光纤通信教学课件作者张丽华第3章节光通信用基本器件课件

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1、第3章光通信用基本器件3.1光源3.2光检测器3.3光放大器3.4光纤连接器3.5光纤耦合器3.6波分复用/解复用器3.7光开关3.8光纤光栅3.9光隔离器及光环形器光纤通信是利用能量损耗极低的光纤来传输光信号，光纤通信中使用的器件与电通信系统中的器件大不相同。光通信器件从用途上划分，可以分为信息源（光源）、传输（如光纤、光纤连接器、光放大器、光耦合器、波分复用器等）、接收（光检测器等）三大功能块。本章将对光通信中的主要器件进行介绍，主要内容包括：通信光源半导体激光器和发光二极管、光检测器、光放大器、光纤连接器、光纤耦合器、波分复用/解复用器、光开关、光纤光栅、光

2、隔离器及光环行器。常用的光器件根据元件在实现其本身功能时是否发生光电转换可以分为有源器件和无源器件。光源、光检测器和光放大器都属于有源器件，也是光发射机、光接收机和光中继器的核心部件。光纤连接器、光纤耦合器、波分复用/解复用器、光开关、光纤光栅、光隔离器及光环行器都属于无源器件，这些器件也是光纤通信系统中必不可少的组成部分。目前在光纤通信中使用较多的光源是半导体激光器（LD：laserdiode）和发光二极管(LED：lightemittingdiode)。光源器件的要求是：发射光波长适中较大的入纤光功率发光谱尽量窄适应工作环境，体积小重量轻此外，出于小型化的设计

3、要求，光源器件必须体积小、重量轻，从而减小光发送机或中继器的体积。3.1光源3.1.1激光器的工作原理激光器发出的光是激光（Laser：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation），意为经过放大的受激辐射光。在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，即为受激辐射光。电子在能级之间的运动方式可分为三种：受激吸收、自发辐射和受激吸收。1.受激吸收受激吸收是指物质在外来光子的激发下，低

4、能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上的过程。2.自发辐射普通光源发出的光是自发辐射光，是电子在吸收能量跃迁到高能级后（受激吸收的过程），由于状态不稳定又自动跃迁到低能级，并辐射出的光子。3.受激辐射在场效应的作用下，处于高能态的粒子受到感应而跃迁到低能态，同时辐射出受激辐射光。4.粒子数反转分布要产生受激辐射，必须满足特定条件：设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E2>E1）的电子数分别为N1和N2，受激吸收和受激辐射的速率N1和N2成正比，并且比例系数相等。当系统处于热平衡状态时，N1>N2，因为此时粒子数的分布满足公式（3-2）：（3

5、-2）式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。此时受激吸收过程占主导地位，光波经过物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收；但若媒质中，则受激辐射占主导地位，光波经过物质时强度按指数规律增大，光波被放大。这时物质处于是一种处于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转分布。要实现粒子数反转分布，必须存在外界激励。5.半导体激光器产生激光的原理受激辐射是产生激光的关键，且受激辐射必须大于受激吸收，才能实现光放大，即实现粒子数反转分布，粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。要实现粒子数反转分布首先必须具备可以产生激光的工作物质，即

6、使特定物质形成粒子数反转分布。实现粒子数反转分布后，可以产生受激辐射，发出一定数量的光子，但是还不能产生激光。必须对受激辐射光进一步放大形成正反馈，并对光的频率和方向进行筛选，才能得到大功率、波长单一的激光。（1）半导体的能带结构形成共价键的电子称为价电子。在半导体材料中能级之间距离很近，形成了许多能级组成的能带，电子分布于能带中的各能级上。能带与能带之间是电子不能占据的区域，称为禁带，其宽度称为禁带宽度（或者称为带隙、能隙），用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。价电子所占据的能带称为价带，价带的能量较低。比价带能量高的能带称为导带，导带是有自由电子填充的能带。禁

7、带位于导带和价带之间，没有电子填充，见图3-2。（2）半导体的能带分布根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布，见公式（3-3）：（3-3）式中，为波兹曼常数，为热力学温度。称为费米能级，在这个能级上电子和空穴填充的概率相同。（3）粒子数反转分布的实现过程当PN结无外加电压时，由于扩散运动和漂流运动，两个区域的费米能级相同，因此能带发生倾斜。当外加正向电压时（见图3-4），由于外加电压的外电场方向与PN结内建电场方向相反，因此内电场被削弱，少数载流子的漂移运动减弱，多数载流子的扩散运动加强，P区的空穴向N区运动，N区的电子向P区运

8、动，在PN