光纤通信课件第三章3

1、1 2本章内容 光源：半导体激光器和发光二极管。 光电检测器：PIN和APD光电二极管。 无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。本章重点 激光器的工作原理。 光源和光电检测器工作原理及其工作特性。 无源光器件的功能及主要性能。本章难点 发光机理。3 了解半导体激光器的物理基础。 掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。 熟悉光源的驱动电路工作原理。 掌握光电检测器的工作原理及特性。 掌握无源光器件的功能及主要性能。4 光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。 半导体激光器（LD）

2、：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。 发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。53.1.1 激光器的工作原理 半导体激光器：是向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。 1激光器的物理基础 （1）光子的概念 光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中h=6.6281034 Js（焦耳秒），称为普朗克常数，f 是光波频率，人们将这些光量子称为光子。 当光与物

3、质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。6 （2）原子能级 物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。 最低的能级E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级E i（i=2，3，4，）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为E =E2E1，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式1212hfEEE 式中，h为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。 当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量E =hf12的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。 光纤通信用

4、的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。7 （3）光与物质的三种作用形式 光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图3-1所示。图3-1 能级和电子跃迁8 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收光电检测器。 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射发光二极管。 在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，

5、使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射激光器。 注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。9 （4）粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。 如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正常状态下， N1 N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2 N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）

6、数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。10在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带价带，能量高的能带称为导带导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度禁带宽度或带隙带隙。电子不可能占据禁带。PN结的能带和电子分布问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢? 这个问题将在下面加以叙述。11 半导体的能带和电子分布(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体 Eg/2Eg/2EfEcEvEg导 带价 带能 量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)12

7、一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图 (a)。 在本征半导体中掺入施主杂质，称为N N型半导体型半导体，见图 (b)。 在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P P型半导体型半导体，见图 (c)。 在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场内部电场， 见图 (a)。 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图 (b)。13 2激光器的工作原理 激光器包括以下3个部分： 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； 必须有能够

8、使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）； 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。 14 （2）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。 物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。 （3）光学谐振腔 激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 激活物质和光学谐振腔是产生激

9、光振荡的必要条件。 15图3-2 光学谐振腔的结构 光学谐振腔的结构 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图3-2所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。16 谐振腔产生激光振荡过程 如图3-3所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁

10、，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。17图3-3 激光器示意图18 光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为 （3-2）或 （3-3） 式中，c为光在真空中的速度，为激光波长，n为激活物质的折射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3称为纵模模数。

11、 谐振腔只对满足式（3-2）的光波波长或式（3-3）的光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。qnL2nLqf2cc19 起振的阈值条件 激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如以G th表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是 （3-4） 为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。21th1ln21rrLG20 用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LD），对LD的要求如下。 光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即0.85m、1.31m和1.55m）。 能够在室温下长时间连续工作，并能

12、提供足够的光输出功率。目前LD的尾纤输出功率可达500W2mW；LED的尾纤输出功率可达10W左右。 与光纤耦合效率高。 光源的谱线宽度要窄。较好的LD的谱线宽度可达到0.1nm。 寿命长，工作稳定。21 1半导体激光器的基本结构和工作原理 有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图3-4所示。图3-4 半导体激光器的结构示意图22 （1）同质结半导体激光器。 其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。 缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。 （2）异质半导体激光器 异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种

13、。 异质半导体激光器的“结”是由不同的半导体材料制成的，目的是降低阈值电流，提高效率。 特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。 目前，光纤通信用的激光器大多采用如图3-5所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。23cf图3-5 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 nInGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层nInP是衬底，顶层P+InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。24 （3）工作原理 用半导体材料做成的激光器，当激光器的P-N结上外加的正向偏压足

14、够大时，将使得P-N结的结区出现了高能级粒子多、低能级粒子少的分布状态，这即是粒子数反转分布状态，这种状态将出现受激辐射大于受激吸收的情况，可产生光的放大作用。 被放大的光在由P-N结构成的F-P光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。25 2半导体激光器的工作特性 （1）发射波长 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式（3-1）得 hf = Eg （3-5） 式中， ，f (Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长，c=3108m/s， h=6.6

15、281034 Js，leV=1.601019 J为电子伏特，代入式（3-5）得 (m) （3-6） 由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。)eV(24. 1gE26 （2）阈值特性 对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith 表示。如图3-6所示。阈值电流越小越好。图3-6 典型半导体激光器的输出特性曲线 27 （3）光谱特性 LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当IIth时，发出的是荧光，光谱很宽，如图3-7（a）所示。当I Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表

