光纖通信原理教案新4

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光纖通信教案

光纖通信教案之四

教學提要

課目：光纖通信器件

目的：通過學習，了解光源的構造及工作原理，掌握光源的工作特性；了解光電轉換原理，熟悉常用的兩種光電

檢測器；了解光的無源器件，掌握光纖連接器的作用

和使用要求。

內容：一、光源

二、光電轉換原理，光電檢測器

三、光無源器件

實施方法：利用多媒體手段進行理論講解

教學對象：崗前士兵

時間：5學時

地點：多媒體教室

要求：集中精力，認真聽講；做好筆記，把握重點

教學保障：多媒體教具、電工示教板一套

教學進程

教學準備：

1．清點人數(shù)，整理教具；

2．宣布教學提要；

教學實施：

同志們好，大家還記得，前面在介紹光纖通信發(fā)展史中我們曾經提到，光纖通信要解決的兩大問題是什么嗎？今天我們就要學習光纖通信中的光源、光電檢測器以及光的無源器件。在上課之前大家可以想想，光纖通信可以用什么來發(fā)光？怎樣將接收到的光信號轉換為電信號？

光纖通信器件特點：具有實現(xiàn)光信號的連接、能量分路/合路、波長復用/解復用、光路裝換、能量衰減、方向阻隔、光-電-光裝換、光信號放大、光信號調制等功能。是構成光纖通信系統(tǒng)的必備元件。

一、光源

光源在光纖通信系統(tǒng)中具有重要地位，就像人的心臟，光源是光纖通信系統(tǒng)的“心臟”

通信對光源的要求

發(fā)光波長與光纖的低衰減窗口相符；2、光源輸出功率必須足夠大，入纖功率一般應在10uw-幾mW之間；3、高可靠性，工作壽命大于10萬小時；4、光譜寬度窄，要利于傳輸高速脈沖；5、便于調制，調制速率應能適應系統(tǒng)的要求；6、電光轉換效率高；7、省電、體積小。

光能的基本概念

1、波動二象性：在一定條件下，物質具有粒子性，在另外條件下，物質又具有波動性。例如有以下公式：E=hVP=h/λλ*V=Ch:普朗克常數(shù)6.63*10-34E:電子質量V:頻率P:功率λ:波長C:光速

2、原子能級

原子核外的電子軌道上電子的能量稱為能級。如下圖

圖中的E1-En表示每一個軌道上的電子所具有的能量。E1的能量最

高，它上面的電子離原子核最遠，電子數(shù)目最少；而En的能量最低，它上面的電子離原子核最近，電子數(shù)目最多

（一）光源的分類及構成

光纖通信中的光源分為半導激光器和半導體發(fā)光二極管。半導體激光器(LD)主要應用在長距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)中，其基本結構如下圖所示。

激勵源的作用是激活工作物質，使其能級中電子的受激輻射優(yōu)于受激吸收。即使高能級電子數(shù)多于低能級數(shù)目（常稱為粒子數(shù)反轉分布），從而對光具有放大作用。光學諧振腔的作用是完成頻率選擇及光的反饋。它實際是兩個平行的反射鏡構成的。工作物質作用是提供確定的能級系統(tǒng)，使激光器在需要的光波范圍內輻射光子。

半導體發(fā)光二極管(LED)主要用于短距離、小容量的光纖通信系統(tǒng)中，它和半導體激光器結構的主要區(qū)別是沒有諧振腔。

光纖通信對光源的基本要求有如下幾個方面：首先，光源的峰值波長應在光纖的低損耗窗口之內，要求材料色散較小。其次，光源輸出功率必須足夠大，入纖功率一般應在10微瓦到數(shù)毫瓦之間。第三，光源應具有高度可靠性，工作壽命至少在10萬小時以上才能滿足工程的需要。第四，光源的輸出光譜不能太寬以利于傳輸高速脈沖。第五，光源應便于調制，調制速率應能適應系統(tǒng)的要求。第六，電—光轉換效率不應太低，否則會導致器件嚴重發(fā)熱和縮短壽命。第七，光源應省電，光源的體積、重量不應太大。

