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第3章光纤通信器件

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第3章 光纤通信器件-PPT精品文档

第3章 光纤通信器件-PPT精品文档

2L g q
28
3.1.3 半导体激光器的结构、工 作原理及工作特性
• 半导体激光器是有阈值的器件，它和发光二极管 （LED • 光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。 （1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口, 即短波长波段的0.85μm、长波长波段的1.31μm与 1.55μm。 （2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。 （3 （4）光源的谱线宽度窄。 （5
17
1．粒子数反转分布与光放大之 间的关系
• • 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用 大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。 • 这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。 • 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。 • 将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激 活物质。
55
3.1.5 量子阱半导体激光器
• 图3-22 量子阱半导体激光器
56
3.2 半导体光电检测器
• 光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第 一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换 为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电
• 目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检 测器有两种，一种是PIN光电二极管，另一种是 APD雪崩光电二极管。
50
3.1.4 分布反馈半导体激光器
• 图3-20 分布反馈半导体激光器结构示意图
51
3.1.4 分布反馈半导体激光器
1．DFB • 在普通的半导体激光器中，利用在激活物质两 端的反射镜来实现光反馈。而在DFB激光器中，
52
3.1.4 分布反馈半导体激光器
2． DBR激光器 • DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面。 • 它相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉 格反射器，起着衍射光栅的作用，因此可以将它看成

第三章光纤通信器件

第三章光纤通信器件

输出 调制光 信息电信号 激光器
信息 电信号
连续
激光器 光信号
外调 制器
输出 调制光
信息电信号 0 1 0 1 0 输出调制光波
（a）直接调制
L D 输出连续光 信息电信号 0 1 0 1 0
输出调制光波 （b）外调制
直接调制是用电信号直接调制激光器的驱动电流，使输出 光随电信号变化而实现的。
光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输 出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。
F-P滤波器的传输特性
(a) 传输函数
(b) N 个信道 经波分复用后 加到滤波器 输入端的频谱图
(c) 滤波器输出频谱图
T(f )
传 1.0 输 函 0.5 数
P
in
f
输
入
功
f ch
率
f f
i1
f2
Pout f
输 出 功 率
P1 P2
FSR= f L
f
3
fs
P3
f1
f
2
f
3
f F-P
光频
输出 光纤1
出射光
光纤
微反射镜
镜面 旋转轴
输出 光纤2
控制 信号
硅衬底PLC
MEMS光开关优缺点
具有机械光开关和波导光开关的优点，却克服了 它们所固有的缺点；
采用了机械光开关的原理，但又能象波导开关那 样，集成在单片硅基上；
基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。 主要开发商有美国Lucent、德克萨斯仪表公司和
光栅型解复用器
（a)普通透镜反射光栅
（b)渐变折射率透镜反射光栅
AWG型
星形耦合器
1

光纤通信--通信用光器件

光纤通信--通信用光器件
， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学 温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐 射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率) 相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种 物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。
本章介绍通信用光器件的工作原理和主要特性， 为系统 的设计提供选择依据。
3.1光源
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。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激 光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)， 有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG) 激光器。
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
(a)
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统
计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率

光纤通信基本知识ppt课件

光纤通信基本知识ppt课件

VC-3
VC-4
复用段层网络 再生段层网络 物理层网络
27
电路层
低阶 高阶
通道层
SDH 传送层
段层 传输 媒质层
完整最新ppt
SDH的承载业务
L5~7
Application
L4
TCP/UDP
L3
IP
L2 ATM FR PPP/HDLC LAPS SDL
L1
SDH
L0
WDM
FR: Frame Relay
6
7
MSOH
8
9
23
9列
261列
完整最新ppt
SDH开销字节的分层
分支
分支
--分支组装
POH
--分支取出
POH插入 MSOH
MSOH
POH提取 MSOH
插入
提取
RSOH RSOH RSOH RSOH RSOH
插入
提取/插入
提取
载波
载波
光接口
光接口
光接口
物理线路
物理线路
终端
再生器
终端
通道层 复用层 再生层 物理层
21
完整最新ppt
SDH的比特率
等级 STM-1
速率（Mb/s） 155.520
STM-4
622.080
STM-16 2488.320
STM-64 9953.280
22
完整最新ppt
SDH的帧结构
STM-1的帧结构
125us 9x270=2430个字节
第1行
2
RSOH
3
4 AU PTR
5
净荷（含POH）
35

