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正文內(nèi)容

光纖與sdh技術(shù)ppt課件(編輯修改稿)

2025-06-08 02:17 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 變型光纖; D——二氧化硅系單模光纖; X——二氧化硅纖芯塑料包層光纖; S——塑料光纖。 Ⅲ : 光纖主要尺寸參數(shù) 用阿拉伯?dāng)?shù)(含小數(shù)點(diǎn)數(shù))及以 μm為單位表示多模光纖的芯徑及包層直徑,單模光纖的模場直徑及包層直徑。79 Ⅳ :帶寬、損耗、波長表示光纖傳輸特性的代號由 a、 bb及 cc三組數(shù)字代號構(gòu)成。 a——表示使用波長的代號,其數(shù)字代號規(guī)定如下: 1——波長在 ; 2——波長在 ; 3——波長在 。 注意,同一光纜適用于兩種及以上波長,并具有不同傳輸特性時,應(yīng)同時列出各波長上的規(guī)格代號,并用 “/”劃開。 bb——表示損耗常數(shù)的代號。兩位數(shù)字依次為光纜中光纖損耗常數(shù)值( dB/km)的個位和十位數(shù)字。 cc——表示模式帶寬的代號。兩位數(shù)字依次為光纜中光纖模式帶寬分類數(shù)值( MHzkm)的千位和百位數(shù)字。單模光纖無此項。80 Ⅴ : 適用溫度代號及其意義。 A——適用于 ?40℃ ~ +40℃ B——適用于 ?30℃ ~ +50℃ C——適用于 ?20℃ ~ +60℃ D——適用于 ?5℃ ~ +60℃81 光纜中還附加金屬導(dǎo)線(對、組)編號,如圖 236所示。其符合有關(guān)電纜標(biāo)準(zhǔn)中導(dǎo)電線芯規(guī)格構(gòu)成的規(guī)定。圖 236 光纜中附加金屬導(dǎo)線編號示意圖 例如, 2個線徑為 21;; 4個線徑為 44; 4個內(nèi)導(dǎo)體直徑為 ,外徑為 ,可寫成 4。82 ( 3)光纜型號例題 設(shè)有金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件、自承式、鋁護(hù)套和聚乙烯護(hù)層的通信用室外光纜,包括 12根芯徑 /包層直徑為 50/125μm的二氧化硅系列多模突變型光纖和 5根用于遠(yuǎn)供及監(jiān)測的銅線徑為 ,且在 ,光纖的損耗常數(shù)不大于 ,模式帶寬不小于 800MHzkm;光纜的適用溫度范圍為 ?20℃ ~ +60℃ 。 該光纜的型號應(yīng)表示為: GYGZL0312T50/125( 21008) C+54。83第第 3章章 通信用光器件通信用光器件 84本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章內(nèi)容? 光源:半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管。? 光電檢測器: PIN和 APD光電二極管。? 無源光器件:光連接器、光衰減器、光耦合器和光開關(guān)等。本章重點(diǎn)? 激光器的工作原理。? 光源和光電檢測器工作原理及其工作特性。? 無源光器件的功能及主要性能。本章難點(diǎn)? 發(fā)光機(jī)理。85學(xué)習(xí)本章目的和要求學(xué)習(xí)本章目的和要求? 了解半導(dǎo)體激光器的物理基礎(chǔ)。? 掌握半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管工作原理及其工作特性。? 熟悉光源的驅(qū)動電路工作原理。? 掌握光電檢測器的工作原理及特性。? 掌握無源光器件的功能及主要性能。86 光源光源 光源器件:光纖通信設(shè)備的核心,其作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號送入光纖。 光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。 半導(dǎo)體激光器( LD):適用于長距離大容量光纖通信系統(tǒng)。 發(fā)光二極管( LED):適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。87 激光器的工作原理激光器的工作原理 ( 1)光與物質(zhì)的三種作用形式 光與物質(zhì)的相互作用,可以歸結(jié)為光與原子的相互作用,將發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種物理過程。如圖 31所示。圖 31 能級和電子躍遷88 ① 在正常狀態(tài)下,電子通常處于低能級(即基態(tài)) E1,在入射光的作用下,電子吸收光子的能量后躍遷到高能級(即激發(fā)態(tài)) E2,產(chǎn)生光電流,這種躍遷稱為受激吸收 ——光電檢測器。 ② 處于高能級 E2 上的電子是不穩(wěn)定的,即使沒有外界的作用,也會自發(fā)地躍遷到低能級 E1 上與空穴復(fù)合,釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去,這種躍遷稱為自發(fā)輻射 ——發(fā)光二極管。 ③ 在高能級 E2上的電子,受到能量為 hf12的外來光子激發(fā)時,使電子被迫躍遷到低能級 E1 上與空穴復(fù)合,同時釋放出一個與激光發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子(稱為全同光子)。由于這個過程是在外來光子的激發(fā)下產(chǎn)生的,所以這種躍遷稱為受激輻射 ——激光器。 注:受激輻射光為相干光,自發(fā)輻射光是非相干光。89 ( 2)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大 受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。 