光纖傳輸技術(shù)Fiber-OpticCommunicationTechnology第二章

光源與光探測器

第一部分

光源和光發(fā)射機主要內(nèi)容一、半導(dǎo)體中的光的發(fā)射和激射原理二、半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）三、半導(dǎo)體激光二極管（LD）四、數(shù)字光發(fā)射機光纖通信系統(tǒng)對光源的要求合適的發(fā)射波長，光纖的低損耗窗口；足夠大的輸出功率，較長的傳輸距離；較窄的發(fā)光譜線，減少光纖色散的影響；易于與光纖耦合，提高耦合效率，確保更多的光功率進入光纖；易于調(diào)制，響應(yīng)速度要快，調(diào)制失真小，帶寬大；要求在室溫下能連續(xù)工作，可靠性高，壽命至少在10萬小時以上。1能級2光與物質(zhì)的相互作用3半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)4半導(dǎo)體PN結(jié)光源5發(fā)光波長6直接帶隙和間接帶隙材料7異質(zhì)結(jié)一、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理

能級原子中的電子只能以一定的量子狀態(tài)存在，也即只能在特定的軌道上運動，電子的能量不能為任意值，只能具有一系列的不連續(xù)的分立值。我們把這種電子的能量不連續(xù)的分立的內(nèi)能稱為能級。處于最低能級時稱為基態(tài)，處于比基態(tài)高的能級時，稱為激發(fā)態(tài)。光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)之間存在以下三種相互作用關(guān)系：自發(fā)輻射受激輻射受激吸收自發(fā)輻射——電子無外界激勵而從高能級自發(fā)躍遷到低能級，同時釋放出光子。?受激輻射——高能級電子受到外來光子作用，被迫躍遷到低能級，同時釋放出光子，且產(chǎn)生的新光子與外來激勵光子同頻同方向，為相干光。?受激吸收——低能級電子在外來光子作用下吸收光能量而躍遷到高能級。?半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價晶體，其原子最外層電子軌道互相重疊，從而使其分立的能級形成了能級連續(xù)分布的能帶。?

價帶中電子在外界能量作用下，可以克服原子的束縛，被激發(fā)到能量更高的導(dǎo)帶之中去，成為自由電子，可以參與導(dǎo)電。處在導(dǎo)帶底Ec與價帶頂Ev之間的能帶不能為電子所占據(jù)，稱為禁帶，其能帶寬度稱為帶隙Eg(Eg=Ec-Ev)。根據(jù)能帶能量的高低，有導(dǎo)帶、禁帶和價帶之分。?費米能級通常情況下（熱平衡條件下），處于低能級的粒子數(shù)較高能級的粒子數(shù)要多，稱為粒子數(shù)正常分布。粒子在各能級間分布符合費米統(tǒng)計規(guī)律：

f(E)是能量為E的能級被粒子占據(jù)的幾率，稱為費米分布函數(shù)。Ef為費米能級，與物質(zhì)特性有關(guān)，不一定是一個為粒子占據(jù)的實際能級，只是一個表明粒子占據(jù)能級狀況的標(biāo)志。低于費米能級的能級被粒子占據(jù)的幾率大，高于費米能級的能級被粒子占據(jù)的幾率小。半導(dǎo)體PN結(jié)光源 發(fā)光二極管的工作原理：PN結(jié)在正向偏置時，N區(qū)的電子及P區(qū)的空穴會克服內(nèi)建電場的阻擋作用，穿過結(jié)區(qū)(擴散運動超過漂移運動)，從P區(qū)到N區(qū)產(chǎn)生凈電流。電子與空穴在擴散運動中產(chǎn)生復(fù)合作用，釋放出光能，實現(xiàn)發(fā)光。這種發(fā)光是一種自發(fā)輻射，所以發(fā)出的是熒光。由于這種發(fā)光是正向偏置把電子注入到結(jié)區(qū)的，又稱為電致發(fā)光。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光原理?發(fā)光波長

半導(dǎo)體光源發(fā)射的光子的能量、波長取決于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg，以電子伏特（eV）表示的帶隙Eg發(fā)射波長為直接帶隙和間接帶隙材料由于半導(dǎo)體內(nèi)光子與電子之間的相互作用所導(dǎo)致的電子的躍遷除需要滿足能量守恒條件之外，還必須滿足動量守恒條件。光子的動量與電子的動量相比可以忽略，因此，電子的躍遷前后應(yīng)具有相同的動量，也即有相同的波矢量。根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)的能量與波矢量關(guān)系，半導(dǎo)體材料可以分為光電性質(zhì)完全不同的兩類：直接帶隙材料間接帶隙材料 在直接帶隙材料中，導(dǎo)帶中的最低能量狀態(tài)與價帶中的最高能量狀態(tài)具有相同的波矢量，即位于動量空間中的同一點上。直接帶隙材料能帶、波矢量關(guān)系示意圖

碲化鎘（GdTe）、碲化鋅（ZnTe）等Ⅱ—Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料均為直接帶隙材料，主要用于可見光和紅外光電子器件的制作。 砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、砷磷化銦鎵（InGaAsP）等絕大多數(shù)的Ⅲ—Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料均為直接帶隙材料，主要。用于集成電路和光纖通信用半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器、光電檢測器的制作

在間接帶隙材料中，導(dǎo)帶中的最低能量狀態(tài)與價帶中的最高能量狀態(tài)處在不同的波矢量位置上，即具有不同的動量。間接帶隙材料能帶、波矢量關(guān)系示意圖 硅（Si）、鍺（Ge）等Ⅳ族半導(dǎo)體材料，屬于間接帶隙材料，不能用來制作半導(dǎo)體激光器，主要用于集成電路和光電檢測器的制作。不同半導(dǎo)體材料的帶隙及發(fā)光波長合金化合物半導(dǎo)體AlxGa1-xAs（GaAs和AlAs）經(jīng)驗公式Eg=1.424+1.266x+0.266x2同質(zhì)結(jié)

PN結(jié)是由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，P區(qū)、N區(qū)具有相同的帶隙、接近相同的折射率（摻雜后折射率稍有變化，但很?。?，這種PN結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。同質(zhì)結(jié)導(dǎo)波作用很弱，光波在PN結(jié)兩側(cè)滲透較深，從而致使損耗增大，發(fā)光區(qū)域較寬。構(gòu)成的光源有很大的缺點：發(fā)光不集中，強度低，需要較大的注入電流。器件工作時發(fā)熱非常嚴(yán)重，必須在低溫環(huán)境下工作，不能在室溫下連續(xù)工作。異質(zhì)結(jié)

由帶隙及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成。利用不同折射率的材料來對光波進行限制，利用不同帶隙的材料對載流子進行限制。加強結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作用及對載流子的限定作用，改善同質(zhì)結(jié)發(fā)光不集中、強度低的不足。分類：單異質(zhì)結(jié)（SH）雙異質(zhì)結(jié)（DH）同質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)LD能級圖及光子密度分布的比較在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有三種材料，有源區(qū)被禁帶寬度大、折射率較低的介質(zhì)材料包圍。1結(jié)構(gòu)面發(fā)光邊發(fā)光2工作特性光譜特性P-I特性發(fā)光效率二、半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）

調(diào)制特性發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)實際中多采用異質(zhì)結(jié)根據(jù)發(fā)光面與PN結(jié)的結(jié)平面平行或垂直可分為面發(fā)光二極管（SLED）邊發(fā)光二極管（ELED）

SLED的典型結(jié)構(gòu)?邊發(fā)光二極管（ELED）的結(jié)構(gòu)?光譜特性自發(fā)輻射發(fā)光，沒有諧振腔，發(fā)光譜線較寬

半最大值處的全寬度（FWHM）Dl=1.8kT(l2/ch)nm

線寬隨有源區(qū)摻雜濃度的增加而增加隨著溫度的升高線寬加寬發(fā)光效率分為內(nèi)量子效率和外量子效率內(nèi)量子效率：（存在非輻射復(fù)合）外量子效率：（材料吸收、波導(dǎo)效應(yīng)等）P-I特性輸出的光功率隨注入電流的變化關(guān)系當(dāng)注入電流較小時，線性度非常好； 當(dāng)注入電流比較大時，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。溫度對P—I特性的影響，當(dāng)溫度升高時，同一電流下的發(fā)射功率要降低

調(diào)制特性改變發(fā)光二極管的注入電流就可以改變其輸出光功率，即可以直接由信號電流來調(diào)制光信號——直接調(diào)制或內(nèi)調(diào)制發(fā)光二極管的模擬調(diào)制原理圖

?發(fā)光二極管的數(shù)字調(diào)制原理圖?發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)PN結(jié)存在結(jié)電容及雜散電容，發(fā)光二極管的調(diào)制特性隨著調(diào)制的頻率提高而變化。頻率響應(yīng)可表示為

t為載流子的壽命隨著調(diào)制頻率的提高，輸出光功率下降。要提高截止頻率fc=1/(2pt)以增加調(diào)制帶寬，要縮短載流子的壽命，可以通過有源區(qū)重?fù)诫s以及高注入等方法來改進。

發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)

