第4章 光通信器件

1、2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1第四章第四章 光通信器件光通信器件n4.1 半导体激光器半导体激光器 n4.2 半导体发光二极管半导体发光二极管(LED) n4.3 光放大器光放大器 n4.4 光检测器光检测器 n4.5 其他光通信器件其他光通信器件2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping24.1 半导体激光器半导体激光器n4.1.1 半导体激光器原理半导体激光器原理 n4.1.2 激光器的基本组成激光器的基本组成 n4.1.3 半导体激光器的机理半导体激光器的机理 n4.1.4 制作激光器的材料制作激光器的材料 n4.1.5 FP腔激光器

2、腔激光器* n4.1.6 量子阱半导体激光器量子阱半导体激光器 n4.1.7 分布反馈激光器分布反馈激光器 n4.1.8 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性* n4.1.9 光纤通信使用的激光器光纤通信使用的激光器 n4.1.10 固体蓝光激光器固体蓝光激光器* 2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping3n工作原理工作原理：是激励方式，利用半导体物质：是激励方式，利用半导体物质(即电子即电子)在能在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产射镜面作为反射镜，组

3、成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。生光的辐射放大，输出激光。n形成激光的条件形成激光的条件：有源区产生足够的粒子数反转分布；：有源区产生足够的粒子数反转分布；存在光学谐振机制，并在有源区建立起稳定的光振荡。存在光学谐振机制，并在有源区建立起稳定的光振荡。 解理面解理面NP耗尽层耗尽层金属电极金属电极金属电极金属电极4.1.1 4.1.4 半导体激光器原理半导体激光器原理2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping44.1.1 4.1.4 半导体激光器原理半导体激光器原理n能带能带：价带、禁带、导带：价带、禁带、导带n型、型半导体的能带型、型半导体的能带nP

4、NPN结、半导体激光器产生激光原理结、半导体激光器产生激光原理n激光器模型激光器模型2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping5半导体激光器的组成半导体激光器的组成n激光工作物质激光工作物质：半导体材料，在被激活的条件下，可：半导体材料，在被激活的条件下，可以辐射光子。以辐射光子。n泵浦源泵浦源：在泵浦源的激励下，工作物质被激活而成为：在泵浦源的激励下，工作物质被激活而成为激活物质或增益物质。激活物质或增益物质。n光学谐振腔光学谐振腔：其正反馈作用使光的增益大于损耗，产：其正反馈作用使光的增益大于损耗，产生激光。生激光。2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wen

5、ping6半导体激光器的材料、激励方式、分类半导体激光器的材料、激励方式、分类n半导体材料工作物质：如，砷化镓半导体材料工作物质：如，砷化镓(GaAs)、硫化镉、硫化镉(CdS)、磷化铟、磷化铟(InP)、硫化锌、硫化锌(ZnS)等。等。n激励方式：激励方式：电注入电注入、电子束激励电子束激励和和光泵浦光泵浦三种形式。三种形式。n分类：同质结、单异质结、双异质结等几种半导体激分类：同质结、单异质结、双异质结等几种半导体激光器。光器。2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping7n峰值波长峰值波长，应在光纤的低损耗窗口之内，即与石英光纤三，应在光纤的低损耗窗口之内，即与石英光纤

6、三个低损耗窗口相适应。个低损耗窗口相适应。n高而稳定的输出光功率高而稳定的输出光功率 (入纤功率：数十入纤功率：数十w至数至数mw) ，以满足系统的光中继段距离的要求。以满足系统的光中继段距离的要求。n高的电光转换效率，低功率驱动，长寿命，高可靠性高的电光转换效率，低功率驱动，长寿命，高可靠性。n单色性和方向性好单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光缆和，以减少光纤的材料色散，提高光缆和光纤的耦合效率。光纤的耦合效率。n易于调制，响应速度快，温度特性好，易于调制，响应速度快，温度特性好，以利于高速率大容以利于高速率大容量的数字信号的传输。量的数字信号的传输。n体积小，重量轻体积小，重量

