探探索索将将更更高高频频率率的的电电磁磁波波用用于于通通信信技技术是人们追求的目标术是人们追求的目标。各各种种频频段段电电磁磁波波的的划划分分和和常常用用传传输输媒媒质如表质如表9.19.1所示。所示。9 频段和波段名称频段和波段名称频率范围和波长频率范围和波长范围范围 传输媒质传输媒质 主要用途主要用途极低频极低频(ELF)(ELF)极长波极长波 30-3000Hz30-3000Hz 0.1-l 0.1-l 000km000km有线线对极长波无线电有线线对极长波无线电 潜艇通信、矿井通信潜艇通信、矿井通信甚低频甚低频(TLF)(TLF)超长波超长波 3-30kHz3-30kHz 1 000-lOkm 1 000-lOkm有线线对超长波无线电有线线对超长波无线电 潜艇通信、远程导航、远潜艇通信、远程导航、远程无程无 线电通信线电通信 低频低频(LF)(LF)长波长波 30-300kHz30-300kHz lO-1 km lO-1 km有线线对长波无线电有线线对长波无线电 中远距离通信、地下通信、中远距离通信、地下通信、无无 线电导航线电导航 中频中频(MF)(MF)中波中波 O O3-3MHz3-3MHz l 000-100m l 000-100m同轴电缆中波无线电同轴电缆中波无线电调幅广播、导航、业余无线电调幅广播、导航、业余无线电高频高频(HF)(HF)短波短波 3-30MHz3-30MHz 100 10010m10m同轴电缆短波无线电同轴电缆短波无线电调幅广播、移动通信、军用通调幅广播、移动通信、军用通信信甚高频甚高频(VHF)(VHF)超短波超短波 3030300MHz300MHz 10 10lmlm同轴电缆超短波无线电同轴电缆超短波无线电调幅广播、电视、移动通信、调幅广播、电视、移动通信、电电离层散射通信离层散射通信特高频特高频(UHF)(UHF)分米波分米波 0.30.33 GHz3 GHz lO lOl cml cm波导分米波无线电波导分米波无线电微波接力、移动通信、空间遥微波接力、移动通信、空间遥测雷达、电视测雷达、电视 微微 波波超高频超高频(SHF)(SHF)厘米波厘米波 3 330GHz30GHz 10 101cm1cm波导厘米波无线电波导厘米波无线电雷达、微波接力、卫星和空间雷达、微波接力、卫星和空间通信通信极高频极高频(EHF)(EHF)毫米波毫米波 3030一一300GHz300GHz 10 10一一lmlm波导毫米波无线电波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文雷达、微波接力、射电天文 紫外、可见光、红外紫外、可见光、红外 105105107 107 GHzGHz O O3 33 31010-6-6 cmcm光纤激光空间传播光纤激光空间传播光通信光通信 9.1.2 9.1.2 光纤通信系统基本结构与特点光纤通信系统基本结构与特点 光光纤纤通通信信是是以以光光波波为为载载频频、以以光光纤纤（光导纤维）为传输媒质的通信方式（光导纤维）为传输媒质的通信方式。光光纤纤通通信信系系统统的的基基本本组组成成如如图图9.29.2所所示示，它它包包括括了了电电收收发发端端机机、光光收收发发端端机机、光光纤纤光缆线路、中继器等。光缆线路、中继器等。图图9.2 9.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成LD/LEDLD/LEDPIN/APD 光光纤纤通通信信系系统统由由于于采采用用了了光光纤纤传传输输信信号号实实现现通通信信，因因此此，和和其其他他通通信信系系统统相相比比，具有一系列独特的优点：具有一系列独特的优点：（1 1）频带宽，通信容量大）频带宽，通信容量大 （2 2）传输损耗低，无中继距离长）传输损耗低，无中继距离长（3 3）抗电磁干扰）抗电磁干扰（4 4）光纤通信串话小，保密性强，使用安全）光纤通信串话小，保密性强，使用安全（5 5）体积小，重量轻，便于敷设）体积小，重量轻，便于敷设（6 6）材料资源丰富）材料资源丰富 9.2 9.2 光纤传输原理与特性光纤传输原理与特性 9.2.1 9.2.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类 光光纤纤是是圆圆截截面面介介质质波波导导(图图9.39.3 )。光光纤纤由由纤纤芯芯、包包层层和和涂涂覆覆层层构构成成。纤纤芯芯由由高高度度透透明明的的材材料料构成；构成；包包层层的的折折射射率率略略小小于于纤纤芯芯，从从而而可可以以形形成成光光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输；涂覆层的作用是增强光纤的柔韧性。涂覆层的作用是增强光纤的柔韧性。为为了了进进一一步步保保护护光光纤纤，提提高高光光纤纤的的机机械械强强度度，在在带带有有涂涂覆覆层层的的光光纤纤外外面面在在套套一一层层热热塑塑性性材材料料，成成为为套套塑塑层层（或或二二次次涂涂覆覆层层）。在在涂涂覆覆层层和和套套塑塑层层之之间间还还需填充一些缓冲材料，成为缓冲层（或称垫层）。需填充一些缓冲材料，成为缓冲层（或称垫层）。光光纤纤大大多多为为石石英英光光纤纤。它它以以纯纯净净的的二二氧氧化化硅硅材材料料为为主主，中中间间掺掺以以合合适适的的杂杂质质。掺掺锗锗和和磷磷使使折折射射率率增增加加，掺硼和氟使折射率，掺硼和氟使折射率降低降低。1 1按光纤横截面的折射率分布分类按光纤横截面的折射率分布分类 根根据据光光纤纤横横截截面面折折射射率率分分布布的的不不同同，常常用用的的光光纤纤可可以以分分成成阶阶跃跃折折射射率率分分布布光光纤纤（简简称称阶阶跃跃光光纤纤）和和渐渐变变折折射射率率分分布布光光纤纤（简简称称渐渐变变光光纤纤两两种种类类型型，其其折折射射率率分分布布如如图图9 94 4所所示。示。图图（a a）是是光光纤纤的的横横截截面面图图，其其纤纤芯芯直径为直径为2 2a a，包层直径为包层直径为2 2b b。