光纖通信第3章-正式版

光纖通信第三章通用光器件通信用光器件：光有源器件：需要外加能源驅動工作的光器件。

功能：信號放大、變換等。光無源器件：不需要外加能源驅動工作的光器件。功能：信號傳輸。第三章通用光器件光有源器件：光放大器：摻鉺光纖放大器（EDFA）光源：半導體激光器（LD）分布反饋（DFB）激光器發(fā)光二極管（LED）光檢測器：光電二極管（PD）PIN光電二極管雪崩光電二極管（APD）第三章通用光器件光無源器件：光纖連接器和接頭光耦合器光隔離器與光環(huán)行器光調制器光波分復用器/解復用器光開關第三章通用光器件本章內容：3.1光源3.2光檢測器3.3光無源器件3.1半導體激光器工作的原理和基本結構半導體激光器工作原理和基本結構：1，在向半導體PN結注入電流作用下，電子從低能級躍遷到高能態(tài)，形成粒子數反轉。2，再在入射光的作用下，電子再從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)產生光子而發(fā)光——受激輻射。3，最后，利用光學諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產生激光震蕩的。3.1.1受激輻射和粒子數目反轉分布能級理論——針對一切物質原子由原子核和核外沿固定軌道旋轉的電子組成；電子在特定的能級中運動，并通過與外界交換能量發(fā)生能級躍遷；能級所對應的能量值是離散的。能帶理論——針對半導體材料

價帶導帶處于高能態(tài)（導帶）電子不穩(wěn)定，向低能態(tài)（價帶）躍遷，而能量以光子形式釋放出來，發(fā)射光子的能量hυ等于導帶價帶能量差，即hυ＝Ec-Ev＝Eg。發(fā)光過程：（光和物質作用的方式）3.1.1受激輻射和粒子數目反轉分布

自發(fā)輻射：處于高能態(tài)的電子按照一定的概率自發(fā)地躍遷到低能態(tài)上，并發(fā)射一個能量為E2-E1的光子；

受激輻射：處在高能態(tài)的電子在外界光場的感應下，發(fā)射一個和感應光子一模一樣的光子，躍遷到低能態(tài)。自發(fā)輻射光子隨機地向各個方向發(fā)射，每次發(fā)射沒有確定的相位關系——非相干光。LED通過自發(fā)發(fā)射過程發(fā)光。受激輻射光子的發(fā)射方向、相位、頻率都與激發(fā)它們的光子相同——相干光。LD通過受激發(fā)射過程發(fā)光。3.1.1受激輻射和粒子數目反轉分布受激吸收：處于低能態(tài)電子，如果受到外來光的照射，當光子能量等于或大于禁帶能量時，光子將被吸收而使電子躍遷到高能態(tài)。受激吸收過程：3.1.1受激輻射和粒子數目反轉分布受激吸收：如果入射光子的能量hν近似等于E2-E1，光子能量就會被吸收，同時基態(tài)上的電子躍遷到高能態(tài)。半導體光檢測器基于這種效應。自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收三種過程是同時存在的。

3.1.1受激輻射和粒子數目反轉分布考慮兩能級原子系統(tǒng)。在單位物質中，處于低能級E1和高能級E2的原子數分別為N1和N2。系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，服從玻爾茲曼統(tǒng)計分布：（T為熱力學溫度，玻爾茲曼常數k=1.381×10-23J/K）)N2N1EgkThνkT=exp(?)=exp(?3.1.1受激輻射和粒子數目反轉分布N1>N2：在熱平衡狀態(tài)下，受激吸收居支配地位，不能發(fā)射相干光。N2>N1：受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質時，產生放大作用。這種分布和正常狀態(tài)的分布相反，稱為粒子數反轉。3.1.1PN結的能帶和電子分布半導體（PN結）的能帶：半導體材料的的能級結構不是分離的能級，而是有一定寬度的帶狀結構。價帶（能量較低）導帶（能量較高）禁帶（Efc和Efv

