摻鉺光纖放大器的應(yīng)用課件

第3章通信光器件

3.1光源3.2光電檢測器3.3光放大器3.4無源光器件第3章通信光器件

3.1光源1第3章通信光器件目標(biāo)●掌握光與物質(zhì)的三種作用方式●了解激光器的結(jié)構(gòu)●掌握激光器的原理●了解激光器的性能●了解發(fā)光二極管的原理、結(jié)構(gòu)和性能●掌握激光器與發(fā)光二極管性能上的異同●了解光電檢測起的結(jié)構(gòu)●掌握光電檢測器的原理和應(yīng)用●了解光放大器的知識●掌握摻鉺光纖放大器的原理、組成和應(yīng)用●了解光無源器件的種類●掌握常用光無源器件的性能第3章通信光器件目標(biāo)3.1光源光源可實現(xiàn)從電信號到光信號的轉(zhuǎn)換，是光發(fā)射機以及光纖通信系統(tǒng)的核心器件，它的性能直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)的性能和質(zhì)量指標(biāo)。本節(jié)主要對半導(dǎo)體激光二極管（LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）兩種光源的結(jié)構(gòu)、工作原理以及相關(guān)的特性進行介紹，并給出了它們的技術(shù)指標(biāo)。3.1光源3.1.1與激光器相關(guān)的幾個物理概念1．光子的概念愛因斯坦的光量子學(xué)說認為，光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.628×J·s（焦耳·秒），稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。2．原子能級半導(dǎo)體晶體，原子核外的電子運動軌道因相鄰原子的共有化運動要發(fā)生不同程度的重疊，晶體中的能級如圖3-1所示，電子已經(jīng)不屬于某個原子所有，它可以更大范圍內(nèi)甚至在整個晶體中運動，也就是說，原來的能級已經(jīng)轉(zhuǎn)變成能帶。對應(yīng)于最外層能級所組成的能帶稱為導(dǎo)帶，次外層的能帶稱為價帶，它們之間的間隔內(nèi)沒有電子存在，這個區(qū)間稱為禁帶。3.1.1與激光器相關(guān)的幾個物理概念1．光子的概念圖3-1晶體中的能級圖3-1晶體中的能級3．光與物質(zhì)的三種作用形式與物質(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)輻射和受激輻射三種物理過程。1）在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級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E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收。這就是光電檢測器的工作原理。2）處于高能級E2上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外力的作用，也會自發(fā)地躍遷至低能級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。這就是發(fā)光二極管的工作原理。自發(fā)輻射是非相干光。3）在高能級E2上的電子，受到能量為hf的外來光子激發(fā)時，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發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子，這種躍遷稱為受激輻射。這就是激光器的工作原理。受激輻射是相干光。能級和電子躍遷如圖3-2所示。3．光與物質(zhì)的三種作用形式圖3-2能級和電子躍遷

圖3-2能級和電子躍遷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)低能級上的粒子密度為N1，高能級上的粒子密度為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＞N1（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)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。4．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大5．直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體在光的受激發(fā)射過程中必須保持能量和動量的守恒。禁帶形狀是與動量有關(guān)的，依照禁帶的形狀，可將半導(dǎo)體分成直接帶隙和間接帶隙如圖3-3所示。直接帶隙材料中，導(dǎo)帶最小能級和價帶最大能級有相同的動量，電子是垂直躍遷的，發(fā)光效率高，如圖3-3a所示；間接帶隙材料中，要完成電子的躍遷，必須有其它粒子的參與以保持動量守恒，如圖3-3b所示，只有直接帶隙半導(dǎo)體材料才能制作發(fā)光器件，這類材料有GaAs、AlGaAs、InP和InGaAsP等。5．直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體圖3-3直接帶隙和間接帶隙圖3-3直接帶隙和間接帶隙3.1.2激光器的原理半導(dǎo)體激光器要實現(xiàn)激光發(fā)射工作，必需滿足以下三個條件：（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。（2）泵浦源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，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，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。（3）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，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。3.1.2激光器的原理半導(dǎo)體激光器要實現(xiàn)激光發(fā)射工作，1）光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)在激活物質(zhì)兩端的適當(dāng)位置，放置兩個反射系數(shù)分別為r1和r2的平面反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔。兩個反射鏡要求一個能全反射，另一個為部分反射。圖3-4光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)1）光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)在激活物質(zhì)兩端的適當(dāng)位置，放置兩個2）諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程圖3-5激光器示意圖2）諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程圖3-5激光器示意圖3）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L，則諧振腔的諧振條件為（3-1）或（3-2）式中，c為光在真空中的速度；λ為激光波長；n為激活物質(zhì)的折射率；L為光學(xué)諧振腔的腔長；q=1，2，3，…稱為縱模模數(shù)。3）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L，則諧4）起振的閾值條件如以Gth表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是

（3-3）式中，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)諧振腔兩個反射鏡的反射系數(shù)。4）起振的閾值條件如以Gth表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值3.1.3激光器的特性1．發(fā)射波長由于能隙與半導(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。3.1.3激光器的特性1．發(fā)射波長2．閾值特性（P-I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。典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線如圖3-6所示。為了穩(wěn)定可靠的工作，閾值電流越小越好。2．閾值特性（P-I特性）圖3-6典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線圖3-6典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線3．光譜特性激光器的光譜特性主要由其縱模決定。圖3-7激光器的光譜特性3．光譜特性對于單縱模激光器，定義邊模抑制比MSR為主模功率P主與次邊模功率P邊之比，它是半導(dǎo)體激光器頻譜純度的一種度量。（3-6）譜寬也可以用頻率為單位來表示，根據(jù)頻率與波長的關(guān)系，可以得到：（3-7）

