第五章 光有源器件概述
学习笔记光器件知识
光通信用光器件分类：光无源器件OpticalPassiveDevices〔光被动器件〕光有源器件OpticalActiveDevices( 光主动器件)简介：光无源器件光纤通信系统中应用的光无源器件有光连接器、光耦合器、光隔离器、光衰减器、光开关，光滤波器和光波分复用器等。
光无源器件在光纤通信系统中的功能是对输入的光信号作被动操作，如光束的分波和合波、分束和合束、光的开关、衰减和偏振控制等。
类似于电子电路中的电阻、电容和电感元件。
简介：光有源器件泵浦光源、探测器、光调制器和光放大光纤通信系统中应用的光有源器件有信号光源、器等。
光有源器件在光纤通信系统中的功能是对光信号作主动操作，包括光信号的发射、探测和放大、光调制和波长变换等。
并非接通电源的光器件都是有源器件。
光无源器件详细知识虽然对各种光无源器件的特性有不同的要求，但普遍的要求是插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、隔离度高、价格廉价，许多光无源器件还要求便于集成。
光纤连接及光纤连接器光纤连接：永久性连接，活动性连接永久性连接主要采用熔接法实现，借助光纤熔接机完成；活动性连接主要利用光纤连接器实现。
光纤连接器根本构成：两个配合插头和一个耦合管。
五种结构：套管结构，双锥结构，V型槽结构，球面定心结构，透镜耦合结构连接器种类：性能指标：插入损耗：回波损耗：重复性和互换性我们的器材参数：所有的光无源器材都是FC/APC接口，光源是FC/PC接口〔通过PC-APC跳线转接〕。
插入损耗：左右〔以FaradayRotator为例〕回波损耗：60db左右〔以FaradayRotator为例〕光耦合器附：光纤分束器是将一根光纤内的波长、能量、偏振等特性进行重新分配到不同光纤的一种器件。
分能量的一般叫光纤分路器或者光纤耦合器；分波长的是波分复用器；分偏振的是偏振分束器；作用：使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合并进行再分配。
类型：定向耦合器〔X型〕；Y型分路器；星型耦合器；树形耦合器定向耦合器：光信号从端1传输到端3，一局部从端4输出，端2无输出；光信号从端3传输到端1，一局部从端2输出，端4无输出。
光有源器件
光有源器件光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。
将电信号转换成光信号的器件称为光源，主要有半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。
将光信号转换成电信号的器件称为光检测器，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），很有应用前景的是拉曼光放大器。
半导体激光二极管（LD）即半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(电子)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射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器的特性有封装技术、驱动电流、输出功率、峰值波长和光谱宽度等。
半导体激光器封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。
一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。
而半导体激光器封装则是为了隔绝环境，避免损害，保证清洁；为器件提供合适的外引线；提高机械强度，抵抗恶劣环境；提高光学性能。
通常情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0．2-0．3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。
另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1％左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。
光有源器件
光有源器件100131320 朱丹摘要：光有源器件是光纤通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。
将电信号转换成光信号的器件称为光源，主要有半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。
将光信号转换成电信号的器件称为光检测器，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），很有应用前景的是拉曼光放大器。
关键词：信息科学光波光纤通信技术综述光有源器件属于光纤通信技术的组成部分。
光导纤维通信就是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。
光导纤维通信简称光纤通信。
可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。
实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。