16、明发出激光，如图3-7（b）所示。图3-7 GaAlAs-GaAs激光器的光谱28 随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。 普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图3-8（a）所示。而在高码速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图3-8（b）所示。 一般，用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如分布反馈半导体激光器（DFB-LD）。29ththththd/ )(/ )(I IPPeI

17、IhfPP图3-8 GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱30 （4）转换效率 半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率d表示，其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为 （3-7）由此得 （3-8 ） 式中，P为激光器的输出光功率；I为激光器的输出驱动电流，Pth为激光器的阈值功率；Ith为激光器的阈值电流；hf 为光子能量；e为电子电荷。hfe) (thdthI IehfPP 31 （5）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大，其变化情况如图3-9所示。图3-9 激光器阈值电流随温度变化的曲线32

18、 3分布反馈半导体激光器（DFB-LD） DFB-LD是一种可以产生动态控制的单纵模激光器（称为动态单纵模激光器），即在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器。它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的，如图3-10所示。图3-10 DFB-LD结构示意图33 4量子阱半导体激光器 量子阱半导体激光器与一般双异质激光器类似，只是有源区的厚度很薄（几十埃），如图3-11所示。当有源区的厚度非常小时，在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。图3-11 量子阱半导体激光器34n理论分析表明，当有源区的厚度非常小时，则在

19、有源层与两边相邻层的能带将出现不连续现象，在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。n结构中这种“阱”的作用使得电子和空穴被限制在极薄的有源区内，因此有源区内粒子数反转分布的浓度很高。n量子阱半导体激光器还可分为单量子阱和多量子阱激光器。35 1LED的工作原理 发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。 发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。36 2LED的结构 LED也多采用双异质结芯片，不同的

20、是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。 LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED，其结构示意图如图3-12所示。图3-12 常用的两类发光二极管（LED）37 3LED的工作特性 （1）光谱特性 LED谱线宽度比激光器宽得多。图3-13是InGaAsP LED的输出光谱。 图3-13 InGaAsP LED的发光光谱 38 （2）输出光功率特性 两种类型的LED输出光功率特性如图3-14所示。驱动电流I 较小时，P I 曲线的线性较好；当I 过大时，由于P-N结发热而产生饱和现象，使P I 曲线的斜率减小。hEg图3-14 发光二极管（LE

21、D）的P I 特性39 （3）温度特性 由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好。 （4）耦合效率 由于LED发射出的光束的发散角较大，因此与光纤的耦合效率较低。一般只适于短距离传输。 （5）调制特性 调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为20MHz30MHz，边发光型LED截止频率为100MHz150MHz。 比较： LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。40 LED通常和多模光纤耦合，用于1.31m或0.85m波长的小容量、短距离的光通信系统。 LD通常和单

22、模光纤耦合，用于1.31m或1.55m大容量、长距离光通信系统。 分布反馈半导体激光器（DFB-LD）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55m超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。41 光电检测器完成光/电信号的转换。对光检测器的基本要求是： 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流； 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； 具有较小的体积、较长的工作寿命等。 目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二

23、极管和APD雪崩光电二极管。42 光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换的。 光电效应如图3-15（a）和（b）所示。 当入射光子能量hf 小于禁带宽度Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件 hf Eg （3-9） 即光频fc 的入射光是不能产生光电效应的，将fc 转换为波长，则 c= 。即只有波长 c 的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故c 为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的fc 称为截至频率。gEhc43gEhc图3-15 半导体材料的光电效应44光电检测器的工作原理光电检测器的工作原理 光电检测器是外加反向偏压的

24、PN结，当入射光作用时，发生受激吸收产生 光生电子-空穴对，这些电子-空穴对在耗尽层内建电场作用下形成漂移电流，同时在耗尽层两侧部分电子-空穴对由于扩散运动进入耗尽层，在电场作用下形成扩散电流，这两部分电流之和为光生电流。反偏压电子P导带光(b) 加反向偏压后的能带价带N耗尽层光生电动势空穴P扩散复合复合漂移光(a) 光电效应45PIN光电检测器的工作原理光电检测器的工作原理 PIN是为提高光电转换效率而在PN结内部设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（I层）以扩大耗尽层宽度的光电二极管。P+W光IN+能量46 PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I

25、（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图3-16（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图3-16（b）所示。图3-16 PIN光电二极管47 雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。 1APD的雪崩效应 APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生

26、了新的电子空穴对；新产生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。48 2APD的结构 目前APD结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。 保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。 拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电场分布如图3-17所示。图3-17（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图3-17（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90的示意图。图3-17（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。 A

