光纤通信课件第3章.ppt

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1、 光纤通信光纤通信1第第3章章 通信用光器件通信用光器件 光纤通信光纤通信2本章内容、重点和难点本章内容、重点和难点本章内容、重点和难点本章内容、重点和难点本章内容本章内容 光源:半导体激光器和发光二极管。光源:半导体激光器和发光二极管。光电检测器:光电检测器:PIN和和APD光电二极管。光电二极管。无源光器件:光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。无源光器件:光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。本章重点本章重点 激光器的工作原理。激光器的工作原理。光源和光电检测器工作原理及其工作特性。光源和光电检测器工作原理及其工作特性。无源光器件的功能及主要性能。无源光器件的功能及主要性能。本章难点

2、本章难点 发光机理。发光机理。第3章 通信用光器件 光纤通信光纤通信3学习本章目的和要求学习本章目的和要求学习本章目的和要求学习本章目的和要求 了解半导体激光器的物理基础。了解半导体激光器的物理基础。掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。熟悉光源的驱动电路工作原理。熟悉光源的驱动电路工作原理。掌握光电检测器的工作原理及特性。掌握光电检测器的工作原理及特性。掌握无源光器件的功能及主要性能。掌握无源光器件的功能及主要性能。第3章 通信用光器件 光纤通信光纤通信43.1 光源光源 光源器件:光纤通信设备的核心,其作用是将电信号转换光源器件

3、:光纤通信设备的核心,其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。成光信号送入光纤。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。二极管两种。半导体激光器(半导体激光器(LD):适用于长距离大容量的光纤通信系):适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器,在高速率、大容量的数字光统。尤其是单纵模半导体激光器,在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。纤通信系统中得到广泛应用。发光二极管(发光二极管(LED):适用于短距离、低码速的数字光纤):适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统,或者是模拟光纤通信系统。其制造

4、工艺简单、成本通信系统,或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。低、可靠性好。光纤通信光纤通信53.1.1 激光器的工作原激光器的工作原理理 半导体激光器:半导体激光器:是向半导体是向半导体P-N结注入电流,实现粒子数结注入电流,实现粒子数反转分布,产生受激辐射,再利用谐振腔的正反馈,实现光放反转分布,产生受激辐射,再利用谐振腔的正反馈,实现光放大而产生激光振荡输出激光。大而产生激光振荡输出激光。1激光器的物理基础激光器的物理基础 (1)光子的概念)光子的概念 光量子学说认为,光是由能量为光量子学说认为,光是由能量为hf 的光量子组成的,其中的光量子组成的,其中h=6.628

5、1034 Js(焦耳(焦耳秒),称为普朗克常数,秒),称为普朗克常数,f 是光波是光波频率,人们将这些光量子称为光子。频率,人们将这些光量子称为光子。当光与物质相互作用时,光子的能量作为一个整体被吸收或当光与物质相互作用时,光子的能量作为一个整体被吸收或发射。发射。光纤通信光纤通信63.1.1 激光器的工作原激光器的工作原理理 (2)原子能级)原子能级 物质是由原子组成,而原子是由原子核和核外电子构成。原子物质是由原子组成,而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。有不同稳定状态的能级。最低的能级最低的能级E1 称为基态,能量比基态大的所有其他能级称为基态,能量比基态大的所有其

6、他能级E i(i=2,3,4,)都称为激发态。当电子从较高能级)都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较跃迁至较低能级低能级E1时,其能级间的能量差为时,其能级间的能量差为E=E2E1,并以光子的形式,并以光子的形式释放出来,这个能量差与辐射光的频率释放出来,这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式之间有以下关系式 式中,式中,h为普朗克常数,为普朗克常数,f 12 为吸收或辐射的光子频率。为吸收或辐射的光子频率。当处于低能级当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量的电子受到一个光子能量E=hf12的光照射时,的光照射时,该能量被吸收,使原子中的电子激发到较高的能级该能量被吸收,使原