（二）光源的工作原理

1.半導體能帶

當大量原子相互靠近形成半導體晶體時，不同原子的內外各電子運動軌道就有一定的交疊。相鄰原子的最外運動軌道交疊最多，而內運動軌道交疊最少。由于電子運動軌道的交疊，電子不再局限于某一原子上，而可以從一個原子轉移到相鄰的原子上去，因而電子可以在整個半導體晶體中運動。這種運動稱為電子的共有化運動。由于電子的共有化運動，使原來孤立原子中的離散能級變成了能帶，低能級

自發(fā)輻射

受激輻射上電子的共有化運動很弱，其能級分裂得到的能帶較窄；高能級上的電子的共有化運動顯著，所以能級分裂形成的能帶很寬。嚴格地說，在絕對溫度為零時，價電子占據的能帶稱為價帶。晶體中的電子在受到激勵時，會跳到（稱為躍遷）更高的能帶去，變成自由電子，從而使晶體的導電性增強。這個更高的能帶（即自由電子占據的能帶）稱為導帶。能帶與能帶之間不允許電子存在，一般稱為禁帶。禁帶的能量間隔稱為禁帶寬度，通常用符號Eg表示。內層電子形成的能帶通常填滿電子，并且激勵狀態(tài)下對半導體晶體的特性影響不大。因此，討論時只畫價帶、導帶及這兩個能帶間的禁帶，而不再畫出內層完全填滿電子的能帶。

2.光與物質作用的三種形式

在研究原子與光子間相互作用時，可以發(fā)現(xiàn)有三種不同的基本過程：自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射。如下圖所示。

自發(fā)輻射：處于較高能級E2上的電子，總是力圖向低能級E1躍遷，好象高處的物體有向下掉的趨勢一樣。因此，在沒有任何外界作用的條件下，也可以自發(fā)地產生從高能級E2到低能級E1的躍遷。這叫作自發(fā)輻射。

受激吸收：設有一個處于低能級E1的電子，當一個頻率為f21的外來光子趨近它時，這個電子就有可能吸收這個光子的能量，而躍遷到高能級E2上去。這個過程叫做受激吸收。

受激輻射：設有一個處于高能級E2的電子，當一個頻率為f21=（E2-E1）/h的外來光子趨近它時，這個電子受到光子的“刺激”，也有可能從高能級E2躍遷到低能級E1，同時輻射出一個能量為E=E2-E1，頻率為f21=（E2-E1）/h的光子來。這個過程叫做光的受激輻射。

3.半導體激光器粒子數(shù)反轉分布

實際上，光的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射是同時存在的。在通常情況下（即熱平衡條件下，電子具有正常能級分布時），由于低能級上的電子數(shù)較多，所以總是光的受激吸收占優(yōu)勢，也就是光總是受到衰減。要獲得光的放大，必須設法使光的受激輻射占優(yōu)勢。也就是說，要使電子在能級上的分布反常態(tài)，使處于高能級的電子數(shù)目遠遠多于低能級上的電子數(shù)目。通常把這種分布叫做“粒子數(shù)反轉分布”。

怎樣才能使電子分布處于“粒子數(shù)反轉分布”呢？人們曾用光激勵、放電激勵、化學激勵等方法，給物質加以能量，以求把處于低能級的電子激勵到高能級上去。例如，可以用頻率為f21的泵浦光進行激勵。。

開始時，由于低能級E1上的原子數(shù)比高能級E2上的原子數(shù)多，所以受激吸收比受激輻射過程占優(yōu)勢，N2不斷增加。但隨著N2的增加，受激輻射過程也就逐漸加強，高能級上的電子數(shù)目增加緩慢了。

因此，即使泵浦光的激勵再強，也只能得到N1=N2的情況，如圖3.1.4

中的a和b兩點所示。這時受激吸收過程與受激輻射過程（以及自發(fā)輻射過程）達到“動態(tài)平衡”，形成了所謂“激勵飽和”的狀態(tài)。在這種情況下，同一時間內有多少電子從低能級被激發(fā)到高能級，也就有同樣數(shù)目的高能級電子躍遷到低能級上去，因而不能實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉分布”。

