光纤第三章-2概要课件

1、3.2 光 检 测 器 在光纤传输线路的输出端，必须有一个能够转换光信号的接收装置即光接收机。接收机的首要部件就是光探测器（光检测器）。光探测器能检测出入射在其面上的光功率，并把这个光功率的变化转换为相应的电流。由于光信号在光纤中传输时会有损耗和失真，所以对光检测器的性能要求很高。3.2 光 检 测 器 在光纤传输线路的输出端，必须有一个3.2 光 检 测 器光探测器主要有以下几种不同的类型：光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器等。在半导体光探测器中，光电二极管体积小，灵活度高，响应速度快，在光纤通信系统中得到了广泛的应用。常用的光电二极管有两种类型，即 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管(

2、APD)。3.2 光 检 测 器光探测器主要有以下几种不同的类型：光PIN光电二极管及其工作原理3.2.1雪崩光电二极管（APD）3.2.2光电二极管一般性能和应用3.1.33.2 光 检 测 器PIN光电二极管及其工作原理3.2.1雪崩光电二极管（APD3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理1工作原理光电二极管是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，其工作原理可用光电效应来解释，如图所示。 光电二极管工作原理3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理1工作原理3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理反向偏压使PN结加宽，空间电荷区的载流子基本耗尽了。光入射到PN结上，如果光子能量hf大于半导体

3、材料的禁带宽度 ，价带上电子可以吸收光子而跃迁到导带产生电子-空穴对。若电子-空穴对在耗尽层内产生，在电场作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，形成光生电流。当入射光功率变化时，光生电流随之线性变化，从而把光信号转化成电流信号。 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理反向偏压使PN结加3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理然而，当入射光子能量小于 时，无论入射光多么强，光电效应都不会发生，也就是说，发生光电效应必须满足 hf。因此，任何半导体材料制作的光电二极管都有上限截止波长 ，其表示式为 (5.1)对于材料Si ， ；对于材料Ge， 。光电二极管除了具有上限截止波长外，当入射波长太短

4、时，材料的吸收系数变得很大，光电转换效率也会大幅度下降。3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理然而，当入射光子能3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理2光电转换效率常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。入射光在光电二极管的表面有反射，设入射表面的反射率为R，当入射光功率为P时，光生电流可以表示为 式中， 是零电场表面层厚度； 是耗尽区的厚度； 是吸收系数。3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理2光电转换效率3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理量子效率定义为 R 也可以用响应度来表示： (A/W)3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理量子效率定义为3.2.1 PIN 光电二极管的工

5、作原理要得到高的量子效率，必须采取如下措施：(1) 减小入射表面的反射率；(2) 尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽层的宽度。因此，为了得到高的量子效率，常采用 PIN 结构，如图所示。 PIN 光电二极管3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理要得到高的量子效率3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理I 区是一层接近本征的掺杂很低的N 区，在这种结构中，零电场区（ 区和 区）非常薄，而低掺杂的 I 区很厚，耗尽层几乎占据了整个PN 结，从而使光子在耗尽区被充分吸收。对于 InGaAs 材料的光电二极管，往往还采用异质结结构，耗尽区( InGaAs )夹在宽带隙的 InP 材料之间，

6、而InP 对于入射光几乎是透明的。3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理I 区是一层接近本3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理如图给出了几种不同材料PIN 光电二极管的响应度和量子效率。 几种不同材料 PIN 光电二极管的响应度和量子效率3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理如图给出了几种不同3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理3响应速度响应速度通常用响应时间（上升时间r和下降时间f）来表示。影响响应速度的主要因素有 (1) 光电二极管等效电路的 RC时间常数图5.4 光电二极管的等效电路3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理3响应速度3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理(2

7、) 载流子在耗尽区的渡越时间(3) 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 图5.5 结电容、耗尽区宽度以及零电场区对输出脉冲的影响4暗电流 暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。 Si 的光电二极管可小于1 nA，Ge 的光电二极管的暗电流通常几百纳安。3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理(2) 载流子在耗3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理5. 噪声 噪声是反映光电二极管特性的重要参数，它直接影响光接收机的灵敏度。主要包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理5. 噪声3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 1工作原理

8、与光电二极管不同，雪崩光电二极管能承受高的反向偏压。在PN结内部形成一个高电场区，光生的电子或空穴经过高场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发新的电子-空穴对，这个过程称为碰撞电离。通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。新生的电子-空穴对在高场区内再被加速，又可能碰撞新的原子，这样多次碰撞电离的结果是载流子浓度增加，反向电流增大，称为雪崩增益。3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 1工作原理3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 2APD的结构 在 850 nm，常用的APD有保护环形( GAPD )和拉通型( RAPD )两种。

