第三章 光纤通信器件
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• External cavity laser
– Most common for 1550 nm band (some for 1310 nm) – Tunable over more than 100 nm, power up to 10 mw
Photodiodes(光电管）
• PIN (p-layer, intrinsic layer, nlayer)
Laser
• 原理：半导体PN结发光 ＋ 平行平面反射腔
>>>> 激光
P peak
• 光谱：多纵模光谱
（Multiple longitudinal mode ，MLM)
• 应用：
“Classic” semiconductor laser P
– First fiberoptic links
Threshold
• 多波长光源与波长可调谐激光器
• 光电探测器(PD、PIN、APD)
光调制器件
• 幅度调制
– 机械调制 – 电光调制 – 直接调制 – 电吸收光调制(EA)
• 相位调制 • 偏振调制 • 光电集成芯片(OEIC) • 光子集成芯片(PIC)
光放大器件
• 掺铒光纤放大(EDFA) • 掺镨光纤放大(PDFA) • 掺钕光纤放大(NDFA) • 分布式光纤放大
网络：Networks 系统：Systems 模块：Modules 器件：Devices 元件：Components
光器件技术
• 光纤技术 • 微光学（Microoptics) technology • 平面波导（Planar waveguide）技术 • 微光电机械(Micro-Optic-Electronic-
光源和光接收器/分布反馈 (DFB) Laser
• Key characteristics
– Mostly around 1310/1550 nm – Total power 3 to 50 mw – Spectral width 10 to 100 MHz (0.08 to 0.8
pm) – Sidemode suppression ratio (SMSR): > 50
第三章 光纤通信器件
光器件： 光通信网络的基础
关键技术：SDH
ATM
TDM
WDM
TDM
WDM
传
交
接
用
输wenku.baidu.com
换
入
户
网
网
网
网
支撑基础：
光有源器件 光无源 器件
光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件 –半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) –半导体光探测器(PD,PIN,APD） –光纤激光器（OFL:单波长、多波长） –光放大器(SOA,EDFA) –光波长转换器(XGM,XPM,FWM) –光调制器（EA） –光开关/路由器
y
• State of polarization (SOP):
describes the orientation and rotation of the polarized light
SOP: linear horizontal
x
光源和光接收器/分布反馈 (DFB) Laser
• 原理：半导体PN结发光 ＋ 分布反馈反射腔 >>>> 激光
光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器
光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电载波
光载波
探头
光探测器
集成电路
集成光路
光器件的应用
光放大 DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器
– (850 or 1300 nm)
I
– Today: short & medium range links
光源和光接收器/ FP( Fabry-Perot ) Laser
• Key characteristics
– Most common for 850 or 1310 nm – Total power up to a few mw – Spectral width 3 to 20 nm – Mode spacing 0.7 to 2 nm – Highly polarized – Coherence length 1 to 100 mm – Small NA ( good coupling into fiber)
• Components usually end up connected to a fibre for transmission. （器件与光纤相连 便于传输）
微光学器件(Microoptics)
• 器件由传统的光学元件，如透镜、棱镜、 衍射光栅等，装配而成
• 尺寸小，精度高 • 装配难度高，机械程度低 • 较昂贵
(problem at high bit rates over long distances)
• Standard single-mode fiber:
– 1300 nm window has lowest CD
光网络器件
• 光耦合透镜（自聚焦透镜、玻璃球透镜） • 光连接器与光耦合器 • 光隔离器与光环行器 • 光滤波与光波分复用器件 • 光起偏器与偏振控制器 • 光波长转换与光波长路由器件 • 光调制解调器（Optical Modem） • 光衰减器与光延时器件 • 光开关与光交叉连接器件 • 微光电机械芯片
光波长转换
OADM DWDM 光隔离器 光环行器
光开关
多波长光源
DWDM 光调制器 光隔离器 光耦合器 光波长转换
可调谐滤波
DWDM OXC 光耦合器 光调制解调
光器件的分类
• 光电变换器件 • 光开关与调制器件 • 光放大器件 • 光色散补偿器件 • 光网络器件
光电变换器件
• F-P腔激光二极管(LD) • 分布反馈布拉格激光器(DFB) • 分布布拉格反射激光器(DBR) • 外腔激光器与Q开关激光器 • 发光二极管(LED) • 光纤激光器(OFL) • 垂直腔表面发射激光器(VCSEL)
