第3章光纖通信基本器件內(nèi)容提要：3.1光有源器件3.2光檢測(cè)器件3.3光纖放大器（EDFA）3.4光纖連接器3.5光分路耦合器和波分復(fù)用器3.6光隔離器和光環(huán)行器3.7光衰減器和光開(kāi)關(guān)3.8偏振控制器一個(gè)完整光纖通信系統(tǒng)需要：有源器件多種無(wú)源器件激光器、發(fā)光二極管:能量轉(zhuǎn)換器件即電導(dǎo)致光的器件光檢測(cè)器：能量轉(zhuǎn)換器件即光導(dǎo)致電的器件光放大器：直流光能轉(zhuǎn)換成交流光能。光無(wú)源器件：光纖連接器光無(wú)源器件：光定向耦合器、光衰減器、光隔離器、光調(diào)制器等概述光有源器件是光發(fā)射機(jī)的核心，它的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。光纖通信中常用的光有源器件有半導(dǎo)體激光器LD和半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED兩種。3.1.1半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)及原理半導(dǎo)體激光器（簡(jiǎn)稱(chēng)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，再利用光學(xué)諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。3.1光有源器件

1．半導(dǎo)體激光器的工作原理Femi統(tǒng)計(jì)規(guī)律在熱平衡狀態(tài)時(shí)，粒子在各能級(jí)之間的分布應(yīng)服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

f（E）＝1/[1＋exp（E-Ef）/K0T](3.1)f（E)—能量為E被電子占據(jù)的機(jī)率（概率）Ef

—費(fèi)米能級(jí)。它與物質(zhì)的特性有關(guān)，它只是反映電子在各個(gè)能級(jí)中分布情況的一個(gè)參量（它是抽象的不存在的一個(gè)能級(jí)）。K0=1.38x10-23J/K玻耳滋曼常數(shù)1)光的輻射和吸收

愛(ài)因斯坦于1917年,根據(jù)輻射與原子相互作用量子學(xué)論提出:光與物質(zhì)相互作用將發(fā)生自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收三種物理過(guò)程。

圖3-1能級(jí)和電子的躍遷(1）自發(fā)輻射，如圖3-1（a）所示。

設(shè)E2>E1

處于高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，它將按一定的概率，自發(fā)地（無(wú)外界輻射）向低能E1上躍遷，并在躍遷的過(guò)程中發(fā)射出一個(gè)頻率為f，能量為ε的光子。特點(diǎn)：自發(fā)輻射是獨(dú)立自發(fā)躍遷,產(chǎn)生光為非相干光,且光子之間互不相干.

釋放光子的能量ε=E2-E1=hf

發(fā)射光子的頻率f=(E2-E1)

/h;定量分析：(2）受激吸收，如圖3-1（b）所示。

處于低能級(jí)的電子，當(dāng)受到外來(lái)的頻率為f＝（E2－E1）/h的光子照射時(shí)，原子中電子可以吸收光子的能量從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷這個(gè)過(guò)程叫受激吸收。

條件：必須在外來(lái)光子的激勵(lì)下，且外來(lái)光子能量hf外≥E2-E1(3）受激輻射，如圖3-1（c）所示。

處于高能級(jí)E2的電子受到外來(lái)光子的感應(yīng)，發(fā)射一個(gè)與感應(yīng)光子完全相同的光子，即頻率、相位、偏振方向和傳播方向相同。

受激輻射條件：外來(lái)光子能量hf外≥E2-E1特點(diǎn)：外來(lái)光子與感應(yīng)光子為全同光子。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布?即光放大狀態(tài)（4）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

在通常情況下，即熱平衡條件下，粒子的正常能級(jí)分布總是低能級(jí)上的粒子數(shù)大于高能級(jí)粒子數(shù)?？傂Ч枪馐芗の毡仁芗ぽ椛湔純?yōu)勢(shì)，因此媒質(zhì)為吸收媒質(zhì)。若要獲得光的放大，必須設(shè)法使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，使粒子的能態(tài)分布反常，即處于高能級(jí)上的粒子數(shù)多于低能級(jí)粒子數(shù)，通常把這種分布叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也叫光放大狀態(tài)。（5）光放大

當(dāng)物質(zhì)在外部能源作用下，達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時(shí)（光放大狀態(tài)），高能級(jí)上的大量粒子數(shù)在受到外來(lái)入射光子的激發(fā)下，同步發(fā)生與入射光子的頻率、相位、偏振方向、傳播方向一致的全同光子，這樣就實(shí)現(xiàn)了用一個(gè)弱的入射來(lái)激發(fā)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布物質(zhì)，使其輸出一個(gè)強(qiáng)光的光放大作用。2)激光產(chǎn)生的條件*激光器——指激光自激振蕩器。*激光器是以受激輻射為基礎(chǔ)的物質(zhì)內(nèi)部原子內(nèi)能的變化引起的。*電振蕩器構(gòu)成：*激光振蕩器基本構(gòu)成：*.激光器振蕩必要條件(1)激活物質(zhì)(粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布=激活物質(zhì))[激光工作物質(zhì)+泵浦源](2)頻率選擇及正反饋光學(xué)諧振腔(3)閾值條件和相位條件激光產(chǎn)生的過(guò)程激活物質(zhì)和光學(xué)諧振器只是激光產(chǎn)生的必要條件，要產(chǎn)生激光振蕩，還必須滿(mǎn)足一定的閾值條件和相位條件。