對于單縱模激光器，定義邊模抑制比MSR為主模功率P主與次邊模圖3-8激光器輸出譜線注入電流的變化圖3-8激光器輸出譜線注入電流的變化4．光電效率（1）內(nèi)量子效率激光器的發(fā)光是靠注入有源層的電子與空穴的復(fù)合輻射發(fā)光的，但是并非所有的注入電子與空穴都能夠產(chǎn)生輻射復(fù)合。內(nèi)量子效率代表有源層內(nèi)產(chǎn)生光子數(shù)與注入的電子—空穴對數(shù)之比。（2）外量子效率激光器的內(nèi)量子效率可以做得很高，有的甚至可以接近100％，但實際的激光器發(fā)射輸出的光子數(shù)遠低于有源層中產(chǎn)生的光子數(shù)，這一方面是由于發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子被其它部分材料吸收，另一方面由于PN結(jié)的波導(dǎo)效應(yīng)。4．光電效率（1）內(nèi)量子效率激光器的發(fā)光是靠注入有源層的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。從激光器閾值電流隨溫度變化的曲線如圖3-9所示，閾值電流隨溫度的升高而加大。圖3-9激光器閾值電流隨溫度變化的曲線5．溫度特性3.1.4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。DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-10所示。3.1.4分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）D圖3-10DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖圖3-10DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖3.1.5發(fā)光二極管1．LED的工作原理發(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)出的是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。3.1.5發(fā)光二極管1．LED的工作原理2．LED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。面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)如圖3-11所示，邊發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。2．LED的結(jié)構(gòu)圖3-11面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖3-11面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖3-12邊發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖3-12邊發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)3.LED的工作特性（1）光譜特性LED譜線寬度?λ比激光器寬得多。InGaAsPLED的發(fā)光光譜如圖3-13所示。圖3-13InGaAsPLED的發(fā)光光譜3.LED的工作特性（2）輸出光功率特性發(fā)光二極管的P-I特性是指輸出的光功率隨注入電流的變化關(guān)系，如圖3-14所示。圖3-14發(fā)光二極管的P-I特性（2）輸出光功率特性發(fā)光二極管的P-I特性是指輸出的光功（3）溫度特性由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好?？梢圆患訙囟瓤刂齐娐贰＃?）耦合效率在通常應(yīng)用條件下，LED的工作電流為50～150mA，輸出功率為幾個毫瓦。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較低，入纖功率要小得多。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20～30MHz，邊發(fā)光型LED截止頻率為100～150MHz。主要是受載流子壽命的限制。（3）溫度特性由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。4．LD和LED的比較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，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。LED通常和多模光纖耦合，用于1.31μm或0.85μm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1.31μm或1.55μm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1.55μm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。4．LD和LED的比較3.2光電檢測器3.2.1光電檢測器的原理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。半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)如圖3-15所示。圖3-15半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)3.2光電檢測器3.2.1光電檢測器的原理3.2.2光檢測器的特性1．量子效率入射光（功率為Pin）中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光生電流的光子數(shù)和入射的總光子數(shù)之比稱為量子效率，它的計算由下式給出，即（3-12）式中，q為電子電荷（1.6×10－19C）；IP為產(chǎn)生的光電流；h為普朗克常數(shù)；ν為光子的頻率。量子效率的范圍在50～90%之間。3.2.2光檢測器的特性1．量子效率2．響應(yīng)度光檢測器的光電流與入射光功率之比稱為響應(yīng)度，有響應(yīng)度的單位是A/W。該特性表明光檢測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的效率。

2．響應(yīng)度為了產(chǎn)生光生載流子，入射光子的能量必須大于光檢測器材料的禁帶寬度，滿足的條件可以表示成：式中，c稱為截止波長。

為了產(chǎn)生光生載流子，入射光子的能量必須大于光檢測器材料的禁帶4.響應(yīng)時間響應(yīng)速度：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)時間來表示，即響應(yīng)時間是用來反映光檢測器對瞬變或高速調(diào)制光信號響應(yīng)能力的參數(shù)。如前所述，它主要受以下三個因素的影響：1）耗盡區(qū)的光載流子的渡越時間。2）耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴散時間。3）光電二極管及與其相關(guān)的電路的RC時間常數(shù)。4.響應(yīng)時間5．暗電流暗電流是指光檢測器上無光入射時的電流。雖然沒有入射光，但是在一定溫度下，外部的熱能可以在耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一些自由電荷，這些電荷在反向偏置電壓的作用下流動，形成了暗電流。顯然，溫度越高，受溫度激發(fā)的電子數(shù)量越多，暗電流越大。

5．暗電流3.2.3PIN光電二極管PIN的意義是P+和N型半導(dǎo)體材料之間插入了一層摻雜濃度很低的半導(dǎo)體材料（如Si），記為I（Intrinsic），稱為本征區(qū)，PIN光電二極管如圖3-17所示。圖3-17PIN光電二極管3.2.3PIN光電二極管PIN的意義是P+和N型半導(dǎo)體3.2.4APD光電二極管雪崩倍增效應(yīng)：入射信號光在光電二極管中產(chǎn)生最初的電子-空穴對，由于光電二極管上加了較高的反向偏置電壓，電子-空穴對在該電場作用下加速運動，獲得很大動能，當(dāng)它們與中性原子碰撞時，會使中性原子價帶上的電子獲得能量后躍遷到導(dǎo)帶上去，于是就產(chǎn)生新的電子-空穴對，新產(chǎn)生的電子-空穴對稱為二次電子-空穴對。這些二次載流子同樣能在強電場作用下，碰撞別的中性原子進而產(chǎn)生新的電子-空穴對，這樣就引起了產(chǎn)生新載流子的雪崩過程。也就是說，一個光子最終產(chǎn)生了許多的載流子，使得光信號在光電二極管內(nèi)部就獲得了放大。APD即雪崩光電二極管就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。3.2.4APD光電二極管雪崩倍增效應(yīng)：入射信號光在光電從結(jié)構(gòu)來看，APD與PIN的不同在于增加了一個附加層P，APD光電二極管如圖3-18所示。在反向偏置時，夾在I層與N+層間的PN+結(jié)中存在著強電場，一旦入射信號光從左側(cè)P+區(qū)進入I區(qū)后，在I區(qū)被吸收產(chǎn)生電子-空穴對，其中的電子迅速漂移到PN+結(jié)區(qū)，PN+結(jié)中的強電場便使得電子產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。從結(jié)構(gòu)來看，APD與PIN的不同在于增加了一個附加層P，AP圖3-18APD光電二極管圖3-18APD光電二極管3.3光放大器光放大器是可將微弱光信號直接進行光放大的器件。光放大器是基于受激輻射或受激散射的原理來實現(xiàn)對微弱入射光進行放大的，其機制與激光器完全相同。實際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個沒有反饋或反饋較小的激光器。當(dāng)光介質(zhì)在泵浦電流或泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時就獲得了光增益，即可實現(xiàn)光放大。本節(jié)介紹常用光放大器的類型，并重點闡述摻鉺光纖放大器的原理和應(yīng)用。3.3光放大器光放大器是可將微弱光信號直接進行光放大的器3.3.1光放大器的分類光放大器按原理不同大體上有三種類型：1）摻雜光纖放大器，就是利用稀土金屬離子作為激光工作物質(zhì)的一種放大器。2）傳輸光纖放大器，其中有受激喇曼散射（StimulatedRamanScattering，SRS）光纖放大器、受激布里淵散射（StimulatedBrilliouinScattering，SBS）光纖放大器和利用四波混頻效應(yīng)（FWM）的光放大器等。3）半導(dǎo)體激光放大器。其結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管（LaserDiode，LD）相同。3.3.1光放大器的分類光放大器按原理不同大體上有三種類3.3.2摻鉺光纖放大器的工作原理1．EDFA結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器（ErbiumDopedFiberAmplifier，EDFA）是利用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)、使用激光器二極管發(fā)出的泵浦光對信號光進行放大的器件。摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)如圖3-19所示。圖3-19摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)3.3.2摻鉺光纖放大器的工作原理1．EDFA結(jié)構(gòu)2．EDFA工作原理（1）能級與泵浦EDFA的工作機理基于受激輻射。我們首先討論激活介質(zhì)摻鉺石英的能級，石英光纖中鉺離子的能級如圖3-22所示。這里用三能級表示。鉺離子從能級2到能級1的躍遷產(chǎn)生的受激輻射光，其波長范圍從1500nm到1600nm，這是EDFA得到廣泛應(yīng)用的原因。為了實現(xiàn)受激輻射，需要產(chǎn)生能級2與能級1之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即需要泵浦源將鉺離子從能級1激發(fā)到能級2。有兩種波長的泵浦源可以滿足要求：2．EDFA工作原理圖3-22石英光纖中鉺離子的能級圖3-22石英光纖中鉺離子的能級（2）增益EDFA的輸出功率含信號功率和噪聲功率兩部分，噪聲功率是放大的自發(fā)輻射產(chǎn)生的，記它為PASE，則EDFA的增益用分貝表示為

