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1、第3章 有源光器件和无源光器件,3.1 激光原理的基础知识3.1.1 原子能级的跃迁原子中能够实现的电子轨道是量子化的，它必须满足下列条件：n=1，2，3(31)式中，是普朗克常数，h=6.62610-34焦耳秒。这个关系式假设电子沿圆形轨道运动，那末电子在轨道上运动一周的位移()乘以动量应等于普朗克常量的整数倍。这就是电子轨道量子化条件。,3.1.1 原子能级的跃迁,3.1.2 能级的跃迁,原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称能级跃迁。若电子跃迁中交换的能量是热运动的能量，称为热跃迁；若交换的能量是光能，则称为光跃迁。在这里我们研究的是光跃迁。对大量原子组成的体系来说，
2、将同时存在着光的自发发射、受激辐射和受激吸收三个过程,3.1.2 能级的跃迁,(1)自发发射处在高能级E2 上的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级E1上，并发射一个频率为、能量为：=h=E2-E1,3.1.2 能级的跃迁,(2)受激辐射和受激吸收处于高能级E2的电子在光场的感应下(感应光于的能量)发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃进到低能级E1，这个过程称为光的受激辐射。,3.1.3 光的吸收和放大,考虑频率为，强度为 的单色平面波通过原子媒质传输的情况。该媒质中，处于能级E2上的电子密度为N2，处于能级E1上的电子密度为N1。暂不考虑自发发射过程，那么在单位体积中，受激辐射的速率为，受
3、激吸收的速率为。因此，单位体积中发生的净功率为：,3.1.3 光的吸收和放大,这种辐射是相干地(即有确定的相位关系)加至行波辐射，使得在没有任何损耗机理的情况下，这种辐射等于每单位长度光强的增量，即(1)光波强度，将(教材P39)代入(1),3.1.3 光的吸收和放大,方程的解为：式中：,下面分两种情况讨论上述结果。(1)吸收媒质 在这种媒质中，N2 N1，受激吸收过程占主要地位，0，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。,3.1.3 光的吸收和放大,3.1.3 光的吸收和放大,当原子系统处于热平衡时，有：式中K是玻尔兹曼常数，是绝对温度。,(2)放大媒质在此种媒质中，N2 N1，受激
4、辐射占主导地位，0，光波经过媒质时强度按指数规律增加，光波被放大。,3.1.3 光的吸收和放大,3.2 半导体光源,3.2.1 半导体激光器 在半导体激光器中，是利用解理面生为反射镜而构成光谐振腔的。半导体激光器也可看成是一个由放大器、谐振腔和正反馈组成一体的光振荡器。它是利用谐振腔产生振荡的原理而获得激光的。它的谐振腔是把PN结的两端理解成两个非常平行而光滑的反射镜，此镜面垂直于P-N结平面，通过适当的选择腔长L，使其形成正反馈而构成的。,半导体中载流子的统计分布,1.晶体的能带 在单个原子中，电子是在原子内的量子态中运动的，当大量原子结合成晶体后，邻近原子中的电子态将发生不同程度的交叠，原
5、子间的影响将表现出来。原来围绕一个原子运动的电子，现在可能转移到邻近原子的同一轨道上去，晶体中的电子不再属于个别原子所有，它们一方面围绕每个原子运动，同时又要在原子之间作共有化运动，如图35所示。,因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带；称为能带，如图36所示。内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，能带分裂的比较宽。,在半导体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带(自由电子占据的能带)称为导带。导带和价带之间，被宽度为的禁带所分开，如图3
