光纖元件連接

光纖元件連接第1頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第六章光纖機(jī)械量傳感器第七章光纖熱工量傳感器第八章光纖電磁量傳感器第九章醫(yī)用光纖傳感器第2頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二章光纖系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器與元件連接2.1引言一般的光纖系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、光纖傳輸線第3頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第4頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2．2電光轉(zhuǎn)換器——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)。目前光纖通信廣泛使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)，有些場(chǎng)合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。

第5頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1光源的特性

一、輸出功率特性對(duì)于一個(gè)帶有光纖輸出的光源，要求是從光纖終端射出的光通量應(yīng)最大。這個(gè)量的大小取決于光源的波長(zhǎng)和射入光纖的光通量。射入光纖的光通量與光源和光纖的耦合效果以及光源的亮度有關(guān)第6頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、輻射頻譜特性光源輻射的頻譜特性應(yīng)與光纖波導(dǎo)的傳輸頻響特性匹配。SiO2光纖的損耗曲線表明，除OH根的吸收峰值外，光纖損耗隨波長(zhǎng)的增加而減小。在波長(zhǎng)為0.8---1.6微米的區(qū)域內(nèi)，傳輸損耗較低。第7頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、電光轉(zhuǎn)換特性施加于光源的電偏置對(duì)光輸出有直接影響。通常，輸出功率值隨電激勵(lì)的增加而增加。但是，器件的溫度也隨電激勵(lì)的增加而升高。因此，對(duì)于大多數(shù)電光變換器來(lái)說(shuō)．非恒溫的輸出光功率比恒溫的稍低，且光頻將發(fā)生變化。第8頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、環(huán)境特性除某些半導(dǎo)體光源外，大多數(shù)光源的平均壽命都在幾千小時(shí)范圍內(nèi)。其輸出功率常常隨使用時(shí)間下降，且與溫度密切相關(guān)。第9頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2典型光源一、白熾光源

白熾光源屬于溫度輻射體，具有連續(xù)的光譜分布。輻射光是從通有電流的鎢絲發(fā)出來(lái)的。鎢絲的熔點(diǎn)約為3600K鎢絲裝在抽成真空的或充有惰性氣體的玻璃泡里，工作溫度通常在2200—3000K。白熾燈發(fā)光近于黑體輻射．光源的亮度正比于輻射體熱力學(xué)溫度的4次方，輻射光譜的蜂值波長(zhǎng)與輻射體的溫度成反比。第10頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、氣體溫光器

氣體激光器通常用于要求高度相干的系統(tǒng)中。最常用的氣體激光源有：工作波長(zhǎng)為0.633μm或1.15μm的氦氖激光器，工作波長(zhǎng)為10.6μm的二氧化碳激光器，工作波長(zhǎng)為0.516μm的氨離子激光器。

第11頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

He—Ne激光器容易達(dá)到單縱模工作，一種方法是減小激光腔的長(zhǎng)度．使得在激光帶寬內(nèi)只發(fā)生一個(gè)振蕩模。這種單模的線寬非常窄，低到1kHz的寬度(相當(dāng)于空氣中300km的相干長(zhǎng)度)。比較典型的線寬是幾kHz。第12頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

三、固體激光器常見(jiàn)的固體激光器有紅寶石激光器(Ruby)、釹玻璃激光器(Nd：glass)和摻釹億鋁石榴石激光器(Nd：YAG)。三者各有其特點(diǎn)，以Nd：YAG激光器應(yīng)用最廣。特別是用Nd；YAG晶體光纖制成的小型激光器更是光纖系統(tǒng)的理想光源。典型情況工作于1.064μm波長(zhǎng).第13頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、半導(dǎo)體光源

半導(dǎo)體光源是光纖系統(tǒng)中最常用的也是最重要的光源。其主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)，亮度足夠、供電電源簡(jiǎn)單等。它與光纖的特點(diǎn)相容，因此，在光纖傳感器和光纖通信中得到廣泛應(yīng)用。第14頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)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饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射的光放大)的縮寫(xiě)。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開(kāi)始。第15頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一能級(jí)和電子躍遷(a)受激吸收；(b)自發(fā)輻射；(c)受激輻射受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布第16頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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式中，h=6.628×10-34J·s，為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。

