第3章 通信用光器件.ppt

主讲 成纯富 湖北工业大学理学院光信教研室 光纤通信系统 本章内容 3 1光源 将电信号转变为光信号 光纤通信系统 激光器被视为20世纪的三大发明 还有半导体和原子能 之一 特别是半导体激光器LD倍受重视 光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管LED 主要差别 发光二极管输出非相干光 半导体激光器输出相干光 3 1光源 半导体激光器 半导体激光器工作原理 法布里 珀罗型激光器 F PLD 是最常见的LD 由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成 谐振腔由晶体的两个解理面构成 通常为双异质结 DH LD 激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器 四个基本条件 工作物质泵浦源 光泵或电泵浦 要有一个F P谐振腔要满足振荡条件 光与物质的三种相互作用 光可以被物质吸收 也可以从物质中发射 三种不同的基本过程 自发辐射 受激吸收以及受激辐射 图3 1原子的自发辐射 1 自发辐射这是一种发光过程 发射光子的频率为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 辐射光子的频率随不同的能级而不同 且频率范围很宽 电子的发射方向和相位也是各不相同的 是非相干光 2 受激吸收 图3 1原子的受激吸收 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 3 受激辐射 图3 1原子的受激辐射 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 实现光放大 粒子数反转分布状态 激光器是指能够产生激光的自激振荡器 受激辐射是产生激光的关键 且受激辐射必须大于受激吸收 从而实现光放大 1 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N2 N1 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 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 价带 能量低的能带称为价带 导带 能量高的能带称为导带 禁带宽度 导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec Ev Eg称为禁带宽度或带隙 2 PN结的能带和电子分布 费米分布 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 费米能级 Ef 被电子占据和空穴占据的概率相同的能级 3 3 2 费米分布和费米能级 N型半导体 在本征半导体中掺入施主杂质的半导体P型半导体 在本征半导体中掺入受主杂质的半导体 施主杂质 5价磷元素 受主杂质 3价硼元素 势垒 能量 E n c N 区 零偏压时P N结的能带倾斜图 正向偏压下P N结能带图 内部电场 扩散 漂移 P N结内载流子运动 2 PN结的能带和电子分布 因而产生扩散运动 形成内部电场 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动 最终导致能带发生倾斜 正向电压导致能带倾斜减少 扩散增强 激光振荡的产生 粒子数反转分布 必要条件 激活物质置于光学谐振腔中 对光的频率和方向进行选择 连续的光放大和激光振荡输出 光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成并被称为法布里 珀罗 FabryPerot FP 谐振腔 3 激光振荡和光学谐振腔 图3 4激光器的构成和工作原理 a 激光振荡 b 光反馈 2 激光振荡的相位条件 1 阈值条件 th L q 3 阈值条件和相位条件 驻波条件 基本结构 双异质结 DH 平面条形结构 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 有源层 中间有一层厚0 1 0 3 m的窄带隙P型半导体 称为有源层 限制层 两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体 称为限制层 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 4 半导体激光器基本结构 4 半导体激光器基本结构 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 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层 电子和空穴被限制在厚0 1 0 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 图3 6DH激光器工作原理 a 双异质结构 b 能带 c 折射率分布 DH激光器工作原理 1 发射波长和光谱特性 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg 故有不同的发射波长 