第3章光纖通信基本器件內容提要：3.1光有源器件3.2光檢測器件3.3光纖放大器（EDFA）3.4光纖連接器3.5光分路耦合器和波分復用器3.6光隔離器和光環(huán)行器3.7光衰減器和光開關3.8偏振控制器一個完整光纖通信系統(tǒng)需要：有源器件多種無源器件激光器、發(fā)光二極管:能量轉換器件即電導致光的器件光檢測器：能量轉換器件即光導致電的器件光放大器：直流光能轉換成交流光能。光無源器件：光纖連接器光無源器件：光定向耦合器、光衰減器、光隔離器、光調制器等概述光有源器件是光發(fā)射機的核心，它的作用是將電信號轉換成光信號。光纖通信中常用的光有源器件有半導體激光器LD和半導體發(fā)光二極管LED兩種。3.1.1半導體激光器結構及原理半導體激光器（簡稱激光器）是向半導體PN結注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，產生受激輻射，再利用光學諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產生激光振蕩的。3.1光有源器件

1．半導體激光器的工作原理Femi統(tǒng)計規(guī)律在熱平衡狀態(tài)時，粒子在各能級之間的分布應服從費米統(tǒng)計規(guī)律。

f（E）＝1/[1＋exp（E-Ef）/K0T](3.1)f（E)—能量為E被電子占據(jù)的機率（概率）Ef

—費米能級。它與物質的特性有關，它只是反映電子在各個能級中分布情況的一個參量（它是抽象的不存在的一個能級）。K0=1.38x10-23J/K玻耳滋曼常數(shù)1)光的輻射和吸收

愛因斯坦于1917年,根據(jù)輻射與原子相互作用量子學論提出:光與物質相互作用將發(fā)生自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收三種物理過程。

圖3-1能級和電子的躍遷(1）自發(fā)輻射，如圖3-1（a）所示。

設E2>E1

處于高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，它將按一定的概率，自發(fā)地（無外界輻射）向低能E1上躍遷，并在躍遷的過程中發(fā)射出一個頻率為f，能量為ε的光子。特點：自發(fā)輻射是獨立自發(fā)躍遷,產生光為非相干光,且光子之間互不相干.

釋放光子的能量ε=E2-E1=hf

發(fā)射光子的頻率f=(E2-E1)

/h;定量分析：(2）受激吸收，如圖3-1（b）所示。

處于低能級的電子，當受到外來的頻率為f＝（E2－E1）/h的光子照射時，原子中電子可以吸收光子的能量從低能級向高能級躍遷這個過程叫受激吸收。

條件：必須在外來光子的激勵下，且外來光子能量hf外≥E2-E1(3）受激輻射，如圖3-1（c）所示。

處于高能級E2的電子受到外來光子的感應，發(fā)射一個與感應光子完全相同的光子，即頻率、相位、偏振方向和傳播方向相同。

受激輻射條件：外來光子能量hf外≥E2-E1特點：外來光子與感應光子為全同光子。粒子數(shù)反轉分布?即光放大狀態(tài)（4）粒子數(shù)反轉分布

在通常情況下，即熱平衡條件下，粒子的正常能級分布總是低能級上的粒子數(shù)大于高能級粒子數(shù)。總效果是光受激吸收比受激輻射占優(yōu)勢，因此媒質為吸收媒質。若要獲得光的放大，必須設法使受激輻射占優(yōu)勢，使粒子的能態(tài)分布反常，即處于高能級上的粒子數(shù)多于低能級粒子數(shù)，通常把這種分布叫做粒子數(shù)反轉分布，也叫光放大狀態(tài)。（5）光放大

