光纖通信課件第三章3

1、1 2 本章內(nèi)容 光源：半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管。 光電檢測(cè)器：PIN和APD光電二極管。 無源光器件：光連接器、光衰減器、光耦合器和光開關(guān)等。 本章重點(diǎn) 激光器的工作原理。 光源和光電檢測(cè)器工作原理及其工作特性。 無源光器件的功能及主要性能。 本章難點(diǎn) 發(fā)光機(jī)理。 3 了解半導(dǎo)體激光器的物理基礎(chǔ)。 掌握半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管工作原理及其工作特性。 熟悉光源的驅(qū)動(dòng)電路工作原理。 掌握光電檢測(cè)器的工作原理及特性。 掌握無源光器件的功能及主要性能。 4 光源器件：光纖通信設(shè)備的核心，其作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換 成光信號(hào)送入光纖。 光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光 二極管兩種。 半導(dǎo)體

2、激光器（LD）：適用于長(zhǎng)距離大容量的光纖通信系 統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光 纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 發(fā)光二極管（LED）：適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖 通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡(jiǎn)單、成本 低、可靠性好。 5 3.1.1 激光器的工作原理 半導(dǎo)體激光器：是向半導(dǎo)體P-N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，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放 大而產(chǎn)生激光振蕩輸出激光。 1激光器的物理基礎(chǔ) （1）光子的概念 光量子學(xué)說認(rèn)為，光是由能量為hf 的光量子組成的，其中 h=6.6281034 Js（焦耳秒），稱為普朗克常數(shù)，f 是光波頻 率，人

3、們將這些光量子稱為光子。 當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或 發(fā)射。 6 （2）原子能級(jí) 物質(zhì)是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。原子 有不同穩(wěn)定狀態(tài)的能級(jí)。 最低的能級(jí)E1 稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級(jí)E i （i=2，3，4，）都稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子從較高能級(jí)E2躍遷至較 低能級(jí)E1時(shí)，其能級(jí)間的能量差為E =E2E1，并以光子的形式釋 放出來，這個(gè)能量差與輻射光的頻率f 12之間有以下關(guān)系式 1212 hfEEE 式中，h為普朗克常數(shù)，f 12 為吸收或輻射的光子頻率。 當(dāng)處于低能級(jí)E1 的電子受到一個(gè)光子能量E =hf12的光照射時(shí)， 該能量被吸收，使

4、原子中的電子激發(fā)到較高的能級(jí)E2 上去。 光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測(cè)元件就是利用這兩種現(xiàn)象。 7 （3）光與物質(zhì)的三種作用形式 光與物質(zhì)的相互作用，可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，將發(fā) 生受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種物理過程。如圖3-1所示。 圖3-1 能級(jí)和電子躍遷 8 在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級(jí)（即基態(tài)）E1，在入射 光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級(jí)（即激發(fā)態(tài)）E2， 產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收光電檢測(cè)器。 處于高能級(jí)E2 上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用， 也會(huì)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)E1 上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光 子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射發(fā)光

5、二極管。 在高能級(jí)E2上的電子，受到能量為hf12的外來光子激發(fā)時(shí)，使 電子被迫躍遷到低能級(jí)E1 上與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)與激光 發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子（稱為全同光子）。由于這個(gè) 過程是在外來光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，所以這種躍遷稱為受激輻射 激光器。 注：受激輻射光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。 9 （4）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大 受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。 如設(shè)低能級(jí)上的粒子密度為N1，高能級(jí)上的粒子密度為N2，在 正常狀態(tài)下， N1 N2，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡 條件下，物質(zhì)不可能有光的放大作用。 要想物質(zhì)產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即 使N2 N

6、1 （高能級(jí)上的電子數(shù)多于低能級(jí)上的電子數(shù)），這種粒 子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大而發(fā)光的首要條件。 10 在半導(dǎo)體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成 能級(jí)連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價(jià)帶價(jià)帶，能量高的能 帶稱為導(dǎo)帶導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec 和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v 之間的能 量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度禁帶寬度或帶隙帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。 PN結(jié)的能帶和電子分布 問題：如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢? 這個(gè)問題將在下面加以敘述。 11 半導(dǎo)體的能帶和電子分布 (a) 本征半導(dǎo)體； (b) N型半導(dǎo)體； (c) P型半導(dǎo)體 E

7、g/2 Eg/2 Ef Ec Ev Eg 導(dǎo) 帶 價(jià) 帶 能 量 Ec Ef Eg Ev Eg Ec Ef Ev (a)(b)(c) 12 一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn) 的，用Ef 位于禁帶中央來表示，見圖 (a)。 在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，見 圖 (b)。 在本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體， 見圖 (c)。 在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多 數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形 成內(nèi)部電場(chǎng)內(nèi)部電場(chǎng)， 見圖 (a)。 內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū) 和N區(qū)的Ef 相同，兩種運(yùn)動(dòng)

