光纤通信的基本器件ppt课件

第3章光纤通信的基本器件 光源与光器件电子电气工程系电子信息技术教研室 1 掌握光与物质的作用过程2 掌握半导体激光器的发光机理及其特性3 掌握半导体二极管的发光机理及其特性4 了解光纤通信系统的实用光源5 掌握光电二极管和雪崩光电二极管的结构及原理6 了解各种光无源器件的类型及其作用7 掌握常用光纤连接器的特点 第3章光纤通信的基本器件 能力要求 3 2光检测器 3 3光放大器 3 1光源 3 4光无源器件 对光源的要求 性能好 寿命长 使用方便1 发射光波长必须在光纤的低损耗窗口 2 光源的输出功率要足够大3 温度特性优良4 光源的发光谱宽度要窄5 光源应具有高度的可靠性6 省电 且体积小 重量轻7 光源器件应便于调制 调制速率能适应系统要求 3 1光源 常用的两种光源器件 即半导体激光器和半导体发光二极管 发光二极管用LED 荧光 激光二极管用LD 激光 半导体发光机理 电子以原子核为中心 按不同的电子层排列在原子核周围旋转 这些特定的电子层称为能级 对半导体材料 电子的能级重叠在一起形成能带 其中能量低的能带称为价带E1 能量高的能带称为导带E2 E2和E1之间的能量差称为禁带 电子不可能占据禁带 一 半导体发光机理 半导体发光机理 电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式 自发辐射 受激吸收 受激辐射 a 自发辐射 点击动画 hf12 初态 3 1光源 自发辐射是发光二极管的理论基础 hf12 初态 b 受激吸收 点击动画 3 1光源 受激吸收是光电检测器的基础 hf12 初态 c 受激辐射 点击动画 受激辐射是半导体激光器的基础 半导体发光机理 半导体发光机理 1 外来光子能量等于跃迁的能级之差h E2 E12 受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同 而且相位 偏振方向 传播方向度相同 称它们为全同光子 3 过程可以使光得到放大 因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子 相叠加的结果使光增强 使入射光得到放大 受激辐射与受激吸收的特点 受激辐射是半导体激光器发光的基础 粒子数反转分布是物质产生光放大的必要条件 二 半导体激光器 LD 1 激光器的作用激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件 从它发出的光具有极好的相干性 单色性 方向性和极高的亮度 便于人们控制它和利用它 因而这种光源被用作光纤通信系统的光源 2 激光器的基本结构激光器的基本结构如图3 1所示 它是由三部分组成的 即 工作物质 谐振腔 半反镜和全反镜 和泵浦源 激励源 电源 图3 1半导体激光器结构 激活物质 使工作物质处于粒子数反转分布状态 完成频率选择及反馈作用 1 工作物质要使受激辐射过程成为主导过程 必要条件是在介质中造成粒子数反转分布 2 泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源N2 N1 受激辐射 受激吸收 从而有光的放大作用 工作物质已被激活 成为激活物质或称增益物质 3 光学谐振腔提供必要的反馈以及进行频率选择 光学谐振腔是由两个反射镜组成 其一是全反 M1 的 另一个是部分透过 M2 的 返回 图3 2谐振腔 谐振腔的光轴与工作物质的长轴相重合 这样沿谐振腔轴方向传播的光波将在腔的两反射镜之间来回反射 多次反复地通过激活介质 使光不断地被放大 而沿其他方向传播的光波很快地逸出腔外 这就使得只有沿腔轴传播的光波在腔内择优放大 因而谐振腔的作用可使输出光有良好的方向性 全反射镜 部分反射镜 激光输出 3 半导体激光器用半导体材料作为工作物质的激光器 称为半导体激光器 LD 常用的有F P腔 法不里 泊罗腔 激光器和分布反馈型激光器 DFB 下面介绍F P腔激光器中的同质结和双异质结半导体激光器 1 同质结砷化镓半导体激光器在光纤通信中 F P腔激光器采用的工作物质 半导体材料 一般是砷化镓 GaAs 或铟镓砷磷 InGaAsP 如图3 3所示为同质结砷化镓半导体激光器的结构 图3 3同质结砷化镓半导体激光器 同质结砷化镓半导体激光器结构简单 