1、光纖傳感技術(shù)總結(jié)1. 光纖（Optical fiber）是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是通過(guò)內(nèi)全反射原理或折射原理傳輸光的玻璃狀電介質(zhì)細(xì)絲。直徑：幾微米-幾百微米。2. 傳感器：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。3. 光纖傳感器：是用待測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M(jìn)行調(diào)制得到調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)光纖傳輸至光探測(cè)器進(jìn)行解調(diào)，從而獲得待測(cè)量值的一種裝置。4. 光纖傳感技術(shù)：以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。5. 光纖傳感原理：光纖傳感原理是以光纖的導(dǎo)波現(xiàn)象為基礎(chǔ)的，光從光纖射出時(shí)，光的特性得到調(diào)制，通過(guò)對(duì)調(diào)制光的檢測(cè)，便能感知外界

2、的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理量的測(cè)量。E=E0Cos(t+)6. 光纖傳感系統(tǒng)的組成 :7. 光纖傳感器的分類(lèi): 1） .根據(jù)光纖在傳感器中的作用.功能型光纖傳感器（Functional Fiber，簡(jiǎn)稱(chēng)FF型）（全光纖型、傳感型） .非功能型光纖傳感器（Non Functional Fiber，簡(jiǎn)稱(chēng)NFF型（傳光型）2） 根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式.強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 .波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器.相位調(diào)制型光纖傳感器 .頻率調(diào)制型光纖傳感器.偏振調(diào)制型光纖傳感器 3） 按被測(cè)對(duì)象分 光纖溫度、壓力、位移、流量、磁場(chǎng)、電壓、圖像、醫(yī)用、光譜、氣體、液體傳感器，光纖陀螺儀8. 光纖傳感的特點(diǎn)：1）靈敏度

3、高； 2）抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全；3）重量輕、體積小、可繞曲；4）測(cè)量對(duì)象廣泛，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小；5）便于復(fù)用，便于成網(wǎng)；9.光纖的結(jié)構(gòu)：1）、纖芯：高純度SiO2 ，摻雜質(zhì)：GeO2 、P2O5 （提高折射率）；折射率 n12）、包層： SiO2 ，摻雜質(zhì)：F、B（降低折射率）；折射率 n2 折射率 n1>n23）、一次涂敷層：環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠（加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度）4）、套塑：尼龍、聚乙烯（加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度）Coating涂敷層Cladding 包層Core纖芯n1n210. 光纖的分類(lèi)：1）按照傳輸?shù)目偰?shù)來(lái)分模式（mode)：在光纖中具有確定空間和時(shí)間分布的電磁場(chǎng)分量稱(chēng)為光纖中

4、的模。是電磁場(chǎng)的一種分布形式。、單模光纖（Single-mode fiber, SMF） 只傳輸主模，沒(méi)有模式色散，適于大容量、長(zhǎng)距離的光纖通信。纖芯直徑：212 m；包層直徑：125 m；、多模光纖（Multimode fiber, MMF） 在一定的工作波長(zhǎng)下，可以同時(shí)傳輸多種模式。 纖芯直徑：50500 m； 2）按照折射率(refractive index)分布分類(lèi).階躍折射率光纖（Step index fiber, SIF）：也叫突變型光纖或均勻光纖，纖芯折射率為n1保持不變，到包層突然變?yōu)閚2 。這種光纖一般纖芯直徑2a=5080m，光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點(diǎn)是信號(hào)

5、畸變大。.梯度折射率光纖（Graded index fiber, GIF）：也叫漸變型光纖或非均勻光纖，在纖芯中心折射率最大為n1，沿徑向r向外圍逐漸變小，直到包層變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a為50m，光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點(diǎn)是信號(hào)畸變小。 圖 三種基本類(lèi)型的光纖(a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖11. 光纖的導(dǎo)光機(jī)理：射線法和波動(dòng)法射線法（ rays）1) .光射線：子午線：過(guò)纖芯的軸線的平面稱(chēng)為子午面，子午面上和軸線相交的光射線稱(chēng)為子午射線，簡(jiǎn)稱(chēng)為子午線。斜射線：不在一個(gè)平面里，不經(jīng)過(guò)光纖軸線的空間折線。2） .射線法：用光射線來(lái)研

6、究光傳輸特性的方法，稱(chēng)為射線法。3） 階躍型光纖中光射線的分析主要特性參數(shù)的定義：相對(duì)折射率差纖芯折射率n1 ；包層折射率n2 ；n1>n2 =(n12-n22)/2n12 當(dāng)n1與n2差別極小時(shí)，這種光纖稱(chēng)為弱導(dǎo)波光纖 (n1-n2)/n1 SM: =0.00050.01; MM: =0.010.02 數(shù)值孔徑(Numerical Aperture, NA) 321yq 1lLxoqqc纖芯n1包層n2zycy1n0sin1 =n1sin1 =n1cos 數(shù)值孔徑NA ：光從空氣中入射到光纖輸入端面所允許最大光錐半角之正旋。 NA表示光纖接收和傳輸光的能力階躍型光纖的導(dǎo)光機(jī)理階躍型光纖

