第四章

光通信器件4.1半導體激光器4.2半導體發(fā)光二極管(LED)4.3光放大器4.4光檢測器4.5其他光通信器件7/26/20231安工大數(shù)理ZhouWenping4.1半導體激光器4.1.1半導體激光器原理4.1.2激光器的基本組成4.1.3半導體激光器的機理4.1.4制作激光器的材料4.1.5F－P腔激光器*4.1.6量子阱半導體激光器4.1.7分布反饋激光器4.1.8半導體激光器的工作特性*4.1.9光纖通信使用的激光器4.1.10固體藍光激光器*7/26/20232安工大數(shù)理ZhouWenping工作原理：是激勵方式，利用半導體物質(即電子)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產生光的輻射放大，輸出激光。形成激光的條件：有源區(qū)產生足夠的粒子數(shù)反轉分布；存在光學諧振機制，并在有源區(qū)建立起穩(wěn)定的光振蕩。解理面NP耗盡層金屬電極金屬電極4.1.1～4.1.4半導體激光器原理7/26/20233安工大數(shù)理ZhouWenping4.1.1～4.1.4半導體激光器原理能帶：價帶、禁帶、導帶Ｐ型、Ｎ型半導體的能帶PN結、半導體激光器產生激光原理激光器模型7/26/20234安工大數(shù)理ZhouWenping半導體激光器的組成激光工作物質：半導體材料，在被激活的條件下，可以輻射光子。泵浦源：在泵浦源的激勵下，工作物質被激活而成為激活物質或增益物質。光學諧振腔：其正反饋作用使光的增益大于損耗，產生激光。7/26/20235安工大數(shù)理ZhouWenping半導體激光器的材料、激勵方式、分類半導體材料工作物質：如，砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式：電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。分類：同質結、單異質結、雙異質結等幾種半導體激光器。7/26/20236安工大數(shù)理ZhouWenping峰值波長，應在光纖的低損耗窗口之內，即與石英光纖三個低損耗窗口相適應。高而穩(wěn)定的輸出光功率(入纖功率：數(shù)十μw至數(shù)mw)

，以滿足系統(tǒng)的光中繼段距離的要求。高的電光轉換效率，低功率驅動，長壽命，高可靠性。單色性和方向性好，以減少光纖的材料色散，提高光纜和光纖的耦合效率。易于調制，響應速度快，溫度特性好，以利于高速率大容量的數(shù)字信號的傳輸。體積小，重量輕，便于安裝使用，也利于和光纖的耦合。一、光纖通信對光源的基本要求7/26/20237安工大數(shù)理ZhouWenping二、光通信用的激光光源三種激光器：1、單縱模(SLM)半導體激光器①分布反饋(DFB)激光器

②分布布拉格反射(DBR)激光器2、量子阱(QW)激光器3、光纖激光器*7/26/20238安工大數(shù)理ZhouWenping1、單縱模(SLM)半導體激光器SLM的思想是使不同縱模具有不同的腔損耗，具有最低光腔損耗的縱模最先達到閾值并成為支配模式。其它鄰模由于高損耗而被區(qū)分開，并被阻止從自發(fā)輻射中建立。這些鄰模攜帶的功率在總的輻射功率中一般只占很小一部分(<1%)。頻率ν縱模發(fā)射模損耗線增益單縱模半導體激光器的增益和損耗7/26/20239安工大數(shù)理ZhouWenping(a)結構(b)光反饋1、SLM半導體激光器-分布反饋激光器DFB反饋并不位于端面上，而是分布在整個光腔長度上，通過折射率周期擾動的內建光柵產生的布拉格散射得到，并使正向和反向傳播的波相互耦合。7/26/202310安工大數(shù)理ZhouWenpingDFB機制產生模式選擇需要滿足布拉格條件（波長耦合條件）：Λ＝m(λB/2n)

Λ—光柵周期；m—布拉格散射的階數(shù)；

λB—布拉格波長；n—模折射率例如：一階布拉格散射(m=1)，正向和反向耦合最強，對工作于λB=1550nm的DFB激光器，若m=1，n=3.3，則Λ=235nm。此光柵可用全息照相技術制造。1、SLM半導體激光器-分布反饋激光器DFB7/26/202311安工大數(shù)理ZhouWenpingN型P型光柵有源層DFB激光器DBRDBR激光器DBR泵浦區(qū)N型P型DFB激光器：反饋發(fā)生在整個光腔有源區(qū)長度上。DBR激光器：反饋并不發(fā)生在有源區(qū)內。1、SLM半導體激光器-兩類DFB機制的半導體激光器7/26/202312安工大數(shù)理ZhouWenping多段DFB和DBR激光器的設計方案，可實現(xiàn)穩(wěn)定性和可調諧性兼?zhèn)涞腟LM激光器。它由三段組成：有源段、相位控制段、布拉格段。通過注入不同大小的電流分別偏置：注入到布拉格段的電流I3導致折射率變化，改變布拉格波長；注入到相位控制段的電流I2導致折射率變化，改變從DBR反饋的相位。通過控制這三段的電流，激光波長能在5～7nm范圍內連續(xù)調節(jié)。波長由在布拉格段的內建光柵決定，這種激光器工作穩(wěn)定，適用于相干通信系統(tǒng)。多段DBR激光器7/26/202313安工大數(shù)理ZhouWenpingDFB激光器比F-P激光器的優(yōu)點單縱模激光器譜線窄，波長穩(wěn)定性好動態(tài)譜線好線性好DFB激光器vs

