光纤通信器件

1第第3章光纤通信器件章光纤通信器件3.1 半导体光源半导体光源3.2 半导体光电检测器半导体光电检测器3.3 光放大器光放大器3.4 无源光器件无源光器件 23.1 半导体光器件3.1.1 激光器的物理基础3.1.2 激光器的工作原理3.1.3 半导体激光器的结构、工作原理及工作特性3.1.4 分布反馈半导体激光器3.1.5 量子阱半导体激光器33.1.1 激光器的物理基础 1光子的概念 光是由能量为 hf 的光子组成的.其中,普朗克常数 h=6.62610-34JS；f 是光波频率。不同频率的光子具有不同的能量。光具有波、粒两重性。42费米能级 当物质中原子的内部 能量变化时，可能产生光波。电子在原子中围绕原子核在特定的轨道上运动，具备相应的。不 同的轨道具有的能量值也不同，我们称这些分离的能量值为原子 的不同能级。当处在不同轨道上运动的电子在不同能级之间发生无规则的跃迁 时，它所具有的能量也随之发生不断的变化。但它们却遵循费米 能级规律分布其能量大小。5在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为：费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子占据能级的规律。63光和物质的相互作用 （1）自发辐射（发光）发射光子的频率：7 自发辐射的特点：在没有外界作用的条件下自发产生的过程 辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。8（2）受激吸收（耗能）9受激吸收的特点：在外来光子的激发下发生跃迁过程 外来光子的能量等于电子跃迁的能级之差 受激跃迁是一个消耗外来光能的过程10（3）受激辐射（放大发光）11受激辐射的特点：外来光子的能量等于跃迁的能级之差。受激过程中发射出来的光子与外来光子频率、相位、偏 振方向、传播方向相同 这是一个使光得到放大的过程。123.1.2 激光器的工作原理 激光器是能够产生激光的自激振荡器。发出振荡光的前提是受激辐射作用大于受激吸收作用。受激辐射作用是产生激光的关键。131粒子数反转分布与光放大之间的关系 在热平衡条件下：N1 N2；受激吸收作用 受激辐射作用；物质没有光放大作用；实现光放大的粒子数反转分布：N1 能够产生激光的工作物质 泵浦源 使粒子数反转分布（N1 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。15 光学谐振腔的结构16 谐振腔如何产生激光振荡173激光器的参量 （1）谐振腔平均衰减系数 18（2）激活物质增益系数G19（3）阈值条件 光学谐振腔的固有损耗越小，激光器的阈值条件越低，激光器就越容易起振。20（4）谐振频率 谐振频率是光学谐振腔的重要参数。光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件213.1.3 半导体激光器的结构、工作原理及工作特性 光纤通信对半导体发光器件 LD/LED 的基本要求:a、光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口 b、能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。c、与光纤的耦合效率高。d、光源的谱线宽度窄。e、寿命长，工作稳定。221半导体激光器（LD）的结构 从光振荡的形式上来看，激光器分为：布里-珀罗谐振腔（F-P腔）激光器 ；分布反馈型（DFB）激光器23F-P腔激光器的三种结构：24常用的光纤通信激光器 铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器：特点：注入电流小，发光强度大。252半导体激光器的工作原理 本征半导体的能带分布 26 P型半导体和N型半导体的形成 P型半导体：往本征半导体材料掺入提供空穴的杂质元素 形成了P型半导体。属于空穴导电型。N型半导体：往本征半导体材料掺入提供电子的杂质元素 形成了N型半导体。属于电子导电型。27 在重掺杂情况下，P型半导体和N型半导体的能带分布 28 P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生 、P-N结空间电荷区的形成 29 、P-N结形成后的能带分析 30 、P-N结外加正偏压后的能带分布 31 、激光的产生 给P-N结加以足够的正向偏压，使得产生光放大作 用，来回反射于谐振腔中，最终发出激光。