光纤传输技术

光电器件的工作原理

光跃迁同时存在光的自发辐射、受激辐射和受激吸收三种不同的基本过程。 自发辐射：处于高能态的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能态上，并发射一个能量为E2-E1的光子-非相干光，如LED发光。 受激辐射：处在高能态的电子再外界光场的感应下，发射一个和感应光子相同光子态的光子，跃迁到低能态，如半导体激光器LD。 受激吸收：如果入射光子的能量hv近似于E2-E1 ，光子能量会被吸收，同时基态上的电子跃迁到高能态，如半导体光检测器。 N2>N1的情况时一种处于非平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转分布，必须要有外界的泵浦才能实现，该情况下受激辐射占主导地位，称为激活物质。

半导体激光器（LD) LD适用于作高速长距离光纤通信系统的光源。通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3或1.5um大容量长距离传输。LD可以发出单色性好、定向性好、强度和相干性高的光。 优点： 辐射功率高 发散角窄 与单模光纤耦合效率高 辐射光谱窄 能进行高速直接调制

基本性质： 1）伏安特性 伏安特性描述的是半导体激光器的纯电学性质，通常用V-I曲线表示。 2）P-I特性 P-I曲线中，激光器由自发辐射到开始受激振荡时的临界注入电流，称为阈值电流。 3）热稳定性 LD的P-I特性对温度变化十分敏感，表现为：LD外微分子量子效率随温度的升高而降低，P-I特性曲线下降，阈值电流随温度的升高而增大。 4）光谱特性 包含所有振荡模式在内的发射谱总宽度——谱宽；单独模式的宽度——线宽。 边模抑制比（SSR)：单模LD最高谱峰值轻度与次高光谱峰值强度之比。 5）光束特性 LD输出端面的辐射束光功率强度分布称为近场图，远离LD端面的辐射束光功率强度分布称为远场图。

根据PN结的性质不同，分为同质结（阈值电流高）和双异质结（阈值电流低）。 异质结：带隙差形成的势垒将电子和空穴限制在有源区复合发光；折射率使**光场（光子）**有效地限制在有源区。

半导体发光二极管(LED) 发光二极管（LED)是非相干光源，是无阈值器件，它的基本原理是自发辐射；在LED的结构中不存在谐振腔，发光过程中PN结也不一定需要实现粒子数反转。 LED适用范围：低速率、短距离光波系统。 LED优点：结构简单、成本低、寿命长、可靠性高、随温度变化小。 LED缺点：输出功率低、输出光束发散角较大、耦合效率低、光源谱线较宽、效应速度较慢。

LED通常和多模光纤耦合，用于1.3um（或0.85um）波长的小容量短距离系统。 LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3或1.55um大容量长距离系统。 DFB-LD（分布反馈激光器）主要和G.653或G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。

F-P激光器为多纵模工作方式；DFB激光器为单纵模工作方式。 发光二极管（LED)和半导体激光器（LD）的区别 LED没有光学谐振腔，不能形成激光，仅限于自发辐射，所发出的是荧光-非相干光； LD是受激辐射，发出的是相干光。

光电检测器-PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管 光电检测器的原理-PN结的光电效应。光电检测器均为反向偏置。 在光的照射下，材料的电学性质发生变化的现象叫做光电效应。 半导体材料零偏PN结产生光生电动势的现象叫做光伏效应。

光照射时，零偏或者反偏时，内建场作用下少子的漂移运动产生光电流，光电流方向在p-n结内由p区指向n区，为反向电流。 PIN光电二极管 1）特性：响应度、量子效率、响应时间和暗电流。 光电效应必须满足的条件：hv>Eg 入射光的波长必须小于某个临界值，才会发生光电效应，这个临界值称为上截至波长。 2）光电转换效率 常用量子效率和响应度衡量光电转换效率。 量子效率（η）表示入射光子能够转换成光电流的概率。 响应度（R)用光生电流Ip和入射光功率p0的比值表示。 R=Ip/p0=η*e0/(hv) 3)暗电流 指无光照时光电二极管的反向电流。 光电检测器的噪声主要有热噪声、散粒噪声和1/f噪声。

PIN光电二极管作检测器时，比特率增加，灵敏度降低。 光电二极管的波长响应由材料决定。

光发射器 光发射机的主要性能指标 1）平均发送光功率 PT（dbm）=10lg[PT(mv)]——单位转换 2）消光比（EX) 定位为光发送电路输出全”1“码时的平均输出光功率p1和输出全”0“的平均输出光功率p0之间的比值。 EX=10lg（p1/p0）

光接收机 1）检测方式 光接收机的检测方式分为相干检测和非相干检测。 相干检测：先将接收的光信号与一个本地振荡光混频，再被光电检测器换成中频信号——增大信噪比； 非相干检测：常用的非相干检测是直接功率检测，用光电二极管直接将接收的光信号换成基带信号。 2）组成部分 数字光接收机分为光电检测器、前置放大器、主放大器、AGC电路、均衡器、判决再生和时钟提取七部分。 或者分为接收机前端（核心）、线性通道、判决再生部分，这三个部分。 3）性能标准 光接收机主要性能指标：误码率、灵敏度和动态范围（dB）。

4)影响光接收机灵敏度的主要因素：放大器噪声、APD过剩噪声、比特速率、输入波形等。

PIN接收机灵敏度比APD接收机低。

光时域反射计（OTDR） 光时域反射计是一种非破坏性测量，只需要在光纤的一端进行。这种方法不仅能够测量光纤衰减常数，还能检测光纤的物理缺陷和断点位置，测定接头损耗位置，测量光纤的长度等。 1）组成部分 OTDR的主要组成包括光源、光分路器/耦合器、信号处理部分和显示器。 2）光时域反射计能测量光纤衰减系数，依据的是瑞利散射。