1、1.第三章通信用光學(xué)器件，2。本章的內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)。本章的光源：半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管。光電探測(cè)器：PIN和APD光電二極管。光學(xué)連接器、光學(xué)衰減器、光學(xué)耦合器和光學(xué)開關(guān)。本章重點(diǎn)介紹激光器的工作原理。光源和光電探測(cè)器的工作原理和特點(diǎn)。無源光學(xué)器件的功能和主要性能。本章主要討論發(fā)光機(jī)理。第三章，通信用光學(xué)器件；3、學(xué)習(xí)本章的目的和要求，了解半導(dǎo)體激光器的物理基礎(chǔ)。掌握半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管的工作原理和特性。熟悉光源驅(qū)動(dòng)電路的工作原理。掌握光電探測(cè)器的工作原理和特點(diǎn)。掌握無源光學(xué)器件的功能和主要性能。第三章光通信設(shè)備，4，3.1光源，光源設(shè)備：光纖通信設(shè)備的核心，其功能是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信

2、號(hào)，并將其發(fā)送到光纖中。光纖通信中常用的光源有兩種：半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管。半導(dǎo)體激光器：適用于長(zhǎng)距離、大容量光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于高速大容量數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中。發(fā)光二極管：適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)或模擬光纖通信系統(tǒng)。制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，可靠性好。5，3.1.1激光器、半導(dǎo)體激光器的工作原理：它是將電流注入半導(dǎo)體pn結(jié)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的逆分布，產(chǎn)生受激輻射，然后利用諧振腔的正反饋實(shí)現(xiàn)光放大，產(chǎn)生激光振蕩，輸出激光。1激光的物理基礎(chǔ)(1)光子的概念。根據(jù)光量子理論，光是由具有hf能量的光量子組成的，其中h=6.6281034 Js(焦耳秒)，這叫做普

3、朗克常數(shù)，f是光波的頻率。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子能量作為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。6，3.1.1激光的工作原理，(2)原子能由原子組成，原子由原子核和核外電子組成。原子有不同的穩(wěn)定能級(jí)。最低能級(jí)E1被稱為基態(tài)，所有其他能級(jí)E i(i=2，3，4)，其能量大于基態(tài)的被稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)一個(gè)電子從較高能級(jí)E2躍遷到較低能級(jí)E1時(shí)，其能級(jí)之間的能量差為E=E2E1，它以光子的形式釋放出來。在這個(gè)能量差和輻射光的頻率f 12之間有下面的關(guān)系，其中H是普朗克常數(shù)，f 12是吸收或輻射的光子頻率。當(dāng)處于低能級(jí)E1的電子被光子能量E=hf12的光照射時(shí)，能量被吸收，原子中的電子被激發(fā)到更高的能級(jí)E2。用于光纖通

4、信的發(fā)光元件和光檢測(cè)元件利用這兩種現(xiàn)象。7，3.1.1激光的工作原理，(3)光與物質(zhì)相互作用的三種形式光與物質(zhì)的相互作用可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，并且會(huì)有三種物理過程：受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。如圖3-1所示。圖3-1能級(jí)和電子躍遷，8，3.1.1激光器的工作原理，在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級(jí)(基態(tài))E1，在入射光的作用下，電子吸收光子能量，然后躍遷到高能級(jí)(激發(fā)態(tài))E2產(chǎn)生光電流，稱為受激吸收光電探測(cè)器。高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的。即使沒有外部作用，它們也會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)換到低能級(jí)E1，與空穴重新結(jié)合，釋放的能量會(huì)轉(zhuǎn)換成光子并輻射出去。這種轉(zhuǎn)變被稱為自發(fā)發(fā)射發(fā)光二極管。當(dāng)高能級(jí)E2的電

5、子被具有能量hf12的外部光子激發(fā)時(shí)，電子被迫轉(zhuǎn)變到低能級(jí)E1以與空穴復(fù)合，同時(shí)，具有與激光發(fā)射相同頻率、相位和方向的光子被釋放(cal例如，如果低能級(jí)的粒子密度是N1，高能級(jí)的粒子密度是N2，在正常情況下，N1N2的受激吸收總是大于受激輻射。也就是說，在熱平衡條件下，物質(zhì)不能有光的放大。為了使物質(zhì)產(chǎn)生光放大，有必要使受激輻射大于受激吸收，即使N2N1(高能級(jí)的電子數(shù)大于低能級(jí)的電子數(shù))，這種粒子數(shù)的異常分布稱為粒子(電子)數(shù)的逆分布。粒子數(shù)的逆分布狀態(tài)是物質(zhì)產(chǎn)生光放大和發(fā)光的第一條件。10，3.1.1激光器的工作原理，2激光器的工作原理激光器包括以下三個(gè)部分：必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)(激活物