7、是靠全反射原理將光波限制在纖芯中向前傳播。只有滿足全反射條件的光射線才可在纖芯中形成導(dǎo)波。這些光射線射入光纖端面的角度必須是在最大入射角c以內(nèi)。rnp=1p=¥p=2漸變型光纖中光射線的分析1、漸變型光纖折射率分布的普遍公式為r-纖芯半徑；a-軸線到包層外邊沿的半徑p-決定折射率變化曲線的坡度 漸變型光纖中，不同射線具有相同軸向速度的這種現(xiàn)象，稱(chēng)為自聚焦現(xiàn)象，具有這種自聚焦現(xiàn)象的光纖稱(chēng)為自聚焦光纖。射入纖芯某點(diǎn)r處的光線的數(shù)值孔徑，稱(chēng)為該點(diǎn)的本地?cái)?shù)值孔徑。n (r) , NA(r) ,該點(diǎn)光纖捕捉光射線的能力越強(qiáng)；光纖軸線處捕捉射線的能力最強(qiáng)。 傳導(dǎo)模：只有滿足全反射條件的那些模式才

8、能在光纖中傳播，稱(chēng)為傳導(dǎo)模。 k0n2<< k0n1 輻射模：那些不滿足全反射條件的模式，其電磁場(chǎng)不限于光纖芯區(qū)而可徑向輻射至無(wú)窮遠(yuǎn)，稱(chēng)為輻射模。 泄漏模：有一些不處于子午面的斜射線，由于它們部分滿足全反射條件，于是沿傳播方向有衰減的泄漏模。 2、截止：指光纖中的導(dǎo)波截止。當(dāng)光纖中出現(xiàn)輻射模時(shí)，即認(rèn)為導(dǎo)波截止。 b< k0n2 導(dǎo)波截止的臨界狀態(tài)：1 =c；= k0n2 3、歸一化頻率： 4、歸一化截止頻率：導(dǎo)波截止時(shí)的歸一化頻率稱(chēng)為歸一化截止頻率，用c表示。它所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為截止波長(zhǎng)，用c表示。 若將光纖所傳信號(hào)的歸一化頻率值n與某一模式的歸一化截止頻率nc相比： 導(dǎo)行條件為

9、： > c截止條件為：< c 臨界條件為： =c 5、主模（基模）：人們把光纖中的最低工作模式稱(chēng)為主模。主模的歸一化截止頻率最低：c =0，沒(méi)有截止現(xiàn)象 ，在任何頻率下都可以傳輸。 6、高次模：光纖中除主模之外，其它所有模式統(tǒng)稱(chēng)為高次模。 第一高次模截止時(shí)（< 2.405)，其它所有高次模均截止，這時(shí)光纖中只傳輸主模。所以單模光纖的單模傳輸條件是：0 < < 2.405 7、可傳播的模式數(shù)：M=1/2V2 (V>10) 2.3 光纖的傳輸特性2.3.1光纖的損耗(Attenuation) Ø 光纖的損耗:光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加而光功率

10、逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。 Ø 引起損耗的原因：光纖本身?yè)p耗（吸收損耗、散射損耗）外因：光纖彎曲、光纖與光源的耦合、光纖之間的連一、吸收損耗（Absorption) 吸收損耗：光波通過(guò)光纖材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，造成光功率的損失。1、本征吸收：是由SiO2材料引起的固有吸收，它基本上確定了某一材料吸收損耗的下限，它與波長(zhǎng)有關(guān)。 紫外(UV：ultraviolet)吸收(0.006m<<0.4m) 紅外(IR：infrared)吸收(0.76m<<300m)2、雜質(zhì)吸收：由光纖材料的不純凈而造成的附加吸收損耗。 二、散射損耗 (Scattering

11、Losses) 散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻使光纖中傳導(dǎo)的光發(fā)生散射產(chǎn)生的損耗。 1、瑞利(Rayleigh)散射：R=A/4 2、結(jié)構(gòu)缺陷散射： 3、非線性散射：受激拉曼散射(SRS) 受激布里淵散射(SBS)2.3.2光纖的色散 (Chromatic Dispersion )1、光纖的色散： 光信號(hào)通過(guò)光纖傳播期間，波形在時(shí)間上發(fā)生展寬的現(xiàn)象。2、光纖的色散產(chǎn)生原因： 一是光源發(fā)出的并不是單色光； 二是調(diào)制信號(hào)有一定的帶寬。3、色散的分類(lèi)模式色散（ Intermodal dispersion） 由于不同模式的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。材料色散（Material d

12、ispersion） 由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)而改變，模式內(nèi)部不同波長(zhǎng)成分的光，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。波導(dǎo)色散（Waveguide dispersion） 由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的，也叫結(jié)構(gòu)色散。偏振模色散（Polarization dispersion ） 由于實(shí)際的單模光纖兩正交模有不同的群延遲產(chǎn)生的。時(shí)延：某一條子午射線在纖芯中傳輸一定長(zhǎng)度所需要的時(shí)間。用 表示。時(shí)延差：兩條以不同角度入射的子午線，在光纖中傳輸同一空間長(zhǎng)度L時(shí)，所用時(shí)間的差別。用 表示。最大時(shí)延差：在空間長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖中，走得最快的射線與走得最慢的射線在時(shí)間上的差別。用max表示。5、色散補(bǔ)償零色散波長(zhǎng)光纖 色

13、散位移光纖（DSF-Dispersion-Shifted Fiber ） 色散平坦光纖（DFF-Dispersion-Flat Fiber）色散補(bǔ)償光纖(DCF-Dispersion Compensating Fiber) 色散補(bǔ)償器2.3.5光纖的制作技術(shù)1、光纖預(yù)制棒的制備2、光纖拉絲及一次涂覆3、光纖的涂覆和套塑工藝2.4 光纖標(biāo)準(zhǔn)1、G.651 多模漸變型(GIF)光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。2、G.652 常規(guī)單模光纖:(1)波長(zhǎng)1310 nm為色散零點(diǎn)；(2)波長(zhǎng)1550 nm處衰減最小，約為0.22 dB/km，色散系數(shù)的最大值為17p

