2.2.3 光纤通信器件

光纤通信器件按照是否需要能源分为两类：有源光器件和无源光器件。

需要供电的光器件称为有源光器件，如光源、光电检测器、光放大器；不需要供电的光器件称为无源光器件，如光连接器、光耦合器、光环形器和光波分复用器等。

1．有源光器件

（1）光源

目前，光通信中常用的光源有两种：半导体激光器（Laser Diode，LD）和发光二极管（Light Emit Diode，LED）。

通常激光器由三部分组成：激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。

LD是基于半导体PN结的受激辐射机制的一种发光器件，其基本结构如图2-10所示。半导体激光器是利用光学谐振腔产生光振荡的原理而获得激光，并且在高速率、远距离光通信传输系统中得到广泛应用。

LD的工作特性如下。

①P-I特性，LD呈现阈值特性，当正向电流I大于阈值电流It时，激光器才发出激光，否则发出荧光，即光功率与工作电流是非线性关系。

②光谱特性，LD谱线宽度窄，相干性好。

③温度特性，LD的阈值电流It和光输出功率都随温度而变化。

④调制特性，LD优于LED，它可以在几个吉赫兹的频率上实现模拟调制，或者每秒数吉比特速率的数字调制。对于一些特殊设计的激光器，调制频率已经达到了数十吉赫兹。

LED的结构和原理：基于半导体PN结的自发辐射机制的一种发光器件，当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。LED在中低速率、近距离传输系统中得到广泛应用。与LD不同，LED不需要形成反射腔。适当材料的半导体PN结，加正向电压就构成了一个发光二极管。

LED的工作特性如下。

①P-I特性，LED光功率与工作电流是线性关系。

②光谱特性，LED谱线宽度较宽，相干性不好。

③温度特性，LED属于非阈值器件，温度特性好，不需要加温控电路。

④调制特性，由于LED高频调制特性较差，调制的最高频率通常只有几十兆赫兹至几百兆赫兹。

图2-11所示为LD与LED的典型输出光功率和驱动电流之间的关系。需要强调的是，不同LD的阈值电流也不一样，一般都是在数十毫安量级。图2-12所示为工作在1310nm波长的InGaAs-DH激光器随温度变化的P-I特性曲线。

（2）光电检测器

目前，光通信系统中常用的光电检测器有两种：PIN型光电检测器和雪崩光电二极管APD。这两种器件都是基于PN结的光电检测器。

PIN型光电检测器的工作机制：PIN光电二极管与基本的PN结型光电二极管的区别就是在位于P区和N区之间的区域有一层较厚的本征半导体材料，称为I型区。其工作过程可概述为材料在入射光照射下产生光生载流子，然后光电流与外围电路之间相互作用并输出电信号。

APD雪崩光电二极管的工作机制：其工作过程可以概述为材料在入射光照射下产生光生载流子，载流子输运或在电流增益机制下的倍增，光电流与外围电路之间相互作用从而输出电信号。

（3）光放大器

光放大器是一种不经过任何光电、电光转换而直接放大光信号的光器件，可以很好地改善因功率损耗导致的传输距离限制问题。

目前光通信系统中常用的光放大器有两种：半导体激光放大器和光纤放大器。

半导体激光放大器的工作机制：利用受激辐射来实现对入射光信号的放大，即利用处于粒子数反转状态的半导体PN结对光波的增益效应实现对光信号的放大，但没有反馈机制，所以不能产生相干光输出，性能一般。

光纤放大器的工作原理：在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素，通过激光器提供直流光激励，使通过的光信号得到放大。例如，20世纪80年代后期出现的掺铒光纤放大器（EDFA），就是在制造光纤过程中，把铒（Er）这种稀土元素掺进光纤，这种光放大器放大的光谱范围是1550nm波段，正好与石英光纤的最低损耗波长区吻合，同时具备高增益、低噪声和宽频带等优点，容易与光纤耦合，在当今光纤通信系统中应用最广泛。

2．无源光器件

（1）光纤连接器

光纤连接器的作用：光纤与光纤之间进行连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小。

光纤连接器的分类：按接头形式可分为FC型、SC型、ST型、LC型等，如图2-13所示。

（2）光纤耦合器与光波分复用/解复用器

光纤耦合器的作用：在光纤通信和光纤测量中，有时需要把光信号在光路上由一路向两路或多路传送，有时需把N路光信号合路后再向M路或N路分配，能完成上述功能的器件就是光纤耦合器。

光纤耦合器根据输入输出端口数量不同可分为不同规格，最基本的是4端口的耦合器，也就是2×2耦合器。图2-14所示为熔锥技术制作的2×2耦合器示意图。

光波分复用/解复用器的作用：把多个波长不同的光载波合成一路或重新分开，其性能及评价方法与普通耦合器有相似之处，它其实是一种特殊的耦合器。

（3）光隔离器与光环形器

光隔离器的作用：利用磁光晶体的法拉第效应，只允许单向光通过，阻止反射光给系统性能带来恶化，光隔离器是一个双端口光器件。

光环形器的作用：工作原理同光隔离器，只允许光沿特定方向通过。但它是一个多端口器件，常用的有3端口和4端口环形器。

（4）光开关

光开关的作用：转换光路，以实现光信号的切换，如系统的主备切换等。图2-15所示为机械式1×N单模开关光纤。