第 三 章 通信用光器件

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 ) / hfห้องสมุดไป่ตู้p 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
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. 1mWcm-2,所以入射功率为
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。
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。
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%
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
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
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。
解：因为普通单模光纤的数值孔径典型值是0.13,由NA=sinA,得到接 收角A＝7.5o所以8o倾斜角使反射光角度大于接收角，使反射光 不会反射回去。
接头
1.热熔连接
接头是把两个光纤端面结合在一起， 以实现光纤与光纤之间的永久性连接。 接头用于相邻两根光缆之间的连接， 以形成长距离光缆线路。
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
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。
E hv
hc 1.2398 E E
半导体导带中的电子和价带中的空穴通过自发辐射和受激发射可以重新复合并发射光子
hv E EC EV
Efn Efp eV
Ec Ev EFP
Efn Ec
Ec Ev
Ec
Efn Efp
Ev
用Nc和NV分别表示高、低能带上的电子密度。 当Nc<NV 时，受激吸收过程大于受激发射，增益系数g<0，只 能出现普通的荧光，光子被吸收的多，发射的少，光场减弱。 若注入电流增加到一定值后，使Nc>Nv，g>0，受激发射占主 导地位，光场迅速增强，此时的P-N结区成为对光场有放大作用的 区域(称为有源区)，从而形成受激发射。 半导体材料在通常状态下，总是NC<Nv，因此称NC>NV的状态 为粒子数反转。使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体 激光器形成激光的首要条件。
3.2光检测器
3.2.2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

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
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
光谱很宽．所以光在光纤中传翰时，材料色散和波导色散较严重， 这对光纤通信非常不利。 (2)多模激光器光谱特性 多模激光器指的是多纵模或多频激光器．横间距约为0.13nm0.9nm．典型澈光器产品的辐谱宽度值为1nm—10nm，通常高速 传输系统用的半导体激光器的频谱宽度为5nm． (3)单模激光器光谱特性 单模激光器的频谱宽度因为很窄．所以称为线宽，它与有源区的 设计密切相关．采用沟道衬底平面结构的激光器，首先获得了单 纵横的特性，但是存在不可预见的纵模跳动。
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
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。
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
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
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？
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。
3.3光纤通信器件
3.3.1连接器 3.3.2耦合器 3.3.3可调谐光滤波器 3.3.4波分复用/接复用器 3.3.5光环行器 3.3.6光隔离器 3.3.7分插复用器 3.3.8波长转换器 3.3.9交叉连接器
全光网络概念的提出
1.光纤通信的优势之一是具有潜在的带宽容量 2.现状：通信网络是多种接入方式并存 语音通过时分复用(TDM) IP通过以太网或异步传输方式(ATM) 视频通过HFC网络 骨干网普遍采用同步数字体系(SDH) DWDM的优势无法发挥 3.提出全光网络 4.未来的光网络 基于IP的，是三网(通信网，计算机网，有线电视网)和一 的。