程控交換與光纖通信

程控交換與光纖通信第一頁(yè)，共59頁(yè)。如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?。第二?yè)，共59頁(yè)。

3.2.2PIN光電二極管

由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱(chēng)為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。

第三頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.21PIN光電二極管結(jié)構(gòu)第四頁(yè)，共59頁(yè)。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(zhuǎn)換效率用量子效率η或響應(yīng)度ρ表示。量子效率η的定義為一次光生電子-空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值響應(yīng)度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值式中，hf為光子能量，e為電子電荷。

量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。第五頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.22示出量子效率η和響應(yīng)度ρ的光譜特性，由圖可見(jiàn)，Si適用于0.8~0.9μm波段，Ge和InGaAs適用于1.3~1.6μm波段。響應(yīng)度一般為0.5~0.6(A/W)。圖3-22PIN光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系第六頁(yè)，共59頁(yè)。

(2)響應(yīng)時(shí)間和頻率特性。光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間τ。對(duì)于數(shù)字脈沖調(diào)制信號(hào)，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時(shí)間，分別定義為脈沖上升時(shí)間τr和脈沖下降時(shí)間τf。PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間主要由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測(cè)電路RC常數(shù)所確定。第七頁(yè)，共59頁(yè)。

(3)噪聲。

噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(ShotNoise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。

第八頁(yè)，共59頁(yè)。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(guān)系示于圖3.24。隨著反向偏壓的增加，開(kāi)始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱(chēng)為擊穿電壓UB。APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。

第九頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系第十頁(yè)，共59頁(yè)。根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見(jiàn)圖3.25。所以這種器件就稱(chēng)為雪崩光電二極管(APD)。第十一頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖第十二頁(yè)，共59頁(yè)。APD的結(jié)構(gòu)有多種類(lèi)型，如圖3.26示出的N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為拉通型APD。在這種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到Π(P)層，一直抵達(dá)P+接觸層，是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。

圖3.26APD結(jié)構(gòu)圖第十三頁(yè)，共59頁(yè)。1.倍增因子

由于雪崩倍增效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，所以用這種效應(yīng)對(duì)一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來(lái)描述它的放大作用，并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。第十四頁(yè)，共59頁(yè)。

2.過(guò)剩噪聲因子雪崩倍增效應(yīng)不僅對(duì)信號(hào)電流而且對(duì)噪聲電流同樣起放大作用.第十五頁(yè)，共59頁(yè)。

3.2.4光電二極管一般性能和應(yīng)用

表3.3和表3.4列出半導(dǎo)體光電二極管(PIN和APD)的一般性能。APD是有增益的光電二極管，在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場(chǎng)合，采用APD有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)的傳輸距離。但是采用APD要求有較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，結(jié)果增加了成本。因此在靈敏度要求不高的場(chǎng)合，一般采用PIN。

第十六頁(yè)，共59頁(yè)。

Si-PIN和Si-APD用于短波長(zhǎng)(0.85μm)光纖通信系統(tǒng)。InGaAs-PIN用于長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31μm和1.55μm)系統(tǒng)，性能非常穩(wěn)定，通常把它和使用場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，構(gòu)成FETPIN接收組件，以進(jìn)一步提高靈敏度，改善器件的性能。第十七頁(yè)，共59頁(yè)。第十八頁(yè)，共59頁(yè)。第十九頁(yè)，共59頁(yè)。3.3光無(wú)源器件

無(wú)源器件:在光纖傳輸線路中，有一類(lèi)本身不發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的傳輸器件，稱(chēng)之為無(wú)源器件，如光隔離器、光耦合器、光環(huán)行器等。無(wú)源器件的功能各異，概括起來(lái)主要是：連接、導(dǎo)向光路；分配、耦合光的能量；合波分波等作用。另一類(lèi)本身會(huì)發(fā)生光電或電光轉(zhuǎn)換的器件，稱(chēng)之為有源器件，如激光器、光電檢測(cè)器、光放大器等。第二十頁(yè)，共59頁(yè)。

3.3.1連接器和接頭連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng))連接的器件。作用：光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無(wú)源器件之間的連接。

接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無(wú)源器件。第二十一頁(yè)，共59頁(yè)。光纖活動(dòng)連接器可分為單芯型和多芯型。光纖活動(dòng)連接器也有多模和單模之分。第二十二頁(yè)，共59頁(yè)。對(duì)于單芯型的光纖活動(dòng)連接器，其結(jié)構(gòu)可分為調(diào)心型和非調(diào)心型。調(diào)心型是指光纖活動(dòng)連接器內(nèi)部裝有調(diào)心機(jī)構(gòu),它可調(diào)整光纖纖芯的位置,使之達(dá)到最佳耦合。非調(diào)心型光纖活動(dòng)連接器內(nèi)部沒(méi)有調(diào)心機(jī)構(gòu),它靠光纖活動(dòng)連接器結(jié)構(gòu)組件之間的精密配合來(lái)達(dá)到最佳耦合。第二十三頁(yè)，共59頁(yè)。表3.1光纖活動(dòng)連接器第二十四頁(yè)，共59頁(yè)。第二十五頁(yè)，共59頁(yè)。第二十六頁(yè)，共59頁(yè)。常用的套筒結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，一是套筒，二是插針。連接器的插針和套筒可用不銹鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷材料制作。第二十七頁(yè)，共59頁(yè)。光纖活動(dòng)連接器的主要性能指標(biāo)有：