(1)(1)阶跃光纤：阶跃光纤：图图(b)b)为为阶阶跃跃光光纤纤横横截截面面的的折折射射率率分分布布，纤纤芯芯折折射射率率为为n1n1，包包层层折折射射率率为为n2n2。纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率都都是是均均匀匀分分布布，折折射射率率在在纤纤芯芯和包层的界面上发生突变。和包层的界面上发生突变。第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 （2 2）渐变光纤：）渐变光纤：图图（C C）为为渐渐变变光光纤纤横横截截面面的的折折射射率率分分布布，包包层层的的折折射射率率为为n2n2，是是均均匀匀的的，而而在在纤纤芯芯中中折折射射率率则则随随着着纤纤芯芯的的半半径径的的加加大大而而减减小小，是非均匀的、且连续变化是非均匀的、且连续变化。此此外外，还还有有三三角角型型折折射射率率光光纤纤，其其纤纤芯芯折折射射率率分分布布曲曲线线为为三三角角形形；双双包包层层光光纤纤、四包层光纤等，如图四包层光纤等，如图9 95 5所示。所示。2 2按光纤中的传导模式数量分类按光纤中的传导模式数量分类 光光是是一一种种电电磁磁波波，它它沿沿光光纤纤传传输输时时可可能能存存在在多多种种不不同同的的电电磁磁场场分分布布形形式式（即即传传播播模模式式），能能够够在在光光纤纤中中远远距距离离传传输输的的传传播播模模式式称称为为传传导导模模式式。根根据据传传导导模模式式数数量量的的不不同同，光光纤纤可可以以分分为为单单模模光光纤纤和和多多模模光光纤纤两类。两类。(1)(1)单模光纤单模光纤 光光纤纤中中只只传传输输一一种种模模式式，即即基基模模（最最低低阶阶模模式式）。单单模模光光纤纤的的纤纤芯芯直直径径约约为为 4 41010mm范范围围，包包层层直直径径为为 125125mm。单单模模光光纤纤适适用用于于长长距距离离、大大容容量量的的光光纤纤通通信信系统。系统。(2)(2)多模光纤多模光纤 光光纤纤中中传传输输的的模模式式不不止止一一个个，即即在在光光纤纤中中存存在在多多个个传传导导模模式式。多多模模光光纤纤的的纤纤芯芯纤纤芯芯直直径径一一般般为为 5050mm，其其横横截截面面的的折折射射率率分分布布为为渐渐变变型型，包包层层的的外外径径125125mm。多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。3 3按光纤构成的原材料分类按光纤构成的原材料分类 （1 1）石英系光纤石英系光纤 石石英英系系光光纤纤主主要要是是由由高高纯纯度度的的 SiO2 SiO2 并并掺掺有有适适当的杂质制成，如用当的杂质制成，如用 和和 作作芯芯子子，用用 作作包包层层。目目前前这这种种光光纤纤损耗最低、强度和可靠性最高、应用最广泛。损耗最低、强度和可靠性最高、应用最广泛。（2 2）多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤 例例如如用用钠钠玻玻璃璃掺掺有有适适当当杂杂质质制制成成的的光光纤纤。这这种种光纤的损耗较低，但可靠性不高。光纤的损耗较低，但可靠性不高。（3 3）塑料包层光纤塑料包层光纤 光纤的芯子是用石英制成，包层是硅树脂。光纤的芯子是用石英制成，包层是硅树脂。（4 4）全塑光纤全塑光纤 光光纤纤的的芯芯子子和和包包层层均均由由塑塑料料制制成成，其其损损耗耗较较大大，可靠性也不高。可靠性也不高。4 4按光纤的套塑层分类按光纤的套塑层分类 （1 1）紧套光纤紧套光纤 典典型型的的紧紧套套光光纤纤各各层层之之间间都都是是紧紧贴贴的的，光光纤纤被被套套管管紧紧紧紧箍箍住住，不不能能在在其其中中松松动动。在在光光纤纤与与套套管管之之间间放放置置了了一一个个缓缓冲冲层层，以以减减小小外外面面应应力力对对光光纤纤的的作作用用。紧紧套套光光纤纤的的结结构构简简单单，使使用和测试都比较方便。用和测试都比较方便。（2 2）松套光纤松套光纤 典典型型的的松松紧紧套套光光纤纤的的护护套套为为松松套套管管，光光纤纤能能在在其其中中松松动动。管管内内空空间间填填充充油油膏膏，以以防防水水份份渗渗入入。松松套套光光纤纤的的机机械械性性能能、防防水水性性能能都都比比较较好好，便便于于成成缆缆。若若一一根根管管内内放放入入2 22020根根光纤，可制成光纤束，称为松套光纤束。光纤，可制成光纤束，称为松套光纤束。9.2.2 9.2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理*光光具具有有波波粒粒二二象象性性，既既可可以以将将光光看看成成光光波波，也也可可以以将将光光看看作作是是由由光光子子组组成成的的粒粒子子流流。因因而而，在在分分析析光光纤纤中中光光的的传传输输特特性性时时相相应应地地也也有有两两种种理理论论，即即射射线线光光学（即几何光学）理论和波动光学理论。学（即几何光学）理论和波动光学理论。n射射线线光光学学是是用用光光射射线线代代表表光光能能量量传传输输线线路路来来分分析析问问题题的的方方法法。这这种种理理论论适适用用于于光光波波长长远远远远小小于于光光波波导导尺尺寸寸的的多多模光纤，可以得到简单、直观的分析结果。模光纤，可以得到简单、直观的分析结果。n波波动动光光学学是是把把光光纤纤中中的的光光作作为为经经典典电电磁磁场场来来处处理理。从从波波动动方方程程和和电电磁磁场场的的边边界界条条件件出出发发，可可以以得得到到全全面面、正正确确的的解解析析或或数数字字结结果果，给给出出光光纤纤中中的的场场的的结结构构形形式式（即即传传输输模模式式），从从而而给给出出光光纤纤中中完完善善的的场场的的描描述述形形式式。它它的的特特点点是是：能能够够精精确确地地、全全面面地地描描述述光光纤纤的的传传输输特特性性，这这种理论种理论适合于单模光纤和多模光纤的分析。适合于单模光纤和多模光纤的分析。1 1采用射线光学分析光纤的特性采用射线光学分析光纤的特性 （1 1）多多模模阶阶跃跃折折射射率率光光纤纤的的射射线线光光学学理理论论分分析析 在在多多模模阶阶跃跃光光纤纤的的纤纤芯芯中中，光光接接直直线线传传输输，在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面上上光光发发生生反反射射。