【正文】 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。 5 光纖通信 激光器的工作原理 （ 2）原子能級(jí) 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。 圖 31 能級(jí)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(jí)（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(jí)（即激發(fā)態(tài)） E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱(chēng)為受激吸收 ——光電檢測(cè)器。 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(jí)上的電子數(shù)多于低能級(jí)上的電子數(shù)），這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱(chēng)為粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 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。 當(dāng)受激輻射光在諧振腔內(nèi)來(lái)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。 ① 光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)符合目前光纖的三個(gè)低損耗窗口（即、 ）。 FP腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為 3種，如圖 34所示。 19 光纖通信 半導(dǎo)體激光器 圖 35 InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu) n—InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱(chēng)為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。如圖 36所示。而在高碼速調(diào)制情況下，其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的，如圖 310所示。由于不是激光振蕩，所以沒(méi)有閾值。一般只適于短距離傳輸。 36 光纖通信 光電檢測(cè)器 光電檢測(cè)器完成光 /電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個(gè)很寬的耗盡層，如圖 316（ a）所示。 保護(hù)環(huán)型在制作時(shí)淀積一層環(huán)形 N型材料，以防止在高反壓時(shí)使 PN結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。 APD管除有上述特性外，還有雪崩倍增特性、溫度特性等。 inpinpPIhfPeI ????入射光子數(shù)目空穴對(duì)數(shù)目子光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電? Rehf ?hf 嚴(yán)格地說(shuō)，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。 （ 3）噪聲特性 PIN管的噪聲，主要為量子噪聲和暗電流噪聲， APD管還有倍增噪聲。兩個(gè)插頭裝進(jìn)兩根光纖尾端；耦合管起對(duì)準(zhǔn)套管的作用。 ④ 重復(fù)性，即每次插拔時(shí)連接損耗變化量要小。 ③ SC型。永久性連接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。 功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出（分路），或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出（耦合）。插入損耗等于輸出光功率之和與輸入光功率之比的分貝值，用 L表示為 （ 315） 一般情況下，要求 L≤ （ 3）分光比 T 分光比等于兩個(gè)輸出端口的光功率之比，如從端 1輸入光功率，則端 2和端 3分光比 （ 316） 一般情況下，定向耦合器的分光比為 1︰ 1～ 1︰ 10。 （ 1）插入損耗 插入損耗是指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光隔離器而產(chǎn)生的附加損耗。 (dB)log10irPPRL ??(dB)log10iosoPPI????iP? oP?62 光纖通信 光隔離器與光環(huán)形器 （ 4）偏振相關(guān)損耗（ PDL） 是指輸入光偏振態(tài)發(fā)生變化而其他參數(shù)不變時(shí)，器件插入損耗的最大變化量。 圖 323 光電型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 64 光纖通信 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 （ 2）全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 其波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要由半導(dǎo)體光放大器（ SOA）構(gòu)成，如圖 324所示。 優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，易于集成化；缺點(diǎn)是插入損耗大，串?dāng)_大，只適合單模光纖。 光纖光柵最顯著的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于與光纖耦合，而且它具有高波長(zhǎng)選擇性。 6．無(wú)源光器件，常用的無(wú)源光器件有光連接器、光衰減器、光耦合器、光隔離器、光環(huán)形器、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、光開(kāi)關(guān)、光濾波器和光纖光柵等。 3． LD由工作物質(zhì)、激勵(lì)源和光學(xué)諧振腔組成。 光濾波器的結(jié)構(gòu)有兩類(lèi)，干涉濾波器和吸收濾波器。 ? 機(jī)械式光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)功能是通過(guò)機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)的。 63 光纖通信 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器：使信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)的器件。 RL值越大越好。如圖 321所示。 （ 1）隔離度 A 如圖 320（ c）所示，由端 1輸入的光功率 P1應(yīng)從端 2和端 3輸出，端 4理論上應(yīng)無(wú)光功率輸出。 （ 1）固定衰減器，其造成的功率衰減值是固定不變的，一般用于調(diào)節(jié)傳輸線路中某一區(qū)間的損耗。 ⑤ 雙錐型連接器。 ② PC型。平均損耗值應(yīng)不大于 。 功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰減器、光開(kāi)關(guān)和光隔離器等，用于光的分路、耦合、復(fù)用、衰減等方面。 （ 1）倍增因子 倍增因子 g實(shí)際上是電流增益系數(shù)。一般用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來(lái)表示。它定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即 （ 311） 其中， e為電子電荷， hf 為一個(gè)光子的能量， （ 312） 式中 m/s為光速， 的示意圖。它不但具有光 /電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。 光電效應(yīng)如圖 315（ a）和（ b）所示。但 LED性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 圖 313 InGaAsP LED的發(fā)光光譜 33 光纖通信 發(fā)光二極管 （ 2）輸出光功率特性 兩種類(lèi)型的 LED輸出光功率特性如圖 314所示。 發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒(méi)有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。 ththththd/)(/)(IIPPeIIhfPP???????hfe當(dāng) I＞ Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖 37（ b）所示。 被放大的光在由 PN結(jié)構(gòu)成的 FP光學(xué)諧振腔（諧振腔的兩個(gè)反射鏡是由半導(dǎo)體材料的天然解理面形成的）中來(lái)回反射，不斷增強(qiáng)，當(dāng)滿(mǎn)足閾值條件后，即可發(fā)出激光 。 （ 2）異質(zhì)半導(dǎo)體激光器 異質(zhì)半導(dǎo)體激光器包括單異質(zhì)和雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器兩種。 ④ 光源的譜線寬度要窄。 諧振腔只對(duì)滿(mǎn)足式（ 32）的光波波長(zhǎng)或式（ 33）的光波頻率提供正反饋，使之在腔中互相加強(qiáng)產(chǎn)生諧振形成激光。 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(guò)程 如圖 33所示，當(dāng)工作物質(zhì)在