14、s/(nm.km) ；(3)工作波長(zhǎng)可以在1310 nm或1550 nm。它廣泛用于數(shù)據(jù)通信。缺點(diǎn)：波長(zhǎng)1550 nm色散大，阻礙了高速率、遠(yuǎn)距離的應(yīng)用。3、G.653 色散位移光纖：使光纖色散系數(shù)零點(diǎn)從1310 nm移到1550 nm，實(shí)現(xiàn)了1550 nm處最低衰減與零色散一致。適用于長(zhǎng)距離、大容量通信系統(tǒng)中，如20 Gb/s系統(tǒng)中。由于1550 nm的零色散，四波混頻等非線性效應(yīng)嚴(yán)重，不適合用于波分復(fù)用系統(tǒng)。4、G.654 1.55m損耗最小的單模光纖:在波長(zhǎng)1.31m色散為零，在1.55m色散為17-20 ps/(nm·km)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達(dá)0.20 dB

15、/km以下.主要用于長(zhǎng)距離，不能插入有源器件的無(wú)中斷海底光纖通信系統(tǒng)中。5、G.655 非零色散光纖:可以抑制四波混頻和交叉相位調(diào)制等非線性光學(xué)效應(yīng)，以滿足密集波分復(fù)用系統(tǒng)的要求。這種光纖在密集波分復(fù)用和孤子傳輸系統(tǒng)中使用，實(shí)現(xiàn)了超大容量超長(zhǎng)距離的通信。6、G. 656寬帶全波光纖：在光纖的整個(gè)波段，從1280nm開(kāi)始到1675nm終止，都可以用來(lái)通信，與常規(guī)光纖相比，全波光纖應(yīng)用于DWDM，可使信道數(shù)增加50%。7、G.657接入網(wǎng)用光纖：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、敷設(shè)方便和價(jià)格便宜2.5.2光纜結(jié)構(gòu)和類(lèi)型一、結(jié)構(gòu) 1、纜芯：由光纖芯線組成，是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。 2、加強(qiáng)元件：起著承受光纜拉

16、力的作用，通常處在纜芯中心，有時(shí)配置在護(hù)套中。加強(qiáng)件通常用楊氏模量大的鋼絲或非金屬材料例如增強(qiáng)塑料(FRP)做成。3、護(hù)套：起著對(duì)纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構(gòu)成。不同使用環(huán)境和敷設(shè)方式對(duì)護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)有不同的要求。 二、類(lèi)型 1、層絞式：它是將若干根光纖芯線以強(qiáng)度元件為中心絞合在一起的一種結(jié)構(gòu)。這種光纜的制造方法和電纜較相似，所以可采用電纜的成纜設(shè)備，因此成本較低。光纖芯線數(shù)一般不超過(guò)10根。采用松套光纖的纜芯可以增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度，改善溫度特性。2、單位式：它是將幾根至十幾根光纖芯線集合

17、成一個(gè)單位，再由數(shù)個(gè)單位以強(qiáng)度元件為中心絞合成纜 ，這種光纜的芯線數(shù)一般適用于幾十芯。 3、骨架式：這種結(jié)構(gòu)是將單根或多很光纖放人骨架的螺旋槽內(nèi)，骨架的中心是強(qiáng)度元件，骨架上的溝槽可以是V型U型或凹型。由于光纖在骨架溝槽內(nèi)，具有較大空間，因此當(dāng)光纖受到張力時(shí)，可在槽內(nèi)作一定的位移，從而減少了光纖芯線的應(yīng)力應(yīng)變和微變。這種光纜具有耐側(cè)壓、抗彎曲、抗拉的特點(diǎn)。 4、帶狀式：它是將412根光纖芯線排列成行，構(gòu)成帶狀光纖單元，再將多個(gè)帶狀單元按一定方式排列成纜，這種光纜的結(jié)構(gòu)緊湊，采用此種結(jié)構(gòu)可做成上千芯的高密度用戶光纜。表 各種光纜的結(jié)構(gòu)、芯線數(shù)及必要條件2.5.3光纜特性拉力特性：光纜能承受的最大

18、拉力取決于加強(qiáng)件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100400 kg范圍。壓力特性：光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100400kg/10cm。彎曲特性：彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。實(shí)用光纖最小彎曲半徑一般為2050 mm， 光纜最小彎曲半徑一般為200500 mm 。溫度特性：取決于光纜材料的選擇及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。我國(guó)一般在低溫地區(qū)為-40+40 ， 在高溫地區(qū)為-5 +60 。光纖有源器件：指包含有半導(dǎo)體有源材料，并且能夠與光纖耦合的光電子器件。包括光源、探測(cè)器和光放大器。光纖無(wú)源器件：不發(fā)光

19、、不進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的光纖器件。包括三類(lèi)： （1）分立光學(xué)元件組合器件：早期采用（棒透鏡、反射鏡、棱鏡等）； （2）全光纖結(jié)構(gòu)器件：FBG, Coupler （3）光波導(dǎo)型器件（集成光學(xué)）3.1 光纖連接器（Optical Fiber Connector） 1、定義 ：把兩個(gè)光纖端面結(jié)合在一起，使發(fā)射光纖輸出的光能量可以最大限度耦合到另外接收光纖的器件。 光纖連接器的作用是將需要連接起來(lái)的單根或多根光纖芯線的端面對(duì)準(zhǔn)、貼緊并能多次使用。（3）單芯光纖連接器分類(lèi) jFC型 (Ferrule Connector ):螺紋插拔式 kSC型（Square/Subscriber Connector）:矩形插