為了實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉分布”，人們進一步去尋找多能級體系。圖3.1.5示出了有E1、E2、E3三個能級的電子體系。用頻率為f31=（E3-E1）/h的泵浦光進行飽和激勵，使得E3上的電子數(shù)增加△，而與E1上的電子數(shù)相等。這樣，能級E3上的電子數(shù)就能夠大于能級E2上的電子數(shù)，在E3和E2之間形成粒子數(shù)反轉，從而可以放大頻率為f32=(E3.E2)/h的光波。

半導體激光器中，怎樣造成粒子數(shù)反轉分布？其實半導體激光器的核心部分是一個PN結。與一般半導體二極管不同，為了造成粒子數(shù)反轉分布，這個PN結是高摻雜的，P型半導體中空穴極多，N型半導體中自由電子極多，二者結合在一起，由于擴散便在交界面兩側形成“空間電荷區(qū)”，空間電荷區(qū)阻止電子空穴進一步擴散。當PN結加上足夠大的正向電壓，保證電流足夠大時，P區(qū)的空穴和N區(qū)中的電子大量地向結區(qū)注入，在PN結的空間電荷區(qū)便形成了類似圖3.1.7的狀態(tài)，電子能量被提升位于導帶，空穴居于價帶，而且電子在導帶極多，空穴在價帶極多。于是在PN結的空間電荷區(qū)附近就存在一個

電子數(shù)反轉分布的區(qū)域，這個區(qū)域叫做“有源區(qū)”或“作用區(qū)”。

4.諧振腔

實現(xiàn)光的放大，必須有“粒子數(shù)反轉分布”的條件，但經歷一

次光放大，遠不能產生大功率、頻率單一的激光來。于是人們利用兩個平行的平面反射鏡M1和M2來實現(xiàn)光的反饋放大，而把激光物質放在兩個反射鏡之間（見基本結構圖1），產生受激輻射的光子流，射到諧振腔一端的部分反射鏡M2上，再被反射回腔中，又繼續(xù)沿軸線方向，向反射鏡M1運動。在運動過程中，繼續(xù)產生上述鏈鎖反應，激發(fā)出許多光子，遇到反射鏡M1又折回來朝M2運動，光子流就這樣在諧振腔的兩個反射鏡之間來回反射，并不斷加強。這相當于光在諧振腔得到了反饋放大，形成光振蕩。被放大的光可以部分地通過透射鏡M2，于是射出一束筆直的強光，這就是激光。諧振腔除了正反饋

外，還有對激光頻率、相位、方向進行選擇的功能。

5.光源的工作原理

半導體激光器是向高摻雜的半導體材料的PN結注入電流，實現(xiàn)結區(qū)的粒子數(shù)反轉分布，產生受激輻射，利用諧振腔的正反饋產生光

波振蕩，從而輸出激光。

要產生激光，必須滿足兩個條件：

（1）產生足夠的粒子數(shù)反轉分布，使受激輻射大于受激吸收，并足以補償光損耗。

（2）有產生正反饋作用的諧振腔。

半導體發(fā)光二極管與激光器的根本區(qū)別是它沒有光學諧振腔，這就決定了它不能產生激光，主要是由自發(fā)輻射作用發(fā)光，因而發(fā)出的是熒光。

（三）光源的特性

1.P-I特性

發(fā)光二級管的P-I特性

激光器的P—I特性如上圖所示。激光器的幾個主要特性參數(shù)都可以從P—I特性來確定，P表示激光器的輸出功率，I表示激光器的注入電流。由圖可見，激光器注入電流逐漸增加，輸出功率也逐漸增加，但不是直線關系。當注入電流增大到某一值時，輸出功率急劇增加，并且發(fā)光特性也會發(fā)生很大的變化，產生激光振蕩，我們稱這個電流為閾值電流，常用Ith表示，它是P—I曲線拐點所對應的電流。不同的激光器，有不同的閾值電流。為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，希望閾值電流越小越好。目前，較好的半導體激光器閾值電流在10～150mA范圍。當注入電流大于閾值時，激光器發(fā)出激光；注入電流小于閾值時，激光器發(fā)熒光，相當于發(fā)光二極管的情況。在某些應用中，激光器在閾值電流以下工作，其特性接近于發(fā)光二極管，輸出光功率較小，譜線寬度較寬。

