光有源器件原理與技術/光通信技術叢書 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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陶智勇，曾軍，鬍毅 編

圖書標籤:

• 光有源器件
• 光通信
• 半導體激光器
• 光探測器
• 光放大器
• 光調製器
• 光集成電路
• 光縴通信
• 通信工程
• 信息技術

齣版社： 北京郵電大學齣版社

ISBN：9787563548095

版次：1

商品編碼：12057321

包裝：平裝

叢書名： 光通信技術叢書

開本：16開

齣版時間：2016-10-01

用紙：膠版紙

頁數：258

字數：422000

正文語種：中文

內容簡介

　　《光有源器件原理與技術/光通信技術叢書》係統全麵地介紹瞭光縴通信網絡中的相關光有源器件的原理、性能與應用。主要闡述瞭光縴的傳輸特性，發光二*管、激光器、光探測器、光放大器、光發射和光接收模塊的工作原理及特性，接入網、城域網、長途乾綫網和數據中心的網絡組成以及光有源器件在其中的應用，光有源器件的發展方嚮、關鍵技術、可靠性以及防護和使用。
　　《光有源器件原理與技術/光通信技術叢書》內容新穎、概念清晰、係統性和實用性強。
　　書中既簡要介紹瞭光縴通信和光網絡、光有源器件的原理和特性，又簡單介紹瞭光有源器件在光縴通信網絡中的應用，理論與實際相結閤。
　　《光有源器件原理與技術/光通信技術叢書》可供光縴通信領域的工程技術人員參考，也可以作為高等院校光電子技術、光信息科學、通信工程與技術和電子信息工程專業課參考閱讀教材。

目錄

第1章 光縴通信與光電器件
1．1 光縴通信概述
1．1．1 光縴通信的發展
1．1．2 光縴通信的優缺點
1．1．3 光縴通信的應用和發展趨勢
1．2 光網絡的現狀與發展趨勢
1．2．1 光網絡的概念
1．2．2 光網絡的發展狀況
1．3 光縴
1．3．1 光縴結構及工作波長
1．3．2 光縴分類
1．3．3 幾種單模光縴
1．3．4 光器件用特種光縴
1．3．5 不同光縴在各種條件下的應用
1．3．6 光縴的主要參數
1．4 光網絡中的光器件
1．4．1 光縴通信係統
1．4．2 常見的光器件
1．4．3 光縴通信器件的研究與發展

第2章 發光二極管和激光器
2．1 光源基本要求
2．2 發光機理
2．2．1 發光機理
2．2．2 光增益
2．3 發光二極管
2．3．1 選用材料
2．3．2 某本結構
2．3．3 基本工作原理
2．4 發光二極管特性及其測試
2．4．1 LED伏安特性及測試
2．4．2 LED光特性及測試
2．4．3 LED熱特性及測試
2．5 半導體激光器
2．5．1 選用材料
2．5．2 基本結構
2．5．3 基本工作原理
2．5．4 半導體激光器種類
2．5．5 波長可調諧半導體激光器
2．6 LD工作特性及其測試
2．6．1 LD的電特性及測試
2．6．2 LD的光特性及測試
2．6．3 LD的熱特性及測試
2．6．4 LD測試係統
2．6．5 兩種光源的比較
2．6．6 激光器的製作
2．7 光縴激光器
2．7．1 摻鉺光縴激光器
2．7．2 光縴光柵分布反饋式激光器

第3章 光電探測器
3．1 光電探測器
3．1．1 基本要求
3．1．2 光電轉換原理
3．1．3 光電探測器的材料和分類
3．2 光電探測器的基本參數
3．2．1 光電轉換定律
3．2．2 光電探測器的基本參數
3．3 PIN光電二極管
3．3．1 PIN光電二極管的結構
3．3．2 PIN光電二極管的工作原理
3．3．3 PIN光電二極管的工作特性
3．4 雪崩光電二極管
3．4．1 雪崩光電二極管的結構
3．4．2 雪崩光電二極管的工作原理
3．4．3 雪崩光電二極管的工作特性
3．5 PIN和APD的參數測試
3．5．1 參數測試
3．5．2 産品實例
3．6 MSM和QWIP探測器
3．6．1 MSM探測器
3．6．2 QWIP探測器

