光纤通信器件讲义

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1、1,第3章 光纤通信器件,3.1 半导体光源 3.2 半导体光电检测器 3.3 光放大器 3.4 无源光器件,2,3.1 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,3,3.1.1 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。,4,2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

2、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。,6,3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

3、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。,12,3.1.2 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。,13,1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

4、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 N2； 将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质/激活物质,14,2激光器的基本组成 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,17,3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G,19,（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 ,21,3.1.3

5、 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。,22,1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,23,F-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。,25,2半导体激光器的工作原理 本征半导体的

6、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

7、：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,比较 LD、LED：,36,3.1.4 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,37,（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。,38,（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。,39,3.1.5 量子阱半导体激光器

8、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。,40,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；,41,3.2 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,42,3.2.1 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。

9、,43,44,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,45,3.2.2 常用的半导体光电检测器 1PIN光电二极管,46,PIN光电二极管结构图,47,2APD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）,48,（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。,49,（2）雪崩光电二极管的

10、结构及其工作原理 ,50,3.2.3 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。,51,2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。,52,3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。,53,4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，G=1,54

11、,5倍增噪声 定义：由于雪崩是半导体内电子空穴对的多次反复碰撞电离产生的，而每个电子空穴对的碰撞电离是随机的，这种由于随机性引起输出光电流起伏增加从而产生附加噪声称为倍增噪声。 表示方法：倍增噪声系数F（G）,55,3.3 光放大器,光放大器分类： (1) 半导体光放大器SOA (2) 光纤放大器 半导体光放大器SOA缺点： 耦合损耗大、噪声大、增益小、对串扰和偏振态敏感。 (2)光纤放大器： 非线性光纤放大器（如：拉曼放大器RFA） 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）,56,3.3.1 掺饵光纤放大器 (EDFA) 1. ED

12、FA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。,57,实际EDFA放大器,58,2EDFA的基本结构,59,3EDFA的工作原理,60,EDFA的泵浦方式,61,4、 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：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

13、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

14、率， 降低光纤非线性影响。 （5）具有较宽的拉曼增益谱。,68,2、RFA的结构 按照传输方向分类：同向泵浦 反向泵浦 双向泵浦,69,3、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,70,4、 RFA的应用 使光信号在光纤中传输时，能长距离地保持功率 与EDFA组合，应用在DWDM系统中，可避免四波混 频对系统的影响。,71,3.4 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

15、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,72,3.4.1 光定向耦合器 1、光定向耦合器的结构,73,2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。,74,实际光定向耦合器,75,3.4.2 光隔离器与光环行器 1光隔离器的基本原理和结构,76,2光环行器,77,3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;,78,实际光隔离器与光环行器,79,3.4.3 光滤波器 F-P腔型光滤波器,80,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。 ,81,3.4.4 光开关 分类：机械式光开关、电子式光开关。,82,83,实际的光开关,84,3.4.5 波长转换器 1光电型波长转换器,85,2、全光型波长转换器,86,实际波长转换器,87,3.4.6 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,88,（2）双向结构WDM传输系统,89,2光波分复用器 （1）光波分复用器的工作原理,90,（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,91, 解复用器 解复用器的波长插入损耗关系曲