1、1第第3章光纤通信器件章光纤通信器件3.1 半导体光源半导体光源3.2 半导体光电检测器半导体光电检测器3.3 光放大器光放大器3.4 无源光器件无源光器件 23.1 半导体光器件 光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（Laser Diode，LD）和半导体发光二极管（Light Emitting Diode，LED）。33.1 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
2、43.1.1 激光器的物理基础1光子的概念2费米能级3光和物质的相互作用51光子的概念 光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.62610-34JS，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。不同频率的光子具有不同的能量。光具有波、粒两重性。62费米能级（1）原子能级的概念 物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。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核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的数值。这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即
3、是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。72费米能级（2）费米能级 电子按能量大小的分布确有一定的规律。电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：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按一定规律占据能级。TkEEfeEf0/)(11)(8 图3-1 费米分布函数变化曲线 93光和物质的相互作用 光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。103光和物质的相互作用（1）自发辐射 发射光子的频率 自发辐射的特点
4、如下：这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。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，是非相干光。hEEf12113光和物质的相互作用 图3-2 原子的自发辐射123光和物质的相互作用（2）受激吸收 物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收的特点如下。这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。133光和物质的相互作用 图3-3 原子的受激吸收 143光和物质的相互作用（3）受激辐射
5、 处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。受激辐射的特点如下。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不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。这个过程可以使光得到放大。153光和物质的相互作用 图3-4 原子的受激辐射 163.1.2 激光器的工作原理 激光器是指能够产生激光的自激振荡器。要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。受激辐射是产生激光的关键。17
6、3.1.2 激光器的工作原理1粒子数反转分布与光放大之间的关系 2激光器的基本组成 3光学谐振腔 4激光器的参量 181粒子数反转分布与光放大之间的关系 在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。192激光器的基本组成 激光振荡器必须包括以下三个部分：能够产生激光的工作物质，能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源，能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。203
7、光学谐振腔 光学谐振腔的结构。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成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。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r1，产生的激光由此射出。谐振腔如何产生激光振荡。213光学谐振腔 图3-5 光学谐振腔的结构 223光学谐振腔 图3-6 激光器示意图 233光学谐振腔 综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须具备以下三个组成部分：工作物质、泵浦源和光学谐振腔。工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质，从而有光的放
8、大作用。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。244激光器的参量（1）平均衰减系数 在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能要足以抵消腔内的损耗。谐振腔内损耗的大小用平均衰减系数表示为 21iri1ln21rrl254激光器的参量（2）增益系数 激活物质的放大作用用增益系数G来表示。G表示光通过单位长度的激活物质之后，光强增长的百分比。264激光器的参量 图3-7 激活物质的放大作用 274激光器的参量（3）阈值条件 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 阈值条件为 其中Gt称为阈值增益系数。激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，阈值条件越低，激光
