3章通信用光器件EDFAppt課件

1、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 激光器的工作原理。 光源和光電檢測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 發(fā)光機理。（教材第（教材第52頁）頁） 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)動電路工作原理。 掌握光電檢測器的工作原理及特性。 掌握無源光器件的功能及主要性能。（教材第（教材第52頁）頁） 光源器件：光纖通信設(shè)備的核心，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號送入光纖。 光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器

2、和半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。 半導(dǎo)體激光器LD）：適用于長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)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。（教材第（教材第53頁）頁） 半導(dǎo)體激光器：是向半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器：是向半導(dǎo)體P-N結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反結(jié)注入電流，實現(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，實現(xiàn)光放大轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩輸出激光。而產(chǎn)生激光振蕩輸出激光。 1激光器的物理基礎(chǔ)激光器的物理基礎(chǔ)

3、 （1光子的概念光子的概念 光量子學(xué)說認(rèn)為，光是由能量為光量子學(xué)說認(rèn)為，光是由能量為hf 的光量子組成的，其中的光量子組成的，其中h=6.6281034 Js焦耳焦耳秒），稱為普朗克常數(shù)，秒），稱為普朗克常數(shù)，f 是光是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。波頻率，人們將這些光量子稱為光子。 當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，光子的能量作為一個整體被吸收或當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，光子的能量作為一個整體被吸收或發(fā)射。發(fā)射。（教材第（教材第53頁）頁） （2原子能級 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。 最低的能級E1 稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級E ii=2，3，

4、4，）都稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子從較高能級E2躍遷至較低能級E1時，其能級間的能量差為E =E2E1，并以光子的形式釋放出來，這個能量差與輻射光的頻率f 12之間有以下關(guān)系式1212hfEEE 式中，式中，h為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，f 12 為吸收或輻射的光子頻率。為吸收或輻射的光子頻率。 當(dāng)處于低能級當(dāng)處于低能級E1 的電子受到一個光子能量的電子受到一個光子能量E =hf12的光照射的光照射時，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級時，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級E2 上去。上去。 光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測元件就是利用這兩種現(xiàn)象。光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測元件就是利

5、用這兩種現(xiàn)象。（教材第（教材第53頁）頁） （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 能級和電子躍遷（教材第（教材第54頁）頁） 在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級即基態(tài)在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級即基態(tài)E1，在入射，在入射光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級即激發(fā)態(tài)光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級即激發(fā)態(tài)E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收光電檢測器。光電檢測器。 處于高能級處于高能級E2 上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作

6、用，上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自發(fā)地躍遷到低能級也會自發(fā)地躍遷到低能級E1 上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光上與空穴復(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)輻射子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射發(fā)光二極管。發(fā)光二極管。 在高能級在高能級E2上的電子，受到能量為上的電子，受到能量為hf12的外來光子激發(fā)時，的外來光子激發(fā)時，使電子被迫躍遷到低能級使電子被迫躍遷到低能級E1 上與空穴復(fù)合，同時釋放出一個與激上與空穴復(fù)合，同時釋放出一個與激光發(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）。由于這個過程是在外來光子的激

7、發(fā)下產(chǎn)生的，所以這種躍遷稱為受激輻個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射激光器。激光器。 注：受激輻射光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。注：受激輻射光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。（教材第（教材第54頁）頁） （4粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大粒子數(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。受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。 如設(shè)低能級上的粒子密度為如設(shè)低能級上的粒子密度為N1，高能級上的粒子密度為，高能級上的粒子密度為N2，在正常狀態(tài)下，在正常狀態(tài)下， N1 N2，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱，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。平衡條件下

8、，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，即使使N2 N1 （高能級上的電子數(shù)多于低能級上的電子數(shù)），這種（高能級上的電子數(shù)多于低能級上的電子數(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)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。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。（教材第（教材第54頁）頁） 2激光器的工作原理激光器的工作原理 激光器包括以下激光器包括以下3個部分：個部分： 必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)激活物質(zhì)）；必須有產(chǎn)生

