《光纖通信技術(shù)》教學(xué)PPT

《光纖通信技術(shù)》教學(xué)PPT,光纖通信技術(shù),光纖通信,技術(shù),教學(xué),PPT 第第3章光纖通信器件章光纖通信器件3.1 半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源3.2 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器半導(dǎo)體光電檢測(cè)器3.3 光放大器光放大器3.4 無(wú)源光器件無(wú)源光器件 13.1 半導(dǎo)體光器件光源是光纖通信系統(tǒng)中光發(fā)射機(jī)的重要組成部件，其主要作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖。目前用于光纖通信的光源包括半導(dǎo)體激光器（Laser Diode，LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）。23.1 半導(dǎo)體光器件3.1.1 激光器的物理基礎(chǔ)3.1.2 激光器的工作原理3.1.3 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性3.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器3.1.5 量子阱半導(dǎo)體激光器33.1.1 激光器的物理基礎(chǔ)1光子的概念2費(fèi)米能級(jí)3光和物質(zhì)的相互作用41光子的概念光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.62610-34JS，稱為普朗克常數(shù)；f是光波頻率。人們將這些光量子稱為光子。不同頻率的光子具有不同的能量。光具有波、粒兩重性。52費(fèi)米能級(jí)（1）原子能級(jí)的概念物質(zhì)是由原子組成的，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的。當(dāng)物質(zhì)中原子的內(nèi)部能量變化時(shí)，可能產(chǎn)生光波。電子在原子中圍繞原子核按一定軌道運(yùn)動(dòng)，而且只能有某些允許的軌道。由于在每一個(gè)軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，就相應(yīng)具有一定的電子能量，因此，電子運(yùn)動(dòng)的能量只能有某些允許的數(shù)值。這些所允許的能量值因軌道不同，都是一個(gè)個(gè)地分開的，即是不連續(xù)的。我們把這些分立的能量值稱為原子的不同能級(jí)。62費(fèi)米能級(jí)（2）費(fèi)米能級(jí)電子按能量大小的分布確有一定的規(guī)律。電子占據(jù)能級(jí)的概率遵循費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：在熱平衡條件下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律是物質(zhì)粒子能級(jí)分布的基本規(guī)律，它反映了物質(zhì)中的電子按一定規(guī)律占據(jù)能級(jí)。7圖3-1 費(fèi)米分布函數(shù)變化曲線 83光和物質(zhì)的相互作用光可以被物質(zhì)吸收，也可以從物質(zhì)中發(fā)射。在研究光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，愛(ài)因斯坦指出，這里存在著三種不同的基本過(guò)程，即自發(fā)輻射、受激吸收以及受激輻射。93光和物質(zhì)的相互作用（1）自發(fā)輻射發(fā)射光子的頻率自發(fā)輻射的特點(diǎn)如下：這個(gè)過(guò)程是在沒(méi)有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，是自發(fā)躍遷。輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬。電子的發(fā)射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。103光和物質(zhì)的相互作用圖3-2 原子的自發(fā)輻射113光和物質(zhì)的相互作用（2）受激吸收物質(zhì)在外來(lái)光子的激發(fā)下，低能級(jí)上的電子吸收了外來(lái)光子的能量，而躍遷到高能級(jí)上，這個(gè)過(guò)程叫做受激吸收。受激吸收的特點(diǎn)如下。這個(gè)過(guò)程必須在外來(lái)光子的激發(fā)下才會(huì)產(chǎn)生，因此是受激躍遷。外來(lái)光子的能量要等于電子躍遷的能級(jí)之差。受激躍遷的過(guò)程不是放出能量，而是消耗外來(lái)光能。123光和物質(zhì)的相互作用圖3-3 原子的受激吸收 133光和物質(zhì)的相互作用（3）受激輻射處于高能級(jí)E2的電子，當(dāng)受到外來(lái)光子的激發(fā)而躍遷到低能級(jí)E1時(shí)，放出一個(gè)能量為hf的光子。由于這個(gè)過(guò)程是在外來(lái)光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，因此叫做受激輻射。受激輻射的特點(diǎn)如下。外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差。受激過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子。這個(gè)過(guò)程可以使光得到放大。143光和物質(zhì)的相互作用圖3-4 原子的受激輻射 153.1.2 激光器的工作原理激光器是指能夠產(chǎn)生激光的自激振蕩器。要使得光產(chǎn)生振蕩，必須先使光得到放大，而產(chǎn)生光放大的前提，由前面的討論可知，是物質(zhì)中的受激輻射必須大于受激吸收。受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。