1、光光 纖纖 通通 信信計算機與通信工程學(xué)院計算機與通信工程學(xué)院 n光纖通信概述光纖通信概述n光纖和光纜光纖和光纜n光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信系統(tǒng)的組成n光纖通信新技術(shù)光纖通信新技術(shù) n光纖光纖fiber 或或 fibre，是是光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維的簡稱。的簡稱。n何謂何謂光纖通信光纖通信n用用光波光波作為載波，以作為載波，以光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維作為傳輸作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。介質(zhì)的一種通信方式。5.1光纖通信概述光纖通信概述5.1.1 5.1.1 光纖通信發(fā)展歷史光纖通信發(fā)展歷史1. 1. 探索時期的光通信探索時期的光通信目視光通信目視光通信階段階段 利用大氣來傳播可見光，由人眼來接收。利用大氣來

2、傳播可見光，由人眼來接收。 3 3千多年前，中國古代的烽火臺千多年前，中國古代的烽火臺 歐洲人的旗語歐洲人的旗語 信號彈信號彈, ,交通燈交通燈 n光電話通信階段光電話通信階段現(xiàn)代光通信的歷史，一般都從光電話的現(xiàn)代光通信的歷史，一般都從光電話的發(fā)明開始算起。發(fā)明開始算起。 1880 1880年，美國人貝爾年，美國人貝爾（BellBell）發(fā)明了用光波作載波傳送話音發(fā)明了用光波作載波傳送話音的的“光電話光電話”。圖5-1 光電話的結(jié)構(gòu)圖利用太陽光作光源，成功進行了光電話的實利用太陽光作光源，成功進行了光電話的實驗驗 ，傳輸距離，傳輸距離200多米。多米。說明：利用光波作為載波傳送信息是可行的。說

3、明：利用光波作為載波傳送信息是可行的。要解決兩個問題要解決兩個問題 有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì)有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸媒質(zhì) 光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限制，比如光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、陰天、下霧等情況，就會看不遠和在遇到下雨、下雪、陰天、下霧等情況，就會看不遠和看不清，這叫做大氣的能見度降低，使信號傳輸受到很看不清，這叫做大氣的能見度降低，使信號傳輸受到很大阻礙。大阻礙。 高強度的、可靠的光源高強度的、可靠的光源 太陽光、燈光等普通的可見光源，都不適合作為通信太陽光、燈光等普通的可見光源，都不適合作為通信的光源。的光源。 n光源的探索光源的探索階

4、段階段n認識一下激光認識一下激光n激光（激光（LASER）：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-受激輻射的光放大。受激輻射的光放大。n和普通光源相比，激光的和普通光源相比，激光的優(yōu)點優(yōu)點n單色性好單色性好 頻率穩(wěn)定，約為頻率穩(wěn)定，約為300THZTHZ。這種光的頻率比已經(jīng)廣這種光的頻率比已經(jīng)廣泛應(yīng)用的微波（泛應(yīng)用的微波（1 1GHzGHz40GHz40GHz）的頻率高近萬倍。的頻率高近萬倍。激激光來傳送信息從理論上來說，通信的容量可以比微波光來傳送信息從理論上來說，通信的容量可以比微波通信的容量也大近萬倍！通信的容量也

5、大近萬倍！ n相干性高相干性高n方向性強方向性強 1960年年7月月8日，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了日，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了第第一臺一臺紅寶石激光器紅寶石激光器( (LASER)LASER) ，給光通信帶給光通信帶來了新的希望來了新的希望，研究研究現(xiàn)代化光通信的時代現(xiàn)代化光通信的時代開始。（開始。（在室溫下不能連續(xù)工作在室溫下不能連續(xù)工作 ） 1970年，貝爾研究所的林嚴(yán)雄等人研制出年，貝爾研究所的林嚴(yán)雄等人研制出能在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。能在室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器。 這種激光器只有米粒大小，盡管最初的激這種激光器只有米粒大小，盡管最初的激光器壽命很短，但它已被認為可以作為光光器壽命很

6、短，但它已被認為可以作為光通信的光源。通信的光源。n第一種方式第一種方式:使激光在大氣中傳輸使激光在大氣中傳輸 通信能力和質(zhì)量受周圍大氣環(huán)境的影通信能力和質(zhì)量受周圍大氣環(huán)境的影響很大，響很大，如雨可造成如雨可造成3030dB/kmdB/km的損耗，濃的損耗，濃霧衰減可達霧衰減可達120120dB/kmdB/km 傳輸光路的探索傳輸光路的探索 10 10dB/kmdB/km的損耗意味著輸入的信號傳送的損耗意味著輸入的信號傳送1 1公里后公里后只剩下十分之一只剩下十分之一 20 20dB/kmdB/km的損耗意味著輸入的信號傳送的損耗意味著輸入的信號傳送1 1公里后公里后只剩下百分之一只剩下百分之

7、一 30 30dB/kmdB/km的損耗意味著輸入的信號傳送的損耗意味著輸入的信號傳送1 1公里后公里后只剩下千分之一只剩下千分之一n第二種方式：把光束限制在特定空間第二種方式：把光束限制在特定空間n透鏡波導(dǎo)透鏡波導(dǎo)：在金屬管內(nèi)每隔一定距離：在金屬管內(nèi)每隔一定距離安裝一個透鏡，每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)陌惭b一個透鏡，每個透鏡把經(jīng)傳輸?shù)墓馐鄣较乱粋€透鏡而實現(xiàn)。光束聚到下一個透鏡而實現(xiàn)。圖圖 透鏡波導(dǎo)透鏡波導(dǎo) 反射鏡波導(dǎo)：反射鏡波導(dǎo)：用與光束傳輸方向成用與光束傳輸方向成4545度度角的兩個平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成。角的兩個平行反射鏡代替透鏡而構(gòu)成。首先：現(xiàn)場施工中校準(zhǔn)和安裝十分復(fù)雜；首先：現(xiàn)場施工中校準(zhǔn)

8、和安裝十分復(fù)雜；其次：地面活動對波導(dǎo)影響很大其次：地面活動對波導(dǎo)影響很大 必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。必須把波導(dǎo)深埋或選擇在人車稀少的地區(qū)使用。 圖5-2反射鏡波導(dǎo)導(dǎo)光原理圖光纖即玻璃纖維（透明度很高的石英玻璃絲）光纖即玻璃纖維（透明度很高的石英玻璃絲） ，人們用它制造了醫(yī)療上用的內(nèi)窺鏡，如做成胃鏡，人們用它制造了醫(yī)療上用的內(nèi)窺鏡，如做成胃鏡，可以觀察到距離體內(nèi)可以觀察到距離體內(nèi)1 1米左右的情況。但是它的米左右的情況。但是它的衰減損耗特別大，只能傳輸很短的距離。直到衰減損耗特別大，只能傳輸很短的距離。直到2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，最好的光纖的損耗仍在年代，最好的光纖的損耗仍

