【文章內(nèi)容簡介】 變型光纖； D——二氧化硅系單模光纖； X——二氧化硅纖芯塑料包層光纖； S——塑料光纖。 Ⅲ ： 光纖主要尺寸參數(shù) 用阿拉伯數(shù)（含小數(shù)點數(shù)）及以 μm為單位表示多模光纖的芯徑及包層直徑，單模光纖的模場直徑及包層直徑。79 Ⅳ ：帶寬、損耗、波長表示光纖傳輸特性的代號由 a、 bb及 cc三組數(shù)字代號構(gòu)成。 a——表示使用波長的代號，其數(shù)字代號規(guī)定如下： 1——波長在 ； 2——波長在 ； 3——波長在 。 注意，同一光纜適用于兩種及以上波長，并具有不同傳輸特性時，應同時列出各波長上的規(guī)格代號，并用 “/”劃開。 bb——表示損耗常數(shù)的代號。兩位數(shù)字依次為光纜中光纖損耗常數(shù)值（ dB/km）的個位和十位數(shù)字。 cc——表示模式帶寬的代號。兩位數(shù)字依次為光纜中光纖模式帶寬分類數(shù)值（ MHzkm）的千位和百位數(shù)字。單模光纖無此項。80 Ⅴ ： 適用溫度代號及其意義。 A——適用于 ?40℃ ～ +40℃ B——適用于 ?30℃ ～ +50℃ C——適用于 ?20℃ ～ +60℃ D——適用于 ?5℃ ～ +60℃81 光纜中還附加金屬導線（對、組）編號，如圖 236所示。其符合有關(guān)電纜標準中導電線芯規(guī)格構(gòu)成的規(guī)定。圖 236 光纜中附加金屬導線編號示意圖 例如， 2個線徑為 21；； 4個線徑為 44； 4個內(nèi)導體直徑為 ，外徑為 ，可寫成 4。82 （ 3）光纜型號例題 設有金屬重型加強構(gòu)件、自承式、鋁護套和聚乙烯護層的通信用室外光纜，包括 12根芯徑 /包層直徑為 50/125μm的二氧化硅系列多模突變型光纖和 5根用于遠供及監(jiān)測的銅線徑為 ，且在 ，光纖的損耗常數(shù)不大于 ，模式帶寬不小于 800MHzkm；光纜的適用溫度范圍為 ?20℃ ～ +60℃ 。 該光纜的型號應表示為： GYGZL0312T50/125（ 21008） C+54。83第第 3章章 通信用光器件通信用光器件 84本章內(nèi)容、重點和難點本章內(nèi)容、重點和難點本章內(nèi)容? 光源：半導體激光器和發(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? 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? 發(fā)光機理。85學習本章目的和要求學習本章目的和要求? 了解半導體激光器的物理基礎。? 掌握半導體激光器和發(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。86 光源光源 光源器件：光纖通信設備的核心，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體激光器和半導體發(fā)光二極管兩種。 半導體激光器（ LD）：適用于長距離大容量光纖通信系統(tǒng)。 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)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。87 激光器的工作原理激光器的工作原理 （ 1）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88 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，使電子被迫躍遷到低能級 E1 上與空穴復合，同時釋放出一個與激光發(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。89 （ 2）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。90 （ 3）泵浦源 常采用泵浦源作為產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源。 物質(zhì)在泵浦源的作用下，產(chǎn)生 N2＞ N1，使受激輻射大于受激吸收，并伴有光放大作用，此時物質(zhì)已被激活。 （ 4）光學諧振腔 將激活后的物質(zhì)放入光學諧振腔，來獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 因此， 激活物質(zhì)和光學諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。 91圖 32 光學諧振腔的結(jié)構(gòu) 光學諧振腔的結(jié)構(gòu) 在激活物質(zhì)的兩端的適當位置，放置兩個反射系數(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。對于兩個反射鏡，要求其中一個能全反射，另一個為部分反射。92 對半導體激光器的要求對半導體激光器的要求對半導體激光器 LD的要求是： ① 輸出光功率高、線性度好 ② 與光纖耦合效率高。 ③ 譜線寬度窄。（好的 LD的譜線寬度可達到 ）。 ④ 壽命長，工作穩(wěn)定。目前 LD的尾纖輸出功率可達 500μW～ 2mW； LED的尾纖輸出功率可達 10μW左右。93 激光器工作特性激光器工作特性 （ 1）閾值特性 對于 LD，當外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用 Ith 表示。如圖 33所示。閾值電流越小越好。圖 33 典型半 導 體激光器的 輸 出特性曲 線 94 （ 2）光譜特性 LD的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當 I＜ Ith時，發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如圖 34（ a）所示。當 I＞ Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖 34（ b）所示。圖 34 GaAlAsGaAs激光器的光譜95 隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。當驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。 普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模譜線，所對應的光譜只有一根譜線，如圖 35（ a）所示。而在高碼速調(diào)制情況下，其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。如圖 35（ b）所示。 一般，用 FP諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如分布反饋半導體激光器（ DFBLD）。