由由于于光光纤纤中中纤纤芯芯的的折折射射率率 n n1 1 大大于于包包层层的的折折射射率率 所所以以在在芯芯包包界界面面存存在在着着临临界界角角 ，如如图图9 96 6所示。图所示。图9 96 6为阶跃光纤的子午光线。为阶跃光纤的子午光线。通过光纤轴线的平面称称作通过光纤轴线的平面称称作子午面子午面，把传输中总是位于子午面内的光线称为把传输中总是位于子午面内的光线称为子午光线子午光线）当当光光线线在在芯芯包包界界面面上上的的入入射射角角 大大于于 时时，将将产产生生全全反反射射。若若 小小于于 ，入入射射光光一一部部分分反反射射，一一部部分分通通过过界界面面进进入入包包层层，经经过过多多次次反反射射后后，光光很很快快衰衰减减掉掉。所所以以可可以以形形象象地地说阶跃光纤中的传输模式是：说阶跃光纤中的传输模式是：靠靠光光射射线线在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面上上全全反反射而使能量集中在芯子之中传输。射而使能量集中在芯子之中传输。这里首先定义光纤的相对折射率差，这里首先定义光纤的相对折射率差，这这一一参参数数直直接接影影响响光光纤纤的的性性能能。光光纤纤通通信信中中所所用用的的光光纤纤的的一一般般小小于于1 1，所所以以可近似表示为可近似表示为 由由光光纤纤中中光光线线在在界界面面的的全全反反射射条条件件。可可以以推推出临界角出临界角 为为那么光在纤芯端面的最大入射角那么光在纤芯端面的最大入射角 应满足应满足由此可以定义光纤的数值孔径为由此可以定义光纤的数值孔径为数值孔径表征了光纤的集光能力数值孔径表征了光纤的集光能力。由此看出。由此看出n1,n2n1,n2差别差别越大，即越大，即 越大，光纤的集光能力越强。通信用光越大，光纤的集光能力越强。通信用光纤的数值孔径是较小的。纤的数值孔径是较小的。在在多多模模阶阶跃跃折折射射率率光光纤纤中中满满足足全全反反射射条条件件，但但入入射射角角不不同同光光线线的的传传输输路路径径是是不不同同的的，使使不不同同的的光光线线所所携携带带的的能能量量到到达达终终端端的的时时间间不不同同，即即存存在在着着时时延延差差，即即模模式式色色散散，从从而而使使传传输输的的脉脉冲冲发发生生了了展展宽宽，限限制制了了光光纤纤的的传传输输容容量量。采采用用射射线线光光学学的的分分析析方方法法可可以以计计算算出出多多模模阶阶跃跃折折射射率率光光纤纤中中子子午午光光线线的的最最大时延差：大时延差：（2 2）多模渐变折射率光纤的射线光学理论分析）多模渐变折射率光纤的射线光学理论分析 多多模模渐渐变变折折射射率率光光纤纤纤纤芯芯中中的的折折射射率率是是连连续续变变化化的的。它它随随纤纤芯芯半半径径r r的的增增加加按按一一定定规规律律减减小小，如如前前图图9 94 4所所示示。采采用用渐渐变变光光纤纤的的目目的的是是减减小小多多模模光光纤纤的模式色散。的模式色散。在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为 渐变折射光纤的折射率分布可以表示为渐变折射光纤的折射率分布可以表示为 如如图图9 97 7所所示示的的渐渐变变光光纤纤中中的的子子午午射射线线，以以不不同同入入射射角角进进入入纤纤芯芯的的光光射射线线在在光光纤纤中中传传过过同同一一距距离离时时，靠靠近近光光纤纤轴轴线线的的射射线线所所走走的的路路程程短短，而而远远离离轴轴线线所所走走的的路路程程长长。由由于于纤纤芯芯折折射射率率是是渐渐变变的的，所所以以近近轴轴处处的的光光速速慢慢，远远轴轴处处的的光光速速快快。当当折折射射率率分分布布指指数数g g取取最最佳佳时时，就就可可以以使使全全部部子子午午射射线线以以同同样样的轴向速度在光纤中传输。的轴向速度在光纤中传输。分分析析指指出出，如如果果光光纤纤的的折折射射率率分分布布采采取取双双曲曲正正割割函函数数的的分分布布，所所有有的的子子午午射射线线具具有有完完善善的的自自聚聚焦焦性性质质，即即从从光光纤纤端端面面入入射射的的子子午午光光线线经经过过适适当当的的距距离离会会重重新新汇汇聚聚到到一一点点，这这些些光光线线具具有有相相同同的的时时延。纤芯折射率分布为延。纤芯折射率分布为 分分析析渐渐变变光光纤纤中中的的光光线线传传输输轨轨迹迹时时，采采用用射射线线方方程程，可可以以由由已已知知的的折折射射率率分分布布和和初初始始条件求出光线的轨迹。射线方程为条件求出光线的轨迹。射线方程为 由于渐变光纤纤芯折射率是变化由于渐变光纤纤芯折射率是变化的，所以纤芯端面上不同点的集光能力不同，的，所以纤芯端面上不同点的集光能力不同，因此在渐变光纤中引入本地数值孔径的概念，因此在渐变光纤中引入本地数值孔径的概念，它是指光纤端面上某一点的数值孔径，表征了它是指光纤端面上某一点的数值孔径，表征了渐变光纤端面上某一点的集光能力的大小。其渐变光纤端面上某一点的集光能力的大小。其表达式为表达式为 2 2采用波动理论分析光纤的特性采用波动理论分析光纤的特性 光光是是电电磁磁波波它它具具有有电电磁磁波波的的通通性性。因因此此，光光波波在在光光纤纤中中传传输输的的一一些些基基本本性性质质都都可可以以从从电电磁磁场场的的基基本本方方程程麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组推推导导出出来来。一一般般的的求求解解方方法法是是由由麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组推推导导出出光光在在均均匀匀介介质质中中的的波波动动方方程程，经经过过简简化后的波动方程为化后的波动方程为式中式中0 0为光波导介质（或真空）的导磁率；为光波导介质（或真空）的导磁率；为光波导介质的介电系数。为光波导介质的介电系数。