《光纤通信》第三章讲课提纲

1、光纤通信第三章通信用光器件讲课提纲浙江传媒学院 陈柏年一、相关物理基础 （一）原子能级和能带1、能级：微观粒子处于离散的能量状态。2、费米能级Ef：被电子和空穴占用的几率相等的能级。3、能带：半导体原子最外层电子的共有化运动能级扩展形成的带状能量状态。4、半导体的三种能带：价带（束缚电子）、禁带和导带（自由电子）。5、禁带宽度：导带底Ec与价带顶Ev的能量差，Eg= E CEV 6、光的波粒二象性：光具有波动性和粒子性。7、光子能量与光波频率之间的关系： E=hf。普朗克常数h6.628×10-34J·S（二）光与物质的三种相互作用1、自发辐射：无外界激励而高能级电子自发跃

2、迁到低能级，同时释放出光子。LED是基于自发辐射发光机制的发光器件。2、受激辐射：高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子（全同光子）与外来激励光子同频同方向，为相干光。LD是基于受激辐射发光机制的发光器件。3、受激吸收：低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。PD是基于受激吸收工作的光电器件。（三）激光产生机理1、激光（LASER）：“受激辐射的光放大”的简称。激光的四大特性：单色性（波谱宽度极窄）、方向性（基本不发散） 、相干性（产生频率和相位较一致的高度相干光）和瞬时性（亮度极高，会聚性能好）。2、“粒子数反转分布”：物质内部的自发辐射或受激辐

3、射的几率大于受激吸收的几率，高能级上的电子数多于低能级上电子数的分布状态（N2>N1）。3、泵浦：以外部能量把处于基态的电子，激励（抽运）到较高的能级高能态的过程。 4、激活物质（增益物质）：在外界足够强的泵浦源作用下，能够形成粒子数反转分布的物质。（四）激光器结构（三个功能部件）1、激活物质：激光器的组成核心，能够形成粒子数反转，产生激光的必要条件。2、泵浦源：能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源。3、光学谐振腔：完成光的频率和方向选择及正反馈作用。（五）激光的产生条件1、振幅平衡条件（阈值条件）：光的放大和损耗应满足的平衡条件，腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。2、相位条

4、件：使谐振腔内的前向和后向光波发生相干的条件，形成正反馈，使光波加强。谐振腔的长度L是传播激光半波长的整数倍。二、半导体激光器（一）原理与结构1、半导体激光器：用半导体材料作为工作物质的激光器。2、半导体激光器工作原理：在正偏情况下，向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。3、半导体激光器发光特点：LD因受激发射而发光的，发射的光子同频、同相、同偏振方向，输出相干光。4、半导体激光器结构（1）同质结构：只有一个简单P-N结，且 P 区和 N 区都是同一物质的半导体激光器。（2）异质结构： 由两种不同材料构成P-N结的半导体激光

5、器。实际使用的所有半导体激光器都是多层异质结器件。（3）双异质结（DH）：三层平面条形结构，包括有源层、限制层、法布里-珀罗谐振腔。有源层在两个限制层之中、禁带宽度窄、折射率高、集中激光功率。5、发射波长和光谱特性（1）发射波长：取决于半导体材料的禁带宽度。（2）光谱特性：静态时取决于驱动电流，动态时取决于调制电流。用FP谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器。要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用分布反馈激光器DFB。（3）纵模和横模：纵模：符合激光产生条件、取决于激光器纵向长度L的辐射光。横模：符合激光产生条件、取决于有源区的水平宽度w和垂直厚度t的辐射

6、光。（二）半导体激光器特性1、P-I特性曲线：表明激光器输出光功率（输出）与注入电流（输入）变化的关系。光功率随驱动电流的增加而增加。当I<Ith（阈值电流）时，激光器发出的是荧光；当I>Ith，激光器发出的是激光。2、激光器效率：衡量激光器转换效率的高低。（1）量子效率d：在阈值电流之上，激光器输出光子数的增量与注入电子数的增量之比。（2）功率转换效率p：激光器的输出光功率与器件消耗的电功率之比。3、光谱特性：激光器输出的光功率随波长的变化情况，一般用光源谱线宽度来表示，激光器的越小越好。是辐射光强下降一半的两点间波长变化值。4、频率特性：直接调制时，弛张频率是调制频率的上限。在

