光器件基础知识培训课件

2. 能带的形成：
➢ 量子力学证明，晶体中电子共有化的结果，使原先每个原子中具有相同能量 的电子能级，因各原子的相互影响而分裂为一系列和原来能级很接近的新能 级，这些新能级基本上连成一片，而形成能带。
➢ 能带中不允许存在能量状态的区域称为带隙（也叫禁带），带隙宽度用电子 伏特（eV）表示。
4. 1970年 ——第一根低损耗光纤 （20dB/Km）研制成功 （美国康宁公 司 ）；美国贝尔实验室成功研制能 在室温条件下连续工作的半导体激 光器
5. 1974年 ——美国贝尔实验室成功研
制出损耗为1dB/Km的光纤 （化学气
相沉PPT积学习法交（流 MCVD） ）
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6. 1976年——日本电话电报公司研制 出损耗更低的光纤（0.5dB/Km）
7. 20世纪70年代末期——光纤通信系 统实现第一次业务运营
8. 20世纪80年代后期 ——光纤损耗 已经降低到0.16dB/Km
9. 1988年 ——第一条跨大西洋光缆 投入运营
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1.2 光纤通信的主要优点
1. 通信容量大 ——光纤的可用带宽较大，一般在10GHz以上；而
4. 抗噪声干扰——光纤不导电的特性还避免了光缆受到闪电、电
机、荧光灯及其他电器源的电磁干扰（EMI），外部的电噪声也不影 响光频的传输能力。此外，光缆不辐射射频（RF）能量的特性也使它 不会干扰其他通信系统。（所以现已广泛应用于军事上）
5. 适应环境——光纤对恶劣环境有较强的抵抗能力。它比金属电缆
不仅受到本身原子核的作用，还受到相邻原子核的作用。这种作用对于内电子和价电子 的影响是不一样的。内电子被本身原子核牢牢地束缚着，所以所受的影响并不显著。价 电子却不然，它的轨道大小和相邻原子间的距离是相同数量级的，所以所受的影响很显 著。按照古典物理，电子是不能从一个原子转入另一个原子里去的；而量子力学却容许 电子通过隧道效应进入另一个原子。这样，价电子就不再分别属于各个原子，而被整个 晶体中原子所共有，这就是电子的共有化。
光纤通信系统虽然经历了5代的发展，但目前应用最为广泛的 不外乎两种系统结构：
1. 点到点的直接强度调制/直接检测（IM/DD）系统（根据传输信号的性 质不同，又可分为数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统两种）；
2. 波分复用（WDM）光纤通信系统。
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第二章 半导体物理基础知识简介
少数原子被激发到高能级，而且，能级越高， 4E1
处于该能级上的原子数越少。
E1
n=5 n=4
n=3
第一激发态
n=2
基态
n=1
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粒子分立能级示意图
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2.2 固体的能带结构
1. 电子的共有化：
➢ 在正常状态下，原子中的电子并不能都处于最低能级上。因为泡利不相容原 理指出，每一能级上至多只能有两个电子，而且它们的自旋方向还必须相反。
更能适应温度的变化，腐蚀性的液体或气体对其影响也较小。
6. 重量轻、安全、易敷设
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7. 保密——光纤不向外辐射能量，很难用金属感应器对光缆进行窃听。 8. 寿命长
1.3 光纤通信系统的基本组成与发展概况
•基本组成——光发送机、光接收机、光纤（光缆）和各种耦合器 件
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以点到点的光纤通信系统为例
光端机
光源
电端机
中继器
光缆
光检测器
光源
光端机
光缆 光检测器
电端机
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•发展概况——
➢ 第1代光纤通信系统——20世纪70年代
末大量投入运营，由0.85μm的光源和多模 光纤构成。
➢ 第2代光纤通信系统——20世纪80年代
初，采用1.3μm的半导体发光二极管或激光 二极管作为光源，再加上多模光纤。
➢ 第3代光纤通信系统——自20世纪80年
代后期以来，采用1.55μm作为工作波长， 以色散位移光纤作为传输媒介。
➢ 第4代光纤通信系统——采用波分复用
（WDM）技术，现已开始投入运营。
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➢ 第5代光纤通信系统——基于光纤非线
性压缩抵消光纤色散展宽的新概念产生的光 孤子研究，经过20多年的研究发展，有了突 破性进展。
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第一章 光纤通信简介
1.1 光纤通信的基本含义和发展历程
•光纤通信——利用激光作为信息的载波信号并通过光导纤维来传 递信息的通信系统 。
•发展历程 ——
1. 我国周朝 ——烽火台
2. 1880年 ——贝尔发明光电话 （利用光
载波信号来传送话音 ）
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3. 1960年 ——世界上第一台激光器研 制成功
➢ 能量愈高，相邻能级的间隔就越小，电子从下一能级过渡到上一能级也就越 方便。当电子从原子中挣脱出来，而进入离子化状态后，这时能量已没有一 级一级的差别，而在能量图上形成一个能量连续的区域，这时电子可以自由 运动，所以称为自由电子。
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➢ 电子的共有化是一种量子效应而非古典的性质——由于原子离得很近，每个电子
金属电缆存在的分布电容和分布电感实际上起到了低通滤波器的作用， 限制了电缆的传输频率、带宽以及信息承载能力。
2. 传输距离长 ——光缆的传输损耗比电缆低，因而可传输更长的
距离。
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3. 抗电磁干扰 ——光纤通信系统避免了电缆由于相互靠近而引起
的电磁干扰。光纤的材料是玻璃或塑料，都不导电，因而不会产生磁 场，也就不存在相互间的电磁干扰。
确定的量子化的某些离散值，是不连续的。这些分立的
能量值叫做原子的能级 ）
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原子结构模型图
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E(eV)
➢当原子中电子的能量最小时，整个原子的
能量最低，这个原子处于稳态，称为“基态”；
25E1 16E1
当原子处于比基态高的能级时，称为“激发
态”。
9E1
➢通常情况下，大部分原子处于基态，只有
2.1 原子的能级结构
➢原子由原子核和核外电子组成。原子核带
正电，电子带负电。原子核所带的正电与核
外电子所带的负电的总和相等。因此，整个
原子呈电中性 。
➢电子在原子中的运动轨道是量子化的 。
（轨道的量子化是指原子中的电子以一定的几率出现在
各处，即原子中的电子只能在各个特定轨道上运行，不
能具有任意轨道；电子的能量不能取任意值，而是具有