9、器就越容易起振。21it1ln21rrlG284激光器的参量（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qL2g293.1.3 半导体激光器的结构、工作原理及工作特性 半导体激光器是有阈值的器件，它和发光二极管（LED）同属半导体发光器件。光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。（1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口,即短波长波段的0.85m、长波长波段的1.31m与1.55m。（2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。（3）与光纤的耦合效率高。（4）光源的谱线宽度窄。（5）寿命长，工作稳定。303.1.3 半导体激光器的结构、工作
10、原理及工作特性1半导体激光器（LD）的结构和工作原理 2半导体激光器的工作特性 311半导体激光器（LD）的结构和工作原理 用半导体材料作为激活物质的激光器，称为半导体激光器。在半导体激光器中，从光振荡的形式上来看，主要有两种方式构成的激光器，一种是用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀罗谐振腔），这种激光器称为F-P腔激光器；另一种是分布反馈型（DFB）激光器。321半导体激光器（LD）的结构和工作原理 F-P腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质结半导体激光器。331半导体激光器（LD）的结构和工作原理 图3-9 半导体激光器的结构示意图 341半导体激光器
11、（LD）的结构和工作原理 图3-10 InGaAsP双异质结条形激光器示意图 351半导体激光器（LD）的结构和工作原理 半导体的能带分布。本征半导体的能带分布。P型半导体和N型半导体的形成。在重掺杂情况下，N型半导体和P型半导体的能带分布。P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。361半导体激光器（LD）的结构和工作原理 图3-11 本征半导体的能带分布 371半导体激光器（LD）的结构和工作原理 图3-12 N型半导体和P型半导体重掺杂能带图381半导体激光器（LD）的结构和工作原理 图3-13 P-N结空间电荷区 391半导体激光器（LD）的结构和工作原理 P-N结外加正偏压后的能
12、带分布以及激光的产生。P-N结空间电荷区的形成。P-N结形成后的能带分析。P-N结外加正偏压后的能带分布。激光的产生。401半导体激光器（LD）的结构和工作原理 图3-14 P-N结形成后的能带分布 411半导体激光器（LD）的结构和工作原理 图3-15 外加正偏压后P-N结的能带分布 422半导体激光器的工作特性（1）阈值特性 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。（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。激光器产生的激光有多模和单模。432半导体激光器的工作特性 图3-16 激光器输出特
13、性曲线 442半导体激光器的工作特性（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。激光器产生的激光有多模和单模。452半导体激光器的工作特性 图3-17 GaAs激光器的光谱 462半导体激光器的工作特性（3）温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。472半导体激光器的工作特性 图3-18 GaAlAs/GaAs激光器的典型输出光谱 482半导体激光器的工作特性（4）转换效率 半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示。激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，用P表示。492半导体激光器的工作特
14、性图3-19 激光器阈值电流随温度变化的曲线 503.1.4 分布反馈半导体激光器 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光器，即在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器。它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的。这种激光器又可分为分布反馈激光器（DFB）及分布布拉格反射激光器两种，这两种激光器的工作原理都是基于布拉格反射原理。布拉格反射是指当光波入射到两种不同介质的交界面时，能够产生周期性的反射，把这种反射称为布拉格反射。513.1.4 分布反馈半导体激光器 图3-20 分布反馈半导体激光器结构示意图 523.1.4 分布反馈半导体激光器 1
15、DFB激光器 在普通的半导体激光器中，利用在激活物质两端的反射镜来实现光反馈。而在DFB激光器中，是通过腔体内的周期光栅来实现的。533.1.4 分布反馈半导体激光器 2 DBR激光器 DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面。它相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉格反射器，起着衍射光栅的作用，因此可以将它看成是端面反射率随波长变化而变化的特殊激光器。DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似。但其阈值电流要比DFB激光器的阈值电流高。543.1.4 分布反馈半导体激光器 图3-21 DBR半导体激光器的结构 553.1.5 量子阱半导体激光器 量子阱激光器与一般双异质结激光器类似，只