(1)插入損耗：因接入光纖活動(dòng)連接器對(duì)光信號(hào)帶來(lái)的附加損耗，一般在0.5dB以下。(2)重復(fù)性：即每次插拔后其損耗的變化范圍，一般應(yīng)小于±0.1dB。

(3)互換性：是指同一種連接器不同插針替換時(shí)損耗的變化范圍，一般應(yīng)小于±0.1dB。(4)插拔次數(shù)：連接器具有上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插拔的次數(shù)，一般應(yīng)在千次以上。第二十八頁(yè)，共59頁(yè)。

3.3.2光耦合器

耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。1.耦合器類(lèi)型圖3.28示出常用耦合器的類(lèi)型，它們各具不同的功能和用途。

第二十九頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.28常用耦合器的類(lèi)型第三十頁(yè)，共59頁(yè)。

T形耦合器功能:把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖組合在一起。用途：不同分路比的功率分配器或功率組合器星形耦合器功能: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，m和n不一定相等。用途：多端功率分配器。

定向耦合器功能:取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。用途:可用作分路器，不能用作合路器。波分復(fù)用器/解復(fù)用器(也稱(chēng)合波器/分波器)這是一種與波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器，第三十一頁(yè)，共59頁(yè)。

2.基本結(jié)構(gòu)

耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類(lèi)型，其中比較實(shí)用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型。

光纖型是把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件。第三十二頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.29光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個(gè)2×2耦合器組成的8×8星形耦合器第三十三頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.30光纖型波分解復(fù)用器原理圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。第三十四頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.30中光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合理論得到

Pa=cos2(CλL)(3.28a)

Pb=sin2(CλL)

式中，L為耦合器有效作用長(zhǎng)度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長(zhǎng)的耦合系數(shù)。第三十五頁(yè)，共59頁(yè)。微器件型用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，部分反射)、濾光片(一個(gè)波長(zhǎng)的光透射，另一個(gè)波長(zhǎng)的光反射)或光柵(不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向)等微光學(xué)器件可以構(gòu)成T型耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器，如圖3.31所示。第三十六頁(yè)，共59頁(yè)。

圖3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器(b)定向耦合器(c)濾光式解復(fù)用器(d)光柵式解復(fù)第三十七頁(yè)，共59頁(yè)。

波導(dǎo)型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來(lái)選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。第三十八頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.32波導(dǎo)型藕合器第三十九頁(yè)，共59頁(yè)。第四十頁(yè)，共59頁(yè)。3.主要特性

耦合比CR是一個(gè)指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的功率總和Pot的比值第四十一頁(yè)，共59頁(yè)。附加損耗Le全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示

Le=10lg

插入損耗Lt是一個(gè)指定輸入端的光功率Pic和一個(gè)指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示Lt=10lg第四十二頁(yè)，共59頁(yè)。

方向性DIR(隔離度)是一個(gè)輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分貝表示DIR=10lg第四十三頁(yè)，共59頁(yè)。3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

輸入端和輸出端是可以互換的，稱(chēng)之為互易器件。隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離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該器件致使器件性能變壞。第四十四頁(yè)，共59頁(yè)。

插入損耗和隔離度是隔離器的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)正向入射光的插入損耗其值越小越好，對(duì)反向反射光的隔離度其值越大越好。首先介紹一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向。在任何時(shí)刻，電場(chǎng)矢量都可以分解為兩個(gè)正交分量，這兩個(gè)正交分量分別稱(chēng)為水平模和垂直模。

第四十五頁(yè)，共59頁(yè)。法拉第旋轉(zhuǎn)器：由旋光材料組成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無(wú)關(guān)。第四十六頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.34隔離器的工作原理

偏振相關(guān)型

第四十七頁(yè)，共59頁(yè)。空間分離偏振器(SWP)：作用是將入射光分解為兩個(gè)正交偏振分量，讓垂直分量直線通過(guò)，水平分量偏折通過(guò)。半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°。第四十八頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器偏振態(tài)無(wú)關(guān)型隔離器第四十九頁(yè)，共59頁(yè)。環(huán)行器除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類(lèi)似。光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。第五十頁(yè)，共59頁(yè)。圖3.36光環(huán)行器(a)三端口；(b)四端口第五十一頁(yè)，共59頁(yè)。3.3.4光調(diào)制器為提高光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量，避免直接調(diào)制激光器時(shí)產(chǎn)生線性調(diào)頻的限制，要采用外調(diào)制方式，把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開(kāi)。

調(diào)制器可以用電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。最有用的調(diào)制器是利用具有強(qiáng)電光效應(yīng)的鈮酸鋰(LiNbO3)晶體制成的。這種晶體的折射率n和外加電場(chǎng)E的關(guān)系為n=n0+αE+βE2