1結(jié)構(gòu)激光器的基本工作原理條形結(jié)構(gòu)2工作特性光譜特性P-I特性調(diào)制特性三、半導(dǎo)體激光二極管（LD）

半導(dǎo)體激光器（ＬＤ）的結(jié)構(gòu)?激光器的一般工作原理

激光器的三個基本條件是合適的工作物質(zhì)（發(fā)光介質(zhì)）泵浦源光學(xué)諧振腔

產(chǎn)生激光還必須滿足

閾值條件

相位條件具有合適的能級分布，可以產(chǎn)生合適波長的光輻射可以進行方向和頻率選擇可以實現(xiàn)工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激勵能源閾值條件存在工作物質(zhì)的吸收、介質(zhì)不均勻引起的散射、反射鏡的非理想性引起的透射及散射等損耗情況，只有光在諧振腔內(nèi)往復(fù)一次的放大增益大于各種損耗引起的衰減，激光器才能建立起穩(wěn)定的激光輸出，其閾值條件（臨界條件）為相位條件諧振腔中，光波是在兩塊反射鏡之間往復(fù)傳播的，只有在滿足特定相位關(guān)系的光波才能得到彼此加強，這種條件稱為相位條件，有

q=1，2，…激光器中振蕩光頻率只能取某些分立值，不同q的一系列取值對應(yīng)于沿諧振腔軸向一系列不同的電磁場分布狀態(tài)，一種分布就是一個激光器的縱模。

激光二極管的結(jié)構(gòu)采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)縱向的兩個端面是晶體的解理面，相互平行且垂直于結(jié)平面，一個端面鍍反射膜，另一個端面輸出，構(gòu)成了激光器的FP諧振腔。采用條形結(jié)構(gòu)，在垂直于結(jié)平面方向受到限制，在平行于結(jié)平面的水平方向也有波導(dǎo)效應(yīng)，使光子及載流子局限在一個較窄及較薄的條形區(qū)域內(nèi)，提高光子及載流子濃度。稱為條形激光器，與光纖耦合效率較高。兩種結(jié)構(gòu)：增益導(dǎo)引條形和折射率導(dǎo)引條形。

P-I特性存在閾值電流Ith：當(dāng)注入電流小于Ith時，自發(fā)輻射發(fā)光；當(dāng)注入電流超過Ith時，受激輻射發(fā)光；輸出功率與注入電流基本保持線性關(guān)系。對溫度很敏感：隨著溫度的升高，閾值電流增大，發(fā)光功率降低。需進行溫度控制。有

LD組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)?光譜特性主要由其縱模決定峰值波長譜寬：功率等于大于峰值波長功率50%的所有波長范圍線寬：某一縱模中功率等于大于最大功率一半的所有波長范圍邊模抑制比(SMSR)：主模功率與最強邊模功率之比(SideModeSuppressionRatio)

半導(dǎo)體激光器的光譜

半導(dǎo)體激光器的發(fā)光譜線較為復(fù)雜，會隨著工作條件的變化而發(fā)生變化。當(dāng)注入電流低于閾值電流時，激光器發(fā)出的是熒光，光譜較寬；當(dāng)電流增大到閾值電流時，光譜突然變窄，強度增強，出現(xiàn)激光；當(dāng)注入電流進一步增大，主模的增益增加，而邊模的增益減小，振蕩模式減少，最后會出現(xiàn)單縱模。溫度升高時激光器的發(fā)射譜的峰值波長向長波長方向移動

調(diào)制特性——LD模擬調(diào)制?調(diào)制特性——LD數(shù)字調(diào)制?半導(dǎo)體激光器會出現(xiàn)許多復(fù)雜動態(tài)性質(zhì)，會對系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量帶來影響。電光延遲張弛振蕩碼型效應(yīng)

自脈動單縱模分裂為多縱模電光延遲和張弛振蕩電光延遲：輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在的時間延遲，一般為納秒量級。張弛振蕩：當(dāng)電流脈沖注入后，輸出光脈沖表現(xiàn)出的衰減式振蕩。幾百MHz～2Ghz的量級。與有源區(qū)的電子自發(fā)復(fù)合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電流初始偏差量有關(guān)。

碼型效應(yīng)

電光延遲時間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間為相同數(shù)量級時，使后一個光脈沖幅度受到前一個脈沖的影響的效應(yīng)兩個連“1”時，第一個脈沖過后，有源區(qū)的電子以指數(shù)形式衰減。調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于衰減周期，使第二個脈沖到來時，前一電流脈沖注入的電子并沒有完全復(fù)合消失，有源區(qū)電子密度較高，輸出光脈沖幅度和寬度增大。消除：增加直流偏置電流。在閾值附近，脈沖持續(xù)時和脈沖過后有源區(qū)內(nèi)電子密度變化不大，電子存儲的時間大大減小，碼型效應(yīng)得到抑制。還可以采用在每一正脈沖后跟一負(fù)脈沖的雙脈沖信號進行調(diào)制的方法，正脈沖產(chǎn)生光脈沖，負(fù)脈沖來消除有源區(qū)內(nèi)的存儲電子。單負(fù)脈沖的幅度不能過大，以免激光器PN結(jié)被反向擊穿。

自脈動某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的振蕩，振蕩的頻率在幾百MHz到2GHz激光器內(nèi)部存在非線性增益而造成的

單縱模分裂為多縱模

直接調(diào)制使激光器的注入電流不斷發(fā)生變化，有源區(qū)載流子濃度隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致折射率變化，諧振條件發(fā)生變化。隨著調(diào)制頻率的提高和調(diào)制深度的加大，會使主模的強度下降，鄰近邊模的強度增強，單縱模分裂為多縱模，而且線寬也增大，調(diào)制速率越高，調(diào)制深度越大，譜線展寬越多。

高速調(diào)制時激光器的輸出譜線

動態(tài)單縱模激光器

為降低光纖色散，希望光源的譜寬盡可能窄，要求激光器工作在單縱模狀態(tài)。

在高速調(diào)制下仍然可以工作在單縱模的半導(dǎo)體激光器稱為動態(tài)單縱模激光器。實現(xiàn)動態(tài)單縱模的方法很多，應(yīng)用最為廣泛的是分布反饋式激光器。分布反饋式激光器 結(jié)構(gòu)與F－P激光器不同，不靠解理面形成的諧振腔工作，而是依賴沿縱向分布的光柵工作。分類：分布反饋激光器(DFB-LD)分布布拉格反射激光器(DBR-LD)分布反饋激光器（DFB－LD）?分布布拉格反射激光器（DBR－LD）?LED與LD的比較LEDLD結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)、無諧振腔異質(zhì)結(jié)、諧振腔發(fā)光自發(fā)輻射、熒光、功率低受激輻射、激光、功率高P-I特性線性好有閾值，線性差光譜特性譜寬較寬，單色性較差譜寬窄，單色性好溫度特性影響小，不需溫度控制影響大，需溫度控制普通LDLD外形圖四、數(shù)字光發(fā)射機光發(fā)射機的基本功能是將攜帶信息的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，并將光信號送入光纖中。光發(fā)射機除了半導(dǎo)體光源及其驅(qū)動電路之外還包括使系統(tǒng)正常、可靠工作的一些輔助控制電路部分。

數(shù)字光發(fā)射機結(jié)構(gòu)圖

線路編碼驅(qū)動電路保護光源溫度控制功率控制電數(shù)字信號光信號輸出接口部分驅(qū)動部分控制部分光源的驅(qū)動

光源的驅(qū)動就是根據(jù)輸入的電信號產(chǎn)生相應(yīng)的光信號的過程。采用的器件不同、調(diào)制方式的不同、輸入信號類型的不同都有不同的驅(qū)動方式。

LED的模擬驅(qū)動?LED的數(shù)字驅(qū)動?LED的驅(qū)動

LD的驅(qū)動

與LED相比，LD的驅(qū)動要復(fù)雜的多。

增大直流預(yù)偏置電流使其逼近閾值，可以減小電光延遲時間，抑制張遲振蕩；當(dāng)激光器偏置在閾值附近，較小的調(diào)制脈沖電流就能得到足夠的輸出光脈沖，可以大大減小碼型效應(yīng)；加大直流偏置電流使激光器在發(fā)“0”與發(fā)“1”時的光功率之比（即消光比）增大，影響接收機的靈敏度。因此，偏置電流的選擇要兼顧電光延遲、張遲振蕩、碼型效應(yīng)以及消光比等各種因素，根據(jù)器件的性能，系統(tǒng)的具體要求，適當(dāng)選擇。光源的自動溫度控制（ATC）

隨著溫度的升高，半導(dǎo)體光源（特別是LD）的特性要發(fā)生劣化（發(fā)光功率降低、波長漂移、閾值增加等）。溫度控制采用微型制冷器、熱敏元件及控制電路組成。熱敏元件監(jiān)測激光器的結(jié)溫，與設(shè)定的基準(zhǔn)溫度比較，根據(jù)溫度差異的情況，驅(qū)動制冷器的控制電路，改變制冷效果，從而使激光器在恒定的溫度下工作。微型制冷器多采用利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)制成的半導(dǎo)體制冷器。珀爾帖效應(yīng)是當(dāng)直流電流通過P型和N型兩種半導(dǎo)體組成的電偶時，可以使一端吸熱而使另一端放熱的一種現(xiàn)象。