如如果果电电磁磁场场作作简简谐谐振振荡荡，由由波波动动方方程程可可以以推出均匀介质中的矢量亥姆霍兹方程推出均匀介质中的矢量亥姆霍兹方程 在在直直角角坐坐标标系系中中，E E，H H的的x x，y y，z z分分量量均均满满足标量的亥姆霍兹方程足标量的亥姆霍兹方程 在在光光纤纤的的分分析析中中，求求上上述述亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程满满足足边边界界条条件件的的解解，即即可可得得到到光光纤纤中中的的场场的的解解答答。求求解的方法主要有标量近似解和矢量解。解的方法主要有标量近似解和矢量解。（1 1）标量近似解）标量近似解 分分析析阶阶跃跃光光纤纤时时，假假设设光光纤纤里里的的横横向向(非非光光传传输输的的方方向向）电电磁磁场场的的幅幅度度满满足足标标量量亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程，求求出出近近似似解解。这这是是一一种种近近似似，前前提提是是光光纤纤的的相相对对折折射射率率差差已已很很小小。西西很很小小的的光光纤纤称称作作弱弱导导波波光光纤纤，一一般般阶阶跃跃光纤可以满足这一条件。光纤可以满足这一条件。分分析析渐渐变变光光纤纤时时，假假设设纤纤芯芯的的尺尺寸寸无无穷穷，边边界界不不起起作作用用，然然后后假假设设横横向向（非非光光传传输输的的方方向向）电电磁磁场场的的幅幅度度满满足足标标量量亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程，求求出出近近似似解解。采采用用这这一一解解法法可可以以得得到到光光纤纤中中各各个个模模式式的的传传输输系系数数、模模式式的的截截止止条条件件、单单模模传传输输条条件件、多多模模传传输输时时的的模模式式数数量量、模模式式功功率率分分布布等等的的简简便便计计算算公公式式。还还可可以以利利用用这这一一方方法法来来分析光纤的色散特性。分析光纤的色散特性。采采用用标标量量近近似似解解得得到到的的光光纤纤中中的的模模式式为为标标量模。量模。（2 2）矢量解）矢量解 矢矢量量解解是是求求满满足足边边界界条条件件的的矢矢量量亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程的的解解答答。矢矢量量解解中中各各个个分分量量在在直直角角坐坐标标系系中中都都满满足足标标量的亥姆霍兹方程。量的亥姆霍兹方程。在在分分析析阶阶跃跃光光纤纤时时，纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率都都是是均均匀匀的的，所所以以矢矢量量解解是是严严格格的的分分析析方方法法，它它可可以以得得到到精精确确的的模模式式及及分分布布，但但是是比比较较复复杂杂。对对于于渐渐变变光光纤纤，需需要要作作一一些些近近似似假假设设，分分析析仍仍然然十十分分复复杂杂，需需进进行行数数值计算。值计算。采用矢量解得到的光纤中的模式为矢量模式。采用矢量解得到的光纤中的模式为矢量模式。9.2.39.2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 光光纤纤的的传传输输特特性性主主要要包包括括光光纤纤的的损损耗耗特性和色散特性，此外还有光纤的非线性效应。特性和色散特性，此外还有光纤的非线性效应。1 1光纤的损耗特性光纤的损耗特性 光光波波在在光光纤纤中中传传输输时时，随随着着传传输输距距离离的的增增加加，光光功功率率会会不不断断下下降降。光光纤纤对对光光波波产产生生的衰减作用称为光纤的损耗。的衰减作用称为光纤的损耗。衡衡量量光光纤纤损损耗耗特特性性的的参参数数为为衰衰减减系系数数（损损耗耗系系数数），定定义义为为单单位位长长度度光光纤纤引引起起的的光功率衰减，其表达式为光功率衰减，其表达式为 光光纤纤的的损损耗耗特特性性是是光光纤纤的的一一个个很很重重要要的的传传输输参参数数，它它对对于于评评价价光光纤纤质质量量和和确确定定光光纤纤通通信信系系统统的的中中继继距距离离有有着着决决定定性性的的作作用用。目目前前光光纤纤在在 1 1.55m.55m处处的的损损耗耗可可以以做做到到0.20.2dBdBkmkm左左右右，接接近近光光纤纤损损耗耗的的理理论论极极限限值值。（1 1）引起光纤损耗的因素）引起光纤损耗的因素 光光纤纤的的损损耗耗因因素素主主要要有有吸吸收收损损耗耗、散散射射损损耗耗和和其其他他损损耗耗。这这些些损损耗耗又又可可以以归归纳纳为为本本征征损损耗耗、制制造造损损耗和附加损耗等。耗和附加损耗等。除除上上述述三三类类损损耗耗外外，在在光光纤纤的的使使用用中中还还会会存存在在连连接接损损耗耗、耦耦合合损损耗耗，如如果果光光纤纤中中入入射射光光功功率率超超出出某某值值时还会有非线性效应带来的散射损耗。时还会有非线性效应带来的散射损耗。（2 2）光纤的损耗特性曲线）光纤的损耗特性曲线损耗谱损耗谱 将将以以上上三三类类损损耗耗相相加加就就可可以以得得到到总总的的损损耗耗，它它是是一一条条随随波波长长而而变变化化的的曲曲线线，叫叫做做光光纤纤的的损损耗耗特特性性曲曲线线损耗谱。损耗谱。第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 如如图图9.9.8 8为为石石英英光光纤纤的的损损耗耗谱谱曲曲线线。从从图图中中可可以以看看到到光光纤纤通通信信所所使使用用的的3 3个个低低损损耗耗“窗口窗口”3 3个低损耗谷，个低损耗谷，850850nmnm波段波段短波长波段短波长波段13101310nmnm波段波段长波长波段长波长波段15501550nmnm波段波段长波长波段长波长波段。目目前前光光纤纤通通信信系系统统主主要要工工作作在在13101310nmnm波波段段和和15501550nmnm波波段段上上，尤尤其其是是 15501550nmnm波波段段，长长距距离离大大容容量量的的光光纤纤通通信信系系统统多多工工作作在在这这一一波波段。段。