光纖通信的基本器件概述經典課件

第3章光纖通信的基本器件

光源與光器件

電子電氣工程系電子信息技術教研室第3章光纖通信的基本器件1、掌握光與物質的作用過程2、掌握半導體激光器的發(fā)光機理及其特性3、掌握半導體二極管的發(fā)光機理及其特性4、了解光纖通信系統(tǒng)的實用光源5、掌握光電二極管和雪崩光電二極管的結構及原理6、了解各種光無源器件的類型及其作用7、掌握常用光纖連接器的特點第3章光纖通信的基本器件----能力要求：1、掌握光與物質的作用過程第3章光纖通信的基本器件---3.2光檢測器3.3光放大器3.1光源3.4光無源器件3.2光檢測器3.3光放大器3.1光源3.4光無源器對光源的要求：

性能好、壽命長、使用方便1）發(fā)射光波長必須在光纖的低損耗窗口；2）光源的輸出功率要足夠大3）溫度特性優(yōu)良4）光源的發(fā)光譜寬度要窄5）光源應具有高度的可靠性6）省電,且體積小、重量輕7）光源器件應便于調制,調制速率能適應系統(tǒng)要求。3.1光源對光源的要求：3.1光源常用的兩種光源器件,即半導體激光器和半導體發(fā)光二極管。發(fā)光二極管用LED：熒光激光二極管用LD：激光常用的兩種光源器件,即半導體激光器和半導體發(fā)光二極管。發(fā)光半導體發(fā)光機理

電子以原子核為中心，按不同的電子層排列在原子核周圍旋轉，這些特定的電子層稱為能級，對半導體材料，電子的能級重疊在一起形成能帶。其中能量低的能帶稱為價帶E1，能量高的能帶稱為導帶E2，E2和E1之間的能量差稱為禁帶，電子不可能占據禁帶。E3E2E1能帶導帶禁帶價帶一、半導體發(fā)光機理半導體發(fā)光機理電子以原子核為中心，按不同的電半導體發(fā)光機理

電子在E2和E1之間的躍遷有三種基本方式:自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射。半導體發(fā)光機理電子在E2和E1之間的躍遷有三(a)自發(fā)輻射（點擊動畫）hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E13.1光源自發(fā)輻射是發(fā)光二極管的理論基礎(a)自發(fā)輻射（點擊動畫）hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1

(b)受激吸收（點擊動畫）

3.1光源受激吸收是光電檢測器的基礎hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(b)受激吸收（hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射（點擊動畫）

受激輻射是半導體激光器的基礎hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射（點擊動畫）半導體發(fā)光機理

設在單位物質中，處于低能級E1和處于高能級E2（E2＞E1）的電子數分別為N1和N2.

正常的狀態(tài)下，N1＞N2，即低能級上的電子數多，這種狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)（即正常分布狀態(tài)）。

對于N1＜N2的狀態(tài)，稱作為負溫度狀態(tài),即粒子數反轉分布狀態(tài)。半導體發(fā)光機理設在單位物質中，處于低能級E1半導體發(fā)光機理1）外來光子能量等于躍遷的能級之差hν＝E2－E12）受激過程中發(fā)射的光子與外來光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向、傳播方向度相同，稱它們?yōu)槿庾印?）過程可以使光得到放大。因為受激過程中發(fā)射出來的光子與外來光子是全同光子，相疊加的結果使光增強，使入射光得到放大。受激輻射與受激吸收的特點：受激輻射是半導體激光器發(fā)光的基礎。粒子數反轉分布是物質產生光放大的必要條件。半導體發(fā)光機理1）外來光子能量等于躍遷的能級之差hν＝E2－二、半導體激光器（LD）

1、激光器的作用

激光器是利用受激輻射過程產生光和光放大的一種器件，從它發(fā)出的光具有極好的相干性、單色性、方向性和極高的亮度，便于人們控制它和利用它。因而這種光源被用作光纖通信系統(tǒng)的光源。

2.激光器的基本結構激光器的基本結構如圖3-1所示，它是由三部分組成的，即：工作物質、諧振腔（半反鏡和全反鏡）和泵浦源（激勵源--電源）。

二、半導體激光器（LD）

1、激光器的作用圖3-1半導體激光器結構激活物質使工作物質處于粒子數反轉分布狀態(tài)完成頻率選擇及反饋作用圖3-1半導體激光器結構激活物質使工作物質處于粒子數反轉（1）工作物質

要使受激輻射過程成為主導過程，必要條件是在介質中造成粒子數反轉分布。（2）泵浦源

使工作物質產生粒子數反轉分布的外界激勵源N2>N1,受激輻射>受激吸收，從而有光的放大作用。工作物質已被激活，成為激活物質或稱增益物質。（3）光學諧振腔提供必要的反饋以及進行頻率選擇，光學諧振腔是由兩個反射鏡組成，其一是全反（M1）的，另一個是部分透過（M2）的。

（1）工作物質返回圖3-2諧振腔

諧振腔的光軸與工作物質的長軸相重合。這樣沿諧振腔軸方向傳播的光波將在腔的兩反射鏡之間來回反射，多次反復地通過激活介質，使光不斷地被放大。而沿其他方向傳播的光波很快地逸出腔外。這就使得只有沿腔軸傳播的光波在腔內擇優(yōu)放大，因而諧振腔的作用可使輸出光有良好的方向性。全反射鏡部分反射鏡激光輸出返回圖3-2諧振腔諧振腔的光軸與工作物質的長軸相重

3、

半導體激光器用半導體材料作為工作物質的激光器,稱為半導體激光器(LD)。常用的有F-P腔(法不里-泊羅腔)激光器和分布反饋型激光器(DFB)。下面介紹F-P腔激光器中的同質結和雙異質結半導體激光器。3、半導體激光器

1)同質結砷化鎵半導體激光器在光纖通信中,F-P腔激光器采用的工作物質(半導體材料)一般是砷化鎵(GaAs)或銦鎵砷磷(InGaAsP)。如圖3-3所示為同質結砷化鎵半導體激光器的結構。1)同質結砷化鎵半導體激光器圖3–3同質結砷化鎵半導體激光器光纖通信的基本器件概述經典課件同質結砷化鎵半導體激光器結構簡單,由PN結發(fā)光;其閾值電流(激光器開始產生激光時的注入電流)較大;在室溫下工作發(fā)熱嚴重,無法做到連續(xù)的激光輸出;室溫下只能工作在脈沖狀態(tài),且脈沖的重復頻率不高,約為幾十千赫茲,脈沖的寬度很窄,約為100ns;適合在小容量、低速率光纖通信系統(tǒng)中使用。同質結砷化鎵半導體激光器結構簡單,由PN結發(fā)光;其閾

2)雙異質結半導體激光器雙異質結半導體激光器結構如圖3-4所示,(N)InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)(有源區(qū)),其上、下兩層稱為限制層,它們和作用區(qū)構成光學諧振腔。限制層和作用層之間形成異質結。最下面一層N型InP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。2)雙異質結半導體激光器

特點:雙異質結半導體激光器克服了同質結半導體激光器缺點,有源區(qū)厚度加大,閾值電流降低(30mA～80mA),波長范圍為1.27μm～1.33μm。特點:雙異質結半導體激光器克服了同質結半導體激光器圖3–4雙異質結半導體激光器結構光纖通信的基本器件概述經典課件圖3–5

