光纖通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)第3章

第3章光通信器件3.1

LD和LED光源3.2

PIN和APD光檢測(cè)器3.3

EDFA光纖放大器3.4無(wú)源光器件3.1

LD和LED光源

光源是光發(fā)送機(jī)的核心器件，作用是把電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，以便在光纖中傳輸。光源性能的好壞是保證光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的關(guān)鍵。半導(dǎo)體光源主要有半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器(LD)兩種。

纖通信系統(tǒng)對(duì)光源的基本要求有以下幾個(gè)方面：

（1）光源的發(fā)光波長(zhǎng)必須和光纖的低損耗波長(zhǎng)1.31μm、1.55μm相一致。

（2）光源的輸出功率必須足夠大，入纖功率為數(shù)十微瓦到數(shù)毫瓦才能滿足一定通信距離的需要。（3）光源應(yīng)具有高度的可靠性，其壽命要在105h以上。否則會(huì)因頻繁更換器件而降低系統(tǒng)的可靠性。

（4）光源的譜線寬度要窄，這有利于減少光纖的材料色散，增大系統(tǒng)的傳輸容量。

（5）光電轉(zhuǎn)換效率要高，否則會(huì)因效率太低而導(dǎo)致器件發(fā)熱嚴(yán)重，不僅增加損耗，還會(huì)縮短光源的壽命。

（6）光源應(yīng)便于調(diào)制，調(diào)制速率應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)的要求。

（7）光源應(yīng)體積小，重量輕，便于安裝和使用。3.1.1半導(dǎo)體中光的發(fā)射與激射

1.半導(dǎo)體價(jià)帶、導(dǎo)帶、帶隙與發(fā)光

單晶體中各個(gè)原子的最外層軌道是互相重疊的，這樣就使分立的能級(jí)變成了能帶。

◆價(jià)帶：低能帶，價(jià)帶頂?shù)哪芰坑涀鱁v。

◆導(dǎo)帶：高能級(jí)。導(dǎo)帶底的能量記作Ec。

◆禁帶：Eg=Ec-Ev——禁帶寬度或帶隙，在Ec和Ev之間是不可能有電子的。

正常情況下，電子處于低能級(jí)，要想使半導(dǎo)體導(dǎo)電，則高低能級(jí)之間因該有電子的移動(dòng)，所以在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間，應(yīng)該有電子越過(guò)禁帶進(jìn)行移動(dòng)。(3－1)h=6.625×10-34J·s，是普朗克常數(shù)，形成半導(dǎo)體發(fā)光。不同的半導(dǎo)體單晶體材料的Eg值不同，發(fā)光波長(zhǎng)也會(huì)不同。

如果Eg較大，則需要較大的激勵(lì)能量把價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去。導(dǎo)帶中的一個(gè)電子也可以躍遷到價(jià)帶中去，電子把大約等于禁帶寬度Eg的能量釋放出來(lái)。在輻射躍遷的情況下，釋放出一個(gè)光子，其頻率為

2.半導(dǎo)體摻雜、P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體：

又叫做Ⅰ型半導(dǎo)體，含雜質(zhì)和缺陷極少的純凈、完整的半導(dǎo)體。

特點(diǎn)：在半導(dǎo)體材料中，導(dǎo)帶電子的數(shù)目和價(jià)帶空穴的數(shù)目相等。

按照摻雜的不同，可以得到電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體材料。

◆電子型半導(dǎo)體(N)：通過(guò)故意摻雜使導(dǎo)帶的電子數(shù)目比價(jià)帶空穴的數(shù)目大得多的半導(dǎo)體?！艨昭ㄐ桶雽?dǎo)體(P)：通過(guò)故意摻雜使價(jià)帶空穴的數(shù)目比導(dǎo)帶電子數(shù)目大得多的半導(dǎo)體。把不同的類(lèi)型的半導(dǎo)體結(jié)合起來(lái)，就可以制作成各種半導(dǎo)體器件，當(dāng)然也包括激光二極管和發(fā)光二極管。

3.半導(dǎo)體P－N結(jié)和P－N結(jié)光源

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合的界面稱(chēng)為P－N結(jié)，許多半導(dǎo)體器件（包括半導(dǎo)體激光器件）的核心就是這個(gè)P－N結(jié)。在P型半導(dǎo)體內(nèi)有多余的空穴，在N型半導(dǎo)體內(nèi)有多余的電子，當(dāng)這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起的時(shí)候，P區(qū)內(nèi)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在靠近界面的地方剩下了帶負(fù)電的離子，N區(qū)內(nèi)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在靠近界面的地方剩下了帶正電的離子，這樣一來(lái)，在界面兩側(cè)就形成了帶相反電荷的區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。由這些相反電荷形成一個(gè)自建電場(chǎng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)。由于自建電場(chǎng)的存在，在界面兩側(cè)產(chǎn)生了一個(gè)電勢(shì)差VD，這個(gè)電勢(shì)差阻礙空穴和電子進(jìn)一步擴(kuò)散，使之最后達(dá)到了平衡狀態(tài)。圖3.1P－N結(jié)能帶圖圖3.1（a）所示的是半導(dǎo)體能帶圖。半導(dǎo)體P－N結(jié)光源包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器。它們都是正向工作器件。當(dāng)把正向工作電壓V加在P－N結(jié)上時(shí)，抵消了一部分勢(shì)壘，勢(shì)壘高度就只剩下了（VD-V）的數(shù)值，如圖3.1（b）所示。當(dāng)把足夠大的正向電壓加在P－N結(jié)上時(shí)，P區(qū)內(nèi)的空穴大量地注入N區(qū)，N區(qū)內(nèi)的電子大量注入P區(qū)，這樣一來(lái)，在P區(qū)和N區(qū)靠近界面的地方就產(chǎn)生了復(fù)合發(fā)光。3.1.2半導(dǎo)體激光器

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。1.三種光與物質(zhì)的作用形式(1)自發(fā)輻射處于高能級(jí)的電子是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)的向低能級(jí)躍遷，發(fā)射出一定能量的光子。光子的能量滿足hf=E2-E1

