【正文】 )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)。 ? ：常規(guī)單模光纖 ， 在波長(zhǎng) 散為零 ， 系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制 。 ? ：色散移位光纖，在波長(zhǎng) 零，損耗最小。適用于大容量長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)， 。 ? ： μm損耗最小的單模光纖 ， 在波長(zhǎng) μm色散為零 ， 在 μm色散為 17~20 ps/(nmkm)， 和常規(guī)單模光纖相同 ， 但損耗更低 ， 可達(dá) dB/km以下 。 光纖傳感的重要器件： 一 光源 光纖傳感器光源的要求 ? 由于光纖傳感器結(jié)構(gòu)所限，要求光源的體積小，便于與光纖耦合 ? 光源要有足夠的亮度，以提高傳感器輸出的光功率 ? 光源發(fā)出的光波長(zhǎng)合適，以減少光波在光纖中傳輸時(shí)的能量損耗 ? 光源工作時(shí)穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下連續(xù)長(zhǎng)期工作 ? 光源要便于維護(hù)，使用方便 光源的分類 ? 非相干光源 包括白光源與發(fā)光二極管 ? 相干光源 包括各種激光器：半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器、固體激光器 在大多數(shù)光纖傳感中使用相干光源 相干光源 原理 能級(jí)的躍遷： 原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子（能級(jí)）躍遷，對(duì)于大量原子組成的體系來說，同時(shí)存在光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三個(gè)狀態(tài)。 受激吸收和自發(fā)輻射 受激吸收過程： 12 EEh ???自發(fā)輻射過程 12 EEh ???激發(fā)態(tài) E2 E3 E4 ?h?h基態(tài) E1 自發(fā)幅射的光是非相干光 受激輻射（ 1917年愛因斯坦提出） ?h E1 E2 ?h?h12 EEh ???與外來光子頻率 相同、相位相同、 偏振方向和傳播 方向相同。 特點(diǎn)： ?受激幅射中，光子成倍增長(zhǎng)，產(chǎn)生了光放大。 ?受激幅射產(chǎn)生的光子與入射光子是完全相干的； 激光 (相干光源 )的產(chǎn)生 1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) kTEkken ??E1 E2 21 NN ?粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 產(chǎn)生激光的必要條件： 2. 光學(xué)諧振腔 工作物質(zhì)全反射鏡 部分反射鏡部分反射鏡諧振腔長(zhǎng)度： ),3,2,1(2 ??? nnL ?光纖傳感常用激光器 ? 半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、驅(qū)動(dòng)電源簡(jiǎn)單、能直接調(diào)制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用安全、其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。 半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器工作原理 ? 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，并利用光學(xué)諧振腔的正反饋實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。 半導(dǎo)體的能帶和電子分布 能量 價(jià)帶 導(dǎo)帶 Eg Ef Ef/2 Ef/2 Eg Ef Ee Ev Ev Ee Eg Ef (a)本征半導(dǎo)體 (b)N型半導(dǎo)體 (c)P型半導(dǎo)體 空穴 電子 h fh fEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)電子， 空穴( c )勢(shì)壘能量EpcP 區(qū)EncEfEpvN 區(qū)Env( b )P 區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N 區(qū)內(nèi)部電場(chǎng) 擴(kuò)散 漂移( a )(a) P N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng) (b)零偏壓時(shí) PN結(jié)的能帶 (熱平衡系統(tǒng) ) (c) 正向偏壓下 PN結(jié)能帶 （非平衡載流子） PN結(jié)的能帶和電子分布 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) ?2 n反射鏡光的振幅反射鏡L( a )初始位置光光強(qiáng)輸出O X L( b )限制層 GayAl1 yAs有源層 GaAs限制層 GaXAl1 XAsGaAs 襯底光輻射金屬接觸限制層有源層限制層襯底光輻射金屬接觸PG a1 － xAlxA sPG a A sNGa1 － yAlyA s復(fù)合空穴異質(zhì)勢(shì)壘E能量( a )( b )( c )n折射率～ 5%( d )P光＋ －電子（ a） 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu) (b) 能帶 (c) 折射率分布 (d) 光功率分布 DH激光器工作原理 常用的半導(dǎo)體光源 ? FP諧振腔型（ DHLD） ? 分布反饋型（ DFB） ? 