光纤通信技术教学课件PPT光无源器件和光有源器件.ppt

第2章 光无源及有源器件,概述 无源器件 光连接器及光衰减器 光耦合器与光复用器 光滤波器与光解复用器 光隔离器与环行器 光调制器与光开光 有源器件 激光器 光检测器 光放大器 光波长转换器 光转发模块光发射机与光接收机,光纤通信技术,本章的学习目的,了解光纤通信系统的基本构成，所涉及的各种光器件！ 了解每种器件的基本结构、工作原理和用途； 了解光器件性能对系统性能的影响。,光纤通信技术,光纤通信技术,communications markets通信市场,recall,数字光纤通信系统的组成,光纤,中继器,中继系统,光发射机,光接收机,输入接口,电发射端机,用户,信号复接 pcm编码,码型变换,光纤,备用系统,辅助设备,输入接口,电发射端机,用户,光纤通信技术,光纤通信系统中的器件与模块,波分复用,薄膜滤波器 光纤光栅 波导器件 环路器 间插复用器 复用/解复用模块,放大,隔离器 耦合器 泵浦激光器 增益均衡器 衰减器 光放大器,光开关 上下话路器 交叉互连器,上下路由,信号发射,光源 调制器 锁波器 接收器 探测器 发射和接收模块,分组交换,信号接收,波分解复用,光纤通信技术,概 述,作用 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。 光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。,类型 无源 光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器、光调制器、光开光 有源 激光器、光检测器、光放大器、光波长转换器等,发展趋势 集成化、全光纤化,光纤通信技术,1、光连接器及衰减器,一、技术指标 1、连接损耗 2、反射（或回波损耗）,光纤通信技术,二、连接损耗 光纤端面的反射; 光纤之间的横向错位; 光纤之间的角度倾斜; 光纤之间的端面间隙; 光纤端面的形状畸变; 以及光纤之间的参数（芯径、数值孔径、折射率分布）不匹配。,光纤通信技术,三、光纤的固定连接 熔接法、v形槽法和套管法,光纤通信技术,光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。,部分单模光纤连接器的主要特性,举例： fc型（即圆柱套筒型）连接器的基本结构,fc/pc,sc/pc,st/pc,光纤通信技术,光纤连接器按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤的单模、多模连接器，还有其它媒介如塑胶等为传输媒介的光纤连接器； 按连接头结构型式可分为：fc、sc、st、lc、d4、din、mu、mt等等各种型式；其中，st连接器通常用于布线设备端，如光纤配线架、光纤模块等；sc和mt连接器用于网络设备端较多。 按光纤端面形状分有fc、pc（包括spc或upc）和apc型；按光纤芯数分还有单芯、多芯（如mt-rj）型光纤连接器之分。 光纤连接器应用极广，品种繁多。,光纤连接器还需适配器（俗称法兰盘）来定位：分为fc和sc型法兰盘。对于catv，主要采用fc/apc和sc/apc接头。光纤连接器接头损耗一般在0.2-0.4db。fc、sc型的光纤连接器光纤直径一般为3mm，所用光纤为g.652光纤，长度一般为5-100m。 使用光纤连接器应注意事项： 光纤连接器插针针体要保持清洁，不使用时一定戴好护帽。 光纤连接器的纤缆部分禁止直角和锐角弯折，严禁受重物挤压，纤体有折痕、压痕、破损的连接器不能使用，纤体的盘绕半径需要大于30 mm。 一端已与光设备连接的光纤连接器端面通常不要用眼直视，否则会对视力造成伤害。 在光纤连接时一定要注意光纤连接头的匹配。 光纤连接器在与法兰盘对接时，定位销一定要对准法兰盘凹槽。,光纤通信技术,五、光衰减器 实现方法：光纤接头错位、准直光束的偏离、光阑、镀膜或 玻璃体的吸收等。 技术指标：衰减量、精度、反射、插损 类型：固定式、分级可变式、连续可调式,光纤通信技术,光纤通信技术,2、光耦合器与光复用器,类型： y型、x型22耦合器、1n型、mn型 宽带、窄带 全光纤型、微光元件型、集成光波导型 功能：光信号的分配、合成、提取、监控等。 原理： 多模光纤：传输模包层模传输模； 单模光纤：消失场耦合,对同一波长的光功率进行分路或合路,c-耦合系数,光纤通信技术,光纤通信技术,宽带型耦合器：两光纤的,波长范围为：13001550nm,光纤通信技术,光耦合器与光复用器,光纤通信技术,光耦合器与光复用器,微光元件型,光纤通信技术,光耦合器与光复用器,集成光波导型,光纤通信技术,3、光滤波器与光解复用器,光滤波器 与解复用器(光波长选择器件),滤波器,解复用器,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,用途：波长选择、光放大器的噪声滤除/增益均衡、光复用/解复用,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,技术参数： 中心波长（固定、可调） 带宽（ 1db带宽、3db带宽、20db带宽） 调谐范围 插损（与无波长选择性的耦合器不同） 隔离度（串音） 偏振相关性（pdl） 温度敏感系数,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,种类 基于干涉原理的滤波器 熔锥光纤滤波器、 fabry-perot滤波器、 多层介质膜滤波器、 马赫-曾德干涉滤波器 基于光栅原理的滤波器 体光栅滤波器、 阵列波导光栅滤波器（awg） 光纤光栅滤波器、 声光可调谐滤波器,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,熔锥光纤滤波器 ： 利用熔锥型光纤耦合器的波长依赖性，设计 熔融区的锥度，控制拉锥速度。 