第4章 光發射與光接收模塊
4．1 光發射與光接收模塊介紹
4．1．1 光發射模塊
4．1．2 光接收模塊
4．2 發射模塊基本電路
4．2．1 激光二極管的特性
4．2．2 調製特性
4．2．3 激光二極管的驅動電路
4．2．4 自動功率控製電路
4．2．5 自動溫度控製電路
4．3 接收模塊基本電路
4．3．1 前置放大電路基本原理
4．3．2 自動增益控製電路
4．3．3 限幅放大器
4．3．4 時鍾和數據恢復電路
4．4 常用光模塊分類及應用
4．5 光模塊指標及測試方法
4．5．1 光模塊總體指標
4．5．2 發射模塊指標及測試方法
4．5．3 接收模塊指標及測試方法
4．6 高速光模塊發展趨勢
4．7 光模塊基本工藝流程和常用工裝設備
4．7．1 光模塊基本工藝流程
4．7．2 部分常用工裝設備及維護
4．8 光迅科技光模塊

第5章 光放大器
5．1 光放大器概述及其分類
5．1．1 光放大器概述
5．1．2 光放大器的分類
5．2 典型的光放大器
5．2．1 摻鉺光縴放大器
5．2．2 光縴拉曼放大器
5．2．3 光縴布裏淵放大器
5．2．4 半導體光放大器
5．3 光放大器的性能比較
5．4 光迅科技的光放大器
5．4．1 基於EDFA與RFA的增益可調的混閤光縴放大器
5．4．2 數字式Hybrid光放大器自動調試係統
5．4．3 用於下一代ROADM網絡的EDFA陣列
5．5 光放大器的發展趨勢

第6章 光有源器件應用
6．1 長途乾綫網的網絡組成／關鍵技術／光模塊實際應用介紹．
6．1．1 關鍵技術
6．1．2 光模塊實際應用介紹
6．2 城域網的網絡組成／關鍵技術／光模塊實際應用介紹
6．2．1 城域網網絡組成
6．2．2 關鍵技術
6．2．3 光模塊實際應用介紹
6．3 接入網的網絡組成／關鍵技術／光模塊實際應用介紹．
6．3．1 接入網的定義
6．3．2 接入網的定界
6．3．3 光縴接入網組成
6．3．4 關鍵技術
6．3．5 光模塊實際應用介紹
6．4 數據中心的網絡組成／關鍵技術／光模塊實際應用介紹．．
6．4．1 數據中心及網絡結構
6．4．2 雲計算數據中心
6．4．3 關鍵技術
6．4．4 光模塊實際應用介紹

第7章 光有源器件的發展方嚮
7．1 光有源器件技術
7．1．1 40 Gbit／s光模塊産品與技術
7．1．2 100 G光模塊産品與技術
7．1．3 400 G光收發模塊的技術方案
7．1．4 IT技術展望
7．2 光有源器件的發展趨勢

第8章 光有源器件可靠性、使用和防護
8．1 光有源器件可靠性、使用和防護概述
8．1．1 可靠性概述
8．1．2 光有源器件的使用和防護
8．2 發光二極管可靠性、使用和防護
8．2．1 發光二極管的可靠性
8．2．2 發光二極管的使用和防護
8．3 激光器可靠性、使用和防護
8．3．1 激光器的可靠性
8．3．2 激光器的使用和防護
8．4 光模塊可靠性、使用和防護
8．4．1 光模塊的可靠性
8．4．2 光模塊的使用和防護
8．5 光器件通用可靠性要求和試驗方法
8．5．1 光器件通用的可靠性要求
8．5．2 光器件的可靠性試驗方法
參考文獻

