1、第三章第三章 光源与光发送机光源与光发送机(2)本节内容本节内容:光发送机光发送机光发送机的基本功能光发送机的基本功能 v将电端机送来的线路码转换成适宜于光纤信道传输的码型；v将编码器输出的电压信号TTL电平转换成电流信号，再转换成光信号，并有效地把光信号送入光纤。组成组成 光发送机主要由光源器件及驱动电路构成，如果采用外调制的话，还包括外调制器。此外，为了发送机的工作稳定、使用维护方便，还有一些辅助电路，如自动功率控制(APC)、自动温度控制(ATC)及各种保护报警电路等。光发送机的结构组成光发送机的结构组成自动功率控制（自动功率控制（APC）光发送机结构框图光发送机结构框图自动温度控制（自
2、动温度控制（ATC）主要技术指标 v平均发光功率PS；在规定伪随机码序列的调制下，光发送机输出的光功率值。单位是dBm。一般情况下，要求PS越大越好。PS越大，进入光纤进行传输的光功率越大，从损耗的角度出发，系统的传输距离可能越长。但其值也不能过大，否则会降低光源器件的寿命，PS的值一般不超过5 dBm。谱宽谱宽谱宽是光源器件的重要光谱特性参数，主要用它来度量光源器件所发送光脉冲的能量集中程度，其单位为nm。光源器件的谱线越窄越好，因为谱宽越窄，由它引起的光纤色散越小，就越利于进行大容量的传输。ITU-T规范了两种谱宽定义：根均方谱宽 和20dB谱宽 。v ：光源器件的峰值功率下降到其最大值的
3、0.607倍时所对应的谱线宽度。（多纵模激光器和LED）v ：最大峰值光功率下降20dB(0.01)时的最大全宽。rmsdB20rmsdB20光源器件的寿命光源器件的寿命光源器件的寿命越长越好。就光源器件的寿命越长越好。就目前水平而言，至少应该在目前水平而言，至少应该在30万万小时以上。小时以上。LEDLED：发光功率降低到其：发光功率降低到其初始值的一半时。初始值的一半时。LDLD：当阈值电流增加到其：当阈值电流增加到其初始值的二倍时。初始值的二倍时。光源的调制将信息将信息加载加载到光束上的过程称为到光束上的过程称为调制调制。将。将电信号变为光信号的方式通常有两种：电信号变为光信号的方式通常
4、有两种：n 直接调制直接调制：用电脉冲信号直接去改变光源的用电脉冲信号直接去改变光源的工作电流，从而使光源器件发出与电脉冲信号相工作电流，从而使光源器件发出与电脉冲信号相应的光脉冲。适用于半导体光源。应的光脉冲。适用于半导体光源。n 间接调制间接调制：利用晶体的电光、磁光和声光效利用晶体的电光、磁光和声光效应等性质对信号进行调制，既适用于半导体光源，应等性质对信号进行调制，既适用于半导体光源，也适用于其它类型的光源也适用于其它类型的光源。光发送机的技术要求光发送机的技术要求 v稳定的光功率输出和一定的光功率。稳定的光功率输出和一定的光功率。入纤功率要求约入纤功率要求约0.015mv，且环境，且
5、环境温度变化及光源老化时，输出光功温度变化及光源老化时，输出光功率应保持稳定，变化不超过率应保持稳定，变化不超过5 10 。v消光比小于消光比小于10。v输出光脉冲上升、下降、延滞时间输出光脉冲上升、下降、延滞时间应尽量短。应尽量短。v尽量抑制弛豫振荡。尽量抑制弛豫振荡。光源与光纤的耦合怎样将光纤的光信号功率有效的耦怎样将光纤的光信号功率有效的耦合进光纤时光发送机的一个非常重要的问合进光纤时光发送机的一个非常重要的问题。从光源发射光功率进入光纤需要考虑题。从光源发射光功率进入光纤需要考虑一系列因素，如光纤的发散角和光纤的数一系列因素，如光纤的发散角和光纤的数值孔径、纤芯尺寸、折射率剖面和纤芯值
6、孔径、纤芯尺寸、折射率剖面和纤芯包层折射率差等。此外还应考虑光源的尺包层折射率差等。此外还应考虑光源的尺寸、辐射强度和光功率的角分布。寸、辐射强度和光功率的角分布。在光源发射的全部光功率中，能耦合到光纤中在光源发射的全部光功率中，能耦合到光纤中的光功率通常采用耦合效率的光功率通常采用耦合效率 来度量。耦合效率定来度量。耦合效率定义为：义为：等式中，等式中，为耦合进光纤的功率，为耦合进光纤的功率，为光源发射为光源发射的功率。发射效率或耦合效率取决与和光源连接的的功率。发射效率或耦合效率取决与和光源连接的光纤类型和耦合的实现过程。比如，是否采用透镜光纤类型和耦合的实现过程。比如，是否采用透镜或其它
