本科光纤通信第3章.pdf

第 3 章 通信用光器 3.1 光源 3.2 光检测器　 3.3 光无源器件 返回主目录 第 3 章通信用光器件 通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。 有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发 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。光无源器件主要有连接器、耦合 器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，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。　 本章介绍通信用光器件的工作原理和主要特性，为系统 的设计提供选择依据。 3.1光源 光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换 为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激 光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)， 有些场合也使用固体激光器， 例如掺钕钇铝石榴石 (Nd:YAG)激光器。　 本节首先介绍半导体激光器(LD) 的工作原理、基本结 构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激 光器(DFB - LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的 发光管(LED) 。 　 3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反 转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大 而 产 生 激 光 振 荡 的 。 激 光 ， 其 英 文 LASER 就 是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光 放大) 的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。 　 1. 受激辐射和粒子数反转分布　 有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质 的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态 大的能级E (i=2, 3, 4 …)称为激发态。电子在低能级E 的基态和 i 1 高能级E2 的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图3.1) ：　 E2 初态 hf 12 hf 12 E 1 E2 终态 hf 12 hf 12 E 1 (a) (b) (c) 图3.1能级和电子跃迁　 (a) 受激吸收； (b) 自发辐射；(c) 受激辐射 (1) 在正常状态下，电子处于低能级E ，在入射光作用 1 下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E 上，这种跃迁称为受 2 激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图　 3.1(a) 。　　 (2) 在高能级E2 的电子是不稳定的，即使没有外界的作 用， 也会自动地跃迁到低能级E 上与空穴复合，释放的能量 1 转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1(b) 。 　　 (3) 在高能级E 的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到 2 低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称