7、接近弛张频率处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。 5、温度特性：半导体激光器的阈值电流、输出光功率和输出光波波长随温度变化的特性。温度升高时， Ith 增大，d 减小，输出光功率明显下降。6、应用场合：大容量长距离数字系统、模拟系统。（三）分布反馈DFB激光器1、DFB激光器：没有集总的谐振腔反射镜，用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构（波纹状）衍射光栅实现光分布式反馈的单纵模（SLM）的LD。2、DFB激光器优点：（1）单纵模（SLM），（2）光谱窄，（3）动态谱线好，（4）线性好。三、发光二极管（一）结构与特点1、发光二极管（LED）：没有光学谐振腔，基于自发辐射而工作

8、的发光无阈值发光器件。2、工作机理和发光特点（1）工作机理：自发辐射，（2）发光特点：发射光子的频率、相位、偏振状态及传播方向无规律，输出具有较宽的频率范围的非相干光。与LD相比，优点是结构简单，造价低、性能稳定、寿命长；缺点是输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。3、发光二极管种类（1）正面发光二极管：有源发光面与光纤轴垂直，发出的光束各向同性。（2）侧边发光二极管：由一个有源结区和两个导光层组成，具有更好的方向性，与光纤的耦合效率更高，发光亮度要大。（二）发光二极管工作特性1、P-I特性：无阈值器件，注入电流的增加，输出光功率近似呈线性增加。2、光谱特性：自发辐射光源，谱线宽度比LD

9、宽得多。3、温度特性：主要影响LED的输出光功率、P-I特性的线性及工作波长。4、应用场合：小容量数字系统和模拟系统。四、光检测器（一）光检测器功能与分类1、光电检测器：将光辐射能量转换成电流或电压（电量）的能量变换器件。2、功能：检测出入射其光敏面的光功率，并转换为相应变化的电流信号。3、要求：灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。4、原理：外加反向偏压的PN结，当入射光作用时，发生受激吸收产生光生电子-空穴对，这些电子-空穴对在耗尽层内建电场作用下形成漂移电流，同时在耗尽层两侧部分电子-空穴对由于扩散运动进入耗尽层，在电场作用下形成扩散电流，这两部分电

10、流之和在外电路中形成光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。5、类型：（1）PIN光电二极管：为提高光电转换效率和响应速度，在PN结内部设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（I层）以扩大耗尽层宽度的光电二极管。（2）雪崩光电二极管APD：利用雪崩倍增效应，1个光子产生多对电子-空穴对，使光电流得到倍增的高灵敏度光电探测器。（二）光电转换原理1、受激吸收：如入射光子的能量超过禁带能量Eg，耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。2、光电转换：一定波长的光照射到半导体的PN结时，光

11、生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，由于受激吸收，在外电路中出现光生电流。3、转换条件：只有波长<c（截止波长）的入射光，才能产生光电效应。（三）PIN光电二极管1、基本结构：在重掺杂的（P+）层和（N+）层之间有较宽一层轻掺杂的N型材料（本征的I层），扩大耗尽层宽度以吸收绝大多数光子，使漂移电流占主要地位，光生电流增加，提高响应速度。2、工作原理：受激吸收，PIN管加上反向偏压，形成耗尽区，入射光子hf>Eg时产生电子-空穴对。在电场的作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移。电子到达N区，空穴到达P区，被外电路吸收，形成光生电流。3、特性要求：由禁带宽度决定的截止波长要大于入

12、射光波长，吸收系数不能太大。（四）雪崩光电二极管APD1、雪崩倍增效应： PN结外加高反向偏压后，在耗尽区内形成一个强电场。当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子被强电场加速，以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子（碰撞电离），并形成链锁反应，从而使光电流在光电二极管内部获得雪崩倍增的现象。2、倍增因子：APD输出光电流和一次光电流的比值，表示APD的放大能力。3、基本结构：最常用的具有低倍增噪声的结构是拉通型的APD ，增加1个附加的倍增层，耗尽区拉通到了整个本征区，实现碰撞电离，产生二次电子空穴对。4、工作原理：在结构中构造一个强电场区，在高反向偏压的情况下，当光入射到P

13、N结后，光子被吸收产生电子-空穴对，高电场对光生载流子加速，使载流子获得高的动能，与原子晶格产生碰撞电离出新的电子-空穴对（碰撞电离），新产生的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量从而导致更多的碰撞电离产生（雪崩倍增效应）。入射光功率产生一次光生电流，一次光生电流被雪崩放大，形成较大的反向电流。倍增因子g：APD输出光电流和一次光生电流的比值。5、特性要求：对温度的依赖性在高偏置电压下尤其明显，为保证温度变化时增益值不变，就必须加入一个补偿电路，调整光检测器的偏置电压。（五）光电二极管特性1、量子效率：每个能量为hf的入射光子所产生的电子空穴对，即一次光生电子空穴对和入射光子数的比值。量子效