特點(diǎn)：各個(gè)能級(jí)上的電子都是自發(fā)的、獨(dú)立的進(jìn)行躍遷，輻射的光子的頻率或相位、方向不同，所以是非相干光。E電子光子E2E1h=6.628×10-34J·s(2)受激吸收在光子的激勵(lì)條件下，電子吸收光子的能量從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。特點(diǎn)：這個(gè)過(guò)程不是自發(fā)的，必須有外來(lái)的光子的激勵(lì)。E電子光子E2E1(3)受激輻射在外來(lái)光子的激勵(lì)下，電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，同時(shí)發(fā)出一個(gè)能量為hf=E2-E1的光子。特點(diǎn)：受激輻射必須在外來(lái)光子的能量等于躍遷時(shí)的能級(jí)差時(shí)發(fā)生，產(chǎn)生的光子與原光子的頻率、相位、偏振方向相同，稱(chēng)為全同光子，將使光的能量放大。E電子光子光子光子E2E1LASER------LightAmplificationbyStimulateEmissionofRadiation2.吸收物質(zhì)與激活物質(zhì)受激吸收受激輻射外來(lái)光子吸收光能放大光能熱平衡狀態(tài)：

N1/N2=exp〔－(E1－E2)/kT〕N1>N2低能級(jí)上的電子數(shù)大于高能級(jí)上的電子數(shù)，受激輻射的電子數(shù)小于受激吸收的電子數(shù)，光通過(guò)物質(zhì)被吸收——吸收物質(zhì)當(dāng)N1<N2時(shí)，受激吸收小于受激輻射光通過(guò)這種物質(zhì)被放大——激活物質(zhì)

對(duì)激活物質(zhì)而言，它的粒子數(shù)分布是N2>N1，叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。對(duì)激光而言，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的前提。高低N2N1E1E2受激輻射受激吸收

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。3.激光振蕩和光學(xué)諧振腔組成：兩個(gè)反射率為R1，R2的反射鏡——法布里－珀羅（F-P）諧振腔作用：方向選擇，能量反饋放大，頻率選擇。R1R2激活物質(zhì)

入射光經(jīng)反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向的光被減弱。反射光經(jīng)多次反饋，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。與中軸平行的光線R1R2不斷在同一直線上反射，反射光疊加，強(qiáng)度加強(qiáng)與中軸不平行的光R1R2多次反射后離開(kāi)諧振腔內(nèi)部衰減:

諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。內(nèi)部增益：激勵(lì)物質(zhì)源源不斷向工作物質(zhì)提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布以發(fā)出光子。當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)，在諧振腔內(nèi)開(kāi)始建立穩(wěn)定的激光振蕩。閾值條件為γth為閾值增益系數(shù)，α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，R2<1為兩個(gè)反射鏡的反射率。結(jié)論：只有滿足閘值條件時(shí)，才有功率穩(wěn)定的光存在。激光振蕩的相位條件為λ為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1,2,3…稱(chēng)為縱模模數(shù)。l2n反射鏡光的振幅反射鏡L結(jié)論：只有滿足相位條件的波長(zhǎng)的光才會(huì)被加強(qiáng)產(chǎn)生激光，否則會(huì)被減弱。含義：滿足相位條件的波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)反射鏡后相位差為2π，由于干涉相互疊加得到加強(qiáng)，因而產(chǎn)生不同分離波長(zhǎng)的縱模。4.半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)激勵(lì)物質(zhì)：泵浦源。激活工作物質(zhì)，使其能級(jí)中的電子形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，受激輻射大于受激吸收。工作物質(zhì)：有源層。提供確定的能級(jí)系統(tǒng)，在需要的頻率內(nèi)輻射光子。光學(xué)諧振腔：完成光子頻率的選擇，方向選擇及能量反饋。外在激勵(lì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布自發(fā)輻射方向選擇受激輻射全同光子閘值條件相位條件方向性好、功率穩(wěn)定、頻率窄的激光1.P-Ⅰ特性P-Ⅰ特性反映了注入(驅(qū)動(dòng))電流和輸出光功率的關(guān)系。Ⅰ<Ⅰth自發(fā)輻射的熒光Ⅰ>Ⅰth受激輻射的激光ⅠPⅠth（閘值電流）半導(dǎo)體激光器的主要特性2.光譜特性

GaAlAs-GaAsInGaAsP-InPλ

1310nm1550nm850nmP

光源的譜線寬度是衡量光源單色性好壞的一個(gè)物理量，定義為輸出光功率峰值下降3dB時(shí)的半功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的寬度。光譜隨與注入電流的關(guān)系：

(1)當(dāng)注入電流<閾值電流時(shí)，激光器發(fā)出的是“熒光”，熒光光譜范圍很寬，寬度約為幾十納米，相干性很差；

(2)當(dāng)電流增大到閾值時(shí)，發(fā)射光譜突然變窄，寬度約為一兩個(gè)納米，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，這表明出現(xiàn)了激光。

光譜窄、單色性強(qiáng)是激光器的重要特點(diǎn)，利用它可以測(cè)定激光器的閾值電流。在工作電流由小變大的過(guò)程中，一旦觀察到激光器的光譜突然變窄，就說(shuō)明此時(shí)的工作電流即是閾值電流。單縱模激光器和多縱模激光器：縱模：沿諧振腔軸向的光強(qiáng)分布。橫模：垂直于該方向。單縱模激光器：光譜中只有單個(gè)縱模，光譜窄，適用于單模光纖系統(tǒng)。多縱模激光器：光譜中有多個(gè)縱模，光譜要寬許多，適用于多模光纖系統(tǒng)。圖3.10

LD的光譜特性

（a）熒光光譜；（b）單縱模光纖光譜；（c）多縱模光纖光譜

靜態(tài)單縱模激光器：激光器在直流工作時(shí)為單頻譜線，它在高速調(diào)制時(shí)振蕩模數(shù)會(huì)增加，使光譜范圍增寬，這對(duì)于高速率單模光纖通信是非常不利的，由光源譜寬增加引起的材料色散會(huì)在傳輸速率為Gb/s量級(jí)的系統(tǒng)中嚴(yán)重地限制中繼距離。

動(dòng)態(tài)單縱模激光器：它的特點(diǎn)是采取各種措施增加了光反饋的選擇性和穩(wěn)定性，因而在高速調(diào)制下仍能維持單縱模振蕩，譜寬較窄，頻率也較穩(wěn)定。3、溫度與老化特性ⅠP20℃30℃40℃60℃80℃當(dāng)溫度升高到一定程度將不再產(chǎn)生激光。兩個(gè)原因：激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大;外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。圖3.11