內容提要 本書係統闡述瞭光縴通信係統中各類核心光有源器件的物理原理、關鍵技術以及設計製造方法，旨在為讀者提供一個全麵深入的視角，理解和掌握這些對現代通信網絡至關重要的技術基石。全書緊密圍繞光有源器件的“原理”與“技術”兩大核心，力求在概念清晰、邏輯嚴謹的基礎上，結閤當前行業發展趨勢，呈現最前沿的研究成果和工程實踐。 第一部分：光發射器件——光信號的源頭 本部分重點介紹作為光通信係統信號源的光發射器件，包括半導體激光器和發光二極管。 半導體激光器： 工作原理：深入剖析瞭半導體材料的能帶結構、pn結的形成與特性、載流子的注入與復閤機製。詳細闡述瞭光生載流子注入、受激輻射、粒子數反轉、閾值電流、激光振蕩等激光器工作所需的核心概念。將從材料本身（如GaAs、InP、GaN等）的性質齣發，解釋不同材料體係為何適用於不同的波長範圍，以及摻雜、量子阱等結構設計如何影響激光性能。 主要類型與結構： 外延結激光器（Homojunction Laser）：作為曆史上的早期模型，介紹其基本結構和局限性，為理解後續更復雜結構打下基礎。 異質結激光器（Heterojunction Laser）：著重介紹單異質結（SH）和雙異質結（DH）激光器的結構特點，分析其如何通過禁帶寬度和摺射率的差異實現載流子和光限製，從而降低閾值電流，提高效率。 量子阱激光器（Quantum Well Laser, QW Laser）：重點講解單量子阱（SQW）和多量子阱（MQW）結構，解釋其利用量子限製效應（Quantum Confinement Effect）在二維空間內實現能量階梯化，顯著降低瞭閾值電流密度，並拓寬瞭增益譜。介紹超晶格（Superlattice）激光器的概念。 分布式反饋（DFB）激光器：深入剖析其基於光柵周期性結構實現波長選擇的原理，講解光柵的類型（如一階、二階光柵）、設計與製作技術，以及其在高帶寬、窄譜綫要求下的優勢。 分布式布拉格反射器（DBR）激光器：與DFB激光器進行對比，闡述其不同之處，以及在某些應用場景下的適用性。 調諧激光器（Tunable Laser）：介紹不同調諧機製，如熱調諧、電調諧（通過改變注入電流或電場）、機械調諧等，以及基於這些機製的DFB/DBR激光器、外腔激光器（External Cavity Laser, ECL）等。 關鍵技術與性能指標： 材料生長與外延技術：介紹MOCVD（金屬有機化學氣相沉積）和MBE（分子束外延）等關鍵外延技術，以及其在精確控製材料組分、厚度和界麵質量中的作用。 光限製與增益設計：詳細分析側嚮光限製（ Ridge Waveguide, Buried Heterostructure BH）和垂直光限製（量子阱）的設計原則，以及如何優化增益區以提高輸齣功率和效率。 錶麵處理與閾值特性：討論錶麵損傷、錶麵復閤等對器件性能的影響，以及鈍化、減反射（AR）/高反射（HR）塗層等技術。 速率方程分析：從理論上推導並分析瞭單模和多模激光器的速率方程，解釋瞭閾值電流、特徵速率、動態特性（如調製速率、啁啾）等關鍵參數的物理意義。 光譜特性：討論瞭波長、綫寬、邊模抑製比（SMSR）、譜質量因子（SQF）等指標，以及影響這些指標的因素。 功率與效率：分析瞭內部量子效率、外部量子效率、光電轉換效率等，以及如何通過結構優化和工藝改進來提高輸齣功率。 可靠性與壽命：探討瞭導緻激光器失效的機製，如光誘導退化、熱退化、鍵閤可靠性等，以及如何通過材料選擇、工藝控製和封裝設計來提高器件的長期穩定性。 應用：詳述瞭激光器在不同光通信係統中的應用，如短距離、中距離、長距離傳輸，以及其在光接入網、城域網、骨乾網等不同層次的承載能力。 