第 三 章 通信用光器件
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第3章 光纤通信器件-PPT精品文档
2L g q
28
3.1.3 半导体激光器的结构、工 作原理及工作特性
• 半导体激光器是有阈值的器件，它和发光二极管 （LED • 光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。 （1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口, 即短波长波段的0.85μm、长波长波段的1.31μm与 1.55μm。 （2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。 （3 （4）光源的谱线宽度窄。 （5
17
1．粒子数反转分布与光放大之 间的关系
• • 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用 大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。 • 这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。 • 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。 • 将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激 活物质。
55
3.1.5 量子阱半导体激光器
• 图3-22 量子阱半导体激光器
56
3.2 半导体光电检测器
• 光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第 一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换 为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电
• 目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检 测器有两种，一种是PIN光电二极管，另一种是 APD雪崩光电二极管。
50
3.1.4 分布反馈半导体激光器
• 图3-20 分布反馈半导体激光器结构示意图
51
3.1.4 分布反馈半导体激光器
1．DFB • 在普通的半导体激光器中，利用在激活物质两 端的反射镜来实现光反馈。而在DFB激光器中，
52
3.1.4 分布反馈半导体激光器
2． DBR激光器 • DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面。 • 它相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉 格反射器，起着衍射光栅的作用，因此可以将它看成
章通信用光器件EDFA
产生光电流，这种跃迁称为受激吸收——光电检测器。
② 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的能量转换为光
子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。
③ 在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时， 使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激
1．激光器的物理基础
（1）光子的概念
光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中 h=6.628×10−34 J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，f 是光
波频率，人们将这些光量子称为光子。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或
发射。
11.12.2020
（教材第可5编3页辑p）pt
11.12.2020
（教材第可5编4页辑p）pt
9
3.1.1 激光器的工作原理 光纤通信
2．激光器的工作原理
激光器包括以下3个部分： • 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； • 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源 （泵浦源）； • 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益 物质，它是产生激光的必要条件。
如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在 正常状态下， N1 ＞ N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平
衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即
使N2 ＞ N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种
粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。
② 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的能量转换为光
子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。
③ 在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时， 使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激
1．激光器的物理基础
（1）光子的概念
光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中 h=6.628×10−34 J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，f 是光
波频率，人们将这些光量子称为光子。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或
发射。
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3.1.1 激光器的工作原理 光纤通信
2．激光器的工作原理
激光器包括以下3个部分： • 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； • 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源 （泵浦源）； • 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益 物质，它是产生激光的必要条件。