2 2光纤的色散特性光纤的色散特性 (1)(1)光纤色散的概念光纤色散的概念 光光纤纤所所传传输输的的信信号号是是由由不不同同频频率率成成分分和和不不同同模模式式成成分分所所携携带带的的，由由于于不不同同频频率率成成分分和和不不同同模模式式成成分分的的传传输输速速度度不不同同，从从而而导导致致信信号号畸畸变变的的一一种种物物理理现现象象。在在数数字字光光纤纤通通信信系系统中，色散使光脉冲发生展宽。统中，色散使光脉冲发生展宽。对于数字光纤通信系统，当色散严重时，对于数字光纤通信系统，当色散严重时，会导致光脉冲前后相互重叠，造成会导致光脉冲前后相互重叠，造成码间干扰码间干扰，增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 （2 2）光纤色散的表示法）光纤色散的表示法 光光纤纤的的色色散散可可以以用用不不同同的的方方法法来来表表示示，常常用用的的有有色色散散系系数数D D（）、最最大大时时延延差差,光纤的带宽等光纤的带宽等。光光纤纤的的色色散散系系数数D D（）定定义义为为单单位位光光谱谱线线宽宽光光源源在在单单位位长长度度光光纤纤上上所所引引起起的的时时延延差差，其其公公式式为为最最大大时时延延差差描描述述光光纤纤中中速速度度最最快快和和最最慢慢的的光光波的时延之差。时延差越大，色散就越严重。波的时延之差。时延差越大，色散就越严重。光光纤纤带带宽宽是是用用光光纤纤的的频频率率特特性性来来描描述述光光纤纤的的色色散散，它它是是把把光光纤纤看看作作一一个个具具有有一一定定带带宽宽的的低低通通滤滤波波器器，光光脉脉冲冲经经过过光光纤纤传传输输后后，光光波波的的幅幅度度随随着着调调制制的的频频率率增增加加而而减减小小，直直到到为为零零，而而脉脉冲冲宽宽度度则则发发生生展展宽宽。经经理理论论推推导导，光光纤纤的的带带宽宽和和时时延延差差的关系为的关系为（3 3）光纤色散的种类）光纤色散的种类 根根据据色色散散产产生生的的原原因因，光光纤纤色色散散的的种种类类主主要要可可以以分分为为模模式式色色散散、材材料料色色散散和和波波导导色色散散三三种种。模模式式色色散散是是由由于于信信号号不不是是单单一一模模式式携携带带所所导导致致的的，又又称称为为模模间间色色散散；材材料料色色散散和和波波导导色色散散是是由由于于同同一一个个模模式式内内携携带带信信号号的的光光波波频频率率成成分不同所导致的，所以也叫做模内色散。分不同所导致的，所以也叫做模内色散。模式色散模式色散 在在多多模模光光纤纤中中存存在在许许多多传传输输模模式式，即即使使在在同同一一波波长长，不不同同模模式式沿沿光光纤纤轴轴向向的的传传输输速速度度也也不不同同，到到达达接接收收端端所所用用的的时时间间不不同同，产产生生了模式色散。了模式色散。材料色散材料色散 由由于于光光纤纤材材料料的的折折射射率率是是波波长长的的非非线线性性函函数数，从从而而使使光光的的传传输输速速度度随随波波长长的的变变化化而而变变化化，由由此此而而引引起起的色散叫材料色散的色散叫材料色散 材材料料色色散散主主要要是是由由光光源源的的光光谱谱宽宽度度所所引引起起。由由于于光光纤纤通通信信中中使使用用的的光光源源不不是是单单色色光光，具具有有一一定定的的光光谱谱宽宽度度，这这样样不不同同波波长长的的光光波波传传输输速速度度不不同同，从从而而产产生生时延差，引起脉冲展宽。时延差，引起脉冲展宽。波导色散波导色散 同同一一模模式式的的相相位位常常数数随随波波长长而而变变化化，即即群群速速度随波长而变化，从而引起色散，称为波导色散度随波长而变化，从而引起色散，称为波导色散。波波导导色色散散主主要要是是由由光光源源的的光光谱谱宽宽度度和和光光纤纤的的几几何何结结构所引起的。构所引起的。3 3光纤的非线性效应光纤的非线性效应 光光纤纤中中的的非非线线性性效效应应对对于于光光纤纤通通信信系系统统有正反两方面的作用：有正反两方面的作用：一一方方面面可可引引起起传传输输信信号号的的附附加加损损耗耗、波波分分复复用用系系统统中中信信道道之之间间的的串串话话、信信号号载载波波的的移动等；移动等；另另一一方方面面又又可可以以被被利利用用来来开开发发如如放放大器、调制器等新型器件。大器、调制器等新型器件。光纤的非线性可以分为两类，即受激散射光纤的非线性可以分为两类，即受激散射效应和折射率扰动。效应和折射率扰动。（1 1）受激散射效应）受激散射效应 受受激激散散射射效效应应是是光光通通过过光光纤纤介介质质时时，有有一一部部分分能能量量偏偏离离预预定定的的传传播播方方向向、且且光光波波的的频频率率发发生生改改变变，这这种种现现象象称称为为受受激激散散射射效效应应。受受激激散散射射效效应应有有两两种种形形式式，即即受受激激布布里里渊渊散散射射和和受受激激拉拉曼曼散散射射。这这两两种种散散射射都都可可以以理理解解为为一一个个高高能能量量的的光光子子被被散散射射成成一一个个低低能能量量的的光光子子，同同时时产产生生一一个个能能量量为为两两个个光光子子能能量量差差的的另另一一个能量子。个能量子。两种散射的主要区别两种散射的主要区别 受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子 受激布里渊散射转变为声频声子；受激布里渊散射转变为声频声子；光光纤纤中中的的受受激激布布里里渊渊散散射射只只发发生生在在后后向向，受受激激拉拉曼曼散散射射主主要要是是前前向向。受受激激布布里里渊渊散散射射和和受受激激拉拉曼曼散散射射都都使使得得入入射射光光能能量量降降低低，在在光光纤纤中中形形成成一一种种损损耗耗机机制制。在在较较低低光光功功率率下下，这这些些散散射射可可以以忽忽略略。当当入入射射光光功功率率超超过过一一定定阈阈值值后后，受受激激散散射射效效应应随随入入射射光光功功率率成成指指数数增加。增加。（2 2）折射率扰动）折射率扰动 在入射光功率较低的情况下，可以认为石在入射光功率较低的情况下，可以认为石英光纤的折射率与光功率无关。但是在较高英光纤的折射率与光功率无关。但是在较高光功率下，则应考虑光强度引起的光纤折射光功率下，则应考虑光强度引起的光纤折射率的变化，它们的关系为率的变化，它们的关系为 折射率扰动主要引起折射率扰动主要引起4 4种非线性效应：种非线性效应：即自相位调制即自相位调制（SPMSPM）、）、交叉相位调制（交叉相位调制（XPMXPM）。）