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光通讯基础知识与产品知识培训 第一大部分 光通讯基础知识光通讯基本概念光纤光缆光电器件光纤传输系统激光器使用注意事项光纤通信发展方向 大纲 第二大部分 产品基础知识TO光电组件光电产品的基本参数器件发展方向 第一大部分 光通讯基础知识 一 光通讯基本概念 1 光纤通信光纤通信是以光波为载波 以光纤 光导纤维 为传输媒体 将信号从某一点传送到另一点的通信方式 具有传输距离远 传输损耗小 通信容量大 传输频带宽 抗干扰性能好 不受电磁干扰 保密性好 不产生光泄漏 重量轻 体积小等优点 2 光纤通信基本组成光纤通信主要由信源 电端机 光端机 光纤和接受体构成 3 光纤通信发展1960年 世界上第一台激光器研制成功 1966年 英国华裔科学家高琨博士等人根据光波导理论 认为如果使光纤中损耗减低到20db km以下 就可能进行光纤通信 从此开创了光纤通信的先河 1970年 第一根低损耗光纤 20dB Km 研制成功 美国康宁公司 美国贝尔实验室成功研制能在室温条件下连续工作的半导体激光器 1974年 美国贝尔实验室成功研制出损耗为1dB Km的光纤 化学气相沉积法 MCVD 1976年 日本电话电报公司研制出损耗更低的光纤 0 5dB Km 20世纪80年代后期 光纤损耗已经降低到0 16dB Km 1982年我国第一条34Mb s光纤通信开通 1988年 第一条跨大西洋光缆投入运营 2002年 光纤通信单通道传输速率达到40Gb s DWDM传输光通信容量达10Tb s 2002年后 光通信开始向最后一站 用户接入网迈进 二 光纤 1 光纤的分类按工作波长 短波长 850nm 长波长 1310nm 1550nm 按传输模式 多模光纤和单模光纤按材料 石英光纤 塑料光纤等 2 光纤的拉制 3 光在光纤中的传输光在光纤中的传输遵循光的反射与折射定律 实际上 光在纤芯中全反射曲折前行 三 光缆 含有光纤 符合现场实际使用要求的光 机械和环境规范的缆 由光纤 加强件和外护层等组成 光缆的分类 按芯数分为单芯 双芯 多芯按结构分为层绞式 骨架式 带状等按敷设场合分为架空 直埋 管道 移动 室内 水下 海底等按用途分为通信用光缆和非通信用光缆 四 光电器件 1 无源光器件光分路器 耦合器 1xN 树型 NxN 星型 波分复用器 合波器和分波器 滤波器光纤连接器 活动 FC ST SC等 适配器 直通 光开关光衰减器 固定 可变光隔离器 单方向传输光的器件 2 有源光器件光源 发光二极管 LED 激光二极管 LD 光电检测器 PIN光电管 PIN TIA组件雪崩光电二极管 APD 光纤放大器 EDFA 五 光纤传输系统 1 光纤传输系统新技术延长中继距离的新技术光放大器 EDFA 外调制器 电光晶体LiNbO3 色散补偿 DCF Bragg光纤光栅 提高通信容量的新技术时分复用技术 TDM 波分复用技术 WDM 2 光纤传输系统的基本框图如下 电端机 驱动 光源 光检测 判决再生 光源 光检测 放大 电端机 发送 光发送机 光纤光缆 光中继器 光接收机 接收 光纤光缆 模拟通信 信噪比和谐波失真数字通信 误码率和相位抖动 六 激光器使用注意事项 光通信用激光器发射出对人眼有害的 肉眼看不见的红外光 如果近距离正眼观看 可能引起人眼视网膜瞬间的损伤 因此 在观察激光束时 千万不要用肉眼直接观察 激光器表面贴有激光辐射和方向的 警告标记 和 窗口标记 如下图示 激光器使用需注意以下几点 a 热的预防激光器是一种高功率密度的热功耗器件 使用时应尽量远离热源 不得在高于规定的最高工作温度下使用 