163.1.2 激光器的工作原理1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大之間的關(guān)系 2激光器的基本組成 3光學(xué)諧振腔 4激光器的參量 171粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大之間的關(guān)系在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光放大作用要想物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射作用大于受激吸收作用，也就是必須使N2N1。這種粒子數(shù)一反常態(tài)的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。將處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為增益物質(zhì)或激活物質(zhì)。182激光器的基本組成激光振蕩器必須包括以下三個(gè)部分：能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源，能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。193光學(xué)諧振腔 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)。在增益物質(zhì)兩端，適當(dāng)?shù)奈恢?，放置兩個(gè)反射鏡M1和M2互相平行，就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔。如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔。對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，如M1的反射系數(shù)r=1；另一個(gè)為部分反射，如M2的反射系數(shù)r1，產(chǎn)生的激光由此射出。諧振腔如何產(chǎn)生激光振蕩。203光學(xué)諧振腔圖3-5 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 213光學(xué)諧振腔圖3-6 激光器示意圖 223光學(xué)諧振腔綜合上述分析可知，要構(gòu)成一個(gè)激光器，必須具備以下三個(gè)組成部分：工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔。工作物質(zhì)在泵浦源的作用下發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活物質(zhì)，從而有光的放大作用。激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。234激光器的參量（1）平均衰減系數(shù)在光學(xué)諧振腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩的先決條件是放大的光能要足以抵消腔內(nèi)的損耗。諧振腔內(nèi)損耗的大小用平均衰減系數(shù)表示為 244激光器的參量（2）增益系數(shù)激活物質(zhì)的放大作用用增益系數(shù)G來(lái)表示。G表示光通過(guò)單位長(zhǎng)度的激活物質(zhì)之后，光強(qiáng)增長(zhǎng)的百分比。254激光器的參量圖3-7 激活物質(zhì)的放大作用 264激光器的參量（3）閾值條件將激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件閾值條件為其中Gt稱為閾值增益系數(shù)。激光器的閾值條件只決定于光學(xué)諧振腔的固有損耗。損耗越小，閾值條件越低，激光器就越容易起振。274激光器的參量（4）諧振頻率諧振頻率是光學(xué)諧振腔的重要參數(shù)。光學(xué)諧振腔的諧振條件或稱駐波條件283.1.3 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性 半導(dǎo)體激光器是有閾值的器件，它和發(fā)光二極管（LED）同屬半導(dǎo)體發(fā)光器件。光纖通信對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光器件的基本要求有下列幾點(diǎn)。（1）光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)符合目前光纖的三個(gè)低損耗窗口,即短波長(zhǎng)波段的0.85m、長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的1.31m與1.55m。（2）能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。（3）與光纖的耦合效率高。（4）光源的譜線寬度窄。（5）壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定。293.1.3 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作特性1半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理 2半導(dǎo)體激光器的工作特性 301半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理用半導(dǎo)體材料作為激活物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器。在半導(dǎo)體激光器中，從光振蕩的形式上來(lái)看，主要有兩種方式構(gòu)成的激光器，一種是用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀羅諧振腔），這種激光器稱為F-P腔激光器；另一種是分布反饋型（DFB）激光器。311半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。