7、子中的电子激发到较高的能级E2 上去。上去。光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。光纤通信光纤通信73.1.1 激光器的工作原激光器的工作原理理 (3)光与物质的三种作用形式)光与物质的三种作用形式 光与物质的相互作用,可以归结为光与原子的相互作用,将发光与物质的相互作用,可以归结为光与原子的相互作用,将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图3-1所示。所示。图3-1 能级和电子跃迁 光纤通信光纤通信83.1.1 激光器的工作原激光器的工作原理理 在正常状态下,电子通常

8、处于低能级(即基态)在正常状态下,电子通常处于低能级(即基态)E1,在入射,在入射光的作用下,电子吸收光子的能量后跃迁到高能级(即激发态)光的作用下,电子吸收光子的能量后跃迁到高能级(即激发态)E2,产生光电流,这种跃迁称为受激吸收,产生光电流,这种跃迁称为受激吸收光电检测器。光电检测器。处于高能级处于高能级E2 上的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,上的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,也会自发地跃迁到低能级也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合,释放的能量转换为光上与空穴复合,释放的能量转换为光子辐射出去,这种跃迁称为自发辐射子辐射出去,这种跃迁称为自发辐射发光二极管。发光二极管。在

9、高能级在高能级E2上的电子,受到能量为上的电子,受到能量为hf12的外来光子激发时,的外来光子激发时,使电子被迫跃迁到低能级使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合,同时释放出一个与激上与空穴复合,同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子(称为全同光子)。由于这光发光同频率、同相位、同方向的光子(称为全同光子)。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的,所以这种跃迁称为受激辐射个过程是在外来光子的激发下产生的,所以这种跃迁称为受激辐射激光器。激光器。注:受激辐射光为相干光,自发辐射光是非相干光。注:受激辐射光为相干光,自发辐射光是非相干光。光纤通信光纤通信93.1.1 激光器的工作原

10、激光器的工作原理理 (4)粒子数反转分布与光的放大)粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。受激辐射是产生激光的关键。如设低能级上的粒子密度为如设低能级上的粒子密度为N1,高能级上的粒子密度为,高能级上的粒子密度为N2,在,在正常状态下,正常状态下,N1 N2,总是受激吸收大于受激辐射。即在热平,总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下,物质不可能有光的放大作用。衡条件下,物质不可能有光的放大作用。要想物质产生光的放大,就必须使受激辐射大于受激吸收,即要想物质产生光的放大,就必须使受激辐射大于受激吸收,即使使N2 N1(高能级上的电子数多于低能级上的电子数),这种(高能级上的电子

11、数多于低能级上的电子数),这种粒子数的反常态分布称为粒子(电子)数反转分布。粒子数的反常态分布称为粒子(电子)数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。光纤通信光纤通信103.1.1 激光器的工作原激光器的工作原理理 2激光器的工作原理激光器的工作原理 激光器包括以下激光器包括以下3个部分:个部分:必须有产生激光的必须有产生激光的工作物质工作物质(激活物质);(激活物质);必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源激励源(泵浦源);(泵浦源);必须有能够完成频率选择

12、及反馈作用的必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔光学谐振腔。(1)产生激光的工作物质)产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质,称为激活物质或增益即处于粒子数反转分布状态的工作物质,称为激活物质或增益物质,它是产生激光的必要条件。物质,它是产生激光的必要条件。光纤通信光纤通信113.1.1 激光器的工作原激光器的工作原理理 (2)泵浦源)泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源,称为泵浦源。使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源,称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下,使得物质在泵浦源的作用下,使得N2N1,从而受激辐射大于受,从而受激辐射大于受激吸收,有光的放大作用

13、。这时的工作物质已被激活,成为激活物激吸收,有光的放大作用。这时的工作物质已被激活,成为激活物质或增益物质。质或增益物质。(3)光学谐振腔)光学谐振腔 激活物质只能使光放大,只有把激活物质置于光学谐振腔中,以激活物质只能使光放大,只有把激活物质置于光学谐振腔中,以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择,才能获得连续的光提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择,才能获得连续的光放大和激光振荡输出。放大和激光振荡输出。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。光纤通信光纤通信123.1.1 激光器的工作原激光器的工作原理理图3-2 光学谐振腔的结