否则会造成其性能和寿命的快速退化 器件管角的焊接时间有严格限制 一般不得超过10秒钟 焊接温度也必须严格控制在260 以内 b 力的预防激光器及尾纤都十分脆弱 无论在安装或操作时都必须尽量避免过大的扭绞力 牵引力和扭矩 尾纤不要扭绞 牵引力不得超过500克 力 5牛顿 其弯曲半径不得小于30mm c 电的预防采取静电放电 ESD 防护和电流浪涌防护 对激光器禁止施加反向电压 1 传输速率达到Tb s的系统设备2 掺杂有关化学元素 如铒 镨等 的光纤放大器3 光交换机4 密集波分复用 DWDM 设备5 适用于长距离 高速率 能承受较高光功率密度的新型光纤 如非零色散位移光纤 G 655光纤 无水吸收峰光纤 全波光纤等 6 集成光学器件及其它光通信元器件7 能兼容不同速率 协议和制式的全光网络技术等 七 光纤通信发展方向 第二大部分 产品基础知识 一 TO1 LDTOLDTO主要材料为TO帽 TO座 LD芯片 背光PD芯片等 1 1LDTO帽最常用的有普通球帽 2 0大球帽 非球帽 透镜材料为BK7 SF6 SF8等 帽桶材料为KOVER 普通球帽的耦合效率大概在10 左右 焦距在6 3mm左右 大球帽的耦合效率大概在15 左右 焦距在6 5mm左右 非球帽的耦合效率大概在35 左右 目前常用的焦距为7 5mm 普通球帽和2 0大球帽除了一个透镜为 1 5一个透镜为 2 0一点不同之处外 其他尺寸基本相同 所以这两种TO帽在外观上不好区分 普通球帽透镜并非标准的圆形 如图所示 非球透镜帽的结构如下图所示 非球透镜TO的耦合效率是最高的 但是我们平常用的最多的7 5焦距非球透镜却不是耦合效率最高的一种 非球TO的耦合效率和TO帽的关系曲线如图 由此看出非球TO的最大理论耦合效率 2 5dB 56 此时TO的焦距约为f 1 27 LD芯片距TO底座位置 3 97 2 27 透镜尺寸 0 8 L1 6 L2 9 77mm 1 2LDTO座最常见的LDTO底座为肖特的TO56底座 下边为肖特一款TO56座的外形图 1 3LD芯片根据芯片性能 LD芯片分为FP和DFB FP腔半导体激光器是利用两个端面对光进行集中反馈 DFB激光器是内含布拉格光栅来实现光的反馈的 因为内含布拉格光栅选择工作波长 所以DFB激光器的谐振器损耗就有明显的波长依存性 所以DFB的单色性和稳定性优于FP 两种芯片的光谱特性如下 1 4背光PD芯片背光PD有PIN200和PIN300 根据受光面积和PD芯片的粘贴位置来决定LDTO的背光电流大小 2 PDTOPDTO主要材料为TO帽 TO座 PD芯片 TIA 陶瓷电路板和电容 为提高灵敏度 防止串扰 TO封装要求 1 PIN尽可能靠近IC 2 打线尽可能短 2 1PDTO帽探测器的帽子越高 焦点越近 灵敏度越高 最常用的几款PDTO帽的帽高为2 9mm 3 2mm和3 5mm等 同时 PD芯片的陶瓷垫片的高度也可以调节PD的焦距 陶瓷垫片有0 25mm 0 4mm 0 5mm等 目前我们使用的帽高2 9的PDTO如图所示 2 2PD芯片探测器芯片分PIN和APD 对于PIN 光敏面越大耦合时越好找光 但光敏面越大带宽越窄 目前155M和622M的PD光敏面为 75 80 1 25G的PD光敏面为 55 60 APD为雪崩二极管 是利用光生载流子的雪崩效应使反向结电流产生倍增 2 3TIATIA是将探测器芯片产生的光电流进行差分放大输出的作用 如图所示 2 4PDTO座最常见的PDTO底座为肖特的TO46底座 下边为肖特一款TO46座的外形图 二 光电组件目前的光组件的有TOSA ROSA BOSA Triplexer 蝶形封装光组件等 