普通激光器7/26/202314安工大數(shù)理ZhouWenping2、量子阱(QW)半導體激光器基本結構與普通的雙異質結激光器結構類似，只是有源區(qū)的厚度很薄，僅為：10～100?（通常的F-P腔激光器為：1000～2000?），使窄帶隙的有源區(qū)為導帶中的電子和價帶中的空穴創(chuàng)造了一個勢能阱，從而帶來一系列優(yōu)越的性質，如：極低的閾值電流、高的輸出光功率、窄的發(fā)射譜線、發(fā)射波長可調諧、弱溫度依賴等，被稱為“理想激光器”。7/26/202315安工大數(shù)理ZhouWenping量子阱激光器可以為單量子阱、多量子阱；還可以在內部制造波紋光柵，構成量子阱-分布反饋(QW-DBF)激光器，從而獲得更窄的譜線寬度和更好的性能。如InGaAs-InGaAsPMQW-DFB

激光器含有4個量子阱，阱的厚度僅為70?，發(fā)射譜寬可減少到2MHz左右。2、量子阱(QW)半導體激光器MQW-DFB激光器的結構圖和能帶圖7/26/202316安工大數(shù)理ZhouWenping3、光纖激光器*

-摻鉺光纖激光器利用光纖光柵技術把摻鉺光纖相隔一定長度的兩處寫入光柵，兩光柵之間相當于諧振腔；用980nm或1480nm泵浦激發(fā)激光，鉺離子就會產生增益放大。由于光柵的選頻作用，諧振腔只能反饋某一特定波長的光，輸出單頻激光，再經過隔離器輸出線寬較窄、功率高、噪聲低的激光。7/26/202317安工大數(shù)理ZhouWenping把光纖布拉格光柵作為半導體激光二極管的外腔反射鏡，可以制作性能優(yōu)異的光纖光柵DFB激光器。該激光器不僅輸出激光的線寬窄，易與光纖耦合，而且通過對光柵加以縱向拉伸力或改變LD的調制頻率就能控制輸出激光的頻率和模式。3、光纖激光器*

-光纖光柵DFB激光器7/26/202318安工大數(shù)理ZhouWenpinga.結構圖b.頻譜圖5段鉺光纖光柵構成具有5個波長的DFB激光器3、光纖激光器*

-光纖光柵DFB激光器7/26/202319安工大數(shù)理ZhouWenping波長可調諧光纖光柵DFB激光器3、光纖激光器*

-光纖光柵DFB激光器7/26/202320安工大數(shù)理ZhouWenping(1)LED與光纖的耦合面發(fā)光與邊發(fā)光LED

同多模光纖的耦合效率可分別達到1％和10％；邊發(fā)光LED與單模光纖的耦合效率<1％。LED直接耦合效率非常低，因為LED發(fā)散角比較大。要提高耦合效率，可采用透鏡耦合方式。三、光源與光纖的耦合及組件7/26/202321安工大數(shù)理ZhouWenping透鏡耦合：在光源與光纖之間放置球透鏡(圖a)或將光纖端面加工成球面(圖b、c)，耦合效率可顯著提高。面發(fā)光LED同多模光纖的耦合效率可達到15％，邊發(fā)光LED的耦合效率可達到30％。三、光源與光纖的耦合及組件面發(fā)光LED與光纖的透鏡耦合7/26/202322安工大數(shù)理ZhouWenping(2)LD與光纖的耦合LD的發(fā)光面尺寸及發(fā)散角均比LED小，與光纖的耦合效率較高。LD與多模光纖的直接耦合效率可以高于70％；與單模光纖的耦合效率通常為10％～20％，直接耦合效率不高，主要原因是單模光纖模場半徑與LD模場半徑的失配，可采用透鏡耦合方式，提高耦合效率。LD與光纖的透鏡耦合三、光源與光纖的耦合及組件7/26/202323安工大數(shù)理ZhouWenping(3)半導體激光器組件長波長半導體激光器產品常以組件的形式出現(xiàn)，組件通常包括LD管芯、PD（光電二極管）、熱沉（微型水冷散熱片）、制冷器、熱敏電阻及光纖等。LD組件

三、光源與光纖的耦合及組件7/26/202324安工大數(shù)理ZhouWenping4.2半導體發(fā)光二極管(LED)4.2.1LED工作原理4.2.2LED工作特性7/26/202325安工大數(shù)理ZhouWenping4.2.1LED工作原理面發(fā)光型：驅動電流小，輸出光功率大；邊發(fā)光型：驅動電流大，輸出光功率小，光束輻射角小，與光纖耦合效率高，其入纖光功率比面發(fā)光型LED大。雙異質結面發(fā)光LED邊發(fā)光LED7/26/202326安工大數(shù)理ZhouWenping4.2.2LED性質自發(fā)輻射，無需粒子數(shù)反轉，非閾值器件；發(fā)射譜線寬，不利于高速信號傳輸；應用于中低速率、短距離的通信系統(tǒng)中。響應速度低，方向性差，發(fā)散角大（400～1200），與光纖耦合效率低；溫度性能好，不需要加溫控電路；制造工藝簡單，價格低廉；壽命長（106h），可靠性高。7/26/202327安工大數(shù)理ZhouWenping4.3光放大器4.3.1概述4.3.2光放大器分類4.3.3摻鉺光纖放大器(EDFA)4.3.4拉曼光纖放大器(SRA)4.3.5半導體光放大器4.3.6其他光放大器7/26/202328安工大數(shù)理ZhouWenping光放大器首先解決的是光路損耗的功率補償問題。光放大器能對光信號直接放大，省去光電轉換的麻煩，得到了廣泛的應用。光放大器的出現(xiàn)是繼光纖、激光器之后在光信息領域的新突破。顯然，光放大器是實現(xiàn)長距離光傳輸?shù)年P鍵器件，在光纖通信中享有重要的地位。它的出現(xiàn)，帶來了光信息領域將有新的突破，它將成為光信號處理、各種光功能器件的基礎元件。4.3.1概述7/26/202329安工大數(shù)理ZhouWenping受激輻射受激散射4.3.1概述-光放大器工作原理7/26/202330安工大數(shù)理ZhouWenping（1）增益：輸出光功率與輸入光功率的比值，單位dB。（2）增益帶寬：放大信號的有效頻率范圍。（3）增益飽和：輸入信號足夠大時，光放大器的最大增益。（4）噪聲（ASE）：光場噪聲（自發(fā)輻射）、強度/光電流噪聲。自發(fā)輻射噪聲:自發(fā)輻射躍遷是一種光子態(tài)不確定的隨機躍遷，所以有很寬的頻譜，形成噪聲。差拍噪聲：信號光與自發(fā)輻射光在光檢測器中發(fā)生相干混頻，從而使檢測器的光電流產生了一個差拍分量。4.3.1概述-光放大器的技術指標7/26/202331安工大數(shù)理ZhouWenping光纖放大器半導體光放大器(SOA)摻鉺光纖放大器(EDFA)拉曼光纖放大器(SRA)4.3.2光放大器分類7/26/202332安工大數(shù)理ZhouWenping（a）摻雜光纖放大器；（b）受激散射光纖放大器；（c）半導體光放大器幾類放大器的基本結構

