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1、1,第3章 通信用光器件,2,本章内容、重点和难点,本章内容 光源：半导体激光器和发光二极管。光电检测器：PIN和APD光电二极管。无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。本章重点 激光器的工作原理。光源和光电检测器工作原理及其工作特性。无源光器件的功能及主要性能。本章难点 发光机理。,第3章 通信用光器件,3,学习本章目的和要求,了解半导体激光器的物理基础。掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。熟悉光源的驱动电路工作原理。掌握光电检测器的工作原理及特性。掌握无源光器件的功能及主要性能。,第3章 通信用光器件,4,3.1 光源,光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电
2、信号转换成光信号送入光纤。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。,5,3.1.1 激光器的工作原理,半导体激光器：是向半导体P-N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输出激光。1激光器的物理基础（1）光子的概念 光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中h
3、=6.6281034 Js（焦耳秒），称为普朗克常数，f 是光波频率，人们将这些光量子称为光子。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。,6,3.1.1 激光器的工作原理,（2）原子能级 物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。最低的能级E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级E i（i=2，3，4，）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为E=E2E1，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式,式中，h为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。当处于低能级E1 的电
4、子受到一个光子能量E=hf12的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。,7,3.1.1 激光器的工作原理,（3）光与物质的三种作用形式 光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图3-1所示。,图3-1 能级和电子跃迁,8,3.1.1 激光器的工作原理,在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收光电检测器。处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界
5、的作用，也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射发光二极管。在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射激光器。注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。,9,3.1.1 激光器的工作原理,（4）粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正常状态下，N1 N2，总是受激吸收大于受激辐射
6、。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2 N1（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。,10,3.1.1 激光器的工作原理,2激光器的工作原理 激光器包括以下3个部分：必须有产生激光的工作物质（激活物质）；必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）；必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。（1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。,1
7、1,3.1.1 激光器的工作原理,（2）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。（3）光学谐振腔 激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。,12,3.1.1 激光器的工作原理,图3-2 光学谐振腔的结构,光学谐振腔的结构 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成
8、了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图3-2所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。,13,3.1.1 激光器的工作原理,谐振腔产生激光振荡过程,图3-3 激光器示意图,14,3.1.2 半导体激光器,用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LD），对LD的要求如下。光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即0.85m、1.31m和1.55m）。能够在室温下长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。目前LD的尾纤输出功率可达500W2mW；LED的尾纤输出功率可达10W左右。与光纤耦合效率高。光源的谱
9、线宽度要窄。较好的LD的谱线宽度可达到0.1nm。寿命长，工作稳定。,15,3.1.2 半导体激光器,（1）阈值特性 对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith 表示。如图3-6所示。阈值电流越小越好。,图3-6 典型半导体激光器的输出特性曲线,16,3.1.2 半导体激光器,（2）光谱特性 LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当IIth时，发出的是荧光，光谱很宽，如图3-7（a）所示。当I Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图3-7（b）所示。,图3-7 GaAlAs-GaAs激光器的光谱,1