（3-28）式中，Pout、Pin分別是輸出光信號和輸入光信號功率

（2）增益EDFA的輸出功率含信號功率和噪聲功率兩部分，（3）噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)實際上與摻鉺光纖長度和泵浦功率有關(guān)。理論分析還表明，噪聲系數(shù)與泵浦源波長有關(guān)，使用980nm泵浦源的噪聲特性優(yōu)于1480nm泵浦源。EDFA噪聲系統(tǒng)的變化范圍在3.5dB到9dB之間。（3）噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)實際上與摻鉺光纖長度和泵浦功率有關(guān)3.EDFA增益平坦性增益平坦性是指增益與波長的關(guān)系，很顯然，我們所希望的EDFA應(yīng)該在我們所需要的工作波長范圍具有較為平坦的增益，特別是在WDM系統(tǒng)中使用時，要求對所有信道的波長都具有相同的放大倍數(shù)。但是作為EDFA的核心部件──摻鉺光纖的增益平坦性卻不理想。摻鉺光纖增益系數(shù)與波長的關(guān)系如圖3-25所示。3.EDFA增益平坦性圖3-25摻鉺光纖增益系數(shù)與波長的關(guān)系圖3-25摻鉺光纖增益系數(shù)與波長的關(guān)系為了獲得較為平坦的增益特性，增大EDFA的帶寬，有兩種方法可以采用。一種是采用新型寬譜帶摻雜光纖，如在纖芯中再摻入鋁離子；另一種方法是在摻鉺光纖鏈路上放置均衡濾波器。EDFA中的均衡濾波器作用如圖3-26所示，該均衡濾波器的傳輸特性恰好補償摻鉺光纖增益的不均勻。為了獲得較為平坦的增益特性，增大EDFA的帶寬，有兩種方法可圖3-26EDFA中的均衡濾波器作用圖3-26EDFA中的均衡濾波器作用3.3.3摻鉺光纖放大器的特性與應(yīng)用1．EDFA的增益特性增益系數(shù)g（z）與高能級和低能級的粒子數(shù)目差及泵浦功率有關(guān)，對增益系數(shù)g（z）在整個摻鉺光纖長度上進行積分，就可求出光纖放大器的增益G，所以，放大器的增益應(yīng)與泵浦強度及光纖的長度有關(guān)。2．EDFA的帶寬摻鉺硅光纖的g-λ曲線如圖3-27所示，從圖中可以看出增益系數(shù)隨著波長的不同而不同。3.3.3摻鉺光纖放大器的特性與應(yīng)用1．EDFA的增益特圖3-27摻鉺離子硅光纖的g-λ曲線圖3-27摻鉺離子硅光纖的g-λ曲線3．摻鉺光纖放大器的應(yīng)用光放大器的幾種應(yīng)用如圖3-28所示。根據(jù)光放大器在光鏈路中所處位置的不同，其應(yīng)用可以分成三個類型：（1）EDFA用作線路放大器EDFA用作線路放大器是它在光纖通信系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用。在單模光纖通信系統(tǒng)中，光纖的色散影響較小，限制傳輸距離的主要因素是光纖的衰減，所以用光放大器可以補償傳輸損耗。它適用于超長距離傳輸?shù)南到y(tǒng)。如圖3-28a所示。（2）EDFA用作前置放大器由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作接收機的前置放大器。前置放大是指光放大器的位置在光纖鏈路末端、接收機之前，如圖3-28b所示。在光電檢測器之前將弱信號放大，可以抑制在接收機中由于熱噪聲引起的信噪比下降。3．摻鉺光纖放大器的應(yīng)用光放大器的幾種應(yīng)用如圖3-28所示。（3）EDFA用作功率放大器功率放大器是將EDFA直接放在光發(fā)射機之后用來提升輸出功率，如圖3-28c所示，以提高發(fā)射功率，一般可使傳輸距離增加10～100km。如果同時使用前置放大，即可實現(xiàn)200～250km的無中繼海底傳輸。由于功率放大器直接放置于光發(fā)射機后，其輸入功率較高，要求的泵浦功率也較大。其輸入一般要在－8dBm以上，具有的增益必須大于5dB。（3）EDFA用作功率放大器功率放大器是將EDFA直接放圖3-28光放大器的幾種應(yīng)用圖3-28光放大器的幾種應(yīng)用3.4無源光器件

光纖通信系統(tǒng)中所用的器件可以分成有源器件和無源器件兩大類。有源器件的內(nèi)部存在著光電能量轉(zhuǎn)換的過程，而沒有該功能的則稱為無源器件。光無源器件是能量消耗型光學(xué)器件。其種類繁多，功能各異。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。光纖通信系統(tǒng)對無源器件的總體要求：規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，插入損耗小，可靠性高，重復(fù)性好，不易受外界影響等。3.4無源光器件

光纖通信系統(tǒng)中所用的器件可以分成有源器3.4.1光纖連接器光纖的連接常采用兩種辦法：一種是要求兩根光纖（纜）的連接固定、永久。在光纜施工中，因為一盤光纜的長度一般在3km以內(nèi)，所以兩根光纜的接續(xù)要采用熔接機將它們?nèi)廴谙噙B。另一種是光纖與光發(fā)射機（附帶尾纖）、光接收機或儀表之間的連接，或者是與另一根光纖暫時性的連接，就要用到連接器。連接器是易出故障的器件，也是用途最廣泛的無源器件。3.4.1光纖連接器光纖的連接常采用兩種辦法：一種是要求1．連接器的結(jié)構(gòu)

連接器的結(jié)構(gòu)如圖3-29所示。圖3-29連接器的結(jié)構(gòu)1．連接器的結(jié)構(gòu)