4.3.2光放大器分類7/26/202333安工大數(shù)理ZhouWenping4.3.2光放大器分類-光纖放大器構成方框圖7/26/202334安工大數(shù)理ZhouWenping普通石英光纖其吸收譜和輻射譜都在光纖的通光窗口之外，不能產生光放大。普通光纖摻入稀土元素，使無活性的光纖變?yōu)橛谢钚缘墓饫w?；钚?光纖中的粒子具有受激吸收、受激輻射的性質。摻稀土(Nd、Sm、Ho、Er、Pr、Tm和Yb)光纖，利用受激輻射直接進行光放大。4.3.3摻鉺光纖放大器(EDFA)7/26/202335安工大數(shù)理ZhouWenping摻鉺的光纖在1550nm處有很好的輻射特性，正好落于光纖傳輸?shù)牡蛽p耗窗口(C波段：1528~1565nm)。由于980nm和1480nm的半導體激光器泵浦源的出現(xiàn)，使摻鉺光纖放大器得到了實用化。EDFA的特點：泵浦光功率低(10～100mW，而拉曼放大器泵浦光功率500～1000mW)、增益高(40dB)、噪聲低(3~4dB)、輸出光功率大(14~20dBm)、連接損耗小(0.1dB)、偏振不靈敏。4.3.3摻鉺光纖放大器(EDFA)7/26/202336安工大數(shù)理ZhouWenpingEDFA是基于活性介質摻鉺光纖（EDF）固有的受激輻射光放大機制。三種躍遷：受激吸收：EDF中的鉺離子，通過對泵浦光子的受激吸收從低能級躍遷到高能級，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。受激輻射：通入信號光，在信號光子的作用下，產生受激輻射放大。自發(fā)輻射：產生自發(fā)輻射噪聲ASE。EDFA光放大原理演示EDFA的原理和結構7/26/202337安工大數(shù)理ZhouWenping圖4-19摻鉺光纖放大器的基本組成signalEDFPump1Pump2WDM1WDM2Isolator1Isolator2PEDFA的原理和結構7/26/202338安工大數(shù)理ZhouWenping摻鉺光纖EDF（Er3+：25mg/kg）泵浦源Pump：鉺離子在EDF中的能級躍遷，不是像普通的激光器那樣，以電流作為泵浦源，而是以另一個波長的光作為泵浦源。波分復用耦合器WDM隔離器IsolatorEDFA的原理和結構7/26/202339安工大數(shù)理ZhouWenping根據(jù)泵浦光與信號光傳輸方向，分為：同向泵浦、反向泵浦或雙向泵浦結構。泵浦光吸收損耗：石英光纖吸收、鉺離子的受激吸收，總損耗很大。在鉺光纖的輸入端，信號光很小，需要的泵浦功率小。在鉺光纖的輸出端，信號光的功率變得比較大，容易產生飽和，這時希望有更大的泵浦功率。EDFA的泵浦方式7/26/202340安工大數(shù)理ZhouWenping同向泵浦：在輸入端泵浦功率大，輸出端的泵浦功率小，比較容易飽和；噪聲性能主要由最開始的一段決定。噪聲系數(shù)主要由自發(fā)輻射因子或者粒子數(shù)不完全反轉因子所決定。在EDF的輸入端的泵浦功率強，粒子數(shù)基本完全反轉，總的噪聲較小。不宜作為功率放大器，可做前置放大器。EDFA的泵浦方式-同向泵浦7/26/202341安工大數(shù)理ZhouWenping反向泵浦：到達EDF始端的光功率已經很小，粒子數(shù)反轉不完全，因此噪聲指數(shù)大。不易飽和，可做功率放大器。雙向泵浦：較大的輸出功率和較低的噪聲，線性范圍寬，適合于作為線路放大器。EDFA的泵浦方式-反向泵浦與雙向泵浦7/26/202342安工大數(shù)理ZhouWenping光信號泵浦反向泵浦：(功率放大器)考慮輸出功率：反向泵浦優(yōu)于同向泵浦，輸出功率高。光信號泵浦同向泵浦：EDFA的泵浦方式比較7/26/202343安工大數(shù)理ZhouWenping考慮噪聲：噪聲與粒子數(shù)反轉程度有關，因此同向泵浦有好的噪聲性能。同向泵浦(前置放大器)光信號泵浦反轉不完全反轉完全反向泵浦光信號泵浦反轉不完全反轉完全EDFA的泵浦方式比較7/26/202344安工大數(shù)理ZhouWenping同向泵浦：前置放大器反向泵浦：功率放大器雙向泵浦：線路放大器光發(fā)射機光接收機后置放大器(功率放大器)線路放大器前置放大器EDFA的用途7/26/202345安工大數(shù)理ZhouWenping光發(fā)射機光接收機光纖光纖EDFAEDFA在線放大器a在線放大器光發(fā)射機光接收機光纖EDFA功率放大器b發(fā)射機功率增強器光發(fā)射機光接收機光纖EDFA前置放大器c接收機前置放大器光發(fā)射機光接收機節(jié)點EDFA補償損耗放大器光纖總線d局域網中補償分配損耗7/26/202346安工大數(shù)理ZhouWenping圖4-23鉺離子的簡化能級結構4I15/2980nm1480nm1550nm4I11/24I13/2τ1μsτ10msEr3+的簡化能級結構7/26/202347安工大數(shù)理ZhouWenping從基態(tài)4I15/2