LD溫度老化特性（a）隨溫度變化；（b）隨時(shí)間變化4.調(diào)制特性直接調(diào)制方式：把電信號(hào)直接加到激光器上。

td是激光器連續(xù)發(fā)射兩個(gè)光脈沖所需的延遲時(shí)間，這個(gè)時(shí)間越長(zhǎng)，激光器的調(diào)制速率就越低，反之就越高。對(duì)激光器加偏置電流可以提高調(diào)制速度。當(dāng)外加的偏置電流等于閾值電流時(shí)，延遲時(shí)間接近于零，因此，激光器工作時(shí)要加一個(gè)直流偏置電流在閾值電流附近，以期獲得較高的調(diào)制速率。0.010.11100.1110100fr相對(duì)光功率調(diào)制頻率在接近fr處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真半導(dǎo)體激光器的伏安特性與一般二極管的伏安特性相似，如圖3.13所示，但它有一個(gè)導(dǎo)通電壓在1V左右。外加電壓超過(guò)導(dǎo)通電壓，注入電流才隨之增大。

一般要求激光器在閾值電流

附近的正向偏壓小于2V，

激光器的串聯(lián)電阻小于5Ω。5.伏安特性圖3.13激光器的I－U曲線6.轉(zhuǎn)換效率①外微分量子效率：在閘值電流以上產(chǎn)生的光子數(shù)與注入的電子數(shù)之比。反映了激光器本身的工作效率。②功率轉(zhuǎn)換效率：輸出光功率與注入電功率的比值。它包含來(lái)了外圍電路的功率消耗。7、方向性半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光與光纖或光器件進(jìn)行耦合，要求激光器的方向性要強(qiáng)。15°5°常用激光器應(yīng)用：2.5G以上的1550nm第三代光纖通信系統(tǒng),光纖CATV.2.分布式反饋激光器(DFB-LD)單縱模譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定動(dòng)態(tài)譜線好，啁啾小，利于高速調(diào)制線性好，利于調(diào)制模擬信號(hào)。雙異質(zhì)結(jié):兩種不同材料構(gòu)成的PN結(jié)。1.雙異質(zhì)結(jié)激光器（DH）閾值電流低長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作3.量子阱激光器閘值電流低，輸出功率大。單縱模，譜線窄，利于調(diào)制。溫度要求低。無(wú)需溫度控制，無(wú)需制冷儀器。半導(dǎo)體激光器參數(shù)指標(biāo)

對(duì)于一個(gè)半導(dǎo)體激光器，主要應(yīng)用了閾值電流、輸出功率、波長(zhǎng)范圍等參數(shù)。表3.5和表3.6所示為兩種半導(dǎo)體激光器的特性參數(shù)指標(biāo)。表3.5雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器特性參數(shù)表3.6擴(kuò)散條形半導(dǎo)體激光器的特性參數(shù)正向偏壓→電子、空穴進(jìn)入有源區(qū)→勢(shì)壘、封閉在有源區(qū)→粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布→自發(fā)輻射→自發(fā)輻射的光。P層N層有源層＋－低高E外電場(chǎng)3.1.3半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理

LED與LD的最大不同：LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光;LED不需要光學(xué)諧振腔，沒(méi)有閾值電流。

圖3.4兩種發(fā)光二極管

（a）面發(fā)光二極管（b）邊發(fā)光二極管面發(fā)射光束垂直于P－N結(jié)，

輻射角大輸出功率大耦合效率低發(fā)射光束平行于P－N結(jié)輻射角小輸出功率小耦合效率高光譜特性發(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，輻射角大，強(qiáng)度不大。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)方向移動(dòng)。工作特性（2）P–Ⅰ特性ⅠP邊發(fā)光二極管面發(fā)光二極管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。（3）溫度特性10℃20℃30℃40℃50℃ⅠP對(duì)溫度不敏感，不用ATC電路。(4)頻率特性發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為f—調(diào)制頻率，P(f)—對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功率，τe—少數(shù)載流子(電子)的壽命。在一般工作條件下，正面發(fā)光型LED截止頻率為20~30MHz，側(cè)面發(fā)光型LED截止頻率為100~150MHz。(4)頻率特性發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為f—調(diào)制頻率，P(f)—對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功率，τe—少數(shù)載流子(電子)的壽命。在一般工作條件下，正面發(fā)光型LED截止頻率為20~30MHz，側(cè)面發(fā)光型LED截止頻率為100~150MHz。(5)可靠性工作壽命長(zhǎng)，可靠性好，達(dá)3×105小時(shí)，合34年。(6)耦合效率低LED發(fā)散角大，耦合效率低,一般小于10%。LED通常和多模光纖耦合。LD與LED之比較LDLED1、P-I特性ⅠPⅠP有閘值電流曲線有轉(zhuǎn)折點(diǎn)無(wú)閘值電流曲線無(wú)轉(zhuǎn)折點(diǎn)LDLED2、溫度特性ⅠPⅠP20℃40℃60℃80℃受溫度影響大，溫度越高閘值電流越大，輸出光功率越小。20℃40℃60℃80℃受溫度影響小，溫度升高，輸出光功率減少不大。3、光譜特性LDLED單縱模多縱模λPλPλP譜線窄，功率大譜線寬，功率相對(duì)小4、方向性LDLED方向集中，發(fā)散角小方向不集中，發(fā)散角大5、耦合效率耦合效率高耦合效率低6、壽命相對(duì)較短較長(zhǎng)7、價(jià)格高低8、應(yīng)用長(zhǎng)途高速數(shù)字系統(tǒng)中低速數(shù)字或模擬系統(tǒng)下面介紹兩種實(shí)用發(fā)光二極管