7、轻，便于安装使用，也利于和光纤的耦合。便于安装使用，也利于和光纤的耦合。一、光纤通信对光源的基本要求一、光纤通信对光源的基本要求2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping8二、光通信用的激光光源二、光通信用的激光光源三种激光器：三种激光器：n1 1、单纵模、单纵模(SLM)(SLM)半导体激光器半导体激光器 分布反馈分布反馈(DFB)(DFB)激光器激光器 分布布拉格反射分布布拉格反射(DBR)(DBR)激光器激光器n2 2、量子阱、量子阱(QW)(QW)激光器激光器n3 3、光纤激光器、光纤激光器* *2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping91 1

8、、单纵模、单纵模(SLM)(SLM)半导体激光器半导体激光器nSLM 的思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，具有最的思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，具有最低光腔损耗的纵模最先达到阈值并成为支配模式。其它低光腔损耗的纵模最先达到阈值并成为支配模式。其它邻模由于高损耗而被区分开，并被阻止从自发辐射中建邻模由于高损耗而被区分开，并被阻止从自发辐射中建立。这些邻模携带的功率在总的辐射功率中一般只占很立。这些邻模携带的功率在总的辐射功率中一般只占很小一部分小一部分(1%)。频率频率纵模纵模发射模发射模损耗线损耗线增益增益单纵模半导体激光器的增益和损耗单纵模半导体激光器的增益和损耗2022-3-7安工大数

9、理安工大数理 Zhou Wenping10(a) (a) 结构结构 (b) (b) 光反馈光反馈1 1、SLM SLM 半导体激光器半导体激光器 - - 分布反馈激光器分布反馈激光器 DFBDFBn反馈并不位于端面上，而是分布在整个光腔长度上，通过反馈并不位于端面上，而是分布在整个光腔长度上，通过折射率周期扰动的内建光栅产生的布拉格散射得到，并使折射率周期扰动的内建光栅产生的布拉格散射得到，并使正向和反向传播的波相互耦合。正向和反向传播的波相互耦合。2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping11nDFB 机制产生模式选择需要满足布拉格条件（波长耦合机制产生模式选择需要满足布

10、拉格条件（波长耦合条件）：条件）：m(B/2n) 光栅周期；光栅周期； m 布拉格散射的阶数；布拉格散射的阶数； B 布拉格波长；布拉格波长； n 模折射率模折射率 例例如：一阶布拉格散射如：一阶布拉格散射(m=1)，正向和反向耦合最强，正向和反向耦合最强，对工作于对工作于B=1550nm的的DFB激光器，若激光器，若m=1，n=3.3，则则=235nm。此光栅可用全息照相技术制造。此光栅可用全息照相技术制造。1 1、SLM SLM 半导体激光器半导体激光器 - - 分布反馈激光器分布反馈激光器 DFBDFB2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping12N型型P型型光栅光栅

11、有源层有源层DFB激光器激光器DBRDBR激光器激光器DBR泵浦区泵浦区N型型P型型nDFB激光器：反馈发生在整个光腔有源区长度上。激光器：反馈发生在整个光腔有源区长度上。DBR激光器：反馈并不发生在有源区内。激光器：反馈并不发生在有源区内。1 1、SLM SLM 半导体激光器半导体激光器 - - 两类两类 DFB DFB 机制的半导体激光器机制的半导体激光器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping13n多段多段DFB和和DBR激光器的设计方案，可实现稳定性和可激光器的设计方案，可实现稳定性和可调谐性兼备的调谐性兼备的SLM激光器。它由三段组成：有源段、相激光器。它由三段

12、组成：有源段、相位控制段、布拉格段。位控制段、布拉格段。n通过注入不同大小的电流分别偏置：注入到布拉格段的通过注入不同大小的电流分别偏置：注入到布拉格段的电流电流I3导致折射率变化，改变布拉格波长；注入到相位导致折射率变化，改变布拉格波长；注入到相位控制段的电流控制段的电流I2导致折射率变化，改变从导致折射率变化，改变从DBR反馈的相反馈的相位。通过控制这三段的电流，激光波长能在位。通过控制这三段的电流，激光波长能在57nm范范围内连续调节。围内连续调节。n波长由在布拉格段的内建光栅决定，这种激光器工作稳波长由在布拉格段的内建光栅决定，这种激光器工作稳定，适用于相干通信系统。定，适用于相干通信