9、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)的激勵源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)的激勵源泵浦源）；泵浦源）； 必須有能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學(xué)諧振腔。必須有能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學(xué)諧振腔。 （1產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)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。物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。 （教材第（教材第55頁）頁） （2泵浦源泵浦源 使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源，稱為泵浦源。使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源，

10、稱為泵浦源。 物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2N1，從而受激輻射大于受，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物激吸收，有光的放大作用。這時的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。質(zhì)或增益物質(zhì)。 （3光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 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，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光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的以提供必要的反饋及對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。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

11、。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。 （教材第（教材第55頁）頁）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)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，放置兩個反射系數(shù)分別為在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置，放置兩個反射系數(shù)分別為r1和和r2的平行反射鏡的平行反射鏡M1和和M2，就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔。，就構(gòu)成了最簡單的光學(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，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，如圖則稱為球面腔，如圖3-2所示。對于兩個反射鏡，要求其中一個所示。對于兩個反射鏡，要求其中一個能全反射，另一個為部分反射。能全反射

12、，另一個為部分反射。（教材第（教材第55頁）頁） 諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程 如圖如圖3-3所示，當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實現(xiàn)粒子數(shù)所示，當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即可產(chǎn)生自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射的方向不與光學(xué)諧振反轉(zhuǎn)分布，即可產(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。射才能存在，繼續(xù)前進。 當(dāng)它遇到一個高能級上的粒子時，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷，當(dāng)它遇到一個高能級上的粒子時，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷，在從高能級躍

13、遷到低能級中放出一個全同的光子，為受激輻射。在從高能級躍遷到低能級中放出一個全同的光子，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，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強，的整數(shù)倍時，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強，產(chǎn)生諧振。達到一定強度后，就從部分反射鏡產(chǎn)生諧振。達到一定強度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成透射出來，形成一束筆直的激光。一束筆直的激光。 當(dāng)達到平衡時，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得當(dāng)達到平衡時，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

14、量時，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。的能量，恰好抵消所消耗的能量時，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。（教材第（教材第56頁）頁）圖3-3 激光器示意圖（教材第（教材第56頁）頁） 光學(xué)諧振腔的諧振條件與諧振頻率光學(xué)諧振腔的諧振條件與諧振頻率 設(shè)諧振腔的長度為設(shè)諧振腔的長度為L，則諧振腔的諧振條件為，則諧振腔的諧振條件為 （3-5）或或 （3-7） 式中，式中，c為光在真空中的速度，為光在真空中的速度，為激光波長，為激光波長，n為激活物質(zhì)的為激活物質(zhì)的折射率，折射率，L為光學(xué)諧振腔的腔長，為光學(xué)諧振腔的腔長，q=1，2，3稱為縱模模數(shù)。稱為縱模模數(shù)。 諧振腔只對滿足式諧振腔只對滿足式3-5的光波波長或式的光波

15、波長或式3-7的光波頻率的光波頻率提供正反饋，使之在腔中互相加強產(chǎn)生諧振形成激光。提供正反饋，使之在腔中互相加強產(chǎn)生諧振形成激光。qnL2nLqf2cc（教材第（教材第57頁）頁） 起振的閾值條件起振的閾值條件 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。如以以G th表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是 （3-2） 為光學(xué)諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，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，為光學(xué)諧振腔的腔長，r1，r2為光學(xué)諧振腔兩個反射鏡的反射系數(shù)。為光學(xué)諧振腔兩個反射鏡的反射

16、系數(shù)。21th1ln21rrLG（教材第（教材第56頁）頁） 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），對LD的要求如下。的要求如下。 光源的發(fā)光波長應(yīng)符合目前光纖的三個低損耗窗口即光源的發(fā)光波長應(yīng)符合目前光纖的三個低損耗窗口即0.85m、1.31m和和1.55m）。）。 能夠在室溫下長時間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。能夠在室溫下長時間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。目前目前LD的尾纖輸出功率可達的尾纖輸出功率可達500W2mW；LED的尾纖輸出功的尾纖輸出功率可達率可達10W左右。左右。 與光纖耦合效率高。與