為費密能級） 要使受激輻射大于吸收，達到粒 子數反轉，要求fc(E2)>fv(E1)，即3.1.1PN結的能帶和電子分布

電子在導帶和價帶的占居幾率由 費密—狄拉克分布給出：

11+exp[(E1?Efv)kT]fv(E1)=Efc?Efv>E2?E1>Eg2、半導體激光器中增益區(qū)的形成晶體中載流子的統(tǒng)計分布：費米-狄拉克統(tǒng)計

f(E)=1/[e

(E–Ef)/kK+1]

f(E)：電子的費米分布函數k:玻耳茲曼常數K：絕對溫度Ef：費米能級，它只是反映電子在各能級中分布情況的一個數學參量,位置由電子總數決定。E=Eff(E)=1/2該能級被電子占據概率等于50％E<Eff(E)>1/2該能級被電子占據概率大于50％E>Eff(E)<1/2該能級被電子占據概率小于50％3.1.2PN結半導體光源的核心是PN結，將P型和N型半導體相接觸形成PN結。N型半導體中過剩電子占據了本征半導體的導帶。P型半導體中過剩空穴占據了價帶。1.PN結的形成：(c)兼并型P型半導體(a)本征半導體(b)兼并型N型半導體

3.1.2PN結費密能級：（熱平衡狀態(tài)下）本征半導體的費米能級位于帶隙中間；N型摻雜將使費米能級向導帶移動，P型摻雜使費米能級向價帶移動；對于重摻雜N型半導體，費米能級位于導帶內——兼并型N型半導體；對于重摻雜P型，費米能級位于價帶內——兼并型P型半導體；3.1.2PN結雙兼并型半導體：非熱平衡狀態(tài)時，在Efc和Efv之間形成了一個粒子數反轉區(qū)域。如果入射光波能量滿足：則經過雙兼并型半導體時將得到放大。(d)雙兼并型半導體Eg<hν<Efc?Efv最后，漂移完全抵消了擴散，達到平衡。當P型和N型半導體形成PN結時，載流子（電子、空穴）的濃度（密度）差引起擴散運動；漂移運動的方向與擴散運動相反；為了維持電子－空穴的復合，在PN結上加正向電壓，打破原有平衡；3.1.2PN結正向偏壓：P區(qū)空穴不斷流向N區(qū)，N區(qū)電子流向P區(qū)，通過復合發(fā)光。自發(fā)輻射復合——LED受激輻射復合——LD反向偏壓：區(qū)域內電子和空穴都很少，形成高阻區(qū)。3.1.2PN結3.1.2PN結當正向電壓加大到某一值后，PN結里出現(xiàn)了增益區(qū)（有源區(qū)）。在Efc和Efv之間價帶主要由空穴占據，導帶主要由電子占據，即實現(xiàn)了粒子數反轉。(d)雙兼并型半導體3.激光振蕩和光學諧振腔受激輻射的條件：1，粒子數目反轉分布（受激物質）2，光學諧振腔：只有把激活物質置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。光學諧振腔光學諧振腔的組成：兩個反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構成。又稱：法布里-珀羅(FabryPerot,FP)諧振腔。作用：由于諧振腔內的激活物質具有粒子數反轉分布，可以用它產生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向的光被減弱。反射光經多次反饋，不斷得到放大，方向性得到不斷改善，結果增益大幅度得到提高。

圖3.4激光器的構成和工作原理(a)激光振蕩；(b)光反饋但由于諧振腔內激活物質存在吸收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當增益和損耗相當時，在諧振腔內開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，其閾值條件為γth=α+式中，γth為閾值增益系數，α為諧振腔內激活物質的損耗系數，L為諧振腔的長度，R1，R2<1為兩個反射鏡的反射率激光振蕩的相位條件為L=q式中，λ為激光波長，n為激活物質的折射率，q=1,2,3…稱為縱模模數。

4.半導體激光器基本結構半導體激光器的基本結構同質結和異質結同質結：PN結的兩邊使用相同的半導體材料。雙異質結：在寬帶隙的P型和N型半導體材料之間插進一薄層窄帶隙的材料。半導體激光器的結構多種多樣，基本結構是圖3.5示出的雙異質結(DH)平面條形結構。