如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在 正常状态下， N1 ＞ N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平
衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即
使N2 ＞ N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种
粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。
通信用光器件通信用光器件可以分为两种类型有源共139页文档
th
1 ln 1
2L R1R2
1 1 ln 1 3.3 mm1 20.5 0.320.32
（2）相位条件
激光振荡需要满足的相位条件为
2Lq2 q1,2,3,
可以写成
Lq
2n
或 2nL
q
式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射 率，q=1, 2, 3 …称为纵模模数。
例：对于GaAs材料的半导体激光器，其非 涂覆解里面上R1=R2=0.32(也就是32%的辐 射光在端面上被反射)，激活物质的损耗系
数 α=1mm-1 ， 谐 振 腔 长 L=500μm ， 求 阈 值
增益系数γth 。
由阈值条件得
(th )2 L ln R 1 R 2 0
阈值增益系数为
填满，故称为满带。 （4）禁带 导带底的能量和价带顶的能量之间的能
量差称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据 禁带。
（二）电子分布
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：
p(E)1exp1E( Ef ) kT
式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级，它是半导体的一个参数。
(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 E足波尔 条件，即
电子填充能带时，将从最低能带开始 向上依次填充各个能带的能级。
（1） 价带 原子最外层的价电子所占据的能带称
通信用光器件
章节名称：第三章通信用光器件3.1 光源3.1.1半导体激光器工作原理（2学时100分钟）一、教学目的及要求：1、光源的概念及其在光纤通信系统中作用；2、了解系统对光源的要求。
3、理解光与物质相互作用的三个物理过程。
4、掌握激光器的发光机理。
二、教学重点及难点：重点：系统对光源的要求、光与物质相互作用的三个物理过程、半导体激光器基本结构。
难点：激光器的发光机理。
三、教学手段：板书与多媒体课件演示相结合。
四、教学方法：课堂讲解、演示、提问。
五、作业：3-1，3-2，3-3。
六、参考资料：《光纤通信》杨祥林第三章《光纤通信》刘增基第三章。
《光纤通信》Gerd Keiser著，李玉权等译第三章第3章通信用光器件通信用光器件可以分为两种类型：有源器件和无源器件。
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。
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。
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。
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）。
讲解板书动画演示45分钟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0.85 A m（850nm）、1.31 A m （1310nm）和1.55 J m （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，能提供足够的光输出功率。
目前激光二极管能提供500微瓦（J W、到10毫瓦（mW ）的输出光功率；发光二极管可提供10微瓦（」W、到讲解板书课件演示动画演示3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。
chap3通信用光器件(Part1)-光源解析
级连续分布的能带。
内层电子态之间的交叠小，原子间的 影响弱，分成的能带比较窄；外层电子态 之间的交叠大，原子间的影响强，分成的 能带比较宽。 电子填充能带时，将从最低能带开始
向上依次填充各个能带的能级。
半导体的能带和电子分布
能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导 带底的能量 Ec 和价带顶的能量 Ev 之间的能量差 EcEv=Eg称为禁带宽度或带隙。
区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特
殊的增益区。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果 获得粒子数反转分布。 在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到
价带和空穴复合，产生自发辐射光。
正向偏压下P-N结能带图 ——普通掺杂的P型和N型半导体类型
Ep c hf Ep f p Ev
（1）正常粒子分布——受激吸收
我们把这种 N1 > N2 分布称为粒子数正 常分布。在热平衡状态下，N1 > N2，受激吸 收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光 波总是被吸收，光强按指数衰减， 这种物 质称为吸收物质。
（2）粒子数反转分布——受激辐射
如果 N2 > N1，即受激辐射大于受激 吸收，当光通过这种物质时，会产生放大
En c
势垒
P区
E f
N区
p E v
En v
零偏压时P-N结的能带倾斜图
（2）接触后P型、N型半导体的能带图
——从粒子数反转角度
当P型半导体N型半导体结合时形成PN结后， 由于载流子向对方互相扩散的结果，使N区的费
米能级降低，P区的费米能级升高，达到热平衡
时，形成了统一的费米能级。
因此在热平衡状态下，高能级上电子数少，
能量 Eg /2 Eg Eg /2 导带 Ec Ef Ev 价带 (b) Eg Ev Ec Ef Eg Ec
光传输第3章 光纤通信系统用元器件(光放大器)PPT课件
放大器增益随输出功率的变化
放大器噪声
所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射(或散射)叠加到信号光上，导 致被放大信号的信噪比(SNR)降低，噪声降低程度用噪声指数来表示
Fn
(SNR)in (SNR)out
由散粒噪声限制的理想探测器 (SN )inR Ip 2 22q((R RiiP n )P n )2f 2h P i n vf