17、光纖耦合效率高。 光源的譜線寬度要窄。較好的光源的譜線寬度要窄。較好的LD的譜線寬度可達到的譜線寬度可達到0.1nm。 壽命長，工作穩(wěn)定。壽命長，工作穩(wěn)定。（教材第（教材第57頁）頁） 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，如圖3-4所示。圖3-4 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖（教材第（教材第58頁）頁） （1同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。 其核心部分是一個P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。 缺點是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實用。 （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。

18、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。 特點是對電子和光子產(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。（教材第（教材第58頁）頁）圖3-4 InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu) nInGaAsP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。（教材第（教材第58頁）頁） （2工作原理 用半導(dǎo)體材料做成的激光器，當(dāng)激

19、光器的P-N結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時，將使得P-N結(jié)的結(jié)區(qū)出現(xiàn)了高能級粒子多、低能級粒子少的分布狀態(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，當(dāng)滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。（教材第（教材第58頁）頁） 2半導(dǎo)體激光器的工作特性 （1發(fā)射波長 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶時所釋放出的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式3-1得 hf = Eg （3-8） 式中， ，f (Hz)和(m)分別為發(fā)射光

20、的頻率和波長，c=3108m/s， h=6.6281034 Js，leV=1.601019 J為電子伏特，代入式3-5得 (m) （3-9） 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)這個原理可以制成不同發(fā)射波長的激光器。cf)eV(24. 1gE（教材第（教材第58頁）頁） （2閾值特性 對于LD，當(dāng)外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用Ith 表示。如圖3-5所示。閾值電流越小越好。圖3-5 典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線 （教材第（教材第59頁）頁） （3光譜特性 LD的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當(dāng)IIth時，發(fā)出的是熒光，

21、光譜很寬，如圖3-5a所示。當(dāng)I Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖3-5b所示。圖3-5 GaAlAs-GaAs激光器的光譜（教材第（教材第59頁）頁） 隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時，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，所對應(yīng)的光譜只有一根譜線，如圖3-6a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3-6b所示。 一般，用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)

22、，例如分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB-LD）。（教材第（教材第59頁）頁）圖3-6 GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜（教材第（教材第59頁）頁） （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，其表達式為 （3-10）由此得 （3-11 ） 式中，P為激光器的輸出光功率；I為激光器的輸出驅(qū)動電流，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。ththththd/ )(/ )(IIPPeIIhfPPhfe)(thdthIIehfPP（教材第（教材第60頁）頁） （5溫度特

23、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3-7所示。圖3-7 激光器閾值電流隨溫度變化的曲線（教材第（教材第60頁）頁） 3分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB-LD） DFB-LD是一種可以產(chǎn)生動態(tài)控制的單縱模激光器稱為動態(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有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的，如圖3-8所示。圖3-8 DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖（教材第（教材第61頁）頁） 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3-9所

24、示。當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個勢能阱，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3-9 量子阱半導(dǎo)體激光器（教材第（教材第61頁）頁） 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。（教材第（教材第62頁）頁） 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

25、面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-10所示。圖3-10 常用的兩類發(fā)光二極管LED）（教材第（教材第62頁）頁） 3LED的工作特性 （1光譜特性 LED譜線寬度比激光器寬得多。圖3-11是InGaAsP LED的輸出光譜。 圖3-11 InGaAsP LED的發(fā)光光譜 （教材第（教材第63頁）頁） （2輸出光功率特性 兩種類型的LED輸出光功率特性如圖3-12所示。驅(qū)動電流I 較小時，P I 曲線的線性較好；當(dāng)I 過大時，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。圖3-12 發(fā)光二極管LED的P I 特性（教材第（教材第63頁）頁） （3溫度特性溫度

26、特性 由于由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。是無閾值器件，因此溫度特性較好。 （4耦合效率耦合效率 由于由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。較低。一般只適于短距離傳輸。 （5調(diào)制特性調(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截止頻率為截止頻率為20MHz30MHz，邊發(fā)光型，邊發(fā)光型LED截止頻率為截止頻率為100MHz150MHz。 比較：比較： LED與與LD相比，相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，輸出光功率較小，譜線寬度較寬，