321半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-9 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖 331半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-10 InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器示意圖 341半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理半導(dǎo)體的能帶分布。本征半導(dǎo)體的能帶分布。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的形成。在重?fù)诫s情況下，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的能帶分布。P-N結(jié)外加正偏壓后的能帶分布以及激光的產(chǎn)生。351半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-11 本征半導(dǎo)體的能帶分布 361半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-12 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體重?fù)诫s能帶圖371半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-13 P-N結(jié)空間電荷區(qū) 381半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理 P-N結(jié)外加正偏壓后的能帶分布以及激光的產(chǎn)生。P-N結(jié)空間電荷區(qū)的形成。P-N結(jié)形成后的能帶分析。P-N結(jié)外加正偏壓后的能帶分布。激光的產(chǎn)生。391半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-14 P-N結(jié)形成后的能帶分布 401半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-15 外加正偏壓后P-N結(jié)的能帶分布 412半導(dǎo)體激光器的工作特性（1）閾值特性對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流值稱為閾值電流，用It表示。（2）光譜特性半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。激光器產(chǎn)生的激光有多模和單模。422半導(dǎo)體激光器的工作特性 圖3-16 激光器輸出特性曲線 432半導(dǎo)體激光器的工作特性（2）光譜特性半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。激光器產(chǎn)生的激光有多模和單模。442半導(dǎo)體激光器的工作特性 圖3-17 GaAs激光器的光譜 452半導(dǎo)體激光器的工作特性（3）溫度特性激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。462半導(dǎo)體激光器的工作特性圖3-18 GaAlAs/GaAs激光器的典型輸出光譜 472半導(dǎo)體激光器的工作特性（4）轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，衡量轉(zhuǎn)換效率的高低常用功率轉(zhuǎn)換效率來(lái)表示。激光器的功率轉(zhuǎn)換效率定義為輸出光功率與消耗的電功率之比，用P表示。482半導(dǎo)體激光器的工作特性圖3-19 激光器閾值電流隨溫度變化的曲線 493.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器 分布反饋半導(dǎo)體激光器是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的單縱模激光器，即在高速調(diào)制下仍然能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的。這種激光器又可分為分布反饋激光器（DFB）及分布布拉格反射激光器兩種，這兩種激光器的工作原理都是基于布拉格反射原理。布拉格反射是指當(dāng)光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)，能夠產(chǎn)生周期性的反射，把這種反射稱為布拉格反射。503.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器 圖3-20 分布反饋半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖 513.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器 1DFB激光器在普通的半導(dǎo)體激光器中，利用在激活物質(zhì)兩端的反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)光反饋。而在DFB激光器中，是通過(guò)腔體內(nèi)的周期光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。523.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器 2 DBR激光器DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)的外面。它相當(dāng)于在有源區(qū)的一側(cè)或兩側(cè)加了一段分布式布拉格反射器，起著衍射光柵的作用，因此可以將它看成是端面反射率隨波長(zhǎng)變化而變化的特殊激光器。DBR激光器的特點(diǎn)和工作特性與DFB激光器類似。但其閾值電流要比DFB激光器的閾值電流高。533.1.4 分布反饋半導(dǎo)體激光器 圖3-21 DBR半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 543.1.5 量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱激光器與一般雙異質(zhì)結(jié)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很薄，屬于雙異質(zhì)結(jié)器件。