1、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。（教材第（教材第52页）页）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。（教材第（教材第52页）页）光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电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
2、。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。（教材第（教材第53页）页）半导体激光器：半导体激光器：是向半导体是向半导体P-N结注入电流，实现粒子数结注入电流，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。大而产生激光振荡输出激光。1激光器的物理基础激光器的物理基础 （1）光子的概念）光子的
3、概念 光量子学说认为，光是由能量为光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中的光量子组成的，其中h=6.6281034 Js（焦耳（焦耳秒），称为普朗克常数，秒），称为普朗克常数，f 是光波是光波频率，人们将这些光量子称为光子。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。发射。（教材第（教材第53页）页）（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。
4、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1212hfEEE 式中，式中，h为普朗克常数，为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。为吸收或辐射的光子频率。当处于低能级当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量的电子受到一个光子能量E=hf12的光照射时，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该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。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。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。（教材第（教材
5、第53页）页）（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（教材第（教材第54页）页）在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射，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）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产生光电流，这种跃迁称为受激吸收光电检测器。光电检测器。处于高能级处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，上的电子是不稳
6、定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级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子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射发光二极管。发光二极管。在高能级在高能级E2上的电子，受到能量为上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级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
7、这种跃迁称为受激辐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射激光器。激光器。注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。（教材第（教材第54页）页）（4）粒子数反转分布与光的放大）粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。受激辐射是产生激光的关键。如设低能级上的粒子密度为如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为，高能级上的粒子密度为N2，在，在正常状态下，正常状态下，N1 N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。衡条件下，物质不可能有光的
8、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，即使使N2 N1（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种（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。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。（教材第（教材第54页）页）2激光器的工作原理激光器的工作原理 激光器包括以下激光器包括以下3个部分：个部分：必须有产生激光的工作物质（激活物质）；必须有产生激光的工作物质（激
9、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）；（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。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）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。物质，它是产生激光的必要条件。（教材第（教材第55页）页）（2）泵浦源）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。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
10、质在泵浦源的作用下，使得物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激辐射大于受，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。质或增益物质。（3）光学谐振腔）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，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。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。激活物质和光学
11、谐振腔是产生激光振荡的必要条件。（教材第（教材第55页）页）图3-2 光学谐振腔的结构 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和和r2的平行反射镜的平行反射镜M1和和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。，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，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。能全反射，另一个为部分反射。
12、（教材第（教材第55页）页）谐振腔产生激光振荡过程谐振腔产生激光振荡过程 如图如图3-3所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。射才能存在，继续前进。当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同
13、的光子，为受激辐射。在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成透射出来，形成一束笔直的激光。一束笔直的激光。当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出