從P—I特性曲線上還可以得到另外兩個重要參數(shù)，一個是微分量子效率，一個是功率轉換效率。微分量子效率定義為輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比。在室溫下，GaAlAs激光器的微分量子效率一般為40～50%（不考慮尾纖），曲線越陡，微分量子效率越大。

激光器的功率轉換效率定義為輸出光功率與消耗的電功率之比，式中V是PN結的正向電壓；Rs是激光器的串聯(lián)電阻（包括半導體材

料的體電阻和接觸電阻），GaAlAs激光器一般為0.5Ω。對于光纖通信用的半導體激光器，功率轉換效率一般為5～10%。

發(fā)光二極管的P—I特性或稱LED的輸出特性，它表示發(fā)光二極管的輸出光功率與注入電流的關系，如上圖所示。由圖可見，與激光器的P—I特性相比，具有線性較好的特點。在注入電流較小時，P—I特性曲線基本上是線性的。當注入電流較大時，由于P—N結的發(fā)熱而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

2.光源的溫度特性

（1）半導體激光器的溫度特性

半導體激光器的閾值電流、輸出功率和發(fā)光波長隨溫度變化的特性稱為溫度特性。在長波長激光器中，溫度變化對激光器特性的影響比短波長大。

閾值電流與溫度的變化關系可以表示為：

式中T是工作溫度；T0是器件的特征溫度，它表示器件的溫度特性（T0較大，表示器件的溫度穩(wěn)定性較好）。GaAlAs激光器一般在120～200K范圍；InGaAsP激光器一般在50～70K范圍。圖3.1.12是InGaAsP激光器的溫度特性。對于GaAlAs激光器，一般是Ith(60℃)/Ith(20℃)＝13。對于InGaAsP激光器，一般為Ith(60℃)/Ith(20℃)＝2.3?？梢?，長波長半導體激光器的溫度特性較差，而1.55μm激光器比1.3μm激光器的溫度特性還差。

由于溫度的變化，將使半導體材料的能隙和折射率發(fā)生變化，因而使溫度變化影響激光器的發(fā)光波長。隨著溫度的增加，激光器輸出光波長向長波長漂移。對于GaAlAs激光器，變化率一般為2A/℃

左右；對于InGaAsP激光器，變化率一般為4～5A/℃。

溫度變化對激光器特性的影響將會降低光纖通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。當溫度變化超過某一定范圍時，系統(tǒng)將無法正常工作。因此，在一般情況下，應對光源的工作溫度進行自動控制。特別在外差通信系統(tǒng)中，對光源的溫度穩(wěn)定性要求更高，以保證光纖通信系統(tǒng)能在變化較大的環(huán)境溫度下正常工作。

為了得到穩(wěn)定的激光器輸出特性，一般應使用各種自動控制電路來穩(wěn)定激光器的閾值電流和輸出功率。

（2）發(fā)光二極管的溫度特性

發(fā)光二極管的工作狀態(tài)對溫度的依賴性要小于激光二極管。對于任何一種發(fā)光二極管在工作電流保持不變的情況下，輸出功率總是隨著溫度升高而下降的。

發(fā)光二極管的溫度特性的另一種表現(xiàn)是使發(fā)光二極管的輸出功率隨工作電流呈線性變化的規(guī)律受到限制，這主要是由于有源區(qū)內的內部量子效率和半導體材料的熱導率均隨溫度升高近似于按指數(shù)規(guī)律降低。因而，對于給定的半導體材料來說，有一個對應著最大輸出功率（發(fā)光二極管飽和狀態(tài)）的有源區(qū)溫度，稱為臨界溫度。不管有源區(qū)的尺寸如何，最大輸出功率總是由其臨界溫度決定的，但是工作電流使器件內阻發(fā)熱引起的有源區(qū)溫度升高與器件結構有十分密切的關系。因為有源區(qū)的臨界溫度保持不變，而小器件比大器件容易散熱，所以小面積的發(fā)光二極管與大面積的發(fā)光二極管相比能夠在較大的電流密度下工作，也就是具有較高的亮度。但是它的線性較差，即在較小的電流下就呈現(xiàn)非線性輸出

