光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件

第3章光纖通信的基本器件

光源與光器件

電子電氣工程系電子信息技術(shù)教研室第3章光纖通信的基本器件1、掌握光與物質(zhì)的作用過(guò)程2、掌握半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理及其特性3、掌握半導(dǎo)體二極管的發(fā)光機(jī)理及其特性4、了解光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用光源5、掌握光電二極管和雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)及原理6、了解各種光無(wú)源器件的類型及其作用7、掌握常用光纖連接器的特點(diǎn)第3章光纖通信的基本器件----能力要求：1、掌握光與物質(zhì)的作用過(guò)程第3章光纖通信的基本器件---3.2光檢測(cè)器3.3光放大器3.1光源3.4光無(wú)源器件3.2光檢測(cè)器3.3光放大器3.1光源3.4光無(wú)源器對(duì)光源的要求：

性能好、壽命長(zhǎng)、使用方便1）發(fā)射光波長(zhǎng)必須在光纖的低損耗窗口；2）光源的輸出功率要足夠大3）溫度特性優(yōu)良4）光源的發(fā)光譜寬度要窄5）光源應(yīng)具有高度的可靠性6）省電,且體積小、重量輕7）光源器件應(yīng)便于調(diào)制,調(diào)制速率能適應(yīng)系統(tǒng)要求。3.1光源對(duì)光源的要求：3.1光源常用的兩種光源器件,即半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管。發(fā)光二極管用LED：熒光激光二極管用LD：激光常用的兩種光源器件,即半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管。發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理

電子以原子核為中心，按不同的電子層排列在原子核周圍旋轉(zhuǎn)，這些特定的電子層稱為能級(jí)，對(duì)半導(dǎo)體材料，電子的能級(jí)重疊在一起形成能帶。其中能量低的能帶稱為價(jià)帶E1，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶E2，E2和E1之間的能量差稱為禁帶，電子不可能占據(jù)禁帶。E3E2E1能帶導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶一、半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理電子以原子核為中心，按不同的電半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理

電子在E2和E1之間的躍遷有三種基本方式:自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射。半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理電子在E2和E1之間的躍遷有三(a)自發(fā)輻射（點(diǎn)擊動(dòng)畫）hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E13.1光源自發(fā)輻射是發(fā)光二極管的理論基礎(chǔ)(a)自發(fā)輻射（點(diǎn)擊動(dòng)畫）hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1

(b)受激吸收（點(diǎn)擊動(dòng)畫）

3.1光源受激吸收是光電檢測(cè)器的基礎(chǔ)hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(b)受激吸收（hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射（點(diǎn)擊動(dòng)畫）

受激輻射是半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射（點(diǎn)擊動(dòng)畫）半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理

設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2（E2＞E1）的電子數(shù)分別為N1和N2.

正常的狀態(tài)下，N1＞N2，即低能級(jí)上的電子數(shù)多，這種狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)（即正常分布狀態(tài)）。

對(duì)于N1＜N2的狀態(tài)，稱作為負(fù)溫度狀態(tài),即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理1）外來(lái)光子能量等于躍遷的能級(jí)之差hν＝E2－E12）受激過(guò)程中發(fā)射的光子與外來(lái)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向、傳播方向度相同，稱它們?yōu)槿庾印?）過(guò)程可以使光得到放大。因?yàn)槭芗み^(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子是全同光子，相疊加的結(jié)果使光增強(qiáng)，使入射光得到放大。受激輻射與受激吸收的特點(diǎn)：受激輻射是半導(dǎo)體激光器發(fā)光的基礎(chǔ)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理1）外來(lái)光子能量等于躍遷的能級(jí)之差hν＝E2－二、半導(dǎo)體激光器（LD）

1、激光器的作用

激光器是利用受激輻射過(guò)程產(chǎn)生光和光放大的一種器件，從它發(fā)出的光具有極好的相干性、單色性、方向性和極高的亮度，便于人們控制它和利用它。因而這種光源被用作光纖通信系統(tǒng)的光源。

2.激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，它是由三部分組成的，即：工作物質(zhì)、諧振腔（半反鏡和全反鏡）和泵浦源（激勵(lì)源--電源）。

二、半導(dǎo)體激光器（LD）

1、激光器的作用圖3-1半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)激活物質(zhì)使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔脠D3-1半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)激活物質(zhì)使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（1）工作物質(zhì)

要使受激輻射過(guò)程成為主導(dǎo)過(guò)程，必要條件是在介質(zhì)中造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。（2）泵浦源

使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源N2>N1,受激輻射>受激吸收，從而有光的放大作用。工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或稱增益物質(zhì)。（3）光學(xué)諧振腔提供必要的反饋以及進(jìn)行頻率選擇，光學(xué)諧振腔是由兩個(gè)反射鏡組成，其一是全反（M1）的，另一個(gè)是部分透過(guò)（M2）的。

（1）工作物質(zhì)返回圖3-2諧振腔

諧振腔的光軸與工作物質(zhì)的長(zhǎng)軸相重合。這樣沿諧振腔軸方向傳播的光波將在腔的兩反射鏡之間來(lái)回反射，多次反復(fù)地通過(guò)激活介質(zhì)，使光不斷地被放大。而沿其他方向傳播的光波很快地逸出腔外。這就使得只有沿腔軸傳播的光波在腔內(nèi)擇優(yōu)放大，因而諧振腔的作用可使輸出光有良好的方向性。全反射鏡部分反射鏡激光輸出返回圖3-2諧振腔諧振腔的光軸與工作物質(zhì)的長(zhǎng)軸相重

3、

半導(dǎo)體激光器用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器,稱為半導(dǎo)體激光器(LD)。常用的有F-P腔(法不里-泊羅腔)激光器和分布反饋型激光器(DFB)。下面介紹F-P腔激光器中的同質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。3、半導(dǎo)體激光器

1)同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器在光纖通信中,F-P腔激光器采用的工作物質(zhì)(半導(dǎo)體材料)一般是砷化鎵(GaAs)或銦鎵砷磷(InGaAsP)。如圖3-3所示為同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。1)同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器圖3–3同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由PN結(jié)發(fā)光;其閾值電流(激光器開始產(chǎn)生激光時(shí)的注入電流)較大;在室溫下工作發(fā)熱嚴(yán)重,無(wú)法做到連續(xù)的激光輸出;室溫下只能工作在脈沖狀態(tài),且脈沖的重復(fù)頻率不高,約為幾十千赫茲,脈沖的寬度很窄,約為100ns;適合在小容量、低速率光纖通信系統(tǒng)中使用。同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由PN結(jié)發(fā)光;其閾

2)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖3-4所示,(N)InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)(有源區(qū)),其上、下兩層稱為限制層,它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層N型InP是襯底,頂層(P+)InGaAsP是接觸層,其作用是為了改善和金屬電極的接觸。2)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器

特點(diǎn):雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器克服了同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器缺點(diǎn),有源區(qū)厚度加大,閾值電流降低(30mA～80mA),波長(zhǎng)范圍為1.27μm～1.33μm。特點(diǎn):雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器克服了同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器圖3–4雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件圖3–5

DFB-LD激光器結(jié)構(gòu)光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件5、半導(dǎo)體激光器的工作特性

1)閾值特性閾值電流(Ith)是指使LD輸出光功率急劇增加,產(chǎn)生激光振蕩的激勵(lì)電流。某半導(dǎo)體激光器P-I曲線如圖3-6所示。圖3–6

P-I曲線5、半導(dǎo)體激光器的工作特性圖3–6P-I曲線

當(dāng)激勵(lì)電流I<Ith時(shí),有源區(qū)無(wú)法達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn),也無(wú)法達(dá)到諧振條件,自發(fā)輻射為主,輸出功率很小,發(fā)出的是熒光;

當(dāng)激勵(lì)電流I>Ith時(shí),有源區(qū)不僅有粒子數(shù)反轉(zhuǎn),而且達(dá)到了諧振條件,受激輻射為主,輸出功率急劇增加,發(fā)出的是激光,此時(shí)P-I曲線是線性變化的。對(duì)于激光器來(lái)說(shuō),要求閾值電流越小越好。當(dāng)激勵(lì)電流I<Ith時(shí),有源區(qū)無(wú)法達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn),