9、在10001000dB/kmdB/km以上。以上。這是不能用于通信的。這是不能用于通信的。 2 2現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 （以下不必記）（以下不必記） 光纖的發(fā)展光纖的發(fā)展1966年年7月，英籍華裔學(xué)者月，英籍華裔學(xué)者高錕高錕大膽預(yù)言：只要大膽預(yù)言：只要能設(shè)法降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能使光纖能設(shè)法降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能使光纖的損耗從的損耗從1000dB/km降低到降低到20dB/km，甚至更低，甚至更低，從而可以用于通信。從而可以用于通信。 1970年美國康寧公司年美國康寧公司用高純石英生產(chǎn)用高純石英生產(chǎn)出世出世界上第一根界上第一根低損耗光纖（低損耗光纖（20dB/km），開創(chuàng)，開創(chuàng)

10、了光纖通信的新篇章。了光纖通信的新篇章。 1970年被稱為光纖通信元年。年被稱為光纖通信元年。1972年，康寧公司年，康寧公司 4dB/km1973年，美國年，美國Bell實驗室實驗室 2.5dB/km1974年，美國年，美國Bell實驗室實驗室 1.1dB/km1979年，年，0.2dB/km1984年，年，0.157dB/km1986年，年，0.154dB/km 接近了光纖最低損耗的接近了光纖最低損耗的理論極限理論極限 我國光纖通信的發(fā)展我國光纖通信的發(fā)展 1961年年9月由中國科學(xué)院長春光學(xué)精月由中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所研制成功中國第一臺紅密機械研究所研制成功中國第一臺紅寶石激光

11、器。寶石激光器。 70年代中期研制出低損耗光纖和室溫年代中期研制出低損耗光纖和室溫下可連續(xù)發(fā)光的半導(dǎo)體激光器。下可連續(xù)發(fā)光的半導(dǎo)體激光器。 1979年分別在北京和上海建成了市話年分別在北京和上海建成了市話光纜通信試驗系統(tǒng)。光纜通信試驗系統(tǒng)?！鞍宋灏宋濉逼陂g，建成了含期間，建成了含2222條光纜干線、條光纜干線、總長達總長達3.33.3萬公里的萬公里的“八橫八縱八橫八縱”大容量光大容量光纖通信干線傳輸網(wǎng)（纖通信干線傳輸網(wǎng)（SDHSDH）。）。 19991999年年1 1月，我國第一條最高傳輸速率的國月，我國第一條最高傳輸速率的國家一級干線（濟南家一級干線（濟南青島）青島）8 82.2.5Gbit

12、/s密集波分復(fù)用（密集波分復(fù)用（DWDMDWDM）系統(tǒng)系統(tǒng)建成建成。 5.1.25.1.2光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點 傳輸頻帶寬，通信容量大傳輸頻帶寬，通信容量大 90 90年代，光纖的傳輸速率已經(jīng)達到了每秒年代，光纖的傳輸速率已經(jīng)達到了每秒T T比特比特級（級（10101212），），1 1Tb/sTb/s的速率意味著我們可以用一對只的速率意味著我們可以用一對只有頭發(fā)絲粗細的光纖在有頭發(fā)絲粗細的光纖在1 1秒鐘之內(nèi)將秒鐘之內(nèi)將300300年的泰晤士年的泰晤士報傳送到世界上任何一個角落，或者同時傳送報傳送到世界上任何一個角落，或者同時傳送1010萬萬路電視節(jié)目，或同時通路電視節(jié)目，或同時通1

13、2001200萬路電話。萬路電話。 但在通信中，信道的帶寬和信道的容量遵循相農(nóng)但在通信中，信道的帶寬和信道的容量遵循相農(nóng)公式公式 由于任何信道都無法避免地會有各種噪聲，而信號由于任何信道都無法避免地會有各種噪聲，而信號的功率也不可能太高，所以信道的容量不可能達到的功率也不可能太高，所以信道的容量不可能達到無窮。無窮。)NS1(2logBCn損耗低，可大大增大無中繼傳輸距離，損耗低，可大大增大無中繼傳輸距離，這對長途干線通信十分有利這對長途干線通信十分有利 減少長距離通信的中繼站，最主要的方法是減少長距離通信的中繼站，最主要的方法是減少傳輸線路的損耗減少傳輸線路的損耗。光纖的損耗：在光波長為光纖

14、的損耗：在光波長為1.31u um附近，傳輸附近，傳輸損耗為損耗為0.5dB/km；在光波長為在光波長為1.55u um附近附近損耗已達損耗已達0.2dB/km,甚至更低。（光傳送甚至更低。（光傳送1515公里，其強度還有原來的一半。）公里，其強度還有原來的一半。） 單模光纖最大中繼距離可達上百公里，如果再單模光纖最大中繼距離可達上百公里，如果再加上光纖放大器，則可以直通上萬公里而不需要加上光纖放大器，則可以直通上萬公里而不需要再生中繼。再生中繼。 n抗電磁干擾能力強，光纖之間也不易引起抗電磁干擾能力強，光纖之間也不易引起串音與干擾，故可用于強電磁環(huán)境下的通串音與干擾，故可用于強電磁環(huán)境下的通

15、信。信。光纖是光纖是石英石英介質(zhì)材料構(gòu)成的，它是絕緣介質(zhì)材料構(gòu)成的，它是絕緣體，不怕雷電和高壓，不受電磁干擾；體，不怕雷電和高壓，不受電磁干擾；光纖中傳輸?shù)氖穷l率很高的光纖中傳輸?shù)氖穷l率很高的光波光波，而各，而各種干擾的頻率一般都比較低，所以它不種干擾的頻率一般都比較低，所以它不能干擾頻率比它高的多的光波。能干擾頻率比它高的多的光波。n光纜重量輕，體積小，便于敷設(shè)和運輸光纜重量輕，體積小，便于敷設(shè)和運輸 相同話路的光纜要比電纜輕相同話路的光纜要比電纜輕90%95%(光纜重量僅為光纜重量僅為電纜重量的十分之一到二十分之一電纜重量的十分之一到二十分之一)，而直徑不到電纜的，而直徑不到電纜的五分之一

