光纖通信的基本器件1

1、 光源與光器件 電子電氣工程系電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件1、掌握光與物質(zhì)的作用過程2、掌握半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理及其特性3、掌握半導(dǎo)體二極管的發(fā)光機(jī)理及其特性4、了解光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用光源5、掌握光電二極管和雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)及原理6、了解各種光無源器件的類型及其作用7、掌握常用光纖連接器的特點(diǎn)3.2 光檢測(cè)器光檢測(cè)器3.3 光放大器光放大器3.1 光源光源3.4 光無源器件光無源器件電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件對(duì)光源的要求： 性能好、壽命長(zhǎng)、使用方便1）發(fā)射光波長(zhǎng)必須在光纖的低損

2、耗窗口；2）光源的輸出功率要足夠大3）溫度特性優(yōu)良4）光源的發(fā)光譜寬度要窄5）光源應(yīng)具有高度的可靠性6）省電, 且體積小、 重量輕7）光源器件應(yīng)便于調(diào)制, 調(diào)制速率能適應(yīng)系統(tǒng)要求。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件常用的兩種光源器件, 即半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管。發(fā)光二極管用LED：熒光激光二極管用LD：激光電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 電子以原子核為中心，按不同的電子層排列在原子核周圍旋轉(zhuǎn)，這些特定的電子層稱為能級(jí)能級(jí)，對(duì)半導(dǎo)體材料，電子的能級(jí)重疊在一起形成能帶能帶。其中能量低的能帶稱為價(jià)帶價(jià)帶E1

3、，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶導(dǎo)帶E2，E2和E1之間的能量差稱為禁帶，電子不可能占據(jù)禁帶禁帶。 E3E2E1能帶導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶一、半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理一、半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 電子在E2和E1之間的躍遷有三種基本方式:自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射。 (a) 自發(fā)輻射（點(diǎn)擊動(dòng)畫）（點(diǎn)擊動(dòng)畫）hf12E2E1E2E1 3.1 光源光源自發(fā)輻射是發(fā)光二極管的理論基礎(chǔ)hf12E2E1E2E1 (b) 受激吸收（點(diǎn)擊動(dòng)畫）（點(diǎn)擊動(dòng)畫） 3.1 光源光源受激吸收是光電檢測(cè)器的基礎(chǔ)hf12E2E1E2E1(c) 受激輻射（點(diǎn)擊動(dòng)畫）（點(diǎn)擊動(dòng)畫） 受激輻射

4、是半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2（E2E1）的電子數(shù)分別為N1和N2. 正常的狀態(tài)下，N1N2，即低能級(jí)上的電子數(shù)多，這種狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)（即正常分布狀態(tài)）。 對(duì)于N1N2的狀態(tài)，稱作為負(fù)溫度狀態(tài),即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件1）外來光子能量等于躍遷的能級(jí)之差hE2E12）受激過程中發(fā)射的光子與外來光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向、傳播方向度相同，稱它們?yōu)槿庾印?）過程可以使光得到放大。因?yàn)槭芗み^程中發(fā)射出

5、來的光子與外來光子是全同光子，相疊加的結(jié)果使光增強(qiáng)，使入射光得到放大。受激輻射與受激吸收的特點(diǎn)：受激輻射是半導(dǎo)體激光器發(fā)光的基礎(chǔ)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件1、激光器的作用 激光器是利用受激輻射過程產(chǎn)生光和光放大的一種器件，從它發(fā)出的光具有極好的相干性、單色性、方向性和極高的亮度相干性、單色性、方向性和極高的亮度，便于人們控制它和利用它。因而這種光源被用作光纖通信系統(tǒng)的光源。因而這種光源被用作光纖通信系統(tǒng)的光源。 2. 激光器的基本結(jié)構(gòu) 激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，它是由三部分組成的，即：工工作物質(zhì)、

