一、光源 二、光探测器 三、光纤连接器和固定接头 四、几种常用的光器件

1. 一、光源二、光探测器 三、光纤连接器和固定接头 四、几种常用的光器件 第二章 光纤系统转换器和元件连接

2. 一、光源二、光探测器 三、光纤连接器和固定接头 四、几种常用光器件

3. 光源 透镜 1、光源的特性 • 输出功率特性 • 辐射频谱特性 • 电光转换特性 • 环境特性

4. （1）输出功率特性 • 光纤终端射出的光功率的大小取决于光源的波长和射入光纤的光功率。 • 光源射入光纤内的光功率取决光源的发散角和光纤的数值孔径以及光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离。 • 光源的面积和数值孔径应与光纤纤芯面积和数值孔径匹配，以实现最佳的功率耦合，使光纤的输出光通量达到最大。

5. 面LED光源的输出方向图 面发射LED近似为朗伯光源：各个方向等亮度L 半功率光束角度：2q= 120度

6. 光源与光纤的耦合一般采用两种方法：直接耦合与透镜耦合。光源与光纤的耦合一般采用两种方法：直接耦合与透镜耦合。 直接耦合是将光纤端面直接对准光源发光面进行耦合的方法。当光源发光面积大于纤芯面积时，这是一种唯一有效的方法。这种直接耦合的方法结构简单，但耦合效率低。

7. 透镜耦合 当光源发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。 透镜耦合的作用是： (1) 扩大光源的发射面积，使之与纤芯区域匹配 (2) 改变光线的入射角，使之容易耦合入纤

8. 面发光二极管与光纤的透镜耦合 (a) 光纤端部做成球透镜 (b) 采用截头透镜 (c)采用集成微透镜

9. 对于发散光束非对称的边发光二极管和半导体激光器可以利用圆柱透镜的方法，如下图 (a)、(b)所示。 单模光纤和半导体激光器的耦合可以采用如下图 (c)所示自聚焦透镜。 光源与光纤的透镜耦合

13. （2）辐射频谱特性 • 光源辐射频谱特性应与光纤波导的传输频响特性匹配。 • 中心波长选择在光纤的低损耗窗口，使传输损耗最小。 • 光纤的传输带宽增宽，Dl必须变窄。

14. (3)电光转换特性 施加于光源的电偏置对光输出有直接影响。通常，输出功率值随电激励的增加而增加。但是，器件的温度也随电激励的增加而升高。因此，对于大多数电-光变换器来说．非恒温的输出光功率比恒温的稍低，且光频将发生变化。 因此，输出强度和频率通常都是电偏置的函数。其它效应也会发生，如过剩噪声的影响与偏置密切有关，尤其是在激光器中，表现得更为明显。

15. (4)环境特性 除某些半导体光源外，大多数光源的平均寿命都在几千小时范围内。其输出功率常常随使用时间下降，且与温度密切相关。 光源的工作状态对温度变化非常灵敏．所以在给定的温度范围内采用散热装置、防热层和冷却等措施来维持光源的正常工作。尤其是半导体光源，在高温时不仅辐射光少，而且寿命也很短。此外，温度的变化还会引起辐射波长漂移。

16. 气体激光器 液体激光器 固体激光器 半导体激光器(LD) 相干光源 白炽光源 发光二极管(LED) 非相干光源 2、典型光源 光源

17. (3) 半导体光源 • 半导体光源以半导体材料作为工作物质 • 半导体光源是光纤系统中最常用的也是最重要的光源。 • 其主要优点是调制频率高、体积小、重量轻、供电电源简单等。它与光纤的特点相容，因此，在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应用。

18. 半导体光源又可分为发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)。这两种器件结构不同，但却包含相同的物理机理。主要差别：半导体光源又可分为发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)。这两种器件结构不同，但却包含相同的物理机理。主要差别： 发光二极管输出非相干光； 半导体激光器输出相干光。

19. LED的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种非相干光源。LED的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种非相干光源。 与半导体激光器相比LED发射光的谱线较宽、方向性较差，响应速度较慢，功率较小。 比起半导体激光器，因为LED不需要热稳定和光稳定电路，所以LED的驱动电路相对简单，另外其制作成本低、产量高。 发光二极管（LED）特点 • 对于光纤通信系统，如果使用多模光纤且信息比特率在100～200Mb/s以下，同时只要求几十微瓦的输入光功率，那么LED是可选用的最佳光源。