連接器的結(jié)構(gòu)如圖3-29所示。2．連接器的損耗連接器的損耗如圖3-30所示。連接損耗產(chǎn)生的原因可歸為兩類：一類是光纖公差引起的固有損耗，如芯徑、折射率指數(shù)等的失配，如圖3-30a所示；另一類是連接器加工裝配引起的外部損耗，如圖3-30b所示。外部損耗往往是主要的，其中間隙和橫向偏移造成的損耗占有較大的比例。2．連接器的損耗圖3-30連接器的損耗圖3-30連接器的損耗3．連接器型號和參數(shù)常用的連接器型號有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型。連接器的主要性能指標(biāo)有：1）插入損耗。一般在0.5dB以下。2）重復(fù)性。即每插拔一次或數(shù)次之后，其損耗的變化情況，一般應(yīng)小于0.1dB。3）互換性。是指同一種連接器不同插針替換時損耗的變化量，它應(yīng)小于0.1dB。4）壽命。即在保證連接器具有上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插拔次數(shù)的多少，一般應(yīng)在千次以上。5）溫度性能。是指在一定溫度范圍內(nèi)連接器損耗的變化量，一般是在-250～+700℃范圍內(nèi)，損耗變化應(yīng)小于或等于0.2dB。3．連接器型號和參數(shù)常用的連接器型號有FC/PC、FC/AP3.4.2光衰減器光衰減器的功能是對光功率進行預(yù)定量的衰減。例如，光接收機對光功率的過載非常敏感，必須將輸入功率控制在接收機的動態(tài)范圍內(nèi)，防止其飽和；光放大器前的不同信道輸入功率間的平衡，防止某個或某些信道的輸入功率過大，引起光放大器增益飽和等。光衰減器的工作機理如圖3-31所示，有以下幾種：（1）耦合型它是通過輸入、輸出兩根光纖纖芯的偏移來改變光耦合的大小，從而達到改變衰減量的目的，如圖3-31a所示。（2）反射型通過改變反射鏡的角度，控制透射光的大小，如圖3-31b所示。（3）吸收型采用光吸收材料制成衰減片，對光進行吸收和透射，如圖3-31c所示。光衰減器可分成固定式、步進可變式和連續(xù)可變式三種類型。3.4.2光衰減器光衰減器的功能是對光功率進行預(yù)定量的衰減圖3-31光衰減器的工作原理圖3-31光衰減器的工作原理3.4.3光分路耦合器1．耦合器類型耦合器是對光信號實現(xiàn)分路、合路和分配的無源器件，是波分復(fù)用、光纖局域網(wǎng)、光纖有線電視網(wǎng)以及某些測量儀表中不可缺少的光學(xué)器件。幾種典型的光纖耦合器結(jié)構(gòu)圖如圖3-32所示。3.4.3光分路耦合器1．耦合器類型圖3-32幾種典型的光纖耦合器結(jié)構(gòu)圖圖3-32幾種典型的光纖耦合器結(jié)構(gòu)圖2．工作原理

2×2耦合器是最簡單的器件，我們以它為例來說明耦合器的工作原理。熔錐型光纖耦合器結(jié)構(gòu)和原理如圖3-33所示。圖3-33熔錐型光纖耦合器結(jié)構(gòu)和原理2．工作原理

2×2耦合器是最簡單的器件，我們以它為例來說明3．性能參數(shù)（1）插入損耗插入損耗是指光功率從特定的端口到另一端口路徑的損耗。從輸入端口k到輸出端口j的插入損耗可表示為(3-31)（2）附加損耗附加損耗的定義是輸入功率與總輸出功率的比值。對于圖3-33所示的2×2耦合器有（3-32）3．性能參數(shù)（1）插入損耗插入損耗是指光功率從特定的端口3）分光比分光比是某一輸出端口的光功率與所有輸出端口光功率之比。它說明輸出端口間光功率分配的百分比。對于2×2耦合器可以表示為（4）隔離度隔離度也稱作為方向性或串?dāng)_，隔離度高意味著線路之間的串?dāng)_小。它表示輸入功率出現(xiàn)在不希望的輸出端的多少。對于2×2耦合器，其數(shù)學(xué)形式是3）分光比分光比是某一輸出端口的光功率與所有輸出端口光功3.4.4光隔離器與光環(huán)行器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作穩(wěn)定性。光隔離器主要用在激光器或光放大器的后面。激光器，光放大器對來自連接器、熔接點、濾波器的反射光非常敏感，反射光將導(dǎo)致它們的性能惡化，例如半導(dǎo)體激光器的線寬受反射光的影響會展寬或壓縮，甚至可達幾個數(shù)量級。因此要在靠近這種光器件的輸出端放置隔離器，阻止反射光的影響。隔離器的主要性能指標(biāo)有工作波長，典型插入損耗（參考值：0.4dB），最大插入損耗（參考值：0.6dB），典型峰值隔離度，最小隔離度（參考值：40dB），回波損耗（即反射損耗）（參考值：輸入/輸出60/60dB）等。3.4.4光隔離器與光環(huán)行器1．光隔離器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。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)，用于單纖雙向通信。光環(huán)形器示意圖如圖3-35所示；光環(huán)形器用于單纖雙向通信示意圖如圖3-36所示。2．光環(huán)形器光環(huán)形器與光隔離起工作原理基本相同，只是光隔離器圖3-35光環(huán)形器示意圖圖3-35光環(huán)形器示意圖3.4.5波長轉(zhuǎn)換器波長轉(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。1）光電型波長轉(zhuǎn)換器如圖3-37所示。由于速度受電子器件限制，它不適應(yīng)高速大容量光纖通信系統(tǒng)。3.4.5波長轉(zhuǎn)換器波長轉(zhuǎn)換器：使信號從一個波長轉(zhuǎn)換到另圖3-37光電型波長轉(zhuǎn)換器圖3-37光電型波長轉(zhuǎn)換器2）全光型波長轉(zhuǎn)換器如圖3-38所示。其波長轉(zhuǎn)換技術(shù)主要由半導(dǎo)體光放大器（SOA）構(gòu)成。波長為λ1的光信號與需要轉(zhuǎn)換為波長為λ2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)換到λ2上，通過濾波器取出λ2光信號，即可實現(xiàn)從λ1到λ2的全光波長轉(zhuǎn)換。2）全光型波長轉(zhuǎn)換器如圖3-38所示。其波長轉(zhuǎn)換技術(shù)主要由半圖3-38全光型波長轉(zhuǎn)換器圖3-38全光型波長轉(zhuǎn)換器3.4.6光開關(guān)光開關(guān)是光交換的關(guān)鍵器件，它具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路中的光信號進行相互轉(zhuǎn)換或?qū)嵭羞壿嬤\算，在光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。光開關(guān)可分成機械式和非機械式兩大類。機械式光開關(guān)依靠光纖或者光學(xué)元件的移動，使光路發(fā)生轉(zhuǎn)換。非機械式光開關(guān)依靠電光、聲光、熱光等效應(yīng)來改變波導(dǎo)的折射率，使光路發(fā)生變化。3.4.6光開關(guān)光開關(guān)是光交換的關(guān)鍵器件，它具有一個或多3.4.7光濾波器濾波器是一種波長選擇器件，在光纖通信系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用，如上節(jié)光放大器中噪聲的濾波。特別在WDM光纖網(wǎng)絡(luò)中每個接收機都必須選擇所需要的信道，濾波器成為必不可少的部分。濾波器分成固定濾波器和可調(diào)諧濾波器兩大類。前者是允許一個確定波長的信號光通過，而后者是可以在一定光帶寬范圍內(nèi)動態(tài)地選擇波長。光濾波器功能和分類如圖3-41所示。3.4.7光濾波器濾波器是一種波長選擇器件，在光纖通信系a）固定波長濾波器