光纤通信基本器件

光纤通信基本器件
光检测器：能量转换器件即光导致电的器件 光放大器：直流光能转换成交流光能。 光无源器件：光纤连接器 光无源器件：光定向耦合器、光衰减器、
光隔离器、光调制器等
3.1 光源器件
光发射部分的核心：光源，它是组成光纤 通信系统的重要器件。
光源器件是光发射机的核心，它的作用是 将电信号转换成光信号。光纤通信中常用的 光源器件有半导体激光器LD和半导体发光二 极管LED两种。
4)晶体能带：半导体是由大量原子有次序的周期 性排列的晶体。
L为腔的几何长度。上式为激光器的相位平衡条件， 通常又称为光腔的驻波条件，当满足该条件时， 腔内形成驻波。
4．激光器纵模与纵模间隔
(1).纵模——光场沿轴Z向变化模式
(2).纵模间隔：相邻的两个纵模的谐振频率 间 隔 ：△f0q=c/2nL ;
波长表示纵模间隔，则近似为： △λ0q=λ20/2nL
2)频率选择及正反馈 光学谐振腔
3)阈值条件和相位条件
➢ 激光产生的过程
激活物质和光学谐振器只是激光产生 的必要条件，要产生激光振荡，还必须 满足一定的阈值条件和相位条件。
激光产生的过程 ？简述
泵浦源
P入
光子流输出
P反
M1 r1 = P反/ P入
M2， r2
Z 腔轴
M1的功率反射率100%，M2的功率反射率为90％左右， 以便从M2获得激光输出。把激活物质放在两个反射镜之间。
3.1.1 发光机理 1．原子的能级结构
Femi统计规律
在热平衡状态时，粒子在各能级之间的分布应 服从费米统计规律。
f（E）＝1/[1＋exp（E-Ef）/K0T ] (3.1)
f（E)—能量为E被电子占据的机率（概率）
Ef —费米能级。它与物质的特性有关，它只是反 映电子在各个能级中分布情况的一个参量（它是抽 象的不存在的一个能级）。

光纤通信 第 3 章 通信用器件-31 精品文档

光纤通信 第 3 章 通信用器件-31 精品文档
近场是指激光器输出反射镜面上的光强 分布；
远场是指离反射镜面一定距离处的光强 分布。
图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远 场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向
尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于 结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。
由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振 腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为 单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄， 这个方向的场图总是单横模。
2n
q
(3.5)
式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射 率，q=1, 2, 3 …称为纵模模数。
4.
半导体激光器的结构多种多样，基本结构 是图3.5示出的双异质结(DH)平面条形结构。
这种结构由三层不同类型半导体材料构成， 不同材料发射不同的光波长。
图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间 有一层厚0.1~0.3 μm的窄带隙P型半导体，称
图 3.4 (a) 激光振荡； (b) 光反馈
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的
阈值条件为
γth =α+
1 ln 1 2L R1R2
(3.4)
式中，γth 为阈值增益系数，α为谐振腔 内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度， R1，R2<1为两个反射镜的反射率
激光振荡的相位条件为
L= q 或 2nL
由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反 转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入 射光。
反射镜 光的振幅