2)光譜特性

半導(dǎo)體激光器輸出光光譜特性曲線如圖3-7所示,從光譜特性曲線可以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。圖3–7輸出光光譜2)光譜特性圖3–7輸出光光譜

當(dāng)激勵(lì)電流I<Ith時(shí),說(shuō)明發(fā)出的是熒光,光譜很寬(幾十納米);當(dāng)激勵(lì)電流I>Ith時(shí),光譜突然變窄(幾納米),譜線中心強(qiáng)度也急劇增加,說(shuō)明發(fā)出的是激光。

對(duì)于半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō),要求其輸出光譜越窄越好。當(dāng)激勵(lì)電流I<Ith時(shí),說(shuō)明發(fā)出的是熒光,光譜很寬(

3)溫度特性

半導(dǎo)體激光器對(duì)于溫度很敏感,其輸出功率隨溫度變化而變化,產(chǎn)生這種變化的主要原因是半導(dǎo)體激光器外微分量子效率和閾值電流受到溫度的影響。圖3–8溫度對(duì)閾值電流的影響3)溫度特性圖3–8溫度對(duì)閾值電流的影響6、半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)半導(dǎo)體發(fā)光二極管是利用半導(dǎo)體PN結(jié)進(jìn)行自發(fā)輻射器件的統(tǒng)稱。如電子儀表等產(chǎn)品的指示燈使用的就是一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管。6、半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)

一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管與光纖通信專用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的異同如下:·共同點(diǎn)——都是使用PN結(jié),利用自發(fā)輻射的原理發(fā)光,屬于無(wú)閾值器件,體積小巧、重量輕。·不同點(diǎn)——主要是制造工藝和價(jià)格有區(qū)別,另外光纖通信專用的發(fā)光二極管亮度更高、響應(yīng)速度更快。一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管與光纖通信專用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的

半導(dǎo)體發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器的區(qū)別

發(fā)光二極管沒(méi)有光學(xué)諧振腔,采用自發(fā)輻射,發(fā)出的是熒光(非相干光),不是激光,光譜的譜線寬,發(fā)散角大。而半導(dǎo)體激光器有光學(xué)諧振腔,采用受激輻射,發(fā)出的是激光(相干光),光譜的譜線窄,發(fā)散角很小。

雖然發(fā)光二極管無(wú)法發(fā)出激光,但它還是有很多優(yōu)點(diǎn),如：使用壽命長(zhǎng),理論推算可達(dá)108～1010小時(shí);受溫度影響小;輸出光功率與激勵(lì)電流線性關(guān)系好;驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單;價(jià)格低等。這些優(yōu)點(diǎn)使發(fā)光二極管在中短距離、中小容量的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器的區(qū)別1）.LED的結(jié)構(gòu)

為了獲得高輻射度,LED常采用雙異質(zhì)結(jié)芯片(但沒(méi)有光學(xué)諧振腔),構(gòu)成材料主要有GaAs、InGaAsP、AlGaAs等。①

面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)圖3-9所示是采用雙異質(zhì)結(jié)GaAs的面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)。發(fā)光區(qū)是呈圓柱形的有源區(qū),其直徑約為50μm,厚度約為2.5μm,能夠發(fā)出波長(zhǎng)為0.8μm～0.9μm的輻射光,圓形光束反散角為120°。1）.LED的結(jié)構(gòu)圖3–9面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件

②

邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)圖3-10所示是采用雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP/InP的邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)。波長(zhǎng)范圍為1.3μm左右,光束的水平反散角為120°,垂直反散角為25°～35°。該型LED的方向性好,亮度高,耦合效率高,但發(fā)光面積小。②邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)圖3–10邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件

2）

發(fā)光原理當(dāng)激勵(lì)電流注入時(shí),注入的載流子在擴(kuò)散過(guò)程中進(jìn)行復(fù)合,發(fā)生自發(fā)輻射,產(chǎn)生具有一定波長(zhǎng)的自發(fā)輻射光,發(fā)射光經(jīng)透鏡構(gòu)成的聚焦系統(tǒng)發(fā)射出去,直接射入光纖的端面,然后在光纖中傳輸,這就是發(fā)光二極管的基本工作原理。2）發(fā)光原理

3）LED的工作特性

①光譜特性

LED的譜線如圖3-11所示,由于LED發(fā)光二極管沒(méi)有諧振腔,不具有選頻特性,因此譜線寬度Δλ比激光器的要寬得多。圖3–11

LED的譜線3）LED的工作特性圖3–11LED的譜線

②

輸出光功率特性

LED輸出光功率特性曲線如圖3-12所示。LED不存在閾值電流,線性比LD好。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí),P-I曲線的線性較好;當(dāng)I過(guò)大時(shí),由于PN結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象,使P-I曲線的斜率減小。一般情況下,LED工作電流為50mA～100mA,輸出光功率為幾毫瓦,由于反散角大,出纖功率(耦合到光纖中的功率)只有數(shù)百微瓦。②輸出光功率特性圖3–12

LED輸出光功率光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件③溫度特性

LED的輸出光功率也會(huì)隨溫度升高而減小,然而LED是無(wú)閾值器件,因此溫度特性比LD要好(如短波長(zhǎng)的GaAlAsLED,其輸出光功率隨溫度的變化率約為0.01/1K)。一般使用時(shí)不需要溫度控制電路。③溫度特性

④

耦合效率由于LED反散角大,因此其耦合效率低。所以LED適用于中短距離、中小容量的光纖通信系統(tǒng)。④耦合效率半導(dǎo)體激光器(LD)與發(fā)光二極管(LED)的比較在光纖通信系統(tǒng)中,最常用的光源器件便是半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED),二者均是用半導(dǎo)體材料構(gòu)成的,能發(fā)出光波,能通過(guò)調(diào)制技術(shù)攜帶數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)光傳輸。這兩種光源器件的比較見(jiàn)表3-1。通過(guò)比較,讀者會(huì)進(jìn)一步掌握這兩種光源的異同及其應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器(LD)與發(fā)光二極管(LED)的比較表3–1

LD與LED的比較表3–1LD與LED的比較1、作用光電檢測(cè)器的作用：把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。2、要求①在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；②具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；③具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響；④具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不失真；⑤具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等；⑥工作電壓盡量低，使用簡(jiǎn)便。3、分類光電二極管（PIN）雪崩光電二極管（APD）

一、概述3.2光檢測(cè)器1、作用2、要求3、分類一、概述3.2光二、PIN光電二極管圖3-13光電二極管結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)二、PIN光電二極管圖3-13光電二極管結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、工作原理畫

在耗盡層形成漂移電流。內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)發(fā)生受激吸收PN結(jié)界面內(nèi)部電場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)能帶傾斜電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)N-----P2、工作原理畫內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場(chǎng)區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光生電流的雪崩倍增。2、工作原理（點(diǎn)擊動(dòng)畫）APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)；在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，獲得高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到了能量；越過(guò)禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子—空穴對(duì)；新產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子—空穴對(duì)……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測(cè)器。三、雪崩光電二極管1、特點(diǎn)雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場(chǎng)區(qū))內(nèi)的碰撞電離圖3–13

APD雪崩示意圖圖3–13APD雪崩示意圖3、光電檢測(cè)過(guò)程

用雪崩光電二極管(APD)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程如圖所示。光信號(hào)包括信號(hào)光和背景光；電信號(hào)輸出包含信號(hào)、背景、咕電流和非倍增的暗電流;對(duì)三種電流．即信號(hào)、背景和暗電流產(chǎn)生雪崩增益；系統(tǒng)的輸出包含信號(hào)和噪聲。圖3-14光電檢測(cè)框圖3、光電檢測(cè)過(guò)程用雪崩光電二極管(APD)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.2光檢測(cè)器3.3光放大器3.1光源3.4光無(wú)源器件3.2光檢測(cè)器3.3光放大器3.1光源3.4光無(wú)源器光放大器的出現(xiàn)和發(fā)展克服了高速長(zhǎng)距離傳輸?shù)淖畲笳系K——光功率受限，這是光通信史上的重要里程碑。光放大器是一種不需要經(jīng)過(guò)光/電/光變換而直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的有源器件3.3光放大技術(shù)光放大器的出現(xiàn)和發(fā)展克服了高速長(zhǎng)距離傳輸?shù)淖畲笳系K——光功率一、光放大技術(shù)－放大器分類光纖通信的基本器件一、光放大技術(shù)－放大器分類光纖通信的基本器件光放大技術(shù)－摻鉺光纖放大器