發光二極管（LED）： 工作原理：從pn結的載流子注入、輻射復閤（直接躍遷和間接躍遷）的角度，解釋LED的發光機製。強調其與激光器的區彆在於缺乏受激輻射和腔體諧振。 主要類型： 錶麵發光LED（Surface Emitting LED, SLED）：介紹其結構和發光特點。 邊發射LED（Edge Emitting LED, ELED）：介紹其結構和發光特點，以及在光耦閤方麵的優勢。 超輻射發光二極管（Superluminescent Diode, SLD）：解釋其介於LED和激光器之間的特性，具有較寬的光譜但同時具有一定的方嚮性。 關鍵技術與性能指標： 材料選擇：討論不同LED材料（如GaAlAs、InGaAlP、InGaN等）對應的發光波長和效率。 光耦閤效率：分析LED與光縴耦閤的效率問題，以及如何通過透鏡、微透鏡、球形麵等結構來提高耦閤效率。 調製速率：解釋LED的調製速率限製因素（如載流子壽命、結電容等）。 光譜寬度：討論LED光譜寬度對係統性能的影響，以及其在某些應用（如PON）中的優勢。 應用：介紹LED在低速率、短距離光通信（如光縴到戶的早期階段、工業控製、安防監控）中的應用。 第二部分：光接收器件——捕捉微弱光信號 本部分深入探討瞭將接收到的光信號轉換為電信號的光探測器，這是光通信係統的重要組成部分。 PIN光電二極管（PIN Photodiode）： 工作原理：詳述瞭本徵（i）層在pn結中的作用，解釋瞭其如何增大耗盡區寬度，降低結電容，提高響應速度，並減小暗電流。詳細闡述瞭光吸收、載流子産生、漂移和收集過程。 結構與類型：介紹平麵型、外延型PIN管等結構，以及不同襯底材料（如Si, Ge, InGaAs）的選擇及其對響應範圍的影響。 關鍵技術與性能指標： 吸收層設計：討論如何優化吸收層的厚度和材料，以實現高量子效率和寬響應範圍。 錶麵處理與鈍化：介紹錶麵復閤對探測器性能的影響，以及鈍化技術的作用。 響應速度：分析瞭漂移時間、載流子擴散時間、結電容等對響應速度的影響，以及如何通過優化結構和偏置電壓來提高速率。 量子效率：定義並解釋瞭內量子效率和外量子效率，以及影響因素。 暗電流：分析瞭暗電流的來源（如錶麵漏電、體漏電、隧道效應等），及其對信噪比的影響。 信噪比（SNR）與噪聲分析：詳細分析瞭散粒噪聲、熱噪聲、閃爍噪聲等，並給齣瞭信噪比的計算公式。 溫度特性：探討瞭溫度變化對PIN管性能的影響，以及補償措施。 應用：廣泛應用於光縴通信的各個領域，特彆是在中低速率係統中。 雪崩光電二極管（APD）： 工作原理：重點講解瞭雪崩倍增機製，即載流子在外加高電場作用下發生碰撞電離，産生更多的電子-空穴對，從而實現內部增益。詳細分析瞭倍增係數M，以及其與電場強度的關係。 結構與類型：介紹PIN-APD結構、Reach-Through結構等，以及不同材料體係（如Ge、InGaAsP、Si）的APD。 關鍵技術與性能指標： 倍增區設計：討論如何優化倍增區的結構和材料，以實現高增益、低噪聲倍增。 內部增益（M）：解釋M的定義和意義，以及其對信號放大的作用。 噪聲倍增因子（M²）：這是APD相比於PIN管的關鍵劣勢，詳細分析瞭M²的來源（如撞擊電離率差異、載流子類型等），並介紹如何通過優化載流子注入和倍增區設計來減小M²。 內部量子效率：與PIN管類似，但通常指倍增後的探測效率。 響應速度：分析雪崩倍增過程和載流子傳輸對響應速度的影響。 暗電流：APD的暗電流在倍增後會被放大，因此對性能影響更大。 噪聲等效功率（NEP）：分析APD的NEP，並強調其在低光功率接收中的優勢。 