9、 下图是拉通型APD的结构和内部场强分布示意图。 RAPD的结构和内部场强分布示意图3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 2APD的结构3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 当偏压加大到某一值后，耗尽层拉通到 区（本征区）（少量P 掺杂），一直抵达 接触层，此后若电压再增加，电场增量就在P区和 区分布，高场区电场随电压变化相对缓慢，G-V 曲线的非线性有所改善。最后给出一些光探测器的性能参数，参见下表。3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 表1 Si, Ge, InGaAs PIN光电二极管的通用工作特性参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm40

10、01000800165011001700响应度 RA/W0.40.60.40.50.750.95暗电流InnA110505000.52.0上升时间ns0.51.00.10.50.050.5带宽 BGHz0.30.70.53.01.02.0偏压VBV551053.2.2 雪崩光电二极管(APD) 参数符号单位3.2.2 雪崩光电二极管(APD)表2 Si, Ge, InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm4001000800165011001700雪崩增益 G-20400502001040暗电流IDnA0.11505001050上升时间ns0.12

11、0.50.80.10.5增益带宽积 GBGHz10040021020250偏压VBV150400204020303.2.2 雪崩光电二极管(APD)表2 Si, Ge,3.2.2 雪崩光电二极管(APD)3APD的平均雪崩增益（倍增因子）雪崩过程是一个复杂的随机过程，只能以APD的平均雪崩增益（APD输出光电流I0和一次光生电流Ip的比值）来表示APD增益的大小：式中，V是反向偏压； 是反向击穿电压；m 是APD结构和材料决定的参量。3.2.2 雪崩光电二极管(APD)3APD的平均雪崩增3.2.2 雪崩光电二极管(APD)雪崩增益随反向偏压变化的非线性十分突出，如图所示。要得到足够的增益，必

12、须在接近击穿电压下工作，而击穿电压对温度很敏感。 APD的平均雪崩增益3.2.2 雪崩光电二极管(APD)雪崩增益随反向偏压变化3.2.2 雪崩光电二极管(APD)4噪声特性APD中的噪声除了量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声之外，还有附加的倍增噪声。雪崩倍增效应不仅对信号电流有放大作用，对噪声电流也有放大作用。雪崩过程产生的载流子是随机的，也会引入新的噪声成分。用附加噪声因子描述雪崩效应的随机性引起的噪声增加的倍数。 x为附加噪声指数。Si：x=1.3-0.5；Ge：x=0.6-1.0；InGaAsP：x=0.5-0.73.2.2 雪崩光电二极管(APD)4噪声特性 APD是有增益的光电二极管

13、，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。InGaAs PIN用于长波长(1.31m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。表3和表4列出半导体光电二极管(PIN和APD)的一般性能。 3.2.3 光电二极管一般性能和应用 APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度3

14、.2.3 光电二极管一般性能和应用表3 PIN光电二极管一般性能3.2.3 光电二极管一般性能和应用表3 PIN光电二3.2.3 光电二极管一般性能和应用3.2.3 光电二极管一般性能和应用 这种组件已经得到广泛应用。新近研究的InGaAs APD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。 3.2.3 光电二极管一般性能和应用 这种组件已经得到广泛应用。新近研究的InGa光纤第三章-2概要课件3.3 光无源器件 为了实现光信号从发射极值接收机的传输，在整个光纤的传输线路上既需要解决由光线损耗、色散

15、及非线性引起的信号衰减和畸变等问题，还需要解决信号的调制、信号的选路、线路的连接、光功率的分配、光功率的控制、杂散光的隔离等一系列工程实际问题。 在光纤传输线路中，有一类本身不发生光电火电光转换的传输器件，称之为光无源器件3.3 光无源器件 为了实现光信号从发射极值3.3 光无源器件 常见的光无源器件 光隔离器、光环行器、光耦合器、光纤连接器、光调制器、光开关等 光无源器件的功能主要是：连接、导向光路；分配、融合光能量；合波和分波等 3.3 光无源器件 常见的光无源器件 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

16、器件之间的连接。 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。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3.3.1 连接器和接头光纤连接器一般性能3.3.1 连接器和接头光纤连接器一般性能 套管结构连接器简图 如图所示，精密套管结构的连接器包括用于对中的套管、带有微孔的插针和

