光纤第三章-2概要课件.ppt

1、2023-1-23.2 光光 检检 测测 器器 v 在光纤传输线路的输出端，必须有一个能够转换光信号在光纤传输线路的输出端，必须有一个能够转换光信号的接收装置即光接收机。接收机的首要部件就是光探测的接收装置即光接收机。接收机的首要部件就是光探测器（光检测器）。器（光检测器）。v 光探测器能检测出入射在其面上的光功率，并把这个光光探测器能检测出入射在其面上的光功率，并把这个光功率的变化转换为相应的电流。由于光信号在光纤中传功率的变化转换为相应的电流。由于光信号在光纤中传输时会有损耗和失真，所以对光检测器的性能输时会有损耗和失真，所以对光检测器的性能要求很高要求很高。2023-1-23.2 光光

2、检检 测测 器器v 光探测器主要有以下几种不同的类型：光探测器主要有以下几种不同的类型：光电倍增管、热光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器等。电探测器、半导体光探测器等。v 在半导体光探测器中，光电二极管体积小，灵活度高，在半导体光探测器中，光电二极管体积小，灵活度高，响应速度快，在光纤通信系统中得到了广泛的应用。常响应速度快，在光纤通信系统中得到了广泛的应用。常用的光电二极管有两种类型，即用的光电二极管有两种类型，即 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管和雪崩光电二极管光电二极管(APD)。2023-1-2PINPIN光电二极管及其工作原理光电二极管及其工作原理3.2.1雪崩光电二极管（雪崩

3、光电二极管（APDAPD）3.2.2光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用3.1.33.2 光光 检检 测测 器器2023-1-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v 1 1工作原理工作原理v 光电二极管是一个工作在反向偏压下的光电二极管是一个工作在反向偏压下的PN结二极管，其结二极管，其工作原理可用光电效应来解释，如图所示。工作原理可用光电效应来解释，如图所示。光电二极管工作原理光电二极管工作原理2023-1-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v 反向偏压使反向偏压使PN结加宽，空间电荷区的载流子基本耗尽

4、了。结加宽，空间电荷区的载流子基本耗尽了。光入射到光入射到PN结上，如果光子能量结上，如果光子能量hfhf大于半导体材料的禁大于半导体材料的禁带宽度带宽度 ，价带上电子可以吸收光子而跃迁到导带产生，价带上电子可以吸收光子而跃迁到导带产生电子电子-空穴对。空穴对。v 若电子若电子-空穴对在耗尽层内产生，在电场作用下，电子向空穴对在耗尽层内产生，在电场作用下，电子向N区漂移，空穴向区漂移，空穴向P P区漂移，形成光生电流。当入射光功区漂移，形成光生电流。当入射光功率变化时，光生电流随之线性变化，从而把光信号转化率变化时，光生电流随之线性变化，从而把光信号转化成电流信号。成电流信号。gE2023-1

5、-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v 然而，当入射光子能量小于然而，当入射光子能量小于 时，无论入射光多么强，时，无论入射光多么强，光电效应都不会发生，也就是说，发生光电效应必须满光电效应都不会发生，也就是说，发生光电效应必须满足足 hfhf。因此，任何半导体材料制作的光电二极管。因此，任何半导体材料制作的光电二极管都有上限截止波长都有上限截止波长 ，其表示式为，其表示式为v (5.1)(5.1)v 对于材料对于材料Si，；对于材料；对于材料Ge，。v 光电二极管除了具有上限截止波长外，当入射波长太短光电二极管除了具有上限截止波长外，当入射波长太短时，

6、材料的吸收系数变得很大，光电转换效率也会大幅时，材料的吸收系数变得很大，光电转换效率也会大幅度下降。度下降。gEgECgg/1.24/(m)hc EECC1.06 mC1.6 m2023-1-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v 2 2光电转换效率光电转换效率v 常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。入射光在光常用量子效率和响应度来衡量光电转换效率。入射光在光电二极管的表面有反射，设入射表面的反射率为电二极管的表面有反射，设入射表面的反射率为R，当入，当入射光功率为射光功率为P时，光生电流可以表示为时，光生电流可以表示为 式中，式中，是零电场表面层厚度