镓铝砷 镓砷 GaAlAs GaAs 材料适用于0 85 m波段铟镓砷磷 铟磷 InGaAsP InP 材料适用于1 3 1 55 m波段 3 1 2半导体激光器的主要特性 I 67mAP 1 2mW I 75mAP 2 3mW I 100mAP 10mW I 85mAP 6mW I 80mAP 4mW 随着电流增加 主模的增益增加 而边模的增益减小 纵模数减少 一个模式开始占优势 直到出现单个窄线宽的光谱为止 纵模数随注入电流而变 在众多的纵模中 只有那些频率落在增益介质的增益曲线范围内 且增益大于损耗的那些腔模才能在LD的输出中存在 谱线特性 在纵向 光波以驻波形式振荡 谐振频率 正入射 m 正整数 L 腔长 n 材料折射 相邻纵模的频率间隔 增益曲线 0 增益谱中心波长 由增益介质的能级差决定 增益谱宽 由增益介质内原子热运动 多普勒加宽 和原子碰撞 均匀加宽 造成 g 0 正比于粒子数反转的最大增益 腔长越长 纵模间隔越小 直流驱动的光谱特性 当驱动电流足够大时 多纵模变为单纵模 这种激光器称为静态单纵模激光器FP谐振腔LD数字调制的光谱特性 随着调制电流增大 纵模模数增多 谱线宽度变宽分布反馈激光器实现动态单纵模输出 图3 7GaAlAs DH激光器的光谱特性 300Mb s数字调制 谱线特性 F PLD在高速调制下 或在温度和注入电流变化时 不再维持原激射模式 而会出现模式跳跃和谱线展宽 这对高速应用很不利 为了维持单模 减小光谱展宽 需研究动态单模激光器 DFBLD及DBRLD 光纤通信最有前途的实用化器件 Typicalmodehoppingbehavior 数字调制的光谱特性 光谱展宽的起因 微观机制 这是因为对激光器进行脉冲调制时 注入电流不断变化 使有源区里载流子浓度随之变化 进而导致折射率随之变化 激光器的谐振频率发生漂移 动态谱线展宽 调制速率越高 调制电流越大 谱线展宽的越多 图3 8GaAlAs DH条形激光器的近场和远场图样 2 激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场和远场来描述 近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布 远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布 平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄 场图呈现出由多横模变为单横模 垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄 这个方向的场图总是单横模 3 9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样 a 光强的角分布 b 辐射光束 图中 和 分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角 大于 即垂直方向的光束要发散一些整个光束的横截面呈椭圆形 半导体激光器的远场辐射特性 激光器的电 光转换效率用外微分量子效率 d表示定义 注入的电子 空穴对转换成从器件发射的光子的效率 3 转换效率和输出光功率特性 图3 10典型半导体激光器的光功率特性 a 短波长AlGaAs GaAs b 长波长InGaAsP InP 当IIth时 发出的是受激辐射光 光功率随驱动电流的增加而增加 激光器输出光功率随温度而变化有两个原因 1 激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大 2 外微分量子效率 d随温度升高而减小 4 温度特性 图3 12P I曲线随温度的变化 当以直流电流驱动激光器时 阈值电流随温度的变化更加严重 当对激光器进行脉冲调制时 阈值电流随温度呈指数变化长波长InGaAsP InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感 激光器输出光功率P和调制频率f的关系为 3 8b 式中 和 分别称为弛张频率和阻尼因子 Ith和I0分别为阈值电流和偏置电流 I 是零增益电流 高掺杂浓度的LD I 0 低掺杂浓度的LD I 0 7 0 8 Ith sp为有源区内的电子寿命 ph为谐振腔内的光子寿命 5 频率特性 图3 11半导体激光器的直接调制频率特性 弛张频率fr是调制频率的上限 一般激光器的fr为1 2GHz 在接近fr处 数字调制要产生弛张振荡 模拟调制要产生非线性失真 5 频率特性 弛张振荡 当电流脉冲注入激光器以后 输出光脉冲表现出衰减式振荡 是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性 半导体激光器的瞬态性质 半导体激光器具有电光转换效率高 响应速度快 可以进行直接调制的优点 被视为光纤通信中的理想光源 但在对半导体激光器进行脉冲调制时 激光器往往呈现出复杂的动态性质 光电瞬态响应 电光延迟弛张振荡自脉动 弛张振荡 当电流脉冲注入激光器以后 输出光脉冲表现出衰减式振荡 是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性 自脉动 某些激光器在某些注入电流下发生的一种持续等幅的高频振荡 