27、PD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等。 49inpPIR图3-17 RAPD的结构图和能带示意图50 PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。 APD管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。 1PIN光电二极管的特性 （1）响应度和量子效率 响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。 响应度 响应度定义 （A/W）（3-10） 其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到光电二极管上的平均光功率。 inpinpPIhfPe I入射光子数目空穴对数目子光电转换产生的有效电51 量子效率

28、 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即 （3-11） 其中，e为电子电荷，hf 为一个光子的能量， （3-12） 式中 m/s为光速， s为普朗克常数。 也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波长）有关。图3-18为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。Rehfehf24. 1 c hehfeR 8103cJ10628. 634h52图3-18为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。53 （2）响应时间 响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。显然响应

29、时间越短越好。 （3）暗电流 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励等，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。 严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。暗电流会引起接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。54 2APD的特性 APD除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。 （1）倍增因子 倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响的条件下，它定义为 g=I0/Ip （3-13） I0为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应时光电流平均值。PIN管由于无雪崩倍增作用，所以g=1。 （2）温度特性 随着温度的升高，

30、倍增增益将下降。 （3）噪声特性 PIN管的噪声，主要为量子噪声和暗电流噪声，APD管还有倍增噪声。55 无源光器件是除光源器件、光检波器件之外不需要电源的光通路部件。 无源光器件可分为连接用的部件和功能性部件两大类。 连接用的部件有各种光连接器，用做光纤和光纤、部件（设备）和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。 功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光开关和光隔离器等，用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。56 光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将其定义为“用以稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。 光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、

31、设备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。 （1）光纤连接器的基本构成 由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图3-19所示。图3-19 光纤活动连接器基本结构57 （2）光纤连接器的分类 光纤连接器按光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、套管结构和紧固方式进行分类，如表3-1所示。 表3-1光纤连接器的分类58 （3）光纤连接器的性能 插入损耗（介入损耗），该值越小越好。平均损耗值应不大于0.5dB。 回波损耗（或称反射损耗、回损、回程损耗），是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个度量值，该值越大越好。其典型值应不

32、小于25dB。 互换性，每次互换后，其连接损耗变化量越小越好。 重复性，即每次插拔时连接损耗变化量要小。 插拔寿命（最大可插拔次数），光纤连接器的插拔寿命一般由元件的机械磨损情况决定。59 （4）部分常见光纤连接器 FC型。其接头的对接方式为平面对接。 PC型。是FC型的改进型。其对接面由平面变为拱型凸面。是我国最通用的规格。 SC型。其结构尺寸与FC型相同，端面处理采用拱型凸面或PC研磨方式。 DIN47256型。由德国开发。 双锥型连接器。由美国贝尔实验室开发研制。 （5）固定连接 光纤与光纤的连接有两种，活动连接和永久性连接。以上介绍了活动连接。永久性连接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法

33、。60 光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源光器件。 光衰减器主要用于调整中继段的线路衰减，测量光系统的灵敏度及校正光功率计等。 光衰减器分固定衰减器和可变衰减器两种。 （1）固定衰减器，其造成的功率衰减值是固定不变的，一般用于调节传输线路中某一区间的损耗。 （2）可变衰减器，它所造成的功率衰减值可在一定范围内调节。可变衰减器又分为连续可变和分挡可变两种。61光衰减器的基本原理n在玻璃基片上蒸镀透射系数（或反射系数变化很小的金属膜，使通过镀膜玻璃片的光功率被膜层材料吸收一部分，光强度受到衰减。金属膜可以是镍铬等化合物材料，光的衰减量有膜的厚度进行控制。62 固定衰减器 固定衰减器对

34、光功率衰减量固定不变，主要用于调整光纤传输线路的光损耗。输入光纤输出光纤光纤连接器光纤连接器透镜透镜衰减部分63 可变衰减器n可变衰减器的衰减量可在一定范围内变化，用于测量光接收机灵敏度和动态范围。(a)光路和结构(b)步进衰减片(c) 连续衰减片厚薄64 光分路耦合器是分路和耦合光信号的器件。 功能是把一个输入的光信号分配给多个输出（分路），或把多个输入的光信号组合成一个输出（耦合）。 1耦合器类型 （1）T形耦合器 （2）星形耦合器 （3）定向耦合器 （4）波分复用器/解复用器（也称合波器/分波器） 如图3-20所示。65 光耦合器类型 T型光耦合器是一种22的3端耦合器，可把一根光纤输入