20、拔式 lST型（Spring Tension）：卡口插拔式（6）變換器：不同型號(hào)插頭變換：SC-FC; ST-FC;（7）跳線：將一根光纖的兩頭都裝上插頭稱(chēng)為跳線。（8）評(píng)價(jià)指標(biāo) 插入損耗：越小越好 回波損耗：越大越好 重復(fù)性：多次插拔后插入損耗的變化。0.1dB3.2 光纖耦合器（Optical Fiber Coupler） 1、定義：光纖耦合器是使光信號(hào)能量實(shí)現(xiàn)分路合路的器件；一般光纖耦合器是對(duì)同一波長(zhǎng)的光功率進(jìn)行分路或合路，因此光纖耦合器又稱(chēng)為分路器、合路器或雙工器。它是使用量?jī)H次于連接器的又一類(lèi)重要的光纖無(wú)源器件。光纖耦合器作用：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

21、合成一個(gè)輸出。 5、熔融拉錐型全光纖耦合器熔融拉錐法就是將兩根（或兩根以上）除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。（3）特點(diǎn)： 極低的附加損耗。 方向性好。 良好的環(huán)境穩(wěn)定性。 控制方法簡(jiǎn)單、靈活。 制作成本低廉、適于批量生產(chǎn)。6、 光纖耦臺(tái)器的主要參數(shù)（1）隔離度 A 由端口1輸人的光功率Pl，應(yīng)從端口2和端口3輸出，端口4從理論上講應(yīng)無(wú)光功率輸出。但實(shí)際上端口4還是有少量光功率輸出的（P4），其大小就表示了1、4兩個(gè)端口的隔離程度。隔離度用A表示，為 A1-4=-10lg(P4/P1)(d

22、B)一般情況下，要求A>20dB。（2）插入損耗 L 它表示了定向耦合器損耗的大小。如由端口1輸人光功率P1，應(yīng)由端口2和端口3輸出光功率P2和P3，插入損耗等于輸出光功率之和與輸入光功率之比取對(duì)數(shù)，單位為分貝，用L表示，為 一般情況下，要求 L 0.5dB（3） 分光比 T： 它等于兩個(gè)輸出端口的光功率之比，如從端口1輸人光功率，則分光比為T(mén)=P3/P2 一般情況下，定向耦合器的分光比為 1:110:1 3.3 光波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer） 1、定義 波分復(fù)用器是波長(zhǎng)分割復(fù)用解復(fù)用器的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是使兩個(gè)或兩個(gè)以上的波長(zhǎng)光信號(hào)在同一根光纖中

23、進(jìn)行傳輸?shù)钠骷?.4 光隔離器（Optical Isolator） 1、定義 隔離器是保證光信號(hào)只能正向傳輸?shù)钠骷苊饩€路中由于各種因素而產(chǎn)生的反射光再次進(jìn)入激光器，而影響了激光器的工作穩(wěn)定性。 隔離器的作用：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。2、基本原理 光隔離器的基本原理是法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。 （1）法拉第效應(yīng)（磁致旋光效應(yīng)）：原來(lái)不具有旋光性的物質(zhì)，在磁場(chǎng)的作用下，偏振光通過(guò)該物質(zhì)時(shí)其振動(dòng)面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 旋轉(zhuǎn)角度=VLB V-費(fèi)爾德常數(shù) L-光在該物質(zhì)中通過(guò)的距離 B-磁感應(yīng)強(qiáng)度磁光材料引起的光偏振面的旋轉(zhuǎn)方向取決于外加磁場(chǎng)方向，與光的傳播方向無(wú)關(guān)。（4）結(jié)

24、構(gòu)與原理當(dāng)正向光入射后，經(jīng)過(guò)偏振器1全部透過(guò)，經(jīng)過(guò)旋光器后，旋轉(zhuǎn)45º，和偏振器2的透光軸角度一致，因此，正向光功率全部射出。當(dāng)反向光射入后，有一部分光經(jīng)過(guò)偏振器2到達(dá)旋光器，被順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45º，正好和偏振器1中透光軸方向垂直，因此，被全部隔離。 3.5 光環(huán)行器（Optical Circulator）1、定義 光環(huán)行器可使光信號(hào)從任一端口輸入時(shí)，都能按順序地從另一端口輸出，可用于特種環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。2、結(jié)構(gòu)與原理（1）偏振相關(guān)型光隔離器：出射光為線偏振光 環(huán)行器是由45º法拉第轉(zhuǎn)子和兩個(gè)偏振棱鏡組成的，法拉第轉(zhuǎn)子由YIG單晶體和釤-鈷（Sm-Co）稀土磁鐵構(gòu)成，偏振棱

25、鏡由方解石制成。它除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器類(lèi)似。3.6 光衰減器（Optic attenuator）1、定義 光衰減器是按一定要求將光信號(hào)能量進(jìn)行衰減的器件。在光纖通信系統(tǒng)中通常需用光衰減器吸收光功率余量或評(píng)估系統(tǒng)的損耗。2、分類(lèi)（1）按衰減方式分：固定式光衰減器 分級(jí)可調(diào)衰減器 連續(xù)可調(diào)衰減器（2）按工作原理分：吸收型衰減器 反射型衰減器 錯(cuò)位型衰減器（3）按光纖種類(lèi)分：多模光衰減器 單模光衰減器（4）按接口型式分：尾纖式光衰減器 連接器端口式光衰減器。 3.7光開(kāi)關(guān)（Optical Switch）1、定義 光開(kāi)關(guān)是按一定要求將一個(gè)光通道的光信號(hào)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)光通道的器件，它使光路