8、處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能 帶發(fā)生傾斜，見圖 (b)。 13 2激光器的工作原理 激光器包括以下3個(gè)部分： 必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）； 必須有能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源 （泵浦源）； 必須有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。 （1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì) 即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益 物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。 14 （2）泵浦源 使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源，稱為泵浦源。 物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2N1，從而受激輻射大于受激 吸收，有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì) 或增益物質(zhì)。 （3）光學(xué)諧振腔

9、激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中， 以提供必要的反饋及對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的 光放大和激光振蕩輸出。 激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。 15 圖3-2 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置，放置兩個(gè)反射系數(shù)分別為r1 和r2的平行反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔。 如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡， 則稱為球面腔，如圖3-2所示。對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能 全反射，另一個(gè)為部分反射。 16 諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程 如圖3-3所示，當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反 轉(zhuǎn)分布，即

10、可產(chǎn)生自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射的方向不與光學(xué)諧振腔 軸線平行，就被反射出諧振腔。只有與諧振腔軸線平行的自發(fā)輻射 才能存在，繼續(xù)前進(jìn)。 當(dāng)它遇到一個(gè)高能級(jí)上的粒子時(shí)，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷， 在從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)中放出一個(gè)全同的光子，為受激輻射。 當(dāng)受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回反射一次，相位的改變量正好是 2的整數(shù)倍時(shí)，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強(qiáng)，產(chǎn) 生諧振。達(dá)到一定強(qiáng)度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成一束 筆直的激光。 當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得 的能量，恰好抵消所消耗的能量時(shí)，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。 17 圖3-3 激光器示意圖 18 光學(xué)諧振腔的

11、諧振條件與諧振頻率 設(shè)諧振腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則諧振腔的諧振條件為 （3-2） 或 （3-3） 式中，c為光在真空中的速度，為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的折 射率，L為光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)，q=1，2，3稱為縱模模數(shù)。 諧振腔只對(duì)滿足式（3-2）的光波波長(zhǎng)或式（3-3）的光波頻率 提供正反饋，使之在腔中互相加強(qiáng)產(chǎn)生諧振形成激光。 q nL2 nL q f 2 cc 19 起振的閾值條件 激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件。如 以G th表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是 （3-4） 為光學(xué)諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)， r1，r2為光學(xué)諧振腔兩個(gè)反射鏡的反射系數(shù)。 2

12、1 th 1 ln 2 1 rrL G 20 用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器 （LD），對(duì)LD的要求如下。 光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)符合目前光纖的三個(gè)低損耗窗口（即 0.85m、1.31m和1.55m）。 能夠在室溫下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。 目前LD的尾纖輸出功率可達(dá)500W2mW；LED的尾纖輸出功率 可達(dá)10W左右。 與光纖耦合效率高。 光源的譜線寬度要窄。較好的LD的譜線寬度可達(dá)到0.1nm。 壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定。 21 1半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 有兩種方式構(gòu)成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型（DFB） 激光器。F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為3種

13、，如圖3-4所示。 圖3-4 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖 22 （1）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。 其核心部分是一個(gè)P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。 缺點(diǎn)是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實(shí)用。 （2）異質(zhì)半導(dǎo)體激光器 異質(zhì)半導(dǎo)體激光器包括單異質(zhì)和雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器兩種。 異質(zhì)半導(dǎo)體激光器的“結(jié)”是由不同的半導(dǎo)體材料制成的，目 的是降低閾值電流，提高效率。 特點(diǎn)是對(duì)電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了 發(fā)光強(qiáng)度。 目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖3-5所示的銦鎵砷磷 （InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。 23 c f 圖3-5 InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu) nInGaAs

14、P是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層，它 們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。 最下面一層nInP是襯底，頂層P+InGaAsP是接觸層，其作用是 為了改善和金屬電極的接觸。 24 （3）工作原理 用半導(dǎo)體材料做成的激光器，當(dāng)激光器的P-N結(jié)上外加的正向 偏壓足夠大時(shí)，將使得P-N結(jié)的結(jié)區(qū)出現(xiàn)了高能級(jí)粒子多、低能級(jí) 粒子少的分布狀態(tài)，這即是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這種狀態(tài)將出現(xiàn) 受激輻射大于受激吸收的情況，可產(chǎn)生光的放大作用。 被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的F-P光學(xué)諧振腔（諧振腔的兩個(gè)反 射鏡是由半導(dǎo)體材料的天然解理面形成的）中來回反射，不斷增強(qiáng)， 當(dāng)滿足閾值條件后，即可發(fā)

