【正文】 止光波往其他方向特別是反方向傳輸 。 耦合器和其他大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是可以互換的 ， 稱之為互易器件 。 ???? 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是一個指定輸入端的光功率 Pic和一個指定輸出端的光功率 Poc的比值 ， 用分貝表示 Lt=10lg ocicpp 方向性 DIR(隔離度 )是一個輸入端的光功率 Pic和由耦合器反射到其它端的光功率 Pr的比值 ， 用分貝表示 DIR=10lg ocicpp 一致性 U是不同輸入端得到的耦合比的均勻性 ， 或者不同輸出端耦合比的等同性 。 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選擇元件的波分解復(fù)用器 。 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 。 對于 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， 波長隔離度大于 20 dB。 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耦合長度光功率ababba 式中 ， L為耦合器有效作用長度 ， Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長的耦合系數(shù) 。 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個單模 2 2耦合器組成的 8 8星形耦合器 。 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 。 2. 耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型 ， 其中比較實用和有發(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) 。 波分復(fù)用器的功能是把多個不同波長的發(fā)射機輸出的光信號組合在一起 ， 輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號 ， 分配給不同的接收機 。 定向耦合器可用作分路器 ， 不能用作合路器 。 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?。 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。 1. 耦合器類型 圖 ， 它們各具不同的功能和用途。 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 。 對于實現(xiàn)固定連接的接頭 ， 國內(nèi)外大多借助專用自動熔接機在現(xiàn)場進行熱熔接 ， 也可以用 V形槽連接 。 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 。 dB)大大改善 。 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 。 普通的 FC型連接器 ， 光纖端面為平面 。 對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。 光纖固定在插針的微孔內(nèi) ， 兩支帶光纖的插針用套管對中實現(xiàn)連接 。 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 。 連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本 、 應(yīng)用最廣泛的無源器件 。 表 器的一般性能 。 本節(jié)主要介紹無源光器件的類型 、 原理和主要性能 。 這些器件對光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成 、 功能的擴展或性能的提高 ， 都是不可缺少的 。 由于 GeAPD的暗電流和附加噪聲指數(shù)較大 ， 很少用于實際通信系統(tǒng) 。 這種組件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用 。 SiPIN和 APD用于短波長 ()光纖通信系統(tǒng) 。 但是采用 APD要求有較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫度補償電路 ， 結(jié)果增加了成本 。 當(dāng) U≈UB時 ，RIo/UB1， 上式可簡化為 210)(PBBnr IUnR IUg ?? 表 (PIN和 APD)的一般性能 。 PIIg 0? 顯然 ， APD的響應(yīng)度比 PIN增加了 g倍 。 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 。 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。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 。 高速運動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 。 根據(jù)光電效應(yīng) ， 當(dāng)光入射到 PN結(jié)時 ， 光子被吸收而產(chǎn)生電子 空穴對 。 當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時 ， 光電流急劇增加 ， 最后器件被擊穿 ， 這個電壓稱為擊穿電壓 UB。 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 。 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 。 中間的 I層是 N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體 ， 用 Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的 P型和 N型半導(dǎo)體 ， 用 P+和 N+表示 。 