2n L
(a)
反射镜
入射光经反射镜反射，沿
轴线方向传播的光被放大，
光
初
沿非轴强 线方向的始 光被减光 弱。
位
反射光经多次反置馈，不断

光传输第3章 光纤通信系统用元器件(光放大器)PPT课件

光传输第3章 光纤通信系统用元器件(光放大器)PPT课件

放大器增益随输出功率的变化
放大器噪声
所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射(或散射)叠加到信号光上，导 致被放大信号的信噪比(SNR)降低，噪声降低程度用噪声指数来表示
Fn
(SNR)in (SNR)out
由散粒噪声限制的理想探测器 (SN )inR Ip 2 22q((R RiiP n )P n )2f 2h P i n vf
( 1
0 )2 R
4
二能级光放大器增益谱及相应介质的洛沦兹增益谱特 性
增益饱和
当P 增大至可与 Ps 相比拟时，g()降低，放大系数G()随信号功率增
加而降低，这种现象叫增益饱和。
设输入光信号频率位于增益峰值（ 0 ）处，光功率随距离按下
述关系变化 dP g 0 P dz 1 P Ps
利用初始条件： P (0 )P in ,P (L )P ou tG in ,P 对上式在放大器长度限内积分， 可得放大器增益为
在小信号放大时 P/Ps 1 ，增益系数为
g()1(g00)2R2
增益带宽定义为增益谱 g() 降至最大值一半处的全宽(FWHM)
g
gቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2
1
R
放大器的增益或放大倍数为
G Pout Pin
在长度为L的放大器中，光信号沿长度逐步被放大，光功率
随距离的变化规律:
dP gP dz
P(z)Pinexgp)z(
由自发辐射引入的噪声的谱密度几乎是一个常数（白噪声），可表示为
Ssp(v)(G1)nsphv
噪声电流的变化可表示为 24(RG in)R (PsS p )f
放大信号的SNR为
(SN )oR u t (I)22(RG 2in)2P 4G Ssp i nP f

光纤通信的基本器件

光纤通信的基本器件
3、分类 光电二极管（PIN） 雪崩光电二极管（APD）
二、PIN光电二极管
1、结构
图3-13 光电二极管结构
2、工作原理画
PN结界面
电子和空穴 的扩散运动
内部电场N-----P 漂移运动
能带倾斜
当入射光作用在PN结时 如或果等光于子带的隙能( h量f ≥大E于g ) 发生受激吸收
在耗尽层
内部电场的作用，电子向 N区运动，空穴向P区运动
图 3 – 9 面发光型LED结构
② 边发光型LED结构 图3 - 10所示是采用双异质结InGaAsP/InP的边发 光型LED结构。 波长范围为1.3 μm 左右, 光束的水平反 散角为120°, 垂直反散角为25°～35°。 该型LED的 方向性好, 亮度高, 耦合效率高, 但发光面积小。
半导体激光器(LD)与发光二极管(LED)的比较
在光纤通信系统中, 最常用的光源器件便是半导体激 光器(LD)和发光二极管(LED), 二者均是用半导体材料构 成的, 能发出光波, 能通过调制技术携带数据信息, 实现 光传输。 这两种光源器件的比较见表3 - 1。 通过比较, 读者会进一步掌握这两种光源的异同及其应用。
光振荡的激励电流。某半导体激光器P - I曲线如图3 - 6 所示。
图 3 – 6 P - I曲
当激励电流I<Ith时, 有源区无法达到粒子数反转, 也无
法达到谐振条件, 自发辐射为主, 输出功率很小, 发出的是 荧光;
当激励电流 I>Ith时,有源区不仅有粒子数反转, 而且达
到了谐振条件, 受激辐射为主, 输出功率急剧增加, 发出的 是激光, 此时P - I曲线是线性变化的。 对于激光器来说, 要求阈值电流越小越好。
图 3 – 3 同质结砷化镓半导体激光器

光纤通信器件

光纤通信器件

1、光定向耦合器
分别取出光纤中向不同方向传输的光信号。 光定向耦合器按其结构不同可分为棱镜式 和光纤式两类。 隔离度A；插入损耗L；分光比T。
2、光隔离器与光环行器
都是希望从输入端口输入的光信 号到输出端口时，衰减尽量小， 即要求器件的插入损耗要小；对 于不应有输出的端口，要求隔离 度要高。
光隔离器一般为两端口器件，阻挡反射 光环形器一般为多端口器件，用于ADM
3、半导体激光器的工作特性
光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。 （1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗 窗口,即短波长波段的0.85μm、长波长波段的 1.31μm与1.55μm。 （2）能长时间连续工作并能提供足够光输出功率。 （3）与光纤的耦合效率高。 （4）光源的谱线宽度窄。 （5）寿命长，工作稳定。
2、光纤通信中常用的半导体光 电检测器
PIN光电二极管：只能检测光信号，如果 在信号微弱时会出现误码增加的情况。 APD雪崩光电二极管：它不但具有光/电 转换作用，而且具有内部放大作用。可以 解决经过长途传输后光信号微弱不易检测 出的问题。 目前光纤通信系统中，使用的雪崩光电二 极管结构型式，有保护环型和拉通（又称 通达）型。
电子式 优点是开关速度快，易 于集成化；缺点是插入 损耗大，串扰大，只适 合单模光纤。
5、波长转换器
能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件称 为波长转换器。 波长转换器根据波长转换机理可分为： 光电型波长转换器； 全光型波长转换器。 光电型波长转换器比较容易实现，其优点是与偏振 无关；主要缺点是由于速度受电子器件限制，因此 不适应高速大容量光纤通信系统和网络的要求。 全光型可克服电子器件速度限制，未来发展方向。
第3章 光纤通信器件

