有源光器件
光有源器件
i
0
d
dt
速度低的系统；高速率的系统不适合
2 1
B L
K S W -S P S T
J1 C ON2
C7 2 2u F 2 2 0V
C5
C6
1 00 p F 1 0u F 2 5 V
R2 2 4k Ω
Y型合路器的输出产生相消和相长干涉，就得到了 “通”和“断”的信号。
设输入的调制信号为余弦变化，则输出的信号功 率为
P
1
cos
U
s Ub U
式中，Us和Ub分别为信号电压和偏置电压，U 为光功率每变化半个周期（相位为0- ）所需的 外加电压，为半波电压。
由式可见，当Us+Ub=0，P=2为最大；当Us+Ub=U /2 时 ，P=0，从而实现光调制。驱动电压5-10V
原理：电压调制信号经过电声换能器转化为超声波， 然后加到电光晶体上。
电声换能器利用某些晶体(如石英、LiNbO3等)的压电 效应， 在外加电场的作用下产生机械振动形成声波。
ΔΦ受外电压的控制从而实现相位调制。
•两个电光相位调制器组合后便可以构成一个电光强 度调制器。
• 6.3.2 M-Z型调制器
M-Z型调制器是由一个Y型分路器、两个相位调制器和Y型合 路器组成的，其结构如下图所示。
触点
光输入
相 位 调制
L iN bO3
触点
图6.6 M-Z型调制器
已 调 光输 出
输入光信号被Y型分路器分成完全相同的两部分， 两个部分之一受到相位调制，然后两部分再由Y型合 路器耦合起来。按照信号之间的相位差，两路信号在
光器件封装详解有源光器件的结构和封装
有源光器件的结构和封装目录1有源光器件的分类 ........................................................................................错误!未指定书签。
2有源光器件的封装结构 .................................................................................错误!未指定书签。
2.1光发送器件的封装结构 ...........................................................................错误!未指定书签。
2.1.1同轴型光发送器件的封装结构 ..........................................................错误!未指定书签。
2.1.2蝶形光发送器件的封装结构..............................................................错误!未指定书签。
2.2光接收器件的封装结构 ...........................................................................错误!未指定书签。
2.2.1同轴型光接收器件的封装结构 ..........................................................错误!未指定书签。
2.2.2蝶形光接收器件的封装结构..............................................................错误!未指定书签。
2.3光收发一体模块的封装结构....................................................................错误!未指定书签。
光有源器件
光有源器件100131320 朱丹摘要：光有源器件是光纤通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。
将电信号转换成光信号的器件称为光源，主要有半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。
将光信号转换成电信号的器件称为光检测器，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），很有应用前景的是拉曼光放大器。
关键词：信息科学光波光纤通信技术综述光有源器件属于光纤通信技术的组成部分。
光导纤维通信就是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。
光导纤维通信简称光纤通信。
可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。
实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。
光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。
将电信号转换成光信号的器件称为光源，主要有半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。