13、系统。多段多段 DBR DBR 激光器激光器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping14DFB DFB 激光器比激光器比 F-P F-P 激光器的优点激光器的优点n单纵模激光器单纵模激光器n谱线窄，波长稳定性好谱线窄，波长稳定性好n动态谱线好动态谱线好n线性好线性好nDFB 激光器激光器 vs 普通激光器普通激光器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping152 2、量子阱、量子阱(QW)(QW)半导体激光器半导体激光器n基本结构与普通的双异质结激光器结构类似，只是基本结构与普通的双异质结激光器结构类似，只是有源有源区的厚度很薄区的厚度很薄，仅为：仅为

14、：10100（通常的通常的F-P 腔激光腔激光器为：器为：10002000 ），使窄带隙的有源区为导带中），使窄带隙的有源区为导带中的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱，从而带来一的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱，从而带来一系列优越的性质，如：系列优越的性质，如：n极低的阈值电流、高的输出光功率、窄的发射谱线、发极低的阈值电流、高的输出光功率、窄的发射谱线、发射波长可调谐、弱温度依赖等，被称为射波长可调谐、弱温度依赖等，被称为“理想激光器理想激光器”。2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping16n量子阱激光器可以为单量子量子阱激光器可以为单量子阱、多量子阱；还可以在内

15、阱、多量子阱；还可以在内部制造波纹光栅，构成量子部制造波纹光栅，构成量子阱阱-分布反馈分布反馈(QW-DBF)激光激光器，从而获得更窄的谱线宽器，从而获得更窄的谱线宽度和更好的性能。度和更好的性能。n如如InGaAs-InGaAsP MQW-DFBInGaAs-InGaAsP MQW-DFB 激光器含有激光器含有4个量子阱，阱的个量子阱，阱的厚度仅为厚度仅为70，发射谱宽可减，发射谱宽可减少到少到2MHz左右。左右。2 2、量子阱、量子阱(QW)(QW)半导体激光器半导体激光器MQW-DFB MQW-DFB 激光器的结构图和能带图激光器的结构图和能带图2022-3-7安工大数理安工大数理 Zh

16、ou Wenping173 3、光纤激光器、光纤激光器* * - - 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器n利用光纤光栅技术把掺铒光纤相隔一定长度的两处写利用光纤光栅技术把掺铒光纤相隔一定长度的两处写入光栅，两光栅之间相当于谐振腔；用入光栅，两光栅之间相当于谐振腔；用980nm 980nm 或或1480nm 1480nm 泵浦激发激光，铒离子就会产生增益放大。由泵浦激发激光，铒离子就会产生增益放大。由于光栅的选频作用，谐振腔只能反馈某一特定波长的于光栅的选频作用，谐振腔只能反馈某一特定波长的光，输出单频激光，再经过隔离器输出线宽较窄、功光，输出单频激光，再经过隔离器输出线宽较窄、功率高、噪声低的激光。

17、率高、噪声低的激光。2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping18n把光纤布拉格光栅作为半导体激光二极管的外腔反射把光纤布拉格光栅作为半导体激光二极管的外腔反射镜，可以制作性能优异的光纤光栅镜，可以制作性能优异的光纤光栅DFB DFB 激光器。激光器。n该激光器不仅输出激光的线宽窄，易与光纤耦合，而该激光器不仅输出激光的线宽窄，易与光纤耦合，而且通过对光栅加以纵向拉伸力或改变且通过对光栅加以纵向拉伸力或改变LD LD 的调制频率就的调制频率就能控制输出激光的频率和模式。能控制输出激光的频率和模式。3 3、光纤激光器、光纤激光器* * - - 光纤光栅光纤光栅DFB DFB

18、激光器激光器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping19a.结构图结构图b.频谱图频谱图5 段铒光纤光栅构成具有段铒光纤光栅构成具有5 个波长的个波长的DFB 激光器激光器3 3、光纤激光器、光纤激光器* * - - 光纤光栅光纤光栅DFB DFB 激光器激光器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping20波长可调谐波长可调谐光纤光栅光纤光栅DFB 激光器激光器3 3、光纤激光器、光纤激光器* * - - 光纤光栅光纤光栅DFB DFB 激光器激光器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping21(1) LED (1) LED 与光纤