15、出激光。 25 2半導(dǎo)體激光器的工作特性 （1）發(fā)射波長(zhǎng) 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋 放出的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式（3-1）得 hf = Eg （3-5） 式中， ，f (Hz)和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)， c=3108m/s， h=6.6281034 Js，leV=1.601019 J為電子伏 特，代入式（3-5）得 (m) （3-6） 由于能隙與半導(dǎo)體材料的成分及其含量有關(guān)，因此根據(jù)這個(gè)原 理可以制成不同發(fā)射波長(zhǎng)的激光器。 )eV( 24. 1 g E 26 （2）閾值特性 對(duì)于LD，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，輸出光功率急 劇

16、增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流稱為閾值電流，用Ith 表示。如圖3-6所示。閾值電流越小越好。 圖3-6 典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線 27 （3）光譜特性 LD的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。當(dāng)IIth時(shí)，發(fā)出的是熒 光，光譜很寬，如圖3-7（a）所示。當(dāng)I Ith后，發(fā)射光譜突然變 窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖3-7（b）所示。 圖3-7 GaAlAs-GaAs激光器的光譜 28 隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。當(dāng) 驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱 模激光器。 普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模 譜線，

17、所對(duì)應(yīng)的光譜只有一根譜線，如圖3-8（a）所示。而在高碼 速調(diào)制情況下，其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。如圖3-8（b）所示。 一般，用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器， 要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)， 例如分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）。 29 th th th th d / )( / )( I I PP eI I hfPP 圖3-8 GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜 30 （4）轉(zhuǎn)換效率 半導(dǎo)體激光器的電光功率轉(zhuǎn)換效率常用微分量子效率d表示， 其定義為激光器達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增 量之比，其表達(dá)式為 （3-7） 由此得

18、 （3-8 ） 式中，P為激光器的輸出光功率；I為激光器的輸出驅(qū)動(dòng)電流， Pth為激光器的閾值功率；Ith為激光器的閾值電流；hf 為光子能量； e為電子電荷。 hf e ) (th d th I I e hf PP 31 （5）溫度特性 激光器的閾值電流和輸出光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3-9所示。 圖3-9 激光器閾值電流隨溫度變化的曲線 32 3分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD） DFB-LD是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的單縱模激光器（稱為動(dòng)態(tài)單 縱模激光器），即在高速調(diào)制下仍然能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。 它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的

19、有源層附近，刻有波紋狀的 周期光柵而構(gòu)成的，如圖3-10所示。 圖3-10 DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖 33 4量子阱半導(dǎo)體激光器 量子阱半導(dǎo)體激光器與一般雙異質(zhì)激光器類似，只是有源區(qū)的 厚度很薄（幾十埃），如圖3-11所示。當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時(shí)， 在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的 激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。 圖3-11 量子阱半導(dǎo)體激光器 34 n理論分析表明，當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時(shí)，則在有源 層與兩邊相鄰層的能帶將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，在有源區(qū) 的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效 應(yīng)的激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。 n結(jié)構(gòu)中這種“阱”的作用使得電子和空穴被

20、限制在極薄的 有源區(qū)內(nèi)，因此有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的濃度很高。 n量子阱半導(dǎo)體激光器還可分為單量子阱和多量子阱激 光器。 35 1LED的工作原理 發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本 工作原理是自發(fā)輻射。 發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振 腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干 光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。 36 2LED的結(jié)構(gòu) LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒有解理面，即沒有 光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。 LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED， 其結(jié)構(gòu)示意圖如

21、圖3-12所示。 圖3-12 常用的兩類發(fā)光二極管（LED） 37 3LED的工作特性 （1）光譜特性 LED譜線寬度比激光器寬得多。圖3-13是InGaAsP LED的輸出 光譜。 圖3-13 InGaAsP LED的發(fā)光光譜 38 （2）輸出光功率特性 兩種類型的LED輸出光功率特性如圖3-14所示。驅(qū)動(dòng)電流I 較小 時(shí)，P I 曲線的線性較好；當(dāng)I 過大時(shí)，由于P-N結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽 和現(xiàn)象，使P I 曲線的斜率減小。 h E g 圖3-14 發(fā)光二極管（LED）的P I 特性 39 （3）溫度特性 由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。 （4）耦合效率 由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角

22、較大，因此與光纖的耦合效率較 低。一般只適于短距離傳輸。 （5）調(diào)制特性 調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型LED截止頻率為 20MHz30MHz，邊發(fā)光型LED截止頻率為100MHz150MHz。 比較： LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬， 調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，輸出光功率 線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 40 LED通常和多模光纖耦合，用于1.31m或0.85m波長(zhǎng)的小容 量、短距離的光通信系統(tǒng)。 LD通常和單模光纖耦合，用于1.31m或1.55m大容量、長(zhǎng)距 離光通信系統(tǒng)。 分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）主要也和單模光

