光纤通信技术-第03章

第三章光纤通信器件3.1半导体光源3.2半导体光电检测器3.3光放大器3.4无源光器件3.5光纤连接器3.1半导体光源

光源是光发射机的关键部件，其作用是将电信号转换成光信号并馈送到光纤中。3.1.1激光器的物理基础1.光子爱因斯坦的光量子学说认为，光是由能量为hf的光量子（简称光子）组成的。其中普朗克常数h=6.62610-34J.S，f是光波频率。光子的能量与光波的频率成正比。光波的能量是光子能量的总和。光不仅有波动性，而且具有粒子性。3.1半导体光源3.1.1激光器的物理基础2.原子能级原子是由原子核和围绕原子核、在各个轨道上运动的电子构成。围绕原子核运动的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。把围绕原子核运动的各轨道上的电子的能量值称为原子的能级。3.1.1激光器的物理基础3.半导体的能带半导体内部自由运动的自由电子所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带。其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。3.1半导体光源3.1.1激光器的物理基础4.光和物质的相互作用（1）自发辐射处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级跃迁到低能级，并释放出一个光子。3.1半导体光源E2E1E1E2hf=E2-E1Z3.1.1激光器的物理基础4.光与物质的相互作用（1）自发辐射由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为：

hf=E2-E1式中：h=6.626×10-34J·S为普朗克常数；f为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。3.1半导体光源3.1.1激光器的物理基础4.光与物质的相互作用（2）受激辐射在外来光子的激励下，电子可从高能级跃迁到低能级，释放出一个与外来光子同频、同相、同方向的(全同)光子。因需要外部激励，故该过程称为受激辐射。两个光子叠加使光强度增加，因而引起光的放大。3.1半导体光源E2E1E1E2hf=E2-E1ZZ3.1.1激光器的物理基础4.光与物质的相互作用（3）受激吸收在外来光子激励下，电子也可以吸收外来光子能量，从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。外来光子的能量必须等于能级差E2-E1受激吸收消耗外来光能量。3.1半导体光源E1E2E2E1hf=E2-E1Z3.1.1激光器的物理基础5.粒子数反转分布状态在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级上电子数。粒子数反转分布是指高能级上的电子数多，低能级上的电子数少的异常分布状态。在粒子数反转分布状态下，其内部的自发辐射和/或受激辐射概率大于受激吸收概率，进而产生光放大作用。造成粒子数反转分布状态是激光器工作的基本条件。实现能级之间粒子数反转分布状态的方法：外加能量，包括光激励、电激励。3.1半导体光源3.1.2激光器的工作原理1.激光器由三个基本部分构成：工作物质、激励源及谐振腔。工作物质：产生激光的工作物质，也就是可以处于粒子数反转分布状态的物质。激励源：一种让工作物质处于粒子数反转分布状态的光能量源，又称泵浦源，使工作物质呈激活态。谐振腔：完成频率选择及产生反馈，以加大激励能量。3.1半导体光源3.1.2激光器的工作原理

3.1半导体光源

平面或球面镜M1全反射（反射系数r1=1），M2部分反射（反射系数r2<1）。激光从M2透射出去。M1M2平面腔工作物质激活物质lM1M2球面腔工作物质激活物质lr1=1r1=1r2<1r2<13.1半导体光源3.1.2激光器的工作原理2.衡量激光器性能的参数包括：平均衰减系数、增益系数、阈值、谐振频率。平均衰减系数：其中αi是谐振腔反射镜的透射损耗引起的衰减系数。3.1.2激光器的工作原理2.衡量激光器性能参数包括：平均衰减系数、增益系数、阈值、谐振频率。增益系数：光通过单位长度的工作物质后，光强增长的百分比，用G表示。3.1半导体光源3.1半导体光源3.1.2激光器的工作原理2.衡量激光器性能的参数包括：平均衰减系数、增益系数、阈值、谐振频率。阈值条件：能正好抵消激光器衰减所需要的增益系数称为阈值，是谐振腔产生谐振的基本条件，用Gt表示，也称为阈值增益系数。Gt=当增益系数满足上述条件时，激光器起振，输出激光。3.1半导体光源3.1.2激光器的工作原理2.衡量激光器性能的参数包括：平均衰减系数、增益系数、阈值、谐振频率。谐振频率：谐振腔一旦确定，便存在固有的谐振频率f0g，当外部激励源的光频率等于该频率时，将产生谐振。式中n为工作物质的折射率；q=1,2,3,…；l为谐振腔长度，c为光速。若某一个q值对应频率的功率很大、其它功率很小，则称为单纵模激光，否则为多纵模激光3.1.3半导体激光器（激光二极管）1.半导体激光器简介以半导体材料作为工作物质的激光器称为半导体激光器。在电流的作用下，可以认为是在半导体“结”（两种晶体材料的交界）处或两个结之间的过渡带（厚度100nm~400nm）发生谐振，从而发出激光。普通半导体激光器通常由3~5层晶体材料构成。3.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(1)阈值特性当外加电流低于阈值电流It时，激光器发出荧光，不谐振。当外加电流超过阈值电流It时，激光器谐振并发出激光，输出功率随工作电流的增大而急剧增大。阈值电流It越小，激光器工作越稳定。3.1半导体光源输出功率(mW)工作电流(mA)123050100It3.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(2)光谱特性当外加电流低于阈值电流It时，激光器发出的光谱很宽；当外加电流超过阈值电流It时，激光器发出的激光谱线变窄，谱线中心强度急剧增加。3.1半导体光源64208I>It波长相对光强3210I<It波长3.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(2)光谱特性产生的激光有多纵模和单纵模（由q=1,2,3,…）。用半功率点的谱线宽度

