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1、光纤通信器件光纤通信器件1第1页，共81页，编辑于2022年，星期四3.2 半导体光电检测器光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电转换的。目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检测器有两种：（1）PIN光电二极管（2）APD雪崩光电二极管2第2页，共81页，编辑于2022年，星期四3.2 半导体光电检测器3.2.1 半导体的光电效应3.2.2 光纤通信中常用的半导体光电检测器3.2.3 光电检测器的特性3第3页，共81页，编辑于2022年，星期四3.2.1 半导体的光电效应半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光
2、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，即光电子空穴对，又称光生载流子。4第4页，共81页，编辑于2022年，星期四3.2.1 半导体的光电效应半导体材料的光电效应 5第5页，共81页，编辑于2022年，星期四3.2.1 半导体的光电效应当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子空穴对产生，显然必须满足如下关系，即 c称为截止波长，fc称为截止频率。6第6页，共81页，编辑于2022年，星期四3.2.2 光纤通信中常用的半导体光电检测器1PIN光电二极管 2APD雪崩光电二
3、极管 7第7页，共81页，编辑于2022年，星期四1PIN光电二极管PIN光电二极管能带图 8第8页，共81页，编辑于2022年，星期四PIN光电二极管工作原理9第9页，共81页，编辑于2022年，星期四PIN光电二极管结构PIN光电二极管结构示意图 10第10页，共81页，编辑于2022年，星期四2APD雪崩光电二极管如果能使电信号进入放大器之前，先在光电二极管内部进行放大，这就引出了一种另外类型的光电二极管，即雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其内部放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应而完成的。11第11
4、页，共81页，编辑于2022年，星期四2APD雪崩光电二极管（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应（2）雪崩光电二极管的结构及其工作原理目前光纤通信系统中，使用的雪崩光电二极管结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。雪崩光电二极管随使用的材料不同有几种：SiAPD（工作在短波长区）；GeAPD，InGaAsAPD等（工作在长波长区）。12第12页，共81页，编辑于2022年，星期四（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应13第13页，共81页，编辑于2022年，星期四APD雪崩光电二极管结构雪崩光电二极管的结构和能带示意图 14第14页，共81页，编辑于2022年，星期四雪崩光电二极管RAM-APD的
5、场分布15第15页，共81页，编辑于2022年，星期四（2）雪崩光电二极管的结构及其工作原理16第16页，共81页，编辑于2022年，星期四3.2.3 光电检测器的特性1响应度R0和量子效率 2响应时间 3暗电流ID 4雪崩倍增因子G5倍增噪声和过剩噪声系数F（G）17第17页，共81页，编辑于2022年，星期四1响应度R0和量子效率响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理量。光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率、材料的特性及器件的结构有关。18第18页，共81页，编辑于2022年，星期四2响应时间响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入射光信号变化快慢的状态。一般用响
6、应时间（上升时间和下降时间）来表示。一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短的。上面讨论的响应时间是从时域角度来看的，若从频域角度看，短的响应时间即意味这个器件的带宽宽。19第19页，共81页，编辑于2022年，星期四3暗电流ID 理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。由理论研究可知，暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。20第20页，共81页，编辑于2022年，星期四4雪崩倍增因子G雪崩光电二极管还有一
7、个与雪崩倍增效应对应的参量雪崩倍增因子。在忽略暗电流影响条件下，它定义为一般APD的倍增因子G在40100之间。PIN光电管因无雪崩倍增作用，所以G=1。21第21页，共81页，编辑于2022年，星期四5倍增噪声和过剩噪声系数F（G）从物理概念上容易理解，雪崩光电二极管的倍增是具有随机性的。这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍增噪声。倍增噪声可以用过剩噪声系数F（G）来描述为g 是每个初始电子-空穴对因雪崩效应产生二次电子-空穴对的随机数22第22页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3 无源光器件3.3.1 连接器和接头3.3.2 光耦合器3.3.3 光隔离器与光环行器3.3.