第3章光纤通信器件.pptx

第3章光纤通信器件.pptx
长距离干线网, 高速率数字系统 或模拟视频系统
SC/PC
SC/APC
ST/PC
凸球面 轴向插拔
矩形 0.3 0.5 0.1 0.1 40 1000 40+800C
用户网 或局域网
80 斜面 轴向插拔
矩形 0.3 0.5 0.1 0.1 60 1000 40+800C
用户网 或局域网
凸球面
卡口 圆形
0.2 0.3
0.1
0.1 40 1000 40+800
C 用户网 或局域网
3.2 耦 合 器
T形
星形
耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多 个或一个光输出。
耦合器对线路的影响是附加插入损耗，可能还 有一定的反射和串音。
选择耦合器的主要依据是实际应用场合。
耦合器基本结构
耦合器的光学特性参数
1、插入损耗（Insertion Loss，IL） 指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值。
Pin
Coupler
ILi=
-10×lg
Pouti Pin
Pout1 Pout2
2、分光比（Coupling Ratio，CR） 指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值。
根据其调谐的能力又可分为光频固定滤 波器和可调谐滤波器。
3.3 可调谐光滤波器
3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5
法布里珀罗（FP）滤波器 马赫-曾德尔（MZ）滤波器 布拉格（Bragg）光栅滤波器 阵列波导光栅（AWG）滤波器 调谐滤波器性能比较
3.3.1 法布里珀罗 （FP）滤波器
Pin
Coupler
Pouti CR=
×100%

03 光纤通信器件

03 光纤通信器件
连接器主要技术要求：
▪ 低的插入损耗 ▪ 好的重复性 ▪ 好的互换性 ▪ 低的反射损耗 ▪ 长的使用寿命 ▪ 环境温度变化性能稳定
连接型号：
▪ FC型 表示用螺纹连接 ▪ SC型 表示轴向插拔矩形外壳结构 ▪ ST型 表示弹簧带键卡口结构
光纤插针的端面类型：
▪ PC:平面/球面 ▪ APC:斜面
连接型号组合：
▪ 利用半导体光放大器的增益饱和特性，将泵 浦光和探测光都注入到SOA中，强泵浦光使 SOA增益发生饱和，从而使连续的探测光得 到调制，这样，就把泵浦光的信号变换到了 探测光上。
❖非线性光学环境（NLOM）型波长变换 器
❖基于四波混频效应的全光波长变换器。 非线性作用产生新的波长，新波长包含 有泵浦光的强度和相位信息，所以它是 唯一能对输入信号进行透明变换的 AOWC。缺点：效率低
对应折射率
n，1'、于n2' 是沿Z轴传输距离
L后，引起的相位变化为：
Ex
: 1
2
n
' 1
L
2L
(n0
1 2
n r3 0 22
V d
)
Ey
: 2
2n ' 2
L
2L
(n0
1 2
n r3 0 22
V d
)
1
2
2
(
n
3 0
r22
LV d
)
于是施加的外电压 ，在两个电场分 量之间产生一个可调整的相位差，因此 出射光波的偏振态可被施加的外电压控 制。
❖基于饱和吸收的半导体激光器型波长变 换器。原理是：输入信号使载波子产生 受激吸收，在带隙附近达到饱和，允许 探测光束透过。

第3章通信用光器件 光纤通信 optical communication 教学课件_882

第3章通信用光器件 光纤通信 optical communication 教学课件_882
第 3 章 通信用光器件
通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。 有源器件包括光源、光检测器和光放大器 ———这些是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件。 光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用/解复用器、
调制器、光开关和隔离器、衰减器等。 —— 这些是光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提
同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3m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，输出激光的阈值电流 很低，很小的散热体就可以在室温下连续工作。
2020/6/16
现代通信技术研究所 殷洪玺
23
(a) 双异质结构
＋
P
P
N
－
(a )
G a 1 － Ax l xA s
GaA s
G a 1 － Ay l y A s
电子
(b) 能带 (c) 折射率分布
E (b ) 能
量
空穴
n 折 (c) 射 率
复合 异质势垒
～ 5%
(d) 光功率分布
P (d ) 光
当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：
2020/6/16
现代通信技术研究所 殷洪玺
9
N2 N1
expE2kTE1
(3.2)
式中， k=1.381×10-23J/K，为玻耳兹曼常数，T为热力学的绝对
温度。由于(E2 E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。

