光纤通信技术-第03章

云南大学软件学院王世普1/98第三章光纤通信器件3.1半导体光源3.2半导体光电检测器3.3光放大器3.4无源光器件3.5光纤连接器云南大学软件学院王世普2/983.1半导体光源光源是光发射机的关键部件，其作用是将电信号转换成光信号并馈送到光纤中。3.1.1激光器的物理基础1.光子爱因斯坦的光量子学说认为，光是由能量为hf的光量子（简称光子）组成的。其中普朗克常数h=6.62610-34J.S，f是光波频率。光子的能量与光波的频率成正比。光波的能量是光子能量的总和。光不仅有波动性，而且具有粒子性。云南大学软件学院王世普3/983.1半导体光源3.1.1激光器的物理基础2.原子能级原子是由原子核和围绕原子核、在各个轨道上运动的电子构成。围绕原子核运动的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。把围绕原子核运动的各轨道上的电子的能量值称为原子的能级。云南大学软件学院王世普4/983.1.1激光器的物理基础3.半导体的能带半导体内部自由运动的自由电子所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带。其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。3.1半导体光源云南大学软件学院王世普5/983.1.1激光器的物理基础4.光和物质的相互作用（1）自发辐射处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级跃迁到低能级，并释放出一个光子。3.1半导体光源E2E1E1E2hf=E2-E1Z云南大学软件学院王世普6/983.1.1激光器的物理基础4.光与物质的相互作用（1）自发辐射由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为：hf=E2-E1式中：h=6.626×10-34J·S为普朗克常数；f为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。3.1半导体光源云南大学软件学院王世普7/983.1.1激光器的物理基础4.光与物质的相互作用（2）受激辐射在外来光子的激励下，电子可从高能级跃迁到低能级，释放出一个与外来光子同频、同相、同方向的(全同)光子。因需要外部激励，故该过程称为受激辐射。两个光子叠加使光强度增加，因而引起光的放大。3.1半导体光源E2E1E1E2hf=E2-E1ZZ云南大学软件学院王世普8/983.1.1激光器的物理基础4.光与物质的相互作用（3）受激吸收在外来光子激励下，电子也可以吸收外来光子能量，从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。外来光子的能量必须等于能级差E2-E1受激吸收消耗外来光能量。3.1半导体光源E1E2E2E1hf=E2-E1Z云南大学软件学院王世普9/983.1.1激光器的物理基础5.粒子数反转分布状态在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级上电子数。粒子数反转分布是指高能级上的电子数多，低能级上的电子数少的异常分布状态。在粒子数反转分布状态下，其内部的自发辐射和/或受激辐射概率大于受激吸收概率，进而产生光放大作用。造成粒子数反转分布状态是激光器工作的基本条件。实现能级之间粒子数反转分布状态的方法：外加能量，包括光激励、电激励。3.1半导体光源云南大学软件学院王世普10/983.1.2激光器的工作原理1.激光器由三个基本部分构成：工作物质、激励源及谐振腔。工作物质：产生激光的工作物质，也就是可以处于粒子数反转分布状态的物质。激励源：一种让工作物质处于粒子数反转分布状态的光能量源，又称泵浦源，使工作物质呈激活态。谐振腔：完成频率选择及产生反馈，以加大激励能量。3.1半导体光源云南大学软件学院王世普11/983.1.2激光器的工作原理3.1半导体光源平面或球面镜M1全反射（反射系数r1=1），M2部分反射（反射系数r21）。激光从M2透射出去。M1M2平面腔工作物质激活物质lM1M2球面腔工作物质激活物质lr1=1r1=1r21r21云南大学软件学院王世普12/983.1半导体光源3.1.2激光器的工作原理2.衡量激光器性能的参数包括：平均衰减系数、增益系数、阈值、谐振频率。平均衰减系数：其中αi是谐振腔反射镜的透射损耗引起的衰减系数。211ln21rrli云南大学软件学院王世普13/983.1.2激光器的工作原理2.衡量激光器性能参数包括：平均衰减系数、增益系数、阈值、谐振频率。增益系数：光通过单位长度的工作物质后，光强增长的百分比，用G表示。3.1半导体光源云南大学软件学院王世普14/983.1半导体光源3.1.2激光器的工作原理2.衡量激光器性能的参数包括：平均衰减系数、增益系数、阈值、谐振频率。阈值条件：能正好抵消激光器衰减所需要的增益系数称为阈值，是谐振腔产生谐振的基本条件，用Gt表示，也称为阈值增益系数。Gt=当增益系数满足上述条件时，激光器起振，输出激光。211ln21rrli云南大学软件学院王世普15/983.1半导体光源3.1.2激光器的工作原理2.衡量激光器性能的参数包括：平均衰减系数、增益系数、阈值、谐振频率。谐振频率：谐振腔一旦确定，便存在固有的谐振频率f0g，当外部激励源的光频率等于该频率时，将产生谐振。式中n为工作物质的折射率；q=1,2,3,…；l为谐振腔长度，c为光速。若某一个q值对应频率的功率很大、其它功率很小，则称为单纵模激光，否则为多纵模激光nlcqfg20云南大学软件学院王世普16/983.1.3半导体激光器（激光二极管）1.半导体激光器简介以半导体材料作为工作物质的激光器称为半导体激光器。在电流的作用下，可以认为是在半导体“结”（两种晶体材料的交界）处或两个结之间的过渡带（厚度100nm~400nm）发生谐振，从而发出激光。普通半导体激光器通常由3~5层晶体材料构成。3.1半导体光源云南大学软件学院王世普17/983.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(1)阈值特性当外加电流低于阈值电流It时，激光器发出荧光，不谐振。