激光產(chǎn)生的過(guò)程？簡(jiǎn)述泵浦源

Z腔軸

P入P反光子流輸出

M1

r1=P反/P入

M2，r2M1的功率反射率100%，M2的功率反射率為90％左右，以便從M2獲得激光輸出。把激活物質(zhì)放在兩個(gè)反射鏡之間。圖3-2激光器結(jié)構(gòu)原理圖閾值條件（門(mén)限）

激光產(chǎn)生的閾值條件是激光產(chǎn)生振蕩的最低條件。增益＝光學(xué)諧振腔的總損耗要產(chǎn)生振蕩，必須滿(mǎn)足：

P（2L）≥P(0)即：r1r2exp[（g0－αi）2L]≥1

（3.2）

exp[（g0－αi）2L]≥1/r1r2

(g0－αi)2L=Ln[1/r1r2]

g0－αi=[1/2L]×Ln[1/r1r2]（3.3）相位條件激光振蕩，不僅是閾值條件，還要滿(mǎn)足相位條件。相互加強(qiáng)疊加意義：入射波與經(jīng)腔往返一周到原位置的反射波產(chǎn)生相互疊加（加強(qiáng)干涉），他們的相位差為零或2π的整數(shù)倍?！鳓眨?πq＝K×2L＝(2π/λq)×2L(3.4)L＝q×λq/2(3.5)其中：q=1，2，3，…；λq=2L/q為與q值對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)；

L為腔的幾何長(zhǎng)度。上式為激光器的相位平衡條件，通常又稱(chēng)為光腔的駐波條件，當(dāng)滿(mǎn)足該條件時(shí)，腔內(nèi)形成駐波。

激光器縱模與縱模間隔(1).縱?！鈭?chǎng)沿軸Z向變化模式(2).縱模間隔：相鄰的兩個(gè)縱模的諧振頻率間隔：△f0q=c/2nL;波長(zhǎng)表示縱模間隔，則近似為：△λ0q=λ20/2nLff0q-1f0q+1Δf0qf0q例如q=8，腔長(zhǎng)L=（

q/2）×8，有8個(gè)半個(gè)波長(zhǎng)，其諧振頻率f08=（c×8）/2nL。

例如q＝10，腔長(zhǎng)L＝（λq/2）×10，有10個(gè)半個(gè)波長(zhǎng)，其諧振頻率f010＝（C/2nL）×10。

圖3-3激光振蕩的駐波圖案3)半導(dǎo)體的能帶及PN結(jié)能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(1)孤子原子的能級(jí)：在原子中存在著一個(gè)個(gè)分立能級(jí)，電子只能存在于這些分立的能級(jí)之上。(2)兩個(gè)原子的能級(jí)：每個(gè)能級(jí)已經(jīng)分裂成為兩個(gè)彼此靠的很近的能級(jí)。(3)大量原子能帶：電子不在屬于個(gè)別原子，它一方面圍繞每個(gè)原子運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子做共有化運(yùn)動(dòng)，相同能量的能級(jí)已變成許多靠得很近，分裂能級(jí)——形成帶狀，稱(chēng)為能帶。(4)晶體能帶：半導(dǎo)體是由大量原子有次序的周期性排列的晶體。

晶體的能帶圖EcEfEv導(dǎo)帶Ec：空著沒(méi)有電子，是自由電子占據(jù)的能帶禁帶Eg：無(wú)電子占據(jù)的能帶Eg價(jià)帶Ev

：形成化學(xué)價(jià)的電子占據(jù)的能帶滿(mǎn)帶Ec：填滿(mǎn)電子的能帶注：Eg=Ec-Ev圖3-4晶體的能帶圖．PN結(jié)的能帶和電子分布

半導(dǎo)體的能帶和電子分布（a）本征半導(dǎo)體；

（b）N型半導(dǎo)體；

（c）P型半導(dǎo)體Te++Zn--1.424ev0.03ev0.024ev圖3-5半導(dǎo)體的能帶和電子分布圖3-6PN結(jié)的能帶和電子分布2.半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)+-d圖3-7DH激光二極管芯示意圖雙異質(zhì)結(jié)（DH）條形激光器的基本結(jié)構(gòu)

