光纤通信ppt课件第三章.ppt

光纤通信原理与技术第四章,通信用光器件,通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光放大器。有源器件和光纤一起决定着光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。这些器件对光纤系统的构成、功能的宽展和性能的提高都是不可缺少的。,3.1 光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用 3.2 光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管 3.2.3 雪崩光电二极管(APD)3.2.4 光电二极管一般性能和应用3.3 光无源器件 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 3.3.4 光调制器 3.3.5 光开关,3.1 光 源,光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管(LD)和发光二极管(LED)，有些场合也使用固体激光器。本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。,半导体激光器是向半导体PN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，实现光放大而产生激光振荡的。,3.1.1 半导体激光器工作原理 和基本结构,激光器被视为20世纪的三大发明（还有半导体和原子能）之一，特别是半导体激光器LD倍受重视。,图 3.2 半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体,2.PN结的能带和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。,根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布,式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。,(3.3),一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图3.2(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图3.2(c)。,图 3.2 半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体,内部电场,扩散,P-N结内载流子运动；图 3.3PN结的能带和电子分布,势垒,能量,E,n,c,N,区,零偏压时P-N结的能带倾斜图,正向偏压下P-N结能带图,增益区的产生：在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。,增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。,辐射复合发生在P区的一个电子扩散长度内的电子和N区一个空穴扩散长度内的空穴之间有源区；,有源区是偏向P区还是N区？,3.激光振荡和光学谐振腔激光振荡的产生：粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为法布里珀罗(Fabry Perot,FP)谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。,图 3.4 激光器的构成和工作原理(a)激光振荡；(b)光反馈,式中，th 为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率 激光振荡的相位条件为,式中，为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1,2,3 称为纵模模数。,在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为,4.半导体激光器基本结构 半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图双异质结(DH:Double Heterojunction)平面条形结构。,异质结：由两种禁带宽度不同的半导体材料，通过一定的生长方法所形成的结。,5、双异质结半导体激光器的工作原理,N,（1）异型异质结有利于电子向p区（有源区）注入；,正向偏置,N-GaAlAs,p-GaAs,P-GaAlAs,导带上的势垒以阻挡注入p区（有源区）的电子漏出；,N,价带上的势垒也阻碍空穴由p区（有源区）向N区注入。,（2）异质结能阻碍注入有源区载流子的漏出；,（3）光波导（waveguide）结构，限制光子从有源区逸出。,双异质结的作用有利于载流子向有源区的注入；阻碍注入有源区的载流子的漏出；光波导效应限制光子的逸出。,半导体激光器的电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。,3.1.2 半导体激光器的主要特性 1.发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)得到 h f=Eg,(3.6),不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 m波段 铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.31.55 m波段,式中，f=c/，f(Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长，c=3108 m/s为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数，1eV=1.610-19 J，代入上式得到,图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。在直流驱动下，发射光波长只有符合激光振荡的相位条件式(3.5)的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。驱动电流变大，纵模模数变小，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。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模激光器。图3.7(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性，由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。,图 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性(a)直流驱动;(b)300 Mb/s数字调制,0,2.激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。,图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样,3.-9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样(a)光强的角分布；(b)辐射光束,图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。,3.转换效率和输出光功率特性 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数,(3.7a),式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，h f 和e分别为光子能量和电子电荷。,图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。,图 3.10 典型半导体激光器的光功率特性(a)短波长AlGaAs/GaAs(b)长波长InGaAsP/InP,4.频率特性 在直接光强调制下，激光器输出光功率P和调制频率f 的关系为,(3.8b),式中，和分别称为弛豫频率和阻尼因子，Ith 和I0分别为阈值电流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的LD，I=0，低掺杂浓度的LD,I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的电子寿命，ph为谐振腔内的光子寿命。,图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性,图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr 是调制频率的上限，一般激光器的fr 为12 GHz。