第3章光纤器件.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,3,章 光纤器件,返回主目录,通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。,本章介绍通信用光器件的工作原理和主要特性，为系统的设计提供选择依据。,3.1,光源,光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器,(LD),和发光二极管或称发光管,(LED),，,有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石,(,Nd:YAG,),激光器。,本节首先介绍半导体激光器,(LD),的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器,(DFB-LD),，,最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管,(LED),。,3.1.1,半导体激光器工作原理和基本结构,半导体激光器是向半导体,PN,结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文,LASER,就是,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(,受激辐射的光放大,),的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。,1.,受激辐射和粒子数反转分布,有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级,E1,称为基态，能量比基态大的能级,E,i,(i,=2,3,4),称为激发态。电子在低能级,E,1,的基态和高能级,E,2,的激发态之间的跃迁有三种基本方式,(,见图,3.1),：,图,3.1,能级和电子跃迁,(a),受激吸收；,(b),自发辐射；,(c),受激辐射,(1),在正常状态下，电子处于低能级,E,1,，,在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级,E,2,上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图,3.1(a),。,(2),在高能级,E,2,的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级,E,1,上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图,3.1(b),。,(3),在高能级,E,2,的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级,E,1,上与空穴,复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图,3.1(c),。,受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在,E1,和,E2,两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即,E,2,-E,1,=hf,12,(3.1),式中，,h=6.62810,-34,Js,，,为普朗克常数，,f,12,为吸收或辐射的光子频率。,受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。,产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级,E,1,和处于高能级,E,2,(E,2,E,1,),的原子数分别为,N,1,和,N,2,。,当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布,式中，,k=1.38110,-23,J/K,，,为波尔兹曼常数，,T,为热力学温度。由于,(E,2,-E,1,)0,，,T0,，,所以在这种状态下，总是,N,1,N,2,。,这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于,N,1,和,N,2,，,且比例系数,(,吸收和辐射的概率,),相等。如果,N,1,N,2,，,即受激吸收大于受激辐射。当,光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。,如果,N,2,N,1,，,即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。,N,2,N,1,的分布，和正常状态,(N,1,N,2,),的分布相反，所以称为粒子,(,电子,),数反转分布。问题是如何得到粒子数反转分布的状态呢,?,这个问题将在下面加以叙述。,2.PN,结的能带和电子分布,半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如图,3.2,。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量,Ec,和价带顶的能量,Ev,之间的能量差,E,c,-E,v,=,E,g,称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。,图,3.2,半导体的能带和电子分布,(a),本征半导体；,(b)N,型半导体；,(c)P,型半导体,图,3.2,示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为,E,的能级被电子占据的概率为费米分布,式中，,k,为波兹曼常数，,T,为热力学温度。当,T0,时，,P(E)0,，,这时导带上几乎没有电子，价带上填满电子。,Ef,称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状,态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。,图,3.3PN,结的能带和电子分布,(a)P-N,结内载流子运动；,(b),零偏压时,P-N,结的能带图；,(c),正向偏压下,P-N,结能带图,一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用,E,f,位于禁带中央来表示，见图,3.2(a),。,在本征半导体中掺入施主杂质，称为,N,型半导体。在,N,型半导体中，,E,f,增大，导带的电子增多，价带的空穴相对减少，见图,3.2(b),。,在本征半导体中，掺入受主杂质，称为,P,型半导体。在,P,型半导体中，,E,f,减小，导带的电子减少，价带的空穴相对增多，见图,3.3(c),。