20. LD的原理对应光的受激发射过程，因而是一种相干光源。LD的原理对应光的受激发射过程，因而是一种相干光源。 半导体激光器方向性好，单色性好，功率大，耦合效率高，响应速度快。 在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器作光源。 半导体激光器（LD）特点：

21. 半导体光源原理简介 半导体的能带和电子分布 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体

22. 半导体光源发光原理 半导体光源的核心是PN结。 将P型半导体与N型半导体相接触就形成PN结。 当P型半导体与N型半导体相接触形成PN结时，由于存在电子与空穴的浓度差，电子从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散。当P区的空穴扩散到N区后，在P区留下带负电的离子，形成一个带负电荷区域；当N区的电子扩散到P区后，在N区留下带正电的离子，形成一个带正电荷区域。

23. 由于这两个正负电荷区域的存在，出现了一个由N区指向P区的电场，称为内建电场。内建电场将阻止电子继续向p区扩散，阻止空穴继续向n区扩散，最后使载流子的扩散运动和漂移运动相抵消而达到平衡状态由于这两个正负电荷区域的存在，出现了一个由N区指向P区的电场，称为内建电场。内建电场将阻止电子继续向p区扩散，阻止空穴继续向n区扩散，最后使载流子的扩散运动和漂移运动相抵消而达到平衡状态 N P

24. 如果PN结外加一个足够大的正向偏压，P区的空穴和N区的电子不断地注入PN结区，这样使得PN结形成了一个增益区，也称为有源区。有源区内导带主要由电子占据，价带主要由空穴占据，从而实现了粒子数反转，半导体激光器的受激辐射就发生在这个增益区即有源区 。 P N

25. 由于这种发光是正向偏置把电子注入到结区的，又称为电致发光。这就是发光二极管的工作原理。由于这种发光是正向偏置把电子注入到结区的，又称为电致发光。这就是发光二极管的工作原理。 它是直接把电能转换成光能的器件，没有热转换的过程，辐射波长在可见光或红外光区。发光面积很小，故可视为点光源。 发光二极管有同质结或双异质结，有表面发光二极管，也有侧边发光的二极管。如图所示。

27. SLED的结构 面发光二极管输出的功率较大，一般注入100mA电流时，就可达几个毫瓦，但光发散角大，水平和垂直发散角都可达到120°，与光纤的耦合效率低。 半功率点辐射角θ≈120°

28. Coupling light from LEDs Electrode SiO2

29. 侧边发光二极管的发光面积小，亮度可以达到1000 w/(sr.cm2) θ⊥≈120° θ ‖ ≈25°~35° ELED的结构

30. Coupling light from LEDs

31. 发光二极管的P－I特性 发光二极管的P―I特性是指输出的光功率随注入电流的变化关系。当注入电流较小时，线性度非常好；但当注入电流比较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。 在同样的注入电流下，面发光二极管的输出功率要比边发光二极管大2.5~3倍，这是由于边发光二极管受到更多的吸收和界面复合的影响。

32. 在通常应用条件下，发光二极管的工作电流为50~150mA，输出功率为几个毫瓦，但因其与光纤的耦合效率很低，进入光纤功率要小得多。 温度对发光二极管的P―I特性也有影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低。 与LD相比较,发光二极管的温度特性相对较好，在实际应用中，一般可以不加温度控制。

33. 半导体激光器(LD)原理简介 • LD形成激光需要具备两个基本条件：一是有源区里产生足够的粒子数反转分布，二是存在光学谐振腔机制，并在有源区里建立起稳定的振荡。 • 施加正向偏压后，注入到有源层的电子和空穴被限制在有源层内形成粒子数反转分布。 • 利用半导体材料晶体的天然解理面构造光学谐振腔，提供光反馈，当电流密度达到阈值电流以上时，光放大补偿了各种损耗后，就会有稳定的激光输出。

34. F-P腔半导体激光器结构 F-P腔半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面构成（又称为法布里珀罗谐振腔），它有35％的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95％以上的反射率。