当外加电流超过阈值电流It时，激光器谐振并发出激光，输出功率随工作电流的增大而急剧增大。阈值电流It越小，激光器工作越稳定。3.1半导体光源输出功率(mW)工作电流(mA)123050100It云南大学软件学院王世普18/983.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(2)光谱特性当外加电流低于阈值电流It时，激光器发出的光谱很宽；当外加电流超过阈值电流It时，激光器发出的激光谱线变窄，谱线中心强度急剧增加。3.1半导体光源64208IIt波长相对光强3210IIt波长云南大学软件学院王世普19/983.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(2)光谱特性产生的激光有多纵模和单纵模（由q=1,2,3,…）。用半功率点的谱线宽度作为衡量激光器光谱特性的参数。云南大学软件学院王世普20/983.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(3)温度特性激光器阈值电流和输出光功率随温度变化的特性。随着温度的增高，阈值电流随之增大、输出功率随电流的增大而增加的幅度变小。80℃70℃60℃50℃40℃30℃22℃I(mA)P(mW)5010012340ΔI60℃时40℃时云南大学软件学院王世普21/983.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(3)温度特性可见，温度对LD的阈值电流、输出光功率影响较大。为了降低温度对LD的影响，可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型LD外加自动温度控制电路，使温度特性满足系统要求云南大学软件学院王世普22/983.1.3半导体激光器（激光二极管）2.半导体激光器的特性(4)转换效率输出光功率和消耗电功率的比值称为激光器的转换效率，用p表示：式中R是与激光器的内部量子效率、激光波长和模式损耗相关的常数；V是工作电压；I是工作电流。若其它条件不变，则阈值电流越小，转换效率越高。3.1半导体光源)II1(VRtp云南大学软件学院王世普23/983.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）3.半导体激光器的分类按照结构、工艺的不同，半导体激光器可以分为F-P（法布里-珀罗）激光器、分布反馈型激光器（DFB）、布拉格反射激光器（DFR）、单量子阱半导体激光器、多量子阱半导体激光器。F-P激光器最简单、成本最低，基本上属于多纵模激光器，适用于速率小于622Mbps的系统；其它均为单纵模激光器。量子阱半导体激光器阈值低、谱线窄、增益高、频率啁啾（谐振波长随时间偏移）小，是目前最好的半导体激光器。云南大学软件学院王世普24/983.1半导体光源3.1.3半导体激光器（激光二极管）4.半导体激光器的例子I(mA)P(mW)分布反馈型激光器（DFB）云南大学软件学院王世普25/983.1半导体光源3.1.4发光二极管半导体发光二极管(Light-emittingDiode，LED)发出的光波波长可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85m、1.31m及1.55m。云南大学软件学院王世普26/983.1.4发光二极管（LED）1.LED的类型按照器件输出光的方式，可以将发光二极管分为三种类型结构：表面发光二极管边发光二极管超辐射发光二极管（性能介于LD和LED之间的一种半导体光源）3.1半导体光源云南大学软件学院王世普27/983.1半导体光源3.1.4发光二极管（LED）1.LED的类型云南大学软件学院王世普28/983.1.4发光二极管（LED）2.LED的工作原理LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外加合适的正向电压时，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减，从而产生自发辐射的光输出。3.1半导体光源云南大学软件学院王世普29/983.1半导体光源3.1.4发光二极管3.LED的主要特性曲线λp1波长（μm）相对功率λ1λ21.201.350.5100边发光二极管P(mW)I(mA)面发光二极管超辐射发光二极管200123光谱特性P-I特性云南大学软件学院王世普30/983.1半导体光源3.1.4发光二极管4.LED的特点发出的是荧光，波长范围宽没有光学谐振腔，是无阈值器件，线性好光谱较宽，与光纤的耦合效率低温度特性好、寿命长价格低廉，在短距离光通信、模拟通信中广泛使用云南大学软件学院王世普31/983.1半导体光源3.1.4发光二极管5.LED产品示例I(mA)P(mW)发光二极管云南大学软件学院王世普32/983.1.5光源的主要技术指标1.几种国产半导体光源的主要技术指标3.1半导体光源器件参数1.31mLED1.55mLED1.31mLD组件1.55mLD组件光纤类型模式多单多单多单多单发射波长m1.31.31.521.521.31.31.551.55输出功率mW)5063532000100020001000工作电流(mA)150150150150阈值电流(mA)30305050光谱半宽(nm)707080803131云南大学软件学院王世普33/983.1.5光源的主要技术指标2.半导体光源的阈值特性比较3.1半导体光源100边发光二极管P(mW)I(mA)LD面发光二极管超辐射发光二极管200123云南大学软件学院王世普34/983.2半导体光电检测器3.2.1半导体光电检测器的基本原理半导体光电检测器的基本原理是：对p-n结外加电场，当光照射到半导体的p-n结上时，将在外接负载上产生光电流，该电流的大小与照射光的强度有关，于是实现将光信号的变化转换成电流的变化，从而完成光电转换。半导体光电检测器主要有两种：PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管。云南大学软件学院王世普35/983.2半导体光电检测器3.2.2PIN光电二极管PIN光电二极管是一种简单的p-n结光电二极管。增透膜P+I(N)N+电极光信号v轻掺杂本征耗尽层，对电子和空穴进行加速云