6、諧振腔（半反鏡和全反鏡）和泵浦源（激勵(lì)源作物質(zhì)、諧振腔（半反鏡和全反鏡）和泵浦源（激勵(lì)源-電源）。電源）。 圖圖3-1 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu) 激活物質(zhì)激活物質(zhì)使工作物質(zhì)處于使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)狀態(tài)完成頻率選擇完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔眉胺答佔(zhàn)饔秒娮有畔⒓夹g(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件（1 1）工作物質(zhì)）工作物質(zhì) 要使受激輻射過程成為主導(dǎo)過程，必要條件是在介質(zhì)中造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 （2 2）泵浦源）泵浦源 使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源 N2N1 , 受激輻射受激吸收 ，從而有光的放大作用。 工作物質(zhì)已被激活，成為激

7、活物質(zhì)或稱增益物質(zhì)。（3）光學(xué)諧振腔 提供必要的反饋以及進(jìn)行頻率選擇，光學(xué)諧振腔是由兩個(gè)反射鏡組成，其一是全反（M1）的，另一個(gè)是部分透過（M2）的。 返回返回圖圖3-2諧振腔諧振腔 諧振腔的光軸與工作物質(zhì)的長(zhǎng)軸相重合。這樣沿諧振腔軸方諧振腔的光軸與工作物質(zhì)的長(zhǎng)軸相重合。這樣沿諧振腔軸方向傳播的光波將在腔的兩反射鏡之間來回反射，多次反復(fù)地通過向傳播的光波將在腔的兩反射鏡之間來回反射，多次反復(fù)地通過激活介質(zhì)，使光不斷地被放大。而沿其他方向傳播的光波很快地激活介質(zhì)，使光不斷地被放大。而沿其他方向傳播的光波很快地逸出腔外。這就使得只有沿腔軸傳播的光波在腔內(nèi)擇優(yōu)放大，因逸出腔外。這就使得只有沿腔軸傳播

8、的光波在腔內(nèi)擇優(yōu)放大，因而諧振腔的作用可使輸出光有良好的方向性。而諧振腔的作用可使輸出光有良好的方向性。全反射鏡部分反射鏡激光輸出電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件3 3、 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器, 稱為半導(dǎo)體激光器(LD)。 常用的有F - P腔(法不里 - 泊羅腔)激光器和分布反饋型激光器(DFB)。 下面介紹F - P腔激光器中的同質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件1) 同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器在光纖通信中, F - P腔激光器采用的工作物質(zhì)(半

9、導(dǎo)體材料)一般是砷化鎵(GaAs)或銦鎵砷磷(InGaAsP)。 如圖3 - 3所示為同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件圖 3 3同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 由PN結(jié)發(fā)光; 其閾值電流(激光器開始產(chǎn)生激光時(shí)的注入電流)較大; 在室溫下工作發(fā)熱嚴(yán)重, 無法做到連續(xù)的激光輸出; 室溫下只能工作在脈沖狀態(tài), 且脈沖的重復(fù)頻率不高, 約為幾十千赫茲, 脈沖的寬度很窄, 約為100 ns; 適合在小容量、 低速率光纖通信系統(tǒng)

10、中使用。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件2) 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖3 - 4所示, (N)InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)(有源區(qū)), 其上、 下兩層稱為限制層, 它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。 限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。 最下面一層N型InP是襯底, 頂層(P+)InGaAsP是接觸層, 其作用是為了改善和金屬電極的接觸。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 特點(diǎn): 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器克服了同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器缺點(diǎn), 有源區(qū)厚度加大, 閾值電流降低(30 mA80 mA), 波長(zhǎng)范圍

11、為1.27 m1.33 m。電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件圖 3 4雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件圖 3 5DFB - LD激光器結(jié)構(gòu)電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件5、半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性 1) 閾值特性 閾值電流(Ith)是指使LD輸出光功率急劇增加, 產(chǎn)生激光振蕩的激勵(lì)電流。某半導(dǎo)體激光器P - I曲線如圖3 - 6所示。 圖 3 6P - I曲線電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的

12、基本器件 當(dāng)激勵(lì)電流IIth時(shí),有源區(qū)不僅有粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 而且達(dá)到了諧振條件, 受激輻射為主, 輸出功率急劇增加, 發(fā)出的是激光, 此時(shí)P - I曲線是線性變化的。 對(duì)于激光器來說, 要求閾值電流越小越好。電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件2) 光譜特性半導(dǎo)體激光器輸出光光譜特性曲線如圖3 - 7所示, 從光譜特性曲線可以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。 圖 3 7輸出光光譜電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件當(dāng)激勵(lì)電流IIth時(shí), 光譜突然變窄(幾納米), 譜線中心強(qiáng)度也急劇增加, 說明發(fā)出的是激光

