[工學(xué)]第3章光纖器件ppt課件

1、第 3 章 光纖器件 前往主目錄 通訊譽(yù)光器件可以分為有源器件和無(wú)源器件兩種類型。 有源器件包括光源、光檢測(cè)器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、 光接納機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一同決議著根本光纖傳輸系統(tǒng)的程度。光無(wú)源器件主要有銜接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)和隔離器等，這些器件對(duì)光纖通訊系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可短少的。 本章引見(jiàn)通訊譽(yù)光器件的任務(wù)原理和主要特性， 為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供選擇根據(jù)。 3.1光源光源 光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。目前光纖通訊廣泛運(yùn)用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)，

2、有些場(chǎng)所也運(yùn)用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。 本節(jié)首先引見(jiàn)半導(dǎo)體激光器(LD)的任務(wù)原理、根本構(gòu)造和主要特性，然后進(jìn)一步引見(jiàn)性能更優(yōu)良的分布反響激光器(DFB - LD)，最后引見(jiàn)可靠性高、壽命長(zhǎng)和價(jià)錢廉價(jià)的發(fā)光管(LED)。 3.1.1半導(dǎo)體激光器任務(wù)原理和根本構(gòu)造 半導(dǎo)體激光器是向半導(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，再利用諧振腔的正反響，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激輻射的光放大)的縮寫。所以討論激光器任務(wù)

3、原理要從受激輻射開(kāi)場(chǎng)。1. 受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 有源器件的物理根底是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2, 3, 4 )稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種根本方式(見(jiàn)圖3.1)： 圖 3.1能級(jí)和電子躍遷 (a) 受激吸收； (b) 自發(fā)輻射； (c) 受激輻射 hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf12 (1) 在正常形狀下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下一樣數(shù)

4、目的空穴，見(jiàn)圖3.1(a)。 (2) 在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒(méi)有外界的作用， 也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射，見(jiàn)圖3.1(b)。 (3) 在高能級(jí)E2的電子，遭到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射，見(jiàn)圖3.1(c)。 受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。 電子在E1和E2兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即 E2-E1=hf12 (3.1)式中，h=6.62810-34Js，為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。 受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的

5、光的特點(diǎn)很不一樣。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光一樣，這種光稱為相關(guān)光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相關(guān)光。 產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。 設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2(E2E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡形狀時(shí)，存在下面的分布式中， k=1.38110-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)0，T0，所以在這種形狀下，總是N1N2。 這是由于電子總是首先占據(jù)低能量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且

6、比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。假設(shè)N1N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光經(jīng)過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減， 這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。 假設(shè)N2N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光經(jīng)過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。N2N1的分布，和正常形狀(N1N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。問(wèn)題是如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的形狀呢? 這個(gè)問(wèn)題將在下面加以表達(dá)。 2. PN結(jié)的能帶和電子分布 半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序陳列構(gòu)成的共價(jià)晶體。 在這種晶體中，由于臨近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)延續(xù)分布的能帶，如圖3.2。能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能

7、量Ec和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不能夠占據(jù)禁帶。 圖 3.2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 Eg/2Eg/2EfEcEvEg導(dǎo)帶價(jià)帶能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c) 圖3.2示出不同半導(dǎo)體的能帶和電子分布圖。根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)實(shí)際，在熱平衡形狀下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布)exp(11)(kTEEEpf 式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。當(dāng)T0時(shí)， P(E)0， 這時(shí)導(dǎo)帶上幾乎沒(méi)有電子，價(jià)帶上填滿電子。Ef稱為費(fèi)米能級(jí)，用來(lái)描畫半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的形狀。

8、 在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率一樣。 圖 3.3PN結(jié)的 能 帶 和 電子分布(a) P - N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；(b) 零偏壓時(shí)P - N結(jié)的能帶圖； (c) 正向偏壓下P - N結(jié)能帶圖 hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)電子，空穴(c)勢(shì)壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env(b)P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場(chǎng) 擴(kuò)散 漂移(a) 普通形狀下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的， 用Ef位于禁帶中央來(lái)表示，見(jiàn)圖3.2(a)。在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，Ef增大，導(dǎo)帶的電子增多， 價(jià)帶的空穴相對(duì)減少，見(jiàn)圖3.2(b)。在

9、本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，Ef減小，導(dǎo)帶的電子減少，價(jià)帶的空穴相對(duì)增多，見(jiàn)圖3.3(c)。 在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上， 由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因此產(chǎn)生分散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成內(nèi)部電場(chǎng)， 見(jiàn)圖3.3(a)。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與分散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef一樣，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡形狀為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜，見(jiàn)圖3.3(b)。這時(shí)在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，分散加強(qiáng)。 電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)構(gòu)成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主

10、要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見(jiàn)圖3.3(c)。在電子和空穴分散過(guò)程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。 3. 激光振蕩和光學(xué)諧振腔 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只需把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)展選擇，才干獲得延續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 根本的光學(xué)諧振腔由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成(如圖3.4所示)，并被稱為法布里 - 珀羅(FabryPerot, FP)諧振腔。由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經(jīng)反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非

11、軸線方向的光被減弱。反射光經(jīng)多次反響，不斷得到放大，方向性得到不斷改善，結(jié)果增益大幅度得到提高。 另一方面，由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收， 反射鏡存在透射和散射，因此光遭到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)， 在諧振腔內(nèi)開(kāi)場(chǎng)建立穩(wěn)定的激光振蕩， 其閾值條件為 圖 3.4激光器的構(gòu)成和任務(wù)原理 (a) 激光振蕩； (b) 光反響 2n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)初始位置光光強(qiáng)輸出OXL(b) th=+ 211ln21RRL 式中，th為閾值增益系數(shù)，為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長(zhǎng)度，R1，R21為兩個(gè)反射鏡的反射率激光振蕩的相位條件為L(zhǎng)=q qnLn22或 式中，為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)