6、7所示。价带和导带是我们最感兴趣的两个能带，因为原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间。,2.费米狄拉克统计,根据费米狄拉克统计，对于由大量电子所组成的近独立体系，每个能量为E的单电子态，被电子占据的概率服从费米分布函数，可表示为(315)式中称为费米能级。费米能级不是一个可以被电子占据的实在的能级，它是反映电子在各能级中分布情况的参量，具有能级的量纲。,3.各种半导体中电子的统计分布,根据费米分布，可以画出各种半导体中电子的统计分布，如图38所示。（正确吗？）,图38(d)表示双兼并半导体，这是一种非热平衡状态下的情况，因而用两种费米能级和来表征载流子的统计分布。
7、在价带中，载流子的统计分布和兼并型P型半导体的分布相似，而导带中则和兼并型N型半导体的情况类似，因而在和之间形成了一个粒子数反转的区域。如果有一光波，光子的能量满足条件那么这光波经过双兼并型半导体时将被放大。这种双兼并型半导体对应着结型半导体激光器激光放大的区域。,PN结的形成,图3-9 PN结空间电荷区的形成,PN结的能带,3.2.1 半导体激光器,半导体激光器工作原理,3.2.1 半导体激光器,半导体激光器的核心部分是一个PN结。为了造成粒子数反转和一般半导体二极管不同，这个PN结是高掺杂的 应强调指出，必须有足够的电流，才能产生激光。使激光器产生激光的最小电流，称为激光器的阈值电流。,3
8、.2.1 半导体激光器,2.振荡模式1.腔长为L的谐振腔内能产生的驻波称为纵模。2.在与腔长垂直方向上也存在折射率分布和增益分布，因而也会在该方向上产生横向驻波，此驻波数称为横模。,3.2.1 半导体激光器,3.振荡条件激光器的振荡条件是：假定单位长度的光增益为，单位长度的光衰耗，两端面反射镜的反射率分别为R1、R2,3.2.1 半导体激光器,4.半导体激光器的结构及其优点 半导体激光器从结构上分为同质结激光器、单异质结激光器、双异质结激光器。在光纤通信中常用的半导体激光器是双异质结(DH)激光器。下面仅介绍双异质结半导体激光器的结构情况,3.2.1 半导体激光器,（2）优点 实际使用的半导体
9、激光器往往是采用条形结构的。这是因为条形结构具有下列优点：1.可缩小有源层面积，减少驱动电流 2.因是局部发热，故可改善散热特性 3.通过合理选择条宽，可实现有效的横模控制 4.有利于和光纤的耦合。,3.2.2 半导体发光二极管光源,发光二极管基本上有三种类型（1）面发光二极管(SELED)。（2）边发光二极管(EELED)。（3）超辐射发光管(SLD),面发光二极管(SELED),面发光管的结构如图所示,边发光二极管(EELED),边发光二极管的结构与激光器的结构基本相同，如图,超辐射发光管(SLD),3.2.2 半导体发光二极管光源,下面我们综合讨论发光管的性能参数（1）伏安特性,3.2.
10、2 半导体发光二极管光源,输出光功率特性,3.2.2 半导体发光二极管光源,光输出与温度的关系,3.2.2 半导体发光二极管光源,输出光谱和辐射图形,3.2.2 半导体发光二极管光源,3.2.2 半导体发光二极管光源,频率特性,3.3 光电探测器,对探测器的要求有：高的光电转化效率。对应于使用波长的光波，要有高的灵敏度(对微弱的光信号脉冲能快速响应)，即响应度要高。要有足够宽的带宽。即检测器输出的电信号能不失真的反映出接收的光信号。稳定、可靠、便宜。,3.3 光电探测器,光电探测器的种类很多，常用的有四种：光电倍增管，光电导探测器，PIN光电二极管和雪崩光电二极管。一般表达光电探测器灵敏度有两
11、个主要参数：量子效率和响应度。量子效率 量子效率等于光电检测器产生的电子数目与入射的光子数目之比，即：,3.3 光电探测器,上式中：为外来光射到光电检测器光敏面上的光功率。为受光后光电检测器产生的光电流。响应度响应度等于平均发射电流与平均入射光功率之比，即：单位为A/W或A/W。式中 值一般是固定的，为普朗克常数，与 成反比。,提高量子效率的两个条件：1、尽量减少入射表面的反射率。2、尽量增加耗尽区的宽度，减小零电场区的宽度。=,(3)响应时间1、RC常数2、极限漂移速度3、零电场区的扩散速度,3.3.2 光电检测器的物理原理,3.3.3 PIN光电二极管,如图所示是以一块厚度为70m110m