19、的耦合与光纤的耦合n面发光与边发光面发光与边发光LED 同多模光纤的耦合效率可分别达到同多模光纤的耦合效率可分别达到 1和和10；边发光；边发光LED 与单模光纤的耦合效率与单模光纤的耦合效率EgEg费米能级费米能级Eg2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping734.4.24.4.3 光检测器光检测器光检测器：光检测器：又称检波器、探测器。又称检波器、探测器。作用：作用：接收光信号，将光信号转变为电信号。接收光信号，将光信号转变为电信号。n一、光纤通信对光检测器要求一、光纤通信对光检测器要求n二、光电二极管二、光电二极管 PDPDn三、改进型光电二极管三、改进型光电二极管

20、 PINPINn四、雪崩光电二极管四、雪崩光电二极管 APDAPD2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping74光电二极管实物图光电二极管实物图2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping75一、光纤通信对光检测器要求一、光纤通信对光检测器要求n高的光电转换效率高的光电转换效率n高的响应速度高的响应速度n高的接收灵敏度高的接收灵敏度n低的功耗低的功耗n稳定、可靠、价格便宜稳定、可靠、价格便宜2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping76n工作原理：工作原理：有光照有光照(hEg)价带中电子吸收光子能量，价带中电子吸收光子能量，跃到导带跃

21、到导带(受激吸收受激吸收)成为自由电子。加反向电压成为自由电子。加反向电压(与自建场与自建场方向相反方向相反)，形成光生电流。，形成光生电流。n过程：过程：在电场作用下，耗尽区内：在电场作用下，耗尽区内：电子电子(漂移漂移)N区区N区区空穴空穴(漂移漂移)P区区P区区n条件：条件：hEg，即，即Eg (光照光照)受激吸收受激吸收电子漂移电子漂移扩散扩散形成形成光生电流。光生电流。n优点优点：光电转换效率高，响应速度快。光电转换效率高，响应速度快。nSi -PIN，响应波长，响应波长0.51 m，响应时间几，响应时间几ns；nGe-PIN，响应波长，响应波长1.11.6m，响应时间，响应时间20

22、ns。2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping79三、改进型光电二极管三、改进型光电二极管 PINPIN图图4-30 PIN 光电二极管结构光电二极管结构原理演示原理演示2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping80n结构：结构：在在N、P区大量掺杂，载流子浓度变大。区大量掺杂，载流子浓度变大。n特点：特点：可承受很高的反向偏压。可承受很高的反向偏压。 PIN：020V，APD：20150Vn原理：原理：加高反偏电压加高反偏电压耗尽区形成强电场耗尽区形成强电场光照光照(克服克服Eg) 形成初始载流子形成初始载流子有高能量有高能量(或运动速度很快或运动速

23、度很快)运行运行中高速碰撞中高速碰撞产生新生载流子产生新生载流子(由碰撞产生由碰撞产生)新生载流新生载流子和原始载流子再撞击子和原始载流子再撞击电子浓度瞬时猛增电子浓度瞬时猛增电流急剧电流急剧增长增长 “雪崩雪崩”、“倍增倍增” 完成光完成光/电转换。电转换。四、雪崩光电二极管四、雪崩光电二极管 APDAPD2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping81图图4-31APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）四、雪崩光电二极管四、雪崩光电二极管 APDAPD2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping82电电场场四、雪崩光

24、电二极管四、雪崩光电二极管 APDAPDP+IPN+吸收吸收增益增益距离距离E图图4-32 APD 的结构和工作原理的结构和工作原理(a)(b)原理演示原理演示2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping83n量子效率：量子效率：转化为光生电流的光子数与入射总光子数之比转化为光生电流的光子数与入射总光子数之比n响应度：响应度：光电流与入射光功率之比，光电流与入射光功率之比，n二者之间的关系：二者之间的关系：n截止波长：截止波长： Si：1060nm；Ge：1650nmimpPIR hPIimp/e hRe ggcEEhc24. 1 4.4.4 光检测器性能参数光检测器性能参数

25、2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping841）光电二极管的负载电阻和结电容构成的）光电二极管的负载电阻和结电容构成的RC时间常数时间常数 2）载流子在耗尽区内的定向运动速度）载流子在耗尽区内的定向运动速度 3）载流子在耗尽区外的扩散运动速度）载流子在耗尽区外的扩散运动速度 响应时间的主要影响因素：响应时间的主要影响因素：4.4.4 光检测器性能参数光检测器性能参数2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping85n量子噪声：由光子产生电子量子噪声：由光子产生电子-空穴对的随机起伏而引起。空穴对的随机起伏而引起。受电源电压和温度的影响，是一个极不稳定的因素