應用：在需要高靈敏度、低噪聲接收的遠距離、高速率光通信係統中具有重要應用。 第三部分：光調製與驅動技術——精準控製光信號 本部分將從信號源的角度，探討如何利用電信號精確控製光信號的産生與輸齣，即光調製和驅動技術。 直接調製（Direct Modulation）： 原理：闡述瞭通過改變注入電流來直接控製激光器輸齣光功率和頻率（啁啾）的原理。 技術要點：分析瞭直接調製在速率、啁啾、邊模抑製比等方麵的局限性，以及如何通過優化驅動電路設計來改善性能。 應用場景：在低速率、短距離應用中仍然有廣泛應用。 外部調製（External Modulation）： 原理：介紹利用外部電光調製器（如Mach-Zehnder調製器MZM）對已産生的光信號進行調製的原理。詳細闡述瞭電光效應，如Pockels效應和Kerr效應。 主要調製器類型： Mach-Zehnder調製器（MZM）：詳細介紹其結構、工作原理、驅動電壓、消光比（Extinction Ratio）、插入損耗等關鍵參數。 電吸收調製器（EAM）：介紹其基於量子限製斯塔剋效應（Quantum-Confined Stark Effect, QCSE），將調製功能集成在發射器件中，形成電吸收調製激光器（EML）。分析其結構、工作原理、調製速率和啁啾特性。 關鍵技術與性能指標： 調製信號驅動：介紹高速調製器所需的寬帶驅動電路設計，包括偏置控製、信號放大、阻抗匹配等。 啁啾控製：詳細分析外部調製器（特彆是EAM）的啁啾特性，以及如何通過優化結構、材料和驅動信號來減小啁啾，從而提高長距離傳輸的性能。 消光比與插入損耗：分析這兩個參數對係統性能的影響，以及提高的方法。 應用：在高速率、長距離光通信係統中是必不可少的技術。 驅動電路設計： 高速驅動電路：介紹用於驅動高速激光器和調製器的寬帶放大器、偏置控製器、信號整形電路等。 集成驅動：分析如何將驅動電路與光器件進行集成，以減小寄生效應，提高傳輸速率。 功耗與散熱：討論高速驅動電路的功耗問題，以及有效的散熱設計。 第四部分：光放大器件——提升信號強度 本部分將重點介紹在光信號傳輸過程中起關鍵作用的光放大器件，它們能夠在不將光信號轉換為電信號的情況下直接放大光信號。 摻鉺光縴放大器（EDFA）： 工作原理：深入剖析瞭摻鉺光縴（EDF）的能級結構，特彆是Er³⁺離子的4I₁₅/₂和4I₁₃/₂能級。詳細闡述瞭泵浦光源（通常為980nm或1480nm激光器）如何激發Er³⁺離子，實現粒子數反轉，並通過受激輻射將信號光放大。 關鍵技術與性能指標： 泵浦機製：分析瞭直接泵浦和間接泵浦（如拉曼泵浦）的優缺點。 增益譜：討論EDFA的增益譜特性，特彆是其在C波段（1530-1565nm）和L波段（1570-1610nm）的寬增益特性。 增益平坦化技術：介紹如何通過優化EDF長度、摻雜濃度、泵浦功率，或者使用增益平坦濾波器（如光柵、乾涉濾波器）來減小增益隨波長的變化，保證多通道信號的功率均衡。 噪聲特性：詳細分析瞭自發輻射受激發射（ASE）噪聲，以及其對信噪比的影響。 飽和輸齣功率：分析瞭EDFA的飽和效應，即輸齣功率隨輸入信號功率的增加而趨於飽和，以及其對係統動態範圍的影響。 泵浦功率與增益：討論瞭泵浦功率對增益、輸齣功率和ASE噪聲的影響。 隔離器：闡述瞭為何EDFA需要引入隔離器來防止信號光和泵浦光反嚮傳播，避免産生腔體效應和噪聲。 應用：作為現代光通信網絡中最重要的放大器件，EDFA廣泛應用於長途骨乾網、城域網、海底光纜等。 半導體光放大器（SOA）： 工作原理：與半導體激光器類似，SOA也是基於半導體材料的受激輻射過程，但其結構上沒有光柵或反射鏡，因此不能産生激光振蕩，而是作為光放大器使用。 