自動溫度控制方框圖

激光器制冷器熱敏電阻控制電路光源的自動功率控制（APC）

LD的輸出功率與溫度變化有關(guān)，與器件的老化有關(guān)。隨著老化，LD的閾值上升，輸出光功率下降。采取自動功率控制穩(wěn)定輸出光功率。光源的保護和告警

光源特別是LD是易損器件，必須采取措施使不受外界因素的損害。包括：溫度和電流。電流保護是要防止通過光源的電流過大。包括電流接通時的保護、工作過程中的過流保護以及反向沖擊電流保護等。還應(yīng)包括告警電路，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或工作不正常時的及時發(fā)送告警信號，提醒設(shè)備維護人員及時進行相應(yīng)的處理。一般包括無光告警、壽命告警、溫度告警等。

光源與光纖的耦合

耦合效率與光源的類型和光纖的類型有關(guān)。

影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合效率高。光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、形狀及兩者之間的距離都會影響到耦合效率。

光源與光纖的透鏡耦合

柱透鏡柱透鏡

球面透鏡

自聚焦透鏡

第二部分

光檢測器及光接收機

主要內(nèi)容一、光檢測器原理二、PIN三、APD四、數(shù)字光接收機光接收機組成框圖把接收到的光發(fā)射機發(fā)送的攜帶有信息的光信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號并放大、再生恢復(fù)原傳輸?shù)男盘枴＿m用于數(shù)字系統(tǒng)也適用于模擬系統(tǒng)。

光檢測器前置放大器主放大器均衡器濾波器光信號電信號光接收機光電轉(zhuǎn)換原理示意圖?對光檢測器的基本要求在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；具有良好的線性關(guān)系，保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；具有較小的體積、較長的工作壽命等。半導(dǎo)體光檢測器光纖通信用光檢測器有PIN和APD。核心是結(jié)半導(dǎo)體PN以PN結(jié)的光電效應(yīng)為基礎(chǔ)PN結(jié)的光電效應(yīng)當(dāng)PN結(jié)加反向偏壓時，外加電場方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場方向一致，勢壘加強，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，價帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上，形成一個電子空穴對。在耗盡區(qū)，電子在內(nèi)建電場的作用下向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，就會形成光電流。當(dāng)入射光功率變化時，光電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電流信號。截止波長當(dāng)入射光子能量小于Eg時，不論入射光有多強，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即光電效應(yīng)必須滿足hv>Eg截止波長：產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長。lc=hc/EgSi為材料的光電二極管lc=1.06mmGe為材料的光電二極管lc=1.60mm利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN結(jié)光電二極管。但簡單結(jié)構(gòu)，無法減低暗電流和提高響應(yīng)度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實際上不適合做光纖通信的檢測器。

二、PIN光電二極管結(jié)構(gòu)：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，生成一層摻雜極低的本征材料，稱為I層。電極電極電場光增透膜INP在外加反向偏置電壓作用下，I層中形成很寬的耗盡層。I層吸收系數(shù)很小，入射光可以很容易進入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子空穴對，因而大幅提高了光電轉(zhuǎn)換效率。。I層兩側(cè)的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。PIN光電二極管結(jié)構(gòu)及場強分布?PIN光電二極管光電轉(zhuǎn)換原理?PIN光電二極管的特性響應(yīng)波長響應(yīng)度量子效率響應(yīng)速度噪聲特性響應(yīng)波長波長響應(yīng)范圍：光檢測器只可以對一定波長范圍的光信號進行有效的光電轉(zhuǎn)換上限波長：即截止波長下限波長：當(dāng)波長很短時，材料的吸收系數(shù)很大。光在半導(dǎo)體材料表層即被吸收殆盡。在表層產(chǎn)生的光生載流子要擴散到耗盡層才能產(chǎn)生光生電流，而在表層為零電場擴散區(qū)，擴散速度很慢，在光生載流子還沒有到達耗盡層時就大量被復(fù)合掉了，使得光電轉(zhuǎn)換效率在波長很短時大大下降。材料的吸收系數(shù)隨波長的變化半導(dǎo)體的吸收作用隨波長減小而迅速增強

總結(jié)檢測某波長的光時要選擇適當(dāng)材料的光檢測器。材料的帶隙決定的截止波長要大于被檢測的光波波長，否則材料對光透明，不能進行光電轉(zhuǎn)換。材料的吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。Si—PIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍為0.5～1mm，Ge—PIN和InGaAs—PIN光電二極管的波長響應(yīng)范圍約為1—1.7mrn。

響應(yīng)度描述光檢測器能量轉(zhuǎn)換效率的一個參量Pin為入射到光電二極管上的光功率，Ip為所產(chǎn)生的光電流。它的單位為A/W。

量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比。

響應(yīng)速度用響應(yīng)時間（上升時間和下降時間）來表示

tt光脈沖檢波輸出RLhnhnRLRsRACACd輸出輸出影響響應(yīng)速度的主要因素

完整的響應(yīng)過程：從輸入光信號開始到轉(zhuǎn)換成的電信號被檢測載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時間：與電場強度有關(guān)，電場強度較低時，漂移速度正比與電場強度，當(dāng)電場強度達到某一值后，漂移速度不再變化。耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴散引起的延遲檢測器和它的負(fù)載的RC時間常數(shù)：對檢測器來說，就要盡可能降低結(jié)電容

噪聲特性除負(fù)載電阻的熱噪聲以外，其它都為散彈噪聲。

散彈噪聲是由于帶電粒子產(chǎn)生和運動的隨機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漏電流噪聲負(fù)載電阻的熱噪聲量子噪聲是由于光電子產(chǎn)生和收集的統(tǒng)計特性造成的，與平均光電流Ip成正比。來自噪聲電流的均方值可表示為暗電流噪聲是當(dāng)沒有入射光時流過器件偏置電路的電流，它是由于PN結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對形成的，是PIN的主要噪聲源。暗電流的均方值可表示為表面漏電流是由于器件表面物理特性的不完善，如表面缺陷、不清潔、表面積大小和加有偏置電壓而引起的。漏電流的均方值可表示為任何電阻都具有熱噪聲，只要溫度高于絕對零度，電阻中大量的電子就會在熱激勵下作無規(guī)則運動，由此在電阻上形成無規(guī)則弱電流，造成電阻的熱噪聲。均方熱噪聲電流為

三、雪崩光電二極管（APD）AvalanchePhotodiode當(dāng)耗盡區(qū)中的場強達到足夠高時，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動過程中與晶格碰撞，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，重復(fù)著這一過程。經(jīng)過多次后電離，載流子迅速增加，形成雪崩倍增效應(yīng)。結(jié)構(gòu)

RAPD的結(jié)構(gòu)?RAPD管工作原理示意圖?RAM-APD的結(jié)構(gòu)?SAM-APD管的結(jié)構(gòu)?SAM-APD管的場分布?特性包括波長響應(yīng)范圍、量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)速度等。除此之外，由于APD中存在雪崩倍增效應(yīng)，APD的特性還包括雪崩倍增特性、倍增噪聲、溫度特性等。倍增因子g：APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值。隨反向偏壓、波長和溫度而變化。現(xiàn)在g值已達到幾十甚至上百。噪聲特性：除了量子噪聲、暗電流、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。雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的載流子也是隨機的，會引入新的噪聲成分。附加噪聲因子F=gx描述雪崩效應(yīng)的隨機性能夠引起的噪聲增加的倍數(shù)。x：附加噪聲指數(shù)，Si：x=0.3~0.5；Ge：x=0.6~1.0；InGaAsP：x=0.5~0.7。APD中表面漏電流不被倍增，熱噪聲與PIN的特性相同。量子噪聲為暗電流噪聲為