26、受电源电压和温度的影响，是一个极不稳定的因素 。 n暗电流：无入射光时，耗尽区内带电粒子的热运动形成暗电流：无入射光时，耗尽区内带电粒子的热运动形成的电子的电子-空穴对，在反向偏转电压的作用下产生定向流空穴对，在反向偏转电压的作用下产生定向流动，形成暗电流。动，形成暗电流。噪声（和干扰）：噪声（和干扰）：4.4.4 光检测器性能参数光检测器性能参数2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping86参数参数单单位位硅检测器硅检测器锗检测器锗检测器铟镓砷检测器铟镓砷检测器PIN APDPINAPDPINAPD波长范围波长范围nm400110080018009001700峰值波长峰值

27、波长nm900830155013001300(1550)1300(1550)响应度响应度,芯芯片耦合后片耦合后A/W0.60.30.5577130501200.650.7,0.50.653282.5250.630.8 (0.750.97)0.50.7 (0.60.8)量子效率量子效率%6590775055557560706070增益增益G倍数倍数1150250154011030过剩噪声指数过剩噪声指数x-0.30.5-0.951-0.7偏压偏压-V45100220610203551000次；次；n互换性好：要求同一种型号的活动连接器可以互换；互换性好：要求同一种型号的活动连接器可以互换；n体积

28、小，重量轻，成本低。体积小，重量轻，成本低。4.5.1 连接器连接器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping91n光纤连接器光纤连接器(又称跳线又称跳线)是指光纤两端都装上连接器插头，是指光纤两端都装上连接器插头，用来实现光路活动连接；一端装有插头则称为尾纤。光用来实现光路活动连接；一端装有插头则称为尾纤。光纤连接器连接头连接类型有纤连接器连接头连接类型有FC、SC、ST，端面接触方，端面接触方式有式有PC、UPC、APC型。型。 n光纤连接器分为两类：光纤连接器分为两类：n活动连接器活动连接器“活接头活接头”，主要用于光纤线路两端与，主要用于光纤线路两端与端机的连接中；

29、端机的连接中；n固定连接器固定连接器“死接头死接头”，不能拆卸，或只能进行破，不能拆卸，或只能进行破坏性拆卸。坏性拆卸。4.5.1 连接器连接器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping924.5.1 连接器连接器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping934.5.1 连接器连接器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping94光纤固定接头的方法光纤固定接头的方法2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping95光纤接续视频光纤接续视频n光纤端面清洁光纤端面清洁n光纤冷接续视频光纤冷接续视频n皮线冷接子操作规程皮线冷接

30、子操作规程n光纤熔接流程光纤熔接流程n光纤熔接教程光纤熔接教程2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping96NN1NP1/NP1/NP1/N224.5.2 光纤耦合器光纤耦合器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping97P4P3P14.5.2 光纤耦合器光纤耦合器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping98n根据器件的输入和输出端口进行表征。比如具有两个根据器件的输入和输出端口进行表征。比如具有两个输入和两个输出端口的器件称为输入和两个输出端口的器件称为“22耦合器耦合器”；通；通常，常，NM 耦合器具有耦合器具有N个输入和个输入

31、和M个输出。个输出。图图4-3322熔锥型光纤耦合器熔锥型光纤耦合器耦合器总的拉伸长度为耦合器总的拉伸长度为 L=2l +WP1P2P3P44.5.2 光纤耦合器光纤耦合器 - 22型型2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping99n将四根光纤扭绞、加热和拉伸，熔融在一起，制作成将四根光纤扭绞、加热和拉伸，熔融在一起，制作成44熔融光纤星形耦合器。熔融光纤星形耦合器。n星形耦合器的主要作用是将星形耦合器的主要作用是将N个输入功率复合后再平均个输入功率复合后再平均分配到分配到M个输出端口。个输出端口。4.5.2 光纤耦合器光纤耦合器 - 星型星型2022-3-7安工大数理安工