《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历

《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历

《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历第一章：光纤通信概述1.1 光纤通信的定义与发展历程1.2 光纤通信的优点与局限性1.3 光纤通信的应用领域第二章：光纤与光波导2.1 光纤的构造与类型2.2 光纤的传输原理2.3 光波导的类型与特点第三章：光纤通信器件3.1 光源与光发射器3.2 光接收器与光检测器3.3 光纤耦合器与光波分路器3.4 光放大器与光调制器第四章：光纤通信系统4.1 光纤通信系统的组成与工作原理4.2 光纤通信系统的性能评价指标4.3 光纤通信系统的分类与特点第五章：光纤通信技术的发展趋势5.1 高速光纤通信技术5.2 光纤通信网络技术5.3 新型光纤材料与器件5.4 光纤通信在5G及未来通信网络中的应用教学方法：1. 讲授：通过讲解、案例分析等方式，使学生掌握光纤通信的基本原理、技术及其应用。

2. 互动：鼓励学生提问、发表观点，提高课堂氛围，促进学生思考。

3. 实践：组织实验室参观、实践操作等活动，让学生亲身体验光纤通信技术的应用。

4. 讨论：组织小组讨论，培养学生团队合作精神，提高解决问题的能力。

教学评估：1. 平时成绩：考察学生出勤、课堂表现、作业完成情况等。

2. 期中考试：测试学生对光纤通信基本概念、原理和技术掌握程度。

3. 课程设计：要求学生完成一项与光纤通信相关的课程设计，培养实际操作能力。

4. 期末考试：全面考察学生对课程内容的掌握程度。

课程日历：第1周：光纤通信概述第2周：光纤与光波导第3周：光纤通信器件第4周：光纤通信系统第5周：光纤通信技术的发展趋势第六章：光纤通信系统的性能优化6.1 信号衰减与色散管理6.2 光纤非线性效应及其补偿6.3 光信号调制与解调技术第七章：光纤通信网络7.1 光纤通信网络的拓扑结构7.2 波分复用技术（WDM）7.3 光交换技术与光路由器7.4 光纤通信网络的规划与设计第八章：光纤通信技术的应用8.1 光纤通信在数据通信中的应用8.2 光纤通信在电信网络中的应用8.3 光纤传感器与光纤测量技术8.4 光纤医疗成像与治疗技术第九章：光纤通信技术的标准化与协议9.1 光纤通信标准化的意义与过程9.2 主要的光纤通信协议与标准9.3 光纤通信协议的发展趋势第十章：光纤通信技术的未来发展10.1 新型光纤材料与器件的研究10.2 量子光纤通信技术10.3 光纤通信在物联网中的应用10.4 光纤通信在未来通信网络中的挑战与机遇教学方法：6. 结合案例分析，深入探讨光纤通信系统的性能优化技术及其在实际应用中的作用。

光传输第3章 光纤通信系统用元器件(光放大器)PPT课件

光传输第3章 光纤通信系统用元器件(光放大器)PPT课件
光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技 术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向实用化。
光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光 纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。
2
光放大器的发展最早可追溯到1923年A·斯梅卡尔预示的 自发喇曼散射。1928年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发 喇曼效应。
铒离子的三能带结构
800n m 9 8n 0 m 1 84 n 0 m 1530n m
4 I 9 /2
吸收过程主要有： 4 I 1 1 /2 基态4I15/2→4I9/2（对应800nm泵浦）；
4 I 1 3 /2
4I15/2→4I11/2（对应980nm泵浦）； 4I15/2→4I13/2（对应1480nm泵浦）；
GG0expG (G 1•P P osut) 定义放大器增益降至最大信号增益一半时的输出功率为饱和输出功率
Posu
t
G0 G0
ln 2 2
Ps
归 一 化 增G /益0G
1 .0
0 .8
显示出增益饱和特性
0 .6
0 .4
G 0=30dB
10dB
0 .2
15dB
1 0 -2
1 0 -1
1
102
归 一 化 输 出 功 率 P out/P s
EDF
泵 浦 光
具有较高的输出信号功率
双向泵浦掺铒光纤放大器结构
信 号 光 光 隔 离 器 耦 合 器
耦 合 器 光 隔 离 器 光 滤 波 器输 出 光
泵 浦 光
EDF
泵 浦 光
具有更高的输出信号功率，性能与信号传输方向无关