溫度特性：當(dāng)溫度變化時，原子的熱運動狀態(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行溫度補償。四、數(shù)字光接收機包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制（AGC）電路等。光信號再生碼流光檢測器前置放大器主放大器均衡器判決器AGC電路時鐘提取前置放大器、主放大器前置放大器是低噪聲放大器，它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型。主放大器一般是多級放大器，它的作用是提供足夠的增益，并通過它實現(xiàn)自動增益控制（AGC），以使輸入光信號在一定范圍內(nèi)變化時，輸出電信號保持恒定。主放大器和AGC決定著光接收機的動態(tài)范圍。均衡、判決、再生均衡的目的是對經(jīng)光纖傳輸、光／電轉(zhuǎn)換和放大后已產(chǎn)生畸變（失真）的電信號進行補償，使輸出信號的波形適合于判決（一般用具有升余弦譜的碼元脈沖波形），以消除碼間干擾，減小誤碼率。再生電路包括判決電路和時鐘提取電路，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發(fā)送的碼流。數(shù)字光接收機的噪聲源影響接收機靈敏度的主要因素是信號檢測和放大系統(tǒng)中的各種噪聲。各種噪聲可分為散彈噪聲和熱噪聲兩大類。散彈噪聲包括光檢測器的量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲和APD的倍增噪聲；熱噪聲包括負(fù)載電阻上的熱噪聲和放大電路中產(chǎn)生的噪聲。方值形式類似于PIN噪聲特性中的各種表示。光檢測器放大器入射光子偏置電阻量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲APD倍增噪聲熱噪聲放大器噪聲~isidCPNRLiLCsiaRaCaea光檢偏置前置主放均衡濾波測器電路放大器大器器器A1A2EF輸出數(shù)字光接收機的噪聲特性的分析方法噪聲是一種隨機過程，應(yīng)采取隨機過程的分析方法。用概率密度和概率分布函數(shù)來表示隨機過程的統(tǒng)計特性。接收機可以等效為疊加有噪聲的理想電路。根據(jù)輸入（包括噪聲）利用各部分的響應(yīng)函數(shù)就可以獲得系統(tǒng)的輸出，獲得系統(tǒng)輸出由于各種噪聲影響的統(tǒng)計平均特性。確定系統(tǒng)的噪聲特性后，就可以進行靈敏度的計算。由于噪聲的存在，使接收機可能出現(xiàn)誤碼，將“1”碼誤判為“0”碼、“0”碼誤判為“1”碼?！?”碼誤判為“1”碼的概率為“1”碼誤判為“0”碼的概率為總誤碼率BER為f0(x)、f1(x)：“1”碼、“0”碼取值的概率密度P(0)、P(1)：碼流中“0”、“1”碼出現(xiàn)的概率D：判決電平

數(shù)字光接收機的靈敏度靈敏度是指在給定誤碼率條件下，能夠檢測到的最小信號光功率，通常用dBm表示。表示接收機檢測微弱信號的能力。是光接收機最重要的性能指標(biāo)。影響光接收機的靈敏度的主要因素是光檢測器和前置放大器的噪聲特性。根據(jù)要達到的誤碼率，利用噪聲特性，確定入射光功率，從而確定靈敏度。

“0”碼“1”碼f1(x)f0(x)E01E10V0

D

V1V前置放大器由于前置放大器的噪聲特性是影響光接收機的靈敏度的主要因素之一，所以前置放大器必須有良好的噪聲特性，同時還必須考慮帶寬特性。分類：低阻抗前置放大器電路高阻抗前置放大器電路互阻抗前置放大器電路動態(tài)范圍實際中，光接收機的輸入光脈沖信號的功率由于中繼距離的不同、線路衰減隨溫度的變化及發(fā)送光功率的變化等會發(fā)生不同程度的變化。光接收機要保證可以在不同輸入條件下都可以正常工作。這種光接收機能適應(yīng)的輸入光功率的變化范圍稱為動態(tài)范圍。用dB表示自動增益控制（AGC）接收機放大器輸出的信號，還需要經(jīng)過定時再生處理，要求光接收機在不同的輸入光功率信號下，經(jīng)過放大器自動增益控制，使輸出信號幅度恒定不變，即大的光信號功率輸入時，減小其放大器的增益，反之增大放大的增益，使輸出達到恒定，以利于后續(xù)電路的處理。

光纖傳輸技術(shù)Fiber-OpticCommunicationTechnology第六章

光纖信息傳輸系統(tǒng)

一、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)三、光電中繼器與全光中繼器二、線路碼型四、模擬光纖通信系統(tǒng)五、同步數(shù)字網(wǎng)主要內(nèi)容數(shù)字光纖通信系統(tǒng)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)：誤碼性能、抖動性能光接口指標(biāo)與測試：電接口指標(biāo)和測試：光纖傳輸系統(tǒng)中繼距離的確定：誤碼性能光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼性能用誤碼率來衡量。即在特定的一段時間內(nèi)所接收的錯誤碼元與同一時間內(nèi)所接收的總碼元數(shù)之比。誤碼發(fā)生的形態(tài)主要有兩類，一類是隨機形態(tài)的誤碼，即誤碼主要是單個隨機發(fā)生的，具有偶然性。另一類是突發(fā)的、成群發(fā)生的誤碼，這種誤碼可能在某個瞬間集中發(fā)生，而其它大部分時間無誤碼發(fā)生。誤碼性能的評定方法

評定誤碼性能的參數(shù)包括平均誤碼率誤碼秒嚴(yán)重誤碼秒劣化分平均誤碼率：在一段較長測試時間內(nèi)內(nèi)的平均誤碼結(jié)果，無法反映誤碼的隨機性和突發(fā)性。誤碼秒：每個觀測秒內(nèi)，出現(xiàn)的誤碼數(shù)不為0。用ES表示。ITU-U建議該指標(biāo)應(yīng)達到在總觀測時間中可用時間內(nèi)累積的誤碼秒占可用時間秒數(shù)的時間百分?jǐn)?shù)少于8%嚴(yán)重誤碼秒：每秒內(nèi)的誤碼率劣于10-3這個閾值稱為嚴(yán)重誤碼秒。用SES表示。ITU-U建議該指標(biāo)應(yīng)達到在總觀測時間中可用時間內(nèi)累積的嚴(yán)重誤碼秒個數(shù)占可用時間秒數(shù)的時間百分?jǐn)?shù)少于0.2%。

劣化分：每分鐘的誤碼率劣于10-6這個閾值稱為劣化分。用DM表示。ITU-U建議該指標(biāo)應(yīng)達到在總觀測時間內(nèi)累積的劣化分個數(shù)占可用分鐘數(shù)時間百分?jǐn)?shù)少于10%。抖動性能數(shù)字信號傳輸中的一種瞬時不穩(wěn)定現(xiàn)象。即數(shù)字信號的各有效瞬間對其理想時間位置的短時間偏離。分為相位抖動和定時抖動。相位抖動是指傳輸過程中所形成的周期性的相位變化。定時抖動是指脈碼傳輸系統(tǒng)中的同步誤差。發(fā)送信號接收信號抖動的大小或幅度通常可用時間、相位、或數(shù)字周期來表示。多用數(shù)字周期來表示，即“單位間隔”，用符號UI（UnitInterval），也就是1比特信息所占有的時間間隔。34.363Mb/s的脈沖信號，1UI=1/34.363

103=29.10(ns)。抖動產(chǎn)生的原因數(shù)字再生中繼器引起的抖動：由于再生中繼器中的定時恢復(fù)電路的不完善及再生中繼器的累積導(dǎo)致了抖動的產(chǎn)生和累加。數(shù)字復(fù)接及分接器引起的抖動：在復(fù)接器的支路輸入口，各支路數(shù)字信號附加上碼速調(diào)整控制比特和禎定位信號形成群輸出信號。而在分接器的輸入口，要將附加比特扣除，恢復(fù)原分支數(shù)字信號。這些將不可避免地引起抖動。噪聲引起的抖動：由于數(shù)字信號處理電路引起的各種噪聲。其它原因：由于環(huán)境溫度的變化、傳輸線路的長短及環(huán)境條件等也會引起抖動。

抖動的類型隨機性抖動：在再生中繼器內(nèi)與傳輸信號關(guān)系不大的抖動來源稱為隨機性抖動。這些抖動主要由于環(huán)境變化、器件老化及定時調(diào)諧回路失調(diào)引起的抖動系統(tǒng)性抖動：由于碼間干擾，定時電路幅度——相位轉(zhuǎn)換等因素引起的抖動。

光接口指標(biāo)與測試

光端機與光纖的連接點稱為光接口，是光纖通信系統(tǒng)特有的接口發(fā)射端有平均發(fā)送光功率和消光比接收端有接收機靈敏度和動態(tài)范圍

發(fā)送接收電端機光端機光端機電端機發(fā)送接收接收發(fā)送接收發(fā)送光纖光纖中繼中繼平均發(fā)送光功率指光端機正常工作的情況下，由電端機輸出223-1或215-1的偽隨機碼時，光發(fā)射機輸出端測量到的平均光功率。用

W或dBm表示對于一個實際的光纖通信系統(tǒng)，平均發(fā)送光功率并不是越大越好，雖然從理論上講，發(fā)送光功率越大，通信距離越長，但光功率越大會使光纖工作在非線性狀態(tài)，這種非線性狀態(tài)會對光纖產(chǎn)生不良影響。

平均發(fā)送光功率的測試方法

誤碼儀碼型發(fā)生器誤碼檢測光端機發(fā)送接收光纖測試線光功率計消光比消光比是指光端機的電接口輸入為全“1”碼和全“0”碼時的平均發(fā)送光功率之比，用EXT表示：接收機靈敏度

指在滿足給定誤碼率條件下，光接收機能夠接收到的最小平均光功率。

W或dBm。表示了光端機接收微弱信號的能力。與系統(tǒng)要求的誤碼率、碼速、接收端光電檢測器的性能有關(guān)。誤碼儀碼型發(fā)生器誤碼檢測光端機發(fā)送接收光可變衰減器光功率計動態(tài)范圍

在滿足給定誤碼率的條件下，光接收機能接收到的最大光功率與最小光功率之差（dB）電接口指標(biāo)輸入口比特率及容差反射損耗允許衰減抗干擾能力抖動容限輸出口比特率及容差反射損耗脈沖波形無輸入抖動時的輸出抖動容限衰減限制下的中繼距離的確定