為改善器件的特性 ， 在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體 (稱為 I)， 這種結(jié)構(gòu)便是常用的 PIN光電二極管 。 為了解決這一矛盾 ， 就需要改進 PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu) 。 由于載流子擴散運動比漂移運動慢得多 ， 所以減小擴散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度 。 這種由 PN結(jié)構(gòu)成 ， 在入射光作用下 ， 由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子 空穴對的運動 ， 在閉合電路中形成光生電流的器件 ， 就是簡單的光電二極管 (PD)。 同樣 ， P區(qū)的空穴流向 N區(qū) ， 便形成了光生電流 。 當(dāng)與 P層和 N層連接的電路開路時 ， 便在兩端產(chǎn)生電動勢 ， 這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng) 。 在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū) ， 由于熱運動 ， 部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層 ， 然后在電場作用下 ， 形成和漂移電流相同方向的擴散電流 。 當(dāng)入射光作用在 PN結(jié)時 ， 如果光子的能量大于或等于帶隙 (hf≥Eg)， 便發(fā)生受激吸收 ， 即價帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子 空穴對 。 如 ， 在 PN結(jié)界面上 ， 由于電子和空穴的擴散運動 ， 形成內(nèi)部電場 。 偏置電流和信號電流經(jīng)驅(qū)動電路作用于 LD， LD正向發(fā)射的光經(jīng)隔離器和透鏡耦合進入光纖 ， 反向發(fā)射的光經(jīng) PIN光電二極管轉(zhuǎn)換進入光功率監(jiān)控器 ， 同時利用熱敏電阻和冷卻元件進行溫度監(jiān)測和自動溫度控制 (ATC)。 分布反饋激光器 (DFBLD)主要和 或特殊設(shè)計的單模光纖耦合 ， 用于超大容量的新型光纖系統(tǒng) ， 這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢 。 因為 LED發(fā)光面積和光束輻射角較大 ， 而多模 SIF光纖或 G651規(guī)范的多模 GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑 ， 有利于提高耦合效率 ， 增加入纖功率 。 21圖 發(fā)光二極管 (LED)的頻率響應(yīng) ?e＝ 1 . 1 n s?e＝ 2 . 1 n s?e ＝ 6 . 4 n s100 1000100 . 110調(diào)制頻率 f / M H z頻率響應(yīng) H( f ) 表 (LD)和發(fā)光二極管 (LED)的一般性能 。 對有源區(qū)為低摻雜濃度的LED， 適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命 ， 提高截止頻率 。 定義 fc為發(fā)光二極管的截止頻率 ， 當(dāng) f=fc=1/(2πτe)時 ， |H(fc)|= ， 最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率 。 (4) 頻率特性 。 驅(qū)動電流 I較小時 ， P I曲線的線性較好； I過大時 ， 由于 PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象 ， 使 P I 曲線的斜率減小 。 發(fā)光二極管實際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù) ， 一般外微分量子效率 ηd小于 10%。 在通常工作條件下 ， LED工作電流為 50~100mA ， 輸出光功率為幾 mW， 由于光束輻射角大 ， 入纖光功率只有幾百 μW。 兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖 。 (3) 輸出光功率特性 。 。 ， θ⊥ ≈25176。 。 圖 LED光譜特性 1300 波長 / n m△ ? ＝ 7 0 n m相對光強 (2) 光束的空間分布 。 一般短波長 GaAlAs GaAs LED譜線寬度為 30~50 nm， 長波 InGaAsP InP LED譜線寬度為60~120 nm。 發(fā)光二極管具有如下工作特性： (1) 光譜特性 。 但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定 ， 壽命長 ， 輸出光功率線性范圍寬 ， 而且制造工藝簡單 ， 價格低廉 。 和正面發(fā)光型LED相比 ， 側(cè)面發(fā)光型 LED驅(qū)動電流較大 ， 輸出光功率較小 ， 但由于光束輻射角較小 ， 與光纖的耦合效率較高 ， 因而入纖光功率比正面發(fā)光型 LED大 。 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 。 DFB激光器的線性非常好 ， 因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中 。 盡管 DFB激光器在高速調(diào)制時存在啁啾 ， 譜線有一定展寬 ， 但比 F P激光器的動態(tài)譜線的展寬要改善一個數(shù)量級左右 。 ③ 動態(tài)譜線好 。 由于 DFB激光器的每一個柵距 Λ相當(dāng)于一個 FP腔 ， 所以布喇格反射可以看作多級調(diào)諧 ， 使得諧振波長的選擇性大大提高 ， 譜線明顯變窄 ， 可以窄到幾個 GHz。 于是 DFB激光器容易設(shè)計成單縱模振蕩 。 Λ相當(dāng)于 F P激光器的腔長 L， 每一個 Λ形成一個微型諧振腔 。 FP激光器的發(fā)射光譜是由增益譜和激光器縱模特性共同決定的 ， 由于諧振腔的長度較長 ， 導(dǎo)致縱模間隔小 ， 相鄰縱模間的增益差別小 ， 因此要得到單縱模振蕩非常困難 。 在普通均勻光柵中 ， 引入一個 λ/4相移變