作为衡量激光器光谱特性的参数。3.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(3)温度特性激光器阈值电流和输出光功率随温度变化的特性。随着温度的增高，阈值电流随之增大、输出功率随电流的增大而增加的幅度变小。80℃70℃60℃50℃40℃30℃22℃I(mA)P(mW)5010012340ΔI60℃时40℃时3.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(3)温度特性可见，温度对LD的阈值电流、输出光功率影响较大。为了降低温度对LD的影响，可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型LD外加自动温度控制电路，使温度特性满足系统要求3.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(4)转换效率输出光功率和消耗电功率的比值称为激光器的转换效率，用

p表示：式中R是与激光器的内部量子效率、激光波长和模式损耗相关的常数；V是工作电压；I是工作电流。若其它条件不变，则阈值电流越小，转换效率越高。3.1半导体光源3.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）3.半导体激光器的分类按照结构、工艺的不同，半导体激光器可以分为F-P（法布里-珀罗）激光器、分布反馈型激光器（DFB）、布拉格反射激光器（DFR）、单量子阱半导体激光器、多量子阱半导体激光器。F-P激光器最简单、成本最低，基本上属于多纵模激光器，适用于速率小于622

Mbps的系统；其它均为单纵模激光器。量子阱半导体激光器阈值低、谱线窄、增益高、频率啁啾（谐振波长随时间偏移）小，是目前最好的半导体激光器。

3.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）4.半导体激光器的例子I(mA)P(mW)分布反馈型激光器（DFB）3.1半导体光源3.1.4发光二极管 半导体发光二极管(Light-emittingDiode，LED)发出的光波波长可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85

m、1.31

m及1.55

m。3.1.4发光二极管（LED）1.LED的类型按照器件输出光的方式，可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管边发光二极管超辐射发光二极管（性能介于LD和LED之间的一种半导体光源）3.1半导体光源3.1半导体光源3.1.4发光二极管（LED）1.LED的类型3.1.4发光二极管（LED）2.LED的工作原理

LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外加合适的正向电压时，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减，从而产生自发辐射的光输出。3.1半导体光源3.1半导体光源3.1.4发光二极管3.LED的主要特性曲线λp1波长（μm）相对功率λ1λ21.201.350.5100边发光二极管P(mW)I(mA)面发光二极管超辐射发光二极管200123光谱特性P-I特性3.1半导体光源3.1.4发光二极管4.LED的特点发出的是荧光，波长范围宽没有光学谐振腔，是无阈值器件，线性好光谱较宽，与光纤的耦合效率低温度特性好、寿命长价格低廉，在短距离光通信、模拟通信中广泛使用3.1半导体光源3.1.4发光二极管5.LED产品示例I(mA)P(mW)发光二极管3.1.5光源的主要技术指标1.几种国产半导体光源的主要技术指标3.1半导体光源器件参数1.31

mLED1.55

mLED1.31

mLD组件1.55

mLD组件光纤类型模式多单多单多单多单发射波长

m1.31.31.521.521.31.31.551.55输出功率mW)5063532000100020001000工作电流(mA)150150150150阈值电流(mA)30305050光谱半宽(nm)7070808031313.1.5光源的主要技术指标2.半导体光源的阈值特性比较