26、之間進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換，避免了光-電-光的過(guò)程，提高了信噪比。 光開(kāi)關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光交換，它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。2、分類(lèi)（1）按工作原理分：機(jī)械式光開(kāi)關(guān) 光纖位移式光開(kāi)關(guān) 光學(xué)元件位移式光開(kāi)關(guān) 非機(jī)械式光開(kāi)關(guān) 電光式光開(kāi)關(guān) 磁光式光開(kāi)關(guān) 聲光式光開(kāi)關(guān)3.8 光濾波器（optical Filter） 1、光濾波器：只允許一定波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)的器件。 2、可調(diào)諧光濾波器：是一種波長(zhǎng)（或頻率）選擇器件，它的功能是從許多不同頻率的輸入光信號(hào)中，選擇出一個(gè)特定頻率的光信號(hào)。3、分類(lèi)： （1）根據(jù)基理分為干涉型、衍射型和吸收型三類(lèi)；基于干涉原理的濾波器：熔錐光纖濾波器、Fabry-Perot濾波器、多

27、層介質(zhì)膜濾波器、馬赫-曾德干涉濾波器。基于衍射原理的濾波器：體光柵濾波器、陣列波導(dǎo)光柵濾波器（AWG）、光纖光柵濾波器、聲光可調(diào)諧濾波器。可調(diào)諧馬赫曾特爾干涉儀濾波器。 （2）根據(jù)調(diào)諧的能力分為光頻固定濾波器和可調(diào)諧濾波器。3.9 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器（ Wavelength Converter ） 1、定義：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(chēng)為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。 2、分類(lèi)：波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器根據(jù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換機(jī)理可分為光電型和全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。3.10 光纖光柵（ Fiber Grating） 1、定義：利用某種手段使得光纖的物理結(jié)構(gòu)沿軸向呈規(guī)律分布，用來(lái)改變光在其中傳播的行徑，這樣的一種光子學(xué)器件被稱(chēng)為光纖光

28、柵。這種物理結(jié)構(gòu)沿軸向的規(guī)律分布主要表現(xiàn)為光纖纖芯折射率的周期性分布。 3、光纖光柵的分類(lèi)（2）根據(jù)周期性結(jié)構(gòu)不同分： 規(guī)則周期光柵（均勻光柵）：是指光柵的光學(xué)周期沿光纖軸向保持不變的光柵，它具有接近于1的峰值反射率以及極窄的反射半寬。 ）布喇格光纖光柵(FBG) 將光纖中傳播的特定波長(zhǎng)的光波從前向?qū)Рｑ詈系胶笙驅(qū)РＶ校且环N波長(zhǎng)反射元件。 格柵周期小于1mm，反射帶寬從零點(diǎn)幾個(gè)nm到幾十nm。）長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG：long period grating) 將光纖中傳播的特定波長(zhǎng)的光波耦合到包層中損耗掉，在其透射譜中形成寬帶損耗峰，是一種透射型光柵。柵格周期大于100mm，用于EDFA

29、的增益平坦元件。變周期光柵（非均勻光柵） 光柵的光學(xué)周期沿光柵軸向變化的一類(lèi)光柵，它的反射譜一般較寬，同時(shí)隨周期變化方式的不同，可以產(chǎn)生按人為設(shè)計(jì)的方式而出現(xiàn)的反射及透射波形。 ）啁啾光纖光柵 (CFBG:chirped fiber bragg grating) 其周期不是常數(shù)而是沿軸向單調(diào)變化的，CFBG的不同柵格周期對(duì)應(yīng)于不同的反射波長(zhǎng)，能夠形成很寬的反射帶，產(chǎn)生大而穩(wěn)定的色散，用作色散補(bǔ)償元件。 ）相移光纖光柵(PSFG：phase-shifted fiber grating) 通過(guò)某種方式（用聚焦強(qiáng)光照射均勻周期光柵)破壞FBG折射率分布的連續(xù)性，在某特定的一點(diǎn)或多點(diǎn)處引入相移，形成P

30、SFG。 特點(diǎn)是在其布拉格反射帶中打開(kāi)透射窗口，使光柵具有更高的波長(zhǎng)選擇性。用于波長(zhǎng)解復(fù)用器。4、 光纖光柵的制作技術(shù)（a） 光纖的光敏性：光纖的折射率在紫外光照射下，隨光強(qiáng)發(fā)生變化的特性。（1） 駐波寫(xiě)入法（2）全息干涉法（3）相位掩模法（4）逐點(diǎn)寫(xiě)入法（4）色散補(bǔ)償器對(duì)于普通單模光纖,在1550處色散值為正,處在反常色散區(qū), 藍(lán)移分量較紅移分量傳播得快。光纖chirp光柵能對(duì)色散補(bǔ)償?shù)脑硎?當(dāng)這種光脈沖通過(guò)線性chirp光柵后,藍(lán)移分量的時(shí)延比紅移分量的時(shí)延長(zhǎng),正好起到了色散均衡作用,從而實(shí)現(xiàn)了色散補(bǔ)償。 3.11 偏振控制器(PC- Polarization controller)偏振