将光信号转换成电信号的器件称为光检测器，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
近年来，光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），正在研究并很有应用前景的是拉曼光放大器。
原理光纤由纤芯，包层和涂层组成，内芯一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；中间层称为包层，通过纤芯和包层的折射率不同，从而实现光信号在纤芯内的全反射也就是光信号的传输；涂层的作用就是增加光纤的韧性保护光纤。
光源可分为：1.天然光源（如太阳、火焰、闪电、萤火虫等）2.人造光源（如点燃的蜡烛、发光的电灯、激光束等）注意：有些物体，比如月亮，本身并不发光，而是反射太阳光才被人看见的，所以月亮不是光源。
而人造光源一定要是正在发光的物体。
物理学上指能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不可见光）的物体。
第6章 光纤器件--有源器件2-y
Ip N+
RL
输出 电压 Vout
光生电流 W = 5~50 m m E ~ Vr / W C d PIN管分布电容
Pin
入射光 hv >Eg
抗反射膜
电 极
Ip
Cd
RL
Vout
W
PIN 二极管与 PN 二极管的主要区别是，在 P 和 N 层之间 加入了一个 I 层，作为耗尽层。I 层的宽度较宽，约有（5 ~ 50）mm，可吸收绝大多数光子，使量子效率提高，使光生 电流增加。 Np Nn
1.0
(2~5)nm
Dl 1/2
GaAlAs: (30~50)nm InGaAsP: (60~120)nm
0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4
0.02nm
0.2
0 -60 -40
0.2
-20 0 波长 /nm
-20
0 波长 /nm
20
40
60
0 -40
20
40
0 -0.4
-0.2
0
0.2
0.4
波长 /nm
第六章 光纤有源器件
1.光调制器 2.光源 3.光探测器 4.光放大器
1. 光调制器
直接调制：信号直接调制光源的输出光强 外调制：信号通过外调制器对连续输出光进行调制
直接调制
外调制
直接调制是信号直接 调制光源的输出光强。 外调制是信号通过外 调制器对连续输出光 进行调制。 用直接调制时，注入 电流的变化要非常大， 并引入不希望有的线 性调频（啁啾）。
2
声光调制器
电极
电极引线 电声换能器 耦合介质 声光介质
光有源器件
光有源器件光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。
将电信号转换成光信号的器件称为光源，主要有半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。
将光信号转换成电信号的器件称为光检测器，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），很有应用前景的是拉曼光放大器。
半导体激光二极管（LD）即半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器的特性有封装技术、驱动电流、输出功率、峰值波长和光谱宽度等。
半导体激光器封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。
一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。
而半导体激光器封装则是为了隔绝环境，避免损害，保证清洁；为器件提供合适的外引线；提高机械强度，抵抗恶劣环境；提高光学性能。
通常情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0．2-0．3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。
另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1％左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。
光有源器件介绍
En v
PN结空间电荷区的形成及载流子导向
PN结及其能带图
12
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pn结的偏置
反向 偏置
N
外电场
+ + + +
_ _ _ _
自建场
P
正向 偏置
N
+ + + +
_ _ _ _
自建场
P
外电场
+
_
_
+
