光纤通信系统与网络（第5版）课件 第3章光纤通信基本器件

第3章光纤通信基本器件内容提要：3.1光有源器件3.2光检测器件3.3光纤放大器（EDFA）3.4光纤连接器3.5光分路耦合器和波分复用器3.6光隔离器和光环行器3.7光衰减器和光开关3.8偏振控制器一个完整光纤通信系统需要：有源器件多种无源器件激光器、发光二极管:能量转换器件即电导致光的器件光检测器：能量转换器件即光导致电的器件光放大器：直流光能转换成交流光能。光无源器件：光纤连接器光无源器件：光定向耦合器、光衰减器、光隔离器、光调制器等概述光有源器件是光发射机的核心，它的作用是将电信号转换成光信号。光纤通信中常用的光有源器件有半导体激光器LD和半导体发光二极管LED两种。3.1.1半导体激光器结构及原理半导体激光器（简称激光器）是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用光学谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。3.1光有源器件

1．半导体激光器的工作原理Femi统计规律在热平衡状态时，粒子在各能级之间的分布应服从费米统计规律。

f（E）＝1/[1＋exp（E-Ef）/K0T](3.1)f（E)—能量为E被电子占据的机率（概率）Ef

—费米能级。它与物质的特性有关，它只是反映电子在各个能级中分布情况的一个参量（它是抽象的不存在的一个能级）。K0=1.38x10-23J/K玻耳滋曼常数1)光的辐射和吸收

爱因斯坦于1917年,根据辐射与原子相互作用量子学论提出:光与物质相互作用将发生自发辐射、受激辐射、受激吸收三种物理过程。

图3-1能级和电子的跃迁(1）自发辐射，如图3-1（a）所示。

设E2>E1

处于高能级E2的电子是不稳定的，它将按一定的概率，自发地（无外界辐射）向低能E1上跃迁，并在跃迁的过程中发射出一个频率为f，能量为ε的光子。特点：自发辐射是独立自发跃迁,产生光为非相干光,且光子之间互不相干.

释放光子的能量ε=E2-E1=hf

发射光子的频率f=(E2-E1)

/h;定量分析：(2）受激吸收，如图3-1（b）所示。

处于低能级的电子，当受到外来的频率为f＝（E2－E1）/h的光子照射时，原子中电子可以吸收光子的能量从低能级向高能级跃迁这个过程叫受激吸收。

条件：必须在外来光子的激励下，且外来光子能量hf外≥E2-E1(3）受激辐射，如图3-1（c）所示。

处于高能级E2的电子受到外来光子的感应，发射一个与感应光子完全相同的光子，即频率、相位、偏振方向和传播方向相同。

受激辐射条件：外来光子能量hf外≥E2-E1特点：外来光子与感应光子为全同光子。粒子数反转分布?即光放大状态（4）粒子数反转分布

在通常情况下，即热平衡条件下，粒子的正常能级分布总是低能级上的粒子数大于高能级粒子数。总效果是光受激吸收比受激辐射占优势，因此媒质为吸收媒质。若要获得光的放大，必须设法使受激辐射占优势，使粒子的能态分布反常，即处于高能级上的粒子数多于低能级粒子数，通常把这种分布叫做粒子数反转分布，也叫光放大状态。（5）光放大

当物质在外部能源作用下，达到粒子数反转分布时（光放大状态），高能级上的大量粒子数在受到外来入射光子的激发下，同步发生与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向一致的全同光子，这样就实现了用一个弱的入射来激发粒子数反转分布物质，使其输出一个强光的光放大作用。2)激光产生的条件*激光器——指激光自激振荡器。*激光器是以受激辐射为基础的物质内部原子内能的变化引起的。*电振荡器构成：*激光振荡器基本构成：*.激光器振荡必要条件(1)激活物质(粒子数反转分布=激活物质)[激光工作物质+泵浦源](2)频率选择及正反馈光学谐振腔(3)阈值条件和相位条件激光产生的过程激活物质和光学谐振器只是激光产生的必要条件，要产生激光振荡，还必须满足一定的阈值条件和相位条件。

