光纤通信的基本器件

1光纤通信原理与设备通信学院工程技术教研室2光纤通信原理与设备光源、LD和LEDLD和LED的发光原理LD和LED的优缺点及其使用场合PIN、APD的特点和原理光检测器的作用和要求EDFA的组成、应用和工作原理光无源器件的功能、结构和工作原理；3光纤通信原理与设备掌捏LD和LED的发光原理掌握LD和LED的优缺点及其使用场合理解光源、LD和LED的含义掌握PIN、APD的特点和原理理解光检测器的作用和要求掌握EDFA的组成、应用和工作原理掌握光无源器件的功能、结构和工作原理；4光纤通信原理与设备3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器件5光纤通信原理与设备光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。3.1光源一、光源作用、要求①光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即0.85μm、1.31μm和1.55μm）。②输出足够大的功率③温度特性良好。④光源的谱线宽度要窄。⑤光源具有高度的可靠性⑥寿命长，体积小、重量轻、工作稳定。1、光源作用2、光器件要求6光纤通信原理与设备在光纤通信中用得最多的光源：1）半导体光源：半导体发光二极管和半导体激光二极管。2）非半导体光源：固体激光器和气体激光器等发光二极管用LED：荧光激光二极管用LD：激光3.1光源二、光源分类7光纤通信原理与设备中兴通讯网络通信教育半导体发光机理电子以原子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围旋转，这些特定的电子层称为能级，对半导体材料，电子的能级重叠在一起形成能带。其中能量低的能带称为价带E1，能量高的能带称为导带E2，E2和E1之间的能量差称为禁带，电子不可能占据禁带。E3E2E1能带导带禁带价带三、半导体发光机理8光纤通信原理与设备半导体发光机理电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式:自发辐射、受激吸收、受激辐射。9光纤通信原理与设备(a)自发辐射（点击动画）hf12初态E2E1终态E2E13.1光源10光纤通信原理与设备hf12初态E2E1终态E2E1(b)受激吸收（点击动画）3.1光源11光纤通信原理与设备hf12初态E2E1终态E2E1(c)受激辐射（点击动画）12光纤通信原理与设备半导体发光机理设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E2＞E1）的电子数分别为N1和N2.正常的状态下，N1＞N2，即低能级上的电子数多，这种状态称为热平衡状态（即正常分布状态）。对于N1＜N2的状态，称作为负温度状态,即粒子数反转分布状态。13光纤通信原理与设备中兴通讯网络通信教育）外来光子能量等于跃迁的能级之差hν＝E2－E12）受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向度相同，称它们为全同光子。3）过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果使光增强，使入射光得到放大。受激辐射与受激吸收的特点：受激辐射是半导体激光器发光的基础。粒子数反转分布是物质产生光放大的必要条件。14光纤通信原理与设备四、激光器1、激光器的作用激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件，它发出光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度、易于控制等特点。2、激光器的模型激光器包括以下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。3.1光源15光纤通信原理与设备中兴通讯网络通信教育工作物质可以处于粒子数反转分布状态的工作物质。三能级以上系统可以得到粒子数反转分布泵浦源（激励源）使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源N2N1,受激辐射受激吸收，从而有光的放大作用。工作物质已被激活，成为激活物质或称增益物质。光学谐振腔提供必要的反馈以及进行频率选择M1M2全反射镜部分反射镜激光输出16光纤通信原理与设备主要由空穴导电的半导体称为P型半导体。主要由电子导电的半导体称为N型半导体。PN结的能带17光纤通信原理与设备在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。18光纤通信原理与设备增益区的产生：在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P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19光纤通信原理与设备(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布图2发光原理PGa1－xAlxAsPGaAsNGa1－yAlyAs复合空穴异质势垒E能量(a)(b)(c)n折射率～5%(d)P光＋－电子3、发光原理（点击动画）3.1光源20光纤通信原理与设备1）加正偏压：给二极管施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。空穴与电子复合发光。2）电子被限：由于限制层的带隙比有源层宽，P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。3）光放大和振荡这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高（放大），输出激光的阈值电流（光功率增益大于光功率衰减）很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。产生激光器的两个条件：放大阈值条件3.1光源21光纤通信原理与设备4、激光器的基本特征1）I-V特性激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。