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1、第三章、通信用光器件,光纤通信中所用的光器件可分成有源光器件和无源光器件两大类。二者的主要区别在于：器件在实现本身功能的过程中，其内部是否发生光电能量转换。若发生光电能量转换，则称其为有源光器件，主要有光源和光电检测器，由于体积小、重量轻、效率高及耗电少等特点，现在光纤通信系统中均使用半导体光源和半导体光电检测器；,若未发生光电能量转换，即便也需要一些电信号的介入，也称为无源光器件。根据器件实现的功能不同，无源光器件主要包括光纤连接器、光耦合器、光隔离器、光衰减器、光开关、光波分复用器、光波长转换器、光放大器等。,3.1 光源光源是光纤通信系统中的重要器件之一，它的作用是将电信号转换为光信号，
2、并将此光信号送入光纤线路中进行传输。对通信用光源的要求是：发光波长与光纤的低损耗窗口相符；有足够的光输出功率；可靠性高、寿命长；温度特性好；光谱宽度窄；调制特性好；与光纤的耦合效率高，体积小、重量轻等。,目前，普遍采用的光源是半导体激光器（LD）与半导体发光二极管（LED）。在高速率、远距离传输系统中均采用光谱宽度很窄的分布反馈式激光器（DBF-LD）和量子阱激光器（MQW-LD）。,3.1.1 基础知识1. 能级与能带（1）原子能级由物理学知识知道，物质是由原子构成，原子又是由原子核及围绕原子核旋转的电子构成，这些电子只能在某些一定的、不连续的轨道上围绕原子核运动。电子沿不同轨道运行时就会具
3、有不同的能量，这些不同的离散的能量值称为原子的能级。如图3-1所示。,图3-1 原子的能级,（2）半导体的能带由于半导体材料是一种单晶体，其内部原子是紧密地按一定规律排列在一起的，并且各原子最外层的轨道又互相重叠。从而使它们的能级重叠成能带，如图3-2所示。,图3-2 半导体能带分布图,满带能级最低的能带，被电子占满，满带中的电子很稳定，电子数一般不受外界激励的影响，也不影响半导体器件的外部特性。导带半导体内部自由运动的电子所填充的能带，在绝对零度时导带基本上是空的，只有在一定温度下，由于热激发、光的照射或掺杂等原因，导带中才会出现了电子。,价带价电子所填充的能带。它可能被占满，也可能被占据一
4、部分。禁带导带底与价带顶之间不允许电子填充的这段能带宽度，用Eg表示。,（3）半导体的P-N结没有任何外来杂质和晶格缺陷的理想半导体，称为本征半导体。若向本征半导体材料中掺入提供电子的杂质则形成N型半导体，N型半导体材料中电子浓度高，空穴浓度很低，属于电子导电型。,向本征半导体材料中掺入提供空穴的杂质则形成P型半导体，P型半导体材料中空穴浓度高，电子浓度很低，属于空穴导电型。对单独的N型或P型材料，仍是电中性。当N，P两种半导体材料结合后，由于它们存在浓度差，必然出现电子、空穴从浓度高向浓度低的地方扩散现象，即N型材料中的电子向P型材料扩散；P型材料中的空穴向N型材料中扩散。,当P区中的空穴扩
5、散到N区后，在P区就留下带负电的离子；当N区中的电子扩散到P区后，在N区就留下带正电的离子。结果在两种材料结合的P侧出现一个负电荷区，N侧出现一个正电荷区，即空间电荷区。,由于空间电荷的存在，出现了一个N指向P的电场，称为内建电场。在内建场的作用下，P区中的电子向N区漂移；N区中的空穴向P区漂移。这种漂移运动和扩散运动相反,当达到动态平衡时,就形成了稳定的内建场,这时的空间电荷区内没有自由移动的带电粒子，不导电，称为P-N结。,1. 光与物质的相互作用光的一个基本性质是它既具有波动性，又具有粒子性。一方面光是电磁波，有确定的波长和频率，具有波动性；另一方面，光是由大量光子构成的光子流，每个光子