二、光電檢測器

（一）構成及分類

光纖通信中的光電檢測器分為PIN光電檢測器和APD。PIN光電檢測器主要應用于短距離、小容量的光纖通信系統(tǒng)中；APD主要應用于長距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)中。最簡單的光檢測器就是P-N結，但它存在許多缺點。光纖通信系統(tǒng)中采用較多的是PIN光電二極管（PIN-PD）及雪崩光電二極管（APD）。

APD與場效應管（FET）組合成為PIN-FET或APD-FET接收機組件，因為它們兼有光電轉換和放大作用，在光纖通信接收機中獲得廣泛應用。它們的基本結構如上圖。其中PN是一個基本的PN結，I為本征層，外加反偏電壓，具體工作原理將在下面敘述。

（二）光電器件的工作原理

1.PIN光電檢測器

見課本圖3.2.2示出了光電二極管檢測器原理圖。PN結光電二極管的核心是一個P結。當PN結被光照射時，就產生了許多電子、空穴對。這些光生載流子擴散到結區(qū)時，受到結區(qū)內自建場的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。于是，在P區(qū)就有過剩空穴（正電荷）的積累，N區(qū)就有過剩電子（負電荷）的積累，如圖所示。這樣，在PN結兩邊就產生一個光生電動勢，其極性如圖所示。這一現(xiàn)象叫做光生伏特效應。如果把PN結的外電路接通、將會有光電流Is

流過電路。利用光生伏特效應制成的探測器，稱為光生伏特檢測器。當入射激光光波照射到PN結時，在PN結兩邊產生正比于入射光強的電壓，這樣在電路中形成了響應于入射光強的電流，從而完成了由光信號到電信號的變換。

為了提高PN結光電二極管的響應速度，人們在制造工藝上作了一些改進。如課本圖3.2.3所示，以一塊厚度為70～100μm的本征硅材料做本體，在本體的兩邊使用外延或擴散工藝分別形成很薄的P層和N層，厚度有幾個微米。這種本征硅材料做成的本體稱為I層，它夾在PN結的中間，這種結構的光電二極管稱為PIN光電二極管。如圖所示，PIN光電二極管在反向偏壓狀態(tài)下使用。當入射光照射到PIN結時，在I層兩邊的P層和N層中，光激發(fā)產生的電子、空穴經過擴散和漂移，形成了通過PIN結的光電流。雖然I層較厚，但它處于一個強的反向電場作用下，載流子將以極快的漂移速度通過I層。載流子通過兩邊的P層、N層區(qū)內時，是以較慢的擴散運動前進的。但P層，N層都很薄，所以總地說來，載流子通過PIN結的時間很短，因而它的響應速度很快，可以探測高調制頻率的光信號。

2.APD雪崩光電二極管

如果在制作PN結時，把其中N層或P層進行大量的摻雜，那么，在高反向偏壓狀態(tài)下使用時，入射光照到PN結激發(fā)出電子、空穴。其中電子載流子將在高反向偏壓作用下，以極快的漂移速度通過PN結，并在途中高速撞擊半導體材料晶格上的原子，產生新的電子、空穴對。由于N區(qū)內電子濃度高，又產生出大量的電子載流子。這種過程不斷的重復，在PN區(qū)內電流急劇倍增放大，最后產生“雪崩”現(xiàn)

象。這種利用“雪崩”現(xiàn)象的PN結光電二極管，叫做雪崩光電二極管。其結構如下圖所示。當外加反偏壓較小時，E的分布如圖曲線(1)所示,峰值電場較低,不會發(fā)生雪崩；加大偏壓，使峰值電場超出雪崩所需最低電場時，才會發(fā)生雪崩效應。它有高的靈敏度，但電流倍增時的噪聲比較大。在作為探測器使用時，一般工作于接近雪崩的狀態(tài)。根據實驗得知，這種狀態(tài)使用，噪聲較小，靈敏度較高。加反向偏壓