12、的折射率，q=1, 2, 3 稱為縱模模數(shù)。 4. 半導(dǎo)體激光器根本構(gòu)造 半導(dǎo)體激光器的構(gòu)造多種多樣，根本構(gòu)造是圖3.5示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形構(gòu)造。這種構(gòu)造由三層不同類型半導(dǎo)體資料構(gòu)成，不同資料發(fā)射不同的光波長(zhǎng)。圖中標(biāo)出所用資料和近似尺寸。構(gòu)造中間有一層厚0.10.3 m的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體， 稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里 - 珀羅(FP)諧振腔。 圖3.6示出DH激光器任務(wù)原理。由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后， P層的空穴和N層的電子注入有源層。 P層帶隙寬， 導(dǎo)帶的能態(tài)比有

13、源層高，對(duì)注入電子構(gòu)成了勢(shì)壘， 注入到有源層的電子不能夠分散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不能夠分散到N層。 圖 3.6DH激光器任務(wù)原理(a) 短波長(zhǎng)； (b) 長(zhǎng)波長(zhǎng) (a) 雙異質(zhì)構(gòu)造； (b) 能帶； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 PGa1xAlxAsPGaAsNGa1yAlyAs復(fù)合空穴異質(zhì)勢(shì)壘E能量(a)(b)(c)n折射率5%(d)P光電子 P層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對(duì)注入電子構(gòu)成了勢(shì)壘，注入到有源層的電子不能夠分散到P層。 同理， 注入到有源層的空穴也不能夠分散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源層內(nèi)構(gòu)成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，

14、這時(shí)只需很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因此電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫延續(xù)任務(wù)。 3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性1. 發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(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)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式(3.1)得到 hf=Eg式中，f=c/，f(Hz)和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)， c=3108 m/s為光速，h=6.62810-34JS為普朗克常數(shù)，1 eV=1.610-19 J，代入上式得到ggEEhc24. 1

15、不同半導(dǎo)體資料有不同的禁帶寬度Eg，因此有不同的發(fā)射波長(zhǎng)。鎵鋁砷 -鎵砷(GaAlAsGaAs)資料適用于0.85 m波段，銦鎵砷磷 - 銦磷(InGaAsPInP)資料適用于1.31.55 m波段。參看圖3.5(b)。 2. 轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性 激光器的電激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率d表示，其定表示，其定義是在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)義是在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù))(edhfththIIpphfeIpeIIhfpppthth/ )(/ )(由此得到 3.1.3分布反響激光器(DFB) 隨著技術(shù)的

16、提高，高速率光纖通訊系統(tǒng)的開(kāi)展和新型光纖通訊系統(tǒng)例如波分復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)，都對(duì)激光器提出更高的要求。 和由FP諧振腔構(gòu)成的DH激光器相比，要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下堅(jiān)持動(dòng)態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長(zhǎng)更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低， 而輸出光功率更大。具有這些特性的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種類型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛運(yùn)用的是分布反響(Distributed Feed Back, DFB)激光器。 普通激光器用FP諧振腔兩端的反射鏡，對(duì)激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)展反響，DFB激光器用接近有源層沿長(zhǎng)度方向制造的周期性構(gòu)造(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反響。這種衍射光柵的折射率周期性

17、變化，使光沿有源層分布式反響，所以稱為分布反響激光器。 如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在臨近的光柵波紋峰反射(如光線b)。假設(shè)光線a和b匹配，相互疊加，那么產(chǎn)生更強(qiáng)的反響，而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大， 但整個(gè)光柵有成百上千個(gè)波紋峰，反響光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。 光柵周期由下式確定=m eBn2 式中，ne為資料有效折射率，B為布喇格波長(zhǎng)，m為衍射級(jí)數(shù)。在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個(gè)閾值最低、增益一樣的縱模，其波長(zhǎng)為 圖 3.13分布反響(DFB)激光器

18、(a) 構(gòu)造； (b) 光反響 衍射光柵有源層N層P層輸出光光柵有源層ba(a)(b) 式中L為光柵長(zhǎng)度，其他符號(hào)和式(3.10)意義一樣。 在普通均勻光柵中，引入一個(gè)/4相移變換，使原來(lái)的波峰變波谷， 波谷變波峰，可以有效地提高方式選擇性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模激光器的要求。 DFB激光器與F-P激光器相比， 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 單縱模激光器。 FP激光器的發(fā)射光譜是由增益譜和激光器縱模特性共同決議的，由于諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難。DFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期決議。相當(dāng)于FP激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)構(gòu)成一個(gè)微型諧振腔。由于的長(zhǎng)度

19、很小，所以m階和(m+1)階模之間的波長(zhǎng)間隔比FP腔大得多，加之多個(gè)微型腔的選模作用，很容易設(shè)計(jì)成只需一個(gè)方式就能獲得足夠的增益。于是DFB激光器容易設(shè)計(jì)成單縱模振蕩。 譜線窄， 波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。 由于DFB激光器的每一個(gè)柵距相當(dāng)于一個(gè)FP腔，所以布喇格反射可以看作多級(jí)調(diào)諧，使得諧振波長(zhǎng)的選擇性大大提高， 譜線明顯變窄，可以窄到幾個(gè)GHz。 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，因此波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善。 動(dòng)態(tài)譜線好。 DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)也能堅(jiān)持單模特性，這是FP激光器無(wú)法比較的。雖然DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)存在啁啾，譜線有一定展寬，但比FP激光器的動(dòng)態(tài)譜線的展寬要改善一個(gè)數(shù)量級(jí)

