《光纖通信》第三章講課提綱

1、光纖通信第三章通信用光器件講課提綱浙江傳媒學院 陳柏年一、相關物理基礎 （一）原子能級和能帶1、能級：微觀粒子處于離散的能量狀態(tài)。2、費米能級Ef：被電子和空穴占用的幾率相等的能級。3、能帶：半導體原子最外層電子的共有化運動能級擴展形成的帶狀能量狀態(tài)。4、半導體的三種能帶：價帶（束縛電子）、禁帶和導帶（自由電子）。5、禁帶寬度：導帶底Ec與價帶頂Ev的能量差，Eg= E CEV 6、光的波粒二象性：光具有波動性和粒子性。7、光子能量與光波頻率之間的關系： E=hf。普朗克常數(shù)h6.628×10-34J·S（二）光與物質的三種相互作用1、自發(fā)輻射：無外界激勵而高能級電子自發(fā)躍

2、遷到低能級，同時釋放出光子。LED是基于自發(fā)輻射發(fā)光機制的發(fā)光器件。2、受激輻射：高能級電子受到外來光作用，被迫躍遷到低能級，同時釋放出光子，且產(chǎn)生的新光子（全同光子）與外來激勵光子同頻同方向，為相干光。LD是基于受激輻射發(fā)光機制的發(fā)光器件。3、受激吸收：低能級電子在外來光作用下吸收光能量而躍遷到高能級。PD是基于受激吸收工作的光電器件。（三）激光產(chǎn)生機理1、激光（LASER）：“受激輻射的光放大”的簡稱。激光的四大特性：單色性（波譜寬度極窄）、方向性（基本不發(fā)散） 、相干性（產(chǎn)生頻率和相位較一致的高度相干光）和瞬時性（亮度極高，會聚性能好）。2、“粒子數(shù)反轉分布”：物質內部的自發(fā)輻射或受激輻

3、射的幾率大于受激吸收的幾率，高能級上的電子數(shù)多于低能級上電子數(shù)的分布狀態(tài)（N2>N1）。3、泵浦：以外部能量把處于基態(tài)的電子，激勵（抽運）到較高的能級高能態(tài)的過程。 4、激活物質（增益物質）：在外界足夠強的泵浦源作用下，能夠形成粒子數(shù)反轉分布的物質。（四）激光器結構（三個功能部件）1、激活物質：激光器的組成核心，能夠形成粒子數(shù)反轉，產(chǎn)生激光的必要條件。2、泵浦源：能夠使工作物質處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的激勵源。3、光學諧振腔：完成光的頻率和方向選擇及正反饋作用。（五）激光的產(chǎn)生條件1、振幅平衡條件（閾值條件）：光的放大和損耗應滿足的平衡條件，腔內獲得的光功率正好與腔內損耗相抵消。2、相位條

4、件：使諧振腔內的前向和后向光波發(fā)生相干的條件，形成正反饋，使光波加強。諧振腔的長度L是傳播激光半波長的整數(shù)倍。二、半導體激光器（一）原理與結構1、半導體激光器：用半導體材料作為工作物質的激光器。2、半導體激光器工作原理：在正偏情況下，向半導體PN結注入電流， 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，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。3、半導體激光器發(fā)光特點：LD因受激發(fā)射而發(fā)光的，發(fā)射的光子同頻、同相、同偏振方向，輸出相干光。4、半導體激光器結構（1）同質結構：只有一個簡單P-N結，且 P 區(qū)和 N 區(qū)都是同一物質的半導體激光器。（2）異質結構： 由兩種不同材料構成P-N結的半導體激光

5、器。實際使用的所有半導體激光器都是多層異質結器件。（3）雙異質結（DH）：三層平面條形結構，包括有源層、限制層、法布里-珀羅諧振腔。有源層在兩個限制層之中、禁帶寬度窄、折射率高、集中激光功率。5、發(fā)射波長和光譜特性（1）發(fā)射波長：取決于半導體材料的禁帶寬度。（2）光譜特性：靜態(tài)時取決于驅動電流，動態(tài)時取決于調制電流。用FP諧振腔可以得到的是直流驅動的靜態(tài)單縱模激光器。要得到高速數(shù)字調制的動態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結構，例如采用分布反饋激光器DFB。（3）縱模和橫模：縱模：符合激光產(chǎn)生條件、取決于激光器縱向長度L的輻射光。橫模：符合激光產(chǎn)生條件、取決于有源區(qū)的水平寬度w和垂直厚度t的輻射