17、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1m以内，轴线倾角小于0.5。3.3.1 连接器和接头 套管结构连接器简图 如图所示，精密套普通的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ZrO2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。 套管结构连接器

18、简图 3.3.1 连接器和接头普通的FC型连接器，光纤端面为平面。对于高反射损耗的连接器， 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。 3.3.1 连接器和接头 一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度 耦合器是能使光信号在特殊结构的耦合区

19、发生耦合，并进行光功率再分配的器件。其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，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。 3.3.2 光耦合器 耦合器是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合1. 耦合器类型T形耦合器 这是一种22的3端耦合器， 如图所示， 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。主要用作不同分路比的功率分配器或功率组合器。3.3.2 光耦合器1. 耦合器类型3.3.2 光耦合器星形耦

20、合器 这是一种nm耦合器，如图所示，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。 3.3.2 光耦合器星形耦合器 3.3.2 光耦合器定向耦合器 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。如图所示，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。 3.3.2 光耦合器定向耦合器3.3.2 光耦合器波分复用器/解复用器（合波器/分波器） 这是一种与波长有关的耦合器，如图所示。波分复用器的

21、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。 3.3.2 光耦合器波分复用器/解复用器（合波器/分波器）3.3.2 光耦合器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，3.3.2 光耦合器光纤型 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。2. 基本结构3.3.2 光耦合器光纤型 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

22、耦合器 3.3.2 光耦合器 光纤型耦合器3.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。 3.3.2 光耦合器微器件型3.3.2 光耦合器微器件型耦合器(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3.3.2 光耦合器微器件型耦合器3.3.2 光耦合器波导型 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。如图示出

23、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。 3.3.2 光耦合器波导型3.3.2 光耦合器 波导型耦合器3.3.2 光耦合器 波导型耦合器3.3.2 光耦合器3.描述光耦合器特性的一些技术参数3.3.2 光耦合器耦合比CR 是一个指定输出的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用%表示 则定义功率分路损耗3.描述光耦合器特性的一些技术参数3.3.2 光耦合器耦合3.3.2 光耦合器附加损耗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3.3.2 光耦合器附加损耗Le3.3.2 光耦合

24、器插入损耗Lt 是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出的光功率Poc的比值，用分贝表示插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且与耦合比有很大的关系。3.3.2 光耦合器插入损耗Lt插入损耗是各输出端口的输出功3.3.2 光耦合器方向性DIR（隔离度） 是一个指定输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其他端的光功率Pt的比值，用分贝表示方向性是光耦合器特有的技术指标, 是衡量器件定向传输特性的参数。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。 3.3.2 光耦合器方向性DIR（隔离度）方向性是光耦合器特3.3.2 光耦合器3.3.2 光耦合器

25、3.3.2 光耦合器3.3.2 光耦合器 光隔离器是一种只允许光波沿一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输的器件。 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1dB，隔离度的典型值的大致范围为4050dB。 3.3.3 光隔离器 光隔离器是一种只允许光波沿一个方向上传输，光纤准直器(Optical fiber Collimator) 光纤准直器由自聚焦透镜和单模光纤组成，对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高

26、光纤之间的耦合效率。法拉第旋转器(Faraday Rotator) 1845年法拉第发现，原来不具有旋光性的物质在磁场作用下，偏振光通过该物质时其偏振面将发生旋转，旋转角度为 ，其中，V为Verdet常数；L为光在介质中的传输距离；B为磁感应强度。3.3.3 光隔离器1. 光隔离器中使用的光学元件光纤准直器(Optical fiber Collimator偏振器(Polarizator) 双折射晶体被加工成楔形，入射光沿非光轴方向入射，出射光分为偏振方向正交的两束线偏光o 光和e 光。 薄膜起偏分束器是由人造各向异性介质制作的，其结构如图所示。两种电介质材料周期性层叠，厚度周期小于波长。 o 光和e光的分离角度由两种材料的折射率、厚度、以及入射角度决定。3.3.3 光隔离器偏振器(Polarizator)3.3.3 光隔离器 线栅起偏器由金属和电介质周期交替层叠构成，如图所示。光穿过线栅时，偏振与线栅方向平行的线偏光被吸收，垂直线栅方向的线偏光损耗很小，输出线偏光。 特种光纤 磁敏光纤在制造中掺入稀土元素，具有良好的透光性和法拉第旋光性。 3.3.3 光隔离器 线栅起偏器由金属和电介质周期3.3.3 光隔离