程控交換與光纖通信

程控交換與光纖通信第一頁，共59頁。如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當的反向偏壓。第二頁，共59頁。

3.2.2PIN光電二極管

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

第三頁，共59頁。圖3.21PIN光電二極管結構第四頁，共59頁。PIN光電二極管具有如下主要特性：(1)量子效率和光譜特性。

光電轉換效率用量子效率η或響應度ρ表示。量子效率η的定義為一次光生電子-空穴對和入射光子數的比值響應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。

量子效率和響應度取決于材料的特性和器件的結構。第五頁，共59頁。圖3.22示出量子效率η和響應度ρ的光譜特性，由圖可見，Si適用于0.8~0.9μm波段，Ge和InGaAs適用于1.3~1.6μm波段。響應度一般為0.5~0.6(A/W)。圖3-22PIN光電二極管響應度、量子效應率與波長的關系第六頁，共59頁。

(2)響應時間和頻率特性。光電二極管對高速調制光信號的響應能力用脈沖響應時間τ。對于數字脈沖調制信號，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%的時間，分別定義為脈沖上升時間τr和脈沖下降時間τf。PIN光電二極管響應時間主要由光生載流子在耗盡層的渡越時間τd和包括光電二極管在內的檢測電路RC常數所確定。第七頁，共59頁。

(3)噪聲。

噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數，它直接影響光接收機的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產生的散粒噪聲(ShotNoise)和由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產生的熱噪聲。

第八頁，共59頁。3.2.3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。當反向偏壓增加到一定數值時，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就是根據這種特性設計的器件。

第九頁，共59頁。圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關系第十頁，共59頁。根據光電效應，當光入射到PN結時，光子被吸收而產生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達到200kV/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動。高速運動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產生新的電子-空穴對。新產生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增，見圖3.25。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。第十一頁，共59頁。圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖第十二頁，共59頁。APD的結構有多種類型，如圖3.26示出的N+PΠP+結構被稱為拉通型APD。在這種類型的結構中，當偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到Π(P)層，一直抵達P+接觸層，是一種全耗盡型結構。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉換效率高、響應速度快和附加噪聲低等優(yōu)點。

圖3.26APD結構圖第十三頁，共59頁。1.倍增因子

由于雪崩倍增效應是一個復雜的隨機過程，所以用這種效應對一次光生電流產生的平均增益的倍數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。第十四頁，共59頁。

2.過剩噪聲因子雪崩倍增效應不僅對信號電流而且對噪聲電流同樣起放大作用.第十五頁，共59頁。

3.2.4光電二極管一般性能和應用

表3.3和表3.4列出半導體光電二極管(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雜的溫度補償電路，結果增加了成本。因此在靈敏度要求不高的場合，一般采用PIN。

第十六頁，共59頁。

Si-PIN和Si-APD用于短波長(0.85μm)光纖通信系統(tǒng)。InGaAs-PIN用于長波長(1.31μm和1.55μm)系統(tǒng)，性能非常穩(wěn)定，通常把它和使用場效應管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，構成FETPIN接收組件，以進一步提高靈敏度，改善器件的性能。第十七頁，共59頁。第十八頁，共59頁。第十九頁，共59頁。3.3光無源器件

無源器件:在光纖傳輸線路中，有一類本身不發(fā)生光電或電光轉換的傳輸器件，稱之為無源器件，如光隔離器、光耦合器、光環(huán)行器等。無源器件的功能各異，概括起來主要是：連接、導向光路；分配、耦合光的能量；合波分波等作用。另一類本身會發(fā)生光電或電光轉換的器件，稱之為有源器件，如激光器、光電檢測器、光放大器等。第二十頁，共59頁。

3.3.1連接器和接頭連接器是實現光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件。作用：光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。