,在,P,型和,N,型半导体组成的,PN,结界面上，由于存在多数载流子,(,电子或空穴,),的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，见图,3.3(a),。,内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到,P,区和,N,区的,Ef,相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图,3.3(b),。,这时在,PN,结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，,结果能带倾斜减小，扩散增强。,电子运动方向与电场方向相反，便使,N,区的电子向,P,区运动，,P,区的空穴向,N,区运动，最后在,PN,结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图,3.3(c),。,在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。,3.,激光振荡和光学谐振腔,粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光,学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。,基本的光学谐振腔由两个反射率分别为,R1,和,R2,的平行反射镜构成,(,如图,3.4,所示,),，并被称为法布里,-,珀罗,(,FabryPerot,FP),谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放,大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。,另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡，其阈值条件为,图,3.4,激光器的构成和工作原理,(a),激光振荡；,(b),光反馈,th,=+,式中，,th,为阈值增益系数，,为谐振腔内激活物质的损耗系数，,L,为谐振腔的长度，,R,1,，,R,2,1,为两个反射镜的反射率激光振荡的相位条件为,L=q,式中，,为激光波长，,n,为激活物质的折射率，,q=1,2,3,称为纵模模数。,4.,半导体激光器基本结构,半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图,3.5,示出的双异质结,(DH),平面条形结构。这,种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。,图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚,0.10.3 m,的窄带隙,P,型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的,P,型和,N,型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片,(,衬底,),上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里,-,珀罗,(FP),谐振腔。,图,3.6,示出,DH,激光器工作原理。由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，,P,层的空穴和,N,层的电子注入有源层。,P,层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到,P,层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散,到,N,层。,图,3.6DH,激光器工作原理,(a),短波长；,(b),长波长,(a),双异质结构；,(b),能带；,(c),折射率分布；,(d),光功率分布,P,层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到,P,层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到,N,层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚,0.10.3 m,的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电,/,光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。,3.1.2,半导体激光器的主要特性,1.,发射波长和光谱特性,半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度,Eg(eV,),，,由式,(3.1),得到,hf,=,Eg,式中，,f=c/,，,f(Hz),和,(m),分别为发射光的频率和波长，,c=310,8,m/s,为光速，,h=6.62810,-34,JS,为普朗克常数，,1,eV,=1.610,-19,J,，,代入上式得到,不同半导体材料有不同的禁带宽度,Eg,，,因而有不同的发射波长,。,镓铝砷,-,镓砷,(,GaAlAsGaAs,),材料适用于,0.85 m,波段，铟镓砷磷,-,铟磷,(,InGaAsPInP,),材料适用于,1.31.55 m,波段。参看图,3.5(b),。,2.,转换效率和输出光功率特性,激光器的电,/,光转换效率用外微分量子效率,d,表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数,由此得到,3.1.3,分布反馈激光器,(DFB),随着技术的进步，高速率光纤通信系统的发展和新型光纤通信系统例如波分复用系统的出现，都对激光器提出更高的要求。和由,FP,谐振腔构成的,DH,激光器相比，要求新型半导体激光器的谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性；发射光波长更加稳定，并能实现调谐；阈值电流更低，而输出光功率更大。具有这些特性的动态单纵模激光器有多种类型，其中性能优良并得到广泛应用的是分布反馈,(Distributed Feed Back,DFB),激光器。,普通激光器用,FP,谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进行反馈，,DFB,激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构,(,波纹状,),衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅,的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。