弛张振荡和自脉动的结合 激光器激射以后 先出现一个张弛振荡的过程 随后则开始持续自脉动 光电瞬态响应波形 1 电光延迟 原因 激光输出与注入电脉冲之间存在一个时间延迟 一般为纳秒量级 降低方法 预偏置在Ith附近 上升时间 从额定功率的10 升到90 所需的时间 下降时间 从额定功率的90 降到10 所需的时间 当注入电流从零快速增大到阈值以上时 经电光延迟后产生激光输出 并在脉冲顶部出现阻尼振荡 经过几个周期后达到平衡值 采用预偏置在Ith附近的方法 可减小弛张振荡 2 弛张振荡 不同于弛张振荡 自脉动没有阻尼 脉动频率范围为0 2 4GHz 容易发生在阈值附近和P I特性的扭曲区 造成自脉动的机理涉及量子噪声效应 有源区的缺陷及温度感应的变化等因素 抑制这种现象主要靠控制材料的质量 尽量减少有源区的缺陷 3 自脉动 4 码型效应 由于瞬态性质 输出光脉冲会出现码型效应 码型效应起因 当第一个电流脉冲过后 存储在有源区的电荷以指数形式衰减 回到初始状态有一个时间过程 sp 如果调制速率很高 脉冲间隔小于 sp 会使第二个电流脉冲到来时 前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消失 有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用 于是第二个光脉冲延迟时间减小 输出光脉冲的幅度和宽度增加 消除方法 增加直流偏置电流 两个连 1 的现象 起因 注入电流导致温升 进而引起阈值电流的变化 从而输出光功率也发生变化 在电流脉冲持续阶段 输出光功率随时间而减小 而当电流脉冲过后 输出光功率随时间而增加 消除方法 适当增加偏置电流 5 结发热效应半导体激光器是对温度很敏感的器件 不仅环境温度的变化会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化 注入电流的热效应也会发生类似的变化 结发热效应 是激光器的另一种瞬态调制效应 3 1 3分布反馈激光器 DFBLD同F PLD的主要区别 DFBLD没有集总的谐振腔反射镜 它的反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供的 分布式反馈 非常好的单色性和方向性 FP谐振腔LD 静态单纵模激光器动态单纵模激光器 DFBLD 需改变激光器的结构 实现LD单纵模工作的方法 采用短腔结构 增大相邻纵模间隔 使增益谱线范围内只有一个谱线存在 短腔制造困难 LD输出功率低 采用波长选择反馈 使不同的纵模有不同的损耗 包括 分布反馈结构和耦合腔结构 图3 13分布反馈 DFB 激光器 a 结构 b 光反馈 在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的波纹形状用泵浦 光泵浦或电泵浦 激发 造成足够的粒子数反转 具备增益条件只有波长满足 Bragg反射条件 的光波才能在介质中来回反射 得到不断的加强和增长 DFBLD基本工作原理 光栅周期 m ne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 DFBLD基本工作原理 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 可以有效提高模式选择性和稳定性 实现动态单纵模输出 DFB激光器与F P激光器相比 具有以下优点 单纵模激光器 谱线窄 波长稳定性好 动态谱线好 线性好 DFBLD已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器DBRLD更为实用 调谐范围更宽 但纵模稳定性稍差 分布Bragg反射型激光器DBRLD DFB激光器的优点 GaAs AlGaAsDBR激光二极管 e是载流子 电子 的寿命 LD组件构成实例 加大偏置电流使其逼近激光器阈值 可以大大减小电光延迟时间 同时使张驰振荡得到一定程度的抑制 偏置于阈值附近 较小的调制脉冲电流即可得到足够的输出光脉冲 从而可大大减小码型效应和结发热效应的影响 3 2光检测器 光纤通信系统 光接收机 光检测器是光接收机的关键器件 光检测器 其作用是将光信号转换回电信号 恢复光载波所携带的原信号 光电二极管工作原理 光电效应 加反向偏压后的能带 半导体PN结的光电效应 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 即产生光电子 空穴对 又称光生载流子 光生电流 光生漂移电流和光生扩散电流的总和 内部电场 使能带发生倾斜 耗尽层 提高响应速度施加适当的反向偏压 光电二极管的工作原理 动画演示 光电二极管实际上是一个加了反向偏压的PN结 当反向偏压足够大时耗尽区本征载流子被完全耗尽 产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动 被电极收集产生电流 载流子的收集 耗尽区受到光的照射 当光照射到光电二极管的光敏面上时 会在整个耗尽区 高场区 及耗尽区附近引起受激跃迁现象 从而产生电子空穴对 光电二极管的工作原理 动画演示 p n hv p n E 光生电流I PN光电二极管的缺点 带宽受限的主要因素产生的光电流中存在扩散分量 