。四波混频（四波混频（FWMFWM）、）、光孤子形成。光孤子形成。n自自相相位位调调制制是是指指光光在在光光纤纤内内传传输输时时光光信信号号强强度度随随时时间间的的变变化化对对自自身身相相位位的的作作用用。它它导导致致光光谱谱展展宽宽，从从而而影影响响系系统的性能。统的性能。n交交叉叉相相位位调调制制是是任任一一波波长长信信号号的的相相位位受受其其他他波波长长信信号号强强度度起起伏伏的的调调制制产产生生的的。交交叉叉相相位位调调制制不不仅仅与与光光波波自自身身强强度度有有关关，而而且且与与其其他他同同时时传传输输的的光光波波的的强强度度有有关关，所所以以交交叉叉相相位位调调制制总总伴伴有有自自相相位位调调制制。交交叉叉相相位位调调制制会会使使信信号脉冲谱展宽。号脉冲谱展宽。n 四波混频四波混频是指由是指由2 2个或个或3 3个不同波长的光波混合后产生个不同波长的光波混合后产生新的光波的现象。其产生原因是某一波长的入射光会改新的光波的现象。其产生原因是某一波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产生新的波长。四波混频对于密集波分复用（生新的波长。四波混频对于密集波分复用（DWDMDWDM）光纤光纤通信系统影响较大，成为限制其性能的重要因素。通信系统影响较大，成为限制其性能的重要因素。n非线性折射率和色散间的相互作用，可以使光脉冲得以非线性折射率和色散间的相互作用，可以使光脉冲得以压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，可以形成光孤子可以形成光孤子。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中，。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中，保持形状和脉宽不变。保持形状和脉宽不变。9.2.4 9.2.4 单模光纤单模光纤 单模光纤：指在给定的工作波长上只传输单一基单模光纤：指在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤。由于只传输基模，不存在模式色散，具有相模的光纤。由于只传输基模，不存在模式色散，具有相当宽的传输带宽，使其适用于长距离、大容量的信系统当宽的传输带宽，使其适用于长距离、大容量的信系统。1 1单模光纤的结构特点单模光纤的结构特点 为保证单模传输，光纤的芯径为为保证单模传输，光纤的芯径为 4 410 10 m m。单单模模光光纤纤纤纤芯芯的的折折射射率率分分布布要要求求为为均均匀匀分分布布设设计计，但但由由于于光光纤纤制制造造过过程程中中的的某某些些不不完完善善，纤纤芯芯折折射射率率分分布布实实际际上上是是非非均均匀匀的的。此此外外，为为了了制制造造的的合合理理及及改改善善光光纤纤性能，单模光纤的包层折射率常是变化的。性能，单模光纤的包层折射率常是变化的。2 2单模光纤的特性参数单模光纤的特性参数 单模光纤的主要特性参数有单模光纤的主要特性参数有折射率分布、衰减系折射率分布、衰减系数、色散、截止波长、模场直径等。数、色散、截止波长、模场直径等。3 3单模光纤的偏振单模光纤的偏振 所所谓谓单单模模光光纤纤，实实际际上上传传输输两两个个相相互互正正交交的的基基模模。在在完完善善的的光光纤纤中中，这这两两个个模模式式有有相相同同的的相相位位常常数数，是是互互相相兼兼并并的的。但但实实际际光光纤纤总总带带有有某某种种程程度度的的不不完完善善，例例如如纤纤芯芯的的椭椭圆圆变变形形、光光纤纤内内部部的的残残余余应应力力等等等等。这这些些因因素素使使得得两两正正交交基基模模的的相相位位常常数数不不相相等等。这这种种现现象象叫叫做做光光纤纤的的双双折折射射。由由于于双双折折射射，两两模模式式的的群群速度不同，从而引起偏振色散。速度不同，从而引起偏振色散。4 4单模光纤的分类单模光纤的分类 按按照照国国际际电电信信联联盟盟电电信信标标准准化化部部门门ITUITUT T的的最最新新建建议议G G652652，G G653653，G G654654，G G655655，单单模模光光纤纤可可以以分分为为4 4种种，即即非非色色散散位位移移单单模模光光纤纤、色色散散位位移移单单模模光光纤纤、截截止止波波长长位位移移单单模模光光纤纤和和非非零零色色散散位位移单模光纤移单模光纤。9 93 3 光发送机与光接收机光发送机与光接收机 光发送机与光接收机统称为光端机。光发送机与光接收机统称为光端机。光光端端机机是是光光纤纤通通信信系系统统中中的的光光纤纤传传输输终终端端设设备备，它它们们位位于于电电端端机机和和光光纤纤传传输输线线路之间（见图路之间（见图9 92 2）。）。光光发发送送机机的的主主要要作作用用是是将将电电端端机机送送来来的的电电信信号号变变换换为为光光信信号号，并并耦耦合合进进光光纤纤中中进进行行传传输输。光光发发送送机机中中的的光光源源是是整整个个系系统统的的核核心心器器件件，它它的的性性能能直直接接关关系系到到光光纤纤通通信信系系统的性能和质量指标统的性能和质量指标。第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 光接收机光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机。电接收端机。光接收机中的关键器件是光接收机中的关键器件是半导体光检测器半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端的性能是决定光接收机的主要因素。前端的性能是决定光接收机的主要因素。