由PN结发光 其阈值电流 激光器开始产生激光时的注入电流 较大 在室温下工作发热严重 无法做到连续的激光输出 室温下只能工作在脉冲状态 且脉冲的重复频率不高 约为几十千赫兹 脉冲的宽度很窄 约为100ns 适合在小容量 低速率光纤通信系统中使用 2 双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器结构如图3 4所示 N InGaAsP是发光的作用区 有源区 其上 下两层称为限制层 它们和作用区构成光学谐振腔 限制层和作用层之间形成异质结 最下面一层N型InP是衬底 顶层 P InGaAsP是接触层 其作用是为了改善和金属电极的接触 特点 双异质结半导体激光器克服了同质结半导体激光器缺点 有源区厚度加大 阈值电流降低 30mA 80mA 波长范围为1 27 m 1 33 m 图3 4双异质结半导体激光器结构 图3 5DFB LD激光器结构 5 半导体激光器的工作特性1 阈值特性阈值电流 Ith 是指使LD输出光功率急剧增加 产生激光振荡的激励电流 某半导体激光器P I曲线如图3 6所示 图3 6P I曲线 当激励电流IIth时 有源区不仅有粒子数反转 而且达到了谐振条件 受激辐射为主 输出功率急剧增加 发出的是激光 此时P I曲线是线性变化的 对于激光器来说 要求阈值电流越小越好 2 光谱特性半导体激光器输出光光谱特性曲线如图3 7所示 从光谱特性曲线可以发现半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化 图3 7输出光光谱 当激励电流IIth时 光谱突然变窄 几纳米 谱线中心强度也急剧增加 说明发出的是激光 对于半导体激光器来说 要求其输出光谱越窄越好 3 温度特性半导体激光器对于温度很敏感 其输出功率随温度变化而变化 产生这种变化的主要原因是半导体激光器外微分量子效率和阈值电流受到温度的影响 图3 8温度对阈值电流的影响 6 半导体发光二极管 LED 半导体发光二极管是利用半导体PN结进行自发辐射器件的统称 如电子仪表等产品的指示灯使用的就是一般的半导体发光二极管 一般的半导体发光二极管与光纤通信专用的半导体发光二极管的异同如下 共同点 都是使用PN结 利用自发辐射的原理发光 属于无阈值器件 体积小巧 重量轻 不同点 主要是制造工艺和价格有区别 另外光纤通信专用的发光二极管亮度更高 响应速度更快 半导体发光二极管与半导体激光器的区别发光二极管没有光学谐振腔 采用自发辐射 发出的是荧光 非相干光 不是激光 光谱的谱线宽 发散角大 而半导体激光器有光学谐振腔 采用受激辐射 发出的是激光 相干光 光谱的谱线窄 发散角很小 虽然发光二极管无法发出激光 但它还是有很多优点 如 使用寿命长 理论推算可达108 1010小时 受温度影响小 输出光功率与激励电流线性关系好 驱动电路简单 价格低等 这些优点使发光二极管在中短距离 中小容量的光纤通信系统中得到广泛应用 1 LED的结构为了获得高辐射度 LED常采用双异质结芯片 但没有光学谐振腔 构成材料主要有GaAs InGaAsP AlGaAs等 面发光型LED结构图3 9所示是采用双异质结GaAs的面发光型LED结构 发光区是呈圆柱形的有源区 其直径约为50 m 厚度约为2 5 m 能够发出波长为0 8 m 0 9 m的辐射光 圆形光束反散角为120 图3 9面发光型LED结构 边发光型LED结构图3 10所示是采用双异质结InGaAsP InP的边发光型LED结构 波长范围为1 3 m左右 光束的水平反散角为120 垂直反散角为25 35 该型LED的方向性好 亮度高 耦合效率高 但发光面积小 图3 10边发光型LED结构 2 发光原理当激励电流注入时 注入的载流子在扩散过程中进行复合 发生自发辐射 产生具有一定波长的自发辐射光 发射光经透镜构成的聚焦系统发射出去 直接射入光纤的端面 然后在光纤中传输 这就是发光二极管的基本工作原理 3 LED的工作特性 光谱特性LED的谱线如图3 11所示 由于LED发光二极管没有谐振腔 不具有选频特性 因此谱线宽度 比激光器的要宽得多 图3 11LED的谱线 输出光功率特性LED输出光功率特性曲线如图3 12所示 LED不存在阈值电流 线性比LD好 驱动电流I较小时 P I曲线的线性较好 当I过大时 