它与耗尽区外的光吸收有关 载流子作扩散运动的时延将使检测器输出电流脉冲后沿的托尾加长 影响光电二极管的响应速度 解决方法 减小P N区厚度 增加耗尽区的宽度 使大部分入射光功率在耗尽区吸收 减少P N区吸收的光能 PIN 考虑漂移和扩散运动时PN光电二极管对矩形脉冲的响应 扩散分量的存在导致光电二极管瞬态响应失真 PIN光电二极管 在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料 以增大耗尽区宽度w 达到减小扩散运动的影响 提高响应度的要求 由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体 Intrinsic 因此这种结构称为PIN光电二极管 图3 21PIN光电二极管结构示意图 I层 由于是轻掺杂 故电子浓度很低 经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽层重掺杂的P 层和N 层原因 降低PN结两端的接触电阻 PIN光电二极管工作原理 I区高阻抗 电压基本都落在I区 PIN光电二极管及反偏时各层的场分布 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 可通过控制耗尽层的宽度w 来改变器件的响应速度 光电转换效率 光电转换效率可用量子效率和响应度表示 量子效率 定义为相同时间内一次光生电子 空穴对和入射光子数的比值 响应度 定义为一次光生光生电流和入射光功率的比值 为提高量子效率 必须加大耗尽区的厚度 使得可以吸收大部分的光子 但是耗尽区越厚 光生载流子漂移渡越反向偏置结的时间就越长 由于载流子的漂移时间又决定了光电二极管的响应速度 所以必须在响应速度和量子效率之间采取折衷 光谱特性 图3 22PIN光电二极管响应度 量子效应率与波长的关系 量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构 由图可见 Si适用于0 8 0 9 m波段 Ge和InGaAs适用于1 3 1 6 m波段 响应度一般为0 5 0 6 A W 在短距离的应用中 工作在850nm的Si器件对于大多数链路是个相对比较廉价的解决方案 在长距离的链路常常需要工作在1330nm和1550nm窗口 所以常用基于InGaAs的器件 例1 有一个InGaAs材料的光电二极管 在100ns的脉冲时段内共入射了波长为1300nm的光子6 106个 平均产生了5 4 106个电子空隙对 则其量子效率可以等于 在实际的应用中 检测器的量子效率一般在30 95 之间 例题 例2 能量为1 53x10 19J的光子入射到光电二极管上 此二极管的响应度为0 65A W 如果入射光功率为10mW 则产生的光电流为 响应时间和频率特性 响应能力用脉冲响应时间 或截止频率fc 带宽B 表示 脉冲上升时间 r 对于数字脉冲调制信号 把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10 上升到90 的时间定义为脉冲上升时间 脉冲下降时间 f 把光生电流脉冲后沿由90 下降到10 的时间定义为脉冲下降时间 脉冲响应时间 截止频率fc PIN光电二极管的频率特性 图3 23内量子效率和带宽的关系 渡越时间 d限制的截止频率 减小耗尽层宽度w 可以减小渡越时间 d 从而提高截止频率fc 但是同时要降低量子效率 电路RC时间常数限制的截止频率 频率特性由渡越时间和电路RC时间常数所确定 噪声 噪声是光电二极管的一个重要参数 噪声的存在同样也限制了光电二极管所能检测的最小光功率 直接影响了接收灵敏度 光电二极管的噪声包括散粒噪声和热噪声 噪声通常用均方噪声电流 在1 负载上消耗的噪声功率 来描述 1 均方散粒噪声电流 I2sh 2e IP Id B 量子噪声 决定光接收机灵敏度的极限 暗电流产生的噪声 2 均方热噪声电流 噪声 总均方噪声电流 小结 对于PIN 主要噪声来自检测器电路中的电阻和有源器件 注 带宽B也就是截止频率fc 1 InGaAs光电二极管在波长为1300nm时有如下参数 初级体暗电流Id 4nA 负载电阻Rt 1000W 量子效率 0 90 表面暗电流可以忽略 入射光功率为300nW 35dBm 接收机带宽为20MHz 计算接收机的各种噪声 例题选讲 例题选讲 续 雪崩光电二极管 APD 设计动机 在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪崩区中得到放大 因此有助于显著提高接收机灵敏度 耗尽区 高阻材料 工作过程 拉通型雪崩二极管 RAPD 拉通 来源于其工作情况 增加偏压 使耗尽区正好拉通到整个本征p区 以增加 高阻材料 带有少量p掺杂的本征材料 p ppn 结构 常用的APD结构包括拉通型APD和保护环型APD 雪崩光电二极管的结构 倍增因子g I0 雪崩增益后输出电流的平均值Ip 未倍增时的初级光电流U 反向偏压UB 二极管击穿电压n 常数 一般为2 5 7倍增因子g与电离系数及增益区厚度有关 说明 1 一般APD的倍增因子g在40 100之间 2 PIN光电管因无雪崩倍增作用 所以g 1 倍增因子和响应度 响应度 1 一种硅APD在波长900nm时的量子效率为65 假定0 