6、都有一定的能量E，具有粒子性。光子的能量与光波频率之间的关系是： E=hf （3-1）式中，f为光子频率h称为普朗克常数，h=6. 62610-34JS（焦耳秒）,光可以被物质吸收，物质也可以发光。光的吸收和发射与物质内部能量状态的变化有关。研究发现，光和物质的相互作用存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激辐射和受激吸收。,（1）自发辐射处于高能级的电子不稳定，在没有外界条件影响下，自发地从高能级E2跃迁到低能级E1，同时，多余的能量以发光的形式释放出来，这个过程就称为自发辐射。半导体发光二极管是按照这种原理工作的。,自发辐射的特点：自发辐射的发光过程是自发的，辐射出的光子频率、相位、及方
7、向是都是随机的，输出的光是非相干光，光谱范围较宽。辐射出的光子能量等于发生跃迁的两个能级差， 即：hf= E2 - E1,（2）受激辐射处于高能级的电子，在外来光子的激励下，从高能级E2跃迁到低能级E1，同时释放出一个与外来光子全同的光子，这个过程称为受激辐射。半导体激光器是按照这种原理工作的。,受激辐射的特点：受激辐射的发光过程不是自发的，而是受外来光激发引起的。辐射出的光子是与外来光子同频、同相、同偏振方向、同传播方向的全同光子，可实现光放大，输出的光是相干光，光谱范围较窄。,（3）受激吸收在外来光子的激励下，低能级E1上的电子吸收外来光子的能量跃迁到高能级E2上，这个过程称为受激吸收。半
8、导体光电检测器是按照这种原理工作的。受激吸收的特点：受激吸收不是自发的，必须在外来光子的激励下才会产生。外来光子的能量等于电子跃迁的能级差。hf= E2 - E1,3、 粒子数反转分布状态根据物理学知识可知，在热平衡状态下，高能级上的电子数N2总是比低能级上的电子数N1少，我们将这种电子数的分布状态称为粒子数的正常分布状态。在同一物质内，光和物质相互作用的三个过程是同时存在的。为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射或受激辐射的几率大于受激吸收的几率，这就要求高能级上的电子数多于低能级上电子数，这种现象称为粒子数反转分布状态。,研究发现，在只有二能级的物质中，能级间不会形成粒子数反转分布状态。
9、要在能级间实现粒子数反转分布状态，物质中必须存在三个能级或三个以上的能级。实现能级之间粒子数反转分布状态的方法有多种，包括光激励法、电激励法等。,3.1.2 激光器的工作原理1 激光器的构成和工作原理构成一个激光器应具有的先决条件是：工作物质、激励源和光学谐振腔。工作物质是能够发光的介质，可以是气体、液体或固体。激励源是保证工作物质形成粒子数反转分布状态的能源，光学谐振腔是一个谐振系统，提供正反馈和选择频率的功能。,最简单的光学谐振腔就是：在工作物质两端适当的位置，放置两个互相平行的反射镜M1和M2。其中一个能全反射，反射系数为r1=1，另一个为部分反射，反射系数r21，产生的激光由此射出，如
10、图3-3所示。,图3-3 光学谐振腔的结构,工作物质在泵浦源的激发下，实现粒子数反转分布。由于高能级上的粒子不稳定，会自发跃迁到低能级上，并放出一个光子，即产生自发辐射，自发辐射的光子方向任意。这些自发辐射光在运动过程中，又会激发高能级上的粒子，从而引起受激辐射，放出与激发光子全同的光子，使光得到放大，当达到一定强度后，就从部分反射镜透射出来，形成一束笔直的激光。,目前常用半导体材料作工作物质，称为半导体激光器。在半导激光器中通常采用外加正向电压作为激励源。半导体P-N结构成光学谐振腔，由半导体材料的天然解理面抛光形成两个反射镜。,当P-N结上外加的正向偏压足够大，使注入结区(也称为有源区)的
