有源光器件和无源光器件课件
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第六章 无源与有源光器件—3
个来回，则偏振方向将一共旋 转90度，这是其实现光隔离功 能的本质特征；位相延迟波片 当光从一个方向通过它时，将 使偏振方向旋转45度；而光从 另一个方向通过它时，将使偏 振方向旋转-45度。这意味着 光束通过波片往返一次，其初 始的偏振状态将不被改变。有 了上述对三个关键器件功能的 分析，参考光隔离器的工作机 理，则易于理解图6.31所示的 三端口光环形器的工作原理。
光纤光栅
光纤光栅的功能与机理
光纤光栅是一类重要的无源光器件，也是一类重要的特种光 纤，它能有选择地反射和透射某此波长的光。 1.基本概念 光纤光栅的结构特征是，一段光纤其纤芯玻璃的折射率沿光纤 长度方向呈周期性的变化(如先增大，后减小，再次增大)。纤芯折 射率的周期性变化将导致通过光纤的光发生散射，这种效应与分布 在反射性表面上一排高度平行的条纹或槽构成的衍射光栅所产生的 不同波长光谱展开的现象类似。光纤光栅中“条纹”处的折射率高 于纤芯中其他部分的折射率，这种折射率变化的分布结构，将使通 过其中的光发生布拉格散射效应，最终使光纤光栅能选择性地反射 某些选定的波长，而使其他波长的光波透射。为此，光纤光栅又称 为反射型或短周期光栅，亦称为“光纤布拉格光栅”(Fiber Bragg Grating，BFG)。1990年光纤布拉格光栅开始出现。
图6.31 光环形器原理结构示意图
6.3.3 光衰减器
为防止强光可能使接收机过载(例如发射机距接收机很时， 接收机接收的光信号可能很强)，光路中需要使用光衰减器。 光衰减器是光滤波器的一种，但它又区别于其他类型的光 滤波器。在光纤系统中，光滤波器是指光透过率随波长而显著 变化的光器件。例如，一个滤波器可以对1530~1565nm掺铒放 大器工作波段的光透过，而对980nm泵浦波段的光却衰减50dB； 但光衰减器的功能却是在整个光谱范围内均匀地减小光强，去 掉多余的光能量。衰减器若对某一波长光衰减了3dB，则对其 他所有波长的衰减也都应为3dB。具体衰减方法通常是通过衰 减器吸收掉多余的光能量，由于光信号的这些能量相对于衰减 器来说很弱，因而不会引起衰减器显著的发热现象。由于衰减 器对光信号能量的吸收，因而减小了由于反射、散射等返回光 对激光发射机可能产生的噪声影响。
有源光器件和无源光器件区别及基础剖析
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
可调谐滤波 DWDM OXC 光耦合器 光调制解调
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
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)
3.2 半导体光源
3.2.1半导体激光器的特点和应用 3.2.2半导体激光器（LD）
3.2.2发光二极管（LED）
3.2.1 半导体激光器的特点和应用
半导体激光器是通过受激辐射产生光的器件。 •受激辐射的特征：一个外来光子迫使一个带有类似能量E 的光子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们的 光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐 射→同步的。 •形成正反馈的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。 •受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这 个动态过程。因此需要比LED快得多的速度来激活电子， 需要粒子数反转。为了实现粒子数反转，需要在激活区加 大的正向电流。 •为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。
b)驻波注入时的FP-LD
例如：
如果L= 0.4mm = 400 μm， n=1 而λ= 1300 nm= 1.3 μm
则N = 615 谐振器支持的波长为1300 nm =2 n L/ N，但其 也支持：2L(N ±1), 2L(N ±2),等等波长。这些 谐振器选择的波长叫纵模。当谐振器的长度增 加或减少时，激光器就从一个纵模转向另一个， 被称之为跳模。 因为λ = 2 n L/ N，所以相邻两个纵模的间隔
2020年课件-光纤通信-第3章通信用光器件参照模板
1
1 E exp(
Ef
)
kT
式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。当T→0时， P(E)→0， 这时导带上几乎没有电子，价带上填满电子。E f称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。
•
内部电 场
PN
P区
结空 间电
N区
荷区
(a)
扩散 漂移
能量
(a)
(b)
hf12 (c)
图 3.1 (a) 受激吸收； (b) 自发辐射； •(c) 受激辐射
(1) 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下， 它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸 收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴， 3.1(a)。
(2) 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自动地跃迁到低能级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，见图3.1(b)。
1.