L為中繼段長度km，PT為入纖光功率dBm，Pmin為接收機靈敏度dBm，

c為一個光纖接頭的損耗dB，n為光纖系統(tǒng)中的接頭數(shù)，

為光纖每公里衰減系數(shù)dB/km。M系統(tǒng)富余度6~8dB色散限制下的中繼距離的確定LD為傳輸距離km，B為線路碼速率Mb/s，D為色散系數(shù)ps/km

nm

由光源類型來決定，多縱模激光器取

為0.115；單縱模激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管

為0.306線路碼型

光通信系統(tǒng)，主要采用光強度調(diào)制方式，即發(fā)光的“有”或“無”相對應(yīng)的兩種狀態(tài)，為單極性碼。電脈沖一般采用雙極性碼（如HDB3），無法直接驅(qū)動光源發(fā)光光纜線路系統(tǒng)對傳輸碼型的要求能對中繼器進行不中斷業(yè)務(wù)的誤碼檢測。減少碼流中長連“0”或長連“1”的碼字，以利于端機和中繼設(shè)備的定時提取，便于信號再生判決。能傳輸監(jiān)控、公務(wù)和區(qū)間信號。能實現(xiàn)比特序列獨立性，即不論傳輸?shù)男畔⑿盘柸绾翁厥猓鋫鬏斚到y(tǒng)都不依賴于信息信號而進行正確的傳輸。編解碼電路、誤碼檢測電路簡單等。

擾碼

系統(tǒng)光發(fā)射機的調(diào)制器前，需要附加一個擾碼器，將原始的二進制碼序列進行變換，使其接近隨機序列。根據(jù)一定的規(guī)則將信號碼流進行擾碼，使線路碼流中的“0”“1”出現(xiàn)概率相等，從而改善了碼流的特性。缺點：（1）不能完全控制長連“1”和長連“0”的出現(xiàn)。（2）沒有引入冗余，不能進行在線誤碼檢測（3）信號頻譜中接近于直流的分量較大。

分組碼（字母型平衡碼）mBnB碼，把輸入碼流中每m比特碼分為一組，然后變換為n比特。n

m為正整數(shù)，一般n=m+1。輸入碼字共有2m種，輸出碼字可能組成2n種，使變換后的碼流有了“富余”（冗余）。有了它，在碼流中除了可以傳原來的信息外，還可以傳與誤碼檢測等有關(guān)的信息。經(jīng)過適當(dāng)?shù)木幋a之后，可以改善定時信號的提取和直流分量的起伏等問題。有1B2B，2B3B，3B4B，5B6B等3B4B碼型的一種方案

正模式中“1”的多，負(fù)模式中“1”的少，正、負(fù)碼交替使用，可保持碼流中“0”“1”出現(xiàn)的總概率相等。對于“0”“1”出現(xiàn)概率懸殊的碼組不予選用，以保持信碼流分量的穩(wěn)定。把這種不使用的碼字稱為禁字。接收端一旦收到，必定是在傳輸中出現(xiàn)了誤碼。即可以用這種編碼方式對系統(tǒng)進行誤碼監(jiān)測。碼速提高率為插入比特碼將碼流中每m比特劃分為一組，然后在這組的末尾一位之后插入1個比特碼。插入的比特碼的功能不同，可分為mB1P、mB1C、mB1H三種形式。mB1P檢查每組m比特中傳號（即“1”碼）的奇偶性，根據(jù)校驗的結(jié)果，在m比特之后插入一比特奇偶校正位（1P）。若mB中的傳號為奇數(shù)個，則1P為傳號（“1”）；若mB中的傳號為偶數(shù)個，則1P為空號（“0”）。例如：8個碼元為一組的碼組為11011001編為8B1P碼時的碼組為110110011mB1C將碼流每m比特分為一組，在其末位之后再插入一個反碼（又稱補碼）即C碼。C碼的作用是：如果第m位碼為“1”碼，則反碼為“0”；反之則為“1”。例：8個碼元為一組的碼組11011001編為8B1C碼時的碼組為110110010

mB1H將信碼流中每m比特碼分為一組，然后在其末位之后插入一個混合碼，稱為H碼。這種碼型具有多種功能，除可完成mB1P和mB1C碼的功能外，還可同時用來做區(qū)間通信、公務(wù)聯(lián)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸以及誤碼監(jiān)測等功能。

CMI一種電接口碼型，139264kb/s光纖傳輸系統(tǒng)的光線路碼型，可直接調(diào)制光源，不需線路碼型的變換和反變換設(shè)備。缺點：碼速率提高率（等于100%）太大以及傳送輔助信息的性能較差。輸入碼字模式1模式20010110011光纖通信系統(tǒng)的中繼中繼器的功能：1）補償衰減的光信號：光纖損耗限制了光信號的傳輸距離2）對失真的信號波形進行整形：色散特性限制了光信號的傳輸距離、傳輸容量中繼類型：光電中繼、全光中繼光電中繼中繼器的結(jié)構(gòu)形式：有的是設(shè)在機房中，有的是箱式或罐式，直埋在地下或架空光纜中架在桿上。光中繼器的公務(wù)監(jiān)控方式1）一種是與主信道分開，另設(shè)傳輸信道。2）一種是將這些信號插入到主信道信號中和主信號一起傳輸，到中繼器再分開。 二者各有優(yōu)缺點。目前主要采用第二種方式。這一過程主要由光中繼器中的插、分電路來完成。全光中繼器光發(fā)射機光接收機光纖光纖光放大器色散補償模擬光纖通信系統(tǒng)如視頻信號的短距離傳輸、CATV系統(tǒng)等主要采用三種調(diào)制技術(shù)：基帶直接強度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制、光波副載波調(diào)制方式。

CATV系統(tǒng)采用副載波復(fù)用技術(shù)。所謂副載波是指射頻電磁波，以區(qū)別于光調(diào)制時的光載波。傳輸體制為了提高信道利用率，進行復(fù)用。時分復(fù)用，不同的信號在同一個信道上占用不同的時隙。為了進行幀同步、誤碼檢測、系統(tǒng)監(jiān)測等功能，需要在每一幀中附加幀開銷（FOH）時隙。

有PDH、SDHPDHPlesiochronousDigitalHierarchy，準(zhǔn)同步數(shù)字體系。ITU-TG.702建議基群速率有兩種，即PCM30/32路系統(tǒng)和PCM24路系統(tǒng)。PDH可以很好地適應(yīng)傳統(tǒng)的點對點通信，但這種數(shù)字系列主要是為話音設(shè)計的，除了低次群采用同步復(fù)接外，高次群均采用異步復(fù)接，通過增加額外比特使各支路信號與復(fù)接設(shè)備同步，雖然各支路的數(shù)字信號流標(biāo)稱值相同，但它們的主時鐘是彼此獨立的。隨著信息化社會的到來，這樣的結(jié)構(gòu)已遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代通信網(wǎng)對信號寬帶化、多樣化的要求。PDH主要存在以下缺點：PDH主要存在以下缺點：我國和歐洲、北美、日本各自有不同的PDH數(shù)字體系，這些體系互不兼容，造成國際互通的困難。PDH的高次群是異步復(fù)接，每次復(fù)接就進行一次碼速調(diào)整，因而無法直接從高次群中提取支路信息，每次插入/取出一個低次群信號（上下話路）都要逐次群的復(fù)用解復(fù)用，使得復(fù)用結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，缺乏靈活性。沒有統(tǒng)一的光接口。PDH數(shù)字體系僅僅規(guī)范了電接口的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各廠家開發(fā)的光接口不兼容，光路互通要先轉(zhuǎn)換為電接口，因此限制了聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的靈活性，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

PDH預(yù)留的插入比特較少，使得網(wǎng)絡(luò)的運行、管理和維護（OAM）較困難，無法適應(yīng)新一代網(wǎng)絡(luò)的要求。

PDH體系建立在點對點傳輸?shù)幕A(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡單，無法提供最佳的路由選擇，使得設(shè)備利用率較低。同步數(shù)字體系SDHSynchronousDigitalHierarchyPDH的缺陷導(dǎo)致了一種新的數(shù)字體系——同步光網(wǎng)絡(luò)SONET（SynchronousOpticalNetwork）的產(chǎn)生。美國貝爾通信研究所最初提出。于1986年成為美國新的數(shù)字體系標(biāo)準(zhǔn)。1988年，CCITT接受了SONET的概念并重新命名為同步數(shù)字體系SDH。SDH經(jīng)過修改和完善，成為涉及比特率、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口、復(fù)用結(jié)構(gòu)、復(fù)用設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理、線路系統(tǒng)、光接口、信息模型、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等的一系列標(biāo)準(zhǔn)，不僅適用于光纖，也適用于微波和衛(wèi)星傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)體制。SDH的主要特點SDH有一套標(biāo)準(zhǔn)的信息等級結(jié)構(gòu)，稱之為同步傳送模塊STM-N，其中第一級為STM-1，速率為155.520Mb/s。PDH互不兼容的三套體系可以在SDH的STM-1上進行兼容，實現(xiàn)了高速數(shù)字傳輸?shù)氖澜缃y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