理論分析表明，當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時(shí)，則在有源層與兩邊相鄰層的能帶將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。結(jié)構(gòu)中這種“阱”的作用使得電子和空穴被限制在極薄的有源區(qū)內(nèi)，因此有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的濃度很高。量子阱半導(dǎo)體激光器還可分為單量子阱和多量子阱激光器。553.1.5 量子阱半導(dǎo)體激光器圖3-22 量子阱半導(dǎo)體激光器 563.2 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器是光纖通信系統(tǒng)中接收端機(jī)中的第一個(gè)部件，由光纖傳輸來(lái)的光信號(hào)通過(guò)它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。它是利用材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。目前在光纖通信系統(tǒng)中，常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，一種是PIN光電二極管，另一種是APD雪崩光電二極管。573.2 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器3.2.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)3.2.2 光纖通信中常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器3.2.3 光電檢測(cè)器的特性583.2.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)是指如下這種情況：光照射到半導(dǎo)體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)帶的電子吸收光子的能量，從價(jià)帶越過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價(jià)帶中出現(xiàn)光空穴，即光電子空穴對(duì)，又稱光生載流子。593.2.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)圖3-23 半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng) 603.2.1 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)當(dāng)光照射在某種材料制成的半導(dǎo)體光電二極管上時(shí)，若有光電子空穴對(duì)產(chǎn)生，顯然必須滿足如下關(guān)系，即 c稱為截止波長(zhǎng)，fc稱為截止頻率。613.2.2 光纖通信中常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器1PIN光電二極管 2APD雪崩光電二極管 621PIN光電二極管圖3-24 PIN光電二極管能帶圖 631PIN光電二極管圖3-25 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖 642APD雪崩光電二極管如果能使電信號(hào)進(jìn)入放大器之前，先在光電二極管內(nèi)部進(jìn)行放大，這就引出了一種另外類型的光電二極管，即雪崩光電二極管，又稱APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其內(nèi)部放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)而完成的。652APD雪崩光電二極管（1）雪崩光電二極管的雪崩倍增效應(yīng)（2）雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)及其工作原理目前光纖通信系統(tǒng)中，使用的雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)型式，有保護(hù)環(huán)型和拉通（又稱通達(dá)）型。雪崩光電二極管隨使用的材料不同有幾種：SiAPD（工作在短波長(zhǎng)區(qū)）；GeAPD，InGaAsAPD等（工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)）。662APD雪崩光電二極管圖3-26 雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)和能帶示意圖 673.2.3 光電檢測(cè)器的特性1響應(yīng)度R0和量子效率 2響應(yīng)時(shí)間 3暗電流ID 4雪崩倍增因子G5倍增噪聲和過(guò)剩噪聲系數(shù)F（G）681響應(yīng)度R0和量子效率響應(yīng)度和量子效率都是描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力的一種物理量。（A/W）光電二極管的響應(yīng)度和量子效率與入射光波頻率有關(guān)。692響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來(lái)表示。一個(gè)快速響應(yīng)的光電檢測(cè)器，它的響應(yīng)時(shí)間一定是短的。上面討論的響應(yīng)時(shí)間是從時(shí)域角度來(lái)看的，若從頻域角度看，短的響應(yīng)時(shí)間即意味這個(gè)器件的帶寬寬。703暗電流ID 理想條件下，當(dāng)沒(méi)有光照射時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無(wú)光電流輸出。但是實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵(lì)，在無(wú)光情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。