DFB-LD激光器結構光纖通信的基本器件概述經典課件5、半導體激光器的工作特性

1)閾值特性閾值電流(Ith)是指使LD輸出光功率急劇增加,產生激光振蕩的激勵電流。某半導體激光器P-I曲線如圖3-6所示。圖3–6

P-I曲線5、半導體激光器的工作特性圖3–6P-I曲線

當激勵電流I<Ith時,有源區(qū)無法達到粒子數反轉,也無法達到諧振條件,自發(fā)輻射為主,輸出功率很小,發(fā)出的是熒光;

當激勵電流I>Ith時,有源區(qū)不僅有粒子數反轉,而且達到了諧振條件,受激輻射為主,輸出功率急劇增加,發(fā)出的是激光,此時P-I曲線是線性變化的。對于激光器來說,要求閾值電流越小越好。當激勵電流I<Ith時,有源區(qū)無法達到粒子數反轉,

2)光譜特性

半導體激光器輸出光光譜特性曲線如圖3-7所示,從光譜特性曲線可以發(fā)現半導體激光器的光譜隨著激勵電流的變化而變化。圖3–7輸出光光譜2)光譜特性圖3–7輸出光光譜

當激勵電流I<Ith時,說明發(fā)出的是熒光,光譜很寬(幾十納米);當激勵電流I>Ith時,光譜突然變窄(幾納米),譜線中心強度也急劇增加,說明發(fā)出的是激光。

對于半導體激光器來說,要求其輸出光譜越窄越好。當激勵電流I<Ith時,說明發(fā)出的是熒光,光譜很寬(

3)溫度特性

半導體激光器對于溫度很敏感,其輸出功率隨溫度變化而變化,產生這種變化的主要原因是半導體激光器外微分量子效率和閾值電流受到溫度的影響。圖3–8溫度對閾值電流的影響3)溫度特性圖3–8溫度對閾值電流的影響6、半導體發(fā)光二極管(LED)半導體發(fā)光二極管是利用半導體PN結進行自發(fā)輻射器件的統(tǒng)稱。如電子儀表等產品的指示燈使用的就是一般的半導體發(fā)光二極管。6、半導體發(fā)光二極管(LED)

一般的半導體發(fā)光二極管與光纖通信專用的半導體發(fā)光二極管的異同如下:·共同點——都是使用PN結,利用自發(fā)輻射的原理發(fā)光,屬于無閾值器件,體積小巧、重量輕。·不同點——主要是制造工藝和價格有區(qū)別,另外光纖通信專用的發(fā)光二極管亮度更高、響應速度更快。一般的半導體發(fā)光二極管與光纖通信專用的半導體發(fā)光二極管的

半導體發(fā)光二極管與半導體激光器的區(qū)別

發(fā)光二極管沒有光學諧振腔,采用自發(fā)輻射,發(fā)出的是熒光(非相干光),不是激光,光譜的譜線寬,發(fā)散角大。而半導體激光器有光學諧振腔,采用受激輻射,發(fā)出的是激光(相干光),光譜的譜線窄,發(fā)散角很小。

雖然發(fā)光二極管無法發(fā)出激光,但它還是有很多優(yōu)點,如：使用壽命長,理論推算可達108～1010小時;受溫度影響小;輸出光功率與激勵電流線性關系好;驅動電路簡單;價格低等。這些優(yōu)點使發(fā)光二極管在中短距離、中小容量的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。半導體發(fā)光二極管與半導體激光器的區(qū)別1）.LED的結構

為了獲得高輻射度,LED常采用雙異質結芯片(但沒有光學諧振腔),構成材料主要有GaAs、InGaAsP、AlGaAs等。①

面發(fā)光型LED結構圖3-9所示是采用雙異質結GaAs的面發(fā)光型LED結構。發(fā)光區(qū)是呈圓柱形的有源區(qū),其直徑約為50μm,厚度約為2.5μm,能夠發(fā)出波長為0.8μm～0.9μm的輻射光,圓形光束反散角為120°。1）.LED的結構圖3–9面發(fā)光型LED結構光纖通信的基本器件概述經典課件

②

邊發(fā)光型LED結構圖3-10所示是采用雙異質結InGaAsP/InP的邊發(fā)光型LED結構。波長范圍為1.3μm左右,光束的水平反散角為120°,垂直反散角為25°～35°。該型LED的方向性好,亮度高,耦合效率高,但發(fā)光面積小。②邊發(fā)光型LED結構圖3–10邊發(fā)光型LED結構光纖通信的基本器件概述經典課件

2）

發(fā)光原理當激勵電流注入時,注入的載流子在擴散過程中進行復合,發(fā)生自發(fā)輻射,產生具有一定波長的自發(fā)輻射光,發(fā)射光經透鏡構成的聚焦系統(tǒng)發(fā)射出去,直接射入光纖的端面,然后在光纖中傳輸,這就是發(fā)光二極管的基本工作原理。2）發(fā)光原理

3）LED的工作特性

①光譜特性

LED的譜線如圖3-11所示,由于LED發(fā)光二極管沒有諧振腔,不具有選頻特性,因此譜線寬度Δλ比激光器的要寬得多。圖3–11

LED的譜線3）LED的工作特性圖3–11LED的譜線

②

輸出光功率特性

LED輸出光功率特性曲線如圖3-12所示。LED不存在閾值電流,線性比LD好。驅動電流I較小時,P-I曲線的線性較好;當I過大時,由于PN結發(fā)熱而產生飽和現象,使P-I曲線的斜率減小。一般情況下,LED工作電流為50mA～100mA,輸出光功率為幾毫瓦,由于反散角大,出纖功率(耦合到光纖中的功率)只有數百微瓦。②輸出光功率特性圖3–12

LED輸出光功率光纖通信的基本器件概述經典課件③溫度特性

LED的輸出光功率也會隨溫度升高而減小,然而LED是無閾值器件,因此溫度特性比LD要好(如短波長的GaAlAsLED,其輸出光功率隨溫度的變化率約為0.01/1K)。一般使用時不需要溫度控制電路。③溫度特性

④

耦合效率由于LED反散角大,因此其耦合效率低。所以LED適用于中短距離、中小容量的光纖通信系統(tǒng)。④耦合效率半導體激光器(LD)與發(fā)光二極管(LED)的比較在光纖通信系統(tǒng)中,最常用的光源器件便是半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED),二者均是用半導體材料構成的,能發(fā)出光波,能通過調制技術攜帶數據信息,實現光傳輸。這兩種光源器件的比較見表3-1。通過比較,讀者會進一步掌握這兩種光源的異同及其應用。半導體激光器(LD)與發(fā)光二極管(LED)的比較表3–1

LD與LED的比較表3–1LD與LED的比較1、作用光電檢測器的作用：把光信號轉換為電信號，光電檢測器是利用半導體材料的光電效應實現光電轉換。2、要求①在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；②具有足夠快的響應速度，能夠適用于高速或寬帶系統(tǒng)；③具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；④具有良好的線性關系，以保證信號轉換過程中的不失真；⑤具有較小的體積、較長的工作壽命等；⑥工作電壓盡量低，使用簡便。3、分類光電二極管（PIN）雪崩光電二極管（APD）