3.1半导体光源100边发光二极管P(mW)I(mA)LD面发光二极管超辐射发光二极管2001233.2半导体光电检测器3.2.1半导体光电检测器的基本原理半导体光电检测器的基本原理是：对p-n结外加电场，当光照射到半导体的p-n结上时，将在外接负载上产生光电流，该电流的大小与照射光的强度有关，于是实现将光信号的变化转换成电流的变化，从而完成光电转换。半导体光电检测器主要有两种：PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管。3.2半导体光电检测器3.2.2PIN光电二极管PIN光电二极管是一种简单的p-n结光电二极管。增透膜P+I(N)N+电极光信号v轻掺杂本征耗尽层，对电子和空穴进行加速3.2半导体光电检测器3.2.2PIN光电二极管PIN光电二极管内的电场分布。耗尽层+-光3.2半导体光电检测器3.2.2APD雪崩光电二极管APD雪崩光电二极管在结构上较复杂，耗尽层比较长。vI(p)抗反射膜P++N电极光信号P3.2半导体光电检测器3.2.2APD雪崩光电二极管APD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，以获得光生电流的雪崩倍增。光光雪崩倍增区慢加速区3.2.3光电检测器的特性1.响应度R0和量子效率

响应度R0定义为：

R0=IP/P0式中：IP是光电检测器的平均输出电流，单位：A

P0是光电检测器的平均输入光功率，单位：W响应度代表光电检测器的光电转换能力，越大越好。3.2半导体光电检测器3.2.3光电检测器的特性1.响应度R0和量子效率

量子效率

定义为：

=(光生电子-空穴对数)/(入射光子数)=(IP/e)/[P0/(hf)]=R0(hf/e)式中：hf是光子能量

e是电子电荷量（1.6×10-19）量子效率也描述光电检测器的光电转换能力。3.2半导体光电检测器3.2.3光电检测器的特性2.响应时间响应时间表示输出电流跟随光信号变化的快慢。响应时间越短越好。3.暗电流无光照射时光电检测器的输出电流称为暗电流。暗电流越小越好。3.2半导体光电检测器3.2.3光电检测器的特性4.雪崩倍增因子M描述雪崩效应的强烈程度：

M=IM/IP式中：IM是雪崩倍增时光电流的平均值

IP是无雪崩时光电流的平均值APD雪崩光电二极管的M=40~100；PIN光电二极管M=1。3.2半导体光电检测器3.2.3光电检测器的特性5.倍增噪声和过剩噪声系数雪崩效应的随机性导致电流起伏，所引起的噪声称为倍增噪声。雪崩倍增噪声用过剩噪声系数F(G)来描述：

F(G)=<g2>/G2式中：g是每个初始电子-空穴对因雪崩效应产生二次电子-空穴对的随机数；

<g2>是g的平方的平均值；G=<g>是g的平均值3.2半导体光电检测器3.2.3光电检测器的特性5.倍增噪声和过剩噪声系数在工程上，将F(G)近似表示为：

F(G)=Gx式中：x称为过剩噪声指数，x小的管子倍增噪声小。

Si-APD(工作在短波长）：x=0.3-0.5

Ge-APD（工作在长波长）：x=0.6~1.0InGaAs-APD（工作在长波长）：x=0.5~0.63.2半导体光电检测器InGaAsAPD：铟镓砷GeAPD：锗SiAPD：硅3.2半导体光电检测器3.2.3光电检测器的特性5.国产光电检测器的典型性能光电管类型暗电流量子效率

