WDM原理及光傳輸網(wǎng)綜合技術(shù)光纖通信器件的發(fā)展過程70

年代室溫工作LD

(GaAsAI

850nm)1970

康寧制出低損耗光纖(20dB/km)?雛形：古代烽火、手旗、燈光

1880年

貝爾的光電話激光器(發(fā)送源）光纖(傳輸介質(zhì))1960

Maiman發(fā)明紅寶石激光器1951

醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1962

半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs

870nm)1966

高錕

理論預(yù)言1300、1550nm

多模LD1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)單模LD低損耗窗口光纖開發(fā)

單模光纖傳送系統(tǒng)線路容量性能發(fā)展過程及預(yù)測Optical

Network

Next

Two

Decades,

JLT,

2006,

vol.24課課程目標(biāo)波波分復(fù)用（WDM）概述

WDM的關(guān)鍵器件傳傳輸光纖簡介WDM系統(tǒng)的傳輸損傷WDM系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)范WDM系統(tǒng)及組網(wǎng)技術(shù)知知識點(diǎn)問答課程目標(biāo)了解WDM系統(tǒng)的基本概念、原理、傳輸方式及組成了解WDM系統(tǒng)的關(guān)鍵器件構(gòu)成

了解WDM系統(tǒng)的各類傳輸媒質(zhì)

了解WDM系統(tǒng)的主要傳輸損傷

了解WDM系統(tǒng)的一些基本規(guī)范

了解WDM系統(tǒng)的基本方式組網(wǎng)何謂（D）WDM？

（Dense

）WavelengthDivisionMultiplexing（密集）波分復(fù)用6目錄信號復(fù)用的基本概念WDM系統(tǒng)定義

WDM系統(tǒng)的發(fā)展背景

WDM系統(tǒng)主要組成

WDM系統(tǒng)的不同形式

總結(jié)信號復(fù)用的基本概念TDMMux時(shí)分復(fù)用（TDM）：Time

Division

Multiplexing#1#2#3#4#1#2#3#4時(shí)間特點(diǎn)：以時(shí)間做分割尺度，包括電時(shí)分復(fù)用ETDM和光時(shí)分復(fù)用OTDM信號復(fù)用的基本概念FDMMux頻分復(fù)用（FDM）：Frequency

Division

Multiplexingf1f2#1#2f3f4#3#4f1f2f3頻率f4特點(diǎn)：以頻率做分割尺度信號復(fù)用的基本概念WDMMux波分復(fù)用（WDM）：

Wavelength

Division

Multiplexingλλ12#1#2λλ34#3#4λ1λ2λ3

λ4Wavelength特點(diǎn)：以波長做分割尺度信號復(fù)用的基本概念所謂頻分、時(shí)分、波分和空分復(fù)用，是指按頻率、時(shí)間、波長和空間來進(jìn)行分割的光通信系統(tǒng)。頻率和波長是緊密相關(guān)的，頻分也即波分，但在光通信系統(tǒng)中，由于波分復(fù)用系統(tǒng)分離波長是采用光學(xué)分光元件，它不同于一般電通信中采用的濾波器，所以業(yè)界仍將兩者分成兩個(gè)不同的系統(tǒng)。目錄WDM系統(tǒng)定義信號復(fù)用的基本概念WDM系統(tǒng)的發(fā)展背景

WDM系統(tǒng)的不同形式

WDM系統(tǒng)主要組成

總結(jié)WDM系統(tǒng)的定義波分復(fù)用是光纖通信中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長的光載波的特點(diǎn)，把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分成若干個(gè)波段，每個(gè)波段作一個(gè)獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長的光信號。光波分復(fù)用的實(shí)質(zhì)是在光纖上進(jìn)行光頻分復(fù)用（OFDM），只是因?yàn)楣獠ㄍǔ２捎貌ㄩL而不用頻率來描述、監(jiān)測與控制。WDM系統(tǒng)的分類按傳輸光纖波段內(nèi)光載波數(shù)目的不同，波分復(fù)用系統(tǒng)可分為：密集波分復(fù)用（DWDM）波長間隔≤8nm稀疏波分復(fù)用（CWDM）C:

Coarse

波長間隔<50nm寬波分復(fù)用（WWDM）W:

Wide

波長間隔≥50nm也有將上面DWDM細(xì)分為WDM1.6nm<波長間隔≤8nm

（200GHz

<波長間隔≤

1000GHz）DWDM波長間隔≤1.6nm目錄WDM系統(tǒng)的發(fā)展背景信號復(fù)用的基本概念

WDM系統(tǒng)定義WDM系統(tǒng)主要組成

WDM系統(tǒng)的不同形式

總結(jié)IP業(yè)務(wù)的推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的顯著增長決定了未來骨干網(wǎng)的設(shè)計(jì)方向全球骨干網(wǎng)容量的發(fā)展情況1.000.000Gbit/s100.00010.000總業(yè)務(wù)容量

因特網(wǎng)語音1.000專線虛擬專網(wǎng)100幀中繼(ISDN

FR,

ATM)1011996

19971998

19992000200120022003

200420052006

2007IP業(yè)務(wù)的推動(dòng)據(jù)統(tǒng)計(jì)，骨干網(wǎng)IP業(yè)務(wù)量每隔12個(gè)月翻一番，比著名的摩爾定律還快IP業(yè)務(wù)為主的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)成為電信網(wǎng)的主導(dǎo)業(yè)務(wù)量大量低延時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用（Web瀏覽、LAN等）帶寬窄，但通信量極大的業(yè)務(wù)（電話、E-mail等）新的固有帶寬應(yīng)用（視頻、多媒體、流媒體、網(wǎng)格計(jì)算、文件備份、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)等）

推動(dòng)系統(tǒng)擴(kuò)容，建設(shè)大容量傳送網(wǎng)WDM+EDFA

革新了光纖傳輸TXTXEDFAEDFATXTXTXTXTXTXTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTX1310RPTR1310RPTR1310RPTRTXTXTXTXTXTXTXTX120

km40km40km

40km

40km

40km

40km

40km

40km

1310

1310

1310

1310RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310

RPTR1310RPTR

RPTR

RPTR

RPTR40km1310RPTR1310RPTR1310RPTRMUX120

km

120

kmDEMWDM&TDM比較省成本W(wǎng)DM系統(tǒng)省光纖省成本W(wǎng)DM系統(tǒng)省電再生器WDM系統(tǒng)多光放大器和復(fù)用/解復(fù)用器成本低系統(tǒng)擴(kuò)容方式增加光纖光纜通路：前期投入比較常用的擴(kuò)容方式。?幾十芯，甚至上百芯的帶狀光纜已經(jīng)比較普遍

