光纖通信劉增基第3章配套自學(xué)ppt

1、第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件 3.1 光源光源 3.2 光檢測器光檢測器 3.3 光無源器件光無源器件返回主目錄第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件 通信用光器件可以分為有源器件和無源器件兩種類型。 有源器件包括光源、光檢測器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、 光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等，這些器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。 本章介紹通信用光器件的工作原理和主要特性， 為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供選擇依據(jù)。 3.1光源光源 光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，

2、其功能是把電信號轉(zhuǎn)換為光信號。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)， 有些場合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。 本節(jié)首先介紹半導(dǎo)體激光器(LD)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和主要特性，然后進(jìn)一步介紹性能更優(yōu)良的分布反饋激光器(DFB - LD)，最后介紹可靠性高、壽命長和價(jià)格便宜的發(fā)光管(LED)。 3.1.1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LASE

3、R就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激輻射的光放大)的縮寫。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。 1. 受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 有源器件的物理基礎(chǔ)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，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2, 3, 4 )稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式(見圖3.1)： 圖 3.1能級和電子躍遷(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)

4、(b)hf12(c)hf12hf12 (1) 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴，見圖3.1(a)。 (2) 在高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用， 也會自動地躍遷到低能級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，見圖3.1(b)。 (3) 在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級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，見圖3.1(c)。 受激輻射是受激吸收的逆過程。 電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，吸收

5、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。 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E1和處于高能級E2(E2E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下面的分布式中， k=1.38110-23J

6、/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)0，T0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1N2。 這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?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，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減， 這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。 如果N2N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。N2N1的分布，和正常狀態(tài)(N1N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。問題是如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢? 這個問題將在下面加以敘述。 2. PN結(jié)的能帶和電子分布結(jié)的能

7、帶和電子分布 半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。 在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級連續(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。電子不可能占據(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)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概

8、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)帶上幾乎沒有電子，價(jià)帶上填滿電子。Ef稱為費(fèi)米能級，用來描述半導(dǎo)體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)。 在費(fèi)米能級，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。 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；(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 h fh fEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場外加電場電子，空穴( c )勢壘能量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 擴(kuò)散 漂移( a )

9、 一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對出現(xiàn)的， 用Ef位于禁帶中央來表示，見圖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)帶的空穴相對減少，見圖3.2(b)。在本征半導(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)帶的空穴相對增多，見圖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，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動，形成內(nèi)部電場， 見圖3.3(a)。內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運(yùn)動處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜，見圖3.3

10、(b)。這時(shí)在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。 電子運(yùn)動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動，最后在PN結(jié)形成一個特殊的增益區(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，見圖3.3(c)。在電子和空穴擴(kuò)散過程中，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。 基本的光學(xué)諧振腔由兩個反射率

11、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。 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，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)， 在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩， 其閾值條件為 圖 3.4激光器的構(gòu)成和工作原理 (a) 激光振蕩； (b) 光反饋 2n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)

12、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為諧振腔的長度，R1，R21為兩個反射鏡的反射率激光振蕩的相位條件為L=q qnLn22或 式中，為激光波長，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1, 2, 3 稱為縱模模數(shù)。 4. 半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)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)是圖3.5示出的雙異質(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。圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)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

13、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激光器工作原理。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)比有源層高，對注入電子形成了勢壘， 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。 圖 3.6DH激光器工作原理(a) 短波長； (b) 長波長 (a) 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)； (b) 能帶； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 PG a1 xAlxA sPG a A sNGa1 yAlyA s復(fù)合空穴異質(zhì)勢

14、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，對注入電子形成了勢壘，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。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)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。 3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性半導(dǎo)體激光器的主要特性 1. 發(fā)射波長和光譜特性發(fā)射波長和光譜特性

15、半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(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， 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 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。鎵鋁砷 -鎵砷(GaAlAsGaAs)材料適用于0.85 m波段，銦鎵砷磷 - 銦磷(InGaAsPInP)材料適用于1.31.55 m波段。參看圖3.5(b)。 圖3.7是GaAlAsDH激光器的光譜特性。在