16、。五分之一。 通通2萬萬1千話路的千話路的900對雙絞線，其直徑為對雙絞線，其直徑為3英寸，重英寸，重量為量為8 噸噸/公里；通訊量為其十倍的光纜，直徑僅公里；通訊量為其十倍的光纜，直徑僅0.5英寸，英寸，重量僅重量僅450磅磅/公里公里。 軍事，航空，宇宙飛船軍事，航空，宇宙飛船 美國在軍用飛機上用光纖代替電纜，在美國在軍用飛機上用光纖代替電纜，在A7A7飛飛機上，重量減輕了機上，重量減輕了12.2512.25公斤，節(jié)省了約公斤，節(jié)省了約2727萬美萬美元元n材料豐富，成本低材料豐富，成本低 SiOSiO2 2，就是隨處可見的沙子，而且就是隨處可見的沙子，而且1 1公公斤高存度的石英玻璃可以

17、制成上萬公里斤高存度的石英玻璃可以制成上萬公里的光纖，而制造的光纖，而制造1 1公里公里1818管的同軸電纜管的同軸電纜需需120120公斤的銅，或公斤的銅，或500500公斤的鉛。公斤的鉛。缺點缺點：光纖質(zhì)地脆、機械強度低、需要比較好光纖質(zhì)地脆、機械強度低、需要比較好的切割及連接技術(shù)，分路、耦合比較麻煩的切割及連接技術(shù)，分路、耦合比較麻煩 。5.1.35.1.3基本概念基本概念1 1何謂光纖通信何謂光纖通信n用用光波光波作為載波，以作為載波，以光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維作為傳作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。輸介質(zhì)的一種通信方式。 19 19世紀(jì)世紀(jì)3030年代有人預(yù)言：年代有人預(yù)言： “總有一總有一天光通

18、信會取代有線和微波通信而成為天光通信會取代有線和微波通信而成為通信主流通信主流”。2 2光纖通信的容量光纖通信的容量n香農(nóng)公式香農(nóng)公式)NS1(2logBC 通信系統(tǒng)的傳輸容量(capacity)取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度，即在某種程度上，載波頻率越高，頻帶越寬，系統(tǒng)容量越大。通信技術(shù)發(fā)展的歷史，實際上是一個不斷提高載波頻率和增加傳輸容量的歷史。n一對光纖一對光纖理論理論上上每秒可傳送每秒可傳送2525兆兆兆兆(10(101212) )比特比特的的信息信息各種傳輸介質(zhì)所能承載的載波大?。焊鞣N傳輸介質(zhì)所能承載的載波大?。恒~線銅線11MHzMHz同軸電纜同軸電纜100100MHzMHz無線電無線電

19、500500kHz kHz 100MHz 100MHz微波（包括衛(wèi)星信道）微波（包括衛(wèi)星信道）100100GHzGHz光纖光纖幾百幾百THzTHz在在20012001年年OFCOFC會議上，會議上，NECNEC和和AlcatelAlcatel報道他們報道他們的傳輸容量分別達到的傳輸容量分別達到10.9210.92Tb/sTb/s和和10.0210.02Tb/sTb/s。（采用波分復(fù)用技術(shù)）采用波分復(fù)用技術(shù)）3 光纖通信使用的波長光纖通信使用的波長 n近紅外光，頻率為幾百近紅外光，頻率為幾百THz，常用波長常用波長0.85 m 、1.31 m 、1.55 m圖圖5-3 電磁波譜圖電磁波譜圖 70

20、年代年代80年代年代90年代年代 以后以后圖圖5-4 光纖通信的三個低損耗窗口光纖通信的三個低損耗窗口 4.4.光纖通信發(fā)展的幾個階段光纖通信發(fā)展的幾個階段n 1973年年1977年的第一代光纖通信系統(tǒng)年的第一代光纖通信系統(tǒng)。 特征：特征：采用采用0.85 m短波長多模光纖短波長多模光纖，光纖損耗為光纖損耗為2.53dB/km,傳輸速率為傳輸速率為50100Mbit/s，中繼距離為中繼距離為810km，于于1977年進入現(xiàn)場試用，年進入現(xiàn)場試用，80年代初陸續(xù)在世年代初陸續(xù)在世界先進國家推廣應(yīng)用，多用作市話局間中界先進國家推廣應(yīng)用，多用作市話局間中繼線路使用。繼線路使用。1977年年1982年

21、的第二代光纖通信系統(tǒng)。年的第二代光纖通信系統(tǒng)。 特征：特征：采用采用1.31 m長波長多模或單模光長波長多?；騿文９饫w，光纖損耗為纖，光纖損耗為0.551dB/km，傳輸速率傳輸速率為為140Mbit/s，中繼距離為中繼距離為2050km，于于1982年開始陸續(xù)投入使用，一般用于中、年開始陸續(xù)投入使用，一般用于中、短距離的長途通信線路，也用作大城市市短距離的長途通信線路，也用作大城市市話局間中繼線，以實現(xiàn)無中繼傳輸話局間中繼線，以實現(xiàn)無中繼傳輸。n1982年年1988年的第三代光纖通信系統(tǒng)。年的第三代光纖通信系統(tǒng)。 特征：特征：采用采用1.31 m長波長單模光纖，長波長單模光纖，光纖損耗降至光

22、纖損耗降至0.30.5dB/km，實用化、大實用化、大規(guī)模應(yīng)用，傳輸信號為準(zhǔn)同步數(shù)字系列規(guī)模應(yīng)用，傳輸信號為準(zhǔn)同步數(shù)字系列（PDH）的各次群路信號，中繼距離為的各次群路信號，中繼距離為50100km，于于1983年以后陸續(xù)投入使用，年以后陸續(xù)投入使用，主要用于長途干線和海底通信，是光纖通主要用于長途干線和海底通信，是光纖通信重點推廣應(yīng)用階段。信重點推廣應(yīng)用階段。n19881996年的第四代光纖通信系統(tǒng)。年的第四代光纖通信系統(tǒng)。 特征：特征：開始采用開始采用1.55 m波長窗口的光波長窗口的光纖，光纖損耗進一步降至纖，光纖損耗進一步降至0.2dB/km，應(yīng)用應(yīng)用中主要用于建設(shè)同步數(shù)字系列（中主要

23、用于建設(shè)同步數(shù)字系列（SDH）同同步傳送網(wǎng)絡(luò)，步傳送網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率達傳輸速率達10Gbit/s，中繼中繼距離為距離為80120km，并開始采用摻鉺光纖并開始采用摻鉺光纖放大器放大器（EDFA）和波分復(fù)用和波分復(fù)用（WDM）器等新型器件。器等新型器件。 n1996年年至今的第五代光纖通信系統(tǒng)。至今的第五代光纖通信系統(tǒng)。 特征：采用特征：采用密集波分復(fù)用（密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的全技術(shù)的全光網(wǎng)絡(luò)開發(fā)與應(yīng)用，充分利用光纖低損耗波段潛光網(wǎng)絡(luò)開發(fā)與應(yīng)用，充分利用光纖低損耗波段潛在容量實現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的急劇擴容，采用在容量實現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的急劇擴容，采用DWDM技技術(shù)不僅僅是帶來巨大容量方面的好處，可以預(yù)計

