光纖通信技術(shù)（第二版）課件 夏林中 3.1 有源器件

光纖通信技術(shù)有源器件授課教師：光源和光發(fā)射機(jī)01光檢測(cè)器和光接收機(jī)02光放大器0301光源和光發(fā)射機(jī)光源和光發(fā)射機(jī)光有源器件是光纖通信系統(tǒng)中將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)或者將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的關(guān)鍵器件，主要有光源、光發(fā)射機(jī)、光檢測(cè)器、光接收機(jī)和光放大器等。在光纖通信系統(tǒng)中，目前使用的光源大多是激光，其主要原因是激光能夠滿足光纖通信的諸多高品質(zhì)要求，如電光轉(zhuǎn)換效率高、驅(qū)動(dòng)功率低、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性高、單色性好、方向性好等。光源和光發(fā)射機(jī)激光誕生于1960年，但是激光的歷史卻已有100多年。1893年，一位名叫布盧什的物理教師就已經(jīng)指出，兩面靠近的平行鏡之間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而變化，這一重要的現(xiàn)象為未來(lái)發(fā)明激光提供了一定的基礎(chǔ)。1917年，科學(xué)家愛(ài)因斯坦提出了“受激輻射”的概念，奠定了發(fā)明激光的理論基礎(chǔ)。激光，英文叫LASER，是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的縮寫，意思是“受激輻射的輻射光放大”。激光的英文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年，我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“受激輻射的輻射光放大”改稱為“激光”。光源和光發(fā)射機(jī)光與物質(zhì)的共振相互作用，特別是這種相互作用中的受激輻射過(guò)程是激光器的物理基礎(chǔ)。愛(ài)因斯坦認(rèn)為光和物質(zhì)原子的相互作用過(guò)程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過(guò)程。自發(fā)輻射二能級(jí)原子能級(jí)圖自發(fā)輻射光源和光發(fā)射機(jī)受激吸收原子受激吸收受激輻射原子受激輻射光源和光發(fā)射機(jī)產(chǎn)生激光的基本條件是諧振腔內(nèi)有在外界激勵(lì)能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的增益介質(zhì)必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（方法是利用外界激勵(lì)能源把大量粒子激勵(lì)到高能級(jí)）要使受激發(fā)射光強(qiáng)超過(guò)自發(fā)發(fā)射，必須提高光子簡(jiǎn)并度（方法：利用光學(xué)諧振腔造成強(qiáng)輻射場(chǎng)，以提高腔內(nèi)光場(chǎng)的相干性）激光器的主要組成：泵浦源，使激光物質(zhì)成為激活物質(zhì)光放大器，對(duì)弱光信號(hào)進(jìn)行放大光學(xué)諧振腔，模式選擇和提供軸向光波模的反饋光源和光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)中核心的器件是光源，它的作用是產(chǎn)生作為光載波的光信號(hào)，作為信號(hào)傳輸?shù)妮d體攜帶信號(hào)在光纖中傳送。為了能夠在光纖中很好地傳輸，對(duì)光源提出了一些要求，主要有以下幾點(diǎn)光源的體積要小，并且與光纖之間的耦合效率要高發(fā)射的光波波長(zhǎng)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，一般位于光纖的低損耗窗口，1.31μm和1.55μm波段可以進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制光源的運(yùn)行穩(wěn)定性要高和壽命要長(zhǎng)，尤其要求具有較高的功率穩(wěn)定性、波長(zhǎng)穩(wěn)定性和光譜穩(wěn)定性發(fā)射的光功率足夠高，以便可以傳輸較遠(yuǎn)的距離光源和光發(fā)射機(jī)能夠滿足以上要求的光源一般為半導(dǎo)體二極管激光器，而目前最常用的半導(dǎo)體發(fā)光器件是發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）。LED多用于短距離、低容量或模擬系統(tǒng)，其成本低、可靠性高；LD多用于長(zhǎng)距離、高速率的系統(tǒng)。它們都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和特性，在選用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要綜合考慮來(lái)決定在光纖通信系統(tǒng)中，傳輸信息的載體是光，而光是由LED和LD產(chǎn)生的，因此光發(fā)射機(jī)主要有光調(diào)制電路和光驅(qū)動(dòng)電路組成02光檢測(cè)器和光接收機(jī)光信號(hào)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后，其信號(hào)幅度會(huì)下降很多，同時(shí)其脈寬也會(huì)變寬。因此，當(dāng)光接收機(jī)接收傳輸過(guò)來(lái)的光信號(hào)時(shí)，必須對(duì)微弱的光信號(hào)進(jìn)行放大、整形、再生處理。光接收機(jī)中的核心器件是光檢測(cè)器：目前光纖通信中最常用的光檢測(cè)器是光敏二極管（PIN）和雪崩光敏二極管（APD），以及高速接收機(jī)用到的單向載流子光檢測(cè)器（UTC-PD）、波導(dǎo)光檢測(cè)器（WC-PD）和行波光檢測(cè)器（TW-PD）。本節(jié)主要介紹PIN和APD的工作原理PIN

光檢測(cè)器和光接收機(jī)APD光生載流子（電子-空穴對(duì)）在APD內(nèi)部高電場(chǎng)作用下高速運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)碰撞電離效應(yīng)，產(chǎn)生數(shù)量是首次電子-空穴對(duì)幾十倍的二次、三次新電子-空穴對(duì)，從而形成很大的光信號(hào)電流光檢測(cè)器和光接收機(jī)光檢測(cè)器和光接收機(jī)光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真恢復(fù)出由光纖傳輸和光載波所攜帶的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的性能03光放大器光放大器當(dāng)光信號(hào)在光纖中傳輸一定距離后，其功率必然衰減，在光信號(hào)功率衰減到一定程度時(shí)，需要將光信號(hào)進(jìn)行放大，這樣就可以保證光信號(hào)傳輸更遠(yuǎn)的距離。放大光信號(hào)的器件稱為光放大器中繼距離：是指?jìng)鬏斁€路上不加光放大器時(shí)光信號(hào)所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x。當(dāng)光信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí)，由于傳輸損耗會(huì)使光信號(hào)功率不斷衰減，光信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越長(zhǎng)，其衰減程度就越大，當(dāng)光信號(hào)衰減到一定程度后，光接收機(jī)就無(wú)法準(zhǔn)確接收到光信號(hào)。為了延長(zhǎng)通信的距離，往往要在傳輸線路上放置一些光放大器，也稱光中繼器，其作用是將衰減了的光信號(hào)放大后繼續(xù)傳輸