激光产生的过程？简述泵浦源

Z腔轴

P入P反光子流输出

M1

r1=P反/P入

M2，r2M1的功率反射率100%，M2的功率反射率为90％左右，以便从M2获得激光输出。把激活物质放在两个反射镜之间。图3-2激光器结构原理图阈值条件（门限）

激光产生的阈值条件是激光产生振荡的最低条件。增益＝光学谐振腔的总损耗要产生振荡，必须满足：

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）相位条件激光振荡，不仅是阈值条件，还要满足相位条件。相互加强叠加意义：入射波与经腔往返一周到原位置的反射波产生相互叠加（加强干涉），他们的相位差为零或2π的整数倍。△φ＝2πq＝K×2L＝(2π/λq)×2L(3.4)L＝q×λq/2(3.5)其中：q=1，2，3，…；λq=2L/q为与q值对应的波导波长；

L为腔的几何长度。上式为激光器的相位平衡条件，通常又称为光腔的驻波条件，当满足该条件时，腔内形成驻波。

激光器纵模与纵模间隔(1).纵模——光场沿轴Z向变化模式(2).纵模间隔：相邻的两个纵模的谐振频率间隔：△f0q=c/2nL;波长表示纵模间隔，则近似为：△λ0q=λ20/2nLff0q-1f0q+1Δf0qf0q例如q=8，腔长L=（

q/2）×8，有8个半个波长，其谐振频率f08=（c×8）/2nL。

例如q＝10，腔长L＝（λq/2）×10，有10个半个波长，其谐振频率f010＝（C/2nL）×10。

图3-3激光振荡的驻波图案3)半导体的能带及PN结能带结构半导体的能带结构(1)孤子原子的能级：在原子中存在着一个个分立能级，电子只能存在于这些分立的能级之上。(2)两个原子的能级：每个能级已经分裂成为两个彼此靠的很近的能级。(3)大量原子能带：电子不在属于个别原子，它一方面围绕每个原子运动，同时电子做共有化运动，相同能量的能级已变成许多靠得很近，分裂能级——形成带状，称为能带。(4)晶体能带：半导体是由大量原子有次序的周期性排列的晶体。

晶体的能带图EcEfEv导带Ec：空着没有电子，是自由电子占据的能带禁带Eg：无电子占据的能带Eg价带Ev

：形成化学价的电子占据的能带满带Ec：填满电子的能带注：Eg=Ec-Ev图3-4晶体的能带图．PN结的能带和电子分布

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Te++Zn--1.424ev0.03ev0.024ev图3-5半导体的能带和电子分布图3-6PN结的能带和电子分布2.半导体激光器基本结构+-d图3-7DH激光二极管芯示意图双异质结（DH）条形激光器的基本结构

(a)短波长；（b）长波长图3-8DH-LD结构由于半导体内光子与电子之间的相互作用，所导致的电子的跃迁除需要满足能量守恒条件之外，还必须满足动量守恒条件。（光子与电子之间的相互满足动量守恒条件，电子—孔穴跃迁复合就能光发射）自由电子运动的动量状态P，由电子的量子力学波矢量k决定，即：p＝hk其中，h为普朗克常数。因此，电子的跃迁前后应具有相同的动量，即有相同的波矢量k。

直接//间接带隙如图所示(a)直接带隙材料（b）间接带隙材料价带P=hk图3-9材料能带、波矢量关系示意图

什么半导体材料在电子能级跃迁时，电子-孔穴的复合就能产生光发射呢？在光的受激辐射过程中必须保持能量与动量的守恒。禁带形状是与动量有关的，依照禁带形状，可将半导体分为直接带隙材料和间接带隙材料，如图3-9所示。

在直接带隙材料中，导带中的最低能量与价带的最高能量具有相同的动量（相同波矢量k），电子垂直跃迁，发光效率高.*在间接带隙材料中，不具有动量守恒条件，因此不适合于制作光源。如硅Si、锗Ge属于间接带隙材料不能做激光器材料，主要做集成电路和光检测器。如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）砷磷化铟镓（InGaAsP）等属于直接带隙材料，主要用于集成电路、发光二极管、激光器、光光检测器的制作。3.1.2分布反馈式和可调谐式半导体激光器分布反馈（DFB-LD）型半导体激光器是一种动态单纵模激光器，其结构与普通F-P激光器不同，它的没有集总反射的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上纵向等间隔（布拉格，Bragg）光栅提供工作。另外还有一种有别于DFB-LD的激光器为分布布拉格反射式半导体激光器（DBR-LD）。分布反馈（DFB）型半导体激光器