13、。 對(duì)于半導(dǎo)體激光器來說, 要求其輸出光譜越窄越好。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件3) 溫度特性半導(dǎo)體激光器對(duì)于溫度很敏感, 其輸出功率隨溫度變化而變化, 產(chǎn)生這種變化的主要原因是半導(dǎo)體激光器外微分量子效率和閾值電流受到溫度的影響。圖 3 8溫度對(duì)閾值電流的影響電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 6 6、半導(dǎo)體發(fā)光二極管、半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)(LED)半導(dǎo)體發(fā)光二極管是利用半導(dǎo)體PN 結(jié)進(jìn)行自發(fā)輻射器件的統(tǒng)稱。 如電子儀表等產(chǎn)品的指示燈使用的就是一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教

14、研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管與光纖通信專用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的異同如下: 共同點(diǎn)都是使用PN結(jié), 利用自發(fā)輻射的原理發(fā)光, 屬于無閾值器件, 體積小巧、 重量輕。 不同點(diǎn)主要是制造工藝和價(jià)格有區(qū)別, 另外光纖通信專用的發(fā)光二極管亮度更高、 響應(yīng)速度更快。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 半導(dǎo)體發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器的區(qū)別 發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振腔, 采用自發(fā)輻射, 發(fā)出的是熒光(非相干光), 不是激光, 光譜的譜線寬, 發(fā)散角大。 而半導(dǎo)體激光器有光學(xué)諧振腔, 采用受激輻射, 發(fā)出的是激光(相干光), 光譜的譜線

15、窄, 發(fā)散角很小。 雖然發(fā)光二極管無法發(fā)出激光, 但它還是有很多優(yōu)點(diǎn), 如： 使用壽命長(zhǎng), 理論推算可達(dá)1081010小時(shí); 受溫度影響小; 輸出光功率與激勵(lì)電流線性關(guān)系好; 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單; 價(jià)格低等。 這些優(yōu)點(diǎn)使發(fā)光二極管在中短距離、 中小容量的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件1 1）. LED. LED的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為了獲得高輻射度, LED常采用雙異質(zhì)結(jié)芯片(但沒有光學(xué)諧振腔), 構(gòu)成材料主要有GaAs 、 InGaAsP、 AlGaAs等。 面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)圖3 - 9所示是采用雙異質(zhì)結(jié)GaAs的面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)

16、。 發(fā)光區(qū)是呈圓柱形的有源區(qū), 其直徑約為50 m, 厚度約為2.5 m, 能夠發(fā)出波長(zhǎng)為0.8 m0.9 m的輻射光, 圓形光束反散角為120。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件圖 3 9面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)圖3 - 10所示是采用雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP/InP的邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)。 波長(zhǎng)范圍為1.3 m 左右, 光束的水平反散角為120, 垂直反散角為2535。 該型LED的方向性好, 亮度高, 耦合效率高, 但發(fā)光面積小。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教

17、研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件圖 3 10邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件2 2） 發(fā)光原理發(fā)光原理當(dāng)激勵(lì)電流注入時(shí), 注入的載流子在擴(kuò)散過程中進(jìn)行復(fù)合, 發(fā)生自發(fā)輻射, 產(chǎn)生具有一定波長(zhǎng)的自發(fā)輻射光, 發(fā)射光經(jīng)透鏡構(gòu)成的聚焦系統(tǒng)發(fā)射出去, 直接射入光纖的端面, 然后在光纖中傳輸, 這就是發(fā)光二極管的基本工作原理。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件3 3） LED LED的工作特性的工作特性光譜特性LED的譜線如圖3 - 11所示, 由于LED發(fā)光二極管沒有諧振腔, 不具有選頻特性

18、, 因此譜線寬度比激光器的要寬得多。 圖 3 11LED的譜線電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 輸出光功率特性LED輸出光功率特性曲線如圖3 - 12所示。 LED不存在閾值電流, 線性比LD好。 驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí), P-I曲線的線性較好; 當(dāng)I過大時(shí), 由于PN結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象, 使P-I 曲線的斜率減小。 一般情況下, LED工作電流為50 mA100 mA, 輸出光功率為幾毫瓦, 由于反散角大, 出纖功率(耦合到光纖中的功率)只有數(shù)百微瓦。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件圖 3 12LED輸出光功率