1.短波長(zhǎng)發(fā)光二極管（GaAlAs－LED）

短波長(zhǎng)發(fā)光二極管適用于中、短距離的光纖計(jì)算機(jī)信號(hào)傳輸系統(tǒng)、光信息處理和光信號(hào)控制等場(chǎng)合。其優(yōu)點(diǎn)是使用方便、壽命長(zhǎng)和成本低。表3.1為兩種短波長(zhǎng)LED的技術(shù)參數(shù)，其中出纖功率指由LED耦合到多模光纖中的功率。由于短波長(zhǎng)LED主要用于短距離、小容量光纖通信系統(tǒng)，一般只考慮多模尾纖。表3.1兩種短波長(zhǎng)LED的技術(shù)參數(shù)

2.長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光二極管（InGaAsP－LED）

長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光二極管適用于長(zhǎng)波長(zhǎng)中、短距離光纖通信。其優(yōu)點(diǎn)是成本較低、使用方便、壽命長(zhǎng)。表3.2和表3.3分別為1.3μm波長(zhǎng)面發(fā)光（重慶光電技術(shù)研究所產(chǎn)品）和邊發(fā)光LED（武漢電信器件公司產(chǎn)品）的主要參數(shù)以及1.55μm波長(zhǎng)的邊發(fā)光LED（武漢電信器件公司產(chǎn)品）的技術(shù)參數(shù)。表3.4邊發(fā)光高速半導(dǎo)體二極管的主要數(shù)據(jù)

3.2

PIN和APD光檢測(cè)器

光檢測(cè)器(photodetector)(PD)：把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能(O/E)，又稱(chēng)光探測(cè)器或光檢波器。

(1)熱器件：吸收光子使器件升溫，起到探知入射光能大小的作用；特點(diǎn)：對(duì)入射波長(zhǎng)無(wú)選擇性，能在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)光波作均勻響應(yīng)。

(2)光子器件：將入射光轉(zhuǎn)化為電流或電壓，是以光子—電子的能量轉(zhuǎn)換形式完成光的檢測(cè)目的。

分類(lèi)：光導(dǎo)電型和光生伏特型

光纖通信系統(tǒng)均采用光譜很窄的單色光源，要求所采用的檢測(cè)器具有波長(zhǎng)選擇性，因此系統(tǒng)的檢測(cè)器都采用光子器件。光纖通信系統(tǒng)的接收機(jī)都采用光生伏特型-結(jié)型光電二極管。光檢測(cè)器分三個(gè)波段：

★短波長(zhǎng)光檢測(cè)器：用于0.85μm波段；

★長(zhǎng)波長(zhǎng)光檢測(cè)器：用于1.31μm和1.55μm波段。

★超長(zhǎng)波檢測(cè)器：氟化物玻璃光纖、重金屬氧化物和硫化物玻璃等材料制成的光纖，這些新型光纖最低損耗窗口出現(xiàn)在2～6μm波段。波長(zhǎng)比2μm還要長(zhǎng)的稱(chēng)為“超長(zhǎng)波”，遠(yuǎn)比石英光纖損耗低。3.2.1光電轉(zhuǎn)換原理

光電效應(yīng)：某些半導(dǎo)體受到光照射時(shí)，其中的電子會(huì)接受光能而激發(fā)到高能態(tài)上。也就是說(shuō)，半導(dǎo)體中被原子束縛的載流子吸收光后能激發(fā)成為自由載流子。這種現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。半導(dǎo)體光檢測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換就是基于這種光電效應(yīng)。

光電二極管（PD-photodetector）最簡(jiǎn)單的光檢測(cè)器，利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。光電效應(yīng)：由于光的受激吸收將價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶產(chǎn)生光生載流子，受內(nèi)建電場(chǎng)的作用，光生載流子的電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，在PN結(jié)兩邊形成電動(dòng)勢(shì),外部有回路時(shí)，則產(chǎn)生光生電流。耗盡區(qū)光耗盡區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)將阻止多數(shù)載流子繼續(xù)向?qū)Ψ綌U(kuò)散，達(dá)到了平衡狀態(tài)。在足夠強(qiáng)的光照射下，產(chǎn)生光生載流子，由于其運(yùn)動(dòng)，在結(jié)區(qū)形成光生電場(chǎng)和光生電動(dòng)勢(shì)。PN結(jié)的反偏作用：加大耗盡區(qū)的寬度，加強(qiáng)漂移電流的影響，減少擴(kuò)散電流的比例，但降低了響應(yīng)速度。同時(shí)，提高了電光轉(zhuǎn)換效率。光若不加反向偏置，光生電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)相抵消，耗盡區(qū)消失，光生電子與空穴不斷復(fù)合消失，不能形成外部電流。3.2.2

PIN光電二極管

雖然P－N結(jié)有光電效應(yīng)，實(shí)際上卻并不適合做光纖通信檢測(cè)器。因?yàn)檫@種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)沒(méi)法減低暗電流和提高響應(yīng)率，器件的穩(wěn)定性也很差。

PIN光電二極管改進(jìn)了P－N結(jié)的結(jié)構(gòu)，它在P型層和N型層之間夾有一本征半導(dǎo)體I層（intrinsicsemiconductor），形成了P－I－N結(jié)構(gòu)而得名。特點(diǎn)：I區(qū)的耗盡區(qū)很寬，入射光很容易產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，形成飄移電流；提高了響應(yīng)速度。另外，I區(qū)的吸收系數(shù)小,因而光電轉(zhuǎn)化效率高

圖3.15

PIN－PD的應(yīng)用電路優(yōu)點(diǎn)：

(1)I區(qū)比P區(qū)、N區(qū)厚許多。由圖3.15表明，入射光能在較寬的范圍內(nèi)激發(fā)出載流子，使產(chǎn)生載流子的機(jī)會(huì)增加，因而提高了器件的響應(yīng)率。

(2)整個(gè)I區(qū)內(nèi)有電場(chǎng)，光生載流子獲得較擴(kuò)散速度快得多的漂移速度奔向電極形成外部電流，因此它的響應(yīng)速度提高了。

(3)耗盡區(qū)拉寬，使結(jié)電容減小，有利于高頻響應(yīng)。如圖3.16的PIN光電二極管的等效電路所示，Cj減小時(shí)，光電流Ip中的高頻成分旁路作用減少，因而提高了器件的頻率響應(yīng)。圖中，Rj為結(jié)區(qū)漏電阻；RS為結(jié)區(qū)和引線的串聯(lián)電阻；RL為負(fù)載電阻。圖3.16