光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。
将电信号转换成光信号的器件称为光源，主要有半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。
将光信号转换成电信号的器件称为光检测器，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
近年来，光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），正在研究并很有应用前景的是拉曼光放大器。
原理光纤由纤芯，包层和涂层组成，内芯一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；中间层称为包层，通过纤芯和包层的折射率不同，从而实现光信号在纤芯内的全反射也就是光信号的传输；涂层的作用就是增加光纤的韧性保护光纤。
光源可分为：1.天然光源（如太阳、火焰、闪电、萤火虫等）2.人造光源（如点燃的蜡烛、发光的电灯、激光束等）注意：有些物体，比如月亮，本身并不发光，而是反射太阳光才被人看见的，所以月亮不是光源。
而人造光源一定要是正在发光的物体。
物理学上指能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不可见光）的物体。
几何光学-第五章-光源
第五章光源§1 概述任何把其它形式能量转化为光能并发射出来的物体叫做光源，可分为被动和主动发光的光源，因此，光源这个题目太大，如图5－1示，现只介绍在光学实验室里经常使用的光源，例如，热辐射类型和非热辐射类型。
图5－1 光源的分类热辐射类型光源就是将热能转化为光能的器件，从热辐射的量子理论，温度处于绝对零度的物体都可能辐射，即为温度辐射，已知黑体是完全的温度辐射体，其它的辐射体发射的能量在同一温度时少于黑体，理论和实验研究得出不同绝对温度下黑体的辐射亮度与光波长的关系曲线如图5-2示，绝对温度决定辐射的最大波长值，它们成反比关系，叫做维恩定律：λm＝A／T，其中A是常数（A=2.896×10-3m.K）,可见随着温度增高光波长的峰值移向短波方向。
非热辐射类型可能是电致发光，光致发光，化学发光或生物发光等等光源，使用者可视具体需求和可能选用某种光源。
我们只介绍常用的光源，如钨灯，钠灯，汞灯和激光器等。
图5－3和5－4分别给出卤素灯和氙气灯的发射谱线，它们来自产品广告资料。
图5－2黑体辐射图5－3 卤素灯光谱图5－4 氙灯光谱§2 连续光谱灯根据上述热辐射理论，光波长与温度满足一定的规律。
加热铁、碳或钨等物体，可以发射出连续光谱而成为光源。
常见的为钨制成的灯，因为钨具有蒸发速率较小、发光效率较高，灯的寿命较长等特点，钨可制成丝或带状，叫做钨丝灯或钨带灯。
钨的辐射本领见图5－5示，可见它发射的是连续谱线。
在灯泡内充氩或氮等惰性气体时，它们发射可见光波和近红外光波，构成连续谱线，图5－6中的a 表示光栅光谱仪测绘的白炽灯谱线，看起来颜色白里含黄红色。
钨灯工作电压用交流或直流电压，电压大小或功率大小可视需要选择。
灯泡里充有溴、碘、或其它卤元素时，是溴钨灯、碘钨灯、或卤钨灯。
溴钨灯也发射连续光谱（图5－6的c ），但更近白色，因为里边短波长成份比白炽灯发射的多。
图5－6的b 是钨带灯发射的谱线。
光有源&无源器件
Planar Waveguide Technology Technology
Devices are constructed on the surface of a flat piece of material such as silica or semiconductor crystal using the techniques of semiconductor chip manufacturing.
Difficulties
Need to control dimensions accurately to about .25 of a micron. When diagonal waveguides have regularly ccurring steps in their sides, you happen to chance on a resonant wavelength. Many complex devices can't be done in planar technology because a planar device is made from a uniform material. It is costly and difficult to connect these devices to fibres.
Fabrication of Planar Optical Devices
Diffusion of a dopant into a flat ubstrate. Deposition/etching techniques similar to those used in making semiconductors. Direct writing of waveguides using a powerful laser beam and photosensitive dopant in the material (such as germanium in silica glass).