过剩噪声指数x上升时间Si-APD0~9nA(0.9VB时)约60%0.3~0.4(G=100时)约300psGe-APD50~500nA(0.9VB时)约70%0.9~1(G=10时)约500psInGaAs-APD50nA(0.9VB时)约4.5%0.5~0.6(G=10时)<1000psGe-PIN300nA(-10V偏压)约80%——约500psInGaAs-PIN0~9nA(-5V偏压)约70%——约100ps3.2半导体光电检测器3.2.4光电检测器产品3.3.1光放大器的分类光放大器按原理不同大体上有三种类型：掺杂光纤放大器：利用稀土金属离子（例如铒）作为激光工作物质的一种放大器。传输光纤放大器：其中有受激喇曼散射(StimulatedRamanScattering，SRS)光纤放大器、受激布里渊散射(StimulatedBrilliouinScattering，SBS)光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器等。半导体激光放大器：其结构大体上与激光二极管(LaserDiode，LD)相同。3.3光放大器3.3光放大器3.3.2光纤放大器的重要指标1.功率增益放大器的功率增益定义为：式中：Pout、Pin分别为放大器输出端与输入端的光信号功率。3.3光放大器3.3.2光纤放大器的重要指标2.饱和输出功率信号放大过程消耗了高能级上的粒子，因而使增益系数减小。当放大器增益减小为峰值的一半时，所对应的输出功率就叫饱和输出功率，代表最大输出能力。饱和功率用Pouts表示。3.3光放大器3.3.2光纤放大器的重要指标3.噪声系数放大器中产生自发辐射噪声，将使输出信号信噪比下降噪声系数定义为输入信噪比与输出信噪比之比：(SNR)in和(SNR)out分别代表输入与输出的信噪比。后者是在接收机端将光信号转换成光电流后的功率来计算的。噪声系数小，意味着放大后信号质量变差的程度小。3.3光放大器3.3.3掺铒（Er）光纤放大器（EDFA）1.EDFA的基本结构光耦合器光隔离器泵浦光源光隔离器光滤波器输入光信号输出光信号掺铒光纤将输入光信号和泵浦源输出的光信号混合起来的无源光器件。滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响。掺铒石英光纤，长度10~100m。半导体激光器，功率10~100mW，波长约980nm。保证光信号只正向传输，防止反射光影响光放大器工作稳定性。3.3光放大器3.3.3掺铒（Er）光纤放大器（EDFA）2.EDFA的基本工作原理基本原理：在泵浦源的作用下，掺铒光纤中出现粒子数反转分布，产生受激辐射，从而使光信号得到放大。泵浦光源波长可以选择650nm、800nm、980nm、1480nm。最好的是980nm。3.3光放大器3.3.3掺铒（Er）光纤放大器（EDFA）3.EDFA的泵浦方式同向泵浦方式光耦合器光隔离器泵浦光源光隔离器光滤波器输入光信号输出光信号掺铒光纤3.3光放大器3.3.3掺铒（Er）光纤放大器（EDFA）3.EDFA的泵浦方式反向泵浦方式光隔离器光隔离器光滤波器光耦合器泵浦光源输入光信号输出光信号掺铒光纤3.3光放大器3.3.3掺铒（Er）光纤放大器（EDFA）3.EDFA的泵浦方式双向泵浦方式光隔离器光隔离器光滤波器光耦合器泵浦光源输入光信号输出光信号掺铒光纤光耦合器泵浦光源3.3光放大器3.3.3掺铒（Er）光纤放大器（EDFA）3.EDFA的泵浦方式三种泵浦方式的比较信号输出功率：单泵浦式输出功率为14dBm，双泵浦式可以达到17dBm。饱和输出特性（最大输出能力）：同向泵浦式EDFA的饱和输出光功率最小。3.3光放大器3.3.3掺铒（Er）光纤放大器（EDFA）3.EDFA的泵浦方式三种泵浦方式的比较噪声特性：双泵浦噪声特性最好，反向泵浦噪声特性最差。

x

过剩噪声指数Pout3.3.4

EDFA放大器的主要特性1.功率增益与泵浦功率间的关系3.3光放大器20406080100泵浦光功率403020100-10-20功率增益(dB)随着泵浦光功率的增加，功率增益将逐渐增大，但将逐渐趋于饱和。3.3.4

EDFA放大器的主要特性2.功率增益与光纤长度间的关系3.3光放大器最大增益光纤长度当掺杂浓度一定时，与泵浦功率、泵浦波长有关3.3.4

EDFA放大器的主要特性3.饱和输出功率与输入功率的关系3.3光放大器-20-100输入功率dBm20100输出功率(dBm)输出功率与输入功率间不是线性的，而是随输入功率的增大而呈饱和趋势。3.3.4

EDFA放大器的主要特性4.最大输出功率3.3光放大器3dB饱和输出功率输出功率dBm增益dB3dB用3dB饱和输出功率代表EDFA的最大输出功率。3.3.4

EDFA放大器的主要特性5.