6、光。（二）半導體激光器特性1、P-I特性曲線：表明激光器輸出光功率（輸出）與注入電流（輸入）變化的關系。光功率隨驅動電流的增加而增加。當I<Ith（閾值電流）時，激光器發(fā)出的是熒光；當I>Ith，激光器發(fā)出的是激光。2、激光器效率：衡量激光器轉換效率的高低。（1）量子效率d：在閾值電流之上，激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比。（2）功率轉換效率p：激光器的輸出光功率與器件消耗的電功率之比。3、光譜特性：激光器輸出的光功率隨波長的變化情況，一般用光源譜線寬度來表示，激光器的越小越好。是輻射光強下降一半的兩點間波長變化值。4、頻率特性：直接調制時，弛張頻率是調制頻率的上限。在

7、接近弛張頻率處，數(shù)字調制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調制要產(chǎn)生非線性失真。 5、溫度特性：半導體激光器的閾值電流、輸出光功率和輸出光波波長隨溫度變化的特性。溫度升高時， Ith 增大，d 減小，輸出光功率明顯下降。6、應用場合：大容量長距離數(shù)字系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)。（三）分布反饋DFB激光器1、DFB激光器：沒有集總的諧振腔反射鏡，用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結構（波紋狀）衍射光柵實現(xiàn)光分布式反饋的單縱模（SLM）的LD。2、DFB激光器優(yōu)點：（1）單縱模（SLM），（2）光譜窄，（3）動態(tài)譜線好，（4）線性好。三、發(fā)光二極管（一）結構與特點1、發(fā)光二極管（LED）：沒有光學諧振腔，基于自發(fā)輻射而工作

8、的發(fā)光無閾值發(fā)光器件。2、工作機理和發(fā)光特點（1）工作機理：自發(fā)輻射，（2）發(fā)光特點：發(fā)射光子的頻率、相位、偏振狀態(tài)及傳播方向無規(guī)律，輸出具有較寬的頻率范圍的非相干光。與LD相比，優(yōu)點是結構簡單，造價低、性能穩(wěn)定、壽命長；缺點是輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調制頻率較低。3、發(fā)光二極管種類（1）正面發(fā)光二極管：有源發(fā)光面與光纖軸垂直，發(fā)出的光束各向同性。（2）側邊發(fā)光二極管：由一個有源結區(qū)和兩個導光層組成，具有更好的方向性，與光纖的耦合效率更高，發(fā)光亮度要大。（二）發(fā)光二極管工作特性1、P-I特性：無閾值器件，注入電流的增加，輸出光功率近似呈線性增加。2、光譜特性：自發(fā)輻射光源，譜線寬度比LD

9、寬得多。3、溫度特性：主要影響LED的輸出光功率、P-I特性的線性及工作波長。4、應用場合：小容量數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)。四、光檢測器（一）光檢測器功能與分類1、光電檢測器：將光輻射能量轉換成電流或電壓（電量）的能量變換器件。2、功能：檢測出入射其光敏面的光功率，并轉換為相應變化的電流信號。3、要求：靈敏度高、響應快、噪聲小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面應與光纖芯徑匹配。4、原理：外加反向偏壓的PN結，當入射光作用時，發(fā)生受激吸收產(chǎn)生光生電子-空穴對，這些電子-空穴對在耗盡層內建電場作用下形成漂移電流，同時在耗盡層兩側部分電子-空穴對由于擴散運動進入耗盡層，在電場作用下形成擴散電流，這兩部分電

