有源光器件及无源光器件区别及基础

1、 有源光器件和无源光器件有源光器件和无源光器件定义：定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件需要外加能源驱动工作的光电子器件半导体光源半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半导体光探测器半导体光探测器(PD,PIN,APD(PD,PIN,APD）光纤激光器（光纤激光器（OFL:OFL:单波长、多波长）单波长、多波长）光放大器光放大器(SOA,EDFA)(SOA,EDFA)光波长转换器光波长转换器(XGM,XPM,FWM)(XGM,XPM,FWM)光调制器（光调制器（EAEA）光开关光开关/ /路由器路由器定义：定义：不需要外

2、加能源驱动工作的光电子器件不需要外加能源驱动工作的光电子器件光纤连接器（固定、活动光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器光纤定向耦合器/ /分支器分支器光分插复用器（光分插复用器（OADM)OADM)光波分光波分/ /密集波分复用器（密集波分复用器（WDM/DWDM)WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）光衰减器（固定、连续）光滤波器（带通、带阻）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅电线光纤调制器光调制器电阻光衰

3、减器三通（多通）光耦合器二极管光隔离器混频器光波分复用器放大器光放大器频率转换器光波长转换器滤波器光滤波器电源光源电接插件光连接器探头光探测器开关光开关集成电路集成光路多波长光源多波长光源DWDM光调制器光调制器光隔离器光隔离器光耦合器光耦合器光波长转换光波长转换光放大光放大DWDM光色散补偿光色散补偿光隔离器光隔离器光环行器光环行器光波长转换光波长转换OADMDWDM光隔离器光隔离器光环行器光环行器光开关光开关可调谐滤波可调谐滤波DWDMOXC光耦合器光耦合器光调制解调光调制解调 光电变换器件 光开关与调制器件 光放大器件 光色散补偿器件 光网络器件 F-P腔激光二极管(LD) 分布反馈布拉

4、格激光器(DFB) 分布布拉格反射激光器(DBR) 外腔激光器与Q开关激光器 发光二极管(LED) 光纤激光器(OFL) 垂直腔表面发射激光器(ECSEL) 多波长光源与波长可调谐激光器多波长光源与波长可调谐激光器 光电探测器(PD、PIN、APD) 幅度调制 机械调制 电光调制 直接调制 电吸收光调制(EA) 相位调制 偏振调制 光电集成芯片(OEIC) 光子集成芯片(PIC) 色散控制 色散位移单模光纤 非零色散位移单模光纤 大有效截面单模光纤 色散平坦单模光纤 色散补偿 色散补偿光纤模块 SOA色散补偿 光纤光栅色散补偿 色散管理 光耦合透镜（自聚焦透镜、玻璃球透镜） 光连接器与光耦合器

5、 光隔离器与光环行器 光滤波与光波分复用器件 光起偏器与偏振控制器 光波长转换与光波长路由器件 光调制解调器（Modem） 光衰减器与光延时器件 光开关与光交叉连接器件 微光电机械芯片 掺铒光纤放大(EDFA) 掺镨光纤放大(PDFA) 掺钕光纤放大(NDFA) 分布式光纤放大 喇曼光纤放大(SRFA) 布里渊光纤放大(SBFA) 半导体光放大(SOA) 第三章第三章 有源光器件和有源光器件和 无源光器件无源光器件3.1 3.1 激光原理的基础知识激光原理的基础知识3.2 3.2 半导体光源半导体光源3.3 3.3 光电探测器光电探测器3.4 3.4 无源光器件无源光器件3.1 3.1 激光的

6、基础知识激光的基础知识3.1.1 玻尔的玻尔的能级假说能级假说3.1.2 光子光子3.1.3 自发辐射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收3.1.4 粒子数反转粒子数反转其中E2和E1分别为跃迁前、后的原子能级能量，h为普朗克常数，为电磁辐射的频率。3.1.1 玻尔的玻尔的能级假说能级假说12EEhh =6.626110-34 Js能量最低的原子能级称为基态能级，其它能量较高的原子能级称为激发态能级。3.1.2 光子光子若原子从E2 E 1 ， E=E2 E 1 ，这个差 E将以一个量子的能量形式释放，一个量子的能量被称为光子光子（photon）。）。一个光子的能量Ep由下面的公式定

7、义Ep =h（ 3.1.3-1 ）h是普朗克常数(h=6.626 10-34 J S)，而是光子的频率。原子从高能级低能级，对应于光子的辐射；原子从低能级高能级，对应于光子的吸收。 处于高能级的原子自发的辐射一个频率为处于高能级的原子自发的辐射一个频率为、能量为、能量为E的光子，跃迁到低能级，的光子，跃迁到低能级，这一过程称为自发辐射。是相位、偏振方向不同的非相干光。这一过程称为自发辐射。是相位、偏振方向不同的非相干光。E2E1N2N1h 3.1.3 自发辐射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收3.1.43.1.4 .1.1 自发辐射自发辐射(spontaneous radiatio