光纤通信--通信用光器件

光纤通信--通信用光器件

能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a)
(b)
(c)
图 3.2 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统
计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率
为费米分布
p(E)
N
－
Ga1－ yAlyAs
电子
E (b) 能
量
空穴
n 折 (c) 射 率
复合 异质势垒
～ 5%
P (d) 光
图 3.6DH (a) 短波长； (b) 长波长 (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
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。 同理， 注入到 有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电 子和空穴被限制在厚0.1~0.3 μm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，输出激光 的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
式中，γth为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗 系数，L为谐振腔的长度，R1，R2<1为两个反射镜的反射率激 光振荡的相位条件为
L=q 或 2nL
2n
q
式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1, 2, 3 … 称为纵模模数。
4.
半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图3.5示出的 双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导 体材料构成，不同材料发射不同的光波长。图中标出所用材 料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄带隙P型半 导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体， 称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解 理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。

国脉信息学院 第3章 光纤通信器件

国脉信息学院 第3章 光纤通信器件
14
① 光学谐振腔的结构
15
② 谐振腔如何产生激光振荡
16
3．激光器的参量
（1）谐振腔平均衰减系数α
1 1 i r i ln 2l r1r2
17
（2）激活物质增益系数G
18
（3）阈值条件 1 1 Gt i ln 2l r1r2
光学谐振腔的固有损耗越小， 激光器的阈值条件越低， 激光器就越容易起振。
41
3.2 半导体光电检测器
常用的半导体光电检测器： PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管
3.2.1 半导体的光电效应 3.2.2 光纤通信中常用的半导体光电检测器 3.2.3 光电检测器的特性
42
• 3.2.1 半导体的光电效应
具有足够能量的光子照射到半导体的P-N结， 半导体材料中价带的电子吸收光子的能量， 从价带越过禁带到达导带， 在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴， 即：光生载流子。
4
在热平衡条件下，能量为E的能级被 一个电子占据的概率为：
f (E)
1 1 e
( E E f ) / k0T
• 费米统计规律是物质粒子能级分 布的基本规律，它反映了物质中 的电子占据能级的规律。
5
3．光和物质的相互作用
（1）自发辐射（发光）
E2 E1 f 发射光子的频率： h
35
比较 LD、LED：
36
• 3.1.4 分布反馈半导体激光器（DFB）
分布反馈半导体激光器是一种可以产生动态控制的单纵模激器。 可在高速调制下单纵模工作的半导体激光器。
分类：（1）分布反馈激光器（DFB）;（2）分布布拉格反射激光器
37
（1）分布反馈激光器（DFB）
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第3章光纤通信器件
3.3.3 布拉格（Bragg） 光栅滤波器
§布拉格（Bragg）光栅由间距为 的一列 平行半反射镜组成， 称为布拉格间距，
如图3.3.9所示。 § 如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够
大，那么对于某个特定波长的光信号，从 第一个反射镜反射出来的总能量约为入射 的能量，即使功率反射系数R很小。
第3章光纤通信器件
耦合器基本结构