一、概述3.2光檢測器1、作用2、要求3、分類一、概述3.2光二、PIN光電二極管圖3-13光電二極管結構1、結構二、PIN光電二極管圖3-13光電二極管結構1、結構2、工作原理畫

在耗盡層形成漂移電流。內部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當入射光作用在PN結時發(fā)生受激吸收PN結界面內部電場漂移運動能帶傾斜電子和空穴的擴散運動N-----P2、工作原理畫內部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動雪崩光電二極管應用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場區(qū))內的碰撞電離效應而獲得光生電流的雪崩倍增。2、工作原理（點擊動畫）APD的雪崩倍增效應，是在二極管的P-N結上加高反向電壓，在結區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內光生載流子被強電場加速，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；越過禁帶到導帶，產生了新的電子—空穴對；新產生的電子—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—空穴對……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應，使光電流在管子內部獲得了倍增。APD就是利用雪崩效應使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。三、雪崩光電二極管1、特點雪崩光電二極管應用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場區(qū))內的碰撞電離圖3–13

APD雪崩示意圖圖3–13APD雪崩示意圖3、光電檢測過程

用雪崩光電二極管(APD)將光信號轉換為電信號的過程如圖所示。光信號包括信號光和背景光；電信號輸出包含信號、背景、咕電流和非倍增的暗電流;對三種電流．即信號、背景和暗電流產生雪崩增益；系統(tǒng)的輸出包含信號和噪聲。圖3-14光電檢測框圖3、光電檢測過程用雪崩光電二極管(APD)將光信號轉換為3.2光檢測器3.3光放大器3.1光源3.4光無源器件3.2光檢測器3.3光放大器3.1光源3.4光無源器光放大器的出現和發(fā)展克服了高速長距離傳輸的最大障礙——光功率受限，這是光通信史上的重要里程碑。光放大器是一種不需要經過光/電/光變換而直接對光信號進行放大的有源器件3.3光放大技術光放大器的出現和發(fā)展克服了高速長距離傳輸的最大障礙——光功率一、光放大技術－放大器分類光纖通信的基本器件一、光放大技術－放大器分類光纖通信的基本器件光放大技術－摻鉺光纖放大器

把鉺離子從E1能級“泵”到E3能級，使其形成粒子數反轉分布狀態(tài)，為受激幅射創(chuàng)造條件。

是為了保證泵浦光與EDFA中合波器的反射光不向外洩漏，光隔離器的特點是只允許正方向的光進入。把泵浦光與信號光合并在一起輸入到摻鉺光纖中信號光和與泵浦光同時沿摻鉺光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的鉺離子吸收而躍遷到更高的能級，并可以通過能級間的受激發(fā)射轉移為信號光的能量。信號光沿摻鉺光纖長度不斷放大，泵浦光沿摻鉺光纖長度不斷衰減EDFA主要是由摻鉺光纖、泵浦源、耦合器和光隔離器組成光放大技術－摻鉺光纖放大器

把鉺離子從E1能級“泵”到E3能DWDM系統(tǒng)中使用的EDFA必須具有:

足夠的帶寬平坦的增益低噪聲系數高輸出功率光放大技術－重要性能指標

特別是增益平坦度，這是DWDM系統(tǒng)對EDFA的特殊要求！DWDM系統(tǒng)中使用的EDFA必須具有:光放大技術－重要性能指

在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱再生器）放大光信號。首先將光纖中送來的光信號轉換為電信號，然后對電信號進行放大，最后再將放大了的電信號轉換為光信號送到光纖中去，如圖3-14所示。圖3-14傳統(tǒng)的中繼器原理框圖一、光電光放大器3.3光放大器在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱圖10全光放大器原理框圖二、全光放大器1、半導體激光放大器常用的有法布里—泊羅半導體激光放大器（FPA）和行波放大器。此類放大器的工作原理與激光器相同，都利用能級間躍遷產生的受激輻射工作。二者區(qū)別在于沒有諧振腔。2、非線性光學放大器利用光纖中的非線性現象進行光信號放大，即利用受激拉曼散射和受激布里淵散射。放大的過程，就是能量從泵浦源向信號光轉移的過程。3、摻稀土金屬光纖放大器光纖中摻入適量稀土金屬雜質，利用稀土金屬原子特有的能級結構實現光信號放大。常用的摻鉺光纖放大器（EDFA）是摻稀土金屬的光纖放大器。3.3光放大器圖10全光放大器原理框圖二、全光放大器1、半導體激光放大器摻鉺光纖放大器的組成及工作原理

摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成，如圖3-27所示。摻鉺光纖放大器的基本組成摻鉺光纖放大器的組成及工作原理摻鉺光纖放大器的基本組

(1)摻鉺光纖。摻鉺光纖是一段長度約為10m~100m的石英光纖，纖芯中注入稀土元素鉺離子，濃度為25mg/kg。

(2)泵浦光源。泵浦光源為半導體激光器，輸出功率約為10mW~100mW，工作波長為0.98μm。

(3)光耦合器。光耦合器將信號光和泵浦光合在一起通過摻鉺光纖實現光放大。(1)摻鉺光纖。摻鉺光纖是一段長度約為10m~10

(4)光濾波器。光濾波器濾出光放大器的噪聲，降低噪聲對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的的信噪比。

(5)光隔離器。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保光放大器工作穩(wěn)定，保證光信號只能正向傳輸。對它的要求是插入損耗低、與偏振無關、隔離度優(yōu)于40dB。(4)光濾波器。光濾波器濾出光放大器的噪聲，降低噪摻鉺光纖放大器的工作原理是受激輻射使光信號放大。在光纖中摻入微量的鉺元素，當只有泵浦光而沒有信號光加入摻鉺光纖時，高能級的電子經過各種碰撞后，發(fā)射小波長為1.53μm~1.56μm的熒光，這些熒光在沒有信號射入時處于非相干狀態(tài)。當泵浦光與信號光一起射入摻鉺光纖時，摻鉺光纖放大器的工作原理是受激輻射使光信號放大。在光纖信號光就可以接收泵浦光的能量，沿著光纖逐步加強，輸出一個頻率相同、傳輸模式相同的較強的光，使光信號獲得放大。在鉺粒子受激輻射過程中，有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài)，產生帶寬極寬而且雜亂無章的光子，并在傳播中不斷擴大，從而形成了自發(fā)輻射燥聲，并消耗了部分泵浦功率。因此，需設光濾波器，以降低燥聲對系統(tǒng)的影響。信號光就可以接收泵浦光的能量，沿著光纖逐步加強，輸出一3.3.3光纖放大器的結構

EDFA的內部按泵浦方式分，有同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦三種基本結構。如圖3-28所示。3.3.3光纖放大器的結構圖3–28光放大器泵浦方式光纖通信的基本器件概述經典課件