31、控制器：是指能將任意輸入的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿我馄谕敵銎駪B(tài)的器件。分類(lèi)：方位角控制型偏振控制器延遲量控制型偏振控制器方位角- 延遲量控制型偏振控制器4.1 光源Light Source對(duì)光源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0.85mm和長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的1.31 mm與1.55 mm ； （2）能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率；目前，半導(dǎo)體激光器尾纖的輸出功率可達(dá) 500 mw 2mw；半導(dǎo)體發(fā)光二極管的尾纖輸出功率可達(dá) 10 mw左右； （3）耦合效率高：目前，半導(dǎo)體激光器與尾纖的耦合效率為1020，最好可達(dá)50； （4）光源的譜線

32、寬度窄：光源的譜線寬度直接影響到光纖的色散特性，限制了傳輸速率和傳輸距離。目前較好的半導(dǎo)體激光器譜線寬度可達(dá)到0.1nm； （5）壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定。4.1.1 與激光器有關(guān)的幾個(gè)概念激光（LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 受激輻射的光放大）一、光子(Photon) 1905年，愛(ài)因斯坦提出光量子學(xué)說(shuō)認(rèn)為光是由能量為hf的光量子組成，其中h=6.626´10-34 J·S,稱(chēng)為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱(chēng)為光子。 光具有波動(dòng)(wave) 、粒子(particle)兩重性。

33、二、原子能級(jí)(Atomic Energy Level)電子在原子中圍繞原子核按一定軌道運(yùn)動(dòng)，具有一定的電子能量。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(kāi)的，且是不連續(xù)的，其大小取決于軌道上電子的數(shù)目。我們把這些分立的能量值，稱(chēng)為原子的能級(jí)。 三、費(fèi)米能級(jí)(Fermi Energy Level) 在一般情況下，電子占據(jù)各個(gè)能級(jí)的概率是不等的，占據(jù)低能級(jí)的電子多，而占據(jù)高能級(jí)的電子少。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： 式中f(E)(概率)為電子的費(fèi)米分布函數(shù)；k0為玻耳茲曼函數(shù)，k0=1.3

34、8´10-23焦耳/度；T為絕對(duì)溫度；Ef為費(fèi)米能級(jí)，它只是反映電子在各能級(jí)中分布情況的一個(gè)參量。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)的情況。 4、 光與物質(zhì)的三種作用形式1、自發(fā)輻射 (Spontaneous Emission of Radiation ) 在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒(méi)有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱(chēng)為自發(fā)輻射。 特點(diǎn)： （1） 過(guò)程是自發(fā)躍遷；（2） 輻射光子的頻率不同；（3）輻射出的光子是非相干光。 2、受激吸收 (Stimulated Absorp

35、tion) 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱(chēng)為受激吸收。 特點(diǎn)：（1）過(guò)程是受激躍遷；（2）外來(lái)光子的能量要等于電子躍遷的能級(jí)之差；（3）受激躍遷的過(guò)程中，并沒(méi)有多余的能量放出來(lái)。3、受激輻射 (Stimulated Emission of Radiation) 在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱(chēng)為受激輻射。 特點(diǎn)： （1）外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差； （2）受激發(fā)射的光子與外來(lái)光子是全同光子； （3）過(guò)程可以使光得到放大。相干光：受激輻射光的頻率、相位

36、、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同。 要想物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射作用受激吸收作用。也就是必須使N2>N1，這種粒子數(shù)一反常態(tài)的分布，稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。因此，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。 二、激光器的基本組成 1、能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（Operation Material ） 可以處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，必須有確定能級(jí)的原子系統(tǒng)，可以在所需要的光波范圍內(nèi)輻射光子。經(jīng)過(guò)分析可知，在三能級(jí)以上系統(tǒng)中，可以得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 2、泵浦源（Pumping Source) 使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源，稱(chēng)為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使粒

37、子從低能級(jí)躍遷到較高能級(jí)，使得 N2N1，在這種情況下，受激輻射受激吸收，從而有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或稱(chēng)增益物質(zhì)(gain material)。3、光學(xué)諧振腔(Optical Resonant Cavity ) 提供必要的反饋以及進(jìn)行頻率選擇。（1）光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，另一個(gè)為部分反射，產(chǎn)生的激光由此射出。4.1.3 半導(dǎo)體激光器（ LD :Laser Diodes）一、半導(dǎo)體激光器的工作原理和結(jié)構(gòu) 用半導(dǎo)體(Semiconductor)材料作為激活物質(zhì)的激光器，稱(chēng)為半導(dǎo)體激光器。 1、半導(dǎo)體的簡(jiǎn)單介紹：半導(dǎo)體是由大量原子周期性

38、有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱(chēng)為價(jià)帶，能量高的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱(chēng)為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。半導(dǎo)體光源發(fā)射的光子的能量、波長(zhǎng)取決于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg，以電子伏特（eV）表示的發(fā)射波長(zhǎng)為半導(dǎo)體分類(lèi)(a) 本征半導(dǎo)體（Intrinsic Semiconductor） (b) N型半導(dǎo)體(Negative Semiconductor)(c) P型半導(dǎo)體(Positive Semiconductor)2、半導(dǎo)體激光器的工作原理(1) P-N結(jié)（ P-

39、N Junction）的形成 在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上， 由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。 (2) 在PN結(jié)上施加正偏電壓 產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。(3) 激光的產(chǎn)生 當(dāng)PN結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時(shí)，將使得結(jié)區(qū)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分