（Distributedfeelback）分布布喇格反射型（DBR）半导体激光器1.分布反馈型导体激光器

DFB激光器的基本工作原理，可以用布喇格反射来说明。

波纹光栅是由周期性空间结构的衍射而形成。它为受激辐射产生的光子提供周期性的反射点。在一定的条件下，所有反射光同向相加，形成某方向波长的主极点。波纹结构，可以取不同的形状，如方波，三角波。光栅？激光振荡的条件？图3-10DFB激光器的结构及其中的光反射与F-P腔激光器相比，DFB激光器具有下列优点：（1）单纵模特性好。DFB激光器的发射波长主要由光栅周期∧决定。在每一个周期∧内形成一个微谐振腔。由于∧的长度很小，故模式间隔比F-P腔激光器大得多，较容易实现单纵模工作，边模抑制比可达35dB以上。（2）光谱线宽窄。在DFB激光器中，布拉格反射相当于多级调谐，使谐振波长的选择性大为提高。DFB激光器线宽一般在0.05nm～0.08nm的范围（普通FP腔激光器的单模线宽可达0.1nm～0.2nm）。（3）温度特性好。DFB激光器的波长稳定性随温度漂移约为0.08nm/℃（普通FP腔激光器的一般温度漂移值为0.3nm/℃～0.4nm/℃）。（4）调制特性好。DFB激光器在高速调制下也能保持单纵模振荡，在GHz量级直接调制下，边模抑制比可以大于30dB，这使得DFB激光器成为长波长高速光纤通信系统和光纤有线电视（CATV）传输系统中的理想光源

分布反馈式激光器的结构与普通F-P激光器不同,它不是靠解理面形成的谐振腔工作,而是依赖沿纵向等间隔分布反馈光栅工作.DFB-LD有上千个反射点，按纵向分布于全长上，反射点的分布由周期性光栅为反射面形成。周期∧=m×(λm/2)=mλ0/2n

λm=λo/n其中：∧为光栅周期；λm为有源介质中光波长；λ0为真空波长；n是有源层折射率；m为整数，是光栅引起的布拉格衍射级次。

2.波长可调谐半导体激光器c3耦合腔结构波长可调激光器

（Cleaved－CoupledCavitylaser）腔长=L1+a+L2=（1/2）qλoq波长可谐是一是通过改变外腔特性，如gt＝α总；二是通过选主模改变外腔的光学长度来移动外腔F-P模从而实现调制。aL2L1.光栅外腔半导体激光器ECL通过调节光栅的倾角，可以实现单纵模调谐，调谐范围可以达50nm以上。在相干光通信及WDM光通信系统中，需要采用可调谐光源作为本振光源。图3-13光栅外腔结构波长可调激光器的结构．激光器组件LM（LM=LD+PIN+TEC+RT+SMF)图3-14LD组件

图3-15LD组件外形3.1.3半导体激光器的主要特性

1.阈值特性(P-I曲线)当I<IthPN结电流很小.ΔN<ΔNth即α>gt,只有少量自发辐射光称为荧光.当I>IthPN结电流很大.ΔN>ΔNth即α=gt,产生激光震荡

对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用Ith表示。当I＜Ith

时，激光器发出的是荧光；当I＞Ith

时，激光器才发出激光。这个曲线即是半导体激光器的输出特性曲线。

图3-16激光器P-I性线曲特激光器的阈值电流和光输出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，其变化情况如图所示。2.温度特性LD的Ith与温度的关系:T绝对温度；I0为常数；T0为LD的特征温度，它在一定的温度范围内是常数，T0越大器件温度特性越好.如：GaAs/GaAlAs的LD，T0=1000K~1500KInGaAsP/InP的LD，T0=400K~500K若LD的T1绝对温度时所对应的阈值电流为Ith1；