把鉺離子從E1能級(jí)“泵”到E3能級(jí)，使其形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，為受激幅射創(chuàng)造條件。

是為了保證泵浦光與EDFA中合波器的反射光不向外洩漏，光隔離器的特點(diǎn)是只允許正方向的光進(jìn)入。把泵浦光與信號(hào)光合并在一起輸入到摻鉺光纖中信號(hào)光和與泵浦光同時(shí)沿?fù)姐s光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的鉺離子吸收而躍遷到更高的能級(jí)，并可以通過(guò)能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿?fù)姐s光纖長(zhǎng)度不斷放大，泵浦光沿?fù)姐s光纖長(zhǎng)度不斷衰減EDFA主要是由摻鉺光纖、泵浦源、耦合器和光隔離器組成光放大技術(shù)－摻鉺光纖放大器

把鉺離子從E1能級(jí)“泵”到E3能DWDM系統(tǒng)中使用的EDFA必須具有:

足夠的帶寬平坦的增益低噪聲系數(shù)高輸出功率光放大技術(shù)－重要性能指標(biāo)

特別是增益平坦度，這是DWDM系統(tǒng)對(duì)EDFA的特殊要求！DWDM系統(tǒng)中使用的EDFA必須具有:光放大技術(shù)－重要性能指

在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱再生器）放大光信號(hào)。首先將光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送到光纖中去，如圖3-14所示。圖3-14傳統(tǒng)的中繼器原理框圖一、光電光放大器3.3光放大器在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱圖10全光放大器原理框圖二、全光放大器1、半導(dǎo)體激光放大器常用的有法布里—泊羅半導(dǎo)體激光放大器（FPA）和行波放大器。此類放大器的工作原理與激光器相同，都利用能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的受激輻射工作。二者區(qū)別在于沒(méi)有諧振腔。2、非線性光學(xué)放大器利用光纖中的非線性現(xiàn)象進(jìn)行光信號(hào)放大，即利用受激拉曼散射和受激布里淵散射。放大的過(guò)程，就是能量從泵浦源向信號(hào)光轉(zhuǎn)移的過(guò)程。3、摻稀土金屬光纖放大器光纖中摻入適量稀土金屬雜質(zhì)，利用稀土金屬原子特有的能級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大。常用的摻鉺光纖放大器（EDFA）是摻稀土金屬的光纖放大器。3.3光放大器圖10全光放大器原理框圖二、全光放大器1、半導(dǎo)體激光放大器摻鉺光纖放大器的組成及工作原理

摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成，如圖3-27所示。摻鉺光纖放大器的基本組成摻鉺光纖放大器的組成及工作原理?yè)姐s光纖放大器的基本組

(1)摻鉺光纖。摻鉺光纖是一段長(zhǎng)度約為10m~100m的石英光纖，纖芯中注入稀土元素鉺離子，濃度為25mg/kg。

(2)泵浦光源。泵浦光源為半導(dǎo)體激光器，輸出功率約為10mW~100mW，工作波長(zhǎng)為0.98μm。

(3)光耦合器。光耦合器將信號(hào)光和泵浦光合在一起通過(guò)摻鉺光纖實(shí)現(xiàn)光放大。(1)摻鉺光纖。摻鉺光纖是一段長(zhǎng)度約為10m~10

(4)光濾波器。光濾波器濾出光放大器的噪聲，降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的的信噪比。

(5)光隔離器。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保光放大器工作穩(wěn)定，保證光信號(hào)只能正向傳輸。對(duì)它的要求是插入損耗低、與偏振無(wú)關(guān)、隔離度優(yōu)于40dB。(4)光濾波器。光濾波器濾出光放大器的噪聲，降低噪摻鉺光纖放大器的工作原理是受激輻射使光信號(hào)放大。在光纖中摻入微量的鉺元素，當(dāng)只有泵浦光而沒(méi)有信號(hào)光加入摻鉺光纖時(shí)，高能級(jí)的電子經(jīng)過(guò)各種碰撞后，發(fā)射小波長(zhǎng)為1.53μm~1.56μm的熒光，這些熒光在沒(méi)有信號(hào)射入時(shí)處于非相干狀態(tài)。當(dāng)泵浦光與信號(hào)光一起射入摻鉺光纖時(shí)，摻鉺光纖放大器的工作原理是受激輻射使光信號(hào)放大。在光纖信號(hào)光就可以接收泵浦光的能量，沿著光纖逐步加強(qiáng)，輸出一個(gè)頻率相同、傳輸模式相同的較強(qiáng)的光，使光信號(hào)獲得放大。在鉺粒子受激輻射過(guò)程中，有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生帶寬極寬而且雜亂無(wú)章的光子，并在傳播中不斷擴(kuò)大，從而形成了自發(fā)輻射燥聲，并消耗了部分泵浦功率。因此，需設(shè)光濾波器，以降低燥聲對(duì)系統(tǒng)的影響。信號(hào)光就可以接收泵浦光的能量，沿著光纖逐步加強(qiáng)，輸出一3.3.3光纖放大器的結(jié)構(gòu)

EDFA的內(nèi)部按泵浦方式分，有同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦三種基本結(jié)構(gòu)。如圖3-28所示。3.3.3光纖放大器的結(jié)構(gòu)圖3–28光放大器泵浦方式光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件

(1)同向泵浦。在同向泵浦結(jié)構(gòu)中，泵浦光與信號(hào)光從同一端注入摻鉺光纖。

(2)反向泵浦。在反向泵浦結(jié)構(gòu)中,泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。

(3)雙向泵浦。為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分的激勵(lì)，必須提高泵浦功率。在雙向泵浦結(jié)構(gòu)中，既有和信號(hào)光傳輸方向相同的泵浦光，也有和信號(hào)光傳輸方向相反的泵浦光。(1)同向泵浦。3.3.4光纖放大器的應(yīng)用光放大器可以應(yīng)用于干線通信。主要應(yīng)用形式有三種：中繼放大、功率放大、前置放大和LAN放大。中繼放大是指將EDFA直接插入到光纖傳輸鏈路中對(duì)信號(hào)進(jìn)行中繼放大的應(yīng)用形式，如圖3-29(a)所示。廣泛用于長(zhǎng)途通信、越洋通信等領(lǐng)域。功率放大是指將EDFA放在發(fā)射光源之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的應(yīng)用形式，EDFA增加了注入光纖的光功率，從而可以延長(zhǎng)中繼距離。如圖3-29(b)所示。

3.3.4光纖放大器的應(yīng)用由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作為接收機(jī)的前置放大器,大大提高接收機(jī)的接收靈敏度。如圖3-29(c)所示。

LAN放大是指將EDFA放在光纖局域網(wǎng)中用作分配補(bǔ)償放大器，以便增加光節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。EDFA可在寬帶本地網(wǎng)特別是在電視分配網(wǎng)中得到應(yīng)用。如圖3-29(d)所示。由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作為接收機(jī)的前置放圖3–29