,如图,3.13,所示，由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射,(,如光线,a),，,另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射,(,如光线,b),。,如果光线,a,和,b,匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百上千个波纹峰，反馈光的总量,足以产生激光振荡。,光栅周期,由下式确定,=m,式中，,n,e,为材料有效折射率，,B,为布喇格波长，,m,为衍射级数。在普,通光栅的,DFB,激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为,图,3.13,分布反馈,(DFB),激光器,(a),结构；,(b),光反馈,式中,L,为光栅长度，其他符号和式,(3.10),意义相同。在普通均匀光栅中，引入一个,/4,相移变换，使原来的波峰变波谷，波谷变波峰，可以有效地提高模式选择性和稳定性，实现动态单纵模激光器的要求。,DFB,激光器与,F-P,激光器相比，具有以下优点：,单纵模激光器。,FP,激光器的发射光谱是由增益谱和激光器纵模特性共同决定的，由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。,DFB,激光器的发射光谱主要由光栅周期,决定。,相当于,FP,激光器的腔长,L,，,每一个,形成一个微型谐振腔。由于,的长度很小，所以,m,阶和,(m+1),阶模之间的波长间隔比,FP,腔大得多，加之多个微型腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式就能,获得足够的增益。于是,DFB,激光器容易设计成单纵模振荡。,谱线窄，波长稳定性好。,由于,DFB,激光器的每一个栅距,相当于一个,FP,腔，所以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄，可以窄到几个,GHz,。,由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善。,动态谱线好。,DFB,激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是,FP,激光器无法比拟的。尽管,DFB,激光器在高速调制时存在啁啾，谱线有一定展宽，但比,FP,激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。,线性好。,DFB,激光器的线性非常好，因此广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。,3.1.4,发光二极管,发光二极管,(LED),的工作原理与激光器,(LD),有所不同，,LD,发射的是受激辐射光，,LED,发射的是自发辐射光。,LED,的结构和,LD,相似，大多是采用双异质结,(DH),芯片，把有源层夹在,P,型和,N,型限制层中间，不同的是,LED,不需要光学谐振腔，没有阈值。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型,LED,，,另一类是侧面发光型,LED,，,其结构示于图,3.14,。和正面发光型,LED,相比，侧面发光型,LED,驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光,纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型,LED,大。,图,3.14,两类发光二极管,(LED),(a),正面发光型；,(b),侧面发光型,和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。因此，这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。,发光二极管具有如下工作特性：,(1),光谱特性。,发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图,3.15,。一般短波长,GaAlAsGaAs,LED,谱线宽度为,3050 nm,，,长波,InGaAsPInP,LED,谱线宽度为,60120 nm,。,随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移动，短,波长和长波长,LED,的移动分别为,0.20.3 nm/,和,0.30.5 nm/,。,图,3.15LED,光谱特性,(2),光束的空间分布。,在垂直于发光平面上，正面发光型,LED,辐射图呈朗伯分布，即,P()=P0,cos,，,半功率点辐射角,120,。,侧面发光型,LED,，,120,，,2535,。,由于,大，,LED,与光纤的耦合效率一般小于,10%,。,(3),输出光功率特性。,发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率,d,小于,10%,。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图,3.16,。驱动电流,I,较小时，,P-I,曲线的线性较好；,I,过大时，由于,PN,结发热产生饱和现象，使,P-I,曲线的斜率减小。在通常工作条件下，,LED,工作电流为,50100mA,，,输出光,功率为几,mW,，,由于光束辐射角大，入纤光功率只有几百,W,。,图,3.16,发光二极管,(LED),的,P-I,特性,(3),输出光功率特性。,发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率,d,小于,10%,。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图,3.16,。驱动电流,I,较小时，,P-I,曲线的线性较好；,I,过大时，由于,PN,结发热产生饱和现象，使,P-I,曲线的斜率减小。在通常工作条件下，,LED,工作电流为,50100,mA,，,输出光功率为几,mW,，,由于光束辐射角大，入纤光功率只有几百,W,。,(4),频率特性。,发光二极管的频率响应可以表示为,|H(f)|=,式中，,f,为调制频率，,P(f),为对应于调制频率,f,的输出光功率，,e,为少数载流子,(,电子,),的寿命。定义,f,c,为发光二极管的截止频率，当,f=,f,c,=1/(2e),时，,|,H(fc,)|=,，,最高调制频率应低于截止频率。,图,3.17,示出发光二极管的频率响应，图中显示出少数载流子的寿命,e,和截止频率,f,c,的关系。