(1)同向泵浦。在同向泵浦結構中，泵浦光與信號光從同一端注入摻鉺光纖。

(2)反向泵浦。在反向泵浦結構中,泵浦光與信號光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。

(3)雙向泵浦。為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分的激勵，必須提高泵浦功率。在雙向泵浦結構中，既有和信號光傳輸方向相同的泵浦光，也有和信號光傳輸方向相反的泵浦光。(1)同向泵浦。3.3.4光纖放大器的應用光放大器可以應用于干線通信。主要應用形式有三種：中繼放大、功率放大、前置放大和LAN放大。中繼放大是指將EDFA直接插入到光纖傳輸鏈路中對信號進行中繼放大的應用形式，如圖3-29(a)所示。廣泛用于長途通信、越洋通信等領域。功率放大是指將EDFA放在發(fā)射光源之后對信號進行放大的應用形式，EDFA增加了注入光纖的光功率，從而可以延長中繼距離。如圖3-29(b)所示。

3.3.4光纖放大器的應用由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作為接收機的前置放大器,大大提高接收機的接收靈敏度。如圖3-29(c)所示。

LAN放大是指將EDFA放在光纖局域網中用作分配補償放大器，以便增加光節(jié)點的數目。EDFA可在寬帶本地網特別是在電視分配網中得到應用。如圖3-29(d)所示。由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作為接收機的前置放圖3–29

EDFA的應用光纖通信的基本器件概述經典課件

在光纖通信系統(tǒng)中，除了有源器件、光纖光纜之外，還有無源器件。無源器件有

光纖活動連接器

光衰減器

光無源耦合器

光波分復用器

光隔離器

光開關等

光無源器件在光纖通信系統(tǒng)中，除了有源器件、光纖光纜之外，還有無源一、光纖活動連接器

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”。3.4光無源器件1.1功能光纖連接器主要用于實現系統(tǒng)中光纖（纜）與光纖（纜）、光纖（纜）與有源器件、光纖（纜）與無源器件、光纖（纜）與系統(tǒng)和儀表的非永久性固定連接等。1.2結構光纖活動連接器有以下幾種結構：套管結構，雙錐結構、V型槽結構、球面定心結構和透鏡耦合結構一、光纖活動連接器光纖連接器，俗稱活接頭，ITU光纖通信的基本器件概述經典課件工作原理是：對光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面、套管的內孔進行精密加工，使兩根光纖在套管中對接，從而確保兩個光纖很好地在套管內對準，以實現兩根光纖在套管內的活動連接。如圖1所示。圖15光連接器套管結構示意圖1.3工作原理及結構示意圖3.4光無源器件工作原理是：對光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面1.4

常見端面接觸形式①FC型。其接頭的對接方式為平面對接。優(yōu)點是加工簡單、成本低。缺點是存在菲聶爾反射。②PC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。減少了菲聶爾反射，反射損耗系數可達48dB。③APC型。光纖端面是球面，端面法線與軸線成一定角度，使光難以返回光源，反射損耗系數達55dB。圖16光纖連接器的端面連接方式3.4光無源器件1.4常見端面接觸形式圖16光纖連接器的端面連接方式3.3.4光無源器件二、光衰減器1、光衰減器的作用

光衰減器的作用：對光能量進行預期的衰減，使光能量減少。光衰減器使用于光通信系統(tǒng)的指標測量、短距離通信系統(tǒng)的信號衰減以及系統(tǒng)試驗等。2、光衰減器的分類按光信號的傳輸方式分：單模光衰減器和多模光衰減器；按光信號的接口方式分：尾纖式光衰減器和連接端口式光衰減器；按照光信號的衰減方式分：固定光衰減器和可變光衰減器。3.4光無源器件二、光衰減器1、光衰減器的作用光衰光纖通信的基本器件概述經典課件3.4光無源器件

固定光衰減器產生衰減的機理是吸收一部分光，從而產生衰減作用。也就是在光線軸線上設置一種叫衰減膜的介質，它是一種半透明的摻雜化合物，在工作波長范圍內，它有一個吸收帶，光在吸收帶內被吸收，產生衰減。3、固定光衰減器的工作原理圖17無準直遠鏡光衰減器3.4光無源器件固定光衰減器產生衰減的機理是吸收一部3.4光無源器件

可變光衰減器有步進式可變光衰減器和連續(xù)可變光衰減器兩種。圖4是步進式可變光衰減器的一種結構。它由準直器和兩個衰減圓盤組成。準直器用來產生平行的出射光，衰減圓盤用來產生衰減。兩個衰減圓盤插在從準直器出射的平行光路之中。每個衰減圓盤分別裝有6個衰減片，衰減片的衰減是0dB、5dB、l0dB、15dB、20dB、25dB。將兩個衰減圓盤的衰減片進行組合，可以產生5dB、10dB、15dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB、45dB、50dB等十擋衰減。2.4可變光衰減器的工作原理圖18步進式可變光衰減器結構3.4光無源器件可變光衰減器有步進式可變光衰減器和連3.4光無源器件三、光隔離器2、作用：防止光路中由于各種原因產生的后向傳輸光對光源以及光路系統(tǒng)產生的不良影響2、光衰減器的分類按光信號的傳輸方式分：單模光衰減器和多模光衰減器；按光信號的接口方式分：尾纖式光衰減器和連接端口式光衰減器；按照光信號的衰減方式分：固定光衰減器和可變光衰減器。1、定義：只允許單向光通過的無源光器件3.4光無源器件三、光隔離器2、作用：防止光路中由于各光纖通信的基本器件概述經典課件3.4光無源器件四、光波分復用器

多波長波分復用器一般指4波長以上器件，對于密集型（DWDM）器件，有4波長、8波長、16波長等幾種。研制產品的波長是1550nm和1310nm。考慮到摻鉺光纖放大器的需要，又考慮到波長在550nm區(qū)域具有更小的損耗，所以一般研制產品的波長為1550nm。對于1310nm區(qū)域，如果光纖放大器能商品化，在此區(qū)域內使用DWDM技術，對已建光纖系統(tǒng)的升級有很大的吸引力。多波長波分復用器有介質模型、光柵型、波導陣列光柵型、光纖光柵等。3.4光無源器件四、光波分復用器多波長波分復用器一般81波分復用器件包括合波器和分波器，又叫光復用器和光解復用器復用器fiber解復用器OM/OD技術－波分復用器件81波分復用器件包括合波器和分波器，又叫光復用器復用器fib82OM/OD技術－OM/OD器件合波器（OM）分波器（OD)把來自光纖的光波分解成具有原標稱波長的光通路信號，分別輸入到相應的光通路接收機中，即對光波起解復用作用。把具有標稱波長的各復用通路光信號合成為一束光波，送到光纖中進行傳輸，對光波起復用作用。82OM/OD技術－OM/OD器件合波器分波器把來自光纖的光83

光柵型光波分復用器介質薄膜濾波器型（DTF)

耦合器型（熔錐型）陣列波導光柵型(AWG)OM/OD技術－OM/OD器件類型83光柵型光波分復用器OM/OD技術－OM/OD器件類型84OM/OD器件類型1－光柵型濾波器84OM/OD器件類型1－光柵型濾波器85OM/OD器件類型1－光柵型復用器原理屬于角色散型器件，當光到光柵上后，由于光柵的角色散作用，使不同的光信號以不同的角度出射，然后經過透鏡會聚到不同的輸出光纖，從而完成波長選擇和分離的作用，反之就可以實現波長的合并。優(yōu)點波長選擇特性優(yōu)良，可以使波長間隔小到0.5nm左右

