第4章(光源和光电检测器).ppt

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1.半导体激光放大器 半导体激光放大器的原理与半导体激光器的工作原理相同,是利用能级间跃迁的受激现象进行放大的。但是半导体激光放大器没有光学谐振腔,目的是为了提高单位长度的增益。半导体激光放大器在波分复用光纤通信系统中用作门开关和波长变换器。另外,其工作波段可覆盖1310nm和1550nm波段,这是掺铒光纤放大器(EDFA)所无法实现的。 2.非线性光纤放大器 非线性光纤放大器包括受激喇曼散射光纤放大器(FRA)、受激布里渊散射光纤放大器(FBA)和光纤参量放大器。 受激喇曼散射光纤放大器和受激布里渊散射光纤放大器是利用受激喇曼散射和受激布里渊散射效应来实现光信号的放大;而光纤参量放大器则是利用束缚电子的非线性响应产生的参量过程,实现光信号的放大。 3.掺稀土金属光纤放大器 掺稀土金属光纤放大器主要有掺铒光纤放大器和掺镨光纤放大器。它们除工作波长不同外,基本原理是相同的。掺铒光纤放大器在第9章有详细介绍。 4.3.2 光放大器的应用场合 光放大器可以应用于干线通信。主要应用形式有三种:中继放大器、前置放大 器和后置放大器。将光放大器用作中继放大器的情形如下图所示: 光纤 光纤 光发 光收 光纤放大器 光纤放大器用作中继放大 《光纤通信技术》 《光纤通信技术》 《SDH光传输设备开局与维护》 《SDH光传输设备开局与维护》 《SDH光传输设备开局与维护》 《SDH光传输设备开局与维护》 《SDH光传输设备开局与维护》 《SDH光传输设备开局与维护》 第4章:光源和光电检测器 内容目录 4.1 光 源 4. 2 光电检测器 4.3 光放大器 通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。在上章我们介绍了光无源器件,这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。有源器件包括光源、光检测器和光放大器,它们是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件,和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。 4.1 光 源 能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外线、红外线等不可见光)的物体称为光源。光纤通信系统对光源的要求主要有: 光源所发射的波长要在光纤的低损耗区; 光源的谱宽要窄,以降低光纤色散的影响; 光源必须容易进行调制,线性要好; 如果光源采用直接调制方式,要求其调制速率要高; 寿命长,体积小,稳定性好; 耗电小,光束的发散角小,与光纤的耦合效率高。 能满足上述要求且已广泛应用于光纤通信系统中的半导体光源有两种:发光二极管LED和激光二极管LD。两种光源的主要区别在于:LED输出的是非相干光,其谱宽宽,入纤功率小,调制速率低,经济,寿命长,调制电路简单,适宜于短距离低速系统;LD输出的是相干光,谱宽窄,调制速率高,入纤功率大,适宜于长距离高速系统。 4.1.1 半导体器件的发光原理 万事万物都是由原子构成,原子又是由原子核和电子组成。电子以原 子核为中心,按不同的电子层排列在原子核周围旋转,这些特定的电子层 称为能级,对半导体材料,电子的能级重叠在一起形成能带。其中能量低 的能带称为价带E1,能量高的能带称为导带E2,E2和E1之间的能量差称 为禁带。 一般说来,处于高能级的导带的电子是不稳定的,它们会向低能级的价 带跃迁,从而将能量以光子的形式释放出来,发射光子的能量hf等于导带和 价带的能量差,即: hf = E2 - E1= Eg h=6.626×10-34(焦·秒)为普朗克常数,Eg为禁带能量。 这就是半导体器件的发光机理。 对于LED和LD两种半导体发光器件都是利用PN结发光。 如果在PN结加上正向偏压,则N型区的电子和P型区的空穴源源不断地注入PN结区。在PN结区中,电子与空穴自发地复合。复合时,电子从高能级的导带跃迁到低能级的价带,同时发射一定频率的光子。 电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式,分别为自发辐射、受激吸收、 受激辐射。如下图所示: 设在单位物质中,处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的电子数分别为 N1和N2,当物质中的原子处在正常温度时的热平衡状态下,存在下面的分布: N2/N1=exp[-(E2-E1)/kT] 上式中,k=1.381×10-23J/K,为波尔兹曼常数,T为绝对温度。 正常的状态下,N1>N2,即低能级上的电子数多,这种状态称为热平衡状态 (即正常分布

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