光纤通信的基本器件概述经典课件

第3章光纤通信的基本器件

光源与光器件

电子电气工程系电子信息技术教研室第3章光纤通信的基本器件1、掌握光与物质的作用过程2、掌握半导体激光器的发光机理及其特性3、掌握半导体二极管的发光机理及其特性4、了解光纤通信系统的实用光源5、掌握光电二极管和雪崩光电二极管的结构及原理6、了解各种光无源器件的类型及其作用7、掌握常用光纤连接器的特点第3章光纤通信的基本器件----能力要求：1、掌握光与物质的作用过程第3章光纤通信的基本器件---3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器件3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器对光源的要求：

性能好、寿命长、使用方便1）发射光波长必须在光纤的低损耗窗口；2）光源的输出功率要足够大3）温度特性优良4）光源的发光谱宽度要窄5）光源应具有高度的可靠性6）省电,且体积小、重量轻7）光源器件应便于调制,调制速率能适应系统要求。3.1光源对光源的要求：3.1光源常用的两种光源器件,即半导体激光器和半导体发光二极管。发光二极管用LED：荧光激光二极管用LD：激光常用的两种光源器件,即半导体激光器和半导体发光二极管。发光半导体发光机理

电子以原子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围旋转，这些特定的电子层称为能级，对半导体材料，电子的能级重叠在一起形成能带。其中能量低的能带称为价带E1，能量高的能带称为导带E2，E2和E1之间的能量差称为禁带，电子不可能占据禁带。E3E2E1能带导带禁带价带一、半导体发光机理半导体发光机理电子以原子核为中心，按不同的电半导体发光机理

电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式:自发辐射、受激吸收、受激辐射。半导体发光机理电子在E2和E1之间的跃迁有三(a)自发辐射（点击动画）hf12初态E2E1终态E2E13.1光源自发辐射是发光二极管的理论基础(a)自发辐射（点击动画）hf12初态E2E1终态E2E1hf12初态E2E1终态E2E1

(b)受激吸收（点击动画）

3.1光源受激吸收是光电检测器的基础hf12初态E2E1终态E2E1(b)受激吸收（hf12初态E2E1终态E2E1(c)受激辐射（点击动画）

受激辐射是半导体激光器的基础hf12初态E2E1终态E2E1(c)受激辐射（点击动画）半导体发光机理

设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E2＞E1）的电子数分别为N1和N2.

正常的状态下，N1＞N2，即低能级上的电子数多，这种状态称为热平衡状态（即正常分布状态）。

对于N1＜N2的状态，称作为负温度状态,即粒子数反转分布状态。半导体发光机理设在单位物质中，处于低能级E1半导体发光机理1）外来光子能量等于跃迁的能级之差hν＝E2－E12）受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向度相同，称它们为全同光子。3）过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果使光增强，使入射光得到放大。受激辐射与受激吸收的特点：受激辐射是半导体激光器发光的基础。粒子数反转分布是物质产生光放大的必要条件。半导体发光机理1）外来光子能量等于跃迁的能级之差hν＝E2－二、半导体激光器（LD）

1、激光器的作用

激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件，从它发出的光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度，便于人们控制它和利用它。因而这种光源被用作光纤通信系统的光源。

2.激光器的基本结构激光器的基本结构如图3-1所示，它是由三部分组成的，即：工作物质、谐振腔（半反镜和全反镜）和泵浦源（激励源--电源）。

二、半导体激光器（LD）

1、激光器的作用图3-1半导体激光器结构激活物质使工作物质处于粒子数反转分布状态完成频率选择及反馈作用图3-1半导体激光器结构激活物质使工作物质处于粒子数反转（1）工作物质

要使受激辐射过程成为主导过程，必要条件是在介质中造成粒子数反转分布。（2）泵浦源

使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源N2>N1,受激辐射>受激吸收，从而有光的放大作用。工作物质已被激活，成为激活物质或称增益物质。（3）光学谐振腔提供必要的反馈以及进行频率选择，光学谐振腔是由两个反射镜组成，其一是全反（M1）的，另一个是部分透过（M2）的。

（1）工作物质返回图3-2谐振腔

谐振腔的光轴与工作物质的长轴相重合。这样沿谐振腔轴方向传播的光波将在腔的两反射镜之间来回反射，多次反复地通过激活介质，使光不断地被放大。而沿其他方向传播的光波很快地逸出腔外。这就使得只有沿腔轴传播的光波在腔内择优放大，因而谐振腔的作用可使输出光有良好的方向性。全反射镜部分反射镜激光输出返回图3-2谐振腔谐振腔的光轴与工作物质的长轴相重

3、

半导体激光器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)。常用的有F-P腔(法不里-泊罗腔)激光器和分布反馈型激光器(DFB)。下面介绍F-P腔激光器中的同质结和双异质结半导体激光器。3、半导体激光器

1)同质结砷化镓半导体激光器在光纤通信中,F-P腔激光器采用的工作物质(半导体材料)一般是砷化镓(GaAs)或铟镓砷磷(InGaAsP)。如图3-3所示为同质结砷化镓半导体激光器的结构。1)同质结砷化镓半导体激光器图3–3同质结砷化镓半导体激光器光纤通信的基本器件概述经典课件同质结砷化镓半导体激光器结构简单,由PN结发光;其阈值电流(激光器开始产生激光时的注入电流)较大;在室温下工作发热严重,无法做到连续的激光输出;室温下只能工作在脉冲状态,且脉冲的重复频率不高,约为几十千赫兹,脉冲的宽度很窄,约为100ns;适合在小容量、低速率光纤通信系统中使用。同质结砷化镓半导体激光器结构简单,由PN结发光;其阈

2)双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器结构如图3-4所示,(N)InGaAsP是发光的作用区(有源区),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N型InP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。2)双异质结半导体激光器

特点:双异质结半导体激光器克服了同质结半导体激光器缺点,有源区厚度加大,阈值电流降低(30mA～80mA),波长范围为1.27μm～1.33μm。特点:双异质结半导体激光器克服了同质结半导体激光器图3–4双异质结半导体激光器结构光纤通信的基本器件概述经典课件图3–5