。?工期長，投入大，施工和維護(hù)不便。?光纖帶寬資源的浪費(fèi)。?難以預(yù)測對未來業(yè)務(wù)的光纖需求，不好規(guī)劃。系統(tǒng)擴(kuò)容方式TDM：比較常用的擴(kuò)容方式，從傳統(tǒng)PDH的一次群至四次群的復(fù)

用，到如今SDH的STM-1、STM-4、STM-16乃至STM-64的復(fù)

用。?可以成倍地提高光傳輸信息的容量，極大地降低了每條電路

在設(shè)備和線路方面投入的成本。?可以很容易在數(shù)據(jù)流中抽取某些特定的數(shù)字信號，尤其適合

在需要采取自愈環(huán)保護(hù)策略的網(wǎng)絡(luò)中使用。?影響業(yè)務(wù)，即在“全盤”升級至更高的速率等級時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接口及

其設(shè)備需要完全更換，所以在升級的過程中，不得不中斷正在

運(yùn)行的設(shè)備。?速率的升級缺乏靈活性，以SDH設(shè)備為例，當(dāng)一個(gè)線路速率

為155Mbit/s的系統(tǒng)被要求提供兩個(gè)155Mbit/s的通道時(shí)，就只

能將系統(tǒng)升級到622Mbit/s，即使有兩個(gè)155Mbit/s將被閑置，

也沒有辦法。?對于更高速率的時(shí)分復(fù)用設(shè)備，目前成本還較高，并且40Gbit/s的TDM設(shè)備已經(jīng)達(dá)到電子器件的速率極限。系統(tǒng)擴(kuò)容方式WDM：通用的擴(kuò)容方式。?對信號完全透明，不同波長的光信號所承載的數(shù)字信號可以是相同速率、相同數(shù)據(jù)格式，也可以是不同速率、不同數(shù)據(jù)格式。?節(jié)省光纖資源和電中繼站。

?擴(kuò)容簡單，便于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。?需要較多的光纖器件，增加失效和故障的概率

。系統(tǒng)擴(kuò)容方式WDM＋TDM：主流的擴(kuò)容方式。?1.結(jié)合TDM和WDM的優(yōu)點(diǎn)

單纖按WDM方式擴(kuò)容2.

WDM中，每波按TDM方式擴(kuò)容?真正實(shí)現(xiàn)大容量傳輸

80x40Gbps已經(jīng)商用目錄WDM系統(tǒng)主要組成信號復(fù)用的基本概念

WDM系統(tǒng)定義

WDM系統(tǒng)的發(fā)展背景WDM系統(tǒng)的不同形式

總結(jié)WDM系統(tǒng)組成波長發(fā)射單元波長接受單元波長發(fā)射單元波長接受單元λ1-

將電信號變?yōu)楣庑盘?

光信號具有特定的波長-

線路側(cè)采用窄帶激光器產(chǎn)生光脈沖-

將光信號轉(zhuǎn)換為電信號-

每個(gè)波長具有特定的速率

λ1

波分復(fù)用器-

客戶側(cè)用寬帶激光器產(chǎn)生光脈沖-

線路放大器用于補(bǔ)償傳輸中的信號衰減-

分波/合波光線路放大器傳輸光纖λn光功率放大器-

光信號的傳輸媒質(zhì)-

多種不同的單模光纖

G.652/653/655λn-

放大發(fā)射信號的功率，增加傳輸距離光預(yù)置放大器-

放大進(jìn)入接收機(jī)的信號光功率WDM系統(tǒng)組成波長轉(zhuǎn)換單元OTU光/電/光（O/E/O）的變換將非標(biāo)準(zhǔn)的波長轉(zhuǎn)換為ITU-T所規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)波長，即先用光電二極管PIN或APD把接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后用該電信號對標(biāo)準(zhǔn)波長的激光器進(jìn)行調(diào)制，從而得到新的合乎要求的光波長信號WDM系統(tǒng)組成波分復(fù)用器：合波/分波器發(fā)端的光合波器。用于傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端，是一種具有多個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口的器件，它的每一個(gè)輸入端口輸入一個(gè)預(yù)選波長的光信號，輸入的不同波長的光波由同一輸出端口輸出。收端的光分波器。用于傳輸系統(tǒng)的接收端，正好與光合波器相反，它具有一個(gè)輸入端口和多個(gè)輸出端口，將多個(gè)不同波長信號分類開來。WDM系統(tǒng)組成光放大器：功放/線放/預(yù)放對光信號進(jìn)行直接放大，是實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大器，是必不可少的關(guān)鍵器件。目前實(shí)用的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)中，作為前置放大器、線路放大器、功率放大器使用。WDM系統(tǒng)組成光監(jiān)控信道OSCWDM的光傳輸系統(tǒng)的監(jiān)控用ITU-T建議優(yōu)選采用1510nm波長，容量為2Mbit/s?？康退俾氏赂叩慕邮侦`敏度（優(yōu)于-50dBm）仍能正常工作。在EDFA之前下光路，而在EDFA之后上光路。目前，OSC波長及容量各個(gè)廠家都不同，特別是容量，有12.5Mbit/s的，用于更強(qiáng)的系統(tǒng)管理和額外的信息傳輸，無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)目錄WDM系統(tǒng)的不同形式信號復(fù)用的基本概念

WDM系統(tǒng)定義

WDM系統(tǒng)的發(fā)展背景

WDM系統(tǒng)主要組成總結(jié)WDM的不同傳輸方式……………………光源λ1光源λN波分復(fù)用檢測器λN檢測器λN+1檢測器λ2N光源λN+1光源λ2N單纖雙向WDM系統(tǒng)1檢測器λ11N單根光纖N波分復(fù)用N+1λ1……λNN+1λN+1……λ2N2N2NWDM的不同傳輸方式波分復(fù)用波分復(fù)用波分復(fù)用波分復(fù)用……………………光源λ1光源λN檢測器λ1檢測器λN檢測器λ1檢測器λN光源λ1光源λN1雙纖單向WDM系統(tǒng)1Nλ