• pn结反向偏置时，即pn结的n端与电源的正极相连，p端与电源 负极相连，外电场与自建场方向一致，造成pn结势垒增高，因 而通过pn结的电流很小，而且电流不会随电压增加而增加。 • pn结正向偏置时，外电场与自建场方向相反，造成pn结势垒降 低。n区的电子可源源不断地通过pn结流向电源正极，同时电 源的负极可以不断向n区补充电子。所以pn结正向电流大，且 随电压增加而增大。
14
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光的自发辐射和受激辐射
E2 E1 E2
• • • hf = E - E
2
E2 E1 E2
入射光 hf = E2 - E1
E2
入射光 hf = E2 - E1
• •
• • 原子吸收入 •
射光子跃迁 至高能级
13
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pn结区内的复合和辐射
• 当pn结正向偏置时，结区内存在大量的电子和空穴，导带 中的电子可能与空穴产生复-合，即导带中高能级的电子可 跃迁到价带中低能级的空穴，电子空穴复-合时有能量释 放，这能量可以转变为热而消耗，也可以由于电子从高能 级跃迁至低能级而辐射光子。 • 辐射的光子能量即为电子跃迁的能级差。 hν = Ec- Ev = Eg 光的波长：λ= C/ν =hc/Eg ν为光子频率，c为光速，h为普朗克常数。
光器件
光器件
光器件是光通信系统中的关键，功能包括发送接收，波分复用，增益放大，开关交换，系统管理等，分为有源器件和无源器件。
1.光有源器件
光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，需要外加能源驱动工作，是光传输系统的心脏。
包括：半导体光源（LD,LED,DFB,QW,S QW,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）；光调制器（EA）等。
光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。
光纤通信中常用的光源器件主要有，半导体激光器（LD）和半导体发光二级管（LED）。
半导体光电检测器：是将光信号转换成电信号的器件，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
光放大器：近年来，光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），此外，还有很有应用前景的拉曼光放大器。
2.光无源器件
无源器件是光通信系统中需要消耗一定的能量、具有一定功能而没有光—电或电—光转换的器件，不需要外加能源驱动工作。
包括光纤连接器、光纤耦合器、波分复用器、光开关、光滤波器、光衰减器、光隔离器与环形器等，是光传输系统的关节。
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浅谈光纤通信有源器件与无源器件
浅谈光纤通信有源器件与无源器件任课教师学院班级姓名学号日期2016年05月18日目录1 引言 (1)2光有源器件 (1)2.1 光有源器件简介 (1)2.2 光纤激光器 (1)2.3光纤放大器 (3)2.4 全光波长变换器 (4)2.5光检测器 (4)3 光无源器件 (5)3.1 光无源器件简介 (5)3.2 光纤活动连接器 (6)3.3 跳线 (6)3.4 转换器 (7)3.5 变换器 (8)3.6光纤活动连接器的表征指标 (9)3.6.1插入损耗 (9)3.6.2回波损耗 (9)3.6.3重复性 (10)3.6.4互换性 (10)3.7光分路器 (10)3.8光衰减器 (12)3.9光隔离器 (14)3.10光开关 (15)3.11波分复用器 (15)3.12光接头盒、光配线箱、光终端盒 (15)结语 (16)参考文献 (16)1引言在光纤通讯行业，光纤系统中所用到的各种器件称为光器件。
而光器件简单来说分为有源光器件与无源光器件两种。
有源光器件也称光有源器件，无源光器件也称光无源器件。
光有源和无源器件都有如下产品：●有源光器件：定义是在光通信系统中能产生或接收光信号的器件。
可以简单的认为有源光器件是需要接上电源才能工作的。
比如：光纤收发器（"纤亿通"自主生产），光接收机，光源，光端机，光功率计等。
●无源光器件：定义是在光通信系统中不能产生或接收光信号的器件。
可以简单的认为无源光器件是不需要接上电源就能够工作的。
比如：光纤连接器，光纤适配器，光纤衰减器，光纤终结器，密集波分复用器（DWDM），粗波分复用器（CWDM），光纤耦合器，光开光，光纤准直器，光隔离器,平面波导光分路器（PLCS）等等。
2光有源器件2.1光有源器件简介光有源器件是光纤通信重要的核心器件之一，受到人们普遍的重视和关注。