SDH的幀結(jié)構(gòu)是矩形塊狀結(jié)構(gòu)，低速率支路的分布規(guī)律性極強，可以利用指針（PTR）指出其位置，一次性地直接從高速信號中取出，而不必逐級分接，這使得上下話路變得極為簡單。(3)SDH幀結(jié)構(gòu)中擁有豐富的開銷比特，使得網(wǎng)絡(luò)的運行、管理、維護（OAM）能力大大增強。預(yù)留的備用字節(jié)可以進一步滿足智能化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要。(4)SDH具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口，不同廠家的設(shè)備，只要應(yīng)用類別相同，就可以實現(xiàn)光路上的互通。(5)SDH采用同步和靈活的復(fù)用方式，大大簡化了數(shù)字交叉連接（DXC）設(shè)備和分插復(fù)用器（ADM）的實現(xiàn)，增強了網(wǎng)絡(luò)的自愈功能，并可根據(jù)用戶的要求進行動態(tài)組網(wǎng)，便于網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。(6)SDH不但實現(xiàn)了PDH向SDH的過渡，還支持異步轉(zhuǎn)移模式（ATM）和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）業(yè)務(wù)。ATM的信元可以裝入到STM-1中，用基于SDH的網(wǎng)進行傳送。B-SDN的UNI物理層的速率與STM-1和STM-4的速率完全一致，因而SDH能很好地支持ISDN。SDH的不足SDH的頻帶利用率比起PDH有所下降；SDH網(wǎng)絡(luò)采用指針調(diào)整技術(shù)來完成不同SDH網(wǎng)之間的同步，使得設(shè)備復(fù)雜，同時字節(jié)調(diào)整所帶來的輸出抖動也大于PDH；軟件控制并支配了網(wǎng)絡(luò)中的交叉連接和復(fù)用設(shè)備，一旦出現(xiàn)軟件操作錯誤或病毒，容易造成網(wǎng)絡(luò)全面故障。

光纖傳輸技術(shù)Fiber-OpticCommunicationTechnology

第三章無源器件技術(shù)主要內(nèi)容一、光隔離器和光環(huán)形器六、波分復(fù)用器件二、光纖的連接三、光纖衰減和光開關(guān)四、光纖耦合器五、光纖光柵無源器件無源器件：本身不發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的器件。

光隔離器

光耦合器

光環(huán)形器 實現(xiàn)連接光路、分配光功率以及合波和分波等作用。光隔離器(isolator)光隔離器是一種只允許光沿一個方向通過而在相反方向阻擋光通過的光無源器件作用：防止光路中的后向傳輸光對光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響例如：半導(dǎo)體激光器、光纖放大器應(yīng)用：光纖通信、光信息處理系統(tǒng)、光纖傳感以及精密光學(xué)測量系統(tǒng)等分類：偏振相關(guān)型和偏振無關(guān)型兩類法拉第旋光效應(yīng)光隔離器主要利用磁光晶體的法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)是法拉第在1845年首先觀察到的不具有旋光性的材料在磁場作用下使通過該物質(zhì)的光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也稱磁致旋光效應(yīng)。沿磁場方向傳輸?shù)钠窆?，其偏振方向旋轉(zhuǎn)角度q=VBL(B磁場強度，L材料長度，V維爾德常數(shù)為材料的特性常數(shù))。偏振方向的旋轉(zhuǎn)只與磁場強度的方向有關(guān)，而與光傳播的方向無關(guān)。磁光材料有釔鐵石榴石（YIG）、鉍鐵石榴石（SIC）等。光隔離器的工作原理??偏振相關(guān)型光隔離器由起偏器、檢偏器和旋光器三部分組成。偏振無關(guān)型光隔離器主要技術(shù)指標(biāo)插入損耗回波損耗隔離度偏振相關(guān)損耗(PDL)偏振模色散(PMD)插入損耗(IL)指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的附加損耗。Pi：輸入的光信號功率，Po：經(jīng)過光隔離器后的功率，顯然，IL值越小越好。光隔離器的插入損耗來源于偏振器、法拉第旋轉(zhuǎn)器等各部分的插入損耗。PiPo回波損耗(RL)回波損耗：指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射造成的對入射光信號的衰減。Pi：正向輸入光隔離器的光信號功率Pr：返回輸入端口的光功率

PiPr隔離度指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的損耗

Pi’：反向輸入光隔離器的光信號功率Po’：返回輸入端口的光功率值越大越好偏振相關(guān)損耗和偏振模色散

偏振相關(guān)損耗（PDL）：指輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其它參數(shù)不變時，器件插入損耗的最大變化量，是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標(biāo)。

偏振模色散（PMD）：指通過器件的信號光不同偏振態(tài)之間的相位延遲差。光環(huán)形器(circulator)

多端口非互易N（N>2）個端口光由端口1->端口2； 由端口2->端口3;……若端口N輸入的光可由端口1輸出，稱為環(huán)行器，若不可以，稱為準(zhǔn)環(huán)行器應(yīng)用雙向通信中的重要器件，完成正反向傳輸光的分離單纖雙向通信、上/下話路、合波/分波及色散補償?shù)冉Y(jié)構(gòu)光纖準(zhǔn)直器分束合束鏡偏振旋轉(zhuǎn)鏡光束變換器光

纖準(zhǔn)直器偏振旋轉(zhuǎn)鏡分束合束鏡端口13端口24xyz123456分束/合束鏡

將任意狀態(tài)的輸入光變成分解成兩束偏振方向垂直的偏振分量雙折射平行平板、楔形雙折射晶體偏振旋轉(zhuǎn)鏡90度非互易旋轉(zhuǎn)器端口13端口24xyz123456技術(shù)指標(biāo)

插入損耗 回波損耗 隔離度 串音 偏振相關(guān)損耗 偏振模色散

串音指兩個不相鄰端口之間理論上不能接收到光信號但實際中由于種種原因而接收到的功率以dB表示的相對值

光纖的連接光纖的連接將兩根光纖端面結(jié)合在一起，實現(xiàn)光信號的持續(xù)傳輸。根據(jù)連接方式的不同，可分為活動連接和固定連接。利用活動連接器是實現(xiàn)活動連接的主要方法熔接法是固定連接的主要方法活動連接器連接兩根光纖或光纜使其成為光通路的可以重復(fù)裝拆的活接頭用于光源到光纖、光纖到光纖、光纖與深測器、器件之間等的連接必須具備損耗低、體積小、重量輕、可靠性高、便于操作、重復(fù)性和互換性好以及價格低廉等優(yōu)點。要求能承受機械振動和沖擊、適應(yīng)一定的溫度和濕度環(huán)境條件、裝拆時防止雜質(zhì)污染的保護措施。

分類可分為單芯型和多芯型可分為多模和單模單芯型按結(jié)構(gòu)可分為調(diào)心型和非調(diào)心型：非調(diào)心型內(nèi)部沒有調(diào)心機構(gòu),靠光纖活動連接器結(jié)構(gòu)組件之間的精密配合來達到最佳耦合常用的非調(diào)心型結(jié)構(gòu)有以下幾種：套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V型槽結(jié)構(gòu)、微透鏡結(jié)構(gòu)以及自聚焦透鏡結(jié)構(gòu)等按連接方式可分為對接耦合式和透鏡耦合式套管結(jié)構(gòu)由插針和套管組成，都是精密的機械結(jié)構(gòu)和光學(xué)結(jié)構(gòu)光纖固定在插針里，兩個插針在套管中對接并保證兩根光纖的對準(zhǔn)套管插針光纖光纖插針可用不銹鋼、陶瓷、玻璃、塑料等材料制作陶瓷材料具有極好的溫度穩(wěn)定性，線膨脹系數(shù)很小，且與石英光纖的線膨脹系數(shù)接近，使用最多f2.499±0.0005f0.125±0.0014套管常用開口套管，選用彈性好的材料如磷青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷制作f2.5f3.2-0.002-0.007+0-0.020.005±0.0001雙錐結(jié)構(gòu)利用錐面定位錐型插針雙錐套筒光纖光纖V型槽結(jié)構(gòu)壓蓋光纖V形槽插針主要性能指標(biāo)插入損耗：一般在0.5dB以下?；夭〒p耗：一般應(yīng)大于45dB。重復(fù)性：每次插拔后其損耗的變化范圍，一般應(yīng)小于0.1dB?；Q性：是指同一種連接器不同插針替換時損耗的變化范圍，一般應(yīng)小于0.1dB。插拔次數(shù)：連接器具有上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插拔的次數(shù)，一般應(yīng)在千次以上。工作溫度：在工作溫度范圍內(nèi)（-25～＋70℃范圍內(nèi)），連接器的損耗變化量應(yīng)在0.2dB范圍內(nèi)變化。影響插入損耗的因素光纖連接時，產(chǎn)生的損耗主要來自制造技術(shù)和光纖本身的不完善。光纖的橫向錯位、角度傾斜、端面間隙、端面形狀、端面光潔度以及纖芯直徑、數(shù)值孔徑、折射率分布的差異和光纖的橢圓度、偏心度等都會影響連接質(zhì)量。?改進回波損耗的辦法光纖連接器存在回波損耗是由于光線在遇到折射率不同的界面時會出現(xiàn)菲涅爾反射