在接近fr 处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。,5.温度特性 对于线性良好的激光器，输出光功率特性如式(3.7b)和图3.10所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因（1）激光器的阈值电流Ith 随温度升高而增大（2）外微分量子效率d随温度升高而减小。温度升高时，Ith 增大，d减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为,式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。GaAlAs GaAs 激光器T0=100150 K InGaAsP-InP 激光器T0=4070 K 所以长波长InGaAsP-InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。外微分量子效率随温度的变化不十分敏感。图3.12示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P-I曲线的变化。,图 3.12 P-I曲线随温度的变化,3.1.3 分布反馈（DFB）激光器 Distributed Feed Back 高速率光纤通信系统和新型光纤通信系统对激光器的要求：（1）谱线宽度更窄（2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性（3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐（4）阈值电流更低（5）输出光功率更大,图 3.13 分布反馈(DFB)激光器(a)结构；(b)光反馈,分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。,如图3.13所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。,ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为,(3.11),DFB LD基本工作原理,在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的波纹形状。用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反转，具备增益条件只有波长满足“Bragg反射条件”的光波才能在介质中来回反射，得到不断的加强和增长。,DFB LD已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器,DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：单纵模激光器 谱线窄，波长稳定性好 动态谱线好 线性好,分布Bragg反射型激光器DBR LD,DBR LD的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当Bragg反射镜的作用。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的Bragg发射，只有在Bragg频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。,GaAs/AlGaAs DBR激光二极管,3.1.4 发光二极管LD 和LED的区别 LD发射的是受激辐射光 LED发射的是自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。,图 3.14两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型,发光二极管的类型：表面发光型LED和侧面发光型LED,发光二极管的特点：输出光功率较小；谱线宽度较宽；调制频率较低；性能稳定，寿命长；输出光功率线性范围宽；制造工艺简单，价格低廉；适用于小容量短距离系统。发光二极管的主要工作特性：(1)光谱特性。发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图3.15。,图 3.15LED光谱特性,(2)光束的空间分布。在垂直于发光平面上，正面发光型LED辐射图呈朗伯分布，即P()=P0 cos，半功率点辐射角120。侧面发光型LED，120，2535。由于大，LED与光纤的耦合效率一般小于 10%。(3)输出光功率特性。发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率d小于10%。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图3.16。驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好；I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I 曲线的斜率减小。,LED的P_I特性曲线,原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光,4 3 2 1 0,50 100 150,02570,电流/mA,输出功率/mW,式中，f 为调制频率，P(f)为对应于调制频率 f 的输出光功率，e为少数载流子(电子)的寿命。定义 fc 为发光二极管的截止频率，当 f=f c=1/(2e)时，|H(fc)|=，最高调制频率应低于截止频率。,(4)频率特性。发光二极管的频率响应可以表示为：,图3.17示出发光二极管的频率响应，图中显示出少数载流子的寿命e和截止频率 fc 的关系。对有源区为低掺杂浓度的LED，适当增加工作电流可以缩短载流子寿命，提高截止频率。,图 3.17 发光二极管(LED)的频率响应,3.1.5 半导体光源一般性能和应用半导体光源的一般性能表：LED通常和多模光纤耦合，用于1.3 m(或0.85 m)波长的小容量短距离系统。因为LED发光面积和光束辐射角较大，而多模SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量长距离系统。分布反馈激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654规范的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。,光源组件实例,3.2 光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管 一、工作原理和结构 二、PIN光电二极管主要特性(1)量子效率和光谱特性(2)响应时间和频率特性(3)噪声 3.2.3 雪崩光电二极管(APD)一、工作原理和结构 二、APD特性参数 3.2.4 光电二极管一般性能和应用,3.2 光检测器,3.2.1 光电二极管工作原理 光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。,在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。,如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构。,3.2.2 PIN 光电二极管 PIN光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。,PIN光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21。中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。,图3.21 PIN光电二极管结构,式中，hf 为光子能量，e为电子电荷。,(3.13),(3.14),PIN光电二极管具有如下主要特性：(一)量子效率和光谱特性。光电转换效率用量子效率或响应度表示。量子效率的定义为一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值,响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值,式中，()和w分别为I层的吸收系数和厚度。由式(3.15)可以看到，当()w1时，1，所以为提高量子效率，I层的厚度w要足够大。,（1）量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献可以忽略，在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极管的量子效率可以近似表示为,(3.15),（2）量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱()，对长波长的限制由式(3.6)确定，即c=hc/Eg。