目前光纤通信领域应用的光有源器件主要有光源(量子阱激光器(QWLD)，垂直腔面发射激光器(VCSEI.),量子点激光器(QDI,D)、多波长激光器等)，光探测器(光电子二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)等)，光调制器(妮酸锉(LiNb03)调制器等。
有源光器件的结构和封装
有源光器件的结构和封装一、激光器激光器是一种能够产生高强度、高方向性、高单色性的激光光源。
它由半导体材料和外部光学元件组成。
1.半导体材料激光器的核心部件是半导体材料。
通常使用的是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，如GaAs、InP等。
在半导体材料中，通过掺杂和外加电场的作用，形成电子和空穴的超额载流子。
当外加电场作用下，载流子在电磁波的作用下发生跃迁放出光子。
2.外部光学元件外部光学元件主要包括半导体激光器的波导结构和反射镜等。
波导结构是光从激光器核心区域传输到边界进行输出的通道。
而反射镜则用于提供光的反射，形成光的干涉条件，使得光可以在材料中来回反射，形成激光。
3.封装激光器的封装主要是为了保护激光器的结构和防止光的泄漏。
目前常用的封装结构有普通封装和集成封装两种形式。
普通封装采用金属壳体、光纤套管等材料进行封装，而集成封装则将激光器集成到电路板上，使得激光器的体积更小、性能更稳定。
二、光电二极管光电二极管是一种能够将光能转换为电能的器件，也称为载流子光二极管。
它由半导体材料和外部电路组成。
1.半导体材料光电二极管也使用半导体材料作为其核心部件。
通常使用的是Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，如Si、InGaAs等。
当光照射到半导体材料上时，能量激发了材料中的载流子，形成电流。
2.外部电路光电二极管需要外部电路进行电流的放大和信号的处理。
一般来说，光电二极管需要接在一个放大器电路上，通过放大器电路对光电二极管输出信号进行放大，从而得到有效的电信号。
3.封装光电二极管的封装主要是为了保护器件不受环境的影响，并方便其与其他器件的连接。
常见的封装形式有TO封装、SMD封装、COB封装等。
其中TO封装是将光电二极管连接到一个金属壳体中，以保护器件并方便安装。
总结：有源光器件的结构和封装主要包括激光器和光电二极管。
激光器的结构由半导体材料和外部光学元件组成，封装形式主要有普通封装和集成封装。
而光电二极管由半导体材料和外部电路组成，封装形式主要有TO封装、SMD封装、COB封装等。
光纤通信有源器
噪声问题
总结词
噪声问题是光纤通信有源器件在工作过 程中产生的噪声对通信信号的影响问题 。
VS
详细描述
噪声会导致信号的信噪比降低，影响通信 质量。为了降低噪声的影响，可以采用噪 声抑制技术，如采用低噪声放大器或降噪 算法等。同时，优化有源器件的设计和制 作工艺，降低其内部噪声也是解决这一问 题的有效方法。
总结词
高功率光纤通信有源器件是未来发展的重点，它们能够提供更高的光功率输出， 从而实现更远距离的光纤传输。
详细描述
随着光纤通信技术的不断发展，对光功率的需求也在不断增加。高功率光纤通信 有源器件能够提供更高的光功率输出，从而延长传输距离或提高信号质量。目前 ，高功率光纤激光器、放大器等有源器件已经得到了广泛的应用和研究。
激光器的调制方式主要有直接调制和外部调制两 种，直接调制结构简单，但调制速率受限于载流 子恢复时间；外部调制适用于高速调制，但需要 额外的调制器。
光放大器
光放大器用于放大光信号， 以补偿光纤传输过程中的损 耗。常见的光放大器有半导 体光放大器和光纤放大器。
半导体光放大器基于半导体 材料，具有体积小、成本低 等优点，但带宽和增益受限 ；光纤放大器利用掺铒光纤 作为增益介质，具有带宽宽 、增益高等优点，但需要泵 浦光。
光放大器的性能参数包括增 益、带宽、噪声系数等，选 择合适的光放大器可以提高 光纤通信系统的传输距离和 容量。
光放大器的应用场景包括但 不限于光纤传感、光子雷达 和光计算等领域。
光调制器
01
光调制器用于将信息加载到 光波上，实现信息的传输。 常见的光调制器有电吸收型 调制器和液晶调制器等。
02
电吸收型调制器利用电场改 变介质折射率实现调制，具 有响应速度快、消光比高等 优点；液晶调制器利用电场 改变液晶的折射率实现调制 ，具有可调谐性和并行处理 能力。
光有源器件和无源器件区别小结版
光器件：分为有源器件和无源器件，简单地讲就是需能（电）源的器件叫有源器件Active Device，无需能（电）源的器件就是无源器件Passive Device。
有源器件一般用来信号放大、变换等，无源器件用来进行信号传输，或者通过方向性进行“信号放大”。
容、阻、感都是无源器件，IC、模块等都是有源器件。
（通俗的说就是需要电源才能显示其特性的就是有源元件，如三极管。
而不用电源就能显示其特性的就叫无源元件）无源器件的定义如果电子元器件工作时，其内部没有任何形式的电源，则这种器件叫做无源器件。