7、；是零电场表面层厚度；是耗尽区的厚度；是耗尽区的厚度；是吸收系数。是吸收系数。1ww)exp(1)(exp()1(1wwRhfePIP2023-1-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v 量子效率定义为量子效率定义为 v R 也可以用响应度来表示：也可以用响应度来表示：(A/W)exp(1)(exp()1(/1wwRhfPeIPhfePIRP/2023-1-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v 要得到高的量子效率，必须采取如下措施：要得到高的量子效率，必须采取如下措施：(1)(1)减小入减小入射表面的反射率；射表面的

8、反射率；(2)(2)尽量减小光子在表面层被吸收的尽量减小光子在表面层被吸收的可能性，增加耗尽层的宽度。因此，为了得到高的量子可能性，增加耗尽层的宽度。因此，为了得到高的量子效率，常采用效率，常采用 PIN 结构，如图所示。结构，如图所示。PIN 光电二极管光电二极管2023-1-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v I 区是一层接近本征的掺杂很低的区是一层接近本征的掺杂很低的N 区，在这种结构中，区，在这种结构中，零电场区（零电场区（区和区和 区）非常薄，而低掺杂的区）非常薄，而低掺杂的 I 区很区很厚，耗尽层几乎占据了整个厚，耗尽层几乎占据了整个PN

9、结，从而使光子在耗尽区结，从而使光子在耗尽区被充分吸收。被充分吸收。v 对于对于 InGaAs 材料的光电二极管，往往还采用异质结结材料的光电二极管，往往还采用异质结结构，耗尽区构，耗尽区(InGaAs)夹在宽带隙的夹在宽带隙的 InP 材料之间，而材料之间，而InP 对于入射光几乎是透明的。对于入射光几乎是透明的。PN2023-1-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v 如图给出了几种不同材料如图给出了几种不同材料PIN 光电二极管的响应度和量光电二极管的响应度和量子效率。子效率。几种不同材料几种不同材料 PIN 光电二极管的响应度和量子效率光电二极管的

10、响应度和量子效率2023-1-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v 3响应速度响应速度v 响应速度通常用响应时间（上升时间响应速度通常用响应时间（上升时间r r和下降时间和下降时间f f）来表示。影响响应速度的主要因素有来表示。影响响应速度的主要因素有 v(1)光电二极管等效电路的光电二极管等效电路的 RC时间常数时间常数图图5.4 5.4 光电二极管的等效电路光电二极管的等效电路2023-1-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v(2)载流子在耗尽区的渡越时间载流子在耗尽区的渡越时间v(3)耗尽区外产生的载流子由于

11、扩散而产生的时间延迟耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 图图5.5 5.5 结电容、耗尽区宽度以及零电场区对输出脉冲的影响结电容、耗尽区宽度以及零电场区对输出脉冲的影响v 4 4暗电流暗电流 暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。暗电流是指无光照时，光电二极管的反向电流。Si 的光电二极管可小于的光电二极管可小于1 nA，Ge 的光电二极管的暗电流的光电二极管的暗电流通常几百纳安。通常几百纳安。2023-1-23.2.1 3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理v 5.噪声噪声 噪声是反映光电二极管特性的重要参数，它直接影响光接噪声是反映光电二极管特性的重要参

12、数，它直接影响光接收机的灵敏度。主要包括量子噪声、暗电流噪声、漏电收机的灵敏度。主要包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声。流噪声以及负载电阻的热噪声。2023-1-23.2.2 3.2.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)v 1 1工作原理工作原理v 与光电二极管不同，雪崩光电二极管能承受高的反向偏与光电二极管不同，雪崩光电二极管能承受高的反向偏压。在压。在PN结内部形成一个高电场区，光生的电子或空穴结内部形成一个高电场区，光生的电子或空穴经过高场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高经过高场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与晶格碰撞，使晶

13、体中的原子电离，从而激发速运动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发新的电子新的电子-空穴对，这个过程称为空穴对，这个过程称为碰撞电离碰撞电离。v 通过碰撞电离产生的电子通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子空穴对称为二次电子-空穴对。空穴对。新生的电子新生的电子-空穴对在高场区内再被加速，又可能碰撞新空穴对在高场区内再被加速，又可能碰撞新的原子，这样多次碰撞电离的结果是载流子浓度增加，的原子，这样多次碰撞电离的结果是载流子浓度增加，反向电流增大，称为反向电流增大，称为雪崩增益雪崩增益。2023-1-23.2.2 3.2.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)v 2APD