(a)短波長(zhǎng)；（b）長(zhǎng)波長(zhǎng)圖3-8DH-LD結(jié)構(gòu)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(mǎn)足能量守恒條件之外，還必須滿(mǎn)足動(dòng)量守恒條件。（光子與電子之間的相互滿(mǎn)足動(dòng)量守恒條件，電子—孔穴躍遷復(fù)合就能光發(fā)射）自由電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量狀態(tài)P，由電子的量子力學(xué)波矢量k決定，即：p＝hk其中，h為普朗克常數(shù)。因此，電子的躍遷前后應(yīng)具有相同的動(dòng)量，即有相同的波矢量k。

直接//間接帶隙如圖所示(a)直接帶隙材料（b）間接帶隙材料價(jià)帶P=hk圖3-9材料能帶、波矢量關(guān)系示意圖

什么半導(dǎo)體材料在電子能級(jí)躍遷時(shí)，電子-孔穴的復(fù)合就能產(chǎn)生光發(fā)射呢？在光的受激輻射過(guò)程中必須保持能量與動(dòng)量的守恒。禁帶形狀是與動(dòng)量有關(guān)的，依照禁帶形狀，可將半導(dǎo)體分為直接帶隙材料和間接帶隙材料，如圖3-9所示。

在直接帶隙材料中，導(dǎo)帶中的最低能量與價(jià)帶的最高能量具有相同的動(dòng)量（相同波矢量k），電子垂直躍遷，發(fā)光效率高.*在間接帶隙材料中，不具有動(dòng)量守恒條件，因此不適合于制作光源。如硅Si、鍺Ge屬于間接帶隙材料不能做激光器材料，主要做集成電路和光檢測(cè)器。如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）砷磷化銦鎵（InGaAsP）等屬于直接帶隙材料，主要用于集成電路、發(fā)光二極管、激光器、光光檢測(cè)器的制作。3.1.2分布反饋式和可調(diào)諧式半導(dǎo)體激光器分布反饋（DFB-LD）型半導(dǎo)體激光器是一種動(dòng)態(tài)單縱模激光器，其結(jié)構(gòu)與普通F-P激光器不同，它的沒(méi)有集總反射的諧振腔反射鏡，它的反射機(jī)構(gòu)是由有源區(qū)波導(dǎo)上縱向等間隔（布拉格，Bragg）光柵提供工作。另外還有一種有別于DFB-LD的激光器為分布布拉格反射式半導(dǎo)體激光器（DBR-LD）。分布反饋（DFB）型半導(dǎo)體激光器

（Distributedfeelback）分布布喇格反射型（DBR）半導(dǎo)體激光器1.分布反饋型導(dǎo)體激光器

DFB激光器的基本工作原理，可以用布喇格反射來(lái)說(shuō)明。

波紋光柵是由周期性空間結(jié)構(gòu)的衍射而形成。它為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點(diǎn)。在一定的條件下，所有反射光同向相加，形成某方向波長(zhǎng)的主極點(diǎn)。波紋結(jié)構(gòu)，可以取不同的形狀，如方波，三角波。光柵？激光振蕩的條件？圖3-10DFB激光器的結(jié)構(gòu)及其中的光反射與F-P腔激光器相比，DFB激光器具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）單縱模特性好。DFB激光器的發(fā)射波長(zhǎng)主要由光柵周期∧決定。在每一個(gè)周期∧內(nèi)形成一個(gè)微諧振腔。由于∧的長(zhǎng)度很小，故模式間隔比F-P腔激光器大得多，較容易實(shí)現(xiàn)單縱模工作，邊模抑制比可達(dá)35dB以上。（2）光譜線(xiàn)寬窄。在DFB激光器中，布拉格反射相當(dāng)于多級(jí)調(diào)諧，使諧振波長(zhǎng)的選擇性大為提高。DFB激光器線(xiàn)寬一般在0.05nm～0.08nm的范圍（普通FP腔激光器的單模線(xiàn)寬可達(dá)0.1nm～0.2nm）。（3）溫度特性好。DFB激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定性隨溫度漂移約為0.08nm/℃（普通FP腔激光器的一般溫度漂移值為0.3nm/℃～0.4nm/℃）。（4）調(diào)制特性好。DFB激光器在高速調(diào)制下也能保持單縱模振蕩，在GHz量級(jí)直接調(diào)制下，邊模抑制比可以大于30dB，這使得DFB激光器成為長(zhǎng)波長(zhǎng)高速光纖通信系統(tǒng)和光纖有線(xiàn)電視（CATV）傳輸系統(tǒng)中的理想光源

分布反饋式激光器的結(jié)構(gòu)與普通F-P激光器不同,它不是靠解理面形成的諧振腔工作,而是依賴(lài)沿縱向等間隔分布反饋光柵工作.DFB-LD有上千個(gè)反射點(diǎn)，按縱向分布于全長(zhǎng)上，反射點(diǎn)的分布由周期性光柵為反射面形成。周期∧=m×(λm/2)=mλ0/2n