光有源器件
*
光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。将电信号转换成光信号的器件称为光源，主要有半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。将光信号转换成电信号的器件称为光检测器，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。近年来，光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），正在研究并很有应用前景的是拉曼光放大器。
自身正在发光，且能持续发光的物体叫作光源。
光源可分为：
1.天然光源（如太阳、火焰、闪电、萤火虫等）
2.人造光源（如点燃的蜡烛、发光的电灯、激光束等）
注意：有些物体，比如月亮，本身并不发光，而是反射太阳光才被人看见的，所以月亮不是光源。而人造光源一定要是正在发光的物体。
物理学上指能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不可见光）的物体。通常指能发出可见光的发光体。凡物体自身能发光者，称做光源，又称发光体，如太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都是。但像月亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们看到它们，这样的反射物体不能称为光源。在我们的日常生活中离不开可见光的光源，可见光以及不可见光的光源还被广泛地应用到工农业，医学和国防现代化等方面。
光源可以分为三种。
第一种是热效应产生的光，太阳光就是很好的例子，此外蜡烛等物品也都一样，此类光随着温度的变化会改变颜色。 第二种是原子发光，荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光，此外霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的基本色彩，所以彩色拍摄时我们需要进行相应的补正。
第三种是synchrotron发光，同时携带有强大的能量，原子炉发的光就是这种，但是我们在日常生活中几乎没有接触到这种光的机会，所以记住前两种就足够了。
情境4-1-光有源器件概述
综上所述，半导体激光器的激射条件为： 粒子数反转 受激辐射 正反馈
4.2.1 半导体光源工作原理
1. LD与LED 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。 光纤通信中最常用的光源是半导体激光器LD和发光二极管 LED。 两者主要差别： 发光二极管输出非相干光（自发辐射） 半导体激光器输出相干光（受激辐射）
普通LD LD 外形图
2. 发光二极管LED ❖ 对于光纤通信系统，如果使用多模光纤且信息比特率在
100～200Mb/s以下，同时只要求几十微瓦的输入光功率， 那么LED是可选用的最佳光源。 ❖ LED通常和多模光纤耦合，用于1.31μm或0.85μm波长的 小容量、短距离的光通信系统。 ❖ LD通常和单模光纤耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、 长距离光通信系统。 ❖ 分布反馈半导体激光器（DFB-LD）主要也和单模光纤或 特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55μm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。
克服损耗的频率振荡得以输出
5. 导体激光器的分类 ❖ 半导体激光器LD按纵向（垂直于PN结）结构的不同，可分
为同质结LD、单异质结LD和双异质结LD
实际使用的所有半导体激光器都是多层异质结器件
6. 半导体激光器的特性 半导体激光器仍然属于半导体二极管，具有二极管的一般 特性（如伏安特性），还具有特殊的光频特性。
（1）激光器的P-I特性
❖ 激光器的P-I特性曲线表明激光器输出光功率（输出）与 注入电流（输入）变化的关系
阈值
（2）激光器效率
❖ 可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低
❖ 外微分量子效率ηd是用来衡量激光器的电／光转换效率高低 的一个参量，其定义为：激光器输出光子数的增量与注入电
光有源器件介绍
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光有源器件
• 光纤通信系统中应用的光有源器件有信号光 源、泵浦光源、探测器、光调制器和光放大 器等。 • 光有源器件在光纤通信系统中的功能是对光 信号作主动操作，包括光信号的发射、探测 和放大、光调制和波长变换等。并非接通电 源的光器件都是有源器件。
qVD = (EF)n - (EF)p
• (EF)n与(EF)p分别与n型半导体和p型半导体的掺杂浓度有关。
11
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pn结的能带图
自建场
P
自建场 空间电荷区
N
E漂移 电子
7
1.78 437.0 0.30 160.0 0.10 41.0 0 0.0 0.11 2.5 0.05 6.2 0 0 0 3.9 0.15 47.1 2.49 720.2