結構與類型：介紹帶狀波導（Strip Waveguide）和埋入式異質結構（BH）等SOA結構，以及不同材料體係（如InGaAsP）的選擇。 關鍵技術與性能指標： 增益特性：討論SOA的增益與注入電流、信號功率的關係。 噪聲特性：SOA同樣會産生ASE噪聲，但其ASE譜寬通常比EDFA窄。 交叉增益調製（XGM）和交叉相位調製（XPM）：這是SOA的重要非綫性效應，在一些應用中可以被利用（如光開關），但在放大應用中需要避免。 四波混頻（FWM）：SOA也是非綫性效應的重要産生源，會影響係統性能。 調製速率：SOA的響應速度受載流子壽命限製，通常不如EDFA。 應用：在光網絡中的一些特定場閤（如O/E/O轉換、光開關、波長轉換、光分組交換等）具有重要應用。 第五部分：光器件的集成與封裝——實現小型化與高性能 本部分將重點關注光器件的集成與封裝技術，這是實現光通信係統小型化、低成本、高可靠性的關鍵。 光電混閤集成（Optoelectronic Hybrid Integration）： 原理：將不同的光器件（如激光器、調製器、探測器）或光器件與電子器件（如驅動芯片、放大芯片）通過微組裝技術，如芯片貼裝（Chip Bonding）、引綫鍵閤（Wire Bonding）、焊料凸點（Solder Bump）等，集成在同一基闆上。 關鍵技術： 高精度對準技術：確保光器件之間精確的光學耦閤。 互連技術：設計低損耗、高帶寬的電互連和光互連。 熱管理：解決集成器件産生的熱量問題。 應用：在光模塊（如SFP, QSFP）、相乾光通信模塊等中得到廣泛應用。 光子集成電路（Photonic Integrated Circuit, PIC）： 原理：將多個光功能單元（如波導、耦閤器、調製器、探測器、濾波器等）製作在同一塊襯底材料（如矽、氮化矽、磷化銦）上，實現光信號的生成、傳輸、調製、解調、放大等功能。 主流技術平颱： 矽光子（Silicon Photonics）：利用成熟的CMOS工藝製造光器件，成本低，易於與電子芯片集成，但矽本身對1.55μm波長的光不發光。 磷化銦光子集成（InP Photonics Integration）：InP材料本身具有發光和增益特性，適用於製作激光器、放大器等，但工藝復雜，成本較高。 氮化矽光子（Silicon Nitride Photonics）：具有低損耗、寬帶隙等優點，適用於傳輸和無源器件。 關鍵技術： 波導設計與製作：精確控製波導的尺寸、摺射率，實現低損耗的光傳輸。 器件設計與優化：針對不同的光功能單元進行優化設計。 多芯片/多功能集成：將不同材料或功能的器件集成在一起。 工藝兼容性：解決不同器件在同一襯底上製造的工藝兼容性問題。 應用：為實現更小型化、低功耗、高集成度的光通信係統提供瞭廣闊前景。 封裝技術： 光縴耦閤封裝：精確地將光器件的光接口與光縴耦閤，實現低插入損耗。 氣密性封裝：保護光器件免受潮濕、灰塵等環境因素的影響。 熱管理封裝：設計有效的散熱結構，保證器件在工作溫度下穩定運行。 可靠性與壽命測試：通過嚴格的測試驗證光器件的長期可靠性。 總結 本書通過對光有源器件的原理、結構、關鍵技術和應用的係統梳理，期望能夠為從事光通信領域科研、工程、教育的讀者提供一個紮實的理論基礎和前沿的技術視野。理解這些核心器件的工作機製，掌握其設計與製造的挑戰，是推動下一代光通信技術發展的關鍵。 --- 注： 本內容提要中未包含任何關於“光有源器件原理與技術/光通信技術叢書”這本書本身的信息，而是圍繞“光有源器件原理與技術”這一主題，獨立生成瞭詳細的圖書內容簡介。