如設(shè)低能級上的粒子密度為 N1,高能級上的粒子密度為 N2,在正常狀態(tài)下, N1 > N2,總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡條件下,物質(zhì)不可能有光的放大作用。 要想物質(zhì)產(chǎn)生光的放大,就必須使受激輻射大于受激吸收,即使 N2 > N1 (高能級上的電子數(shù)多于低能級上的電子數(shù)),這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大而發(fā)光的首要條件。90 ( 3)泵浦源 常采用泵浦源作為產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源。 物質(zhì)在泵浦源的作用下,產(chǎn)生 N2> N1,使受激輻射大于受激吸收,并伴有光放大作用,此時物質(zhì)已被激活。 ( 4)光學(xué)諧振腔 將激活后的物質(zhì)放入光學(xué)諧振腔,來獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 因此, 激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。 91圖 32 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置,放置兩個反射系數(shù)分別為 r1和 r2的平行反射鏡 M1和 M2,就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔。 如果反射鏡是平面鏡,稱為平面腔;如果反射鏡是球面鏡,則稱為球面腔,如圖 32所示。對于兩個反射鏡,要求其中一個能全反射,另一個為部分反射。92 對半導(dǎo)體激光器的要求對半導(dǎo)體激光器的要求對半導(dǎo)體激光器 LD的要求是: ① 輸出光功率高、線性度好 ② 與光纖耦合效率高。 ③ 譜線寬度窄。(好的 LD的譜線寬度可達(dá)到 )。 ④ 壽命長,工作穩(wěn)定。目前 LD的尾纖輸出功率可達(dá) 500μW~ 2mW; LED的尾纖輸出功率可達(dá) 10μW左右。93 激光器工作特性激光器工作特性 ( 1)閾值特性 對于 LD,當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時,輸出光功率急劇增加,這時將產(chǎn)生激光振蕩,這個電流稱為閾值電流,用 Ith 表示。如圖 33所示。閾值電流越小越好。圖 33 典型半 導(dǎo) 體激光器的 輸 出特性曲 線 94 ( 2)光譜特性 LD的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當(dāng) I< Ith時,發(fā)出的是熒光,光譜很寬,如圖 34( a)所示。當(dāng) I> Ith后,發(fā)射光譜突然變窄,譜線中心強(qiáng)度急劇增加,表明發(fā)出激光,如圖 34( b)所示。圖 34 GaAlAsGaAs激光器的光譜95 隨著驅(qū)動電流的增加,縱模模數(shù)逐漸減少,譜線寬度變窄。當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時,多縱模變?yōu)閱慰v模,這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。 普通激光器工作在直流或低碼速情況下,它具有良好的單縱模譜線,所對應(yīng)的光譜只有一根譜線,如圖 35( a)所示。而在高碼速調(diào)制情況下,其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。如圖 35( b)所示。 一般,用 FP諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器,要得到高速數(shù)字調(diào)制的動態(tài)單縱模激光器,必須改變激光器的結(jié)構(gòu),例如分布反饋半導(dǎo)體激光器( DFBLD)。96圖 35 GaAlAsGaAs激光器的輸出光譜97 ( 3)溫度特性 激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大,其變化情況如圖 36所示。圖 36 激光器閾值電流隨溫度變化的曲線98 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 1. LED的工作原理 發(fā)光二極管( LED)是非相干光源,是無閾值器件,它的基本工作原理是自發(fā)輻射。 發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是:發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振腔,不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射,所發(fā)出的是熒光,是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射,發(fā)出的是相干光。99 2. LED的結(jié)構(gòu) LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片,不同的是 LED沒有解理面,即沒有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩,所以沒有閾值。 LED分為兩大類:一類是面發(fā)光型 LED,另一類是邊發(fā)光型 LED,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 37所示。圖 37 常用的兩類發(fā)光二極管( LED)100 3. LED的工作特性 ( 1)光譜特性 LED譜線寬度 ?λ比激光器寬得多。圖 38是 InGaAsP LED的輸出光譜。 圖 38 InGaAsP LED的 發(fā) 光光 譜 101 ( 2)輸出光功率特性 兩種類型的 LED輸出光功率特性如圖 39所示。