當物質在外部能源作用下，達到粒子數(shù)反轉分布時（光放大狀態(tài)），高能級上的大量粒子數(shù)在受到外來入射光子的激發(fā)下，同步發(fā)生與入射光子的頻率、相位、偏振方向、傳播方向一致的全同光子，這樣就實現(xiàn)了用一個弱的入射來激發(fā)粒子數(shù)反轉分布物質，使其輸出一個強光的光放大作用。2)激光產生的條件*激光器——指激光自激振蕩器。*激光器是以受激輻射為基礎的物質內部原子內能的變化引起的。*電振蕩器構成：*激光振蕩器基本構成：*.激光器振蕩必要條件(1)激活物質(粒子數(shù)反轉分布=激活物質)[激光工作物質+泵浦源](2)頻率選擇及正反饋光學諧振腔(3)閾值條件和相位條件激光產生的過程激活物質和光學諧振器只是激光產生的必要條件，要產生激光振蕩，還必須滿足一定的閾值條件和相位條件。

激光產生的過程？簡述泵浦源

Z腔軸

P入P反光子流輸出

M1

r1=P反/P入

M2，r2M1的功率反射率100%，M2的功率反射率為90％左右，以便從M2獲得激光輸出。把激活物質放在兩個反射鏡之間。圖3-2激光器結構原理圖閾值條件（門限）

激光產生的閾值條件是激光產生振蕩的最低條件。增益＝光學諧振腔的總損耗要產生振蕩，必須滿足：

P（2L）≥P(0)即：r1r2exp[（g0－αi）2L]≥1

（3.2）

exp[（g0－αi）2L]≥1/r1r2

(g0－αi)2L=Ln[1/r1r2]

g0－αi=[1/2L]×Ln[1/r1r2]（3.3）相位條件激光振蕩，不僅是閾值條件，還要滿足相位條件。相互加強疊加意義：入射波與經(jīng)腔往返一周到原位置的反射波產生相互疊加（加強干涉），他們的相位差為零或2π的整數(shù)倍。△φ＝2πq＝K×2L＝(2π/λq)×2L(3.4)L＝q×λq/2(3.5)其中：q=1，2，3，…；λq=2L/q為與q值對應的波導波長；

L為腔的幾何長度。上式為激光器的相位平衡條件，通常又稱為光腔的駐波條件，當滿足該條件時，腔內形成駐波。

激光器縱模與縱模間隔(1).縱模——光場沿軸Z向變化模式(2).縱模間隔：相鄰的兩個縱模的諧振頻率間隔：△f0q=c/2nL;波長表示縱模間隔，則近似為：△λ0q=λ20/2nLff0q-1f0q+1Δf0qf0q例如q=8，腔長L=（

q/2）×8，有8個半個波長，其諧振頻率f08=（c×8）/2nL。

例如q＝10，腔長L＝（λq/2）×10，有10個半個波長，其諧振頻率f010＝（C/2nL）×10。

圖3-3激光振蕩的駐波圖案3)半導體的能帶及PN結能帶結構半導體的能帶結構(1)孤子原子的能級：在原子中存在著一個個分立能級，電子只能存在于這些分立的能級之上。(2)兩個原子的能級：每個能級已經(jīng)分裂成為兩個彼此靠的很近的能級。(3)大量原子能帶：電子不在屬于個別原子，它一方面圍繞每個原子運動，同時電子做共有化運動，相同能量的能級已變成許多靠得很近，分裂能級——形成帶狀，稱為能帶。(4)晶體能帶：半導體是由大量原子有次序的周期性排列的晶體。

晶體的能帶圖EcEfEv導帶Ec：空著沒有電子，是自由電子占據(jù)的能帶禁帶Eg：無電子占據(jù)的能帶Eg價帶Ev

：形成化學價的電子占據(jù)的能帶滿帶Ec：填滿電子的能帶注：Eg=Ec-Ev圖3-4晶體的能帶圖．PN結的能帶和電子分布

半導體的能帶和電子分布（a）本征半導體；

（b）N型半導體；

（c）P型半導體Te++Zn--1.424ev0.03ev0.024ev圖3-5半導體的能帶和電子分布圖3-6PN結的能帶和電子分布2.半導體激光器基本結構+-d圖3-7DH激光二極管芯示意圖雙異質結（DH）條形激光器的基本結構

(a)短波長；（b）長波長圖3-8DH-LD結構由于半導體內光子與電子之間的相互作用，所導致的電子的躍遷除需要滿足能量守恒條件之外，還必須滿足動量守恒條件。（光子與電子之間的相互滿足動量守恒條件，電子—孔穴躍遷復合就能光發(fā)射）自由電子運動的動量狀態(tài)P，由電子的量子力學波矢量k決定，即：p＝hk其中，h為普朗克常數(shù)。因此，電子的躍遷前后應具有相同的動量，即有相同的波矢量k。