b）可調(diào)諧波段

圖3-41光濾波器功能和分類a）固定波長濾波器實際濾波器的傳輸特性如圖3-42所示。由該圖我們了解一下固定波長濾波器的主要參數(shù)，它們是中心波長λ0，帶寬Δλ，除它們以外，還有插入損耗和隔離度等。圖3-42實際濾波器的傳輸特性實際濾波器的傳輸特性如圖3-42所示。由該圖我們了解一下固定3.4.8光纖光柵光纖光柵是利用光纖制造中的缺陷，用紫外光照射，使得光纖纖芯折射率分布呈周期性變化。光纖光柵的濾波作用如圖3-43所示圖3-43光纖光柵的濾波作用3.4.8光纖光柵光纖光柵是利用光纖制造中的缺陷，用紫外小結(jié)1．光纖通信系統(tǒng)中所用的光器件可分為有源器件和無源器件兩大類。2．光與物質(zhì)的相互作用形式主要包括受激躍遷、自發(fā)輻射和受激輻射。3．光源主要是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號送入光纖。常用的光源器件有LD和LED兩種。4．LD由工作物質(zhì)、激勵源和光學(xué)諧振腔組成。5．LED與LD的區(qū)別是前者沒有光學(xué)諧振腔，它的發(fā)光僅限于自發(fā)輻射，從而使所發(fā)的光為熒光，是非相干光。6．半導(dǎo)體光電檢測器的作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號。常用的光電檢測器有PIN和APD兩種。7．光放大器有多種類型，而EDFA是光纖通信中應(yīng)用最廣泛的一種。8．無源光器件種類繁多，常用的無源光器件包括光連接器、光衰減器、光耦合器、光隔離器、光環(huán)形器、光波長轉(zhuǎn)換器、光開關(guān)、光濾波器和光纖光柵等。小結(jié)1．光纖通信系統(tǒng)中所用的光器件可分為有源器件和無源器件兩思考題1．光與物質(zhì)的相互作用形式有幾種？請畫圖說明。2．組成激光器的三要素是什么？3．簡要說明激光振蕩器的原理。4．半導(dǎo)體激光器發(fā)射光子的能量近似等于材料的禁帶寬度，已知GaAs材料的禁帶寬度為1.43eV，某一InGaAsP材料的禁帶寬度為0.96eV，求它們的發(fā)射波長分別是多少？5．LD和LED的特點有何異同？6．畫圖說明光電檢測器的工作原理。7．某光電二極管由InGaAs材料制作，在100ns的脈沖時間內(nèi)共入射了波長為1310nm的光子6×106個，平均產(chǎn)生了5.4×106個電子空穴對，試計算其量子效率和響應(yīng)度。8．光放大器與光再生中繼器有何異同？9．EDFA的結(jié)構(gòu)是怎樣的？畫圖并簡要說明每一部分的作用。10．請說出三種常用的光無源器件，并簡述它們的功能。思考題1．光與物質(zhì)的相互作用形式有幾種？請畫圖說明。第3章通信光器件

3.1光源3.2光電檢測器3.3光放大器3.4無源光器件第3章通信光器件

3.1光源87第3章通信光器件目標(biāo)●掌握光與物質(zhì)的三種作用方式●了解激光器的結(jié)構(gòu)●掌握激光器的原理●了解激光器的性能●了解發(fā)光二極管的原理、結(jié)構(gòu)和性能●掌握激光器與發(fā)光二極管性能上的異同●了解光電檢測起的結(jié)構(gòu)●掌握光電檢測器的原理和應(yīng)用●了解光放大器的知識●掌握摻鉺光纖放大器的原理、組成和應(yīng)用●了解光無源器件的種類●掌握常用光無源器件的性能第3章通信光器件目標(biāo)3.1光源光源可實現(xiàn)從電信號到光信號的轉(zhuǎn)換，是光發(fā)射機以及光纖通信系統(tǒng)的核心器件，它的性能直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)的性能和質(zhì)量指標(biāo)。本節(jié)主要對半導(dǎo)體激光二極管（LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）兩種光源的結(jié)構(gòu)、工作原理以及相關(guān)的特性進行介紹，并給出了它們的技術(shù)指標(biāo)。3.1光源3.1.1與激光器相關(guān)的幾個物理概念1．光子的概念愛因斯坦的光量子學(xué)說認為，光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.628×J·s（焦耳·秒），稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。2．原子能級半導(dǎo)體晶體，原子核外的電子運動軌道因相鄰原子的共有化運動要發(fā)生不同程度的重疊，晶體中的能級如圖3-1所示，電子已經(jīng)不屬于某個原子所有，它可以更大范圍內(nèi)甚至在整個晶體中運動，也就是說，原來的能級已經(jīng)轉(zhuǎn)變成能帶。對應(yīng)于最外層能級所組成的能帶稱為導(dǎo)帶，次外層的能帶稱為價帶，它們之間的間隔內(nèi)沒有電子存在，這個區(qū)間稱為禁帶。3.1.1與激光器相關(guān)的幾個物理概念1．光子的概念圖3-1晶體中的能級圖3-1晶體中的能級3．光與物質(zhì)的三種作用形式與物質(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)輻射和受激輻射三種物理過程。1）在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級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E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收。這就是光電檢測器的工作原理。2）處于高能級E2上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外力的作用，也會自發(fā)地躍遷至低能級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。這就是發(fā)光二極管的工作原理。自發(fā)輻射是非相干光。3）在高能級E2上的電子，受到能量為hf的外來光子激發(fā)時，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發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子，這種躍遷稱為受激輻射。這就是激光器的工作原理。受激輻射是相干光。能級和電子躍遷如圖3-2所示。3．光與物質(zhì)的三種作用形式圖3-2能級和電子躍遷