8、4 光开关3.3.5 光滤波器3.3.6 波长转换器3.3.7波分复用器3.3.8 光纤光栅3.3.9 光调制器23第23页，共81页，编辑于2022年，星期四1、作用2、工作原理及结构3、性能参数24第24页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3.1 连接器和接头光纤连接方法包括光纤熔接法、V型槽机械连接和弹性管连接。第一种方法可产生永久性的连接，而后两种连接方法在需要时可以将已连接的光纤拆开。光纤熔接作用：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。连接器作用：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
9、入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。25第25页，共81页，编辑于2022年，星期四1.光纤熔接26第26页，共81页，编辑于2022年，星期四27第27页，共81页，编辑于2022年，星期四2.连接器V型槽机械连接弹性管连接28第28页，共81页，编辑于2022年，星期四在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的光纤端面紧靠在一起，如图所示。然后将两根光纤使用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片作成槽状。这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光纤的尺寸(外尺寸和纤芯直径)变化和偏心度(纤芯相对于光纤中心的位置)。29第29页，
10、共81页，编辑于2022年，星期四上图为弹性管连接装置的剖面图。这是一种可以自动进行横向、纵向、角度对准的独特器件。使用它连接多模光纤可以得到和商用熔接机同一大小范围的连接损耗，但它所需要的设备和技巧却要少得多。这种连接器件基本上就是一根用弹性材料做成的管子。管子中心孔的尺寸稍小于待连接的光纤。在孔的两端做成圆锥形以便于光纤插入。当插入光纤时，光纤使孔膨胀，于是塑料材料对光纤施加均匀的力。30第30页，共81页，编辑于2022年，星期四o常用的几种连接器o光纤连接器常采用螺丝卡口、卡销固定、推拉式三种结构。o对接类型的连接器采用金属、陶瓷或模制塑料的套圈，这些套圈可以很好地适配每根光纤和精密套
11、管。将光纤涂上环氧树脂后插入套圈内的精密孔中。套圈连接器对机械结构的要求包括小孔直径尺寸以及小孔相对于套圈外表面的位置。PC型（直接接触型）、型（直接接触型）、FC型（平面对接型）、型（平面对接型）、SC型（矩形）型（矩形）ST型（带键的卡口式）型（带键的卡口式）31第31页，共81页，编辑于2022年，星期四1.插入损耗连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。插入损耗是由制造商以如下的两个数值提供的：平均值和最大值。一般的连接器平均损耗大约为0.25dB，这个数值可以在0.11dB之间浮动。最大损耗大约为0.5dB，变化范围在0.31.5dB之间。3.性能参数32第32页，共81页，编辑于2
12、022年，星期四2.回波损耗(简称回损)对连接器来说，回波损耗的问题起源于一个简单的矛盾现象：为了最小化插入损耗，需要尽可能地将光纤端面抛光，而抛光的端面对光的反射增强，这样回波损耗就产生了。回射发生在纤芯之间空气的交界面上，为此安装人员提出了有效的解决方法：将两个连接器通过物理接触(PC)来减小它们之间的空气缝隙。现在多数连接器都是利用这种方法安装的。由于制造完美的平面来实现理想的物理接触是不可能的，因此制造商将插针体的端面做成不同的形状，如圆弧形等。性能参数33第33页，共81页，编辑于2022年，星期四3.可重复性（耐用性）连接器是作为临时连接使用的，应在多次插拔之后仍保持它们的特性。所
13、以可重复性是连接器的一个重要特性。资料表明，连接器在多次插拔之后其插入损耗将增加，通常5000次插拔之后增加量应小于0.2dB。性能参数34第34页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3.2 光耦合器光耦合器 作用：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。1光耦合器的类型2光耦合器的结构 2光纤式耦合器的参数（主要特性）35第35页，共81页，编辑于2022年，星期四1光耦合器的类型光耦合器按其功能及形状不同可分为T形、星形、定向、波分复用器/解复用器。36第36页，共81页，编辑于2022年，星期四T形耦合器这是一种22的3端耦合器，其功能是把一根光纤输入的
14、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。这种耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组合器。星形耦合器这是一种nm耦合器，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。37第37页，共81页，编辑于2022年，星期四 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。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。波分复用器/解复用器这是一种与波