( 1
0 )2 R
4
二能级光放大器增益谱及相应介质的洛沦兹增益谱特 性
增益饱和
当P 增大至可与 Ps 相比拟时，g()降低，放大系数G()随信号功率增
加而降低，这种现象叫增益饱和。
设输入光信号频率位于增益峰值（ 0 ）处，光功率随距离按下
述关系变化 dP g 0 P dz 1 P Ps
利用初始条件： P (0 )P in ,P (L )P ou tG in ,P 对上式在放大器长度限内积分， 可得放大器增益为
在小信号放大时 P/Ps 1 ，增益系数为
g()1(g00)2R2
增益带宽定义为增益谱 g() 降至最大值一半处的全宽(FWHM)
g
gቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2
1
R
放大器的增益或放大倍数为
G Pout Pin
在长度为L的放大器中，光信号沿长度逐步被放大，光功率
随距离的变化规律:
dP gP dz
P(z)Pinexgp)z(
由自发辐射引入的噪声的谱密度几乎是一个常数（白噪声），可表示为
Ssp(v)(G1)nsphv
噪声电流的变化可表示为 24(RG in)R (PsS p )f
放大信号的SNR为
(SN )oR u t (I)22(RG 2in)2P 4G Ssp i nP f
3章通信用光器件EDFA
（2）原子能级
物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子
有不同稳定状态的能级。
最低的能级E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级E i （i=2，3，4，…）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较 低能级E1时，其能级间的能量差为∆E =E2−E1，并以光子的形式释 放出来，这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式
6
3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
（3）光与物质的三种作用形式
光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发
生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图3-1所示。
图3-1 能级和电子跃迁
2019/7/16
（教材第54页）
7
3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
① 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射
2π的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，
产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成 一束笔直的激光。
当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得
的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。
2019/7/16
（教材第56页）
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3.1.1 激光器的工作原理
如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在 正常状态下， N1 ＞ N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平
衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即
使N2 ＞ N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种
粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。
3章通信用光器件EDFA
折射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3…称为纵模模数。
谐振腔只对满足式（3-5）的光波波长或式（3-7）的光波频率
提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。
2019/9/28
（教材第57页）
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3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
④ 起振的阈值条件 激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如
发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤 通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本 低、可靠性好。
2019/9/28
（教材第53页）
4
3.1.1 激光器的工作原理
光纤通信
半导体激光器：是向半导体P-N结注入电流，实现粒子数
反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放 大而产生激光振荡输出激光。
（2）原子能级
物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子
有不同稳定状态的能级。
最低的能级E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级E i （i=2，3，4，…）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较 低能级E1时，其能级间的能量差为∆E =E2−E1，并以光子的形式释 放出来，这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式
1．激光器的物理基础
（1）光子的概念
光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中 h=6.628×10−34 J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，f 是光波
频率，人们将这些光量子称为光子。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或
发射。
2019/9/28
（教材第53页）
5
3.1.1 激光器的工作原理 光纤通信
第3章通信用光器件2 92页PPT文档