24、，術(shù)不僅僅是帶來巨大容量方面的好處，可以預(yù)計，隨著隨著DWDM技術(shù)的推廣應(yīng)用，將會對現(xiàn)行的光纖技術(shù)的推廣應(yīng)用，將會對現(xiàn)行的光纖網(wǎng)絡(luò)帶來深刻的變革，最終會成為全光網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)帶來深刻的變革，最終會成為全光網(wǎng)絡(luò)（AON）的基石。的基石。 因此，因此，電信界又將電信界又將1997年稱為年稱為WDM年。年。 5.25.2光纖和光纜光纖和光纜光纖光纖(optical fiber)：光導(dǎo)纖維的簡稱，是一種光導(dǎo)纖維的簡稱，是一種圓柱光波導(dǎo)介質(zhì)，它能夠約束并引導(dǎo)光波在其圓柱光波導(dǎo)介質(zhì)，它能夠約束并引導(dǎo)光波在其內(nèi)部或表面附近沿其軸線方向向前傳播。內(nèi)部或表面附近沿其軸線方向向前傳播。5.2.15.2.1光纖光纖 1.

25、1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 圖5-5 光纖的結(jié)構(gòu)圖（a）光纖的結(jié)構(gòu)示意圖）光纖的結(jié)構(gòu)示意圖 纖芯纖芯: :由高透明的材料制成由高透明的材料制成, , 包層包層：折射率稍低于折射率稍低于纖纖芯芯和纖芯一起構(gòu)成光波導(dǎo)。和纖芯一起構(gòu)成光波導(dǎo)。（n1 n2n1 n2）保護纖壁不受損壞。保護纖壁不受損壞。 涂敷層：涂敷層：由高損耗的柔軟材料由高損耗的柔軟材料( (硅酮樹脂硅酮樹脂) )制成。制成。增強機械性能，保護光纖。增強機械性能，保護光纖。阻止纖芯光功率串入鄰近光纖線路，抑制串?dāng)_。阻止纖芯光功率串入鄰近光纖線路，抑制串?dāng)_。(n1 )(n2 )（b）光纖剖面結(jié)構(gòu)示意圖 5-5 光纖的結(jié)構(gòu)圖2 2光纖的導(dǎo)

26、光原理光纖的導(dǎo)光原理 階躍型光纖中光的傳播階躍型光纖中光的傳播折射定律（斯乃爾折射定律（斯乃爾定律）：定律）：當(dāng)光線從高折射率（當(dāng)光線從高折射率（n n1 1）的介質(zhì)的介質(zhì)射向低折射率射向低折射率（n n2 2）的介質(zhì)）的介質(zhì)時，其折時，其折射角射角 2將大于入射角將大于入射角 1。臨界角臨界角 c c為：為：sinsin c c 12nn2211sinnsinn 圖5-6 折射定理示意圖 光不斷在纖芯與包層光不斷在纖芯與包層的界面上發(fā)生的界面上發(fā)生全反射全反射而而被限制在纖芯內(nèi)傳播。被限制在纖芯內(nèi)傳播。圖圖 5-7 階躍型多模光纖導(dǎo)光原理圖階躍型多模光纖導(dǎo)光原理圖 n最大入射角最大入射角:m

27、ax的光線才能在光纖中傳播的光線才能在光纖中傳播;max的光的光線將在分界面折射進包層并逐漸消失。線將在分界面折射進包層并逐漸消失。在在2 內(nèi)的光，內(nèi)的光，光纖都能接收。光纖都能接收。數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA）： 其中其中 為纖芯與包層的相對折射率差。為纖芯與包層的相對折射率差。 弱導(dǎo)光纖：弱導(dǎo)光纖：光纖的纖芯與包層的相對折射率差很小，即光纖的纖芯與包層的相對折射率差很小，即n1 n2n1 n2。 NA表示光纖接收和傳輸光的能力表示光纖接收和傳輸光的能力: NA越大（越大（越大越大），光纖接收光的能力越強，從光源到光），光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的耦合效率越高，纖芯對光能量的束縛越強。

28、纖的耦合效率越高，纖芯對光能量的束縛越強。 NA越大越大,光纖的模間色散會越嚴(yán)重。光纖的模間色散會越嚴(yán)重。 3 3光纖的傳輸模式光纖的傳輸模式 n光線以光線以某一角度射入光纖端面、并能在光纖經(jīng)纖某一角度射入光纖端面、并能在光纖經(jīng)纖芯芯包層界面上形成全反射的傳播光線就可稱為包層界面上形成全反射的傳播光線就可稱為一個光的一個光的傳輸模式（傳輸模式（modemode）。）。n沿光纖軸傳播的叫作沿光纖軸傳播的叫作基?；＃嗬^還有一次模、二，相繼還有一次模、二次模等次模等 。圖5-8 光纖傳輸模式n光實質(zhì)是電磁波，所以光場的光實質(zhì)是電磁波，所以光場的“模模式式”實質(zhì)上是電磁場的一種分布形實質(zhì)上是電磁場

29、的一種分布形式。模式不同，其電磁場的分布不式。模式不同，其電磁場的分布不同。同。 4 4光纖的種類光纖的種類 光纖的材料成份光纖的材料成份 石英光纖石英光纖 纖芯和包層由高純度的纖芯和包層由高純度的siosio2 2摻有適當(dāng)摻有適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)制成。的雜質(zhì)制成。損耗最低，強度和可靠性高，最適宜損耗最低，強度和可靠性高，最適宜長距離，大容量的光纖通信長距離，大容量的光纖通信 。多組份玻璃纖維多組份玻璃纖維 siosio2 2摻有較多成分的雜質(zhì)制成。摻有較多成分的雜質(zhì)制成。損耗較低，但可靠性尚存在問題。損耗較低，但可靠性尚存在問題。塑料包層光纖塑料包層光纖 纖芯是用石英制成，包層是硅樹脂。纖芯是用石英制