DFB-LD激光器结构光纤通信的基本器件概述经典课件5、半导体激光器的工作特性

1)阈值特性阈值电流(Ith)是指使LD输出光功率急剧增加,产生激光振荡的激励电流。某半导体激光器P-I曲线如图3-6所示。图3–6

P-I曲线5、半导体激光器的工作特性图3–6P-I曲线

当激励电流I<Ith时,有源区无法达到粒子数反转,也无法达到谐振条件,自发辐射为主,输出功率很小,发出的是荧光;

当激励电流I>Ith时,有源区不仅有粒子数反转,而且达到了谐振条件,受激辐射为主,输出功率急剧增加,发出的是激光,此时P-I曲线是线性变化的。对于激光器来说,要求阈值电流越小越好。当激励电流I<Ith时,有源区无法达到粒子数反转,

2)光谱特性

半导体激光器输出光光谱特性曲线如图3-7所示,从光谱特性曲线可以发现半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。图3–7输出光光谱2)光谱特性图3–7输出光光谱

当激励电流I<Ith时,说明发出的是荧光,光谱很宽(几十纳米);当激励电流I>Ith时,光谱突然变窄(几纳米),谱线中心强度也急剧增加,说明发出的是激光。

对于半导体激光器来说,要求其输出光谱越窄越好。当激励电流I<Ith时,说明发出的是荧光,光谱很宽(

3)温度特性

半导体激光器对于温度很敏感,其输出功率随温度变化而变化,产生这种变化的主要原因是半导体激光器外微分量子效率和阈值电流受到温度的影响。图3–8温度对阈值电流的影响3)温度特性图3–8温度对阈值电流的影响6、半导体发光二极管(LED)半导体发光二极管是利用半导体PN结进行自发辐射器件的统称。如电子仪表等产品的指示灯使用的就是一般的半导体发光二极管。6、半导体发光二极管(LED)

一般的半导体发光二极管与光纤通信专用的半导体发光二极管的异同如下:·共同点——都是使用PN结,利用自发辐射的原理发光,属于无阈值器件,体积小巧、重量轻。·不同点——主要是制造工艺和价格有区别,另外光纤通信专用的发光二极管亮度更高、响应速度更快。一般的半导体发光二极管与光纤通信专用的半导体发光二极管的

半导体发光二极管与半导体激光器的区别

发光二极管没有光学谐振腔,采用自发辐射,发出的是荧光(非相干光),不是激光,光谱的谱线宽,发散角大。而半导体激光器有光学谐振腔,采用受激辐射,发出的是激光(相干光),光谱的谱线窄,发散角很小。

虽然发光二极管无法发出激光,但它还是有很多优点,如：使用寿命长,理论推算可达108～1010小时;受温度影响小;输出光功率与激励电流线性关系好;驱动电路简单;价格低等。这些优点使发光二极管在中短距离、中小容量的光纤通信系统中得到广泛应用。半导体发光二极管与半导体激光器的区别1）.LED的结构

为了获得高辐射度,LED常采用双异质结芯片(但没有光学谐振腔),构成材料主要有GaAs、InGaAsP、AlGaAs等。①

面发光型LED结构图3-9所示是采用双异质结GaAs的面发光型LED结构。发光区是呈圆柱形的有源区,其直径约为50μm,厚度约为2.5μm,能够发出波长为0.8μm～0.9μm的辐射光,圆形光束反散角为120°。1）.LED的结构图3–9面发光型LED结构光纤通信的基本器件概述经典课件

②

边发光型LED结构图3-10所示是采用双异质结InGaAsP/InP的边发光型LED结构。波长范围为1.3μm左右,光束的水平反散角为120°,垂直反散角为25°～35°。该型LED的方向性好,亮度高,耦合效率高,但发光面积小。②边发光型LED结构图3–10边发光型LED结构光纤通信的基本器件概述经典课件

2）

发光原理当激励电流注入时,注入的载流子在扩散过程中进行复合,发生自发辐射,产生具有一定波长的自发辐射光,发射光经透镜构成的聚焦系统发射出去,直接射入光纤的端面,然后在光纤中传输,这就是发光二极管的基本工作原理。2）发光原理

3）LED的工作特性

①光谱特性

LED的谱线如图3-11所示,由于LED发光二极管没有谐振腔,不具有选频特性,因此谱线宽度Δλ比激光器的要宽得多。图3–11

LED的谱线3）LED的工作特性图3–11LED的谱线

②

输出光功率特性

LED输出光功率特性曲线如图3-12所示。LED不存在阈值电流,线性比LD好。驱动电流I较小时,P-I曲线的线性较好;当I过大时,由于PN结发热而产生饱和现象,使P-I曲线的斜率减小。一般情况下,LED工作电流为50mA～100mA,输出光功率为几毫瓦,由于反散角大,出纤功率(耦合到光纤中的功率)只有数百微瓦。②输出光功率特性图3–12

LED输出光功率光纤通信的基本器件概述经典课件③温度特性

LED的输出光功率也会随温度升高而减小,然而LED是无阈值器件,因此温度特性比LD要好(如短波长的GaAlAsLED,其输出光功率随温度的变化率约为0.01/1K)。一般使用时不需要温度控制电路。③温度特性

④

耦合效率由于LED反散角大,因此其耦合效率低。所以LED适用于中短距离、中小容量的光纤通信系统。④耦合效率半导体激光器(LD)与发光二极管(LED)的比较在光纤通信系统中,最常用的光源器件便是半导体激光器(LD)和发光二极管(LED),二者均是用半导体材料构成的,能发出光波,能通过调制技术携带数据信息,实现光传输。这两种光源器件的比较见表3-1。通过比较,读者会进一步掌握这两种光源的异同及其应用。半导体激光器(LD)与发光二极管(LED)的比较表3–1

LD与LED的比较表3–1LD与LED的比较1、作用光电检测器的作用：把光信号转换为电信号，光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换。2、要求①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；②具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；③具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；④具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；⑤具有较小的体积、较长的工作寿命等；⑥工作电压尽量低，使用简便。3、分类光电二极管（PIN）雪崩光电二极管（APD）

一、概述3.2光检测器1、作用2、要求3、分类一、概述3.2光二、PIN光电二极管图3-13光电二极管结构1、结构二、PIN光电二极管图3-13光电二极管结构1、结构2、工作原理画