有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质 的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态 大的能级Ei(i=2, 3, 4 …)称为激发态。电子在低能级E1的基态和 高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图3.1)：
•
E2
初态
hf12
hf12
E1
E2
终态
hf12
E1
•
3.1.2半导体激光器的主要特性
1. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带 时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式 (3.1)得到
hf=Eg 式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长， c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数，1 eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
有源光器件和无源光器件区别及基础
2、LD波长λ=650nm,光能量P=1mW,这个光源每秒发射多少光子？
解：总能量 E =P × 1s=1 × 10 -3W × 1s = 1 × 10 -3J
这个能量等于E = Ep ×N,其中N是光子的数量。 所以N=E/ Ep = {1 × 10 -3J}/{3.04 × 10-19 J }=3.3 × 1015 ，也就是3.3千万亿。
A
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
A
4
光器件的应用
光放大
DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器
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。
A
22
例如：T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 1～1eV;
P peak
λ (nm)A35源自相邻两个纵模的间隔λN –λN+1 ≈ λ2/2 n L
当谐振器的L=0.4mm, n=1，工作在λ= 1300 nm 附近时，计算出λN –λN+1≈ 2.1 nm ，假设 增益曲线的线宽等于7nm，则这种活性介质可支持3个纵模。
有源光器件和无源光器件区别及基础
P peak
P(mW)
阈值
λ (nm)
I(mA)
整理版
31
➢FP-LD的结构
FP-LD管芯示意图
整理版
32
➢FP-LD的工作原理
要实现FP-LD激射，必须满足几个基本条件： 要有能实现电子和光场相互作用的物质； 要有注入能量的泵浦源； 要有一个F-P谐振腔； 必须增益大于损耗 要满足振荡条件: λ= 2nL/N。
• 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
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)
•为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。
整理版
27
综上所述，半导体激光器的激射条件为： 粒子数反转 受激辐射 正反馈
整理版
28
半导体激光器（LD）的特点：
输出功率大(kW)，光谱宽度窄(0.01pm)，高偏振，相干长度长，输 出 NA小 ( 光易于耦合进光纤)
第六章 无源与有源光器件—5
进一步的研究表明，两个熔融光纤之间光能量转换的程 度取决于耦合区的长度(该长度用波长来衡量)和两纤芯相互 靠近的程度。只要调整控制适当，则经过一段耦合长度后， 信号光能量可以从一根光纤完全转移到另一根光纤中。图 6.55中，从A1端口入射的λ 1（980nm)和λ 2（1550nm)两个不 同波长的光信号，经过耦合区到F点时，将从B1端口输出λ 1信 号，从B2端口输出λ 2信号，从而实现了解复用的功能。这表 明，熔融型光纤耦合器可以将光定向到不同的端口来分离波 长。图中上方给出了两种波长光的能量随耦合长度变化而在 光纤1和光纤2之间波动转移的过程曲线，在F点实现完全转移。
光栅种类较多，但用于WDM中主要是闪耀光栅，它的刻槽 具有一定的形状[如图6.52(a)中所示的小阶梯]，当光纤阵列 中某根输入光纤中的光信号经透镜准直以平行光束射向闪耀光 栅时，由于光栅的衍射作用，不同波长的光信号以方向略有差 异的各种平行光束返回透镜传输，再经透镜聚焦后，按一定规 律分别注入输出光纤之中。由于闪耀光纤能使入射光方向矢量 几乎垂直于光栅表面上产生反射的沟槽平面，形成所谓“利特 罗”(Littow)结构，因而可提高衍射效率，降低插入损耗。
第6章 无源与有源光器件
本章以光纤技术最有代表性、最大量的应用领域—光纤通信 为背景，介绍无源光器件和有源光器件。在一般的光纤通信系统 中，除了采用光发射机(含调制器、载波光源、信道耦合器)、传 输信道光纤光缆、中继器和光接收机(含检测器、放大器、信号 处理器)等基本设备外，还需要一系列配套的功能部件，以实现 系统各部分之间光路的连接转换、信道的互通、分路/合路、交 换、隔离、复用/解复用、波长/频率选择、功率控制、噪声滤除、 偏振选择控制以及光开关、光放大等功能。光纤通信中所用的上 述全部光器件可分为两大类：无源光器件(Passive Optical Device)和有源光器件(Active Optical Device)。两类光器件的 本质区别在于，在实现器件自身功能过程中，有源光器件一般需 从外部吸取能量(即需外界电源驱动)，并具有以不同方式改变信 号的功能；而无源光器件则无须外界电源驱动，且对信号的作用 总是相同的，即只是衰减、合并和分离信号。
光器件基础知识课件
Introduction of optical devices used in Communication system
1.Profile 2.Introduction of basic parameters 3.TOSA,ROSA and BOSA (Active devices) 4. Passive devices
光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用 器、调制器、光开关和隔离器等，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。
2
光放大器
3
4
Basic parameters
? 1、插入损耗： IL---Insertion Loss ? 2、回波损耗： RL---Return Loss
10.4
CH2
10.2
CH3
IL
10 9.8
CH4 CH5
9.6 CH6
9.4
1260nm
1360nm
1460nm
1560nm
CH7
Wavelength
CH8
9
? PDL是光器件或系统在所有偏振状态下 的最大传输差值。它是光设备在所有偏 振状态下最大传输和最小传输的比率。
? PDL定义如下： PDL=-10log〔Tmax/Tmin〕 其中Tmax和Tmin分别表示测试器件（DUT） 的最大传输和最小传输。
42
光纤
套管
插针 粘结剂
图 3.27 套管结构连接器简图
43
一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度套管和 矩形外壳，配合陶瓷插针构成的，这种方法可以做成 2纤或4纤 连接器。另一种多纤连接器是把光纤固定在用硅晶片制成的精 密V形槽内，然后多片叠加并配合适当外壳。这种多纤连接器 配合高密度带状光缆， 适用于接入网或局域网的连接。
1.Profile 2.Introduction of basic parameters 3.TOSA,ROSA and BOSA (Active devices) 4. Passive devices
光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用 器、调制器、光开关和隔离器等，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。
2
光放大器
3
4
Basic parameters
? 1、插入损耗： IL---Insertion Loss ? 2、回波损耗： RL---Return Loss
10.4
CH2
10.2
CH3
IL
10 9.8
CH4 CH5
9.6 CH6
9.4
1260nm
1360nm
1460nm
1560nm
CH7
Wavelength
CH8
9
? PDL是光器件或系统在所有偏振状态下 的最大传输差值。它是光设备在所有偏 振状态下最大传输和最小传输的比率。