10、7,3.1.2 半导体激光器,随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图3-8（a）所示。而在高码速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图3-8（b）所示。一般，用F-P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，例如分布反馈半导体激光器（DFB-LD）。,18,3.1.2 半导体激光器,图3-8 GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱,19,3.1.2 半导体激光
11、器,（3）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大，其变化情况如图3-9所示。,图3-9 激光器阈值电流随温度变化的曲线,20,3.1.3 发光二极管,1LED的工作原理 发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。,21,3.1.3 发光二极管,2LED的结构 LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没
12、有阈值。LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED，其结构示意图如图3-12所示。,图3-12 常用的两类发光二极管（LED）,22,3.1.3 发光二极管,3LED的工作特性（1）光谱特性 LED谱线宽度比激光器宽得多。图3-13是InGaAsP LED的输出光谱。,图3-13 InGaAsP LED的发光光谱,23,3.1.3 发光二极管,（2）输出光功率特性 两种类型的LED输出光功率特性如图3-14所示。驱动电流I 较小时，P I 曲线的线性较好；当I 过大时，由于P-N结发热而产生饱和现象，使P I 曲线的斜率减小。,图3-14 发光二极管（LED）的P I 特性
13、,24,3.1.3 发光二极管,（3）温度特性 由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好。（4）耦合效率 由于LED发射出的光束的发散角较大，因此与光纤的耦合效率较低。一般只适于短距离传输。,25,3.1.4 半导体光源的应用,LED通常和多模光纤耦合，用于1.31m或0.85m波长的小容量、短距离的光通信系统。LD通常和单模光纤耦合，用于1.31m或1.55m大容量、长距离光通信系统。分布反馈半导体激光器（DFB-LD）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55m超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。,26,3.2 光电检测器,光电检测器完成光/电信号的转换。对
14、光检测器的基本要求是：在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；具有较小的体积、较长的工作寿命等。目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。,27,3.2.1 光电检测器的工作原理,光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换的。光电效应如图3-15（a）和（b）所示。当入射光子能量hf 小于禁带宽度Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下
15、条件 hf Eg（3-9）即光频fc 的入射光是不能产生光电效应的，将fc 转换为波长，则 c=。即只有波长 c 的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故c 为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的fc 称为截至频率。,28,3.2.1 光电检测器的工作原理,图3-15 半导体材料的光电效应,29,3.2.3 雪崩光电二极管,雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。1APD的雪崩效应 APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成
16、一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子空穴对；新产生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。,30,3.2.3 雪崩光电二极管,图3-17 RAPD的结构图和能带示意图,31,3.2.4 光电检测器的特性,2APD的特性 APD除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。（1）倍增因子 倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响的条件下，它定义为
17、 g=I0/Ip（3-13）I0为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应时光电流平均值。PIN管由于无雪崩倍增作用，所以g=1。（2）温度特性 随着温度的升高，倍增增益将下降。,32,3.3 无源光器件,无源光器件是除光源器件、光检波器件之外不需要电源的光通路部件。无源光器件可分为连接用的部件和功能性部件两大类。连接用的部件有各种光连接器，用做光纤和光纤、部件（设备）和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光开关和光隔离器等，用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。,33,3.3.1 光纤连接器,光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将
18、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”。光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。（1）光纤连接器的基本构成 由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图3-19所示。,图3-19 光纤活动连接器基本结构,34,3.3.1 光纤连接器,（3）光纤连接器的性能 插入损耗（介入损耗），该值越小越好。平均损耗值应不大于0.5dB。回波损耗（或称反射损耗、回损、回程损耗），是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个度量值，该值越大越好。其典型值应不小于