30、成，包層是硅樹脂。 全塑光纖全塑光纖 光纖的芯子和包層都由塑料組成。光纖的芯子和包層都由塑料組成。價格低，適用于短距離通信。價格低，適用于短距離通信。 損耗大。損耗大。光纖橫截面上的折射率分布光纖橫截面上的折射率分布階躍型光纖（階躍型光纖（Step-Index Fiber） 光纖纖芯的折射率光纖纖芯的折射率n1n1和包和包層的折射率層的折射率n2n2都為一常數(shù)，且都為一常數(shù)，且n1n2n1n2，在纖芯和包層的交界在纖芯和包層的交界面處折射率呈階梯型變化，這面處折射率呈階梯型變化，這種光纖稱為種光纖稱為階躍型光纖階躍型光纖，又稱，又稱為為突變型光纖突變型光纖，可用，可用SI表示。表示。（a）階躍

31、光纖的折射率分布剖面 圖5-9 光纖剖面的折射率分布n漸變型光纖（漸變型光纖（Graded-Index FiberGraded-Index Fiber） 光纖纖芯折射率光纖纖芯折射率n n1 1隨著半隨著半徑的增加而按一定規(guī)律減小，徑的增加而按一定規(guī)律減小，到纖芯與包層交界處為包層到纖芯與包層交界處為包層的折射率的折射率n n2 2，即纖芯中折射，即纖芯中折射率的變化呈近似拋物線型。率的變化呈近似拋物線型。這種光纖稱為這種光纖稱為漸變型光纖漸變型光纖，可用可用GIGI表示。表示。（b）漸變光纖的折射率分布剖面圖5-9 光纖剖面的折射率分布光纖的傳輸模式數(shù)量光纖的傳輸模式數(shù)量多模光纖：多模光纖：

32、MM（Multi-mode fiber）允許光波以多個特定的角度射入光纖端面，并允許光波以多個特定的角度射入光纖端面，并在光纖中傳播，稱光纖中有多個傳輸模式。這種在光纖中傳播，稱光纖中有多個傳輸模式。這種能傳輸多個模式（基模、高次模、低次模）的光能傳輸多個模式（基模、高次模、低次模）的光纖稱為纖稱為多模光纖多模光纖。芯徑大芯徑大，其纖芯直徑包層直徑約為：，其纖芯直徑包層直徑約為：5080m125200m，易對接。易對接。帶寬較窄，傳輸容量較小，傳輸?shù)木嚯x較近帶寬較窄，傳輸容量較小，傳輸?shù)木嚯x較近（幾公里（幾公里 ）。）。 適用于適用于低速度、短距離低速度、短距離的光纖通信。的光纖通信。 單模光

33、纖：單模光纖：SMSM（Single ModeSingle Mode） 當(dāng)光纖的芯徑很小時，光纖只允許與光纖軸當(dāng)光纖的芯徑很小時，光纖只允許與光纖軸一致的光線通過，即只允許通過一個基模，一致的光線通過，即只允許通過一個基模，這種只允許傳輸一個模式（基模）的光纖為這種只允許傳輸一個模式（基模）的光纖為單模光纖單模光纖。n纖芯直徑很小，約為纖芯直徑很小，約為410m，包層直徑包層直徑為為125m。連接時較困難。連接時較困難。 n傳輸頻帶寬，傳輸容量大傳輸頻帶寬，傳輸容量大。單模光纖的帶寬。單模光纖的帶寬一般都在幾十一般都在幾十GHz以上。以上。n適用于適用于大容量、長距離大容量、長距離的光纖通信。

34、的光纖通信。 突變型多模光纖（突變型多模光纖（step-Index Fiberstep-Index Fiber，SIFSIF）纖芯直徑纖芯直徑2a5080 um。光纖以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點光纖以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變大。是信號畸變大。多模階躍型光纖的結(jié)構(gòu)最為簡單，制造工藝易于多模階躍型光纖的結(jié)構(gòu)最為簡單，制造工藝易于實現(xiàn)，是光纖研究的初期產(chǎn)品實現(xiàn)，是光纖研究的初期產(chǎn)品。帶寬較窄帶寬較窄, ,只能用于小容量（只能用于小容量（8 8Mb/sMb/s以下）短距離以下）短距離（幾（幾kmkm以下）系統(tǒng)。以下）系統(tǒng)。圖5-10 三種主要類型的光纖 (a)多模階躍型

35、光纖多模階躍型光纖 圖圖5-10 三種主要類型的光纖三種主要類型的光纖 （b）多模漸變型光纖多模漸變型光纖 漸變型多模光纖（漸變型多模光纖（Graded-Index FiberGraded-Index Fiber，GIFGIF）纖芯直徑纖芯直徑2a為為50um。光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變小。信號畸變小。適用于中等容量（適用于中等容量（3434140140Mb/sMb/s）中等距離（中等距離（10102020kmkm）系統(tǒng)。）系統(tǒng)?，F(xiàn)在仍大量用于局域網(wǎng)中現(xiàn)在仍大量用于局域網(wǎng)中。 單模階躍型光纖單模階躍型光纖 （Single-M

36、ode FiberSingle-Mode Fiber，SMFSMF）纖芯直徑只有纖芯直徑只有810um。光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變很小。是信號畸變很小。帶寬一般都在幾十帶寬一般都在幾十GHz以上，適用于大容量以上，適用于大容量（2.52.5Gb/sGb/s）、長距離（、長距離（3030kmkm以上）的光纖通信以上）的光纖通信 。圖圖5-10 三種主要類型的光纖三種主要類型的光纖(c)單模階躍型光纖單模階躍型光纖 5光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性 n限制光纖通信發(fā)展的兩個重要因素：限制光纖通信發(fā)展的兩個重要因素： 光信號經(jīng)光纖傳輸

37、后要產(chǎn)生衰減和失真，光信號經(jīng)光纖傳輸后要產(chǎn)生衰減和失真，因而與輸入信號不同，主要原因是光纖中存因而與輸入信號不同，主要原因是光纖中存在在損耗損耗和和色散色散。光纖損耗的概念光纖損耗的概念 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增減光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增減而光功率逐漸下降的現(xiàn)象，稱為而光功率逐漸下降的現(xiàn)象，稱為光纖的傳輸光纖的傳輸損耗損耗。n縮短了通信距離。從某種程度上講，縮短了通信距離。從某種程度上講，光纖光纖的損耗不可能將為的損耗不可能將為0。n光纖損耗的分類：光纖損耗的分類：吸收損耗吸收損耗散射損耗散射損耗1.1.吸收損耗吸收損耗: :是光波通過光纖的材料時，有一部是光波通過光纖的材

38、料時，有一部分光能被光纖材料吸收變成熱能，從而造成光功分光能被光纖材料吸收變成熱能，從而造成光功率的損失。率的損失。 包括包括: :本征吸收本征吸收和和雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收(1)(1)本征吸收本征吸收( (固有吸收固有吸收):):是由是由SiOSiO2 2材料引起的固材料引起的固有吸收。有吸收。 紅外波段紅外波段: :吸收峰在吸收峰在8 812um12um波長區(qū)域波長區(qū)域, ,對光纖通對光纖通信影響不大信影響不大 紫外波段紫外波段: :0.4um,0.4um,其尾部會拖到其尾部會拖到0.70.71.1um1.1um波段波段, ,對光纖通信有一定影響對光纖通信有一定影響 本征吸收較小，在本征吸收較小