20、左右。 線性好。 DFB激光器的線性非常好， 因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。 3.1.4發(fā)光二極管發(fā)光二極管 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)的任務(wù)原理與激光器的任務(wù)原理與激光器(LD)有所有所不同，不同， LD發(fā)射的是受激輻射光，發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)發(fā)射的是自發(fā)輻射光。輻射光。LED的構(gòu)造和的構(gòu)造和LD類似，大多是采用雙異質(zhì)類似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在芯片，把有源層夾在P型和型和N型限制層中間，型限制層中間，不同的是不同的是LED不需求光學(xué)諧振腔，不需求光學(xué)諧振腔， 沒(méi)有閾值。發(fā)光沒(méi)有閾值。發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型二極管有

21、兩種類型：一類是正面發(fā)光型LED， 另一另一類是側(cè)面發(fā)光型類是側(cè)面發(fā)光型LED，其構(gòu)造示于圖，其構(gòu)造示于圖3.14。和正面發(fā)。和正面發(fā)光型光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率較小，光功率較小， 但由于光束輻射角較小，與光纖的耦但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因此入纖光功率比正面發(fā)光型合效率較高，因此入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。大。 圖 3.14 兩類發(fā)光二極管(LED)(a) 正面發(fā)光型； (b) 側(cè)面發(fā)光型 球 透 鏡環(huán) 氧 樹(shù) 脂P層n層有 源 層發(fā) 光 區(qū)微 透 鏡P型 限 制 層n型 限 制 層有 源 層波 導(dǎo) 層

22、和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)錢低廉。因此， 這種器件在小容量短間隔系統(tǒng)中發(fā)揚(yáng)了重要作用。 發(fā)光二極管具有如下任務(wù)特性： (1) 光譜特性。 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光， 沒(méi)有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線較寬，如圖3.15。普通短波長(zhǎng)GaAlAsGaAs LED譜線寬度為3050 nm，長(zhǎng)波InGaAsPInP LED譜線寬度為60120 nm。隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，譜線加寬，且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向挪動(dòng)，短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)LED的挪動(dòng)分別為0.20.3 nm/ 和0.30.5 nm/

23、。 圖 3.15LED光譜特性 1300波長(zhǎng) / nm70 nm相對(duì)光強(qiáng) (2) 光束的空間分布。 在垂直于發(fā)光平面上， 正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布， 即P()=P0 cos，半功率點(diǎn)輻射角120。側(cè)面發(fā)光型LED，120，2535。由于大，LED與光纖的耦合效率普通小于10%。 (3) 輸出光功率特性。 發(fā)光二極管實(shí)踐輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，普通外微分量子效率d小于10%。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)， P - I曲線的線性較好；I過(guò)大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和景象，使P -I 曲線的斜率減小。在通常任務(wù)條件下，LED任務(wù)電流為50

24、100mA， 輸出光功率為幾mW，由于光束輻射角大，入纖光功率只需幾百W。 圖 3.16 發(fā)光二極管(LED)的P - I特性 0100200300400500051015正面發(fā)光側(cè)面發(fā)光電流 I / mA發(fā)射功率P / mW (3) 輸出光功率特性。 發(fā)光二極管實(shí)踐輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)， 普通外微分量子效率d小于10%。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)， P - I曲線的線性較好；I過(guò)大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和景象，使P -I 曲線的斜率減小。在通常任務(wù)條件下，LED任務(wù)電流為50100 mA，輸出光功率為幾mW，由于光束輻射角大，入纖光

25、功率只需幾百W。 (4) 頻率特性。 發(fā)光二極管的頻率呼應(yīng)可以表示為|H(f)|= 2)2(11)0()(efPfp 式中，f為調(diào)制頻率，P(f)為對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功率，e為少數(shù)載流子(電子)的壽命。定義fc為發(fā)光二極管的截止頻率，當(dāng)f=fc=1/(2e)時(shí)，|H(fc)|= ， 最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。 圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率呼應(yīng)， 圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命e和截止頻率fc的關(guān)系。對(duì)有源區(qū)為低摻雜濃度的LED， 適當(dāng)添加任務(wù)電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。在普通任務(wù)條件下，正面發(fā)光型LED截止頻率為2030 MHz，側(cè)面發(fā)光型LED截止頻率為100150 MHz。

26、 21圖 3.17 發(fā)光二極管(LED)的頻率呼應(yīng) e1.1 nse2.1 nse 6.4 ns1001000100.110調(diào)制頻率f / MHz頻率響應(yīng) H( f )3.1.5半導(dǎo)體光源普通性能和運(yùn)用半導(dǎo)體光源普通性能和運(yùn)用 表表3.1和表和表3.2列出半導(dǎo)體激光器列出半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極和發(fā)光二極管管(LED)的普通性能。的普通性能。 LED通常和多模光纖耦合，用于通常和多模光纖耦合，用于1.3m(或或0.85m)波長(zhǎng)的小容量短間隔系統(tǒng)。由于波長(zhǎng)的小容量短間隔系統(tǒng)。由于LED發(fā)光面積和光束發(fā)光面積和光束輻射角較大，輻射角較大， 而多模而多模SIF光纖或光纖或G651規(guī)范的多模規(guī)范