14、构 光学谐振腔的结构光学谐振腔的结构 在激活物质的两端的适当位置,放置两个反射系数分别为在激活物质的两端的适当位置,放置两个反射系数分别为r1和和r2的平行反射镜的平行反射镜M1和和M2,就构成了最简单的光学谐振腔。,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,如图称为球面腔,如图3-2所示。对于两个反射镜,要求其中一个能所示。对于两个反射镜,要求其中一个能全反射,另一个为部分反射。全反射,另一个为部分反射。光纤通信光纤通信133.1.1 激光器的工作原激光器的工作原理理 谐振腔产生激光振荡

15、过程谐振腔产生激光振荡过程 图3-3 激光器示意图 光纤通信光纤通信143.1.2 半导体激光器半导体激光器 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),对),对LD的要求如下。的要求如下。光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口(即、和)光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口(即、和)。能够在室温下长时间连续工作,并能提供足够的光输出功率。能够在室温下长时间连续工作,并能提供足够的光输出功率。目前目前LD的尾纤输出功率可达的尾纤输出功率可达500W2mW;LED的尾纤输出功的尾纤输出功率可达率可达10W左右。左右。与

16、光纤耦合效率高。与光纤耦合效率高。光源的谱线宽度要窄。较好的光源的谱线宽度要窄。较好的LD的谱线宽度可达到。的谱线宽度可达到。寿命长,工作稳定。寿命长,工作稳定。光纤通信光纤通信153.1.2 半导体激光器半导体激光器 (1)阈值特性)阈值特性 对于对于LD,当外加正向电流达到某一数值时,输出光功率急,当外加正向电流达到某一数值时,输出光功率急剧增加,这时将产生激光振荡,这个电流称为阈值电流,用剧增加,这时将产生激光振荡,这个电流称为阈值电流,用Ith 表示。如图表示。如图3-6所示。阈值电流越小越好。所示。阈值电流越小越好。图3-6 典型半导体激光器的输出特性曲线 光纤通信光纤通信163.1

17、.2 半导体激光器半导体激光器 (2)光谱特性)光谱特性 LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当的光谱随着激励电流的变化而变化。当IIth时,发出的是时,发出的是荧光,光谱很宽,如图荧光,光谱很宽,如图3-7(a)所示。当)所示。当I Ith后,发射光谱突后,发射光谱突然变窄,谱线中心强度急剧增加,表明发出激光,如图然变窄,谱线中心强度急剧增加,表明发出激光,如图3-7(b)所示。所示。图3-7 GaAlAs-GaAs激光器的光谱 光纤通信光纤通信173.1.2 半导体激光器半导体激光器 随着驱动电流的增加,纵模模数逐渐减少,谱线宽度变窄。当随着驱动电流的增加,纵模模数逐渐减少,谱线宽度变窄。

18、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。模激光器。普通激光器工作在直流或低码速情况下,它具有良好的单纵模普通激光器工作在直流或低码速情况下,它具有良好的单纵模谱线,所对应的光谱只有一根谱线,如图谱线,所对应的光谱只有一根谱线,如图3-8(a)所示。而在高)所示。而在高码速调制情况下,其线谱呈现多纵模谱线。如图码速调制情况下,其线谱呈现多纵模谱线。如图3-8(b)所示。)所示。一般,用一般,用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器,谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器,要得到高速数字调制的

19、动态单纵模激光器,必须改变激光器的结构,要得到高速数字调制的动态单纵模激光器,必须改变激光器的结构,例如分布反馈半导体激光器(例如分布反馈半导体激光器(DFB-LD)。)。光纤通信光纤通信183.1.2 半导体激光器半导体激光器图3-8 GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱 光纤通信光纤通信193.1.2 半导体激光器半导体激光器 (3)温度特性)温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大,其变化情况如图阈值电流随温度的升高而加大,其变化情况如图3-9所示。所示。图3-9 激光器阈值电流