9.3.1 9.3.1 半导体激光器和发光二极管半导体激光器和发光二极管 1 1光纤通信系统对光源的要求光纤通信系统对光源的要求 光纤通信系统对于光源的要求可以概括为：光纤通信系统对于光源的要求可以概括为：u 光光源源的的发发射射波波长长应应该该与与光光纤纤的的低低损损耗耗窗窗口口一一致致，即即为为 850 850 nmnm，1310 nm1310 nm和和 1550 1550 nmnm的的3 3个低损耗窗口个低损耗窗口u 光光源源有有足足够够高高的的、稳稳定定的的输输出出光光功功率率，以以满满足足系系统统中继距离的要求，一般为数十微中继距离的要求，一般为数十微 瓦至数微瓦为宜；瓦至数微瓦为宜；u光光源源的的光光谱谱线线宽宽要要窄窄，即即单单色色性性好好，以以减减小小光光纤纤色色散散对信号传输质量的影响；对信号传输质量的影响；u调调制制方方法法简简单单，且且要要响响应应速速度度快快，以以满满足足高高速速率率传传输输的需要；的需要；u电光转换效率要高；电光转换效率要高；u能够在室温下连续工作；能够在室温下连续工作；u体积小、重量轻、寿命长，工作稳定可靠。体积小、重量轻、寿命长，工作稳定可靠。2 2半导体激光器半导体激光器 （1 1）基本原理）基本原理 受受激激辐辐射射是是半半导导体体激激光光器器的的基基本本工工作作原原理。半导体激光器是由共价单晶体所制成的。理。半导体激光器是由共价单晶体所制成的。在在半半导导体体材材料料中中，原原子子是是紧紧密密地地按按一一定定规规则则排排列列的的。由由于于电电子子的的共共有有化化运运动动，使使能能级级产产生生了了分分裂裂，并并形形成成了了能能带带，如如图图9.99.9所所示示。晶晶体体中中电电子子填填充充能能带带遵遵守守泡泡利利相相容容原原理理和和能能量量最最小小原原理理。低低能能带带首首先先被被占占满满，称称为为满满带带；价价电电子子占占据据的的能能带带称称为为价价带带；价价带带上上面面的的自自由由电电子子占占据据的的能能带带称称为为导导带带；导导带带和和价价带带之之间间是是不不能能被被电电子子占占据据的的禁禁带带，通通常常用用 Eg Eg 表表示示导导带带和和价带之间的能量差，称为禁带宽度价带之间的能量差，称为禁带宽度 Eg=Ec-EvEg=Ec-Ev第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术（2 2）半导体激光器的结构）半导体激光器的结构 半导体激光器的基本结构如图半导体激光器的基本结构如图9.10 9.10 所示。在所示。在P P区和区和N N区之间为有源区（或激活区）区之间为有源区（或激活区）和有源区两侧的限制层，这种结构称为异质和有源区两侧的限制层，这种结构称为异质结构；两个端面为自然结构；两个端面为自然解理面解理面形成平行反射形成平行反射镜，构成镜，构成光学谐振腔光学谐振腔。有源区为光提供增益有源区为光提供增益，而而谐振腔的作用是提供光学正反馈谐振腔的作用是提供光学正反馈，并控制，并控制激光束的特性激光束的特性.半导体激光器要产生稳定的激光振半导体激光器要产生稳定的激光振荡必须满足一定的条件，即荡必须满足一定的条件，即阈值条件阈值条件和和相位条相位条件件。通常采用的半导体激光器为条型激光器，通常采用的半导体激光器为条型激光器，其有源区为条型结构，阈值较低，并且与光纤其有源区为条型结构，阈值较低，并且与光纤耦合效率较高。条型激光器主要有两种结构，耦合效率较高。条型激光器主要有两种结构，即增益导引条型和折射率导引条型。如图即增益导引条型和折射率导引条型。如图9 91111为两种条型半导体激光器的横截面结构图。为两种条型半导体激光器的横截面结构图。在长距离、大容量光纤通信系统中，一般采用在长距离、大容量光纤通信系统中，一般采用QWQW激光器、激光器、DFB-LDDFB-LD激光器和激光器和DBR-LDDBR-LD激光器。他激光器。他们具有光谱线宽窄、动态单纵模运转、阀值电们具有光谱线宽窄、动态单纵模运转、阀值电流低等优点。流低等优点。（3 3）稳态特性）稳态特性 发射波长发射波长 构构成成半半导导体体激激光光器器的的材材料料决决定定了了激激光光器器的的发发射射波波长长。一一般般采采用用GaAs/GaAlAsGaAs/GaAlAs材材料料构构成成850 850 nmnm波波段段的的短短波波长长半半导导体体激激光光器器，它它是是以以 GaAsGaAs作作为为有有源源区区；采采用用InGaP/InpInGaP/Inp材材料料构构成成长长波波长长（110011001700 1700 nmnm）半半导体激光器，它是以导体激光器，它是以 InGaAsPInGaAsP作为有源区。作为有源区。P-IP-I特性特性 半半导导体体激激光光器器的的P-IP-I特特性性是是指指它它的的输输出出功功率率P P随随注注入入电电流流I I的的变变化化关关系系。图图9.129.12为为一一半半导导体体激激光光器器的的典典型型P-IP-I特特性性曲曲线线。随随着着激激光光器器注注入入电电流流的的增增加加，其其输输出出光光功功率率增增加加，但但不不是是呈呈线线性性关关系系。当当注注入入电电流流低低于于阈阈值值时时，输输出出功功率率很很小小；当当注注入入电电流流大大于于阈阈值值电电流后，输出光功率随注入电流的增加而急剧增加。流后，输出光功率随注入电流的增加而急剧增加。第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 温度特性温度特性 半导体激光器是对温度敏感的器件，半导体激光器是对温度敏感的器件，它的输出光功率随温度而变化。图它的输出光功率随温度而变化。图9.139.13为一激为一激光器的光器的P-IP-I特性随温度变化的情况。特性随温度变化的情况。随着温度随着温度的升高，器件的阈值电流增大，而且输出光的的升高，器件的阈值电流增大，而且输出光的峰值波长会向长波长方向漂移峰值波长会向长波长方向漂移。实用化的半导体激光器必须对温度加实用化的半导体激光器必须对温度加以控制。以控制。