? PDL定义如下： PDL=-10log〔Tmax/Tmin〕 其中Tmax和Tmin分别表示测试器件（DUT） 的最大传输和最小传输。
42
光纤
套管
插针 粘结剂
图 3.27 套管结构连接器简图
43
一种常用的多纤连接器是用压模塑料形成的高精度套管和 矩形外壳，配合陶瓷插针构成的，这种方法可以做成 2纤或4纤 连接器。另一种多纤连接器是把光纤固定在用硅晶片制成的精 密V形槽内，然后多片叠加并配合适当外壳。这种多纤连接器 配合高密度带状光缆， 适用于接入网或局域网的连接。
有源光器件和无源光器件区别及基本PPT文档共128页
有源光器件和无源光器件区 别及基本
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
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有源光器件和无源光器件
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)
有源光器件和无源光器件
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
有源光器件和无源光器件
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)
有源光器件和无源光器件
系统：Systems 模块：Modules
器件：Devices 元件：Components
即若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
E2E1
有源光器件和无源光器件
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。
有源光器件和无源光器件
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
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。
有源光器件和无源光器件
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
• 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
有源光器件和无源光器件
光网络器件
• 光耦合透镜（自聚焦透镜、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
光放大
DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器
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
有源光器件和无源光器件
可调谐滤波
DWDM OXC 光耦合器 光调制解调
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
有源光器件和无源光器件
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
有源光器件和无源光器件
光器件的应用
有源光器件和无源光器件
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
有源光器件和无源光器件
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
有源光器件和无源光器件
第三章 有源光器件和无源光器件
有源光器件和无源光器件
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。
有源光器件和无源光器件
3.1.3 .2 受激辐射 (stimulated radiation)
N2
E2
EhE 2E 1
h
E1 N1
全同光子
Ep =hνБайду номын сангаас 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。
有源光器件和无源光器件
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)
有源光器件和无源光器件
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
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。
有源光器件和无源光器件
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。
有源光器件和无源光器件
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)
• 多波长光源与波长可调谐激光器
• 光电探测器(PD、PIN、APD)
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)
有源光器件和无源光器件
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
有源光器件和无源光器件
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)
有源光器件和无源光器件
系统：Systems 模块：Modules
器件：Devices 元件：Components
即若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
E2E1
有源光器件和无源光器件
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。
有源光器件和无源光器件
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
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。
有源光器件和无源光器件
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
• 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
有源光器件和无源光器件
光网络器件
• 光耦合透镜（自聚焦透镜、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
光放大
DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器
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
有源光器件和无源光器件
可调谐滤波
DWDM OXC 光耦合器 光调制解调
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
有源光器件和无源光器件
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
有源光器件和无源光器件
光器件的应用
有源光器件和无源光器件
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
有源光器件和无源光器件
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
有源光器件和无源光器件
第三章 有源光器件和无源光器件
有源光器件和无源光器件
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。
有源光器件和无源光器件
3.1.3 .2 受激辐射 (stimulated radiation)
N2
E2
EhE 2E 1
h
E1 N1
全同光子
Ep =hνБайду номын сангаас 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。
有源光器件和无源光器件
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)
有源光器件和无源光器件
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
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。
有源光器件和无源光器件
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。
有源光器件和无源光器件
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)
• 多波长光源与波长可调谐激光器
• 光电探测器(PD、PIN、APD)