16、直流驅(qū)動下， 發(fā)射光波長有一定分布，譜線具有明顯的模式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶都是由許多連續(xù)能級組成的有一定寬度的能帶，兩個能帶中不同能級之間電子的躍遷會產(chǎn)生連續(xù)波長的輻射光。 其中只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長存在。 這些波長取決于激光器縱向長度L，并稱為激光器的縱模。 由圖3.7(a)可見，隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少， 譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。 圖3.7(b)是300 Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性， 由圖可見，隨著調(diào)制電

17、流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。用FP諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如采用分布反饋激光器就可達(dá)到目的。 圖 3.7GaAlAsDH激光器的光譜特性 (a) 直流驅(qū)動; (b) 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制 2. 激光束的空間分布激光束的空間分布 激光束的空間分布用近場和遠(yuǎn)場來描述。近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。圖3.8是GaAlAsDH激光器的近場圖和遠(yuǎn)場圖， 近場和遠(yuǎn)場是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度t所決定，并稱為激光

18、器的橫模。由圖3.8可以看出， 平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w由寬變窄， 場圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄，這個方向的場圖總是單橫模。 圖 3.8 GaAlAsDH條形激光器的近場圖 W10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近場圖樣0.1rad遠(yuǎn)場圖樣 圖3.9為典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場輻射特性，圖中和分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。 3. 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/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率d表示，其定義是在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù))(edhfththIIpphfe

19、IpeIIhfpppthth/ )(/ )(由此得到 3.-9典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場輻射特性和遠(yuǎn)場圖樣 (a) 光強(qiáng)的角分布； (b) 輻射光束 1.00.80.60.40.2080604020020406080T300 K輻射角(度)相對光強(qiáng)(a)(b) 式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動電流，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。 激光器的光功率特性通常用P -I曲線表示，圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。 當(dāng)IIth時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。 4. 頻率特性頻率特性 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

20、關(guān)系為 P(f)= 2222)/(4)/(1 )0(ffffp 圖 3.10典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性(a) 短波長AlGaAs/GaAs; (b) 長波長InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80工作電流I / mA單面輸出功率P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工作電流I / mA輸出功率P / mW(a)(b) 1(1210IIIIfthhpsp 式中，fr和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=(0.70.8)I

21、th；sp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，ph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。 圖3.11示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率fr是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr為12 GHz。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。 圖 3.11 半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性 0.010.11100.1110100fr調(diào)制頻率f / GHz相對光功率 5. 溫度特性溫度特性 對于線性良好的激光器，輸出光功率特性如式(3.7b)和圖3.10所示。激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因： 一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率d隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，Ith增大，d

22、減小， 輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了當(dāng)以直流電流驅(qū)動激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為 Ith=I0 exp)(0TT 式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫度。GaAlAsGaAs激光器T0=100150 K、InGaAsPInP激光器T0=4070 K，所以長波長InGaAsPInP激光器輸出光功率對溫度的變化更加敏感。 外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感，例如， GaAlAsGaAs激光器在77 K時(shí)d50%，在300 K時(shí)，d30%。 圖3.12示出

23、脈沖調(diào)制的激光器，由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P - I曲線的變化。 圖 3.12 P I曲線隨溫度的變化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射 3.1.3分布反饋激光器分布反饋激光器 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)制下保持動態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長更加穩(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。具有這些特性的動態(tài)單縱模激光器有多種類

24、型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反饋(Distributed Feed Back, DFB)激光器。 普通激光器用FP諧振腔兩端的反射鏡，對激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋，DFB激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱為分布反饋激光器。 如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，從一個方向向另一個方向傳播時(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，而其他波長的光將相互抵消。雖然每個波紋峰反射的光不大