39、，在0.80.81.6um1.6um波波段段,0.1db/km,0.1db/km。 在在1.31.31.6um1.6um波段波段,0.03db/km,0.03db/km(2)(2)雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收: :由過渡金屬（例由過渡金屬（例FeFe2+2+、CoCo2 2、CuCu2 2等）等）和氫氧根離子（和氫氧根離子（OHOH- -）在光波的激勵下發(fā)生振動而在光波的激勵下發(fā)生振動而消耗光能消耗光能。氫氧根離子（氫氧根離子（OHOH- -）的吸收峰）的吸收峰: :在在0.95um,1.24um0.95um,1.24um和和1.39um1.39um波長波長, ,其中其中1.39um1.39um波長的吸收

40、峰影響最波長的吸收峰影響最嚴(yán)重嚴(yán)重 目前目前OHOH- -含量已經(jīng)降低到含量已經(jīng)降低到1010-9-9以下以下, 1.39um, 1.39um吸收損耗吸收損耗0.5db/km材料色散材料色散波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散n多模光纖多模光纖：模式色散占主要模式色散占主要，波導(dǎo)色散可以忽，波導(dǎo)色散可以忽略。略。n單模光纖單模光纖：只有單一的基模滿足傳輸條件，因只有單一的基模滿足傳輸條件，因此不存在模式色散，只存在此不存在模式色散，只存在材料色散和波導(dǎo)色材料色散和波導(dǎo)色散。散。2.22.2光纜光纜 1光纜的基本結(jié)構(gòu)光纜的基本結(jié)構(gòu) 纜芯纜芯: :由單根或多根光纖組由單根或多根光纖組成。成。 加強元件加強元件: :材

41、料可為鋼絲或材料可為鋼絲或非金屬的纖維、增強塑料等。非金屬的纖維、增強塑料等。 護層護層: :可分為內(nèi)護層和外護可分為內(nèi)護層和外護層。層。2光纜的種類光纜的種類 n層絞式光纜層絞式光纜 將若干根光纖芯線以將若干根光纖芯線以強度元件為中心排列成強度元件為中心排列成一層一層,隔適當(dāng)距離進行一隔適當(dāng)距離進行一次絞合的結(jié)構(gòu)。次絞合的結(jié)構(gòu)。 光纖芯線數(shù)一般不超光纖芯線數(shù)一般不超過過10根，絞合節(jié)距為根，絞合節(jié)距為1020cm。（）層絞式（）層絞式 圖圖5-17光纜的基本結(jié)構(gòu)光纜的基本結(jié)構(gòu)（）層絞式（）層絞式n單位式光纜單位式光纜 骨架式光纜骨架式光纜 帶狀式光纜帶狀式光纜 5.35.3光纖通信系統(tǒng)的組成

42、光纖通信系統(tǒng)的組成 光纖通信系統(tǒng)主要由四部分組成：光纖通信系統(tǒng)主要由四部分組成：光發(fā)射機、光發(fā)射機、光中繼器、光接收機、傳輸光纜光中繼器、光接收機、傳輸光纜光纖線路光纖線路 信信 息息 源源電發(fā)射機電發(fā)射機光發(fā)射機光發(fā)射機光接收機光接收機電接收機電接收機 信信 息息 宿宿發(fā)發(fā) 射射接接 受受電信號輸入電信號輸入光信號輸出光信號輸出光信號輸入光信號輸入電信號輸出電信號輸出圖圖 5-18 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng)n信息源：把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號，信息源：把用戶信息轉(zhuǎn)換為原始電信號，即基帶信號。即基帶信號。n電發(fā)射機：把模擬基帶信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電

43、發(fā)射機：把模擬基帶信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號 （信 號 （ A / D 變 換 ） ， 完 成 脈 沖 編 碼變 換 ） ， 完 成 脈 沖 編 碼（PCM）。并按照時分復(fù)用的方式把多。并按照時分復(fù)用的方式把多路信號復(fù)接，合群，輸出高比特率的數(shù)路信號復(fù)接，合群，輸出高比特率的數(shù)字信號。字信號。 n光發(fā)射機：光發(fā)射機： 將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。n光纖線路：光纖線路： 光載波經(jīng)過光纖線路光載波經(jīng)過光纖線路 傳輸?shù)浇邮斩?。傳輸?shù)浇邮斩?。n光接收機：光接收機： 將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。n電接收機：與電發(fā)射機的作用相反，將接收電接收機：與電發(fā)射機的作用相反，將接收的電信

44、號還原為基帶信號。的電信號還原為基帶信號。n信息宿：將基帶信號恢復(fù)為用戶信息。信息宿：將基帶信號恢復(fù)為用戶信息。電電 光光 電電基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng)5.3.15.3.1光發(fā)射機與光源器件光發(fā)射機與光源器件 n 光發(fā)射機光發(fā)射機作用作用n 實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。n原理是用承載信息的電信號對光源進行原理是用承載信息的電信號對光源進行調(diào)制調(diào)制，使光源產(chǎn)生出與電信號相對應(yīng)的光，使光源產(chǎn)生出與電信號相對應(yīng)的光信號，從而實現(xiàn)了電光轉(zhuǎn)換。信號，從而實現(xiàn)了電光轉(zhuǎn)換。n將已調(diào)光信號注入光纖。將已調(diào)光信號注入光纖。光源器件光源器件 n光源光源: :功能是把電信號轉(zhuǎn)換為光信號。功能是把電信號轉(zhuǎn)換為

45、光信號。n發(fā)光波長選擇光在光纖中傳播的三個低損耗波發(fā)光波長選擇光在光纖中傳播的三個低損耗波長區(qū)域長區(qū)域.n與與光纖的耦合效率高光纖的耦合效率高。n發(fā)光足夠強，并能長時間穩(wěn)定工作。發(fā)光足夠強，并能長時間穩(wěn)定工作。圖圖5-4 光纖通信的三個低損耗窗口光纖通信的三個低損耗窗口 法布里法布里-珀羅腔激光器珀羅腔激光器 （F-P腔激光器腔激光器)半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD） 分布反饋激光器分布反饋激光器 （DFB激光器）激光器） 量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱半導(dǎo)體激光器 PIN光電二極管光電二極管發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED） 雪崩二極管雪崩二極管 常用的光源：常用的光源： 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器