6、質(zhì))；必須有能使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激發(fā)源(泵源)；必須有一個(gè)能夠進(jìn)行頻率選擇和反饋的光學(xué)諧振器。(1)產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，即粒子數(shù)分布相反狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為活性物質(zhì)或增益物質(zhì)，是產(chǎn)生激光的必要條件。11，3.1.1激光器的工作原理，(2)泵浦源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)呈反比分布的外激勵(lì)源，稱為泵浦源。在泵浦源的作用下，物質(zhì)產(chǎn)生N2N1，使受激輻射大于受激吸收，從而產(chǎn)生光的放大效應(yīng)。此時(shí)，工作物質(zhì)已經(jīng)被激活成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。(3)光學(xué)諧振腔中的活性物質(zhì)只能放大光。只有將活性物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中以提供必要的反饋并選擇光的頻率和方向，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出?；钚晕镔|(zhì)和光

7、學(xué)諧振腔是激光振蕩的必要條件。12，3.1.1激光器的工作原理，圖3-2光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)平行的反射鏡M1和M2組成，在活性物質(zhì)兩端的適當(dāng)位置反射系數(shù)為r1和r2。如果鏡子是平面鏡，它被稱為平面腔；如果鏡子是球面鏡，它被稱為球形腔，如圖3-2所示。對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)可以完全反射，另一個(gè)可以部分反射。13，3.1.1激光器的工作原理，諧振腔產(chǎn)生激光振蕩的過程，圖3-3激光器示意圖，14，3.1.2半導(dǎo)體激光器，一種以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器，對(duì)半導(dǎo)體激光器的要求如下。光源的發(fā)射波長(zhǎng)應(yīng)滿足當(dāng)前光纖的三個(gè)低損耗窗口(即0.85米、1.31米和1.5

8、5米)。它可以在室溫下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并提供足夠的光輸出功率。目前，LD尾光纖的輸出功率可達(dá)500瓦2毫瓦；發(fā)光二極管尾光纖的輸出功率可達(dá)10W左右。與光纖耦合效率高。光源的譜線寬度應(yīng)該很窄。較好的激光二極管的譜線寬度可達(dá)0.1毫米，壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定。15，3.1.2半導(dǎo)體激光器，(1)閾值特性對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)施加的正向電流達(dá)到某個(gè)值時(shí)，輸出光功率急劇增加，然后會(huì)發(fā)生激光振蕩。該電流稱為閾值電流，用Ith表示。如圖3-6所示。閾值電流越小越好。3-6典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線，16，3.1.2半導(dǎo)體激光器，(2)光譜特性激光二極管的光譜隨激勵(lì)電流的變化而變化。當(dāng)使用它時(shí)，它會(huì)發(fā)出寬光譜

9、的熒光，如圖3-7(a)所示。I Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心的強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)射了激光，如圖3-7(b)所示。圖3-7光譜3-7砷化鎵-GaAs激光器，17，3.1.2半導(dǎo)體激光器隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模量逐漸減小，譜線寬度變窄。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。當(dāng)普通的拉斯維加斯一般來說，DC驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器可以用法布里-珀羅腔獲得。為了獲得高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，如分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)。18，3.1.2半導(dǎo)體激光器，3-8輸出光譜3-8砷化鎵-GaAs激光器，19，3.1.2半導(dǎo)體激光器

10、，(3)溫度特性激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性是溫度特性。閾值電流隨著溫度的升高而增加，其變化如圖3-9所示。圖3-9激光閾值電流隨溫度變化的曲線發(fā)光二極管的工作原理發(fā)光二極管是一種非相干光源和無閾值器件，其基本工作原理是自發(fā)輻射。發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器的區(qū)別在于，發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。它僅限于自發(fā)發(fā)射，并且它發(fā)射熒光而不是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出相干光。21、3.1.3和2個(gè)發(fā)光二極管也使用雙異質(zhì)結(jié)芯片。不同的是，發(fā)光二極管沒有解理平面，也就是說，沒有光學(xué)諧振腔。沒有閾值，因?yàn)樗皇羌す庹袷?。發(fā)光二極管可分為兩類：一類是面發(fā)光二極管，另一類是邊

11、發(fā)光二極管，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-12所示。圖3-12兩種常用的發(fā)光二極管，22，3 . 1 . 3發(fā)光二極管，3發(fā)光二極管工作特性(1)光譜特性發(fā)光二極管的譜線寬度比激光器的寬得多。圖3-13是InGaAsP發(fā)光二極管的輸出光譜。圖3-13 Inga ASP發(fā)光二極管的發(fā)光光譜，23，3.1.3發(fā)光二極管，(2)輸出光功率特性兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性如圖3-14所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)，P-I曲線的線性度較好；當(dāng)I太大時(shí)，pn結(jié)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，降低了P-I曲線的斜率。圖3-14發(fā)光二極管的功率輸入特性，24，3.1.3發(fā)光二極管，(3)溫度特性因?yàn)榘l(fā)光二極管是閾值器件，所以溫度特性更好