40、布狀態(tài)，即出現(xiàn)受激輻射受激吸收情況，可產(chǎn)生光的放大作用。被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的光學(xué)諧振腔（諧振腔的兩個(gè)反射鏡，是由半導(dǎo)體材料的天然解理面而成的）中來(lái)回反射，不斷增強(qiáng)，當(dāng)滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。(2)異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 它們的“結(jié)”是由不同的半導(dǎo)體材料制成的。主要目的是為了降低閾值電流，提高效率。 銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器，它是由五層半導(dǎo)體材料構(gòu)成。其中nInGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)（有源區(qū)），作用區(qū)的上、下兩層稱(chēng)為限制層，它們和有源區(qū)構(gòu)成光

41、學(xué)諧振腔。限制層和有源區(qū)之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層，n-InP是襯底，頂層P+ -InGaASP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。頂層上面數(shù)微米寬的窗口為條形電極。單頻半導(dǎo)體激光器分布反饋激光器（DFB: Distributed Feed Back）DFB激光器優(yōu)點(diǎn) 單縱模激光器。 譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。 動(dòng)態(tài)譜線好。 線性好LD特點(diǎn)：激光、受激輻射光、輸出光功率大、有閾值、譜線寬度窄、調(diào)制頻率高、與光纖耦合效率高、適用于長(zhǎng)距離、大容量傳輸。4.1.4 發(fā)光二極管（LED-Light Emitting Diode) 發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同， LD發(fā)射的

42、是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒(méi)有閾值。(a) 正面發(fā)光型 (b) 側(cè)面發(fā)光型LED的工作原理當(dāng)給LED外加合適的正向電壓時(shí)，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴(kuò)散到n區(qū)和從N區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)(由于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，p區(qū)中外來(lái)的電子和空穴不會(huì)分別擴(kuò)散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其他衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。發(fā)光二極管具有如下工作特性： (1) 光譜較寬(2) P - I曲線的線性較好（3）與光纖的耦合效率較低（4）壽命長(zhǎng) （大于3´

43、105 h）（5）溫度特性較好 LED特點(diǎn)：熒光、自發(fā)輻射光、輸出光功率小、譜線寬度較寬、調(diào)制頻率較低、與光纖耦合效率低、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低，適用于短距離、小容量傳輸。4.1.6 光源的調(diào)制（The Modulation of source) 電/光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。受調(diào)制的光源特性參數(shù)有功率、 幅度、頻率和相位。1、光源的直接調(diào)制(Direct Modulation) 直接在光源上進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制半導(dǎo)體激光器的注入電流。分為模擬強(qiáng)度調(diào)制（ATM)、脈位調(diào)制(PPM)和數(shù)字調(diào)制(PCM-IM)。2、光源的間接調(diào)制(Indi

44、rect Modulation)在光源輸出的通路上外加調(diào)制器來(lái)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。通過(guò)電光、聲光效應(yīng)，利用晶體傳輸特性隨電壓或聲壓變化而變化實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制。（1）電光調(diào)制（Electrooptic Modulation)電光效應(yīng)(Electrooptic Effect)：電場(chǎng)引起晶體折射率變化。帕克耳效應(yīng)（Pockels Effect):DnµE （2）聲光調(diào)制(Acoustooptic Modulation)聲光效應(yīng)(Acoustooptic Effect) :聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)受聲波壓強(qiáng)作用而產(chǎn)生應(yīng)變，這種應(yīng)變使介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，從而影響光波傳輸特性。光源與光纖的耦合影響耦

45、合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合效率高。此外，光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、形狀及兩者之間的距離都會(huì)影響到耦合效率。光源與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦合與透鏡耦合。4.2 光電檢測(cè)器Photoelectric Detector光接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件稱(chēng)為光電檢測(cè)器。光電檢測(cè)器是利用材料的光電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。對(duì)光檢測(cè)器的要求如下： (1) 波長(zhǎng)響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)兼容； (2) 響應(yīng)度要高， 在一定的接收光功率下， 能產(chǎn)生最大的光電流； (3) 噪聲要盡可能低， 能接

46、收極微弱的光信號(hào)； (4) 性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)，功耗和體積小。一、半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光照射到半導(dǎo)體的PN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，即產(chǎn)生光電子一空穴對(duì)，總起來(lái)又稱(chēng)光生載流子。光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，從而在電阻R上有信號(hào)電壓輸出。實(shí)現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號(hào)變化的光電轉(zhuǎn)換作用。4、 光電檢測(cè)器的特性1、響應(yīng)度R0和量子效率 光電轉(zhuǎn)換效率用響應(yīng)度R0或量子效率表示。響應(yīng)度（Responsivity）的定義為： R0=IP/P0 (A/W)式中IP為光電

47、檢測(cè)器的平均輸出電流； P0為光電檢測(cè)器的平均輸入功率。量子效率(Quantum Efficiency)的定義為：2、響應(yīng)時(shí)間 (Response Time) 響應(yīng)時(shí)間是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號(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。 (1) 光電二極管等效電路的RC 時(shí)間常數(shù) (2) 載流子在耗盡區(qū)的渡越時(shí)間 (3) 耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的時(shí)間延遲3、暗電流ID (Dark Current) 在理想條件下，當(dāng)沒(méi)有光照時(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