27、的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增參與纖功率。率，增參與纖功率。LD通常和通常和G.652或或G.653規(guī)范的規(guī)范的單模光纖耦合，用于單模光纖耦合，用于1.3 m或或1.55 m大容量長(zhǎng)間隔大容量長(zhǎng)間隔系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外都得到最廣泛的運(yùn)用。系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外都得到最廣泛的運(yùn)用。 分分布反響激光器布反響激光器(DFB-LD)主要和主要和G.653或或G.654規(guī)范的規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)，的新型光纖系統(tǒng)， 這是目前光纖通訊開(kāi)

28、展的主要趨這是目前光纖通訊開(kāi)展的主要趨勢(shì)。勢(shì)。 表表 3.2分布反響激光器分布反響激光器(DFB - LD)普通性能普通性能 在實(shí)踐運(yùn)用中，通常把光源做成組件，圖3.18示出LD組件構(gòu)成的實(shí)例。偏置電流和信號(hào)電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路作用于LD， LD正向發(fā)射的光經(jīng)隔離器和透鏡耦合進(jìn)入光纖，反向發(fā)射的光經(jīng)PIN光電二極管轉(zhuǎn)換進(jìn)入光功率監(jiān)控器，同時(shí)利用熱敏電阻和冷卻元件進(jìn)展溫度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)溫度控制(ATC)。 3.2光-檢測(cè)器3.2.1光電二極管任務(wù)原理光電二極管任務(wù)原理 光電二極管光電二極管(PD)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能， 是由半導(dǎo)體是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。結(jié)的光電

29、效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。 如如3.1節(jié)所述，在節(jié)所述，在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴結(jié)界面上，由于電子和空穴的分散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)使電子和空穴的分散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生與分散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶發(fā)產(chǎn)生與分散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶發(fā)生傾斜，生傾斜， 在在PN結(jié)界面附近構(gòu)成耗盡層如圖結(jié)界面附近構(gòu)成耗盡層如圖3.19(a)。當(dāng)入射光作用在當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，假設(shè)光子的能量大于或等結(jié)時(shí)，假設(shè)光子的能量大于或等于帶隙于帶隙(hfEg)， 便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶構(gòu)成光生電子收光子的能量躍遷到導(dǎo)

30、帶構(gòu)成光生電子 - 空穴對(duì)。空穴對(duì)。 在在耗盡層，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向耗盡層，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，區(qū)運(yùn)動(dòng)， 構(gòu)成漂移電流。構(gòu)成漂移電流。 在耗盡層兩側(cè)是沒(méi)有電場(chǎng)的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴經(jīng)過(guò)分散運(yùn)動(dòng)能夠進(jìn)入耗盡層，然后在電場(chǎng)作用下， 構(gòu)成和漂移電流一樣方向的分散電流。漂移電流分量和分散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和N層銜接的電路開(kāi)路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。 當(dāng)銜接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過(guò)剩的電子經(jīng)過(guò)外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)， 便構(gòu)成了光生電流。 當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，

31、從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種由PN構(gòu)呵斥，在入射光作用下，由于受激吸收過(guò)程產(chǎn)生的電子 - 空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中構(gòu)成光生電流的器件，就是簡(jiǎn)單的光電二極管(PD)。 如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘海康氖翘砑雍谋M層的寬度，減少耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的分散分量。由于載流子分散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小分散分量的比例便可顯著提高呼應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會(huì)添加載流子漂移的渡越時(shí)間， 使呼應(yīng)速度減慢。為理處理這一矛盾， 就需求改良PN結(jié)光電二極管的構(gòu)造。 3.2.2PIN光電二極管光電二極管 由于由于PN結(jié)耗盡層只需幾微米，大部

32、分入射光被中結(jié)耗盡層只需幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，性區(qū)吸收， 因此光電轉(zhuǎn)換效率低，呼應(yīng)速度慢。為因此光電轉(zhuǎn)換效率低，呼應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體低的本征半導(dǎo)體(稱為稱為I)，這種構(gòu)造便是常用的，這種構(gòu)造便是常用的PIN光光電二極管。電二極管。 PIN光電二極管的任務(wù)原理和構(gòu)造見(jiàn)圖光電二極管的任務(wù)原理和構(gòu)造見(jiàn)圖3.20和圖和圖3.21。中間的。中間的I層是層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用用(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和型和N型半導(dǎo)型半導(dǎo)

33、體，用體，用P+和和N+表示。表示。I層很厚，層很厚， 吸收系數(shù)很小，入射吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入資料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子光很容易進(jìn)入資料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子 - 空穴對(duì)，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)空穴對(duì)，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，據(jù)整個(gè)耗盡層， 因此光生電流中漂移分量占支配位因此光生電流中漂移分量占支配位置，從而大大提高了呼應(yīng)速度。另外，可經(jīng)過(guò)控制耗置，從而大大提高了呼應(yīng)速度。另外，可經(jīng)過(guò)控制耗盡層的寬度盡層的寬度w，來(lái)改動(dòng)器件的呼應(yīng)速度。，來(lái)改動(dòng)