16、是有源区的厚度很薄，属于双异质结器件。理论分析表明，当有源区的厚度非常小时，则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，因此将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。结构中这种“阱”的作用使得电子和空穴被限制在极薄的有源区内，因此有源区内粒子数反转分布的浓度很高。量子阱半导体激光器还可分为单量子阱和多量子阱激光器。563.1.5 量子阱半导体激光器 图3-22 量子阱半导体激光器 573.2 半导体光电检测器 光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电转换的。目前在光纤通信
17、系统中，常用的半导体光电检测器有两种，一种是PIN光电二极管，另一种是APD雪崩光电二极管。583.2 半导体光电检测器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593.2.1 半导体的光电效应 半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则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，即光电子空穴对，又称光生载流子。603.2.1 半导体的光电效应 图3-23 半导体材料的光电效应 613.2.1 半导体的光电效应 当光照射在某种材料制成的
18、半导体光电二极管上时，若有光电子空穴对产生，显然必须满足如下关系，即 c称为截止波长，fc称为截止频率。gcgcEhchEf623.2.2 光纤通信中常用的半导体光电检测器1PIN光电二极管 2APD雪崩光电二极管 631PIN光电二极管 图3-24 PIN光电二极管能带图 641PIN光电二极管 图3-25 PIN光电二极管结构示意图 652APD雪崩光电二极管 如果能使电信号进入放大器之前，先在光电二极管内部进行放大，这就引出了一种另外类型的光电二极管，即雪崩光电二极管，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，其内部放大作用
19、是靠管子内部的雪崩倍增效应而完成的。662APD雪崩光电二极管（1）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应（2）雪崩光电二极管的结构及其工作原理 目前光纤通信系统中，使用的雪崩光电二极管结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。雪崩光电二极管随使用的材料不同有几种：SiAPD（工作在短波长区）；GeAPD，InGaAsAPD等（工作在长波长区）。672APD雪崩光电二极管 图3-26 雪崩光电二极管的结构和能带示意图 683.2.3 光电检测器的特性1响应度R0和量子效率 2响应时间 3暗电流ID 4雪崩倍增因子G5倍增噪声和过剩噪声系数F（G）691响应度R0和量子效率 响应度和量子效率都是描述这种器
20、件光电转换能力的一种物理量。（A/W）光电二极管的响应度和量子效率与入射光波频率有关。hfeRIR00p0P702响应时间 响应时间是指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。一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。一个快速响应的光电检测器，它的响应时间一定是短的。上面讨论的响应时间是从时域角度来看的，若从频域角度看，短的响应时间即意味这个器件的带宽宽。713暗电流ID 理想条件下，当没有光照射时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励、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。严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。由
21、理论研究可知，暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。724雪崩倍增因子G 雪崩光电二极管还有一个与雪崩倍增效应对应的参量雪崩倍增因子。在忽略暗电流影响条件下，它定义为 一般APD的倍增因子G在40100之间。PIN光电管因无雪崩倍增作用，所以G=1。PMIIG 735倍增噪声和过剩噪声系数F（G）从物理概念上容易理解，雪崩光电二极管的倍增是具有随机性的。这种随机性的电流起伏将带来附加噪声，一般称为倍增噪声。倍增噪声可以用过剩噪声系数F（G）来描述为2222)(GgggGF743.3 光放大器3.3.1 光放大器的分类3.3.2 EDFA的结构与工作原理3.3.3 EDFA的
22、主要特性参数753.3.1 光放大器的分类 从大的方面来分，光放大器主要包括半导体光放大器和光纤放大器两种。半导体光放大器（SOA）是由半导体材料制成的，如果将半导体激光器两端的反射去除，即变成没有反馈的半导体行波光放大器，它能适合不同波长的光放大。光纤放大器又包括两种。非线性光纤放大器 掺铒光纤放大器（EDFA）763.3.1 光放大器的分类 掺铒光纤放大器的主要优点如下。（1）工作波长处在1.531.56m范围，与光纤最小损耗窗口一致。（2）对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；而拉曼放大器需0.51W的泵浦源进行激励。（3）增益高、噪声低、输出功率大，它的增益可达40dB，噪声系
23、数可低至34dB，输出功率可达1420dBm。（4）连接损耗低，因为是光纤型放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗可低至0.1dB。773.3.2 EDFA的结构与工作原理 1EDFA的基本结构2EDFA的工作原理781EDFA的基本结构 图3-27 掺铒光纤放大器结构示意图 792EDFA的工作原理 图3-28 铒离子能带图 802EDFA的工作原理 图3-29 铒离子的吸收谱 812EDFA的工作原理 图3-30 EDFA的泵浦方式 823.3.3 EDFA的主要特性参数1功率增益2饱和输出功率3噪声系数831功率增益 功率增益定义为 功率增益=10log（输出光功率/输入光功率)它表示