12、。(4)耦合效率由于發(fā)光二極管發(fā)出的光束發(fā)散角大，與光纖的耦合效率低。一般來說，它只適用于短距離傳輸。半導(dǎo)體光源發(fā)光二極管的應(yīng)用通常與多模光纖耦合，用于1.31米或0.85米波長(zhǎng)的小容量短距離光通信系統(tǒng)。LD通常與單模光纖耦合，用于1.31米或1.55米的大容量長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)。分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)主要與單模光纖或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于1.55米超大容量新型光纖系統(tǒng)，是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。26、3.2光電探測(cè)器完成光/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。光電探測(cè)器的基本要求是：在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)下具有足夠高的響應(yīng)性，即對(duì)于一定的入射光功率，它可以輸出盡可能大的光電流；具有足夠快的響應(yīng)速度

13、，可應(yīng)用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；它具有盡可能低的噪聲，以減少設(shè)備本身對(duì)信號(hào)的影響；具有良好的線性關(guān)系，保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中不失真；具有體積小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前，有兩種常用的半導(dǎo)體光電探測(cè)器，PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。27，3.2.1光電探測(cè)器的工作原理光電探測(cè)器利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光電效應(yīng)如圖3-15(a)和(b)所示。當(dāng)入射光子能量hf小于帶隙寬度Eg時(shí)，無論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)都不會(huì)發(fā)生，即光電效應(yīng)發(fā)生必須滿足以下條件：hf Eg (3-9)，即光頻為fc的入射光不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，如果fc轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)，則c=1。也就是說，只有波長(zhǎng)為c的入射光才能使這種材料產(chǎn)生

14、光生載流子，所以c是產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，也稱為截止波長(zhǎng)，相應(yīng)的fc稱為截止頻率。28、3.2.1光電探測(cè)器的工作原理、圖3-15半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)它不僅具有光電轉(zhuǎn)換功能，還具有內(nèi)部放大功能，這是通過管內(nèi)的雪崩倍增效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。1PD的雪崩效應(yīng)APD的雪崩倍增效應(yīng)是增加二極管的pn結(jié)上的反向電壓，并在結(jié)區(qū)形成強(qiáng)電場(chǎng)。在高場(chǎng)區(qū)，光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，獲得高動(dòng)能，與晶格中的原子碰撞，使價(jià)帶中的電子得到能量；穿過禁帶和導(dǎo)電帶，產(chǎn)生了新的電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中再次加速，再次碰撞，并激發(fā)新的電子-空穴對(duì)像這樣循環(huán)，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管內(nèi)倍增。APD是一種高度靈敏的

15、探測(cè)器，它利用雪崩效應(yīng)倍增光電流。30、3.2.3雪崩光電二極管、3-17 RAPD結(jié)構(gòu)圖和能帶圖、31、3.2.4光電探測(cè)器特性、2PD特性APD包括雪崩倍增特性和溫度特性以及PIN特性。(1)乘法因子乘法因子g實(shí)際上是電流增益因子。在忽略暗電流影響的情況下，定義為g=I0/Ip (3-13)，I0為有雪崩倍增效應(yīng)的光電流平均值，Ip為無倍增效應(yīng)的光電流平均值。G=1，因?yàn)镻IN管沒有雪崩倍增。(2)溫度特性隨著溫度的升高，倍增增益會(huì)降低。無源光學(xué)器件是除光源器件和光探測(cè)器器件之外不需要電源的光路組件。無源光學(xué)器件可以分為兩類：連接元件和功能元件。有各種用于連接組件的光學(xué)連接器，用于連接光纖

16、、組件(設(shè)備)和光纖，或者組件(設(shè)備)和組件(設(shè)備)。功能部件包括分路器、耦合器、光波長(zhǎng)分路器、光衰減器、光開關(guān)和光隔離器等。用于光的分裂、耦合、復(fù)用和衰減。33、3.3.1光纖連接器，俗稱柔性接頭，被ITU-T定義為“穩(wěn)定但非永久連接兩根或多根光纖的無源元件”。光纖連接器主要用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備、設(shè)備與儀器、設(shè)備與光纖、光纖與光纖等之間的非永久固定連接。(1)光纖連接器的基本結(jié)構(gòu)由三部分組成：兩個(gè)配合插頭和一個(gè)耦合管。兩根光纖的末端設(shè)有兩個(gè)插頭；耦合管充當(dāng)對(duì)準(zhǔn)套管。如圖3-19所示。圖3-19光纖活動(dòng)連接器的基本結(jié)構(gòu)，34，3.3.1光纖連接器，(3)光纖連接器的性能插入損耗(插入損耗)，數(shù)值越小越好。平均損耗值不應(yīng)超過0.5分貝.回波損耗(或反射損耗、回波損耗、回波損耗)是從連接器反射并沿輸入通道返回的輸入功率分量的量度。值越大越好。典型值不應(yīng)小于25dB。35，3.3.1光纖連接器，(4)固定連接光纖之間有兩種連接，活動(dòng)連接和永久連接。主動(dòng)連接如上所述。永久連接有兩種方法：粘接和焊接。目前，焊接被廣泛使用。(5)一些常見的光纖連接器是SC型的。