EDFA的應(yīng)用光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件

在光纖通信系統(tǒng)中，除了有源器件、光纖光纜之外，還有無(wú)源器件。無(wú)源器件有

光纖活動(dòng)連接器

光衰減器

光無(wú)源耦合器

光波分復(fù)用器

光隔離器

光開關(guān)等

光無(wú)源器件在光纖通信系統(tǒng)中，除了有源器件、光纖光纜之外，還有無(wú)源一、光纖活動(dòng)連接器

光纖連接器，俗稱活接頭，ITU-T建議將其定義為“用以穩(wěn)定地，但并不是永久地連接兩根或多根光纖的無(wú)源組件”。3.4光無(wú)源器件1.1功能光纖連接器主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中光纖（纜）與光纖（纜）、光纖（纜）與有源器件、光纖（纜）與無(wú)源器件、光纖（纜）與系統(tǒng)和儀表的非永久性固定連接等。1.2結(jié)構(gòu)光纖活動(dòng)連接器有以下幾種結(jié)構(gòu)：套管結(jié)構(gòu)，雙錐結(jié)構(gòu)、V型槽結(jié)構(gòu)、球面定心結(jié)構(gòu)和透鏡耦合結(jié)構(gòu)一、光纖活動(dòng)連接器光纖連接器，俗稱活接頭，ITU光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件工作原理是：對(duì)光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面、套管的內(nèi)孔進(jìn)行精密加工，使兩根光纖在套管中對(duì)接，從而確保兩個(gè)光纖很好地在套管內(nèi)對(duì)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)兩根光纖在套管內(nèi)的活動(dòng)連接。如圖1所示。圖15光連接器套管結(jié)構(gòu)示意圖1.3工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖3.4光無(wú)源器件工作原理是：對(duì)光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面1.4

常見(jiàn)端面接觸形式①FC型。其接頭的對(duì)接方式為平面對(duì)接。優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)是存在菲聶爾反射。②PC型。是FC型的改進(jìn)型。其對(duì)接面由平面變?yōu)楣靶屯姑?。是我?guó)最通用的規(guī)格。減少了菲聶爾反射，反射損耗系數(shù)可達(dá)48dB。③APC型。光纖端面是球面，端面法線與軸線成一定角度，使光難以返回光源，反射損耗系數(shù)達(dá)55dB。圖16光纖連接器的端面連接方式3.4光無(wú)源器件1.4常見(jiàn)端面接觸形式圖16光纖連接器的端面連接方式3.3.4光無(wú)源器件二、光衰減器1、光衰減器的作用

光衰減器的作用：對(duì)光能量進(jìn)行預(yù)期的衰減，使光能量減少。光衰減器使用于光通信系統(tǒng)的指標(biāo)測(cè)量、短距離通信系統(tǒng)的信號(hào)衰減以及系統(tǒng)試驗(yàn)等。2、光衰減器的分類按光信號(hào)的傳輸方式分：?jiǎn)文９馑p器和多模光衰減器；按光信號(hào)的接口方式分：尾纖式光衰減器和連接端口式光衰減器；按照光信號(hào)的衰減方式分：固定光衰減器和可變光衰減器。3.4光無(wú)源器件二、光衰減器1、光衰減器的作用光衰光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件3.4光無(wú)源器件

固定光衰減器產(chǎn)生衰減的機(jī)理是吸收一部分光，從而產(chǎn)生衰減作用。也就是在光線軸線上設(shè)置一種叫衰減膜的介質(zhì)，它是一種半透明的摻雜化合物，在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)，它有一個(gè)吸收帶，光在吸收帶內(nèi)被吸收，產(chǎn)生衰減。3、固定光衰減器的工作原理圖17無(wú)準(zhǔn)直遠(yuǎn)鏡光衰減器3.4光無(wú)源器件固定光衰減器產(chǎn)生衰減的機(jī)理是吸收一部3.4光無(wú)源器件

可變光衰減器有步進(jìn)式可變光衰減器和連續(xù)可變光衰減器兩種。圖4是步進(jìn)式可變光衰減器的一種結(jié)構(gòu)。它由準(zhǔn)直器和兩個(gè)衰減圓盤組成。準(zhǔn)直器用來(lái)產(chǎn)生平行的出射光，衰減圓盤用來(lái)產(chǎn)生衰減。兩個(gè)衰減圓盤插在從準(zhǔn)直器出射的平行光路之中。每個(gè)衰減圓盤分別裝有6個(gè)衰減片，衰減片的衰減是0dB、5dB、l0dB、15dB、20dB、25dB。將兩個(gè)衰減圓盤的衰減片進(jìn)行組合，可以產(chǎn)生5dB、10dB、15dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB、45dB、50dB等十擋衰減。2.4可變光衰減器的工作原理圖18步進(jìn)式可變光衰減器結(jié)構(gòu)3.4光無(wú)源器件可變光衰減器有步進(jìn)式可變光衰減器和連3.4光無(wú)源器件三、光隔離器2、作用：防止光路中由于各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光對(duì)光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響2、光衰減器的分類按光信號(hào)的傳輸方式分：?jiǎn)文９馑p器和多模光衰減器；按光信號(hào)的接口方式分：尾纖式光衰減器和連接端口式光衰減器；按照光信號(hào)的衰減方式分：固定光衰減器和可變光衰減器。1、定義：只允許單向光通過(guò)的無(wú)源光器件3.4光無(wú)源器件三、光隔離器2、作用：防止光路中由于各光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件3.4光無(wú)源器件四、光波分復(fù)用器

多波長(zhǎng)波分復(fù)用器一般指4波長(zhǎng)以上器件，對(duì)于密集型（DWDM）器件，有4波長(zhǎng)、8波長(zhǎng)、16波長(zhǎng)等幾種。研制產(chǎn)品的波長(zhǎng)是1550nm和1310nm?？紤]到摻鉺光纖放大器的需要，又考慮到波長(zhǎng)在550nm區(qū)域具有更小的損耗，所以一般研制產(chǎn)品的波長(zhǎng)為1550nm。對(duì)于1310nm區(qū)域，如果光纖放大器能商品化，在此區(qū)域內(nèi)使用DWDM技術(shù)，對(duì)已建光纖系統(tǒng)的升級(jí)有很大的吸引力。多波長(zhǎng)波分復(fù)用器有介質(zhì)模型、光柵型、波導(dǎo)陣列光柵型、光纖光柵等。3.4光無(wú)源器件四、光波分復(fù)用器多波長(zhǎng)波分復(fù)用器一般81波分復(fù)用器件包括合波器和分波器，又叫光復(fù)用器和光解復(fù)用器復(fù)用器fiber解復(fù)用器OM/OD技術(shù)－波分復(fù)用器件81波分復(fù)用器件包括合波器和分波器，又叫光復(fù)用器復(fù)用器fib82OM/OD技術(shù)－OM/OD器件合波器（OM）分波器（OD)把來(lái)自光纖的光波分解成具有原標(biāo)稱波長(zhǎng)的光通路信號(hào)，分別輸入到相應(yīng)的光通路接收機(jī)中，即對(duì)光波起解復(fù)用作用。把具有標(biāo)稱波長(zhǎng)的各復(fù)用通路光信號(hào)合成為一束光波，送到光纖中進(jìn)行傳輸，對(duì)光波起復(fù)用作用。82OM/OD技術(shù)－OM/OD器件合波器分波器把來(lái)自光纖的光83

光柵型光波分復(fù)用器介質(zhì)薄膜濾波器型（DTF)

耦合器型（熔錐型）陣列波導(dǎo)光柵型(AWG)OM/OD技術(shù)－OM/OD器件類型83光柵型光波分復(fù)用器OM/OD技術(shù)－OM/OD器件類型84OM/OD器件類型1－光柵型濾波器84OM/OD器件類型1－光柵型濾波器85OM/OD器件類型1－光柵型復(fù)用器原理屬于角色散型器件，當(dāng)光到光柵上后，由于光柵的角色散作用，使不同的光信號(hào)以不同的角度出射，然后經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚到不同的輸出光纖，從而完成波長(zhǎng)選擇和分離的作用，反之就可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的合并。優(yōu)點(diǎn)波長(zhǎng)選擇特性優(yōu)良，可以使波長(zhǎng)間隔小到0.5nm左右

并聯(lián)工作，插入損耗不會(huì)隨復(fù)用信道的數(shù)目增加而增加缺點(diǎn) 溫度穩(wěn)定性不好85OM/OD器件類型1－光柵型復(fù)用器原理86合波光（1,2...n）123nn-1OM/OD器件類型2－介質(zhì)薄膜濾波器復(fù)用器86合波光（1,2...n）123nn-87OM/OD器件類型2－介質(zhì)薄膜濾波器復(fù)用器原理利用幾十層不同的介質(zhì)薄膜組合起來(lái)，組成具有特定波長(zhǎng)選擇特性的干涉濾波器，就可以實(shí)現(xiàn)將不同的波長(zhǎng)分離或合并優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的小型化器件信號(hào)通帶比較平坦插入損耗較低