PIN－PD的等效電路

為了克服器件光面厚度造成的“短波限”，可采用光從側(cè)面入射的方法（例如，從圖3.15中，橫向照射I區(qū)），或利用異質(zhì)結(jié)的“窗口”效應(yīng)來(lái)達(dá)到。橫向入射還可以提高響應(yīng)速率，雖然該法不適用于平面結(jié)構(gòu)的器件，但是在電子集成電路中卻被廣泛采用。3.2.3雪崩光電二極管

將光電二極管的反偏壓不斷增加，P－N結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)增高，光生載流子漂移速度加快，當(dāng)電場(chǎng)增高到一定值時(shí)，高速漂移的載流子從晶格中碰撞出“二次電子”，二次電子與原電子又加速碰撞出更多的電子，這種現(xiàn)象稱(chēng)為碰撞電離。它是一種連鎖式反應(yīng)，導(dǎo)致載流子雪崩式的猛增，外部電路的光電流相應(yīng)地增大，這就是雪崩倍增機(jī)原理，也就是雪崩光電二極管（APD）的工作原理。

APD載流子雪崩式倍增示意圖高電場(chǎng)光一次電子3.2.4光檢測(cè)器的特性

1.響應(yīng)度R

在給定波長(zhǎng)的光照射下，光檢測(cè)器輸出的平均電流與入射的光功率平均值之比稱(chēng)響應(yīng)率或響應(yīng)度。簡(jiǎn)言之，響應(yīng)度為輸入單位光功率產(chǎn)生的平均輸出電流，R的單位為A/W或μA/μW。其表達(dá)式為（3－2）式中：IP為光電流的平均值；P為入射光功率平均值。一般，PIN－PD和APD的響應(yīng)率為0.3～0.7μA/μW。習(xí)慣上將APD的響應(yīng)率與倍增因子的乘積定義為APD的靈敏度。對(duì)無(wú)倍增因子的光電二極管靈敏度與響應(yīng)率是一個(gè)含義。

2.量子效率η

響應(yīng)率是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，量子效率是內(nèi)部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率是能量為hv的每個(gè)入射光子所產(chǎn)生的電子-空穴載流子對(duì)的數(shù)量（3－3）（3－4）式中：e是電子電荷；v為光頻。已知R=IP/P，所以η與R可以相互換算（以v=c/λ代入）（3－5）按現(xiàn)有水平制作的光電二極管，入射100個(gè)光子可產(chǎn)生30～95個(gè)電子-空穴對(duì)，所以η在30%～95%之間。η與R都與波長(zhǎng)λ有關(guān)。若將h、c、e的常數(shù)代入，且未知波長(zhǎng)λ以μm值代入，可獲得R和η的實(shí)用公式（3－6）（3－7）R制作一個(gè)高量子效率或高響應(yīng)率的光電二極管需要注意以下三個(gè)方面：

(1)光敏面要做的很薄。因?yàn)楣饷裘媸歉邠诫s的材料，這里產(chǎn)生的光生載流子需要在零場(chǎng)區(qū)經(jīng)過(guò)緩慢擴(kuò)散，才能達(dá)到耗盡區(qū)成為外部光電流，一些載流子在擴(kuò)散過(guò)程中常常被復(fù)合而消失。極薄的光敏面可使光生載流子復(fù)合的機(jī)率減小，大部分能順利地到達(dá)耗盡區(qū)，從而提高了量子效率。

(2)耗盡區(qū)要足夠?qū)?，這是因?yàn)槿肷涞娜獬潭寄墚a(chǎn)生載流子。在0.9μm波長(zhǎng)光能穿入硅內(nèi)深約17μm。因此，按圖3－18的Si－RAPD結(jié)構(gòu)中，（N+-P-π）三層的厚度總和應(yīng)大于17μm，才能保證全光程產(chǎn)生載流子。如果厚度小了，量子效率降低。一般π區(qū)需取30～50μm。

(3)為了減小光敏面的光反射損失，可在其表面鍍一層抗反射膜（增透膜），以提高量子效率。

3.截止波長(zhǎng)

光檢測(cè)器響應(yīng)度是與工作波長(zhǎng)有關(guān)的。由光電轉(zhuǎn)換原理可知，對(duì)于禁帶寬度Eg=E2-E1的半導(dǎo)體材料，只有在光子能量E=hv>Eg時(shí)，才能使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光電效應(yīng)。

v·λ=c，v=c/λ=>E=hv=hc/λ。

當(dāng)λ>λc時(shí)，E<Eg，就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)了。

λc——光檢測(cè)器的波長(zhǎng)（注意不要與單模光纖的截止波長(zhǎng)相混淆。光檢測(cè)器的截止波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生光電效應(yīng)臨界點(diǎn)；而單模光纖的截止波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于單模傳輸?shù)呐R界點(diǎn)）。(1)λ>λc，響應(yīng)度下降。

(2)λ<λc，半導(dǎo)體材料有吸收作用。波長(zhǎng)越短，吸收越嚴(yán)重，結(jié)果使大量的入射光子不能深入到耗盡區(qū)的內(nèi)部，在光電二極管的表層就被吸收了。又因反向偏壓主要加在PN結(jié)附近的耗盡區(qū)，表層往往存在一個(gè)零電場(chǎng)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域里產(chǎn)生的電子空穴對(duì)不能有效轉(zhuǎn)換成光電流。因此，光電轉(zhuǎn)換效率將隨波長(zhǎng)變短大大下降。圖3.19量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系

不同的材料能級(jí)結(jié)構(gòu)不一樣，禁帶寬度Eg也不一樣，截止波長(zhǎng)λc就各不相同。例如，Ge材料λc≈1.6μm，Si材料λc≈0.85μm。長(zhǎng)波限取決于禁帶寬度，短波限取決于吸收系數(shù)，長(zhǎng)波限與短波限之間就是器件的光譜響應(yīng)范圍。所以某種特定半導(dǎo)體材料制造的光檢測(cè)器，只能檢測(cè)某個(gè)波長(zhǎng)范圍的光信號(hào)（在這個(gè)范圍內(nèi)，R近似為一個(gè)常數(shù)，光電流Ip是正比于光功率P的），而用不同的半導(dǎo)體材料制作的光檢測(cè)器具有不同的光譜效應(yīng)。例如，Ge：λ=1.3μm時(shí)，R=0.45μA/μW；InGaAs：λ=1.3μm時(shí)，R=0.6μA/μW。