20、随温度变化的曲线 光纤通信光纤通信203.1.3 发光二极管发光二极管 1LED的工作原理的工作原理 发光二极管(发光二极管(LED)是非相干光源,是无阈值器件,它的基本)是非相干光源,是无阈值器件,它的基本工作原理是自发辐射。工作原理是自发辐射。发光二极管与半导体激光器差别是:发光二极管没有光学谐振发光二极管与半导体激光器差别是:发光二极管没有光学谐振腔,不能形成激光。仅限于自发辐射,所发出的是荧光,是非相干腔,不能形成激光。仅限于自发辐射,所发出的是荧光,是非相干光。半导体激光器是受激辐射,发出的是相干光。光。半导体激光器是受激辐射,发出的是相干光。光纤通信光纤通信213.1.3 发光二极

21、管发光二极管 2LED的结构的结构 LED也多采用双异质结芯片,不同的是也多采用双异质结芯片,不同的是LED没有解理面,即没没有解理面,即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡,所以没有阈值。有光学谐振腔。由于不是激光振荡,所以没有阈值。LED分为两大类:一类是面发光型分为两大类:一类是面发光型LED,另一类是边发光型,另一类是边发光型LED,其结构示意图如图,其结构示意图如图3-12所示。所示。图3-12 常用的两类发光二极管(LED)光纤通信光纤通信223.1.3 发光二极管发光二极管 3LED的工作特性的工作特性 (1)光谱特性)光谱特性 LED谱线宽度谱线宽度比激光器宽得多。图比激光器宽得多

22、。图3-13是是InGaAsP LED的的输出光谱。输出光谱。图3-13 InGaAsP LED的发光光谱 光纤通信光纤通信233.1.3 发光二极管发光二极管 (2)输出光功率特性)输出光功率特性 两种类型的两种类型的LED输出光功率特性如图输出光功率特性如图3-14所示。驱动电流所示。驱动电流I 较较小时,小时,P I 曲线的线性较好;当曲线的线性较好;当I 过大时,由于过大时,由于P-N结发热而产生结发热而产生饱和现象,使饱和现象,使P I 曲线的斜率减小。曲线的斜率减小。图3-14 发光二极管(LED)的P I 特性 光纤通信光纤通信243.1.3 发光二极管发光二极管 (3)温度特性

23、)温度特性 由于由于LED是无阈值器件,因此温度特性较好。是无阈值器件,因此温度特性较好。(4)耦合效率)耦合效率 由于由于LED发射出的光束的发散角较大,因此与光纤的耦合效率较发射出的光束的发散角较大,因此与光纤的耦合效率较低。一般只适于短距离传输。低。一般只适于短距离传输。光纤通信光纤通信253.1.4 半导体光源的应半导体光源的应用用 LED通常和多模光纤耦合,用于或波长的小容量、短距离的光通常和多模光纤耦合,用于或波长的小容量、短距离的光通信系统。通信系统。LD通常和单模光纤耦合,用于或大容量、长距离光通信系统。通常和单模光纤耦合,用于或大容量、长距离光通信系统。分布反馈半导体激光器(

24、分布反馈半导体激光器(DFB-LD)主要也和单模光纤或特殊)主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合,用于超大容量的新型光纤系统,这是目前光设计的单模光纤耦合,用于超大容量的新型光纤系统,这是目前光纤通信发展的主要趋势。纤通信发展的主要趋势。光纤通信光纤通信263.2 光电检测器光电检测器 光电检测器完成光光电检测器完成光/电信号的转换。对光检测器的基本要求是:电信号的转换。对光检测器的基本要求是: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;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

25、适用于高速或宽带系统;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。具有较小的体积、较长的工作寿命等。目前常用的半导体光电检测器有两种,目前常用的半导体光电检测器有两种,PIN光电二极管和光电二极管和APD雪雪崩光电二极管。崩光电二极管。光纤通信光纤通信273.2.1 光电检测器的工作原理光电检测器的工作原理 光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换的。光电

