光纤第三章-2概要课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2024/10/4,3.2,光 检 测 器,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器（光检测器）。,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输时会有损耗和失真，所以对光检测器的性能,要求很高,。,3.2 光 检 测 器 在光纤传输线路的输出端，必须有一个,3.2,光 检 测 器,光探测器主要有以下几种不同的类型：,光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器等。,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,(,APD,),。,3.2 光 检 测 器光探测器主要有以下几种不同的类型：光,PIN,光电二极管及其工作原理,3.2.1,雪崩光电二极管（,APD,）,3.2.2,光电二极管一般性能和应用,3.1.3,3.2,光 检 测 器,PIN光电二极管及其工作原理3.2.1雪崩光电二极管（APD,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,1,工作原理,光电二极管是一个工作在反向偏压下的,PN,结二极管，其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,3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理1工作原理,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,反向偏压使,PN,结加宽，空间电荷区的载流子基本耗尽了。光入射到,PN,结上，如果光子能量,hf,大于半导体材料的禁带宽度 ，价带上电子可以吸收光子而跃迁到导带产生电子,-,空穴对。,若电子,-,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,P,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，从而把光信号转化成电流信号。,3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理反向偏压使PN结加,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,然而，当入射光子能量小于 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足 ,hf,。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 ，其表示式为,(5.1),对于材料,Si,， ；对于材料,Ge,， 。,光电二极管除了具有上限截止波长外，当入射波长太短时，材料的吸收系数变得很大，光电转换效率也会大幅度下降。,3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理然而，当入射光子能,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,2,光电转换效率,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,R,，当入射光功率为,P,时，光生电流可以表示为,式中， 是零电场表面层厚度； 是耗尽区的厚度；,是吸收系数。,3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理2光电转换效率,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,量子效率定义为,R,也可以用响应度来表示：,(A/W),3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理量子效率定义为,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,要得到高的量子效率，必须采取如下措施：,(1),减小入射表面的反射率；,(2),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，为了得到高的量子效率，常采用,PIN,结构，如图所示。,PIN,光电二极管,3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理要得到高的量子效率,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,I,区是一层接近本征的掺杂很低的,N,区，在这种结构中，零电场区（ 区和 区）非常薄，而低掺杂的,I,区很厚，耗尽层几乎占据了整个,PN,结，从而使光子在耗尽区被充分吸收。,对于,InGaAs,材料的光电二极管，往往还采用异质结结构，耗尽区,(,InGaAs,),夹在宽带隙的,InP,材料之间，而,InP,对于入射光几乎是透明的。,3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理I 区是一层接近本,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,如图给出了几种不同材料,PIN,光电二极管的响应度和量子效率。,几种不同材料,PIN,光电二极管的响应度和量子效率,3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理如图给出了几种不同,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,3,响应速度,响应速度通常用响应时间（上升时间,r,和下降时间,f,）来表示。影响响应速度的主要因素有,(1),光电二极管等效电路的,RC,时间常数,图,5.4,光电二极管的等效电路,3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理3响应速度,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,(2),载流子在耗尽区的渡越时间,(3),耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟,图,5.5,结电容、耗尽区宽度以及零电场区对输出脉冲的影响,4,暗电流,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,1 nA,，,Ge,的光电二极管的暗电流通常几百纳安。,3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理(2) 载流子在耗,3.2.1,PIN,光电二极管的工作原理,5.,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。,3.2.1 PIN 光电二极管的工作原理5. 噪声,3.2.2,雪崩光电二极管,(APD),1,工作原理,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,PN,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,-,空穴对，这个过程称为,碰撞电离,。,通过碰撞电离产生的电子,-,空穴对称为二次电子,-,空穴对。新生的电子,-,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，反向电流增大，称为,雪崩增益,。,3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 1工作原理,3.2.2,雪崩光电二极管,(APD),2,APD,的结构,在,850 nm,，常用的,APD,有保护环形,( GAPD ),和拉通型,( RAPD ),两种。,下图是拉通型,APD,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,3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 2APD的结构,3.2.2,雪崩光电二极管,(APD),当偏压加大到某一值后，耗尽层拉通到 区（本征区）（少量,P,掺杂），一直抵达 接触层，此后若电压再增加，电场增量就在,P,区和 区分布，高场区电场随电压变化相对缓慢，,G-V,曲线的非线性有所改善。