圖3-2能級和電子躍遷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)低能級上的粒子密度為N1，高能級上的粒子密度為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＞N1（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)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。4．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大5．直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體在光的受激發(fā)射過程中必須保持能量和動量的守恒。禁帶形狀是與動量有關(guān)的，依照禁帶的形狀，可將半導(dǎo)體分成直接帶隙和間接帶隙如圖3-3所示。直接帶隙材料中，導(dǎo)帶最小能級和價帶最大能級有相同的動量，電子是垂直躍遷的，發(fā)光效率高，如圖3-3a所示；間接帶隙材料中，要完成電子的躍遷，必須有其它粒子的參與以保持動量守恒，如圖3-3b所示，只有直接帶隙半導(dǎo)體材料才能制作發(fā)光器件，這類材料有GaAs、AlGaAs、InP和InGaAsP等。5．直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體圖3-3直接帶隙和間接帶隙圖3-3直接帶隙和間接帶隙3.1.2激光器的原理半導(dǎo)體激光器要實現(xiàn)激光發(fā)射工作，必需滿足以下三個條件：（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。（2）泵浦源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，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，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。（3）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，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。3.1.2激光器的原理半導(dǎo)體激光器要實現(xiàn)激光發(fā)射工作，1）光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)在激活物質(zhì)兩端的適當(dāng)位置，放置兩個反射系數(shù)分別為r1和r2的平面反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔。兩個反射鏡要求一個能全反射，另一個為部分反射。圖3-4光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)1）光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)在激活物質(zhì)兩端的適當(dāng)位置，放置兩個2）諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程圖3-5激光器示意圖2）諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程圖3-5激光器示意圖3）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L，則諧振腔的諧振條件為（3-1）或（3-2）式中，c為光在真空中的速度；λ為激光波長；n為激活物質(zhì)的折射率；L為光學(xué)諧振腔的腔長；q=1，2，3，…稱為縱模模數(shù)。3）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L，則諧4）起振的閾值條件如以Gth表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是

（3-3）式中，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)諧振腔兩個反射鏡的反射系數(shù)。4）起振的閾值條件如以Gth表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值3.1.3激光器的特性1．發(fā)射波長由于能隙與半導(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。3.1.3激光器的特性1．發(fā)射波長2．閾值特性（P-I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。典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線如圖3-6所示。為了穩(wěn)定可靠的工作，閾值電流越小越好。2．閾值特性（P-I特性）圖3-6典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線圖3-6典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線3．光譜特性激光器的光譜特性主要由其縱模決定。圖3-7激光器的光譜特性3．光譜特性對于單縱模激光器，定義邊模抑制比MSR為主模功率P主與次邊模功率P邊之比，它是半導(dǎo)體激光器頻譜純度的一種度量。（3-6）譜寬也可以用頻率為單位來表示，根據(jù)頻率與波長的關(guān)系，可以得到：（3-7）

對于單縱模激光器，定義邊模抑制比MSR為主模功率P主與次邊模圖3-8激光器輸出譜線注入電流的變化圖3-8激光器輸出譜線注入電流的變化4．光電效率（1）內(nèi)量子效率激光器的發(fā)光是靠注入有源層的電子與空穴的復(fù)合輻射發(fā)光的，但是并非所有的注入電子與空穴都能夠產(chǎn)生輻射復(fù)合。內(nèi)量子效率代表有源層內(nèi)產(chǎn)生光子數(shù)與注入的電子—空穴對數(shù)之比。（2）外量子效率激光器的內(nèi)量子效率可以做得很高，有的甚至可以接近100％，但實際的激光器發(fā)射輸出的光子數(shù)遠低于有源層中產(chǎn)生的光子數(shù)，這一方面是由于發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子被其它部分材料吸收，另一方面由于PN結(jié)的波導(dǎo)效應(yīng)。4．光電效率（1）內(nèi)量子效率激光器的發(fā)光是靠注入有源層的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。從激光器閾值電流隨溫度變化的曲線如圖3-9所示，閾值電流隨溫度的升高而加大。圖3-9激光器閾值電流隨溫度變化的曲線5．溫度特性3.1.4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。DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-10所示。3.1.4分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）D圖3-10DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖圖3-10DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖3.1.5發(fā)光二極管1．LED的工作原理發(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)出的是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。3.1.5發(fā)光二極管1．LED的工作原理2．LED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。面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)如圖3-11所示，邊發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。2．LED的結(jié)構(gòu)圖3-11面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖3-11面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖3-12邊發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖3-12邊發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)3.LED的工作特性（1）光譜特性LED譜線寬度?λ比激光器寬得多。InGaAsPLED的發(fā)光光譜如圖3-13所示。圖3-13InGaAsPLED的發(fā)光光譜3.LED的工作特性（2）輸出光功率特性發(fā)光二極管的P-I特性是指輸出的光功率隨注入電流的變化關(guān)系，如圖3-14所示。圖3-14發(fā)光二極管的P-I特性（2）輸出光功率特性發(fā)光二極管的P-I特性是指輸出的光功（3）溫度特性由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好?？梢圆患訙囟瓤刂齐娐?。（4）耦合效率在通常應(yīng)用條件下，LED的工作電流為50～150mA，輸出功率為幾個毫瓦。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較低，入纖功率要小得多。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20～30MHz，邊發(fā)光型LED截止頻率為100～150MHz。主要是受載流子壽命的限制。（3）溫度特性由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。4．LD和LED的比較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，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。LED通常和多模光纖耦合，用于1.31μm或0.85μm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1.31μm或1.55μm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1.55μm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。4．LD和LED的比較3.2光電檢測器3.2.1光電檢測器的原理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。半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)如圖3-15所示。圖3-15半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)3.2光電檢測器3.2.1光電檢測器的原理3.2.2光檢測器的特性1．量子效率入射光（功率為Pin）中含有大量光子，能轉(zhuǎn)換為光生電流的光子數(shù)和入射的總光子數(shù)之比稱為量子效率，它的計算由下式給出，即（3-12）式中，q為電子電荷（1.6×10－19C）；IP為產(chǎn)生的光電流；h為普朗克常數(shù)；ν為光子的頻率。量子效率的范圍在50～90%之間。3.2.2光檢測器的特性1．量子效率2．響應(yīng)度光檢測器的光電流與入射光功率之比稱為響應(yīng)度，有響應(yīng)度的單位是A/W。該特性表明光檢測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的效率。

2．響應(yīng)度為了產(chǎn)生光生載流子，入射光子的能量必須大于光檢測器材料的禁帶寬度，滿足的條件可以表示成：式中，c稱為截止波長。

為了產(chǎn)生光生載流子，入射光子的能量必須大于光檢測器材料的禁帶4.響應(yīng)時間響應(yīng)速度：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)時間來表示，即響應(yīng)時間是用來反映光檢測器對瞬變或高速調(diào)制光信號響應(yīng)能力的參數(shù)。如前所述，它主要受以下三個因素的影響：1）耗盡區(qū)的光載流子的渡越時間。2）耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光載流子的擴散時間。3）光電二極管及與其相關(guān)的電路的RC時間常數(shù)。4.響應(yīng)時間5．暗電流暗電流是指光檢測器上無光入射時的電流。雖然沒有入射光，但是在一定溫度下，外部的熱能可以在耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一些自由電荷，這些電荷在反向偏置電壓的作用下流動，形成了暗電流。顯然，溫度越高，受溫度激發(fā)的電子數(shù)量越多，暗電流越大。