第17頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。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，這種光稱為非相干光。第18頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一半導(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PN結(jié)的能帶和電子分布第19頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一PN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)能帶圖第20頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一自發(fā)輻射電子運(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)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，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(c)。在電子和空穴擴(kuò)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。

第21頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一激光振蕩和光學(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。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出?；镜墓鈱W(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(如圖所示)，并被稱為法布里-珀羅(FabryPerot,FP)諧振腔。第22頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

激光器的構(gòu)成和工作原理(a)激光振蕩；(b)光反饋

第23頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長(zhǎng)。第24頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3μm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。第25頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一DH激光器工作原理(a)短波長(zhǎng)；(b)長(zhǎng)波長(zhǎng)(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布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)比有源層高，對(duì)注入電子形成了勢(shì)壘，注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)散到N層。第26頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時(shí)只要很小的外加電流，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)，因而電/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連續(xù)工作。第27頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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)hf=Eg式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，c=3×108m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數(shù)，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到第28頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAsGaAs)材料適用于0.85μm波段，銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsPInP)材料適用于1.3~1.55μm波段。

第29頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

圖3.7GaAlAsDH激光器的光譜特性(a)直流驅(qū)動(dòng);(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制第30頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2.激光束的空間分布激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)描述。近場(chǎng)是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。第31頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第32頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一GaAlAsDH條形激光器的近場(chǎng)圖

第33頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性和遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣(a)光強(qiáng)的角分布；(b)輻射光束第34頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

3.轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率ηd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)由此得到式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，Pth和Ith分別為相應(yīng)的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。第35頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性(a)短波長(zhǎng)AlGaAs/GaAs;(b)長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP/InP第36頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.頻率特性在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f的關(guān)系為P(f)=第37頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

式中，fr和ξ分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，Ith和I0分別為閾值電流和偏置電流；I′是零增益電流，高摻雜濃度的LD，I′=0，低摻雜濃度的LD,I′=(0.7~0.8)Ith；τsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，τph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。

第38頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖3.11半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性第39頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5.溫度特性

第40頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

作業(yè)1：什么是單模光纖和多模光纖？它們各有什么特點(diǎn)？2、半導(dǎo)體激光器能夠輸出激光應(yīng)具備的基本條件有那些？第41頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第42頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6、分布反饋激光器隨著技術(shù)的進(jìn)步，高速率光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和新型光纖通信系統(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)制下保持動(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)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反饋(DistributedFeedBack,DFB)激光器。

第43頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由有源層發(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，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，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，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。第44頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一光柵周期Λ由下式確定Λ=m式中，ne為材料有效折射率，λB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、增益相同的縱模，其波長(zhǎng)為第45頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一DFB激光器與FP激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①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定的，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Λ決定。Λ相當(dāng)于FP激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)Λ形成一個(gè)微型諧振腔。由于Λ的長(zhǎng)度很小，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)成只有一個(gè)模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。第46頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

②譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。

由于DFB激光器的每一個(gè)柵距Λ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，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善。

③動(dòng)態(tài)譜線好。DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性，這是FP激光器無(wú)法比擬的。盡管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)左右。第47頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

④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。第48頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7、發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，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LED，另一類是側(cè)面發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示于圖3.14。和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。第49頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側(cè)面發(fā)光型第50頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一和激光器相比，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)格低廉。因此，這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。發(fā)光二極管具有如下工作特性：(1)光譜特性。

第51頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一LED光譜特性第52頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(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(θ)=P0cosθ，半功率點(diǎn)輻射角θ≈120°。側(cè)面發(fā)光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于θ大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。(3)輸出光功率特性。

在通常工作條件下，LED工作電流為50~100mA，輸出光功率為幾mW，由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百μW。第53頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一發(fā)光二極管(LED)的P-I特性第54頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(4)頻率特性。τe為少數(shù)載流子(電子)的壽命

第55頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一8、半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用表3.1和表3.2列出半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能。LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng)。LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外都得到最廣泛的應(yīng)用。分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。第56頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第57頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表3.2分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能第58頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

在實(shí)際應(yīng)用中，通常把光源做成組件，同時(shí)利用熱敏電阻和冷卻元件進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)溫度控制(ATC)。第59頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第60頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3光電轉(zhuǎn)換器——光探測(cè)器光電探測(cè)器：對(duì)各種光輻射進(jìn)行接收和探測(cè)的器件2.3.1光探測(cè)器的特性參數(shù)