APD的結構及場強分布

雪崩光電二極管的量子效率和響應速度與普通的PIN光電二極管差不多，不同的是雪崩光電二極管的PN結內有光放大作用，PIN光電二極管的PIN結無光放大作用，但雪崩光電二極管的最大電流增益受到帶寬的限制。

（三）光電檢測器的工作特性

1.響應度（R）

在給定波長的光照射下，光電檢測器的輸出平均電流與入射的平均光功率之比稱響應率或響應度。簡言之，即輸入單位光功率產生

的平均輸出電流，R的單位為A/W或μA/μW。其表達式為：

R=Ip/P

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的響應率在0.3～0.7μA/μW范圍。習慣上將APD的響應率與倍增因子的乘積定義為APD的靈敏度。對無倍增的光電二極管靈敏度與響應率是一個含義。

2.量子效率

響應度是器件在外部電路中呈現(xiàn)的宏觀靈敏特性，而量子效率是內部呈現(xiàn)的微觀靈敏特性。量子效率是能量為hν的每個入射光子所產生的電子空穴載流子對的數(shù)量：

η=R×hc/eλ(×100%)

R=η×eλ/hc（μA/μW）

式中e是電子電荷；ν為光頻。已知Ip/P=R，所以η與R可以相互換算（以ν=c/λ代入）：

按現(xiàn)有水平制作的光電二極管，入射100個光子可產生30～95電子、空穴對，所以η在30～95%之間。η與R都與波入λ有關。若將h、c、e的常數(shù)代入，并且未知波長λ以μm值代入，則可獲得R和η的實用公式為：

η=R/λ×1.24(×100%)

R=ηλ/1.24（μA/μW）

3.響應速度

光電二極管的響應速度是指它的光電轉換快慢。影響光電二極管響應

時間的因素有以下四點：

（1）零場區(qū)光生載流子的擴散時間；

（2）耗盡區(qū)光生載流子的漂移時間；

（3）雪崩倍增建立時間；

（4）RC時間常數(shù)。

其中（1）的量級最大。它發(fā)生在PN結的耗盡區(qū)外邊，包括光敏面和收集極的部分。當入射光在這兩個零場區(qū)內產生電子—空穴對時，要經過緩慢擴散后進入到耗盡區(qū)才能形成外部光電流。光電二極管要有快速響應，在結構上首先要減薄零場區(qū)，其次是減小結電容。采用同軸封裝和微帶結構以減小管殼電容，可進一步提高響應速度。

APD的倍增因子和倍增噪聲

（1）APD倍增因子：

提高光接收機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，S/N不大。雪崩光電二極管雖然噪聲較大，但它的內部增益有利于提高S/N，所以較多地被采用。

雪崩光電二極管（APD）的電流增益，即倍增因子M可表示為：

式中Ip為APD倍增后的光電流；Ipo是未倍增時的原始光生電流。若無倍增時和有倍增時，APD電流分別為I1和I2，則應扣除當時的暗電流Id1和Id2后才能求出M。

APD的M隨偏壓加大而增加，但伴隨的倍增噪聲增長速度比M

還快，見圖3.2.5。接近Vb時，會使器件噪聲猛增。所以使用中，M不要選得過大，應服從最佳工作狀態(tài)，即工作在要求的動態(tài)范圍內為好。所謂APD的倍增因子為M，并不意味著每一瞬時，光電流都倍增了M倍。M值是一個統(tǒng)計平均值。由于載流子碰撞電離是隨機的，迫使外部光電流出現(xiàn)起伏。“起伏”就是噪聲的本質。

（2）APD的倍增噪聲：

APD光電檢測器的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲和由倍增過程產生的倍增噪聲。在這三種噪聲中，一般是倍增噪聲的影響較大，機理也比較復雜。我們僅討論倍增噪聲的簡單機理和一些重要的結論。

APD的倍增噪聲是由以下兩個因素產生的：一是入射在光電檢測器光敏面上的光子產生一次電子—空穴的隨機性，即每個一次電子—空穴對產生二次電子—空穴對數(shù)是不能準確測定的，倍增因子是一個統(tǒng)計平均的概念。由此可見，APD的倍增噪聲是一個復雜的隨機函數(shù)，它與APD的類型、工作條件和空穴、電子離化率等許多因素有關，