如果兩光纖對接處存在端面間隙或者光纖端面存在高折射率的變質(zhì)層或者光纖端面存在劃痕、凹坑、污物都會引起光線在對接處產(chǎn)生菲涅爾反射從而造成了光纖連接器的回波損耗將原來的平面接觸更改為球面接觸、斜球面接觸等球面接觸斜球面接觸連接器的表示

/

：表示外部連接方式，有FC、SC、ST、FDDI、D4、MU、MC、E2000等

：表示插針端面形狀，有FC、PC、UPC、APC等常用術(shù)語連接器插頭(plugconnetor)光纜跳線(jumpercable)轉(zhuǎn)換器:(adaptor)插座、法蘭盤變換器(converter)裸光纖轉(zhuǎn)接器FC連接器ST連接器SC連接器SMA連接器Opt-Jack

連接器FDDI

連接器MT-RJ

MPO

連接器MU

連接器LC

連接器E2000連接器D4

連接器Biconic連接器

適配器轉(zhuǎn)換器裸光纖轉(zhuǎn)接器拋光器實際器件指標(biāo)光纖的固定連接使一對光纖之間形成永久性的連接，用于不需要拆卸或重復(fù)使用的場合。有熔接法、V型槽法、毛細(xì)管法等。熔接法在實際中應(yīng)用最為普遍，是光纖通信干線中光纖連接的主要方法，它是利用電弧放電、氫焰或激光等方法加熱從而將光纖熔融結(jié)合在一起。電弧放電是熔接法中應(yīng)用最廣的方法。利用電弧放電進行光纖熔接的設(shè)備稱為光纖熔接機。光纖熔接機由光纖的準(zhǔn)直與夾持機構(gòu)、光纖對準(zhǔn)機構(gòu)、電弧放電機構(gòu)以及控制機構(gòu)等四部分構(gòu)成

?熔接步驟制備光纖:利用光纖剝皮鉗去除光纖外的套塑層，利用光纖切割刀切割光纖端面，達到端面平整，并使端面與光纖軸線垂直，偏差小于1o。對準(zhǔn)光纖:將制備好端面的光纖放入準(zhǔn)直與夾持機構(gòu)中固定，通過手動或自動裝置使纖芯在空間三個方向上移動，保證需要熔接的兩根光纖完全對準(zhǔn)，消除纖芯的橫向錯位、角度偏差，并將端面之間的間距調(diào)整到預(yù)定大小。

熔接光纖:根據(jù)光纖的類型，選擇合適的放電電流、放電時間，進行電弧放電，對端面加熱，實現(xiàn)光纖的熔接。接點的保護:熔接結(jié)束后加熱縮管對光纖熔接處進行保護。

熔接步驟同時觀察X軸和Y軸方向光纖

5英寸LCD大屏幕顯示，四種語言可選

內(nèi)置照明燈，方便夜晚放置方纖

內(nèi)置溫度、濕度、氣壓傳感器，適應(yīng)環(huán)境的變化

自動檢測光纖端面，自動校準(zhǔn)熔接位置

自動選擇最佳熔接程序，自動推算接續(xù)損耗

體積小重量輕，攜帶方便交直流兩用，適合各種場合

屏幕菜單提示，操作簡單方便

深凹式防風(fēng)蓋，在15m/s的強風(fēng)下能進行工作光衰減器（opticalattenuator）用來穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地減小信號光功率的無源器件。它是光功率調(diào)節(jié)所不可缺少的器件。按衰減光功率的工作機理分有：

耦合型光衰減器

反射型光衰減器

吸收型光衰減器耦合型光衰減器通過輸入、輸出光束對準(zhǔn)偏差的控制來改變光耦合量的大小，從而達到改變衰減量的目的。

反射型光衰減器是在玻璃基片上鍍反射膜作為衰減片。光透過衰減片時主要是反射和透射。由膜層厚度的不同來改變反射量的大小，從而達到改變衰減量的目的。吸收型光衰減器采用光學(xué)吸收材料制成衰減片，對光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。因而光線可垂直入射到衰減片上，從而可簡化結(jié)構(gòu)和工藝，使器件體積和重量變得較小。

光衰減器按其衰減量的變化情況可分為三種類型：固定式衰減器，即衰減量一定；步進可變式衰減器，即階躍式可變，如5步進式的，每步為10dB，即10dB×5連續(xù)可變式衰減器，如0～60dB。主要技術(shù)指標(biāo)插入損耗衰減量變化范圍精度溫度的影響

光開關(guān)（opticalswitch）一種光路控制器件，可實現(xiàn)光路通斷的控制、光路選擇、光交換如：主備光路切換；光纖、光器件的測試等；實現(xiàn)全光層次的路由選擇、波長選擇、光交叉連接、自愈保護等功能。

光開關(guān)的主要性能參數(shù)

交換矩陣：大小反映了光開關(guān)的交換能力。交換速度：損耗：包括插入損耗、回波損耗等。產(chǎn)生的原因主要有兩個：光纖和光開關(guān)端口耦合時的損耗和光開關(guān)自身材料對光信號產(chǎn)生的損耗。損耗特性影響到了光開關(guān)的級聯(lián)，限制了光開關(guān)的擴容能力。消光比：描述光開關(guān)導(dǎo)通與非導(dǎo)通狀態(tài)通光能力差別的主要指標(biāo)，即兩個端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差。交換粒度：反映了光開關(guān)交換業(yè)務(wù)的靈活性。分為三類：波長交換波長組交換光纖交換。升級能力：增加光開關(guān)的容量?？煽啃裕阂缶哂辛己玫姆€(wěn)定性和可靠性光開關(guān)類型 常用的光開關(guān)有：MEMS光開關(guān)、噴墨氣泡光開關(guān)、熱光效應(yīng)光開關(guān)、液晶光開關(guān)、全息光開關(guān)、聲光開關(guān)、液體光柵光開關(guān)、SOA光開關(guān)等。依據(jù)原理機械光開關(guān)熱光開關(guān)電光開關(guān)聲光開關(guān)依據(jù)交換介質(zhì)自由空間交換光開關(guān)波導(dǎo)交換光開關(guān)基于磁光效應(yīng)光開關(guān)機械式光開關(guān)通過機械運動實現(xiàn)不同光纖端口之間的相對連接，解決的辦法是相對移動光纖或相對移動光學(xué)元件。

液晶光開關(guān)液晶是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)，它具有光學(xué)各向異性晶體所特有的雙折射性。液晶分子有較強的電偶極矩，在外電場作用下易于極化，其分子間的作用力比固體弱，容易呈現(xiàn)各種狀態(tài)，而且多數(shù)在介電常數(shù)、折射率、磁化等方面顯示出較大的各向異性。因此，通過微小的外部能量——電、磁、熱等就能實現(xiàn)分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起它的電、光、磁的物理性質(zhì)發(fā)生變化。液晶材料用于光開關(guān)，利用了它的光學(xué)特性隨電場改變的特性，稱液晶的電光效應(yīng)。根據(jù)用外電場控制液晶分子的取向，對偏振進行控制而實現(xiàn)開關(guān)功能的。氣泡式光開關(guān)安捷倫公司結(jié)合熱噴墨打印和硅平面光波導(dǎo)兩種技術(shù)，開發(fā)出的二維光交叉連接系統(tǒng)。又稱為“光子交換平臺”。由許多交叉的硅波導(dǎo)和經(jīng)過交叉點的溝道組成，溝道中填充特定的折射率匹配液。缺省條件下，入射光可沿著波導(dǎo)無交換傳輸。當(dāng)需要交換時，一個熱敏硅片會在液體中波導(dǎo)交叉點處產(chǎn)生一個氣泡，氣泡將入射波導(dǎo)中的光信號全反射至輸出波導(dǎo)，實現(xiàn)光路的選擇、轉(zhuǎn)換。微機械式光開關(guān)（MEMS）

Micro-Electro-MechanicalSystems一般稱作微機電系統(tǒng)技術(shù)，其含義是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。MEMS的應(yīng)用MEMS在工業(yè)、信息和通信、國防、航空航天、航海、醫(yī)療和物生工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用前景。目前，MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域中領(lǐng)先的有：汽車、醫(yī)療和環(huán)境；正在增長的有：通信、機構(gòu)工程和過程自動化；還在萌芽的有：家用/安全、化學(xué)/配藥和食品加工。微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。以硅為主要材料，機械電器性能優(yōu)良：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個，成本大大降低生產(chǎn)。集成化：可以把不同種類傳感器或執(zhí)行器集成于一體，形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列。多學(xué)科交叉：涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等學(xué)科。1

NMEMSSwitch微反射鏡光纖耦合器(Opticalfibercoupler)能使傳輸中的光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進行再分配的器件。在耦合的過程中，信號的波譜成分沒有發(fā)生變化，變化的只是信號的光功率。從端口形式上分：X形(2