并聯(lián)工作，插入損耗不會隨復用信道的數目增加而增加缺點 溫度穩(wěn)定性不好85OM/OD器件類型1－光柵型復用器原理86合波光（1,2...n）123nn-1OM/OD器件類型2－介質薄膜濾波器復用器86合波光（1,2...n）123nn-87OM/OD器件類型2－介質薄膜濾波器復用器原理利用幾十層不同的介質薄膜組合起來，組成具有特定波長選擇特性的干涉濾波器，就可以實現將不同的波長分離或合并優(yōu)點可以實現結構穩(wěn)定的小型化器件信號通帶比較平坦插入損耗較低

溫度特性很好缺點加工復雜，但目前的工藝已經比較成熟通路數不能太多。87OM/OD器件類型2－介質薄膜濾波器復用器原理881234。。。34OM/OD器件類型3－耦合器型復用器88134OM/OD器件類型89OM/OD器件類型3－耦合器型復用器原理通過將多根光纖熔融在一起，使多個輸入波長可以耦合在一起，達到波長合并的目的，但不能用來將不同波長進行分離。優(yōu)點

溫度特性很好光通道帶寬較好制造簡單，易于批量生產缺點尺寸較大，信道隔離度差，復用的波長數少89OM/OD器件類型3－耦合器型復用器原理90OM/OD器件類型4－陣列波導波分復用器（AWG）90OM/OD器件類型4－陣列波導波分復用器（AWG）91OM/OD器件類型4－陣列波導波分復用器（AWG）原理是以光集成技術為基礎的平面波導型器件。優(yōu)點并聯(lián)工作，可以復用的通道數多尺寸小易于批量生產缺點需要溫度補償91OM/OD器件類型4－陣列波導波分復用器（AWG）原理小結在光纖通信中用得最多的光源是LED和LD。LD發(fā)出的是激光，LED發(fā)出的是熒光。激光器是一種新型光源，具有發(fā)射方向集中、亮度高、相干性優(yōu)越和單色性好等特點。產生激光有兩個條件：一是光的放大作用，它要求電子數反轉分布，同時具有正反饋的諧振腔；二是要滿足閾值條件，即光功率增益大于光功率衰減。發(fā)光二極管有兩類：表面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管等。檢測器:PIN光電二極管、雪崩光電二極管(APD)。EDFA光纖放大器由泵浦光源、光耦合器、光隔離器、摻餌光纖、帶通濾波器等組成光纖活動連接器、光衰減器和光波分復用器的功能、結構和工作原理小結在光纖通信中用得最多的光源是LED和LD。LD發(fā)出的1、簡述半導體激光器的構成及各部分功能。2、如何實現粒子反轉分布？3、簡述雪崩光電二極管的結構及工作原理。4、什么是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收，各有何特點。作業(yè)題作業(yè)題1.個人墜落防護系統(tǒng)是用來把工作人員與固定掛點連接起來所必需的一整套產品，可完全防止出現從高處墜落的情況或是能完全地制止這種情況的發(fā)生。2.單獨使用這些產品不能對墜落提供防護。但是，如果這些構件能夠良好的組合在一起，那么它們將形成一種對工作場所的安全和整體的墜落防護計劃都極其重要的個人墜落防護系統(tǒng)。3.如果安全繩沒有垂直地固定在工作場所上方，發(fā)生墜落時將使得工人在空中出現搖擺，并可能撞到其他物體上或撞到地面造成傷害。4.一個有才能的領導者會給所在的團隊或組織帶來成功的希望，使人們對他產生一種敬佩感。敬佩感是一種心理磁鐵，它會吸引人們自覺去接受影響力。5.老虎型給他明確方向的語言、讓他知道做這件事對他的好處，說話中要給他很肯定的感覺，不要懷疑他或不放心，直接說明不要拐彎抹角，請他記錄彼此溝通的內容。6.孔雀型先聊輕松的話題再進入主題、運用圖畫方式進行溝通，對于事情就事論事不責罵當事人，給他贊揚及鼓勵，多運用一些肢休語言，可到熱鬧場合進行洽談。7.無尾熊型不要強勢與他溝通，溝通中運用一些溫馨的語言，可聊聊天再進入主題，交待任務不要一次太多，讓他知道你會協(xié)助他，經常尋問這事情的進展，讓他知道在溝通中不要有所忌諱。8.貓頭鷹型不要強勢與他溝通，交待任務最好自行確認后再說，不講不實際的事不說沒有憑證的話，說話要完整化，任務分配時可分解數項告知，讓他知道事情做完的成敗會有人負責，對事不對人，不要批評他的專業(yè)。演示完畢，感謝聆聽！1.個人墜落防護系統(tǒng)是用來把工作人員與固定掛點連接起來所必需第3章光纖通信的基本器件

光源與光器件

電子電氣工程系電子信息技術教研室第3章光纖通信的基本器件1、掌握光與物質的作用過程2、掌握半導體激光器的發(fā)光機理及其特性3、掌握半導體二極管的發(fā)光機理及其特性4、了解光纖通信系統(tǒng)的實用光源5、掌握光電二極管和雪崩光電二極管的結構及原理6、了解各種光無源器件的類型及其作用7、掌握常用光纖連接器的特點第3章光纖通信的基本器件----能力要求：1、掌握光與物質的作用過程第3章光纖通信的基本器件---3.2光檢測器3.3光放大器3.1光源3.4光無源器件3.2光檢測器3.3光放大器3.1光源3.4光無源器對光源的要求：

性能好、壽命長、使用方便1）發(fā)射光波長必須在光纖的低損耗窗口；2）光源的輸出功率要足夠大3）溫度特性優(yōu)良4）光源的發(fā)光譜寬度要窄5）光源應具有高度的可靠性6）省電,且體積小、重量輕7）光源器件應便于調制,調制速率能適應系統(tǒng)要求。3.1光源對光源的要求：3.1光源常用的兩種光源器件,即半導體激光器和半導體發(fā)光二極管。發(fā)光二極管用LED：熒光激光二極管用LD：激光常用的兩種光源器件,即半導體激光器和半導體發(fā)光二極管。發(fā)光半導體發(fā)光機理

電子以原子核為中心，按不同的電子層排列在原子核周圍旋轉，這些特定的電子層稱為能級，對半導體材料，電子的能級重疊在一起形成能帶。其中能量低的能帶稱為價帶E1，能量高的能帶稱為導帶E2，E2和E1之間的能量差稱為禁帶，電子不可能占據禁帶。E3E2E1能帶導帶禁帶價帶一、半導體發(fā)光機理半導體發(fā)光機理電子以原子核為中心，按不同的電半導體發(fā)光機理

電子在E2和E1之間的躍遷有三種基本方式:自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射。半導體發(fā)光機理電子在E2和E1之間的躍遷有三(a)自發(fā)輻射（點擊動畫）hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E13.1光源自發(fā)輻射是發(fā)光二極管的理論基礎(a)自發(fā)輻射（點擊動畫）hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1

(b)受激吸收（點擊動畫）

3.1光源受激吸收是光電檢測器的基礎hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(b)受激吸收（hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射（點擊動畫）

受激輻射是半導體激光器的基礎hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射（點擊動畫）半導體發(fā)光機理

設在單位物質中，處于低能級E1和處于高能級E2（E2＞E1）的電子數分別為N1和N2.