第61頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、量子效率

光探測(cè)器吸收光子產(chǎn)生光電子。光電子形成光電流，光電流與光功率成正比。由光子統(tǒng)計(jì)理論可知．光電流J與入射光功率P的關(guān)系為式中α為光電轉(zhuǎn)換因子,;e為電子電荷；h為普朗克常數(shù)；p為人射光頻率；η為量子效率、P／hv為單位時(shí)間入射到探測(cè)器表面的光子致；I／e為單位時(shí)間內(nèi)被光子激勵(lì)的光電子數(shù)。

第62頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一量子效率η定義為對(duì)于理想的探測(cè)器η＝1，即一個(gè)光于產(chǎn)生一個(gè)光電子。實(shí)際探測(cè)器η<1。顯然，η越接近1，效率越高。第63頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、響應(yīng)度響應(yīng)度是與量子效率相對(duì)應(yīng)的宏觀參數(shù)。它包括電壓響應(yīng)度和電流靈敏度。1電壓響應(yīng)度Rv電壓響應(yīng)度定義為入射的單位光功率所能產(chǎn)生的信號(hào)電壓，即Rv=Us/P式中，Us為探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)電壓,P為入射功率。通常規(guī)定P和Us均取有效值。第64頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2．電流靈敏度Sd電流靈敏度定義為入射的單位光功率所能產(chǎn)生的傳導(dǎo)電流，即Sd=Is/P式中．Is為探測(cè)器產(chǎn)生的信導(dǎo)電流，通常規(guī)定P和Is均取有效值第65頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

三、光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)是光探測(cè)器的響應(yīng)度隨入射光波長(zhǎng)變化的特性。把響應(yīng)度隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律畫(huà)成曲線稱為光譜響應(yīng)曲線。有時(shí)取響應(yīng)的相對(duì)變化值，并把響應(yīng)的相對(duì)最大值作為1，這種曲線稱為“歸一化光譜響應(yīng)曲線”。響應(yīng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，以λm表示。當(dāng)光波長(zhǎng)偏離λm時(shí)，響應(yīng)度便下降。當(dāng)響應(yīng)度下降到其峰值的50％時(shí)，所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λc稱為光譜響應(yīng)的截止波長(zhǎng)。第66頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第67頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

四、頻率響應(yīng)和響應(yīng)時(shí)間

頻率響應(yīng)是在入射光波長(zhǎng)一定的條件下，探測(cè)器的響應(yīng)度隨入射光信號(hào)的調(diào)制頻率變化的特性。探測(cè)器的頻率響應(yīng)R(f)可表示為式中．R(0)為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)度；τ為探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)．由探測(cè)器的材料、結(jié)構(gòu)及外電路決定。第68頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五、噪聲等效功率

當(dāng)選擇光探測(cè)器時(shí)，通常認(rèn)為響應(yīng)度越大越好。但在探測(cè)微弱信號(hào)時(shí)，限制光探測(cè)器探測(cè)能力的因素不是響應(yīng)度的大小，而是光探測(cè)器的噪聲。當(dāng)無(wú)入射光時(shí)，輸出端仍有電信號(hào)輸出，這就是噪聲的影響。通常引入等效噪聲功率(NEP)的概念來(lái)表征探測(cè)器的最小可探測(cè)功率。等效噪聲功率定義為探測(cè)器輸出電壓恰好等于輸出噪聲電壓時(shí)的入射光功率，即式中各量均取有效值。NEP越小，探測(cè)器的探測(cè)能力越強(qiáng)第69頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一六、探測(cè)度探測(cè)度(D)定義為NEP的倒數(shù)，即D＝1／NEP(1／w)D表示探測(cè)器的探測(cè)能力，其值超大超好。第70頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3.2光電探測(cè)器的原理