特点：插损低、结构简单、温度稳定性高、隔离度低、复用 波长数少（两波）,应用（粗波分复用） 波长间隔较宽，常用于1300nm/1550nm、 980nm/1550nm、 1480nm/1550nm 波长的分离,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,fabry-perot滤波器 原理：,传输函数：,光滤波器与光解复用器,多层介质膜滤波器,多层介质膜：通过某一波长，阻止其它波长,薄膜多共振腔滤波器,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,特点： 通带特性好（平顶、隔离度高25db） 温度敏感性小（0.0005nm/oc 不需稳控） 插损57db（16波） 波长数16ch 波长间隔0.8nm 价格较高 pdl小(0.2db),多层介质膜复用解复用器,是16波长wdm系统中主要选用的器件！,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,马赫-曾德干涉滤波器,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,体光栅滤波器,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,阵列波导光栅（awg array-waveguide-grating）,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,特点： 信道间隔（1.6 0.8 0.4nm） 端口（18 116 132 164) 需要温控（0.01nm/0c) 插损不随通道数增加(67db) 高斯型通带（采用特殊技术可实现平顶，但增大插损） 隔离度22db pdl1db 应用： 复用/解复用（16通道以上wdm系统中最具竞争力的器件） 波长路由,光纤通信技术,光滤波器与光解复用器,光纤光栅滤波器,滤波器、色散补偿器、光纤激光器等,制作方式还不能满足商业要求！,光纤通信技术,4、光隔离器与环行器,用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光 对器件性能的影响甚至损伤 主要指标： 插损（-1db）， 隔离度（对反射光的衰减能力4050db） 原理：关键元件-法拉第旋光器,光纤通信技术,光隔离器与环行器,环行器 工作原理等同于隔离器，光传送顺序：12 3 4.,光纤通信技术,5、光调制器与光开关,光调制器：实现从电信号到光信号的转换 光开关：实现光通道的通断和转换 光调制的分类： 从光源调制角度看，有两种方法实现光调制： 其一，将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制-内调制（简单、经济、引入较大的正啁啾）； 其二，将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变-外调制（调制信号啁啾小或负啁啾）。 按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制等,光纤通信技术,光调制器与光开关,光源的外调制技术：电光调制、电致吸收（ea）、磁光调制、声光调制，其中电光调制和电致吸收最为常用。 电光调制： 电光效应：电压施加于晶体（linbo3），导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化 普科尔（pocket）效应：晶体折射率与外加电场幅度成线形变化 克尔（kerr）效应：晶体折射率与外加电场幅度的平方成比例变化 电光调制器主要利用普科尔（pocket）效应,光纤通信技术,光调制器与光开关,几种电光调制器的基本结构形式 a) 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒,光纤通信技术,光调制器与光开关,对于具有克尔效应的介质，理论分析指出，o、e光通过厚度为l的介质后，所产生的相位差为: 2kl(u/d)2 式中，k称为克尔系数，与介质种类有关；u为加到克尔盒两电极板上的电压；d为两电极板间的距离。可见，克尔盒中与u的平方成线性关系 出射光强近似于： ia2e2sin2(/2) 当=时，i最大；而此时对应的电压称为半波电压u/2。,光纤通信技术,光调制器与光开关,光纤通信技术,光调制器与光开关,声波与介质相互作用产生 声光栅；,拉曼-奈斯衍射 布拉哥衍射,光纤通信技术,光调制器与光开关,磁光调制器结构简图,磁光调制器就是根据法拉第效应制成的：将磁光介质置于激磁线圈中，在它的左右两边，各加一个偏振片；安装时，使它们的光轴彼此垂直。其基本原理为： 没有磁场时，自然光通过起偏振片变为平面偏振光通过磁光介质。达到检偏振片时，因振动面没有发生旋转，光因其振动方向与检偏振片的光轴垂直而被阻挡，检偏振片无光输出。 有磁场时，入射于检偏振片的偏振光，因振动面发生了旋转，检偏振片则有光输出。光输出的强弱与磁致的旋转角有关。,光纤通信技术,光调制器与光开关,光开关 是光网络中的关键器件, 开关时间是光开关的主要指标.