在耗尽层形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)当入射光作用在PN结时发生受激吸收PN结界面内部电场漂移运动能带倾斜电子和空穴的扩散运动N-----P2、工作原理画内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。2、工作原理（点击动画）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。三、雪崩光电二极管1、特点雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离图3–13

APD雪崩示意图图3–13APD雪崩示意图3、光电检测过程

用雪崩光电二极管(APD)将光信号转换为电信号的过程如图所示。光信号包括信号光和背景光；电信号输出包含信号、背景、咕电流和非倍增的暗电流;对三种电流．即信号、背景和暗电流产生雪崩增益；系统的输出包含信号和噪声。图3-14光电检测框图3、光电检测过程用雪崩光电二极管(APD)将光信号转换为3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器件3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍——光功率受限，这是光通信史上的重要里程碑。光放大器是一种不需要经过光/电/光变换而直接对光信号进行放大的有源器件3.3光放大技术光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍——光功率一、光放大技术－放大器分类光纤通信的基本器件一、光放大技术－放大器分类光纤通信的基本器件光放大技术－掺铒光纤放大器

把铒离子从E1能级“泵”到E3能级，使其形成粒子数反转分布状态，为受激幅射创造条件。

是为了保证泵浦光与EDFA中合波器的反射光不向外洩漏，光隔离器的特点是只允许正方向的光进入。把泵浦光与信号光合并在一起输入到掺铒光纤中信号光和与泵浦光同时沿掺铒光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的铒离子吸收而跃迁到更高的能级，并可以通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿掺铒光纤长度不断放大，泵浦光沿掺铒光纤长度不断衰减EDFA主要是由掺铒光纤、泵浦源、耦合器和光隔离器组成光放大技术－掺铒光纤放大器

把铒离子从E1能级“泵”到E3能DWDM系统中使用的EDFA必须具有:

足够的带宽平坦的增益低噪声系数高输出功率光放大技术－重要性能指标

特别是增益平坦度，这是DWDM系统对EDFA的特殊要求！DWDM系统中使用的EDFA必须具有:光放大技术－重要性能指

在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行放大，最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去，如图3-14所示。图3-14传统的中继器原理框图一、光电光放大器3.3光放大器在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器（或称图10全光放大器原理框图二、全光放大器1、半导体激光放大器常用的有法布里—泊罗半导体激光放大器（FPA）和行波放大器。此类放大器的工作原理与激光器相同，都利用能级间跃迁产生的受激辐射工作。二者区别在于没有谐振腔。2、非线性光学放大器利用光纤中的非线性现象进行光信号放大，即利用受激拉曼散射和受激布里渊散射。放大的过程，就是能量从泵浦源向信号光转移的过程。3、掺稀土金属光纤放大器光纤中掺入适量稀土金属杂质，利用稀土金属原子特有的能级结构实现光信号放大。常用的掺铒光纤放大器（EDFA）是掺稀土金属的光纤放大器。3.3光放大器图10全光放大器原理框图二、全光放大器1、半导体激光放大器掺铒光纤放大器的组成及工作原理

掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成，如图3-27所示。掺铒光纤放大器的基本组成掺铒光纤放大器的组成及工作原理掺铒光纤放大器的基本组

(1)掺铒光纤。掺铒光纤是一段长度约为10m~100m的石英光纤，纤芯中注入稀土元素铒离子，浓度为25mg/kg。

(2)泵浦光源。泵浦光源为半导体激光器，输出功率约为10mW~100mW，工作波长为0.98μm。

(3)光耦合器。光耦合器将信号光和泵浦光合在一起通过掺铒光纤实现光放大。(1)掺铒光纤。掺铒光纤是一段长度约为10m~10

(4)光滤波器。光滤波器滤出光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的的信噪比。

(5)光隔离器。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保光放大器工作稳定，保证光信号只能正向传输。对它的要求是插入损耗低、与偏振无关、隔离度优于40dB。(4)光滤波器。光滤波器滤出光放大器的噪声，降低噪掺铒光纤放大器的工作原理是受激辐射使光信号放大。在光纤中掺入微量的铒元素，当只有泵浦光而没有信号光加入掺铒光纤时，高能级的电子经过各种碰撞后，发射小波长为1.53μm~1.56μm的荧光，这些荧光在没有信号射入时处于非相干状态。当泵浦光与信号光一起射入掺铒光纤时，掺铒光纤放大器的工作原理是受激辐射使光信号放大。在光纤信号光就可以接收泵浦光的能量，沿着光纤逐步加强，输出一个频率相同、传输模式相同的较强的光，使光信号获得放大。在铒粒子受激辐射过程中，有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态，产生带宽极宽而且杂乱无章的光子，并在传播中不断扩大，从而形成了自发辐射燥声，并消耗了部分泵浦功率。因此，需设光滤波器，以降低燥声对系统的影响。信号光就可以接收泵浦光的能量，沿着光纤逐步加强，输出一3.3.3光纤放大器的结构

EDFA的内部按泵浦方式分，有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种基本结构。如图3-28所示。3.3.3光纤放大器的结构图3–28光放大器泵浦方式光纤通信的基本器件概述经典课件

(1)同向泵浦。在同向泵浦结构中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。

(2)反向泵浦。在反向泵浦结构中,泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。

(3)双向泵浦。为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励，必须提高泵浦功率。在双向泵浦结构中，既有和信号光传输方向相同的泵浦光，也有和信号光传输方向相反的泵浦光。(1)同向泵浦。3.3.4光纤放大器的应用光放大器可以应用于干线通信。主要应用形式有三种：中继放大、功率放大、前置放大和LAN放大。中继放大是指将EDFA直接插入到光纤传输链路中对信号进行中继放大的应用形式，如图3-29(a)所示。广泛用于长途通信、越洋通信等领域。功率放大是指将EDFA放在发射光源之后对信号进行放大的应用形式，EDFA增加了注入光纤的光功率，从而可以延长中继距离。如图3-29(b)所示。

3.3.4光纤放大器的应用由于EDFA的低噪声特性，使它很适于作为接收机的前置放大器,大大提高接收机的接收灵敏度。如图3-29(c)所示。

LAN放大是指将EDFA放在光纤局域网中用作分配补偿放大器，以便增加光节点的数目。EDFA可在宽带本地网特别是在电视分配网中得到应用。如图3-29(d)所示。由于EDFA的低噪声特性，使它很适于作为接收机的前置放图3–29

