【正文】 光纖通信 第 3章 通信用光器件 1 光纖通信 本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn) 本章內(nèi)容 ? 光源：半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管。 ? 光電檢測器： PIN和 APD光電二極管。 ? 無源光器件：光連接器、光衰減器、光耦合器和光開關(guān)等。 本章重點(diǎn) ? 激光器的工作原理。 ? 光源和光電檢測器工作原理及其工作特性。 ? 無源光器件的功能及主要性能。 本章難點(diǎn) ? 發(fā)光機(jī)理。 第 3章 通信用光器件 2 光纖通信 學(xué)習(xí)本章目的和要求 ? 了解半導(dǎo)體激光器的物理基礎(chǔ)。 ? 掌握半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管工作原理及其工作特性。 ? 熟悉光源的驅(qū)動電路工作原理。 ? 掌握光電檢測器的工作原理及特性。 ? 掌握無源光器件的功能及主要性能。 第 3章 通信用光器件 3 光纖通信 光源 光源器件：光纖通信設(shè)備的核心，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號送入光纖。 光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。 半導(dǎo)體激光器（ LD）：適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 發(fā)光二極管（ LED）：適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。 4 光纖通信 激光器的工作原理 半導(dǎo)體激光器： 是向半導(dǎo)體 PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩輸出激光。 1．激光器的物理基礎(chǔ) （ 1）光子的概念 光量子學(xué)說認(rèn)為，光是由能量為 hf 的光量子組成的，其中h= 10?34 Js（焦耳 秒），稱為普朗克常數(shù)， f 是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。 當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。 5 光纖通信 激光器的工作原理 （ 2）原子能級 物質(zhì)是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。原子有不同穩(wěn)定狀態(tài)的能級。 最低的能級 E1 稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級 E i（ i=2， 3， 4， …）都稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子從較高能級 E2躍遷至較低能級 E1時(shí)，其能級間的能量差為 ?E =E2?E1，并以光子的形式釋放出來，這個(gè)能量差與輻射光的頻率 f 12之間有以下關(guān)系式 1212hfEEE ???? 式中， h為普朗克常數(shù)， f 12 為吸收或輻射的光子頻率。 當(dāng)處于低能級 E1 的電子受到一個(gè)光子能量 ?E =hf12的光照射時(shí)，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級 E2 上去。 光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測元件就是利用這兩種現(xiàn)象。 6 光纖通信 激光器的工作原理 （ 3）光與物質(zhì)的三種作用形式 光與物質(zhì)的相互作用，可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，將發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種物理過程。如圖 31所示。 圖 31 能級和電子躍遷 7 光纖通信 激光器的工作原理 ① 在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級（即基態(tài)） E1，在入射光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級（即激發(fā)態(tài)） E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收 ——光電檢測器。 ② 處于高能級 E2 上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自發(fā)地躍遷到低能級 E1 上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射 ——發(fā)光二極管。 ③ 在高能級 E2上的電子，受到能量為 hf12的外來光子激發(fā)時(shí)，使電子被迫躍遷到低能級 E1 上與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)與激光發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子（稱為全同光子）。由于這個(gè)過程是在外來光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，所以這種躍遷稱為受激輻射 ——激光器。 注：受激輻射光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。 8 光纖通信 激光器的工作原理 （ 4）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大 受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。 如設(shè)低能級上的粒子密度為 N1，高能級上的粒子密度為 N2，在正常狀態(tài)下， N1 ＞ N2，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光的放大作用。 要想物質(zhì)產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即使 N2 ＞ N1 （高能級上的電子數(shù)多于低能級上的電子數(shù)），這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大而發(fā)光的首要條件。 9 光纖通信 激光器的工作原理 2．激光器的工作原理 激光器包括以下 3個(gè)部分： ? 必須有產(chǎn)生激光的 工作物質(zhì) （激活物質(zhì)）； ? 必須有能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的 激勵(lì)源（泵浦源）； ? 必須有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫?光學(xué)諧振腔 。 （ 1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì) 即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。 10 光纖通信 激光器的工作原理 （ 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，稱為泵浦源。 物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得 N2＞ N1，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。 （ 3）光學(xué)諧振腔 激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。 11 光纖通信 激光器的工作原理 圖 32 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) ① 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置，放置兩個(gè)反射系數(shù)分別為 r1和 r2的平行反射鏡 M1和 M2，就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔。 如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔，如圖 32所示。對于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，另一個(gè)為部分反射。 12 光纖通信 激光器的工作原理 ② 諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程 如圖 33所示，當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即可產(chǎn)生自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射的方向不與光學(xué)諧振腔軸線平行，就被反射出諧振腔。只有與諧振腔軸線平行的自發(fā)輻射才能存在，繼續(xù)前進(jìn)。 當(dāng)它遇到一個(gè)高能級上的粒子時(shí)，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷，在從高能級躍遷到低能級中放出一個(gè)全同的光子，為受激輻射。 當(dāng)受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回反射一次，相位的改變量正好是2π的整數(shù)倍時(shí)，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強(qiáng)，產(chǎn)生諧振。達(dá)到一定強(qiáng)度后，就從部分反射鏡 M2透射出來，形成一束筆直的激光。 當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量時(shí)，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。 13 光纖通信 激光器的工作原理 圖 33 激光器示意圖 14 光纖通信 激光器的工作原理 ③ 光學(xué)諧振腔的諧振條件與諧振頻率 設(shè)諧振腔的長度為 L，則諧振腔的諧振條件為