27、調(diào)制頻率較低。但調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出光功率性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。（教材第（教材第63頁）頁） LED通常和多模光纖耦合，用于1.31m或0.85m波長的小容量、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主要也和單模光纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，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。（教材第（教材第63頁）頁） 光電檢測器完成光/電信號的轉(zhuǎn)換。對光

28、檢測器的基本要求是： 在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，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，以降低器件本身對信號的影響； 具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真； 具有較小的體積、較長的工作壽命等。 目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。（教材第（教材第64頁）頁） 光電檢測器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。 光電效應(yīng)如圖3-13a和b所示。 當(dāng)入射光子能量hf 小于禁帶寬度Eg時，不論入射光有多強，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足以下條件

29、hf Eg （3-13） 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，那么 c= 。即只有波長 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，又稱為截至波長，相應(yīng)的fc 稱為截至頻率。hEggEhc（教材第（教材第64頁）頁）hEggEhc圖3-13 半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)（教材第（教材第64頁）頁） 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IIntrinsic，本征的層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層，如圖3-14a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

30、3-14b所示。圖3-14 PIN光電二極管（教材第（教材第65頁）頁） 雪崩光電二極管，又稱雪崩光電二極管，又稱APDAvalanche Photo Diode）。）。它不但具有光它不但具有光/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。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)的雪崩效應(yīng) APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強電場加速，獲在結(jié)區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強電場加速

31、，獲得高的動能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價帶的電子得到了能量；得高的動能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價帶的電子得到了能量；越過禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子越過禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子空穴對；新產(chǎn)生的電子空穴對；新產(chǎn)生的電子空穴空穴對在強電場中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子對在強電場中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子空穴空穴對對如此循環(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。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器。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器。（教材第（教材第66頁）頁） 2AP

32、D的結(jié)構(gòu) 目前APD結(jié)構(gòu)型式，有保護環(huán)型和拉通又稱通達型。 保護環(huán)型在制作時淀積一層環(huán)形N型材料，以防止在高反壓時使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)示意圖和電場分布如圖3-15所示。圖3-15a所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-15b所示的是將縱向剖面順時針轉(zhuǎn)90的示意圖。圖3-15c所示的是它的電場強度隨位置變化的分布圖。 APD隨使用的材料不同有幾種：Si-APD工作在短波長區(qū)）；Ge-APD和InGaAs-APD工作在長波長區(qū)等。 （教材第（教材第66頁）頁）圖3-15 RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖（教材第（教材第67頁）頁） PIN管特性包括響應(yīng)度、量子

33、效率、響應(yīng)時間和暗電流。 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）（3-14） 其中，Ip為光電檢測器的平均輸出電流，Pin為入射到光電二極管上的平均光功率。 inpPIR （教材第（教材第67頁）頁） 量子效率 量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即 （3-15） 其中，e為電子電荷，hf 為一個光子的能量， （3-16） 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

34、效率與入射光頻率波長有關(guān)。圖3-16為硅APD雪崩管的量子效率與波長的關(guān)系。inpinpPIhfPeI入射光子數(shù)目空穴對數(shù)目子光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電Rehfehf 24. 1chehfeR8103cJ10628. 634h（教材第（教材第67頁）頁）圖3-16為硅APD雪崩管的量子效率與波長的關(guān)系。（教材第（教材第68頁）頁） （2響應(yīng)時間 響應(yīng)速度是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時間上升時間和下降時間來表示。顯然響應(yīng)時間越短越好。 （3暗電流 在理想條件下，當(dāng)沒有光照時，光電檢測器應(yīng)無光電流輸出。但是實際上由于熱激勵等，在無光情況下，光電檢測器仍有電流輸

35、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。暗電流會引起接收機噪聲增大。因而，器件的暗電流越小越好。（教材第（教材第68頁）頁） 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 （3-17） I0為有雪崩倍增時光電流平均值，Ip為無倍增效應(yīng)時光電流平均值。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。（教材第（教材第68頁）

36、頁） 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。（教材第（教材第68頁）頁） 光纖連接器，俗稱活接頭，ITU-T建議將其定義為“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 由三個部分組成的

