光纤通信课件第3章.ppt

1、1.第三章通信用光学器件，2。本章的内容、重点和难点。本章的光源：半导体激光器和发光二极管。光电探测器：PIN和APD光电二极管。光学连接器、光学衰减器、光学耦合器和光学开关。本章重点介绍激光器的工作原理。光源和光电探测器的工作原理和特点。无源光学器件的功能和主要性能。本章主要讨论发光机理。第三章，通信用光学器件；3、学习本章的目的和要求，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的工作原理和特性。熟悉光源驱动电路的工作原理。掌握光电探测器的工作原理和特点。掌握无源光学器件的功能和主要性能。第三章光通信设备，4，3.1光源，光源设备：光纤通信设备的核心，其功能是将电信号转换成光信

2、号，并将其发送到光纤中。光纤通信中常用的光源有两种：半导体激光器和半导体发光二极管。半导体激光器：适用于长距离、大容量光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器广泛应用于高速大容量数字光纤通信系统中。发光二极管：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统或模拟光纤通信系统。制造工艺简单，成本低，可靠性好。5，3.1.1激光器、半导体激光器的工作原理：它是将电流注入半导体pn结，实现粒子数的逆分布，产生受激辐射，然后利用谐振腔的正反馈实现光放大，产生激光振荡，输出激光。1激光的物理基础(1)光子的概念。根据光量子理论，光是由具有hf能量的光量子组成的，其中h=6.6281034 Js(焦耳秒)，这叫做普

3、朗克常数，f是光波的频率。当光与物质相互作用时，光子能量作为一个整体被吸收或发射。6，3.1.1激光的工作原理，(2)原子能由原子组成，原子由原子核和核外电子组成。原子有不同的稳定能级。最低能级E1被称为基态，所有其他能级E i(i=2，3，4)，其能量大于基态的被称为激发态。当一个电子从较高能级E2跃迁到较低能级E1时，其能级之间的能量差为E=E2E1，它以光子的形式释放出来。在这个能量差和辐射光的频率f 12之间有下面的关系，其中H是普朗克常数，f 12是吸收或辐射的光子频率。当处于低能级E1的电子被光子能量E=hf12的光照射时，能量被吸收，原子中的电子被激发到更高的能级E2。用于光纤通

4、信的发光元件和光检测元件利用这两种现象。7，3.1.1激光的工作原理，(3)光与物质相互作用的三种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，并且会有三种物理过程：受激吸收、自发辐射和受激辐射。如图3-1所示。图3-1能级和电子跃迁，8，3.1.1激光器的工作原理，在正常状态下，电子通常处于低能级(基态)E1，在入射光的作用下，电子吸收光子能量，然后跃迁到高能级(激发态)E2产生光电流，称为受激吸收光电探测器。高能级E2的电子是不稳定的。即使没有外部作用，它们也会自发地转换到低能级E1，与空穴重新结合，释放的能量会转换成光子并辐射出去。这种转变被称为自发发射发光二极管。当高能级E2的电

5、子被具有能量hf12的外部光子激发时，电子被迫转变到低能级E1以与空穴复合，同时，具有与激光发射相同频率、相位和方向的光子被释放(cal例如，如果低能级的粒子密度是N1，高能级的粒子密度是N2，在正常情况下，N1N2的受激吸收总是大于受激辐射。也就是说，在热平衡条件下，物质不能有光的放大。为了使物质产生光放大，有必要使受激辐射大于受激吸收，即使N2N1(高能级的电子数大于低能级的电子数)，这种粒子数的异常分布称为粒子(电子)数的逆分布。粒子数的逆分布状态是物质产生光放大和发光的第一条件。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个部分：必须有产生激光的工作物质(激活物

6、质)；必须有能使工作物质处于粒子数反转分布状态的激发源(泵源)；必须有一个能够进行频率选择和反馈的光学谐振器。(1)产生激光的工作物质，即粒子数分布相反状态的工作物质，称为活性物质或增益物质，是产生激光的必要条件。11，3.1.1激光器的工作原理，(2)泵浦源使工作物质产生粒子数呈反比分布的外激励源，称为泵浦源。在泵浦源的作用下，物质产生N2N1，使受激辐射大于受激吸收，从而产生光的放大效应。此时，工作物质已经被激活成为激活物质或增益物质。(3)光学谐振腔中的活性物质只能放大光。只有将活性物质置于光学谐振腔中以提供必要的反馈并选择光的频率和方向，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。活性物质和光