,最后给出一些光探测器的性能参数，参见下表。,3.2.2 雪崩光电二极管(APD),3.2.2,雪崩光电二极管,(APD),表,1 Si, Ge, InGaAs PIN,光电二极管的通用工作特性参数,参数,符号,单位,Si,Ge,InGaAs,波长范围,nm,4001000,8001650,11001700,响应度,R,A/W,0.40.6,0.40.5,0.750.95,暗电流,I,n,nA,110,50500,0.52.0,上升时间,ns,0.51.0,0.10.5,0.050.5,带宽,B,GHz,0.30.7,0.53.0,1.02.0,偏压,V,B,V,5,510,5,3.2.2 雪崩光电二极管(APD) 参数符号单位,3.2.2,雪崩光电二极管,(APD),表,2 Si, Ge, InGaAs,雪崩光电二极管的通用工作特性参数,参数,符号,单位,Si,Ge,InGaAs,波长范围,nm,4001000,8001650,11001700,雪崩增益,G,-,20400,50200,1040,暗电流,I,D,nA,0.11,50500,1050,上升时间,ns,0.12,0.50.8,0.10.5,增益带宽积,GB,GHz,100400,210,20250,偏压,V,B,V,150400,2040,2030,3.2.2 雪崩光电二极管(APD)表2 Si, Ge,3.2.2,雪崩光电二极管,(APD),3,APD,的平均雪崩增益（倍增因子）,雪崩过程是一个复杂的随机过程，只能以,APD,的平均雪崩增益（,APD,输出光电流,I0,和一次光生电流,Ip,的比值）来表示,APD,增益的大小：,式中，,V,是反向偏压； 是反向击穿电压；,m,是,APD,结构和材料决定的参量。,3.2.2 雪崩光电二极管(APD)3APD的平均雪崩增,3.2.2,雪崩光电二极管,(APD),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，而击穿电压对温度很敏感。,APD,的平均雪崩增益,3.2.2 雪崩光电二极管(APD)雪崩增益随反向偏压变化,3.2.2,雪崩光电二极管,(APD),4,噪声特性,APD,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。,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增加的倍数。,x,为附加噪声指数。,Si,：,x=1.3-0.5,；,Ge,：,x=0.6-1.0,；,InGaAsP,：,x=0.5-0.7,3.2.2 雪崩光电二极管(APD)4噪声特性,APD,是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用,APD,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，结果增加了成本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用,PINPD,。 ,SiPIN,和,APD,用于短波长,(0.85m),光纤通信系统。,InGaAs PIN,用于长波长,(1.31m,和,1.55 m),系统，性能非常稳定， 通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，构成,FET PIN,接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的性能。表,3,和表,4,列出半导体光电二极管,(PIN,和,APD),的一般性能。,3.2.3,光电二极管一般性能和应用,APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度,3.2.3,光电二极管一般性能和应用,表,3 PIN,光电二极管一般性能,3.2.3 光电二极管一般性能和应用表3 PIN光电二,3.2.3,光电二极管一般性能和应用,3.2.3 光电二极管一般性能和应用,这种组件已经得到广泛应用。新近研究的,InGaAs APD,的特点是响应速度快，传输速率可达几到十几,Gb/s,，适用于超高速光纤通信系统。由于,GeAPD,的暗电流和附加噪声指数较大，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,这种组件已经得到广泛应用。新近研究的InGa,光纤第三章-2概要课件,3.3,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换的传输器件，称之为,光无源器件,3.3 光无源器件 为了实现光信号从发射极值,3.3,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、融合光能量；合波和分波等,3.3 光无源器件 常见的光无源器件,连接器是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。,接头是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。连接器件是光纤通信领域最基本、应用最广泛的无源器件。 ,连接器有单纤,(,芯,),连接器和多纤,(,芯,),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， 因而得到很广泛的应用。,3.3.1,连接器和接头,连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的,3.3.1,连接器和接头,光纤连接器一般性能,3.3.1 连接器和接头光纤连接器一般性能,套管结构连接器简图,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,(,图中画出平面的端面,),。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。 要求光纤与微孔、插针与套,管精密配合。对低插入损耗,的连接器，要求两根光纤之,间的横向偏移在,1m,以内，,轴线倾角小于,0.5,。,3.3.1,连接器和接头,套管结构连接器简图 如图所示，精密套,普通的,FC,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,(PC),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,ZrO,2,陶瓷最理想。,ZrO2,陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数和光纤相近，使连接器的,寿命,(,插拔次数,),和工作温度,范围,(,插入损耗变化,0.1 dB),大大改善。,套管结构连接器简图,3.3.1,连接器和接头,普通的FC型连接器，光纤端面为平面。对于高反射损耗的连接器，,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,2,纤或,4,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。这种多纤连接器配合高密度带状光缆， 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。热熔接的接头平均损耗达,0.05 dB/,个。,3.3.1,连接器和接头,一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度,耦合器,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,功能是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。,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，与波长相关的耦合器专称为波分复用器,/,解复用器。 ,3.3.2,光耦合器,耦合器是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合,1.,耦合器类型,T,形耦合器,这是一种,22,的,3,端耦合器， 如图所示， 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。,主要用作不,同分路比的功率分配器,或功率组合器。,3.3.2,光耦合器,1. 