【正文】 激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件。 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。 光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測(cè)元件就是利用這兩種現(xiàn)象。 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(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)送入光纖。 本章重點(diǎn) ? 激光器的工作原理。 1．激光器的物理基礎(chǔ) （ 1）光子的概念 光量子學(xué)說(shuō)認(rèn)為，光是由能量為 hf 的光量子組成的，其中h= 10?34 J 注：受激輻射光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。 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。 ④ 光源的譜線寬度要窄。 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)滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光 。 ththththd/)(/)(IIPPeIIhfPP???????hfe 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 兩種類型的 LED輸出光功率特性如圖 314所示。 光電效應(yīng)如圖 315（ a）和（ b）所示。的示意圖。一般用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來(lái)表示。 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。 ② PC型。 （ 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。如圖 321所示。 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。 光濾波器的結(jié)構(gòu)有兩類，干涉濾波器和吸收濾波器。 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。 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。 (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。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。永久性連接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。 ④ 重復(fù)性，即每次插拔時(shí)連接損耗變化量要小。 （ 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。 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 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。 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。由于不是激光振蕩，所以沒(méi)有閾值。而在高碼速調(diào)制情況下，其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。 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、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。 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、 ）。 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。 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，這種躍遷稱為受激吸收 ——光電檢測(cè)器。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。 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。 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)。 ② 處于高能級(jí) E2 上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒(méi)有外界的作用，也會(huì)自發(fā)地躍遷到低能級(jí) 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。 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(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔。 ② 能夠在室溫下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。如圖 38（ b）所示。 LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型 LED，另一類是邊發(fā)光型 LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 312所示。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是： 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。 拉通型雪崩光電二極管（ RAPD）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場(chǎng)分布如圖317所示。 48 光纖通信 無(wú)源光器件 無(wú)源光器件是除光源器件、光檢波器件之外不需要電源的光通路部件。 ⑤ 插拔壽命（最大可插拔次數(shù)），光纖連接器的插拔壽命一般由元件的機(jī)械磨損情況決定。 53 光纖通信 光衰減器 光衰減器是用來(lái)穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地減小信號(hào)光功率的無(wú)源光器件。 (dB)log10132PPPL ???23PPT ?58 光纖通信 光隔離器與光環(huán)形器 1．光隔離器 光隔離器是保證光波只能正向傳輸，避免線路中由于各種因素而產(chǎn)生的反射光再次進(jìn)入激光器而影響激光器的工作穩(wěn)定性。它是衡量器件插入損耗受偏振態(tài)影響程度的指標(biāo)。 66 光纖通信 光濾波器 光濾波器：在光纖通信系統(tǒng)中，只允許一定波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)的器件。 69