驅(qū)動電流 I 較小時, P ?I 曲線的線性較好;當(dāng) I 過大時,由于 PN結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象,使 P ?I 曲線的斜率減小。圖 39 發(fā)光二極管( LED)的 P ?I 特性102 ( 3)溫度特性 由于 LED是無閾值器件,因此溫度特性較好。 ( 4)耦合效率 由于 LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大,因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。 ( 5)調(diào)制特性 調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下,面發(fā)光型 LED截止頻率為20MHz~ 30MHz,邊發(fā)光型 LED截止頻率為 100MHz~ 150MHz。 比較: LED與 LD相比, LED輸出光功率較小,譜線寬度較寬,調(diào)制頻率較低。但 LED性能穩(wěn)定,壽命長,使用簡單,輸出光功率線性范圍寬,而且制造工藝簡單,價格低廉。103 半導(dǎo)體光源的應(yīng)用半導(dǎo)體光源的應(yīng)用 LED通常和多模光纖耦合,用于 量、短距離的光通信系統(tǒng)。 LD通常和單模光纖耦合,用于 、長距離光通信系統(tǒng)。 分布式反饋半導(dǎo)體激光器( DFBLD)主要用于 纖超大容量的新型光纖系統(tǒng),是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。104 光電檢測器光電檢測器 光電檢測器完成光 /電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是: ① 對一定的入射光功率,能夠輸出盡可能大的光電流; ② 具有足夠快的響應(yīng)速度,能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng); ③ 具有盡可能低的噪聲,以降低器件本身對信號的影響; ④ 具有良好的線性關(guān)系,以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真; ⑤ 具有較長的工作壽命。 目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種, PIN光電二極管和 APD雪崩光電二極管。105 PIN光電二極管光電二極管 PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的 P型、 N型半導(dǎo)體之間,加一層輕摻雜的 N型材料,稱為 I( Intrinsic,本征的)層。由于是輕摻雜,電子濃度很低,經(jīng)擴(kuò)散后形成一個很寬的耗盡層,如圖 310( a)所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如圖 310( b)所示。圖 310 PIN光電二極管106 雪崩光電二極管雪崩光電二極管 雪崩光電二極管,又稱 APD( Avalanche Photo Diode)。它不但具有光 /電轉(zhuǎn)換作用,而且具有內(nèi)部放大作用,其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。 1. APD的雪崩效應(yīng) APD的雪崩倍增效應(yīng),是在二極管的 PN結(jié)上加高反向電壓,在結(jié)區(qū)形成一個強(qiáng)電場;在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場加速,獲得高的動能,與晶格的原子發(fā)生碰撞,使價帶的電子得到了能量;越過禁帶到導(dǎo)帶,產(chǎn)生了新的電子 —空穴對;新產(chǎn)生的電子 —空穴對在強(qiáng)電場中又被加速,再次碰撞,又激發(fā)出新的電子 —空穴對 ……如此循環(huán)下去,形成雪崩效應(yīng),使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。 APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。107 2. APD的結(jié)構(gòu) 目前 APD結(jié)構(gòu)型式,有保護(hù)環(huán)型和拉通(又稱通達(dá))型。 保護(hù)環(huán)型在制作時淀積一層環(huán)形 N型材料,以防止在高反壓時使 PN結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。 拉通型雪崩光電二極管( RAPD)的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布如圖311所示。圖 311( a)所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 311( b)所示的是將縱向剖面順時針轉(zhuǎn) 90176。的示意圖。圖 311( c)所示的是它的電場強(qiáng)度隨位置變化的分布圖。 APD隨使用的材料不同有幾種: SiAPD(工作在短波長區(qū));GeAPD和 InGaAsAPD(工作在長波長區(qū))等。 108圖 311 RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖109 光電檢測器的特性光電檢測器的特性 PIN管特性包括響應(yīng)度、響應(yīng)時間和暗電流。 APD管除有上述特性外,還有雪崩倍增特性、溫度特性等。 1. PIN光電二極管的特性 ( 1)響應(yīng)度和量子效率 響應(yīng)度表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效
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