32 3半导体激光器的工作特性 （1）阈值特性 荧光：I It 33（2）光谱特性 半导体激光器的光谱随着 激励电流的变化而变化;34（3）温度特性 35（4）转换效率 激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比:R:与激光器的内部量子效率、激光波长、模式损耗有关的常数 V：工作电压 It：阈值电流 I：工作电流36比较 LD、LED：37 3.1.4 分布反馈半导体激光器（DFB）分布反馈半导体激光器是一种可以产生动态控制的单纵模激器。可在高速调制下单纵模工作的半导体激光器。分类：（1）分布反馈激光器（DFB）;（2）分布布拉格反射激光器38（1）分布反馈激光器（DFB）当注入正向电流，有源区辐射出的光子在每一条光栅 上形成反馈。39（2）DBR激光器 DBR与DFB：相似点：激光器的特点和工作特性类似。不同点：DBR阈值电流较高。403.1.5 量子阱半导体激光器 当有源区的厚度非常小时，在有源层与两边相邻层的能带将出现不连续现象，在有源区的异质结将产生一个势能阱。41量子阱半导体激光器的特性：阈值电流低；谱线宽窄；微分增益高；频率啁秋小；423.2 半导体光电检测器常用的半导体光电检测器：PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管3.2.1 半导体的光电效应3.2.2 光纤通信中常用的半导体光电检测器3.2.3 光电检测器的特性433.2.1 半导体的光电效应 具有足够能量的光子照射到半导体的P-N结，半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即：光生载流子。4445当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若要产生光电子空穴对须满足：fc：截止频率 c：截止波长463.2.2 常用的半导体光电检测器 1PIN光电二极管 47 PIN光电二极管结构图 482APD雪崩光电二极管 APD工作特性：具有光/电转换作用；具有内部放大作用；（通过管子内部的雪崩倍增效应完成）49（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应 光生载流子在P-N结强电场处加速后与晶格的原子发 生碰撞后使价带的电子得到了能量；越过禁带到达导带，产生新的电子空穴对；电子空穴对在强电场再次被加速，再次碰撞；循环过程，能量倍增。50（2）雪崩光电二极管的结构及其工作原理 51 3.2.3 光电检测器的特性 1响应度R0、量子效率 光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率有关。522响应时间 定义：半导体光电二极管产生的光电流随入射光信号 变化快慢的状态。表示方法：一般用响应时间（上升时间和下降时间）表示。533暗电流ID 定义：由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在 无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电 流称为暗电流。暗电流还应包括器件表面的漏电 流。特性：暗电流引起光接收机噪声增大。暗电流越小越好。544雪崩倍增因子G 定义：在忽略暗电流影响条件下 APD倍增因子：G=40 100 PIN光电管无雪崩倍增作用，G=1 55 5倍增噪声和过剩噪声系数F（G）定义：雪崩光电二极管随机性的电流起伏产生附加噪 声，这种噪声称为倍增噪声。表示方法：过剩噪声系数F（G）563.3 光放大器光放大器分类：半导体光放大器 光纤放大器 光纤放大器：非线性光纤放大器（如：拉曼放大器）掺铒光纤放大器（EDFA）3.3.1 掺饵光纤放大器（EDFA）3.3.2 光纤拉曼放大器（RFA）573.3.1 掺饵光纤放大器(EDFA)1.EDFA的优点 （1）工作波长接近于光纤低损耗窗口：1.531.56m （2）泵浦功率低，仅需几十毫瓦 （3）高增益：40dB 低噪声、噪声系数可低至34dB，大功率输出：1420dBm。（4）连接损耗低：0.1dB。582EDFA的基本结构 593EDFA的工作原理60 EDFA的泵浦方式 614、EDFA的主要特性参数 （1）功率增益 定义：10log（输出光功率/输入光功率)意义：它表示光放大器的放大能力。增益的大 小与泵浦光功率、光纤长度等有关。