其概率分布相當復雜，既不屬于高斯分布，也不屬于泊松分布。

4.溫度特性

環(huán)境溫度的變化將對APD光電檢測器的性能產生影響，主要是對倍增特性和暗電流的影響。不同溫度時，APD倍增因子與外加偏壓

的關系如下圖所示。由圖可知，APD的擊穿電壓Vb隨溫度而變化。當溫度升高時，Vb也跟著上升。例如Si-APD的擊穿電壓Vb在20℃時為100V；當溫度升高10℃時，Vb升高1伏。在一般情況下，其工作電壓接近Vb。此時，曲線的斜變陡。在Vb隨環(huán)境溫度變化時，如果工作電壓不變，倍增因子將發(fā)生變化，甚至可能使器件超出正常的工作區(qū)域。在一定的工作偏壓下，隨著溫度的增加APD的倍增減小。

溫度變化對APD光電檢測器暗電流的影響也相當顯著，結溫每升高8℃左右，Si-APD的暗電流增大一倍左右。暗電流的增大將使接收機靈敏度下降。

三、光無源器件

（一）光纖連接器

光纖連接器又稱光纖活動連接器，俗稱活動接頭。它用于設備（如光端機、光測試儀表等）與光纖之間的連接、光纖與光纖之間的的連接或光纖與其他無源器件的連接。它是組成光纖通信系統(tǒng)和測量系統(tǒng)不可缺少的一種重要無源器件。

光纖連接器的作用是將需要連接起來的單根或多根光纖芯線的端面對準、貼緊并能多次使用。光纖的芯徑很細，是在微米級。因此，對其加工工藝和精度都有比較高的要求。為此，光纖連接器應滿足如

下條件：

1.連接損耗要?。哼B接損耗是評價光纖連接器的主要指標。目前各種不同結構的單模光纖連接器的插入損耗為0.5dB左右。

2.裝、折方便。

3.穩(wěn)定性好：連接后，插入損耗隨時間、環(huán)境的改變應變化不大。

4.重復性好：一般要求重復使用次數(shù)大于1000次。

5.互換性好：要求同一種型號的活動連接器可以互換。

6.體積小、成本低。

光纖連接器分為多芯連接和單芯連接，多芯連接可同時連接多對光纖，單芯連接則只能連接一對光纖。

光纖連接器又可分為活動連接器和固定連接器?；顒舆B接器即可重復拆裝，而固定連接器則一次成形。

在實用光纖通信系統(tǒng)中，光源與光纖的連接以及光纖與光電檢測器的連接均采用光纖活動連接器。我國常用的有FC型活動連接器和PC型活動連接器，它是由一個琺瑯盤和兩個帶尾纖單芯光纜的插針體組成的，由螺紋將其固定起來。FC型和PC型連接器之間的最大區(qū)別在于：FC型插針體光纖端面是平的，而PC型插針體端面是弧狀的，反射很小。因此PC型活動連接器適用于高速光通信系統(tǒng)以及要求反射小的光纖系統(tǒng)。

另一種光纖活動連接器是插拔式活動連接器。它的連接方式是插拔式，不需旋螺紋，操作十分簡單，有利于結構緊湊和容量大的配線架設計。實際上可將活動連接器的一端固定在設備或儀表的面板上，另一端可以自由插拔。

國內現(xiàn)在使用的連接器中還有一種固定連接器，這種固定連接器

能代替光纖熔接機，不用電弧焊接，適用于沒有電的山區(qū)和野外操作，可對單?；蚨嗄９饫w實現(xiàn)永久性連接，也適用于中、短距離的光纖通信系統(tǒng)和實驗室的固定連接。特別是在光纜線路搶修中，靈活快速，不需電源、熱源，連接時間2～3分鐘即可。

光纖固定連接器是采用V型槽法將光纖連接起來的。首先連接光纖的端面加工，將光纖放入V型槽中，再將連接部位滴入匹配液。然后，蓋起來，并固定。如果連接損耗不合要求，可以拆下來，再次連