7、耦合改进方案。或其它耦合改进方案。耦合效率耦合效率SFPPSPFP光源与光纤耦合损耗的比较0.010.020.050.10.21.00.50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 63912151821耦合效率耦合效率耦合损耗耦合损耗/dB面发光面发光LED边发光边发光LDLD光纤光纤NA光源与光纤的耦合方法 最简单方法：直接耦合，又叫对接耦合。提高耦合效率的方法：(1)面发光LED与多模光纤光纤端面做成球形6%截头微透镜透镜耦合技术集成微透镜结构15%(2)边发光LED、LD与多模光纤用圆柱透镜降低发射光束的非对称性；圆柱透镜后加球面镜进一步降低光束发散；30%利用大数值孔径的自聚
8、焦透镜(GRIN棒)。60%(3)LD与单模光纤在纤芯端面集成微透镜。在发光面与光纤间插入聚焦透镜。SLED与光纤的耦合与光纤的耦合ElectrodeSiO2(insulator)ElectrodeFiber(multimode)Epoxy resinEtched wellDouble heterostructureLight is coupled from a surface emitting LEDinto a multimode fiber using an index matchingepoxy.The fiber is bonded to the LEDstructure.(a)Fi
9、berA microlens focuses diverging light from a surfaceemitting LED into a multimode optical fiber.Microlens(Ti2O3:SiO2 glass)(b)Multimode fiberLens(a)ELEDActive layerLight from an edge emitting LED is coupled into a fiber typically by using a lens or aGRIN rod lens.GRIN-rod lens(b)Single mode fiberEL
10、EDELED与光纤的耦合与光纤的耦合光源与光纤的实际耦合光源与光纤的实际耦合光纤的连接光纤的连接在任何光纤系统的铺设过程中，必须考在任何光纤系统的铺设过程中，必须考虑的一个重要问题是光纤之间的低损耗连接虑的一个重要问题是光纤之间的低损耗连接方法。这些连接存在于光源、光检测器、光方法。这些连接存在于光源、光检测器、光缆内部中间点上两根光纤的连接处以及线路缆内部中间点上两根光纤的连接处以及线路中两根光缆的中间连接点。光纤连接采用哪中两根光缆的中间连接点。光纤连接采用哪一种特殊技术，取决于光纤是否永久连接或一种特殊技术，取决于光纤是否永久连接或是连接可以轻易拆卸。一个永久性的连接通是连接可以轻易拆卸
11、。一个永久性的连接通常指的是一个接头，而一个易拆卸的连接成常指的是一个接头，而一个易拆卸的连接成为连接器。为连接器。光纤连接方法光纤连接方法光纤连接方法包括光纤熔接法、光纤连接方法包括光纤熔接法、V形槽机械连接和弹性管连接。形槽机械连接和弹性管连接。第一种方法可产生永久性的连接，第一种方法可产生永久性的连接，而后两种连接方法在需要时可以而后两种连接方法在需要时可以将已连接的光纤拆开。将已连接的光纤拆开。光纤熔接法光纤熔接法光纤熔接是通过加热的方法使已经制备好的光光纤熔接是通过加热的方法使已经制备好的光纤端面连接在一起。首先，将光纤端面对齐，并且纤端面连接在一起。首先，将光纤端面对齐，并且对接在