探測(cè)器在受光照射后，吸收了光子的能量，并把它轉(zhuǎn)換成另一種能量，因此光探測(cè)器是將光能轉(zhuǎn)換為其它能量的換能器。

光探測(cè)器可分為熱電探測(cè)器和光電探測(cè)器。

第71頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱電探測(cè)器的原理是基于光輻射引起探測(cè)器溫度上升，從而使與溫度有關(guān)的電物理量產(chǎn)生變化，測(cè)量其變化便可測(cè)定入射光的能量或功率。探測(cè)器的光譜響應(yīng)沒(méi)有選擇性。最常用的熱電效應(yīng)有三種：溫差電效應(yīng)、熱敏電阻效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。熱電探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是可以在室溫下工作和無(wú)光譜選擇性。溫差電探測(cè)器和熱敏電阻探測(cè)器的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢，只能用于光能量、功率的慢速測(cè)量。熱釋電探測(cè)器對(duì)溫度的變化極靈敏，響應(yīng)速度快，在中、遠(yuǎn)紅并光探測(cè)器中有發(fā)展前途。第72頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

在光纖傳感系統(tǒng)中所用的光探測(cè)器多半是光電探測(cè)器。所應(yīng)用的光電效應(yīng)主要有光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)及光電磁效應(yīng)等。第73頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、光電子發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射現(xiàn)象是赫茲于1887年在做電磁振蕩的研究中首先發(fā)現(xiàn)的，由此開(kāi)拓了外光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。經(jīng)過(guò)近百年的探討及大量研究工作，使光電發(fā)射的理論不斷深入．目前被公認(rèn)的理論模型是三步過(guò)程模型。即把光電發(fā)射的物理過(guò)程分為三步：

①光電發(fā)射體內(nèi)的電子被入射光子激發(fā)到高能態(tài)；②受激電子向表面運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中因碰撞而損失部分能量；③到達(dá)表面的受激電子克服表面電子親和勢(shì)而逸出。第74頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一根據(jù)光的量子理論，每個(gè)光子具有能量hv。則電子吸收光子能量后逸出材料表面成為光電子。這種效應(yīng)稱為光電子發(fā)射或外光電效應(yīng)，可用愛(ài)因斯坦方程來(lái)描述

式中，Ek為光電子的動(dòng)能，w為光電子發(fā)射材料的逸出功，表示產(chǎn)生一個(gè)光電子所必須給予束縛電子的最小能量?！?5頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第76頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)光照射在某些半導(dǎo)體材料時(shí)．若透入內(nèi)部的光子能量足夠大，則某些電子吸收光于能量．從原來(lái)的束縛態(tài)變成導(dǎo)電的自由態(tài)。這時(shí)在外電場(chǎng)作用下流過(guò)半導(dǎo)體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。它是一種內(nèi)光電效應(yīng)。光敏管及光敏電阻的光電效應(yīng)屬于此類效應(yīng)。第77頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第78頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

三、光生伏特效應(yīng)在無(wú)光照射時(shí)PN結(jié)內(nèi)存在內(nèi)部電場(chǎng)E。當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時(shí)，若光子的能量足夠大，則在結(jié)區(qū)及其附近產(chǎn)生少數(shù)載流了(電子—空穴對(duì))。它們?cè)诮Y(jié)區(qū)外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)，它們?cè)诮Y(jié)區(qū)內(nèi)時(shí)，則在電場(chǎng)E作用下電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。結(jié)果，N區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)。此電動(dòng)勢(shì)稱為光生電動(dòng)勢(shì)，此效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。第79頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第80頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

四、光電磁效應(yīng)將半導(dǎo)體樣品置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，用激光輻射線垂直照射其表面。當(dāng)光子能量足夠大時(shí)，在表面層內(nèi)激發(fā)出光生載流子—電子空穴對(duì)，并在樣品表面層和體內(nèi)形成載流于濃度梯度．于是光生載流子向體內(nèi)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過(guò)程中，由于磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用，電子和空穴偏向樣品兩端，產(chǎn)生電荷積累，這就是光電磁效應(yīng)。第81頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3.3半導(dǎo)體光電探測(cè)器1、光電二極管工作原理

光電二極管(PD)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。第82頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第83頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量。由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會(huì)增加載流子漂移的渡越時(shí)間，使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾，就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。第84頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、PIN光電二極管