TOSA内部结构图 ROSA内部结构图 BOSA内部结构图 Triplexer内部结构图 蝶形封装内部结构图 三 光电产品的基本参数1 激光器件的最大额定值1 1储存温度 Tstg 器件不工作状态下的最高环境温度 1 2工作温度 Top 器件工作状态下的最大管壳温度 1 3正向电流 If 可以施加到器件上不引起器件损坏的最大连续正向电流 1 4反向电压 Vr 可以施加到器件上不引起器件损坏的最大反向电压 1 5背光PD反向电压 Vd 可以施加到背光PD上不引起器件损坏的最大反向电压 2 激光器的光电特性参数2 1正向电压 Vf 当正向驱动电流为一确定值时对应激光二极管的正向电压 2 2阈值电流 Ith 激光二极管开始产生震荡的正向电流 2 3输出光功率 P0 规定调制电流下激光器输出的光功率 2 4峰值波长 p 在规定的输出光功率时 光谱内最大强度的光谱波长为峰值波长 2 5中心波长 c 峰值波长下降3dB的连线中心对应的波长位置 2 6谱宽 对于FPLD 采用ITU TG 957建议的最大均方根 RMS 宽度定义光谱宽度 对于DFBLD 采用ITU TG 957建议 峰值波长跌落 20dB的最大全宽 2 7边模抑制比 SMSR 在规定的出光功率和调制时 最高光谱峰强度与次高光谱峰强度之比 2 8上升 下降时间 tr tf 指LD输出光功率的脉冲响应时间 从额定光功率的10 上升到90 的时间为上升时间 从额定光功率的90 下降到10 的时间为下降时间 2 9开通延迟 ton 开通延迟是指调制的光脉冲上升沿在电信号为 开 后到达全幅度的10 对应的时间 2 10串联电阻 dV dI 指在工作电流处计算器件的电压电流的微分而确定的 对于一个激光二极管 总是希望有较小的串联电阻 高的串联电阻可能时因为器件的P边和N边的低质量金属化欧姆接触的结果 因此串联电阻是评价淀积在激光二极管上金属化接触质量的一个参数 2 11背光电流 Im 规定在LD输出光功率时 背光二极管的光电流 2 12背光二极管暗电流 Id 背光二极管在规定的反向电压和没有光照的情况下的输出电流 单位nA 2 13背光PD电容 Ct 指PD在规定的反向电压下阳极和阴极之间的电容 2 14跟踪误差 TE 不同温度下 背光相同时的出光功率之比 3 探测器的最大额定值3 1正向电流 If 指探测器所能承受的最大连续正向电流 3 2反向电流 Ir 指探测器所能承受的最大连续正向电流 3 3反向电压 Vr 指探测器所能承受的最大反向电压 4 探测器的光电特性参数4 1正向压降 Vf 指在无光照情况下 通过正向电流为规定值时 探测器正负极之间产生的压降 4 2响应度 R 探测器产生的光电流与入射光强度之比 4 3APD反向击穿电压 Vbr APD载流子倍增因子达到无穷大时的电压 在实际定义时把击穿电压定义为在无光照情况下 反向电流达到一个规定值时的反向电压 4 4击穿电压温度系数 r 击穿电压随温度变化的系数 指温度变化时维持一个倍增因子不变的电压随温度变化的系数 4 5APD暗电流 Id 在Vbr 3或90 Vbr情况下在无入射光的情况下 器件内部产生的反向电流 4 6灵敏度在有前置放大器的情况下 灵敏度是依据比特误码率 BER 特性所确定的 在规定波长和速率下 在误码率为某一数值时 BER 10 10或10 9 的最小可接收光功率 4 7饱和光功率 Ps 在工作速率下 误码率为某一数值时的最大接收光功率 4 8告警信号阈值在工作速率下 从大到小的改变输入光功率 当光功率减小到某一数值时 组件的告警输出信号电平出现反转 这是的光功率即为告警信号阈值 四 器件发展方向1 光学引擎 2 混合集成方案这种方案将激光器