34、器件的呼應(yīng)速度。 圖3. 21 PIN光電二極管構(gòu)造抗反射膜光電極(n)PNE電極3.2.3雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 光電二極管輸出電流光電二極管輸出電流I和反偏壓和反偏壓U的關(guān)系示的關(guān)系示于圖于圖3.24。 隨著反向偏壓的添加，開(kāi)場(chǎng)光電流根隨著反向偏壓的添加，開(kāi)場(chǎng)光電流根本堅(jiān)持不變。當(dāng)反向偏壓添加到一定數(shù)值時(shí)，光電本堅(jiān)持不變。當(dāng)反向偏壓添加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇添加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿流急劇添加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿電壓電壓UB。APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。 根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，

35、結(jié)時(shí)， 光子被光子被吸收而產(chǎn)生電子吸收而產(chǎn)生電子 - 空穴對(duì)。假設(shè)電壓添加到使電場(chǎng)空穴對(duì)。假設(shè)電壓添加到使電場(chǎng)到達(dá)到達(dá)200 kV/cm以上，初始電子以上，初始電子(一次電子一次電子)在高電在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子子 - 空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞?？昭▽?duì)。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反響，致使載流子雪崩式如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反響，致使載流子雪崩式倍增，見(jiàn)圖倍增，見(jiàn)圖3.25。所以這種器件就稱為雪崩

36、光電二。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管極管(APD)。 圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增表示圖I0NPP(N)光 APD的構(gòu)造有多種類型，如圖3.26示出的N+PP+構(gòu)造被稱為拉通型APD。在這種類型的構(gòu)造中，當(dāng)偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到(P)層，不斷抵達(dá)P+接觸層，是一種全耗盡型構(gòu)造。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、呼應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。 1. 倍增因子 由于雪崩倍增效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，所以用這種效應(yīng)對(duì)一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來(lái)描畫它的放大作用， 并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流I和P的比值。 PIIg0 顯然，AP

37、D的呼應(yīng)度比PIN添加了g倍。根據(jù)閱歷，并思索到器件體電阻的影響，g可以表示為 nBnBURIUUUIg/ )(11)/(100 式中，U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與資料特性和入射光波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。當(dāng)UUB時(shí)，RIo/UB1，上式可簡(jiǎn)化為 210)(PBBnrIUnRIUg3.2.4光電二極管普通性能和運(yùn)用光電二極管普通性能和運(yùn)用 表表3.3和表和表3.4列出半導(dǎo)體光電二極管列出半導(dǎo)體光電二極管(PIN和和APD)的普通性能。的普通性能。 APD是有增益的光電二極管，在光接納機(jī)靈敏度是有增益的光電二極管，在光接納機(jī)靈敏度要求較高的場(chǎng)所，采用要求較高的場(chǎng)所，采用APD有利于延伸

38、系統(tǒng)的傳輸間有利于延伸系統(tǒng)的傳輸間隔。但是采用隔。但是采用APD要求有較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫要求有較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，結(jié)果添加了本錢。因此在靈敏度要求不度補(bǔ)償電路，結(jié)果添加了本錢。因此在靈敏度要求不高的場(chǎng)所，普通采用高的場(chǎng)所，普通采用PINPD。 SiPIN和和APD用于短波長(zhǎng)用于短波長(zhǎng)(0.85m)光纖通訊系統(tǒng)。光纖通訊系統(tǒng)。InGaAsPIN用于長(zhǎng)波長(zhǎng)用于長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31 m和和1.55 m)系統(tǒng)，系統(tǒng)，性能非常穩(wěn)定，性能非常穩(wěn)定， 通常把它和運(yùn)用場(chǎng)效應(yīng)管通常把它和運(yùn)用場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的前的前置放大器集成在同一基片上，構(gòu)成置放大器集成在同一基片上，構(gòu)成FET PIN接納

39、組件，接納組件，以進(jìn)一步提高靈敏度，改善器件的性能。以進(jìn)一步提高靈敏度，改善器件的性能。 這種組件曾經(jīng)得到廣泛運(yùn)用。新近研討的InGaAsAPD的特點(diǎn)是呼應(yīng)速度快，傳輸速率可達(dá)幾到十幾Gb/s，適用于超高速光纖通訊系統(tǒng)。由于GeAPD的暗電流和附加噪聲指數(shù)較大，很少用于實(shí)踐通訊系統(tǒng)。 3.3光光 無(wú)無(wú) 源源 器器 件件 一個(gè)完好的光纖通訊系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測(cè)器外， 還需求許多其它光器件，特別是無(wú)源器件。這些器件對(duì)光纖通訊系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展或性能的提高，都是不可短少的。 雖然對(duì)各種器件的特性有不同的要求， 但是普遍要求插入損耗小、反射損耗大、任務(wù)溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、 體積小、

40、價(jià)錢廉價(jià)， 許多器件還要求便于集成。本節(jié)主要引見(jiàn)無(wú)源光器件的類型、原理和主要性能。 3.3.1銜接器和接頭銜接器和接頭 銜接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可裝配銜接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可裝配(活動(dòng)活動(dòng))銜銜接的器件，接的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接納機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無(wú)源器件之接納機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無(wú)源器件之間的銜接。表間的銜接。表3.5給出光纖銜接器的普通性能。給出光纖銜接器的普通性能。 接頭接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定固定)銜接，主要銜接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。銜