15、长有关的耦合器(也称合波器/分波器)。波分复用器的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。38第38页，共81页，编辑于2022年，星期四光耦合器按其结构不同可分为棱镜式和光纤式两类。棱镜棱镜棱镜型棱镜型39第39页，共81页，编辑于2022年，星期四40第40页，共81页，编辑于2022年，星期四2光耦合器的结构棱镜式和光纤式耦合器 41第41页，共81页，编辑于2022年，星期四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形耦合器、定向耦合器、星形耦合器和波分解复用
16、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星形耦合器 42第42页，共81页，编辑于2022年，星期四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形耦合器、定向耦合器和波分解复用器。(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 43第43页，共81页，编辑于2022年，星期四3.主要特性主要特性耦合比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44第44页，共81页，编辑于20
17、22年，星期四功率分路损耗Ls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45第45页，共81页，编辑于2022年，星期四插入损耗Lt是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示方向性DIR(隔离度)是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其他端的光功率Pr的比值，用分贝表示46第46页，共81页，编辑于2022年，星期四一致性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。47第47页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3.3 光隔离器与光环行器 1光隔离器的基本原理
18、和结构 2光环行器 3光隔离器与光环行器的主要性能参数 48第48页，共81页，编辑于2022年，星期四互易器件 耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。非互易器件隔离器 一种非互易器件作用：只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。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。49第49页，共81页，编辑于2022年，星期四1光隔离器的基本原理和结构光隔离器的工作原理图 50第50页，共81页，编辑于2022年，星期四51第51页，共81页，编辑于2022年，星期四52第52页，共81页，编辑于2022
19、年，星期四2光环行器环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。典型的环行器一般有三个或四个端口。在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。光环行器主要用于光分插复用器中。（a）三端口；（b）四端口53第53页，共81页，编辑于2022年，星期四3光隔离器与光环行器的主要性能参数对于光隔离器与光环行器来讲，它们都是希望从输入端口输入的光信号到输出端口时，衰减尽量小，即要求器件的插入损耗要小；对于不应有输出的端口，要求隔离度要高。器件典型的插入损耗为1dB左右，隔离度为4050dB。54第54页，共81页，编辑于2022
20、年，星期四3.3.4 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，称为光开关。作用：转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件，是全光交换技术中的关键器件。55第55页，共81页，编辑于2022年，星期四光开关可分为两大类：一类是机械光开关，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转换；一类是固体（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转换。优缺点：机械光开关的优点是插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟；缺点是开关速度慢。固体光开关正相反，优点是开关速度快；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。56第56页，共81页，编辑于20