– Numerical aperture: 0.2 to 0.3
Other Light Sources
• White light source
– Specialized tungsten light bulb – Wavelength range 900 to 1700 nm, – Power density 0.1 to 0.4 nw/nm (SM), 10 to 25 nw/nm
• Key properties
– Wavelength range 780 to 980 nm (gigabit ethernet) p-DBR
– Spectral width: <1nm
active
– Total power: >-10 dBm
n-DBR
– Coherence length:10 cm to10 m
光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 –光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） –光纤定向耦合器/分支器 –光分插复用器（OADM) –光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) –光衰减器（固定、连续） –光滤波器（带通、带阻） –光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） –光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
(MM)
• Amplified spontaneous emission (ASE) source
– “Noise” of an optical amplifier without input signal – Wavelength range 1525 to 1570 nm – Power density 10 to 100 µw/nm
Mirrors
– Alternating layers of semiconductor material
– 40 to 60 layers, each l / 4 thick
– Beam matches optical acceptance needs of fibers more closely
P peak
– Spectral width 30 to 100 nm
– Coherence length 0.01 to 0.1 mm P -3 dB
BW
– Little or not polarized
– Large NA ( poor coupling into fiber)
光源和光接收器/ FP( Fabry-Perot )
– 喇曼光纤放大(SRFA) – 布里渊光纤放大(SBFA) • 半导体光放大(SOA)
光色散补偿器件
• 色散控制
– 色散位移单模光纤 – 非零色散位移单模光纤 – 大有效截面单模光纤 – 色散平坦单模光纤
• 色散补偿
– 色散补偿光纤模块 – SOA色散补偿 – 光纤光栅色散补偿
• 色散管理
光色散补偿器件
– Highly linear, low dark current
• Avalanche photo diode (APD)
– Gain up to x100 lifts detected optical signal above electrical noise of receiver
– Best for high speed and highly sensitive receivers
光源和光接收器/ FP( Fabry-Perot ) Laser
偏振（Polarization）说明：
SOP: linear
• Most lasers are highly polarized vertical
z
• Degree of polarization (DOP):
DOP = P polarized / P total
Mechanic）技术
光纤技术（Fibre Technology）
• Fibre is not only a transmission medium. （光纤不仅仅是传输媒体）
• Many devices such as amplifiers and filters can be made from fibre. （许多器件 是由光纤制成，如光纤放大器、滤波器等）
色散补偿说明：
• Different wavelengths travel at slightly different speeds
(this effect is called “Chromatic Dispersion”)
• Chromatic dispersion causes pulse broadening
• 光谱：单纵模光谱 (Single longitudinal
mode， SLM)
• 应用： High performance
P peak
telecommunication laser
SMSR
Most expensive (difficult to manufacture)
– Long-haul links & DWDM systems
dB – Coherence length 1 to 100 m – Small NA ( good coupling into fiber)
光源和光接收器/ 垂直腔面发光激光器 Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL)
• Distributed Bragg Reflector (DBR)
平面波导技术
• 采用半导体芯片制造技术，由硅或其它 半导体材料在平板上所形成的器件 （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)
光源和光接收器/Light-emitting Diode (LED)
• 原理：半导体PN结发光（自发辐射光）
• 光谱：宽带光谱
• 应用：短距离、小容量数据通信
（通过空间/多模光纤传输）
• Key characteristics
– Most common for 780, 850, 1300 nm