41、接用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。銜接器件是光纖通訊領(lǐng)域最根本、運(yùn)用最廣泛的無(wú)源器器件是光纖通訊領(lǐng)域最根本、運(yùn)用最廣泛的無(wú)源器件。件。 銜接器有單纖銜接器有單纖(芯芯)銜接器和多纖銜接器和多纖(芯芯)銜接銜接器，器， 其特性主要取決于構(gòu)造設(shè)計(jì)、加工精度和所用其特性主要取決于構(gòu)造設(shè)計(jì)、加工精度和所用資料。單纖銜接器構(gòu)造有許多種類型，其中精細(xì)套資料。單纖銜接器構(gòu)造有許多種類型，其中精細(xì)套管構(gòu)造設(shè)計(jì)合理、效果良好，適宜大規(guī)模消費(fèi)，管構(gòu)造設(shè)計(jì)合理、效果良好，適宜大規(guī)模消費(fèi)， 因因此得到很廣泛的運(yùn)用。此得到很廣泛的運(yùn)用。 表 3.5 光纖銜接器普通性能 圖3.26示出精細(xì)套管構(gòu)造的銜接器簡(jiǎn)圖，包

42、括用于對(duì)中的套管、帶有微孔的插針和端面的外形(圖中畫出平面的端面)。 光纖固定在插針的微孔內(nèi)，兩支帶光纖的插針用套管對(duì)中實(shí)現(xiàn)銜接。 要求光纖與微孔、插針與套管精細(xì)配合。對(duì)低插入損耗的銜接器，要求兩根光纖之間的橫向偏移在1 m以內(nèi)， 軸線傾角小于0.5。普通的FC型銜接器，光纖端面為平面。 對(duì)于高反射損耗的銜接器， 要求光纖端面為球面或斜面，實(shí)現(xiàn)物理接觸(PC)型。套管和插針的資料普通可以用銅或不銹鋼， 但插針資料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷機(jī)械性能好、 耐磨， 熱膨脹系數(shù)和光纖相近，使銜接器的壽命(插拔次數(shù))和任務(wù)溫度范圍(插入損耗變化0.1 dB)大大改善。 圖 3.26 套管構(gòu)造銜接

43、器簡(jiǎn)圖 光纖套管插針粘結(jié)劑 一種常用的多纖銜接器是用壓模塑料構(gòu)成的高精度套管和矩形外殼，配合陶瓷插針構(gòu)成的，這種方法可以做成2纖或4纖銜接器。另一種多纖銜接器是把光纖固定在用硅晶片制成的精細(xì)V形槽內(nèi)，然后多片疊加并配適宜當(dāng)外殼。這種多纖銜接器配合高密度帶狀光纜， 適用于接入網(wǎng)或局域網(wǎng)的銜接。 對(duì)于實(shí)現(xiàn)固定銜接的接頭，國(guó)內(nèi)外大多借助公用自動(dòng)熔接機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)展熱熔接，也可以用V形槽銜接。熱熔接的接頭平均損耗達(dá)0.05 dB/個(gè)。 3.3.2光耦合器光耦合器 耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多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，個(gè)輸出， 或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出?；虬讯鄠€(gè)輸

44、入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。這種器件對(duì)光纖線路的影響主要是附加插入損耗，這種器件對(duì)光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_噪聲耦合器大多與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，還有一定的反射和串?dāng)_噪聲耦合器大多與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，與波長(zhǎng)相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器與波長(zhǎng)相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。解復(fù)用器。 1. 耦合器類型耦合器類型 圖圖3.27示出常用耦合器的類型，示出常用耦合器的類型， 它們各具不同它們各具不同的功能和用途。的功能和用途。 T形耦合器這是一種形耦合器這是一種22的的3端耦合器，端耦合器， 見(jiàn)圖見(jiàn)圖3.27(a)， 其功能是把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定其功能是把一根光纖輸入的光信號(hào)按一

45、定比例分配給兩根光纖，比例分配給兩根光纖， 或把兩根光纖輸入的光信號(hào)或把兩根光纖輸入的光信號(hào)組合在一同，輸入一根光纖。組合在一同，輸入一根光纖。 圖 3.27 常用耦合器的類型 T形(a)星 形(b)定向(c)231412N12N(d)波分 這種耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率組合器。星形耦合器這是一種nm耦合器，見(jiàn)圖3.27(b)，其功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一同，均勻地分配給m根光纖， m和n不一定相等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。 定向耦合器這是一種22的3端或4端耦合器，其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。見(jiàn)圖3.27(c)，光信號(hào)從端1傳輸?shù)蕉?，

46、一部分由端3輸出，端4無(wú)輸出；光信號(hào)從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無(wú)輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。 波分復(fù)用器/解復(fù)用器(也稱合波器/分波器)這是一種與波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器，見(jiàn)圖3.27(d)。波分復(fù)用器的功能是把多個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一同，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)， 分配給不同的接納機(jī)。波分復(fù)用器/解復(fù)用器將在7.2節(jié)詳細(xì)引見(jiàn)。 2. 根本構(gòu)造 耦合器的構(gòu)造有許多種類型，其中比較適用和有開(kāi)展出路的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型，圖3.28圖 3.31示出這三種類型的有代表性器件的根本構(gòu)造。 圖 3.28 光纖型耦合器 (

47、a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12個(gè)22耦合器組成的88星形耦合器 輸入光光強(qiáng)度光纖a光纖b 輸出光2341(a)(b)123456789101112(c) 光纖型把兩根或多根光纖陳列，用熔拉雙錐技術(shù)制造各種器件。這種方法可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解復(fù)用器。圖3.28(a)和(b)分別示出單模22定向耦合器和多模nn星形耦合器的構(gòu)造。單模星形耦合器的端數(shù)遭到一定限制，通?？梢杂?2耦合器組成，圖3.28(c)示出由12個(gè)單模22耦合器組成的88星形耦合器。 圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。 如圖3.29，光纖a(直通臂)傳