1……λNNN+1N+12Nλ

1……λN2NWDM的不同傳輸方式單纖雙向WDM?理論上比雙纖單向省一半光纖、光放大器和相關(guān)的光器件?對光纖資源緊缺，比如只剩一根光纖，單纖雙向是唯一擴(kuò)容選擇?相反方向傳輸信號，不易產(chǎn)生四波混頻FWM，有利于實(shí)現(xiàn)更小間隔的高密集WDM?對放大器平坦度要求低，容許最大光功率高，跨段性能優(yōu)于雙纖單向WDM的不同傳輸方式理想的單纖雙向WDM不存在?必須采用大量附加元器件，如環(huán)形器等，系統(tǒng)復(fù)雜，噪聲系數(shù)差?每個(gè)光放大節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行復(fù)用解復(fù)用，不適合長距離中間多放大節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用（放大器一般不支持雙向）?網(wǎng)絡(luò)靈活性較差，難以提供快速配置和遠(yuǎn)程重路由，不利于網(wǎng)絡(luò)長期演進(jìn)

?運(yùn)行管理維護(hù)困難

?不適合拉曼放大器的使用

?網(wǎng)絡(luò)成本高WDM的不同傳輸方式雙纖單向WDM?返回信號經(jīng)不同的傳輸光纖，不需考慮串音

?系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，要求低?故障隔離和性能監(jiān)視容易?運(yùn)行管理維護(hù)方便?組網(wǎng)靈活，易于逐步升級擴(kuò)容?光纖、光線路放大器、WDM器件比單纖雙向多一倍?超高密集波分系統(tǒng)中光跨段性能不如單纖雙向（主要四波混頻FWM影響）目前主流WDM傳輸方式－雙纖單向WDM的不同應(yīng)用方式ODOAOA/ODOAOTUOTUOTOM/開放式WDM系統(tǒng)TxOTMOTOAOTMOTMOADMOTMOTURxTxUOTUOM/C-BANDOAC-BANDOA/OTURxOADMTxOTUUOTURx光放段光復(fù)用段光通道WDM的不同應(yīng)用方式開放式WDM系統(tǒng)對復(fù)用終端光接口沒有特別的要求，只要求這些接口符合ITU-T

建議的光接口標(biāo)準(zhǔn)。DWDM系統(tǒng)采用波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，將復(fù)用終端的光信號轉(zhuǎn)換成指定的波長，不同終端設(shè)備的光信號轉(zhuǎn)換成不同的符合ITU-T建議的波長，然后進(jìn)行合波。

目前主流WDM應(yīng)用方式WDM的不同應(yīng)用方式OA/ODOAOTUOTUOTUOM/OA集成式WDM系統(tǒng)OTMOAOTMOTMOADMOTMTxRxTxOM/C-BANDOAC-BANDOA/ODRxTxOADMRx光放段光復(fù)用段光通道WDM的不同應(yīng)用方式集成式WDM系統(tǒng)

沒有采用波長轉(zhuǎn)換技術(shù)。要

求

復(fù)

用

終

端

的

光

信

號

的

波

長

符

合

DWDM

系

統(tǒng)

的

規(guī)

范

，

不

同

的

復(fù)

用

終

端

設(shè)

備

發(fā)

送

不

同

的

符

合

ITU-T

建

議

的

波

長

，在接入合波器完成合波。

不利于保護(hù)現(xiàn)有投資

目前較少WDM應(yīng)用方式實(shí)際上，開放式和集成式WDM可以混合使用（集成式的復(fù)用終端可以接入開放式系統(tǒng)）目錄總結(jié)信號復(fù)用的基本概念

WDM系統(tǒng)定義

WDM系統(tǒng)的發(fā)展背景

WDM系統(tǒng)主要組成

WDM系統(tǒng)的不同形式WDM系統(tǒng)優(yōu)勢超大容量目前商用系統(tǒng)已達(dá)80x40Gbps（3.2Tbps）

對各類數(shù)據(jù)格式真正透明可承載多種業(yè)務(wù)信號系統(tǒng)升級時(shí)能最大限度地保護(hù)已有投資

無需改造光纜，理想的擴(kuò)容手段高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性

網(wǎng)絡(luò)扁平化發(fā)展趨勢，IP

over

DWDM

可兼容全光交換未來實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)WDM關(guān)鍵器件波長接受單元波長接受單元λλ從系統(tǒng)組成看關(guān)鍵器件波分復(fù)用器λ1光線路放大器傳輸光纖波長發(fā)射單元1波長發(fā)射單元n光功率放大器光預(yù)置放大器λnWDM關(guān)鍵器件WDM關(guān)鍵器件可以分為有源器件和無源器件兩大類。有源器件包括光源、光檢測器和光放大器。光無源器件主要有光耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等。WDM關(guān)鍵器件－光源有源器件－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)光源光源光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號轉(zhuǎn)換為光信號。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)。WDM關(guān)鍵器件半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，

實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分

布

，

產(chǎn)

生

受

激

輻

射

，

再

利

用

諧

振

腔

的

正

反

饋

，

實(shí)

現(xiàn)

光

放大而產(chǎn)生激光振蕩的。

1.受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在

物

質(zhì)

的

原

子

中

，

存

在

許

多

能

級

，

最

低

能

級

E1

稱

為

基

態(tài)

，

能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2,

3,

4

…)稱為激發(fā)態(tài)。電

子

在

低

能

級

E1

的

基

態(tài)

和

高

能

級

E2

的

激

發(fā)

態(tài)

之

間

的

躍

遷

有

三種基本方式：受激吸收

自發(fā)輻射

受激輻射能級和電子躍遷E2hf12初態(tài)

E2初態(tài)

Ehf122hf12初態(tài)E1E1E1E2終態(tài)

E2終態(tài)

E2終態(tài)E1E1E1

(a)

受激吸收；(b)

自發(fā)輻射；(c)

受激輻射-34受激輻射和受激吸收的區(qū)別與聯(lián)系受

激

輻

射

是受激吸收的逆

過程。電子

在E1

和

E2

兩個(gè)能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即E2-E1=hf12式

中

，

h=6.628×10

J·s

，

為

普

朗

克

常

數(shù)

，

f12

為

吸

收

或

輻

射

的

光

子頻率。

受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。受

激

輻

射

光的頻

率、相

位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自

發(fā)

輻

射

光是由

大量不

同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方

向分布

在一定

范圍內(nèi)

，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。

2.