8、n)12EEhEpE2E1N2N1全同光子全同光子h 3.1.33.1.3 .2 .2 受激辐射受激辐射 (stimulated radiation)在能量为在能量为E的入射光子的激励下，原子从高能级向低能级跃迁，同时发射一个的入射光子的激励下，原子从高能级向低能级跃迁，同时发射一个与入射光子频率、相位、偏振方向和传播方向都相同的另一个光子，这一过程与入射光子频率、相位、偏振方向和传播方向都相同的另一个光子，这一过程称为受激辐射。称为受激辐射。12EEhEE2E1N2N1h 上述外来光也有可能被低能级吸收，使原子从E1E2。在入射光子的激励下，在入射光子的激励下，原原子从低能级向高能级跃迁，称

9、为子从低能级向高能级跃迁，称为受激受激吸收吸收。 3.1.33.1.3 .3 .3 受激吸收受激吸收 (stimulated absorption)12EEhE自发辐射是单向性的；受激跃迁是双向的;自发辐射概率与光强无关；受激跃迁概率正比于光强。自发辐射和受激辐射、吸收的区别：3.1.4 粒子数反转粒子数反转在热平衡时，各能级的粒子数目服从玻耳兹曼统计分布:)/exp()/exp(/12kThkTENNg即若若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比则两能级上的原子数目之比11212 kTEEeNNk=1.3810-23J/K为玻耳兹曼常量为玻耳兹曼常量N2N1N2N1粒子数反转（粒子数反转（

10、N2 N1）是实现激光放大的必要条件）是实现激光放大的必要条件。为了实现粒子数反转，就需要大量电子跃迁到导带，为此，需要泵浦为跃迁提供能量。此外，还需要亚稳态能级使激发的电子保持一段时间，形成粒子数反转。例如：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 11eV;20 08116121E5kTE.Nee10N说明基态上粒子数最多。此时 受激辐射概率受激吸收概率，不能产生光放大。JeV19106022. 1例题1、假设一个激光二极管发出的红光的波长=650nm,那么单个光子的能量是多少？解： Ep =h =hc/=6.6 10-34 J

11、 S 3 108 m/s/650 10-9m=3.04 10-19 J 2、LD波长=650nm,光能量P=1mW,这个光源每秒发射多少光子？解：总能量 E =P 1s=1 10 -3W 1s = 1 10 -3J这个能量等于E = Ep N,其中N是光子的数量。所以N=E/ Ep = 1 10 -3J/3.04 10-19 J =3.3 1015 ，也就是3.3千万亿。千万亿。 3.2 3.2 半导体光源半导体光源3.2.1半导体激光器的特点和应用半导体激光器的特点和应用3.2.2半导体激光器（半导体激光器（LD）3.2.2发光二极管（发光二极管（LED）3.2.1 3.2.1 半导体激光器

12、的特点和应用半导体激光器的特点和应用半导体激光器是通过半导体激光器是通过受激辐射受激辐射产生光的器件。产生光的器件。受激辐射的特征：一个受激辐射的特征：一个外来光子迫使外来光子迫使一个带有类似能量一个带有类似能量E E的光子被发射；所有受激光子的光子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们的光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐射的发射方向都与激发他们的光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐射同步同步的。的。形成形成正反馈正反馈的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这个动态过程。因此需要比

13、受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这个动态过程。因此需要比LEDLED快快得多的速度来激活电子，需要粒子数反转。为了实现得多的速度来激活电子，需要粒子数反转。为了实现粒子数反转粒子数反转，需要在激活区加大的，需要在激活区加大的正向电流。正向电流。为了使激光二极管产生光，为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗增益必须大于损耗。综上所述，半导体激光器的激射条件为：综上所述，半导体激光器的激射条件为： 粒子数反转粒子数反转 受激受激辐辐射射 正反馈正反馈半导体激光器（半导体激光器（LD）的特点：）的特点：半导体激光器（半导体激光器（LD）的应用：）的应用：输出功率大输出功率大(kW)，

