有源光器件和无源光器件区别及基础

光器件的应用
光放大
DWDM
光色散补偿 光隔离器
光环行器
光波长转换
OADM DWDM 光隔离器
光环行器
光开关
多波长光源
DWDM 光调制器 光隔离器
光耦合器
光波长转换
可调谐滤波 DWDM
OXC
光耦合器 光调制解调
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光器件的分类
• 光电变换器件 • 光开关与调制器件 • 光放大器件 • 光色散补偿器件 • 光网络器件
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光器件与电器件的类比
电线 电阻 二极管 放大器 滤波器 电接插件 开关
光纤 光衰减器 光隔离器 光放大器 光滤波器 光连接器 光开关
调制器
光调制器
三通（多通） 光耦合器
混频器
光波分复用器
频率转换器 光波长转换器
电源
光源
探头
光探测器
集成电路
集成光路
第四页，编辑于星期五：十点 十四分。
第七页，编辑于星期五：十点 十四分。
光调制器件
• 幅度调制
– 机械调制 – 电光调制 – 直接调制 – 电吸收光调制(EA)
• 相位调制 • 偏振调制 • 光电集成芯片(OEIC) • 光子集成芯片(PIC)
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光色散补偿器件
• 色散控制
– 色散位移单模光纤 – 非零色散位移单模光纤
*Mode spacing 0.7 to 2 nm *高偏振
*相干长度约为 1 to 100 mm
*小的 NA ( 光易于耦合进光纤)
λ (nm)
I(mA)
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➢FP-LD的结构
FP-LD管芯示意图
第三十二页，编辑于星期五：十点 十四分。
➢FP-LD的工作原理
c)增益损耗曲线和可能的纵模
d)实际的多模辐射
FP-LD的光谱宽度为纵模包络光功率最大值一半时的带宽。
第三十六页，编辑于星期五：十点 十四分。
3.1 激光的基础知识
3.1.1 玻尔的能级假说 3.1.2 光子 3.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收 3.1.4 粒子数反转
第十四页，编辑于星期五：十点 十四分。
3.1.1 玻尔的能级假说
能量最低的原子能级称为基态能级，其它能 量较高的原子能级称为激发态能级。
h E2 E1
h =6.6261×10-34 Js
E2 N2
h
E h E2 E1 E1 N1
上述外来光也有可能被低能级吸收，使原子从E1E2。 在入射光子的激励下，原子从低能级向高能级跃迁，称为
受激吸收。
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自发辐射和受激辐射、吸收的区别：
•自发辐射是单向性的； •受激跃迁是双向的; •自发辐射概率与光强无关； •受激跃迁概率正比于光强。
解：总能量 E =P × 1s=1 × 10 -3W × 1s = 1 × 10 -3J 这个能量等于E = Ep ×N,其中N是光子的数量。 所以N=E/ Ep = {1 × 10 -3J}/{3.04 × 10-19 J }=3.3 × 1015 ，也就是3.3
千万亿。
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第十一页，编辑于星期五：十点 十四分。
系统：Systems 模块：Modules 器件：Devices
元件：Components
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第三章 有源光器件和 无源光器件
3.1 激光原理的基础知识 3.2 半导体光源 3.3 光电探测器 3.4 无源光器件
第十三页，编辑于星期五：十点 十四分。
第六页，编辑于星期五：十点 十四分。
光电变换器件
• F-P腔激光二极管(LD)
• 分布反馈布拉格激光器(DFB)
• 分布布拉格反射激光器(DBR) • 外腔激光器与Q开关激光器
• 发光二极管(LED)
• 光纤激光器(OFL)
• 垂直腔表面发射激光器(ECSEL)
• 多波长光源与波长可调谐激光器
• 光电探测器(PD、PIN、APD)
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光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件
–光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） –光纤定向耦合器/分支器 –光分插复用器（OADM) –光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) –光衰减器（固定、连续） –光滤波器（带通、带阻） –光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） –光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
光纤通信、医学、测量、加工和军事等。
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3.2.2 半导体激光器（LD）
FP-LD----法不里-泊罗激光器
DFB-LD—分布反馈激光器
DBR -LD ---分布反射激光器 QW –LD----量子阱激光器
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➢法不里-泊罗激光器
E h E2 E1
h
E1 N1
全同光子
在能量为E的入射光子的激励下，原子从高能级向低 能级跃迁，同时发射一个与入射光子频率、相位、偏 振方向和传播方向都相同的另一个光子，这一过程称 为受激辐射。
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3.1.3 .3 受激吸收 (stimulated absorption)
同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐射→同步
的。 •形成正反馈的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。
•受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这个动态过程
。因此需要比LED快得多的速度来激活电子，需要粒子数反转。为了 实现粒子数反转，需要在激活区加大的正向电流。 •为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。
• 光波长转换与光波长路由器件
• 光调制解调器（Modem）
• 光衰减器与光延时器件
• 光开关与光交叉连接器件 • 微光电机械芯片
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光放大器件
• 掺铒光纤放大(EDFA)
• 掺镨光纤放大(PDFA) • 掺钕光纤放大(NDFA) • 分布式光纤放大