直接//間接帶隙如圖所示(a)直接帶隙材料（b）間接帶隙材料價帶P=hk圖3-9材料能帶、波矢量關系示意圖

什么半導體材料在電子能級躍遷時，電子-孔穴的復合就能產生光發(fā)射呢？在光的受激輻射過程中必須保持能量與動量的守恒。禁帶形狀是與動量有關的，依照禁帶形狀，可將半導體分為直接帶隙材料和間接帶隙材料，如圖3-9所示。

在直接帶隙材料中，導帶中的最低能量與價帶的最高能量具有相同的動量（相同波矢量k），電子垂直躍遷，發(fā)光效率高.*在間接帶隙材料中，不具有動量守恒條件，因此不適合于制作光源。如硅Si、鍺Ge屬于間接帶隙材料不能做激光器材料，主要做集成電路和光檢測器。如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）砷磷化銦鎵（InGaAsP）等屬于直接帶隙材料，主要用于集成電路、發(fā)光二極管、激光器、光光檢測器的制作。3.1.2分布反饋式和可調諧式半導體激光器分布反饋（DFB-LD）型半導體激光器是一種動態(tài)單縱模激光器，其結構與普通F-P激光器不同，它的沒有集總反射的諧振腔反射鏡，它的反射機構是由有源區(qū)波導上縱向等間隔（布拉格，Bragg）光柵提供工作。另外還有一種有別于DFB-LD的激光器為分布布拉格反射式半導體激光器（DBR-LD）。分布反饋（DFB）型半導體激光器

（Distributedfeelback）分布布喇格反射型（DBR）半導體激光器1.分布反饋型導體激光器

DFB激光器的基本工作原理，可以用布喇格反射來說明。

波紋光柵是由周期性空間結構的衍射而形成。它為受激輻射產生的光子提供周期性的反射點。在一定的條件下，所有反射光同向相加，形成某方向波長的主極點。波紋結構，可以取不同的形狀，如方波，三角波。光柵？激光振蕩的條件？圖3-10DFB激光器的結構及其中的光反射與F-P腔激光器相比，DFB激光器具有下列優(yōu)點：（1）單縱模特性好。DFB激光器的發(fā)射波長主要由光柵周期∧決定。在每一個周期∧內形成一個微諧振腔。由于∧的長度很小，故模式間隔比F-P腔激光器大得多，較容易實現(xiàn)單縱模工作，邊模抑制比可達35dB以上。（2）光譜線寬窄。在DFB激光器中，布拉格反射相當于多級調諧，使諧振波長的選擇性大為提高。DFB激光器線寬一般在0.05nm～0.08nm的范圍（普通FP腔激光器的單模線寬可達0.1nm～0.2nm）。（3）溫度特性好。DFB激光器的波長穩(wěn)定性隨溫度漂移約為0.08nm/℃（普通FP腔激光器的一般溫度漂移值為0.3nm/℃～0.4nm/℃）。（4）調制特性好。DFB激光器在高速調制下也能保持單縱模振蕩，在GHz量級直接調制下，邊模抑制比可以大于30dB，這使得DFB激光器成為長波長高速光纖通信系統(tǒng)和光纖有線電視（CATV）傳輸系統(tǒng)中的理想光源

分布反饋式激光器的結構與普通F-P激光器不同,它不是靠解理面形成的諧振腔工作,而是依賴沿縱向等間隔分布反饋光柵工作.DFB-LD有上千個反射點，按縱向分布于全長上，反射點的分布由周期性光柵為反射面形成。周期∧=m×(λm/2)=mλ0/2n