不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同,类型：机械式光开关、热光开关、电光开关,光纤通信技术,光调制器与光开关,22基本光开关的构成,光纤通信技术,光调制器与光开关,机械式光开关 特点：低插损、低pdl、低串话（隔离度高）、性能稳定、低价格，但速度慢（-ms）只能用在oxc和oadm节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关,光纤通信技术,光调制器与光开关,热光开关 基本结构：mz干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料（silica或polymer）温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断 特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）,光纤通信技术,光调制器与光开关,电光开关 波导型电光开关：等同于外调制器（方向耦合器结构） 特点：速度快（10ps-1ns）、偏振敏感、价格昂贵 半导体光放大器（soa）光开关：改变soa驱动电流来实现 特点：速度快（-ns）、无损开关，但引入ase噪声和可能导致信号畸变、价格昂贵,光纤通信技术,光调制器与光开关,性能比较,光纤通信技术,光调制器与光开关,新型光开关 -微光机械光开关（ mems）,光纤通信技术,光调制器与光开关,光纤通信技术,光调制器与光开关,1n mems switch,光纤通信技术,光调制器与光开关,开关阵列,光纤通信技术,光调制器与光开关,光纤通信技术,6、光源ld及led,激光器 (laser) light amplification by stimulated emission of radiation “受激辐射式光频放大器” 激光器是一种新型光源，和钨丝灯等常见光源相比，有许多突出的特点，如方向性强、单色性好、相干性好、亮度高： 激光的发散角很小，只有几毫弧，激光束几乎就是一条直线。 氦氖激光的谱线宽度，只有10-8nm，颜色非常纯。 激光的产生和一般光不同，它的发光原子彼此间都密切联系着，各发光原子所发出的光，振动方向、频率、相位等都相同，因此具有良好的相干条件。 激光的能量十分集中，一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达 1015w/cm2sr，比太阳表面的亮度还高若干倍。,光纤通信技术,光源ld及led,激光器作为二十世纪光电领域最伟大的发现之一，为推动光电技术的发展做出了巨大的贡献，在光通信、光存储、医疗、光学加工、光电检测、光显示等领域有极其广泛的应用并发挥了巨大的作用！,光纤通信技术,光源ld及led,激光器的工作原理,光纤通信技术,光源ld及led,激光器的结构,最早的红宝石激光器结构,基本组成因素： 激光工作物质 光学谐振腔 激励能源,光纤通信技术,光源ld及led,产生激光的条件,1) 受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。 2) 要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级，这是产生激光的第二个条件。 3) 形成粒子数反转，使受激发射多于吸收，这是产生激光的第三个条件。 4) 必须有一个振荡腔，这是产生激光的第四个条件。 5) 光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多，即增益大于损耗，这是产生激光的第五个条件。,光纤通信技术,光源ld及led,其他常见结构,光纤通信技术,光源ld及led,激光器的主要分类,气态激光器 液态激光器 固态激光器 其他,光纤通信技术,光源ld及led,举例-常用激光器,类型 波长 (nm) 氟化氩argon fluoride(气体激光) 193 (紫外) 氟化氪krypton fluoride(气体激光) 248 (紫外) 氦氖helium neon(气体激光) 543 (绿光) 氦氖helium neon(气体激光) 633 (红光） 氦氖helium neon(气体激光) 1,152 (近红外) 二氧化碳carbon dioxide(气体激光) 10,600 （远红外) 铜蒸气copper vapor(气体激光) 510 (绿光) 倍频亚格doubled nd:yag(固体激光) 532 (绿光) 亚格nd:yag(固体激光) 1,064 (近红外) 红宝石ruby(固体激光) 694 (红光) 砷化钾gallium arsenide(半导体激光) 840 (近红外),光纤通信技术,光源ld及led,he-ne激光器,工作物质是氦氖混合气，利用气体电离的方法使粒子数反转。主要发光物质是氖气。但是如果只使用氖气，电离电压必须很高，所以要掺人适量的氦，首先使氦气电离，然后利用氦气电离时产生的电子去电离氖气。 氦氖激光器能够发出三种波长的谱线，即0.6328m、1.15m、3.39m；其中最常用的是波长为0.6328m（桔红色）的激光。,光纤通信技术,63,半导体光器件,光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。 目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（laser diode，ld）和半导体发光二极管（light emitting diode，led）。,64,半导体光器件,激光器的物理基础 激光器的工作原理 半导体激光器的结构、工作原理及工作特性 分布反馈半导体激光器 量子阱半导体激光器,65,激光器的物理基础,光子的概念 费米能级 光和物质的相互作用,66,光子的概念,光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.62610-34js，称为普朗克常数；f是光波频率。 人们将这些光量子称为光子。 不同频率的光子具有不同的能量。 光具有波、粒两重性。,67,费米能级,（1）原子能级的概念 物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。 当物质中原子的内部能量变化时，可能产生光波。 电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的数值。 