14、光谱宽度窄，光谱宽度窄(0.01pm)，高偏振，相干长度长，输出，高偏振，相干长度长，输出 NA小小 ( 光易于耦合进光纤光易于耦合进光纤)光纤通信、医学、测量、加工和军事等。光纤通信、医学、测量、加工和军事等。3.2.2 3.2.2 半导体激光器（半导体激光器（LDLD）l FP-LD- FP-LD-法不里法不里- -泊罗激光器泊罗激光器l DFB-LD DFB-LD分布反馈激光器分布反馈激光器l DBR DBR -LD-LD - -分布反射激光器分布反射激光器l QW QW LD-LD-量子阱量子阱激光器激光器法不里法不里- -泊罗激光器泊罗激光器Fabry-Perot (FP) Lase

15、rFabry-Perot (FP) Laser多纵模多纵模(MLM) 光谱光谱“著名著名”的半导体激光器的半导体激光器最早用于光纤链路最早用于光纤链路 (850 or 1300 nm)今天今天:用于短或中等长度的光纤链路用于短或中等长度的光纤链路主要性能指标主要性能指标*主要用于波长主要用于波长 850 or 1310 nm*总输出功率大于几总输出功率大于几 mw*光谱宽度光谱宽度 3 to 20 nm*Mode spacing 0.7 to 2 nm*高偏振高偏振*相干长度约为相干长度约为 1 to 100 mm*小的小的 NA ( 光易于耦合进光纤光易于耦合进光纤)P peakI(mA)P

16、(mW)阈值 (nm)FP-LD的结构的结构FP-LDFP-LD管芯示意图管芯示意图FP-LD的工作原理的工作原理要实现要实现FP-LDFP-LD激射，必须满足几个基本条件：激射，必须满足几个基本条件： 要有能实现电子和光场相互作用的物质；要有能实现电子和光场相互作用的物质； 要有注入能量的泵浦源；要有注入能量的泵浦源； 要有一个要有一个F-PF-P谐振腔；谐振腔； 必须增益大于损耗必须增益大于损耗 要满足振荡条件要满足振荡条件: : = 2nL/N。其中其中L是镜间距，是镜间距， N 是一个整数，是一个整数， n为谐振腔内折射率，为谐振腔内折射率，是光波长。是光波长。a)任意波注入时的任意波

17、注入时的FP-LDb)驻波注入时的驻波注入时的FP-LD例如：如果L= 0.4mm = 400 m， n=1而= 1300 nm= 1.3 m则N = 615谐振器支持的波长为1300 nm =2 n L/ N，但其也支持：2L(N 1), 2L(N 2),等等波长。这些谐振器选择的波长叫纵模。当谐振器的长度增加或减少时，激光器就从一个纵模转向另一个，被称之为跳模。因为 = 2 n L/ N，所以相邻两个纵模的间隔N N+1 2 n L/N2 = 2/2 n L1、必须增益大于损耗： 激光出射条件2、活性介质只能在很小的波长范围内提供增益（ 50 dB*相干长度约为相干长度约为 1 to 10

18、0 m*小的小的 NA (光易于耦合进光纤光易于耦合进光纤)为了减少线宽，需要激光管只发射一个纵模。为了减少线宽，需要激光管只发射一个纵模。分布反馈激光器实现这个功能。分布反馈激光器实现这个功能。其在激活区附近的异质结中合并了光栅，其工作原理与镜子类似，但他仅选择反射波长其在激活区附近的异质结中合并了光栅，其工作原理与镜子类似，但他仅选择反射波长为为B B 的光。的光。2 neff= B “反馈反馈”是指；使受激光子返回活性介质；是指；使受激光子返回活性介质；“分布分布”是指；反射并不仅仅发生在一个点上。是指；反射并不仅仅发生在一个点上。二十世纪六十年代提出，二十世纪八十年代商品化。二十世纪六

19、十年代提出，二十世纪八十年代商品化。改进方案：改进方案：DBRa) 分布反馈激光器b) 分布反馈工作原理c) 实际单模辐射 activen-DBRp-DBR*分布布拉格反射分布布拉格反射 (DBR) 镜镜*交替的半导体材料层交替的半导体材料层*40到到60层层,每层厚度每层厚度 / 4*光束的匹配与光纤更接近光束的匹配与光纤更接近*主要性能指标主要性能指标*波长范围波长范围780 to 980 nm (gigabit ethernet) *谱线宽度谱线宽度 -10 dBm*相干长度相干长度10 cm to10 m*NA 0.2 to 0.3量子阱激光器量子阱激光器为了提高发射效率，使用特殊制造