5mW的光功率产生的倍增电流为10mA 试求倍增因子g 例题选讲 过剩噪声因子 小结 对于PIN 主要噪声来自检测器电路中的电阻和有源器件对于APD 电路噪声不占重要地位 主要噪声来源于检测器被雪崩区放大了的量子噪声和体暗电流 APD的均方量子噪声电流 i2q 2eIPBg2 x APD暗电流产生的均方噪声电流 i2d 2eIdBg2 x 附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关Si APD的x 0 3 0 5 Ge APD的x 0 8 1 0 InGaAs APD的x 0 5 0 7 光电二极管一般性能和应用 光电二极管一般性能 光电二极管一般性能 3 3光无源器件 光无源器件的种类主要有光纤连接器 光纤耦合器 光衰减器 光隔离器与光环形器 光调制器 光开关 波分复用 解复用器等 光无源器件 是一种不必借助外部的任何光或电的能量 由自身能够完成某种光学功能的光学元器件 无源光器件的普遍要求 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 便于集成等 发展趋势 集成化 全光纤化 连接器和接头 连接器是是实现光纤 缆 之间活动连接的光无源器件 它还具有将光纤 缆 与其他无源器件 光纤 缆 与系统和仪表进行活动连接的功能 各种类型连接器 光纤连接器的结构 代表性结构 套管式 双锥式 V形槽式 球面定心式和透镜耦合式 套管结构 套管结构的连接器由插针和套筒组成 图3 27套管结构 套管结构 套筒 光纤连接器由两部分组成 适配插针体套管和对接耦合套筒 插针体用以固定光纤 将光纤尾端固定在插针体内 套筒用以确保两根光纤尾端的对准连接 套筒一般为金属和非金属制成 套管的内孔精密加工 以确保两根光纤尾端能很好地对准 并实现其方便的活动连接 光纤活动连接器的种类 光纤活动连接器的品种 型号很多 其中有代表性的有 FC ST SC PC D4 双锥 VFO 球面定心 F SMA MT RJ连接器等等 FC型 平面对接型 FC型连接器采用金属螺纹连接结构 插针体采用外径2 5mm的精密陶瓷插针 是目前世界上使用量最大的品种 也是我国采用的主要品种 应用领域 1 本地网 广域网 有线电视2 大厦安装3 资料处理网络4 工业 医疗业和军事业5 测试设备和有源器件终结 矩形 SC 型 SquareConnector SC型连接器 采用插拔式结构 外壳采用矩形结构 采用工程塑料制造 容易作成多芯连接器 插针体为外径2 5mm的精密陶瓷插针 它的主要特点是不需要螺纹连接 直接插拔 操作空间小 便于密集安装 ST型连接器 Stab Twist ST光纤连接器 采用带键的卡口式锁紧结构 插针体为外径2 5mm的精密陶瓷插针 插针的端面形状通常为PC 球 面 它的特点主要是使用非常方便 大量用于光纤用户网中 我国已制订了ST PC型连接器国家标准 上述三种型号的转换器 只能对同型号的插头进行连接 对不同型号插头的连接 就需要下面三种转换器 即 FC SC型转换器 用于FC与SC型插头互连 FC ST型转换器 用于FC与ST型插头互连 SC ST型转换器 用于SC与ST型插头互连 光纤连接器插针型号 为了进一步减小插入损耗和反射损耗 活动连接器的插针也有不同的形式 常用的插针体有PC 物理接触 SPC 球面物理接触 APC 角度物理接触 等 PC插针体端面之间直接接触 使得光纤端面间微小空气间隙引起的损耗大为减少 SPC型将插针端面研磨成球面 利用自聚焦特性获得较小的插入损耗 APC型将插针制成8 倾角 这样可以大大提高回波损耗 评价一个连接器的主要指标有4个 即插入损耗 回波损耗 重复性和互换性 1 插入损耗插入损耗是指光纤中的光信号通过活动连接器之后 其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数 表达式为 式中 L为连接器插入损耗 Pin为输入端的光功率 Pout为输出端的光功率 光纤连接器特性 2 回波损耗回波损耗又称为后向反射损耗 它是指光纤连接处 后向反射光对输入光的比率的分贝数 表达式为 式中 LR表示回波损耗 Pin表示输入光功率 PR表示后向反射光功率 3 重复性和互换性重复性是指光纤 缆 活动连接器多次插拔后插入损耗的变化 用dB表示 互换性是指连接器各部件互换时插入损耗的变化 也用dB表示 这两项指标可以考核连接器的实用性 光纤连接器一般性能 3 3 2光纤耦合器 3 3 2光纤耦合器 光耦合器是将光信号进行分路或合路 插入 分配的一种器件 主要功能是分配光信号 重要应用在光纤网络尤其是应用在局域网 波分复用器件上应用 光耦合器分类 从功率上看 光功率分配器 光波长分配耦合器从端口形式上看 X型耦合器 Y型光耦合器 星型光耦合器 树型耦合器等从工作带宽上看 单工作窗口的窄带耦合器 单工作窗口的宽带耦合器 双工作窗口的宽带耦合器从光传导模式的不同 多模耦合器 单模耦合器 常用光耦合器类型 Y型光耦合器 T型光耦合器 是一种1 2的3端耦合器 可把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤 或把两根光纤的输入光信号组合在一起 输入一根光纤 主要用做不同分路比的功率分配器或组合器 星型耦合器 是一种N N的耦合器 