λm=λo/n其中：∧為光柵周期；λm為有源介質(zhì)中光波長(zhǎng)；λ0為真空波長(zhǎng)；n是有源層折射率；m為整數(shù)，是光柵引起的布拉格衍射級(jí)次。

2.波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器c3耦合腔結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)可調(diào)激光器

（Cleaved－CoupledCavitylaser）腔長(zhǎng)=L1+a+L2=（1/2）qλoq波長(zhǎng)可諧是一是通過(guò)改變外腔特性，如gt＝α總；二是通過(guò)選主模改變外腔的光學(xué)長(zhǎng)度來(lái)移動(dòng)外腔F-P模從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。aL2L1.光柵外腔半導(dǎo)體激光器ECL通過(guò)調(diào)節(jié)光柵的傾角，可以實(shí)現(xiàn)單縱模調(diào)諧，調(diào)諧范圍可以達(dá)50nm以上。在相干光通信及WDM光通信系統(tǒng)中，需要采用可調(diào)諧光源作為本振光源。圖3-13光柵外腔結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)可調(diào)激光器的結(jié)構(gòu)．激光器組件LM（LM=LD+PIN+TEC+RT+SMF)圖3-14LD組件

圖3-15LD組件外形3.1.3半導(dǎo)體激光器的主要特性

1.閾值特性(P-I曲線(xiàn))當(dāng)I<IthPN結(jié)電流很小.ΔN<ΔNth即α>gt,只有少量自發(fā)輻射光稱(chēng)為熒光.當(dāng)I>IthPN結(jié)電流很大.ΔN>ΔNth即α=gt,產(chǎn)生激光震蕩

對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流值稱(chēng)為閾值電流，用Ith表示。當(dāng)I＜Ith

時(shí)，激光器發(fā)出的是熒光；當(dāng)I＞Ith

時(shí)，激光器才發(fā)出激光。這個(gè)曲線(xiàn)即是半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線(xiàn)。

圖3-16激光器P-I性線(xiàn)曲特激光器的閾值電流和光輸出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，其變化情況如圖所示。2.溫度特性LD的Ith與溫度的關(guān)系:T絕對(duì)溫度；I0為常數(shù)；T0為L(zhǎng)D的特征溫度，它在一定的溫度范圍內(nèi)是常數(shù)，T0越大器件溫度特性越好.如：GaAs/GaAlAs的LD，T0=1000K~1500KInGaAsP/InP的LD，T0=400K~500K若LD的T1絕對(duì)溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的閾值電流為Ith1；

LD的T2絕對(duì)溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的閾值電為Ith2，則：Ith2=Ith1exp[(T2-T1)/T0]短波長(zhǎng)LD的溫度特性圖長(zhǎng)波長(zhǎng)LD的溫度特性圖3.轉(zhuǎn)換效率功率效率:電效率與光效率之間轉(zhuǎn)換效率量子效率:電子與光子之間轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件。其電光之間轉(zhuǎn)換效率用外量子效率

D表示：式中，Pth和Ith分別是對(duì)應(yīng)的閾值；Pex和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流；hf和e0分別為光子能量和電子電荷。由此得到：

D的幾何意義是P-I曲線(xiàn)線(xiàn)性部分的斜率,它不隨注入電流變化。若Pex>>Pth，則有：4．發(fā)光波長(zhǎng)和光譜特性半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于材料的禁帶寬度Eg，單位為電子伏特eV，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長(zhǎng)

，單位為

m，可通過(guò)下式求得：hf=Eg式中，f=c/

，f和

分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，代入上式得：

=ch/Eg=1.24/Eg

（3.9）半導(dǎo)體激光器的光譜

圖3-18半導(dǎo)體激光器的光譜光譜特性是衡量器件發(fā)光單色性的一個(gè)物理量。光譜非單色性的原因？（1）光譜寬度ΔλΔλ定義是發(fā)射最大光功率等于50%的所有波長(zhǎng)，稱(chēng)為光譜寬度Δλ（2）光譜線(xiàn)寬ΔλLΔλL是在一個(gè)縱模中光譜輻射功率為其一半的譜線(xiàn)兩點(diǎn)間的波長(zhǎng)間隔。（3）邊模抑制比MSRMSR定義為：主模功率Pm與最強(qiáng)邊模功率Ps之比，它是LD頻譜純度的一種量度，如圖3-19所示，寫(xiě)成公式為：（4）最大

20dB寬度主縱模下降20dB處的光譜線(xiàn)寬

L=2

1，如圖3-18所示。電光延遲時(shí)間td

電光延遲時(shí)間發(fā)生在閾值之前，從加電流到產(chǎn)生激光所需要的時(shí)間叫td。5．電光延遲td和張弛振蕩現(xiàn)象圖3-20光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形圖

td可用“速率”方程求得：

td=τSPLn[Jp/（J-Jth）]