20、技术来得到特别薄的激活区（4nm20nm），称为量子阱（QW）激光器。a)单量子阱激光器MQW激光器是用超薄膜（厚度20nm形成有源层，能呈现量子效应的异质结半导体激光器，普通半导体激光器的有源层厚度为几百纳米到几千纳米。电子在有源层的运动是三维的，当有源层的厚度减小到20nm而与电子的自由程接近时，电子就不能在层厚方向做自由运动，只能在层面内作横向运动，电子能量变成一个个离散值，即呈现量子效应，有源层由多个薄层构成，由于载流子和光子被限制在薄层之内，从直观来看就是载流子和光子都很集中，因此容易发生激射。多量子阱激光器多量子阱激光器MQW-LDMQW激光器的优点： （1）阈值电流小，由于其结构

21、中“阱“的作用，使电子和空穴被限制在很薄的有源区内，造成有源层内粒子数反转浓度很高，因而大大降低了阈值电流，由于阈值电流的降低，还带来了功耗低，温度特性好的优点。 （2）线宽变窄。由于量子阱中带间复合的特点，造成线宽增大系数a变小，从而减小了光谱中的线宽，同双异质结激光器相比，缩小了近一倍。 （3）器件的微分增益高，注入电流的微小变化能够引起光功率的较大变化。 （4）调制速度高。工作频段可达30GHZ。 （5）频率啁啾小，动态单纵模特性好，纵模控制能力强。3.2.3 3.2.3 发光二极管（发光二极管（LEDLED） 面发射发光二极管面发射发光二极管SELED 边发光发光二极管边发光发光二极管

22、EELED 超辐射发光二极管超辐射发光二极管SLD LED的主要性能指标的主要性能指标3.2.2 3.2.2 发光二极管发光二极管Light-emitting Diode (LED)P -3 dBP peakBW具有体积小具有体积小, ,机械强度高机械强度高, ,寿命长寿命长, ,电压低电压低, ,电流小电流小( (数数毫安或数十毫安毫安或数十毫安),),耗电省耗电省, ,响应速度快响应速度快, ,易用电流调制易用电流调制光通量和使用方便等优点光通量和使用方便等优点. .由于它所需要的电压低由于它所需要的电压低, ,能能与集成电路或晶体管共用电源与集成电路或晶体管共用电源, ,或用晶体直接控制

23、它发或用晶体直接控制它发光光, ,能方便的与光纤进行耦合能方便的与光纤进行耦合, ,因此因此,LED,LED在光纤在光纤通信通信领领域获得广泛应用域获得广泛应用. .LED的结构的结构光纤通信用的发光二极管（LED）通常是采用GaAs为衬底的GaAs或AlGaAs和InP为衬底的InGaAs或InGaAsP材料制成。用AlGaAs/ GaAs制作的LED其峰值发射波长在 0.8 0.95 m范围内，用InGaAsP/ InP制作的LED其峰值发射波长为1.31 m和1.55 m。要使LED发光，有源层的半导体材料必须是直接带隙材料，越过带隙的电子和空穴能够直接复合而发射出光子。为了使器件有好的

24、光和载流子限制，大多采用双异质结（DH）结构。面发射同质结面发射同质结发光二极管的基本类型发光二极管的基本类型图图3.2.2 3.2.2 1 LED1 LED结构截面图结构截面图分为：分为： 面发射面发射SELEDSELED、边发射、边发射EELEDEELED和超辐射和超辐射SLDSLD。这里介绍前。这里介绍前两种。两种。1 1、面发射、面发射LEDLED（SELEDSELED）出光条件：产生光子的地方（有源区）；谐振腔（上、下面），限制载流子和光子的路径。特点：驱动电流大、出光功率高、温度特性较好；带宽较小。LEDLED结构截面图结构截面图边发射双异质结边发射双异质结出光条件：产生光子的地方

25、（有源区）；谐振腔侧边限制载流子和光子的路径。光纤通信用的LED多采用边发光型LED。因为边发光型LED有与激光管相似的结构，与光纤耦合效率较高，带宽较宽，线宽较窄。2、边发光、边发光LED（EELED-edge-emitting LED）介于LED和LD之间的光源。在高电流强度下，用双异质结结构构成有源区。但SLD没有正反馈，仅能自发辐射光。所以SLD比通常的LED功率更强，限定性更好，但是，在单色性、定向性和相干性方面，不如LD。SLD在光通信中较少使用，多用于宽带测量光源。2、超辐射发光二极管超辐射发光二极管SLD （Super-luminescent Diodes）LED的工作原理的工

26、作原理值得注意的是，对于大量处于高能级的粒子各自分别自发发射一列一列角频率为=Eg/h 的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，并且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传播，这个过程称之为自发发射。其发射波长可用下式来表示 =1.2396/Eg半导体发光二极管(LED)是在正向偏置时p-n结内的电子和空穴复合产生光子的电致发光器件. GaAs的Eg=1.435eV, 故可用它来制作0.85 m波长的红外LED，InGaAsP的Eg= 0.75 1. 35eV， 对应的发射波长为1.65 0.92 m ，考虑到光纤的低损耗窗口， InGaAsPLED的发射波长选为1.31

