光纤通信原理教案新4

批准人：

年月日

光纤通信教案

光纤通信教案之四

教学提要

课目：光纤通信器件

目的：通过学习，了解光源的构造及工作原理，掌握光源的工作特性；了解光电转换原理，熟悉常用的两种光电

检测器；了解光的无源器件，掌握光纤连接器的作用

和使用要求。

内容：一、光源

二、光电转换原理，光电检测器

三、光无源器件

实施方法：利用多媒体手段进行理论讲解

教学对象：岗前士兵

时间：5学时

地点：多媒体教室

要求：集中精力，认真听讲；做好笔记，把握重点

教学保障：多媒体教具、电工示教板一套

教学进程

教学准备：

1．清点人数，整理教具；

2．宣布教学提要；

教学实施：

同志们好，大家还记得，前面在介绍光纤通信发展史中我们曾经提到，光纤通信要解决的两大问题是什么吗？今天我们就要学习光纤通信中的光源、光电检测器以及光的无源器件。在上课之前大家可以想想，光纤通信可以用什么来发光？怎样将接收到的光信号转换为电信号？

光纤通信器件特点：具有实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解复用、光路装换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光装换、光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。

一、光源

光源在光纤通信系统中具有重要地位，就像人的心脏，光源是光纤通信系统的“心脏”

通信对光源的要求

发光波长与光纤的低衰减窗口相符；2、光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10uw-几mW之间；3、高可靠性，工作寿命大于10万小时；4、光谱宽度窄，要利于传输高速脉冲；5、便于调制，调制速率应能适应系统的要求；6、电光转换效率高；7、省电、体积小。

光能的基本概念

1、波动二象性：在一定条件下，物质具有粒子性，在另外条件下，物质又具有波动性。例如有以下公式：E=hV P=h/λλ*V=C h:普朗克常数 6.63*10-34 E:电子质量V:频率P:功率λ:波长C:光速

2、原子能级

原子核外的电子轨道上电子的能量称为能级。如下图

图中的E1-En表示每一个轨道上的电子所具有的能量。E1的能量最

高，它上面的电子离原子核最远，电子数目最少；而En的能量最低，它上面的电子离原子核最近，电子数目最多

（一）光源的分类及构成

光纤通信中的光源分为半导激光器和半导体发光二极管。半导体激光器(LD)主要应用在长距离、大容量的光纤通信系统中，其基本结构如下图所示。

激励源的作用是激活工作物质，使其能级中电子的受激辐射优于受激吸收。即使高能级电子数多于低能级数目（常称为粒子数反转分布），从而对光具有放大作用。光学谐振腔的作用是完成频率选择及光的反馈。它实际是两个平行的反射镜构成的。工作物质作用是提供确定的能级系统，使激光器在需要的光波范围内辐射光子。

半导体发光二极管(LED)主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中，它和半导体激光器结构的主要区别是没有谐振腔。

光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。

（二）光源的工作原理

1.半导体能带

当大量原子相互靠近形成半导体晶体时，不同原子的内外各电子运动轨道就有一定的交叠。相邻原子的最外运动轨道交叠最多，而内运动轨道交叠最少。由于电子运动轨道的交叠，电子不再局限于某一原子上，而可以从一个原子转移到相邻的原子上去，因而电子可以在整个半导体晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。由于电子的共有化运动，使原来孤立原子中的离散能级变成了能带，低能级

自发辐射

受激辐射 上电子的共有化运动很弱，其能级分裂得到的能带较窄；高能级上的电子的共有化运动显著，所以能级分裂形成的能带很宽。严格地说，在绝对温度为零时，价电子占据的能带称为价带。晶体中的电子在受到激励时，会跳到（称为跃迁）更高的能带去，变成自由电子，从而使晶体的导电性增强。这个更高的能带（即自由电子占据的能带）称为导带。能带与能带之间不允许电子存在，一般称为禁带。禁带的能量间隔称为禁带宽度，通常用符号Eg 表示。内层电子形成的能带通常填满电子，并且激励状态下对半导体晶体的特性影响不大。因此，讨论时只画价带、导带及这两个能带间的禁带，而不再画出内层完全填满电子的能带。

2. 光与物质作用的三种形式

在研究原子与光子间相互作用时，可以发现有三种不同的基本过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。如下图所示。

自发辐射：处于较高能级E2上的电子，总是力图向低能级E1跃迁，好象高处的物体有向下掉的趋势一样。因此，在没有任何外界作用的条件下，也可以自发地产生从高能级E2到低能级E1的跃迁。这叫作自发辐射。

受激吸收：设有一个处于低能级E1的电子，当一个频率为f21的外来光子趋近它时，这个电子就有可能吸收这个光子的能量，而跃迁到高能级E2上去。这个过程叫做受激吸收。

受激辐射：设有一个处于高能级E2的电子，当一个频率为f21=（E2-E1）/h的外来光子趋近它时，这个电子受到光子的“刺激”，也有可能从高能级E2跃迁到低能级E1，同时辐射出一个能量为E=E2-E1，频率为f21=（E2-E1）/h的光子来。这个过程叫做光的受激辐射。

3.半导体激光器粒子数反转分布

实际上，光的自发辐射、受激吸收和受激辐射是同时存在的。在通常情况下（即热平衡条件下，电子具有正常能级分布时），由于低能级上的电子数较多，所以总是光的受激吸收占优势，也就是光总是受到衰减。要获得光的放大，必须设法使光的受激辐射占优势。也就是说，要使电子在能级上的分布反常态，使处于高能级的电子数目远远多于低能级上的电子数目。通常把这种分布叫做“粒子数反转分布”。

怎样才能使电子分布处于“粒子数反转分布”呢？人们曾用光激励、放电激励、化学激励等方法，给物质加以能量，以求把处于低能级的电子激励到高能级上去。例如，可以用频率为f21的泵浦光进行激励。。

开始时，由于低能级E1上的原子数比高能级E2上的原子数多，所以受激吸收比受激辐射过程占优势，N2不断增加。但随着N2的增加，受激辐射过程也就逐渐加强，高能级上的电子数目增加缓慢了。