25、， 但整個光柵有成百上千個波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。 光柵周期由下式確定=m eBn2 式中，ne為材料有效折射率，B為布喇格波長，m為衍射級數(shù)。在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為 圖 3.13分布反饋(DFB)激光器 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋 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為光柵長度，其他符號和式(3.10)意義相同。 在普通均勻光柵中，引入一個/4相移變換，使原來的波峰變波谷， 波谷變波峰，可以有效地提高模式選擇性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)動態(tài)單縱模激光器的要求。 DFB激光器與FP激光器相比， 具有以下

26、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定的，由于諧振腔的長度較長，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定。相當(dāng)于FP激光器的腔長L，每一個形成一個微型諧振腔。由于的長度很小，所以m階和(m+1)階模之間的波長間隔比FP腔大得多，加之多個微型腔的選模作用，很容易設(shè)計(jì)成只有一個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。 譜線窄， 波長穩(wěn)定性好。 由于DFB激光器的每一個柵距相當(dāng)于一個FP腔，所以布喇格反射可以看作多級調(diào)諧，使得諧振波長的選擇性大大提高， 譜線明顯變窄，可

27、以窄到幾個GHz。 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，因而波長的穩(wěn)定性得以改善。 動態(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激光器的動態(tài)譜線的展寬要改善一個數(shù)量級左右。 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(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

28、，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔， 沒有閾值。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。 側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動電流較大，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。 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 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，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡單，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

29、要作用。 發(fā)光二極管具有如下工作特性： (1) 光譜特性。 譜線較寬。一般短波長GaAlAsGaAs LED譜線寬度為3050 nm，長波InGaAsPInP LED譜線寬度為60120 nm。隨著溫度升高或驅(qū)動電流增大，譜線加寬，且峰值波長向長波長方向移動，短波長和長波長LED的移動分別為0.20.3 nm/ 和0.30.5 nm/。 圖 3.15LED光譜特性 1300波長 / nm70 nm相對光強(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

30、合效率一般小于10%。 (3) 輸出光功率特性。 一般外微分量子效率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)動電流I較小時(shí)， P - I曲線的線性較好；I過大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P -I 曲線的斜率減小。在通常工作條件下，LED工作電流為50100mA， 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 (4) 頻率特性。 發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為|H(f)|= 2)2(11)0()(e

31、fPfp 式中，f為調(diào)制頻率，P(f)為對應(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。 21 圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響應(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。對有源區(qū)為低摻雜濃度的LED， 適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。在一般工作條件下，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。 圖 3.17 發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng) e 1.1 nse 2.1 nse 6.4 ns10

32、01000100.110調(diào) 制 頻 率 f / MHz頻 率 響 應(yīng) H( f ) 3.1.5半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用ST 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1.3 m(或0.85 m)波長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1.3 m或1.55 m大容量長距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國內(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

33、主要趨勢。 表表 3.2分布反饋激光器分布反饋激光器(DFB - LD)一般性能一般性能 在實(shí)際應(yīng)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。偏置電流和信號電流經(jīng)驅(qū)動電路作用于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)行溫度監(jiān)測和自動溫度控制(ATC)。 3.2光光-檢測器檢測器 3.2.1光電二極管工作原理光電二極管工作原理 光電二極管(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能， 是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。 如3.1節(jié)所述，在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動，形成內(nèi)部電場。內(nèi)部電場

34、使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動方向相反的漂移運(yùn)動，最終使能帶發(fā)生傾斜， 在PN結(jié)界面附近形成耗盡層如圖3.19(a)。當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于或等于帶隙(hfEg)， 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)帶形成光生電子 - 空穴對。 在耗盡層，由于內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動，空穴向P區(qū)運(yùn)動， 形成漂移電流。 在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場作用下， 形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動勢，這種效應(yīng)稱為光電

35、效應(yīng)。 當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)， 便形成了光生電流。 當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子 - 空穴對的運(yùn)動，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(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?，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)動比漂移運(yùn)動慢得多，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，又會增加載流子漂移的渡越時(shí)