EDFA的应用光纤通信的基本器件概述经典课件

在光纤通信系统中，除了有源器件、光纤光缆之外，还有无源器件。无源器件有

光纤活动连接器

光衰减器

光无源耦合器

光波分复用器

光隔离器

光开关等

光无源器件在光纤通信系统中，除了有源器件、光纤光缆之外，还有无源一、光纤活动连接器

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”。3.4光无源器件1.1功能光纤连接器主要用于实现系统中光纤（缆）与光纤（缆）、光纤（缆）与有源器件、光纤（缆）与无源器件、光纤（缆）与系统和仪表的非永久性固定连接等。1.2结构光纤活动连接器有以下几种结构：套管结构，双锥结构、V型槽结构、球面定心结构和透镜耦合结构一、光纤活动连接器光纤连接器，俗称活接头，ITU光纤通信的基本器件概述经典课件工作原理是：对光纤纤芯外圆柱面的同轴度、插针的外圆柱面和端面、套管的内孔进行精密加工，使两根光纤在套管中对接，从而确保两个光纤很好地在套管内对准，以实现两根光纤在套管内的活动连接。如图1所示。图15光连接器套管结构示意图1.3工作原理及结构示意图3.4光无源器件工作原理是：对光纤纤芯外圆柱面的同轴度、插针的外圆柱面和端面1.4

常见端面接触形式①FC型。其接头的对接方式为平面对接。优点是加工简单、成本低。缺点是存在菲聂尔反射。②PC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。减少了菲聂尔反射，反射损耗系数可达48dB。③APC型。光纤端面是球面，端面法线与轴线成一定角度，使光难以返回光源，反射损耗系数达55dB。图16光纤连接器的端面连接方式3.4光无源器件1.4常见端面接触形式图16光纤连接器的端面连接方式3.3.4光无源器件二、光衰减器1、光衰减器的作用

光衰减器的作用：对光能量进行预期的衰减，使光能量减少。光衰减器使用于光通信系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等。2、光衰减器的分类按光信号的传输方式分：单模光衰减器和多模光衰减器；按光信号的接口方式分：尾纤式光衰减器和连接端口式光衰减器；按照光信号的衰减方式分：固定光衰减器和可变光衰减器。3.4光无源器件二、光衰减器1、光衰减器的作用光衰光纤通信的基本器件概述经典课件3.4光无源器件

固定光衰减器产生衰减的机理是吸收一部分光，从而产生衰减作用。也就是在光线轴线上设置一种叫衰减膜的介质，它是一种半透明的掺杂化合物，在工作波长范围内，它有一个吸收带，光在吸收带内被吸收，产生衰减。3、固定光衰减器的工作原理图17无准直远镜光衰减器3.4光无源器件固定光衰减器产生衰减的机理是吸收一部3.4光无源器件

可变光衰减器有步进式可变光衰减器和连续可变光衰减器两种。图4是步进式可变光衰减器的一种结构。它由准直器和两个衰减圆盘组成。准直器用来产生平行的出射光，衰减圆盘用来产生衰减。两个衰减圆盘插在从准直器出射的平行光路之中。每个衰减圆盘分别装有6个衰减片，衰减片的衰减是0dB、5dB、l0dB、15dB、20dB、25dB。将两个衰减圆盘的衰减片进行组合，可以产生5dB、10dB、15dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB、45dB、50dB等十挡衰减。2.4可变光衰减器的工作原理图18步进式可变光衰减器结构3.4光无源器件可变光衰减器有步进式可变光衰减器和连3.4光无源器件三、光隔离器2、作用：防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响2、光衰减器的分类按光信号的传输方式分：单模光衰减器和多模光衰减器；按光信号的接口方式分：尾纤式光衰减器和连接端口式光衰减器；按照光信号的衰减方式分：固定光衰减器和可变光衰减器。1、定义：只允许单向光通过的无源光器件3.4光无源器件三、光隔离器2、作用：防止光路中由于各光纤通信的基本器件概述经典课件3.4光无源器件四、光波分复用器

多波长波分复用器一般指4波长以上器件，对于密集型（DWDM）器件，有4波长、8波长、16波长等几种。研制产品的波长是1550nm和1310nm。考虑到掺铒光纤放大器的需要，又考虑到波长在550nm区域具有更小的损耗，所以一般研制产品的波长为1550nm。对于1310nm区域，如果光纤放大器能商品化，在此区域内使用DWDM技术，对已建光纤系统的升级有很大的吸引力。多波长波分复用器有介质模型、光栅型、波导阵列光栅型、光纤光栅等。3.4光无源器件四、光波分复用器多波长波分复用器一般81波分复用器件包括合波器和分波器，又叫光复用器和光解复用器复用器fiber解复用器OM/OD技术－波分复用器件81波分复用器件包括合波器和分波器，又叫光复用器复用器fib82OM/OD技术－OM/OD器件合波器（OM）分波器（OD)把来自光纤的光波分解成具有原标称波长的光通路信号，分别输入到相应的光通路接收机中，即对光波起解复用作用。把具有标称波长的各复用通路光信号合成为一束光波，送到光纤中进行传输，对光波起复用作用。82OM/OD技术－OM/OD器件合波器分波器把来自光纤的光83

光栅型光波分复用器介质薄膜滤波器型（DTF)

耦合器型（熔锥型）阵列波导光栅型(AWG)OM/OD技术－OM/OD器件类型83光栅型光波分复用器OM/OD技术－OM/OD器件类型84OM/OD器件类型1－光栅型滤波器84OM/OD器件类型1－光栅型滤波器85OM/OD器件类型1－光栅型复用器原理属于角色散型器件，当光到光栅上后，由于光栅的角色散作用，使不同的光信号以不同的角度出射，然后经过透镜会聚到不同的输出光纤，从而完成波长选择和分离的作用，反之就可以实现波长的合并。优点波长选择特性优良，可以使波长间隔小到0.5nm左右