14、的结构的结构 在在 850 nm，常用的，常用的APD有保护环形有保护环形(GAPD)和拉通型和拉通型(RAPD)两种。两种。下图是拉通型下图是拉通型APD的结构和内部场强分布示意图。的结构和内部场强分布示意图。RAPD的结构和内部场强分布示意图的结构和内部场强分布示意图2023-1-23.2.2 3.2.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)v 当偏压加大到某一值后，耗尽层拉通到当偏压加大到某一值后，耗尽层拉通到 区（本征区）区（本征区）（少量（少量P 掺杂），一直抵达掺杂），一直抵达 接触层，此后若电压再增接触层，此后若电压再增加，电场增量就在加，电场增量就在P区和区和 区分

15、布，高场区电场随电压变区分布，高场区电场随电压变化相对缓慢，化相对缓慢，G-V 曲线的非线性有所改善。曲线的非线性有所改善。v 最后给出一些光探测器的性能参数，参见下表。最后给出一些光探测器的性能参数，参见下表。P2023-1-23.2.2 3.2.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)表表1 Si,Ge,InGaAs PIN1 Si,Ge,InGaAs PIN光电二极管的通用工作特性参数光电二极管的通用工作特性参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm4001000800165011001700响应度 RA/W0.40.60.40.50.750.95暗电流InnA1105

16、05000.52.0上升时间ns0.51.00.10.50.050.5带宽 BGHz0.30.70.53.01.02.0偏压VBV551052023-1-23.2.2 3.2.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)表表2 Si,Ge,InGaAs2 Si,Ge,InGaAs雪崩光电二极管的通用工作特性参数雪崩光电二极管的通用工作特性参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围nm4001000800165011001700雪崩增益 G-20400502001040暗电流IDnA0.11505001050上升时间ns0.120.50.80.10.5增益带宽积 GBGHz100400

17、21020250偏压VBV150400204020302023-1-23.2.2 3.2.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)v 3APD的平均雪崩增益（倍增因子）的平均雪崩增益（倍增因子）v 雪崩过程是一个复杂的随机过程，只能以雪崩过程是一个复杂的随机过程，只能以APD的平均雪的平均雪崩增益（崩增益（APD输出光电流输出光电流I0和一次光生电流和一次光生电流Ip的比值）来的比值）来表示表示APD增益的大小：增益的大小：v 式中，式中，V是反向偏压；是反向偏压；是反向击穿电压；是反向击穿电压；m 是是APD结结构和材料决定的参量。构和材料决定的参量。sB11()/mGVIRVB

18、VpIIG02023-1-23.2.2 3.2.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)v 雪崩增益随反向偏压变化的非线性十分突出，如图所示。雪崩增益随反向偏压变化的非线性十分突出，如图所示。要得到足够的增益，必须在接近击穿电压下工作，而击要得到足够的增益，必须在接近击穿电压下工作，而击穿电压对温度很敏感。穿电压对温度很敏感。APD的平均雪崩增益的平均雪崩增益2023-1-23.2.2 3.2.2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)v 4噪声特性噪声特性v APD中的噪声除了量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声中的噪声除了量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声之外，还有附加的倍

19、增噪声。雪崩倍增效应不仅对信号之外，还有附加的倍增噪声。雪崩倍增效应不仅对信号电流有放大作用，对噪声电流也有放大作用。电流有放大作用，对噪声电流也有放大作用。v 雪崩过程产生的载流子是随机的，也会引入新的噪声成雪崩过程产生的载流子是随机的，也会引入新的噪声成分。用附加噪声因子描述雪崩效应的随机性引起的噪声分。用附加噪声因子描述雪崩效应的随机性引起的噪声增加的倍数。增加的倍数。x为附加噪声指数。为附加噪声指数。Si：x=1.3-0.5；Ge：x=0.6-1.0；InGaAsP：x=0.5-0.7xGF 2023-1-2 APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较是有增益的光电二极管，在光

20、接收机灵敏度要求较高的场合，采用高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。但是采用有利于延长系统的传输距离。但是采用APD要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了成本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用加了成本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用PINPD。SiPIN和和APD用于短波长用于短波长(0.85m)光纤通信系统。光纤通信系统。InGaAs PIN用于长波长用于长波长(1.31m和和1.55 m)系统，性能非常稳定，系统，性能非常稳定，通通常把它和使用场效应管常把它和使用场效应管(FET)的前置放大器集成在同一基片上