48、輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合實(shí)際得到 Pa=cos2(CL) Pb=sin2(CL) (3.28a) 圖 3.29 光纖型波分解復(fù)用器原理 1、 21212耦合長(zhǎng)度光功率ababba 式中，L為耦合器有效作用長(zhǎng)度，C為取決于光纖參數(shù)和光波長(zhǎng)的耦合系數(shù)。 設(shè)特定波長(zhǎng)為1和2，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長(zhǎng)度，使得當(dāng)光纖a的輸出Pa(1)最大時(shí)，光纖b的輸出Pb(1)=0；當(dāng)Pa(2)=0時(shí)，Pb(2)最大。對(duì)于1和2分別為1.3m和1.55 m的光纖型解復(fù)用器，可以做到附加損耗為0.5 dB，波長(zhǎng)隔離度大于20 dB。 微器件型用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射

49、， 部分反射)、濾光片(一個(gè)波長(zhǎng)的光透射，另一個(gè)波長(zhǎng)的光反射)或光柵(不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向)等微光學(xué)器件可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器，如圖3.30所示。 圖 3.30 微器件型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 濾光式解復(fù)用器； (d) 光柵式解復(fù)光 纖自 聚 焦 透 鏡自 聚 焦 透 鏡光 纖濾 光 片1、 2121231 2 3光 纖自 聚 焦 透 鏡硅 光 柵光 纖自 聚 焦 透 鏡分 光 片1342(b)(a)(c)(d) 波導(dǎo)型在一片平板襯底上制造所需外形的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的資料根據(jù)器件的功能來(lái)選擇，普通是SiO2，

50、橫截面為矩形或半圓形。圖3.32示出波導(dǎo)型T型耦合器、定向耦合器和用濾光片作為波長(zhǎng)選擇元件的波分解復(fù)用器。 3. 主要特性 闡明耦合器參數(shù)的模型如圖3.32所示， 主要參數(shù)定義如下。 NnonocOtOCppPPCR1圖3.32 波導(dǎo)型耦合器光波導(dǎo)開(kāi)角(a)(b)(c)多模波導(dǎo)多層膜濾光片單模波導(dǎo)1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m 由此可定義功率分路損耗Ls： Ls=10lg )1(CR 附加損耗Le由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示 Le=10 lg NnNnotitPinPinpP11lg10 插入損耗

51、Lt是一個(gè)指定輸入端的光功率Pic和一個(gè)指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示 Lt=10lg ocicpp 方向性DIR(隔離度)是一個(gè)輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分貝表示 DIR=10lg ocicpp 一致性U是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同輸出端耦合比的等同性。 表3.6、表3.7列出波長(zhǎng)為1.31 m或(和)1.55 m單模光纖型耦合器和波分復(fù)用器/解復(fù)用器的普通性能。 3.3.3光隔離器與光環(huán)行器 耦合器和其他大多數(shù)光無(wú)源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。然而在許多實(shí)踐光通訊系統(tǒng)中通常也需求非互易器件。隔離器就是一種

52、非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以防止反射光前往到該器件致使器件性能變壞。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)正向入射光的插入損耗其值越小越好，對(duì)反向反射光的隔離度其值越大越好， 目前插入損耗的典型值約為1 dB，隔離度的典型值的大致范圍為4050 dB。 首先引見(jiàn)一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP： State of Polarization) 是在垂直于光傳輸方向的平面上電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向。在任何時(shí)辰，電場(chǎng)矢量都可以分解為兩個(gè)正交分量，這兩個(gè)正交分量分別稱為程度模和

53、垂直模。 隔離器任務(wù)原理如圖3.34所示。這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光，第一個(gè)偏振器的透振方向也在垂直方向， 因此輸入光可以經(jīng)過(guò)第一個(gè)偏振器。緊接第一個(gè)偏振器的是法拉弟旋轉(zhuǎn)器，法拉弟旋轉(zhuǎn)器由旋光資料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，例如45，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無(wú)關(guān)。 圖 3.34 隔離器的任務(wù)原理 法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光偏振器SOP 法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟著的是第二個(gè)偏振器， 這個(gè)偏振器的透振方向在45方向上，因此經(jīng)過(guò)法拉弟旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45后的光可以順利地經(jīng)過(guò)第二個(gè)偏振器，也就是說(shuō)光信號(hào)從左到右經(jīng)過(guò)這些器件(即正方向傳輸)是沒(méi)有損耗的(插入損耗除外)。另一方面，假定在右邊存在某種

54、反射(比如接頭的反射)， 反射光的偏振態(tài)也在45方向上，當(dāng)反射光經(jīng)過(guò)法拉弟旋轉(zhuǎn)器時(shí)再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45，此時(shí)就變成了程度偏振光。程度偏振光不能經(jīng)過(guò)左面偏振器(第一個(gè)偏振器)， 于是就到達(dá)隔離效果。 然而在實(shí)踐運(yùn)用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)是恣意的，并且隨時(shí)間變化，因此必需求求隔離器的任務(wù)與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)，于是隔離器的構(gòu)培育變復(fù)雜了。一種小型的與入射光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器構(gòu)造如圖3.35所示。圖 3.35 一種與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器 光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP光纖輸入(b) 具有恣意偏振態(tài)的入射光首先經(jīng)過(guò)一個(gè)空間分別偏