14、。的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。（教材第（教材第56页）页）图3-3 激光器示意图（教材第（教材第56页）页）光学谐振腔的谐振条件与谐振频率光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为，则谐振腔的谐振条件为 （3-5）或或 （3-7）式中，式中，c为光在真空中的速度，为光在真空中的速度，为激光波长，为激光波长，n为激活物质的为激活物质的折射率，折射率，L为光学谐振腔的腔长，为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3称为纵模模数。称为纵模模数。谐振腔只对满足式（谐振腔只对满足式（3-5）的光波波长或式（）的光波波长或式（3-7）的光波
15、频率）的光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。qnL2nLqf2cc（教材第（教材第57页）页）起振的阈值条件起振的阈值条件 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。如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。如以以G th表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是 （3-2）为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振腔的腔长，为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。21th1ln2
16、1rrLG（教材第（教材第56页）页）用半导体材料作为工作物质的激光器，称为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），对LD的要求如下。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。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。目前目前LD的尾纤输出功率可达的尾纤输出功率可达500W2mW；LED的尾纤输出功的尾纤输出功率可达率可达10W左右。左右。与光纤耦合效率高。与光纤耦合效率高。光源的谱
17、线宽度要窄。较好的光源的谱线宽度要窄。较好的LD的谱线宽度可达到的谱线宽度可达到0.1nm。寿命长，工作稳定。寿命长，工作稳定。（教材第（教材第57页）页）1半导体激光器的基本结构和工作原理 有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图3-4所示。图3-4 半导体激光器的结构示意图（教材第（教材第58页）页）（1）同质结半导体激光器。其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。（2）异质半导体激光器 异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种。异质半导体激光器的“结”是由不同
18、的半导体材料制成的，目的是降低阈值电流，提高效率。特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。目前，光纤通信用的激光器大多采用如图3-5所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。（教材第（教材第58页）页）图3-4 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 nInGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层nInP是衬底，顶层P+InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。（教材第（教材第58页）页）（2）工作原理 用半导体材料做成的激光器，当激光器的P-N结上外加的正向偏压
19、足够大时，将使得P-N结的结区出现了高能级粒子多、低能级粒子少的分布状态，这即是粒子数反转分布状态，这种状态将出现受激辐射大于受激吸收的情况，可产生光的放大作用。被放大的光在由P-N结构成的F-P光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。（教材第（教材第58页）页）2半导体激光器的工作特性 （1）发射波长 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式（3-1）得 hf=Eg （3-8）式中，f(Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长，c=3108m/s，h
20、=6.6281034 Js，leV=1.601019 J为电子伏特，代入式（3-5）得 (m)（3-9）由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。cf)eV(24.1gE（教材第（教材第58页）页）（2）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3-5所示。阈值电流越小越好。图3-5 典型半导体激光器的输出特性曲线（教材第（教材第59页）页）（3）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3-5（a）所示。当I It
21、h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3-5（b）所示。图3-5 GaAlAs-GaAs激光器的光谱（教材第（教材第59页）页）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3-6（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3-6（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（DF
22、B-LD）。（教材第（教材第59页）页）图3-6 GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱（教材第（教材第59页）页）（4）转换效率 半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率d表示，其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为 （3-10）由此得 （3-11）式中，P为激光器的输出光功率；I为激光器的输出驱动电流，Pth为激光器的阈值功率；Ith为激光器的阈值电流；hf 为光子能量；e为电子电荷。ththththd/)(/)(IIPPeIIhfPPhfe)(thdthIIehfPP（教材第（教材第60页）页）（5）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度
23、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3-7所示。图3-7 激光器阈值电流随温度变化的曲线（教材第（教材第60页）页）3分布反馈半导体激光器（DFB-LD）DFB-LD是一种可以产生动态控制的单纵模激光器（称为动态单纵模激光器），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，如图3-8所示。图3-8 DFB-LD结构示意图（教材第（教材第61页）页）4量子阱半导体激光器 量子阱半导体激光器与一般双异质激光器类似，只是有源区的厚度很薄（几十埃），如图3-9所示。当有源区的厚度非常小时，在有源区的
24、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。图3-9 量子阱半导体激光器（教材第（教材第61页）页）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。（教材第（教材第62页）页）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