圖3.6DH激光器工作原理(a)短波長；(b)長波長(a)雙異質結構；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布DH激光器工作原理1，當施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。P層帶隙寬，導帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。2，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源層內形成粒子數反轉分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。3，有源層的折射率比限制層高，產生的激光被限制在有源區(qū)內，因而電/光轉換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。3.1.2半導體激光器的主要特性光源的主要特性有：1，發(fā)射波長2，光譜特性3，光束的空間分布4，輸出光功率5，入纖功率6，頻率特性7，溫度特性1.發(fā)射波長和光譜特性半導體激光器的發(fā)射波長取決于導帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式(3.1)得到h·f=Eg式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3×108m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到不同半導體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長λ。在直流驅動下，發(fā)射光波長有一定分布，譜線具有明顯的模式結構。（原因是：導帶、價帶是連續(xù)能級

，因而禁帶Eg也是連續(xù)的。）激光器的縱模：只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長，這些波長取決于激光器縱向長度L。（1）隨著驅動電流的增加，縱模模數逐漸減少，譜線寬度變窄。原因：由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產生的）結論：當驅動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。如圖

3.7（a)（2）但在高速率脈沖調制下，隨著調制電流增大，縱模模數增多，譜線寬度變寬。用FP諧振腔可以得到的是直流驅動的靜態(tài)單縱模激光器。如圖3.7（b）如何得到動態(tài)單縱模激光器?必須改變激光器的結構，例如采用分布反饋激光器就可達到目的。

圖3.7GaAlAsDH激光器的光譜特性(a)直流驅動;(b)300Mb/s數字調制

2.激光束的空間分布研究意義：在光學系統(tǒng)中，光源的光束分布對光學系統(tǒng)的設計是一個很重要的參數，影響光耦合到光纖中的技術選擇，并決定耦和效率。激光束的空間分布用近場和遠場來描述。近場：指激光器輸出反射鏡面上的光強分布，遠場：指離反射鏡面一定距離處的光強分布。決定近場和遠場的圖示分布的因素1，平行于PN結平面的寬度w。2，垂直于PN結平面的厚度t。結論1：由圖3.8可以看出，平行于結平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結平面的諧振腔厚度t很薄，這個方向的場圖總是單橫模。結論2：由圖3.9為典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中θ‖和θ⊥分別為平行于結平面和垂直于結平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。圖3.8GaAlAsDH條形激光器的近場圖

3.-9典型半導體激光器的遠場輻射特性和遠場圖樣(a)光強的角分布；(b)輻射光束

3.轉換效率和輸出光功率特性激光器的電/光轉換效率用外微分量子效率ηd表示，其定義是在閾值電流以上，每對復合載流子產生的光子數由此得到式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅動電流，Pth和Ith分別為相應的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。

圖3.10典型半導體激光器的光功率特性(a)短波長AlGaAs/GaAs;(b)長波長InGaAsP/InP

激光器的光功率特性通常用P-I曲線表示，圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線，光功率隨驅動電流的增加而增加。

當I<Ith時激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當I>Ith時，發(fā)出的是受激輻射光，

4.頻率特性在直接光強調制下，激光器輸出光功率P和調制頻率f的關系為P(f)=式中，fτ和ξ分別稱為弛張頻率和阻尼因子，Ith和I0分別為閾值電流和偏置電流；I′是零增益電流，高摻雜濃度的LD，I′=0，低摻雜濃度的LD,I′=(0.7~0.8)Ith；τsp為有源區(qū)內的電子壽命，τph為諧振腔內的光子壽命。圖3.11示出半導體激光器的直接調制頻率特性。弛張頻率fτ是調制頻率的上限，一般激光器的fτ為1~2GHz。在接近fτ處，數字調制要產生弛豫振蕩，模擬調制要產生非線性失真。

圖3.11半導體激光器的直接調制頻率特性

5.溫度特性激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因：一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不激射了。