并联工作，插入损耗不会随复用信道的数目增加而增加缺点 温度稳定性不好85OM/OD器件类型1－光栅型复用器原理86合波光（1,2...n）123nn-1OM/OD器件类型2－介质薄膜滤波器复用器86合波光（1,2...n）123nn-87OM/OD器件类型2－介质薄膜滤波器复用器原理利用几十层不同的介质薄膜组合起来，组成具有特定波长选择特性的干涉滤波器，就可以实现将不同的波长分离或合并优点可以实现结构稳定的小型化器件信号通带比较平坦插入损耗较低

温度特性很好缺点加工复杂，但目前的工艺已经比较成熟通路数不能太多。87OM/OD器件类型2－介质薄膜滤波器复用器原理881234。。。34OM/OD器件类型3－耦合器型复用器88134OM/OD器件类型89OM/OD器件类型3－耦合器型复用器原理通过将多根光纤熔融在一起，使多个输入波长可以耦合在一起，达到波长合并的目的，但不能用来将不同波长进行分离。优点

温度特性很好光通道带宽较好制造简单，易于批量生产缺点尺寸较大，信道隔离度差，复用的波长数少89OM/OD器件类型3－耦合器型复用器原理90OM/OD器件类型4－阵列波导波分复用器（AWG）90OM/OD器件类型4－阵列波导波分复用器（AWG）91OM/OD器件类型4－阵列波导波分复用器（AWG）原理是以光集成技术为基础的平面波导型器件。优点并联工作，可以复用的通道数多尺寸小易于批量生产缺点需要温度补偿91OM/OD器件类型4－阵列波导波分复用器（AWG）原理小结在光纤通信中用得最多的光源是LED和LD。LD发出的是激光，LED发出的是荧光。激光器是一种新型光源，具有发射方向集中、亮度高、相干性优越和单色性好等特点。产生激光有两个条件：一是光的放大作用，它要求电子数反转分布，同时具有正反馈的谐振腔；二是要满足阈值条件，即光功率增益大于光功率衰减。发光二极管有两类：表面发光二极管和边发光二极管等。检测器:PIN光电二极管、雪崩光电二极管(APD)。EDFA光纤放大器由泵浦光源、光耦合器、光隔离器、掺饵光纤、带通滤波器等组成光纤活动连接器、光衰减器和光波分复用器的功能、结构和工作原理小结在光纤通信中用得最多的光源是LED和LD。LD发出的1、简述半导体激光器的构成及各部分功能。2、如何实现粒子反转分布？3、简述雪崩光电二极管的结构及工作原理。4、什么是自发辐射、受激辐射和受激吸收，各有何特点。作业题作业题1.个人坠落防护系统是用来把工作人员与固定挂点连接起来所必需的一整套产品，可完全防止出现从高处坠落的情况或是能完全地制止这种情况的发生。2.单独使用这些产品不能对坠落提供防护。但是，如果这些构件能够良好的组合在一起，那么它们将形成一种对工作场所的安全和整体的坠落防护计划都极其重要的个人坠落防护系统。3.如果安全绳没有垂直地固定在工作场所上方，发生坠落时将使得工人在空中出现摇摆，并可能撞到其他物体上或撞到地面造成伤害。4.一个有才能的领导者会给所在的团队或组织带来成功的希望，使人们对他产生一种敬佩感。敬佩感是一种心理磁铁，它会吸引人们自觉去接受影响力。5.老虎型给他明确方向的语言、让他知道做这件事对他的好处，说话中要给他很肯定的感觉，不要怀疑他或不放心，直接说明不要拐弯抹角，请他记录彼此沟通的内容。6.孔雀型先聊轻松的话题再进入主题、运用图画方式进行沟通，对于事情就事论事不责骂当事人，给他赞扬及鼓励，多运用一些肢休语言，可到热闹场合进行洽谈。7.无尾熊型不要强势与他沟通，沟通中运用一些温馨的语言，可聊聊天再进入主题，交待任务不要一次太多，让他知道你会协助他，经常寻问这事情的进展，让他知道在沟通中不要有所忌讳。8.猫头鹰型不要强势与他沟通，交待任务最好自行确认后再说，不讲不实际的事不说没有凭证的话，说话要完整化，任务分配时可分解数项告知，让他知道事情做完的成败会有人负责，对事不对人，不要批评他的专业。演示完毕，感谢聆听！1.个人坠落防护系统是用来把工作人员与固定挂点连接起来所必需第3章光纤通信的基本器件

光源与光器件

电子电气工程系电子信息技术教研室第3章光纤通信的基本器件1、掌握光与物质的作用过程2、掌握半导体激光器的发光机理及其特性3、掌握半导体二极管的发光机理及其特性4、了解光纤通信系统的实用光源5、掌握光电二极管和雪崩光电二极管的结构及原理6、了解各种光无源器件的类型及其作用7、掌握常用光纤连接器的特点第3章光纤通信的基本器件----能力要求：1、掌握光与物质的作用过程第3章光纤通信的基本器件---3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器件3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器对光源的要求：

性能好、寿命长、使用方便1）发射光波长必须在光纤的低损耗窗口；2）光源的输出功率要足够大3）温度特性优良4）光源的发光谱宽度要窄5）光源应具有高度的可靠性6）省电,且体积小、重量轻7）光源器件应便于调制,调制速率能适应系统要求。3.1光源对光源的要求：3.1光源常用的两种光源器件,即半导体激光器和半导体发光二极管。发光二极管用LED：荧光激光二极管用LD：激光常用的两种光源器件,即半导体激光器和半导体发光二极管。发光半导体发光机理

电子以原子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围旋转，这些特定的电子层称为能级，对半导体材料，电子的能级重叠在一起形成能带。其中能量低的能带称为价带E1，能量高的能带称为导带E2，E2和E1之间的能量差称为禁带，电子不可能占据禁带。E3E2E1能带导带禁带价带一、半导体发光机理半导体发光机理电子以原子核为中心，按不同的电半导体发光机理

电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式:自发辐射、受激吸收、受激辐射。半导体发光机理电子在E2和E1之间的跃迁有三(a)自发辐射（点击动画）hf12初态E2E1终态E2E13.1光源自发辐射是发光二极管的理论基础(a)自发辐射（点击动画）hf12初态E2E1终态E2E1hf12初态E2E1终态E2E1

(b)受激吸收（点击动画）

3.1光源受激吸收是光电检测器的基础hf12初态E2E1终态E2E1(b)受激吸收（hf12初态E2E1终态E2E1(c)受激辐射（点击动画）

受激辐射是半导体激光器的基础hf12初态E2E1终态E2E1(c)受激辐射（点击动画）半导体发光机理

设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E2＞E1）的电子数分别为N1和N2.