可把N根光纤输入的光功率组合在一起 均匀地分配给N根光纤 常用耦合器的类型 常用耦合器的类型 常用耦合器的类型 X型耦合器 定向光耦合器 是一种2 2的3端或4端耦合器 用于分别取出光纤中向不同方向传输的光信号 只用于作分路器 不能作合路器 树型耦合器 波分复用 解复用器 是一种1 N的耦合器 波分复用器是与波长有关的耦合器 用于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 解复用器用于把一根光纤输出的多个不同波长的光信号分配给不同的光接收机 耦合器的结构 光纤型 微器件型 波导型等 光纤型 光纤耦合器的结构与原理 图3 29光纤型耦合器 a 定向耦合器 b 8 8星形耦合器 c 由12个2 2耦合器组成的8 8星形耦合器 熔融拉锥法的原理 熔融拉锥法就是将两根 或两根以上 除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢 在高温加热下熔融 同时向两侧拉伸 最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构 实现传输光功率耦合的一种方法 制作方法 熔融拉锥法 熔融拉锥法光纤耦合器的工作原理 单模光纤耦合器工作原理 在融锥区纤芯变细且足够逼进 归一化频率V值逐渐减小 有越来越多的光功率深入光纤包层中 光在由包层作为芯 纤外介质 一般为空气 作为新的包层的复合波导中传输 在输出端 随着纤芯的逐渐变粗 V值重新增大 光功率被两根光纤以特定比例 捕获 当传导模进入融锥区时 纤芯变细导致V值减小 束缚的模式数减少 远离光轴的高阶模进入包层形成包层模 当纤芯变粗时以一定比例被耦合臂捕获 获得耦合光功率 但大多数低阶模只能从直通臂输出而不参与耦合 因而两输出端模式不同 器件对传输光的模式比较敏感 为克服这种缺陷 改进熔融拉锥工艺 使多模信号在融锥区能够实现模式混合 消除器件的模式敏感性 多模光纤耦合器工作原理 Pa cos2 C L Pb sin2 C L a b 耦合器的输出功率 根据耦合理论得到耦合器的输出功率 微器件型 图3 31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 光栅式解复用器 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 等微光学器件构成 图3 32波导型耦合器 a T形耦合器 b 定向耦合器 c 波分解复用器 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SiO2 横截面为矩形或半圆形 波导型 耦合器的主要特性 耦合比CR 是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值 用 表示 功率分路损耗Ls 耦合比 分光比 是光耦合器所特有的技术术语 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 插入损耗Lt 是一个指定输入端的光功率Pit和一个指定输出端的光功率Poc的比值 是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值 用分贝表示 方向性DIR 隔离度 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 方向性也是光耦合器所特有的一个技术术语 偏振相关损耗 PDL 偏振相关损耗是指光信号以不同的偏振状态输入时 如线偏振 圆偏振 椭圆偏振等 对应输出端口插入损耗最大变化量 耦合器的一般特性 光隔离器与环行器 Isolators Circulators非互易器件用途 放置于激光器及光放大器后面 防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤 即只允许光单向传输 主要指标 低的插入损耗 对正向入射光 1dB 高的隔离度 对反向反射光 40 50dB 原理 一般由起偏器 检偏器和旋光器组成 与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理 Blocked 起偏器与检偏器的透光轴成450角 旋光器使通过的光发生450旋转 当垂直偏振光入射时 全部通过起偏器 经旋光器后 光轴旋转450 恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输 如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那一部分光 经旋光器被旋转450 变成水平线偏振光 正好与起偏器透光轴垂直 所以光隔离器能阻止反射光的通过 光偏振 极化 指垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向 图3 35一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出 SWP 半波片 法拉弟旋转器 SWP SOP 光纤输入 a 光纤输出 SWP 半波片 法拉弟旋转器 SWP 光纤输入 b 与输入光的偏振态无关的隔离器 空间分离偏振器 