37、：兩個配合插頭和一個耦合管。兩個插頭裝進兩根光纖尾端；耦合管起對準(zhǔn)套管的作用。如圖3-17所示。圖3-17 光纖活動連接器基本結(jié)構(gòu)（教材第（教材第69頁）頁） （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)、機械耦合系統(tǒng)、套管結(jié)構(gòu)和緊固方式進行分類，如表3-1所示。 表3-1光纖連接器的分類單通道單通道對接對接套筒套筒/V型槽型槽直套管直套管螺絲螺絲多通道多通道透鏡透鏡錐型錐型錐型套管錐型套管銷釘銷釘單單/多通道多通道其他其他其他其他其他其他彈簧銷彈簧銷（教材第（教材第70頁）頁） （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0.5dB。 回波損耗或稱反射

38、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械磨損情況決定。（教材第（教材第69頁）頁） （4部分常見光纖連接器 FC型。其接頭的對接方式為平面對接。 PC型。是FC型的改進型。其對接面由平面變?yōu)楣靶屯姑?。是我國最通用的?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。由德國開發(fā)。 雙錐型連接器。由美國貝爾實驗室

39、開發(fā)研制。 （5固定連接 光纖與光纖的連接有兩種，活動連接和永久性連接。以上介紹了活動連接。永久性連接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。（教材第（教材第70頁）頁） 光衰減器是用來穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地減小信號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，測量光系統(tǒng)的靈敏度及校正光功率計等。 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)?？勺兯p器又分為連續(xù)可變和分擋可變兩種。（教材第（教材第71頁）頁） 光分路耦合器是分路和耦合光信號的器件。 功能是

40、把一個輸入的光信號分配給多個輸出分路），或把多個輸入的光信號組合成一個輸出耦合）。 1耦合器類型 （1T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3-18所示。（教材第（教材第71頁）頁）圖3-19 常用耦合器的類型（教材第（教材第72頁）頁） 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3-19c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、4兩個端口的隔離程度。隔離度A表示

41、為 （3-18）一般情況下，要求 。(dB)log101441PPA、dB20A（教材第（教材第73頁）頁） （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 （3-19） 一般情況下，要求L （3分光比T 分光比等于兩個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 （3-20） 一般情況下，定向耦合器的分光比為11110。(dB)log10132PPPL23PPT dB5 . 0（教材第（教材第73頁）頁） 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)生的反射光再次進入激光器而影響激光器的工

42、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3-20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3-21所示為光環(huán)形器用于單纖雙向通信的例子。（教材第（教材第74頁）頁） 圖3-20 光環(huán)形器示意圖圖3-21 光環(huán)形器用于單纖雙向通信示意圖（教材第（教材第74頁）頁） 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)墓庑盘栍捎谝牍?/p>

43、隔離器而產(chǎn)生的附加損耗。如果輸入的光信號功率為Pi，經(jīng)過光隔離器后的功率為Po，則插入損耗IL為 （3- ） 顯然，其值越小越好。(dB)log10ioPPIL（教材第（教材第73頁）頁） （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入射光信號的衰減。回波損耗RL為 （3- ） 其中，Pi為正向輸入光隔離器的光信號功率，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)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的損耗。有 （3- ）其中， 為反向輸入光隔離器的光信號功率， 為反向通過光隔離器的光功率。隔離度越大越

44、好。(dB)log10irPPRL(dB)log10iosoPPIiPoP（教材第（教材第73頁）頁） （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，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光不同偏振態(tài)之間的相位延遲。 注：一般情況下，光通信系統(tǒng)對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。（教材第（教材第73頁）頁） 波長轉(zhuǎn)換器：使信號從一個波長轉(zhuǎn)換到另一個波長的器件。波長轉(zhuǎn)換器：使信號從一個波長轉(zhuǎn)換到另一個波長的器件。