这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。,68,费米能级,（2）费米能级 电子按能量大小的分布确有一定的规律。 电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为e的能级被一个电子占据的概率为 费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一定规律占据能级。,69,费米分布函数变化曲线,70,光和物质的相互作用,光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。 在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。,71,3光和物质的相互作用,（1）自发辐射 发射光子的频率 自发辐射的特点如下： 这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。 辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。 电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。,72,3光和物质的相互作用,图3-2 原子的自发辐射,73,光和物质的相互作用,（2）受激吸收 物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。 受激吸收的特点如下。 这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。 外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。 受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。,74,光和物质的相互作用,图3-3 原子的受激吸收,75,光和物质的相互作用,（3）受激辐射 处于高能级e2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级e1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。 受激辐射的特点如下。 外来光子的能量等于跃迁的能级之差。 受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。 这个过程可以使光得到放大。,76,光和物质的相互作用,图3-4 原子的受激辐射,77,激光器的工作原理,激光器是指能够产生激光的自激振荡器。 要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。 受激辐射是产生激光的关键。,78,激光器的工作原理,1粒子数反转分布与光放大之间的关系 2激光器的基本组成 3光学谐振腔 4激光器的参量,79,粒子数反转分布与光放大之间的关系,在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使n2n1。 这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。 将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。,80,激光器的基本组成,激光振荡器必须包括以下三个部分： 能够产生激光的工作物质， 能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源， 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。,81,光学谐振腔, 光学谐振腔的结构。 在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜m1和m2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如m1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如m2的反射系数r1，产生的激光由此射出。 谐振腔如何产生激光振荡。,82,光学谐振腔,图3-5 光学谐振腔的结构,83,光学谐振腔,图3-6 激光器示意图,84,3光学谐振腔,综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须具备以下三个组成部分：工作物质、泵浦源和光学谐振腔。 工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。,85,激光器的参量,（1）平均衰减系数 在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能要足以抵消腔内的损耗。 谐振腔内损耗的大小用平均衰减系数表示为,86,激光器的参量,（2）增益系数 激活物质的放大作用用增益系数g来表示。 g表示光通过单位长度的激活物质之后，光强增长的百分比。,87,激光器的参量,图3-7 激活物质的放大作用,88,激光器的参量,（3）阈值条件 将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件 阈值条件为 其中gt称为阈值增益系数。 激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，阈值条件越低，激光器就越容易起振。,89,激光器的参量,（4）谐振频率 谐振频率是光学谐振腔的重要参数。 