图3.22示出量子效率和响应度的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.80.9m波段，Ge 和InGaAs 适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.6(A/W)。,图3-22 PIN光电二极管响应度、量子效应率 与波长 的关系,(二)响应时间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率fc(带宽B)表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f。当光电二极管具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脉冲响应时间=r=f=2.20(3.16),对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，用光生电流I()下降3dB的频率定义为截止频率fc。当光电二极管具有单一时间常数0时，,（3.17）,PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间d和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定。,当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时，耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表示为,(3.18),由()/(0)=得到由渡越时间d限制的截止频率,（3.19）,式中，渡越时间d=w/vs，w为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速度，比例于电场强度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，减小耗尽层宽度w，可以减小渡越时间d，从而提高截止频率fc，但是同时要降低量子效率。,图3.23 内量子效率和带宽的关系,式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。,式中，为材料介电常数，A为结面积，w为耗尽层宽度。,(3.20),(3.21),(三)噪声。噪声影响光接收机的灵敏度。噪声包括散粒噪声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生)热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)（1）均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B(3.22)e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。2eIPB 称为量子噪声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生)2eIdB是暗电流产生的噪声。暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。,（2）均方热噪声电流,式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。因此，光电二极管的总均方噪声电流为,3.2.3 雪崩光电二极管(APD)光电二极管输出电流 I和反偏压U的关系示于图3.24。随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。APD就是根据这种特性设计的器件。根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。,如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图3.25。所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。,图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系,图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）,APD的响应度比PIN增加了g倍。,U为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻。当UUB时，RIo/UB1，上式可简化为,对APD特性新引入的参数是倍增因子和附加噪声指数倍增因子 倍增因子g(一次光生电流产生的平均增益的倍数)定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。,(3.25),(3.26),(3.27),2.过剩噪声因子 APD的均方量子噪声电流为 i2q=2eIPBg2(3.26a)引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子F。F(1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为 i2q=2eIPBg2+x(3.26b)式中，x为附加噪声指数。同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为 i2d=2eIdBg2+x(3.27)附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关 Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同。,3.2.4 光电二极管一般性能和应用 表3.3和表3.4列出半导体光电二极管(PIN和APD)的一般性能。APD是有增益的光电二极管，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。灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。,3.3 光无源器件 3.3.1 连接器和接头 3.3.2 光耦合器 一、耦合器类型 二、基本结构 三、主要特性 3.3.3 光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器 3.3.5 光开关,3.3 光 无 源 器 件,无源光器件的要求：插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成等。,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器件之间的连接。,光纤连接器的结构,光纤连接器一般采用的是机械或光学结构，使两根光纤的纤芯对准，保证90以上的光能够通过。主要有五种结构。套管结构 套管结构的连接器由插针和套筒组成。插针为一精密套管，光纤固定在插针里面。套筒也是一个加工精密的套管，两个插针在套筒中对接并保证两根光纤对准。当插针的外同轴度、插针的外圆柱面和端面以及套筒的内孔加工得非常精密时，两根插针在套筒中对接，就实现了两根光纤的对准。这种结构设计合理，加工技术能够达到要求的精度，FC、SC等型号的连接器均采用这种结构。,图 3.27 精密套管结构连接器简图,双锥结构 双锥结构连接器利用锥面定位。插针的外端面加工为圆锥面，基座的内孔也加工成双圆锥面，两个插针插入基座的内孔实现纤芯的对接。这种结构对加工精度要求高，锥面间的结合既要保证纤芯的对准，还要保证光纤端面间的间距恰好符合要求。V形槽结构 V形槽结构的光纤连接器是将两个插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧，利用对准原理使纤芯对准。这种结构可以达到较高的精度，但结构复杂，零件数量多。,球面定心结构 球面定心结构由两部分组成，一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装有圆锥面的插针。钢球里面开一个通孔，其内径大于插针的外径。两根插针插入钢球的通孔，球面与锥面结合使纤芯对准，并控制纤芯之间的间距在要求范围内。这种设计思想巧妙，但是零件形状复杂，加工调整难度大。透镜耦合结构 透镜耦合又称为远场耦合，它分为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种。这种结构经过透镜来实现光纤的对准。用透镜将一根光纤的出射光变成平行光，再由另一透镜将平行光聚焦导入另一光纤。优点是降低了对机械加工的精度要求，使耦合更容易，缺点是结构复杂、体积大、调整元件多、接续损耗大。,光纤连接器的种类,光纤连接器品种、型号很多，现在主要采用的几种是FC、ST、SC三种。FC系列连接器 FC型连接器是一种用螺纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器，它是我国电信网采用的主要品种，我国已制定了FC型连接器的国家标准。SC型连接器 SC型连接器的插针、套筒与FC完全一样。外壳采用工程塑料制作、采用矩形结构，不用螺纹连接、可以直接插拔，使用方便，操作空间小，可以密集安装，可以做成多芯连接器。