21、22年，星期四3.3.4 光开关机械式光开关 57第57页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3.4 光开关电子式光开关 58第58页，共81页，编辑于2022年，星期四（1）通断消光比。通断消光比是指光开关处于通（开）状态时输出的光功率和处于断（关）状态时的输出光功率之比。通断消光比越大,光开关性能越好，这对外调制器尤为重要。机械开关的通断消光比大约为4050dB。（2）插入损耗（简称插损）。插损是指由于光开关的使用而导致的光路上的能量损耗，常以dB表示。插损越小越好。当开关处于不同的输入/输出连接状态时，插入损耗有可能不一致，即插入损耗的一致性差，这对于实际的应用是不希望的。59第59
22、页，共81页，编辑于2022年，星期四（3）串扰。串扰是指某输出端口的功率除了有来自希望的输入端口外，还有来自不希望的输入端口的功率，二者的光功率之比称为串扰。（4）偏振依赖损耗。偏振依赖损耗是指由于偏振引起的光功率的损耗。60第60页，共81页，编辑于2022年，星期四61第61页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3.5 波长转换器 能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件称为波长转换器。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型波长转换器，光电型波长转换器比较容易实现，其优点是与偏振无关；主要缺点是由于速度受电子器件限制，因此不适应高速大容量光纤通信系统和网络的要求。
23、全光型波长转换器技术主要由半导体光放大器（SOA）构成。62第62页，共81页，编辑于2022年，星期四1光电型波长转换器光电光型波长转换器63第63页，共81页，编辑于2022年，星期四2全光型波长转换器全光型波长转换器64第64页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3.6 波分复用器在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技术（WDM）。如果在系统发送端采用此技术，将不同波长的光信号组合起来送入光纤传输的设备称为光波分复用器。在系统接收端可通过解复用器（分波器），将组合在一起的光信号分离并送入不同的终端。65第65页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3.6 波分复
24、用器1光波分复用系统的结构与工作原理 2光波分复用器 66第66页，共81页，编辑于2022年，星期四1光波分复用系统的结构与工作原理光波分复用器是对光波波长进行合成与分离的光器件。由光波分复用器构成的光波分复用系统，从结构上来分，可分为单纤单向WDM系统和单纤双向WDM系统。67第67页，共81页，编辑于2022年，星期四1光波分复用系统的结构与工作原理单纤单向结构WDM传输系统 68第68页，共81页，编辑于2022年，星期四1光波分复用系统的结构与工作原理单纤双向结构WDM传输系统 69第69页，共81页，编辑于2022年，星期四2光波分复用器（1）光波分复用器的工作原理器件的各端口可以
25、作为输入端口，也可以作为输出端口。70第70页，共81页，编辑于2022年，星期四2光波分复用器WDM光传输原理图 71第71页，共81页，编辑于2022年，星期四2光波分复用器（2）光波分复用器的光学特性 复用器复用器的光学特性可以用给定的输入端口的插入损耗波长关系曲线表示。解复用器解复用的光学特性，可以用输入端到N个输出端的各信道的波长插入损耗关系曲线来表达 72第72页，共81页，编辑于2022年，星期四2光波分复用器复用器插入损耗波长关系曲线 73第73页，共81页，编辑于2022年，星期四2光波分复用器解复用器波长插入损耗关系曲线 74第74页，共81页，编辑于2022年，星期四2光
26、波分复用器 中心波长和中心波长的工作范围 中心波长对应的最小插入损耗L1和L2 相邻信道之间串音耦合最大值L12和L2375第75页，共81页，编辑于2022年，星期四2光波分复用器（3）熔融光纤型波分复用器熔融光纤型是指将两根光纤紧靠在一起并通过加热使两光纤熔接而成。这种复用器非常便于与光纤通信系统耦合连接，而且插入损耗极小，且体积小，结构紧凑。76第76页，共81页，编辑于2022年，星期四2光波分复用器图3-48 熔融光纤型波分复用器结构示意图 77第77页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3.7 光纤光栅光纤光栅是近几年发展最为迅速的一种光纤无源器件。它是利用光纤中的光敏性而制成
27、的。光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久性改变。人们利用这种效应可在几厘米之内写入折射率分布光栅，称为光纤光栅。光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，便于与光纤耦合，而且它具有高波长选择性。78第78页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3.7 光纤光栅光纤布拉格光栅滤波器 79第79页，共81页，编辑于2022年，星期四3.3.9 光调制器为提高光纤通信系统的质量，避免直接调制激光器时产生附加线性调频的问题，要采用外调制方式，把激光的产生和调制分开。所以在高速率系统、波分复用系统和相干光系统中都要用调制器。调制器可以用电光效应、磁光效应或声光效应来实现。80第80页，共81页，编辑于2022年，星期四马赫-曾德尔干涉仪型调制器81第81页，共81页，编辑于2022年，星期四