光纤通信的基本器件ppt课件

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1、,光源,第三章,通信学院工程技术教研室,光源、LD和LED,LD和LED的发光原理,LD和LED的优缺点及其使用场合,PIN、APD的特点和原理,光检测器的作用和要求,EDFA的组成、应用和工作原理,光无源器件的功能、结构和工作原理；,掌捏LD和LED的发光原理,掌握LD和LED的优缺点及其使用场合,理解光源、LD和LED的含义,掌握PIN、APD的特点和原理,理解光检测器的作用和要求,掌握EDFA的组成、应用和工作原理,掌握光无源器件的功能、结构和工作原理；,3.2 光检测器,3.3 光放大器,3.1 光源,3.4 光无源器件,光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。,3.1

2、 光源,一、光源作用、要求, 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）。 输出足够大的功率 温度特性良好。 光源的谱线宽度要窄。 光源具有高度的可靠性 寿命长，体积小、重量轻、工作稳定。,1、光源作用,2、光器件要求,在光纤通信中用得最多的光源： 1）半导体光源：半导体发光二极管和半导体激光二极管。 2）非半导体光源：固体激光器和气体激光器等,发光二极管用LED：荧光,激光二极管用LD：激光,3.1 光源,二、光源分类,中兴通讯网络通信教育 ,半导体发光机理,电子以原子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围旋转，这些特定的电子层称为能级，对半导体材

3、料，电子的能级重叠在一起形成能带。其中能量低的能带称为价带E1，能量高的能带称为导带E2，E2和E1之间的能量差称为禁带，电子不可能占据禁带。,三、半导体发光机理,半导体发光机理,电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式:自发辐射、受激吸收、受激辐射。,(a) 自发辐射（点击动画）,hf12,初态,3.1 光源,hf12,初态, (b) 受激吸收（点击动画）,3.1 光源,hf12,初态,(c) 受激辐射（点击动画）,半导体发光机理,中兴通讯网络通信教育 ,半导体发光机理,1）外来光子能量等于跃迁的能级之差hE2E1 2）受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向

4、度相同，称它们为全同光子。 3）过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果使光增强，使入射光得到放大。,受激辐射与受激吸收的特点：,受激辐射是半导体激光器发光的基础。 粒子数反转分布是物质产生光放大的必要条件。,四、激光器,1、激光器的作用,激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件，它发出光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度、易于控制等特点。,2、激光器的模型,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。

5、,3.1 光源,中兴通讯网络通信教育 ,工作物质,可以处于粒子数反转分布状态的工作物质。三能级以上系统可以得到粒子数反转分布 泵浦源（激励源） 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源 N2N1 , 受激辐射受激吸收 ，从而有光的放大作用。 工作物质已被激活，成为激活物质或称增益物质。 光学谐振腔 提供必要的反馈以及进行频率选择,主要由空穴导电的半导体称为P型半导体。 主要由电子导电的半导体称为N型半导体。,PN结的能带,在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场。 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef 相

6、同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。,增益区的产生： 在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。 在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光,双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 图2 发光原理,3、发光原理（点击动画）,3.1 光源,1）加正偏压： 给二极管施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入

7、有源层。空穴与电子复合发光。 2）电子被限：由于限制层的带隙比有源层宽，P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。 3）光放大和振荡 这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。 另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高（放大）， 输出激光的阈值电流（光功率增益大于光功率衰减）很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。 产生激光器的两个条件：放大阈值条件,3.1

8、 光源,4、激光器的基本特征,1）I-V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。当电压增加到一定程度时才有输出电流，阈值电流随温度的升高而加大。,3.1 光源,2）P-I特性,LD的光功率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（a）所示。当IIth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（b）所示。,图4 光谱特性,3.1 光源,图5 P-I特性（点击动画）,3.1 光源,1、结构,发光二极管的发光原理与激光器相同，所用的材料也相同，所不问的是在结构上激光器有谐振腔，而LED没有谐振腔，且LD发出的是激光，而LED仅产生

9、自发辐射。发光二极管有两类：表面发光二极管和边发光二极管等。,1）发光二极管结构（点击动画）,五、发光二极管,所用材料与LD相同，主要有GaAlAs和InGaAsP LED无谐振腔。 LED从正面出光，也就是出光方向与有源区垂直。 半导体发光二极管是利用有源区中半导体材料的自发辐射原理工作的。只要给二极管加上正向电压，就会发出荧光(非相干光)，它是无阈值器件。,3.1 光源,2发光二极管的工作原理,发光二极管的发光机理与激光器相同；LED没有谐振腔，只能产生自发辐射，发出的是非相干的荧光，不是激光；由于没有谐振腔，发出的是多频光，光谱宽度较大(3040nm)，发散角也 较大，达40120度,4