耦合器类型3.3.2 光耦合器,星形耦合器,这是一种,nm,耦合器，如图所示，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。,3.3.2,光耦合器,星形耦合器 3.3.2 光耦合器,定向耦合器,这是一种,22,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。如图所示，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,用作合路器。 ,3.3.2,光耦合器,定向耦合器3.3.2 光耦合器,波分复用器,/,解复用器（合波器,/,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。 ,3.3.2,光耦合器,波分复用器/解复用器（合波器/分波器）3.3.2 光耦合器,2.,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途的有光纤型、微器件型和波导型，,3.3.2,光耦合器,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,型耦合器、定向耦合器、星型耦合器和波分解复用器。,2. 基本结构3.3.2 光耦合器光纤型,光纤型耦合器,(a),定向耦合器；,(b) 88,星形耦合器；,(c),由,12,个,22,耦合器组成的,88,星形耦合器,3.3.2,光耦合器,光纤型耦合器3.,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,型耦合器、定向耦合器和波分解复用器。,3.3.2,光耦合器,微器件型3.3.2 光耦合器,微器件型耦合器,(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,3.3.2,光耦合器,微器件型耦合器3.3.2 光耦合器,波导型,在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是,SiO,2,，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分解复用器。 ,3.3.2,光耦合器,波导型3.3.2 光耦合器,波导型耦合器,3.3.2,光耦合器,波导型耦合器3.3.2 光耦合器,3.,描述光耦合器特性的一些技术参数,3.3.2,光耦合器,耦合比,CR,是一个指定输出的光功率,P,oc,和全部输出端的光功率总和,P,ot,的比值，用,%,表示,则定义功率分路损耗,3.描述光耦合器特性的一些技术参数3.3.2 光耦合器耦合,3.3.2,光耦合器,附加损耗,L,e,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,P,it,和全部输出端的光功率总和,P,ot,的比值，用分贝表示,3.3.2 光耦合器附加损耗Le,3.3.2,光耦合器,插入损耗,L,t,是一个指定输入端的光功率,P,ic,和一个指定输出的光功率,P,oc,的比值，用分贝表示,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。,3.3.2 光耦合器插入损耗Lt插入损耗是各输出端口的输出功,3.3.2,光耦合器,方向性,DIR,（隔离度）,是一个指定输入端的光功率,P,ic,和由耦合器反射到其他端的光功率,P,t,的比值，用分贝表示,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的参数。,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。 ,3.3.2 光耦合器方向性DIR（隔离度）方向性是光耦合器特,3.3.2,光耦合器,3.3.2 光耦合器,3.3.2,光耦合器,3.3.2 光耦合器,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。,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。,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越大越好。,目前插入损耗的典型值约为,1dB,，隔离度的典型值的大致范围为,4050dB,。 ,3.3.3,光隔离器,光隔离器是一种只允许光波沿一个方向上传输，,光纤准直器,(Optical fiber Collimator),光纤准直器由自聚焦透镜和单模光纤组成，对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤之间的耦合效率。,法拉第旋转器,(Faraday Rotator),1845,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，旋转角度为 ，其中，,V,为,Verdet,常数；,L,为光在介质中的传输距离；,B,为磁感应强度。,3.3.3,光隔离器,1.,光隔离器中使用的光学元件,光纤准直器(Optical fiber Collimator,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,射，出射光分为偏振方向正交的两束线偏光,o,光和,e,光。,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,介质材料周期性层叠，厚度周期小于波,长。,o,光和,e,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。,3.3.3,光隔离器,偏振器(Polarizator)3.3.3 光隔离器,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,栅时，偏振与线栅方向平行的线偏光,被吸收，垂直线栅方向的线偏光损耗,很小，输出线偏光。,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拉第旋光性。,3.3.3,光隔离器,线栅起偏器由金属和电介质周期3.3.3 光隔离器,偏振相关型光隔离器的结构示意图,3.3.3,光隔离器,2.,光隔离器工作原理,偏振相关型光隔离器的结构示意图3.3.3 光隔离器2.,起偏和检偏器的光轴有,45,夹角，入射光经过起偏器 后成为线偏光，再经过法拉第旋转器，偏振面逆时针旋转,45,，刚好和检偏器的光轴 方向一致，顺利通过。,3.3.3,光隔离器,起偏和检偏器的光轴有45夹角，入射光经过起偏器 后成为线,反射光通过 成为与检偏器光轴一致的线偏光，经过法拉第旋转器，由于磁场不变，光的偏振面继续顺时针旋转,45,，成为偏振方向与 光轴垂直的线偏光，不能通过起偏器 ，起到了反向隔离的作用。,3.3.3,光隔离器,反射光通过 成为与检偏器光轴一致的线偏光，经过法拉第旋转器,然而在实际应用中，入射光的偏振态,(,偏振方向,),是任意的，并且随时间变化，因此,必须要求隔离器的工作,与入射光的偏振态无关，,于是隔离器的结构就变,复杂了。一种小型的与,入射光的偏振态无关的,隔离器结构如图所示。,3.3.3,光隔离器,然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随,具有任意偏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,SWP,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， 水平分量偏折通过。两个分量都要通过法拉弟旋转器， 其偏振态都要旋转,45,。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,45,，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转,45,。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， 如图,(a),所示。,3.3.3,光隔离器,具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离,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,SWP,再组合在一起，如图,(b),所示，于是就起到隔离作用。,3.3.3,光隔离器,另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波,