5．暗電流3.2.3PIN光電二極管PIN的意義是P+和N型半導(dǎo)體材料之間插入了一層摻雜濃度很低的半導(dǎo)體材料（如Si），記為I（Intrinsic），稱為本征區(qū)，PIN光電二極管如圖3-17所示。圖3-17PIN光電二極管3.2.3PIN光電二極管PIN的意義是P+和N型半導(dǎo)體3.2.4APD光電二極管雪崩倍增效應(yīng)：入射信號光在光電二極管中產(chǎn)生最初的電子-空穴對，由于光電二極管上加了較高的反向偏置電壓，電子-空穴對在該電場作用下加速運動，獲得很大動能，當(dāng)它們與中性原子碰撞時，會使中性原子價帶上的電子獲得能量后躍遷到導(dǎo)帶上去，于是就產(chǎn)生新的電子-空穴對，新產(chǎn)生的電子-空穴對稱為二次電子-空穴對。這些二次載流子同樣能在強電場作用下，碰撞別的中性原子進而產(chǎn)生新的電子-空穴對，這樣就引起了產(chǎn)生新載流子的雪崩過程。也就是說，一個光子最終產(chǎn)生了許多的載流子，使得光信號在光電二極管內(nèi)部就獲得了放大。APD即雪崩光電二極管就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。3.2.4APD光電二極管雪崩倍增效應(yīng)：入射信號光在光電從結(jié)構(gòu)來看，APD與PIN的不同在于增加了一個附加層P，APD光電二極管如圖3-18所示。在反向偏置時，夾在I層與N+層間的PN+結(jié)中存在著強電場，一旦入射信號光從左側(cè)P+區(qū)進入I區(qū)后，在I區(qū)被吸收產(chǎn)生電子-空穴對，其中的電子迅速漂移到PN+結(jié)區(qū)，PN+結(jié)中的強電場便使得電子產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。從結(jié)構(gòu)來看，APD與PIN的不同在于增加了一個附加層P，AP圖3-18APD光電二極管圖3-18APD光電二極管3.3光放大器光放大器是可將微弱光信號直接進行光放大的器件。光放大器是基于受激輻射或受激散射的原理來實現(xiàn)對微弱入射光進行放大的，其機制與激光器完全相同。實際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個沒有反饋或反饋較小的激光器。當(dāng)光介質(zhì)在泵浦電流或泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時就獲得了光增益，即可實現(xiàn)光放大。本節(jié)介紹常用光放大器的類型，并重點闡述摻鉺光纖放大器的原理和應(yīng)用。3.3光放大器光放大器是可將微弱光信號直接進行光放大的器3.3.1光放大器的分類光放大器按原理不同大體上有三種類型：1）摻雜光纖放大器，就是利用稀土金屬離子作為激光工作物質(zhì)的一種放大器。2）傳輸光纖放大器，其中有受激喇曼散射（StimulatedRamanScattering，SRS）光纖放大器、受激布里淵散射（StimulatedBrilliouinScattering，SBS）光纖放大器和利用四波混頻效應(yīng)（FWM）的光放大器等。3）半導(dǎo)體激光放大器。其結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管（LaserDiode，LD）相同。3.3.1光放大器的分類光放大器按原理不同大體上有三種類3.3.2摻鉺光纖放大器的工作原理1．EDFA結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器（ErbiumDopedFiberAmplifier，EDFA）是利用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)、使用激光器二極管發(fā)出的泵浦光對信號光進行放大的器件。摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)如圖3-19所示。圖3-19摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)3.3.2摻鉺光纖放大器的工作原理1．EDFA結(jié)構(gòu)2．EDFA工作原理（1）能級與泵浦EDFA的工作機理基于受激輻射。我們首先討論激活介質(zhì)摻鉺石英的能級，石英光纖中鉺離子的能級如圖3-22所示。這里用三能級表示。鉺離子從能級2到能級1的躍遷產(chǎn)生的受激輻射光，其波長范圍從1500nm到1600nm，這是EDFA得到廣泛應(yīng)用的原因。為了實現(xiàn)受激輻射，需要產(chǎn)生能級2與能級1之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即需要泵浦源將鉺離子從能級1激發(fā)到能級2。有兩種波長的泵浦源可以滿足要求：2．EDFA工作原理圖3-22石英光纖中鉺離子的能級圖3-22石英光纖中鉺離子的能級（2）增益EDFA的輸出功率含信號功率和噪聲功率兩部分，噪聲功率是放大的自發(fā)輻射產(chǎn)生的，記它為PASE，則EDFA的增益用分貝表示為

（3-28）式中，Pout、Pin分別是輸出光信號和輸入光信號功率

（2）增益EDFA的輸出功率含信號功率和噪聲功率兩部分，（3）噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)實際上與摻鉺光纖長度和泵浦功率有關(guān)。理論分析還表明，噪聲系數(shù)與泵浦源波長有關(guān)，使用980nm泵浦源的噪聲特性優(yōu)于1480nm泵浦源。EDFA噪聲系統(tǒng)的變化范圍在3.5dB到9dB之間。（3）噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)實際上與摻鉺光纖長度和泵浦功率有關(guān)3.EDFA增益平坦性增益平坦性是指增益與波長的關(guān)系，很顯然，我們所希望的EDFA應(yīng)該在我們所需要的工作波長范圍具有較為平坦的增益，特別是在WDM系統(tǒng)中使用時，要求對所有信道的波長都具有相同的放大倍數(shù)。但是作為EDFA的核心部件──摻鉺光纖的增益平坦性卻不理想。摻鉺光纖增益系數(shù)與波長的關(guān)系如圖3-25所示。3.EDFA增益平坦性圖3-25摻鉺光纖增益系數(shù)與波長的關(guān)系圖3-25摻鉺光纖增益系數(shù)與波長的關(guān)系為了獲得較為平坦的增益特性，增大EDFA的帶寬，有兩種方法可以采用。一種是采用新型寬譜帶摻雜光纖，如在纖芯中再摻入鋁離子；另一種方法是在摻鉺光纖鏈路上放置均衡濾波器。EDFA中的均衡濾波器作用如圖3-26所示，該均衡濾波器的傳輸特性恰好補償摻鉺光纖增益的不均勻。為了獲得較為平坦的增益特性，增大EDFA的帶寬，有兩種方法可圖3-26EDFA中的均衡濾波器作用圖3-26EDFA中的均衡濾波器作用3.3.3摻鉺光纖放大器的特性與應(yīng)用1．EDFA的增益特性增益系數(shù)g（z）與高能級和低能級的粒子數(shù)目差及泵浦功率有關(guān)，對增益系數(shù)g（z）在整個摻鉺光纖長度上進行積分，就可求出光纖放大器的增益G，所以，放大器的增益應(yīng)與泵浦強度及光纖的長度有關(guān)。2．EDFA的帶寬摻鉺硅光纖的g-λ曲線如圖3-27所示，從圖中可以看出增益系數(shù)隨著波長的不同而不同。3.3.3摻鉺光纖放大器的特性與應(yīng)用1．EDFA的增益特圖3-27摻鉺離子硅光纖的g-λ曲線圖3-27摻鉺離子硅光纖的g-λ曲線3．摻鉺光纖放大器的應(yīng)用光放大器的幾種應(yīng)用如圖3-28所示。根據(jù)光放大器在光鏈路中所處位置的不同，其應(yīng)用可以分成三個類型：（1）EDFA用作線路放大器EDFA用作線路放大器是它在光纖通信系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用。在單模光纖通信系統(tǒng)中，光纖的色散影響較小，限制傳輸距離的主要因素是光纖的衰減，所以用光放大器可以補償傳輸損耗。它適用于超長距離傳輸?shù)南到y(tǒng)。如圖3-28a所示。（2）EDFA用作前置放大器由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作接收機的前置放大器。前置放大是指光放大器的位置在光纖鏈路末端、接收機之前，如圖3-28b所示。在光電檢測器之前將弱信號放大，可以抑制在接收機中由于熱噪聲引起的信噪比下降。3．摻鉺光纖放大器的應(yīng)用光放大器的幾種應(yīng)用如圖3-28所示。（3）EDFA用作功率放大器功率放大器是將EDFA直接放在光發(fā)射機之后用來提升輸出功率，如圖3-28c所示，以提高發(fā)射功率，一般可使傳輸距離增加10～100km。如果同時使用前置放大，即可實現(xiàn)200～250km的無中繼海底傳輸。由于功率放大器直接放置于光發(fā)射機后，其輸入功率較高，要求的泵浦功率也較大。其輸入一般要在－8dBm以上，具有的增益必須大于5dB。（3）EDFA用作功率放大器功率放大器是將EDFA直接放圖3-28光放大器的幾種應(yīng)用圖3-28光放大器的幾種應(yīng)用3.4無源光器件