激光振蕩和光學(xué)諧振腔

激光振蕩的產(chǎn)生：粒

子

數(shù)

反

轉(zhuǎn)

分

布

（

必

要

條

件

)+

激

活

物

質(zhì)

置

于

光

學(xué)

諧

振

腔

中

，

對

光的頻率和方向進(jìn)行選擇=連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出?；?/p>

本

的

光

學(xué)

諧

振

腔

由

兩

個(gè)

反

射

率

分

別

為

R1

和

R2

的

平

行

反

射

鏡

構(gòu)成，并被稱為法布里

-

珀羅(Fabry

Perot,

FP)諧振腔。由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。Lλ2n反射鏡光的振幅反射鏡光初強(qiáng)始光輸出位置OXL(a)激光器的構(gòu)成和工作原理

(a)

激光振蕩；

(b)

光反饋(b)3.

半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)

半

導(dǎo)

體

激

光

器

的

結(jié)

構(gòu)

多

種

多

樣

，

基

本

結(jié)

構(gòu)

是

雙

異

質(zhì)

結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3μm的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體，稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里

-

珀羅(FP)諧振腔。WDM關(guān)鍵器件半導(dǎo)體激光器的主要特性有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)1.

P-I特性

激光器的輸出光功率與注入電流之間的關(guān)系曲線。當(dāng)I<Ith

時(shí)激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當(dāng)I>Ith

時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。1.

P-I特性

?閾值電流Ith隨著注入電流的增加，輸出光功率開始緩慢的增加，當(dāng)注入電流增

加

到

某

一

值

Ith

（

即

P-I

曲

線

的

拐

點(diǎn)

）

，

輸

出

光

功

率

會(huì)

急

劇

增

加

，

這

一電流值Ith為閾值電流。?WDM系統(tǒng)對P-I曲線的要求對于自發(fā)輻射區(qū)，希望折線斜率盡量低，這樣閾值電流附近的無效光功率較低，消光比較好；對于受激輻射區(qū)，希望折線斜率適當(dāng)高些，輸出功率較高，轉(zhuǎn)換效率較高，并且希望折線不要扭折，防止自脈沖現(xiàn)象。04050622℃30℃℃℃℃℃82.

溫度特性

激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因（1）激光器的閾值電流Ith

隨溫度升高而增大（2）P-I曲線斜率（量子轉(zhuǎn)換效率）隨溫度升高而減小。P

/

mW54370210℃不激射050

100I

/

mAP

-

I曲線隨溫度的變化2.

溫度特性

溫度升高時(shí)，Ith

增大，斜率減小，輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫

度時(shí)，激光器就不激射了。當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為Ith=I0

exp(TT0)式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫

度。通常：GaAlAs

–GaAs

激光器T0=100~150

KInGaAsP-InP

激光器T0=40~70

K所以長波長InGaAsP-InP激光器輸出光功率對溫度的變化更加敏感。

3.

閾值電流的時(shí)間特性

?

閾

值

電

流

Ith

隨工作時(shí)間會(huì)逐漸增加，呈現(xiàn)所謂的性能退化特性，即

閾值電流的時(shí)間退化特性。?性能退化分慢退化和快退化?慢退化：殘余點(diǎn)缺陷的移動(dòng)和積累，數(shù)千～數(shù)萬小時(shí)表現(xiàn)出來?快退化：暗線缺陷的發(fā)展，數(shù)百～數(shù)千小時(shí)表現(xiàn)出來?可通過加速老化的方法篩選掉快退化器件?

通常將閾值電流增加

50

％的時(shí)間定義為壽命終止點(diǎn)，需要更換激光器

。

WDM

設(shè)

備

中

，

激

光

器

的

壽

命

告

警

就

是

激

光

器

的

偏

置

電

流

達(dá)

到

閾值電流的150％，引發(fā)告警。（不同廠家不一樣，也有120％的）8-34-19λ

=

=4.

發(fā)射波長

半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長等于禁帶寬度Eg(eV)，如下：h

f

=Eg

式

中

，

f=c/λ

，

f

(Hz)

和

λ(μm)

分

別

為

發(fā)

射

光

的

頻

率

和

波

長

，c=3×10

m/s

為

光

速

，

h=6.628×10

J·S

為

普

朗

克

常

數(shù)

，1eV=1.6×10

J，代入上式得到hc

1.24E

g

E

g不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85

μm波段銦鎵砷磷

-

銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3~1.55

μm波段2035.

光譜特性

激

光

器

的

光

譜

特

性

是

其

輸

出

功

率

、

溫

度

和

調(diào)

制

條

件

的

函

數(shù)

。從系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)角度看，最重要的光譜特性是峰值波長和光譜寬度。

光譜寬度：?均方根寬度δλ（多縱模激光器）

?-20dB帶寬λ

（單縱模激光器）

?半高全寬（

-3dB帶寬λ

）若光譜特性為高斯形，上述線寬有換算關(guān)系如下：λ3

＝2.35δλ

λ20

＝2.55

λ3?此

外

，

溫

度

增

加

，

峰

值

波

長

向

長

波

長

方

向

移

動(dòng)

，

同

時(shí)

，

線

寬也會(huì)逐漸變寬。

WDM關(guān)鍵器件多縱模半導(dǎo)體激光器MLM有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－波分復(fù)用器－連接器和接頭

－光耦合器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器多縱模激光器

?存在多個(gè)縱模同時(shí)工作?通常采用法布里

-

珀羅(FP)諧振腔結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)：發(fā)射光譜：Ppeak多縱模激光器

?商用MLM激光器主要應(yīng)用在1310nm窗口。

?技術(shù)成熟，價(jià)格便宜。?多

縱

模

與

光

纖

的

傳

導(dǎo)

模

式

無

關(guān)

，

MLM

激

光

器

既

可

以

工

作

在多模光纖，又可以工作在單模光纖。?目前，622Mbit/s及其以下速率基本上采用MLM激光器。WDM關(guān)鍵器件單縱模半導(dǎo)體激光器SLM有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－波分復(fù)用器－連接器和接頭

－光耦合器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器單縱模激光器

?只有一個(gè)縱模能夠工作。?通常指在高速調(diào)制下扔能保持單模的激光器。

發(fā)射光譜：PpeakSMSR單縱模激光器－DFB

分

布

反

饋

(DFB)

激

光

器

用

靠

近

有

源

層

沿

長

度

方

向

制

作

的

周期

性

結(jié)