11、电子足够多时，出现了粒子数反转分布状态，在P-N结区内出现自发辐射，并引起受激辐射。产生的光子在经P-N构成的光学谐振腔来回反射，光强不断增加，经谐振腔选频，从而形成激光。,2 激光的产生条件（1）阈值条件阈值条件即是振幅平衡条件，是光的增益与损耗间应满足的平衡条件。受激辐射可以使光放大，即光波有增益。但由于工作物质不均匀造成光波散射；谐振腔反射镜不是理想的全反射，而有透射和吸收；或由于光波偏离腔体轴线而射到腔外等原因，都会造成光波的损耗。,显然，只有当光波在谐振腔内往返一次的增益大于或等于损耗时，激光器才能产生自激振荡。我们就将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。即： （3-
12、2）其中Gt为阈值增益系数；由上式可见激光器的阈值条件，决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，激光器就越容易起振。,（2）相位位平衡条件相位平衡条件是指光在光学谐振腔内形成正反馈的相位条件。并不是所有的受激辐射的光都能形成正反馈，只有那些与谐振腔轴平行，且往返一次的相位差等于2的整数倍的光才能形成正反馈，产生谐振，使光波加强，不满足这个条件的光波则会因损耗而消失。即：,设谐振腔长为L，光在工作物质中传播时的波长为q，则有： （3-4）当工作物质的折射指数为n时，折算到真空的光学谐振腔的谐振波长 和谐振频率 为： （3-5） （3-6）,由上面两式可见：随着q的一系列的分立取值，对应于 和 也有
13、一系列不连续的值，即存在多个频率。但也只有那些有增益，且增益系数大于损耗系数的光波才存在。不同的q值对应于沿谐振腔纵方向（轴向）不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。,3.1.3 激光器的特性1激光器的P-I特性激光器的P-I特性曲线如图3-4所示。,图3-4 激光器的P-I特性,它表明了激光器输出光功率随注入电流变化的关系。当注入电流小于某一值时，激光器输出荧光，功率很小，且随电流增加缓慢；当注入电流达到某一值时，激光器开始振荡，光功率将急剧增加，输出激光，这个使激光器发生振荡的电流值称为阈值电流，用It表示。为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，希望阈值电流越小越好。,从P-I特
14、性曲线还可以得到另外两个重要参数：（1）微分量子效率微分量子效率是用来衡量激光器的电/光转换率高低的一个参量，其定义是：激光器输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，即： （3-7）,式中 就是P-I曲线的斜率。曲线越陡，微分量子效率越大。有时并不希望微分量子效率很大，而是选取一个适当值。因为当微分量子效率过大时，器件会产生不稳定工作现象，如自脉动或自脉冲现象，一般室温下GaAlAs激光器的 。,（2）功率转换效率功率转换效率是用来衡量激光器的电/光转换率高低的另一个参量，其定义是：激光器的输出光功率与器件消耗的电功率之比，即： （3-8）,其中，P0是在电流为I时的发射光功率； V是PN结的
15、正向电压；RS是激光器的串联电阻；从功率转换效率的角度看，器件电阻不能太大，同时，由于发热的原因，串联电阻太大也将会影响到器件的工作寿命。一般要求器件的串联电阻不大于0.5。通常，半导体激光器的功率转换效率约为40%50%。,2光谱特性所谓光谱特性是指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，光谱宽度取决于激光器的纵模数，对于存在多个纵模的激光器，可画出输出光功率的包络线，其谱线宽度定义为输出光功率峰值下降3dB时的半功率点对应的宽度。对于单纵模激光器，则以光功率峰值下降20dB时的功率点对应的宽度评定。,一般要求多纵模激光器光谱特性包络内含有35个纵模，即 值约为35nm；较好的单纵模激光器 值约为0.1nm，甚至更小， 越小越好。半导体激光器的光谱宽度，还随着注入电流而变化。当IIth时，发出的是荧光，光谱很宽，可达数百埃；当IIth后，发出的是激光，光谱变窄，谱线中心强度急剧增加。,