23、纖或特殊設(shè) 計(jì)的單模光纖耦合，用于1.55m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(shì)。 41 光電檢測(cè)器完成光/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是： 在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射 光功率，能夠輸出盡可能大的光電流； 具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)； 具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響； 具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的不失真； 具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等。 目前常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，PIN光電二極管和APD雪 崩光電二極管。 42 光電檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。 光電效應(yīng)如圖3-

24、15（a）和（b）所示。 當(dāng)入射光子能量hf 小于禁帶寬度Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電 效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足以下條件 hf Eg （3-9） 即光頻fc 的入射光是不能產(chǎn)生光電效應(yīng)的，將fc 轉(zhuǎn)換為 波長(zhǎng)，則 c= 。即只有波長(zhǎng) c 的入射光，才能使這種材 料產(chǎn)生光生載流子，故c 為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，又 稱為截至波長(zhǎng)，相應(yīng)的fc 稱為截至頻率。 g E hc 43 g E hc 圖3-15 半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng) 44 光電檢測(cè)器的工作原理光電檢測(cè)器的工作原理 光電檢測(cè)器是外加反向偏壓的PN結(jié)，當(dāng)入射光作用時(shí)，發(fā)生受激吸收產(chǎn)生 光 生電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴

25、對(duì)在耗盡層內(nèi)建電場(chǎng)作用下形成漂移電流，同時(shí) 在耗盡層兩側(cè)部分電子-空穴對(duì)由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)入耗盡層，在電場(chǎng)作用下形成擴(kuò) 散電流，這兩部分電流之和為光生電流。 反偏壓 電子P 導(dǎo)帶 光 (b) 加反向偏壓后的能帶 價(jià)帶 N 耗盡層 光生電動(dòng)勢(shì) 空穴 P 擴(kuò)散 復(fù)合 復(fù)合 漂移 光 (a) 光電效應(yīng) 45 PIN光電檢測(cè)器的工作原理光電檢測(cè)器的工作原理 PIN是為提高光電轉(zhuǎn)換效率而在PN結(jié)內(nèi)部設(shè)置一層摻雜 濃度很低的本征半導(dǎo)體（I層）以擴(kuò)大耗盡層寬度的光電 二極管。 P+ W 光 IN+ 能 量 46 PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，加 一層輕摻雜的N型材料，稱為I（Intri

26、nsic，本征的）層。由于是輕 摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個(gè)很寬的耗盡層，如圖3-16 （a）所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如 圖3-16（b）所示。 圖3-16 PIN光電二極管 47 雪崩光電二極管，又稱APD（Avalanche Photo Diode）。它不 但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠 管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。 1APD的雪崩效應(yīng) APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在 結(jié)區(qū)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)；在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，獲得 高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到了能量；越 過禁帶到導(dǎo)

27、帶，產(chǎn)生了新的電子空穴對(duì)；新產(chǎn)生的電子空穴對(duì) 在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子空穴對(duì) 如此循環(huán)下去，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。 APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測(cè)器。 48 2APD的結(jié)構(gòu) 目前APD結(jié)構(gòu)型式，有保護(hù)環(huán)型和拉通（又稱通達(dá)）型。 保護(hù)環(huán)型在制作時(shí)淀積一層環(huán)形N型材料，以防止在高反壓時(shí) 使P-N結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。 拉通型雪崩光電二極管（RAPD）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場(chǎng)分布如圖 3-17所示。圖3-17（a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-17 （b）所示的是將縱向剖面順時(shí)針轉(zhuǎn)90的示意圖。圖3-17（c）所 示的是它的電場(chǎng)強(qiáng)度隨

28、位置變化的分布圖。 APD隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長(zhǎng)區(qū)）； Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)）等。 49 in p P I R 圖3-17 RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖 50 PIN管特性包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)時(shí)間和暗電流。 APD管除有上述特性外，還有雪崩倍增特性、溫度特性等。 1PIN光電二極管的特性 （1）響應(yīng)度和量子效率 響應(yīng)度和量子效率表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。 響應(yīng)度 響應(yīng)度定義 （A/W）（3-10） 其中，Ip為光電檢測(cè)器的平均輸出電流，Pin為入射到光電二極 管上的平均光功率。 in p in p P I hfP e I 入

29、射光子數(shù)目 空穴對(duì)數(shù)目子光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電 51 量子效率 量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時(shí) 間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即 （3-11） 其中，e為電子電荷，hf 為一個(gè)光子的能量， （3-12） 式中 m/s為光速， s為普朗克常數(shù)。 也就是說，光電二極管的響應(yīng)度和量子效率與入射光頻率（波 長(zhǎng)）有關(guān)。圖3-18為硅APD雪崩管的量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系。 R e hf e hf 24. 1 c h e hf e R 8 103c J10628. 6 34 h 52 圖3-18為硅APD雪崩管的量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系。 53 （2）響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)速度是指半導(dǎo)體光電二