當以直流電流驅動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴重。當對激光器進行脈沖調制時，閾值電流隨溫度呈指數變化，在一定溫度范圍內，可以表示為Ith=I0exp圖3.12示出脈沖調制的激光器，由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P-I曲線的變化。圖3.12PI曲線隨溫度的變化

3.1.3分布反饋激光器隨著技術的進步，高速率光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和新型光纖通信系統(tǒng)例如波分復用系統(tǒng)的出現(xiàn)，都對激光器提出更高的要求。與由FP諧振腔構成的DH激光器相比，1，要求新型半導體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調制下保持動態(tài)單縱模特性；2，發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實現(xiàn)調諧；3，閾值電流更低，而輸出光功率更大。具有這些特性的動態(tài)單縱模激光器有多種類型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應用的是分布反饋(DistributedFeedBack,DFB)激光器?；仡櫍浩胀す馄饔肍P諧振腔兩端的反射鏡，對激活物質發(fā)出的輻射光進行反饋。對比：DFB激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結構(波紋狀)衍射光柵實現(xiàn)光反饋。特點：衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱為分布反饋激光器。

圖3.13分布反饋(DFB)激光器(a)結構；(b)光反饋分布反饋激光器的原理如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，從一個方向向另一個方向傳播時，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產生更強的反饋，而其他波長的光將相互抵消。

說明：雖然每個波紋峰反射的光不大，但整個光柵有成百上千個波紋峰，反饋光的總量足以產生激光振蕩。DFB激光器相比FP激光器的優(yōu)點①單縱模激光器。②譜線窄，波長穩(wěn)定性好。③動態(tài)譜線好。④線性好。3.1.4發(fā)光二極管激光器（LD）的工作原理：受激輻射光發(fā)光二極管（LED）的工作原理：自發(fā)輻射光組成結構比較;相同點：都采用雙異質結（DH）結構（把有源層夾在P型和N型限制層中間）不同點：LED不需要光學諧振腔，無閾值電流。發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型LED，另一類是側面發(fā)光型LED。兩種類型對比：側面發(fā)光型LED驅動電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。

圖3.14兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側面發(fā)光型同作為光源的發(fā)光二極管（LED）和激光機（LD）比較：發(fā)光二極管（LED）缺點：1，輸出光功率較小2，譜線寬度較寬3，調制頻率較低發(fā)光二極管（LED）優(yōu)點：1，穩(wěn)定，壽命長2制造工藝簡單，價格低廉因此，適用于小容量，短距離的光纖通信系統(tǒng)中。發(fā)光二極管（LED）的工作特性(1)光譜特性。

譜線較寬（波長范圍）。隨著溫度升高或驅動電流增大，譜線加寬，(2)光束的空間分布。

在垂直于發(fā)光平面上，正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布。導致與光纖的耦合效率一般小于10%

(3)輸出光功率特性。1，一般外微分量子效率ηd小于10%。2，入纖光功率低（只有幾百μW。）

(4)頻率特性。

發(fā)光二極管的頻率響應可以表示為|H(f)|=式中，f為調制頻率，P(f)為對應于調制頻率f的輸出光功率，τe為少數載流子(電子)的壽命。定義fc為發(fā)光二極管的截止頻率，當f=fc=1/(2πτe)時，|H(fc)|=，最高調制頻率應低于截止頻率。結論：不論是正面型LED還是側面型LED，調制頻率比較低。如：20~30MHZ（正面型），100~150MHZ（側面型）而LD最高調制頻率為1~2GHz

3.1.5半導體光源一般性能和應用〖ST〗表3.1和表3.2列出半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能。（1）LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統(tǒng)。（2）LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國內外都得到最廣泛的應用。

（3）分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。表3.2分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能