正常的狀態(tài)下，N1＞N2，即低能級上的電子數多，這種狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)（即正常分布狀態(tài)）。

對于N1＜N2的狀態(tài)，稱作為負溫度狀態(tài),即粒子數反轉分布狀態(tài)。半導體發(fā)光機理設在單位物質中，處于低能級E1半導體發(fā)光機理1）外來光子能量等于躍遷的能級之差hν＝E2－E12）受激過程中發(fā)射的光子與外來光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向、傳播方向度相同，稱它們?yōu)槿庾印?）過程可以使光得到放大。因為受激過程中發(fā)射出來的光子與外來光子是全同光子，相疊加的結果使光增強，使入射光得到放大。受激輻射與受激吸收的特點：受激輻射是半導體激光器發(fā)光的基礎。粒子數反轉分布是物質產生光放大的必要條件。半導體發(fā)光機理1）外來光子能量等于躍遷的能級之差hν＝E2－二、半導體激光器（LD）

1、激光器的作用

激光器是利用受激輻射過程產生光和光放大的一種器件，從它發(fā)出的光具有極好的相干性、單色性、方向性和極高的亮度，便于人們控制它和利用它。因而這種光源被用作光纖通信系統(tǒng)的光源。

2.激光器的基本結構激光器的基本結構如圖3-1所示，它是由三部分組成的，即：工作物質、諧振腔（半反鏡和全反鏡）和泵浦源（激勵源--電源）。

二、半導體激光器（LD）

1、激光器的作用圖3-1半導體激光器結構激活物質使工作物質處于粒子數反轉分布狀態(tài)完成頻率選擇及反饋作用圖3-1半導體激光器結構激活物質使工作物質處于粒子數反轉（1）工作物質

要使受激輻射過程成為主導過程，必要條件是在介質中造成粒子數反轉分布。（2）泵浦源

使工作物質產生粒子數反轉分布的外界激勵源N2>N1,受激輻射>受激吸收，從而有光的放大作用。工作物質已被激活，成為激活物質或稱增益物質。（3）光學諧振腔提供必要的反饋以及進行頻率選擇，光學諧振腔是由兩個反射鏡組成，其一是全反（M1）的，另一個是部分透過（M2）的。

（1）工作物質返回圖3-2諧振腔

諧振腔的光軸與工作物質的長軸相重合。這樣沿諧振腔軸方向傳播的光波將在腔的兩反射鏡之間來回反射，多次反復地通過激活介質，使光不斷地被放大。而沿其他方向傳播的光波很快地逸出腔外。這就使得只有沿腔軸傳播的光波在腔內擇優(yōu)放大，因而諧振腔的作用可使輸出光有良好的方向性。全反射鏡部分反射鏡激光輸出返回圖3-2諧振腔諧振腔的光軸與工作物質的長軸相重

3、

半導體激光器用半導體材料作為工作物質的激光器,稱為半導體激光器(LD)。常用的有F-P腔(法不里-泊羅腔)激光器和分布反饋型激光器(DFB)。下面介紹F-P腔激光器中的同質結和雙異質結半導體激光器。3、半導體激光器

1)同質結砷化鎵半導體激光器在光纖通信中,F-P腔激光器采用的工作物質(半導體材料)一般是砷化鎵(GaAs)或銦鎵砷磷(InGaAsP)。如圖3-3所示為同質結砷化鎵半導體激光器的結構。1)同質結砷化鎵半導體激光器圖3–3同質結砷化鎵半導體激光器光纖通信的基本器件概述經典課件同質結砷化鎵半導體激光器結構簡單,由PN結發(fā)光;其閾值電流(激光器開始產生激光時的注入電流)較大;在室溫下工作發(fā)熱嚴重,無法做到連續(xù)的激光輸出;室溫下只能工作在脈沖狀態(tài),且脈沖的重復頻率不高,約為幾十千赫茲,脈沖的寬度很窄,約為100ns;適合在小容量、低速率光纖通信系統(tǒng)中使用。同質結砷化鎵半導體激光器結構簡單,由PN結發(fā)光;其閾

2)雙異質結半導體激光器雙異質結半導體激光器結構如圖3-4所示,(N)InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)(有源區(qū)),其上、下兩層稱為限制層,它們和作用區(qū)構成光學諧振腔。限制層和作用層之間形成異質結。最下面一層N型InP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。2)雙異質結半導體激光器

特點:雙異質結半導體激光器克服了同質結半導體激光器缺點,有源區(qū)厚度加大,閾值電流降低(30mA～80mA),波長范圍為1.27μm～1.33μm。特點:雙異質結半導體激光器克服了同質結半導體激光器圖3–4雙異質結半導體激光器結構光纖通信的基本器件概述經典課件圖3–5

DFB-LD激光器結構光纖通信的基本器件概述經典課件5、半導體激光器的工作特性

1)閾值特性閾值電流(Ith)是指使LD輸出光功率急劇增加,產生激光振蕩的激勵電流。某半導體激光器P-I曲線如圖3-6所示。圖3–6

P-I曲線5、半導體激光器的工作特性圖3–6P-I曲線

當激勵電流I<Ith時,有源區(qū)無法達到粒子數反轉,也無法達到諧振條件,自發(fā)輻射為主,輸出功率很小,發(fā)出的是熒光;

當激勵電流I>Ith時,有源區(qū)不僅有粒子數反轉,而且達到了諧振條件,受激輻射為主,輸出功率急劇增加,發(fā)出的是激光,此時P-I曲線是線性變化的。對于激光器來說,要求閾值電流越小越好。當激勵電流I<Ith時,有源區(qū)無法達到粒子數反轉,

2)光譜特性

半導體激光器輸出光光譜特性曲線如圖3-7所示,從光譜特性曲線可以發(fā)現半導體激光器的光譜隨著激勵電流的變化而變化。圖3–7輸出光光譜2)光譜特性圖3–7輸出光光譜

當激勵電流I<Ith時,說明發(fā)出的是熒光,光譜很寬(幾十納米);當激勵電流I>Ith時,光譜突然變窄(幾納米),譜線中心強度也急劇增加,說明發(fā)出的是激光。

對于半導體激光器來說,要求其輸出光譜越窄越好。當激勵電流I<Ith時,說明發(fā)出的是熒光,光譜很寬(

3)溫度特性

半導體激光器對于溫度很敏感,其輸出功率隨溫度變化而變化,產生這種變化的主要原因是半導體激光器外微分量子效率和閾值電流受到溫度的影響。圖3–8溫度對閾值電流的影響3)溫度特性圖3–8溫度對閾值電流的影響6、半導體發(fā)光二極管(LED)半導體發(fā)光二極管是利用半導體PN結進行自發(fā)輻射器件的統(tǒng)稱。如電子儀表等產品的指示燈使用的就是一般的半導體發(fā)光二極管。6、半導體發(fā)光二極管(LED)

一般的半導體發(fā)光二極管與光纖通信專用的半導體發(fā)光二極管的異同如下:·共同點——都是使用PN結,利用自發(fā)輻射的原理發(fā)光,屬于無閾值器件,體積小巧、重量輕?！げ煌c——主要是制造工藝和價格有區(qū)別,另外光纖通信專用的發(fā)光二極管亮度更高、響應速度更快。一般的半導體發(fā)光二極管與光纖通信專用的半導體發(fā)光二極管的