溫度特性很好缺點(diǎn)加工復(fù)雜，但目前的工藝已經(jīng)比較成熟通路數(shù)不能太多。87OM/OD器件類型2－介質(zhì)薄膜濾波器復(fù)用器原理881234。。。34OM/OD器件類型3－耦合器型復(fù)用器88134OM/OD器件類型89OM/OD器件類型3－耦合器型復(fù)用器原理通過(guò)將多根光纖熔融在一起，使多個(gè)輸入波長(zhǎng)可以耦合在一起，達(dá)到波長(zhǎng)合并的目的，但不能用來(lái)將不同波長(zhǎng)進(jìn)行分離。優(yōu)點(diǎn)

溫度特性很好光通道帶寬較好制造簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)缺點(diǎn)尺寸較大，信道隔離度差，復(fù)用的波長(zhǎng)數(shù)少89OM/OD器件類型3－耦合器型復(fù)用器原理90OM/OD器件類型4－陣列波導(dǎo)波分復(fù)用器（AWG）90OM/OD器件類型4－陣列波導(dǎo)波分復(fù)用器（AWG）91OM/OD器件類型4－陣列波導(dǎo)波分復(fù)用器（AWG）原理是以光集成技術(shù)為基礎(chǔ)的平面波導(dǎo)型器件。優(yōu)點(diǎn)并聯(lián)工作，可以復(fù)用的通道數(shù)多尺寸小易于批量生產(chǎn)缺點(diǎn)需要溫度補(bǔ)償91OM/OD器件類型4－陣列波導(dǎo)波分復(fù)用器（AWG）原理小結(jié)在光纖通信中用得最多的光源是LED和LD。LD發(fā)出的是激光，LED發(fā)出的是熒光。激光器是一種新型光源，具有發(fā)射方向集中、亮度高、相干性優(yōu)越和單色性好等特點(diǎn)。產(chǎn)生激光有兩個(gè)條件：一是光的放大作用，它要求電子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，同時(shí)具有正反饋的諧振腔；二是要滿足閾值條件，即光功率增益大于光功率衰減。發(fā)光二極管有兩類：表面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管等。檢測(cè)器:PIN光電二極管、雪崩光電二極管(APD)。EDFA光纖放大器由泵浦光源、光耦合器、光隔離器、摻餌光纖、帶通濾波器等組成光纖活動(dòng)連接器、光衰減器和光波分復(fù)用器的功能、結(jié)構(gòu)和工作原理小結(jié)在光纖通信中用得最多的光源是LED和LD。LD發(fā)出的1、簡(jiǎn)述半導(dǎo)體激光器的構(gòu)成及各部分功能。2、如何實(shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)分布？3、簡(jiǎn)述雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理。4、什么是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收，各有何特點(diǎn)。作業(yè)題作業(yè)題1.個(gè)人墜落防護(hù)系統(tǒng)是用來(lái)把工作人員與固定掛點(diǎn)連接起來(lái)所必需的一整套產(chǎn)品，可完全防止出現(xiàn)從高處墜落的情況或是能完全地制止這種情況的發(fā)生。2.單獨(dú)使用這些產(chǎn)品不能對(duì)墜落提供防護(hù)。但是，如果這些構(gòu)件能夠良好的組合在一起，那么它們將形成一種對(duì)工作場(chǎng)所的安全和整體的墜落防護(hù)計(jì)劃都極其重要的個(gè)人墜落防護(hù)系統(tǒng)。3.如果安全繩沒(méi)有垂直地固定在工作場(chǎng)所上方，發(fā)生墜落時(shí)將使得工人在空中出現(xiàn)搖擺，并可能撞到其他物體上或撞到地面造成傷害。4.一個(gè)有才能的領(lǐng)導(dǎo)者會(huì)給所在的團(tuán)隊(duì)或組織帶來(lái)成功的希望，使人們對(duì)他產(chǎn)生一種敬佩感。敬佩感是一種心理磁鐵，它會(huì)吸引人們自覺(jué)去接受影響力。5.老虎型給他明確方向的語(yǔ)言、讓他知道做這件事對(duì)他的好處，說(shuō)話中要給他很肯定的感覺(jué)，不要懷疑他或不放心，直接說(shuō)明不要拐彎抹角，請(qǐng)他記錄彼此溝通的內(nèi)容。6.孔雀型先聊輕松的話題再進(jìn)入主題、運(yùn)用圖畫方式進(jìn)行溝通，對(duì)于事情就事論事不責(zé)罵當(dāng)事人，給他贊揚(yáng)及鼓勵(lì)，多運(yùn)用一些肢休語(yǔ)言，可到熱鬧場(chǎng)合進(jìn)行洽談。7.無(wú)尾熊型不要強(qiáng)勢(shì)與他溝通，溝通中運(yùn)用一些溫馨的語(yǔ)言，可聊聊天再進(jìn)入主題，交待任務(wù)不要一次太多，讓他知道你會(huì)協(xié)助他，經(jīng)常尋問(wèn)這事情的進(jìn)展，讓他知道在溝通中不要有所忌諱。8.貓頭鷹型不要強(qiáng)勢(shì)與他溝通，交待任務(wù)最好自行確認(rèn)后再說(shuō)，不講不實(shí)際的事不說(shuō)沒(méi)有憑證的話，說(shuō)話要完整化，任務(wù)分配時(shí)可分解數(shù)項(xiàng)告知，讓他知道事情做完的成敗會(huì)有人負(fù)責(zé)，對(duì)事不對(duì)人，不要批評(píng)他的專業(yè)。演示完畢，感謝聆聽！1.個(gè)人墜落防護(hù)系統(tǒng)是用來(lái)把工作人員與固定掛點(diǎn)連接起來(lái)所必需第3章光纖通信的基本器件

光源與光器件

電子電氣工程系電子信息技術(shù)教研室第3章光纖通信的基本器件1、掌握光與物質(zhì)的作用過(guò)程2、掌握半導(dǎo)體激光器的發(fā)光機(jī)理及其特性3、掌握半導(dǎo)體二極管的發(fā)光機(jī)理及其特性4、了解光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用光源5、掌握光電二極管和雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)及原理6、了解各種光無(wú)源器件的類型及其作用7、掌握常用光纖連接器的特點(diǎn)第3章光纖通信的基本器件----能力要求：1、掌握光與物質(zhì)的作用過(guò)程第3章光纖通信的基本器件---3.2光檢測(cè)器3.3光放大器3.1光源3.4光無(wú)源器件3.2光檢測(cè)器3.3光放大器3.1光源3.4光無(wú)源器對(duì)光源的要求：

性能好、壽命長(zhǎng)、使用方便1）發(fā)射光波長(zhǎng)必須在光纖的低損耗窗口；2）光源的輸出功率要足夠大3）溫度特性優(yōu)良4）光源的發(fā)光譜寬度要窄5）光源應(yīng)具有高度的可靠性6）省電,且體積小、重量輕7）光源器件應(yīng)便于調(diào)制,調(diào)制速率能適應(yīng)系統(tǒng)要求。3.1光源對(duì)光源的要求：3.1光源常用的兩種光源器件,即半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管。發(fā)光二極管用LED：熒光激光二極管用LD：激光常用的兩種光源器件,即半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管。發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理

電子以原子核為中心，按不同的電子層排列在原子核周圍旋轉(zhuǎn)，這些特定的電子層稱為能級(jí)，對(duì)半導(dǎo)體材料，電子的能級(jí)重疊在一起形成能帶。其中能量低的能帶稱為價(jià)帶E1，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶E2，E2和E1之間的能量差稱為禁帶，電子不可能占據(jù)禁帶。E3E2E1能帶導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶一、半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理電子以原子核為中心，按不同的電半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理

電子在E2和E1之間的躍遷有三種基本方式:自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射。半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理電子在E2和E1之間的躍遷有三(a)自發(fā)輻射（點(diǎn)擊動(dòng)畫）hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E13.1光源自發(fā)輻射是發(fā)光二極管的理論基礎(chǔ)(a)自發(fā)輻射（點(diǎn)擊動(dòng)畫）hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1

(b)受激吸收（點(diǎn)擊動(dòng)畫）

3.1光源受激吸收是光電檢測(cè)器的基礎(chǔ)hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(b)受激吸收（hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射（點(diǎn)擊動(dòng)畫）

受激輻射是半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射（點(diǎn)擊動(dòng)畫）半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理

設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2（E2＞E1）的電子數(shù)分別為N1和N2.