27、m和1.55 m。光功率P=N光光 E/t，而光子数目N光光=N电电 （N电电：受激电子数目； ：量子效率；E：能量； t：时间。I=N电电 e/t N电电= It/e P= N电电 E /t= It/e E /t= I E /e 其中：E 的单位是焦耳，如果用电子伏特eV来度量E ，I的单位是mA,则：P(mW)= I(mA) E(eV) I主要性能指标主要性能指标*波长通常为：波长通常为： 780, 850, 1300 nm*总输出功率大于几总输出功率大于几 W mW*光谱宽度光谱宽度 30 100 nm*相干长度约为相干长度约为 0.01 0.1 mm *偏振较小或不偏振偏振较小或不偏振

28、*大的大的 NA (难于将光耦合进光纤难于将光耦合进光纤)3、LED的主要性能指标的主要性能指标SLEDSLED的的P-IP-I特性特性LED的P-I特性是指输出功率随注入电流的关系。LED的输出功率P与注入电流I的关系为: p = aI ，表明LED的P-I曲线应该具有线性关系.但实际上只有在注入电流 I较小时,它们才具有近似的线性关系,当注入电流I较大时,P-I曲线会出现饱和现象.LED的的P-I特性特性驱动电流（驱动电流（mA）876543210输出光功率输出光功率(mW)LED的耦合效率的耦合效率LED的发射功率尽管可以超过10mw,但因与光纤的耦合效率很低,从光纤中输出的光功率最大也

29、只能达到100 u W左右(损耗20dB左右).耦合耦合输出输出光功光功率率(uW)驱动电流（驱动电流（mA）a)面发射LED（朗伯源）b)边发射LEDc)双异质结LEDLED的辐射模式的辐射模式LED的温度特性的温度特性当温度上升时，功率下降。2dB/65C.LED的波长和光谱宽度的波长和光谱宽度峰值波长p由禁带宽度决定。一般给出最大最小值，如AMP公司的SLED为1290nm和1350nm；而EELED为1270nm和1330nm。光谱宽度 是用半最大宽度FWHM来度量，如图。当温度升高， 变大；0.38nm/C。当正向电流增加， 变大；0.69nm/mA。某SLD的光谱特性LED的电特性

30、的电特性包括：正向电压、电容和漏泻电包括：正向电压、电容和漏泻电流。流。制作商通常给出制作商通常给出U-I关系：关系：LED的U-I特性是指正向压降随注入电流的关系。当I=100mA时，正向压降通常小于2V, 反向击穿电压2-4V，串联电阻1-4。 LED的伏安特性如图所示。 正向电流（正向电流（mA）(250C)正向电压（正向电压（V）电容电容C电容C是LED的固有特性。来源：（1）电荷电容（与p-n结有关）；（2）扩散电容（与有源区载流子寿命有关）。电容C限制了其调制带宽。例如：一个SLED的电容为20pF,带宽为200MHz（当 p = 865 nm），而SLED的电容为200pF,带宽

31、为125MHz（当 p =1320 nm）。这也是LED电容的典型值。漏泻电流漏泻电流漏泻电流是由少数载流子（ p区中的电子和n区中的空穴 ）的流动引起的。载流子流动由热能引起。漏泻电流可以用反偏电压来度量。载流子寿命载流子寿命 上升上升/下降时间和带宽下降时间和带宽载流子寿命载流子寿命是指其从被激活（即到达耗尽区）到被复合之间的这段时间（一般为几ns 几ms）。是根据脉冲最大值的10%到90%的时间来定义的。如右上图。理想的阶跃型脉冲响应如图虚线所示；实线为由于上升/下降时间造成的脉冲失真。上升上升/下降时间下降时间2 . 2/ )107 . 1 ( 2 . 241pICKTt其中：为载流子

32、寿命；C为LED的电容；TK表示开尔文绝对温度。（ 0 C=273K）归归一一化化输输出出功功率率电流（电流（mA）上升/下降时间表明输出光脉冲是怎样随着电调制而改变的。如右下图。上升上升/下降时间下降时间电调制带宽BW是指当电功率衰减到0.707时的调制频率范围。在电子学中有其与上升时间关系式：BW=0.35/t1LED调制带宽是在输出光功率下降到-3dB时的频带宽度。LED的频响受复合寿命的影响，其关系为： BW= 3dB=1/调制带宽调制带宽BW即：增加LED的带宽是以输出功率为代价。 功率带宽积功率带宽积常数PBW复习题复习题 3.1.1 3.1.1 当量子效率为1%，峰值波长是850