对有源区为低掺杂浓度的,LED,，,适当增加工作电流可以缩短载流子寿命，提高截止频率。在一般工作条件下，正面发光型,LED,截止频率为,2030 MHz,，,侧面发光型,LED,截止频率为,100150 MHz,。,图,3.17,发光二极管,(LED),的频率响应,3.1.5,半导体光源一般性能和应用,表,3.1,和表,3.2,列出半导体激光器,(LD),和发光二极管,(LED),的一般性能。,LED,通常和多模光纤耦合，用于,1.3m(,或,0.85m),波长的小容量短距离系统。因为,LED,发光面积和光束辐射角较大，而多模,SIF,光纤或,G651,规范的多模,GIF,光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。,LD,通常和,G.652,或,G.653,规范的单模光纤耦合，用于,1.3 m,或,1.55 m,大容量长距离系统，这种系统在国内外都得到最广泛的应用。分布反馈激光器,(DFB-LD),主要和,G.653,或,G.654,规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。,表,3.2,分布反馈激光器,(DFB-LD),一般性能,在实际应用中，通常把光源做成组件，图,3.18,示出,LD,组件构成的实例。偏置电流和信号电流经驱动电路作用于,LD,，,LD,正向发射的光经隔离器和透镜耦合进入光纤，反向发射的光经,PIN,光电二极管转换进入光功率监控器，同时利用热敏电阻和冷却元件进行温度监测和自,动温度控制,(ATC),。,3.2,光,-,检测器,3.2.1,光电二极管工作原理,光电二极管,(PD),把光信号转换为电信号的功能，是由半导体,PN,结的光电效应实现的。,如,3.1,节所述，在,PN,结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形成内部电场。内部电场使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在,PN,结界面附近形成耗尽层如图,3.19(a),。,当入射光作用在,PN,结时，如果光子的能量大于或等于带隙,(,hfEg,),，,便发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子,-,空穴对。在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向,N,区运动，空穴向,P,区运,动，形成漂移电流。,在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与,P,层和,N,层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，,N,区过剩的电子通过外部电路流向,P,区。同样，,P,区的空穴流向,N,区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由,PN,结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子,-,空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管,(PD),。,如图,3.19(b),所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，,就需要改进,PN,结光电二极管的结构。,3.2.2PIN,光电二极管,由于,PN,结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在,PN,结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体,(,称为,I),，,这种结构便是常用的,PIN,光电二极管。,PIN,光电二极管的工作原理和结构见图,3.20,和图,3.21,。中间的,I,层是,N,型掺杂浓度很低的本征半导体，用,(N),表示；两侧是掺杂浓度很高的,P,型和,N,型半导体，用,P+,和,N+,表示。,I,层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子,-,空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧,P+,层和,N+,层很薄，吸收入射光的比例很小，,I,层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提,高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度,w,，,来改变器件的响应速度。,图,3.21 PIN,光电二极管结构,3.2.3,雪崩光电二极管,(APD),光电二极管输出电流,I,和反偏压,U,的关系示于图,3.24,。随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压,UB,。,APD,就是根据这种特性设计的器件。,根据光电效应，当光入射到,PN,结时，光子被吸收而产生电子,-,空穴对。如果电压增加到使电场达到,200 kV/cm,以上，初始电子,(,一次电子,),在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子,-,空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪,崩式倍增，见图,3.25,。所以这种器件就称为雪崩光电二极管,(APD),。,图,3.25 APD,载流子雪崩式倍增示意图,APD,的结构有多种类型，如图,3.26,示出的,N+PP+,结构被称为拉通型,APD,。,在这种类型的结构中，当偏压加大到一定值后，耗尽层拉通到,(P),层，一直抵达,P+,接触层，是一种全耗尽型结构。拉通型雪崩光电二极管,(RAPD),具有光电转换效率高、响应速度快,和附加噪声低等优点。,1.,倍增因子,由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，并把倍增因子,g,定义为,APD,输出光电流,Io,和一次,光生电流,I,和,P,的比值。,显然，,APD,的响应度比,PIN,增加了,g,倍。根据经验，并考虑到器件体电阻的影响，,g,可,以表示为,式中，,U,为反向偏压，,UB,为击穿电压，,n,为与材料特性和入射光波长有关的常数，,R,为体电阻。当,UUB,时，,R,Io,/U,B,1,，,上式可简化为,3.2.4,光电二极管一般性能和应用,表,3.3,和表,3.4,列出半导体光电二极管,(PIN,和,APD),的一般性能。