構(gòu)

(

波

紋

狀

)

衍

射

光

柵

實(shí)

現(xiàn)

光

反

饋

。

這

種

衍

射

光

柵

的

折

射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。

分布反饋激光器的要求：（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性（3）發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧

（4）

閾值電流更低（5）輸出光功率更大單縱模激光器－DFB∧衍射光柵N層光柵P層ba有源層有源層輸出光(a)(b)分布反饋(DFB)激光器

(a)

結(jié)構(gòu)；

(b)

光反饋單縱模激光器－DFBDFB激光器與F-P激光器相比，

具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①

單縱模激光器②

譜線窄，

波長穩(wěn)定性好③

動(dòng)態(tài)譜線好④

線性好單縱模激光器－DBR

分布布拉格反射器(DBR)激光器

?和DFB激光器采用同樣的分布反饋機(jī)理?不

同

在

于

DBR

器

件

的

光

柵

不

是

沿

整

個(gè)

有

源

區(qū)

，

而

是

接

近

腔

的

端面。優(yōu)點(diǎn)：分布反饋不在中

心有源區(qū)，使擾動(dòng)區(qū)和

有源區(qū)分離，可以獲得

更大的靈活性，如波長

調(diào)諧等缺點(diǎn)：內(nèi)部損耗增加DBRDFB單縱模激光器－MQW

量子阱(MQW)激光器?將

DFB

激

光

器

的

有

源

層

厚

度

（

100

～

200nm

）

減

小

到

10nm

左

右

就成為MQW激光器。?有

源

層

厚

度

的

變

化

使

得

載

流

子

運(yùn)

動(dòng)

呈

現(xiàn)

量

子

特

性

，

帶

來

變

化

如下：?閾值電流比傳統(tǒng)DFB小一半，輸出功率超100mW?改變層厚就可以改變波長，傳統(tǒng)DFB做不到?增益隨載流子密度的變化速率高，可工作在超高速系統(tǒng)?線寬比傳統(tǒng)DFB小一半，受色散影響小，可工作在超長距系統(tǒng)單縱模激光器－波長可調(diào)激光器

?外腔式波長可調(diào)激光器由

外

部

光

柵

或

腔

鏡

與

半

導(dǎo)

體

激

光器構(gòu)成，通過改變腔長或形狀等機(jī)械調(diào)節(jié)方式改變波長?MEMS可調(diào)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）依靠移動(dòng)外部MEMS微鏡來調(diào)諧VCSEL腔長，從而改變輸出波長?波長可調(diào)DFB/DBR激光器通

過

控

制

溫

度

或

者

電

流

密

度

改

變激光器的有效折射率，從而引起振蕩波長變化，實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧

?多芯片陳列波長可調(diào)激光器將多個(gè)DFB/DBR小范圍波長可調(diào)諧激光器集成在一塊芯片，波長調(diào)諧范圍為所有DFB/DBR可調(diào)諧范圍之和單縱模激光器－垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL

?普通激光器諧振腔處于水平方向，邊發(fā)光

?VCSEL諧振腔處于垂直方向，面發(fā)光?優(yōu)點(diǎn)發(fā)射波束為均勻、圓形波束，耦合效率高諧振腔短，光離開時(shí)間短，可進(jìn)行快速調(diào)制

尺寸小，可高度集成電光轉(zhuǎn)換效率高，同樣輸出功率所需驅(qū)動(dòng)電流為DFB的1/4功耗少，無需溫控，可靠性高

成品率高，成本低?缺點(diǎn)輸出功率低只有850nm、980nm、1310nm商用，不能用于長距離通信系統(tǒng)WDM關(guān)鍵器件發(fā)光二極管LED有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)發(fā)光二極管LD

和LED的區(qū)別LD發(fā)射的是受激輻射光LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光LED

的

結(jié)

構(gòu)

和

LD

相

似

，

大

多

是

采

用

雙

異

質(zhì)

結(jié)

(DH)

芯

片

，

把

有

源

層

夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，

沒有閾值。面發(fā)光型LED邊發(fā)光型LED發(fā)光二極管的特點(diǎn)：輸

出

光

功

率

較

小

；

譜

線

寬

度

較

寬

；

調(diào)

制

頻

率

較

低

；

性

能

穩(wěn)

定，壽命長

；輸出

光功率

線性范

圍寬；制造工藝簡單，價(jià)格低廉；適用于小容量短距離系統(tǒng)

發(fā)光二極管的主要工作特性：

(1)

光譜特性。發(fā)光二極管發(fā)射的是

自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬。相對

光強(qiáng)一般短波長GaAlAs―GaAs發(fā)光二極管的譜線寬度約為25~40nm，長波長InGaAsPInP發(fā)光二極管的譜線寬度約為75~100nm。λ

＝

70

nm1300LED光譜特性波長

/

nm（2）P－I特性發(fā)光二極管的P―I特性是指輸出的光功率隨注入電流的變化關(guān)系，其P―I曲線如下圖所示。當(dāng)注入電流較小時(shí)，線性度非常好；但當(dāng)注入電流比較大時(shí)，由于PN結(jié)的發(fā)熱，發(fā)光效率降低，出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。在同樣的注入電流下，面發(fā)光二極管的輸出功率要比邊發(fā)光二極管大2.5~3倍，這是由于邊發(fā)光二極管受到更多的吸收和界面復(fù)合的影響。?

在

通

常

應(yīng)

用

條

件

下

，

發(fā)

光

二

極

管

的

工

作

電

流

為

50~150mA

，

輸

出

功

率

為

幾

個(gè)

毫

瓦

，

但

因

其

與

光

纖

的

耦

合

效

率

很

低

，

入纖功率要小得多。

?

溫

度

對

發(fā)

光

二

極

管

的

P―I

特

性

也

有

影

響

，

當(dāng)

溫

度

升

高

時(shí)

，

同

一

電

流

下

的

發(fā)

射

功

率

要

降

低

，

如圖所示。?