19、電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件溫度特性LED的輸出光功率也會(huì)隨溫度升高而減小, 然而LED是無閾值器件, 因此溫度特性比LD要好(如短波長(zhǎng)的GaAlAs LED, 其輸出光功率隨溫度的變化率約為0.01/1K)。 一般使用時(shí)不需要溫度控制電路。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 耦合效率由于LED反散角大, 因此其耦合效率低。 所以LED適用于中短距離、 中小容量的光纖通信系統(tǒng)。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器(LD)(LD)與發(fā)光二極管與發(fā)

20、光二極管(LED)(LED)的比較的比較在光纖通信系統(tǒng)中, 最常用的光源器件便是半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED), 二者均是用半導(dǎo)體材料構(gòu)成的, 能發(fā)出光波, 能通過調(diào)制技術(shù)攜帶數(shù)據(jù)信息, 實(shí)現(xiàn)光傳輸。 這兩種光源器件的比較見表3 - 1。 通過比較, 讀者會(huì)進(jìn)一步掌握這兩種光源的異同及其應(yīng)用。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件表表3 13 1LDLD與與LEDLED的比較的比較 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件1 1、作用、作用光電檢測(cè)器的作用：把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料的光電

21、效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。2、要求、要求在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響；具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的不失真；具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等；工作電壓盡量低，使用簡(jiǎn)便。3、分類、分類光電二極管（光電二極管（PIN） 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD） 一、概述一、概述二、PIN光電二極管圖3-13 光電二極管結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、工作原理畫 在耗盡層 形成漂移電流。 內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)如果光子的能量大于或等于帶隙

22、( hf Eg )當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí) 發(fā)生受激吸收PN結(jié)界面 內(nèi)部電場(chǎng) 漂移運(yùn)動(dòng) 能帶傾斜 電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)N-P雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場(chǎng)區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光生電流的雪崩倍增。2、工作原理（點(diǎn)擊動(dòng)畫）（點(diǎn)擊動(dòng)畫） APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)；在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，獲得高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到了能量；越過禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子空穴對(duì)；新產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子空穴對(duì)如此循環(huán)下去，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。APD就是

23、利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度高靈敏度的檢測(cè)器。三、雪崩光電二極管1、特點(diǎn)圖 3 13APD雪崩示意圖3、光電檢測(cè)過程 用雪崩光電二極管(APD)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程如圖所示。光信號(hào)包括信號(hào)光和背景光；電信號(hào)輸出包含信號(hào)、背景、咕電流和非倍增的暗電流;對(duì)三種電流即信號(hào)、背景和暗電流產(chǎn)生雪崩增益；系統(tǒng)的輸出包含信號(hào)和噪聲。圖3-14 光電檢測(cè)框圖3.2 光檢測(cè)器光檢測(cè)器3.3 光放大器光放大器3.1 光源光源3.4 光無源器件光無源器件 光放大器的出現(xiàn)和發(fā)展克服了高速長(zhǎng)距離傳輸光放大器的出現(xiàn)和發(fā)展克服了高速長(zhǎng)距離傳輸?shù)淖畲笳系K的最大障礙光功率受限，這是光通信史上光功率受限，這是光通

24、信史上的重要里程碑。的重要里程碑。 光放大器是一種不需要經(jīng)過光光放大器是一種不需要經(jīng)過光/ /電電/ /光變換而直光變換而直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的有源器件接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的有源器件光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件把鉺離子從E1能級(jí)“泵”到E3能級(jí)，使其形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，為受激幅射創(chuàng)造條件。 是為了保證泵浦光與EDFA中合波器的反射光不向外洩漏，光隔離器的特點(diǎn)是只允許正方向的光進(jìn)入。 把泵浦光與信號(hào)光合并在一起輸入到摻鉺光纖中信號(hào)光和與泵浦光同時(shí)沿?fù)姐s光纖傳 輸，泵浦光的能量被光纖中的鉺離子吸收而躍遷到更 高的能級(jí)，并可以通過能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿?fù)姐s光纖長(zhǎng)度不斷