到激發(fā)態(tài)4I11/2，對應于980nm

波長的受激吸收；從基態(tài)4I15/2

到亞穩(wěn)態(tài)4I13/2，對應于1480nm波長的受激吸收；從亞穩(wěn)態(tài)4I13/2到基態(tài)4I15/2，對應于1550nm波長的受激輻射和自發(fā)輻射。泵浦光源的波長有980nm

和1480nm。Er3+三種躍遷7/26/202348安工大數(shù)理ZhouWenping光子轉換效率：受激放大的光子數(shù)與泵浦的光子數(shù)之比。能量轉換效率：受激放大的功率與泵浦的功率之比。假定光子轉換效率為100%：

980nm泵浦光：980nm波長的光子能量約為1550nm波長光子能量的1.58倍；能量轉換效率最高只有63%

。

1480nm泵浦光：1480nm波長的光子能量約為1550nm波長光子能量的1.04倍；能量轉換效率最高可達95%

。泵浦光的能量轉換效率7/26/202349安工大數(shù)理ZhouWenping1480nm泵浦二能級系統(tǒng)：存在泵浦波長上的受激輻射過程，將消耗處于激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)，引起放大器飽和增益，噪聲特性的劣化。980nm泵浦三能級系統(tǒng)：不存在泵浦光的受激輻射過程。噪聲特性好。噪聲指數(shù)輸入信噪比

輸出信噪比

泵浦光的噪聲特性7/26/202350安工大數(shù)理ZhouWenping1小信號增益特性2增益譜特性3增益飽和與飽和輸出功率EDFA的增益特性7/26/202351安工大數(shù)理ZhouWenping實驗發(fā)現(xiàn)：在每個泵浦功率下，存在一個最佳的光纖長度，在此長度下，信號增益最大。當超過這個光纖長度時，在這段光纖中沒有足夠的粒子反轉，信號在光纖中會被吸收。EDFA的增益特性-1小信號增益特性7/26/202352安工大數(shù)理ZhouWenping不同光纖長度下的輸出功率(b)不同泵浦功率下的信號增益EDFA的增益特性-1小信號增益特性7/26/202353安工大數(shù)理ZhouWenping不同光纖長度下泵浦功率與增益的關系EDFA的增益特性-1小信號增益特性7/26/202354安工大數(shù)理ZhouWenpingEDFA的增益特性-2增益譜特性

7/26/202355安工大數(shù)理ZhouWenpingEDFA的增益特性-3增益飽和與飽和輸出功率7/26/202356安工大數(shù)理ZhouWenping4.3.4拉曼光纖放大器(SRA)工作原理：基于石英光纖中的受激拉曼散射效應，在形式上表現(xiàn)為處于泵浦光的拉曼增益帶寬內的弱信號ωs與強泵浦光波ωp同時在光纖中傳輸，從而使弱信號光得到放大。其工作原理如圖4-27：E1（）E2（）n=1n=2(Rayleigh)(Anti-Stokes)(Stokes)圖4-27拉曼光譜原理圖

Vibrationlevel：Ω7/26/202357安工大數(shù)理ZhouWenpingSRA相對于EDFA的不同之處：理論上只要有合適的拉曼泵浦源，就可以對光纖窗口內任一波長的信號進行放大，因此它具有很寬的增益譜（1279～1670nm）；利用傳輸光纖本身作增益介質，光纖拉曼放大器可以對光信號的放大構成分布式放大，實現(xiàn)長距離的無中繼傳輸和遠程泵浦，尤其適用于海底光纜通訊等不方便建立中繼站的場合；可以通過調整各個泵浦的功率來動態(tài)調整信號增益平坦度；具有較低的等效噪聲指數(shù)，與常規(guī)的摻鉺光纖放大器混合使用時可大大降低系統(tǒng)噪聲指數(shù)。7/26/202358安工大數(shù)理ZhouWenpingSRA的主要應用作為高增益、高功率光放大。泵浦光功率1～2W，可提供30dB的增益和接近泵浦光功率的輸出光功率。分布式補償放大，實現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)光信號的透明傳輸。可用作光接收機的前置放大器。拉曼光纖放大器主要用做分布式放大器，輔助EDFA在進行信號放大；也可以單獨使用，放大EDFA不能放大的波段，同時克服了EDFA級聯(lián)噪聲大及放大帶寬有限等缺點。目前拉曼放大器在長距離骨干網和海底光纜中的市場地位已得到承認。