半導體發(fā)光二極管與半導體激光器的區(qū)別

發(fā)光二極管沒有光學諧振腔,采用自發(fā)輻射,發(fā)出的是熒光(非相干光),不是激光,光譜的譜線寬,發(fā)散角大。而半導體激光器有光學諧振腔,采用受激輻射,發(fā)出的是激光(相干光),光譜的譜線窄,發(fā)散角很小。

雖然發(fā)光二極管無法發(fā)出激光,但它還是有很多優(yōu)點,如：使用壽命長,理論推算可達108～1010小時;受溫度影響小;輸出光功率與激勵電流線性關系好;驅動電路簡單;價格低等。這些優(yōu)點使發(fā)光二極管在中短距離、中小容量的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。半導體發(fā)光二極管與半導體激光器的區(qū)別1）.LED的結構

為了獲得高輻射度,LED常采用雙異質結芯片(但沒有光學諧振腔),構成材料主要有GaAs、InGaAsP、AlGaAs等。①

面發(fā)光型LED結構圖3-9所示是采用雙異質結GaAs的面發(fā)光型LED結構。發(fā)光區(qū)是呈圓柱形的有源區(qū),其直徑約為50μm,厚度約為2.5μm,能夠發(fā)出波長為0.8μm～0.9μm的輻射光,圓形光束反散角為120°。1）.LED的結構圖3–9面發(fā)光型LED結構光纖通信的基本器件概述經典課件

②

邊發(fā)光型LED結構圖3-10所示是采用雙異質結InGaAsP/InP的邊發(fā)光型LED結構。波長范圍為1.3μm左右,光束的水平反散角為120°,垂直反散角為25°～35°。該型LED的方向性好,亮度高,耦合效率高,但發(fā)光面積小。②邊發(fā)光型LED結構圖3–10邊發(fā)光型LED結構光纖通信的基本器件概述經典課件

2）

發(fā)光原理當激勵電流注入時,注入的載流子在擴散過程中進行復合,發(fā)生自發(fā)輻射,產生具有一定波長的自發(fā)輻射光,發(fā)射光經透鏡構成的聚焦系統(tǒng)發(fā)射出去,直接射入光纖的端面,然后在光纖中傳輸,這就是發(fā)光二極管的基本工作原理。2）發(fā)光原理

3）LED的工作特性

①光譜特性

LED的譜線如圖3-11所示,由于LED發(fā)光二極管沒有諧振腔,不具有選頻特性,因此譜線寬度Δλ比激光器的要寬得多。圖3–11

LED的譜線3）LED的工作特性圖3–11LED的譜線

②

輸出光功率特性

LED輸出光功率特性曲線如圖3-12所示。LED不存在閾值電流,線性比LD好。驅動電流I較小時,P-I曲線的線性較好;當I過大時,由于PN結發(fā)熱而產生飽和現象,使P-I曲線的斜率減小。一般情況下,LED工作電流為50mA～100mA,輸出光功率為幾毫瓦,由于反散角大,出纖功率(耦合到光纖中的功率)只有數百微瓦。②輸出光功率特性圖3–12

LED輸出光功率光纖通信的基本器件概述經典課件③溫度特性

LED的輸出光功率也會隨溫度升高而減小,然而LED是無閾值器件,因此溫度特性比LD要好(如短波長的GaAlAsLED,其輸出光功率隨溫度的變化率約為0.01/1K)。一般使用時不需要溫度控制電路。③溫度特性

④

耦合效率由于LED反散角大,因此其耦合效率低。所以LED適用于中短距離、中小容量的光纖通信系統(tǒng)。④耦合效率半導體激光器(LD)與發(fā)光二極管(LED)的比較在光纖通信系統(tǒng)中,最常用的光源器件便是半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED),二者均是用半導體材料構成的,能發(fā)出光波,能通過調制技術攜帶數據信息,實現光傳輸。這兩種光源器件的比較見表3-1。通過比較,讀者會進一步掌握這兩種光源的異同及其應用。半導體激光器(LD)與發(fā)光二極管(LED)的比較表3–1

LD與LED的比較表3–1LD與LED的比較1、作用光電檢測器的作用：把光信號轉換為電信號，光電檢測器是利用半導體材料的光電效應實現光電轉換。2、要求①在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；②具有足夠快的響應速度，能夠適用于高速或寬帶系統(tǒng)；③具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；④具有良好的線性關系，以保證信號轉換過程中的不失真；⑤具有較小的體積、較長的工作壽命等；⑥工作電壓盡量低，使用簡便。3、分類光電二極管（PIN）雪崩光電二極管（APD）

一、概述3.2光檢測器1、作用2、要求3、分類一、概述3.2光二、PIN光電二極管圖3-13光電二極管結構1、結構二、PIN光電二極管圖3-13光電二極管結構1、結構2、工作原理畫

在耗盡層形成漂移電流。內部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當入射光作用在PN結時發(fā)生受激吸收PN結界面內部電場漂移運動能帶傾斜電子和空穴的擴散運動N-----P2、工作原理畫內部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動雪崩光電二極管應用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場區(qū))內的碰撞電離效應而獲得光生電流的雪崩倍增。2、工作原理（點擊動畫）APD的雪崩倍增效應，是在二極管的P-N結上加高反向電壓，在結區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內光生載流子被強電場加速，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；越過禁帶到導帶，產生了新的電子—空穴對；新產生的電子—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—空穴對……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應，使光電流在管子內部獲得了倍增。APD就是利用雪崩效應使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。三、雪崩光電二極管1、特點雪崩光電二極管應用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場區(qū))內的碰撞電離圖3–13

APD雪崩示意圖圖3–13APD雪崩示意圖3、光電檢測過程

用雪崩光電二極管(APD)將光信號轉換為電信號的過程如圖所示。光信號包括信號光和背景光；電信號輸出包含信號、背景、咕電流和非倍增的暗電流;對三種電流．即信號、背景和暗電流產生雪崩增益；系統(tǒng)的輸出包含信號和噪聲。圖3-14光電檢測框圖3、光電檢測過程用雪崩光電二極管(APD)將光信號轉換為3.2光檢測器3.3光放大器3.1光源3.4光無源器件3.2光檢測器3.3光放大器3.1光源3.4光無源器光放大器的出現和發(fā)展克服了高速長距離傳輸的最大障礙——光功率受限，這是光通信史上的重要里程碑。光放大器是一種不需要經過光/電/光變換而直接對光信號進行放大的有源器件3.3光放大技術光放大器的出現和發(fā)展克服了高速長距離傳輸的最大障礙——光功率一、光放大技術－放大器分類光纖通信的基本器件一、光放大技術－放大器分類光纖通信的基本器件光放大技術－摻鉺光纖放大器

把鉺離子從E1能級“泵”到E3能級，使其形成粒子數反轉分布狀態(tài)，為受激幅射創(chuàng)造條件。

是為了保證泵浦光與EDFA中合波器的反射光不向外洩漏，光隔離器的特點是只允許正方向的光進入。把泵浦光與信號光合并在一起輸入到摻鉺光纖中信號光和與泵浦光同時沿摻鉺光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的鉺離子吸收而躍遷到更高的能級，并可以通過能級間的受激發(fā)射轉移為信號光的能量。信號光沿摻鉺光纖長度不斷放大，泵浦光沿摻鉺光纖長度不斷衰減EDFA主要是由摻鉺光纖、泵浦源、耦合器和光隔離器組成光放大技術－摻鉺光纖放大器