14、率范围为30%95%。2、响应度r（A/W）：一次光生电流Ip 和入射光功率P0的比值。响应度和量子效率、入射光波频率有关。响应度范围为0.50.6A/W。3、响应时间：反映光电流跟随入射光信号变化快慢的状态，通常使用检测器输出脉冲的上升时间r和下降时间f来表示。主要由结电容和负载电阻的时间常数决定。4、截止频率fc：光生电流I()下降3dB的频率。5、噪声：主要包括（1）散弹噪声：也称量子噪声，光生载流子数随机起伏所产生。（2）暗电流噪声：无光照射时的反向残留电流。（3）热噪声：光电二极管的负载电阻RL和后接的放大器的输入电阻所产生。（4）漏电流噪声：光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压

15、时引起。（5）APD倍增噪声：雪崩光电二极管倍增过程的随机特性产生附加噪声。过剩噪声因子是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。五、光无源器件（一）作用和种类1、定义：无需电源，不进行光电变换的光路器件。2、作用：完成光波的接续、耦合、复用与解复用、衰减、隔离等信号与信息处理。3、种类：光纤连接器、光纤耦合器、光波分复用解复用器、光衰减器、光隔离器、光环行器等。（二）光纤连接器1、定义：用以稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件。2、要求：使发射光纤输出的光能量最大限度耦合到接收光纤。3、基本结构：套筒式对中结构。由两个配合插头和一个耦合管构成。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准

16、套管的作用。4、性能指标（1）插入损耗（dB）= Pi（dBm） Po （dBm），越小说明性能越好。（2）回波损耗（dB）= Pi（dBm） Pr （dBm），越大说明性能越好。（3）重复性：光纤（缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示，一般0.1dB。（4）互换性：连接器各部件互换时插入损耗的变化，也用dB表示，一般0.2dB5、种类（1）FC型（金属螺纹丝扣锁紧型）；（2）SC型（塑料矩型插拔销闩式）；（3）ST型（金属圆柱卡口型）；（4）LC型（小尺寸模块化插孔闩锁型）。（三）光纤耦合器1、定义：将光信号进行分路或合路、插入、分配的一种无源器件。2、种类：（1）T形耦合器；

17、（2）星形耦合器；（3）定向耦合器：分别取出光纤中向不同方向传输的光信号；（4）波分复用器/解复用器（合波器/分波器）。3、性能指标（1）附加损耗Le（dB）=输入端总光功率Pit（dBm）输出端总光功率Pot（dBm）；（2）插入损耗（dB）=第i路输入光功率Pic （dBm）第i路输出光功率Poc （dBm）；（3）耦合比（第i路分光比）CRi=第i路输出光功率Poc/总的输出光功率Pot×100%；（4）隔离度DIR（dB）=注入端输入光功率Pic（dBm）输入侧非注入端输出的光功率Pr （dBm）。（四）光隔离器1、定义：一种只允许光信号沿光路正向传输、阻止光波往其他方向特别

18、是反方向传输的非互易性无源器件。2、偏振态（SOP）：在垂直于光的传播方向的平面内电场强度矢量的方向，电场可以分解为两相互垂直的偏振态的合成。3、法拉第效应：也称磁致旋光效应，在处于磁场中的均匀各向同性媒质内，线偏振光束沿磁场方向传播时，光的偏振面发生旋转的现象。4、工作原理：晶体的非互易旋光性（法拉第效应）使光正向传输，反向隔离。3、性能指标（1）插入损耗（dB）=输入光功率Pi（dBm）输出光功率Po（dBm）（2）反向隔离度（dB）=反向输入光功率Pi（dBm）反向输出光功率Po （dBm）（3）回波损耗（dB）=正向输入端口注入光功率Pi（dBm）正向输入端口反射光功率Pir （dBm）（五）光环形器1、定义：一个多端口的输入输出非互易器件。2、特点：控制电磁波沿某一环行方向传输；正向顺序传导、反向传输阻塞。3、作用：把光信号流按一个方向从一个端口送到另一个端口。（六）光调制器1、定义：电调制信号对恒定光载波信号调制产生已调光波信号的装置。2、原理：利用一些材料的