36、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)。 3.2.2PIN光電二極管光電二極管 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。 PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖3.20和圖3.21。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。I層很厚， 吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子 - 空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效

37、率。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層， 因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。 圖3. 21 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)抗反射膜光電極(n)PNE電極 PIN光電二極管具有如下主要特性： (1) 量子效率和光譜特性。 光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度表示。量子效率的定義為一次光生電子 -空穴對和入射光子數(shù)的比值 響應(yīng)度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值 = 式中， hf為光子能量， e為電子電荷。 量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。 假設(shè)器件表面反射率為零，P層和N層對

38、量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略， 在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為 圖 3.22光電二極管響應(yīng)度、量子效率 與波長的關(guān)系式中，()和w分別為I層的吸收系數(shù)和厚度。由式(3.15)可以看到，當(dāng)()w1時(shí)，1，所以為提高量子效率， I層的厚度w要足夠大。 量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜()，對長波長的限制由式(3.6)確定，即c=hc/Eg。圖3.22示出量子效率和響應(yīng)度的光譜特性，由圖可見，Si適用于0.80.9m波段，Ge和InGaAs適用于1.31.6 m波段。響應(yīng)度一般為0.50.6 (A/W)。 圖3-22 PIN光電二極管相硬度、 量子效應(yīng)

39、率 與波長 的關(guān)系1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m (W1)Si (2) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性。 光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間或截止頻率fc(帶寬B)表示。對于數(shù)字脈沖調(diào)制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時(shí)間，分別定義為脈沖上升時(shí)間r和脈沖下降時(shí)間f。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脈沖響應(yīng)時(shí)間 =r=f=2.20 (3.16) 對于幅度一定，頻率為=2f的正弦調(diào)

40、制信號，用光生電流I()下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)， fc= (3.17) PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間d和包括光電二極管在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所確定。當(dāng)調(diào)制頻率與渡越時(shí)間d的倒數(shù)可以相比時(shí)， 耗盡層(I層)對量子效率()的貢獻(xiàn)可以表示為()= (3.18) 由()/(0)= 得到由渡越時(shí)間d限制的截止頻率r35. 02102/)2/sin()0(ddww21fc= wvs42. 042. 00 式中，渡越時(shí)間d=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度， 比例于電場強(qiáng)度。由式(3.19)和式(3.18)可

41、以看出， 減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時(shí)間d，從而提高截止頻率fc，但是同時(shí)要降低量子效率。圖3.23示出Si-PIN光電二極管的量子效率與由渡越時(shí)間限制的截止頻率fc(帶寬)和耗盡層寬度w的關(guān)系。 由電路RC時(shí)間常數(shù)限制的截止頻率fc= dtcR21 式中，Rt為光電二極管的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的總和，Cd為結(jié)電容Cj和管殼分布電容的總和。 10100100010000100060020010060 40 20 1064200.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.06 mSi-PIN0.950.900.850.800.6328帶寬 / MHz內(nèi)量子效率耗盡區(qū)寬度 /

42、m400圖3.23 內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系WAcj 式中，為材料介電常數(shù)，A為結(jié)面積，w為耗盡層寬度。 (3) 噪聲。 噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(Shot Noise)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1負(fù)載上消耗的噪聲功率)來描述。 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分別為信號電流和暗電流。 式(3.21)第一項(xiàng)2eIPB稱為量子噪聲，是由于入射光子和所形成的電子 - 空穴對都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)

43、生的。只要有光信號輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲， 它決定光接收機(jī)靈敏度的極限。 式(3.22)第二項(xiàng)2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。 暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流，它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流。暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如SiPIN， Id100nA。 均方熱噪聲電流 i2T= (3.23) 式中，k=1.3810-23J/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RKTB4i2=2e(IP+Id)B+ RKTB4 3

44、.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I和反偏壓U的關(guān)系示于圖3.24。 隨著反向偏壓的增加，開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。 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。如果電壓增加到使電場達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動。高速運(yùn)動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。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