10、.4.3LED特性,1.发光二极管具有以下一些持性。 由于是自发辐射，所以光谱比较宽，一般在3040nm范围内。 由于不是相干光，光的方向性较差，其发散角在40120度之间 输出的光强和效率都比较低。 LED的光功率对温度的依赖性比LD要小。 P-I曲线的线性范围较大，动态范围大，失真小。（点击动画）,3.1 光源,2.光谱特性。 发光二极管发射的是自发辐射光， 没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，,图6 光谱特性,3.1 光源,3.2 光检测器,3.3 光放大器,3.1 光源,3.4 光无源器件,1、作用 光电检测器的作用：把光信号转换为电信号，光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换

11、。,2、要求 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； 工作电压尽量低，使用简便。,3、分类 光电二极管（PIN） 雪崩光电二极管（APD）,一、概述,3.2 光检测器,二、PIN光电二极管,图7 光电二极管结构,1、结构,3.2 光监测器,2、工作原理（光电二级管工作原理动画）,3.2 光监测器,雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应

12、而获得光生电流的雪崩倍增。,2、工作原理（点击动画）,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。,三、雪崩光电二极管,1、特点,3.2 光监测器,3、光电检测过程,用雪崩光电二极管(APD)将光信号转换为电信号的过程如图所示。光信号包括信号光

13、和背景光；电信号输出包含信号、背景、咕电流和非倍增的暗电流;对三种电流即信号、背景和暗电流产生雪崩增益；系统的输出包含信号和噪声。,图8 光电监测框图,3.2 光监测器,3.2 光检测器,3.3 光放大器,3.1 光源,3.4 光无源器件,34,光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍光功率受限，这是光通信史上的重要里程碑。 光放大器是一种不需要经过光/电/光变换而直接对光信号进行放大的有源器件,光放大技术,35,光放大技术放大器分类,36,光放大技术掺铒光纤放大器,EDFA主要是由掺铒光纤、泵浦源、耦合器和光隔离器组成,37,光放大技术 EDFA的工作原理,38,DWDM系统中使用

14、的EDFA必须具有: 足够的带宽 平坦的增益 低噪声系数 高输出功率,光放大技术重要性能指标,特别是增益平坦度，这是DWDM系统对EDFA的特殊要求！,在光放大器研制成功之前， 主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。 首先将光纤中送来的光信号转换为电信号， 然后对电信号进行放大， 最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去，如图9所示。,图9 传统的中继器原理框图,一、光电光放大器,3.3 光放大器,图10 全光放大器原理框图,二、全光放大器,1、半导体激光放大器 常用的有法布里泊罗 半导体激光放大器（FPA） 和行波放大器。此类放大器 的工作原理与激光器相同，都利用能级间跃迁产

15、生的受激辐射工作。二者区别在于没有谐振腔。 2、非线性光学放大器 利用光纤中的非线性现象进行光信号放大，即利用受激拉曼散射和受激布里渊散射。放大的过程，就是能量从泵浦源向信号光转移的过程。 3、掺稀土金属光纤放大器 光纤中掺入适量稀土金属杂质，利用稀土金属原子特有的能级结构实现光信号放大。常用的掺铒光纤放大器（EDFA）是掺稀土金属的光纤放大器。,3.3 光放大器,三、 EDFA,图11 EDFA放大器的组成（点击动画）,1、EDFA组成,1）同向泵浦是一种信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。 2）反向泵浦是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入掺铒光纤的结构，

16、也称为后向泵浦。 3）双向泵浦是同向泵浦与反向泵浦结合的方式，如下图。,2、EDFA结构,3.3 光放大器,图12 EDFA的三种结构,3.3 光放大器,图13 铒的能级图 (点击动画),3、工作原理,铒的能级图如图13所示,其发光原理可用三能级系统来解释， 基态为4I15/2， 激发态为4I13/2，I11/2。 在泵浦光的激励下，4I11/2能级上的粒子数不断增加， 又由于其上的粒子不稳定， 很快跃迁到亚稳态4I13/2能级， 从而实现了粒子 数反转,3.3 光放大器,图14 光纤放大器用作中继放大,4、工作原理,光放大器可应用于干线通信。主要应用形式有三种：中继放大器、 前置放大器和后置放大器。图14所示是光放大器应用于中继放大器 的系统。,3.3 光放大器,3.2 光检测器,3.3 光放大器,3.1 光源,3.4 光无源器件,在光纤通信系统中，除了有源器件、光纤光缆之外，还有无源器件。无源器件有 光纤活动连接器 光衰减器 光无源耦合器 光波分复用器 光隔离器