– Total power up to a few W
– Most common for 1550 nm band (some for 1310 nm) – Tunable over more than 100 nm, power up to 10 mw
Photodiodes(光电管）
• PIN (p-layer, intrinsic layer, nlayer)
Laser
• 原理：半导体PN结发光 ＋ 平行平面反射腔
>>>> 激光
P peak
• 光谱：多纵模光谱
（Multiple longitudinal mode ，MLM)
• 应用：
“Classic” semiconductor laser P
– First fiberoptic links
Threshold
• 多波长光源与波长可调谐激光器
• 光电探测器(PD、PIN、APD)
光调制器件
• 幅度调制
– 机械调制 – 电光调制 – 直接调制 – 电吸收光调制(EA)
• 相位调制 • 偏振调制 • 光电集成芯片(OEIC) • 光子集成芯片(PIC)
光放大器件
• 掺铒光纤放大(EDFA) • 掺镨光纤放大(PDFA) • 掺钕光纤放大(NDFA) • 分布式光纤放大
网络：Networks 系统：Systems 模块：Modules 器件：Devices 元件：Components
光器件技术
• 光纤技术 • 微光学（Microoptics) technology • 平面波导（Planar waveguide）技术 • 微光电机械(Micro-Optic-Electronic-
光源和光接收器/分布反馈 (DFB) Laser
• Key characteristics
– Mostly around 1310/1550 nm – Total power 3 to 50 mw – Spectral width 10 to 100 MHz (0.08 to 0.8
pm) – Sidemode suppression ratio (SMSR): > 50
第三章 光纤通信器件
光器件： 光通信网络的基础
关键技术：SDH
ATM
TDM
WDM
TDM
WDM
传
交
接
用
输wenku.baidu.com
换
入
户
网
网
网
网
支撑基础：
光有源器件 光无源 器件
光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件 –半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) –半导体光探测器(PD,PIN,APD） –光纤激光器（OFL:单波长、多波长） –光放大器(SOA,EDFA) –光波长转换器(XGM,XPM,FWM) –光调制器（EA） –光开关/路由器
y
• State of polarization (SOP):
describes the orientation and rotation of the polarized light
SOP: linear horizontal
x
光源和光接收器/分布反馈 (DFB) Laser
• 原理：半导体PN结发光 ＋ 分布反馈反射腔 >>>> 激光
光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器
光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电载波
光载波
探头
光探测器
集成电路
集成光路
光器件的应用
光放大 DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器
– (850 or 1300 nm)
I
– Today: short & medium range links
光源和光接收器/ FP( Fabry-Perot ) Laser
• Key characteristics
– Most common for 850 or 1310 nm – Total power up to a few mw – Spectral width 3 to 20 nm – Mode spacing 0.7 to 2 nm – Highly polarized – Coherence length 1 to 100 mm – Small NA ( good coupling into fiber)
• Components usually end up connected to a fibre for transmission. （器件与光纤相连 便于传输）
微光学器件(Microoptics)
• 器件由传统的光学元件，如透镜、棱镜、 衍射光栅等，装配而成
• 尺寸小，精度高 • 装配难度高，机械程度低 • 较昂贵
(problem at high bit rates over long distances)
• Standard single-mode fiber:
– 1300 nm window has lowest CD
光网络器件
• 光耦合透镜（自聚焦透镜、玻璃球透镜） • 光连接器与光耦合器 • 光隔离器与光环行器 • 光滤波与光波分复用器件 • 光起偏器与偏振控制器 • 光波长转换与光波长路由器件 • 光调制解调器（Optical Modem） • 光衰减器与光延时器件 • 光开关与光交叉连接器件 • 微光电机械芯片
光波长转换
OADM DWDM 光隔离器 光环行器
光开关
多波长光源
DWDM 光调制器 光隔离器 光耦合器 光波长转换
可调谐滤波
DWDM OXC 光耦合器 光调制解调
光器件的分类
• 光电变换器件 • 光开关与调制器件 • 光放大器件 • 光色散补偿器件 • 光网络器件
光电变换器件
• F-P腔激光二极管(LD) • 分布反馈布拉格激光器(DFB) • 分布布拉格反射激光器(DBR) • 外腔激光器与Q开关激光器 • 发光二极管(LED) • 光纤激光器(OFL) • 垂直腔表面发射激光器(VCSEL)
– Numerical aperture: 0.2 to 0.3
Other Light Sources