25、结构示意图如图3-10所示。图3-10 常用的两类发光二极管（LED）（教材第（教材第62页）页）3LED的工作特性 （1）光谱特性 LED谱线宽度比激光器宽得多。图3-11是InGaAsP LED的输出光谱。图3-11 InGaAsP LED的发光光谱 （教材第（教材第63页）页）（2）输出光功率特性 两种类型的LED输出光功率特性如图3-12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3-12 发光二极管（LED）的P I 特性（教材第（教材第63页）页）（3）温度特性）温度特性 由于由于LED是无阈值器件，因
26、此温度特性较好。是无阈值器件，因此温度特性较好。（4）耦合效率）耦合效率 由于由于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。较低。一般只适于短距离传输。（5）调制特性）调制特性 调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为截止频率为20MHz30MHz，边发光型，边发光型LED截止频率为截止频率为100MHz150MHz。比较：比较：LED与与LD相比，相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但调制频率较低。但LE
27、D性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。（教材第（教材第63页）页）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。（教材第（教材第63页）页）光电检测器完成光/电信号的转换。对光检测器的基本要求是：在系统的工作波长上具
28、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。（教材第（教材第64页）页）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3-13（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条件 hf Eg （3-13）即光频fc 的入射光是不能
29、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。hEggEhc（教材第（教材第64页）页）hEggEhc图3-13 半导体材料的光电效应（教材第（教材第64页）页）PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图3-14（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图3-14（b）所示。图3-14 PIN光电二极管（
30、教材第（教材第65页）页）雪崩光电二极管，又称雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。）。它不但具有光它不但具有光/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。是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。1APD的雪崩效应的雪崩效应 APD的雪崩倍增效应，是在二极管的的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，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
31、子得到了能量；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；新产生的电子空穴空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴空穴对对如此循环下去，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。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。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。（教材第（教材第66页）页）2APD的结构 目前APD结构型式，有保护环型和拉通（又称
32、通达）型。保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电场分布如图3-15所示。图3-15（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图3-15（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90的示意图。图3-15（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等。（教材第（教材第66页）页）图3-15 RAPD的结构图和能带示意图（教材第（教材第67页）页）PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。APD管除有
33、上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。1PIN光电二极管的特性 （1）响应度和量子效率 响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。响应度 响应度定义 （A/W）（3-14）其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到光电二极管上的平均光功率。inpPIR（教材第（教材第67页）页）量子效率 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即 （3-15）其中，e为电子电荷，hf 为一个光子的能量，（3-16）式中 m/s为光速，s为普朗克常数。也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波长）有关。图3-16为硅APD雪崩管的
34、量子效率与波长的关系。inpinpPIhfPeI入射光子数目空穴对数目子光电转换产生的有效电Rehfehf 24.1chehfeR8103cJ10628.634h（教材第（教材第67页）页）图3-16为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。（教材第（教材第68页）页）（2）响应时间 响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟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。显然响应时间越短越好。（3）暗电流 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励等，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
35、面的漏电流。暗电流会引起接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。（教材第（教材第68页）页）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 g=I0/Ip （3-17）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。（3）噪声特性 PIN管的噪声，主要为量子噪声和暗电流噪声，APD管还有倍增噪声。（教材第（教材第68页）页）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
36、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。（教材第（教材第68页）页）光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将其定义为“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
37、起对准套管的作用。如图3-17所示。图3-17 光纤活动连接器基本结构（教材第（教材第69页）页）（2）光纤连接器的分类 光纤连接器按光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、套管结构和紧固方式进行分类，如表3-1所示。表3-1光纤连接器的分类单通道单通道对接对接套筒套筒/V型槽型槽直套管直套管螺丝螺丝多通道多通道透镜透镜锥型锥型锥型套管锥型套管销钉销钉单单/多通道多通道其他其他其他其他其他其他弹簧销弹簧销（教材第（教材第70页）页）（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