30、極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號(hào) 變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來表示。 顯然響應(yīng)時(shí)間越短越好。 （3）暗電流 在理想條件下，當(dāng)沒有光照時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無光電流輸出。 但是實(shí)際上由于熱激勵(lì)等，在無光情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸 出，這種電流稱為暗電流。 嚴(yán)格地說，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。暗電流會(huì)引起 接收機(jī)噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。 54 2APD的特性 APD除了PIN的特性之外還包括雪崩倍增特性、溫度特性等。 （1）倍增因子 倍增因子g實(shí)際上是電流增益系數(shù)。在忽略暗電流影響的條件下， 它定義為 g=I0/Ip （3-13） I0為有雪崩倍增時(shí)光電流平

31、均值，Ip為無倍增效應(yīng)時(shí)光電流平 均值。PIN管由于無雪崩倍增作用，所以g=1。 （2）溫度特性 隨著溫度的升高，倍增增益將下降。 （3）噪聲特性 PIN管的噪聲，主要為量子噪聲和暗電流噪聲，APD管還有倍 增噪聲。 55 無源光器件是除光源器件、光檢波器件之外不需要電源的光通 路部件。 無源光器件可分為連接用的部件和功能性部件兩大類。 連接用的部件有各種光連接器，用做光纖和光纖、部件（設(shè)備） 和光纖、或部件（設(shè)備）和部件（設(shè)備）的連接。 功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰減器、光 開關(guān)和光隔離器等，用于光的分路、耦合、復(fù)用、衰減等方面。 56 光纖連接器，俗稱活接頭，ITU-T建

32、議將其定義為“用以穩(wěn)定 地，但并不是永久地連接兩根或多根光纖的無源組件”。 光纖連接器主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與儀表、設(shè) 備與光纖及光纖與光纖的非永久性固定連接等。 （1）光纖連接器的基本構(gòu)成 由三個(gè)部分組成的：兩個(gè)配合插頭和一個(gè)耦合管。兩個(gè)插頭裝 進(jìn)兩根光纖尾端；耦合管起對(duì)準(zhǔn)套管的作用。如圖3-19所示。 圖3-19 光纖活動(dòng)連接器基本結(jié)構(gòu) 57 （2）光纖連接器的分類 光纖連接器按光纖數(shù)量、光耦合系統(tǒng)、機(jī)械耦合系統(tǒng)、套管結(jié) 構(gòu)和緊固方式進(jìn)行分類，如表3-1所示。 表3-1光纖連接器的分類 58 （3）光纖連接器的性能 插入損耗（介入損耗），該值越小越好。平均損耗值應(yīng)不大 于0.5

33、dB。 回波損耗（或稱反射損耗、回?fù)p、回程損耗），是衡量從連 接器反射回來并沿輸入通道返回的輸入功率分量的一個(gè)度量值，該 值越大越好。其典型值應(yīng)不小于25dB。 互換性，每次互換后，其連接損耗變化量越小越好。 重復(fù)性，即每次插拔時(shí)連接損耗變化量要小。 插拔壽命（最大可插拔次數(shù)），光纖連接器的插拔壽命一般 由元件的機(jī)械磨損情況決定。 59 （4）部分常見光纖連接器 FC型。其接頭的對(duì)接方式為平面對(duì)接。 PC型。是FC型的改進(jìn)型。其對(duì)接面由平面變?yōu)楣靶屯姑妗Ｊ?我國(guó)最通用的規(guī)格。 SC型。其結(jié)構(gòu)尺寸與FC型相同，端面處理采用拱型凸面或 PC研磨方式。 DIN47256型。由德國(guó)開發(fā)。 雙錐型連接器

34、。由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研制。 （5）固定連接 光纖與光纖的連接有兩種，活動(dòng)連接和永久性連接。以上介紹 了活動(dòng)連接。永久性連接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。 60 光衰減器是用來穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地減小信號(hào)光功率的無源光器件。 光衰減器主要用于調(diào)整中繼段的線路衰減，測(cè)量光系統(tǒng)的靈敏 度及校正光功率計(jì)等。 光衰減器分固定衰減器和可變衰減器兩種。 （1）固定衰減器，其造成的功率衰減值是固定不變的，一般用 于調(diào)節(jié)傳輸線路中某一區(qū)間的損耗。 （2）可變衰減器，它所造成的功率衰減值可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 可變衰減器又分為連續(xù)可變和分擋可變兩種。 61 光衰減器的基本原理 n在玻璃基片上蒸鍍透射系數(shù)（或反射系數(shù)