33、nm时， LED发射出的功率为多少？谐振器间长度0.3mm,工作为1550 nm 1550 nm ，增益曲线的线宽等于9nmnm，则法不里-珀罗激光器能产生多少纵模？分布反馈激光器的工作原理是什么?DFB代表什么？这种激光器与其它激光器的区别是什么？你怎么确定激光器的域值电流？3.3 3.3 光电探测器光电探测器 P-N光电二极管光电二极管 PINPIN光电二极管光电二极管 雪崩光电二极管雪崩光电二极管光通信用光电探测器：光通信用光电探测器：3.3 3.3 光电探测器光电探测器 P-N光电二极管光电二极管一个能量为Ep =hf =hc/ Eg的光子射入光电二极管时，被吸收的光子能量被电子获得。

34、于是，导带中的电子被激活，能够运动。光能单位时间内的光子数目乘上单个光子的能量转化为电流。图3.3-1 p-n光电二极管的工作原理a)能带图 b) p-n结 c)电路输入输出特性：输入输出特性：输入光功率P，输出光电流I，射入光电二极管激活区的光子越多，产生的载流子越多，光电流越大。I=RP （3.3-1）R是常量（响应度）。其关系如下图所示：图3.3-2光电二极管的响应度a)输入输出特性 b) 响应度和波长的关系 c)暗电流例题：例题：光电二极管的响应度是0.85A/W，饱和输入光功率是1.5mW，当入射光功率是1mW和2mW时，光电流分别是多少？I=RP= 0.85A/W 1.5mW= 0

35、.85mA当输入光功率是2mW时，公式I=RP不适用，因此我们无法得到光电流的值。解：当输入光功率是1mW时，由I=RP，可得，PIN光电二极管（光电二极管（PhotodiodesPhotodiodes） 高线性高线性,低暗电流低暗电流n+PIN光电二极管的结构如图3.3-5所示。其在P区和N区之间夹有一层厚的本征层。“本征” “天然的”、“不掺杂的”。P-I-N的完整意思：正极-本征-负极。实际上，本征区是轻掺杂的（N型），所以电子浓度很高，大大提高了光电转换效率。PIN光电二极管是在反向偏压作用下使用的，一般为-5V左右。当光入射到PIN结时，由于光激发产生的光生载流子电子和空穴经过扩散和

36、漂移，形成了通过PIN结的光电流。图3.3-5 PIN光电二极管光生载流子通过PIN结时间很短，这是因为虽然I层较厚，但它处于一个强的反向电场作用下，所以载流子以快的漂移速度通过I层。光生载流子通过两边P与N区时，是以比较慢的扩散速度前进的，但因P层和N层均较薄，这样总的来说就提高了PIN管的响应速度。目前PINPIN光电二极管带宽以达光电二极管带宽以达110GHz110GHz。雪崩光电二极管雪崩光电二极管Avalanche photo diode (APD)内置放大，不引入外部电路相关噪声。增益提高增益提高x100 x100，接收大于接收机电噪，接收大于接收机电噪声的光信号声的光信号是高速、

37、高灵敏度的接收器是高速、高灵敏度的接收器极大的温度倚赖性极大的温度倚赖性主要性能主要性能增益带宽积增益带宽积暗电流暗电流响应响应Bias VoltageAPD Gain1、工作原理：在光电二极管上加相对较高的反向电压（20V左右），该电压使光生电子和空穴加速并获得高能量。这些高能电子和空穴射入中性原子中，分离出其它电子和空穴。而二级载流子也获得足够能量去离化其它载流子，形成雪崩过程。这就意味着光电二极管在内部放大了光电流。（其量子效率10到100）产生二次载流子的过程称为冲击离化。图3.3-6雪崩光电二极管（APD）距离简单归纳其工作原理为：高的反向偏置电压，碰撞电离，产生一次光生载流子、二次

38、光生载流子APD的平均雪崩增益G：是个复杂的随机过程G是一个统计平均值其结构如图3.3-6所示。光子穿过重掺杂的p+区，进入本征区，在这里产生电子空穴对。反向电压分离这些光生电子空穴，并将其移向pn+结，这里存在一个105V/cm的高电场，这个电场聚集载流子，并冲击导致离化。探测器材料探测器材料 Silicon (Si)Silicon (Si) 最便宜最便宜 Germanium (Ge)Germanium (Ge) 常用常用 Indium Indium gallium gallium arsenide arsenide (InGaAs)(InGaAs) 高速高速SiliconWavelengt