把鉺離子從E1能級“泵”到E3能DWDM系統(tǒng)中使用的EDFA必須具有:

足夠的帶寬平坦的增益低噪聲系數高輸出功率光放大技術－重要性能指標

特別是增益平坦度，這是DWDM系統(tǒng)對EDFA的特殊要求！DWDM系統(tǒng)中使用的EDFA必須具有:光放大技術－重要性能指

在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱再生器）放大光信號。首先將光纖中送來的光信號轉換為電信號，然后對電信號進行放大，最后再將放大了的電信號轉換為光信號送到光纖中去，如圖3-14所示。圖3-14傳統(tǒng)的中繼器原理框圖一、光電光放大器3.3光放大器在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱圖10全光放大器原理框圖二、全光放大器1、半導體激光放大器常用的有法布里—泊羅半導體激光放大器（FPA）和行波放大器。此類放大器的工作原理與激光器相同，都利用能級間躍遷產生的受激輻射工作。二者區(qū)別在于沒有諧振腔。2、非線性光學放大器利用光纖中的非線性現象進行光信號放大，即利用受激拉曼散射和受激布里淵散射。放大的過程，就是能量從泵浦源向信號光轉移的過程。3、摻稀土金屬光纖放大器光纖中摻入適量稀土金屬雜質，利用稀土金屬原子特有的能級結構實現光信號放大。常用的摻鉺光纖放大器（EDFA）是摻稀土金屬的光纖放大器。3.3光放大器圖10全光放大器原理框圖二、全光放大器1、半導體激光放大器摻鉺光纖放大器的組成及工作原理

摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成，如圖3-27所示。摻鉺光纖放大器的基本組成摻鉺光纖放大器的組成及工作原理摻鉺光纖放大器的基本組

(1)摻鉺光纖。摻鉺光纖是一段長度約為10m~100m的石英光纖，纖芯中注入稀土元素鉺離子，濃度為25mg/kg。

(2)泵浦光源。泵浦光源為半導體激光器，輸出功率約為10mW~100mW，工作波長為0.98μm。

(3)光耦合器。光耦合器將信號光和泵浦光合在一起通過摻鉺光纖實現光放大。(1)摻鉺光纖。摻鉺光纖是一段長度約為10m~10

(4)光濾波器。光濾波器濾出光放大器的噪聲，降低噪聲對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的的信噪比。

(5)光隔離器。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保光放大器工作穩(wěn)定，保證光信號只能正向傳輸。對它的要求是插入損耗低、與偏振無關、隔離度優(yōu)于40dB。(4)光濾波器。光濾波器濾出光放大器的噪聲，降低噪摻鉺光纖放大器的工作原理是受激輻射使光信號放大。在光纖中摻入微量的鉺元素，當只有泵浦光而沒有信號光加入摻鉺光纖時，高能級的電子經過各種碰撞后，發(fā)射小波長為1.53μm~1.56μm的熒光，這些熒光在沒有信號射入時處于非相干狀態(tài)。當泵浦光與信號光一起射入摻鉺光纖時，摻鉺光纖放大器的工作原理是受激輻射使光信號放大。在光纖信號光就可以接收泵浦光的能量，沿著光纖逐步加強，輸出一個頻率相同、傳輸模式相同的較強的光，使光信號獲得放大。在鉺粒子受激輻射過程中，有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài)，產生帶寬極寬而且雜亂無章的光子，并在傳播中不斷擴大，從而形成了自發(fā)輻射燥聲，并消耗了部分泵浦功率。因此，需設光濾波器，以降低燥聲對系統(tǒng)的影響。信號光就可以接收泵浦光的能量，沿著光纖逐步加強，輸出一3.3.3光纖放大器的結構

EDFA的內部按泵浦方式分，有同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦三種基本結構。如圖3-28所示。3.3.3光纖放大器的結構圖3–28光放大器泵浦方式光纖通信的基本器件概述經典課件

(1)同向泵浦。在同向泵浦結構中，泵浦光與信號光從同一端注入摻鉺光纖。

(2)反向泵浦。在反向泵浦結構中,泵浦光與信號光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。

(3)雙向泵浦。為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分的激勵，必須提高泵浦功率。在雙向泵浦結構中，既有和信號光傳輸方向相同的泵浦光，也有和信號光傳輸方向相反的泵浦光。(1)同向泵浦。3.3.4光纖放大器的應用光放大器可以應用于干線通信。主要應用形式有三種：中繼放大、功率放大、前置放大和LAN放大。中繼放大是指將EDFA直接插入到光纖傳輸鏈路中對信號進行中繼放大的應用形式，如圖3-29(a)所示。廣泛用于長途通信、越洋通信等領域。功率放大是指將EDFA放在發(fā)射光源之后對信號進行放大的應用形式，EDFA增加了注入光纖的光功率，從而可以延長中繼距離。如圖3-29(b)所示。

3.3.4光纖放大器的應用由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作為接收機的前置放大器,大大提高接收機的接收靈敏度。如圖3-29(c)所示。

LAN放大是指將EDFA放在光纖局域網中用作分配補償放大器，以便增加光節(jié)點的數目。EDFA可在寬帶本地網特別是在電視分配網中得到應用。如圖3-29(d)所示。由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作為接收機的前置放圖3–29

EDFA的應用光纖通信的基本器件概述經典課件

在光纖通信系統(tǒng)中，除了有源器件、光纖光纜之外，還有無源器件。無源器件有

光纖活動連接器

光衰減器

光無源耦合器

光波分復用器

光隔離器

光開關等

光無源器件在光纖通信系統(tǒng)中，除了有源器件、光纖光纜之外，還有無源一、光纖活動連接器

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”。3.4光無源器件1.1功能光纖連接器主要用于實現系統(tǒng)中光纖（纜）與光纖（纜）、光纖（纜）與有源器件、光纖（纜）與無源器件、光纖（纜）與系統(tǒng)和儀表的非永久性固定連接等。1.2結構光纖活動連接器有以下幾種結構：套管結構，雙錐結構、V型槽結構、球面定心結構和透鏡耦合結構一、光纖活動連接器光纖連接器，俗稱活接頭，ITU光纖通信的基本器件概述經典課件工作原理是：對光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面、套管的內孔進行精密加工，使兩根光纖在套管中對接，從而確保兩個光纖很好地在套管內對準，以實現兩根光纖在套管內的活動連接。如圖1所示。圖15光連接器套管結構示意圖1.3工作原理及結構示意圖3.4光無源器件工作原理是：對光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面1.4

常見端面接觸形式①FC型。其接頭的對接方式為平面對接。優(yōu)點是加工簡單、成本低。缺點是存在菲聶爾反射。②PC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。減少了菲聶爾反射，反射損耗系數可達48dB。③APC型。光纖端面是球面，端面法線與軸線成一定角度，使光難以返回光源，反射損耗系數達55dB。圖16光纖連接器的端面連接方式3.4光無源器件1.4常見端面接觸形式圖16光纖連接器的端面連接方式3.3.4光無源器件二、光衰減器1、光衰減器的作用

光衰減器的作用：對光能量進行預期的衰減，使光能量