LD的T2绝对温度时所对应的阈值电为Ith2，则：Ith2=Ith1exp[(T2-T1)/T0]短波长LD的温度特性图长波长LD的温度特性图3.转换效率功率效率:电效率与光效率之间转换效率量子效率:电子与光子之间转换效率半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件。其电光之间转换效率用外量子效率

D表示：式中，Pth和Ith分别是对应的阈值；Pex和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流；hf和e0分别为光子能量和电子电荷。由此得到：

D的几何意义是P-I曲线线性部分的斜率,它不随注入电流变化。若Pex>>Pth，则有：4．发光波长和光谱特性半导体激光器的发光波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于材料的禁带宽度Eg，单位为电子伏特eV，半导体激光器的发光波长

，单位为

m，可通过下式求得：hf=Eg式中，f=c/

，f和

分别为发射光的频率和波长，代入上式得：

=ch/Eg=1.24/Eg

（3.9）半导体激光器的光谱

图3-18半导体激光器的光谱光谱特性是衡量器件发光单色性的一个物理量。光谱非单色性的原因？（1）光谱宽度ΔλΔλ定义是发射最大光功率等于50%的所有波长，称为光谱宽度Δλ（2）光谱线宽ΔλLΔλL是在一个纵模中光谱辐射功率为其一半的谱线两点间的波长间隔。（3）边模抑制比MSRMSR定义为：主模功率Pm与最强边模功率Ps之比，它是LD频谱纯度的一种量度，如图3-19所示，写成公式为：（4）最大

20dB宽度主纵模下降20dB处的光谱线宽

L=2

1，如图3-18所示。电光延迟时间td

电光延迟时间发生在阈值之前，从加电流到产生激光所需要的时间叫td。5．电光延迟td和张弛振荡现象图3-20光脉冲瞬态响应波形图

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是脉冲电流，Ith是阈值电流，τsp自发辐射寿命。这样亦有：

td=τSPLn[IP/（IP+Ib-Ith）]当Ib→Ith时，则td→0。一般情况下td在0.5-2.5ns范围内

电光延迟时间产生——码形效应若两个脉冲连续为“1”时，第二脉冲的电子密度高于第一脉冲到来之前的值，于是第二光脉冲延迟时间减少，输出幅度和宽度增加。这种现象称为码形效应。特点：较长连“0”以后，出现的“1”码光脉冲的幅度明显下降。6．自脉动现象（等幅振荡）在注入电流达到某一值时，出现叠加在输出光脉冲上的持续等幅振荡，这种现象称为自脉动现象。图3-21码形效应图

图3-22激光器的自脉动现象3.1.4半导体发光二极管（LED）一、发光二极管的结构

1.边发射型2.面发射型3.工作原理发光二极管是非相干光源，它的发射过程主要对应光的自发发射过程。4.LED与LD的区别：(1)没有谐振腔，是以自发辐射为主的非相干光。（2）温度特性好；（3）光谱宽度宽（4）发散角大等

图3-23SLED的结构图3-24ELED3.1.5半导体发光二极管的主要工作特性

1.P-I特性曲线图3-25LED的P-I特性LED的输出完全由自发辐射产生，其P-I曲线如图3-25所示。LED无阈值，发光功率随工作电流增大，LED的工作电流通常为50~100mA，偏压1.2~1.8V，输出功率约几mW。工作温度升高时，同样的工作电流下LED输出功率要下降。例如当温度从20

℃升70

℃时，输出功率下降一半，但相对LD而言，温度的影响较小。2.发散谱线和发散角

LED的水平发散角约为300，LED的垂直发散角约为1200。对于用GaAlAs材料制作LED，发射谱线Δλ约为25—40nm，而对长波长InGaAsP材料制作的LED，Δλ在75－100nm之间。半导体光源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工作波长