12、一起，该过程是在一个槽状光纤固定器里带对接在一起，该过程是在一个槽状光纤固定器里带有微型控制器的显微镜下完成的。然后在两根光纤有微型控制器的显微镜下完成的。然后在两根光纤的连接处使用电弧或激光脉冲加热，光纤头尾端被的连接处使用电弧或激光脉冲加热，光纤头尾端被熔化，进而连接在一起。熔化，进而连接在一起。优点：损耗低（小于优点：损耗低（小于0.06dB）；）；缺点：用手接触时产生的光纤表面损伤、加热缺点：用手接触时产生的光纤表面损伤、加热时引起的表面损伤加深。光纤连接处附近的残余应时引起的表面损伤加深。光纤连接处附近的残余应力都会在光纤介质熔化时导致化学成分的变化，从力都会在光纤介质熔化时导致化学
13、成分的变化，从而产生不牢固的连接。而产生不牢固的连接。V型槽机械连接型槽机械连接将预备好的光纤端面紧靠在一起，然将预备好的光纤端面紧靠在一起，然后将光纤使用粘合剂连接在一起或先用后将光纤使用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。盖片将两根光纤固定。V型通道既可以是型通道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片作成槽状。这种方法的连接损耗在基片作成槽状。这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光纤的尺寸（外尺寸很大程度上取决于光纤的尺寸（外尺寸和纤芯直径）变化和偏心度（纤芯相对和纤芯直径）变化和偏心度（纤芯相对于光纤中心的位置）。于光纤中心的位置）。弹性管
14、连接弹性管连接弹性管连接器是一种可自动进行横向、纵向、弹性管连接器是一种可自动进行横向、纵向、角度对准的独特器件。使用它连接多模光纤可以得角度对准的独特器件。使用它连接多模光纤可以得到和商用熔接机同一大小范围的连接损耗，但是所到和商用熔接机同一大小范围的连接损耗，但是所需要的设备和技巧却少得多。这种连接器基本上就需要的设备和技巧却少得多。这种连接器基本上就是一根用弹性材料做成的管子。管子中心孔的尺寸是一根用弹性材料做成的管子。管子中心孔的尺寸稍小于待连接的光纤，在孔的两端做成圆锥形以便稍小于待连接的光纤，在孔的两端做成圆锥形以便光纤插入。当插入光纤时，光纤使孔膨胀，于是塑光纤插入。当插入光纤时
15、，光纤使孔膨胀，于是塑料材料对光纤施加均匀的力。这种对称特征让两根料材料对光纤施加均匀的力。这种对称特征让两根待连接光纤的轴自动准确地对齐。尺寸范围较宽的待连接光纤的轴自动准确地对齐。尺寸范围较宽的光纤都能够插入弹性管中。由于每一根光纤在插入光纤都能够插入弹性管中。由于每一根光纤在插入弹性管时，其位置各自与弹性管管轴相关，因此两弹性管时，其位置各自与弹性管管轴相关，因此两根待连接的光纤在尺寸上并不一定要求相等。根待连接的光纤在尺寸上并不一定要求相等。1 1、光纤通信系统中常用的光源主要有哪几种？、光纤通信系统中常用的光源主要有哪几种？2 2、LEDLED的基本发光机理是什么？的基本发光机理是什
16、么？3 3、LDLD的基本发光机理是什么？的基本发光机理是什么？4 4、激光产生的条件是什么？、激光产生的条件是什么？5 5、LED LED、LDLD的发光特性及应用范围是什么？的发光特性及应用范围是什么？6 6、光发送机的作用是什么？、光发送机的作用是什么？7 7、光源调制的方式通常有哪两种？、光源调制的方式通常有哪两种？8 8、影响光源与光纤耦合效率的主要因素是什么？、影响光源与光纤耦合效率的主要因素是什么？思考与练习思考与练习dBm分贝毫瓦分贝毫瓦分贝指的是比值或相对单位，但分贝表示分贝指的是比值或相对单位，但分贝表示不了绝对功率电平。光纤特性中最常用的表不了绝对功率电平。光纤特性中最常用的表示绝对功率电平的单位是示绝对功率电平的单位是dBm。它是指相对。它是指相对1mw的功率电平值。其定义为：的功率电平值。其定义为：功率电平功率电平mwP1log10功率（功率（mW）10010210.50.10.010.001值（值（dBm）+20+10+30-3-10-20-30返回
