有源光器件和无源光器件区别及基础
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• 多波长光源与波长可调谐激光器
• 光电探测器(PD、PIN、APD)
整理版
7
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)
整理版
8
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 – 大有效截面单模光纤 – 色散平坦单模光纤
整理版
14
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
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。
整理版
15
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
整理版
1
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
E2 N2
h
E1 N1
EphE2E1
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。
整理版
17
3.1.3 .2 受激辐射 (stimulated radiation)
N2
E2
EhE 2E 1
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。
整理版
3
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
整理版
4
光器件的应用
光放大
DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器
• 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
整理版
9
光网络器件
• 光耦合透镜（自wk.baidu.com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
• 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 整理版
10
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)
整理版
11
系统：Systems
整理版
18
3.1.3 .3 受激吸收 (stimulated absorption)
E2 N2
h
EhE 2E 1E1 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。
整理版
19
自发辐射和受激辐射、吸收的区别：
•自发辐射是单向性的； ••受自激发跃辐迁射是概双率向与的光;强无关； •受激跃迁概率正比于光强。
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
整理版
可调谐滤波 DWDM OXC 光耦合器 光调制解调
5
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
整理版
6
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)
整理版
20
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:
N 2 /N 1 ex E g p /k)( T ex hp /k) (T
即若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
E2E1
e kT
1
N2
N1
k=1.38×10-23J/K
N1
为玻耳兹曼常量
整理版
21
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。
整理版
22
例如：T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
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。
整理版
16
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)
整理版
2
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
模块：Modules 器件：Devices
元件：Components
整理版
12
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
整理版
13
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
• 光电探测器(PD、PIN、APD)
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7
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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8
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 – 大有效截面单模光纤 – 色散平坦单模光纤
整理版
14
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
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。
整理版
15
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
整理版
1
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
E2 N2
h
E1 N1
EphE2E1
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。
整理版
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3.1.3 .2 受激辐射 (stimulated radiation)
N2
E2
EhE 2E 1
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。
整理版
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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
整理版
4
光器件的应用
光放大
DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器
• 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
整理版
9
光网络器件
• 光耦合透镜（自wk.baidu.com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
• 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 整理版
10
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)
整理版
11
系统：Systems
整理版
18
3.1.3 .3 受激吸收 (stimulated absorption)
E2 N2
h
EhE 2E 1E1 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； ••受自激发跃辐迁射是概双率向与的光;强无关； •受激跃迁概率正比于光强。
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
整理版
可调谐滤波 DWDM OXC 光耦合器 光调制解调
5
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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6
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)
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20
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:
N 2 /N 1 ex E g p /k)( T ex hp /k) (T
即若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
E2E1
e kT
1
N2
N1
k=1.38×10-23J/K
N1
为玻耳兹曼常量
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21
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。
整理版
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例如：T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
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。
整理版
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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)
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2
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
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
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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