/

m1.31.551.31.551.31.55光谱宽度

/nm边模抑制比30～35dB1～21～325～4060～100阈值电流Ith/mA15～2020～3020～3030～60—工作电流I/mA（1.2～1.5）Ith（1.2～1.5）Ith50～10050～100输出功率P/mW20～4015～305～105～101～51～3入纤功率P/mW10～207～151～31～30.1～0.30.1～0.2调制带宽B/MHz500～1000500～2000500～100050～15030～100辐射角

/°

20×5020×5030×12030×120寿命t/h106～107105～106106～107105～106108107工作温度/℃-20～50-20～50-20～50-20～50-20～50-20～503.2光检测器件

光检测器是光接收机的关键器件，它的作用是把接收到的光信号转换成电流信号。光纤通信中最常用的光检测器有PD光电二极管、PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。

3.2.1

PD光电二极管

光纤通信中所使用的半导体光检测器，是利用光电效应原理而制成的。所谓半导体光电效应是指一定波长的光照射到半导体PN结上，且光子能量大于半导体材料的禁带宽度（hf>Eg）时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带，使导带中有电子，价带中有空穴，从而使PN结中产生光生载流子，在场的作用下形成光电流的一种现象，如图3-26所示。图3-26半导体PN结及能带图（V内+V外）e0V外RSIP作用区吸收区>作用区E=0E=0E电场ZZ03.2.2PIN光电二极管PIN管构成由P+---I(N)----N+共3层构成

图3-28PIN工作原理示意图特点：

PIN管的耗尽层遍及整个I层，几乎占据整个PN结即吸收区=作用区光电转换效率高。

3.2.3APD雪崩光电二极管有P+---π(P)---P----N+共4层构成图3-29APD的结构及电场分布3.2.4光电二极管的主要特性1.光电效应条件和波长响应范围hf>Eg，f>Eg/h=fC或λ0<hC/Eg=λCh=6.63×10-34J.SEg是材料的禁带宽度1ev=1.6×10-19Je0=1.6×10-19C.*光电效应条件要求外来光子的波长λ<λC但当入射光波长太短光电换效率也会大大下降。

2.

光电转换效率—响应度R0和量子效率η当入射光功率为P时，光电二极管的光生电流为Ip则：响应度R0=Ip/P量子效率3.光电响应速度和频率特性

响应速度是指光电二极管接收到光子后产生光生电流输出的速度，它常用响应时间，即上升时间和下降时间来表示。4.暗电流Id:暗电流Id定义为无光照射时光电二极管的反向电流,称为暗电流（噪声电流）。Si的PIN管的Id大于1nA，Ge的PIN管的Id约几百nA，InGaAS的PIN管的Id约几十nA。APD管的Id由于倍增因子G存在,因此其暗电流总是大于同材料的PIN管G倍。5．APD管平均倍增因子G特性倍增因子G定义为倍增后APD管输出光生电流IM与未倍增的初始光生电流之比，即

G=IM/IPAPD的倍增因子G与反向电压V的关系可近似用Miller公式表示：APD响应度R和量子效率ηR=IM/P=GIP/P=GR0η=（IP/e）/（P/hf）<1

量子效率

仅与初级光生载流子有关，不涉及倍增载流子。6．APD噪声特性

噪声源主要是:过剩噪声过剩噪声可用过剩噪声因子F(G)表示:工程上:F(G)≈Gxx--过剩噪声指数

0<x<1种

类Si-PINInGaAs-PINSi-APDInGaAs-APD响应波长/(

m)0.4~1.01.0~1.60.4~1.01.0~1.65响应度/(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）暗电流/(nA)0.1~12~50.1~110~20响应时间/(ns)2~100.2~10.2~0.50.1~0.3工作电压/(V)

15~

5

15~

5

100~

50

60~

40结电容/(pF)0.5~11~21~2<0.5倍增因子——30~10020~30附加噪声指数——0.3~0.40.5~0.7本节完表3.2

PIN和APD光电二极管一般性能3.3光纤放大器一．光放大器在光纤通信中的应用

1．在光纤通信网中的应用(光纤损耗和色散)2．在波分复用DWDM光纤通信系统中的应用3．在光孤子通信中的应用二．光放大器的分类

光放大器:有半导体光放大器SLA（SemiconductorLaserAmplifier）;受激拉曼散射、布里渊散射光纤放大器FiberAmplifier和掺杂光纤放大器EDFA光放大器的基本原理光放大器主要由放大工作介质、泵浦源组成。工作时，工作介质先从泵浦源中吸收足够的能量处于粒子反转分布，当输入信号光经过此工作介质时两者将发生受激辐射作用，使输入光信号从工作介质中获得能量形成放大了的输出信号光。光放大器的基本原理图3.3.1EDFA的结构及原理