从电路性质上看，无源器件有两个基本特点：（1）自身或消耗电能，或把电能转变为不同形式的其他能量。
（2）只需输入信号，不需要外加电源就能正常工作。
有源器件的定义如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。
从电路性质上看，有源器件有两个基本特点：（1）自身也消耗电能。
（2）除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。
光有源器件是光通信系统中需要外加能源驱动工作的可以将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的光电子器件，是光传输系统的心脏。
光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），正在研究并很有应用前景的是拉曼光放大器。
无源器件：电路器件：蜂鸣器（Buzzer）、电容（Capacitor）、理想二极管（Diode）、电阻器（Resistor）、电感（Inductor）、按键（Key）、无源滤波器（Passive Filter）、排阻（Resistor Arrays）、继电器（Relay）、变压器（Transformer）、扬声器（Speaker）、开关（Switch）等。
连接器件：连接器（Connector）、电线电缆（Wire）、光纤（Optical Fiber）、印刷电路板（PCB）、插座（Socket）等。
有源器件：分立器件：LED二极管（LED）、三极管（Transistor）、场效应管（Field Effective Transistor，FET）、可控硅（SCR）等。
第三章-光无源器件
裸光纤转接器（Bare Fiber Adaptor ）：将裸光纤与光 源、探测器以及各类光仪表进行连接的器件。
光纤（缆）活动连接器：习惯上是指两个连接器插头加 一个转换器。
活动连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连 接的器件，活动连接器件是光纤通信领域 最基本、应用最广泛的无源器件，用于：
研磨抛光法
熔融拉锥法：将两根（或两根以上）除去涂覆层
的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融， 同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式 的特殊波导结构。
输入臂 背向散射臂
熔融拉锥法
4直通臂 3耦合臂
下图可用来定性地表示熔融拉锥型光纤耦合器的 工作原理。入射光功率在双锥体结构的耦合区发 生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续 传输，另一部分则由“耦合臂”传到另一光路。
ST型插头：由AT&T公司开发，采用带键的卡 口式锁紧结构，确保连接时准确对准。
•“Jumper cables” to connect devices and instruments
•“Adapter cables” to connect interfaces using different connector styles
光路 旋转轴
光路 旋转轴
为了减小反射光，衰减片与光轴可以倾 斜放置。
光纤
自 聚 焦 透镜
衰减 器
光衰减器的主要技术要求是： 高的衰减精度
好的衰减重复性
低的原始插损
一．光纤定向耦合器 ——简称光纤耦合器
光纤光耦合器的功能：
把一个输入的光信号功率分配给多个输 出，或把多个输入的光信号功率组合成 一个输出。这种光耦合器与波长无关。
光通信系统中的重要有源光器件和无源光器件有源器件光
谐振型和传输型半导体光放大器的光谱特性
半导体光放大器的串音特性
光放大器增益的偏振特性
光放大器增益的偏振特性的消除
2。掺铒光纤光放大器的结构
Signal in λ = 1550 nm
Optical isolator
Er 3+ -doped fiber (10 - 20 m)
Wavelength-selective
couplerຫໍສະໝຸດ SpliceSplice
Optical isolator
Signal out λ = 1550 nm
Pump laser diode λ = 980 nm
Termination
掺铒光纤光放大器的特性
掺铒光纤光放大器的原理
Energy of the Er in the glass fiber
3 + ion
1.54 eV 1.27 eV
E 3
E3
Non-radiative decay
980 nm
Pump
0.80 eV 1550 nm
In
0
E2
1550 nm
Out E1
掺铒光纤光放大器增益谱特性
掺铒光纤结构
两种实际掺铒光纤光放大器结构
光通信系统中的重要 有源光器件和无源光器件
有源器件： 光放大器等