32、大数理 Zhou Wenping100n插入损耗：插入损耗：n分光比：输出端的功率分配比。分光比：输出端的功率分配比。n隔离度：反映了定向耦合器反向散射信号的大小。隔离度：反映了定向耦合器反向散射信号的大小。4.5.2 光纤耦合器光纤耦合器 - 性能指标性能指标2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1014.5.3 光滤波器光滤波器n光滤波器：光滤波器：只允许一定波长的光信号通过的器件，是只允许一定波长的光信号通过的器件，是一种波长选择器件。一种波长选择器件。n固定波长滤波器固定波长滤波器n波长可调谐滤波器波长可调谐滤波器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou

33、Wenping1024.5.3 光滤波器光滤波器 - 固定波长滤波器固定波长滤波器图图4-34 薄膜干涉滤波器（固定波长）薄膜干涉滤波器（固定波长）/4/4/4/4/42022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1034.5.3 光滤波器光滤波器 - 波长可调谐滤波器波长可调谐滤波器n1 1、光纤法布里、光纤法布里- -珀罗滤波器珀罗滤波器n2 2、马赫、马赫- -曾德尔干涉滤波器曾德尔干涉滤波器入射光入射光透射光透射光压电陶瓷压电陶瓷反射镜反射镜反射镜反射镜图图4-35 光纤法布里光纤法布里-珀罗滤波器原理珀罗滤波器原理2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wen

34、ping1042 2、可调、可调MZIMZI：通过热光或电光效应控制改变干涉仪的臂长：通过热光或电光效应控制改变干涉仪的臂长频谱分辨率：频谱分辨率： 0.4 nm 0.4 nm调谐速度：调谐速度： 50 ns50 ns对环境敏感对环境敏感4.5.3 光滤波器光滤波器 - 波长可调谐滤波器波长可调谐滤波器1 1、光纤、光纤 F-PF-P滤波器：通过改变电介质镜面的距离改变共振条件滤波器：通过改变电介质镜面的距离改变共振条件调谐范围：调谐范围： 几十个几十个 nmnm频谱分辨率：频谱分辨率： GHz GHz调谐速度：调谐速度： 0.1 ms0.1 ms2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou

35、 Wenping1054.5.3 光滤波器光滤波器 - 波长可调谐滤波器波长可调谐滤波器3 3、可调多光栅滤波器：分插复用器、可调多光栅滤波器：分插复用器 OADMOADM1234 4、声光滤波器、声光滤波器: : 输入信号产生的声波引起媒质密度周期变化，其变化输入信号产生的声波引起媒质密度周期变化，其变化周期等于声波波长，这相当于形成一个布喇格光栅。满足条件的波长被耦周期等于声波波长，这相当于形成一个布喇格光栅。满足条件的波长被耦合到另一个臂传输。合到另一个臂传输。2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping106n光衰减器光衰减器：对光信号进行衰减的器件，用于调整光中继对

36、光信号进行衰减的器件，用于调整光中继区间的损耗和调整光功率等。区间的损耗和调整光功率等。n应用：应用：光纤系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰光纤系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。如：可调式光衰减器一般用于减以及系统试验等场合。如：可调式光衰减器一般用于光学测量中，在测量光接收机的灵敏度时，通常把它置光学测量中，在测量光接收机的灵敏度时，通常把它置于光接收机的输入端，用来调整接收光功率的大小。于光接收机的输入端，用来调整接收光功率的大小。 n要求：要求：重量轻、体积小、精度高、稳定性好等。重量轻、体积小、精度高、稳定性好等。 n类型：类型：固定光衰减器、可变光衰减器

37、。固定光衰减器、可变光衰减器。4.5.4 光衰减器光衰减器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping107输入输入输出输出粗档板粗档板10dB/档档精档板精档板1dB/档档分档衰减器分档衰减器厚厚连续衰减器连续衰减器4.5.4 光衰减器光衰减器 - 可变光衰减器可变光衰减器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1084.5.4 光衰减器光衰减器 - 工作机理工作机理2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1091、光衰减器的工作机理主要有三种：光衰减器的工作机理主要有三种：n(1)(1)耦合型光衰减器耦合型光衰减器：它是通过输入

38、、输出光束对准偏：它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。的目的。n(2)(2)反射型光衰减器反射型光衰减器：它是在玻璃基片上镀反射膜作为：它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光通过衰减片时主要是反射和透射，由膜层厚衰减片。光通过衰减片时主要是反射和透射，由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。目的。4.5.4 光衰减器光衰减器 - 工作机理工作机理2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping110n为避免反射光的再