26、检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换的。光电效应如图光电效应如图3-15(a)和()和(b)所示。)所示。当入射光子能量当入射光子能量hf 小于禁带宽度小于禁带宽度Eg时,不论入射光有多强,光电时,不论入射光有多强,光电效应也不会发生,即产生光电效应必须满足以下条件效应也不会发生,即产生光电效应必须满足以下条件 hf Eg (3-9)即光频即光频fc 的入射光是不能产生光电效应的,将的入射光是不能产生光电效应的,将fc 转换为转换为波长,则波长,则 c=。即只有波长。即只有波长 c 的入射光,才能使这种材的入射光,才能使这种材料产生光生载流子,故料产生光生载流子,故c 为产生光电效应的

27、入射光的最大波长,又为产生光电效应的入射光的最大波长,又称为截至波长,相应的称为截至波长,相应的fc 称为截至频率。称为截至频率。光纤通信光纤通信283.2.1 光电检测器的工作原理光电检测器的工作原理图3-15 半导体材料的光电效应 光纤通信光纤通信293.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 雪崩光电二极管,又称雪崩光电二极管,又称APD(Avalanche Photo Diode)。)。它不但具有光它不但具有光/电转换作用,而且具有内部放大作用,其放大作用电转换作用,而且具有内部放大作用,其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。1APD的雪崩效应的雪

28、崩效应 APD的雪崩倍增效应,是在二极管的的雪崩倍增效应,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;新产生的电子空穴对空穴对在强电场中又被加速,再次碰撞,又激发出新的电子在强电场中又被加速,再次碰撞,又激发出新的电子空穴对空穴对如此循环下去,形成雪崩效应,使光电流在管

29、子内部获得了倍增。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。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。光纤通信光纤通信303.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管图3-17 RAPD的结构图和能带示意图 光纤通信光纤通信313.2.4 光电检测器的特性光电检测器的特性 2APD的特性的特性 APD除了除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。(1)倍增因子)倍增因子 倍增因子倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响的条件下,实际上是电流增益系数。在忽略

30、暗电流影响的条件下,它定义为它定义为 g=I0/Ip (3-13)I0为有雪崩倍增时光电流平均值,为有雪崩倍增时光电流平均值,Ip为无倍增效应时光电流平为无倍增效应时光电流平均值。均值。PIN管由于无雪崩倍增作用,所以管由于无雪崩倍增作用,所以g=1。(2)温度特性)温度特性 随着温度的升高,倍增增益将下降。随着温度的升高,倍增增益将下降。光纤通信光纤通信323.3 无源光器件无源光器件 无源光器件是除光源器件、光检波器件之外不需要电源的光通无源光器件是除光源器件、光检波器件之外不需要电源的光通路部件。路部件。无源光器件可分为连接用的部件和功能性部件两大类。无源光器件可分为连接用的部件和功能性

31、部件两大类。连接用的部件有各种光连接器,用做光纤和光纤、部件(设备)连接用的部件有各种光连接器,用做光纤和光纤、部件(设备)和光纤、或部件(设备)和部件(设备)的连接。和光纤、或部件(设备)和部件(设备)的连接。功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光开关和光隔离器等,用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。开关和光隔离器等,用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。光纤通信光纤通信333.3.1 光纤连接器光纤连接器 光纤连接器,俗称活接头,光纤连接器,俗称活接头,ITU-T建议将其定义为建议将其定义为“用以稳定用以稳定地,但并不

32、是永久地连接两根或多根光纤的无源组件地,但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。(1)光纤连接器的基本构成)光纤连接器的基本构成 由三个部分组成的:两个配合插头和一个耦合管。两个插头装由三个部分组成的:两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端;耦合管起对准套管的作用。如图进两根光纤尾端;耦合管起对准套管的作用。如图3-19所示。所示。图3-19 光纤活动连接器基本结构 光纤通信光纤通信34

33、3.3.1 光纤连接器光纤连接器 (3)光纤连接器的性能)光纤连接器的性能 插入损耗(介入损耗),该值越小越好。平均损耗值应不大插入损耗(介入损耗),该值越小越好。平均损耗值应不大于。于。回波损耗(或称反射损耗、回损、回程损耗),是衡量从连回波损耗(或称反射损耗、回损、回程损耗),是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个度量值,该接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个度量值,该值越大越好。其典型值应不小于值越大越好。其典型值应不小于25dB。光纤通信光纤通信353.3.1 光纤连接器光纤连接器 (4)固定连接)固定连接 光纤与光纤的连接有两种,活动连接和永久性连接。