12、的本征硅材料做本体.,PIN光电检测器,3.3.4 雪崩光电二极管,下图为雪崩光电二极管的原理示意图。,APD的原理示意图,3.3.5 长波长光电检测器,所谓长波长光电检测器主要是指1.0m1.3m范围的光电检测器。长波长的光电检测器件将倾向于采用与长波长光源相同的材料，即InGaAsP/InGaAs/InP，它比锗制成的检测器件噪声小和效率高。,各种雪崩管的量子效率,3.4 无源光器件,无源光器件就是除光源器件、光检波器件之处不需要电源的光通路部件。它是构成光纤传输系统的基本的而且是必不可少的元件。无源光器件大致可分为连接用的部件和功能性部件两大类。光纤传输系统对无源光器件的要求是：插入损耗
13、小，使用方便、规格标准(即应具有适用于光中继器、局内装置等的尺寸、形状和接口要求)、可靠性高，不易受反复操作、温度变化和冲击力的影响、体积小，质量轻等等。,3.4 无源光器件,3.4.1 光纤的连接与光纤连接器 光纤连接器，俗称活接头，国际电信联盟（ITU）建议将其定义为“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（CCITT第VI研究组1992年3月于日内瓦通过）。（1）光纤连接器的基本构成 大多数的光纤连接器是由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。,（2）光纤连接器的对准方式 光纤连接器的对准方式有两种：用精密组件对准和主动对准。（3）光纤连接器的分类 根据ITU的建议，
14、光纤连接器的分类是按光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、套管结构和紧固方式进行的,3.4.1 光纤的连接与光纤连接器,2.光纤连接器的性能（1）光学性能（2）互换性能（3）机械性能（4）环境性能（5）光纤连接器的寿命,3.4.1 光纤的连接与光纤连接器,3.部分常见光纤连接器（1）FCFC型光纤连接器（2）FCPC型光纤连接器（3）SC（F04）型光纤连接器（4）DIN47256型光纤连接器（5）双锥型连接器（Biconical Connector）,3.4.2 光纤分路器及耦合器,光纤分路器及耦合器的种类很多，如Y型分路器、X型22定向耦合器、1N及NN星形耦合器等。它们在光纤传输系统中作为
15、光信号的分配或合成、光信号的提取与监测等，完成多种功能，应用十分广泛。,（a)Y型分路器(b)X型22定向耦合器(c)8路传输星形耦合器(d)8路反射型星形耦合器,3.4.3 光波分复用器,光波分复用技术是在一根光纤上同时传输多个波长光信号的一项技术。光波分复用器是WDM技术总的关键部件，将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出得器件称为复用器。反之，把多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器。光波分复用器的性能指标主要有插入损耗和串扰。根据波长选择机理的不同，波分复用器件可以分为四种类型：角色散器件、薄膜滤波器件、光纤光栅器件和平板阵列波导光栅（AWG）器件。目前比较常用的
16、器件是角色散器件和介质薄膜滤波器件。,3.4.4 光隔离器,3.4.5 光开关,光联网络技术的实现主要依赖于光开关、光滤波器、光放大器、密集波分复用(DWDM)技术等器件和技术的进展。光开关是全光交换中的关键器件，可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。目前光开关主要应用包括：,3.4.5 光开关,（1）光交叉连接（OXC）（2）用光开关实现网络的自动保护倒换（3）用1N光开关实现网络监控（4）光纤通信器件测试（5）光分插复用器（OADM）2.光开关的种类（1）光调制光开关（2）波导调制光开关（3）微机械技术(MEMS)集成光开关,3.4.6 光可变衰减器,光衰减器是光纤通信技术中的重要器件，通常能够使传输线路中的光信号产生定量衰减的器件称为光衰减器，主要用于调整光中继区间的损耗、小争光功率计、调整光电平等。光可变衰减器可以分为：能改变光衰减量而尺寸比较大的可变衰减器和衰减量为一定值的固定衰减器两种,