39、入射影响衰减性能的稳定性，光线不为避免反射光的再入射影响衰减性能的稳定性，光线不能垂直入射到衰减片上，需将二块衰减片按一定倾斜角能垂直入射到衰减片上，需将二块衰减片按一定倾斜角对称地排成八字形。（对称地排成八字形。（60252030开关时间开关时间/s4010330302022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1171 1、光隔离器光隔离器 IsolatorIsolatorn概念：概念：光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光的单向器。光的单向器。n作用：作用：消除光路中不连续处产生的反射光对光源、光放消除光路中不连续处产生的反

40、射光对光源、光放大器以及光路系统中产生的不良影响。大器以及光路系统中产生的不良影响。n主要指标及要求主要指标及要求：插入损耗小插入损耗小(12dB)、隔离度大、隔离度大(反反向衰减，向衰减，3040dB)、价格便宜、体积小、便于集成。、价格便宜、体积小、便于集成。n组成：组成：起偏器、法拉第旋光器、检偏器等。起偏器、法拉第旋光器、检偏器等。4.5.6 光隔离器、光环形器光隔离器、光环形器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping118图图4-40 光隔离器的工作原理光隔离器的工作原理1 1、光隔离器、光隔离器 IsolatorIsolator原理演示原理演示2022-3-7

41、安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1191 1、光隔离器、光隔离器 - - 应用应用2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping120(a)三端口三端口(b)四端口四端口2 2、光环行器、光环行器光环形器是光环形器是 EDFA、OADM、色散补偿及其他应用领域中、色散补偿及其他应用领域中的理想器件。其原理类似光隔离器。一个端口输入，指定的理想器件。其原理类似光隔离器。一个端口输入，指定端口输出。端口输出。 2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1212 2、光环行器、光环行器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping12

42、2端口端口1 1端口端口2 2端口端口3 3端口端口2 2全反射棱镜全反射棱镜偏振分束立偏振分束立方体透镜方体透镜双折射分双折射分离元件离元件A双折射分双折射分离元件离元件B单向法拉单向法拉第旋转器第旋转器相位旋相位旋转器转器2 2、光环行器、光环行器 - - 原理图原理图2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping123n光环形器的非互易性使其成为光环形器的非互易性使其成为双向通信双向通信中的重要器件，中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离任务。光环形器在它可以完成正反向传输光的分离任务。光环形器在单单纤双向通信、上纤双向通信、上/ /下话路下话路(OADM)(OADM

43、)、色散补偿、色散补偿等领域有广等领域有广泛的应用。泛的应用。2 2、光环行器、光环行器 - - 应用应用2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1242 2、光环行器、光环行器 - - 应用应用1232022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping125n波分复用器是构成波分复用多信道光纤通信系统的关波分复用器是构成波分复用多信道光纤通信系统的关键器件。键器件。n将若干路不同波长的信号复合后送入同一根光纤中传将若干路不同波长的信号复合后送入同一根光纤中传送送（复用复用），或者将在同一根光纤中传送的多波长信，或者将在同一根光纤中传送的多波长信号分解号分解（解

44、复用解复用）后分送给不同的接收机。后分送给不同的接收机。4.5.7 波分复用波分复用/ /解复用器解复用器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1264.5.7 波分复用波分复用/ /解复用器解复用器波分复用器波分复用器100GHz间隔的间隔的WDM信道频谱信道频谱复用器复用器解复用器解复用器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping127n（一）熔锥光纤型（一）熔锥光纤型 WDMWDMn（二）干涉滤波器型（二）干涉滤波器型 WDMWDMn（三）光栅型（三）光栅型 WDMWDMn体型平面或曲面光栅体型平面或曲面光栅n平面阵列波导光栅平面阵列波导光栅n

45、光纤光栅光纤光栅4.5.7 波分复用波分复用/ /解复用器解复用器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping128（一）熔锥光纤型（一）熔锥光纤型 WDMWDM2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping129（二）干涉滤波器型（二）干涉滤波器型 WDMWDM 介质薄膜干涉型介质薄膜干涉型 WDM WDM 器件器件 - - 原理原理2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping130 介质薄膜干涉型介质薄膜干涉型 WDM WDM 器件器件 - - 结构结构（a）二波分解复用器）二波分解复用器（b）六波分解复用器）六波分解复用器（二）干涉滤波