34、以上介绍了光纤与光纤的连接有两种,活动连接和永久性连接。以上介绍了活动连接。永久性连接有粘接法和熔接法,目前多用熔接法。活动连接。永久性连接有粘接法和熔接法,目前多用熔接法。(5)部分常见光纤连接器)部分常见光纤连接器 SC型。其结构尺寸与型。其结构尺寸与FC型相同,端面处理采用拱型凸面或型相同,端面处理采用拱型凸面或PC研磨方式。研磨方式。FC型。其接头的对接方式为平面对接。型。其接头的对接方式为平面对接。LC型。型。MU型。型。光纤通信光纤通信36FC型光纤连接器型光纤连接器 光纤通信光纤通信37光纤连接器光纤连接器连接器型号连接器型号描述描述外形图外形图连接器型号连接器型号描述描述外形图

35、外形图FC/PC圆圆形形光光纤纤接接头头/微微凸凸球球面面研研磨抛光磨抛光FC/APC圆圆形形光光纤纤接接头头/面面呈呈8角角并并作作微微凸凸球球面面研研磨磨抛光抛光SC/PC方方形形光光纤纤接接头头/微微凸凸球球面面研研磨抛光磨抛光SC/APC方方形形光光纤纤接接头头/面面呈呈8角角并并作作微微凸凸球球面面研研磨磨抛光抛光ST/PC卡卡接接式式圆圆形形光光纤纤接接头头/微微凸凸球面研磨抛光球面研磨抛光ST/APC卡卡接接式式圆圆形形光光纤纤接接头头/面面呈呈8角角并并作作微微凸凸球球面研磨抛光面研磨抛光MT-RJ机机械械式式转转换换-标准插座标准插座 光纤通信光纤通信383.3.2 光衰减器

36、光衰减器 光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源光器件。光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源光器件。光衰减器主要用于调整中继段的线路衰减,测量光系统的灵敏度光衰减器主要用于调整中继段的线路衰减,测量光系统的灵敏度及校正光功率计等。光衰减器分固定衰减器和可变衰减器两种。及校正光功率计等。光衰减器分固定衰减器和可变衰减器两种。(1)固定衰减器,其造成的功率衰减值是固定不变的,一般用)固定衰减器,其造成的功率衰减值是固定不变的,一般用于调节传输线路中某一区间的损耗。于调节传输线路中某一区间的损耗。(2)可变衰减器,它所造成的功率衰减值可在一定范围内调节。)可变衰减器,它所造成的

37、功率衰减值可在一定范围内调节。可变衰减器又分为连续可变和分挡可变两种。可变衰减器又分为连续可变和分挡可变两种。光纤通信光纤通信393.3.3 光分路耦合器光分路耦合器 光分路耦合器是分路和耦合光信号的器件。光分路耦合器是分路和耦合光信号的器件。功能是把一个输入功能是把一个输入的光信号分配给多个输出(分路),或把多个输入的光信号组合成的光信号分配给多个输出(分路),或把多个输入的光信号组合成一个输出(耦合)。一个输出(耦合)。光纤通信光纤通信403.3.3 光分路耦合器光分路耦合器图3-20 常用耦合器的类型 光纤通信光纤通信413.3.3 光分路耦合器光分路耦合器 2主要性能指标主要性能指标

38、表示光纤耦合器性能指标的参数有:隔离度、插入损耗和分光比表示光纤耦合器性能指标的参数有:隔离度、插入损耗和分光比等。下面以等。下面以22定向耦合器为例来说明。定向耦合器为例来说明。(1)隔离度)隔离度A 如图如图3-20(c)所示,由端)所示,由端1输入的光功率输入的光功率P1应从端应从端2和端和端3输输出,端出,端4理论上应无光功率输出。但实际上端理论上应无光功率输出。但实际上端4还是有少量光功率还是有少量光功率输出(输出(P4),其大小就表示了),其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度两个端口的隔离程度。隔离度A表示为表示为 (3-14)一般情况下,要求一般情况下,要求 。光纤通信