无源器件： 耦合器，波分复用器，滤波器， 隔离器，环行器等
光有源器件：光放大器
光通信系统中的几种光放大器
1。半导体光放大器
谐振型和传输型半导体光放大器
谐振型半导体光放大器
传输型半导体光放大器I
传输型半导体光放大器II
光放大器的增益饱和特性
光器件封装详解
有源光器件的结构和封装目录1有源光器件的分类 (5)2有源光器件的封装结构 (5)2.1光发送器件的封装结构 (6)2.1.1同轴型光发送器件的封装结构 (7)2.1.2蝶形光发送器件的封装结构 (7)2.2光接收器件的封装结构 (8)2.2.1同轴型光接收器件的封装结构 (8)2.2.2蝶形光接收器件的封装结构 (9)2.3光收发一体模块的封装结构 (9)2.3.11×9和2×9大封装光收发一体模块 (9)2.3.2GBIC（Gigabit Interface Converter）光收发一体模块 (10)2.3.3SFF（Small Form Factor）小封装光收发一体模块 (11)2.3.4SFP（Small Form Factor Pluggable）小型可插拔式光收发一体模块 (12)2.3.5光收发模块的子部件 (12)3有源光器件的外壳 (14)3.1机械及环境保护 (14)3.2热传递 (14)3.3电通路 (15)3.3.1玻璃密封引脚 (15)3.3.2单层陶瓷 (15)3.3.3多层陶瓷 (16)3.3.4同轴连接器 (16)3.4光通路 (17)3.5几种封装外壳的制作工艺和电特性实例 (18)3.5.1小型双列直插封装（MiniDIL） (18)3.5.2多层陶瓷蝶形封装（Multilayer ceramic butterfly type packages） (19)3.5.3射频连接器型封装 (20)4有源光器件的耦合和对准 (20)4.1耦合方式 (20)4.1.1直接耦合 (21)4.1.2透镜耦合 (22)4.2对准技术 (22)4.2.1同轴型器件的对准 (22)4.2.2双透镜系统的对准 (23)4.2.3直接耦合的对准 (23)5有源光器件的其它组件/子装配 (23)5.1透镜 (23)5.2热电制冷器（TEC） (24)5.3底座 (25)5.4激光器管芯和背光管组件 (25)6有源光器件的封装材料 (26)6.1胶 (26)6.2焊锡 (27)6.3搪瓷或低温玻璃 (27)6.4铜焊 (28)7附录：参考资料清单 (28)有源光器件的结构和封装关键词：有源光器件、材料、封装摘要：本文对光发送器件、光接收器件以及光收发一体模块等有源光器件的封装类型、材料、结构和电特性等各个方面进行了研究，给出了详细研究结果。
光有源器件介绍
陡峭介质边吸收带
电致吸收光调制器
Franz-Keldysh效应：1958 年提出，是指在电场作用下 半导体材料的吸收边红移的 理论。
原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱(MQW)的吸 收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现 调制。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出 功率最大；随着调制器上偏压的增加，MQW的吸收边 移向长波长，原光束波长处吸收系数增大，调制器 为断状态，输出功率最小。
• SOA is made of 3-5 group compound semiconductor, such as GaAs, GaP, InP
• Central wavelength:~800nm, ~1300nm,~1550 nm
• Frequency band larger than 40 nm
SOA的集成优势
SOA用于全光波长变换
•全光型波长转换器指不经过电域处理，直接把信息从一 个光波长转换到另一个光波长。在光域中直接实现波长转 换可以克服光-电-光波长转换器中电器件的速度瓶颈、透 明性低等不足。
全光波长变换器
基于光调制原理
交叉增益调制（XGM） 交叉相位调制（XPM）
基于光混频原理 ——四波混频（FWM）
§2 光放大器－应用
光发 射机
功率放大器
光发 射机
光纤
光纤
光接 收机
光接 收机
前置放大器
§2 光放大器－应用
光发 射机
光纤
光纤
中继器（在线放大器）
光接 收机
节点
光发 射机
分配补偿放大器
光纤总线
光接 收机
Ideal optical amplifier
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第10章 有源光器件 10.1 光波导放大器
10.1.1 概述
最终限制光纤通信系统的是带宽和损耗
模拟光纤通信系统
光信号转换 成电信号
电信号 放大
电信号 调制光源
光纤传输
成本非常高，且可能带来附加噪声！
光-电-光中继转换使传输速率和传输带宽受到限制— 电子瓶颈效应
全光放大!