由于J=I/A，Jp=Ip/A，Jth=Ith/A所以有：td=τSPLn[Ip/（I-Ith）]

式中，I=Ib+IP，其中Ib是直流偏值，IP是脈沖電流，Ith是閾值電流，τsp自發(fā)輻射壽命。這樣亦有：

td=τSPLn[IP/（IP+Ib-Ith）]當(dāng)Ib→Ith時(shí)，則td→0。一般情況下td在0.5-2.5ns范圍內(nèi)

電光延遲時(shí)間產(chǎn)生——碼形效應(yīng)若兩個(gè)脈沖連續(xù)為“1”時(shí)，第二脈沖的電子密度高于第一脈沖到來(lái)之前的值，于是第二光脈沖延遲時(shí)間減少，輸出幅度和寬度增加。這種現(xiàn)象稱(chēng)為碼形效應(yīng)。特點(diǎn)：較長(zhǎng)連“0”以后，出現(xiàn)的“1”碼光脈沖的幅度明顯下降。6．自脈動(dòng)現(xiàn)象（等幅振蕩）在注入電流達(dá)到某一值時(shí)，出現(xiàn)疊加在輸出光脈沖上的持續(xù)等幅振蕩，這種現(xiàn)象稱(chēng)為自脈動(dòng)現(xiàn)象。圖3-21碼形效應(yīng)圖

圖3-22激光器的自脈動(dòng)現(xiàn)象3.1.4半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）一、發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

1.邊發(fā)射型2.面發(fā)射型3.工作原理發(fā)光二極管是非相干光源，它的發(fā)射過(guò)程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過(guò)程。4.LED與LD的區(qū)別：(1)沒(méi)有諧振腔，是以自發(fā)輻射為主的非相干光。（2）溫度特性好；（3）光譜寬度寬（4）發(fā)散角大等

圖3-23SLED的結(jié)構(gòu)圖3-24ELED3.1.5半導(dǎo)體發(fā)光二極管的主要工作特性

1.P-I特性曲線(xiàn)圖3-25LED的P-I特性LED的輸出完全由自發(fā)輻射產(chǎn)生，其P-I曲線(xiàn)如圖3-25所示。LED無(wú)閾值，發(fā)光功率隨工作電流增大，LED的工作電流通常為50~100mA，偏壓1.2~1.8V，輸出功率約幾mW。工作溫度升高時(shí)，同樣的工作電流下LED輸出功率要下降。例如當(dāng)溫度從20

℃升70

℃時(shí)，輸出功率下降一半，但相對(duì)LD而言，溫度的影響較小。2.發(fā)散譜線(xiàn)和發(fā)散角

LED的水平發(fā)散角約為300，LED的垂直發(fā)散角約為1200。對(duì)于用GaAlAs材料制作LED，發(fā)射譜線(xiàn)Δλ約為25—40nm，而對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP材料制作的LED，Δλ在75－100nm之間。半導(dǎo)體光源LD和LED一般性能如表3.1所示。表3.1DFB激光器、FP-LD腔激光器和LED一般性能

DFB激光器FP腔激光器LED工作波長(zhǎng)

/

m1.31.551.31.551.31.55光譜寬度

/nm邊模抑制比30～35dB1～21～325～4060～100閾值電流Ith/mA15～2020～3020～3030～60—工作電流I/mA（1.2～1.5）Ith（1.2～1.5）Ith50～10050～100輸出功率P/mW20～4015～305～105～101～51～3入纖功率P/mW10～207～151～31～30.1～0.30.1～0.2調(diào)制帶寬B/MHz500～1000500～2000500～100050～15030～100輻射角

/°

20×5020×5030×12030×120壽命t/h106～107105～106106～107105～106108107工作溫度/℃-20～50-20～50-20～50-20～50-20～50-20～503.2光檢測(cè)器件

光檢測(cè)器是光接收機(jī)的關(guān)鍵器件，它的作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。光纖通信中最常用的光檢測(cè)器有PD光電二極管、PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。

3.2.1

PD光電二極管

光纖通信中所使用的半導(dǎo)體光檢測(cè)器，是利用光電效應(yīng)原理而制成的。所謂半導(dǎo)體光電效應(yīng)是指一定波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)上，且光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度（hf>Eg）時(shí)，價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中有電子，價(jià)帶中有空穴，從而使PN結(jié)中產(chǎn)生光生載流子，在場(chǎng)的作用下形成光電流的一種現(xiàn)象，如圖3-26所示。圖3-26半導(dǎo)體PN結(jié)及能帶圖（V內(nèi)+V外）e0V外RSIP作用區(qū)吸收區(qū)>作用區(qū)E=0E=0E電場(chǎng)ZZ03.2.2PIN光電二極管PIN管構(gòu)成由P+---I(N)----N+共3層構(gòu)成