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 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 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 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 Isolators Isolator couplerhybrids 光隔离器 光环形器 基本原理 工作原理等同于隔离器 光传送顺序 1 2 3 4 三端口 四端口 多端口 主要特性 插入损耗隔离度主要应用 用于光分插复用器中 三端口光环行器 四端口光环行器 1 2 3 1 2 3 4 光调制器Modulators 光调制器 实现从电信号到光信号的转换光调制的分类 从光源调制角度看 有两种方法实现光调制 直接调制 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 内调制或直接调制 简单 经济 引入较大的啁啾 外调制 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 按被调制光波的参数分 强度调制 相位调制 偏振调制等 直接调制和外调制 光源的外调制技术 调制信号不直接施加在LD上 而是施加在光调制器上 外调制技术分类 电光调制ElectroopticEffects电致吸收Electro AbsorptionEffects磁光调制MagnetoopticEffects声光调制AcousticModulators其中电光调制和电致吸收最为常用 电光效应光调制器 电光效应 电压施加于某些电光晶体 如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 折射率变化 n与外加电场E有着复杂的关系 可近似地认为 n与 E E 2 成正比 电光调制器主要利用普克尔 Pocket 效应 40Gb sLiNbO3Modulator 马赫 曾德尔 MZ 干涉型调制器 图3 37马赫 曾德尔干涉仪型调制器 图3 38马赫 曾德尔干涉仪型调制器特性 设输入调制信号按余弦变化 则输出信号的光功率 式中Us和Ub分别为信号电压和偏置电压 U 为光功率变化半个周期 相位为0 所需的外加电压 并称为半波电压 余眩变化 光开关Switches 实现光通道的通断和转换 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 消光比 插损 串话 偏振相关性 PDL 也是光开关的重要参数 机械光开关热光开关 电光开关 微光机电系统 MOEMS 光开关的分类 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 热光效应光开关 基本结构 MZ干涉仪 通过改变某一干涉臂的材料温度 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 3dB耦合器 波导臂 薄膜加热器 相位移动 电光效应光开关 LiNbO3波导型电光开关 等同于外调制器特点 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 光开关性能比较 电光开关的开关速度快 但插入损耗大 串扰大 只适合单模光纤 支撑未来光网络的关键器件 未来光网络的发展很大程度上是基于光器件的创新 光子集成工艺的突破将引起大规模的光器件创新 光交叉器件可调谐器件宽带光纤放大器新型高速光信号处理器件 小结 光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件 是光传输系统的心脏 将电信号转换成光信号的器件称为光源 主要有半导体发光二极管 LED 和激光二极管 LD 将光信号转换成电信号的器件称为光检测器 主要有光电二极管 PIN 和雪崩光电二极管 APD 光纤放大器成为光有源器件的新秀 当前大量应用的是掺铒光纤放大器 EDFA 很有应用前景的是拉曼光放大器 通信用光器件 有源器件和无源器件 光无源器件 是一种不必借助外部的任何光或电的能量 由自身能够完成某种光学功能的光学元器件 无源器件主要包括 连接器 耦合器 波分复用器 外调制器 光开关和隔离器等 本章习题选讲 6 LD属于受激辐射发光 而LED属于 发光 5 对半导体激光器 当外加正向电流小于阈值电流时 激光器发出的是 9 目前实用的光纤通信系统一般采用的调制方式为 2 在激光器中 完成频率选择和反馈作用的是 1 激光振荡器必须包括增益介质 激励源和 7 对LD的直接调制将导致 限制光纤通信系统的传输速率和容量 3 激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的 激光器动态谱线增宽 光学谐振腔 阈值条件 8 受激辐射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 传播方向都相同 因此 称它们是 4 在半导体激光器的P I曲线上 当I It时 激光器发出的是 一 填空题 光学谐振腔 激光 荧光 相干光 自发辐射 直接调制 10 光和物质相互作用时 存在的三种基本跃迁过程是自发