光纤通信器件

13.2半导体光电检测器•光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电•目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检测器有两种：•（1）PIN光电二极管•（2）APD雪崩光电二极管23.2半导体光电检测器3.2.1半导体的光电效应3.2.2光纤通信中常用的半导体光电检测器3.2.3光电检测器的特性33.2.1半导体的光电效应•半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子—空穴对，43.2.1半导体的光电效应•半导体材料的光电效应53.2.1半导体的光电效应•当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子—空穴对产生，显然必须满足如下关系，即•λc称为截止波长，fc称为截止频率。gcgcEhchEf63.2.2光纤通信中常用的半导体光电检测器1．PIN光电二极管2．APD雪崩光电二极管71．PIN光电二极管•PIN光电二极管能带图8PIN光电二极管工作原理9PIN光电二极管结构•PIN光电二极管结构示意图102．APD雪崩光电二极管•如果能使电信号进入放大器之前，先在光电二极管内部进行放大，这就引出了一种另外类型的光电二极管，即雪崩光电二极管，又称APD（AvalanchePhotoDiode•它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其内部放大作用是靠管子内部的雪崩倍112．APD雪崩光电二极管（1（2•目前光纤通信系统中，使用的雪崩光电二极管结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。•雪崩光电二极管随使用的材料不同有几种：Si—APD（工作在短波长区）；Ge—APD，InGaAs—APD等（工作在长波长区）。12（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应13APD雪崩光电二极管结构•雪崩光电二极管的结构和能带示意图14雪崩光电二极管RAM-APD的场分布15（2）雪崩光电二极管的结构及其工作原理163.2.3光电检测器的特性1．响应度R0和量子效率η2．响应时间3．暗电流ID4．雪崩倍增因子G5．倍增噪声和过剩噪声系数F（G）171．响应度R0和量子效率η•响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的一种物理量。••光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率、材料的特性及器件的结构有关。pp00p000//A/WPA/WIeIhfPhfPeIReRhf每秒光生电子－空穴对＝＝＝每秒入射光子数182．响应时间•响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流随入射光信号变化快慢的状态。••一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短•上面讨论的响应时间是从时域角度来看的，若从频域193．暗电流ID•理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。•严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。•由理论研究可知，暗电流将引起光接收机噪声204．雪崩倍增因子G•雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参量—雪崩倍增因子。•在忽略暗电流影响条件下，它定义为•一般APD的倍增因子G在40～100之间。PIN光电管因无雪崩倍增作用，所以G=1。oPIGI215．倍增噪声和过剩噪声系数F（G）•从物理概念上容易理解，雪崩光电二极管的倍增是具有随机性的。•这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍增噪声。•倍增噪声可以用过剩噪声系数F（G）来描述为2222)(GgggGFg是每个初始电子-空穴对因雪崩效应产生二次电子-空穴对的随机数223.3无源光器件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光开关3.3.5光滤波器3.3.6波长转换器3.3.7波分复用器3.3.8光纤光栅3.3.9光调制器23•1、作用•2、工作原理及结构•3、性能参数243.3.1连接器和接头•光纤连接方法包括光纤熔接法、V型槽机械连接和弹性管连接。第一种方法可产生永久性的连接，而后两种连接方法在需要时可以将已连接的光纤拆开。•光纤熔接•作用：实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。•连接器•作用：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。251.光纤熔接26272.连接器•V型槽机械连接•弹性管连接28•在V型槽机械连接方法中，首先要将预备好的光纤端面紧靠在一起，如图所示。然后将两根光纤使用粘合剂连接在一起或先用盖片将两根光纤固定。V型通道既可以是槽状石英、塑料、陶瓷，也可以是金属基片作成槽状。这种方法的连接损耗在很大程度上取决于光纤的尺寸(外尺寸和纤芯直径)变化和偏心度(纤芯相对于光纤中心的位置)。待连接的光纤在此处使用环氧化物将光纤端面粘贴在一起或将光纤夹紧以定位V型槽基底29•上图为弹性管连接装置的剖面图。这是一种可以自动进行横向、纵向、角度对准的独特器件。使用它连接多模光纤可以得到和商用熔接机同一大小范围的连接损耗，但它所需要的设备和技巧却要少得多。这种连接器件基本上就是一根用弹性材料做成的管子。管子中心孔的尺寸稍小于待连接的光纤。在孔的两端做成圆锥形以便于光纤插入。当插入光纤时，光纤使孔膨胀，于是塑料材料对光纤施加均匀的力。插入光纤毛细管尺寸小于光纤半径锥型开口弹性材料轴向对准插入光纤30常用的几种连接器光纤连接器常采用螺丝卡口、卡销固定、推拉式三种结构。对接类型的连接器采用金属、陶瓷或模制塑料的套圈，这些套圈可以很好地适配每根光纤和精密套管。将光纤涂上环氧树脂后插入套圈内的精密孔中。套圈连接器对机械结构的要求包括小孔直径尺寸以及小孔相对于套圈外表面的位置。PC型（直接接触型）、FC型（平面对接型）、SC型（矩形）ST型（带键的卡口式）31•1.插入损耗•连接器的一个最重要的性能参数是插入损耗。