– 喇曼光纤放大(SRFA) – 布里渊光纤放大(SBFA) • 半导体光放大(SOA)
E2 N2
h
E1 N1
E p h E2 E1
处于高能级的原子自发的辐射一个频率为ν、能量为 E的光子，跃迁到低能级，这一过程称为自发辐射。 是相位、偏振方向不同的非相干光。
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3.1.3 .2 受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2
P peak
λ (nm)
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相邻两个纵模的间隔λN –λN+1 ≈ λ2/2 n L
当谐振器的L=0.4mm, n=1，工作在λ= 1300 nm 附近时，计算出 λN –λN+1≈ 2.1 nm ，假设增益曲线的线宽等于7nm，则这种活 性介质可支持3个纵模。
Fabry-Perot (FP) Laser
➢多纵模(MLM) 光谱
P peak
➢“著名”的半导体激光器
➢最早用于光纤链路 (850 or 1300 nm)
➢今天:用于短或中等长度的光纤链路
➢主要性能指标
*主要用于波长 850 or 1310 nm
*总输出功率大于几 mw
P(mW)
阈值
*光谱宽度 3 to 20 nm
N1
为玻耳兹曼常量
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粒子数反转（N2 >N1）是实现激光放大的必要条件。
N2
N1
为了实现粒子数反转，就需要大量电子跃迁到导带， 为此，需要泵浦为跃迁提供能量。 此外，还需要亚稳态能级使激发的电子保持一段时间 ，形成粒子数反转。
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要实现FP-LD激射，必须满足几个基本条件：
要有能实现电子和光场相互作用的物质；
要有注入能量的泵浦源； 要有一个F-P谐振腔； 必须增益大于损耗 要满足振荡条件: λ= 2nL/N。
其中L是镜间距， N 是一个整数， n为谐振腔内折射率，λ是光波长。
a)任意波注入时的FP-LD
b)驻波注入时的FP-LD
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例题
1、假设一个激光二极管发出的红光的波长λ=650nm,那么单个光子的 能量是多少？
解： Ep =h ν =h•c/λ={[6.6 × 10-34 J • S] ×[3 ×108 m/s]}/650 ×109m=3.04 × 10-19 J
2、LD波长λ=650nm,光能量P=1mW,这个光源每秒发射多少光子？
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综上所述，半导体激光器的激射条件为：
粒子数反转
受激辐射 正反馈
第二十八页，编辑于星期五：十点 十四分。
半导体激光器（LD）的特点：
输出功率大(kW)，光谱宽度窄(0.01pm)，高偏振 ，相干长度长，输出 NA小 ( 光易于耦合进 纤)
半导体激光器（LD）的应用：
第三十三页，编辑于星期五：十点 十四分。
例如：
如果L= 0.4mm = 400 μm， n=1
而λ= 1300 nm= 1.3 μm 则N = 615 谐振器支持的波长为1300 nm =2 n L/ N，但其也 支持：2L(N ±1), 2L(N ±2),等等波长。这些谐振器 选择的波长叫纵模。当谐振器的长度增加或减少 时，激光器就从一个纵模转向另一个，被称之为 跳模。 因为λ = 2 n L/ N，所以相邻两个纵模的间隔
– 大有效截面单模光纤 – 色散平坦单模光纤
• 色散补偿
– 色散补偿光纤模块 – SOA色散补偿
– 光纤光栅色散补偿
• 色散管理
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光网络器件
• 光耦合透镜（自聚焦透镜、玻璃球透镜） • 光连接器与光耦合器 • 光隔离器与光环行器
• 光滤波与光波分复用器件 • 光起偏器与偏振控制器
第二十页，编辑于星期五：十点 十四分。
3.1.4 粒子数反转
在热平衡时，各能级的粒子数目服从玻耳兹曼统计分布:
N2 / N1 exp(Eg / kT ) exp(h / kT )
即若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
E2 E1
e kT
1
N2
N1
k=1.38×10-23J/K
第二十五页，编辑于星期五：十点 十四分。
3.2 半导体光源
3.2.1半导体激光器的特点和应用
3.2.2半导体激光器（LD） 3.2.2发光二极管（LED）
第二十六页，编辑于星期五：十点 十四分。
3.2.1 半导体激光器的特点和应用
半导体激光器是通过受激辐射产生光的器件。 •受激辐射的特征：一个外来光子迫使一个带有类似能量E的光 子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们的光子相
其中E2和E1分别为跃迁前、后的原子能级能量，h为普朗克常数，ν为
电磁辐射的频率。
第十五页，编辑于星期五：十点 十四分。
3.1.2 光子
若原子从E2 → E 1 ，△ E=E2 – E 1 ， 这个差△ E将以一个量子的能量形式释放，一个量子的能量
被称为光子（photon）。 一个光子的能量Ep由下面的公式定义
有源光器件和无源光器件
第一页，编辑于星期五：十点 十四分。
光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件
–半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) –半导体光探测器(PD,PIN,APD） –光纤激光器（OFL:单波长、多波长） –光放大器(SOA,EDFA) –光波长转换器(XGM,XPM,FWM) –光调制器（EA） –光开关/路由器
例如：T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV; 在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 1～1eV;
N2
E2 E1
e kT
1
e 0.086
105
1
N1
说明基态上粒子数最多。此时 受激辐射概率<受激吸收概
率，不能产生光放大。
eV 1.60221019 J
Ep =hν（ 3.1.3-1 ）
h是普朗克常数(h=6.626 ×10-34 J • S)，而ν是光子的频率。
原子从高能级→低能级，对应于光子的辐射；原子从低能级→高能级 ，对应于光子的吸收。
第十六页，编辑于星期五：十点 十四分。
3.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收
3.1.4 .1 自发辐射(spontaneous radiation)
λN –λN+1 ≈ 2 n L/N2 = λ2/2 n L
第三十四页，编辑于星期五：十点 十四分。
激光出射条件
1、必须增益大于损耗： e2[g ( ) ]L R1R2 1
2、活性介质只能在很小的波长范围内提供增益（ λ<hc/E
）。谐振器和活性介质共同作用的结果，只有几个落在增益 曲线内的谐振波长才能被激射。