46、 激光（激光（LASER）：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-受激受激輻射的光放大。輻射的光放大。 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器：向半導(dǎo)體向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生，產(chǎn)生受激輻射受激輻射，再利用，再利用諧振腔諧振腔的的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩激光振蕩的。的。 激射條件：激射條件： 1.有源區(qū)里要產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。有源區(qū)里要產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 2. 2.存在光學(xué)諧振機制，并在有源區(qū)里建立起穩(wěn)存在光學(xué)諧振機制，并在有源區(qū)里建立

47、起穩(wěn)定的振蕩。定的振蕩。 一半導(dǎo)體激光器的工作原理一半導(dǎo)體激光器的工作原理n1受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布n2PN結(jié)的能帶和電子分布結(jié)的能帶和電子分布n3激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩和光學(xué)諧振腔 1受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布能級：能級：基態(tài)：基態(tài)：最低的能級最低的能級E1激發(fā)態(tài)：激發(fā)態(tài)：Ei（i=1，2，3，）圖5-20 能級圖 原子中的電子可以通過和外界交換能量原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子躍遷，或稱能級躍遷。的方式發(fā)生量子躍遷，或稱能級躍遷。能級躍遷有三種基本方式：能級躍遷有三種基本方式：自發(fā)輻射；自發(fā)輻射；受激輻射；受激吸收受激

48、輻射；受激吸收 能級的躍遷能級的躍遷 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 處在高能級處在高能級E2上的電子按照一定的概率自發(fā)上的電子按照一定的概率自發(fā)地躍遷到低能級地躍遷到低能級E1上，與空穴復(fù)合，釋放的能量上，與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)化為一個頻率為轉(zhuǎn)化為一個頻率為f的光子輻射出去，這種躍遷稱的光子輻射出去，這種躍遷稱為為自發(fā)輻射自發(fā)輻射。波爾條件：波爾條件： 電子在電子在E1和和E2兩個能級間躍遷，吸收的光子兩個能級間躍遷，吸收的光子能量或輻射出光子能量都要滿足波爾條件，即能量或輻射出光子能量都要滿足波爾條件，即 式中，式中，h=6.6281034Js,為普朗克常數(shù)為普朗克常數(shù),f為吸收或為吸收或輻射的光子頻

49、率。輻射的光子頻率。 E2 E1=hf注意注意：自發(fā)輻射的光是一種非相干光。自發(fā)輻射的光是一種非相干光。 處在高能級處在高能級E2上的電子在感應(yīng)光場的作用下上的電子在感應(yīng)光場的作用下（感應(yīng)光子的能量（感應(yīng)光子的能量= E2 E1=hf），被迫躍遷到），被迫躍遷到低能級低能級E1上與空穴復(fù)合，釋放出一個和感應(yīng)光子上與空穴復(fù)合，釋放出一個和感應(yīng)光子一模一樣的光子，這個過程稱為一模一樣的光子，這個過程稱為受激輻射。受激輻射。 受激輻射受激輻射 注意注意：這個發(fā)射的光子和感應(yīng)光子的頻率，相位，偏振方這個發(fā)射的光子和感應(yīng)光子的頻率，相位，偏振方向和傳播方向都相同，向和傳播方向都相同，它和感應(yīng)光子是相干的

50、。它和感應(yīng)光子是相干的。 受激吸收受激吸收 處在低能級處在低能級E1上的電子在感應(yīng)光場的作用下上的電子在感應(yīng)光場的作用下（感應(yīng)光子的能量（感應(yīng)光子的能量= E2 E1=hf），吸收一個光），吸收一個光子而躍遷到高能級子而躍遷到高能級E2上，這個過程稱為受激吸收。上，這個過程稱為受激吸收。 光的放大和吸收光的放大和吸收 設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級 和處在高能級和處在高能級 （ ）的原子數(shù)分別為）的原子數(shù)分別為N1 和和N2 。當(dāng)系統(tǒng)處于熱。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時，存在下面的分布：平衡時，存在下面的分布： 其中，其中， =1.38110-23J/K,為波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼

51、常數(shù)， 為熱力為熱力學(xué)溫度。學(xué)溫度。)exp(1212kTEENN1E2E21EE kT 吸收媒質(zhì)吸收媒質(zhì) 在熱平衡系統(tǒng)中，總有在熱平衡系統(tǒng)中，總有N1 N2（因為（因為電子總是占據(jù)低能量的軌道）。在這種媒電子總是占據(jù)低能量的軌道）。在這種媒質(zhì)中，質(zhì)中，N1 N2，受激吸收大于受激輻射。，受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光波通過這種物質(zhì)時，光強按指數(shù)衰減，當(dāng)光波通過這種物質(zhì)時，光強按指數(shù)衰減，光被吸收，這種物質(zhì)稱為光被吸收，這種物質(zhì)稱為吸收媒質(zhì)。吸收媒質(zhì)。 放大媒質(zhì)放大媒質(zhì) 在這種媒質(zhì)中，在這種媒質(zhì)中，N2 N1, 受激輻射總是占主導(dǎo)受激輻射總是占主導(dǎo)地位。地位。 當(dāng)光波通過媒質(zhì)時，強度按指數(shù)規(guī)律增加

52、，光當(dāng)光波通過媒質(zhì)時，強度按指數(shù)規(guī)律增加，光波被放大，這種物質(zhì)稱為放大媒質(zhì)（也稱激活媒波被放大，這種物質(zhì)稱為放大媒質(zhì)（也稱激活媒質(zhì)）。質(zhì)）。 N2 N1的媒質(zhì)是一種處于非熱平衡狀態(tài)下的的媒質(zhì)是一種處于非熱平衡狀態(tài)下的反常情況，和正常狀態(tài)反常情況，和正常狀態(tài)N1 N2相反，稱之為相反，稱之為粒子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或布居反轉(zhuǎn)。數(shù)反轉(zhuǎn)或布居反轉(zhuǎn)。 2PN結(jié)的能帶和電子分布結(jié)的能帶和電子分布 晶體的能帶晶體的能帶： 半導(dǎo)體（硅，鍺）是由大量原子周期性有半導(dǎo)體（硅，鍺）是由大量原子周期性有序排列成的共價晶體，在共價晶體中，每個原序排列成的共價晶體，在共價晶體中，每個原子最外層的電子和鄰近原子形成共價鍵。子最外層