T形耦合器是一种 3 端耦合器或 2×2 耦合器，它的功能是把一根光纤输 入的光功率分配给 2 根光纤。这种耦合器可以用作不同分路比的功率分 路器或功率组合器，或局域网终端的光输入或光输出耦合器。 星形耦合器是一种 NN 耦合器，它的功能是把 N 根光纤输入的光功率 组合在一起，并均匀分配给 N 根输出光纤。这种耦合器可以用作多端功 率分路器或功率组合器。
第3章光纤通信器件
如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够大，那 么对于某个特定波长的光信号，从第一个反射镜 反射出来的总能量约为入射的能量，即使功率反 射系数R很小。 该特定波长强反射的条件是:
布拉格 光栅的 基本特 性就是 以共振 波长为 中心的 一个窄 带光学 滤波器 该共振 波长称 为布拉 格波长
第3章光纤通信器件
图3.3.5
F-P滤波器的传输特性
它具有 多个 谐振 峰， 每两 个谐 振峰 间的 频率 间距 为自 由光 谱区 FSR
第3章光纤通信器件
光纤FF-P调谐滤波器
每两个谐振峰间的频率间距FSR为：
式中， n是构成F-P滤波器的材料折射率，L是谐振腔长度。 FSR就是滤波器的自由光谱区。 假如滤波器设计成只允许复用信道中的一个信道通过，如 图3.3.5（c）中的信道的频率正好对准传输特性的谐振峰， 所以只有fj = f1的信道才能通过滤波器，而其它信道被抑制 了。
§ 通常微反射镜的尺寸只有140m150m，驱动力 可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。
§ 这种器件的特点是体积小、消光比大(60dB左右)、 对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中(约5ms)， 插入损耗小于1 dB。
§ 光纤法布里-珀罗（FF-P）干涉滤波器，如 图3.3.3所示，光纤端面本身就充当两块平行 的镜面。
§ 如果将光纤（即F-P的反射镜面）固定在压 电陶瓷上，通过外加电压使压电陶瓷产生电 致伸缩作用来改变谐振腔的长度，同样可以 从复用信道中选取所需要的信道。
§ 这种结构可实现小型化。
第3章光纤通信器件
第3章光纤通信器件
3.4.3 阵列波导光栅（AWG） 复用/解复用原理
这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差L，如图 3.4.3所示。输入光从第一个星形耦合器输入，该耦合 器把光功率几乎平均地分配到波导阵列输入端中的每 一个波导，由于阵列波导中的波导长度不等，相位延 迟也不等，由式（1.2.8）和式 （1.3.17）可知， 其相 邻波导间的相位差为:
第3章光纤通信器件
微机电系统
§ 微 机 电 系 统 (MEMS ， Micro-Electro-Michanical Systems) 构 成 的 微 机 电 光 开 关 已 成 为 DWDM 网 中 大容量光交换技术的主流。
§ 它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体 工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微 反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号 可切换到不同输出光纤的微机电系统。
第3章光纤通信器件
•耦合器的光学特性参数
•1、插入损耗（Insertion Loss，IL） • 指耦合器输出端口相对全部输入光功率的减少值。
•Pin
•Coupler
•ILi=
-10×lg•Pouti •Pin
•Pou
t1
•Pout2
第3章光纤通信器件
•2、分光比（Coupling Ratio，CR） • 指耦合器各部输出端口的光功率相对输出总功率的比值。
•Pin
•Coupler
•Pouti •CR=
•×100%
•∑Pout
•Pou
t1
•Pout2
第3章光纤通信器件
3.3 可调谐光滤波器
§ 可调谐光滤波器是一种波长（或频率） 选择器件，它的功能是从许多不同频率 的输入光信号中，选择出一个特定频率 的光信号。
§ 光频滤波根据其基理可分为干涉型、衍 射型和吸收型三类，每一类根据其实现 的原理又可以分为若干种；
光纤法布里-珀罗（FF-P）干涉滤波器
间隙型FF-P滤波器 内波导型FF-P滤波器
第3章光纤通信器件
光纤FF-P调谐滤波器的基本物理机理
§与1.3.3节讨论过的光多次干涉和 谐振特性类似。
§对于无源F-P滤波器，因为滤波 器只能允许满足谐振腔单纵模传 输的相位条件的频率信号通过， 所以传输特性与波长有关。
第3章光纤通信器件
对连接器的要求
§ 连接损耗(插入损耗)小； § 回波损耗大； § 多次插拨重复性好； § 互换性好； § 环境温度变化时，性能保持稳定； § 并有足够的机械强度； § 因此，需要精密的机械和光学设计和加工装配，
以保证两个光纤端面和角度达到高精度匹配， 并保特适当的间隙。
第3章光纤通信器件
图3.1.1 连接损耗的机理
第3章光纤通信器件
图3.1.1 连接损耗的机理
第3章光纤通信器件
图3.1.2 活动连接器结构和特性