21、，的前置放大器集成在同一基片上，构成构成FET PIN接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的性接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的性能。表能。表3和表和表4列出半导体光电二极管列出半导体光电二极管(PIN和和APD)的一般性能。的一般性能。3.2.3 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用2023-1-23.2.3 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用表表3 PIN光电二极管一般性能光电二极管一般性能2023-1-23.2.3 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用2023-1-2 这种组件已经得到广泛应用。新近研究的这种组件已经得到广泛应用。新近研究的I

22、nGaAs APD的特点是响应速度快，传输速率可达几到十几的特点是响应速度快，传输速率可达几到十几Gb/s，适用于适用于超高速光纤通信系统。由于超高速光纤通信系统。由于GeAPD的暗电流和附加噪声指数的暗电流和附加噪声指数较大，很少用于实际通信系统。较大，很少用于实际通信系统。3.2.3 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用2023-1-22023-1-23.3 3.3 光无源器件光无源器件 为了实现光信号从发射极值接收机的传输，在整个光为了实现光信号从发射极值接收机的传输，在整个光纤的传输线路上既需要解决由光线损耗、色散及非线性引起纤的传输线路上既需要解决由光线损耗、色散及非线性

23、引起的信号衰减和畸变等问题，还需要解决信号的调制、信号的的信号衰减和畸变等问题，还需要解决信号的调制、信号的选路、线路的连接、光功率的分配、光功率的控制、杂散光选路、线路的连接、光功率的分配、光功率的控制、杂散光的隔离等一系列工程实际问题。的隔离等一系列工程实际问题。在光纤传输线路中，有一类本身不发生光电火电光转在光纤传输线路中，有一类本身不发生光电火电光转换的传输器件，称之为换的传输器件，称之为光无源器件光无源器件2023-1-23.3 3.3 光无源器件光无源器件 常见的光无源器件常见的光无源器件 光隔离器、光环行器、光耦合器、光隔离器、光环行器、光耦合器、光纤连接器、光调制器、光开关等光

24、纤连接器、光调制器、光开关等 光无源器件的功能主要是：连接、导向光路；分配、光无源器件的功能主要是：连接、导向光路；分配、融合光能量；合波和分波等融合光能量；合波和分波等 2023-1-2 连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动活动)连接的器件，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。光纤线路与其他光无源器件之间的连接。接头是实现光纤与光纤之间的永久性接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定固定)连接，主要连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施

25、。连接器件是光用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。连接器件是光纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。连接器有单纤连接器有单纤(芯芯)连接器和多纤连接器和多纤(芯芯)连接器，其特性主连接器，其特性主要取决于结构设计、加工精度和所用材料。单纤连接器结构要取决于结构设计、加工精度和所用材料。单纤连接器结构有许多种类型，其中精密套管结构设计合理、效果良好，适有许多种类型，其中精密套管结构设计合理、效果良好，适宜大规模生产，宜大规模生产，因而得到很广泛的应用。因而得到很广泛的应用。3.3.1 连接器和接头连接器和接头2023-1-23.3.1 连接器和接头连

26、接器和接头光纤连接器一般性能光纤连接器一般性能2023-1-2 套管结构连接器简图套管结构连接器简图 光纤套管插针粘结剂 如图所示，精密套管结构的连接器包括用于对中的套管、带如图所示，精密套管结构的连接器包括用于对中的套管、带有微孔的插针和端面的形状有微孔的插针和端面的形状(图中画出平面的端面图中画出平面的端面)。光纤固。光纤固定在插针的微孔内，两支带光纤的插针用套管对中实现连接。定在插针的微孔内，两支带光纤的插针用套管对中实现连接。要求光纤与微孔、插针与套要求光纤与微孔、插针与套管精密配合。对低插入损耗管精密配合。对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之的连接器，要求两根光纤之间的横向偏移在间的

27、横向偏移在1m以内，以内，轴线倾角小于轴线倾角小于0.5。3.3.1 连接器和接头连接器和接头2023-1-2普通的普通的FC型连接器，光纤端面为平面。对于高反射损耗的连型连接器，光纤端面为平面。对于高反射损耗的连接器，要求光纤端面为球面或斜面，实现物理接触接器，要求光纤端面为球面或斜面，实现物理接触(PC)型。型。套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢，但插针材料用套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢，但插针材料用ZrO2陶瓷最理想。陶瓷最理想。ZrO2陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数和光纤相近，使连接器的和光纤相近，使连接器的寿命寿命(插拔次数插拔次数)和工作