10、流之和在外電路中形成光生電流。當入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉換成電信號。5、類型：（1）PIN光電二極管：為提高光電轉換效率和響應速度，在PN結內部設置一層摻雜濃度很低的本征半導體（I層）以擴大耗盡層寬度的光電二極管。（2）雪崩光電二極管APD：利用雪崩倍增效應，1個光子產(chǎn)生多對電子-空穴對，使光電流得到倍增的高靈敏度光電探測器。（二）光電轉換原理1、受激吸收：如入射光子的能量超過禁帶能量Eg，耗盡區(qū)每次吸收一個光子，將產(chǎn)生一個電子空穴對，發(fā)生受激吸收。當入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉換成電信號。2、光電轉換：一定波長的光照射到半導體的PN結時，光

11、生載流子在外加負偏壓和內建電場的作用下，由于受激吸收，在外電路中出現(xiàn)光生電流。3、轉換條件：只有波長<c（截止波長）的入射光，才能產(chǎn)生光電效應。（三）PIN光電二極管1、基本結構：在重摻雜的（P+）層和（N+）層之間有較寬一層輕摻雜的N型材料（本征的I層），擴大耗盡層寬度以吸收絕大多數(shù)光子，使漂移電流占主要地位，光生電流增加，提高響應速度。2、工作原理：受激吸收，PIN管加上反向偏壓，形成耗盡區(qū)，入射光子hf>Eg時產(chǎn)生電子-空穴對。在電場的作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移。電子到達N區(qū)，空穴到達P區(qū)，被外電路吸收，形成光生電流。3、特性要求：由禁帶寬度決定的截止波長要大于入

12、射光波長，吸收系數(shù)不能太大。（四）雪崩光電二極管APD1、雪崩倍增效應： PN結外加高反向偏壓后，在耗盡區(qū)內形成一個強電場。當耗盡區(qū)吸收光子時，激發(fā)出來的光生載流子被強電場加速，以極高的速度與耗盡區(qū)的晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的光生載流子（碰撞電離），并形成鏈鎖反應，從而使光電流在光電二極管內部獲得雪崩倍增的現(xiàn)象。2、倍增因子：APD輸出光電流和一次光電流的比值，表示APD的放大能力。3、基本結構：最常用的具有低倍增噪聲的結構是拉通型的APD ，增加1個附加的倍增層，耗盡區(qū)拉通到了整個本征區(qū)，實現(xiàn)碰撞電離，產(chǎn)生二次電子空穴對。4、工作原理：在結構中構造一個強電場區(qū)，在高反向偏壓的情況下，當光入射到P

13、N結后，光子被吸收產(chǎn)生電子-空穴對，高電場對光生載流子加速，使載流子獲得高的動能，與原子晶格產(chǎn)生碰撞電離出新的電子-空穴對（碰撞電離），新產(chǎn)生的載流子同樣由電場加速，并獲得足夠的能量從而導致更多的碰撞電離產(chǎn)生（雪崩倍增效應）。入射光功率產(chǎn)生一次光生電流，一次光生電流被雪崩放大，形成較大的反向電流。倍增因子g：APD輸出光電流和一次光生電流的比值。5、特性要求：對溫度的依賴性在高偏置電壓下尤其明顯，為保證溫度變化時增益值不變，就必須加入一個補償電路，調整光檢測器的偏置電壓。（五）光電二極管特性1、量子效率：每個能量為hf的入射光子所產(chǎn)生的電子空穴對，即一次光生電子空穴對和入射光子數(shù)的比值。量子效

14、率范圍為30%95%。2、響應度r（A/W）：一次光生電流Ip 和入射光功率P0的比值。響應度和量子效率、入射光波頻率有關。響應度范圍為0.50.6A/W。3、響應時間：反映光電流跟隨入射光信號變化快慢的狀態(tài)，通常使用檢測器輸出脈沖的上升時間r和下降時間f來表示。主要由結電容和負載電阻的時間常數(shù)決定。4、截止頻率fc：光生電流I()下降3dB的頻率。5、噪聲：主要包括（1）散彈噪聲：也稱量子噪聲，光生載流子數(shù)隨機起伏所產(chǎn)生。（2）暗電流噪聲：無光照射時的反向殘留電流。（3）熱噪聲：光電二極管的負載電阻RL和后接的放大器的輸入電阻所產(chǎn)生。（4）漏電流噪聲：光檢測器表面物理狀態(tài)不完善和加有偏置電壓