35、的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤的输入光信号组合在一起，输入一根光纤。主要用做不同分路比的功率分配器或组合器。 星型光耦合器是一种nm的耦合器，可把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤。 定向光耦合器是一种22的3端或4端耦合器，用于分别驱除光纤中向不同方向传输的光信号。只用于作分路器，不能作合路器。 波分复用/解复用器波分复用器是与波长有关的耦合器，用于把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器用于把一根光纤输出的多个不同波长的光信号分配给不同的光接收机。66(dB)log101441PPA、图3-20 常用耦合器的类型67 2主要性

36、能指标 表示光纤耦合器性能指标的参数有：隔离度、插入损耗和分光比等。下面以22定向耦合器为例来说明。 （1）隔离度A 如图3-20（c）所示，由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出。但实际上端4还是有少量光功率输出（P4），其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为 （3-14）一般情况下，要求 。dB20A(dB)log10132PPPL68 （2）插入损耗L 它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用L表示为 （3-15） 一般情况下，要求L （3）分光比T 分光比等于两个输出端口的光功率之比，如从端1输入光

37、功率，则端2和端3分光比 （3-16） 一般情况下，定向耦合器的分光比为11110。23PPTdB5 . 069 1光隔离器 光隔离器是保证光波只能正向传输，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器而影响激光器的工作稳定性。 光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。 2光环形器 光环形器与光隔离起工作原理基本相同，只是光隔离器一般为两端口器件，而光环形器则为多端口器件。如图3-21所示。 光环形器为双向通信中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离任务。图3-22所示为光环形器用于单纤双向通信的例子。70 图3-21 光环形器示意图图3-22 光环形器用于单纤双向通信示意图71n光隔

38、离器是一种非互易性器件，只允许光波往一个方向传输，阻止光波往其他方向尤其是反方向传输。一般用在激光器或光放大器后。插入损耗值为1dB,隔离度的典型值为40-50 dB。光环行器是多端口的隔离器。主要用于光分插复用器。典型的环行器一般有三或四个端口，在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入光信号在端口1输出。72 光隔离器工作原理示意图起偏振器法 拉 第旋转器检偏振器 阻塞 反射光 经SWP的 入射光 SWPSpatial Walk-off Polarizer 空间分离偏振器 ，其作用是将入射光分解为垂直与水平两个正交偏振分量，让垂直分量通过，

39、而水平分量偏折通过。73(dB)log10ioPPIL74光隔离器工作原理 假设入射光是垂直偏振光，起偏振器的透振方向是在垂直方向，故入射光顺利通过它射向法拉第旋转器，法拉第旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，如45，并且其旋转方向与光传播方向无关。法拉第旋转器后的检偏振器透振方向若在45方向上，则经过法拉第旋转器旋转45后的光能通过检偏振器，即光沿正方向（从左到右）通过这些器件是没有损耗的。但沿反方向（从右到左）传送的反射光，其偏振态也在45，当反射光经过法拉第旋转器再旋转45后，偏振态达到90，变为水平偏振光，则无法通过起偏振器。75 3光隔离器的性能指标 插入损耗和隔离度是

40、光隔离器的两个主要性能参数，另还有回波损耗，偏振相关损耗和偏振模色散。 （1）插入损耗 插入损耗是指在光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的附加损耗。如果输入的光信号功率为Pi，经过光隔离器后的功率为Po，则插入损耗IL为 （3-17） 显然，其值越小越好。(dB)log10irPPRL76 3光隔离器的性能指标 插入损耗和隔离度是光隔离器的两个主要性能参数，另还有回波损耗，偏振相关损耗和偏振模色散。 （1）插入损耗 插入损耗是指在光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的附加损耗。如果输入的光信号功率为Pi，经过光隔离器后的功率为Po，则插入损耗IL为 （3-17

41、） 显然，其值越小越好。(dB)log10irPPRL77 （2）回波损耗 回波损耗是指由于构成光隔离器的各元件、光纤以及空气折射率失配引起的反射造成的对入射光信号的衰减。回波损耗RL为 （3-18） 其中，Pi为正向输入光隔离器的光信号功率，Pr为返回输入端口的光功率。 RL值越大越好。 （3）隔离度 隔离度是指在逆光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的损耗。有 （3-19）其中， 为反向输入光隔离器的光信号功率， 为反向通过光隔离器的光功率。隔离度越大越好。(dB)log10iosoPPIiPoP78 （4）偏振相关损耗（PDL） 是指输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，