35、變 化很小的金屬膜，使通過鍍膜玻璃片的光功 率被膜層材料吸收一部分，光強(qiáng)度受到衰減。 金屬膜可以是鎳鉻等化合物材料，光的衰減 量有膜的厚度進(jìn)行控制。 62 固定衰減器 固定衰減器對(duì)光功率衰減量固定不變，主要 用于調(diào)整光纖傳輸線路的光損耗。 輸入光纖輸出光纖 光纖連接器光纖連接器透鏡透鏡 衰減部分 63 可變衰減器 n可變衰減器的衰減量可在一定范圍內(nèi)變化， 用于測(cè)量光接收機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。 (a)光路和結(jié)構(gòu)(b)步進(jìn)衰減片(c) 連續(xù)衰減片 厚 薄 64 光分路耦合器是分路和耦合光信號(hào)的器件。 功能是把一個(gè)輸 入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出（分路），或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合 成一個(gè)輸出（耦合）。 1

36、耦合器類型 （1）T形耦合器 （2）星形耦合器 （3）定向耦合器 （4）波分復(fù)用器/解復(fù)用器（也稱合波器/分波器） 如圖3-20所示。 65 光耦合器類型 T型光耦合器是一種22的3端耦合器，可把一根光纖輸入的 光信號(hào)按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖的輸入光信號(hào)組合在 一起，輸入一根光纖。主要用做不同分路比的功率分配器或組合器。 星型光耦合器是一種nm的耦合器，可把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。 定向光耦合器是一種22的3端或4端耦合器，用于分別驅(qū)除 光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。只用于作分路器，不能作合路器。 波分復(fù)用/解復(fù)用器波分復(fù)用器是與波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器，

37、用 于把多個(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)用器用于把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分配給不同的光 接收機(jī)。 66 (dB)log10 1 4 41 P P A 、 圖3-20 常用耦合器的類型 67 2主要性能指標(biāo) 表示光纖耦合器性能指標(biāo)的參數(shù)有：隔離度、插入損耗和分光 比等。下面以22定向耦合器為例來說明。 （1）隔離度A 如圖3-20（c）所示，由端1輸入的光功率P1應(yīng)從端2和端3輸出， 端4理論上應(yīng)無光功率輸出。但實(shí)際上端4還是有少量光功率輸出 （P4），其大小就表示了1、4兩個(gè)端口的隔離程度。隔離度A表示 為 （3-14） 一般情況下，要求 。 dB

38、20A (dB)log10 1 32 P PP L 68 （2）插入損耗L 它表示了定向耦合器損耗的大小。插入損耗等于輸出光功率之 和與輸入光功率之比的分貝值，用L表示為 （3-15） 一般情況下，要求L （3）分光比T 分光比等于兩個(gè)輸出端口的光功率之比，如從端1輸入光功率， 則端2和端3分光比 （3-16） 一般情況下，定向耦合器的分光比為11110。 2 3 P P T dB5 . 0 69 1光隔離器 光隔離器是保證光波只能正向傳輸，避免線路中由于各種因素 而產(chǎn)生的反射光再次進(jìn)入激光器而影響激光器的工作穩(wěn)定性。 光隔離器主要用在激光器或光放大器的后面。 2光環(huán)形器 光環(huán)形器與光隔離起工

39、作原理基本相同，只是光隔離器一般為 兩端口器件，而光環(huán)形器則為多端口器件。如圖3-21所示。 光環(huán)形器為雙向通信中的重要器件，它可以完成正反向傳輸光 的分離任務(wù)。圖3-22所示為光環(huán)形器用于單纖雙向通信的例子。 70 圖3-21 光環(huán)形器示意圖 圖3-22 光環(huán)形器用于單纖雙向通信示意圖 71 n光隔離器是一種非互易性器件，只允許 光波往一個(gè)方向傳輸，阻止光波往其他方向 尤其是反方向傳輸。一般用在激光器或光放 大器后。插入損耗值為1dB,隔離度的典型值 為40-50 dB。 光環(huán)行器是多端口的隔離器。主要用于 光分插復(fù)用器。典型的環(huán)行器一般有三或四 個(gè)端口，在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光 信

40、號(hào)在端口2輸出，端口2輸入的光信號(hào)在端 口3輸出，端口3輸入光信號(hào)在端口1輸出。 72 光隔離器工作原理示意圖 起 偏 振 器 法 拉 第 旋轉(zhuǎn)器 檢 偏 振 器 阻塞 反射光 經(jīng)SWP的 入射光 SWPSpatial Walk-off Polarizer 空間分離偏振器 ，其作用是將入射光分 解為垂直與水平兩個(gè)正交偏振分量，讓垂直分量通過，而水平分量偏折通過。 73 (dB)log10 i o P P IL 74 光隔離器工作原理 假設(shè)入射光是垂直偏振光，起偏振器的透振方 向是在垂直方向，故入射光順利通過它射向法拉第 旋轉(zhuǎn)器，法拉第旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的 偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，如45，