I层很厚， 吸收系数很小，入射光很容易 进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空 穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。
两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比 例很小，I层几乎占据整个耗尽层， 因而光生 电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高 了响应速度。
另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改 变器件的响应速度。
当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结 果和PIN相同。
3.2.4 光电二极管一般性能和应用
表3.3和表3.4列出半导体光电二极管(PIN 和APD)的一般性能。
APD是有增益的光电二极管，在光接收机 灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长 系统的传输距离。
灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。
(3.18)
fc 0.4d 20.42vws
（3.19）
式中，渡越时间τd=w/vs，w为耗尽层宽度， vs为载流子渡越速度， 比例于电场强度。
由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 减小耗 尽层宽度w，可以减小渡越时间τd，从而提高 截止频率fc，但是同时要降低量子效率η。
ÄÚÁ¿×ÓЧÂÊ
IP e(A/W)
(3.14)
P0 hf
式中， hf 为光子能量， e为电子电荷。
（2） 量子效率的光谱特性取决于半导体 材料的吸收光谱α(λ)，对长波长的限制由式 (3.6)确定，即λc= hc /Eg。
图3.22示出量子效率η和响应度ρ的光谱 特性，由图可见，Si 适用于0.8~0.9μm波段， Ge 和InGaAs 适用于1.3~1.6 μm波段。响应度 一般为0.5~0.6 (A/W)。
N＋ P
(P ) P＋
E 电极
图3.26 APD结构图
两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比 例很小，I层几乎占据整个耗尽层， 因而光生 电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高 了响应速度。
另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改 变器件的响应速度。
当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结 果和PIN相同。
3.2.4 光电二极管一般性能和应用
表3.3和表3.4列出半导体光电二极管(PIN 和APD)的一般性能。
APD是有增益的光电二极管，在光接收机 灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长 系统的传输距离。
灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。
(3.18)
fc 0.4d 20.42vws
（3.19）
式中，渡越时间τd=w/vs，w为耗尽层宽度， vs为载流子渡越速度， 比例于电场强度。
由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 减小耗 尽层宽度w，可以减小渡越时间τd，从而提高 截止频率fc，但是同时要降低量子效率η。
ÄÚÁ¿×ÓЧÂÊ
IP e(A/W)
(3.14)
P0 hf
式中， hf 为光子能量， e为电子电荷。
（2） 量子效率的光谱特性取决于半导体 材料的吸收光谱α(λ)，对长波长的限制由式 (3.6)确定，即λc= hc /Eg。
图3.22示出量子效率η和响应度ρ的光谱 特性，由图可见，Si 适用于0.8~0.9μm波段， Ge 和InGaAs 适用于1.3~1.6 μm波段。响应度 一般为0.5~0.6 (A/W)。
N＋ P
(P ) P＋
E 电极
图3.26 APD结构图
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LD, I′=(0.7~0.8)Ith；τsp为有源区内的电子寿命，τph为谐振腔内的光子寿
命。 图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr是调制频率
的上限，一般激光器的fr为1~2 GHz。在接近fr处，数字调制要产生弛
豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。
5. 温度特性
富士通光发送模块
压电陶瓷管
fL就是滤波器的自由光谱区
fFP B
fF P
FSR fL
fi f 1
Sch为归一化信道间距
c fL 2nL
N为信道数
fs Nfch NSchB
F
1 R
R
fL fL F N fch SchfFP Sch R N 31 R
m
2n
要使光在谐振腔里建立起稳定的振 荡，必须满足一定的相位条件和阈 值条件．相位条件使谐振腔内的前 向和后向光波发生相干．阙值条件 使腔内获得的光功率正好与腔内损 耗相抵消。谐振腔里存在着损 耗．如镜面的反射损耗、工作物质 的吸收和散射损耗等。只有谐振腔 m(m 2n) 里的光增益和损耗值保持相等．并 L 且谐振腔内的前向和后向光波发生 相干时，才能在谐振腔的两个端面 输出谱线很窄的相干光束。前端面 发射的光约有50％耦合进入光纤。 后端面发射的光，由封装其内的光 m 电检测器接收变为光电流．经过反 馈控制回路．使激光器输出功率保 持恒定。
2.雪崩光电二极管
(1)工作原理
(2)平均雪崩增益
雪崩光电二极管光雪崩倍增的大小与电子或空穴的电离率有关。 电子(或空穴)的电离率是指电子(或空穴)在漂移的单位距离内平均 产生的电子和空穴数．分别用e和h表示．e和h随半导体材料 的不同而不同，同时也随高场区电场强度的增加而增大，材料的 两种电离率比值kA=h/e是对光探测器性能的一种量度。
fs为输入的最高频率信道和最低频率
信道之间的频率差 fch 为信道间隔
法布里—珀罗滤波器
基本法布里-珀罗干涉仪由两块平行镜面组成的谐振腔构成，一块镜面 固定，另一块可移动，以改变谐振腔的长度。镜面是经过精细加工并 镀有金属反射膜或多层介质膜的玻璃板，由光纤输入的光经过谐振腔 反射一次后，聚焦在输出光纤端面上，借助改变谐振腔的长度达到从 波分复用信道中选取所需信道的目的。
2n
mL
3.1.2激光器的结构
异质结半导体激光器
LED和几种半导体激光器的结构
同质结、双异质结半导体激光器能级图及光子密度的比较
3.1.3半导体激光器的特性
1.发射波长和光谱特性