7/26/202359安工大數(shù)理ZhouWenping4.3.5半導體光放大器SOA7/26/202360安工大數(shù)理ZhouWenping當電子通過半導體時，將自身能量傳遞給載流子（電子），使載流子躍遷到高能級，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。輸入光信號通過受激輻射過程激活這些電子，使其躍遷到低能級，從而產生放大的光信號。1.SOA的原理與結構7/26/202361安工大數(shù)理ZhouWenpingN1N2電流將低能級粒子激發(fā)到高能級。1.SOA的原理與結構7/26/202362安工大數(shù)理ZhouWenping光子將高能級粒子激發(fā)到低能級，高能級粒子數(shù)減少，光子數(shù)增加，實現(xiàn)光放大。N1N21.SOA的原理與結構7/26/202363安工大數(shù)理ZhouWenping電流再將低能級粒子激發(fā)到高能級，高能級粒子數(shù)達到平衡，光子數(shù)增加，實現(xiàn)光不斷放大。N1N21.SOA的原理與結構7/26/202364安工大數(shù)理ZhouWenping激光器與放大器的主要區(qū)別：是否有諧振腔。激光器：優(yōu)良諧振腔（譜寬很窄）。TW-SOA：無諧振腔的行波放大器，功率輸出高，偏振靈敏度低

，帶寬大。FP-SOA：天然解理面，構成F-P諧振腔，有反射但形成的諧振腔譜寬較寬。1.SOA的原理與結構7/26/202365安工大數(shù)理ZhouWenpingSOACurrentInjectionSignalInputSignalOutput圖4-28半導體光放大原理1.SOA的原理與結構7/26/202366安工大數(shù)理ZhouWenping優(yōu)點：體積小，集成度高，電泵浦，增益高（20dB）。缺點：不易制作，價格高，噪聲大。應用：光信號放大器，光電集成器件，光開關，全光波長轉換。2.SOA的特點與應用7/26/202367安工大數(shù)理ZhouWenping4.3.6其他光放大器布里淵光纖放大器摻鐠光纖放大器PDFA摻鋁（Al）EDFA：摻鋁改變鉺的放大能級分布，加寬放大頻段，并實現(xiàn)平坦增益。摻釔（Y）EDFA：釔作為鉺的激活劑。氟（F）化物EDFA碲（Te）化物EDFA7/26/202368安工大數(shù)理ZhouWenping摻鐠光纖放大器PDFAEDFA只能用于1.55μm光纖通信系統(tǒng)，但是現(xiàn)有眾多工作在1.3μm的光纖通信系統(tǒng)和CATV網絡。于是科學家們開發(fā)了工作在1.3μm波段的摻鐠光纖放大器，要求的泵浦波長是1.01μm。PDFA的增益可達38dB，飽和輸出功率達20mw。但泵浦效率相當?shù)?，典型值?.2dB/mW，而EDFA卻高達11dB/mw。所以，為了從摻鐠光纖放大器中獲得30dB增益，需要高達1w的泵浦功率。7/26/202369安工大數(shù)理ZhouWenping幾類光放大器的參數(shù)對比

放大器參數(shù)EDFAPDFASRASBASOAErAlYFTe泵浦功率(W)0.01~0.1改變鉺的能級分布，加寬可放大頻段較寬的增益平坦度30nm__0.5~2高增益、低噪聲、窄帶寬、分布式放大_增益(dB)15~4020303020輸出功率(dBm)14~20_20255~10泵浦波長(nm)980,14809801017__工作波長(nm)1530~15601540↑1530~15601530~16341280~13401279~16701300,1400,1550850,1300,15507/26/202370安工大數(shù)理ZhouWenping4.4光檢測器4.4.1半導體的光電效應4.4.2PIN光電二極管4.4.3雪崩光電二極管4.4.4光檢測器性能參數(shù)4.4.5光檢測器噪聲7/26/202371安工大數(shù)理ZhouWenping半導體材料的光電效應：光照射到半導體PN結上，若光子能量足夠大，則價帶的電子吸收光子能量，越過禁帶到達導帶，在導帶中出現(xiàn)光電子，在價帶中出現(xiàn)光空穴。這樣，光子轉換為電子-空穴對(光生載流子)。將新生的電子-空穴對迅速的移開，形成光電流。4.4.1半導體的光電效應P區(qū)N區(qū)耗盡區(qū)光子hν>EgEg

費米能級Eg7/26/202372安工大數(shù)理ZhouWenping4.4.2～4.4.3光檢測器光檢測器：又稱檢波器、探測器。作用：接收光信號，將光信號轉變?yōu)殡娦盘?。一、光纖通信對光檢測器要求二、光電二極管PD三、改進型光電二極管PIN四、雪崩光電二極管APD7/26/202373安工大數(shù)理ZhouWenping光電二極管實物圖7/26/202374安工大數(shù)理ZhouWenping一、光纖通信對光檢測器要求高的光電轉換效率高的響應速度高的接收靈敏度低的功耗穩(wěn)定、可靠、價格便宜7/26/202375安工大數(shù)理ZhouWenping工作原理：有光照(hν>Eg)→價帶中電子吸收光子能量，躍到導帶(受激吸收)成為自由電子。加反向電壓(與自建場方向相反)，形成光生電流。過程：在電場作用下，耗盡區(qū)內：電子(漂移)→N區(qū)N區(qū)空穴(漂移)→P區(qū)P區(qū)條件：hν>Eg