1791 4,512 1171 3,180 390 1,060 390 2,050 158 484 55 125 40 340 55 505 405 3,590 4459 15,846
2
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光无源器件
• 光纤通信系统中应用的光无源器件有光连接 器、光耦合器、光隔离器、光衰减器、光开 关，光滤波器和光波分复用器等。 • 光无源器件在光纤通信系统中的功能是对输 入的光信号作被动操作，如光束的分波和合 波、分束和合束、光的开关、衰减和偏振控 制等。类似于电子电路中的电阻、电容和电 感元件。
增益放大
• 光纤放大器 • 光隔离器 • 分路耦合器 • 泵浦激光器 • 光增益平衡器 • 光衰减器 • 半导体光放大器
光纤通信有源器
噪声问题
总结词
噪声问题是光纤通信有源器件在工作过 程中产生的噪声对通信信号的影响问题 。
VS
详细描述
噪声会导致信号的信噪比降低，影响通信 质量。为了降低噪声的影响，可以采用噪 声抑制技术，如采用低噪声放大器或降噪 算法等。同时，优化有源器件的设计和制 作工艺，降低其内部噪声也是解决这一问 题的有效方法。
总结词
高功率光纤通信有源器件是未来发展的重点，它们能够提供更高的光功率输出， 从而实现更远距离的光纤传输。
详细描述
随着光纤通信技术的不断发展，对光功率的需求也在不断增加。高功率光纤通信 有源器件能够提供更高的光功率输出，从而延长传输距离或提高信号质量。目前 ，高功率光纤激光器、放大器等有源器件已经得到了广泛的应用和研究。
激光器的调制方式主要有直接调制和外部调制两 种，直接调制结构简单，但调制速率受限于载流 子恢复时间；外部调制适用于高速调制，但需要 额外的调制器。
光放大器
光放大器用于放大光信号， 以补偿光纤传输过程中的损 耗。常见的光放大器有半导 体光放大器和光纤放大器。
半导体光放大器基于半导体 材料，具有体积小、成本低 等优点，但带宽和增益受限 ；光纤放大器利用掺铒光纤 作为增益介质，具有带宽宽 、增益高等优点，但需要泵 浦光。
光放大器的性能参数包括增 益、带宽、噪声系数等，选 择合适的光放大器可以提高 光纤通信系统的传输距离和 容量。
光放大器的应用场景包括但 不限于光纤传感、光子雷达 和光计算等领域。
光调制器
01
光调制器用于将信息加载到 光波上，实现信息的传输。 常见的光调制器有电吸收型 调制器和液晶调制器等。
02
电吸收型调制器利用电场改 变介质折射率实现调制，具 有响应速度快、消光比高等 优点；液晶调制器利用电场 改变液晶的折射率实现调制 ，具有可调谐性和并行处理 能力。
光无源器件概述
类型：无源、有源
无源器件主要包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光 波分复用/解复用器、隔离器、环行器、滤波器、光调制器、 光开光等。
有源器件主要包括：激光器、光探测器、光放大器等。
3
光纤无源器件技术
4
无源器件功能
光无源器件是一种能量消耗型器件，主要功能是对信号或能 量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的的衰减等，在光纤通 信系统以及各类光纤传感系统中是必不可少的重要器件。
光纤无源及有源器件 技术及应用
1
主要内容：
光纤无源器件技术
光纤光栅、滤波器、调制器等
光纤放大器技术
掺铒光纤放大器、拉曼放大器等
光纤激光器技术
多波长光纤激光器、锁模光纤激光器、单频 光纤激光器等
2
光器件
用途:
实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路 转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、光信号放大、光信号 调制等功能，是构成光纤通信系统的必备元件。
光波分复用器和解复用器是WDM光纤通信系统中 的关键部件。
25
熔锥光纤型波分复用器结构和特性
P P1
P2
0
1 2
26
1 2 3
1+ 2+ 3
光纤
透镜
光栅
衍射光栅型波分复用器结构示意图
27
光纤
1 2 3
1+ 2+ 3
棒透镜 光栅
采用棒透镜的光栅型WDM
28
光波导
开角
(a)
波导型波分解复用器
1.3 mm
19
光纤耦合器的技术参数
(6) 工作波长范围
光有源器件
注意：有些物体，比如月亮，本身并不发光，而是反射太阳光才被人看见的，所以月亮不是光源。而人造光 源一定要是正在发光的物体。
物理学上指能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不可见光）的物体。通常 指能发出可见光的发光体。凡物体自身能发光者，称做光源，又称发光体，如太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质 等都是。但像月亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们看到它们，这样的反射物体不能称为光源。在我 们的日常生活中离不开可见光的光源，可见光以及不可见光的光源还被广泛地应用到工农业，医学和国防现代化 等方面。