由于PN结发热而产生饱和现象 使P I曲线的斜率减小 一般情况下 LED工作电流为50mA 100mA 输出光功率为几毫瓦 由于反散角大 出纤功率 耦合到光纤中的功率 只有数百微瓦 图3 12LED输出光功率 温度特性LED的输出光功率也会随温度升高而减小 然而LED是无阈值器件 因此温度特性比LD要好 如短波长的GaAlAsLED 其输出光功率随温度的变化率约为0 01 1K 一般使用时不需要温度控制电路 耦合效率由于LED反散角大 因此其耦合效率低 所以LED适用于中短距离 中小容量的光纤通信系统 半导体激光器 LD 与发光二极管 LED 的比较在光纤通信系统中 最常用的光源器件便是半导体激光器 LD 和发光二极管 LED 二者均是用半导体材料构成的 能发出光波 能通过调制技术携带数据信息 实现光传输 这两种光源器件的比较见表3 1 通过比较 读者会进一步掌握这两种光源的异同及其应用 表3 1LD与LED的比较 1 作用光电检测器的作用 把光信号转换为电信号 光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换 2 要求 在系统的工作波长上具有足够高的响应度 即对一定的入射光功率 能够输出尽可能大的光电流 具有足够快的响应速度 能够适用于高速或宽带系统 具有尽可能低的噪声 以降低器件本身对信号的影响 具有良好的线性关系 以保证信号转换过程中的不失真 具有较小的体积 较长的工作寿命等 工作电压尽量低 使用简便 3 分类光电二极管 PIN 雪崩光电二极管 APD 一 概述 3 2光检测器 二 PIN光电二极管 图3 13光电二极管结构 1 结构 2 工作原理画 雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区 高场区 内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增 2 工作原理 点击动画 APD的雪崩倍增效应 是在二极管的P N结上加高反向电压 在结区形成一个强电场 在高场区内光生载流子被强电场加速 获得高的动能 与晶格的原子发生碰撞 使价带的电子得到了能量 越过禁带到导带 产生了新的电子 空穴对 新产生的电子 空穴对在强电场中又被加速 再次碰撞 又激发出新的电子 空穴对 如此循环下去 形成雪崩效应 使光电流在管子内部获得了倍增 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器 三 雪崩光电二极管 1 特点 图3 13APD雪崩示意图 3 光电检测过程 用雪崩光电二极管 APD 将光信号转换为电信号的过程如图所示 光信号包括信号光和背景光 电信号输出包含信号 背景 咕电流和非倍增的暗电流 对三种电流 即信号 背景和暗电流产生雪崩增益 系统的输出包含信号和噪声 图3 14光电检测框图 3 2光检测器 3 3光放大器 3 1光源 3 4光无源器件 光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍 光功率受限 这是光通信史上的重要里程碑 光放大器是一种不需要经过光 电 光变换而直接对光信号进行放大的有源器件 3 3光放大技术 一 光放大技术 放大器分类 光纤通信的基本器件 光放大技术 掺铒光纤放大器 把铒离子从E1能级 泵 到E3能级 使其形成粒子数反转分布状态 为受激幅射创造条件 是为了保证泵浦光与EDFA中合波器的反射光不向外洩漏 光隔离器的特点是只允许正方向的光进入 把泵浦光与信号光合并在一起输入到掺铒光纤中 信号光和与泵浦光同时沿掺铒光纤传输 泵浦光的能量被光纤中的铒离子吸收而跃迁到更高的能级 并可以通过能级间的受激发射转移为信号光的能量 信号光沿掺铒光纤长度不断放大 泵浦光沿掺铒光纤长度不断衰减 EDFA主要是由掺铒光纤 泵浦源 耦合器和光隔离器组成 DWDM系统中使用的EDFA必须具有 足够的带宽平坦的增益低噪声系数高输出功率 光放大技术 重要性能指标 特别是增益平坦度 这是DWDM系统对EDFA的特殊要求 在光放大器研制成功之前 主要采用光电混合中继器 或称再生器 放大光信号 首先将光纤中送来的光信号转换为电信号 然后对电信号进行放大 最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去 