，即λ<hc/Eg；截止波長λc=1.24/Eg。擴散形成光生電流二、光電二極管PD7/26/202376安工大數(shù)理ZhouWenpingP區(qū)N區(qū)耗盡區(qū)反射吸收光/電剩余入射光二、光電二極管PD光能損失：（1）在半導體表面被反射，損失一部分光能。（2）透過不能產生電子-空穴對的表層，進一步消耗。（3）到達能夠產生電子-空穴的耗盡區(qū)，產生電子-空穴對。（4）最后剩余的一部分光能，透過耗盡區(qū)而消耗掉。7/26/202377安工大數(shù)理ZhouWenping三、改進型光電二極管

PIN結構：P-I(Intrinsic，本征的，Si或InGaAs輕摻雜)-N三層。原理：hν>Eg

→(光照)受激吸收→電子漂移→擴散→形成光生電流。優(yōu)點：光電轉換效率高，響應速度快。Si-PIN，響應波長0.5～1μm，響應時間幾ns；Ge-PIN，響應波長1.1～1.6μm，響應時間20ns。7/26/202378安工大數(shù)理ZhouWenping三、改進型光電二極管

PIN圖4-30PIN光電二極管結構原理演示7/26/202379安工大數(shù)理ZhouWenping結構：在N、P區(qū)大量摻雜，載流子濃度變大。特點：可承受很高的反向偏壓。

PIN：0~20V，APD：20~150V原理：加高反偏電壓→耗盡區(qū)形成強電場→光照(克服Eg)→形成初始載流子→有高能量(或運動速度很快)→運行中高速碰撞→產生新生載流子(由碰撞產生)→新生載流子和原始載流子再撞擊→電子濃度瞬時猛增→電流急劇增長→

“雪崩”、“倍增”→完成光/電轉換。四、雪崩光電二極管APD7/26/202380安工大數(shù)理ZhouWenping圖4-31APD載流子雪崩式倍增示意圖（只畫出電子）四、雪崩光電二極管APD7/26/202381安工大數(shù)理ZhouWenping電場四、雪崩光電二極管APDP+IPN+吸收增益距離E圖4-32APD的結構和工作原理(a)(b)原理演示7/26/202382安工大數(shù)理ZhouWenping量子效率：轉化為光生電流的光子數(shù)與入射總光子數(shù)之比響應度：光電流與入射光功率之比，二者之間的關系：截止波長：

Si：1060nm；Ge：1650nm4.4.4光檢測器性能參數(shù)7/26/202383安工大數(shù)理ZhouWenping1）光電二極管的負載電阻和結電容構成的RC時間常數(shù)2）載流子在耗盡區(qū)內的定向運動速度3）載流子在耗盡區(qū)外的擴散運動速度響應時間的主要影響因素：4.4.4光檢測器性能參數(shù)7/26/202384安工大數(shù)理ZhouWenping量子噪聲：由光子產生電子-空穴對的隨機起伏而引起。受電源電壓和溫度的影響，是一個極不穩(wěn)定的因素。暗電流：無入射光時，耗盡區(qū)內帶電粒子的熱運動形成的電子-空穴對，在反向偏轉電壓的作用下產生定向流動，形成暗電流。噪聲（和干擾）：4.4.4光檢測器性能參數(shù)7/26/202385安工大數(shù)理ZhouWenping參數(shù)單位硅檢測器鍺檢測器銦鎵砷檢測器PIN

APDPINAPDPINAPD波長范圍nm400~1100800~1800900~1700峰值波長nm900830155013001300(1550)1300(1550)響應度,芯片耦合后A/W0.60.3~0.5577~13050~1200.65~0.7,0.5~0.653~282.5~250.63~0.8(0.75~0.97)0.5~0.7(0.6~0.8)量子效率%65~907750~5555~7560~7060~70增益G倍數(shù)1150~25015~40110~30過剩噪聲指數(shù)x-0.3~0.5-0.95~1-0.7偏壓-V45~1002206~1020~355<30暗電流nA1-100.1~150~50010~5001~201~5結電容pF1.2~31.3~22~52~50.5~20.5上升時間ns0.5~10.1~20.1~0.50.5~0.80.06~0.50.1~0.5三種光檢測器的參數(shù)對比7/26/202386安工大數(shù)理ZhouWenping4.5其他光通信器件4.5.1連接器4.5.2光纖耦合器4.5.3光濾波器4.5.4光衰減器4.5.5光開關4.5.6光隔離器與光環(huán)形器4.5.7波分復用器／解復用器4.5.8調制器7/26/202387安工大數(shù)理ZhouWenping完整的光纖通信系統(tǒng)，除了光源、光纖和光檢測器外，還需要許多配套的功能部件，特別是無源器件。光無源器件：本身不發(fā)光，不放大，不產生光電轉換的光學器件。作用：連接光波導和光路；控制光的傳播方向；控制光功率的分配；控制光波導之間、器件之間和光波導與器件之間的光耦合；合波、分波等。特性要求：插入損耗小、工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定、壽命長、體積小、價格便宜、便于集成。概述光無源器件7/26/202388安工大數(shù)理ZhouWenping光發(fā)射機隔離器連接器分路開關開關合路連接連接衰減器連接器光接收機按其功能可分為：光纖連接器、耦合器、合/分路器、光開關、光衰減器、光隔離器、光環(huán)形器等。概述光無源器件7/26/202389安工大數(shù)理ZhouWenping連接器：實現(xiàn)光纖與光纖之間連接的器件。要求：連接損耗??；裝拆方便（操作方便）；穩(wěn)定性好：插入損耗隨時間、環(huán)境的變化不大；重復性好：一般要求重復使用次數(shù)>1000次；互換性好：要求同一種型號的活動連接器可以互換；體積小，重量輕，成本低。4.5.1連接器7/26/202390安工大數(shù)理ZhouWenping光纖連接器(又稱跳線)是指光纖兩端都裝上連接器插頭，用來實現(xiàn)光路活動連接；一端裝有插頭則稱為尾纖。光纖連接器連接頭連接類型有FC、SC、ST，端面接觸方式有PC、UPC、APC型。