53、的電子和鄰近原子形成共價鍵。 在這種晶體中，電子所處的能態(tài)擴展成能級在這種晶體中，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶。連續(xù)分布的能帶。價帶價帶：形成共價鍵的價：形成共價鍵的價電子所占據(jù)的能帶，能電子所占據(jù)的能帶，能量低。量低。導(dǎo)帶導(dǎo)帶：自由電子占據(jù)的：自由電子占據(jù)的能帶，能量高。能帶，能量高。禁帶禁帶：導(dǎo)帶底的能量：導(dǎo)帶底的能量EC和價帶頂?shù)哪芰亢蛢r帶頂?shù)哪芰縀V之間之間的能帶差的能帶差ECEV=Eg稱稱為禁帶寬度或帶隙為禁帶寬度或帶隙。圖圖5-23 價帶和導(dǎo)帶示意圖價帶和導(dǎo)帶示意圖 )(Ef費米費米狄拉克統(tǒng)計狄拉克統(tǒng)計：根據(jù)量子統(tǒng)計理論，在熱平：根據(jù)量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為衡

54、狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率的能級被電子占據(jù)的概率 服從費米分布函數(shù)，可表示為：服從費米分布函數(shù)，可表示為： 各種半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計分布各種半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計分布 圖 5-24各種半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計分布“自建場自建場” 產(chǎn)生漂移產(chǎn)生漂移運動，漂移運動和擴運動，漂移運動和擴散運動的方向相反。散運動的方向相反。2. 隨著隨著“自建場自建場”的加強，的加強，漂移運動也加強，最漂移運動也加強，最后漂移運動完全抵消后漂移運動完全抵消了擴散運動，達到動了擴散運動，達到動態(tài)平衡。態(tài)平衡。3. 當(dāng)不外加電壓時，當(dāng)不外加電壓時，PN結(jié)是處于動態(tài)平衡，結(jié)是處于動態(tài)平衡，宏觀上沒有電流流過。宏觀上沒有電流

55、流過。 PN結(jié)的形成結(jié)的形成圖5-25 P-N結(jié)空間電荷的形成PN結(jié)加上結(jié)加上正向電壓正向電壓外加電壓的電場方向和自外加電壓的電場方向和自建場方向相反，削弱了自建建場方向相反，削弱了自建場，打破了動態(tài)平衡。場，打破了動態(tài)平衡。擴散運動超過了漂移運動，擴散運動超過了漂移運動，P區(qū)的空穴通過區(qū)的空穴通過PN結(jié)流向結(jié)流向N區(qū)，區(qū)，N區(qū)的電子流向區(qū)的電子流向P區(qū)，區(qū)，形成正向電流。形成正向電流。由于由于P區(qū)的空穴和區(qū)的空穴和N區(qū)電子區(qū)電子都很多，所以這股電流是大都很多，所以這股電流是大電流。電流。 圖5-25 P-N結(jié)空間電荷的形成n PN結(jié)加結(jié)加反向電壓反向電壓n外電場的方向很自建場外電場的方向很自

56、建場相同，多數(shù)載流子將背相同，多數(shù)載流子將背離離PN結(jié)的界面移動，使結(jié)的界面移動，使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)變寬。n空間電荷區(qū)的電子和空空間電荷區(qū)的電子和空穴都很少，它變成高阻穴都很少，它變成高阻層，因而反向電流很小。層，因而反向電流很小。n PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。結(jié)具有單向?qū)щ娦?。圖5-25 P-N結(jié)空間電荷的形成 PN結(jié)上加上結(jié)上加上正向電壓正向電壓產(chǎn)生與自建場相反方產(chǎn)生與自建場相反方向的外加電場，擴散增向的外加電場，擴散增強。強。電子運動方向與電場電子運動方向與電場方向相反，使方向相反，使N區(qū)的電區(qū)的電子向子向P區(qū)運動，區(qū)運動，P區(qū)的區(qū)的空穴向空穴向N區(qū)運動，最后區(qū)運動，最后在在PN結(jié)

57、形成一個特殊結(jié)形成一個特殊的的增益區(qū)增益區(qū)。 增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 在電子和空穴擴散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價帶和在電子和空穴擴散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。自發(fā)輻射光。圖 5-27正向偏置時P-N結(jié)的能帶3.激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩和光學(xué)諧振腔 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件必要條件，但還不能產(chǎn)生單色性和方向性好的激光輸出。但還不能產(chǎn)生單色性和方向性好的激光輸出。 只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，

58、通過光只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，通過光振蕩，對振蕩，對光的頻率和方向進行選擇光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 在半導(dǎo)體激光器中，光振蕩的形成主要有兩種在半導(dǎo)體激光器中，光振蕩的形成主要有兩種方式：方式：用晶體天然的解理面形成用晶體天然的解理面形成法布里法布里-珀羅諧振腔珀羅諧振腔（F-P腔）腔），當(dāng)光在諧振腔中滿足一定的相，當(dāng)光在諧振腔中滿足一定的相位條件和振幅條件時，建立起穩(wěn)定的光振蕩。位條件和振幅條件時，建立起穩(wěn)定的光振蕩。這種激光器稱為這種激光器稱為F-P腔激光器。腔激光器。利用有源區(qū)一側(cè)的周期性波紋結(jié)構(gòu)提供光耦利用

59、有源區(qū)一側(cè)的周期性波紋結(jié)構(gòu)提供光耦合來形成光振蕩，如合來形成光振蕩，如分布反饋激光器（分布反饋激光器（DFB激光器）。激光器）。法布里法布里- -珀羅諧振腔（珀羅諧振腔（F-PF-P腔腔） 構(gòu)成與工作原理構(gòu)成與工作原理： 由兩個反射率分別為由兩個反射率分別為R1和和R2的平行反射鏡構(gòu)的平行反射鏡構(gòu)成。成。 由于諧振腔內(nèi)的激活由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的布，可以用它產(chǎn)生的自自發(fā)輻射光作為入射光。發(fā)輻射光作為入射光。圖5-28 F-P腔結(jié)構(gòu)圖n入射光經(jīng)過反射鏡反射入射光經(jīng)過反射鏡反射，n沿軸向方向傳播的沿軸向方向傳播的光被放大，光被放大，n沿非軸線方

60、向的光沿非軸線方向的光被減弱。被減弱。n反射經(jīng)過多次反饋，不反射經(jīng)過多次反饋，不斷得到放大，方向性得斷得到放大，方向性得到不斷改善，結(jié)果增益到不斷改善，結(jié)果增益大幅度得到提高。大幅度得到提高。圖5-29 F-P腔的反饋放大作用1發(fā)射波長發(fā)射波長 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長：取決于導(dǎo)帶的電半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長：取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于禁帶寬度于禁帶寬度Eg，即有，即有式中式中f=c/；f, 分別為發(fā)射光的頻率和波長，分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3108m/s為光速，為光速，h=6.6281034Js為普朗克為普朗克常數(shù)。