4.響應(yīng)速度或響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)速度(或響應(yīng)時(shí)間)：光電二極管對(duì)光信號(hào)變化的反應(yīng)速度圖3.20光電二極管的響應(yīng)時(shí)間上升時(shí)間：輸出電脈沖前沿的10%上升到99%所需的時(shí)間下降時(shí)間：而將后沿的99%下降到10%所需的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快，反之亦同。響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短直接影響光電二極管所能接收的最高傳輸速率，因此越短越好。光電二極管具有一定的響應(yīng)時(shí)間是因?yàn)楣馍d流子的產(chǎn)生、移動(dòng)和復(fù)合等都需要一定的時(shí)間，所以響應(yīng)時(shí)間取決于耗盡區(qū)內(nèi)光生載流子的漂移時(shí)間、P區(qū)內(nèi)和N區(qū)內(nèi)光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間及P－N結(jié)的結(jié)電容和外電路的負(fù)載電阻。

5.倍增因子

提高光接收機(jī)的靈敏度可從提高信噪比（S/N）著手，S/N的定義為

PIN光電二極管具有很低的噪聲，但它不能放大信號(hào)，S/N不大。雪崩光電二極管雖然噪聲較大，但它的內(nèi)部增益有利于提高S/N，所以較多地被采用。雪崩光電二極管APD器件有放大作用，其放大作用用倍增因子G表示，定義為（3－8）

對(duì)突變結(jié)APD，倍增因子可用下式表示:（3－9）式中:G為倍增因子；V1為反向工作電壓；VB為擊穿電壓；n是一個(gè)與材料性質(zhì)、器件結(jié)構(gòu)、輻射條件有關(guān)的指數(shù)，其值小于1，由經(jīng)驗(yàn)決定。設(shè)在工作電壓下，當(dāng)Idp《Ipp<<IR<<VB時(shí)，經(jīng)過(guò)不太復(fù)雜的推導(dǎo)，得最大倍增因子表示式近似為(3－10)

6.暗電流

暗電流：光電二極管在反偏狀態(tài)下，無(wú)光入射時(shí)器件輸出的反向直流電流。

暗電流是器件處于反偏下的電流，因此數(shù)量級(jí)很?。ㄒ话銥閚A量級(jí)）。但它帶來(lái)的噪聲位于光接收機(jī)的最前端，其影響是不能忽視的。顯然，暗電流越小越好。Ge材料通常達(dá)到幾百納安，而InGaAs材料暗電流較小。

溫度變化對(duì)APD暗電流的影響顯著。暗電流的增大將使接收機(jī)的靈敏度下降。普通光電二極管的暗電流很小，只有幾個(gè)納安。SiPIN和APD用于短波長(zhǎng)(0.85μm)光纖通信系統(tǒng)。InGaAsPIN用于長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31μm和1.55μm)系統(tǒng).光電二極管一般性能和應(yīng)用APD：用于靈敏度要求較高的地方，有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)的傳輸距離,但需要較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路,造價(jià)高.PIN：靈敏度要求不高的地方，便宜實(shí)用中,通常把它和使用場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，構(gòu)成FETPIN接收組件，以進(jìn)一步提高靈敏度，改善器件的性能。 3.3

EDFA光纖放大器

3.3.1光放大器的類(lèi)型

光放大器的類(lèi)型主要有三類(lèi)：半導(dǎo)體激光放大器、非線性光學(xué)放大器和摻稀土金屬光纖放大器。

1.半導(dǎo)體激光放大器

半導(dǎo)體激光放大器分類(lèi)：

(1)法布里-泊羅半導(dǎo)體激光放大器(FPA)；

(2)行波放大器：它的放大作用是在光波的行進(jìn)過(guò)程中獲得的。

是在F－P激光器的兩個(gè)端面上涂有防反射膜，用來(lái)獲得寬頻帶、高輸出、低噪聲。

半導(dǎo)體激光放大器的工作原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理相同，在電泵浦源的作用下，半導(dǎo)體材料發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)遇到外來(lái)光子激勵(lì)時(shí)，產(chǎn)生受激輻射，對(duì)光的能量進(jìn)行放大。不同的是半導(dǎo)體激光放大器沒(méi)有設(shè)置諧振腔，這是為了提高單位長(zhǎng)度的光信號(hào)增益。

2.非線性光學(xué)放大器

非線性光學(xué)放大器是利用光纖中的非線性現(xiàn)象進(jìn)行放大的，即利用受激拉曼散射和布里淵散射現(xiàn)象進(jìn)行放大。其工作原理：當(dāng)單色光射入物質(zhì)時(shí)，入射光與該物質(zhì)的光學(xué)聲子相互作用，就在散射光中產(chǎn)生位移一定波長(zhǎng)的斯托克斯光。當(dāng)把泵浦光與信號(hào)光一起注入單模光纖時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生從泵浦光功率向信號(hào)光功率轉(zhuǎn)換的過(guò)程，使光信號(hào)獲得放大。

3.摻稀土金屬光纖放大器

摻鉺光纖放大器和摻鐠光纖放大器都屬于摻稀土金屬光纖放大器。摻鉺光纖放大器是一種很有前途的放大器，它是利用光纖的非線性效應(yīng)來(lái)制作的，在現(xiàn)代光纖線路中特別是在全光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。下面主要介紹摻鉺光纖放大器。3.3.2

EDFA的組成

摻鉺光纖放大器簡(jiǎn)稱(chēng)EDFA。ＥＤＦＡ是在石英光纖中摻入Er元素，在泵浦光的激勵(lì)下，對(duì)特定波長(zhǎng)的信號(hào)光進(jìn)行放大。其工作波長(zhǎng)為1.55μm。Ｅ１Ｅ２Ｅ３能量基態(tài)泵浦光亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)態(tài)受激吸收無(wú)輻射躍遷輸入光信號(hào)受激輻射輸出光放大信號(hào)光聲子在泵浦光源的激勵(lì)下，摻鉺光纖基級(jí)上的電子產(chǎn)生受激吸收被激發(fā)到到高的激發(fā)能級(jí)上，繼而馬上下降到稍低的亞穩(wěn)態(tài)級(jí)，與基級(jí)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)信號(hào)光滿足hν=Eg時(shí)，將產(chǎn)生受激輻射激發(fā)同頻同偏振方向的光子，從而對(duì)光產(chǎn)生放大。3.3.3