35. 光在法布里珀罗(F-P)振腔中的干涉 光波在两块平行的镜面间反射，导致这些波在空腔内相长和相消干涉,在空腔内产生了一列稳定不变的电磁波，我们称它为驻波。

36. 由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传输的，腔内要形成的稳定的驻波模式，必须满足驻波条件，这个条件就是相长干涉条件，即往返一次相位变化为2的整数倍：由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传输的，腔内要形成的稳定的驻波模式，必须满足驻波条件，这个条件就是相长干涉条件，即往返一次相位变化为2的整数倍： ——谐振条件，vq为谐振频率。

37. 可见激光腔中，沿轴线方向(即纵向)形成驻波，通常把由整数q所表征的腔内纵向的稳定场分布称为激光的纵模(或轴模)，q称为纵摸的序数(即驻波在腔的轴线上零场强度的数目)。不同的纵模相应不同的q值，对应不同的频率。可见激光腔中，沿轴线方向(即纵向)形成驻波，通常把由整数q所表征的腔内纵向的稳定场分布称为激光的纵模(或轴模)，q称为纵摸的序数(即驻波在腔的轴线上零场强度的数目)。不同的纵模相应不同的q值，对应不同的频率。

38. 发光机理和LED相同，但有FP腔，一般为多模（即多个波长）。发光机理和LED相同，但有FP腔，一般为多模（即多个波长）。 P peak F-P腔半导体激光器 半导体激光器的发光光谱

39. 半导体激光器的主要特性 1） P-I特性 只有当正向激励电流大于阈值电流时，输出光功率才开始线性上升。 阈值是所有激光器的属性。它标志着激光器的增益与损耗的平衡点，即阈值以后激光器才开始出现净增益。 阈值电流 图2－6

40. 半导体激光器的主要特性 LD 是一个阈值器件，在实际使用时必须对之进行予偏置。对LD 进行予偏置有一个好处，可以提高LD 的调制速率。 阈值电流 图2－6

41. 半导体激光器的工作特性 从图上可以看出，半导体激光器存在阈值电流Ith。当注入电流小于阈值电流时，器件发出微弱的自发辐射光，类似于发光二极管的发光情况。当注入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关系。 半导体激光器的P―I特性对温度很敏感，下图给出了不同温度下P―I特性的变化情况。

42. 半导体激光器P―I曲线随温度的变化 曲线族说明输出功率与温度有关，温度越低，转换效率越高,阈值电流越小。 图2-7 砷化镓器件正向激励电流与输出功率之间的关系

43. 半导体激光器的主要特性 为解决半导体激光器温度敏感的问题，可以在驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持器件的温度稳定。 通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。

44. 半导体激光器的主要特性 2）光束的空间分布 激光器以发发散角小而区别于其它光源，但半导体激光器的方向性比普通气体或固体激光器要差得多。图2—8所示为半导体激光束发散角的分布图。垂直方向发散角的宽度约为300，水平方向约为100，这些特点是由P—N结的结构造成的。垂直于结方向 的激活层厚度狭窄，衍射作用强；与结平行的方向，激活层宽度较大，衍射作用较小．从而形成图中所示的辐射光斑图。

45. LD横模特性决定光场的空间特性

46. 3）温度特性 半导体激光器的发射光谱随温度变化 半导体激光器的发射波长随结区温度而变化。当结温升高时，半导体材料的禁区带宽变窄，因而使激光器发射光谱的峰值波长移向长波长。

47. 3）温度特性 峰值波长随温度变化 当结温升高时，半导体材料的禁区带宽变窄，因而使激光器发射光谱的峰值波长移向长波长。 InGaAsP/InP激光器的发射波长随注入电流漂移的情况，此激光器没加温度控制，由于电流的热效应，使结温度升高，从而使发射波长漂移。

48. 4）调制特性 根据P―I特性可以看出，改变半导体激光器的注入电流就可以改变其输出光功率如下图。 把这种直接改变光源注入电流实现调制的方式称为直接调制或内调制。

49. 分布反馈激光器(DFB) 随着高速率光纤通信系统的发展和新型光纤通信系统例如波分复用系统的出现，都对激光器提出更高的要求。 要求研制谱线宽度更窄的半导体激光器；发射光波长更加稳定，并能实现调谐；阈值电流更低， 而输出光功率更大。具有这些特性的动态单纵模激光器有多种类型，其中性能优良并得到广泛应用的是分布反馈(Distributed Feed Back, DFB)激光器。

50. 分布反馈激光器(DFB) DFB激光器是单纵模(SLM) LD，即频谱特性只有一个纵模谱线的 LD。 SLM LD与法布里-珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。 这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。