光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件 ,90,半导体激光器的结构、工作原理及工作特性,半导体激光器是有阈值的器件，它和发光二极管（led）同属半导体发光器件。 光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。 （1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口,即短波长波段的0.85m、长波长波段的1.31m与1.55m。 。 （2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。 （3）与光纤的耦合效率高。 （4）光源的谱线宽度窄。 （5）寿命长，工作稳定。,91,半导体激光器的结构、工作原理及工作特性,1半导体激光器（ld）的结构和工作原理 2半导体激光器的工作特性,92,半导体激光器（ld）的结构和工作原理,用半导体材料作为激活物质的激光器，称为半导体激光器。 在半导体激光器中，从光振荡的形式上来看，主要有两种方式构成的激光器， 一种是用天然解理面形成的f-p腔（法布里-珀罗谐振腔），这种激光器称为f-p腔激光器； 另一种是分布反馈型（dfb）激光器。,93,半导体激光器（ld）的结构和工作原理,f-p腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质结半导体激光器。,94,半导体激光器（ld）的结构和工作原理,图3-9 半导体激光器的结构示意图,95,半导体激光器（ld）的结构和工作原理,图3-10 ingaasp双异质结条形激光器示意图,96,半导体激光器（ld）的结构和工作原理,半导体的能带分布。 本征半导体的能带分布。 p型半导体和n型半导体的形成。 在重掺杂情况下，n型半导体和p型半导体的能带分布。 p-n结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。,97,半导体激光器（ld）的结构和工作原理,图3-11 本征半导体的能带分布,98,半导体激光器（ld）的结构和工作原理,图3-12 n型半导体和p型半导体重掺杂能带图,99,半导体激光器（ld）的结构和工作原理,图3-13 p-n结空间电荷区,100,半导体激光器（ld）的结构和工作原理, p-n结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。 p-n结空间电荷区的形成。 p-n结形成后的能带分析。 p-n结外加正偏压后的能带分布。 激光的产生。,101,半导体激光器（ld）的结构和工作原理,图3-14 p-n结形成后的能带分布,102,半导体激光器（ld）的结构和工作原理,图3-15 外加正偏压后p-n结的能带分布,103,半导体激光器的工作特性,（1）阈值特性 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用it表示。 （2）光谱特性 半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。 激光器产生的激光有多模和单模。,104,半导体激光器的工作特性,图3-16 激光器输出特性曲线,105,半导体激光器的工作特性,（2）光谱特性 半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。 激光器产生的激光有多模和单模。,106,半导体激光器的工作特性,图3-17 gaas激光器的光谱,107,半导体激光器的工作特性,（3）温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。,108,半导体激光器的工作特性,图3-18 gaalas/gaas激光器的典型输出光谱,109,半导体激光器的工作特性,（4）转换效率 半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示。 激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，用p表示。,110,半导体激光器的工作特性,图3-19 激光器阈值电流随温度变化的曲线,111,分布反馈半导体激光器,分布反馈半导体激光器是一种可以产生动态控制的单纵模激光器，即在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器。 它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的。 这种激光器又可分为分布反馈激光器（dfb）及分布布拉格反射激光器两种，这两种激光器的工作原理都是基于布拉格反射原理。 布拉格反射是指当光波入射到两种不同介质的交界面时，能够产生周期性的反射，把这种反射称为布拉格反射。,112,分布反馈半导体激光器,图3-20 分布反馈半导体激光器结构示意图,113,分布反馈半导体激光器,1dfb激光器 在普通的半导体激光器中，利用在激活物质两端的反射镜来实现光反馈。而在dfb激光器中，是通过腔体内的周期光栅来实现的。,114,分布反馈半导体激光器,2 dbr激光器 dbr激光器是将光栅刻在有源区的外面。 它相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉格反射器，起着衍射光栅的作用，因此可以将它看成是端面反射率随波长变化而变化的特殊激光器。 dbr激光器的特点和工作特性与dfb激光器类似。但其阈值电流要比dfb激光器的阈值电流高。,115,分布反馈半导体激光器,图3-21 dbr半导体激光器的结构,116,量子阱半导体激光器,量子阱激光器与一般双异质结激光器类似，只是有源区的厚度很薄，属于双异质结器件。 