15、時引起。（5）APD倍增噪聲：雪崩光電二極管倍增過程的隨機特性產(chǎn)生附加噪聲。過剩噪聲因子是雪崩效應的隨機性引起噪聲增加的倍數(shù)。五、光無源器件（一）作用和種類1、定義：無需電源，不進行光電變換的光路器件。2、作用：完成光波的接續(xù)、耦合、復用與解復用、衰減、隔離等信號與信息處理。3、種類：光纖連接器、光纖耦合器、光波分復用解復用器、光衰減器、光隔離器、光環(huán)行器等。（二）光纖連接器1、定義：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。2、要求：使發(fā)射光纖輸出的光能量最大限度耦合到接收光纖。3、基本結構：套筒式對中結構。由兩個配合插頭和一個耦合管構成。兩個插頭裝進兩根光纖尾端；耦合管起對準

16、套管的作用。4、性能指標（1）插入損耗（dB）= Pi（dBm） Po （dBm），越小說明性能越好。（2）回波損耗（dB）= Pi（dBm） Pr （dBm），越大說明性能越好。（3）重復性：光纖（纜）活動連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示，一般0.1dB。（4）互換性：連接器各部件互換時插入損耗的變化，也用dB表示，一般0.2dB5、種類（1）FC型（金屬螺紋絲扣鎖緊型）；（2）SC型（塑料矩型插拔銷閂式）；（3）ST型（金屬圓柱卡口型）；（4）LC型（小尺寸模塊化插孔閂鎖型）。（三）光纖耦合器1、定義：將光信號進行分路或合路、插入、分配的一種無源器件。2、種類：（1）T形耦合器；

17、（2）星形耦合器；（3）定向耦合器：分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?；?）波分復用器/解復用器（合波器/分波器）。3、性能指標（1）附加損耗Le（dB）=輸入端總光功率Pit（dBm）輸出端總光功率Pot（dBm）；（2）插入損耗（dB）=第i路輸入光功率Pic （dBm）第i路輸出光功率Poc （dBm）；（3）耦合比（第i路分光比）CRi=第i路輸出光功率Poc/總的輸出光功率Pot×100%；（4）隔離度DIR（dB）=注入端輸入光功率Pic（dBm）輸入側非注入端輸出的光功率Pr （dBm）。（四）光隔離器1、定義：一種只允許光信號沿光路正向傳輸、阻止光波往其他方向特別

18、是反方向傳輸?shù)姆腔ヒ仔詿o源器件。2、偏振態(tài)（SOP）：在垂直于光的傳播方向的平面內電場強度矢量的方向，電場可以分解為兩相互垂直的偏振態(tài)的合成。3、法拉第效應：也稱磁致旋光效應，在處于磁場中的均勻各向同性媒質內，線偏振光束沿磁場方向傳播時，光的偏振面發(fā)生旋轉的現(xiàn)象。4、工作原理：晶體的非互易旋光性（法拉第效應）使光正向傳輸，反向隔離。3、性能指標（1）插入損耗（dB）=輸入光功率Pi（dBm）輸出光功率Po（dBm）（2）反向隔離度（dB）=反向輸入光功率Pi（dBm）反向輸出光功率Po （dBm）（3）回波損耗（dB）=正向輸入端口注入光功率Pi（dBm）正向輸入端口反射光功率Pir （dBm）（五）光環(huán)形器1、定義：一個多端口的輸入輸出非互易器件。2、特點：控制電磁波沿某一環(huán)行方向傳輸；正向順序傳導、反向傳輸阻塞。3、作用：把光信號流按一個方向從一個端口送到另一個端口。（六）光調制器1、定義：電調制信號對恒定光載波信號調制產(chǎn)生已調光波信號的裝置。2、原理：利用一些材料的