λm=λo/n其中：∧為光柵周期；λm為有源介質中光波長；λ0為真空波長；n是有源層折射率；m為整數(shù)，是光柵引起的布拉格衍射級次。

2.波長可調諧半導體激光器c3耦合腔結構波長可調激光器

（Cleaved－CoupledCavitylaser）腔長=L1+a+L2=（1/2）qλoq波長可諧是一是通過改變外腔特性，如gt＝α總；二是通過選主模改變外腔的光學長度來移動外腔F-P模從而實現(xiàn)調制。aL2L1.光柵外腔半導體激光器ECL通過調節(jié)光柵的傾角，可以實現(xiàn)單縱模調諧，調諧范圍可以達50nm以上。在相干光通信及WDM光通信系統(tǒng)中，需要采用可調諧光源作為本振光源。圖3-13光柵外腔結構波長可調激光器的結構．激光器組件LM（LM=LD+PIN+TEC+RT+SMF)圖3-14LD組件

圖3-15LD組件外形3.1.3半導體激光器的主要特性

1.閾值特性(P-I曲線)當I<IthPN結電流很小.ΔN<ΔNth即α>gt,只有少量自發(fā)輻射光稱為熒光.當I>IthPN結電流很大.ΔN>ΔNth即α=gt,產生激光震蕩

對于半導體激光器，當外加正向電流達到某一值時，輸出光功率將急劇增加，這時將產生激光振蕩，這個電流值稱為閾值電流，用Ith表示。當I＜Ith

時，激光器發(fā)出的是熒光；當I＞Ith

時，激光器才發(fā)出激光。這個曲線即是半導體激光器的輸出特性曲線。

圖3-16激光器P-I性線曲特激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大，其變化情況如圖所示。2.溫度特性LD的Ith與溫度的關系:T絕對溫度；I0為常數(shù)；T0為LD的特征溫度，它在一定的溫度范圍內是常數(shù)，T0越大器件溫度特性越好.如：GaAs/GaAlAs的LD，T0=1000K~1500KInGaAsP/InP的LD，T0=400K~500K若LD的T1絕對溫度時所對應的閾值電流為Ith1；

LD的T2絕對溫度時所對應的閾值電為Ith2，則：Ith2=Ith1exp[(T2-T1)/T0]短波長LD的溫度特性圖長波長LD的溫度特性圖3.轉換效率功率效率:電效率與光效率之間轉換效率量子效率:電子與光子之間轉換效率半導體激光器是把電功率直接轉換成光功率的器件。其電光之間轉換效率用外量子效率

D表示：式中，Pth和Ith分別是對應的閾值；Pex和I分別為激光器的輸出光功率和驅動電流；hf和e0分別為光子能量和電子電荷。由此得到：

D的幾何意義是P-I曲線線性部分的斜率,它不隨注入電流變化。若Pex>>Pth，則有：4．發(fā)光波長和光譜特性半導體激光器的發(fā)光波長取決于導帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于材料的禁帶寬度Eg，單位為電子伏特eV，半導體激光器的發(fā)光波長

，單位為

m，可通過下式求得：hf=Eg式中，f=c/

，f和

分別為發(fā)射光的頻率和波長，代入上式得：

=ch/Eg=1.24/Eg

（3.9）半導體激光器的光譜

圖3-18半導體激光器的光譜光譜特性是衡量器件發(fā)光單色性的一個物理量。光譜非單色性的原因？（1）光譜寬度ΔλΔλ定義是發(fā)射最大光功率等于50%的所有波長，稱為光譜寬度Δλ（2）光譜線寬ΔλLΔλL是在一個縱模中光譜輻射功率為其一半的譜線兩點間的波長間隔。（3）邊模抑制比MSRMSR定義為：主模功率Pm與最強邊模功率Ps之比，它是LD頻譜純度的一種量度，如圖3-19所示，寫成公式為：（4）最大

20dB寬度主縱模下降20dB處的光譜線寬

L=2

1，如圖3-18所示。電光延遲時間td

電光延遲時間發(fā)生在閾值之前，從加電流到產生激光所需要的時間叫td。5．電光延遲td和張弛振蕩現(xiàn)象圖3-20光脈沖瞬態(tài)響應波形圖

td可用“速率”方程求得：

td=τSPLn[Jp/（J-Jth）]

由于J=I/A，Jp=Ip/A，Jth=Ith/A所以有：td=τSPLn[Ip/（I-Ith）]