EDFA的带宽从掺铒光纤的G-

曲线中可以看出，增益系数随着波长的不同而不同。在1550nm低损耗区光纤具有200nm带宽，而目前使用的EDFA放大器增益带宽仅为35nm左右。3.3光放大器G3.3.4

EDFA放大器的主要特性6.噪声系数典型的噪声系数

可见：980nm泵浦的放大器噪声系数更优。3.3光放大器泵浦源波长掺铒光纤长度实测噪声系数980nm30m3.2dB1480nm60m4.1dB3.3.5

EDFA放大器的主要应用前置放大器：由于EDFA的低噪声特性，使它很适于作接收机的前置放大器。功率放大器：在光发射机之后用来提升输出功率。线路放大器：在光纤通信系统的一个重要应用——中继。本地网放大器：EDFA可在宽带本地网，特别在电视分配网中得到广泛应用。3.3光放大器EDFA放大器的产品外观3.3光放大器SOA-L-OEC-1550-1.55µm线性半导体光放大器10.93.4.1光定向耦合器用途：从主光通道中取出部分光信号，以供监测、控制、解复用；把不同方向的光信号合起来送入一根光纤中，以进行多路复用。3.4无源光器件3.4.1光定向耦合器结构3.4无源光器件3.4.2光隔离器与光环行器用途光隔离器保证光只在一个方向传输光环行器也是保证光只在一个方向传输光环行器为多端口器件；光隔离器为双端口器件3.4无源光器件3.4.2光隔离器与光环行器光隔离器结构两端口隔离器件正向光全部通过反向光全部隔离3.4无源光器件3.4.2光隔离器与光环行器光环行器结构三端口隔离器件1入2出2入3出3入1出3.4无源光器件3.4.3光滤波器用途只允许一定波长的光信号通过的器件称为光滤波器。换句话说，光滤波器的作用是滤除不需要的波长的光信号。频率选择器件，通过谐振选择所需频率的光。3.4无源光器件3.4.3光滤波器常见光滤波器Fabry-Perot滤波器（F-P）。Mach-Zehnder干涉滤波器电光可调滤波器(EOTF)声光类可调谐滤波器(AOTF）光纤—布里渊放射可调节滤波器3.4无源光器件3.4.3光滤波器F-P腔光滤波器的结构3.4无源光器件透射光和反射光多束干涉而产生谐振，从而产生频率选择3.4.4光开关光开关分为机械式、电子式两类：机械式开关损耗小、隔离度高，但切换时间长（15ms左右）、体积较大电子式开关切换速度快、易于集成，但损耗较大。3.4无源光器件机械式开关电子式开关,通过电压控制光通断铌酸锂3.4.5波长转换器波长转换器分为光电型、全光型两类：光电型：光→电+激光器→调制器→光全光型：光+光（耦合器）→光放大器→光滤波器→光。3.4无源光器件半导体光放大器3.4.6波分复用器块型波分复用器3.4无源光器件3.4.6波分复用器光纤型波分复用器3.4无源光器件3.4.6波分复用器波导型波分复用器3.4无源光器件3.4.6波分复用器波分复用器使用复用器可用作复用、也可用于解复用用作复用时，从多个端口输入、从一个端口输出用作解复用时，从一个端口输入、从多个端口输出3.4无源光器件复用器…

1、

2、..、

n

1

2

n复用器…

1、

2、..、

n

1

2

n3.4.6波分复用器波分复用系统3.4无源光器件光发射机1光发射机2…光发射机n光接收机1光接收机2…光接收机nWDMWDM

单纤、单向WDM传输系统3.4.6波分复用器波分复用系统3.4无源光器件单纤、双向WDM传输系统光发射机1光接收机1光接收机2光发射机2WDMWDM

3.4.7光纤光栅用途窄带滤波器传感器3.4无源光器件3.5光纤连接器3.5.1光纤连接器的结构与种类光纤(缆)活动连接器是无源光器件，用途是：光纤(缆)之间的活动连接光纤(缆)与其他无源器件的活动连接光纤(缆)与网络、计算机等设备和仪器仪表的活动连接3.5.1光纤连接器的结构与种类1.光纤连接器的结构

光纤连接器采用某种机械和光学结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90%以上的光能够通过。3.5光纤连接器3.5.1光纤连接器的结构与种类1.光纤连接器的结构套管结构：这种连接器由插针和套筒组成。双锥结构：双锥结构连接器是利用锥面定位。V形槽结构：V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准。3.5光纤连接器

V形槽结构3.5光纤连接器3.5.1光纤连接器的结构与种类1.光纤连接器的结构球面定心结构：球面定心结构由两部分组成，一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装有圆锥面(相当于车灯的反光镜)的插针。透镜耦合结构：透镜耦合又称远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种。3.5