45、圖3.25。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。 圖 3.24 光電二極管輸出電流I和反向偏壓反向偏壓U的關(guān)系的關(guān)系 反向偏壓U光電流暗電流輸出光電流I00UB 圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖I0NPP(N)光 APD的結(jié)構(gòu)有多種類型，如圖3.26示出的N+PP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。在這種類型的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到(P)層，一直抵達(dá)P+接觸層，是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。 1. 倍增因子倍增因子 由于雪崩倍增效應(yīng)是一個復(fù)雜的隨機(jī)過程，所以用這種效應(yīng)對一次光生電流產(chǎn)生的平均增益

46、的倍數(shù)來描述它的放大作用， 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。 圖3.26 APD結(jié)構(gòu)圖電極電極光抗反射膜NPP(P)EPIIg0 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 nBnBURIUUUIg/ )(11)/(100 式中，U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。當(dāng)UUB時(shí)，RIo/UB1)是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲電流應(yīng)為 i2q=2eIPBg2+x (3.26b)式中， x為附加噪聲指數(shù)。 i2d=2eIdBg2+x (3

47、.27) 附加噪聲指數(shù)x與器件所用材料和制造工藝有關(guān)， SiAPD的x=0.30.5，GeAPD的x=0.81.0，InGaAsAPD的x=0.50.7。 當(dāng)式(3.26)和式(3.27)的g=1時(shí)，得到的結(jié)果和PIN相同。 3.2.4光電二極管一般性能和應(yīng)用光電二極管一般性能和應(yīng)用 表3.3和表3.4列出半導(dǎo)體光電二極管(PIN和APD)的一般性能。 APD是有增益的光電二極管，在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場合，采用APD有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離。但是采用APD要求有較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，結(jié)果增加了成本。因此在靈敏度要求不高的場合，一般采用PINPD。 SiPIN和APD用于短波

48、長(0.85m)光纖通信系統(tǒng)。InGaAsPIN用于長波長(1.31 m和1.55 m)系統(tǒng)，性能非常穩(wěn)定， 通常把它和使用場效應(yīng)管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，構(gòu)成FET PIN接收組件，以進(jìn)一步提高靈敏度，改善器件的性能。 這種組件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。新近研究的InGaAsAPD的特點(diǎn)是響應(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信系統(tǒng)。由于GeAPD的暗電流和附加噪聲指數(shù)較大，很少用于實(shí)際通信系統(tǒng)。 3.3光光 無無 源源 器器 件件 一個完整的光纖通信系統(tǒng)，除光纖、光源和光檢測器外， 還需要許多其它光器件，特別是無源器件。這些器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展

49、或性能的提高，都是不可缺少的。 雖然對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、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長、 體積小、價(jià)格便宜， 許多器件還要求便于集成。本節(jié)主要介紹無源光器件的類型、原理和主要性能。 3.3.1連接器和接頭連接器和接頭 連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。表3.5給出光纖連接器的一般性能。 接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實(shí)施。連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無源器件。 連接器有單

50、纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器， 其特性主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度和所用材料。單纖連接器結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中精密套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、效果良好，適宜大規(guī)模生產(chǎn)， 因而得到很廣泛的應(yīng)用。 表表 3.5 光纖連接器一般性能光纖連接器一般性能 圖3.27示出精密套管結(jié)構(gòu)的連接器簡圖，包括用于對中的套管、帶有微孔的插針和端面的形狀(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中實(shí)現(xiàn)連接。 要求光纖與微孔、插針與套管精密配合。對低插入損耗的連接器，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型連接器，光纖端面為平面。 對于高反射損耗的連接器， 要