在實際應用中，通常把光源做成組件（封裝，集成），圖3.18示出LD組件構成的實例。偏置電流和信號電流經驅動電路作用于LD，LD正向發(fā)射的光經隔離器和透鏡耦合進入光纖，反向發(fā)射的光經PIN光電二極管轉換進入光功率監(jiān)控器，同時利用熱敏電阻和冷卻元件進行溫度監(jiān)測和自動溫度控制(ATC)。3.2光檢測器光檢測器是光接收機的核心。光檢測器的功能：把光信號轉換為電信號。常用光檢測器：PN光電二極管PIN光電二極管雪崩光電二極管（APD）工作原理：光電效應當入射光作用在PN結時，光子能量大于或等于帶隙能量時，價帶的電子通過受激吸收躍遷至導帶，形成電子-空穴對。當電路閉合時，這些自由載流子的定向流動形成（光）電流。施加反向偏壓可以增強光電流。限制因素：光生電流中的擴散分量，光信號在勢壘區(qū)外吸收所致。p區(qū)光生電子和n區(qū)光生空穴的擴散相當慢，因此擴散電流分量引起時間響應畸變?？朔椒ǎ和ㄟ^減小p區(qū)和n區(qū)厚度減小擴散時間和吸收電能來增大勢壘區(qū)寬度。有兩種改進方案已在光波系統(tǒng)中得到廣泛應用:PIN光電二極管雪崩光電二極管（APD，AvalanchePhotodiode）3.4.1光電二極管結構原理－PN光電二極管3.4.1光電二極管結構原理－PIN光電二極管結構：在PN結中間夾一層摻雜濃度很低的本征半導體（I層）。工作原理：由于I層很厚具有較高電阻，電壓基本上落在該區(qū)，使勢壘區(qū)寬度增加，減小擴散運動影響，提高了響應速度。PIN光電二極管具有如下主要特性：

(1)量子效率和光譜特性。

光電轉換效率用量子效率η或響應度ρ表示。量子效率η的定義為一次光生電子-空穴對和入射光子數的比值

η=每秒光生電子-空穴對/每秒入射光子數=IP/e/P0/hf

響應度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值

ρ=IP/P0=ηe/hf

上式中，hf為每個光子能量，e為電子電荷結論：量子效率和響應度取決于材料的特性和器件的結構——即想要提高量子效率η，I層的寬度W要足夠大。（2）響應時間和頻率特性

PIN光電二極管響應時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層（這里是I層）的渡越時間τd和包括光電二極管在內的檢測電路RC常數所確定。

由渡越時間τd限制的截止頻率fc=0.42/τd=0.42Vs/w上式中渡越時間τd=w/Vs,w為耗盡層寬度，Vs為載流子渡越速度。結論：減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時間τd，從而提高截止頻率fc，但是同時要降低量子效率η。截止頻率fc還可以由檢測電路RC常數所確定。fc=

上式中，Rt為光電二極管的串聯(lián)電阻和負載電阻的總和，Cd為結電容Cj和管殼分布電容的總和。（3）噪聲。噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數，它直接影響光接收機的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產生的散粒噪聲(ShotNoise)和由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產生的熱噪聲。均方散粒噪聲電流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B式中，e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號電流和暗電流。均方熱噪聲電流〈i2T〉=(3.23)式中，k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結果。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為〈i2〉=2e(IP+Id)B+

3.2.3雪崩光電二極管(APD)光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關系示于圖3.24。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當反向偏壓增加到一定數值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據這種特性設計的器件。

雪崩光電二極管APD工作原理：

1，根據光電效應，當光入射到PN結時，光子被吸收而產生電子-空穴對。2，如果電壓增加到使電場達到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動。3，高速運動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產生新的電子-空穴對。4，新產生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增，見圖3.25。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。

圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖APD的工作特性和參數1，倍增系數g:g=輸出光電流/一次光生電流=i0/ip2,APD的響應度比PIN提高了g倍。ρ(APD)=g·ρ(PIN)=g·ηe/hfAPD的噪聲：包括量子噪聲、暗電流噪聲和倍增噪聲。倍增效應對噪聲電流也被放大了。雪崩效應的隨機性引起噪聲增加的倍數為〈i2〉=2ei0Bg2+xAPD的x值一般在0.3～1之間。X=0，<M>x＝1，是理想情況。PIN二極管特點：量子效率高。噪聲小。帶寬較高。APD二極管特點：結構簡單，可靠性高。靈敏度高。電壓低，使用方便。