正常的狀態(tài)下，N1＞N2，即低能級(jí)上的電子數(shù)多，這種狀態(tài)稱為熱平衡狀態(tài)（即正常分布狀態(tài)）。

對(duì)于N1＜N2的狀態(tài)，稱作為負(fù)溫度狀態(tài),即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理1）外來(lái)光子能量等于躍遷的能級(jí)之差hν＝E2－E12）受激過(guò)程中發(fā)射的光子與外來(lái)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向、傳播方向度相同，稱它們?yōu)槿庾印?）過(guò)程可以使光得到放大。因?yàn)槭芗み^(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)光子是全同光子，相疊加的結(jié)果使光增強(qiáng)，使入射光得到放大。受激輻射與受激吸收的特點(diǎn)：受激輻射是半導(dǎo)體激光器發(fā)光的基礎(chǔ)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理1）外來(lái)光子能量等于躍遷的能級(jí)之差hν＝E2－二、半導(dǎo)體激光器（LD）

1、激光器的作用

激光器是利用受激輻射過(guò)程產(chǎn)生光和光放大的一種器件，從它發(fā)出的光具有極好的相干性、單色性、方向性和極高的亮度，便于人們控制它和利用它。因而這種光源被用作光纖通信系統(tǒng)的光源。

2.激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，它是由三部分組成的，即：工作物質(zhì)、諧振腔（半反鏡和全反鏡）和泵浦源（激勵(lì)源--電源）。

二、半導(dǎo)體激光器（LD）

1、激光器的作用圖3-1半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)激活物質(zhì)使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔脠D3-1半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)激活物質(zhì)使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（1）工作物質(zhì)

要使受激輻射過(guò)程成為主導(dǎo)過(guò)程，必要條件是在介質(zhì)中造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。（2）泵浦源

使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源N2>N1,受激輻射>受激吸收，從而有光的放大作用。工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或稱增益物質(zhì)。（3）光學(xué)諧振腔提供必要的反饋以及進(jìn)行頻率選擇，光學(xué)諧振腔是由兩個(gè)反射鏡組成，其一是全反（M1）的，另一個(gè)是部分透過(guò)（M2）的。

（1）工作物質(zhì)返回圖3-2諧振腔

諧振腔的光軸與工作物質(zhì)的長(zhǎng)軸相重合。這樣沿諧振腔軸方向傳播的光波將在腔的兩反射鏡之間來(lái)回反射，多次反復(fù)地通過(guò)激活介質(zhì)，使光不斷地被放大。而沿其他方向傳播的光波很快地逸出腔外。這就使得只有沿腔軸傳播的光波在腔內(nèi)擇優(yōu)放大，因而諧振腔的作用可使輸出光有良好的方向性。全反射鏡部分反射鏡激光輸出返回圖3-2諧振腔諧振腔的光軸與工作物質(zhì)的長(zhǎng)軸相重

3、

半導(dǎo)體激光器用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器,稱為半導(dǎo)體激光器(LD)。常用的有F-P腔(法不里-泊羅腔)激光器和分布反饋型激光器(DFB)。下面介紹F-P腔激光器中的同質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。3、半導(dǎo)體激光器

1)同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器在光纖通信中,F-P腔激光器采用的工作物質(zhì)(半導(dǎo)體材料)一般是砷化鎵(GaAs)或銦鎵砷磷(InGaAsP)。如圖3-3所示為同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。1)同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器圖3–3同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由PN結(jié)發(fā)光;其閾值電流(激光器開始產(chǎn)生激光時(shí)的注入電流)較大;在室溫下工作發(fā)熱嚴(yán)重,無(wú)法做到連續(xù)的激光輸出;室溫下只能工作在脈沖狀態(tài),且脈沖的重復(fù)頻率不高,約為幾十千赫茲,脈沖的寬度很窄,約為100ns;適合在小容量、低速率光纖通信系統(tǒng)中使用。同質(zhì)結(jié)砷化鎵半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由PN結(jié)發(fā)光;其閾

2)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖3-4所示,(N)InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)(有源區(qū)),其上、下兩層稱為限制層,它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層N型InP是襯底,頂層(P+)InGaAsP是接觸層,其作用是為了改善和金屬電極的接觸。2)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器

特點(diǎn):雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器克服了同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器缺點(diǎn),有源區(qū)厚度加大,閾值電流降低(30mA～80mA),波長(zhǎng)范圍為1.27μm～1.33μm。特點(diǎn):雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器克服了同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器圖3–4雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件圖3–5

DFB-LD激光器結(jié)構(gòu)光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件5、半導(dǎo)體激光器的工作特性

1)閾值特性閾值電流(Ith)是指使LD輸出光功率急劇增加,產(chǎn)生激光振蕩的激勵(lì)電流。某半導(dǎo)體激光器P-I曲線如圖3-6所示。圖3–6

P-I曲線5、半導(dǎo)體激光器的工作特性圖3–6P-I曲線

當(dāng)激勵(lì)電流I<Ith時(shí),有源區(qū)無(wú)法達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn),也無(wú)法達(dá)到諧振條件,自發(fā)輻射為主,輸出功率很小,發(fā)出的是熒光;

當(dāng)激勵(lì)電流I>Ith時(shí),有源區(qū)不僅有粒子數(shù)反轉(zhuǎn),而且達(dá)到了諧振條件,受激輻射為主,輸出功率急劇增加,發(fā)出的是激光,此時(shí)P-I曲線是線性變化的。對(duì)于激光器來(lái)說(shuō),要求閾值電流越小越好。當(dāng)激勵(lì)電流I<Ith時(shí),有源區(qū)無(wú)法達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn),

2)光譜特性

半導(dǎo)體激光器輸出光光譜特性曲線如圖3-7所示,從光譜特性曲線可以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。圖3–7輸出光光譜2)光譜特性圖3–7輸出光光譜

當(dāng)激勵(lì)電流I<Ith時(shí),說(shuō)明發(fā)出的是熒光,光譜很寬(幾十納米);當(dāng)激勵(lì)電流I>Ith時(shí),光譜突然變窄(幾納米),譜線中心強(qiáng)度也急劇增加,說(shuō)明發(fā)出的是激光。

對(duì)于半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō),要求其輸出光譜越窄越好。當(dāng)激勵(lì)電流I<Ith時(shí),說(shuō)明發(fā)出的是熒光,光譜很寬(

3)溫度特性

半導(dǎo)體激光器對(duì)于溫度很敏感,其輸出功率隨溫度變化而變化,產(chǎn)生這種變化的主要原因是半導(dǎo)體激光器外微分量子效率和閾值電流受到溫度的影響。圖3–8溫度對(duì)閾值電流的影響3)溫度特性圖3–8溫度對(duì)閾值電流的影響6、半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)半導(dǎo)體發(fā)光二極管是利用半導(dǎo)體PN結(jié)進(jìn)行自發(fā)輻射器件的統(tǒng)稱。如電子儀表等產(chǎn)品的指示燈使用的就是一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管。6、半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)

一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管與光纖通信專用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的異同如下:·共同點(diǎn)——都是使用PN結(jié),利用自發(fā)輻射的原理發(fā)光,屬于無(wú)閾值器件,體積小巧、重量輕。·不同點(diǎn)——主要是制造工藝和價(jià)格有區(qū)別,另外光纖通信專用的發(fā)光二極管亮度更高、響應(yīng)速度更快。一般的半導(dǎo)體發(fā)光二極管與光纖通信專用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的

