光纤通信技术（第二版）课件 夏林中 3.1 有源器件

光纤通信技术有源器件授课教师：光源和光发射机01光检测器和光接收机02光放大器0301光源和光发射机光源和光发射机光有源器件是光纤通信系统中将电信号转换成光信号或者将光信号转换成电信号的关键器件，主要有光源、光发射机、光检测器、光接收机和光放大器等。在光纤通信系统中，目前使用的光源大多是激光，其主要原因是激光能够满足光纤通信的诸多高品质要求，如电光转换效率高、驱动功率低、使用寿命长、运转稳定性高、单色性好、方向性好等。光源和光发射机激光诞生于1960年，但是激光的历史却已有100多年。1893年，一位名叫布卢什的物理教师就已经指出，两面靠近的平行镜之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化，这一重要的现象为未来发明激光提供了一定的基础。1917年，科学家爱因斯坦提出了“受激辐射”的概念，奠定了发明激光的理论基础。激光，英文叫LASER，是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写，意思是“受激辐射的辐射光放大”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年，我国著名科学家钱学森建议将“受激辐射的辐射光放大”改称为“激光”。光源和光发射机光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。爱因斯坦认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。自发辐射二能级原子能级图自发辐射光源和光发射机受激吸收原子受激吸收受激辐射原子受激辐射光源和光发射机产生激光的基本条件是谐振腔内有在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态的增益介质必须实现粒子数反转（方法是利用外界激励能源把大量粒子激励到高能级）要使受激发射光强超过自发发射，必须提高光子简并度（方法：利用光学谐振腔造成强辐射场，以提高腔内光场的相干性）激光器的主要组成：泵浦源，使激光物质成为激活物质光放大器，对弱光信号进行放大光学谐振腔，模式选择和提供轴向光波模的反馈光源和光发射机光发射机中核心的器件是光源，它的作用是产生作为光载波的光信号，作为信号传输的载体携带信号在光纤中传送。为了能够在光纤中很好地传输，对光源提出了一些要求，主要有以下几点光源的体积要小，并且与光纤之间的耦合效率要高发射的光波波长应满足设计要求，一般位于光纤的低损耗窗口，1.31μm和1.55μm波段可以进行光强度调制光源的运行稳定性要高和寿命要长，尤其要求具有较高的功率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离光源和光发射机能够满足以上要求的光源一般为半导体二极管激光器，而目前最常用的半导体发光器件是发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。LED多用于短距离、低容量或模拟系统，其成本低、可靠性高；LD多用于长距离、高速率的系统。它们都有自己的优缺点和特性，在选用时应根据需要综合考虑来决定在光纤通信系统中，传输信息的载体是光，而光是由LED和LD产生的，因此光发射机主要有光调制电路和光驱动电路组成02光检测器和光接收机光信号在经过长距离传输后，其信号幅度会下降很多，同时其脉宽也会变宽。因此，当光接收机接收传输过来的光信号时，必须对微弱的光信号进行放大、整形、再生处理。光接收机中的核心器件是光检测器：目前光纤通信中最常用的光检测器是光敏二极管（PIN）和雪崩光敏二极管（APD），以及高速接收机用到的单向载流子光检测器（UTC-PD）、波导光检测器（WC-PD）和行波光检测器（TW-PD）。本节主要介绍PIN和APD的工作原理PIN

光检测器和光接收机APD光生载流子（电子-空穴对）在APD内部高电场作用下高速运动，在运动过程中通过碰撞电离效应，产生数量是首次电子-空穴对几十倍的二次、三次新电子-空穴对，从而形成很大的光信号电流光检测器和光接收机光检测器和光接收机光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真恢复出由光纤传输和光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能03光放大器光放大器当光信号在光纤中传输一定距离后，其功率必然衰减，在光信号功率衰减到一定程度时，需要将光信号进行放大，这样就可以保证光信号传输更远的距离。放大光信号的器件称为光放大器中继距离：是指传输线路上不加光放大器时光信号所能传输的最大距离。当光信号在传输线上传输时，由于传输损耗会使光信号功率不断衰减，光信号传输的距离越长，其衰减程度就越大，当光信号衰减到一定程度后，光接收机就无法准确接收到光信号。为了延长通信的距离，往往要在传输线路上放置一些光放大器，也称光中继器，其作用是将衰减了的光信号放大后继续传输