39、光纤通信423.3.3 光分路耦合器光分路耦合器 (2)插入损耗)插入损耗L 它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输出光功率之和它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比的分贝值,用与输入光功率之比的分贝值,用L表示为表示为 (3-15)一般情况下,要求一般情况下,要求L (3)分光比)分光比T 分光比等于两个输出端口的光功率之比,如从端分光比等于两个输出端口的光功率之比,如从端1输入光功率,输入光功率,则端则端2和端和端3分光比分光比 (3-16)一般情况下,定向耦合器的分光比为一般情况下,定向耦合器的分光比为11110。光纤通信光纤通信433.3.4 光

40、隔离器与光环形器光隔离器与光环形器 1光隔离器光隔离器 光隔离器是保证光波只能正向传输,避免线路中由于各种因素而光隔离器是保证光波只能正向传输,避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器而影响激光器的工作稳定性。产生的反射光再次进入激光器而影响激光器的工作稳定性。光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。2光环形器光环形器 光环形器与光隔离起工作原理基本相同,只是光隔离器一般为两光环形器与光隔离起工作原理基本相同,只是光隔离器一般为两端口器件,而光环形器则为多端口器件。如图端口器件,而光环形器则为多端口器件。如图3-21所示。所示。光环形器为双向通

41、信中的重要器件,它可以完成正反向传输光的光环形器为双向通信中的重要器件,它可以完成正反向传输光的分离任务。图分离任务。图3-22所示为光环形器用于单纤双向通信的例子。所示为光环形器用于单纤双向通信的例子。光纤通信光纤通信443.3.4 光隔离器与光环形器光隔离器与光环形器 图3-21 光环形器示意图图3-22 光环形器用于单纤双向通信示意图 光纤通信光纤通信453.3.5 波长转换器波长转换器 波长转换器:使信号从一个波长转换到另一个波长的器件。波长转换器:使信号从一个波长转换到另一个波长的器件。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波长转换器根据波长转换机理可分为光电型波长转

42、换器和全光型波长转换器。型波长转换器。(1)光电型波长转换器)光电型波长转换器 如图如图3-23所示。由于速度受电子器件限制,不适应高速大容量所示。由于速度受电子器件限制,不适应高速大容量光纤通信系统。光纤通信系统。图3-23 光电型波长转换器 光纤通信光纤通信463.3.5 波长转换器波长转换器 (2)全光型波长转换器)全光型波长转换器 其波长转换技术主要由半导体光放大器(其波长转换技术主要由半导体光放大器(SOA)构成,如图)构成,如图3-24所示。所示。波长为波长为1的光信号与需要转换为波长为的光信号与需要转换为波长为2的连续光信号同时送的连续光信号同时送入半导体光放大器,入半导体光放大

43、器,SOA对入射光功率存在增益饱和特性,结果使对入射光功率存在增益饱和特性,结果使得输入光信号所携带的信息转换到得输入光信号所携带的信息转换到2 上,通过滤波器取出上,通过滤波器取出2 光信光信号,即可实现从号,即可实现从1到到2 的全光波长转换。的全光波长转换。图3-24 全光型波长转换器 光纤通信光纤通信473.3.6 光开关光开关 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。用的器件。光开关一般包括两种:机械式光开关和电子式光开关。光开关一般包括两种:机械式光开关和电子式光开关。机械式光开关的开关功能是通过机械方法

44、实现的。利用电磁机械式光开关的开关功能是通过机械方法实现的。利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。优点是插入损耗小,隔离度高,串扰小,适合各种光纤,技术优点是插入损耗小,隔离度高,串扰小,适合各种光纤,技术成熟;缺点是开关速度较慢,体积较大。成熟;缺点是开关速度较慢,体积较大。电子式光开关利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路电子式光开关利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路切换的器件。切换的器件。优点是开关速度快,易于集成化;缺点是插入损耗大,串扰大,优点是开关速度快,易于集成化;缺点是插入损耗大,串扰