嚴(yán)格地說(shuō)，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。由理論研究可知，暗電流將引起光接收機(jī)噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。714雪崩倍增因子G雪崩光電二極管還有一個(gè)與雪崩倍增效應(yīng)對(duì)應(yīng)的參量雪崩倍增因子。在忽略暗電流影響條件下，它定義為一般APD的倍增因子G在40100之間。PIN光電管因無(wú)雪崩倍增作用，所以G=1。725倍增噪聲和過(guò)剩噪聲系數(shù)F（G）從物理概念上容易理解，雪崩光電二極管的倍增是具有隨機(jī)性的。這種隨機(jī)性的電流起伏將帶來(lái)附加噪聲，一般稱為倍增噪聲。倍增噪聲可以用過(guò)剩噪聲系數(shù)F（G）來(lái)描述為733.3 光放大器3.3.1 光放大器的分類3.3.2 EDFA的結(jié)構(gòu)與工作原理3.3.3 EDFA的主要特性參數(shù)743.3.1 光放大器的分類從大的方面來(lái)分，光放大器主要包括半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種。半導(dǎo)體光放大器（SOA）是由半導(dǎo)體材料制成的，如果將半導(dǎo)體激光器兩端的反射去除，即變成沒(méi)有反饋的半導(dǎo)體行波光放大器，它能適合不同波長(zhǎng)的光放大。光纖放大器又包括兩種。非線性光纖放大器摻鉺光纖放大器（EDFA）753.3.1 光放大器的分類摻鉺光纖放大器的主要優(yōu)點(diǎn)如下。（1）工作波長(zhǎng)處在1.531.56m范圍，與光纖最小損耗窗口一致。（2）對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)的泵浦功率低，僅需幾十毫瓦；而拉曼放大器需0.51W的泵浦源進(jìn)行激勵(lì)。（3）增益高、噪聲低、輸出功率大，它的增益可達(dá)40dB，噪聲系數(shù)可低至34dB，輸出功率可達(dá)1420dBm。（4）連接損耗低，因?yàn)槭枪饫w型放大器，因此與光纖連接比較容易，連接損耗可低至0.1dB。763.3.2 EDFA的結(jié)構(gòu)與工作原理 1EDFA的基本結(jié)構(gòu)2EDFA的工作原理771EDFA的基本結(jié)構(gòu)圖3-27 摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖 782EDFA的工作原理圖3-28 鉺離子能帶圖 792EDFA的工作原理圖3-29 鉺離子的吸收譜 802EDFA的工作原理圖3-30 EDFA的泵浦方式 813.3.3 EDFA的主要特性參數(shù)1功率增益2飽和輸出功率3噪聲系數(shù)821功率增益功率增益定義為 功率增益=10log（輸出光功率/輸入光功率)它表示了光放大器的放大能力，增益的大小與泵浦光功率以及光纖長(zhǎng)度等諸因素有關(guān)。831功率增益圖3-31 摻鉺光纖放大器功率增益與泵浦功率間的關(guān)系 841功率增益圖3-32 摻鉺光纖放大器功率增益與光纖長(zhǎng)度間的關(guān)系 852飽和輸出功率輸出飽和功率是一個(gè)描述輸入信號(hào)功率與輸出信號(hào)功率之間關(guān)系的參量。在摻鉺光纖放大器中，輸入信號(hào)功率和輸出信號(hào)功率并不完全成正比關(guān)系，而是存在著飽和的趨勢(shì)。摻鉺光纖放大器的最大輸出功率常用3dB飽和輸出功率來(lái)表示。862飽和輸出功率圖3-33 摻鉺光纖放大器輸出飽和功率曲線 872飽和輸出功率圖3-34 摻鉺光纖放大器的增益飽和特性 883噪聲系數(shù) 摻鉺光纖放大器噪聲的主要來(lái)源包括：信號(hào)光的散彈噪聲，信號(hào)光波與放大器自發(fā)輻射光波之間的差拍噪聲，被放大的自發(fā)輻射光的散彈噪聲，光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波間差拍噪聲。摻鉺光纖放大器噪聲特性可用噪聲系數(shù)F來(lái)表示，它定義為F=放大器的輸入信噪比/放大器的輸出信噪比893.4 無(wú)源光器件3.4.1 光定向耦合器3.4.2 光隔離器與光環(huán)行器3.4.3 光濾波器3.4.4 光開關(guān)3.4.5 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器3.4.6 波分復(fù)用器3.4.7 光纖光柵903.4.1 光定向耦合器1光定向耦合器的結(jié)構(gòu) 2光纖式定向耦合器的參數(shù) 911光定向耦合器的結(jié)構(gòu)光定向耦合器按其結(jié)構(gòu)不同可分為棱鏡式和光纖式兩類。921光定向耦合器的結(jié)構(gòu)圖3-35 棱鏡式和光纖式定向耦合器 932光纖式定向耦合器的參數(shù)（1）隔離度A。（2）插入損耗L。（3）分光比T。943.4.2 光隔離器與光環(huán)行器 1光隔離器的基本原理和結(jié)構(gòu) 2光環(huán)行器 3光隔離器與光環(huán)行器的主要性能參數(shù) 951光隔離器的基本原理和結(jié)構(gòu)圖3-36 光隔離器的工作原理圖 962光環(huán)行器圖3-37 三端口光環(huán)行器 973光隔離器與光環(huán)行器的主要性能參數(shù)對(duì)于光隔離器與光環(huán)行器來(lái)講，它們都是希望從輸入端口輸入的光信號(hào)到輸出端口時(shí)，衰減盡量小，即要求器件的插入損耗要小；對(duì)于不應(yīng)有輸出的端口，要求隔離度要高。器件典型的插入損耗為1dB左右，隔離度為4050dB。983.4.3 光濾波器圖3-38 F-P腔光濾波器 993.4.3 光濾波器F-P腔型光濾波器的主體是F-P諧振腔。描述F-P腔型光濾波器的特性參數(shù)主要是自由譜域（FSR）及帶寬（BW）。（1）自由譜域（FSR）：為相鄰波長(zhǎng)之間的距離（2）帶寬（BW）：為諧振峰降至一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻帶寬度，又稱為3dB帶寬。1003.4.4 光開關(guān)能夠控制傳輸通路中光信號(hào)通或斷或進(jìn)行光路切換作用的器件，稱為光開關(guān)。