式中，I=Ib+IP，其中Ib是直流偏值，IP是脈沖電流，Ith是閾值電流，τsp自發(fā)輻射壽命。這樣亦有：

td=τSPLn[IP/（IP+Ib-Ith）]當Ib→Ith時，則td→0。一般情況下td在0.5-2.5ns范圍內

電光延遲時間產生——碼形效應若兩個脈沖連續(xù)為“1”時，第二脈沖的電子密度高于第一脈沖到來之前的值，于是第二光脈沖延遲時間減少，輸出幅度和寬度增加。這種現(xiàn)象稱為碼形效應。特點：較長連“0”以后，出現(xiàn)的“1”碼光脈沖的幅度明顯下降。6．自脈動現(xiàn)象（等幅振蕩）在注入電流達到某一值時，出現(xiàn)疊加在輸出光脈沖上的持續(xù)等幅振蕩，這種現(xiàn)象稱為自脈動現(xiàn)象。圖3-21碼形效應圖

圖3-22激光器的自脈動現(xiàn)象3.1.4半導體發(fā)光二極管（LED）一、發(fā)光二極管的結構

1.邊發(fā)射型2.面發(fā)射型3.工作原理發(fā)光二極管是非相干光源，它的發(fā)射過程主要對應光的自發(fā)發(fā)射過程。4.LED與LD的區(qū)別：(1)沒有諧振腔，是以自發(fā)輻射為主的非相干光。（2）溫度特性好；（3）光譜寬度寬（4）發(fā)散角大等

圖3-23SLED的結構圖3-24ELED3.1.5半導體發(fā)光二極管的主要工作特性

1.P-I特性曲線圖3-25LED的P-I特性LED的輸出完全由自發(fā)輻射產生，其P-I曲線如圖3-25所示。LED無閾值，發(fā)光功率隨工作電流增大，LED的工作電流通常為50~100mA，偏壓1.2~1.8V，輸出功率約幾mW。工作溫度升高時，同樣的工作電流下LED輸出功率要下降。例如當溫度從20

℃升70

℃時，輸出功率下降一半，但相對LD而言，溫度的影響較小。2.發(fā)散譜線和發(fā)散角

LED的水平發(fā)散角約為300，LED的垂直發(fā)散角約為1200。對于用GaAlAs材料制作LED，發(fā)射譜線Δλ約為25—40nm，而對長波長InGaAsP材料制作的LED，Δλ在75－100nm之間。半導體光源LD和LED一般性能如表3.1所示。表3.1DFB激光器、FP-LD腔激光器和LED一般性能

DFB激光器FP腔激光器LED工作波長

/

m1.31.551.31.551.31.55光譜寬度

/nm邊模抑制比30～35dB1～21～325～4060～100閾值電流Ith/mA15～2020～3020～3030～60—工作電流I/mA（1.2～1.5）Ith（1.2～1.5）Ith50～10050～100輸出功率P/mW20～4015～305～105～101～51～3入纖功率P/mW10～207～151～31～30.1～0.30.1～0.2調制帶寬B/MHz500～1000500～2000500～100050～15030～100輻射角

/°

20×5020×5030×12030×120壽命t/h106～107105～106106～107105～106108107工作溫度/℃-20～50-20～50-20～50-20～50-20～50-20～503.2光檢測器件

光檢測器是光接收機的關鍵器件，它的作用是把接收到的光信號轉換成電流信號。光纖通信中最常用的光檢測器有PD光電二極管、PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。

3.2.1

PD光電二極管

光纖通信中所使用的半導體光檢測器，是利用光電效應原理而制成的。所謂半導體光電效應是指一定波長的光照射到半導體PN結上，且光子能量大于半導體材料的禁帶寬度（hf>Eg）時，價帶電子吸收光子能量躍遷到導帶，使導帶中有電子，價帶中有空穴，從而使PN結中產生光生載流子，在場的作用下形成光電流的一種現(xiàn)象，如圖3-26所示。圖3-26半導體PN結及能帶圖（V內+V外）e0V外RSIP作用區(qū)吸收區(qū)>作用區(qū)E=0E=0E電場ZZ03.2.2PIN光電二極管PIN管構成由P+---I(N)----N+共3層構成

