【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量電子 空穴對(duì) ， 因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率 。 兩側(cè) P+層和 N+層很薄 ， 吸收入射光的比例很小 ， I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層 ， 因而光生電流中漂移分量占支配地位 ， 從而大大提高了響應(yīng)速度 。 另外 ， 可通過(guò)控制耗盡層的寬度 w， 來(lái)改變器件的響應(yīng)速度 。 圖 3. 21 PIN光電二極管結(jié)構(gòu) 抗反射膜光電極? ( n )P＋N＋E電極 (APD) I和反偏壓 U的關(guān)系示于圖 。 隨著反向偏壓的增加 ， 開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)電壓稱為擊穿電壓 UB。 APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件 。 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 200 kV/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 ，見圖 。 所以這種器件就稱為雪崩光電二極管 (APD)。 圖 APD ＋－I0NP P ( N )光 APD的結(jié)構(gòu)有多種類型 ， 如圖 N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型 APD。 在這種類型的結(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) 。 1. 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 I和 P的比值。 PIIg 0? 顯然 ， APD的響應(yīng)度比 PIN增加了 g倍 。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) ， 并考慮到器件體電阻的影響 ， g可以表示為 nBnB URIUUUIg]/)[(11)/(1 00????? 式中 ， U為反向偏壓 ， UB為擊穿電壓 ， n為與材料特性和入射光波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù) ， R為體電阻 。 當(dāng) U≈UB時(shí) ，RIo/UB1， 上式可簡(jiǎn)化為 210)(PBBnr IUnR IUg ?? 表 (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 PINPD。 SiPIN和 APD用于短波長(zhǎng) ()光纖通信系統(tǒng) 。 InGaAsPIN用于長(zhǎng)波長(zhǎng) ( μm和 μm)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 FET PIN接收組件 ， 以進(jìn)一步提高靈敏度 ， 改善器件的性能 。 這種組件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用 。 新近研究的 InGaAs APD的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快 ， 傳輸速率可達(dá)幾到十幾 Gb/s， 適用于超高速光纖通信系統(tǒng) 。 由于 GeAPD的暗電流和附加噪聲指數(shù)較大 ， 很少用于實(shí)際通信系統(tǒng) 。 無(wú) 源 器 件 一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng) ， 除光纖 、 光源和光檢測(cè)器外 ， 還需要許多其它光器件 ， 特別是無(wú)源器件 。 這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成 、 功能的擴(kuò)展或性能的提高 ， 都是不可缺少的 。 雖然對(duì)各種器件的特性有不同的要求 ， 但是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(zhǎng) 、 體積小 、 價(jià)格便宜 ， 許多器件還要求便于集成 。 本節(jié)主要介紹無(wú)源光器件的類型 、 原理和主要性能 。 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 ， 主要用于光纖線路與光發(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 。 表 器的一般性能 。 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 。 連接器有單纖 (芯 )連接器和多纖 (芯 )連接器 ， 其特性主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 、 加工精度和所用材料 。 單纖連接器結(jié)構(gòu)有許多種類型 ， 其中精密套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理 、 效果良好 ， 適宜大規(guī)模生產(chǎn) ， 因而得到很廣泛的應(yīng)用 。 表 光纖連接器一般性能 圖 ， 包括用于對(duì)中的套管 、 帶有微孔的插針和端面的形狀 (圖中畫出平面的端面 )。 光纖固定在插針的微孔內(nèi) ， 兩支帶光纖的插針用套管對(duì)中實(shí)現(xiàn)連接 。 要求光纖與微孔 、 插針與套管精密配合 。 對(duì)低插入損耗的連接器 ， 要求兩根光纖之間的橫向偏移在 1 μm以內(nèi) ， 軸線傾角小于 176。 。 普通的 FC型連接器 ， 光纖端面為平面 。 對(duì)于高反射損耗的連接器 ， 要求光纖端面為球面或斜面 ， 實(shí)現(xiàn)物理接觸 (PC)型 。 套管和插針的材料一般可以用銅或不銹鋼 ， 但插針材料用 ZrO2陶瓷最理想 。 ZrO2陶瓷機(jī)械性能好 、 耐磨 ， 熱膨脹系數(shù)和光纖相近 ， 使連接器的壽命 (插拔次數(shù) )和工作溫度范圍 (插入損耗變化 177。 dB)大大改善 。 圖 套管結(jié)構(gòu)連接器簡(jiǎn)圖 光纖 套管 插針 粘結(jié)劑 一種常用的多纖連接器是用壓模塑料形成的高精度套管和矩形外殼 ， 配合陶瓷插針構(gòu)成的 ， 這種方法可以做成 2纖或 4纖連接器 。 另一種多纖連接器是把光纖固定在用硅晶片制成的精密 V形槽內(nèi) ， 然后多片疊加并配合適當(dāng)外殼 。 這種多纖連接器配合高密度帶狀光纜 ， 適用于接入網(wǎng)或局域網(wǎng)的連接 。 