理论分析表明，当有源区的厚度非常小时，则在有源层与两边相邻层的能带将出现不连续现象，在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。 结构中这种“阱”的作用使得电子和空穴被限制在极薄的有源区内，因此有源区内粒子数反转分布的浓度很高。 量子阱半导体激光器还可分为单量子阱和多量子阱激光器。,117,量子阱半导体激光器,图3-22 量子阱半导体激光器,光源ld及led,注入式半导体激光器,其基本结构就是一个pn结，其基本结构和发光二极管类似；为产生激光，半导体要进行重掺杂，杂质浓度为10181019cm-3。 基本原理：pn结在正向电压下，在pn结区的某些区域实现了粒子数反转，这就是光辐射的有源区；若注入正向电流，则实现了有源区电子、空穴复合发光，引发受激辐射，光被放大；经谐振腔选频，放大系数大于损耗的光频可形成稳定的激光输出。,光纤通信技术,光源ld及led,垂直腔面发射激光器,二维激光器阵列,光纤通信技术,120,半导体光电检测器,光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电转换的。 目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检测器有两种，一种是pin光电二极管，另一种是apd雪崩光电二极管。,121,3.2 半导体光电检测器,3.2.1 半导体的光电效应 3.2.2 光纤通信中常用的半导体光电检测器 3.2.3 光电检测器的特性,122,3.2.1 半导体的光电效应,半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的p-n结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子空穴对，又称光生载流子。,123,半导体的光电效应,图3-23 半导体材料的光电效应,124,半导体的光电效应,当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子空穴对产生，显然必须满足如下关系，即 c称为截止波长，fc称为截止频率。,125,光纤通信中常用的半导体光电检测器,1pin光电二极管 2apd雪崩光电二极管,126,pin光电二极管,pin光电二极管能带图,127,pin光电二极管,图3-25 pin光电二极管结构示意图,128,apd雪崩光电二极管,如果能使电信号进入放大器之前，先在光电二极管内部进行放大，这就引出了一种另外类型的光电二极管，即雪崩光电二极管，又称apd（avalanche photo diode）。 它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其内部放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应而完成的。,129,apd雪崩光电二极管,（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应 （2）雪崩光电二极管的结构及其工作原理 目前光纤通信系统中，使用的雪崩光电二极管结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。 雪崩光电二极管随使用的材料不同有几种：siapd（工作在短波长区）；geapd，ingaasapd等（工作在长波长区）。,130,apd雪崩光电二极管,图3-26 雪崩光电二极管的结构和能带示意图,131,光电检测器的特性,1响应度r0和量子效率 2响应时间 3暗电流id 4雪崩倍增因子g 5倍增噪声和过剩噪声系数f（g） ,132,响应度r0和量子效率,响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理量。 （a/w） 光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率有关。,133,响应时间,响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入射光信号变化快慢的状态。 一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。 一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短的。 上面讨论的响应时间是从时域角度来看的，若从频域角度看，短的响应时间即意味这个器件的带宽宽。,134,暗电流id,理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。 严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。 由理论研究可知，暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。,135,雪崩倍增因子g,雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参量雪崩倍增因子。 在忽略暗电流影响条件下，它定义为 一般apd的倍增因子g在40100之间。pin光电管因无雪崩倍增作用，所以g=1。,136,倍增噪声和过剩噪声系数f（g）,从物理概念上容易理解，雪崩光电二极管的倍增是具有随机性的。 这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍增噪声。 倍增噪声可以用过剩噪声系数f（g）来描述为,137,光放大器,3.3.1 掺饵光纤放大器（edfa） 3.3.2 光纤拉曼放大器（rfa）,138,从大的方面来分，光放大器主要包括半导体光放大器和光纤放大器两种。 