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第10章 有源光器件 10.1 光波导放大器
这些频带光都可用来泵浦。
使用半导体激光器泵浦源是EDFA和EDWA实用化的前提。 13
第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器
10.1.2 铒离子的光谱特性
David Payne
光放大原理
980nm 和 1480nm 的 LD 已 商 品 化 , 通 常 采 用 980nm和1480nm光泵浦，980nm的泵浦效率高。
Er3+: [Kr]4d10 4f 11 5s25p6
Байду номын сангаас
图10.3 铒离子斯塔克能级分裂图 (Energy Levels of Erbium Ion)
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第10章 有源光器件 10.1 光波导放大器
10.1.2 铒离子的光谱特性 Er3+发射光谱
泵浦源
其它波段光致发光谱
谱线宽30-50nm
图10.4 铒离子发射谱
光波导器件的分类
无源光波导器件 不具备能量转换功能的器件，特别是对光波呈现静态 特性的器件，也就是对那些不具备利用外部信号控制 光波功能的器件称为无源器件（passive device） 光路变换器、分配器、波分复用/解复用器、波导 光栅、耦合器、传感器、谐振器、偏振器、透镜等
有源光波导器件 对光波具有动态控制功能的器件称为有源器件 （functional device, active device） 光波导放大器、光波导调制器、半导体激光器等
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第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器 10.2 光波导调制器
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第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器
10.1.1 概述
为什么采用光放大器？ (Optical Amplifier，OA)
光纤的损耗谱特性
普通光纤0.2 dB/km 超低损耗光纤0.16 dB/km
S波段 1460nm-1530nm C波段 1530nm-1565nm L波段 1565nm-1625nm 当前各国光纤通信大都运 用在 C与 L波段
(1270-1670nm) • EDWA: Erbium Doped Waveguide Amplifiers(1550nm)
Amplifiers can be built in semiconductor: • SOA：Semiconductor Optical Amplifiers Almost any semiconductor laser can be made into an amplifier with a few modifications.
10.1.1 概述 基本原理
An optical amplifier is a device which amplifies the optical signal directly without ever changing it to electricity. The light itself is amplified.
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第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器
10.1.3 速率方程
能级跃迁机制（980nm泵浦）
13:Er3+对泵浦光的吸收截面， 31 :Er3+对泵浦光的受激辐射截面
Ip:泵浦光强
hp:泵浦光子能量
泵浦
铒 能带 离
子
简
化 能 吸收泵浦光
级
示
980nm
意
图
基态
能带
快速非辐 射跃迁
英国-南安普顿大学1985 亚稳态能带
1480nm
产生噪声
光放大
自发辐射 受激吸收 受激辐射
1550nm 14
第10章 有源光器件 10.1 光波导放大器
10.1.2 铒离子的光谱特性 泵浦方式
图10.10 掺铒光纤放大器光泵浦方式示意图
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第10章 有源光器件 10.1 光波导放大器
10.1.1 概述 光路与应用 EDFA
EDWA
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第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器
10.1.2 铒离子的光谱特性
Er3+能级结构
稀土元素铒(Er)： • ⅢB族、镧系 • 原子序数68 • Er原子的电子排布为
[Kr]4d104f12 5s25p6 6s2 容易失去2个6s电子和 一个4f电子形成Er3+ • 未满壳层的4f电子决定 了Er3+的光电特性。
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第10章 有源光器件 10.1 光波导放大器
10.1.1 概述 掺铒(Er3+)光放大器可以实现波长在1550nm附近光的光放大
其它波长光放大器 掺镨(Pr3+)光放大器可实现波长在1310nm附近的光放大； 掺铥(Tm3+)光放大器(810 nm)； 掺钕(Nd3+)光纤放大器(1300 nm)等等。
Pumping Energy
Optical Signal in
Optical Signal out
OA
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第10章 有源光器件 10.1 光波导放大器
10.1.1 概述 分类
Amplifiers can be built in optical waveguides:
• EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifiers (1550nm) • SRFA: Stimulated Raman Fiber Amplifiers
光纤通信C、L波段
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第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器
10.1.2 铒离子的光谱特性
泵浦源
光致发光(PL) 电致发光(EL)
热发光
化学发光等 光致发光泵浦源:
520nm(氩离子激光器输出波长)、 650nm(染料激光器)、
800nm(半导体激光器)、
980nm(半导体激光器)、
1480nm(半导体激光器)等，
• 内容
第1章 电磁场理论 第2章 几何光学 第3章 光波导几何分析 第4章 薄膜波导模式理论 第5章 三维光波导 第6章 光纤模式理论 第7章 电磁场分析的有限元法 第8章 模式耦合理论 第9章 无源光器件 第10章 有源光器件 第11章 光子晶体波导 第12章 光波导的制备
第10章 有源光器件