28、温度和工作温度范围范围(插入损耗变化插入损耗变化0.1 dB)大大改善。大大改善。套管结构连接器简图套管结构连接器简图 光纤套管插针粘结剂3.3.1 连接器和接头连接器和接头2023-1-2 一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度套管和一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度套管和矩形外壳，配合陶瓷插针构成的，这种方法可以做成矩形外壳，配合陶瓷插针构成的，这种方法可以做成2纤或纤或4纤纤连接器。另一种多纤连接器是把光纤固定在用硅晶片制成的精连接器。另一种多纤连接器是把光纤固定在用硅晶片制成的精密密V形槽内，然后多片叠加并配合适当外壳。这种多纤连接器形槽内，然后多片叠加并配合适当外壳。

29、这种多纤连接器配合高密度带状光缆，配合高密度带状光缆，适用于接入网或局域网的连接。适用于接入网或局域网的连接。对于实现固定连接的接头，国内外大多借助专用自动熔接对于实现固定连接的接头，国内外大多借助专用自动熔接机在现场进行热熔接，也可以用机在现场进行热熔接，也可以用V形槽连接。热熔接的接头平形槽连接。热熔接的接头平均损耗达均损耗达0.05 dB/个。个。3.3.1 连接器和接头连接器和接头2023-1-2 耦合器耦合器是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行光功率再分配的器件。其进行光功率再分配的器件。其功能是把一个输入的光信号分功能是把一个输入

30、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。配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰，耦合器大多与波长无关，与波长相关的一定的反射和串扰，耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器耦合器专称为波分复用器/解复用器。解复用器。3.3.2 光耦合器光耦合器2023-1-21.耦合器类型耦合器类型T形耦合器形耦合器 这是一种这是一种22的的3端耦合器，端耦合器，如图所示，如图所示，其功其功能是把一根光纤输入的光信号按一定比例分配给两根光纤，能是把一根

31、光纤输入的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或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入信号组合在一起，输入一根光纤。一根光纤。主要用作不主要用作不同分路比的功率分配器同分路比的功率分配器或功率组合器。或功率组合器。3.3.2 光耦合器光耦合器T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分2023-1-2星形耦合器星形耦合器 这是一种这是一种nm耦合器，如图所示，其功能是把耦合器，如图所示，其功能是把n根光根光纤输入的光功率组合在一纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给起，均匀地分配给m根光根光纤，纤，m和和n不一定相等。不一定相等。这种耦合器通常用作多端这种

32、耦合器通常用作多端功率分配器。功率分配器。3.3.2 光耦合器光耦合器T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分2023-1-2定向耦合器定向耦合器 这是一种这是一种22的的3端或端或4端耦合器，其功能是分别取出光纤端耦合器，其功能是分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。如图所示，光信号从端中向不同方向传输的光信号。如图所示，光信号从端1传输到传输到端端2，一部分由端一部分由端3输出，输出，端端4无输出；光信号从端无输出；光信号从端2传输到端传输到端1，一部分由端，一部分由端4输出，端输出，端3无输出。定向耦无输出。定向耦合器可用作分路器，不能合器可用作分路器，不能用作

33、合路器。用作合路器。T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分3.3.2 光耦合器光耦合器2023-1-2波分复用器波分复用器/解复用器（合波器解复用器（合波器/分波器）分波器）这是一种与波长有关的耦合器，如图所示。波分复用器这是一种与波长有关的耦合器，如图所示。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，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；解复输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信的多个不同波长的光信号，号，分配给不同的接收分配给不同的接收机。机。T形(a)星 形(b)定向

34、(c)231412N12N(d)波分3.3.2 光耦合器光耦合器2023-1-22.基本结构基本结构 耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有发展前途的有光纤型、微器件型和波导型，途的有光纤型、微器件型和波导型，3.3.2 光耦合器光耦合器光纤型光纤型 把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。这种方法可以构成这种方法可以构成T型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解复用器。波分解复用器。2023-1-2 光纤型耦合器光纤型耦合器 (a)定向耦合器；定向

35、耦合器；(b)88星形耦合器；星形耦合器；(c)由由12个个22耦合器组成的耦合器组成的88星星形耦合器形耦合器 输入光光强度光纤a光纤b 输出光2341(a)(b)123456789101112(c)3.3.2 光耦合器光耦合器2023-1-2微器件型微器件型 用自聚焦透镜和分光片用自聚焦透镜和分光片(光部分透射，部分反射光部分透射，部分反射)、滤光、滤光片片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅或光栅(不同波不同波长的光有不同反射方向长的光有不同反射方向)等微光学器件可以构成等微光学器件可以构成T型耦合器、型耦合器、定向耦合器和波分解复用器。定向