• White light source
– Specialized tungsten light bulb – Wavelength range 900 to 1700 nm, – Power density 0.1 to 0.4 nw/nm (SM), 10 to 25 nw/nm
• Key properties
– Wavelength range 780 to 980 nm (gigabit ethernet) p-DBR
– Spectral width: <1nm
active
– Total power: >-10 dBm
n-DBR
– Coherence length:10 cm to10 m
光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 –光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） –光纤定向耦合器/分支器 –光分插复用器（OADM) –光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) –光衰减器（固定、连续） –光滤波器（带通、带阻） –光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） –光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
(MM)
• Amplified spontaneous emission (ASE) source
– “Noise” of an optical amplifier without input signal – Wavelength range 1525 to 1570 nm – Power density 10 to 100 µw/nm
Mirrors
– Alternating layers of semiconductor material
– 40 to 60 layers, each l / 4 thick
– Beam matches optical acceptance needs of fibers more closely
P peak
– Spectral width 30 to 100 nm
– Coherence length 0.01 to 0.1 mm P -3 dB
BW
– Little or not polarized
– Large NA ( poor coupling into fiber)
光源和光接收器/ FP( Fabry-Perot )
– 喇曼光纤放大(SRFA) – 布里渊光纤放大(SBFA) • 半导体光放大(SOA)
光色散补偿器件
• 色散控制
– 色散位移单模光纤 – 非零色散位移单模光纤 – 大有效截面单模光纤 – 色散平坦单模光纤
• 色散补偿
– 色散补偿光纤模块 – SOA色散补偿 – 光纤光栅色散补偿
• 色散管理
光色散补偿器件
– Highly linear, low dark current
• Avalanche photo diode (APD)
– Gain up to x100 lifts detected optical signal above electrical noise of receiver
– Best for high speed and highly sensitive receivers
光源和光接收器/ FP( Fabry-Perot ) Laser
偏振（Polarization）说明：
SOP: linear
• Most lasers are highly polarized vertical
z
• Degree of polarization (DOP):
DOP = P polarized / P total
Mechanic）技术
光纤技术（Fibre Technology）
• Fibre is not only a transmission medium. （光纤不仅仅是传输媒体）
• Many devices such as amplifiers and filters can be made from fibre. （许多器件 是由光纤制成，如光纤放大器、滤波器等）
色散补偿说明：
• Different wavelengths travel at slightly different speeds
(this effect is called “Chromatic Dispersion”)
• Chromatic dispersion causes pulse broadening
• 光谱：单纵模光谱 (Single longitudinal
mode， SLM)
• 应用： High performance
P peak
telecommunication laser
SMSR
Most expensive (difficult to manufacture)
– Long-haul links & DWDM systems
dB – Coherence length 1 to 100 m – Small NA ( good coupling into fiber)
光源和光接收器/ 垂直腔面发光激光器 Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL)
• Distributed Bragg Reflector (DBR)
平面波导技术
• 采用半导体芯片制造技术，由硅或其它 半导体材料在平板上所形成的器件 （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)
光源和光接收器/Light-emitting Diode (LED)
• 原理：半导体PN结发光（自发辐射光）
• 光谱：宽带光谱
• 应用：短距离、小容量数据通信
（通过空间/多模光纤传输）
• Key characteristics
– Most common for 780, 850, 1300 nm
– Total power up to a few W