当电压增加到一定程度时才有输出电流，阈值电流随温度的升高而加大。3.1光源22光纤通信原理与设备2）P-I特性LD的光功率随着激励电流的变化而变化。当I＜Ith时，发出的是荧光，光谱很宽，如图（a）所示。当I＞Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图（b）所示。图4光谱特性3.1光源23光纤通信原理与设备22℃30℃40℃50℃60℃70℃80℃P/mW54321050100I/mA不激射22℃30℃40℃50℃60℃70℃80℃P/mW54321050100I/mA不激射图5P-I特性（点击动画）3.1光源24光纤通信原理与设备1、结构发光二极管的发光原理与激光器相同，所用的材料也相同，所不问的是在结构上激光器有谐振腔，而LED没有谐振腔，且LD发出的是激光，而LED仅产生自发辐射。发光二极管有两类：表面发光二极管和边发光二极管等。1）发光二极管结构（点击动画）五、发光二极管①所用材料与LD相同，主要有GaAlAs和InGaAsP②LED无谐振腔。③LED从正面出光，也就是出光方向与有源区垂直。半导体发光二极管是利用有源区中半导体材料的自发辐射原理工作的。只要给二极管加上正向电压，就会发出荧光(非相干光)，它是无阈值器件。3.1光源25光纤通信原理与设备2发光二极管的工作原理发光二极管的发光机理与激光器相同；LED没有谐振腔，只能产生自发辐射，发出的是非相干的荧光，不是激光；由于没有谐振腔，发出的是多频光，光谱宽度较大(30—40nm)，发散角也较大，达40—120度4.4.3LED特性1.发光二极管具有以下一些持性。①由于是自发辐射，所以光谱比较宽，一般在30—40nm范围内。②由于不是相干光，光的方向性较差，其发散角在40—120度之间③输出的光强和效率都比较低。④LED的光功率对温度的依赖性比LD要小。⑤P-I曲线的线性范围较大，动态范围大，失真小。（点击动画）3.1光源26光纤通信原理与设备2.光谱特性。发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，图6光谱特性3.1光源27光纤通信原理与设备3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器件28光纤通信原理与设备1、作用光电检测器的作用：把光信号转换为电信号，光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换。2、要求①在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；②具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；③具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；④具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；⑤具有较小的体积、较长的工作寿命等；⑥工作电压尽量低，使用简便。3、分类光电二极管（PIN）雪崩光电二极管（APD）一、概述3.2光检测器29光纤通信原理与设备二、PIN光电二极管图7光电二极管结构1、结构3.2光监测器30光纤通信原理与设备2、工作原理（光电二级管工作原理动画）在耗尽层形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)当入射光作用在PN结时发生受激吸收PN结界面内部电场漂移运动能带倾斜电子和空穴的扩散运动N-----P3.2光监测器31光纤通信原理与设备雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。2、工作原理（点击动画）APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子—空穴对；新产生的电子—空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子—空穴对……如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。三、雪崩光电二极管1、特点3.2光监测器32光纤通信原理与设备3、光电检测过程用雪崩光电二极管(APD)将光信号转换为电信号的过程如图所示。光信号包括信号光和背景光；电信号输出包含信号、背景、咕电流和非倍增的暗电流;对三种电流．即信号、背景和暗电流产生雪崩增益；系统的输出包含信号和噪声。图8光电监测框图3.2光监测器33光纤通信原理与设备3.2光检测器3.3光放大器3.1光源3.4光无源器件34光纤通信原理与设备34光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍——光功率受限，这是光通信史上的重要里程碑。光放大器是一种不需要经过光/电/光变换而直接对光信号进行放大的有源器件光放大技术35光纤通信原理与设备35光放大技术－放大器分类36光纤通信原理与设备36光放大技术－掺铒光纤放大器EDFA主要是由掺铒光纤、泵浦源、耦合器和光隔离器组成耦合器光隔离器光隔离器掺铒光纤泵浦激光器输入信号输出信号是为了保证泵浦光与EDFA中合波器的反射光不向外洩漏，光隔离器的特点是只允许正方向的光进入。信号光和与泵浦光同时沿掺铒光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的铒离子吸收而跃迁到更高的能级，并可以通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿掺铒光纤长度不断放大，泵浦光沿掺铒光纤长度不断衰减把铒离子从E1能级“泵”到E3能级，使其形成粒子数反转分布状态，为受激幅射创造条件。把泵浦光与信号光合并在一起输入到掺铒光纤中37光纤通信原理与设备37光放大技术－EDFA的工作原理980nm泵浦快速非辐射跃迁N1N3~N21530–1560nm信号受激辐射跃迁和自发辐射跃迁1530－1560nm信号受激吸收1480nm泵浦38光纤通信原理与设备38DWDM系统中使用的EDFA必须具有:足够的带宽平坦的增益低噪声系数高输出功率光放大技术－重要性能指标特别是增益平坦度，这是DWDM系统对EDFA的特殊要求！39光纤通信原理与设备在光放大器研制成