目前我国规模最大的光源、检察器制造单位是武汉电信器件公司、深圳飞通光电子技术有限公司，它们的销 售量占全国的80%以上。其他还有深圳恒通宝光电子有限公司、武汉华工科技产业股份有限公司正元光子分公司、 武汉天讯科技股份有限公司、北京福创光电子股份有限公司、上海奥普光电技术有限公司、四川康和光电子有限 责任公司、重庆光电技术研究所、信息产业部电子第44研究所等20余家，可以生产十几种量子附激光器、半导体 泵浦激光器。光纤放大器的制造单位主要有无锡中兴光电子技术有限公司、武汉光讯通信技术有限公司等。在光 有源器件方面还有一些外资企业，如深圳光炬（JDS Uniphase的子公司）、深圳新福克斯等。
（3）噪声小：为了提高光纤传输系统的性能，要求系统的各个组成部分的噪声要求足够小。但是对于光电检 测器要求特别严格，因为它是在极其微弱的信号条件下工作，又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中 引入的噪声过大，则会使信号噪声比降低，影响重现原来的信号。
光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光 放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光络传输速率与距离 的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用 （WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里 程碑。在实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器 （FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接 入、光纤CATV、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域，作为功率放大器、中继放大器和前 置放大器。光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、 半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种。
光纤通信有源器
02
提高系统稳定性
03
满足多样化需求
多功能的光纤通信有源器件能够 提高系统的稳定性，减少对外部 环境的依赖。
多功能的光纤通信有源器件能够 满足不同应用场景下的多样化需 求。
集成化
减小设ห้องสมุดไป่ตู้体积
集成化的光纤通信有源器件能够减小设备的体积， 便于安装和维护。
发展趋势
未来，光纤通信有源器件将继续向 着高速、大容量、集成化的方向发 展，同时还将出现更多新型的光纤 通信有源器件。
02 光纤通信有源器件的类型
激光器
总结词
激光器是光纤通信系统中的重要有源器件，能够产生单色光，具有高亮度、高方 向性和高相干性的特点。
详细描述
激光器在光纤通信中主要用于发射光信号，其发出的光波长通常在1.3μm或1.55μm 附近，与光纤的低损耗窗口相匹配。根据工作物质的不同，激光器可分为固体激光 器、气体激光器、半导体激光器和光纤激光器等类型。
促进产业发展
光纤通信有源器件的应用领域广泛，其发展促进 了相关产业的进步和发展，对经济增长具有重要 意义。
光纤通信有源器件的历史与发展
早期发展
20世纪70年代，光纤通信技术开 始起步，光纤通信有源器件也随
之出现，但技术尚不成熟。
成熟阶段
20世纪90年代以后，随着光电子 技术的不断发展，光纤通信有源器 件逐渐成熟，性能得到大幅提升。
光纤温度传感器：用于测量温 度。
光纤流量传感器：用于测量流 体流量。
光纤医疗
光纤内窥镜
用于医学诊断和治疗。
光纤激光器
用于医学美容和手术。
光纤传感器
光有源器件介绍
陡峭介质边吸收带
电致吸收光调制器
Franz-Keldysh效应：1958 年提出，是指在电场作用下 半导体材料的吸收边红移的 理论。
原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱(MQW)的吸 收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现 调制。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出 功率最大；随着调制器上偏压的增加，MQW的吸收边 移向长波长，原光束波长处吸收系数增大，调制器 为断状态，输出功率最小。
• SOA is made of 3-5 group compound semiconductor, such as GaAs, GaP, InP
• Central wavelength:~800nm, ~1300nm,~1550 nm
• Frequency band larger than 40 nm
SOA的集成优势
SOA用于全光波长变换
•全光型波长转换器指不经过电域处理，直接把信息从一 个光波长转换到另一个光波长。在光域中直接实现波长转 换可以克服光-电-光波长转换器中电器件的速度瓶颈、透 明性低等不足。
全光波长变换器
基于光调制原理
交叉增益调制（XGM） 交叉相位调制（XPM）
基于光混频原理 ——四波混频（FWM）
§2 光放大器－应用
光发 射机
功率放大器
光发 射机
光纤
光纤
光接 收机
光接 收机
前置放大器
§2 光放大器－应用
光发 射机
光纤
光纤
中继器（在线放大器）
光接 收机
节点
光发 射机
分配补偿放大器
光纤总线
光接 收机