,APD,是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用,APD,有利于延长系统的传输距离。但是采用,APD,要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了成本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用,PINPD,。,SiPIN,和,APD,用于短波长,(0.85m),光纤通信系统。,InGaAsPIN,用于长波长,(1.31 m,和,1.55 m),系统，性能非常稳定，通常把它和使用场效应管,(FET),的前置放大器集成在同一基片上，构成,FET PIN,接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的性能。,这种组件已经得到广泛应用。新近研究的,InGaAsAPD,的特点是响应速度快，传输速率可达几到十几,Gb/s,，,适用于超高速光纤通信系统。由于,GeAPD,的暗电流和附加噪声指数较大，很少用于实际通信系统。,3.3,光 无 源 器 件,一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集,成。本节主要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。,3.3.1,连接器和接头,连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸,(,活动,),连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。表,3.5,给出光纤连接器的一般性能。接头是实现光纤与光纤之间的永久性,(,固定,),连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。连接器件是光纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。连接器有单纤,(,芯,),连接器和多纤,(,芯,),连接器，其特性主要取决于结构设计、加工精度和所用材料。单纤连接器结构有许多种类型，其中精密套管结构设计合理、效果良好，适宜,大规模生产，,因而得到很广泛的应用。,表,3.5,光纤连接器一般性能,图,3.26,示出精密套管结构的连接器简图，包括用于对中的套管、带有微孔的插针和端面的形状,(,图中画出平面的端面,),。光纤固定在插针的微孔内，两支带光纤的插针用套管对中实现连接。要求光纤与微孔、插针与套管精密配合。对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之间的横向偏移在,1 m,以内，轴线倾角小于,0.5,。普通的,FC,型连接器，光纤端面为平面。对于高反射损耗的连接器，要求光纤端面为球面或斜面，实现物理接触,(PC),型。套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢，但插针材料用,ZrO,2,陶瓷最理想。,ZrO2,陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数和光纤相近，使,连接器的寿命,(,插拔次数,),和工作温度范围,(,插入损耗变化,0.1 dB),大大改善。,图,3.26,套管结构连接器简图,一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度套管和矩形外壳，配合陶瓷插针构成的，这种方法可以做成,2,纤或,4,纤连接器。另一种多纤连接器是把光纤固定在用硅晶片制成的精密,V,形槽内，然后多片叠加并配合适当外壳。这种多纤连接器配合高密度带状光缆，适用于接入网或局域网的连接。,对于实现固定连接的接头，国内外大多借助专用自动熔接机在现场进行热熔接，也可以用,V,形槽连接。热熔接的接头平均损耗达,0.05 dB/,个。,3.3.2,光耦合器,耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器,/,解复用器。,1.,耦合器类型,图,3.27,示出常用耦合器的类型，它们各具不同的功能和用途。,T,形耦合器这是一种,22,的,3,端耦合器，见图,3.27(a),，,其功能是把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输,入一根光纤。,图,3.27,常用耦合器的类型,这种耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组合器。,星形耦合器这是一种,nm,耦合器，见图,3.27(b),，,其功能是把,n,根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给,m,根光纤，,m,和,n,不一定相等。这种耦合器通常用作多端功率分配器。,定向耦合器这是一种,22,的,3,端或,4,端耦合器，其功能是分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。见图,3.27(c),，,光信号从端,1,传输到端,2,，一部分由端,3,输出，端,4,无输出；光信号从端,2,传输到端,1,，一部分由端,4,输出，端,3,无输出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。,波分复用器,/,解复用器,(,也称合波器,/,分波器,),这是一种与波长有关的耦合器，见图,3.27(d),。,波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。波分复用器,/,解复用器将在,7.2,节详细介绍。,2.,基本结构,耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前途的有光纤型、微器件型和波导型,，图,3.28,图,3.31,示出这三种类型的有代表性器件的基本结构。,图,3.28,光纤型耦合器,(a),定向耦合器；,(b)88,星形耦合器；,(c),由,12,个,22,耦合器组成的,88,星,形耦合器,光纤型把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。这种方法可以构成,T,型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解复用器。图,3.28(a),和,(b),分别示出单模,22,定向耦合器和多模,nn,星形耦合器的结构。单模星形耦合器的端数受到一定限制，通常可以用,22,耦合器组成，图,3.28(c),示出由,12,个单模,22,耦合器组成的,88,星形耦合器。,图,3.29(a),所示定向耦合器可以制成波分复用,/,解复用器。