由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。

第85頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第86頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖3.21PIN光電二極管結(jié)構(gòu)第87頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一PIN光電二極管響應(yīng)度量子效應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系第88頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一噪聲。噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)。光電二極管的噪聲包括由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(ShotNoise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率)來(lái)描述。均方散粒噪聲電流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B式中，e為電子電荷，B為放大器帶寬，Ip和Id分別為信號(hào)電流和暗電流。第89頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一〈i2T〉=式中，k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為〈i2〉=2e(IP+Id)B+均方熱噪聲電流第90頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、雪崩光電二極管(APD)

光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關(guān)系示于圖。隨著反向偏壓的增加，開(kāi)始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。

第91頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系(返回）第92頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)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)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(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)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見(jiàn)圖。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。第93頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一APD載流子雪崩式倍增示意圖第94頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一APD結(jié)構(gòu)圖第95頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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)描述它的放大作用，并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值。第96頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

顯然，APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并考慮到器件體電阻的影響，g可以表示為

式中，UB為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻，RIo/UB<<1。第97頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、光電二極管一般性能

第98頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第99頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第100頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3.4光電倍增管光電倍增管（PMT）是典型的光電子發(fā)射型探測(cè)器，其主要特點(diǎn)是：靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快以及噪聲?。坏Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高和體積大。它是電流放大器件，具有很高的電流增益，特別適用于微弱光信號(hào)的探測(cè)。第101頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第102頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第103頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

二、基本工作電路光電倍增管探測(cè)器最基本的工作電路。它適用于探測(cè)高速光脈沖或強(qiáng)度調(diào)制的激光信號(hào)。若探測(cè)平穩(wěn)的連續(xù)信號(hào)，則圖中cl、c2、c3電容可不用。總電壓第104頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第105頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4光纖連接器和固定接頭光纖連接方法主要有永久性連接、應(yīng)急連接、活動(dòng)連接。第106頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2.4.1光纖連接損耗在光纖連接器和固定接頭中，功率損耗可分成兩類：固有損耗和附加損耗。固有損耗是由光纖制造過(guò)程中出現(xiàn)的偏差和缺陷引起的，不能用機(jī)械或外加工方法加以修正。附加損耗是在光纖制造過(guò)程結(jié)束之后對(duì)接出現(xiàn)的損耗，并且可以用機(jī)械的或外部加工方法加以修正，如光纖端面拋光不正確或光纖機(jī)械連接不正確等均屬這一類.第107頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-22光纖互連時(shí)固有功率損耗和附加功率損耗的一些原因第108頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-23由大到小的兩根光纖對(duì)接時(shí)因芯徑差或數(shù)值孔徑差引起的近似損耗值第109頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2—24在幾個(gè)數(shù)值孔徑(NA)下．連接器功率損耗隨兩根階躍折射率光纖S／D的變化第110頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2—25兩根階躍折射宰光纖對(duì)接端面的纖芯橫向錯(cuò)位引起的連接器功率損耗第111頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一—個(gè)簡(jiǎn)單的緊配合連接器如圖2-27所示。該連接器中有一個(gè)小孔，以便在把光纖終端插入時(shí)可以擠出折射率匹配液。它不是一種容易拆卸的連接器。如果在折射率匹配液占有的空間中使用折射率匹配環(huán)氧樹(shù)脂，可以形成相當(dāng)好的固定接頭。

圖2-27具有折射率匹配液小孔的簡(jiǎn)單緊配連接器第112頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4.2光纖活動(dòng)連接器活動(dòng)連接是利用各種光纖連接器件(插頭和插座)，將站點(diǎn)與站點(diǎn)或站點(diǎn)與光纜連接起來(lái)的一種方法。這種方法靈活、簡(jiǎn)單、方便、可靠，多用在建筑物內(nèi)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線中。其典型衰減為1dB/接頭。第113頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一套管結(jié)構(gòu)連接器簡(jiǎn)圖第114頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第115頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)接式光纖活動(dòng)連接器的幾種典型結(jié)構(gòu)。(1)ST(直插)型這種連接器是由AT＆T公司1985年初推出的，它用了和同軸電纜連接器類似的結(jié)構(gòu)，插針插座均呈軸對(duì)稱，易于加工，是一種最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。ST型連接器中最精密的零件是固定光纖的金屬插針，連接器轉(zhuǎn)接插座里的與插針相配合的精密套管可確保插入其中的兩根光纖對(duì)準(zhǔn)。這種結(jié)構(gòu)還利用帶鍵的卡口式鎖緊機(jī)構(gòu)來(lái)防止光纖在多次連接過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)，以確保連接器在多次插拔中具有較穩(wěn)定的插入損耗。第116頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