2)、Y形(1

2)、星形(N

N，N>2)、樹形(1

N，N>2)等。

可以實現(xiàn)對線路的監(jiān)控；可以用于光纖CATV、光纖用戶網(wǎng)、無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)、光纖傳感等領(lǐng)域，實現(xiàn)信號的組合與分配。原理：光學(xué)分束原理、消逝場耦合原理微透鏡耦合型自聚焦棒耦合型融錐型波導(dǎo)型應(yīng)力型主要參數(shù)分光比：定義為耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，具體應(yīng)用中常用相對輸出總功率的百分比來表示，如50:50、80:20、25:25:25:25等，或用各端口之間輸出功率之比表示，如1:1、4:1、1:1:1:1等。

插入損耗：(M

N)均勻性: 表示耦合器輸出各端口的功率與功率平均值最大偏差。偏差越小，則光功率分配越均勻。

方向性:(隔離度) 表示在輸入端主光纖傳輸方向與任一根非主光纖非傳輸方向上的功率比。

其中，Pin為輸入端第i根光纖的輸入光功率，Pib為輸入端除第i根光纖之外任何一根光纖的后向傳輸光功率。

光纖光柵（FiberBragggrating）利用石英光纖的紫外光敏特性將光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)直接做在光纖上形成的光纖波導(dǎo)器件。可以作成濾波器、反射器、色散補償器等易于與光纖連接，對偏振不敏感發(fā)展：

1978年Hill發(fā)現(xiàn)光敏特性并成功制作FBG 1989年Meltz提出的橫向?qū)懭胫圃旆椒?/p>

1993年Hill等人提出的相位掩膜制造法 光纖光柵器件逐步走向?qū)嵱没?/p>

光敏特性光纖的折射率在紫外光照射下，隨光強發(fā)生變化的特性。光纖的這種光致折射率變化具有穩(wěn)定性，可保持永久性不變。利用紫外光就可以將一些特定的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寫入光纖中，形成光纖型光波導(dǎo)器件。光纖光敏特性的動力學(xué)機理現(xiàn)在尚未完全研究清楚。較為普遍的觀點：由于誘導(dǎo)光（紫外光）的作用，光纖中原子的某些鍵被破壞，產(chǎn)生的自由電子進入光纖材料的色心陷阱中，從而改變了光纖的吸收、散射等光學(xué)特性，出現(xiàn)折射率的變化；另外，在光照射過程中，光纖材料結(jié)構(gòu)釋放誘導(dǎo)應(yīng)力以及構(gòu)形的畸變等也導(dǎo)致了折射率的變化。這種光折變效應(yīng)主要發(fā)生在近紫外波段

最初光致折射率變化出現(xiàn)在摻鍺光纖中，后來研究發(fā)現(xiàn)，具有光敏特性的光纖種類很多，有些是摻磷或硼，并不一定都摻雜，只是摻雜光纖的光敏特性更明顯。有時根據(jù)需要為了加大折射率的變化程度，就會選用高摻雜的光纖。

折射率的永久性改變與摻雜鍺的濃度基本上成正比關(guān)系，與所用的紫外光源類型及照射到材料上的能量密度有關(guān)對光纖材料進行高壓低溫H2擴散，可以極大地提高光纖材料的光敏性；B/Ge雙摻雜材料具有較高的光敏性；各種光纖材料光敏特性光纖纖芯摻雜類型

最大光致折射率

摻Ge光纖10-3~10-2普通通信光纖~10-3B/Ge光纖10-3~10-2摻P光纖10-3硫化物光纖10-4（可見光）光纖光柵的制作

基于光纖的光敏特性，可以利用紫外光將特定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寫入到光纖中根據(jù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)造相應(yīng)的光場分布制作方法：

縱向?qū)懭敕ǎㄔ缙冢M向?qū)懭敕ǎㄖ饕╇p光束干涉法逐點寫入法…L=l0/(2sinq)缺陷是對光源的相干性要求較高，對制造環(huán)境要求極嚴(yán)，重復(fù)性差

雙光束干涉法Ll0l0q相位掩膜法產(chǎn)生的光纖光柵周期為掩膜光柵周期的一半，與入射光無關(guān)，因此對光源的相干性要求不高，并且穩(wěn)定、易于準(zhǔn)直，重復(fù)性好，可以簡化光纖光柵的制作系統(tǒng)。

缺點是掩膜制作復(fù)雜，每種掩膜通常只能制造一種光柵。

逐點寫入法一種非相干寫入技術(shù)利用聚焦光束在光纖上逐點曝光而形成光柵，每寫一個條紋，光柵移動一定距離，需用精密機構(gòu)控制光纖運動位移。通過控制光纖的移動，可以方便的控制光柵的周期。一般用于制造長周期光柵

類型從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)兩類，分別稱為均勻、非均勻光纖光柵。周期結(jié)構(gòu)器件制造簡單，其特性受到限制；非周期結(jié)構(gòu)制造困難，其特性容易滿足各種要求。從功能上可分為濾波型光柵和色散補償型光柵兩類，色散補償型光柵是非周期光柵，又稱為啁啾光柵。光纖光柵工作原理

光纖光柵從本質(zhì)上講是通過波導(dǎo)與光波的相互作用，將在光纖中傳輸?shù)奶囟l率的光波，從原來前向傳輸?shù)南薅ㄔ诶w芯中的模式耦合到前向或后向傳輸?shù)南薅ㄔ诎鼘踊蚶w芯中的模式，從而得到特定的透射和反射光譜特性。光纖光柵中，光場與光波導(dǎo)之間的相互作用可用耦合模理論來描述。

均勻光纖光柵

最簡單的具有正弦結(jié)構(gòu)的濾波型光纖光柵，其折射率可以表示為

前向和后向兩種模式間的耦合波方程為Db=b

b

2p/L，b

、b

為入射波和反射波的傳播常數(shù)，耦合系數(shù)K=pdn/lB。lB=2neffL為布拉格波長A+(0)=1、A-(L)=0

解耦合方程可得光纖光柵的反射率為

典型的光纖光柵的反射譜lB01波長（mm）反射率反射譜線的主峰兩側(cè)有一系列的邊帶，這些邊帶會在傳輸中產(chǎn)生串?dāng)_，影響傳輸質(zhì)量。為了抑制邊帶譜線，采用一種稱之為變跡的方法，即對折射率進行幅度調(diào)制，使耦合系數(shù)隨光柵長度變化。常用的變跡函數(shù)有Gauss函數(shù)、Hamming函數(shù)和Blackman函數(shù)等。通過改變其耦合系數(shù)達到改變反射譜的目的。

線性啁啾光纖光柵

光柵周期沿光柵長度變化，稱為啁啾光纖光柵光柵周期沿軸向線性變化時為線性啁啾光柵，其折射率可以表示為

耦合模方程一般情況下，方程沒有解析解，只有利用數(shù)值法對啁啾光柵的特性進行研究。相移光柵指兩相鄰區(qū)之間的光柵相位的變化是不連續(xù)的，即折射率分布不連續(xù)。可在反射譜阻帶中打開線寬極窄的一個或多個透射窗口,使得光柵對某一波長或多個波長有更高得選擇度窗口位置、通過率及線寬可以隨相移點、相移量而變化。10lB反射率一般均勻周期光纖光柵的周期均為零點幾個mm，長周期光纖光柵的光柵周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般的光纖光柵，可以達到幾百mm。將導(dǎo)波中某頻段的光耦合到包層中去而損失掉，具有一些特殊的性能。應(yīng)用主要集中于EDFA的增益平坦和光纖傳感方面。光纖光柵的應(yīng)用

濾波器

色散補償

EDFA的增益平坦分插復(fù)用器

光纖激光器

光纖光柵傳感器濾波器1.5545lB1.555500.51波長（mm）反射率色散補償在線性啁啾光柵中，光柵間距不等，不同頻率的光的反射位置不同，短的波長ls在近端反射，長的波長ll在遠(yuǎn)端反射，從而有不同的時延，即出現(xiàn)色散。將光柵濾波器反過來使用就可以改變色散的符號。長波長ll

短波長lsL光柵周期增大初始脈沖光纖色散展寬脈沖壓縮脈沖啁啾光纖光柵光發(fā)射機環(huán)形器波長分插復(fù)用器(OADM)

上下話路復(fù)用器，實現(xiàn)在其他波長信道信號不變的前提下，在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點上直接提取或添加一個或幾個波長信道的信號，避免將所有波長信號全部分解開來進而再復(fù)接在一起。

EDFA的增益平坦EDFA的增益譜線有很大的不平坦性，必須對其增益進行均衡，把尖峰壓平，使其增益在較寬的頻譜范圍內(nèi)是平坦的。利用長周期光纖光柵來進行增益平坦。通過選擇適當(dāng)?shù)墓鈻胖芷冢沟瞄L周期光柵將一定波長的光耦合至包層而迅速損耗掉，而且不存在反射，較好的用于EDFA的增益平坦。

光纖激光器光纖光柵傳感器波分復(fù)用器件(WDM)波分復(fù)用技術(shù)是在一根光纖中傳輸多個波長信號從而提高傳輸容量的一種技術(shù)。波分復(fù)用器件包含光分波器和光合波器，它的作用是將多個波長不一的信號光融