46、器型（二）干涉滤波器型 WDMWDM2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping131 基于基于 MZI MZI 的集成四通道的集成四通道 WDM WDM（二）干涉滤波器型（二）干涉滤波器型 WDMWDM2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping132Mach - Zehnder Interferometer (MZI)Mach - Zehnder Interferometer (MZI)应用：波分复用应用：波分复用/ /解复用器、外调制器、解复用器、外调制器、DPSKDPSK解调解调控制控制w w1 1和和w w2 2中光的相位差，并使之在输出端产生相长

47、中光的相位差，并使之在输出端产生相长/ /消干涉消干涉. .3dBcoupler3dBcouplerw2w12022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping133MZI MZI 复用器复用器/ /解复用器解复用器2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping134如果输入波长满足如果输入波长满足b bD DL=(2k-1)p pp/2bDL+p/2bDL+pbDL信号从上端口输出信号从上端口输出如果输入波长满足如果输入波长满足b bD DL=2kp p信号从下端口输出信号从下端口输出解复用解复用LncveffDD2MZI MZI 复用器复用器/ /解复用器解复用器

48、逆向，复用逆向，复用2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping135DDD2221effncLL1322LncLeffDDDMZI MZI 复用器复用器/ /解复用器解复用器 四端口四端口是总级数级第nnjncLeffjnj,2DD2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping136光栅具有特殊性质：与波长相关的反射特性，这可以使用光栅光栅具有特殊性质：与波长相关的反射特性，这可以使用光栅方程描述：方程描述：不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们在空间上被分开。不同波长的光具有不同的衍射角，因此它们在空间上被分开。mdisinsinmidsinarcsin光

49、栅：材料中的周期性扰动。光栅：材料中的周期性扰动。（三）光栅型（三）光栅型 WDMWDM2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping137（三）光栅型（三）光栅型 WDMWDM（a）普通透镜）普通透镜WDM（b）棒透镜）棒透镜WDM 体型光栅体型光栅 WDMWDM2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping138光纤光栅光纤光栅 - - 制作制作紫外掩模写入法：紫外掩模写入法：1. 1. 用两束紫外光照射光纤并发生干涉用两束紫外光照射光纤并发生干涉2. 2. 掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加3. 3. 光栅永久写入光纤

50、光栅永久写入光纤（三）光栅型（三）光栅型 WDMWDM2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping139光纤光栅光纤光栅 - - 原理原理 1 1 2 2 n 2 2 n 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11（三）光栅型（三）光栅型 WDMWDM2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping140光纤光栅光纤光栅 - - 应用应用 光滤波器光滤波器 OADM OADM 色散补偿器色散补偿器 传感器：对温度敏感，随温度变化中心波长发生改变传感器：对温度敏感，随温度变化中心波长发生改变 （温度（温度6 6度的变化导致度的变化导致0.6 nm0.6 nm

51、的中心波长的漂移）的中心波长的漂移）窄带滤波器窄带滤波器Dt2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping141 N NN N 平面阵列波导光栅平面阵列波导光栅(AWG) WDM(AWG) WDM相邻波导相邻波导长度差长度差D DL阵列波导光栅阵列波导光栅AWG是是MZI的扩展的扩展（三）光栅型（三）光栅型 WDMWDM2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping142AWG AWG 工作原理工作原理mkdnLknLndnkoutcwwkinijk,.,1 , 02c+D+pxdLf2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping143AWG AWG 应用应用1. 1. 复用复用/ /解复用器解复用器2. 2. 波长路由选择开关波长路由选择开关 2022-3-7安工大数理安工大数理 Zhou Wenping144性能指标：性能指标：n插入损耗插入损耗n通道带宽通道带宽n串音（隔离度）：串音（隔离度）：n窄谱线光源，隔离度一般较大，可忽略不计。窄谱线光源，隔离度一般较大，可忽略不计。n宽谱线光源，隔离度不足，引起串话。宽谱线光源，隔离度不足，引起串话。4.5.7 波分复用波分复用