25、放大，泵浦光 沿?fù)姐s光纖長(zhǎng)度不斷衰減EDFA主要是由摻鉺光纖、泵浦源、耦合器和光隔離器組成DWDM系統(tǒng)中使用的系統(tǒng)中使用的EDFA必須具有必須具有: : 足夠的帶寬 平坦的增益 低噪聲系數(shù) 高輸出功率 特別是增益平坦度，這是特別是增益平坦度，這是DWDM系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)對(duì)EDFA的特殊要求！的特殊要求！電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 在光放大器研制成功之前， 主要采用光電混合中繼器（或稱再生器）放大光信號(hào)。 首先將光纖中送來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大， 最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送到光纖中去，如圖3-14所示。 圖3-14 傳統(tǒng)的

26、中繼器原理框圖 光電變換(O/E)放大器電光變換(E/O)光纖光纖光的范圍電的范圍光的范圍一、光電光放大器電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件圖10 全光放大器原理框圖二、全光放大器1、半導(dǎo)體激光放大器 常用的有法布里泊羅半導(dǎo)體激光放大器（FPA）和行波放大器。此類放大器 的工作原理與激光器相同，都利用能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的受激輻射工作。二者區(qū)別在于沒有諧振腔。二者區(qū)別在于沒有諧振腔。2、非線性光學(xué)放大器 利用光纖中的非線性現(xiàn)象進(jìn)行光信號(hào)放大，即利用受激拉曼散射和受激布里淵散射。放大的過程，就是能量從泵浦源向信號(hào)光轉(zhuǎn)移的過程。3、摻稀土金屬光纖放大器 光纖中摻入

27、適量稀土金屬雜質(zhì)，利用稀土金屬原子特有的能級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大。常用的摻鉺光纖放大器（常用的摻鉺光纖放大器（EDFA）是摻稀土金屬的光纖放大器。）是摻稀土金屬的光纖放大器。電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件摻鉺光纖放大器的組成及工作原理摻鉺光纖放大器的組成及工作原理摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖(EDF)、 泵浦光源、 耦合器、 隔離器等組成， 如圖3-27所示。 摻鉺光纖放大器的基本組成電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件(1) 摻鉺光纖。 摻鉺光纖是一段長(zhǎng)度約為10 m100 m的石英光纖， 纖芯中注入稀土元素鉺離

28、子， 濃度為25 mg/kg。(2) 泵浦光源。 泵浦光源為半導(dǎo)體激光器， 輸出功率約為10 mW100 mW， 工作波長(zhǎng)為0.98 m。(3) 光耦合器。 光耦合器將信號(hào)光和泵浦光合在一起通過摻鉺光纖實(shí)現(xiàn)光放大。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件(4) 光濾波器。 光濾波器濾出光放大器的噪聲， 降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響， 提高系統(tǒng)的的信噪比。(5) 光隔離器。 光隔離器的作用是抑制光反射， 以確保光放大器工作穩(wěn)定， 保證光信號(hào)只能正向傳輸。 對(duì)它的要求是插入損耗低、 與偏振無關(guān)、 隔離度優(yōu)于40 dB。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基

29、本器件光纖通信的基本器件摻鉺光纖放大器的工作原理是受激輻射使光信號(hào)放大。 在光纖中摻入微量的鉺元素， 當(dāng)只有泵浦光而沒有信號(hào)光加入摻鉺光纖時(shí)， 高能級(jí)的電子經(jīng)過各種碰撞后， 發(fā)射小波長(zhǎng)為1.53 m1.56 m的熒光， 這些熒光在沒有信號(hào)射入時(shí)處于非相干狀態(tài)。 當(dāng)泵浦光與信號(hào)光一起射入摻鉺光纖時(shí)，電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件信號(hào)光就可以接收泵浦光的能量， 沿著光纖逐步加強(qiáng)， 輸出一個(gè)頻率相同、 傳輸模式相同的較強(qiáng)的光， 使光信號(hào)獲得放大。 在鉺粒子受激輻射過程中， 有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài)， 產(chǎn)生帶寬極寬而且雜亂無章的光子， 并在傳