ST型连接器 ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构，确保连接时准确对准。,3.3.2 光耦合器 耦合器的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。1.耦合器类型 T形耦合器 星形耦合器 定向耦合器 波分复用器/解复用器,2.基本结构的分类 光纤型 微器件型 波导型,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。图3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器。如图3.30，光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb，根据耦合理论得到 Pa=cos2(CL)(3.28a)Pb=sin2(CL)(3.28b)式中，L为耦合器有效作用长度，C为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。,设特定波长为1和2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使得 当光纤a的输出Pa(1)最大时，光纤b的输出Pb(1)=0；当Pa(2)=0时，Pb(2)最大。对于1和2分别为1.3m和1.55 m的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5 dB，波长隔离度大于20 dB。,图 3.29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星形耦合器,熔锥光纤型波分复用器结构和特性,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,公共臂,图 3.31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)光栅式解复用器,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)等微光学器件构成，如图3.31所示。,衍射光栅型波分复用器结构示意图,光 纤,透 镜,光 栅,采用棒透镜的光栅型WDM,光 纤,棒 透 镜,光 栅,图3.32 波导型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解复用器；,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。,3.主要特性 说明耦合器参数的模型如图3.33所示，主要参数定义如下。,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,(3.29),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,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,(3.31),(3.32),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它端的光功率Pr的比值，用分贝表示,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。,(3.33),3.3.3 光隔离器与光环行器 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。隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是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。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数。,隔离器工作原理如图3.34所示。这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45，并且其旋转方向与光传播方向无关。,光偏振(极化)单模光纤中传输的光的偏振态(SOP：State of Polarization)是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。,法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，这个偏振器的透振方向在45方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件(即正方向传输)是没有损耗的(插入损耗除外)。另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射)，反射光的偏振态也在45方向上，当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如图3.35所示。,图 3.35 一种与输入光的偏振态无关的隔离器,光纤输出,SWP,半波片,法拉弟旋转器,SWP,SOP,光纤输入,(a),光纤输出,SWP,半波片,法拉弟旋转器,SWP,光纤输入,(b),具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP:Spatial Walk off Polarizer)。这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。,这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45。因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出，如图3.35(a)所示。,两个分量都要通过法拉弟旋转器，其偏振态都要旋转45。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片(plate或halfwave plate)。,另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起，如图3.35(b)所示，于是就起到隔离作用。环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。如图3.36所示，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。,图 3.36 光环行器(a)三端口；(b)四端口,1,3,2,(a),(b),1,3,2,4,反射棱镜,光环行器原理示意图,3.3.4 光调制器 调制器可以用电光效应、磁光效应或声光效应来实现。最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的。这种晶体的折射率n和外加电场E的关系为 n=n0+E+E2(3.34)式中，n0为E=0时晶体的折射率。和是张量，称为电光系数。根据不同取向，当=0时，n随E按比例变化，称为线性电光效应或普克尔(Pockel)效应。当=0时，n随E2按比例变化，称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。调制器是利用线性电光效应实现的，因为折射率n随外加电场E(电压U)而变化，改变了入射光的相位和输出光功率。,图3.37是马赫-曾德尔(MZ)干涉型调制器的简图。在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压。设输入调制信号按余弦变化，则输出信号的光功率,(3.35),式中Us和Ub 分别为信号电压和偏置电压，U为光功率变化半个周期(相位为0)所需的外加电压，并称为半波电压。由式(3.35)可以看到，当Us+Ub=0时，P=2为最大；当Us+Ub=U时，P=0。,图 3.37 马赫-曾德尔干涉仪型调制器,图 3.38 马赫-曾德尔干涉仪型调制器特性,3.3.5 光开关 光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。它的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件。光开关可分为两大类：机械光开关 固体光开关,机械式光开关,插入损耗低；隔离度高；不受偏振和波长影响；开关时间长(ms)，重复性较差。,移动光纤式光开关,移动反射镜型光开关,固体光开关,固体光开关是利用一些材料具有电光、声光、热光、磁光效应，采用波导结构制成的光开关。也有利用液晶的电自旋光效应制成的光开关。,电光开关 电光开关的原理一般是利用材料的电光效应或电吸收效应，在电场作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路转变。,M-Z干涉仪型光开关,热光开关,热光开关工作原理,液晶光开关,液晶光开关工作原理,磁光效应光开关,磁光效应光开关工作原理,