半导体光放大器（soa）是由半导体材料制成的，如果将半导体激光器两端的反射去除，即变成没有反馈的半导体行波光放大器，它能适合不同波长的光放大。 光纤放大器又包括两种。 非线性光纤放大器（例如拉曼放大器） 掺铒光纤放大器（edfa）,光放大器,光放大器的分类：,139,1、掺饵光纤放大器的特点 2edfa的基本结构 3edfa的工作原理,掺饵光纤放大器,140,掺饵光纤放大器,1、掺铒光纤放大器的主要优点如下。 （1）工作波长处在1.531.56m范围，与光纤最小损耗窗口一致。 （2）对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；而拉曼放大器需0.51w的泵浦源进行激励。 （3）增益高、噪声低、输出功率大，它的增益可达40db，噪声系数可低至34db，输出功率可达1420dbm。 （4）连接损耗低，因为是光纤型放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗可低至0.1db。,141,edfa的基本结构,图3-27 掺铒光纤放大器结构示意图,142,edfa的工作原理,图3-28 铒离子能带图,143,edfa的工作原理,铒离子的吸收谱,144,edfa的工作原理,edfa的泵浦方式,145,edfa的主要特性参数,（1）功率增益 （2）饱和输出功率 （3）噪声系数,146,功率增益,功率增益定义为 功率增益=10log（输出光功率/输入光功率) 它表示了光放大器的放大能力，增益的大小与泵浦光功率以及光纤长度等诸因素有关。,147,功率增益,掺铒光纤放大器功率增益与泵浦功率间的关系,148,功率增益,掺铒光纤放大器功率增益与光纤长度间的关系,149,饱和输出功率,输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系的参量。 在掺铒光纤放大器中，输入信号功率和输出信号功率并不完全成正比关系，而是存在着饱和的趋势。 掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3db饱和输出功率来表示。,150,饱和输出功率,掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线,151,饱和输出功率,掺铒光纤放大器的增益饱和特性,152,噪声系数,掺铒光纤放大器噪声的主要来源包括：信号光的散弹噪声，信号光波与放大器自发辐射光波之间的差拍噪声，被放大的自发辐射光的散弹噪声，光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声。 掺铒光纤放大器噪声特性可用噪声系数f来表示，它定义为 f=放大器的输入信噪比/放大器的输出信噪比,153,拉曼放大器（rfa）,1.拉曼放大器的特点 2、rfa的结构与工作原理 3、rfa的增益特性 4、rfa的应用,154,1、 拉曼放大器的特点,（1）具有很宽的工作带宽。 （2）在传输系统中和edfa组合使用时，能有效地降低系统的噪声指数。 （3）可对光信号进行分布式放大，以实现无中继长距离传输。 （4）使用分布式拉曼放大，可减小入射信号的光功率，降低光纤非线性影响。 （5）具有较宽的拉曼增益谱。,155,2、 rfa的结构与工作原理,（1）rfa的结构 分类：按信号光与泵浦光传输方向的不同，rfa可分为 同向泵浦 反向泵浦 双向泵浦 图3-35 光纤拉曼放大器的结构示意图,156,2、 rfa的结构与工作原理,（1）rfa的结构 分类：按物理结构划分，rfa可分为 分立式rfa 分布式rfa 分立式rfa：是采用拉曼增益系数较高的特种光纤作为增益物质， 它要求泵浦功率高。 分布式rfa：是利用系统中的传输光纤作为增益物质，长度可达 几十公里。 分布式rfa用途： 主要可作为传输系统中对传输光纤损耗的分布式补偿放大。 光接收机的前置放大。,157,2、 rfa的结构与工作原理,（1）rfa的结构 分类：按物理结构划分，rfa可分为 分立式rfa 分布式rfa 分立式rfa：是采用拉曼增益系数较高的特种光纤作为增益物质， 它要求泵浦功率高。 分布式rfa：是利用系统中的传输光纤作为增益物质，长度可达 几十公里。 分布式rfa用途： 主要可作为传输系统中对传输光纤损耗的分布式补偿放大。 光接收机的前置放大。,158,2、 rfa的结构与工作原理,（2）rfa的工作原理 rfa的基本原理：是基于非线性光学效应。 受激拉曼散射效应：若能量非常大的泵浦光 射入光纤中传输，由此产生的拉曼散射光的强度也会很大，当入射光强度大于某阈值时，拉曼散射光便会成为一个很强的辐射光源，这一辐射光源相当于激发光源作用于分子上而又产生拉曼散射光，当这种作用持续下去时，就会产生一系列频率不同于 的拉曼散射光，这种现象就是。,159,2、 rfa的结构与工作原理,（2）rfa的工作原理 光纤拉曼放大器：如果一强泵浦光和一弱信号光同时在一根光纤中传输，而弱信号光波的波长又在强泵浦光波的拉曼增益带宽内，基于受激拉曼散射（srs）原理，而使弱信号光波得到放大的光纤型放大器就是。所测得的拉曼增益谱如图3-37所示。 图3-37 测量到的拉曼增益谱,160,3、 rfa的增益特性,rfa的增益特性如图3-38所示。 图3-38 rfa时的小信号增益ga泵浦功率的变化 结论：放大器ga开始随泵浦功率的增加按指数规律增加， 但当泵浦功率大于1w后， ga趋于饱和。,161,2、 rfa的结构与工作原理,（4）rfa的增益特性 rfa的增益特性如图3-38所示。 图3-38 rfa时的小信号增益ga泵浦功率的变化,162,4、 rfa的应用,使光信号在光纤中传输时，能长距离地保持功率水平。 在dwdm系统中，与edfa组合使用，可降低系统的噪声系数，还可以使rfa的频谱与edfa的频谱互补。