55、振器(SWP: Spatial Walkoff Polarizer)。這個(gè)SWP的作用是將入射光分解為兩個(gè)正交偏振分量，讓垂直分量直線經(jīng)過(guò)， 程度分量偏折經(jīng)過(guò)。兩個(gè)分量都要經(jīng)過(guò)法拉弟旋轉(zhuǎn)器， 其偏振態(tài)都要旋轉(zhuǎn)45。法拉弟旋轉(zhuǎn)器后面跟隨的是一塊半波片plate或halfwave plate。這個(gè)半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45。因此法拉弟旋轉(zhuǎn)器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)槌潭绕窆猓粗嗳?。最后兩個(gè)分量的光在輸出端由另一個(gè)SWP合在一同輸出， 如圖3.35(a)所示。 另一方面， 假設(shè)存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟

56、旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當(dāng)兩個(gè)分量的光經(jīng)過(guò)這兩個(gè)器件時(shí)， 其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一同，如圖3.35(b)所示，于是就起到隔離作用。 環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其任務(wù)原理與隔離器類似。 如圖3.36所示，典型的環(huán)行器普通有三個(gè)或四個(gè)端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號(hào)在端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)在端口3輸出，端口3輸入的光信號(hào)由端口1輸出。光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。 圖 3.36 光環(huán)行器 (a) 三端口； (b) 四端口 132(a)(b)1324 3.3.4光調(diào)制器 為提高光纖通訊系統(tǒng)的質(zhì)量，防止直接調(diào)制激光器時(shí)產(chǎn)生線性調(diào)頻的限制，要

57、采用外調(diào)制方式，把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)。 所以在高速率系統(tǒng)、 波分復(fù)用系統(tǒng)和相關(guān)光系統(tǒng)中都要用調(diào)制器。調(diào)制器可以用電光效應(yīng)、 磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。最有用的調(diào)制器是利器具有強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體制成的。 這種晶體的折射率n和外加電場(chǎng)E的關(guān)系為 n=n0+E+E2 式中，n0為E=0時(shí)晶體的折射率。和是張量，稱為電光系數(shù)，其值和偏振面與晶體軸線的取向有關(guān)。 根據(jù)不同取向，當(dāng)=0時(shí)，n隨E按比例變化，稱為線性電光效應(yīng)或普克爾(Pockel)效應(yīng)。當(dāng)=0時(shí)，n隨E2按比例變化， 稱為二次電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)。調(diào)制器是利用線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，由于折射率n隨外加電場(chǎng)E(電壓

58、U)而變化， 改動(dòng)了入射光的相位和輸出光功率。 圖3.37是馬赫 - 曾德?tīng)?MZ)干涉型調(diào)制器的簡(jiǎn)圖。在LiNbO3晶體襯底上，制造兩條光程一樣的單模光波導(dǎo)，其中一條波導(dǎo)的兩側(cè)施加可變電壓。 設(shè)輸入調(diào)制信號(hào)按余弦變化，那么輸出信號(hào)的光功率 P=1+cos UUUbS圖 3.37 馬赫 - 曾德?tīng)柛缮鎯x型調(diào)制器信號(hào)電壓電極輸出光電光晶體光波導(dǎo)輸入光 式中Us和Ub分別為信號(hào)電壓和偏置電壓，U為光功率變化半個(gè)周期(相位為0)所需的外加電壓， 并稱為半波電壓。由式(3.35)可以看到，當(dāng)Us+Ub=0時(shí)，P=2為最大；當(dāng)Us+Ub=U時(shí)，P=0。 圖3.38給出這種調(diào)制器的任務(wù)原理。 用于幅度調(diào)制

59、(AM)的MZ型調(diào)制器可以到達(dá)如下性能：外加電壓11 V，帶寬為3 GHz時(shí)插入損耗約6 dB，消光比(最小輸出和最大輸出的比值)為0.006。 3.3.5光開(kāi)關(guān) 光開(kāi)關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路， 實(shí)現(xiàn)光交換， 它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。 光開(kāi)關(guān)可分為兩大類： 一類是機(jī)械光開(kāi)關(guān)， 利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換； 另一類是固體光開(kāi)關(guān)，利用磁光效應(yīng)、電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。機(jī)械光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小，串?dāng)_， 適宜各種光纖，技術(shù)成熟； 缺陷是開(kāi)關(guān)速度慢。固體光開(kāi)關(guān)正相反， 優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快；缺陷是插入損耗大， 串?dāng)_大， 只適宜單模光纖。 兩類光開(kāi)關(guān)的普通性能如表3.

60、8所示。 3.4 光 纖光柵 n 光纖光柵是利用石英光纖的紫外光敏特性將光波導(dǎo)構(gòu)造直接做在光纖上構(gòu)成的光纖波導(dǎo)器件。根據(jù)特定的光柵構(gòu)造，光纖光柵可以作成濾波器、反射器、色散補(bǔ)償器等。利用光纖光柵可以制成滿足各種光纖通訊要求的有源和無(wú)源器件。由于光纖光柵器件易于與光纖銜接，對(duì)偏振不敏感順應(yīng)光纖中光偏振態(tài)的隨機(jī)變化，因此，在光纖通訊中與其它光波導(dǎo)器件相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)。 n 光纖中的光敏特性于1978年由Hill等人初次發(fā)現(xiàn)并勝利用于研制高反射率布拉格光柵濾波器，1989年Meltz提出的橫向?qū)懭胫圃旆椒癏ill等人于1993年提出的相位掩模制造法使光纖光柵的制造技術(shù)得到艱苦開(kāi)展，使得光纖光柵的