發(fā)

光

二

極

管

的

溫

度

特

性

相

對

較

好

（

與

LD

相

比

較

）

，

在

實(shí)

際

應(yīng)

用

中

，

一

般

可

以

不

加

溫

度

控

制。WDM關(guān)鍵器件激光器的調(diào)制有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－波分復(fù)用器－連接器和接頭

－光耦合器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器激光器的調(diào)制目前，絕大多數(shù)WDM使用的光源均為強(qiáng)度調(diào)制

直接調(diào)制又稱為內(nèi)調(diào)制，即直接對光源進(jìn)行調(diào)制，通過控制半導(dǎo)體激光器的注入電流的大小來改變激光器輸出光波的強(qiáng)弱。傳統(tǒng)的PDH和2.5Gbit/s速率以下的SDH系統(tǒng)使用的LED或LD光源基本上采用的都是這種調(diào)制方式。優(yōu)點(diǎn)：輸出功率正比于調(diào)制電流，結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、成本低缺點(diǎn)：調(diào)制電流的變化將引起激光器發(fā)光諧振腔的長度發(fā)生變化，引起發(fā)射激光的波長隨著調(diào)制電流線性變化，這種變化被稱作調(diào)制啁啾，它實(shí)際上是一種直接調(diào)制光源無法克服的波長（頻率）抖動(dòng)。啁啾的存在展寬了激光器發(fā)射光譜的帶寬，使光源的光譜特性變壞，限制了系統(tǒng)的傳輸速率和距離。一般情

況下，在常規(guī)G.652光纖上使用時(shí)，傳輸距離≤100公里，傳輸

速率≤2.5Gbit/s。激光器的調(diào)制恒定光源光調(diào)制器間接調(diào)制又稱做外調(diào)制。即不直接調(diào)制光源，而是在光源的輸出通路上

外加調(diào)制器對光波進(jìn)行調(diào)制，此調(diào)制器實(shí)際上起到一個(gè)開關(guān)的

作用。間接調(diào)制方式的激光器比較復(fù)雜、損耗大、而且造價(jià)也高，但

調(diào)制頻率啁啾很小，可以應(yīng)用于傳輸速率≥2.5Gbit/s，傳輸距

離超過300公里以上的系統(tǒng)。在使用光線路放大器的DWDM系統(tǒng)中，發(fā)射部分的激光器均為

間接調(diào)制方式的激光器。光信號輸出激光器的調(diào)制間接調(diào)制的調(diào)制器

光電調(diào)制器利用晶體的線性電光效應(yīng)。電光效應(yīng)是指電場引起晶體折射率變化的現(xiàn)象

。

聲光調(diào)制器利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)。聲光效應(yīng)，是聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)受聲波壓強(qiáng)的作用而產(chǎn)生變化，這種變化使得介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，從而影響光波傳輸特性。

損耗調(diào)制器工作在調(diào)制器材料吸收區(qū)邊界波長處，當(dāng)調(diào)制器無偏壓時(shí)，光源發(fā)送波長在調(diào)制器材料的吸收范圍之外，該波長的輸出功率最大，調(diào)制器為導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)調(diào)制器有偏壓時(shí)，調(diào)制器材料的吸收區(qū)邊界波長移動(dòng)，光源發(fā)送波長在調(diào)制器材料的吸收范圍內(nèi)，輸出功率最小，調(diào)制器為斷開狀態(tài)。WDM關(guān)鍵器件半導(dǎo)體激光器的一般性能和應(yīng)用有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)6

75

687半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能LDLED工作波長

λ

/

μ

m1.3

1.551.3

1.55譜線寬度

Δλ

/

nm1~2

1~350~100

60~120閥值電流

Ith/mA20~30

30~60工作電流

I/mA100~150

100~150輸出功率

P/mW5~10

5~101~5

1~3入纖功率

P/mW1~3

1~30.1~0.3

0.1~0.2調(diào)制帶寬

B/MHz500~2000

500~100050~150

30~100輻射角

θ

/(°)20×50

20×5030×120

30×120壽命

t/h10

~10

10

~1010

10工作溫度

/°C-20×50

-20×50-20×50

-20×50半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用?4

?3分布反饋激光器(DFB

-

LD)一般性能工作波長

Δλ

/

μm1.3

1.55譜線寬度

Δλ

/nm連續(xù)波單縱模10

~

10直接調(diào)制單縱模0.04~0.5(Gb/s,RZ)邊模抑制比

/dB30~35頻譜漂移

/(nm/oC)<0.08閥值電流

Ith/mAη/%d15~20

20~30外量子效率20

15輸出功率

P/mW

(連續(xù)單縱模,25oC)20~40

15~30半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用

LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)長ED

發(fā)光面積和光束輻射角

較大，而多模SIF光纖

或

G.651

規(guī)

范

的

多

模

GIF

光

纖

具

有

較

大

的

芯

徑

和

數(shù)

值

孔

徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。LD

通

常

和

G.652

或

G.653

規(guī)

范

的

單

模

光

纖

耦

合

，

用

于

1.3

μm

或1.55μm大容量長距離系統(tǒng)。分

布

反

饋

激

光

器

(DFB

-

LD)

主要和G.653

或G.654

規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。WDM關(guān)鍵器件光檢測器的工作原理有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)光檢測器的工作原理

PN結(jié)的光電效應(yīng)光電二極管（PD）是一個(gè)工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管，如下圖。由光電

二極管作成的光檢測

器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)。當(dāng)PN

結(jié)加反向偏壓時(shí)，外加電場方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場方向一致，勢壘加強(qiáng)，在PN

結(jié)界面附近載流子基

本上耗盡形成耗盡區(qū)。當(dāng)光束入射到PN

結(jié)上，且光子能量hv

大于半導(dǎo)體材

料

的

帶

隙

Eg

時(shí)

，

價(jià)

帶

上

的

電

子

吸

收

光

子

能

量

躍

遷

到

導(dǎo)

帶上，形成一個(gè)電子—空穴對。半導(dǎo)體中的光發(fā)射反向偏置的pn結(jié)在

耗

盡區(qū)，

在內(nèi)建

電場的

作用下

電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂

移

，

如

果

PN

結(jié)

外

電

路

構(gòu)

成

回

路

，

就

會(huì)

形

成

光

電

流

。當(dāng)入射光功率

變

化

時(shí)

，

光

電

流

也

隨

之

線

性

變

化

，

從

而

把

光

信

號

轉(zhuǎn)

換

成

電

信號。當(dāng)入射光子能量小于Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足：

hυ

>

Eg即存在λc

=hcE

gλc

為

產(chǎn)

生

光

電

效

應(yīng)

的

入

射

光

的

最

大

波

長

，

稱

為

截

止波長。以

Si

為

材

料

的

光

電

二

極

管

,λc=1.06μm;

以

Ge

為

材料的光電二極管，λc=1.60μm。利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN

結(jié)光電二極管。但這

種

光

電

二

極

管

結(jié)

構(gòu)

簡

單

，

無

法

降

低

暗

電

流

和

提

高

響

應(yīng)度

，

器

件

的

穩(wěn)

定

度

也

比

較差，

實(shí)際上不適合做光纖通信的檢測器。WDM關(guān)鍵器件光檢測器的主要特性有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)P光檢測器的主要特性

?