39、h nm50010001500GermaniumInGaAsQuantum Efficiency = 10.10.51.0Responsivity (A/W)复习题复习题3.33.31、光电二极管的主要功能是什么？2、 InGaAs光电二极管的量子效率是70%，它的响应度是多少？3、响应度是如何依赖光信号的波长的？4、P-I-N代表什么意思？5、与P-N光电二极管相比P-I-N的优点是什么？6、与P-I-N光电二极管相比APD的优点是什么？7、APD的缺点是什么？四、光无源器件四、光无源器件 1.光纤的连接、光纤连接器光纤的连接、光纤连接器 2.光衰减器光衰减器 3.光纤定向耦合器光纤定向耦合

40、器 4.波分复用器波分复用器 5.光隔离器光隔离器 6.光环形器光环形器 7.光滤波器光滤波器 8.光开关光开关 9.光调制器光调制器1、光纤的连接、光纤连接器光纤的连接、光纤连接器 “跳线” 连接光器件和光仪器，通过“法兰盘” 连接同类 “跳线” FC/PC 光纤连接器 SC 光纤连接器 ST 光纤连接器 SMA 光纤连接器 CATV 光纤连接器分为：固定连接固定连接和活动连接活动连接，活动连接器典型的：插入损耗0.25dB,回波损耗-50dB2. 2.光衰减器光衰减器一、分类：固定衰减器（绕线、拉锥等）可变衰减器（光-机械装置）二、可变衰减器原理典型的：衰减范围0-60dB,分辨率0.5d

41、B，插入损耗2dB光衰减器是减少传输光功率的装置。自聚焦透镜衰减片自聚焦透镜光衰减器原理示意图 光可变衰减器原理图 输入光输出光棱镜圆盘式衰减片 3. 3.光纤定向耦合器光纤定向耦合器分类：分类： 标准耦合器 宽带耦合器 双窗口宽带耦合器原理原理 熔锥型 磨抛型耦合器是实现光的分路、合路的器件。主要指标：附加损耗、耦合比研磨法光纤22耦合器原理示意图 熔锥光纤22耦合器示意图 任何一臂的入射光，可以耦合到任何一个出射臂。50% / 50% (3 dB)是最常用的 4 端口形式。1%, 5% or 10% taps (often 3 port devices) 附加损耗-Excess Loss

42、(EL):耦合比：CR(dB)=-10log10P1/(P1+P2)EL = -10 log10 PoutPin直通臂(P1)耦合臂(P2)P011NM星形耦合器 光时分复用器件10Gb/ssignal input410Gb/ssignal output 410Gb/s multiplexer with six fiber 12 couplers 410Gb/s multiplexer with two fiber 14 couplersFiberCouplerFiberCoupler4.4.波分复用器波分复用器Wavelength-division multiplexers (WDM)-波分

43、复用器-的形式:3 端口器件 (第4端口不用)1310 / 1550 nm (“经典” WDM技术)1480 / 1550 nm 和 980 / 1550 nm 用于光放大器(后面章节详述)1550 / 1625 nm 用于网络监控插入损耗和隔离度:对传输通道的波长，具有低插入损耗 ( 1 dB)传输通道波长对另一波长有高损耗 (20 to 50 dB) :I10=-10log10P1(1)/P0 (1), I20=-10log10P2(1)/P0 (1)Common 1 2A、分类、分类熔锥型(粗WDM)多层干涉滤光膜型(细WDM DWDM)棱镜分光型(粗WDM)光栅型-体光栅、光纤光栅(粗

44、WDM，细WDM )阵列波导光栅(细WDM DWDM)B、原理、原理直通臂(P1)耦合臂(P2)P0 熔锥型波分复用器波分复用器P1=Pincos2K()zP2=Pinsin2K()z其中z是耦合区的长度，K()为耦合系数，当K()z= /2， P1=0， P2=Pin棱镜分光型波分复用器波分复用器Multiplexers (MUX) / Demultiplexers (DEMUX)DWDM的关键器件技术分类：串联介质滤光器Cascaded FBGsPhased arrays (see later)低串扰，有利于解复用干涉滤光片型波分复用器波分复用器 1 16 1 15 16 1 14 15输

45、入光纤14320 (监管信道)干涉滤光膜光栅型波分复用器波分复用器-体光栅主最大强度的方向由下式给出：d sin=m / = m/ d cos其中d为光栅周期， 为衍射角， m = 0，1， 2，等等， 为角分离， 为波长间隔。输入光输入光 1 4 3 21. 体光栅型体光栅型布拉格光栅布拉格光栅 1 16 1 15 16 16 16 1 15、 16 1 15、 16FBG环形器环形器光纤光栅型波分复用器波分复用器其反射波长成为布拉格波长（ B ）由下面的布拉格条件确定：2neff=B其中为光栅周期，neff为有效纤芯折射率。Array Waveguide Grating (AWG) 1a