45、波長轉(zhuǎn)換器根據(jù)波長轉(zhuǎn)換機理可分為光電型波長轉(zhuǎn)換器和全光型波長轉(zhuǎn)換器根據(jù)波長轉(zhuǎn)換機理可分為光電型波長轉(zhuǎn)換器和全光型波長轉(zhuǎn)換器。波長轉(zhuǎn)換器。 （1光電型波長轉(zhuǎn)換器光電型波長轉(zhuǎn)換器 如圖如圖3-22所示。由于速度受電子器件限制，不適應(yīng)高速大容量光所示。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)。纖通信系統(tǒng)。圖3-22 光電型波長轉(zhuǎn)換器（教材第（教材第75頁）頁） （2全光型波長轉(zhuǎn)換器 其波長轉(zhuǎn)換技術(shù)主要由半導(dǎo)體光放大器SOA構(gòu)成，如圖3-23所示。 波長為1的光信號與需要轉(zhuǎn)換為波長為2的連續(xù)光信號同時送入半導(dǎo)體光放大器，SOA對入射光功率存在增益飽和特性，結(jié)果使得輸入光信號所攜帶的信息轉(zhuǎn)換

46、到2 上，通過濾波器取出2 光信號，即可實現(xiàn)從1到2 的全光波長轉(zhuǎn)換。圖3-23 全光型波長轉(zhuǎn)換器（教材第（教材第75頁）頁） 光開關(guān)：能夠控制傳輸通路中光信號通或斷或進行光路切換作用的器件。 光開關(guān)一般包括兩種：機械式光開關(guān)和電子式光開關(guān)。 機械式光開關(guān)的開關(guān)功能是通過機械方法實現(xiàn)的。利用電磁鐵或步進電機驅(qū)動光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實現(xiàn)光路切換。 優(yōu)點是插入損耗小，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)實現(xiàn)光路切換的器件。 優(yōu)點是開關(guān)速度快，易于集成化；缺點是插入損耗大，串?dāng)_大，只適合單模光纖。（教材第（教材

47、第74頁）頁） 圖3-25 光柵型波分復(fù)用器圖3-26 介質(zhì)薄膜干涉型波分復(fù)用器圖3-27 光纖耦合型波分復(fù)用器圖3-28 集成光波導(dǎo)型波分復(fù)用器 3.3.8 光濾波器 光濾波器：在光纖通信系統(tǒng)中，只允許一定波長的光信號通過的器件。 如果所通過的光波長可以改變，則稱為波長可調(diào)諧光濾波器。 目前，結(jié)構(gòu)最簡單、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。（教材第（教材第76頁）頁） 3.3.9 光纖光柵光纖光柵光纖光柵是利用光纖中的光敏性而制成的。光纖光柵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，光敏性是指當(dāng)外界

48、入射的紫外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時，光纖的折射率將隨光強而發(fā)生永久性改變。人們利用這種效應(yīng)可在光纖的折射率將隨光強而發(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。幾厘米之內(nèi)寫入折射率分布光柵，稱為光纖光柵。 光纖光柵最顯著的優(yōu)點是插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡單，便于與光纖光纖光柵最顯著的優(yōu)點是插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡單，便于與光纖耦合，而且它具有高波長選擇性。耦合，而且它具有高波長選擇性。（教材第（教材第78頁）頁）3.4.1 光放大器概念與分類光放大器概念與分類半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器光纖放大器光纖放大器 FOA （1光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器FOA光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器(Fiber Raman Amplifier，F(xiàn)RA)是利用光纖的受是利用光纖的受激喇曼散射效應(yīng)制成的。激喇曼散射效應(yīng)制成的。參看關(guān)于光纖中非線性散射的介紹。物質(zhì)內(nèi)部的分子無時無刻都參看關(guān)于光纖中非線性散射的介紹。物質(zhì)內(nèi)部的分子無時無刻都在振動著，但它們只能在某幾個固定的頻率上振動，這些頻在振動著，但它們只能在某幾個固定的頻率上振動，這些頻率叫喇曼頻率，不同的振動頻率對應(yīng)于不同的分子能量。率叫喇曼頻率，不同的振動頻率對應(yīng)于不同的分子能量。當(dāng)外界光照射時，外來光子能與振動分子發(fā)生能量交換，這時在當(dāng)外界光照射時，外來光子能與振動分子發(fā)生能量交換，這時在入