響應(yīng)度R?最重要的指標(biāo)，定義為光檢測器的平均輸出電流Ip和入射光功率Pr之比：（單位：A/W）

I

ηq

ληR

=

=

=

Pr

hν

1.24其中，η為量子效率。響應(yīng)度R是波長的函數(shù)，不同材料的光檢測器具有不同的波長范圍，通常響應(yīng)度的波長依賴型取決于材料的吸收特性，上限由材料的帶隙決定。當(dāng)波長小于帶隙是，吸收生成截流子；大于帶隙，則不會(huì)，因此，檢測器在長波長側(cè)面呈現(xiàn)尖銳的截止特性。不同材料光檢測器響應(yīng)度隨波長的變化關(guān)系光檢測器的主要特性

?

響應(yīng)速度?響應(yīng)速度是光電檢測器的另一個(gè)重要參數(shù)，通常用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間），如下圖來表示。光檢測器的脈沖響應(yīng)τ影響響應(yīng)速度的主要因素有：（1）檢測器及其有關(guān)電路的RC時(shí)間常數(shù)引起的脈沖前沿上升

時(shí)間RC（2）載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時(shí)間τdr（3）耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起的延遲時(shí)間τdi總的上升時(shí)間為：τr=

(τ2RC+

τ2dr+

τ2di)12光檢測器的主要特性

?

噪聲特性1.

散彈噪聲：由于帶電粒子產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性而引起的一種具有均勻頻譜的白噪聲。?

量子噪聲?

暗電流噪聲－主要決定因素

?

漏電流噪聲2.

雪崩噪聲：雪崩光電二極管APD內(nèi)部雪崩過程引入的噪聲3.

熱噪聲：溫度高于絕對零度，電阻中大量的電子就會(huì)在熱激勵(lì)下作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，由此在電阻上形成無規(guī)則弱電流，造成電阻的熱噪聲。WDM關(guān)鍵器件PIN光電二極管有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)PIN

光電二極管PIN光電二極管的產(chǎn)生由

于

PN

結(jié)

耗

盡

層

只

有

幾

微

米

，

大

部

分

入

射

光

被

中

性

區(qū)

吸

收

，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為

改

善

器

件

的

特

性

，

在

PN

結(jié)

中

間

設(shè)

置

一

層

摻

雜

濃

度

很

低

的

本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管?？狗瓷淠す怆姌OP＋Π(n)N＋E電極PIN光電二極管結(jié)構(gòu)－1ρ

/

(

Α·

W

)1

.

00

.

80

.

60

.

40

.

2Siη

＝

9

0

％7

0

％5

0

％3

0

％1

0

％In

G

a

A

sGe00

.

7

0

.

9

1

.

1

1

.

3

λ

/

μ

mPIN光電二極管響應(yīng)度ρ量子效應(yīng)率

η與波長1

.

5

1

.

7

λ

的關(guān)系WDM關(guān)鍵器件雪崩光電二極管APD有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)雪崩光電二極管（APD）

a、雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)當(dāng)

耗

盡

區(qū)

中

的

場

強(qiáng)

達(dá)

到

足

夠

高

時(shí)

，

入

射

光

產(chǎn)

生

的

電

子

或

空

穴

將不

斷

被

加

速

而

獲

得

很

高

的

能

量

，

這

些

高

能

量

的

電

子

和

空

穴

在

運(yùn)

動(dòng)

過程中與晶格

碰撞，使晶體中的原子電離，激發(fā)出新的電子—空穴對。這

些

碰

撞

電

離

產(chǎn)

生

的

電

子

和

空

穴

在

場

中

也

被

加

速

，

也

可

以

電

離

其

它的原子。經(jīng)過多次電離后，載流子迅速增加，形成雪崩倍增效應(yīng)。APD就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。下圖為一種被稱為拉通型APD（RAPD）的結(jié)構(gòu)。π層為低摻雜區(qū)（接近本征態(tài)），而且很寬。當(dāng)偏壓加達(dá)到一定程度后，耗盡區(qū)將被拉通到π層，一直抵達(dá)P+層。這

是

一

種

全

耗

盡

型

結(jié)

構(gòu)

，

具

有

光

電

轉(zhuǎn)

換

效

率

高

、

響

應(yīng)

速

度

快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。一種稱為拉通型APD(RAPD)的結(jié)構(gòu)圖(a)RAPD的結(jié)構(gòu)示意圖;(b)場分布示意圖+++倍增的高電場區(qū)集中在pn

結(jié)附近窄的區(qū)域內(nèi)。隨著偏置電壓的增加，結(jié)區(qū)的耗盡層逐漸加寬，直到p區(qū)的載流子全部耗盡，是p區(qū)成為耗盡區(qū)。進(jìn)一步加大偏置電壓，耗盡區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至“拉通”到整個(gè)π區(qū)。π區(qū)較寬以提高量子效率。

π區(qū)電場比pn

結(jié)區(qū)電場低。入射光子在π區(qū)吸收后建立一次電子－空穴對，其中電子在電場作用下向pn+結(jié)漂移，并在pn+結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生雪崩倍增；一次空穴則直接被P

吸收。b、雪崩光電二極管的特性與PIN

相比，雪崩光電二極管的主要特性也包括波長響應(yīng)范圍、量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)速度等。除

此

之

外

，

由

于

APD

中

雪

崩

倍

增

效

應(yīng)

的

存

在

，

APD

的

特

性

還

包括雪崩倍增特性、倍增噪聲、溫度特性等。

1)倍增因子定義倍增因子g為APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值：g

=IIopg

值

隨

反

向

偏

壓

、

波

長

和

溫

度

而

變

化

。

顯

然

，

APD

的

響應(yīng)度比PIN增加了g倍?，F(xiàn)在APD的g值已達(dá)到幾十甚至上百。

2)

噪聲特性APD

中的噪聲除了量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲之外，還有附加的倍增噪聲。雪崩倍增效應(yīng)不僅對信號電流有放大作用，而且對噪聲電