19、25dB。,35,3.3.1 光纤连接器,（4）固定连接 光纤与光纤的连接有两种，活动连接和永久性连接。以上介绍了活动连接。永久性连接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。（5）部分常见光纤连接器 SC型。其结构尺寸与FC型相同，端面处理采用拱型凸面或PC研磨方式。FC型。其接头的对接方式为平面对接。LC型。MU型。,36,FC型光纤连接器,37,光纤连接器,38,3.3.2 光衰减器,光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源光器件。光衰减器主要用于调整中继段的线路衰减，测量光系统的灵敏度及校正光功率计等。光衰减器分固定衰减器和可变衰减器两种。（1）固定衰减器，其造成的功率衰减值是固定不变
20、的，一般用于调节传输线路中某一区间的损耗。（2）可变衰减器，它所造成的功率衰减值可在一定范围内调节。可变衰减器又分为连续可变和分挡可变两种。,39,3.3.3 光分路耦合器,光分路耦合器是分路和耦合光信号的器件。功能是把一个输入的光信号分配给多个输出（分路），或把多个输入的光信号组合成一个输出（耦合）。,40,3.3.3 光分路耦合器,图3-20 常用耦合器的类型,41,3.3.3 光分路耦合器,2主要性能指标 表示光纤耦合器性能指标的参数有：隔离度、插入损耗和分光比等。下面以22定向耦合器为例来说明。（1）隔离度A 如图3-20（c）所示，由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上
21、应无光功率输出。但实际上端4还是有少量光功率输出（P4），其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为（3-14）一般情况下，要求。,42,3.3.3 光分路耦合器,（2）插入损耗L 它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用L表示为（3-15）一般情况下，要求L（3）分光比T 分光比等于两个输出端口的光功率之比，如从端1输入光功率，则端2和端3分光比（3-16）一般情况下，定向耦合器的分光比为11110。,43,3.3.4 光隔离器与光环形器,1光隔离器 光隔离器是保证光波只能正向传输，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器而影
22、响激光器的工作稳定性。光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。2光环形器 光环形器与光隔离起工作原理基本相同，只是光隔离器一般为两端口器件，而光环形器则为多端口器件。如图3-21所示。光环形器为双向通信中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离任务。图3-22所示为光环形器用于单纤双向通信的例子。,44,3.3.4 光隔离器与光环形器,图3-21 光环形器示意图,图3-22 光环形器用于单纤双向通信示意图,45,3.3.5 波长转换器,波长转换器：使信号从一个波长转换到另一个波长的器件。波长转换器根据波长转换机理可分为光电型波长转换器和全光型波长转换器。（1）光电型波长转换器 如图3-23所示
23、。由于速度受电子器件限制，不适应高速大容量光纤通信系统。,图3-23 光电型波长转换器,46,3.3.5 波长转换器,（2）全光型波长转换器 其波长转换技术主要由半导体光放大器（SOA）构成，如图3-24所示。波长为1的光信号与需要转换为波长为2的连续光信号同时送入半导体光放大器，SOA对入射光功率存在增益饱和特性，结果使得输入光信号所携带的信息转换到2 上，通过滤波器取出2 光信号，即可实现从1到2 的全光波长转换。,图3-24 全光型波长转换器,47,3.3.6 光开关,光开关：能够控制传输通路中光信号通或断或进行光路切换作用的器件。光开关一般包括两种：机械式光开关和电子式光开关。机械式光
24、开关的开关功能是通过机械方法实现的。利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。优点是插入损耗小，隔离度高，串扰小，适合各种光纤，技术成熟；缺点是开关速度较慢，体积较大。电子式光开关利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路切换的器件。优点是开关速度快，易于集成化；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。,48,3.3.7 EDFA光放大器,49,EDFA光放大器增益谱曲线,红带,蓝带,全带,1535nm,1547nm,1560nm,200GHz间隔全带放大,100GHz间隔红带放大,100GHz间隔蓝带放大,EDFA优点,工作波长处在15301560nm范围泵浦功率低，
25、仅需几十毫瓦；连接损耗低，耦合效率高。连接损耗可低至0.1dB。增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。增益可达40dB对各种类型、速率与格式的信号传输透明,50,EDFA的缺点,波长固定，只能放大1550nm左右的光波增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。,51,52,2H11/2,4S3/2,4F9/2,4I9/2,4I11/2,4I13/2,4I15/2,514nm,532nm,670nm,800nm,980nm,1480nm,EDFA能级图,1.53mm,107,(3200),1.4105,9001200,1.6107,(1100),2108,(120),1.
26、5105,100130,0,90110,衰减速率，单位：s-1,辐射衰减,53,EDFA光放大器基本配置,隔离器,WDM,EDF,隔离器,泵浦激光器,输入信号,输入信号,隔离器,WDM,EDF,隔离器,输入信号,输入信号,泵浦激光器,隔离器,WDM,EDF,隔离器,输入信号,输入信号,泵浦激光器,泵浦激光器,前向泵浦,后向泵浦,双向泵浦,54,EDFA在线路中的应用,合波器,分波器,功率放大器,前置放大器,线路放大器,55,增益G=2025dBPout=+17dBm,增益G=2025dBPin=-28dBm,增益G=2025dBPout=+17dBm,增益G=3035dBPout=+17dBm,OBA,OPA,OBA,OBA,OPA,56,小结,1光纤通信系统中所用的光器件有半导体光源、半导体光检测器以及无源光器件。2光源器件作用是将电信号转换成光信号送入光纤。常用的光源器件有LD和LED两种，。3LD由工作物质、激励源和光学谐振腔组成。4LED与LD的区别是前者没有光学谐振腔，它的发光仅限于自发辐射，从而使所发的光为荧光，是非相干光。5半导体光电检测器的作用是将电信号转换成光信号。常用的光电检测器有PIN和APD两种。6无源光器件，常用的无源光器件有光连接器、光衰减器、光耦合器、光隔离器、光环形器、光波长转换器、光开关、光滤波器和光纤光栅等。,