EDFA的工作原理

合波器光濾波器泵浦光源ＥＤＦ（摻鉺光纖）信號(hào)光光隔離器光隔離器放大的信號(hào)光將輸入光信號(hào)和泵浦光混合在一起送給ＥＤＦ輸出一個(gè)較短波長(zhǎng)的激光為ＥＤＦ提供激勵(lì)防止反射光影響光放大器的工作穩(wěn)定性。提供能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，放大光信號(hào)。清除放大器的噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比

設(shè)計(jì)高增益摻鉺光纖(EDF)是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵，EDF的增益取決于Er3+的濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。圖3.21

EDFA示意圖

1.摻鉺光纖（ErbiurDopedFiber，EDF）

EDF是使EDFA具有放大特性的關(guān)鍵技術(shù)之一。它多用石英光纖作為基質(zhì)，也有采用氟化物光纖的。在細(xì)微的光纖芯子中摻入固體激光工作物質(zhì)——鉺離子。

集心摻雜：在光纖中，可認(rèn)為信號(hào)光與泵浦光的場(chǎng)近似高斯分布，在光纖芯子軸線上的光強(qiáng)最強(qiáng)。所以，摻雜時(shí)盡量使雜質(zhì)粒子集中在近軸區(qū)域，以使光與物質(zhì)的作用最充分，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率。

EDFA在1.55μm波段的自發(fā)輻射強(qiáng)度很大，因而可對(duì)該波段的光進(jìn)行放大。其增益譜寬可達(dá)35nm甚至更寬，增益高達(dá)40dB。對(duì)給定的摻鉺光纖，須對(duì)EDFA進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用合適的光纖長(zhǎng)度，使信號(hào)得到充分放大，同時(shí)得到較低的噪聲。

2.泵浦源

泵浦源是EDFA的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。它將粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)使之處于粒子反轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而產(chǎn)生放大。

實(shí)用化的EDFA采用InGaAsP半導(dǎo)體激光器做泵浦源。對(duì)它的要求是高輸出功率、長(zhǎng)壽命。

泵浦源可取不同的波長(zhǎng)，這些波長(zhǎng)必須短于放大信號(hào)的波長(zhǎng)（其能量E≥hf），且須選在摻鉺光纖的吸收帶內(nèi)?，F(xiàn)用的最多的是0.98μm的泵浦源，因其噪聲低、效率高。有時(shí)用1.48μm的泵浦源，因其與放大信號(hào)波長(zhǎng)相近，在分布式EDFA中更適用。ＥＤＦＡ的三種結(jié)構(gòu)方式１.同向泵浦方式合波器光隔離器光隔離器濾波器泵浦光源優(yōu)點(diǎn)：噪聲小

缺點(diǎn)：輸出光功率不大2.反向泵浦方式合波器光隔離器光隔離器光濾波器泵浦光源優(yōu)點(diǎn)：輸出光功率大缺點(diǎn)：噪聲大3、雙向泵浦方式合波器光隔離器光隔離器光濾波器泵浦光源泵浦光源表3.10摻鉺光纖放大器性能指標(biāo)泵浦功率一定下,增益、噪聲指數(shù)和輸出信號(hào)光功率與輸入信號(hào)光功率的關(guān)系。EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)：

(1)工作波長(zhǎng)正好落在光纖通信最佳波段(1500～1600nm)；其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達(dá)0.1dB。(2)增益高，約為30～40dB;飽和輸出光功率大，約為0～15dBm;增益特性與光偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)。(3)噪聲指數(shù)小，一般為4～7dB;用于多信道傳輸時(shí)，隔離度大，無(wú)串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。(4)頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度為20～40nm，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。

3.4無(wú)源光器件

3.4.1光纖連接器

光纖連接器是可以裝拆的，常用于機(jī)-線連接或線-線連接的一類(lèi)器件，有時(shí)也叫活動(dòng)光纖連接器，俗稱(chēng)“活接頭”?！镌恚簩筛枰B接的光纖端面拋光、對(duì)準(zhǔn)、貼緊就實(shí)現(xiàn)了光纖的連接。

★分類(lèi)：

(1)按傳輸媒介：硅基光纖單模、多模連接器；以塑膠等為傳輸媒介的光纖連接器。

(2)按接頭結(jié)構(gòu)形式：FC、SC、ST、LC、MTRJ、MPO、MU、SMA、FDDI、E2000、DIN4、D4等各種形式。目前廣泛使用的連接器有三種端面接觸形式：

★平面接觸型FC(FaceConnect)：FC型連接端面為一垂直光纖芯軸，無(wú)凹凸不平的拋光平面。反射損耗系數(shù)在40dB。

優(yōu)點(diǎn)：加工簡(jiǎn)單、工藝成熟、成本低。

缺點(diǎn)：端面不是絕對(duì)平面，因而存在菲涅爾反射，增加損耗，返回光源，使光源輸出不穩(wěn)定。

★物理接觸型PC型(PhysicalConnect)：PC型的端面為拋光的球面，光纖芯子位于球冠的中心而減少了菲涅爾反射。(48dB)

★角度物理接觸APC型(AnglePhysicalConnect)：APC型的端面拋光成球面外，還使端面法線與軸線成一定的角度，使光難以返回光源。(55dB)

FC：外部加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。SC：連接方式是插拔耦合式，為非螺旋插口，外殼是矩形，典型值為2.5mm圓柱形套管單芯連接器，具有插頭－轉(zhuǎn)接器－插頭式結(jié)構(gòu)。ST：?jiǎn)涡具B接器的一種，主要特征是有一個(gè)卡口鎖緊機(jī)構(gòu)和一個(gè)直徑為2.5mm圓柱形套筒對(duì)中結(jié)構(gòu)，具有插頭－轉(zhuǎn)接器－插頭和插頭/插座結(jié)構(gòu)LC：采用操作方便的模塊化插孔（RJ）閂鎖機(jī)理制成。帶狀陣列式連接器光纖連接器技術(shù)要求有以下幾項(xiàng)：