36、耦合器和波分解复用器。3.3.2 光耦合器光耦合器2023-1-2微器件型耦合器微器件型耦合器(a)T形耦合器；形耦合器；(b)定向耦合器；定向耦合器；(c)滤光式解复用器；滤光式解复用器；(d)光栅式解复光栅式解复光纤自聚焦透镜自聚焦透镜光纤滤光片1、2121231 2 3光纤自聚焦透镜硅光栅光纤自聚焦透镜分光片1342(b)(a)(c)(d)3.3.2 光耦合器光耦合器2023-1-2波导型波导型 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，撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择

37、，一般是一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。如图示出波导型横截面为矩形或半圆形。如图示出波导型T型耦合器、定向耦合器和用滤光片作为波长选择元件的波型耦合器、定向耦合器和用滤光片作为波长选择元件的波分解复用器。分解复用器。3.3.2 光耦合器光耦合器2023-1-2 波导型耦合器波导型耦合器光 波 导开 角(a)(b)(c)多 模 波 导多 层 膜 滤 光 片单 模 波 导1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m3.3.2 光耦合器光耦合器光 波 导开 角(a)(b)(c)多 模 波 导多 层 膜 滤 光 片单 模 波 导1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m光 波 导开 角(a)(

38、b)(c)多 模 波 导多 层 膜 滤 光 片单 模 波 导1.5 5 m1.5 5 m1.3 m1.3 m2023-1-23.描述光耦合器特性的一些技术参数描述光耦合器特性的一些技术参数%1001NnonocotocppPPCR3.3.2 光耦合器光耦合器耦合比耦合比CR 是一个指定输出的光功率是一个指定输出的光功率Poc和全部输出端的光功率总和和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用的比值，用%表示表示)1lg(10CRLS 则定义功率分路损耗则定义功率分路损耗2023-1-23.3.2 光耦合器光耦合器附加损耗附加损耗Le 由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的由散射、吸收和器

39、件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分的比值，用分贝表示贝表示NnonNninotitePPpPL11lg10lg102023-1-23.3.2 光耦合器光耦合器插入损耗插入损耗Lt 是一个指定输入端的光功率是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出的光功和一个指定输出的光功率率Poc的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示ocictpPLlg10插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有插入损耗是各输出端口的输出功率状况，不仅与固有损耗有关，而且与耦合比有很大的关系。关，而且与耦合比有很大的关系。2

40、023-1-23.3.2 光耦合器光耦合器方向性方向性DIR（隔离度）（隔离度）是一个指定输入端的光功率是一个指定输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其他和由耦合器反射到其他端的光功率端的光功率Pt的比值，用分贝表示的比值，用分贝表示ticpPDIRlg10方向性是光耦合器特有的技术指标方向性是光耦合器特有的技术指标,是衡量器件定向传输特性是衡量器件定向传输特性的参数。的参数。一致性一致性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。端耦合比的等同性。2023-1-23.3.2 光耦合器光耦合器2023-1-23.3.2 光耦

41、合器光耦合器2023-1-2 光隔离器是一种只允许光波沿一个方向上传输，阻止光光隔离器是一种只允许光波沿一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输的器件。波往其他方向特别是反方向传输的器件。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射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。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，对正向入插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好。越大越好。目前插入损耗的典型值约

42、为目前插入损耗的典型值约为1dB，隔离度的典型值的大致隔离度的典型值的大致范围为范围为4050dB。3.3.3 光隔离器光隔离器2023-1-2v 光纤准直器光纤准直器(Optical fiber Collimator)(Optical fiber Collimator)光纤准直器由自聚焦透镜和单模光纤组成，对光纤中传输光纤准直器由自聚焦透镜和单模光纤组成，对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤之间的耦合效率。的高斯光束进行准直，以提高光纤之间的耦合效率。v 法拉第旋转器法拉第旋转器(Faraday Rotator)(Faraday Rotator)1845 1845年法拉第发现，原来不具