45、大,只适合单模光纤。只适合单模光纤。光纤通信光纤通信483.3.7 EDFA光放大器光放大器 光纤通信光纤通信49EDFA光放大器增益谱曲线光放大器增益谱曲线红带红带蓝带蓝带全带全带1535nm1547nm1560nm200GHz间隔间隔全带放大全带放大100GHz间隔间隔红带放大红带放大100GHz间隔间隔蓝带放大蓝带放大 光纤通信光纤通信EDFA优点n工作波长处在工作波长处在15301560nm范围范围n泵浦功率低,仅需几十毫瓦;泵浦功率低,仅需几十毫瓦;n连接损耗低,耦合效率高。连接损耗可连接损耗低,耦合效率高。连接损耗可低至。低至。n增益高且特性稳定、噪声低、输出功率增益高且特性稳定、

46、噪声低、输出功率大。增益可达大。增益可达40dBn对各种类型、速率与格式的信号传输透对各种类型、速率与格式的信号传输透明明50 光纤通信光纤通信EDFA的缺点n波长固定,只能放大波长固定,只能放大1550nm左右左右的光波的光波n增益带宽不平坦,在增益带宽不平坦,在WDM系统中系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。偿。51 光纤通信光纤通信522H11/24S3/24F9/24I9/24I11/24I13/24I15/2514nm532nm670nm800nm980nm1480nmEDFA能级图能级图m mm107(3200)1059001200 107(1

47、100)2 108(120)105 1001300 90110衰减速率,单位:衰减速率,单位:s-1辐射衰减辐射衰减 光纤通信光纤通信53EDFA光放大器基本配置光放大器基本配置隔离器隔离器WDMEDF 隔离器隔离器泵浦激光器泵浦激光器输入信号输入信号输入信号输入信号隔离器隔离器WDMEDF隔离器隔离器输入信号输入信号输入信号输入信号泵浦激光器泵浦激光器隔离器隔离器WDMEDF隔离器隔离器输入信号输入信号输入信号输入信号泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器前向泵浦前向泵浦后向泵浦后向泵浦双向泵浦双向泵浦 光纤通信光纤通信54EDFA在线路中的应用在线路中的应用合合波波器器分分波波器器功率放

48、大器功率放大器功率放大器功率放大器前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器线路放大器线路放大器线路放大器线路放大器 光纤通信光纤通信55光线放光线放(OLA)增益增益G=2025dBPout=+17dBm增益增益G=2025dBPin=-28dBmATT增益增益G=2025dBPout=+17dBm增益增益G=3035dBPout=+17dBm光功放光功放(OBA)光预放光预放(OPA)OBAOPAOBAOBAOPA 光纤通信光纤通信56小结小结 1光纤通信系统中所用的光器件有半导体光源、半导体光检测光纤通信系统中所用的光器件有半导体光源、半导体光检测器以及无源光器件。器以及无源光器件。2光源

49、器件作用是将电信号转换成光信号送入光纤。常用的光光源器件作用是将电信号转换成光信号送入光纤。常用的光源器件有源器件有LD和和LED两种,。两种,。3LD由工作物质、激励源和光学谐振腔组成。由工作物质、激励源和光学谐振腔组成。4LED与与LD的区别是前者没有光学谐振腔,它的发光仅限于的区别是前者没有光学谐振腔,它的发光仅限于自发辐射,从而使所发的光为荧光,是非相干光。自发辐射,从而使所发的光为荧光,是非相干光。5半导体光电检测器的作用是将电信号转换成光信号。常用的半导体光电检测器的作用是将电信号转换成光信号。常用的光电检测器有光电检测器有PIN和和APD两种。两种。6无源光器件,常用的无源光器件有光连接器、光衰减器、光无源光器件,常用的无源光器件有光连接器、光衰减器、光耦合器、光隔离器、光环形器、光波长转换器、光开关、光滤波器耦合器、光隔离器、光环形器、光波长转换器、光开关、光滤波器和光纤光栅等。和光纤光栅等。

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