半導(dǎo)體發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器的區(qū)別

發(fā)光二極管沒(méi)有光學(xué)諧振腔,采用自發(fā)輻射,發(fā)出的是熒光(非相干光),不是激光,光譜的譜線寬,發(fā)散角大。而半導(dǎo)體激光器有光學(xué)諧振腔,采用受激輻射,發(fā)出的是激光(相干光),光譜的譜線窄,發(fā)散角很小。

雖然發(fā)光二極管無(wú)法發(fā)出激光,但它還是有很多優(yōu)點(diǎn),如：使用壽命長(zhǎng),理論推算可達(dá)108～1010小時(shí);受溫度影響小;輸出光功率與激勵(lì)電流線性關(guān)系好;驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單;價(jià)格低等。這些優(yōu)點(diǎn)使發(fā)光二極管在中短距離、中小容量的光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器的區(qū)別1）.LED的結(jié)構(gòu)

為了獲得高輻射度,LED常采用雙異質(zhì)結(jié)芯片(但沒(méi)有光學(xué)諧振腔),構(gòu)成材料主要有GaAs、InGaAsP、AlGaAs等。①

面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)圖3-9所示是采用雙異質(zhì)結(jié)GaAs的面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)。發(fā)光區(qū)是呈圓柱形的有源區(qū),其直徑約為50μm,厚度約為2.5μm,能夠發(fā)出波長(zhǎng)為0.8μm～0.9μm的輻射光,圓形光束反散角為120°。1）.LED的結(jié)構(gòu)圖3–9面發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件

②

邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)圖3-10所示是采用雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP/InP的邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)。波長(zhǎng)范圍為1.3μm左右,光束的水平反散角為120°,垂直反散角為25°～35°。該型LED的方向性好,亮度高,耦合效率高,但發(fā)光面積小。②邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)圖3–10邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件

2）

發(fā)光原理當(dāng)激勵(lì)電流注入時(shí),注入的載流子在擴(kuò)散過(guò)程中進(jìn)行復(fù)合,發(fā)生自發(fā)輻射,產(chǎn)生具有一定波長(zhǎng)的自發(fā)輻射光,發(fā)射光經(jīng)透鏡構(gòu)成的聚焦系統(tǒng)發(fā)射出去,直接射入光纖的端面,然后在光纖中傳輸,這就是發(fā)光二極管的基本工作原理。2）發(fā)光原理

3）LED的工作特性

①光譜特性

LED的譜線如圖3-11所示,由于LED發(fā)光二極管沒(méi)有諧振腔,不具有選頻特性,因此譜線寬度Δλ比激光器的要寬得多。圖3–11

LED的譜線3）LED的工作特性圖3–11LED的譜線

②

輸出光功率特性

LED輸出光功率特性曲線如圖3-12所示。LED不存在閾值電流,線性比LD好。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí),P-I曲線的線性較好;當(dāng)I過(guò)大時(shí),由于PN結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象,使P-I曲線的斜率減小。一般情況下,LED工作電流為50mA～100mA,輸出光功率為幾毫瓦,由于反散角大,出纖功率(耦合到光纖中的功率)只有數(shù)百微瓦。②輸出光功率特性圖3–12

LED輸出光功率光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件③溫度特性

LED的輸出光功率也會(huì)隨溫度升高而減小,然而LED是無(wú)閾值器件,因此溫度特性比LD要好(如短波長(zhǎng)的GaAlAsLED,其輸出光功率隨溫度的變化率約為0.01/1K)。一般使用時(shí)不需要溫度控制電路。③溫度特性

④

耦合效率由于LED反散角大,因此其耦合效率低。所以LED適用于中短距離、中小容量的光纖通信系統(tǒng)。④耦合效率半導(dǎo)體激光器(LD)與發(fā)光二極管(LED)的比較在光纖通信系統(tǒng)中,最常用的光源器件便是半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED),二者均是用半導(dǎo)體材料構(gòu)成的,能發(fā)出光波,能通過(guò)調(diào)制技術(shù)攜帶數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)光傳輸。這兩種光源器件的比較見(jiàn)表3-1。通過(guò)比較,讀者會(huì)進(jìn)一步掌握這兩種光源的異同及其應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器(LD)與發(fā)光二極管(LED)的比較表3–1

LD與LED的比較表3–1LD與LED的比較1、作用光電檢測(cè)器的作用：把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。2、要求①在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；②具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；③具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響；④具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不失真；⑤具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等；⑥工作電壓盡量低，使用簡(jiǎn)便。3、分類光電二極管（PIN）雪崩光電二極管（APD）

一、概述3.2光檢測(cè)器1、作用2、要求3、分類一、概述3.2光二、PIN光電二極管圖3-13光電二極管結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)二、PIN光電二極管圖3-13光電二極管結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、工作原理畫

在耗盡層形成漂移電流。內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)發(fā)生受激吸收PN結(jié)界面內(nèi)部電場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)能帶傾斜電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)N-----P2、工作原理畫內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場(chǎng)區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光生電流的雪崩倍增。2、工作原理（點(diǎn)擊動(dòng)畫）APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)；在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，獲得高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到了能量；越過(guò)禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子—空穴對(duì)；新產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子—空穴對(duì)……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測(cè)器。三、雪崩光電二極管1、特點(diǎn)雪崩光電二極管應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場(chǎng)區(qū))內(nèi)的碰撞電離圖3–13

APD雪崩示意圖圖3–13APD雪崩示意圖3、光電檢測(cè)過(guò)程

用雪崩光電二極管(APD)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程如圖所示。光信號(hào)包括信號(hào)光和背景光；電信號(hào)輸出包含信號(hào)、背景、咕電流和非倍增的暗電流;對(duì)三種電流．即信號(hào)、背景和暗電流產(chǎn)生雪崩增益；系統(tǒng)的輸出包含信號(hào)和噪聲。圖3-14光電檢測(cè)框圖3、光電檢測(cè)過(guò)程用雪崩光電二極管(APD)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.2光檢測(cè)器3.3光放大器3.1光源3.4光無(wú)源器件3.2光檢測(cè)器3.3光放大器3.1光源3.4光無(wú)源器光放大器的出現(xiàn)和發(fā)展克服了高速長(zhǎng)距離傳輸?shù)淖畲笳系K——光功率受限，這是光通信史上的重要里程碑。光放大器是一種不需要經(jīng)過(guò)光/電/光變換而直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的有源器件3.3光放大技術(shù)光放大器的出現(xiàn)和發(fā)展克服了高速長(zhǎng)距離傳輸?shù)淖畲笳系K——光功率一、光放大技術(shù)－放大器分類光纖通信的基本器件一、光放大技術(shù)－放大器分類光纖通信的基本器件光放大技術(shù)－摻鉺光纖放大器

把鉺離子從E1能級(jí)“泵”到E3能級(jí)，使其形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，為受激幅射創(chuàng)造條件。

是為了保證泵浦光與EDFA中合波器的反射光不向外洩漏，光隔離器的特點(diǎn)是只允許正方向的光進(jìn)入。把泵浦光與信號(hào)光合并在一起輸入到摻鉺光纖中信號(hào)光和與泵浦光同時(shí)沿?fù)姐s光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的鉺離子吸收而躍遷到更高的能級(jí)，并可以通過(guò)能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿?fù)姐s光纖長(zhǎng)度不斷放大，泵浦光沿?fù)姐s光纖長(zhǎng)度不斷衰減EDFA主要是由摻鉺光纖、泵浦源、耦合器和光隔離器組成光放大技術(shù)－摻鉺光纖放大器

把鉺離子從E1能級(jí)“泵”到E3能DWDM系統(tǒng)中使用的EDFA必須具有:

足夠的帶寬平坦的增益低噪聲系數(shù)高輸出功率光放大技術(shù)－重要性能指標(biāo)