30、播中不斷擴(kuò)大， 從而形成了自發(fā)輻射燥聲， 并消耗了部分泵浦功率。 因此， 需設(shè)光濾波器， 以降低燥聲對(duì)系統(tǒng)的影響。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件3.3.33.3.3光纖放大器的結(jié)構(gòu)光纖放大器的結(jié)構(gòu)EDFA的內(nèi)部按泵浦方式分， 有同向泵浦、 反向泵浦和雙向泵浦三種基本結(jié)構(gòu)。 如圖3-28所示。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件圖 3 28光放大器泵浦方式電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件(1) 同向泵浦。 在同向泵浦結(jié)構(gòu)中， 泵浦光與信號(hào)光從同一端注入摻鉺光纖。 (2)

31、 反向泵浦。 在反向泵浦結(jié)構(gòu)中, 泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻雜光纖， 兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。 (3) 雙向泵浦。 為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分的激勵(lì)， 必須提高泵浦功率。 在雙向泵浦結(jié)構(gòu)中， 既有和信號(hào)光傳輸方向相同的泵浦光， 也有和信號(hào)光傳輸方向相反的泵浦光。電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件3.3.43.3.4光纖放大器的應(yīng)用光纖放大器的應(yīng)用 光放大器可以應(yīng)用于干線通信。主要應(yīng)用形式有三種： 中繼放大、 功率放大、 前置放大和LAN放大。 中繼放大是指將EDFA直接插入到光纖傳輸鏈路中對(duì)信號(hào)進(jìn)行中繼放大的應(yīng)用形式， 如圖3-29(a

32、)所示。 廣泛用于長(zhǎng)途通信、 越洋通信等領(lǐng)域。 功率放大是指將EDFA放在發(fā)射光源之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的應(yīng)用形式， EDFA增加了注入光纖的光功率， 從而可以延長(zhǎng)中繼距離。 如圖3-29(b)所示。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件由于EDFA的低噪聲特性， 使它很適于作為接收機(jī)的前置放大器, 大大提高接收機(jī)的接收靈敏度。 如圖3-29(c)所示。 LAN放大是指將EDFA放在光纖局域網(wǎng)中用作分配補(bǔ)償放大器， 以便增加光節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。 EDFA可在寬帶本地網(wǎng)特別是在電視分配網(wǎng)中得到應(yīng)用。 如圖3-29(d)所示。 電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖

33、通信的基本器件光纖通信的基本器件圖 3 29EDFA的應(yīng)用電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 在光纖通信系統(tǒng)中，除了有源器件、光纖光纜之外，還有無源器件。無源器件有 光纖活動(dòng)連接器 光衰減器 光無源耦合器 光波分復(fù)用器 光隔離器 光開關(guān)等電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件 ，ITU-T建議將其定義為“用以穩(wěn)定地，但并不是永久地連接兩根或多根光纖的”。 3.4 光無源器件光無源器件1.1 功能 光纖連接器主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中光纖（纜）與光纖（纜）、光纖（纜）與有源器件、光纖（纜）與無源器件、光纖（纜）與系統(tǒng)和儀表的非永

34、久性固定連接等。 1.2 結(jié)構(gòu) 光纖活動(dòng)連接器有以下幾種結(jié)構(gòu)：套管結(jié)構(gòu)，雙錐結(jié)構(gòu)、V型槽結(jié)構(gòu)、球面定心結(jié)構(gòu)和透鏡耦合結(jié)構(gòu)電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件工作原理是：對(duì)光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面、套管的內(nèi)孔進(jìn)行精密加工，使兩根光纖在套管中對(duì)接，從而確保兩個(gè)光纖很好地在套管內(nèi)對(duì)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)兩根光纖在套管內(nèi)的活動(dòng)連接。如圖1所示。圖15 光連接器套管結(jié)構(gòu)示意圖1.3工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖3.4 光無源器件光無源器件光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件1.4 常見端面接觸