46、3a 2a 4a 1b 3b 2b 4b 1c 3c 2c 4c 1d 3d 2d 4d 1a 3c 2d 4b 1b 3d 2a 4c 1c 3a 2b 4d 1d 3b 2c 4a行行. 转化为转化为 . 列列自由空间扇型波导扇型波导波导光栅NTT：256波，间隔0.2nm，3dB带宽0.12nm，插入损耗4.4-6.4dB，串扰-33dB，偏振相关波长差0.03nm，需要温控。5.5.光隔离器光隔离器Isolators 主要应用: 单向传输，阻挡背向光，保护激光器、光纤放大器 插入损耗: 前进方向，低插入损耗 (0.2 to 2 dB) 高隔离度:背向损耗，20 到 40 dB 单级,

47、40 到 80 dB 双级) Return loss: -带连接器的回波损耗 60 dB 设计隔离器中的问题： -偏振敏感、波长依赖、法拉第旋光器的温度依赖。Faraday效应：在外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振面发生旋转。具有这种效应的材料叫磁光材料。磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场，与光的传播方向无关（非互易）。这种效应与材料的固有旋光效应不同，在固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光的传播方向，与外加磁场无关(互易)。光隔离器原理光隔离器原理示意图 外加磁场外加磁场反射光出射光45外加磁场外加磁场入射光出射光45FaradayFaraday旋磁材料旋磁材料外加磁场外加磁场外

48、加磁场外加磁场固有磁光材料固有磁光材料4545磁光材料的光偏转角：磁光材料的光偏转角：L L (m)光和磁场相互作用区的长度光和磁场相互作用区的长度（毫米）（毫米）H H (A/m=T)沿光传播方向的沿光传播方向的磁场强度（奥斯忒）磁场强度（奥斯忒） (rad / (A/m) /m )材料的材料的维尔德常数维尔德常数（度（度/ /奥斯忒奥斯忒毫米）毫米）=HL偏振无关偏振无关光隔离器的工艺结构光隔离器的工艺结构RR(450) FR (450) RR(450) FR (450) oeeeoooePBS6.光环行器光环行器- - Circulators 光纤环形器是一种非可逆装置，如下图所示，技术

49、类似于光隔离器 插入损耗 0.3 到 1.5 dB, 隔离度 20 到 40 dB，带宽20nm 典型结构: 3 端口器件Fast Slow 光环行器的原理光环行器的原理eRR(450) FR (450) eeooRR(450) FR (450) ooe端口端口1端口端口1端口端口2端口端口2端口端口3反射镜反射镜偏振合波器偏振合波器光环形器光环形器+ +CFBG的色散补偿原理Chirped periodic refractive Index variation321Incident13tDispersed signal (normal dispersion)ReflectedtReshape

50、d signal123Dispersive fiber Dispersed pulse Circulator R BINOUTblue red DCM module7.光滤波器光滤波器光滤波器是允许特定波长范围通过的器件。分为：固定、可调光滤波器1）固定固定光滤波器：光滤波器：熔锥、马赫-陈德尔干涉仪、法步里-珀罗滤波器、衍射光栅、薄膜干涉滤波器、光纤光栅等。1）可调可调光滤波器：光滤波器：熔锥、法步里-珀罗滤波器、衍射光栅、马赫-陈德尔滤波器、声光可调滤波器、光电可调滤波器等等。Filter Characteristics i-1 i i+1PassbandCrosstalkCrosstal

51、k 带通-Passband 插入损耗 纹波（Ripple） 波长(peak, center, edges)带宽（Bandwidths） (0.5 dB, 3 dB, .) Polarization dependence 带阻-Stopband 串扰 带宽 (20 dB, 40 dB, .)固定滤波器介质滤波器-Dielectric Filters（薄膜干涉滤波器）薄膜干涉滤波器）利用多层膜干涉效应。若每层厚度是/4，那么当入射角=0时，波长为的光通过每层后相移,见下图，反射波与入射波相位相反，相消干涉，波长/4/4薄膜干涉薄膜干涉为的光将不被反射。这就是滤波。若采用每层厚度是/2，那么反射将为相长干涉。介质滤波器-Dielectric Filters 特点： 具有交替不同折射率介质的薄膜层 多光束干涉导致相干迭加和相消 滤波器种类和带宽 (0.1 to 10 nm) 插入损耗（Insertion loss） 0.2 to 2 dB, 隔离度 30 to 50 dBLayersSubstrateIncoming SpectrumReflected SpectrumTransmitted Spectrum1535 nm1555 nm0 d