圖3-28PIN工作原理示意圖特點(diǎn)：

PIN管的耗盡層遍及整個(gè)I層，幾乎占據(jù)整個(gè)PN結(jié)即吸收區(qū)=作用區(qū)光電轉(zhuǎn)換效率高。

3.2.3APD雪崩光電二極管有P+---π(P)---P----N+共4層構(gòu)成圖3-29APD的結(jié)構(gòu)及電場(chǎng)分布3.2.4光電二極管的主要特性1.光電效應(yīng)條件和波長(zhǎng)響應(yīng)范圍hf>Eg，f>Eg/h=fC或λ0<hC/Eg=λCh=6.63×10-34J.SEg是材料的禁帶寬度1ev=1.6×10-19Je0=1.6×10-19C.*光電效應(yīng)條件要求外來(lái)光子的波長(zhǎng)λ<λC但當(dāng)入射光波長(zhǎng)太短光電換效率也會(huì)大大下降。

2.

光電轉(zhuǎn)換效率—響應(yīng)度R0和量子效率η當(dāng)入射光功率為P時(shí)，光電二極管的光生電流為Ip則：響應(yīng)度R0=Ip/P量子效率3.光電響應(yīng)速度和頻率特性

響應(yīng)速度是指光電二極管接收到光子后產(chǎn)生光生電流輸出的速度，它常用響應(yīng)時(shí)間，即上升時(shí)間和下降時(shí)間來(lái)表示。4.暗電流Id:暗電流Id定義為無(wú)光照射時(shí)光電二極管的反向電流,稱(chēng)為暗電流（噪聲電流）。Si的PIN管的Id大于1nA，Ge的PIN管的Id約幾百nA，InGaAS的PIN管的Id約幾十nA。APD管的Id由于倍增因子G存在,因此其暗電流總是大于同材料的PIN管G倍。5．APD管平均倍增因子G特性倍增因子G定義為倍增后APD管輸出光生電流IM與未倍增的初始光生電流之比，即

G=IM/IPAPD的倍增因子G與反向電壓V的關(guān)系可近似用Miller公式表示：APD響應(yīng)度R和量子效率ηR=IM/P=GIP/P=GR0η=（IP/e）/（P/hf）<1

量子效率

僅與初級(jí)光生載流子有關(guān)，不涉及倍增載流子。6．APD噪聲特性

噪聲源主要是:過(guò)剩噪聲過(guò)剩噪聲可用過(guò)剩噪聲因子F(G)表示:工程上:F(G)≈Gxx--過(guò)剩噪聲指數(shù)

0<x<1種

類(lèi)Si-PINInGaAs-PINSi-APDInGaAs-APD響應(yīng)波長(zhǎng)/(

m)0.4~1.01.0~1.60.4~1.01.0~1.65響應(yīng)度/(A.W

1)0.4（0.85

m）0.6（1.3

m）

0.5（0.85

m）0.5~0.7（1.3

m）暗電流/(nA)0.1~12~50.1~110~20響應(yīng)時(shí)間/(ns)2~100.2~10.2~0.50.1~0.3工作電壓/(V)

15~

5

15~

5

100~

50

60~

40結(jié)電容/(pF)0.5~11~21~2<0.5倍增因子——30~10020~30附加噪聲指數(shù)——0.3~0.40.5~0.7本節(jié)完表3.2

PIN和APD光電二極管一般性能3.3光纖放大器一．光放大器在光纖通信中的應(yīng)用

1．在光纖通信網(wǎng)中的應(yīng)用(光纖損耗和色散)2．在波分復(fù)用DWDM光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用3．在光孤子通信中的應(yīng)用二．光放大器的分類(lèi)

光放大器:有半導(dǎo)體光放大器SLA（SemiconductorLaserAmplifier）;受激拉曼散射、布里淵散射光纖放大器FiberAmplifier和摻雜光纖放大器EDFA光放大器的基本原理光放大器主要由放大工作介質(zhì)、泵浦源組成。工作時(shí)，工作介質(zhì)先從泵浦源中吸收足夠的能量處于粒子反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)輸入信號(hào)光經(jīng)過(guò)此工作介質(zhì)時(shí)兩者將發(fā)生受激輻射作用，使輸入光信號(hào)從工作介質(zhì)中獲得能量形成放大了的輸出信號(hào)光。光放大器的基本原理圖3.3.1EDFA的結(jié)構(gòu)及原理

摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)是將稀土元素鉺Er3+離子注入到光纖芯層中，濃度約為25mg/kg形成EDFA的工作介質(zhì)——摻鉺光纖EDF，在泵浦源激勵(lì)下可直接對(duì)某一段波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行放大，其特點(diǎn)是具有高增益、高輸出、寬頻帶、低噪聲等一系列優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的光放大器，為光纖通信帶來(lái)極其深遠(yuǎn)的影響。1.EDFA的基本結(jié)構(gòu)及作用EDFA主要由摻鉺光纖、泵浦源、WDM、光隔離器等組成，如圖3-33所示。圖3-33EDFA的三種典型結(jié)構(gòu)①WDM作用：是將不同波長(zhǎng)的泵浦光和信號(hào)光混合而送人摻鉺光纖。②光隔離器的作用：是防止反射光對(duì)光放大器的影響，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。③濾波器的作用是濾除放大器的噪聲提高系統(tǒng)的信噪比。④泵浦源：為半導(dǎo)體激光器，輸出功率為10mw～100mw，工作波長(zhǎng)為1480nm，980nm，820nm。提供足夠的光功率使摻鉺光纖處于粒子反轉(zhuǎn)分布。⑤摻鉺光纖：具有一定的長(zhǎng)度的10～100（m）具有一定增益，石英光纖將稀土元素Er3＋注入到光線(xiàn)中，濃度為25mg/kg。EDFA的泵浦方式①同向泵浦優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但噪聲性能不佳。②反向泵浦優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和，因而噪聲性能較好。③雙向泵浦優(yōu)點(diǎn)：雙向泵浦方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，使泵浦光在光纖中均勻分布，使其增益在光纖中也均勻分布。

2.EDFA的工作原理

EDF與泵浦源、信號(hào)光相互作用機(jī)理圖3-34摻鉺光纖與泵浦源、信號(hào)光相互作用的機(jī)理3.3.2EDFA主要特性

1.增益特性

摻鉺光纖放大器G：15～40dB；增益頻譜范圍：1525～1565nm之間可以進(jìn)行放大。①增益與泵浦光功率和輸入信號(hào)光功率有關(guān)，并存在一個(gè)最佳的摻鉺光纖長(zhǎng)度。輸入信號(hào)功率越小時(shí)（小信號(hào)）放大器的增益越大。當(dāng)泵浦光功率較大時(shí)，放大器的增益出現(xiàn)飽和。如圖3-36所示圖3-35EDFA信號(hào)增益與泵浦功率的關(guān)系Pth

PP>3Pth

②增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系圖3-36增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系

2．輸出功率特性理想的光放大器，不管輸入功率多高，光信號(hào)都能按同一比例被放大，但實(shí)際的EDFA卻并非如此。當(dāng)輸入功率增加時(shí)，受激輻射加快，以至于減少了粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，使受激輻射光減弱，導(dǎo)致增益飽和，輸出功率趨于平穩(wěn)。3.噪聲特性①放大器噪聲源

EDFA的噪聲主要有以下四種：信號(hào)光的散粒噪聲；放大器的自發(fā)輻射（ASE）散粒噪聲；信號(hào)光與ASE光譜之間的差拍噪聲；ASE自身光譜間的差拍噪聲。以上4種噪聲中，后兩種影響最大，其功率譜密度如圖3-38所示。②噪聲系數(shù)F噪聲系數(shù)（NF：NoiseFigure）對(duì)不同泵浦源略有不同。光放大器的噪聲特性可以用噪聲系數(shù)F來(lái)度量：通常EDF長(zhǎng)60m，1480nm泵浦源F約為4～6dB；EDF長(zhǎng)30m。圖6-23EDFA增益與噪聲性能（泵浦功率120mW），980nm泵浦源F約為3.2～3.4dB。實(shí)用EDFA的構(gòu)成原理圖如圖3-38所示。表3.3列出國(guó)外幾家公司EDFA商品的技術(shù)參數(shù)。電源監(jiān)視圖3-38EDFA的構(gòu)成原理圖表3.3EDFA摻鉺光纖放大器技術(shù)參數(shù)3.4光纖連接器3.4.1光纖連接器結(jié)構(gòu)與種類(lèi)光纖連接器又稱(chēng)活動(dòng)連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接的器件。主要用于光纖線(xiàn)路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線(xiàn)路與其他光無(wú)源器件之間的連接。

光纖固定接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性（固定）連接，主要用于光纖線(xiàn)路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施?；顒?dòng)連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無(wú)源器件。3.4.2．光纖連接器的主要性能指標(biāo)1.插入損耗耦合損耗用L表示。若輸入光纖的光功率為PT，輸出光纖的光功率為PR，如圖3-39（a）所示。插入損耗定義為：

理想的光纖連接器是PT＝PR，L＝0dB,但實(shí)際上光纖連接損耗是難以避免的。圖3-39光纖的耦合與耦合缺陷2.回波（反射）損耗回波（反射）損耗定義:

3.重復(fù)性和互換性重復(fù)性是指活動(dòng)連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示?；Q性是指各連接器互換時(shí)插入損耗的變化，也用dB表示。常用光纖連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)如表3.5所示。表3.5光纖連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能指標(biāo)

類(lèi)

型結(jié)構(gòu)和特性

FC/PC

FC/APCSC/PCSC/APCST/PCLC/PC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)插針套管（包括光纖）端面形狀

球面

斜八度面球面斜八度面球面球面連接方式螺紋螺紋軸向插拔軸向插拔卡口軸向插拔連接器形狀圓形圓形矩形矩形圓形矩形性能指標(biāo)平均插入損耗/dB≤0.2≤0.3≤0.3≤0.3≤0.2≤0.3最大插入損耗/dB0.30.50.50.50.3≤0.4重復(fù)性/dB≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1互換性/dB≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1回波損耗/dB≥40≥60≥40≥60≥40≥45插拔次數(shù)≥1000≥1000≥1000≥1000≥1000≥1000使用溫度范圍/℃-40～+80-40～+80-40～+80-40～+80-40～+80-40～+803.5光分路耦合器和波分復(fù)用器3.5.1光分路耦合器光纖耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。這種光耦合器與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。1．光分路耦合器基本結(jié)構(gòu)用途：光通信網(wǎng)絡(luò)X形耦合器(2×2)

耦合器P1P2P4P3圖3-40X型耦合器模型表3.6光分路耦合器的功能輸

入按比例輸出作

用P1P3，P4分路（P2很?。㏄3，P4P1耦合（P2很?。㏄2P3，P4分路（P1很?。詈蠙C(jī)理:對(duì)稱(chēng)圖3-41X型（2×2）耦合器的耦合機(jī)理星狀耦合器（N×M）如圖3-42所示功能：是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖輸出,n和m不一定相等。特點(diǎn)：該耦合器通常用作多端功率分配器。這種光耦合器與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。圖3-42星狀耦合器用2×2耦合器拼接星型、樹(shù)型耦合器

圖3-431×8或2×8樹(shù)狀耦合器圖3-4432×32星型耦合器星形耦合器應(yīng)用圖3-45星狀耦合器應(yīng)用示意圖2.光分路耦合器的性能指標(biāo)

光耦合器的性能指標(biāo)有插入損耗、分光比與隔離度等，以圖3-40X狀光耦合器為例，其性能指標(biāo)如下所述。（1）插入損耗：

（2）附加損耗（3）分光比：（4）隔離度：圖3-40光纖耦合器圖3-46光柵型波分復(fù)用原理圖1.光柵型波分復(fù)用器3.5.2波分復(fù)用器圖3-47光柵型波分復(fù)用器的應(yīng)用實(shí)例

在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復(fù)用器中，以分離出各個(gè)波長(zhǎng)。圖3-47是光柵型波分復(fù)用器應(yīng)用的兩個(gè)例子。根據(jù)光柵方程為:式中m表示對(duì)應(yīng)的某一波長(zhǎng)光線(xiàn)衍射后出現(xiàn)的一種方向，稱(chēng)光譜級(jí)。當(dāng)d和θi一定時(shí)，光譜級(jí)確定后則m不變，則此時(shí)衍射角θdm隨λm表改變而改變。

例:m=12．多層介質(zhì)膜型（MDTFF）波分復(fù)用器————干涉濾光片型

圖3-48多層介質(zhì)膜型波分復(fù)用器3．熔融拉錐全光纖型波分復(fù)用器圖3-49熔融拉錐型波分復(fù)用器原理圖4.集成光波導(dǎo)波分復(fù)用器圖3.50AWG波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖

AWG波分復(fù)用器的性能如表3.7所示，波長(zhǎng)間隔從15nm到0.2nm，信道數(shù)從8擴(kuò)大到128。表3.8所示是各種WDM器件主要性能的比較。

在實(shí)用DWDM系統(tǒng)中，當(dāng)波分復(fù)用的光信道數(shù)小于16時(shí)，幾乎所有的公司都采用無(wú)源的3dB耦合器組成波分復(fù)用器，如圖3-51所示。表3.7AWG波分復(fù)用器的特性

表3.8各種WDM器件性能的比較器件類(lèi)型機(jī)

理批量生產(chǎn)信道波長(zhǎng)間隔/nm信道數(shù)串?dāng)_/dB插入損耗/dB主要缺點(diǎn)衍射光柵型角色散一般0.5～104～131≤-303～6溫度敏感多層介質(zhì)薄膜型干涉/吸引一般1～1002～32≤-252～6信道數(shù)較少熔錐型波長(zhǎng)依賴(lài)型較容易10～1002～6≤-10～-450.2～1.5信道數(shù)少集成光波導(dǎo)型平面波導(dǎo)容易1～54～32≤-256～11插入損耗大無(wú)源的