(1)插入損耗：定義為連接器的輸入光功率與輸出光功率之比的分貝值。

影響光纖連接器衰減的因素：①參數(shù)不匹配：間隙橫向偏移傾斜角端面不平

②耦合缺陷：(2)重復(fù)性：指重復(fù)使用時(shí)由于磨損引起的插入損耗變化量。

(3)互換性：指同類(lèi)的光纖連接器互換以后插入損耗變化量。

(4)壽命：指保證一定指標(biāo)條件下的插拔次數(shù)。表3.11國(guó)產(chǎn)FC型連接器主要性能指標(biāo)3.4.2光衰減器

光衰減器的作用是對(duì)光能量進(jìn)行預(yù)期的衰減，使光能量減少。光衰減器的使用場(chǎng)合有光通信系統(tǒng)的指標(biāo)測(cè)量、短距離通信系統(tǒng)的信號(hào)衰減以及系統(tǒng)試驗(yàn)等。分類(lèi)：

(1)按光信號(hào)的傳輸方式：?jiǎn)文９馑p器和多模光衰減器；

(2)按光信號(hào)的接口方式：尾纖式光衰減器和連接器端口式光衰減器；

(3)按光信號(hào)的衰減方式：可調(diào)光衰減器固定光衰減器：衰減量固定；可變光衰減器{即階躍式可變連續(xù)可變式圖3.23光衰減器示意圖光衰減器的衰減機(jī)理反射吸收遮去(1)反射機(jī)理：光纖衰減片(2)利用吸收光的衰減片(3)遮光機(jī)理：它是通過(guò)輸入、輸出光束對(duì)準(zhǔn)偏差的控制來(lái)改變光耦合量的大小，從而達(dá)到改變衰減量的目的?？勺兯p器雙輪式可變衰器自聚焦透鏡自聚焦透鏡粗擋板10dB/檔精擋板1dB/檔厚分檔衰減器連續(xù)衰減器3.4.3波分復(fù)用器

多波長(zhǎng)波分復(fù)用器件一般指4波長(zhǎng)以上器件，對(duì)于密集型(DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing)器件，有4波長(zhǎng)、8波長(zhǎng)、16波長(zhǎng)幾種。研制產(chǎn)品的波長(zhǎng)為1550nm和1310nm?？紤]到摻鉺光纖放大器的需要，又考慮到波長(zhǎng)在1550nm區(qū)域具有更小的損耗，所以一般研制產(chǎn)品的波長(zhǎng)為1550nm。信道頻率間隔為10GHz，在理想情況下，一根光纖可以容納3000個(gè)信道。17700GHz12500GHz3000個(gè)信道為了擴(kuò)大傳輸容量，還可以進(jìn)一步減小信道間隔，稱(chēng)為密集波分復(fù)用(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)。目前，“摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復(fù)用(WDM)+非零色散光纖(NZDSF，即G.655光纖)+光子集成(PIC)”正成為國(guó)際上長(zhǎng)途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。WDM系統(tǒng)的基本形式

雙纖單向傳輸。單向WDM傳輸是指所有光通路同時(shí)在一根光纖上沿同一方向傳送。(2)單纖雙向傳輸雙向WDM傳輸是指光通路在一根光纖上同時(shí)向兩個(gè)不同的方向傳輸。光纖波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵器件是復(fù)用器與去復(fù)用器。其共同的要求是復(fù)用信道數(shù)量要足夠大，插入損耗小，串音衰耗大和通帶范圍寬。從原理上講，波分復(fù)用器與波分去復(fù)用器是相同的，只要改變輸入、輸出方向。在實(shí)際上波分復(fù)用器與波分去復(fù)用器有所不同。由于去復(fù)用器的輸出光纖直接與光檢測(cè)器相連，芯徑與數(shù)值孔徑可以做得大些。這樣既可減少損耗，又可降低加工精度要求。因此，制造低插入損耗的去復(fù)用器并不太難。而復(fù)用器的輸出光纖必須為傳輸光纖，不能任意加大芯徑和數(shù)值孔徑。若減小輸入光纖的芯徑和數(shù)值孔徑，則又增加光源到輸入光纖的耦合損耗，所以復(fù)用器的插入損耗一般比較大。圖3.24是一個(gè)四波長(zhǎng)波分復(fù)用器示意圖，表3.13為波分復(fù)用器的主要性能指標(biāo)。光復(fù)用器和去復(fù)用器又可以分為有波長(zhǎng)選擇性和非波長(zhǎng)選擇性?xún)煞N。非波長(zhǎng)選擇性的只有少數(shù)情況下作合路用，而有波長(zhǎng)選擇性的可作為光去復(fù)用器或光復(fù)用器用。因?yàn)楣馊?fù)用器要把各種不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)，所以必須采用有波長(zhǎng)選擇性的無(wú)源器件。

有選擇性的光波分復(fù)用器與光波分去復(fù)用器從分光原理上可分為棱鏡型、衍射光柵型和干涉膜濾光片型三種。波分復(fù)用器的主要性能指標(biāo)如下：

(1)插入損耗：該無(wú)源器件的輸入和輸出端口之間的光功率之比。

Pi為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率；Po為從輸出端口接收到的光功率。

產(chǎn)生原因：由于波分復(fù)用器的引入而產(chǎn)生的功率損耗。

它包括：波分復(fù)用器本身的損耗以及波分復(fù)用器與光纖的連接損耗。

(2)串?dāng)_抑制度。串?dāng)_是指其他信道的信號(hào)耦合進(jìn)某一信道，并使該信道傳輸質(zhì)量下降的影響程度，有時(shí)也可用隔離度來(lái)表示這一程度。對(duì)于解復(fù)用器

其中Pi是波長(zhǎng)為λi的光信號(hào)的輸入光功率，Pij是波長(zhǎng)為λi的光信號(hào)串入到波長(zhǎng)為λj信道的光功率。(3)回波損耗?；夭〒p耗是指從無(wú)源器件的輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比，即

其中:Pj為發(fā)送進(jìn)輸入端口的光功率，Pr為從同一個(gè)輸入端口接收到的返回光功率。(4)反射系數(shù)。反射系數(shù)是指在WDM器件的給定端口的反射光功率P