對(duì)于實(shí)現(xiàn)固定連接的接頭 ， 國(guó)內(nèi)外大多借助專用自動(dòng)熔接機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熱熔接 ， 也可以用 V形槽連接 。 熱熔接的接頭平均損耗達(dá) dB/個(gè) 。 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 。 這種器件對(duì)光纖線路的影響主要是附加插入損耗 ， 還有一定的反射和串?dāng)_噪聲耦合器大多與波長(zhǎng)無(wú)關(guān) ， 與波長(zhǎng)相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器 /解復(fù)用器 。 1. 耦合器類型 圖 ， 它們各具不同的功能和用途。 T形耦合器這是一種 2 2的 3端耦合器 ， 見圖 (a)， 其功能是把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定比例分配給兩根光纖 ， 或把兩根光纖輸入的光信號(hào)組合在一起 ， 輸入一根光纖 。 圖 常用耦合器的類型 T 形( a )… …星 形( b )定向( c )2314…?1?2?N?1＋ ?2＋ ?N( d )波分 這種耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率組n m耦合器，見圖 (b)，其功能是把 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， m和 n不一定相等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。 定向耦合器這是一種 2 2的 3端或 4端耦合器 ， 其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào) 。 見圖 (c)， 光信號(hào)從端 1傳輸?shù)蕉?2， 一部分由端 3輸出 ， 端 4無(wú)輸出；光信號(hào)從端 2傳輸?shù)蕉?1， 一部分由端 4輸出 ， 端 3無(wú)輸出 。 定向耦合器可用作分路器 ， 不能用作合路器 。 波分復(fù)用器 /解復(fù)用器 (也稱合波器 /分波器 )這是一種與波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器 ， 見圖 (d)。 波分復(fù)用器的功能是把多個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一起 ， 輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào) ， 分配給不同的接收機(jī) 。 波分復(fù)用器 /解復(fù)用器將在 介紹 。 2. 耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型 ， 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 ， 圖 ~圖 三種類型的有代表性器件的基本結(jié)構(gòu) 。 圖 (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 輸入光光強(qiáng)度光纖 a光纖 b 輸出光2341( a )( b )123456789101112( c ) 光纖型把兩根或多根光纖排列 ， 用熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件 。 這種方法可以構(gòu)成 T型耦合器 、 定向耦合器 、 星型耦合器和波分解復(fù)用器 。 圖 (a)和 (b)分別示出單模 2 2定向耦合器和多模 n n星形耦合器的結(jié)構(gòu) 。 單模星形耦合器的端數(shù)受到一定限制 ， 通?？梢杂?2 2耦合器組成 ， 圖 (c)示出由 12個(gè)單模 2 2耦合器組成的 8 8星形耦合器 。 圖 (a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用 /解復(fù)用器 。 如圖 ， 光纖 a(直通臂 )傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿?Pa， 光纖 b(耦合臂 )的輸出光功率為 Pb， Pa=cos2(CλL) Pb=sin2(CλL) () 圖 光纖型波分解復(fù)用器原理 ? ?2?1?2?1?2耦合長(zhǎng)度光功率ababba 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) 。 設(shè)特定波長(zhǎng)為 λ1和 λ2， 選擇光纖參數(shù) ， 調(diào)整有效作用長(zhǎng)度 ，使得當(dāng)光纖 a的輸出 Pa(λ1)最大時(shí) ， 光纖 b的輸出 Pb(λ1)=0；當(dāng)Pa(λ2)=0時(shí) ， Pb(λ2)最大 。 對(duì)于 λ1和 λ2分別為 μm的光纖型解復(fù)用器 ， 可以做到附加損耗為 dB， 波長(zhǎng)隔離度大于 20 dB。 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 。 圖 (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) 光纖自 聚 焦 透鏡自 聚 焦 透鏡光纖濾光片? ?2?1?2?1?2?3?1＋ ?2＋ ?3光纖自 聚 焦 透鏡硅光柵光纖自 聚 焦 透鏡 分光片1342( b )( a )( c )( d) 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 。 圖 出波導(dǎo)型 T型耦合器 、 定向耦合器和用濾光片作為波長(zhǎng)選擇元件的波分解復(fù)用器 。 3. 說(shuō)明耦合器參數(shù)的模型如圖 ， 主要參數(shù)定義如下。 ???? NnonocOtOCppPPCR1圖 波導(dǎo)型耦合器 光波導(dǎo)開角( a )( b )( c )多模波導(dǎo)多 層 膜 濾光 片單模波導(dǎo)1 . 5 5 ? m1 . 5 5 ? m1 . 3 ? m1. 3 ?m 由此可定義功率分路損耗 Ls： Ls=10lg )1(CR 附加損耗 Le由散射 、 吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗 ， 是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 ， Le=10 lg ???????????NnNnotitP i nP i npP11lg10 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 ocicpp 方向