如图,3.29,，光纤,a(,直通臂,),传输的输出光功率为,Pa,，,光纤,b(,耦合臂,),的输出光功率为,Pb,，,根据耦合理论得到,Pa=cos,2,(CL),Pb,=sin,2,(C,L,),(3.28a),图,3.29,光纤型波分解复用器原理,式中，,L,为耦合器有效作用长度，,C,为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。,设特定波长为,1,和,2,，,选择光纤参数，调整有效作用长度，使得当光纤,a,的输出,Pa(1),最大时，光纤,b,的输出,P,b,(1)=0,；当,Pa(,2,)=0,时，,Pb(2),最大。对于,1,和,2,分别为,1.3m,和,1.55 m,的光纤型解复用器，可以,做到附加损耗为,0.5 dB,，,波长隔离度大于,20 dB,。,微器件型,用自聚焦透镜和分光片,(,光部分透射，部分反射,),、滤光片,(,一个波长的光透射，另一个波长的光反射,),或光栅,(,不同波长的光有不同反射方向,),等微光学器,件可以构成,T,型耦合器、定向耦合器和波分解复用器，如图,3.30,所示。,图,3.30,微器件型耦合器,(a)T,形耦合器；,(b),定向耦合器；,(c),滤光式解复用器；,(d),光栅式解复,波导型在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是,SiO,2,，,横截面为矩形或半圆形。图,3.32,示出波导型,T,型耦合器、定向耦合器和用滤光片作为波长选择元件的波分解复用器。,3.,主要特性,说明耦合器参数的模型如图,3.32,所示，主要参数定义如下。,图,3.32,波导型耦合器,由此可定义功率分路损耗,Ls,：,Ls=10lg,附加损耗,Le,由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和,Pit,和全部输出端的光功率总和,Pot,的比值，用分贝表示,L,e,=10,lg,插入损耗,Lt,是一个指定输入端的光功率,P,ic,和一个指定输出端的光功率,P,oc,的比值，用分贝表示,Lt=10lg,方向性,DIR(,隔离度,),是一个输入端的光功率,P,ic,和由耦合器反射到其它端的光功率,Pr,的比值，用分贝表示,DIR=10lg,一致性,U,是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。,表,3.6,、表,3.7,列出波长为,1.31 m,或,(,和,)1.55 m,单模光纤型耦合器和波分复用器,/,解复用器的一般性能。,3.3.3,光隔离器与光环行器,耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。然而在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件。隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离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该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为,1 dB,，,隔离度的典型值的大致范围为,4050 dB,。,首先介绍一下光偏振,(,极化,),的概念。单模光纤中传输的光的偏振态,(SOP,：,State of Polarization),是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。在任何时刻，电场矢量,都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。,隔离器工作原理如图,3.34,所示。这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如,45,，并且其,旋转方向与光传播方向无关。,图,3.34,隔离器的工作原理,法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，这个偏振器的透振方向在,45,方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转,45,后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件,(,即正方向传输,),是没有损耗的,(,插入损耗除外,),。另一方面，假定在右边存在某种反射,(,比如接头的反射,),，反射光的偏振态也在,45,方向上，当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转,45,，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器,(,第一个偏振器,),，于是就达到隔离效果。,然而在实际应用中，入射光的偏振态,(,偏振方向,),是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如图,3.35,所示。,图,3.35,一种与输入光的偏振态无关的隔离器,具有任意偏振态的入射光首先通过一,个空间分离偏振器,(SWP:Spatial Walkoff Polarizer),。,这个,SWP,的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。两个分量都要通过法拉弟旋转器，其偏振态都要旋转,45,。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片,plate,或,halfwave plate,。,这个半波片的作用是将从左向右,传播的光的偏振态顺时针旋转,45,，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转,45,。,因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分,量的光在输出端由另一个,SWP,合在一起输出，如图,3.35(a),所示。,另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被,SWP,再组合在一起，如图,3.35(b),所示，于是就起到隔离作用。,环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。如图,3.36,所示，典型的环行器一般有三个或四个端口。在三端口环行器中，端口,1,输入的光信号在端口,2,输出，端口,2,输入的光信号在端口,3,输出，端口,3,输入的光信号由端口,1,输出。光环行器主要用于光分插复用器中。,图,3.36,光环行器,(a),三端口；,(b),四端口,3.3.4,光调制器,为提高光纤通信系统的质量，避免直接调制激