连接器的基本结构包括接口零件、光纤插针和对中三部分。 光纤插针的端面有平面、球面（PC）或斜面(APC, Angled Physical Contact)。 对中可以采用套管结构、双锥结构、V形槽结构或透镜耦合结构。插针可以是微 孔结构、三棒结构或多层结构。 因此, 连接器的结构也是多种多样的。采用套管结构对中和微孔结构插针光纤固 定效果最好，又适合大批量生产，得到了广泛的应用，如图3.1.2（b）所示。
AWG光栅工作原理是基于马赫-曾德尔干涉仪的原理 （见3.3.2节），即两个相干单色光经过不同的光程传 输后的干涉理论。 所以输出端口与波长有一一对应的关系，也就是说， 由不同波长组成的入射光束经阵列波导光栅传输后， 依波长的不同就出现在不同的波导出口上。
第3章光纤通信器件
3.6 光开关
光开关的功能是转换光路，实现光信号 的交换。 对光开关的要求是插入损耗小、串音低、 重复性高、开关速度快、回波损耗小、 消光比大、寿命长、结构小型化和操作 方便。
第3章光纤通信器件
3.3.1 法布里珀罗 （FP）滤波器
§ 基本法布里-珀罗干涉仪（F-PI）（见图3.3.2） 由两块平行镜面组成的谐振腔构成，一块镜面 固定，另一块可移动，以改变谐振腔的长度。 镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层 介质膜的玻璃板，图中略去输入和输出光纤及 透镜系统，而集中讨论腔体本身。由光纤输入 的光经过谐振腔反射一次后，聚焦在输出光纤 端面上，借助改变谐振腔的长度达到从波分复 用信道中选取所需信道的目的。
第3章光纤通信器件
图3.3.11 光纤光栅带通滤波器
利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性， 可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器 如果在一个22光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同 样的布拉格光栅，则还可以构成带通滤波器
第3章光纤通信器件
•3.4.1 棱镜波分复用/解复用器件
波分复用器(WDM)的功能是把多个不同波长的发射机输出 的光信号复合在一起,并注入到一根光纤。解复用器的功能 与波分复用器正好相反。 棱镜对不同波长的光有不同的折射角，当这些分开的光从棱 镜进入空气时，又一次发生折射，从而进一步把复用光束分 开，完成解复用。
§ 马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉滤波器由两 个3 dB耦合器串联组成一个马赫-曾德尔干涉仪， 干涉仪的两臂长度不等，光程差为L 。
第3章光纤通信器件
图3.3.7 马赫-曾德尔干涉滤波器
§ 马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相 干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。
第3章光纤通信器件
第3章光纤通信器件
布拉格光栅
第3章光纤通信器件
图3.3.10 光纤布拉格光栅
强激光辐照掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的 空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线 性关系。如用特定波长的激光干涉条纹（全息照相） 从侧面辐照掺锗光纤，就会使其内部折射率呈现周 期性变化， 就象一个布拉格光栅，成为光纤光栅
的连接结构结合在一起表示光纤活动连接器的类 型，通常有 FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC 和 ST/PC 型等。
第3章光纤通信器件
表3.1.1 各种单模光纤活动连接器的结构特点和性能指标
第3章光纤通信器件
3.2 耦 合 器
耦合器的功能是把一个或多个光输入分配给多 个或一个光输出。 耦合器对线路的影响是附加插入损耗，可能还 有一定的反射和串音。 选择耦合器的主要依据是实际应用场合。
第3章光纤通信器件
F-P滤波器的精细度F
它决定滤波器的选择性，即能分辩的最小频率差， 从而也决定所能选择出的最大信道数。 精细度的概念与F-P干涉仪理论中的相同。假如谐振 腔内部损耗忽略不计，则精细度由镜面反射率R决定
假设两个镜面的R相等， 此时:
第3章光纤通信器件
3.3.2 马赫-曾德尔（MZ）滤波器
第3章光纤通信器件
3.4.2 衍射光栅解复用器
输入的多波长复合信号聚焦在反射光栅上； 光栅对不同波长光的衍射角不一样，从而把复合信号 分解为不同波长的分量； 然后由透镜聚焦在每根输出光纤上。
第3章光纤通信器件
图3.4.2 光栅型解复用器
§ （a）透射光栅 （b）普通透镜反射光栅 § （c）渐变折射率透镜反射光栅
图3.3.7 M-Z 干涉滤波器
§ 为两臂长度差产生的相位差 § 式中n是波导折射率指数 § 复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条
件下，在两个输出光纤中的一个相长干涉，而 在另一个相消干涉。 § 如果在输出端口3， 满足相长条件，满足相消 条件，则输出光；如果在输出端口4， 满足相 消条件， 满足相长条件，则输出光。