62掺铒光纤放大器（EDFA）功率增益与泵浦功率间的关系 63掺铒光纤放大器（EDFA）功率增益与光纤长度的关系 64（2）饱和输出功率 定义：描述输入信号功率与输出信号功率关系 65 掺铒光纤放大器（EDFA）的增益饱和特性 66（3）噪声系数 定义：F=放大器的输入信噪比/放大器的输出信噪比噪声来源：信号光的散弹噪声；信号光波与放大器自发辐射光波之间的差拍噪声；被放大的自发辐射光的散弹噪声；光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声。67 3.3.2 拉曼放大器（RFA）1、RFA的特点 （1）具有很宽的工作带宽。（2）和EDFA组合使用能有效地降低系统的噪声指数。（3）可对光信号分布式放大，实现无中继长距离传输。（4）使用分布式拉曼放大，可减小入射信号的光功率，降低光纤非线性影响。（5）具有较宽的拉曼增益谱。682、RFA的结构 按照传输方向分类：同向泵浦 反向泵浦 双向泵浦 69 按物理结构分类：（1）分立式RFA 采用拉曼增益系数较高的特种光纤作为增益物质，它要求泵浦功率高。（2）分布式RFA 利用系统中的传输光纤作为增益物质，长度可达几十公里。用途：作为传输系统中对传输光纤损耗的分布式补偿放大；光接收机的前置放大光接收机的前置放大703、RFA的工作原理RFA：当一强泵浦光和一弱信号光同时在一根光纤中传输，弱信号光波的波长又在强泵浦光波的拉曼增益带宽内，基于受激拉曼散射（SRS）原理，而使弱信号光波得 到放大获得拉曼增益的放大器 71 RFA的基本原理：基于非线性光学效应。受激拉曼散射效应：高能量泵浦光 入射到光纤中，产生的 拉曼散射光的强度增大。当入射光强度 大于某阈值时，拉曼散射光成为一个很 强的辐射光源，相当于激发光源作用于 分子上再次产生拉曼散射光。如此持续，产生一系列频率不同于 的 拉曼散射光。724、RFA的增益特性 泵浦光减弱的原因：受激拉曼散射作用；能量转移至信号；信号光在RFA中传输得到放大，但随着传输距离增加，信号强度仍然减小。结论：放大器GA开始随泵浦功率的增加按指数规律增加，但当泵浦功率大于1W后，GA趋于饱和。735、RFA的应用 使光信号在光纤中传输时，能长距离地保持功率使光信号在光纤中传输时，能长距离地保持功率 与与EDFAEDFA组合，应用在组合，应用在DWDMDWDM系统中，可避免四波混系统中，可避免四波混 频对系统的影响。频对系统的影响。743.4 无源光器件3.4.1 光定向耦合器3.4.2 光隔离器与光环行器3.4.3 光滤波器3.4.4 光开关3.4.5 波长转换器3.4.6 波分复用器3.4.7 光纤光栅753.4.1 光定向耦合器 1、光定向耦合器的结构 762光纤式定向耦合器的参数（1）隔离度A。（2）插入损耗L。（3）分光比T。77 3.4.2 光隔离器与光环行器 1光隔离器的基本原理和结构 78 2光环行器793光隔离器与光环行器的主要性能参数 器件的插入损耗小；隔离度高;803.4.3 光滤波器 F-P腔型光滤波器81特性参数:（1）自由谱域（FSR）：为相邻波长之间的距离（2）带宽（BW）：为谐振峰降至一半所对应的频带宽度，又称3dB带宽。823.4.4 光开关 分类：机械式光开关、电子式光开关。83843.4.5 波长转换器 1光电型波长转换器 852、全光型波长转换器863.4.6 波分复用器1光波分复用系统的结构与工作原理 （1）单向WDM传输系统 87（2）双向结构WDM传输系统 882光波分复用器（1）光波分复用器的工作原理 89（2）光波分复用器的光学特性 复用器 复用器的 插入损耗波长 关系曲线 90 解复用器 解复用器的波长插入损耗关系曲线 91 中心波长和中心波长的工作范围 中心波长对应的最小插入损耗L1和L2 相邻信道之间串音耦合最大值L12和L2392（3）熔融光纤型波分复用器 熔融光纤型：将两根光纤紧靠在一起并通过加热使 两光纤熔接而成。复用器特点：与光纤通信系统耦合度高；插入损耗小；体积小，结构紧凑；933.4.7 光纤光栅 定义：光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺锗的光 纤时，光纤的折射率将随光强发生永久性改变。利用这种效应在几厘米之内写入折射率分布光栅，称为光纤光栅。94光纤光栅的优点：与光纤耦合度高；插入损耗低；结构简单；具有高波长选择性。95作业:(1)阐述光与物质相互作用存在的过程及其特点.(2)激光器的工作原理.（3）什么是雪崩倍增效应(4)请画出EDFA结构图并简述其工作原理