Ideal optical amplifier
现代光纤通信技术-光器件
Le 10 lg
Pin [dB] Pi
CR
Pi
100%
Pi
Lc
10lg
Pr Pi
[dB]
17
光耦合器分类
从端口形式
X型、Y型、星型以及树型
从工作带宽的角度
单工作窗口的窄带 单工作窗口的宽带 双工作窗口的宽带
从传导光模式
入并要求交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个气泡，气泡 将光从入射波导全反射到输出波导
特点：开关速度为ms量级，插损低、串扰小，具有较好的可扩
展性
喷墨气泡热光开关模块
39
波导光开关
工作原理：利用电光效应或电吸收效应以及硅材料的等离子体色
散效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光 的干涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变
数值孔径
纤 参
端
数
面
间
g1
g2
折射率分布
隙
光纤结构参数失配引起的损耗 (f) 两光纤相对位置偏离设计要求引起的损耗(b)(c)(e) 端面形状与间隙引起的损耗(d)(e)(a)
8
活动连接器
插入损耗目前水平0.2dB 减低反射技术：APC(Angled Physical Contact) 常见类型：FC、 SC、 ST
第五章 光器件
1
本章内容
§5.1 光器件概述 §5.2 光连接器与衰减器 §5.3 耦合器与分束器 §5.4 复用器 §5.5 光隔离器与环形器 §5.6 光开光与光交叉连接器 §5.7 光波长转换器 §5.8 光器件测试
2
§5.1 光器件概述
光器件的分类
体块型
有源器件
有源器件一. 简单的讲就是需能（电）源的器件叫有源器件。
有源器件一般用来信号的放大、转换等。
有源器件(active devices,被动元件),是一种电子元件，不需要能量的来源而实行他特定的功能。
有源器件的基本定义：如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。
从电路性质上看，有源器件有两个基本特点：（1）自身也消耗电能。
（2）除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。
二. 常见的有源电子器件有源器件是电子电路的主要器件，从物理结构、电路功能和工程参数上，有源器件可以分为分立器件和集成电路两大类。
1．分立器件（1）双极型晶体三极管（bipolar transistor），一般简称三极管，BJT（2）场效应晶体管（field effective transistor）（3）晶闸管（thyristor），也叫可控硅（4）半导体电阻与电容——用集成技术制造的电阻和电容，用于集成电路中。
2．模拟集成电路器件模拟集成电路器件是用来处理随时间连续变化的模拟电压或电流信号的集成电路器件。
基本模拟集成电路器件一般包括：（1）集成运算放大器（operation amplifier），简称集成运放（2）比较器（comparator）（3）对数和指数放大器（4）模拟乘/除法器（multiplier/divider）（5）模拟开关电路（analog switch）（6） PLL电路（phase lock loop），即锁相环电路（7）集成稳压器（voltage regulator）（8）参考电源（reference source）（9）波形发生器（wave－form generator）（10）功率放大器（power amplifier）3．数字集成电路器件（1）基本逻辑门（logic gate circuit）（2）触发器（flip－flop）（3）寄存器（register）（4）译码器（decoder）（5）数据比较器（comparator）（6）驱动器（driver）（7）计数器（counter）（8）整形电路（9）可编程逻辑器件（PLD）（10）微处理器（microprocessor，MPU）（11）单片机（Microcontroller，MCU）（12） DSP器件（Digital signal processor，DSP）。
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掺杂光纤放大器优点：
掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、
噪声低、频带宽、输出功率高等优 点，具有广泛的应用前景。
光放大器的类型
半导体激光放大器（SLA）
全光中继器
在混合中继器中先将从光纤接收到的脉冲光 信号用PD转换为光电流。 经前置放大器、主放大器、判决再生电路在 电域实现脉冲信号放大与整形。 驱动光源产生光脉冲信号沿光纤继续传输。
1988年安装的 TAT-8使用了 103个中继器 （每隔35km40km ）
掺铒光纤放大器EDFA
根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系, EDFA 的结构可分为正向泵浦、反向泵浦和 双向泵浦, 其结构如下图所示。
正向泵浦
反向泵浦
双向泵浦
在石英光纤中掺入一些三价稀土金属元素, 如Er(铒)、 Pr(镨)、Nd(钕) 等, 形成一种在泵浦光的激励下可以 放大光信号的特殊光纤, 因此可以用于制作光纤放大 器, 其中EDFA目前应用最为广泛。掺铒光纤的能级 图及部分吸收谱和发射谱如下图所示。