如图3 14所示 图3 14传统的中继器原理框图 一 光电光放大器 3 3光放大器 图10全光放大器原理框图 二 全光放大器 1 半导体激光放大器常用的有法布里 泊罗半导体激光放大器 FPA 和行波放大器 此类放大器的工作原理与激光器相同 都利用能级间跃迁产生的受激辐射工作 二者区别在于没有谐振腔 2 非线性光学放大器利用光纤中的非线性现象进行光信号放大 即利用受激拉曼散射和受激布里渊散射 放大的过程 就是能量从泵浦源向信号光转移的过程 3 掺稀土金属光纤放大器光纤中掺入适量稀土金属杂质 利用稀土金属原子特有的能级结构实现光信号放大 常用的掺铒光纤放大器 EDFA 是掺稀土金属的光纤放大器 3 3光放大器 掺铒光纤放大器的组成及工作原理掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤 EDF 泵浦光源 耦合器 隔离器等组成 如图3 27所示 掺铒光纤放大器的基本组成 1 掺铒光纤 掺铒光纤是一段长度约为10m 100m的石英光纤 纤芯中注入稀土元素铒离子 浓度为25mg kg 2 泵浦光源 泵浦光源为半导体激光器 输出功率约为10mW 100mW 工作波长为0 98 m 3 光耦合器 光耦合器将信号光和泵浦光合在一起通过掺铒光纤实现光放大 4 光滤波器 光滤波器滤出光放大器的噪声 降低噪声对系统的影响 提高系统的的信噪比 5 光隔离器 光隔离器的作用是抑制光反射 以确保光放大器工作稳定 保证光信号只能正向传输 对它的要求是插入损耗低 与偏振无关 隔离度优于40dB 掺铒光纤放大器的工作原理是受激辐射使光信号放大 在光纤中掺入微量的铒元素 当只有泵浦光而没有信号光加入掺铒光纤时 高能级的电子经过各种碰撞后 发射小波长为1 53 m 1 56 m的荧光 这些荧光在没有信号射入时处于非相干状态 当泵浦光与信号光一起射入掺铒光纤时 信号光就可以接收泵浦光的能量 沿着光纤逐步加强 输出一个频率相同 传输模式相同的较强的光 使光信号获得放大 在铒粒子受激辐射过程中 有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态 产生带宽极宽而且杂乱无章的光子 并在传播中不断扩大 从而形成了自发辐射燥声 并消耗了部分泵浦功率 因此 需设光滤波器 以降低燥声对系统的影响 3 3 3光纤放大器的结构EDFA的内部按泵浦方式分 有同向泵浦 反向泵浦和双向泵浦三种基本结构 如图3 28所示 图3 28光放大器泵浦方式 1 同向泵浦 在同向泵浦结构中 泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤 2 反向泵浦 在反向泵浦结构中 泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤 两者在掺铒光纤中反向传输 3 双向泵浦 为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励 必须提高泵浦功率 在双向泵浦结构中 既有和信号光传输方向相同的泵浦光 也有和信号光传输方向相反的泵浦光 3 3 4光纤放大器的应用光放大器可以应用于干线通信 主要应用形式有三种 中继放大 功率放大 前置放大和LAN放大 中继放大是指将EDFA直接插入到光纤传输链路中对信号进行中继放大的应用形式 如图3 29 a 所示 广泛用于长途通信 越洋通信等领域 功率放大是指将EDFA放在发射光源之后对信号进行放大的应用形式 EDFA增加了注入光纤的光功率 从而可以延长中继距离 如图3 29 b 所示 由于EDFA的低噪声特性 使它很适于作为接收机的前置放大器 大大提高接收机的接收灵敏度 如图3 29 c 所示 LAN放大是指将EDFA放在光纤局域网中用作分配补偿放大器 以便增加光节点的数目 EDFA可在宽带本地网特别是在电视分配网中得到应用 如图3 29 d 所示 图3 29EDFA的应用 在光纤通信系统中 除了有源器件 光纤光缆之外 还有无源器件 无源器件有光纤活动连接器光衰减器光无源耦合器光波分复用器光隔离器光开关等 光无源器件 一 光纤活动连接器 光纤连接器 俗称活接头 ITU T建议将其定义为 用以稳定地 