流

也

有

放

大

作

用

。

同

時(shí)

雪

崩

效

應(yīng)

產(chǎn)

生

的

載

流

子

也

是

隨

機(jī)的，所以會(huì)引入新的噪聲成分。3)溫度特性當(dāng)

溫

度

變

化

時(shí)

，

原

子

的

熱

運(yùn)

動(dòng)

狀

態(tài)

發(fā)

生

變

化

，

從

而

引

起電

子

、

空

穴

電

離

系

數(shù)

的

變

化

，

使

得

APD

的

增

益

也

隨

溫

度

而

變化。隨著溫度的升高，倍增增益下降。為

保

持

穩(wěn)

定

的

增

益

，

需

要

在

溫

度

變

化

的

情

況

下

進(jìn)

行

溫

度補(bǔ)償。WDM關(guān)鍵器件PIN管與APD管的性能比較有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)項(xiàng)目PIN管APD管制造工藝簡單復(fù)雜成本低高靈敏度差比PIN管高3～10dB動(dòng)態(tài)范圍稍差（典型15～25dB）大（典型25～35dB）偏置電壓低高（數(shù)十至數(shù)百伏）暗電流小（最大數(shù)納安）高（數(shù)十至數(shù)百納安）溫度敏感性小大（需溫度補(bǔ)償）適用范圍中低速中短距離傳輸，以及高速短距離傳輸中高速中長距離傳輸WDM關(guān)鍵器件－光放大器有源器件－光源－光檢測器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)光放大器種類摻鉺光纖放大器（EDFA）光纖放大器（OFA）摻鉺硅基光纖放大器，即EDFA或EDSFA摻鉺氟基光纖放大器，即EDFFA摻鉺碲基光纖放大器，即EDTFA摻鉺鐿光纖放大器（EYDFA）摻鉺鐿硅基光纖放大器，即EYDSFA摻鐠光纖放大器（PDFA）摻鐠氟基光纖放大器，即PDFA或PDFFA摻銩光纖放大器（TDFA）摻銩氟基光纖放大器，即TDFA或TDFFA光纖拉曼放大器（FRA）光波導(dǎo)放大器（OWGA）半導(dǎo)體光放大器（SOA）摻鉺波導(dǎo)放大器（EDWA）放大器主要工作特性總共約

200nm:

500~

1,000波40nmTDFAEDTFA0S+

Band1、工作帶寬RFA/SOAS

BandL+

BandEDFAGS-EDFA80nm:

20C

Band波L

Band1,450nm1,490nm1,530nm1,550nm1,570nm1,580nm1,610nm1,650nm此外，PDFA工作于傳統(tǒng)的1310nm增益，但是只有硅基光纖才具有實(shí)用價(jià)值放大器主要工作特性2、增益放大器的基本特性，定義為輸出信號功率和輸入信號功率之比：G(λ

)

=PoutPin3、增益平坦度WDM系統(tǒng)要求放大器的重要參數(shù)，某種程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。放大器主要工作特性4、飽和輸出功率放大器所能輸出的最大功率，當(dāng)放大器處于深飽和工作時(shí)，輸出功率不隨輸入功率的變化而變化，是衡量放大器的重要指標(biāo)之一。5、噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是度量由于放大器附加噪聲所導(dǎo)致的信號劣化程度的基本參數(shù)。WDM關(guān)鍵器件摻鉺光纖放大器EDFA有源器件－光源－光檢測器－光放大器無源器件－光耦合器－波分復(fù)用器－光隔離器和光環(huán)行器

－光調(diào)制器－光開關(guān)+3摻鉺光纖放大器原理圖較弱的輸入信號耦合器摻鉺光纖

(Er

)經(jīng)過光放大

的輸出信號增益平坦濾波器光隔離器980/1480nm泵浦EDFA的能帶結(jié)構(gòu)和光放大原理4I11/2τ～1μs

τ～10ms980nm4I13/21480nm4I15/21520～1560

nm泵浦源的選取?

980nm

和

1480nm

為

無

激

發(fā)

態(tài)

吸

收

的

能

帶

，

因

而

是

常

用

的

兩

個(gè)泵浦波長。這兩個(gè)波長的泵浦源都可用半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)。?

980nm增益大，泵浦效率高，噪聲?。傻椭?dB）,

是目前光纖放大器的首選泵浦波長。通常用于EDFA的前極放大。?

1480nm轉(zhuǎn)換效率高，可用在EDFA的后極做功率放大。EDFA的特性工作波長于光纖最小損耗窗口一致，在光纖通信中獲得很好的應(yīng)用性能好：低噪聲（4～7dB），高增益（20～40dB），高飽和輸出功率（10～20dBm）和寬頻帶（>35nm）

增益和極化無關(guān)與傳輸光纖耦合損耗小，可達(dá)0.1dB

泵浦轉(zhuǎn)換效率高>92%增益變化速率低于信號比特速率，信號調(diào)制不會(huì)引起放大器增益的明顯變化，可忽略碼間干擾、通路串音和互調(diào)非線性具有增益自補(bǔ)償功

對傳輸信號和格式透明EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用輸入光纖EDFA輸出光纖增益,dB20101.53

1.54

1.55

1.56,

λ(μm)EDFA的增益平坦控制Gain

(dB)Transmission

(dB)Gain

(dB)在DWDM系統(tǒng)中，復(fù)用的光通路數(shù)越來越多，需要串接的光放大器數(shù)目也越來越多，因而要求單個(gè)光放大器占據(jù)的譜寬也越來越寬。采用增益平坦濾波器使增益保持平坦EDFA原始增益譜濾波器損耗譜EDFA平坦增益譜25025201510-1-2-3-420151051520

1530

1540

1550

1560

1570

Wavelength

(nm)-5-61520

1530

1540

1550

1560

1570Wavelength

(nm)5152015301540155015601570Wavelength

(nm)EDFA的增益鎖定保證各個(gè)波長的增益不隨波長數(shù)目的改變而改變（增波或掉波時(shí)）一般通過調(diào)節(jié)泵浦激光器輸出功率來實(shí)現(xiàn)也有通過飽和波長法，通過多余的飽和波長的光功率的變化，實(shí)現(xiàn)增益鎖定EDFA的增益鎖定掉

波上

波>1dB>1dB增益不鎖定

EDFA掉波、

上波增益變

化圖掉波<0.5dB