,163,3.4 无源光器件,3.4.1 光定向耦合器 3.4.2 光隔离器与光环行器 3.4.3 光滤波器 3.4.4 光开关 3.4.5 波长转换器 3.4.6 波分复用器 3.4.7 光纤光栅,164,3.4.1 光定向耦合器,1光定向耦合器的结构 2光纤式定向耦合器的参数,165,1光定向耦合器的结构,光定向耦合器按其结构不同可分为棱镜式和光纤式两类。,166,1光定向耦合器的结构,图3-39 棱镜式和光纤式定向耦合器,167,2光纤式定向耦合器的参数,（1）隔离度a。 （2）插入损耗l。 （3）分光比t。,168,3.4.2 光隔离器与光环行器,1光隔离器的基本原理和结构 2光环行器 3光隔离器与光环行器的主要性能参数,169,1光隔离器的基本原理和结构,图3-40 光隔离器的工作原理图,170,2光环行器,图3-41 三端口光环行器,171,3光隔离器与光环行器的主要性能参数,对于光隔离器与光环行器来讲，它们都是希望从输入端口输入的光信号到输出端口时，衰减尽量小，即要求器件的插入损耗要小；对于不应有输出的端口，要求隔离度要高。 器件典型的插入损耗为1db左右，隔离度为4050db。,172,3.4.3 光滤波器,图3-42f-p腔光滤波器,173,3.4.3 光滤波器,f-p腔型光滤波器的主体是f-p谐振腔。 描述f-p腔型光滤波器的特性参数主要是自由谱域（fsr）及带宽（bw）。 （1）自由谱域（fsr）：为相邻波长之间的距离 （2）带宽（bw）：为谐振峰降至一半时所对应的频带宽度，又称为3db带宽。 ,174,3.4.4 光开关,能够控制传输通路中光信号通或断或进行光路切换作用的器件，称为光开关。 光开关是全光交换技术中的关键器件。 光开关一般包括两种：机械式光开关和电子式光开关。,175,3.4.4 光开关,图3-43 机械式光开关,176,3.4.4 光开关,图3-44 电子式光开关,177,3.4.5 波长转换器,能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件称为波长转换器。波长转换器根据波长转换机理可分为光电型波长转换器和全光型波长转换器， 光电型波长转换器比较容易实现，其优点是与偏振无关；主要缺点是由于速度受电子器件限制，因此不适应高速大容量光纤通信系统和网络的要求。 全光型波长转换器技术主要由半导体光放大器（soa）构成。,178,1光电型波长转换器,图3-45 光电光型波长转换器,179,2全光型波长转换器,图3-46 全光型波长转换器,180,3.4.6 波分复用器,在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技术（wdm）。 如果在系统发送端采用此技术，将不同波长的光信号组合起来送入光纤传输的设备称为光波分复用器。 在系统接收端可通过解复用器（分波器），将组合在一起的光信号分离并送入不同的终端。,181,3.4.6 波分复用器,1光波分复用系统的结构与工作原理 2光波分复用器,182,1光波分复用系统的结构与工作原理,光波分复用器是对光波波长进行合成与分离的光器件。 由光波分复用器构成的光波分复用系统，从结构上来分，可分为单纤单向wdm系统和单纤双向wdm系统。,183,1光波分复用系统的结构与工作原理,图3-47 单纤单向结构wdm传输系统,184,1光波分复用系统的结构与工作原理,图3-48单纤双向结构wdm传输系统,185,2光波分复用器,（1）光波分复用器的工作原理 器件的各端口可以作为输入端口，也可以作为输出端口。,186,2光波分复用器,图3-49 wdm光传输原理图,187,2光波分复用器,（2）光波分复用器的光学特性 复用器 复用器的光学特性可以用给定的输入端口的插入损耗波长关系曲线表示。 解复用器 解复用的光学特性，可以用输入端到n个输出端的各信道的波长插入损耗关系曲线来表达,188,2光波分复用器,图3-50 复用器插入损耗波长关系曲线,189,2光波分复用器,图3-51解复用器波长插入损耗关系曲线,190,2光波分复用器, 中心波长和中心波长的工作范围 中心波长对应的最小插入损耗l1和l2 相邻信道之间串音耦合最大值l12和l23,191,2光波分复用器,（3）熔融光纤型波分复用器 熔融光纤型是指将两根光纤紧靠在一起并通过加热使两光纤熔接而成。 这种复用器非常便于与光纤通信系统耦合连接，而且插入损耗极小，且体积小，结构紧凑。,192,2光波分复用器,图3-52 熔融光纤型波分复用器结构示意图,光源ld及led,注入式半导体激光器,其基本结构就是一个pn结，其基本结构和发光二极管类似；为产生激光，半导体要进行重掺杂，杂质浓度为10181019cm-3。 基本原理：pn结在正向电压下，在pn结区的某些区域实现了粒子数反转，这就是光辐射的有源区；若注入正向电流，则实现了有源区电子、空穴复合发光，引发受激辐射，光被放大；经谐振腔选频，放大系数大于损耗的光频可形成稳定的激光输出。,光纤通信技术,光源ld及led,垂直腔面发射激光器,二维激光器阵列,光纤通信技术,光源ld及led,p-i特性,it为阈值电流！,光纤通信技术,光源ld及led,发光二极管led,光纤通信技术,光源ld及led,基本原理,半导体发光二极管和注入式半导体激光器类似，也是一个pn结，也是利用外电源向pn结注入电子来发光的。只是它的结构公差没有激光器那么严格，而且无粒子数反转、谐振腔等条件要求。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。 由于它的结构简单，体积小，工作电流小，使用方便，成本低，所以在光电系统中应用得也极为普遍。 发光二极管按发光波长来分，有红外发光二极管和可见光发光二极管两种。,光纤通信技术,光源ld及led,发光原理,发光二极管的发光原理 当给pn结加以正向电压时，n区导带中的电子则可逃过pn结的势垒进入到