但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件 3 4光无源器件 1 1功能光纤连接器主要用于实现系统中光纤 缆 与光纤 缆 光纤 缆 与有源器件 光纤 缆 与无源器件 光纤 缆 与系统和仪表的非永久性固定连接等 1 2结构光纤活动连接器有以下几种结构 套管结构 双锥结构 V型槽结构 球面定心结构和透镜耦合结构 工作原理是 对光纤纤芯外圆柱面的同轴度 插针的外圆柱面和端面 套管的内孔进行精密加工 使两根光纤在套管中对接 从而确保两个光纤很好地在套管内对准 以实现两根光纤在套管内的活动连接 如图1所示 图15光连接器套管结构示意图 1 3工作原理及结构示意图 3 4光无源器件 1 4常见端面接触形式 FC型 其接头的对接方式为平面对接 优点是加工简单 成本低 缺点是存在菲聂尔反射 PC型 是FC型的改进型 其对接面由平面变为拱型凸面 是我国最通用的规格 减少了菲聂尔反射 反射损耗系数可达48dB APC型 光纤端面是球面 端面法线与轴线成一定角度 使光难以返回光源 反射损耗系数达55dB 图16光纤连接器的端面连接方式 3 4光无源器件 3 4光无源器件 二 光衰减器 1 光衰减器的作用 光衰减器的作用 对光能量进行预期的衰减 使光能量减少 光衰减器使用于光通信系统的指标测量 短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等 2 光衰减器的分类 按光信号的传输方式分 单模光衰减器和多模光衰减器 按光信号的接口方式分 尾纤式光衰减器和连接端口式光衰减器 按照光信号的衰减方式分 固定光衰减器和可变光衰减器 3 4光无源器件 固定光衰减器产生衰减的机理是吸收一部分光 从而产生衰减作用 也就是在光线轴线上设置一种叫衰减膜的介质 它是一种半透明的掺杂化合物 在工作波长范围内 它有一个吸收带 光在吸收带内被吸收 产生衰减 3 固定光衰减器的工作原理 图17无准直远镜光衰减器 3 4光无源器件 可变光衰减器有步进式可变光衰减器和连续可变光衰减器两种 图4是步进式可变光衰减器的一种结构 它由准直器和两个衰减圆盘组成 准直器用来产生平行的出射光 衰减圆盘用来产生衰减 两个衰减圆盘插在从准直器出射的平行光路之中 每个衰减圆盘分别装有6个衰减片 衰减片的衰减是0dB 5dB l0dB 15dB 20dB 25dB 将两个衰减圆盘的衰减片进行组合 可以产生5dB 10dB 15dB 20dB 25dB 30dB 35dB 40dB 45dB 50dB等十挡衰减 2 4可变光衰减器的工作原理 图18步进式可变光衰减器结构 3 4光无源器件 三 光隔离器 2 作用 防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响 2 光衰减器的分类 按光信号的传输方式分 单模光衰减器和多模光衰减器 按光信号的接口方式分 尾纤式光衰减器和连接端口式光衰减器 按照光信号的衰减方式分 固定光衰减器和可变光衰减器 1 定义 只允许单向光通过的无源光器件 3 4光无源器件 四 光波分复用器 多波长波分复用器一般指4波长以上器件 对于密集型 DWDM 器件 有4波长 8波长 16波长等几种 研制产品的波长是1550nm和1310nm 考虑到掺铒光纤放大器的需要 又考虑到波长在550nm区域具有更小的损耗 所以一般研制产品的波长为1550nm 对于1310nm区域 如果光纤放大器能商品化 在此区域内使用DWDM技术 对已建光纤系统的升级有很大的吸引力 多波长波分复用器有介质模型 光栅型 波导阵列光栅型 光纤光栅等 81 波分复用器件包括合波器和分波器 又叫光复用器和光解复用器 OM OD技术 波分复用器件 82 OM OD技术 OM OD器件 合波器 OM 分波器 OD 把来自光纤的光波分解成具有原标称波长的光通路信号 分别输入到相应的光通路接收机中 即对光波起解复用作用 把具有标称波长的各复用通路光信号合成为一束光波 送到光纤中进行传输 对光波起复用作用 83 光栅型光波分复用器介质薄膜滤波器型 DTF 耦合器型 熔锥型 阵列波导光栅型 AWG OM OD技术 OM OD器件类型 84 OM OD器件类型1 光栅型滤波器 85 OM OD器件类型1 光栅型复用器 原理属于角色散型器件 当光