掺铒光纤放大器基本结构是将稀土元素铒Er3+离子注入到光纤芯层中，浓度约为25mg/kg形成EDFA的工作介质——掺铒光纤EDF，在泵浦源激励下可直接对某一段波长的光信号进行放大，其特点是具有高增益、高输出、宽频带、低噪声等一系列优点，是目前应用最广泛的光放大器，为光纤通信带来极其深远的影响。1.EDFA的基本结构及作用EDFA主要由掺铒光纤、泵浦源、WDM、光隔离器等组成，如图3-33所示。图3-33EDFA的三种典型结构①WDM作用：是将不同波长的泵浦光和信号光混合而送人掺铒光纤。②光隔离器的作用：是防止反射光对光放大器的影响，保证系统稳定工作。③滤波器的作用是滤除放大器的噪声提高系统的信噪比。④泵浦源：为半导体激光器，输出功率为10mw～100mw，工作波长为1480nm，980nm，820nm。提供足够的光功率使掺铒光纤处于粒子反转分布。⑤掺铒光纤：具有一定的长度的10～100（m）具有一定增益，石英光纤将稀土元素Er3＋注入到光线中，浓度为25mg/kg。EDFA的泵浦方式①同向泵浦优点：结构简单，但噪声性能不佳。②反向泵浦优点：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，因而噪声性能较好。③双向泵浦优点：双向泵浦方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，使其增益在光纤中也均匀分布。

2.EDFA的工作原理

EDF与泵浦源、信号光相互作用机理图3-34掺铒光纤与泵浦源、信号光相互作用的机理3.3.2EDFA主要特性

1.增益特性

掺铒光纤放大器G：15～40dB；增益频谱范围：1525～1565nm之间可以进行放大。①增益与泵浦光功率和输入信号光功率有关，并存在一个最佳的掺铒光纤长度。输入信号功率越小时（小信号）放大器的增益越大。当泵浦光功率较大时，放大器的增益出现饱和。如图3-36所示图3-35EDFA信号增益与泵浦功率的关系Pth

PP>3Pth

②增益与掺铒光纤长度的关系图3-36增益与掺铒光纤长度的关系

2．输出功率特性理想的光放大器，不管输入功率多高，光信号都能按同一比例被放大，但实际的EDFA却并非如此。当输入功率增加时，受激辐射加快，以至于减少了粒子反转数，使受激辐射光减弱，导致增益饱和，输出功率趋于平稳。3.噪声特性①放大器噪声源

EDFA的噪声主要有以下四种：信号光的散粒噪声；放大器的自发辐射（ASE）散粒噪声；信号光与ASE光谱之间的差拍噪声；ASE自身光谱间的差拍噪声。以上4种噪声中，后两种影响最大，其功率谱密度如图3-38所示。②噪声系数F噪声系数（NF：NoiseFigure）对不同泵浦源略有不同。光放大器的噪声特性可以用噪声系数F来度量：通常EDF长60m，1480nm泵浦源F约为4～6dB；EDF长30m。图6-23EDFA增益与噪声性能（泵浦功率120mW），980nm泵浦源F约为3.2～3.4dB。实用EDFA的构成原理图如图3-38所示。表3.3列出国外几家公司EDFA商品的技术参数。电源监视图3-38EDFA的构成原理图表3.3EDFA掺铒光纤放大器技术参数3.4光纤连接器3.4.1光纤连接器结构与种类光纤连接器又称活动连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件。主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。

光纤固定接头是实现光纤与光纤之间的永久性（固定）连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。活动连接器件是光纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。3.4.2．光纤连接器的主要性能指标1.插入损耗耦合损耗用L表示。若输入光纤的光功率为PT，输出光纤的光功率为PR，如图3-39（a）所示。插入损耗定义为：