正常的状态下，N1＞N2，即低能级上的电子数多，这种状态称为热平衡状态（即正常分布状态）。

对于N1＜N2的状态，称作为负温度状态,即粒子数反转分布状态。半导体发光机理设在单位物质中，处于低能级E1半导体发光机理1）外来光子能量等于跃迁的能级之差hν＝E2－E12）受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向度相同，称它们为全同光子。3）过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果使光增强，使入射光得到放大。受激辐射与受激吸收的特点：受激辐射是半导体激光器发光的基础。粒子数反转分布是物质产生光放大的必要条件。半导体发光机理1）外来光子能量等于跃迁的能级之差hν＝E2－二、半导体激光器（LD）

1、激光器的作用

激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件，从它发出的光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度，便于人们控制它和利用它。因而这种光源被用作光纤通信系统的光源。

2.激光器的基本结构激光器的基本结构如图3-1所示，它是由三部分组成的，即：工作物质、谐振腔（半反镜和全反镜）和泵浦源（激励源--电源）。

二、半导体激光器（LD）

1、激光器的作用图3-1半导体激光器结构激活物质使工作物质处于粒子数反转分布状态完成频率选择及反馈作用图3-1半导体激光器结构激活物质使工作物质处于粒子数反转（1）工作物质

要使受激辐射过程成为主导过程，必要条件是在介质中造成粒子数反转分布。（2）泵浦源

使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源N2>N1,受激辐射>受激吸收，从而有光的放大作用。工作物质已被激活，成为激活物质或称增益物质。（3）光学谐振腔提供必要的反馈以及进行频率选择，光学谐振腔是由两个反射镜组成，其一是全反（M1）的，另一个是部分透过（M2）的。

（1）工作物质返回图3-2谐振腔

谐振腔的光轴与工作物质的长轴相重合。这样沿谐振腔轴方向传播的光波将在腔的两反射镜之间来回反射，多次反复地通过激活介质，使光不断地被放大。而沿其他方向传播的光波很快地逸出腔外。这就使得只有沿腔轴传播的光波在腔内择优放大，因而谐振腔的作用可使输出光有良好的方向性。全反射镜部分反射镜激光输出返回图3-2谐振腔谐振腔的光轴与工作物质的长轴相重

3、

半导体激光器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)。常用的有F-P腔(法不里-泊罗腔)激光器和分布反馈型激光器(DFB)。下面介绍F-P腔激光器中的同质结和双异质结半导体激光器。3、半导体激光器

1)同质结砷化镓半导体激光器在光纤通信中,F-P腔激光器采用的工作物质(半导体材料)一般是砷化镓(GaAs)或铟镓砷磷(InGaAsP)。如图3-3所示为同质结砷化镓半导体激光器的结构。1)同质结砷化镓半导体激光器图3–3同质结砷化镓半导体激光器光纤通信的基本器件概述经典课件同质结砷化镓半导体激光器结构简单,由PN结发光;其阈值电流(激光器开始产生激光时的注入电流)较大;在室温下工作发热严重,无法做到连续的激光输出;室温下只能工作在脉冲状态,且脉冲的重复频率不高,约为几十千赫兹,脉冲的宽度很窄,约为100ns;适合在小容量、低速率光纤通信系统中使用。同质结砷化镓半导体激光器结构简单,由PN结发光;其阈

2)双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器结构如图3-4所示,(N)InGaAsP是发光的作用区(有源区),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N型InP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。2)双异质结半导体激光器

特点:双异质结半导体激光器克服了同质结半导体激光器缺点,有源区厚度加大,阈值电流降低(30mA～80mA),波长范围为1.27μm～1.33μm。特点:双异质结半导体激光器克服了同质结半导体激光器图3–4双异质结半导体激光器结构光纤通信的基本器件概述经典课件图3–5

DFB-LD激光器结构光纤通信的基本器件概述经典课件5、半导体激光器的工作特性

1)阈值特性阈值电流(Ith)是指使LD输出光功率急剧增加,产生激光振荡的激励电流。某半导体激光器P-I曲线如图3-6所示。图3–6

P-I曲线5、半导体激光器的工作特性图3–6P-I曲线

当激励电流I<Ith时,有源区无法达到粒子数反转,也无法达到谐振条件,自发辐射为主,输出功率很小,发出的是荧光;

当激励电流I>Ith时,有源区不仅有粒子数反转,而且达到了谐振条件,受激辐射为主,输出功率急剧增加,发出的是激光,此时P-I曲线是线性变化的。对于激光器来说,要求阈值电流越小越好。当激励电流I<Ith时,有源区无法达到粒子数反转,

2)光谱特性

半导体激光器输出光光谱特性曲线如图3-7所示,从光谱特性曲线可以发现半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。图3–7输出光光谱2)光谱特性图3–7输出光光谱

当激励电流I<Ith时,说明发出的是荧光,光谱很宽(几十纳米);当激励电流I>Ith时,光谱突然变窄(几纳米),谱线中心强度也急剧增加,说明发出的是激光。

对于半导体激光器来说,要求其输出光谱越窄越好。当激励电流I<Ith时,说明发出的是荧光,光谱很宽(

3)温度特性

半导体激光器对于温度很敏感,其输出功率随温度变化而变化,产生这种变化的主要原因是半导体激光器外微分量子效率和阈值电流受到温度的影响。图3–8温度对阈值电流的影响3)温度特性图3–8温度对阈值电流的影响6、半导体发光二极管(LED)半导体发光二极管是利用半导体PN结进行自发辐射器件的统称。如电子仪表等产品的指示灯使用的就是一般的半导体发光二极管。6、半导体发光二极管(LED)

一般的半导体发光二极管与光纤通信专用的半导体发光二极管的异同如下:·共同点——都是使用PN结,利用自发辐射的原理发光,属于无阈值器件,体积小巧、重量轻。·不同点——主要是制造工艺和价格有区别,另外光纤通信专用的发光二极管亮度更高、响应速度更快。一般的半导体发光二极管与光纤通信专用的半导体发光二极管的