(2)BC(雙錐)型

這種連接器也是由AT＆T公司發(fā)明的，它采用最新的精密模塑技術(shù)，將光纖封裝在端部有一個(gè)精密錐體的插針內(nèi)，連接器轉(zhuǎn)接插座內(nèi)裝有精密的雙錐形套管，當(dāng)兩根光纖插針壓人雙錐形套管之小時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)光纖精密對(duì)接。第117頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(3)PC(物理接觸)型這種連接器由AMP公司提出，它利用光纖端面物理接觸來(lái)提高連接器的性能，其光纖拋光端面設(shè)計(jì)成圓弧狀，光纖纖芯端面接觸間隙小于λ／4，使得斯耐爾反射損耗大大降低。這樣就使得連接器的回波損耗由非接觸型的15dB提高到40dB.因此，這種連接器大大減小了反向傳輸光對(duì)系統(tǒng)的不良影響第118頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

(4)FC(面接觸)型由日本NTT公司開(kāi)發(fā)的連接器，其插針端部貼有中間開(kāi)孔的薄片，可使插接的兩光纖“面接觸”而又不造成光纖端面磨損。光纖端面可鍍制抗反膜以消除斯耐爾反射。第119頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(5)SC(直聯(lián))型也是日本NTT公司開(kāi)發(fā)的一種最新的結(jié)構(gòu)。這是一種模塑連接器，采用矩形橫截面，連結(jié)設(shè)計(jì)成錐拉式，而不需要像上述連接器那樣用螺紋鎖定．因而體積減小，適合于多芯光纜安裝.第120頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第121頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第122頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第123頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第124頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2.4.3光纖固定接頭1永久性光纖連接(又叫熱熔)：這種連接是用放電的方法將2根光纖的連接點(diǎn)熔化并連接在一起。一般用在長(zhǎng)途接續(xù)、永久或半永久固定連接。其主要特點(diǎn)是連接衰減在所有的連接方法中最低，典型值為0.01~0.03dB/點(diǎn)。但連接時(shí)，需要專用設(shè)備(熔接機(jī))和專業(yè)人員進(jìn)行操作，而且連接點(diǎn)也需要專用容器保護(hù)起來(lái)。第125頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

圖2-29光纖焊接機(jī)構(gòu)第126頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

圖2-30兩報(bào)單模光纖的熔接第127頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.應(yīng)急連接(又叫)冷熔：應(yīng)急連接主要是用機(jī)械和化學(xué)的方法,將兩根光纖固定并粘接在一起。這種方法的主要特點(diǎn)是連接迅速可靠,連接典型衰減為0.1~0.3dB/點(diǎn)。但連接點(diǎn)長(zhǎng)期使用會(huì)不穩(wěn)定，衰減也會(huì)大幅度增加，所以只能短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急用。第128頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2.5

光耦合器耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(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，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/解復(fù)用器。1.耦合器類型圖示出常用耦合器的類型，它們各具不同的功能和用途。

第129頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

圖2—31耦合器類型(a)8×8的透射型耦合器；(b)1×8反射型耦合器；(c)2×8透反型耦合器第130頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一常用耦合器的類型

第131頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個(gè)2×2耦合器組成的8×8星形耦合器第132頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一光纖型波分解復(fù)用器原理

圖(a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。光纖a(直通臂)傳輸?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)耦合理論得到Pa=cos2(CλL)Pb=sin2(CλL)第133頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

Pa=cos2(CλL)Pb=sin2(CλL)式中，L為耦合器有效作用長(zhǎng)度，Cλ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λ1和λ2，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(λ1)最大時(shí)，光纖b的輸出Pb(λ1)=0；當(dāng)Pa(λ2)=0時(shí)，Pb(λ2)最大。對(duì)于λ1和λ2分別為1.3μm和1.55μm的光纖型解復(fù)用器，可以做到附加損耗為0.5dB，波長(zhǎng)隔離度大于20dB。

第134頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一微器件型用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，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，如圖所示。

第135頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

微器件型耦合器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)復(fù)用器第136頁(yè)，共155頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

波導(dǎo)型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)