24、了光放大器的放大能力，增益的大小与泵浦光功率以及光纤长度等诸因素有关。841功率增益 图3-31 掺铒光纤放大器功率增益与泵浦功率间的关系 851功率增益 图3-32 掺铒光纤放大器功率增益与光纤长度间的关系 862饱和输出功率 输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系的参量。在掺铒光纤放大器中，输入信号功率和输出信号功率并不完全成正比关系，而是存在着饱和的趋势。掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和输出功率来表示。872饱和输出功率 图3-33 掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线 882饱和输出功率 图3-34 掺铒光纤放大器的增益饱和特性 893噪声系数 掺铒光纤放大器噪声
25、的主要来源包括：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。掺铒光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示，它定义为F=放大器的输入信噪比/放大器的输出信噪比903.4 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 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913.4.1 光定向耦合器1光定向耦合器的结构 2光纤式定向耦合器的参数 921光定向耦合器的结构 光定向耦合器按其结构不同可分为棱镜式和光纤式两类。931光定向耦合器的结构
26、图3-35 棱镜式和光纤式定向耦合器 942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。231321441lg10lg10PPTPPPLPPA、953.4.2 光隔离器与光环行器 1光隔离器的基本原理和结构 2光环行器 3光隔离器与光环行器的主要性能参数 961光隔离器的基本原理和结构 图3-36 光隔离器的工作原理图 972光环行器 图3-37 三端口光环行器 983光隔离器与光环行器的主要性能参数 对于光隔离器与光环行器来讲，它们都是希望从输入端口输入的光信号到输出端口时，衰减尽量小，即要求器件的插入损耗要小；对于不应有输出的端口，要求隔离度要高。器件典型的插入
27、损耗为1dB左右，隔离度为4050dB。993.4.3 光滤波器 图3-38 F-P腔光滤波器 1003.4.3 光滤波器 F-P腔型光滤波器的主体是F-P谐振腔。描述F-P腔型光滤波器的特性参数主要是自由谱域（FSR）及带宽（BW）。（1）自由谱域（FSR）：为相邻波长之间的距离（2）带宽（BW）：为谐振峰降至一半时所对应的频带宽度，又称为3dB带宽。nlcffFSRqq211013.4.4 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，称为光开关。光开关是全光交换技术中的关键器件。光开关一般包括两种：机械式光开关和电子式光开关。1023.4.4 光开关 图3-39 机械式
28、光开关 1033.4.4 光开关 图3-40 电子式光开关 1043.4.5 波长转换器 能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件称为波长转换器。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，光电型波长转换器比较容易实现，其优点是与偏振无关；主要缺点是由于速度受电子器件限制，因此不适应高速大容量光纤通信系统和网络的要求。全光型波长转换器技术主要由半导体光放大器（SOA）构成。1051光电型波长转换器 图3-41 光电光型波长转换器1062全光型波长转换器 图3-42 全光型波长转换器1073.4.6 波分复用器 在一根光纤中能同时传输多波长光信号的技术，称为光波分复用技
29、术（WDM）。如果在系统发送端采用此技术，将不同波长的光信号组合起来送入光纤传输的设备称为光波分复用器。在系统接收端可通过解复用器（分波器），将组合在一起的光信号分离并送入不同的终端。1083.4.6 波分复用器1光波分复用系统的结构与工作原理 2光波分复用器 1091光波分复用系统的结构与工作原理 光波分复用器是对光波波长进行合成与分离的光器件。由光波分复用器构成的光波分复用系统，从结构上来分，可分为单纤单向WDM系统和单纤双向WDM系统。1101光波分复用系统的结构与工作原理 图3-43 单纤单向结构WDM传输系统 1111光波分复用系统的结构与工作原理 图3-44 单纤双向结构WDM传输
30、系统 1122光波分复用器（1）光波分复用器的工作原理 器件的各端口可以作为输入端口，也可以作为输出端口。1132光波分复用器 图3-45 WDM光传输原理图 1142光波分复用器（2）光波分复用器的光学特性 复用器 复用器的光学特性可以用给定的输入端口的插入损耗波长关系曲线表示。解复用器 解复用的光学特性，可以用输入端到N个输出端的各信道的波长插入损耗关系曲线来表达 1152光波分复用器 图3-46 复用器插入损耗波长关系曲线 1162光波分复用器 图3-47 解复用器波长插入损耗关系曲线 1172光波分复用器 中心波长和中心波长的工作范围 中心波长对应的最小插入损耗L1和L2 相邻信道之间
31、串音耦合最大值L12和L231182光波分复用器（3）熔融光纤型波分复用器 熔融光纤型是指将两根光纤紧靠在一起并通过加热使两光纤熔接而成。这种复用器非常便于与光纤通信系统耦合连接，而且插入损耗极小，且体积小，结构紧凑。1192光波分复用器 图3-48 熔融光纤型波分复用器结构示意图 1203.4.7 光纤光栅 光纤光栅是近几年发展最为迅速的一种光纤无源器件。它是利用光纤中的光敏性而制成的。光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久性改变。人们利用这种效应可在几厘米之内写入折射率分布光栅，称为光纤光栅。光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，便于与光纤耦合，而且它具有高波长选择性。1213.4.7 光纤光栅 图3-49 光纤布拉格光栅滤波器