光纖連接器分為兩類：活動連接器—“活接頭”，主要用于光纖線路兩端與端機的連接中；固定連接器—“死接頭”，不能拆卸，或只能進行破壞性拆卸。4.5.1連接器7/26/202391安工大數(shù)理ZhouWenping4.5.1連接器7/26/202392安工大數(shù)理ZhouWenping4.5.1連接器7/26/202393安工大數(shù)理ZhouWenping光纖固定接頭的方法7/26/202394安工大數(shù)理ZhouWenping光纖接續(xù)視頻光纖端面清潔光纖冷接續(xù)視頻皮線冷接子操作規(guī)程光纖熔接流程光纖熔接教程7/26/202395安工大數(shù)理ZhouWenpingN×N1×NP1/NP1/NP1/N2×24.5.2光纖耦合器7/26/202396安工大數(shù)理ZhouWenpingP4P3P14.5.2光纖耦合器7/26/202397安工大數(shù)理ZhouWenping根據(jù)器件的輸入和輸出端口進行表征。比如具有兩個輸入和兩個輸出端口的器件稱為“2×2耦合器”；通常，N×M耦合器具有N個輸入和M個輸出。圖4-332×2熔錐型光纖耦合器

耦合器總的拉伸長度為L=2l+WP1P2P3P44.5.2光纖耦合器-2×2型7/26/202398安工大數(shù)理ZhouWenping將四根光纖扭絞、加熱和拉伸，熔融在一起，制作成4×4熔融光纖星形耦合器。星形耦合器的主要作用是將N個輸入功率復合后再平均分配到M個輸出端口。4.5.2光纖耦合器-星型7/26/202399安工大數(shù)理ZhouWenping插入損耗：分光比：輸出端的功率分配比。隔離度：反映了定向耦合器反向散射信號的大小。4.5.2光纖耦合器-性能指標7/26/2023100安工大數(shù)理ZhouWenping4.5.3光濾波器光濾波器：只允許一定波長的光信號通過的器件，是一種波長選擇器件。固定波長濾波器波長可調諧濾波器7/26/2023101安工大數(shù)理ZhouWenping4.5.3光濾波器-固定波長濾波器圖4-34薄膜干涉濾波器（固定波長）λ/4λ/4λ/4λ/4λ/47/26/2023102安工大數(shù)理ZhouWenping4.5.3光濾波器-波長可調諧濾波器1、光纖法布里-珀羅濾波器2、馬赫-曾德爾干涉濾波器入射光透射光壓電陶瓷反射鏡反射鏡圖4-35光纖法布里-珀羅濾波器原理7/26/2023103安工大數(shù)理ZhouWenping2、可調MZI：通過熱光或電光效應控制改變干涉儀的臂長頻譜分辨率：<0.4nm調諧速度：~50ns對環(huán)境敏感4.5.3光濾波器-波長可調諧濾波器1、光纖F-P濾波器：通過改變電介質鏡面的距離改變共振條件調諧范圍：幾十個nm頻譜分辨率：~GHz調諧速度：0.1ms7/26/2023104安工大數(shù)理ZhouWenping4.5.3光濾波器-波長可調諧濾波器3、可調多光柵濾波器：分插復用器OADM1234、聲光濾波器:輸入信號產生的聲波引起媒質密度周期變化，其變化周期等于聲波波長，這相當于形成一個布喇格光柵。滿足條件的波長被耦合到另一個臂傳輸。7/26/2023105安工大數(shù)理ZhouWenping光衰減器：對光信號進行衰減的器件，用于調整光中繼區(qū)間的損耗和調整光功率等。應用：光纖系統(tǒng)的指標測量、短距離通信系統(tǒng)的信號衰減以及系統(tǒng)試驗等場合。如：可調式光衰減器一般用于光學測量中，在測量光接收機的靈敏度時，通常把它置于光接收機的輸入端，用來調整接收光功率的大小。

要求：重量輕、體積小、精度高、穩(wěn)定性好等。

類型：固定光衰減器、可變光衰減器。4.5.4光衰減器7/26/2023106安工大數(shù)理ZhouWenping輸入輸出粗檔板10dB/檔精檔板1dB/檔分檔衰減器厚連續(xù)衰減器4.5.4光衰減器-可變光衰減器7/26/2023107安工大數(shù)理ZhouWenping4.5.4光衰減器

-工作機理7/26/2023108安工大數(shù)理ZhouWenping1、光衰減器的工作機理主要有三種：(1)耦合型光衰減器：它是通過輸入、輸出光束對準偏差的控制來改變光耦合量的大小，從而達到改變衰減量的目的。(2)反射型光衰減器：它是在玻璃基片上鍍反射膜作為衰減片。光通過衰減片時主要是反射和透射，由膜層厚度的不同來改變反射量的大小，從而達到改變衰減量的目的。4.5.4光衰減器-工作機理7/26/2023109安工大數(shù)理ZhouWenping為避免反射光的再入射影響衰減性能的穩(wěn)定性，光線不能垂直入射到衰減片上，需將二塊衰減片按一定傾斜角對稱地排成八字形。（<40o，一般取5o或10o）(3)吸收型光衰減器：它是采用光學吸收材料制成衰減片，對光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。2、衰減器主要指標插入損耗，帶寬（衰減量變化范圍），衰減精度等。4.5.4光衰減器7/26/2023110安工大數(shù)理ZhouWenping4.5.5光開關光發(fā)射機光接收機7/26/2023111安工大數(shù)理ZhouWenping功能：轉換光路，實現(xiàn)光切換。要求：插入損耗低、轉換重復性好、開關速度快、使用壽命長、結構緊湊。主要指標：插入損耗、開關速度(ms量級)、消光比。分類：①