特別是增益平坦度，這是DWDM系統(tǒng)對(duì)EDFA的特殊要求！DWDM系統(tǒng)中使用的EDFA必須具有:光放大技術(shù)－重要性能指

在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱再生器）放大光信號(hào)。首先將光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送到光纖中去，如圖3-14所示。圖3-14傳統(tǒng)的中繼器原理框圖一、光電光放大器3.3光放大器在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱圖10全光放大器原理框圖二、全光放大器1、半導(dǎo)體激光放大器常用的有法布里—泊羅半導(dǎo)體激光放大器（FPA）和行波放大器。此類放大器的工作原理與激光器相同，都利用能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的受激輻射工作。二者區(qū)別在于沒(méi)有諧振腔。2、非線性光學(xué)放大器利用光纖中的非線性現(xiàn)象進(jìn)行光信號(hào)放大，即利用受激拉曼散射和受激布里淵散射。放大的過(guò)程，就是能量從泵浦源向信號(hào)光轉(zhuǎn)移的過(guò)程。3、摻稀土金屬光纖放大器光纖中摻入適量稀土金屬雜質(zhì)，利用稀土金屬原子特有的能級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大。常用的摻鉺光纖放大器（EDFA）是摻稀土金屬的光纖放大器。3.3光放大器圖10全光放大器原理框圖二、全光放大器1、半導(dǎo)體激光放大器摻鉺光纖放大器的組成及工作原理

摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成，如圖3-27所示。摻鉺光纖放大器的基本組成摻鉺光纖放大器的組成及工作原理?yè)姐s光纖放大器的基本組

(1)摻鉺光纖。摻鉺光纖是一段長(zhǎng)度約為10m~100m的石英光纖，纖芯中注入稀土元素鉺離子，濃度為25mg/kg。

(2)泵浦光源。泵浦光源為半導(dǎo)體激光器，輸出功率約為10mW~100mW，工作波長(zhǎng)為0.98μm。

(3)光耦合器。光耦合器將信號(hào)光和泵浦光合在一起通過(guò)摻鉺光纖實(shí)現(xiàn)光放大。(1)摻鉺光纖。摻鉺光纖是一段長(zhǎng)度約為10m~10

(4)光濾波器。光濾波器濾出光放大器的噪聲，降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的的信噪比。

(5)光隔離器。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保光放大器工作穩(wěn)定，保證光信號(hào)只能正向傳輸。對(duì)它的要求是插入損耗低、與偏振無(wú)關(guān)、隔離度優(yōu)于40dB。(4)光濾波器。光濾波器濾出光放大器的噪聲，降低噪摻鉺光纖放大器的工作原理是受激輻射使光信號(hào)放大。在光纖中摻入微量的鉺元素，當(dāng)只有泵浦光而沒(méi)有信號(hào)光加入摻鉺光纖時(shí)，高能級(jí)的電子經(jīng)過(guò)各種碰撞后，發(fā)射小波長(zhǎng)為1.53μm~1.56μm的熒光，這些熒光在沒(méi)有信號(hào)射入時(shí)處于非相干狀態(tài)。當(dāng)泵浦光與信號(hào)光一起射入摻鉺光纖時(shí)，摻鉺光纖放大器的工作原理是受激輻射使光信號(hào)放大。在光纖信號(hào)光就可以接收泵浦光的能量，沿著光纖逐步加強(qiáng)，輸出一個(gè)頻率相同、傳輸模式相同的較強(qiáng)的光，使光信號(hào)獲得放大。在鉺粒子受激輻射過(guò)程中，有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生帶寬極寬而且雜亂無(wú)章的光子，并在傳播中不斷擴(kuò)大，從而形成了自發(fā)輻射燥聲，并消耗了部分泵浦功率。因此，需設(shè)光濾波器，以降低燥聲對(duì)系統(tǒng)的影響。信號(hào)光就可以接收泵浦光的能量，沿著光纖逐步加強(qiáng)，輸出一3.3.3光纖放大器的結(jié)構(gòu)

EDFA的內(nèi)部按泵浦方式分，有同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦三種基本結(jié)構(gòu)。如圖3-28所示。3.3.3光纖放大器的結(jié)構(gòu)圖3–28光放大器泵浦方式光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件

(1)同向泵浦。在同向泵浦結(jié)構(gòu)中，泵浦光與信號(hào)光從同一端注入摻鉺光纖。

(2)反向泵浦。在反向泵浦結(jié)構(gòu)中,泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。

(3)雙向泵浦。為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分的激勵(lì)，必須提高泵浦功率。在雙向泵浦結(jié)構(gòu)中，既有和信號(hào)光傳輸方向相同的泵浦光，也有和信號(hào)光傳輸方向相反的泵浦光。(1)同向泵浦。3.3.4光纖放大器的應(yīng)用光放大器可以應(yīng)用于干線通信。主要應(yīng)用形式有三種：中繼放大、功率放大、前置放大和LAN放大。中繼放大是指將EDFA直接插入到光纖傳輸鏈路中對(duì)信號(hào)進(jìn)行中繼放大的應(yīng)用形式，如圖3-29(a)所示。廣泛用于長(zhǎng)途通信、越洋通信等領(lǐng)域。功率放大是指將EDFA放在發(fā)射光源之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的應(yīng)用形式，EDFA增加了注入光纖的光功率，從而可以延長(zhǎng)中繼距離。如圖3-29(b)所示。

3.3.4光纖放大器的應(yīng)用由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作為接收機(jī)的前置放大器,大大提高接收機(jī)的接收靈敏度。如圖3-29(c)所示。

LAN放大是指將EDFA放在光纖局域網(wǎng)中用作分配補(bǔ)償放大器，以便增加光節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。EDFA可在寬帶本地網(wǎng)特別是在電視分配網(wǎng)中得到應(yīng)用。如圖3-29(d)所示。由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作為接收機(jī)的前置放圖3–29

EDFA的應(yīng)用光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件

在光纖通信系統(tǒng)中，除了有源器件、光纖光纜之外，還有無(wú)源器件。無(wú)源器件有

光纖活動(dòng)連接器

光衰減器

光無(wú)源耦合器

光波分復(fù)用器

光隔離器

光開關(guān)等

光無(wú)源器件在光纖通信系統(tǒng)中，除了有源器件、光纖光纜之外，還有無(wú)源一、光纖活動(dòng)連接器

光纖連接器，俗稱活接頭，ITU-T建議將其定義為“用以穩(wěn)定地，但并不是永久地連接兩根或多根光纖的無(wú)源組件”。3.4光無(wú)源器件1.1功能光纖連接器主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中光纖（纜）與光纖（纜）、光纖（纜）與有源器件、光纖（纜）與無(wú)源器件、光纖（纜）與系統(tǒng)和儀表的非永久性固定連接等。1.2結(jié)構(gòu)光纖活動(dòng)連接器有以下幾種結(jié)構(gòu)：套管結(jié)構(gòu)，雙錐結(jié)構(gòu)、V型槽結(jié)構(gòu)、球面定心結(jié)構(gòu)和透鏡耦合結(jié)構(gòu)一、光纖活動(dòng)連接器光纖連接器，俗稱活接頭，ITU光纖通信的基本器件概述經(jīng)典課件工作原理是：對(duì)光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面、套管的內(nèi)孔進(jìn)行精密加工，使兩根光纖在套管中對(duì)接，從而確保兩個(gè)光纖很好地在套管內(nèi)對(duì)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)兩根光纖在套管內(nèi)的活動(dòng)連接。如圖1所示。圖15光連接器套管結(jié)構(gòu)示意圖1.3工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖3.4光無(wú)源器件工作原理是：對(duì)光纖纖芯外圓柱面的同軸度、插針的外圓柱面和端面1.4

常見(jiàn)端面接觸形式①FC型。其接頭的對(duì)接方式為平面對(duì)接。優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)是存在菲聶爾反射。②PC型。是FC型的改進(jìn)型。其對(duì)接面由平面變?yōu)楣靶屯姑妗Ｊ俏覈?guó)最通用的規(guī)格。減少了菲聶爾反射，反射損耗系數(shù)可達(dá)48dB。③APC型。光纖端面是球面，端面法線與軸線成一定角度，使光難以返回光源，反射損耗系數(shù)達(dá)55dB。圖16光纖連接器的端面連接方式3.4光無(wú)源器件1.4常見(jiàn)端面接觸形式圖16光纖連接器的端面連接方式3.3.4光無(wú)源器件二、光衰減器1、光衰減器的作用

光衰減器的作用：對(duì)光能量進(jìn)行預(yù)期的衰減，使光能量