42、器件插入损耗的最大变化量。它是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。 （5）偏振模色散（PMD） 是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。 注：一般情况下，光通信系统对光隔离器的主要技术指标要求为：插入损耗1.0dB；隔离度35dB；回波损耗50dB；PDL0.2dB；PMD0.2ps。79 波长转换器：使信号从一个波长转换到另一个波长的器件。 波长转换器根据波长转换机理可分为光电型波长转换器和全光型波长转换器。 （1）光电型波长转换器 如图3-23所示。由于速度受电子器件限制，不适应高速大容量光纤通信系统。图3-23 光电型波长转换器80 （2）全光型波长转换器 其波长转换技术主要由

43、半导体光放大器（SOA）构成，如图3-24所示。 波长为1的光信号与需要转换为波长为2的连续光信号同时送入半导体光放大器，SOA对入射光功率存在增益饱和特性，结果使得输入光信号所携带的信息转换到2 上，通过滤波器取出2 光信号，即可实现从1到2 的全光波长转换。图3-24 全光型波长转换器81 光开关：能够控制传输通路中光信号通或断或进行光路切换作用的器件。 光开关一般包括两种：机械式光开关和电子式光开关。 机械式光开关的开关功能是通过机械方法实现的。利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。 优点是插入损耗小，隔离度高，串扰小，适合各种光纤，技术成熟；缺点是开关速度较

44、慢，体积较大。 电子式光开关利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路切换的器件。 优点是开关速度快，易于集成化；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。82电子式光开关机械式光开关83 光滤波器：在光纤通信系统中，只允许一定波长的光信号通过的器件。 如果所通过的光波长可以改变，则称为波长可调谐光滤波器。 目前，结构最简单、应用最广的光滤波器是F-P腔光滤波器。 光滤波器的结构有两类，干涉滤波器和吸收滤波器。843.3.8 光纤光栅 光纤光栅是近几年发展最为迅速的一种光纤无源器件, 是利用光纤中的光敏性而制成的。 光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生

45、永久性改变。人们利用这种效应可在几厘米之内写入折射率分布光栅，称为光纤光栅。 光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，便于与光纤耦合，而且它具有高波长选择性。85光纤布拉格光栅滤波器 86光放大器的分类：光放大器的分类：n从大的方面来分，光放大器主要包括半导体光放大器和光纤放大器两种。n半导体光放大器（SOA）是由半导体材料制成的，如果将半导体激光器两端的反射去除，即变成没有反馈的半导体行波光放大器，它能适合不同波长的光放大。n光纤放大器又包括两种。n非线性光纤放大器（例如拉曼放大器）n掺铒光纤放大器（EDFA）87SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现

46、粒子数反转的现象进行光放大。半导体光放大器的增益可以达到30dB以上，而且在1310m窗口和1550m窗口上能使用。若能使其增益在相应使用波长范围保持平坦，那还可促成1310m窗口WDM系统的实现。优点：结构简单、 体积小，可充分利用现在的半导体激光器技术，制作工艺成熟，成本低、 寿命长、 功耗小，且便于与其他光器件进行集成。另外，其工作波段可覆盖1.3-1.6/m波段，这是EDFA或PDFA所无法实现的。但最大的弱点是但性能与光偏振方向有关与光纤的耦合损耗太大，噪声及串扰较大且易受环境温度影响，因此稳定性较差。88一、发展历程n1964年，提出掺钕（Nd3+）光纤放大器的设想n1985年，低

47、损耗掺杂SiO2光纤研制成功n目前，掺Er3+光纤放大器（EDFA）最为成熟，是光纤通信系统必备器件n特点：插损小、高增益、大带宽、偏振无关低噪声、低串扰、高输出功率等1. 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)89 在掺铒光纤（EDF）中，铒离子有三个能级：基态E1、亚稳态E2和激发态E3。当泵浦光的光子能级等于E3和E1的能量差时，铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子很快返回到E2，若输入的信号光的光子能量等于E2和E1之间能量差，则电子从E2跃迁到E1，产生受激辐射光，故光信号被放大。 二、EDFA的工作原理1. EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦

48、光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。铒离子能带图902EDFA的基本结构掺铒光纤放大器结构示意图 913.掺铒光纤放大器的各部分功能n掺铒光纤（EDF）和高功率泵浦源是关键器件。EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率。对泵浦光源的要求是大功率和长寿命。波长为1.48m的InGaAsP 多量子阱（MQW）激光器输出光功率在100mW，泵浦光转换成信号光效率在6 dB/mW以上，且噪声低，是未来发展方向。n波分复用器把泵浦光和信号光耦合在一起。对其要求是插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合型和干涉滤波型最适用。n光隔离器置于两端防止光反射。对它的要求是插入损耗小，反射损耗大 92pEDFA的泵浦方式 934.掺铒光纤放大器的优缺点:EDFA之所以得到迅速的发展，源于它的一系列优点。(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用。