半导体发光二极管与半导体激光器的区别

发光二极管没有光学谐振腔,采用自发辐射,发出的是荧光(非相干光),不是激光,光谱的谱线宽,发散角大。而半导体激光器有光学谐振腔,采用受激辐射,发出的是激光(相干光),光谱的谱线窄,发散角很小。

虽然发光二极管无法发出激光,但它还是有很多优点,如：使用寿命长,理论推算可达108～1010小时;受温度影响小;输出光功率与激励电流线性关系好;驱动电路简单;价格低等。这些优点使发光二极管在中短距离、中小容量的光纤通信系统中得到广泛应用。半导体发光二极管与半导体激光器的区别1）.LED的结构

为了获得高辐射度,LED常采用双异质结芯片(但没有光学谐振腔),构成材料主要有GaAs、InGaAsP、AlGaAs等。①

面发光型LED结构图3-9所示是采用双异质结GaAs的面发光型LED结构。发光区是呈圆柱形的有源区,其直径约为50μm,厚度约为2.5μm,能够发出波长为0.8μm～0.9μm的辐射光,圆形光束反散角为120°。1）.LED的结构图3–9面发光型LED结构光纤通信的基本器件概述经典课件

②

边发光型LED结构图3-10所示是采用双异质结InGaAsP/InP的边发光型LED结构。波长范围为1.3μm左右,光束的水平反散角为120°,垂直反散角为25°～35°。该型LED的方向性好,亮度高,耦合效率高,但发光面积小。②边发光型LED结构图3–10边发光型LED结构光纤通信的基本器件概述经典课件

2）

发光原理当激励电流注入时,注入的载流子在扩散过程中进行复合,发生自发辐射,产生具有一定波长的自发辐射光,发射光经透镜构成的聚焦系统发射出去,直接射入光纤的端面,然后在光纤中传输,这就是发光二极管的基本工作原理。2）发光原理

3）LED的工作特性

①光谱特性

LED的谱线如图3-11所示,由于LED发光二极管没有谐振腔,不具有选频特性,因此谱线宽度Δλ比激光器的要宽得多。图3–11

LED的谱线3）LED的工作特性图3–11LED的谱线

②

输出光功率特性

LED输出光功率特性曲线如图3-12所示。LED不存在阈值电流,线性比LD好。驱动电流I较小时,P-I曲线的线性较好;当I过大时,由于PN结发热而产生饱和现象,使P-I曲线的斜率减小。一般情况下,LED工作电流为50mA～100mA,输出光功率为几毫瓦,由于反散角大,出纤功率(耦合到光纤中的功率)只有数百微瓦。②输出光功率特性图3–12

LED输出光功率光纤通信的基本器件概述经典课件③温度特性

LED的输出光功率也会随温度升高而减小,然而LED是无阈值器件,因此温度特性比LD要好(如短波长的GaAlAsLED,其输出光功率随温度的变化率约为0.01/1K)。一般使用时不需要温度控制电路。③温度特性

④

耦合效率由于LED反散角大,因此其耦合效率低。所以LED适用于中短距离、中小容量的光纤通信系统。④耦合效率半导体激光器(LD)与发光二极管(LED)的比较在光纤通信系统中,最常用的光源器件便是半导体激光器(LD)和发光二极管(LED),二者均是用半导体材料构成的,能发出光波,能通过调制技术携带数据信息,实现光传输。这两种光源器件的比较见表3-1。通过比较,读者会进一步掌握这两种光源的异同及其应用。半导体激光器(LD)与发光二极管(LED)的比较表3–1

LD与LED的比较表3–1LD与LED的比较1、作用光电检测器的作用：把光信号转换为电信号，光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换。2、要求①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；②具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；③具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；④具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；⑤具有较小的体积、较长的工作寿命等；⑥工作电压尽量低，使用简便。3、分类光电二极管（PIN）雪崩光电二极管（APD）

一、概述3.2光检测器1、作用2、要求3、分类一、概述3.2光二、PIN光电二极管图3-13光电二极管结构1、结构二、PIN光电二极管图3-13光电二极管结构1、结构2、工作原理画

在耗尽层形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)当入射光作用在PN结时发生受激吸收PN结界面内部电场漂移运动能带倾斜电子和空穴的扩散运动N-----P2、工作原理画内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。2、工作原理（点击动画）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。三、雪崩光电二极管1、特点雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离图3–13

APD雪崩示意图图3–13APD雪崩示意图3、光电检测过程

用雪崩光电二极管(APD)将光信号转换为电信号的过程如图所示。光信号包括信号光和背景光；电信号输出包含信号、背景、咕电流和非倍增的暗电流;对三种电流．即信号、背景和暗电流产生雪崩增益；系统的输出包含信号和噪声。图3-14光电检测框图3、光电检测过程用雪崩光电二极管(APD)将光信号转换为3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器件3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍——光功率受限，这是光通信史上的重要里程碑。光放大器是一种不需要经过光/电/光变换而直接对光信号进行放大的有源器件3.3光放大技术光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍——光功率一、光放大技术－放大器分类光纤通信的基本器件一、光放大技术－放大器分类光纤通信的基本器件光放大技术－掺铒光纤放大器

把铒离子从E1能级“泵”到E3能级，使其形成粒子数反转分布状态，为受激幅射创造条件。

是为了保证泵浦光与EDFA中合波器的反射光不向外洩漏，光隔离器的特点是只允许正方向的光进入。把泵浦光与信号光合并在一起输入到掺铒光纤中信号光和与泵浦光同时沿掺铒光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的铒离子吸收而跃迁到更高的能级，并可以通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿掺铒光纤长度不断放大，泵浦光沿掺铒光纤长度不断衰减EDFA主要是由掺铒光纤、泵浦源、耦合器和光隔离器组成光放大技术－掺铒光纤放大器

把铒离子从E1能级“泵”到E3能DWDM系统中使用的EDFA必须具有:

足够的带宽平坦的增益低噪声系数高输出功率光放大技术－重要性能指标

特别是增益平坦度，这是DWDM系统对EDFA的特殊要求！DWDM系统中使用的EDFA必须具有:光放大技术－重要性能指

在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行放大，最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去，如图3-14所示。图3-14传统的中继器原理框图一、光电光放大器3.3光放大器在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器（或称图10全光放大器原理框图二、全光放大器1、半导体激光放大器常用的有法布里—泊罗半导体激光放大器（FPA）和行波放大器。此类放大器的工作原理与激光器相同，都利用能级间跃迁产生的受激辐射工作。二者区别在于没有谐振腔。2、非线性光学放大器利用光纤中的非线性现象进行光信号放大，即利用受激拉曼散射和受激布里渊散射。放大的过程，就是能量从泵浦源向信号光转移的过程。3、掺稀土金属光纤放大器光纤中掺入适量稀土金属杂质，利用稀土金属原子特有的能级结构实现光信号放大。常用的掺铒光纤放大器（EDFA）是掺稀土金属的光纤放大器。3.3光放大器图10全光放大器原理框图二、全光放大器1、半导体激光放大器掺铒光纤放大器的组成及工作原理

掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成，如图3-27所示。掺铒光纤放大器的基本组成掺铒光纤放大器的组成及工作原理掺铒光纤放大器的基本组

(1)掺铒光纤。掺铒光纤是一段长度约为10m~100m的石英光纤，纤芯中注入稀土元素铒离子，浓度为25mg/kg。

(2)泵浦光源。泵浦光源为半导体激光器，输出功率约为10mW~100mW，工作波长为0.98μm。

(3)光耦合器。光耦合器将信号光和泵浦光合在一起通过掺铒光纤实现光放大。(1)掺铒光纤。掺铒光纤是一段长度约为10m~10

(4)光滤波器。光滤波器滤出光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的的信噪比。

(5)光隔离器。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保光放大器工作稳定，保证光信号只能正向传输。对它的要求是插入损耗低、与偏振无关、隔离度优于40dB。(4)光滤波器。光滤波器滤出光放大器的噪声，降低噪掺铒光纤放大器的工作原理是受激辐射使光信号放大。在光纤中掺入微量的铒元素，当只有泵浦光而没有信号光加入掺铒光纤时，高能级的电子经过各种碰撞后，发射小波长为1.53μm~1.56μm的荧光，这些荧光在没有信号射入时处于非相干状态。当泵浦光与信号光一起射入掺铒光纤时，掺铒光纤放大器的工作原理是受激辐射使光信号放大。在光纤信号光就可以接收泵浦光的能量，沿着光纤逐步加强，输出一个频率相同、传输模式相同的较强的光，使光信号获得放大。在铒粒子受激辐射过程中，有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态，产生带宽极宽而且杂乱无章的光子，并在传播中不断扩大，从而形成了自发辐射燥声，并消耗了部分泵浦功率。因此，需设光滤波器，以降低燥声对系统的影响。信号光就可以接收泵浦光的能量，沿着光纤逐步加强，输出一3.3.3光纤放大器的结构

EDFA的内部按泵浦方式分，有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种基本结构。如图3-28所示。3.3.3光纤放大器的结构图3–28光放大器泵浦方式光纤通信的基本器件概述经典课件

(1)同向泵浦。在同向泵浦结构中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。

(2)反向泵浦。在反向泵浦结构中,泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。

(3)双向泵浦。为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励，必须提高泵浦功率。在双向泵浦结构中，既有和信号光传输方向相同的泵浦光，也有和信号光传输方向相反的泵浦光。(1)同向泵浦。3.3.4光纤放大器的应用光放大器可以应用于干线通信。主要应用形式有三种：中继放大、功率放大、前置放大和LAN放大。中继放大是指将EDFA直接插入到光纤传输链路中对信号进行中继放大的应用形式，如图3-29(a)所示。广泛用于长途通信、越洋通信等领域。功率放大是指将EDFA放在发射光源之后对信号进行放大的应用形式，EDFA增加了注入光纤的光功率，从而可以延长中继距离。如图3-29(b)所示。

3.3.4光纤放大器的应用由于EDFA的低噪声特性，使它很适于作为接收机的前置放大器,大大提高接收机的接收灵敏度。如图3-29(c)所示。

LAN放大是指将EDFA放在光纤局域网中用作分配补偿放大器，以便增加光节点的数目。EDFA可在宽带本地网特别是在电视分配网中得到应用。如图3-29(d)所示。由于EDFA的低噪声特性，使它很适于作为接收机的前置放图3–29

EDFA的应用光纤通信的基本器件概述经典课件

在光纤通信系统中，除了有源器件、光纤光缆之外，还有无源器件。无源器件有

光纤活动连接器

光衰减器

光无源耦合器

光波分复用器

光隔离器

光开关等

光无源器件在光纤通信系统中，除了有源器件、光纤光缆之外，还有无源一、光纤活动连接器

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”。3.4光无源器件1.1功能光纤连接器主要用于实现系统中光纤（缆）与光纤（缆）、光纤（缆）与有源器件、光纤（缆）与无源器件、光纤（缆）与系统和仪表的非永久性固定连接等。1.2结构光纤活动连接器有以下几种结构：套管结构，双锥结构、V型槽结构、球面定心结构和透镜耦合结构一、光纤活动连接器光纤连接器，俗称活接头，ITU光纤通信的基本器件概述经典课件工作原理是：对光纤纤芯外圆柱面的同轴度、插针的外圆柱面和端面、套管的内孔进行精密加工，使两根光纤在套管中对接，从而确保两个光纤很好地在套管内对准，以实现两根光纤在套管内的活动连接。如图1所示。图15光连接器套管结构示意图1.3工作原理及结构示意图3.4光无源器件工作原理是：对光纤纤芯外圆柱面的同轴度、插针的外圆柱面和端面1.4

常见端面接触形式①FC型。其接头的对接方式为平面对接。优点是加工简单、成本低。缺点是存在菲聂尔反射。②PC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。减少了菲聂尔反射，反射损耗系数可达48dB。③APC型。光纤端面是球面，端面法线与轴线成一定角度，使光难以返回光源，反射损耗系数达55dB。图16光纤连接器的端面连接方式3.4光无源器件1.4常见端面接触形式图16光纤连接器的端面连接方式3.3.4光无源器件二、光衰减器1、光衰减器的作用

光衰减器的作用：对光能量进行预期的衰减，使光能量