EDFA 主要由合波器WDM、泵浦激光器(大 功率LD)、光隔离器和掺铒光纤构成。 EDFA 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在 泵浦光源(波长 980nm 或 1480nm)的作用下, 形成粒子数反转, 产生受激辐射, 辐射光随入 射光的变化而变化, 进而对入射光信号提供 光增益。
EDFA工作原理
当泵浦光射到掺铒光纤中时, 基态铒离子吸收泵浦 光能量, 向高能级跃迁。 泵浦光的波长不同, 粒子所跃迁到的高能级也不同。 由于Stark(斯塔克)效应, 原子能级产生分裂, 铒离子 的能级展宽为带状。 粒子跃迁时, 先跃迁到上能级, 并迅速以非辐射跃迁 的形式由泵浦态变至亚稳态。在亚稳态, 粒子有较 长的存活时间, 由于源源不断地进行泵浦, 粒子数不 断增加, 从而实现了粒子数反转，产生受激辐射。
电吸收调制
电吸收调制是利用材料的电吸收效应对光进行调 制的光调制器。 电吸收调制器是一种损耗调制器，它利用弗朗兹凯尔迪什效应和量子约束斯塔克效应，工作在调 制器材料吸收边界波长处。
具有调制带宽大、插入损耗低、消光比高、调制 效率高等特点。
5.2 光放大器
光放大器
在光纤通信系统中, 随着传输速率的增加, 传 统的光—电—光中继方式的成本迅速增加。 长时间以来, 人们一直在寻找用光放大的方 法来替代传统中继方式, 以延长传输距离。 光放大器能直接放大光信号, 对信号的格式 和速率具有高度的透明性, 使得整个系统更 加简单和灵活。 它的出现和实用化, 是光纤通信发展中的一 个里程碑。
在光纤通信系统的设计中, 光放大器有四种 用途, 如图：
线路放大(In-line)：周期 性补偿各段光纤损耗 功率放大(Boost)：增加 入纤功率,延长传输距离
前置放大(Pre-Amplify): 提高接收灵敏度
局域网的功率放大器： 补偿分配损耗，增大网 络节点数
光纤的损耗和色散限制了通信距离。
第五章 光有源器件 Active Optical components
光有源器件定义：需要外加能源驱动工作的光电 子器件
5.1 光调制器 5.2 光放大器 5.3 可调谐光滤波器 5.4 偏振控制器 5.5 光电探测器件
光有源器件
光有源器件在光通信系统和光纤技术中占有 重要地位。光通信系统的实用和发展是和光 有源器件的发展密切相关的,其中掺铒光纤放 大器的实用化是光通信系统中的一个里程碑。 常见的光有源器件:光调制器、光放大器、可 变光衰减器、可调光滤波器、光分差复用器、 偏振控制器等。
色散
时间
输入信号 损耗 时间 非线性
脉冲展宽
输出信号 衰减
频率
新频率
路上设置中继放大 器。以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形， 然后继续向终端传送。
光电光混合中继器
采用光-电-光转换方式，结构复杂，价格昂贵，且 不能用于波分复用系统中。 采用光放大器对光信号进行直接放大的中继器，多 波长放大、低成本。
一、光信号的调制
直接调制：用电信号直接调制半导体激光器或发 光二级管的驱动电流，是输出光信号发生变化。
光纤
激光源
光信号输出 电信号输入
驱动器
间接调制：在这种光纤链路中，调制信号不是直接 施加在激光二极管上，而是施加在光调制器上。 尽管增加了插入损耗，但却甚好的解决了直接调制 存在的啁啾现象。
电信号输入 光纤 激光源 调制器 光信号输出
磁光调制
磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线 偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方 向发生旋转 ：
VHL
式中V为韦尔德系数，H 为沿光束传播方向的磁场 强度，L为光在介质中的传播长度。
电光调制
电光调制是利用某些电光晶体，如铌酸锂 （LiNbO3）、砷化镓（GaAs）等的电光效应制 成。 电光效应是指外电场加到晶体上引起晶体折射率 变化的效应，从而影响光波在晶体中春传播特性 的变化，实质上是电场作用引起晶体的非线性电 极化。
驱动和控制
二、光纤通信系统中的外调制器
根据物理机制，外部调制器主要分为四类： 声光调制器、磁光调制器、电光调制器、 电吸收调制器。
声光调制器：是由声光介质、电声换能器、 吸声（或反射）装置及驱动电源组成。
声光调制器的工作原理
声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载 波上的一种物理过程。
调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声 换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化 的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用， 使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制 波。
5.1 光调制器
光调制器
光发射机的功能是把输入电信号转换为光信 号, 并用耦合技术把光信号最大限度地注入 光纤线路。 其中把电信号转换为光信号的过程就是光调 制。 调制后的光波经过光纤信道送到接收端, 由 光接收机鉴别出它的变化, 再恢复原来的信 息, 这个过程称为光解调。 调制和解调是光纤通信系统的重要内容。