38、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25dB。互换性，每次互换后，其连接损耗变化量越小越好。重复性，即每次插拔时连接损耗变化量要小。插拔寿命（最大可插拔次数），光纤连接器的插拔寿命一般由元件的机械磨损情况决定。（教材第（教材第69页）页）（4）部分常见光纤连接器 FC型。其接头的对接方式为平面对接。PC型。是FC型的改进型。其对接面由平面变为拱型凸面。是我国最通用的规格。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。DIN47256型。由德国开发。双锥型连接器。由美国贝尔实验室开发研制。（5）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。
39、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。（教材第（教材第70页）页）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。（教材第（教材第71页）页）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、）。1耦合器类型 （1）T形耦合器 （2）星形耦合器 （3）定向耦合器 （4）波分复用器/解复用器（也称合波器/分波器）如图3-18所示。（教材第（教材第71页）页）图3-19 常用耦合器的类型（教材第（教材第72页）页）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3-19（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 （3-18）一般情况下，要求 。(dB)log101441PPA
41、、dB20A（教材第（教材第73页）页）（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 （3-19）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 （3-20）一般情况下，定向耦合器的分光比为11110。(dB)log10132PPPL23PPT dB5.0（教材第（教材第73页）页）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
42、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3-20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3-21所示为光环形器用于单纤双向通信的例子。（教材第（教材第74页）页）图3-20 光环形器示意图图3-21 光环形器用于单纤双向通信示意图（教材第（教材第74页）页）3光隔离器的性能指标 插入损耗和隔离度是光隔离器的两个主要性能参数，另还有回波损耗，偏振相关损耗和偏振模色散。（1）插入损耗 插入损耗是指在光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的附加损耗。如果输入的光信号功率为Pi，经过光隔离器后的功率为Po，则插入
43、损耗IL为 （3-）显然，其值越小越好。(dB)log10ioPPIL（教材第（教材第73页）页）（2）回波损耗 回波损耗是指由于构成光隔离器的各元件、光纤以及空气折射率失配引起的反射造成的对入射光信号的衰减。回波损耗RL为 （3-）其中，Pi为正向输入光隔离器的光信号功率，Pr为返回输入端口的光功率。RL值越大越好。（3）隔离度 隔离度是指在逆光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的损耗。有 （3-）其中，为反向输入光隔离器的光信号功率，为反向通过光隔离器的光功率。隔离度越大越好。(dB)log10irPPRL(dB)log10iosoPPIiPoP（教材第（教材第73页）页）
44、（4）偏振相关损耗（PDL）是指输入光偏振态发生变化而其他参数不变时，器件插入损耗的最大变化量。它是衡量器件插入损耗受偏振态影响程度的指标。（5）偏振模色散（PMD）是指通过器件的信号光不同偏振态之间的相位延迟。注：一般情况下，光通信系统对光隔离器的主要技术指标要求为：插入损耗1.0dB；隔离度35dB；回波损耗50dB；PDL0.2dB；PMD0.2ps。（教材第（教材第73页）页）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：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根据波长转换机理可分为光电型波长转换器和全
45、光型波长转换器。波长转换器。（1）光电型波长转换器）光电型波长转换器 如图如图3-22所示。由于速度受电子器件限制，不适应高速大容量光所示。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。纤通信系统。图3-22 光电型波长转换器（教材第（教材第75页）页）（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3-23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3-23 全光型波长转换器（教材
46、第（教材第75页）页）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。（教材第（教材第74页）页）图3-25 光栅型波分复用器图3-26 介质薄膜干涉型波分复用器图3-27 光纤耦合型波分复用器图3-
47、28 集成光波导型波分复用器 3.3.8 光滤波器 光滤波器：在光纤通信系统中，只允许一定波长的光信号通过的器件。如果所通过的光波长可以改变，则称为波长可调谐光滤波器。目前，结构最简单、应用最广的光滤波器是F-P腔光滤波器。光滤波器的结构有两类，干涉滤波器和吸收滤波器。（教材第（教材第76页）页）3.3.9 光纤光栅光纤光栅光纤光栅是利用光纤中的光敏性而制成的。光纤光栅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光纤的折射率将随光强而发生永久性
48、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。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。耦合，而且它具有高波长选择性。（教材第（教材第78页）页）3.4.1 光放大器概念与分类光放大器概念与分类半导体光放大器半导体光放大器光纤放大器光纤放大器 FOA （1）光纤拉曼放大器）光纤拉曼放大器FOA光纤喇曼放大器(Fiber Raman Amplifier，FRA)是利用光纤的受激喇曼散射效应制成的。参看关于光纤中非线性散射的介绍。物质内
49、部的分子无时无刻都在振动着，但它们只能在某几个固定的频率上振动，这些频率叫喇曼频率，不同的振动频率对应于不同的分子能量。当外界光照射时，外来光子能与振动分子发生能量交换，这时在入射光光谱线(称为母线)两边出现一些强度很弱的新谱线，这种效应称为喇曼散射效应。这些新出现的谱线叫伴线，其中比母线波长长的叫斯托克斯(Strokes)线，比母线波长短的叫反斯托克斯线。它们两个与母线波长的间隔相等，其值等于相应的分子振动频率，约十几个THz。1.掺铒光纤放大器的特点 掺铒光纤放大器(EDFA)是将铒离子注入到纤芯中，形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波段的光信号进行放大。(1)工作波长处在
50、1.521.56m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，仅需要几十毫瓦，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，噪声系数可低至34dB，输出功率可达1420dBm；(4)连接损耗低，因为它是光纤型放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗可低至0.1dB。图3-31 EDFA的工作能级 基态基态 最低能级最低能级亚稳态亚稳态泵浦光泵浦光单模光纤泵浦单模光纤泵浦输入光信号输入光信号被放大光被放大光 EDFA主要是由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成。其中:光耦合器是将输入光信号和