光開關(guān)是全光交換技術(shù)中的關(guān)鍵器件。光開關(guān)一般包括兩種：機(jī)械式光開關(guān)和電子式光開關(guān)。1013.4.4 光開關(guān)圖3-39 機(jī)械式光開關(guān) 1023.4.4 光開關(guān)圖3-40 電子式光開關(guān) 1033.4.5 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 能夠使信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)的器件稱為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器根據(jù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換機(jī)理可分為光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器比較容易實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是與偏振無(wú)關(guān)；主要缺點(diǎn)是由于速度受電子器件限制，因此不適應(yīng)高速大容量光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的要求。全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器技術(shù)主要由半導(dǎo)體光放大器（SOA）構(gòu)成。1041光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器圖3-41 光電光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器1052全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器圖3-42 全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器1063.4.6 波分復(fù)用器在一根光纖中能同時(shí)傳輸多波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù)，稱為光波分復(fù)用技術(shù)（WDM）。如果在系統(tǒng)發(fā)送端采用此技術(shù)，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合起來(lái)送入光纖傳輸?shù)脑O(shè)備稱為光波分復(fù)用器。在系統(tǒng)接收端可通過(guò)解復(fù)用器（分波器），將組合在一起的光信號(hào)分離并送入不同的終端。1073.4.6 波分復(fù)用器1光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理 2光波分復(fù)用器 1081光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理光波分復(fù)用器是對(duì)光波波長(zhǎng)進(jìn)行合成與分離的光器件。由光波分復(fù)用器構(gòu)成的光波分復(fù)用系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)分，可分為單纖單向WDM系統(tǒng)和單纖雙向WDM系統(tǒng)。1091光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-43 單纖單向結(jié)構(gòu)WDM傳輸系統(tǒng) 1101光波分復(fù)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-44 單纖雙向結(jié)構(gòu)WDM傳輸系統(tǒng) 1112光波分復(fù)用器（1）光波分復(fù)用器的工作原理器件的各端口可以作為輸入端口，也可以作為輸出端口。1122光波分復(fù)用器圖3-45 WDM光傳輸原理圖 1132光波分復(fù)用器（2）光波分復(fù)用器的光學(xué)特性 復(fù)用器復(fù)用器的光學(xué)特性可以用給定的輸入端口的插入損耗波長(zhǎng)關(guān)系曲線表示。解復(fù)用器解復(fù)用的光學(xué)特性，可以用輸入端到N個(gè)輸出端的各信道的波長(zhǎng)插入損耗關(guān)系曲線來(lái)表達(dá) 1142光波分復(fù)用器圖3-46 復(fù)用器插入損耗波長(zhǎng)關(guān)系曲線 1152光波分復(fù)用器圖3-47 解復(fù)用器波長(zhǎng)插入損耗關(guān)系曲線 1162光波分復(fù)用器 中心波長(zhǎng)和中心波長(zhǎng)的工作范圍 中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的最小插入損耗L1和L2 相鄰信道之間串音耦合最大值L12和L231172光波分復(fù)用器（3）熔融光纖型波分復(fù)用器熔融光纖型是指將兩根光纖緊靠在一起并通過(guò)加熱使兩光纖熔接而成。這種復(fù)用器非常便于與光纖通信系統(tǒng)耦合連接，而且插入損耗極小，且體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。1182光波分復(fù)用器圖3-48 熔融光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖 1193.4.7 光纖光柵光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的一種光纖無(wú)源器件。它是利用光纖中的光敏性而制成的。光敏性是指當(dāng)外界入射的紫外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)而發(fā)生永久性改變。人們利用這種效應(yīng)可在幾厘米之內(nèi)寫入折射率分布光柵，稱為光纖光柵。光纖光柵最顯著的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于與光纖耦合，而且它具有高波長(zhǎng)選擇性。1203.4.7 光纖光柵圖3-49 光纖布拉格光柵濾波器 121