圖3-28PIN工作原理示意圖特點：

PIN管的耗盡層遍及整個I層，幾乎占據(jù)整個PN結即吸收區(qū)=作用區(qū)光電轉換效率高。

3.2.3APD雪崩光電二極管有P+---π(P)---P----N+共4層構成圖3-29APD的結構及電場分布3.2.4光電二極管的主要特性1.光電效應條件和波長響應范圍hf>Eg，f>Eg/h=fC或λ0<hC/Eg=λCh=6.63×10-34J.SEg是材料的禁帶寬度1ev=1.6×10-19Je0=1.6×10-19C.*光電效應條件要求外來光子的波長λ<λC但當入射光波長太短光電換效率也會大大下降。

2.

光電轉換效率—響應度R0和量子效率η當入射光功率為P時，光電二極管的光生電流為Ip則：響應度R0=Ip/P量子效率3.光電響應速度和頻率特性

響應速度是指光電二極管接收到光子后產生光生電流輸出的速度，它常用響應時間，即上升時間和下降時間來表示。4.暗電流Id:暗電流Id定義為無光照射時光電二極管的反向電流,稱為暗電流（噪聲電流）。Si的PIN管的Id大于1nA，Ge的PIN管的Id約幾百nA，InGaAS的PIN管的Id約幾十nA。APD管的Id由于倍增因子G存在,因此其暗電流總是大于同材料的PIN管G倍。5．APD管平均倍增因子G特性倍增因子G定義為倍增后APD管輸出光生電流IM與未倍增的初始光生電流之比，即

G=IM/IPAPD的倍增因子G與反向電壓V的關系可近似用Miller公式表示：APD響應度R和量子效率ηR=IM/P=GIP/P=GR0η=（IP/e）/（P/hf）<1

量子效率

僅與初級光生載流子有關，不涉及倍增載流子。6．APD噪聲特性

噪聲源主要是:過剩噪聲過剩噪聲可用過剩噪聲因子F(G)表示:工程上:F(G)≈Gxx--過剩噪聲指數(shù)

0<x<1種

類Si-PINInGaAs-PINSi-APDInGaAs-APD響應波長/(

m)0.4~1.01.0~1.60.4~1.01.0~1.65響應度/(A.W

1)0.4（0.85

m）0.6（1.3

m）

0.5（0.85

m）0.5~0.7（1.3

m）暗電流/(nA)0.1~12~50.1~110~20響應時間/(ns)2~100.2~10.2~0.50.1~0.3工作電壓/(V)

15~

5

15~

5

100~

50

60~

40結電容/(pF)0.5~11~21~2<0.5倍增因子——30~10020~30附加噪聲指數(shù)——0.3~0.40.5~0.7本節(jié)完表3.2

PIN和APD光電二極管一般性能3.3光纖放大器一．光放大器在光纖通信中的應用

1．在光纖通信網(wǎng)中的應用(光纖損耗和色散)2．在波分復用DWDM光纖通信系統(tǒng)中的應用3．在光孤子通信中的應用二．光放大器的分類

光放大器:有半導體光放大器SLA（SemiconductorLaserAmplifier）;受激拉曼散射、布里淵散射光纖放大器FiberAmplifier和摻雜光纖放大器EDFA光放大器的基本原理光放大器主要由放大工作介質、泵浦源組成。工作時，工作介質先從泵浦源中吸收足夠的能量處于粒子反轉分布，當輸入信號光經(jīng)過此工作介質時兩者將發(fā)生受激輻射作用，使輸入光信號從工作介質中獲得能量形成放大了的輸出信號光。光放大器的基本原理圖3.3.1EDFA的結構及原理