96圖 35 GaAlAsGaAs激光器的輸出光譜97 （ 3）溫度特性 激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大，其變化情況如圖 36所示。圖 36 激光器閾值電流隨溫度變化的曲線98 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 1． LED的工作原理 發(fā)光二極管（ LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。 發(fā)光二極管與半導體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。99 2． LED的結(jié)構(gòu) LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是 LED沒有解理面，即沒有光學諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。 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 37所示。圖 37 常用的兩類發(fā)光二極管（ LED）100 3． LED的工作特性 （ 1）光譜特性 LED譜線寬度 ?λ比激光器寬得多。圖 38是 InGaAsP LED的輸出光譜。 圖 38 InGaAsP LED的 發(fā) 光光 譜 101 （ 2）輸出光功率特性 兩種類型的 LED輸出光功率特性如圖 39所示。驅(qū)動電流 I 較小時， P ?I 曲線的線性較好；當 I 過大時，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。圖 39 發(fā)光二極管（ LED）的 P ?I 特性102 （ 3）溫度特性 由于 LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。 （ 4）耦合效率 由于 LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。 （ 5）調(diào)制特性 調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型 LED截止頻率為20MHz～ 30MHz，邊發(fā)光型 LED截止頻率為 100MHz～ 150MHz。 比較： LED與 LD相比， LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但 LED性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。103 半導體光源的應用半導體光源的應用 LED通常和多模光纖耦合，用于 量、短距離的光通信系統(tǒng)。 LD通常和單模光纖耦合，用于 、長距離光通信系統(tǒng)。 分布式反饋半導體激光器（ DFBLD）主要用于 纖超大容量的新型光纖系統(tǒng)，是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。104 光電檢測器光電檢測器 光電檢測器完成光 /電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是： ① 對一定的入射光功率，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，以降低器件本身對信號的影響； ④ 具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真； ⑤ 具有較長的工作壽命。 目前常用的半導體光電檢測器有兩種， PIN光電二極管和 APD雪崩光電二極管。105 PIN光電二極管光電二極管 PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的 P型、 N型半導體之間，加一層輕摻雜的 N型材料，稱為 I（ Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層，如圖 310（ a）所示。這樣可以提高其響應速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如圖 310（ b）所示。圖 310 PIN光電二極管106 雪崩光電二極管雪崩光電二極管 雪崩光電二極管，又稱 APD（ Avalanche Photo Diode）。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)部的雪崩倍增效應完成的。 1． APD的雪崩效應 APD的雪崩倍增效應，是在二極管的 PN結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強電場加速，獲得高的動能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價帶的電子得到了能量；越過禁帶到導帶，產(chǎn)生了新的電子 —空穴對；新產(chǎn)生的電子 —空穴對在強電場中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子 —空穴對 ……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。 APD就是利用雪崩效應使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。107 2． APD的結(jié)構(gòu) 目前 APD結(jié)構(gòu)型式，有保護環(huán)型和拉通（又稱通達）型。 保護環(huán)型在制作時淀積一層環(huán)形 N型材料，以防止在高反壓時使 PN結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。 拉通型雪崩光電二極管（ RAPD）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布如圖311所示。圖 311（ a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 311（ b）所示的是將縱向剖面順時針轉(zhuǎn) 90176。的示意圖。圖 311（ c）所示的是它的電場強度隨位置變化的分布圖。 APD隨使用的材料不同有幾種： SiAPD（工作在短波長區(qū)）；GeAPD和 InGaAsAPD（工作在長波長區(qū)）等。 108圖 311 RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖109 光電檢測器的特性光電檢測器的特性 PIN管特性包括響應度、響應時間和暗電流。 APD管除有上述特性外，還有雪崩倍增特性、溫度特性等。 1． PIN光電二極管的特性 （ 1）響應度和量子效率 響應度表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效