高增益。 高電壓，結構復雜

噪聲大。3.2.4光電二極管一般性能和應用3.2.4光電二極管一般性能和應用使用場合：PIN：廣泛應用于光纖通信系統(tǒng)。在靈敏度要求不高的場合，一般都采用PIN。APD：在光接收機靈敏度要求較高的場合，采用APD。如：小信號測量。3.2.4光電二極管一般性能和應用Si-PIN/APD用于短波長(0.85μm)光纖通信系統(tǒng)。InGaAs-PIN用于長波長(1.31μm/1.55μm)系統(tǒng)。把InGaAs-PIN和使用場效應管（FET）的前置放大器集成，構成FET-PIN接收組件，可以進一步提高靈敏度，改善器件的性能。3.3光無源器件光無源器件：光纖連接器和接頭光耦合器光波分復用器光隔離器與光環(huán)行器光調制器光開關3.3光無源器件對光無源器件的普遍要求：插入損耗小、反射損耗大。工作溫度范圍寬。性能穩(wěn)定、壽命長。體積小。價格便宜。便于集成。3.3.1連接器和接頭連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接的器件。（活動連接）主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。接頭是實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性連接。（固定連接）主要用于光纖線路的構成。光纖套管插針粘結劑

3.3.1連接器和接頭

對于活動連接，光纖固定在插針的微孔內，兩支帶光纖的插針用套管對中實現(xiàn)連接。 對于FC型連接器，光纖端面為平面。 對于PC型，要求光纖端面為球面或斜面。圖套管結構連接器簡圖3.3.1連接器和接頭光纖固定接頭的方法：–熔接法：使光纖端面加熱并熔接在一起。–V型槽法：采用V型槽或幾根平行棒之間的間隙時光纖準直連接。3.3.2光耦合器耦合器功能：把一個輸入光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。耦合器對線路影響：帶來附加插入損耗、發(fā)射、串擾噪聲。耦合器類型：T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分復用器/解復用器3.3.2光耦合器T形耦合器：2×2的三端耦合器。功能：把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號組合在一起，輸入一根光纖。用作不同分路比的功率分配器或功率組合器。T形(a)……3.3.2光耦合器星形耦合器：n×m耦合器。功能：把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖。常用作多端功率分配器。星形(b)

3.3.2光耦合器定向耦合器：

2×2的3端或4端耦合器。 功能：分別取出光纖中向不同方向傳輸的光信號。 例如：光信號從端1傳輸到端2，一部分由端3輸出 ，端4無輸出。 可用作分路器，不能用作合路器。()定向

(c)2314…3.3.2光耦合器

波分復用器/解復用器：

與波長相關的耦合器稱為波分復用器/解復用器。 波分復用器功能：把多個不同波長的光信號組合在一 起，輸入到一根光纖。 解復用器功能：把一根光纖輸出的多個不同波長的光 信號，分配給不同的接收機。λ1λ2λNλ1＋λ2＋λN波分

(d)3.3.2光耦合器

光耦合器的基本結構：

光纖型、微器件型、波導型

光纖型：把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術制 作各種器件。

(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個2×2耦合器組成的8×8星形耦合器光強度光纖a輸出光234輸入光

1

光纖b(a)(b)123456791011128 (c)

3.3.2光耦合器

微器件型：用自聚焦透鏡和分光片、濾光片或光柵等微光學器件構成。光纖自聚焦透鏡自聚焦透鏡光纖λ1λ1、λ2

λ2λ1λ2

λ3光纖自聚焦透鏡硅光柵光纖自聚焦透鏡分光片

1342(b)定向耦合器(a)T形耦合器

濾光片(c)濾光式解復用器

圖

λ1＋λ2＋λ3

(d)光柵式解復用器微器件型耦合器3.3.2光耦合器波導型：

在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層。光波導開角(a)T形耦合器 (b)定向耦合器(c)波分解復用器多模波導多層膜