3.1. 光源

光源的要求

1. 发射波长与光纤低损耗和低色散波长一致

2. 在室温下连续工作，低功耗，谱线窄

3. 体积小，重量轻，使用寿命长

4. 制造工艺简单，成本低，可靠性高

3.1.1. 半导体激光器工作原理和基本结构

工作原理：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，实现放大而产生激光振荡的（光源加正向偏压）

光与物质间的互作用过程有哪些

1. 受激吸收：在正常状态下，电子处于低能级$E_1$，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级$E_2$上，这种跃迁称为受激吸收（光检测器最主要的过程）

2. 自发辐射：在高能级$E_2$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$E_1$上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射（LED发光最主要的过程）

3. 受激辐射：在高能级$E_2$的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级$E_1$上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射（产生激光最主要的过程）

什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？

1. 假设能级$E_1$和$E_2$上的粒子数分别为$N_1$和$N_2$，在正常的热平衡状态下，低能级$E_1$上的粒子数$EN_1$是大于高能级$E_2$上的粒子数$N_2$的，入射的光信号总是被吸收。为了获得光信号的放大，必须将热平衡下的能级$E_1$和$E_2$上的粒子数$N_1$和$N_2$的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子数反转分布

2. 当光通过粒子数反转分布的激活物质时，将产生光放大。

什么是吸收物质？什么是激活物质？

1. 如果$N_1$大于$N_2$，即受激吸收大于受激辐射，当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质

2. 如果$N_1$小于$N_2$，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质

什么是激光器的阈值条件：产生激光输出的条件就是阈值条件

激光形成：把激光物质放置在由两个反射镜组成的光谐振腔之间，利用两个面对面的反射镜实现光的反馈放大，使其产生振荡。光谐振腔的轴线与激光物质的轴线相合。其中一个反射镜要求有100%的反射率，另一个要有95%左右的反射率，即允许有部分的光透射

3.1.2. 半导体激光器的主要特性

发射波长决定于带隙：

1. $E_g=hf=hc/\lambda$ 进而 $\lambda =1.24/E_g$

2. 不同半导体材料有不同的禁带宽度$E_g$，因而有不同的发射波长

输出光功率特性：

1. 当电流小于阈值电流时，激光器输出为自发辐射光

2. 当电流大于阈值电流时，激光器输出受激辐射光

3. 光功率随驱动电流的增加而增加

温度特性：温度随输出光功率上升而下降

1. 激光器的阈值电流随温度升高而增大

2. 转换效率随着温度升高而变小

3.1.3. 发光二极管（LED）

工作原理：发光二极管（LED）的工作原理与激光器（LD）有所不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结（DH）结构，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值

LED与LD的异同：

1. 结构上：

   • 同：均是双异质结（DH）结构

   • 异：LD有谐振腔，LED无谐振腔

2. 性能上：

   • LD：有谐振腔，发射受激辐射光，有阈值电流

   • LED：无谐振腔，有源区发射自发辐射光，无阈值电流

   • 和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，光谱宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。因此这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用

3.2. 光检测器

光检测器的要求：

1. 波长响应要和光纤低损耗窗口850 nm、1310 nm、1550 nm兼容

2. 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生尽可能大的光电流

3. 噪声要尽可能低，能接收微弱的光信号

4. 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小

3.2.1. 光电二极管工作原理

光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾就需要改进PN结光电二极管的结构

3.2.2. PIN光电二极管

光电二极管的噪声主要包括：光生信号电流和暗电流产生的散粒噪声以及负载电阻产生的热噪声

1. 热噪声来源于电阻内部载流子的不规则运动

2. 散粒噪声源于光子的吸收或者光生载流子的产生，具有随机起伏的特性

   • 光生信号电流产生的散粒噪声，称为量子噪声，这种噪声的功率与信号电流成正比，因此不可能通过增加信号光功率提高信噪比

   • 在没有外界入射光的作用下，光检测器中仍然存在少量载流子的随机运动，从而形成很弱的散粒噪声，称为暗电流噪声

3. 所以在有信号光作用的时间内，主要考虑量子噪声和热噪声；而在没有信号光的期间，主要考虑暗电流噪声和热噪声

3.2.3. 雪崩光电二极管（APD）

什么是雪崩倍增效应：雪崩倍增效应是指PN结外加高反向偏压后，在耗尽区内形成一个强电场。当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子被强电场加速，以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子，并形成链锁反应，从而使光电流在光电二极管内部获得倍增

倍增因子：定义为APD输出光电流$I_0$和一次光生电流$I_p$的比值$g=I_0/I_p$，显然APD的响应度比PIN增加了$g$倍

说明PIN（光电二极管）与APD在性能上的主要区别：

1. APD具有雪崩增益，灵敏度高（噪声也大），有利于延长传输系统距离

2. APD的响应时间短

3. APD的雪崩增益会产生过剩噪声，因此要适当控制雪崩增益

4. APD要求较高的工作电压和复杂的温度补偿电路，成本较高

3.3. 光无源器件

光耦合器：把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。该器件对光纤线路的主要影响是附加插入损耗。与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器

1. T形耦合器：把一根光纤输人的光信号按一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入的光信号组合在一起，输人一根光纤

2. 星形耦合器 ：把n根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给m根光纤

3. 定向耦合器：分别取出光纤中向不同方向传输的光信号（光信号从端1传输到端2，一部分由端3输出，端4输出；光信号从端2传输到端1，一部分由端4输出，端3无输出）

4. 波分复用器/解复用器：波分复用器的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号组合在一起，输入到一根光纤;解复用器是把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分配给不同的接收机

光隔离器：是只允许光线沿光路单向传输的无源器件，用于解决光纤通信中光反射的问题（反射光传回光源，会引起光源不稳定，产生频率漂移幅度变化，影响系统的正常工作）