機械式光開關

②

固體光開關

③

半導體光波導開關4.5.5光開關7/26/2023112安工大數(shù)理ZhouWenping分類：

①

機械式光開關：利用電磁鐵或步進電機驅動光纖、棱鏡或反射鏡等光學元件實現(xiàn)光路轉換。可分為鏡可動型和光纖可動型兩種。優(yōu)點：插入損耗小，串擾小，適合各種光纖，技術成熟。缺點：開關速度慢，結構不緊湊，容易受振動、沖擊的影響。4.5.5光開關7/26/2023113安工大數(shù)理ZhouWenping棒透鏡棱鏡可動光纖光纖固定裝置反射鏡GRIN透鏡01624531×6機械式光開關①

機械式光開關7/26/2023114安工大數(shù)理ZhouWenping②

固體光開關：又稱非機械式光開關，利用磁光效應、電光效應或聲光效應實現(xiàn)光路轉換。優(yōu)點：開關速度快，重復性好，可靠性高，使用壽命長，尺寸小，可單片集成。缺點：插入損耗大，串擾大。③

半導體光波導開關：通過改變波導區(qū)內折射率達到光波的導通或截止。4.5.5光開關7/26/2023115安工大數(shù)理ZhouWenping4.5.5光開關-兩類光開關的性能對比開關類型10×10機械1×2磁光8×8電光插入損耗/dB0.7~1.31.3~1.75~7串擾/dB>602520~30開關時間/μs40×10330307/26/2023116安工大數(shù)理ZhouWenping1、光隔離器Isolator概念：光隔離器是光單向傳輸?shù)囊环N非互易性器件，即光的單向器。作用：消除光路中不連續(xù)處產生的反射光對光源、光放大器以及光路系統(tǒng)中產生的不良影響。主要指標及要求：插入損耗小(1~2dB)、隔離度大(反向衰減，30~40dB)、價格便宜、體積小、便于集成。組成：起偏器、法拉第旋光器、檢偏器等。4.5.6光隔離器、光環(huán)形器7/26/2023117安工大數(shù)理ZhouWenping圖4-40光隔離器的工作原理1、光隔離器Isolator原理演示7/26/2023118安工大數(shù)理ZhouWenping1、光隔離器-應用7/26/2023119安工大數(shù)理ZhouWenping(a)三端口(b)四端口2、光環(huán)行器光環(huán)形器是EDFA、OADM、色散補償及其他應用領域中的理想器件。其原理類似光隔離器。一個端口輸入，指定端口輸出。7/26/2023120安工大數(shù)理ZhouWenping2、光環(huán)行器7/26/2023121安工大數(shù)理ZhouWenping端口1端口2端口3端口2全反射棱鏡偏振分束立方體透鏡雙折射分離元件A雙折射分離元件B單向法拉第旋轉器相位旋轉器2、光環(huán)行器-原理圖7/26/2023122安工大數(shù)理ZhouWenping光環(huán)形器的非互易性使其成為雙向通信中的重要器件，它可以完成正反向傳輸光的分離任務。光環(huán)形器在單纖雙向通信、上/下話路(OADM)、色散補償?shù)阮I域有廣泛的應用。2、光環(huán)行器-應用7/26/2023123安工大數(shù)理ZhouWenping2、光環(huán)行器-應用1237/26/2023124安工大數(shù)理ZhouWenping波分復用器是構成波分復用多信道光纖通信系統(tǒng)的關鍵器件。將若干路不同波長的信號復合后送入同一根光纖中傳送（復用），或者將在同一根光纖中傳送的多波長信號分解（解復用）后分送給不同的接收機。4.5.7

波分復用/解復用器7/26/2023125安工大數(shù)理ZhouWenping4.5.7

波分復用/解復用器波分復用器100GHz間隔的WDM信道頻譜復用器解復用器7/26/2023126安工大數(shù)理ZhouWenping（一）熔錐光纖型WDM（二）干涉濾波器型WDM（三）光柵型WDM體型平面或曲面光柵平面陣列波導光柵光纖光柵4.5.7

波分復用/解復用器7/26/2023127安工大數(shù)理ZhouWenping（一）熔錐光纖型WDM7/26/2023128安工大數(shù)理ZhouWenping（二）干涉濾波器型WDM①介質薄膜干涉型WDM器件-原理7/26/2023129安工大數(shù)理ZhouWenping①介質薄膜干涉型WDM器件-結構（a）二波分解復用器（b）六波分解復用器（二）干涉濾波器型WDM7/26/2023130安工大數(shù)理ZhouWenping②基于MZI的集成四通道WDM（二）干涉濾波器型WDM7/26/2023131安工大數(shù)理ZhouWenpingMach-ZehnderInterferometer(MZI)應用：波分復用/解復用器、外調制器、DPSK解調…控制w1和w2中光的相位差，并使之在輸出端產生相長/消干涉.3dBcoupler3dBcouplerw2w17/26/2023132安工大數(shù)理ZhouWenpingMZI復用器/解復用器7/26/2023133安工大數(shù)理ZhouWenping如果輸入波長滿足bDL=(2k-1)pp/2bDL+p/2bDL+pbDL信號從上端口輸出如