51、求光纖端面為球面或斜面，實(shí)現(xiàn)物理接觸(PC)型。套管和插針的材料一般可以用銅或不銹鋼， 但插針材料用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，使連接器的壽命(插拔次數(shù))和工作溫度范圍(插入損耗變化0.1 dB)大大改善。 圖 3.27 套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖 光纖套管插針粘結(jié)劑 一種常用的多纖連接器是用壓模塑料形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纖連接器。另一種多纖連接器是把光纖固定在用硅晶片制成的精密V形槽內(nèi)，然后多片疊加并配合適當(dāng)外殼。這種多纖連接器配合高密度帶狀光纜， 適用于接入網(wǎng)或局域網(wǎng)的連接。 對于實(shí)現(xiàn)固定連接的接頭，

52、國內(nèi)外大多借助專用自動熔接機(jī)在現(xiàn)場進(jìn)行熱熔接，也可以用V形槽連接。熱熔接的接頭平均損耗達(dá)0.05 dB/個。 3.3.2光耦合器光耦合器 耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出， 或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。這種器件對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無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。 1. 耦合器類型耦合器類型 圖3.28示出常用耦合器的類型， 它們各具不同的功能和用途。 T形耦合器這是一種22的3端耦合器， 見圖3.28(a)， 其功能是把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖， 或把兩根光纖輸入的光信號組合在

53、一起，輸入一根光纖。圖 3.28 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，見圖3.28(b)，其功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，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?。見圖3.28(c)，光信號從端1傳輸?shù)蕉?， 一部分由端3輸出，端4無輸出；光信號從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器

54、。 波分復(fù)用器/解復(fù)用器(也稱合波器/分波器)這是一種與波長有關(guān)的耦合器，見圖3.28(d)。波分復(fù)用器的功能是把多個不同波長的發(fā)射機(jī)輸出的光信號組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號， 分配給不同的接收機(jī)。波分復(fù)用器/解復(fù)用器將在7.2節(jié)詳細(xì)介紹。 2. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中比較實(shí)用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型，圖3.29圖 3.32示出這三種類型的有代表性器件的基本結(jié)構(gòu)。 圖 3.29光纖型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12個22耦合器組成的88星形耦合器 輸 入 光光 強(qiáng) 度光

55、纖 a光 纖 b 輸 出 光2341(a)(b)123456789101112(c) 光纖型把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件。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3.29(a)和(b)分別示出單模22定向耦合器和多模nn星形耦合器的結(jié)構(gòu)。單模星形耦合器的端數(shù)受到一定限制，通?？梢杂?2耦合器組成，圖3.29(c)示出由12個單模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3.30，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(CL

56、) (3.28a) Pb=sin2(CL) 圖 3.30 光纖型波分解復(fù)用器原理 1、 21212耦合長度光功率ababba 式中，L為耦合器有效作用長度，C為取決于光纖參數(shù)和光波長的耦合系數(shù)。 設(shè)特定波長為1和2，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長度，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，波長隔離度大于20 dB。 微器件型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(一個波長的光透射，另一個波長的光反射)或光柵(不同波長的光有不同

57、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3.31所示。 圖 3.31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作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是SiO2，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選擇元件的波分解復(fù)用器。 3. 主要特性主要特性 說明耦合器

58、參數(shù)的模型如圖3.33所示， 主要參數(shù)定義如下。 NnonocOtOCppPPCR1圖3.32 波導(dǎo)型藕合器光波導(dǎo)開角(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Lt是一個指定輸入端的光功率Pic和一個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)

59、是一個輸入端的光功率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)用器的一般性能。 3.3.3光隔離器與光環(huán)行器光隔離器與光環(huán)行器 耦合器和其他大多數(shù)光無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)際光通信系統(tǒng)中通常也需要非互易器件。隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個方向上傳輸，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

60、的后面，以避免反射光返回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主要參數(shù)，對正向入射光的插入損耗其值越小越好，對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。 首先介紹一下光偏振(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矢量的振動方向。在任何時(shí)刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模。 隔離器工作原理如圖3.34所示。這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光，第一個偏振器的透振方向也在垂直方向， 因此輸入