41、并且其旋轉(zhuǎn)方向與 光傳播方向無關(guān)。法拉第旋轉(zhuǎn)器后的檢偏振器透振 方向若在45方向上，則經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn) 45后的光能通過檢偏振器，即光沿正方向（從左 到右）通過這些器件是沒有損耗的。但沿反方向 （從右到左）傳送的反射光，其偏振態(tài)也在45， 當(dāng)反射光經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器再旋轉(zhuǎn)45后，偏振態(tài) 達(dá)到90，變?yōu)樗狡窆?，則無法通過起偏振器。 75 3光隔離器的性能指標(biāo) 插入損耗和隔離度是光隔離器的兩個(gè)主要性能參數(shù)，另還有回 波損耗，偏振相關(guān)損耗和偏振模色散。 （1）插入損耗 插入損耗是指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光 隔離器而產(chǎn)生的附加損耗。如果輸入的光信號(hào)功率為Pi，經(jīng)過光隔 離器后的

42、功率為Po，則插入損耗IL為 （3-17） 顯然，其值越小越好。 (dB)log10 i r P P RL 76 3光隔離器的性能指標(biāo) 插入損耗和隔離度是光隔離器的兩個(gè)主要性能參數(shù)，另還有回 波損耗，偏振相關(guān)損耗和偏振模色散。 （1）插入損耗 插入損耗是指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光 隔離器而產(chǎn)生的附加損耗。如果輸入的光信號(hào)功率為Pi，經(jīng)過光隔 離器后的功率為Po，則插入損耗IL為 （3-17） 顯然，其值越小越好。 (dB)log10 i r P P RL 77 （2）回波損耗 回波損耗是指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射 率失配引起的反射造成的對(duì)入射光信號(hào)的衰減?；?/p>

43、波損耗RL為 （3-18） 其中，Pi為正向輸入光隔離器的光信號(hào)功率，Pr為返回輸入端口 的光功率。 RL值越大越好。 （3）隔離度 隔離度是指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光 隔離器而產(chǎn)生的損耗。有 （3-19） 其中， 為反向輸入光隔離器的光信號(hào)功率， 為反向通過光隔 離器的光功率。隔離度越大越好。 (dB)log10 i o so P P I i P o P 78 （4）偏振相關(guān)損耗（PDL） 是指輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其他參數(shù)不變時(shí)，器件插入損耗 的最大變化量。它是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標(biāo)。 （5）偏振模色散（PMD） 是指通過器件的信號(hào)光不同偏振態(tài)之間的相位

44、延遲。 注：一般情況下，光通信系統(tǒng)對(duì)光隔離器的主要技術(shù)指標(biāo)要求 為：插入損耗1.0dB；隔離度35dB；回波損耗50dB； PDL0.2dB；PMD0.2ps。 79 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器：使信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)的器件。 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器根據(jù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換機(jī)理可分為光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和全光 型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。 （1）光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 如圖3-23所示。由于速度受電子器件限制，不適應(yīng)高速大容量 光纖通信系統(tǒng)。 圖3-23 光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 80 （2）全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 其波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要由半導(dǎo)體光放大器（SOA）構(gòu)成，如圖3- 24所示。 波長(zhǎng)為1的光信號(hào)與需要轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)為2的連續(xù)光信號(hào)同時(shí)送 入半導(dǎo)體光放大器，

45、SOA對(duì)入射光功率存在增益飽和特性，結(jié)果使 得輸入光信號(hào)所攜帶的信息轉(zhuǎn)換到2 上，通過濾波器取出2 光信 號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)從1到2 的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。 圖3-24 全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 81 光開關(guān)：能夠控制傳輸通路中光信號(hào)通或斷或進(jìn)行光路切換作 用的器件。 光開關(guān)一般包括兩種：機(jī)械式光開關(guān)和電子式光開關(guān)。 機(jī)械式光開關(guān)的開關(guān)功能是通過機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)的。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)光路切換。 優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小，隔離度高，串?dāng)_小，適合各種光纖，技術(shù) 成熟；缺點(diǎn)是開關(guān)速度較慢，體積較大。 電子式光開關(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 切換的器件。 優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快，易于集