48、電流稱(chēng)為暗電流。嚴(yán)格說(shuō)暗電流還包括器件表面的漏電流。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。光放大器的作用 使光信號(hào)直接在光域進(jìn)行放大而無(wú)須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行信息處理，即用全光中繼來(lái)代替光-電-光中繼。3、摻鉺(Er3+)光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier)（1）工作原理Er3+在未受任何光激勵(lì)的情況下，處在低能級(jí) E1上，當(dāng)用泵浦光源的激光不斷地激發(fā)摻鉺光纖時(shí)，處于基態(tài)的粒子獲得了能量就會(huì)向高能級(jí)躍遷。由E1躍遷至E3，粒子在E3這個(gè)高能級(jí)上是不穩(wěn)定的，它將迅速以無(wú)輻射過(guò)程落到亞穩(wěn)態(tài)E2上，在該能級(jí)上，粒子相對(duì)來(lái)講有較長(zhǎng)的存活壽命，由于泵浦源

49、不斷地激發(fā)，則E2能級(jí)上的粒子數(shù)就不斷增加，而E1能級(jí)上的粒子數(shù)就少，這樣，在這段摻鉺光纖中就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，就存在了實(shí)現(xiàn)光放大的條件。當(dāng)輸入光信號(hào)的光子能量 E=hf正好等于E2和E1的能級(jí)差時(shí)，即：E2-E1=hf，則亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子將以受激輻射的形式躍遷回到基態(tài)E1上，并輻射出和輸入光信號(hào)的光子一樣的全同光子，從而大大增加了光子數(shù)量，使得輸入信號(hào)光在摻鉺光纖中變?yōu)橐粋€(gè)強(qiáng)的輸出光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了光的直接放大。（2） EDFA的結(jié)構(gòu)(a) 、同向泵浦(Equi-direction Pumping)結(jié)構(gòu) 輸入光信號(hào)與泵浦光源輸出的光波，以同一方向注入摻鉺光纖。(b)、反向泵浦(Reve

50、rse direction Pumping)結(jié)構(gòu) 單泵浦的輸出功率可達(dá)14dBm。(c)、雙向泵浦(Bi-direction Pumping)結(jié)構(gòu) 雙泵浦的輸出功率可達(dá)17dBm以上（3）EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)： （1）工作波長(zhǎng)(1.531.56mm)與光纖通信最佳波段一致； （2）與傳輸光纖的耦合損耗很小， 可達(dá)0.1 dB。 （3）增益高(達(dá)40dB) 、噪聲低(低至 3dB4dB )、輸出功率大(達(dá)1420dBm)； （4）能量轉(zhuǎn)換效率高； （5）增益特性穩(wěn)定：對(duì)溫度不敏感，與偏振無(wú)關(guān)； （6）頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm， 可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。（

51、4） EDFA的主要缺點(diǎn)：波長(zhǎng)固定（ 1.55mm左右）；增益帶寬不平坦。4、 光纖喇曼放大器（FRA: Fiber Raman Amplifier）（2） FRA的原理 若一強(qiáng)泵浦光和一弱信號(hào)光在一根光纖中傳輸，弱信號(hào)光的波長(zhǎng)在強(qiáng)泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，基于受激拉曼散射原理而使弱信號(hào)光得到放大，獲得拉曼增益。（4）FRA的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：具有很寬的工作帶寬，可以實(shí)現(xiàn)全波段光放大。在傳輸系統(tǒng)中和EDFA組合使用時(shí)，能有效地降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)。可以對(duì)光信號(hào)構(gòu)成分布式放大，因此可實(shí)現(xiàn)無(wú)中繼長(zhǎng)距離傳輸。分布式拉曼放大，可以減少入射信號(hào)的光功率，降低了光纖非線性的影響，避免四波混頻效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響。具有較寬

52、的拉曼增益譜。（多個(gè)泵浦源，可達(dá)132mm）缺點(diǎn)： 喇曼光纖放大器所需要的泵浦光功率高。 作用距離太長(zhǎng)，增益系數(shù)偏低。 對(duì)偏振敏感。EDFA和FRA的比較EDFA的增益頻譜是由鉺能級(jí)電平?jīng)Q定的，它與泵浦光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，它是固定不變的。EDFA由于能級(jí)躍遷機(jī)制所限，增益帶寬只有80 nm。光纖拉曼放大器使用多個(gè)泵源，可以得到比EDFA寬得多的增益帶寬。目前增益帶寬已達(dá)132 nm。這樣通過(guò)選擇泵浦光波長(zhǎng)，就可實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)的光放大，所以光纖拉曼放大器是目前唯一能實(shí)現(xiàn)1 2901 660 nm光譜放大的器件，光纖拉曼放大器可以放大EDFA不能放大的波段。5. 半導(dǎo)體光放大器

53、（1） SOA的工作原利用受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光功率的放大的。激活介質(zhì)（有源區(qū)）吸收外部泵浦提供的能量，電子獲得了能量躍遷到較高的能級(jí)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。輸入光信號(hào)會(huì)通過(guò)受激輻射過(guò)程激活這些電子，使其躍遷到較低的能級(jí)，從而產(chǎn)生一個(gè)放大的光信號(hào)。SOA與半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)相似，但它沒(méi)有反饋機(jī)制，因此SOA只能放大光信號(hào)，但不能產(chǎn)生相干的光輸出。（2） SOA的結(jié)構(gòu)：法布里-珀羅放大器（FPA）行波放大器（TWA）SOA的特性：SOA最大的優(yōu)點(diǎn)是它使用InGaAsP來(lái)制造，因此體積小、緊湊，可以與其他半導(dǎo)體和元件集成在一起。SOA的主要特性是： (1) 它們與偏振有關(guān)，因此需要保偏光纖。 (2) 它們具有可靠的高增益(20dB)。 (3) 它們的輸出飽和功率范圍是510dBm。