理想的光纤连接器是PT＝PR，L＝0dB,但实际上光纤连接损耗是难以避免的。图3-39光纤的耦合与耦合缺陷2.回波（反射）损耗回波（反射）损耗定义:

3.重复性和互换性重复性是指活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性是指各连接器互换时插入损耗的变化，也用dB表示。常用光纤连接器的结构特点和性能指标如表3.5所示。表3.5光纤连接器的结构特点和性能指标

类

型结构和特性

FC/PC

FC/APCSC/PCSC/APCST/PCLC/PC结构特点插针套管（包括光纤）端面形状

球面

斜八度面球面斜八度面球面球面连接方式螺纹螺纹轴向插拔轴向插拔卡口轴向插拔连接器形状圆形圆形矩形矩形圆形矩形性能指标平均插入损耗/dB≤0.2≤0.3≤0.3≤0.3≤0.2≤0.3最大插入损耗/dB0.30.50.50.50.3≤0.4重复性/dB≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1互换性/dB≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1回波损耗/dB≥40≥60≥40≥60≥40≥45插拔次数≥1000≥1000≥1000≥1000≥1000≥1000使用温度范围/℃-40～+80-40～+80-40～+80-40～+80-40～+80-40～+803.5光分路耦合器和波分复用器3.5.1光分路耦合器光纤耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种光耦合器与波长无关。1．光分路耦合器基本结构用途：光通信网络X形耦合器(2×2)

耦合器P1P2P4P3图3-40X型耦合器模型表3.6光分路耦合器的功能输

入按比例输出作

用P1P3，P4分路（P2很小）P3，P4P1耦合（P2很小）P2P3，P4分路（P1很小）耦合机理:对称图3-41X型（2×2）耦合器的耦合机理星状耦合器（N×M）如图3-42所示功能：是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤输出,n和m不一定相等。特点：该耦合器通常用作多端功率分配器。这种光耦合器与波长无关。图3-42星状耦合器用2×2耦合器拼接星型、树型耦合器

图3-431×8或2×8树状耦合器图3-4432×32星型耦合器星形耦合器应用图3-45星状耦合器应用示意图2.光分路耦合器的性能指标

光耦合器的性能指标有插入损耗、分光比与隔离度等，以图3-40X状光耦合器为例，其性能指标如下所述。（1）插入损耗：

（2）附加损耗（3）分光比：（4）隔离度：图3-40光纤耦合器图3-46光栅型波分复用原理图1.光栅型波分复用器3.5.2波分复用器图3-47光栅型波分复用器的应用实例

在WDM系统中，光栅主要用在解复用器中，以分离出各个波长。图3-47是光栅型波分复用器应用的两个例子。根据光栅方程为:式中m表示对应的某一波长光线衍射后出现的一种方向，称光谱级。当d和θi一定时，光谱级确定后则m不变，则此时衍射角θdm随λm表改变而改变。

例:m=12．多层介质膜型（MDTFF）波分复用器————干涉滤光片型

图3-48多层介质膜型波分复用器3．熔融拉锥全光纤型波分复用器图3-49熔融拉锥型波分复用器原理图4.集成光波导波分复用器图3.50AWG波分复用器的结构示意图

AWG波分复用器的性能如表3.7所示，波长间隔从15nm到0.2nm，信道数从8扩大到128。表3.8所示是各种WDM器件主要性能的比较。

在实用DWDM系统中，当波分复用的光信道数小于16时，几乎所有的公司都采用无源的3dB耦合器组成波分复用器，如图3-51所示。表3.7AWG波分复用器的特性

表3.8各种WDM器件性能的比较器件类型机

理批量生产信道波长间隔/nm信道数串扰/dB插入损耗/dB主要缺点衍射光栅型角色散一般0.5～104～131≤-303～6温度敏感多层介质薄膜型干涉/吸引一般1～1002～32≤-252～6信道数较少熔锥型波长依赖型较容易10～1002～6≤-10～-450.2～1.5信道数少集成光波导型平面波导容易1～54～32≤-256～11插入损耗大无源的