46、成化；缺點(diǎn)是插入損耗大，串?dāng)_大， 只適合單模光纖。 82 電子式光開關(guān) 機(jī)械式光開關(guān) 83 光濾波器：在光纖通信系統(tǒng)中，只允許一定波長(zhǎng)的光信號(hào)通過 的器件。 如果所通過的光波長(zhǎng)可以改變，則稱為波長(zhǎng)可調(diào)諧光濾波器。 目前，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣的光濾波器是F-P腔光濾波器。 光濾波器的結(jié)構(gòu)有兩類，干涉濾波器和吸收濾波器。 84 3.3.8 光纖光柵 光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的一種光纖無源器件, 是利用光 纖中的光敏性而制成的。 光敏性是指當(dāng)外界入射的紫外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時(shí)， 光纖的折射率將隨光強(qiáng)而發(fā)生永久性改變。人們利用這種效應(yīng)可在 幾厘米之內(nèi)寫入折射率分布光柵，稱為光纖光柵。 光纖光

47、柵最顯著的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于與光纖 耦合，而且它具有高波長(zhǎng)選擇性。 85 光纖布拉格光柵濾波器 86 光放大器的分類：光放大器的分類： n從大的方面來分，光放大器主要包括半導(dǎo)體光放大器 和光纖放大器兩種。 n半導(dǎo)體光放大器（SOA）是由半導(dǎo)體材料制成的，如 果將半導(dǎo)體激光器兩端的反射去除，即變成沒有反饋 的半導(dǎo)體行波光放大器，它能適合不同波長(zhǎng)的光放大。 n光纖放大器又包括兩種。 n非線性光纖放大器（例如拉曼放大器） n摻鉺光纖放大器（EDFA） 87 SOA的放大原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理相同，也是 利用能級(jí)間受激躍遷而出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象進(jìn)行光 放大。半導(dǎo)體光放大器的增益可以

48、達(dá)到30dB以上，而 且在1310m窗口和1550m窗口上能使用。若能使其 增益在相應(yīng)使用波長(zhǎng)范圍保持平坦，那還可促成 1310m窗口WDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 體積小，可充分利用現(xiàn)在的半導(dǎo)體激 光器技術(shù)，制作工藝成熟，成本低、 壽命長(zhǎng)、 功耗小， 且便于與其他光器件進(jìn)行集成。另外，其工作波段可 覆蓋1.3-1.6/m波段，這是EDFA或PDFA所無法實(shí)現(xiàn)的。 但最大的弱點(diǎn)是但性能與光偏振方向有關(guān)與光纖的耦 合損耗太大，噪聲及串?dāng)_較大且易受環(huán)境溫度影響， 因此穩(wěn)定性較差。 88 一、發(fā)展歷程 n1964年，提出摻釹（Nd3+）光纖放大器的設(shè)想 n1985年，低損耗摻雜SiO2光纖研制

49、成功 n目前，摻Er3+光纖放大器（EDFA）最為成熟，是 光纖通信系統(tǒng)必備器件 n特點(diǎn)： 插損小、高增益、大帶寬、偏振無關(guān) 低噪聲、低串?dāng)_、高輸出功率等 1. 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器(EDFA) 89 在摻鉺光纖（EDF）中， 鉺離子有三個(gè)能級(jí)：基態(tài)E1、 亞穩(wěn)態(tài)E2和激發(fā)態(tài)E3。當(dāng)泵浦 光的光子能級(jí)等于E3和E1的能 量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光的 光能從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，但 激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子很快返回 到E2，若輸入的信號(hào)光的光子 能量等于E2和E1之間能量差， 則電子從E2躍遷到E1，產(chǎn)生受 激輻射光，故光信號(hào)被放大。 二、EDFA的工作原理 1. EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益

50、介質(zhì)，在泵浦光作用下 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。 鉺離子能帶 圖 90 2EDFA的基本結(jié)構(gòu) 摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖 91 3.摻鉺光纖放大器的各部分功能 n摻鉺光纖（EDF）和高功率泵浦源是關(guān)鍵器件。EDF的增 益取決于Er3+的濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑以及泵浦光功率。 對(duì)泵浦光源的要求是大功率和長(zhǎng)壽命。波長(zhǎng)為1.48m 的InGaAsP 多量子阱（MQW）激光器輸出光功率在100mW， 泵浦光轉(zhuǎn)換成信號(hào)光效率在6 dB/mW以上，且噪聲低， 是未來發(fā)展方向。 n波分復(fù)用器把泵浦光和信號(hào)光耦合在一起。對(duì)其要求是 插入損耗小，熔拉雙錐光纖耦合型和干涉濾波型最適用。 n光隔離器置于兩端防止光反射。對(duì)它的要求是插入損耗 小，反射損耗大 92 p EDFA的泵浦方式 93 4.摻鉺光纖放大器的優(yōu)缺點(diǎn): EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于它的一系列優(yōu)點(diǎn)。 (1) 工作波長(zhǎng)與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