光源的波长特性主要从以下四个方面影响系统设计· ： 1)中心波长必须与探测器响应波长匹配； 2)中心波长、光谱宽度及其偏差必须和波长选择器及滤波器选择特 性匹配； 3)中心波长确定光纤损耗； 4)中心波长和光谱宽度决定光纤色度色散． 对于大多敷非相干通信系统，对光源的选择，最关心的是中心波 长对光纤损耗的影响以及光谱宽度对光纤材料或带宽的影响． (1)LED波长特性 LED本质上是非相干光源，它的发射光谱就是半导体材料导带和 价带的自发辐射谱线，所以谱线较宽．对于用GaAIAs材料制作 的LED，发射光谱宽度约为30nm~50nm，而对长波长InGAsP材 料制作的LED，发射谱线在60m~120nm之间．因为LED的
２.激光束的空间分布
激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出
反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分 布。图3.8是GaAlAsDH激光器的近场图和远场图， 近场和远场 是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂 直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。由图3.8可以看 出， 平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄， 场图呈现出由多横模 变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图
全光网络必须具备的特性
1.必须是开放的，能支持各种业务的光网络
2.光网络灵活、易升级 3.具有更高效的保护和恢复能力
4.具有更简单、更有效的网络控制和管理功能（NC&M）
全光网络结构
连接损耗
活动连接器结构和特性
FC型光纤连接器
SC型光纤连接器
ST型光纤连接器
例：APC连接器端面的倾斜角为何是８度？
2.机械连接 3.毛细管黏结连接
耦合器
1．T型耦合器
耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多个或 一个光输入。耦合器对线路的影响是附加插入损耗， 可能还有一定的反射和串音。
2．星型耦合器
可调谐光滤波器
可调谐光滤波器是一种波长 （或频率）选择器件，它的 功能是从许多不同频率的输 入光信号中，选择出一个特 定频率的光信号。
光栅滤波器
1.布拉格光栅
布拉格光栅由间距为 的一列平行 半反射镜组成，称为布拉格间距。
nB / 2
2.光纤光栅滤波器
光敏性：强激光辐照掺杂 光纤时，光纤的折射率将 随光强的空间分布发生相 应的变化，变化的大小与 光强成线性关系。
驱动
编码
复用
电信号 输入
光纤
控制 光源 外调制器 光隔 离器 输出 光信号
（b）光外腔调制发射机框图
3.1.1光源及发光机理
如果占据高能带(导带) Ec的电子跃迁到低能带(价带) EV 上 ， 就将其间的能量差(禁带能量) Eg EC EV 形 式 放 出 ， 如 图所示。这时发出的光，其波长基本上由能带差 E 所决定。
M IM Ip
式中IP是初始的光生电流，IM是倍增后的总输出电流的平均值。M 也与结上所加的反向偏压有关。 APD存在击穿电压V=Vbr，当V=Vbr时。 M
M
1 1 Vr Vbr
n
MSN光电探测器(Metal-semiconductor-metal)
金属电极
1um
有源区
3.2.2光电二极管
1.PIN光电二极管 (1)工作原理
PIN光电二极管耗尽层的电容
c W
0 d r
A
载流子在W区的漂移时间时间为 W t tr
V
d
(2)光电二极管的响应波长
hc 1.24 c Eg Eg
si
例：PIN光电二极管的零敏度
Si PIN光电二极管具有直径为0.4mm的光接收面积，当波 长700nm的红光以强度0.1mWcm-2入射时，产生56.6nm的 光电流。请计算它的灵敏度和量子效率。 解：因入射光强I=0. 1mWcm2.2光电二极管 3.2.1光探测原理
光接收机的作用？ 光接收机的主要器件是什么？ 光检测器------光信号 电信号
3.2.1光探测原理
Ip RPin Ip R (响应度) Pin Ip q hv R Pin hv q
R
q
hv
1.24
hv Eg或者 hc Eg
式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth和Ith分 别为相应的阈值，hf和e分别为光子能量和电子电荷。 激光器的光 功率特性通常用P -I曲线表示，图3.10是典型激光器的光功率特性曲 线。 当I<Ith时激光器发出的是自发辐射光； 当I>Ith时，发出的是 受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。
总是单横模。
3. 转换效率和输出光功率特性
激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd表示，其定义 是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数
由此得到
( p pth ) / hf p e p ( I I th ) / e I hf
p pth
dhf
e
( I I th )
(a) (b) (c)
2.受激发射条件
Ec
hv
Ev
hv
x
我们可以得到两个重要的结论。为了 使光子受激发射大于光子吸收．我们 需要实现粒子数反转，即Nc>Nv。对 于受激发射远大干自发辐射的情况． 必须具有一个保持光子浓度足够大的 光腔。
g (v 0 )
v
v0
（1）激光器起振的阀值条件
1 1 gth cav int mir int In 2 L R1R 2
cv NC NV th gth BCVnhv0
（2）激光器起振的相位条件
设激光器谐振腔长度为L增益介质折射率为n，典型值 为n=3.5,引起30%界面反射，由于增益介质内半波长 的整数倍m等于全长L，从而有
第 三 章 通信用光器件
3.1光源 3.2光检测器 3.3光纤通信器件
3.1光源
3.1.1光源及发光机理 3.1.2激光器的结构 3.1.3半导体激光器的特性 3.1.4分布反馈激光器
飞秒激光系统
半导体激光器
光纤
信号 输入 复用 编码 调制 光源 耦合器
输出 光信号
控制
（a）直接调制光发射机框图
Pin AI 0.02cm 0.1103Wcm 2 1.26 107 W
2
灵敏度：R i Iph / Pin (56.6 109 A) / 1.26 107 W 0.45 AW 1
34 hc JS 3 108 ms 1 1 6.62 10 量子效率： R 0.45 AW q 1.6 1019 C 700 109 m 0.80 80%
4. 频率特性
在直接光强调制下， 激光器输出光功率P和调制频率f的关系为
p(0) [1 ( f / f )2 ]2 4 2 ( f / f )2
1 f 2 I0 I ( 1) sp hp I th I 1
式中，fr和ξ分别称为弛豫频率和阻尼因子，Ith和I0分别为阈值电流和偏 置电流；I′是零增益电流，高掺杂浓度的LD， I′=0， 低掺杂浓度的