超輻射發(fā)光二極管（ SLD） ? 發(fā)光二極管（ LED） FP諧振腔型 LD DFB激光器 由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射 (如光線 a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射 (如光線 b)。如果光線 a和 b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。 只有符合反射條件的 光會(huì)得到強(qiáng)烈反射經(jīng) 歷放大過程 DFB激光器與 FP激光器相比， 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1. 單縱模激光器 FP激光器諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，頻率間隔小 選頻困難； DFB激光器的光柵周期 Λ相當(dāng)于微 型諧振腔，長(zhǎng)度很小，因此頻率間隔大，易于 選頻，形成單頻振蕩。 2. 波長(zhǎng)穩(wěn)定性好 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振 波長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善 DFB激光器照片 發(fā)光二極管 (LED) ? 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， 沒有閾值。 ? 激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 1300 波長(zhǎng) / n m△ ? ＝ 7 0 n m相對(duì)光強(qiáng)超輻射發(fā)光二極管 ? SLD光源是在激光二極管 (LD)的基礎(chǔ)上改造而成，通過對(duì) SLD施加較大的驅(qū)動(dòng)電流，在雙異質(zhì)結(jié)處產(chǎn)生較強(qiáng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而提高自發(fā)輻射光子的單程增益，因此 ,即便由于抑制激光效應(yīng)而減少了光子在腔內(nèi)的反饋次數(shù) ,但 SLD仍然具有相對(duì)較高的輸出功率。 ? 主要應(yīng)用于光纖陀螺 光無源器件 – 光纖連接器（固定、活動(dòng) ,FC/PC,FC/APC） – 光纖耦合器 /分路器 – 光分插復(fù)用器（ OADM) – 光波分 /密集波分復(fù)用器（ WDM/DWDM) – 光衰減器（固定、連續(xù)） – 光濾波器（帶通、帶阻） – 光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關(guān)、無關(guān)） – 光偏振態(tài)控制器、光纖光柵 光纖傳感的重要器件： 二 常用連接器類型 常用連接器類型 FC Type 常用連接器類型 SC Type 常用連接器類型 SC2 Type 常用連接器類型 FDD Type 常用連接器類型 BICONIC Type D4 Type SMA 905 Type SMA 906 Type MINI BNC Type 連接頭端面類型 Ferrule + Flange Insertion Loss(插入損耗 ) Return Loss(回波損耗 ) SPC45dB APC60dB 耦合器（ coupler） ? 基本結(jié)構(gòu) 耦合器是雙向無源器件 基本形式有樹型、星型 ——與耦合器對(duì)應(yīng)的有分路器（ splitter） ? ?2?1?2?1?2耦合長(zhǎng)度光功率ababba波分復(fù)用器（ WDM） ? WDM主要是把信號(hào)中的波長(zhǎng)分開，耦合器是把信號(hào)中的能量分開。 1550nmLD 1310nmLD 13/15WDM 光功率計(jì) 1310nm 1550nm a b 隔離器 ? 光隔離器的性能是光正向通過時(shí)衰減很小，但反向通過時(shí)衰減很大的器件。相當(dāng)于一種光非互易傳輸耦合器，所依據(jù)的基本原理是法拉第旋光效應(yīng)。 光隔離器原理 光纖輸出S W P半波片法 拉 弟 旋轉(zhuǎn) 器S W PS O P光纖輸入( a )光纖輸出S W P半波片法 拉 弟 旋轉(zhuǎn) 器S W P光纖輸入( b )光衰減器 ? 光衰減器是用來在光纖線路中產(chǎn)生可以控制的衰減的一種無源器件。 ? 在光纖測(cè)試系統(tǒng)中，則可用衰減器來取代一段長(zhǎng)光纖以模擬長(zhǎng)距離傳輸情形。 ? 這種衰減器使用的原理是當(dāng)兩根光纖端面間距和角度不同情況下相對(duì)時(shí)，引入的插損。 光環(huán)行器 132( a ) ( b )1 324光開關(guān) ? 光開關(guān)功能：轉(zhuǎn)換光路 ,實(shí)現(xiàn)光交換。 ? 光開關(guān)可分兩類： ? 機(jī)械光開關(guān)，利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。 ? 固體光開關(guān)：利用磁光效應(yīng)、電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。 電線 光纖 調(diào)制器 光調(diào)制器 電阻 光衰減器 三通（多通） 光耦合器 二極管 光隔離器 混頻器 光波分復(fù)用器 放大器 光放大器 頻率轉(zhuǎn)換器 光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 濾波器 光濾波器 電源 光源 電接插件 光連接器 探頭 光探測(cè)器 開關(guān) 光開關(guān) 集成電路 集成光路 光器件與電器件類比 光檢測(cè)器 ? PIN光電二極管 ? 雪崩光電二極管 光纖傳感的重要器件： 三