43、有旋光性的物质在磁场作用年法拉第发现，原来不具有旋光性的物质在磁场作用下，偏振光通过该物质时其偏振面将发生旋转，旋转角下，偏振光通过该物质时其偏振面将发生旋转，旋转角度为度为 ，其中，其中，V V为为VerdetVerdet常数；常数；L L为光在介质中为光在介质中的传输距离；的传输距离；B B为磁感应强度。为磁感应强度。VLB3.3.3 光隔离器光隔离器1.光隔离器中使用的光学元件光隔离器中使用的光学元件2023-1-2v 偏振器偏振器(Polarizator)双折射晶体被加工成楔形，入射光沿非光轴方向入双折射晶体被加工成楔形，入射光沿非光轴方向入射，出射光分为偏振方向正交的两束线偏光射，出

44、射光分为偏振方向正交的两束线偏光o 光和光和e 光。光。薄膜起偏分束器是由人造各向异性薄膜起偏分束器是由人造各向异性介质制作的，其结构如图所示。两种电介质制作的，其结构如图所示。两种电介质材料周期性层叠，厚度周期小于波介质材料周期性层叠，厚度周期小于波长。长。o 光和光和e光的分离角度由两种材料的光的分离角度由两种材料的折射率、厚度、以及入射角度决定。折射率、厚度、以及入射角度决定。3.3.3 光隔离器光隔离器2023-1-2 线栅起偏器由金属和电介质周期线栅起偏器由金属和电介质周期交替层叠构成，如图所示。光穿过线交替层叠构成，如图所示。光穿过线栅时，偏振与线栅方向平行的线偏光栅时，偏振与线栅

45、方向平行的线偏光被吸收，垂直线栅方向的线偏光损耗被吸收，垂直线栅方向的线偏光损耗很小，输出线偏光。很小，输出线偏光。v 特种光纤特种光纤 磁敏光纤在制造中掺入稀土元素，具有良好的透光性和法磁敏光纤在制造中掺入稀土元素，具有良好的透光性和法拉第旋光性。拉第旋光性。3.3.3 光隔离器光隔离器2023-1-2 偏振相关型偏振相关型光隔离器的光隔离器的结构示意图结构示意图3.3.3 光隔离器光隔离器2.光隔离器工作原理光隔离器工作原理2023-1-2v 起偏和检偏器的光起偏和检偏器的光轴有轴有4545夹角，入夹角，入射光经过起偏器射光经过起偏器 后成为线偏光，再后成为线偏光，再经过法拉第旋转器，经过

46、法拉第旋转器，偏振面逆时针旋转偏振面逆时针旋转4545，刚好和检偏，刚好和检偏器的光轴器的光轴 方向方向一致，顺利通过。一致，顺利通过。1P2P3.3.3 光隔离器光隔离器2023-1-2v 反射光通过反射光通过 成为成为与检偏器光轴一致与检偏器光轴一致的线偏光，经过法的线偏光，经过法拉第旋转器，由于拉第旋转器，由于磁场不变，光的偏磁场不变，光的偏振面继续顺时针旋振面继续顺时针旋转转4545，成为偏振，成为偏振方向与方向与 光轴垂直光轴垂直的线偏光，不能通的线偏光，不能通过起偏器过起偏器 ，起到，起到了反向隔离的作用。了反向隔离的作用。2P1P1P3.3.3 光隔离器光隔离器2023-1-2然

47、而在实际应用中，入射光的偏振态然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向偏振方向)是任意的，是任意的，并且随时间变化，因此并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变于是隔离器的结构就变复杂了。一种小型的与复杂了。一种小型的与入射光的偏振态无关的入射光的偏振态无关的隔离器结构如图所示。隔离器结构如图所示。3.3.3 光隔离器光隔离器光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP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)2023-1-2 具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器具有任意偏

48、振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP:Spatial Walk off Polarizer)。这个这个SWP的作用是将入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，射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平水平分量偏折通过。两个分量都要通过法拉弟旋转器，分量偏折通过。两个分量都要通过法拉弟旋转器，其偏振态其偏振态都要旋转都要旋转45。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片。这。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片。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，将

49、从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45。因而。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，合在一起输出，如图如图(a)所示。所示。3.3.3 光隔离器光隔离器2023-1-2 另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法另一方面，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，在输入端不能被能被SWP再组合在一起，如图再组合在一起，如图(b)所示，于是就起到隔离作用。所示，于是就起到隔离作用。3.3.3 光隔离器光隔离器光纤输出SWP半 波 片法 拉 弟 旋 转 器SWPSOP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)