第四个EM波(ω1±ω2±ω3),从某种意义上说不是一个波而是多个波。
（2）第四个光波的频率可以是三个入射光波频率的各种组合，把这种现象称之为是非线性介质引发多个光波之间出现能量交换的一种响应现象。?
（3）第四个光波的功率在频率接近零色散波长时达到峰值。
（4）四波混频现象对系统的传输性能影响很大，包括增系统误码率和信道之间的串扰。 2.6.3 光孤子通信 1．光孤子
? 从物理学的观点看，光孤立子是光非线性光学的一个特殊产物。
? 孤立子又称孤子、孤立波，它是一种可以长距离、无畸变传输的电磁波。 ? 光脉冲波就像一个个孤立的粒子一样，因此称其为孤立子。? 2．光孤立子的产生机理
? 折射率n与相位φ之间存在确定的关系。?
? 一个光脉冲的前沿光强的增大将会引起光纤中光信号的相位增大，随之造成光信号的频率降低，
进而使光纤中光脉冲信号的脉冲前沿传输速度降低。?
? 如果所传信号是强的光脉冲，则光纤非线性效应使脉冲变窄的作用正好补偿了色散效应使脉冲
展宽的影响。
? 那么，可以想像这种光脉冲信号在光纤的传输过程中将不会产生畸变，脉冲波就像一个一个孤
立的粒子那样传输，故称孤立子（Soliton）。 3．光纤损耗对光孤子传输的影响 （1）损耗对光孤子宽度的影响?
? 即使光孤子发生展宽，但与不存在非线性影响情况下的展宽相比要小的多，因此对光纤通信系
统来说，非线性影响是有益的。?
? 如果使用高阶光孤子来分析的话，也可以得到同样的结论。而且在8Gbit/s传输速率、光孤子
的峰值功率为3mW条件下，预计中继距离可增加两倍。 （2）利用光孤子放大补偿光损耗?
为克服光纤损耗的影响，需要对光孤子周期性地放大，以便恢复其最初的宽度和峰值功率。 ① 集中光孤子放大? ② 分布放大?
第3章 光纤通信器件
3.1 光源
3.1.1 激光器的物理基础 1.光子的概念
◆ 光具有二重性，即波动性和粒子性。 ◆ 不同频率的光子具有不同的能量。 ◆ 一个光子具有的能量为：E=hf 2.费米能级 （1）原子能级
物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。原子核带正电，电子带负电。正负电荷数相等，整个原子呈中性。
当原子中电子的能量最小时，整个原子的能量最低，这个原子处于稳态，称为基态；当原子处于比基态高的能级时，称为激发态。通常情况下，大部分原子处于基态。 （2）费米能级（Ef）? ① 当T>0k（正值）时： E>Ef ： f(E)< E
1212，能级E被电子占据几率小。 ，能级E被电子占据几率大。
② 当T＝0K（正值）时：
E>Ef ： f(E)=0
E 光和物质的相互作用有自发辐射、受激吸收和受激辐射三种。 （1）自发辐射：物质在在无外来光子激发下，高能级E2上的电子，由于不稳定，自发地向低能级E跃迁，多余的能量以发光的形式表现出来，这个过程叫做自发辐射。 （2）受激吸收：物质在外来光子的激发下，低能级E1上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级E2上，这个过程叫做受激吸收。? （3）受激辐射：处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。 3.1.2 激光器的工作原理 1.粒子数反转分布 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2>N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。 2.激光器的基本组成 激光振荡器必须包括以下三个部分：激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔。 3.光学谐振腔 （1）光学谐振腔的结构。 在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r<1，产生的激光由此射出。? （2）光学谐振腔工作原理 在激光器中，首先由泵浦源激励激光工作物质，产生粒子数集居反转分布。同时，由于自发辐射也将产生自发辐射光子。这些光子辐射的方向是任意的，它们之中凡是沿与谐振腔轴线夹角较大的方向传播的光子，将很快逸出腔外，只有那些沿与谐振腔轴线夹角较小的方向传播的光子流，才有可能在腔内沿轴线方向来回反射传播，在腔内的激活物质中来回穿行。受激辐射连锁反应，象雪崩般的加剧，当光功率达到一定程度时，在部分反射镜M2的一侧输出一个高功率的平行光子流。在这一过程中由于受激辐射跃迁而产生大量的全同光子，这就是激光。 4.激光器的参量 （1）损耗系数α （2）增益系数G （3）阈值条件Go （4）相位平衡条件 3.1.3 半导体激光器（LD） 1.半导体激光器的结构 ◆ 半导体激光器的结构有两种：F-P腔激光器和DFB-分布反馈型激光器。 ◆ F-P腔激光器从结构上可分为同质、单异质和双异质半导体激光器三种。 2.半导体激光器工作原理 （1）本征半导体的能带分布：未掺杂的半导体 （2）P型半导体和N型半导体 （3）在重掺杂情况下，P-N型结的能带分布。 （4）P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。 3.半导体激光器的工作特性 （1）阈值特性（图见书） 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。 （2）光谱特性 半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。 （3）温度特性（图见书） 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。 （4）转换效率 半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示。 3.2 光电检测器 ◆ 光电检测器是将光信号转换为电信号。 ◆ 常用的半导体光电检测器有PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管两种。 3.2.1 半导体的光电效应 半导体光电效应：第一步，当光照射到半导体的P-N结时，若光子能量足够大，则价带中的电子吸收光子，获得能量的电子跃迁到导带，同时在价带中留下了空穴，即光电子-空穴对，又称光生载流子。第二步，光生载流子在外加偏置电压和内建电场的作用下，电子-空穴对的运动形成了电流，这个电流常称为光生电流。 图3.2.1 半导体材料的光电效应 当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时，若有光电子—空穴对产生，显然必须满足如下关系，即 E?hf?hc??Eg 其中，E为一个光子的能量，Eg为禁带的宽度。 截止频率：fc?EghhcEg 截止波长：?c? 【结论】只有入射光波长λ<λc，才能产生光电效应。 3.5.2 PIN光电二极管 PIN光电二极管的结构如图3.5.2所示。在高掺杂的P型和N型半导体之间，生长一层低掺杂的N型半导体，因为这一层的掺杂浓度很低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层。