7、学谐振腔是激光振荡的必要条件。12，3.1.1激光器的工作原理，图3-2光学谐振腔的结构光学谐振腔的结构由两个平行的反射镜M1和M2组成，在活性物质两端的适当位置反射系数为r1和r2。如果镜子是平面镜，它被称为平面腔；如果镜子是球面镜，它被称为球形腔，如图3-2所示。对于两个反射镜，要求其中一个可以完全反射，另一个可以部分反射。13，3.1.1激光器的工作原理，谐振腔产生激光振荡的过程，图3-3激光器示意图，14，3.1.2半导体激光器，一种以半导体材料为工作物质的激光器，称为半导体激光器，对半导体激光器的要求如下。光源的发射波长应满足当前光纤的三个低损耗窗口(即0.85米、1.31米和1.5

8、5米)。它可以在室温下长时间连续工作，并提供足够的光输出功率。目前，LD尾光纤的输出功率可达500瓦2毫瓦；发光二极管尾光纤的输出功率可达10W左右。与光纤耦合效率高。光源的谱线宽度应该很窄。较好的激光二极管的谱线宽度可达0.1毫米，寿命长，工作稳定。15，3.1.2半导体激光器，(1)阈值特性对于半导体激光器，当施加的正向电流达到某个值时，输出光功率急剧增加，然后会发生激光振荡。该电流称为阈值电流，用Ith表示。如图3-6所示。阈值电流越小越好。3-6典型半导体激光器的输出特性曲线，16，3.1.2半导体激光器，(2)光谱特性激光二极管的光谱随激励电流的变化而变化。当使用它时，它会发出宽光谱

9、的荧光，如图3-7(a)所示。I Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心的强度急剧增加，表明发射了激光，如图3-7(b)所示。图3-7光谱3-7砷化镓-GaAs激光器，17，3.1.2半导体激光器随着驱动电流的增加，纵模模量逐渐减小，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。当普通的拉斯维加斯一般来说，DC驱动的静态单纵模激光器可以用法布里-珀罗腔获得。为了获得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，如分布反馈半导体激光器(DFB-LD)。18，3.1.2半导体激光器，3-8输出光谱3-8砷化镓-GaAs激光器，19，3.1.2半导体激光器

10、，(3)温度特性激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性是温度特性。阈值电流随着温度的升高而增加，其变化如图3-9所示。图3-9激光阈值电流随温度变化的曲线发光二极管的工作原理发光二极管是一种非相干光源和无阈值器件，其基本工作原理是自发辐射。发光二极管与半导体激光器的区别在于，发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。它仅限于自发发射，并且它发射荧光而不是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出相干光。21、3.1.3和2个发光二极管也使用双异质结芯片。不同的是，发光二极管没有解理平面，也就是说，没有光学谐振腔。没有阈值，因为它不是激光振荡。发光二极管可分为两类：一类是面发光二极管，另一类是边

11、发光二极管，其结构示意图如图3-12所示。图3-12两种常用的发光二极管，22，3 . 1 . 3发光二极管，3发光二极管工作特性(1)光谱特性发光二极管的谱线宽度比激光器的宽得多。图3-13是InGaAsP发光二极管的输出光谱。图3-13 Inga ASP发光二极管的发光光谱，23，3.1.3发光二极管，(2)输出光功率特性两种类型发光二极管的输出光功率特性如图3-14所示。当驱动电流I较小时，P-I曲线的线性度较好；当I太大时，pn结产生饱和现象，降低了P-I曲线的斜率。图3-14发光二极管的功率输入特性，24，3.1.3发光二极管，(3)温度特性因为发光二极管是阈值器件，所以温度特性更好

