第三章 通信用光器件-PPT课件.ppt

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1、第3章通信用光器件通信用光器件可以分为两种类型：1、有源器件2、无源器件1、有源器件有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。2、光无源器件光无源器件主要有连接器、耦合器、光合波器和光分波器、光滤波器和隔离器等。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。本章重点要求：1、了解光源和光检测器的概念及其在光纤通信系统中作用；2、理解激光器的发光机理；3、掌握发光二极管、半导体激光器、光电二极管、雪崩光

2、电二极管等的工作原理及其主要特性。3.1光源光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号电流转换为光信号功率,即实现电/光转换。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)。对光源性能的基本要求1光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗口，其中心波长分别为850nm、1310nm和1550nm。因此，光源的发光波长应与三个低损耗窗口相符。2足够的光输出功率在室温下长时间连续工作的光源，必须按光通信系统设计的要求，能提供足够的光输

3、出功率。目前激光二极管能提供500微瓦到10毫瓦的输出光功率；发光二极管可提供10微瓦到1毫瓦的输出光功率。3可靠性高、寿命长现在的激光二极管可靠性比较高，寿命长。激光二极管寿命105小时，发光二极管寿命107小时。4温度稳定性好器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好。5调制特性好允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。6光谱宽度要窄光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。LD线宽<2nm；LED线宽在100nm左右。7与光纤之间的耦合效率高光源发出的

4、光最终要耦合进光纤才能进行传输，因此希望光源与光纤之间有较高的耦合效率，使入纤功率大，中继间距加大。目前一般激光的耦合效率为20%~30%较高水平的耦合效率可超过50%8体积小，重量轻要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。激光器的工作物质可以是气体、液体、固体。也可以是半导体。由于半导体激光器调制方便、体积小、便于与光纤耦合，是光纤通信最为合适的光源。3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构一、受激辐射和粒子数反转分布（一）基本概念（1）半导体激光器半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数

5、反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。（2）激光激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。（二）光和物质相互作用有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方

6、式。1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理论提出，光与物质的相互作用时，将发生:(1)受激吸收(2)自发辐射(3)受激辐射三种基本物理过程。(1)受激吸收在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。受激吸收将使外界光能减少。(2)自发辐射在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。(3)受激辐射在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能

7、级E1上，释放的能量产生光辐射，这个过程是在外界条件刺激下产生的，因而称为受激辐射。受激辐射产生的光子与入射光子叠加，使光得到放大，因而受激辐射是产生激光的最重要的过程。受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。（三）相干光和非相干光（1）相干光受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光

8、。（2）非相干光自发辐射的光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。（四）粒子数反转分布产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的粒子数分别为N1和N2。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布。式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。