第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术模式特性模式特性 半导体激光器中所允许的光场模式分为半导体激光器中所允许的光场模式分为TETE和和TMTM两组每一组模式对应着电（或磁）场在垂直于两组每一组模式对应着电（或磁）场在垂直于PNPN结结平面方向（横向）、平行于平面方向（横向）、平行于PNPN结平面方向（侧向）结平面方向（侧向）和传输方向（纵向）的稳定驻波形式，这三个方向和传输方向（纵向）的稳定驻波形式，这三个方向上的驻波分别称为横模、侧模和纵模。激光器的横上的驻波分别称为横模、侧模和纵模。激光器的横模和侧模决定了输出光束的空间分布模和侧模决定了输出光束的空间分布 ；纵模则表；纵模则表示了激光器在谐振腔方向上光波的振荡特性，即激示了激光器在谐振腔方向上光波的振荡特性，即激光器发射的光谱的性质。在光纤通信系统中要求半光器发射的光谱的性质。在光纤通信系统中要求半导体激光器工作于基横模和单侧模，以提高与光纤导体激光器工作于基横模和单侧模，以提高与光纤的耦合效率。为减小光纤带来的色散，要求激光器的耦合效率。为减小光纤带来的色散，要求激光器单纵模工作，特别是在高速调制下的单纵模运转。单纵模工作，特别是在高速调制下的单纵模运转。光谱特性光谱特性 半半导导体体激激光光器器的的光光谱谱特特性性主主要要是是由由激激光器的纵模决定。光器的纵模决定。激激光光器器的的光光谱谱会会随随着着注注入入电电流流而而发发生生变变化化。当当注注入入电电流流低低于于阈阈值值电电流流时时，半半导导体体激激光光器器发发出出的的是是荧荧光光，光光谱谱很很宽宽，如如图图9.9.1414（a a）所所示示。当当电电流流增增大大到到阈阈值值电电流流时时，光光谱谱突突然然变变窄窄，光光谱谱中中心心强强度度急急剧剧增增加加，出出现现了了激激光光，如如图图9 914(b)14(b)所所示示。对对于于单单纵纵模模半半导导体体激激光光器器，由由于于只只有有一一个个纵纵模模，其其谱谱线线更更窄窄，如如图图9 914(c)14(c)所示。所示。第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 激光器的效率激光器的效率 半半导导体体激激光光器器把把激激励励的的电电功功率率转转换换成成光光功功率率发发射射出出去去，常常用用功功率率效效率率和和量量子子效效率率衡衡量量激激光光器器转转换换效效率率的的高高低低。最最常常用用的的是是外外微微分分量量子子效效率率，其其定定义义为为激激光光器器达达到到阈阈值值后后，输输出出光光子子数数的的增增量量与与注注入入电电子子数数的的增增量量之之比比，表表达式为达式为 3 3发光二极管发光二极管 （1 1）基本原理）基本原理 发发光光二二极极管管（LEDLED）是是非非相相干干光光源源，它它的的基基本本工作原理是工作原理是自发辐射。自发辐射。发发光光二二极极管管与与半半导导体体激激光光器器在在材材料料、异异质质结结构构上上没没有有很很大大差差别别。二二者者在在结结构构上上的的主主要要差差别别是是：发发光光二二极极管管没没有有光光学学谐谐振振腔腔，不不能能形形成成激激光光。发发光光二二极极管管的发光仅限于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光的发光仅限于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光。（2 2）发光二极管的结构）发光二极管的结构 为为了了获获得得高高辐辐射射度度，发发光光二二极极管管一一般般采采用用双双异异质质结结构构。根根据据发发光光二二极极管管的的发发光光面面与与PNPN结结的的结结平平面面平平行行或或垂垂直直而而分分为为面面发发光光二二极极管管和和边边发发光光二二极极管管。它它们的结构如下图所示。们的结构如下图所示。第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 （3 3）工作特性）工作特性 与与半半导导体体激激光光器器相相比比，由由于于二二者者在在发发光光机机理理和和结结构构上上存存在在差差异异，因因此此使使得得它它们们在在主主要要性能上存在明显差异。性能上存在明显差异。P PI I 特性。特性。发发光光二二极极管管的的P-IP-I特特性性曲曲线线如如图图9.169.16所所示示。发发光光二二极极管管不不存存在在阈阈值值，输输出出光光功功率率与与注注入入电电流流之之间间呈呈线线性性关关系系，且且线线性性范范围围较较大大。当当注注入入电电流流较较大大时时，由由于于PNPN结结的的发发热热，发发光光效效率率降降低低，出出现现饱饱和和现现象象。从从图图中中可可以以看看出出，在在相相同同注注入入电电流流下下面面发发光光二二极极管管的的发发输输出出功功率率比比边边发光二极管大发光二极管大。第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术光谱特性光谱特性 由由于于发发光光二二极极管管输输出出的的是是自自发发辐辐射射光光，并并且且没没有有光光学学谐谐振振腔腔，所所以以输输出出光光谱谱要要比比半半导导体体激激光光器器宽宽的的多多。图图9.179.17给给出出了了发发光光二极管的光谱曲线。二极管的光谱曲线。第第9 9章章 光纤通信技术光纤通信技术 温度特性温度特性 与与半半导导体体激激光光器器相相比比，发发光光二二极极管管的的温温度度特特性性是是很很好好的的，如如图图9.189.18所所示示。由由于于发发光光二二极极管管的的输输出出光光功功率率随随温温度度变变化化不不大大，在实际使用中可以不加温度控制。在实际使用中可以不加温度控制。远场特性远场特性 远场特性远场特性是距离器件输出端面一定距离的是距离器件输出端面一定距离的光束在空间上的分布。光束在空间上的分布。发光二极管输出光的发散角较半导体激光发光二极管输出光的发散角较半导体激光器大，因此它与光纤耦合的效率很低，使得出器大，因此它与光纤耦合的效率很低，使得出纤光功率很低。与半导体激光器相比，发光二纤光功率很低。与半导体激光器相比，发光二极管的突出优点是寿命长、可靠性高、调制电极管的突出优点是寿命长、可靠性高、调制电路简单、成本低，所以它在一些传输速率不太路简单、成本低，所以它在一些传输速率不太高、传输距离不太长的系统中得到