12、。(4)耦合效率由于发光二极管发出的光束发散角大，与光纤的耦合效率低。一般来说，它只适用于短距离传输。半导体光源发光二极管的应用通常与多模光纤耦合，用于1.31米或0.85米波长的小容量短距离光通信系统。LD通常与单模光纤耦合，用于1.31米或1.55米的大容量长距离光通信系统。分布反馈半导体激光器(DFB-LD)主要与单模光纤或专门设计的单模光纤耦合，用于1.55米超大容量新型光纤系统，是目前光纤通信发展的主要趋势。26、3.2光电探测器完成光/电信号的转换。光电探测器的基本要求是：在系统的工作波长下具有足够高的响应性，即对于一定的入射光功率，它可以输出尽可能大的光电流；具有足够快的响应速度

13、，可应用于高速或宽带系统；它具有尽可能低的噪声，以减少设备本身对信号的影响；具有良好的线性关系，保证信号转换过程中不失真；具有体积小、使用寿命长等特点。目前，有两种常用的半导体光电探测器，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。27，3.2.1光电探测器的工作原理光电探测器利用半导体材料的光电效应实现光电转换。光电效应如图3-15(a)和(b)所示。当入射光子能量hf小于带隙宽度Eg时，无论入射光有多强，光电效应都不会发生，即光电效应发生必须满足以下条件：hf Eg (3-9)，即光频为fc的入射光不能产生光电效应，如果fc转换成波长，则c=1。也就是说，只有波长为c的入射光才能使这种材料产生

14、光生载流子，所以c是产生光电效应的入射光的最大波长，也称为截止波长，相应的fc称为截止频率。28、3.2.1光电探测器的工作原理、图3-15半导体材料的光电效应它不仅具有光电转换功能，还具有内部放大功能，这是通过管内的雪崩倍增效应实现的。1PD的雪崩效应APD的雪崩倍增效应是增加二极管的pn结上的反向电压，并在结区形成强电场。在高场区，光生载流子被强电场加速，获得高动能，与晶格中的原子碰撞，使价带中的电子得到能量；穿过禁带和导电带，产生了新的电子-空穴对。新产生的电子-空穴对在强电场中再次加速，再次碰撞，并激发新的电子-空穴对像这样循环，形成雪崩效应，使光电流在管内倍增。APD是一种高度灵敏的

15、探测器，它利用雪崩效应倍增光电流。30、3.2.3雪崩光电二极管、3-17 RAPD结构图和能带图、31、3.2.4光电探测器特性、2PD特性APD包括雪崩倍增特性和温度特性以及PIN特性。(1)乘法因子乘法因子g实际上是电流增益因子。在忽略暗电流影响的情况下，定义为g=I0/Ip (3-13)，I0为有雪崩倍增效应的光电流平均值，Ip为无倍增效应的光电流平均值。G=1，因为PIN管没有雪崩倍增。(2)温度特性随着温度的升高，倍增增益会降低。无源光学器件是除光源器件和光探测器器件之外不需要电源的光路组件。无源光学器件可以分为两类：连接元件和功能元件。有各种用于连接组件的光学连接器，用于连接光纤

16、、组件(设备)和光纤，或者组件(设备)和组件(设备)。功能部件包括分路器、耦合器、光波长分路器、光衰减器、光开关和光隔离器等。用于光的分裂、耦合、复用和衰减。33、3.3.1光纤连接器，俗称柔性接头，被ITU-T定义为“稳定但非永久连接两根或多根光纤的无源元件”。光纤连接器主要用于实现设备、设备与仪器、设备与光纤、光纤与光纤等之间的非永久固定连接。(1)光纤连接器的基本结构由三部分组成：两个配合插头和一个耦合管。两根光纤的末端设有两个插头；耦合管充当对准套管。如图3-19所示。图3-19光纤活动连接器的基本结构，34，3.3.1光纤连接器，(3)光纤连接器的性能插入损耗(插入损耗)，数值越小越好。平均损耗值不应超过0.5分贝.回波损耗(或反射损耗、回波损耗、回波损耗)是从连接器反射并沿输入通道返回的输入功率分量的量度。值越大越好。典型值不应小于25dB。35，3.3.1光纤连接器，(4)固定连接光纤之间有两种连接，活动连接和永久连接。主动连接如上所述。永久连接有两种方法：粘接和焊接。目前，焊接被广泛使用。(5)一些常见的光纤连接器是SC型的。