光纖通信系統(tǒng)中所用的器件可以分成有源器件和無源器件兩大類。有源器件的內(nèi)部存在著光電能量轉(zhuǎn)換的過程，而沒有該功能的則稱為無源器件。光無源器件是能量消耗型光學(xué)器件。其種類繁多，功能各異。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。光纖通信系統(tǒng)對無源器件的總體要求：規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，插入損耗小，可靠性高，重復(fù)性好，不易受外界影響等。3.4無源光器件

光纖通信系統(tǒng)中所用的器件可以分成有源器3.4.1光纖連接器光纖的連接常采用兩種辦法：一種是要求兩根光纖（纜）的連接固定、永久。在光纜施工中，因為一盤光纜的長度一般在3km以內(nèi)，所以兩根光纜的接續(xù)要采用熔接機將它們?nèi)廴谙噙B。另一種是光纖與光發(fā)射機（附帶尾纖）、光接收機或儀表之間的連接，或者是與另一根光纖暫時性的連接，就要用到連接器。連接器是易出故障的器件，也是用途最廣泛的無源器件。3.4.1光纖連接器光纖的連接常采用兩種辦法：一種是要求1．連接器的結(jié)構(gòu)

連接器的結(jié)構(gòu)如圖3-29所示。圖3-29連接器的結(jié)構(gòu)1．連接器的結(jié)構(gòu)

連接器的結(jié)構(gòu)如圖3-29所示。2．連接器的損耗連接器的損耗如圖3-30所示。連接損耗產(chǎn)生的原因可歸為兩類：一類是光纖公差引起的固有損耗，如芯徑、折射率指數(shù)等的失配，如圖3-30a所示；另一類是連接器加工裝配引起的外部損耗，如圖3-30b所示。外部損耗往往是主要的，其中間隙和橫向偏移造成的損耗占有較大的比例。2．連接器的損耗圖3-30連接器的損耗圖3-30連接器的損耗3．連接器型號和參數(shù)常用的連接器型號有FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC和ST/PC型。連接器的主要性能指標(biāo)有：1）插入損耗。一般在0.5dB以下。2）重復(fù)性。即每插拔一次或數(shù)次之后，其損耗的變化情況，一般應(yīng)小于0.1dB。3）互換性。是指同一種連接器不同插針替換時損耗的變化量，它應(yīng)小于0.1dB。4）壽命。即在保證連接器具有上述損耗參數(shù)范圍內(nèi)插拔次數(shù)的多少，一般應(yīng)在千次以上。5）溫度性能。是指在一定溫度范圍內(nèi)連接器損耗的變化量，一般是在-250～+700℃范圍內(nèi)，損耗變化應(yīng)小于或等于0.2dB。3．連接器型號和參數(shù)常用的連接器型號有FC/PC、FC/AP3.4.2光衰減器光衰減器的功能是對光功率進行預(yù)定量的衰減。例如，光接收機對光功率的過載非常敏感，必須將輸入功率控制在接收機的動態(tài)范圍內(nèi)，防止其飽和；光放大器前的不同信道輸入功率間的平衡，防止某個或某些信道的輸入功率過大，引起光放大器增益飽和等。光衰減器的工作機理如圖3-31所示，有以下幾種：（1）耦合型它是通過輸入、輸出兩根光纖纖芯的偏移來改變光耦合的大小，從而達到改變衰減量的目的，如圖3-31a所示。（2）反射型通過改變反射鏡的角度，控制透射光的大小，如圖3-31b所示。（3）吸收型采用光吸收材料制成衰減片，對光進行吸收和透射，如圖3-31c所示。光衰減器可分成固定式、步進可變式和連續(xù)可變式三種類型。3.4.2光衰減器光衰減器的功能是對光功率進行預(yù)定量的衰減圖3-31光衰減器的工作原理圖3-31光衰減器的工作原理3.4.3光分路耦合器1．耦合器類型耦合器是對光信號實現(xiàn)分路、合路和分配的無源器件，是波分復(fù)用、光纖局域網(wǎng)、光纖有線電視網(wǎng)以及某些測量儀表中不可缺少的光學(xué)器件。幾種典型的光纖耦合器結(jié)構(gòu)圖如圖3-32所示。3.4.3光分路耦合器1．耦合器類型圖3-32幾種典型的光纖耦合器結(jié)構(gòu)圖圖3-32幾種典型的光纖耦合器結(jié)構(gòu)圖2．工作原理

2×2耦合器是最簡單的器件，我們以它為例來說明耦合器的工作原理。熔錐型光纖耦合器結(jié)構(gòu)和原理如圖3-33所示。圖3-33熔錐型光纖耦合器結(jié)構(gòu)和原理2．工作原理

2×2耦合器是最簡單的器件，我們以它為例來說明3．性能參數(shù)（1）插入損耗插入損耗是指光功率從特定的端口到另一端口路徑的損耗。從輸入端口k到輸出端口j的插入損耗可表示為(3-31)（2）附加損耗附加損耗的定