接頭是實現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成，通常在工程現場實施。連接器件是光纖通信領域最基本、應用最廣泛的無源器件。第二十一頁，共59頁。光纖活動連接器可分為單芯型和多芯型。光纖活動連接器也有多模和單模之分。第二十二頁，共59頁。對于單芯型的光纖活動連接器，其結構可分為調心型和非調心型。調心型是指光纖活動連接器內部裝有調心機構,它可調整光纖纖芯的位置,使之達到最佳耦合。非調心型光纖活動連接器內部沒有調心機構,它靠光纖活動連接器結構組件之間的精密配合來達到最佳耦合。第二十三頁，共59頁。表3.1光纖活動連接器第二十四頁，共59頁。第二十五頁，共59頁。第二十六頁，共59頁。常用的套筒結構主要由兩部分組成，一是套筒，二是插針。連接器的插針和套筒可用不銹鋼、硬質合金和陶瓷材料制作。第二十七頁，共59頁。光纖活動連接器的主要性能指標有：

(1)插入損耗：因接入光纖活動連接器對光信號帶來的附加損耗，一般在0.5dB以下。(2)重復性：即每次插拔后其損耗的變化范圍，一般應小于±0.1dB。

(3)互換性：是指同一種連接器不同插針替換時損耗的變化范圍，一般應小于±0.1dB。(4)插拔次數：連接器具有上述損耗參數范圍內插拔的次數，一般應在千次以上。第二十八頁，共59頁。

3.3.2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。1.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。

第二十九頁，共59頁。圖3.28常用耦合器的類型第三十頁，共59頁。

T形耦合器功能:把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖組合在一起。用途：不同分路比的功率分配器或功率組合器星形耦合器功能: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。用途：多端功率分配器。

定向耦合器功能:取出光纖中向不同方向傳輸的光信號。用途:可用作分路器，不能用作合路器。波分復用器/解復用器(也稱合波器/分波器)這是一種與波長有關的耦合器，第三十一頁，共59頁。

2.基本結構

耦合器的結構有許多種類型，其中比較實用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導型。

光纖型是把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術制作各種器件。第三十二頁，共59頁。圖3.29光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個2×2耦合器組成的8×8星形耦合器第三十三頁，共59頁。圖3.30光纖型波分解復用器原理圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復用/解復用器。第三十四頁，共59頁。圖3.30中光纖a(直通臂)傳輸的輸出光功率為Pa，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據耦合理論得到

Pa=cos2(CλL)(3.28a)

Pb=sin2(CλL)

式中，L為耦合器有效作用長度，Cλ為取決于光纖參數和光波長的耦合系數。第三十五頁，共59頁。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反射方向)等微光學器件可以構成T型耦合器、定向耦合器和波分解復用器，如圖3.31所示。第三十六頁，共59頁。

圖3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器(b)定向耦合器(c)濾光式解復用器(d)光柵式解復第三十七頁，共59頁。

波導型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層。波導的材料根據器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。第三十八頁，共59頁。圖3.32波導型藕合器第三十九頁，共59頁。第四十頁，共59頁。3.主要特性

耦合比CR是一個指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的功率總和Pot的比值第四十一頁，共59頁。附加損耗Le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=10lg

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第四十二頁，共59頁。

方向性DIR(隔離度)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第四十三頁，共59頁。3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。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的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。第四十四頁，共59頁。

插入損耗和隔離度是隔離器的兩個主要參數，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。首先介紹一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中傳輸的光的偏振態(tài)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。

第四十五頁，共59頁。法拉第旋轉器：由旋光材料組成，能使光的偏振態(tài)旋轉一定角度，并且其旋轉方向與光傳播方向無關。第四十六頁，共59頁。圖3.34隔離器的工作原理

偏振相關型

第四十七頁，共59頁?？臻g分離偏振器(SWP)：作用是將入射光分解為兩個正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，水平分量偏折通過。半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時針旋轉45°，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時針旋轉45°。第四十八頁，共59頁。圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無關的隔離器偏振態(tài)無關型隔離器第四十九頁，共59頁。環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。光環(huán)行器主要用于光分插復用器中。第五十頁，共59頁。圖3.36光環(huán)行器(a)三端口；(b)四端口第五十一頁，共59頁。3.3.4光調制器為提高光纖通信系統(tǒng)的質量，避免直接調制激光器時產生線性調頻的限制，要采用外調制方式，把激光的產生和調制分開。

調制器可以用電光效應、磁光效應或聲光效應來實現。最有用的調制器是利用具有強電光效應的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體制成的。這種晶體的折射率n和外加電場E的關系為n=n0+αE+βE2