•插入损耗是由制造商以如下的两个数值提供的：平均值和最大值。一般的连接器平均损耗大约为0.25dB，这个数值可以在0.1～1dB之间浮动。最大损耗大约为0.5dB，变化范围在0.3～1.5dB之间。3.性能参数32•2.回波损耗(简称回损)•对连接器来说，回波损耗的问题起源于一个简单的矛盾现象：为了最小化插入损耗，需要尽可能地将光纤端面抛光，而抛光的端面对光的反射增强，这样回波损耗就产生了。•回射发生在纤芯之间空气的交界面上，为此安装人员提出了有效的解决方法：将两个连接器通过物理接触(PC)来减小它们之间的空气缝隙。现在多数连接器都是利用这种方法安装的。由于制造完美的平面来实现理想的物理接触是不可能的，因此制造商将插针体的端面做成不同的形状，如圆弧形等。性能参数33•3.可重复性（耐用性）•连接器是作为临时连接使用的，应在多次插拔之后仍保持它们的特性。所以可重复性是连接器的一个重要特性。资料表明，连接器在多次插拔之后其插入损耗将增加，通常5000次插拔之后增加量应小于0.2dB。性能参数343.3.2光耦合器光耦合器作用：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．光耦合器的类型22．光纤式耦合器的参数（主要特性）351．光耦合器的类型•光耦合器按其功能及形状不同可分为T形、星形、定向、波分复用器/解复用器。36•T形耦合器这是一种2×2的3端耦合器，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，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输入一根光纤。这种耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组合器。•星形耦合器这是一种n×m耦合器，其功能是把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相等。这种耦合器通常用作多端功率分配器。37定向耦合器这是一种2×2的3端或4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。光信号从端1传输到端2，一部分由端3输出，端4无输出；光信号从端2传输到端1，一部分由端4输出，端3无输出。定向耦合器可用作分路器，不能用波分复用器/解复用器这是一种与波长有关的耦合器(也称合波器/分波器)。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，输入到一根光纤；解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机。38•光耦合器按其结构不同可分为棱镜式和光纤式两类。棱镜棱镜型P1输入端口P2P1P2输出端口拉锥区耦合区拉锥区39402．光耦合器的结构•棱镜式和光纤式耦合器41•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。这种方法可以构成T形耦合器、定向耦合器、星形耦合器和波分解复用器。(a)定向耦合器(b)8×8星形耦合器(c)由12个2×2耦合器组成的8×8星形耦合器42•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)等微光学器件可以构成T形耦合器、定向耦合器和波分解复用器。(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433.主要特性耦合比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NnonocOtOCppPPCR144•功率分路损耗Ls)1lg(10sCRL＝•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NnNnPPpPL1in1inotitelg10lg10＝45•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ocictlg10PPL＝•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他端的光功率Pr的比值，用分贝表示icrDIR10lgPP＝46•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。473.3.3光隔离器与光环行器1．光隔离器的基本原理和结构2．光环行器3．光隔离器与光环行器的主要性能参数48•互易器件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。•非互易器件•隔离器一种非互易器件•作用：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。491．光隔离器的基本原理和结构•光隔离器的工作原理图5051522．光环行器•环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。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。（a）三端口；（b）四端口533．光隔离器与光环行器的主要性能参数•对于光隔离器与光环行器来讲，它们都是希望从输入端口输入的光信号到输出端口时，衰减尽量小，即要求器件的插入损耗要小；对于不•器件典型的插入损耗为1dB左右，隔离度为40～50dB543.3.4光开关•能够控制传输通路中光信号通或断或进行光路切换作用的器件，称为光开关。•作用：转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件，是全光交换技术中的关键器件。55•光开关可分为两大类：•一类是机械光开关，利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换；•一类是固体（电子式）光开关，利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换。•优缺点：机械光开关的优点是插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟；缺点是开关速度慢。固体光开关正相反，优点是开关速度快；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。563.3.4光开关•机械式光开关573.3.4光开关•电子式光开关58•（1）通断消光比。通断消光