摻鉺光纖放大器基本結構是將稀土元素鉺Er3+離子注入到光纖芯層中，濃度約為25mg/kg形成EDFA的工作介質——摻鉺光纖EDF，在泵浦源激勵下可直接對某一段波長的光信號進行放大，其特點是具有高增益、高輸出、寬頻帶、低噪聲等一系列優(yōu)點，是目前應用最廣泛的光放大器，為光纖通信帶來極其深遠的影響。1.EDFA的基本結構及作用EDFA主要由摻鉺光纖、泵浦源、WDM、光隔離器等組成，如圖3-33所示。圖3-33EDFA的三種典型結構①WDM作用：是將不同波長的泵浦光和信號光混合而送人摻鉺光纖。②光隔離器的作用：是防止反射光對光放大器的影響，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。③濾波器的作用是濾除放大器的噪聲提高系統(tǒng)的信噪比。④泵浦源：為半導體激光器，輸出功率為10mw～100mw，工作波長為1480nm，980nm，820nm。提供足夠的光功率使摻鉺光纖處于粒子反轉分布。⑤摻鉺光纖：具有一定的長度的10～100（m）具有一定增益，石英光纖將稀土元素Er3＋注入到光線中，濃度為25mg/kg。EDFA的泵浦方式①同向泵浦優(yōu)點：結構簡單，但噪聲性能不佳。②反向泵浦優(yōu)點：當光信號放大到很強時，泵浦光也強，不易達到飽和，因而噪聲性能較好。③雙向泵浦優(yōu)點：雙向泵浦方式結合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點，使泵浦光在光纖中均勻分布，使其增益在光纖中也均勻分布。

2.EDFA的工作原理

EDF與泵浦源、信號光相互作用機理圖3-34摻鉺光纖與泵浦源、信號光相互作用的機理3.3.2EDFA主要特性

1.增益特性

摻鉺光纖放大器G：15～40dB；增益頻譜范圍：1525～1565nm之間可以進行放大。①增益與泵浦光功率和輸入信號光功率有關，并存在一個最佳的摻鉺光纖長度。輸入信號功率越小時（小信號）放大器的增益越大。當泵浦光功率較大時，放大器的增益出現(xiàn)飽和。如圖3-36所示圖3-35EDFA信號增益與泵浦功率的關系Pth

PP>3Pth

②增益與摻鉺光纖長度的關系圖3-36增益與摻鉺光纖長度的關系

2．輸出功率特性理想的光放大器，不管輸入功率多高，光信號都能按同一比例被放大，但實際的EDFA卻并非如此。當輸入功率增加時，受激輻射加快，以至于減少了粒子反轉數(shù)，使受激輻射光減弱，導致增益飽和，輸出功率趨于平穩(wěn)。3.噪聲特性①放大器噪聲源

EDFA的噪聲主要有以下四種：信號光的散粒噪聲；放大器的自發(fā)輻射（ASE）散粒噪聲；信號光與ASE光譜之間的差拍噪聲；ASE自身光譜間的差拍噪聲。以上4種噪聲中，后兩種影響最大，其功率譜密度如圖3-38所示。②噪聲系數(shù)F噪聲系數(shù)（NF：NoiseFigure）對不同泵浦源略有不同。光放大器的噪聲特性可以用噪聲系數(shù)F來度量：通常EDF長60m，1480nm泵浦源F約為4～6dB；EDF長30m。圖6-23EDFA增益與噪聲性能（泵浦功率120mW），980nm泵浦源F約為3.2～3.4dB。實用EDFA的構成原理圖如圖3-38所示。表3.3列出國外幾家公司EDFA商品的技術參數(shù)。電源監(jiān)視圖3-38EDFA的構成原理圖表3.3EDFA摻鉺光纖放大器技術參數(shù)3.4光纖連接器3.4.1光纖連接器結構與種類光纖連接器又稱活動連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接的器件。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。

光纖固定接頭是實現(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成，通常在工程現(xiàn)場實施。活動連接器件是光纖通信領域最基本、應用最廣泛的無源器件。3.4.2．光纖連接器的主要性能指標1.插入損耗耦合損耗用L表示。若輸入光纖的光功率為PT，輸出光纖的光功率為PR，如圖3-39（a）所示。插入損耗定義為：

理想的光纖連接器是PT＝PR，L＝0dB,但實際上光纖連接損耗是難以避免的。圖3-39光纖的耦合與耦合缺陷2.回波（反射）損耗回波（反射）損耗定義:

3.重復性和互換性重復性是指活動連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示。互換性是指各連接器互換時插入損耗的變化，也用dB表示。常用光纖連接器的結構特點和性能指標如表3.5所示。表3.5光纖連接器的結構特點和性能指標

類

型結構和特性

FC/PC

FC/APCSC/PCSC/APCST/PCLC/PC結構特點插針套管（包括光纖）端面形狀

球面

斜八度面球面斜八度面球面球面連接方式螺紋螺紋軸向插拔軸向插拔卡口軸向插拔連接器形狀圓形圓形矩形矩形圓形矩形性能指標平均插入損耗/dB≤0.2≤0.3≤0.3≤0.3≤0.2≤0.3最大插入損耗/dB0.30.50.50.50.3≤0.4重復性/dB≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1互換性/dB≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1≤±0.1回波損耗/dB≥40≥60≥40≥60≥40≥45插拔次數(shù)≥1000≥1000≥1000≥1000≥1000≥1000使用溫度范圍/℃-40～+80-40～+80-40～+80-40～+80-40～+80-40～+803.5光分路耦合器和波分復用器3.5.1光分路耦合器光纖耦合器的功能是把一個輸入的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。這種光耦合器與波長無關。1．光分路耦合器基本結構用途：光通信網(wǎng)絡X形耦合器(2×2)

耦合器P1P2P4P3圖3-40X型耦合器模型表3.6光分路耦合器的功能輸

入按比例輸出作

用P1P3，P4分路（P2很小）P3，P4P1耦合（P2很小）P2P3，P4分路（P1很小）耦合機理:對稱圖3-41X型（2×2）耦合器的耦合機理星狀耦合器（N×M）如圖3-42所示功能：是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖輸出,n和m不一定相等。特點：該耦合器通常用作多端功率分配器。這種光耦合器與波長無關。圖3-42星狀耦合器用2×2耦合器拼接星型、樹型耦合器

圖3-431×8或2×8樹狀耦合器圖3-4432×32星型耦合器星形耦合器應用圖3-45星狀耦合器應用示意圖2.光分路耦合器的性能指標

光耦合器的性能指標有插入損耗、分光比與隔離度等，以圖3-40X狀光耦合器為例，其性能指標如下所述。（1）插入損耗：

（2）附加損耗（3）分光比：（4）隔離度：圖3-40光纖耦合器圖3-46光柵型波分復用原理圖1.光柵型波分復用器3.5.2波分復用器圖3-47光柵型波分復用器的應用實例

在WDM系統(tǒng)中，光柵主要用在解復用器中，以分離出各個波長。圖3-47是光柵型波分復用器應用的兩個例子。根據(jù)光柵方程為:式中m表示對應的某一波長光線衍射后出現(xiàn)的一種方向，稱光譜級。當d和θi一定時，光譜級確定后則m不變，則此時衍射角θdm隨λm表改變而改變。

例:m=12．多層介質膜型（MDTFF）波分復用器————干涉濾光片型

圖3-48多層介質膜型波分復用器3．熔融拉錐全光纖型波分復用器圖3-49熔融拉錐型波分復用器原理圖4.集成光波導波分復用器圖3.50AWG波分復用器的結構示意圖

AWG波分復用器的性能如表3.7所示，波長間隔從15nm到0.2nm，信道數(shù)從8擴大到128。表3.8所示是各種WDM器件主要性能的比較。

在實用DWDM系統(tǒng)中，當波分復用的光信道數(shù)小于16時，幾乎所有的公司都采用無源的3dB耦合器組成波分復用器，如圖3-51所示。表3.7AWG波分復用器的特性

表3.8各種WDM器件性能的比較器件類型機

理批量生產信道波長間隔/nm信道數(shù)串擾/dB插入損耗/dB主要缺點衍射光柵型角色散一般0.5～104～131≤-303～6溫度敏感多層介質薄膜型干涉/吸引一般1～1002～32≤-252～6信道數(shù)較少熔錐型波長依賴型較容易10～1002～6≤-10～-450.2～1.5信道數(shù)少集成光波導型平面波導容易1～54～32≤-256～11插入損耗大無源的