35、形式 FC型。其接頭的對(duì)接方式為平面對(duì)接。優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)是存在菲聶爾反射。 PC型。是FC型的改進(jìn)型。其對(duì)接面由平面變?yōu)楣靶屯姑妗Ｊ俏覈?guó)最通用的規(guī)格。減少了菲聶爾反射，反射損耗系數(shù)可達(dá)48dB。 APC型。光纖端面是球面，端面法線與軸線成一定角度，使光難以返回光源，反射損耗系數(shù)達(dá)55dB。圖16 光纖連接器的端面連接方式3.4 光無源器件光無源器件電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件3.4 光無源器件光無源器件1、光衰減器的作用 光衰減器的作用：對(duì)光能量進(jìn)行預(yù)期的衰減，使光能量減少。對(duì)光能量進(jìn)行預(yù)期的衰減，使光能量減少。 光衰減器使用于光通信

36、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。2、光衰減器的分類 按光信號(hào)的傳輸方式分：?jiǎn)文９馑p器和多模光衰減器；按光信號(hào)的接口方式分：尾纖式光衰減器和連接端口式光衰減器；按照光信號(hào)的衰減方式分：固定光衰減器和可變光衰減器。電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件3.4 光無源器件光無源器件 固定光衰減器產(chǎn)生衰減的機(jī)理是吸收一部分光，從而產(chǎn)生衰減作用。也就是在光線軸線上設(shè)置一種叫衰減膜的介質(zhì)，它是一種半透明的摻雜化合物，在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)，它有一個(gè)吸收帶，光在吸收帶內(nèi)被吸收，產(chǎn)

37、生衰減。3、固定光衰減器的工作原理圖17 無準(zhǔn)直遠(yuǎn)鏡光衰減器電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件3.4 光無源器件光無源器件 可變光衰減器有步進(jìn)式可變光衰減器和連續(xù)可變光衰減器兩種。圖4是步進(jìn)式可變光衰減器的一種結(jié)構(gòu)。它由準(zhǔn)直器和兩個(gè)衰減圓盤組成。準(zhǔn)直器用來產(chǎn)生平行的出射光，衰減圓盤用來產(chǎn)生衰減。兩個(gè)衰減圓盤插在從準(zhǔn)直器出射的平行光路之中。每個(gè)衰減圓盤分別裝有6個(gè)衰減片，衰減片的衰減是0dB、5dB、l0dB、15dB、20 dB、25dB。將兩個(gè)衰減圓盤的衰減片進(jìn)行組合，可以產(chǎn)生5dB、10dB、15dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB

38、、45dB、50dB等十擋衰減。2.4 可變光衰減器的工作原理圖18 步進(jìn)式可變光衰減器結(jié)構(gòu)電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件3.4 光無源器件光無源器件 2、作用：防止光路中由于各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光對(duì)光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響2、光衰減器的分類 按光信號(hào)的傳輸方式分：?jiǎn)文９馑p器和多模光衰減器；按光信號(hào)的接口方式分：尾纖式光衰減器和連接端口式光衰減器；按照光信號(hào)的衰減方式分：固定光衰減器和可變光衰減器。1、定義：只允許單向光通過的無源光器件電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件電子信息技術(shù)教研室電子信息技術(shù)教

39、研室 光纖通信的基本器件光纖通信的基本器件3.4 光無源器件光無源器件四四、光波分復(fù)用器光波分復(fù)用器 多波長(zhǎng)波分復(fù)用器一般指4波長(zhǎng)以上器件，對(duì)于密集型（DWDM）器件，有4波長(zhǎng)、8波長(zhǎng)、16波長(zhǎng)等幾種。研制產(chǎn)品的波長(zhǎng)是1550nm和1310nm?？紤]到摻鉺光纖放大器的需要，又考慮到波長(zhǎng)在550nm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。對(duì)于1310nm區(qū)域，如果光纖放大器能商品化，在此區(qū)域內(nèi)使用DWDM技術(shù)，對(duì)已建光纖系統(tǒng)的升級(jí)有很大的吸引力。 多波長(zhǎng)波分復(fù)用器有介質(zhì)模型、光柵型、波導(dǎo)陣列光柵型、光纖光柵等。81波分復(fù)用器件包括合波器和分波器，又叫光復(fù)用器波分復(fù)用器件包括合波器和分波器，又叫光復(fù)用器和光解復(fù)用器和光解復(fù)用器復(fù)用器復(fù)用器fiber解