接。光纖固定連接器的關鍵是V型槽的精度要相當高。

（二）光衰減器

光衰減器是調節(jié)光平不可缺少的器件。主要用于光纖通信系統(tǒng)指標測量、短距離通信系統(tǒng)的信號衰減以及系統(tǒng)試驗等，它可分為固定衰減和可變衰減器兩種。對光衰減器的要求是：體積小、重量輕、衰減精度高、穩(wěn)定可靠、使用方便等。

光衰減器一般使用金屬工藝蒸發(fā)鍍膜濾光片作為衰減元件，依據鍍膜厚度來控制衰減量。設計時，使金屬蒸發(fā)鍍膜濾光片與光軸形成一定的角度，以防止金屬膜產生的反射光再次入射和多次反射。

固定衰減器用于光纖傳輸線路中，可對光平進行預定量的精確衰減。一般固定衰減器直接配有FC或PC型標準插座，可與FC、PC型活動連接器配套使用，也可以帶尾纖直接熔接在線路中。目前國產固定衰減器的工作波長為1.31μm和1.55μm，衰減量分檔為：5、10、15、20、25dB，各檔誤差均為±1dB，適應工作溫度為－40～＋80℃。

可變衰減器通常是步進衰減與連續(xù)可變衰減相結合工作的。改

變金屬蒸發(fā)膜的厚度，可以使衰減量連續(xù)變化。目前的可變衰減器一般由10dB×5步進衰減與0～15dB連續(xù)可變衰減構成的。其衰減量精確度為：小于15dB時±0.5dB；10～20dB時±1dB；30～40dB時±2dB；50dB時±3dB；最大衰減量65dB；插入損耗≤4dB；工作波長為1.3/1.55μm；使用單模光纖；輸入輸出用FC—PC型活動連接器直接耦合。

使用光衰減器時，要保持環(huán)境清潔干燥，不用時要蓋好保護帽，

連接器應輕上輕下，嚴禁碰撞。

（三）光隔離器

光隔離器的基本原理是法拉第旋轉效應。光隔離器主要由兩個偏振器和一個法拉第旋轉器組成。當光入射到某一光學器件時，其輸出光為某一種形式的偏振光（如線偏振光），則這種光學器件就稱為偏振器（如線偏振器）。在光隔離器中使用的是線偏振器。線偏振器中有一透光軸，當光的偏振方向與透光軸完全一致時，則光全部通過。如圖中入射光經過偏振器1以后，為虛線所示的光。

法接第旋轉器，是由某種旋光性材料制成的。按照法拉第效應理論，當線偏振光經過它以后，它使光的偏振面按順時針方向旋轉一定角度（如45度），而它放置的角度正好與偏振器2中的透光軸方向一致。

當正向光入射后，經過偏振器1全部透過，經過旋光器后旋轉45度，與偏振器2的透光軸角度一致。因此，正向光功率全部射出。當反向光射入后，有一部分光經過偏振器2到達旋光器，被順時針旋

轉45度，正好和偏振器1中透光軸方向垂直。因此，被全部隔離。

（四）光開關

光開關是用于光傳輸線路轉換的器件，小型光開關可用于用戶系統(tǒng)或專用線路，大型光開關將來可用于交換機中。

光開關有兩種：一種是機械式，它是通過移動光纖本身或移動棱鏡、反射鏡和透鏡等中間物進行光的轉換，其移動方式是通過人工或電磁的作用來完成的。另一種是非機械式的，它是利用光電效應和聲光效應進行轉換的。前者的轉換速度一般為2～20ms，插入損耗為

2dB左右，重復性差為0.05dB。

（五）光波分復用器

光纖波分復用傳輸系統(tǒng)是目前發(fā)展的一個重要方向，而其中關鍵器件是復用器與去復用器。共同的要求是復用信道數(shù)量要足夠、插入損耗小、串音衰減大和通帶范圍寬。從原理上講，波分復用器與波分去復用器是相同的，只要改變輸入輸出方向。實際上，波分復用器與波分去復用器有所不同。由于去復用器的輸出光纖直接與光檢測器相連，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用器并不太難。而復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