光纤通信第03章

1、 第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件 3.1 光源光源 3.2 光检测器光检测器 3.3 光无源器件光无源器件 一、光源的作用一、光源的作用 将电流形式的电能转变为光能，产生光将电流形式的电能转变为光能，产生光载波，并把光耦合进光纤。载波，并把光耦合进光纤。二、二、 光源的分类光源的分类 半导体激光器、半导体发光二极管、非半导体激光器、半导体发光二极管、非半导体激光器半导体激光器3.1.1 概述概述三、 对光源的技术要求 （1）合适的发光波长）合适的发光波长 （2）足够的输出功率）足够的输出功率 （3）输出效率高）输出效率高 （4）光谱宽度窄）光谱宽度窄 （5）聚光性好）聚光性好四、四、

2、 作为光源的物质的发光机理作为光源的物质的发光机理 光与物质之间存在光与物质之间存在三种三种不同的作用过程，不同的作用过程，分别是自发辐射、受激辐射和受激吸收。分别是自发辐射、受激辐射和受激吸收。 1. 自发辐射自发辐射 （1） 没有外界作用的条件下自发产生的，属没有外界作用的条件下自发产生的，属于自发跃迁；于自发跃迁； （2） 发射出的光子频率不同；发射出的光子频率不同； （3） 自发辐射光为非相干光。自发辐射光为非相干光。2. 受激辐射受激辐射（1） 外来光子能量等于跃迁能级差；外来光子能量等于跃迁能级差；（2） 受激辐射出来的光子和外来光受激辐射出来的光子和外来光 子是全同光子；子是全同

3、光子；（3） 入射光得到放大。入射光得到放大。3. 受激吸收受激吸收（1） 必须有外界光子，是受激跃迁；必须有外界光子，是受激跃迁；（2） 外来光子能量等于电子跃迁的能外来光子能量等于电子跃迁的能 级之差；级之差；（3） 不放出能量，而是消耗外来光能。不放出能量，而是消耗外来光能。 图图 3.1能级和电子跃迁能级和电子跃迁 (a) 受激吸收；受激吸收； (b) 自发辐射；自发辐射； (c) 受激辐射受激辐射 hf12初态E2E1终态E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf123.1.2 半导体激光二极管半导体激光二极管 激光激光（LASER），就是英文就是英文 Light Amplifi

4、cation by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射（受激辐射的光放大）的缩写。因此所谓激光就是的光放大）的缩写。因此所谓激光就是受激辐射发出的光。受激辐射发出的光。一、一、 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理1. 粒子数反转（集居数反转）粒子数反转（集居数反转） 由于电子总是抢先占据低能级，因由于电子总是抢先占据低能级，因此在热平衡状态下，高能级上的电子数此在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级上电子数。要少于低能级上电子数。 所谓所谓粒子数反转粒子数反转就是指高能级的电就是指高能级的电子数多于低能级上的电子数。子数多于低能级上的电

5、子数。2. PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期性有序排列构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。成的共价晶体。 在这种晶体中，由于邻近原在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如图分布的能带，如图3.2。 能量低的能带称为价带，能量高的能带能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量和价带顶的能量Ev之间的能量差之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带称为禁带宽度或带隙。隙。电子不可能占据禁带。电子不可能占据禁带。 图图 3.2

6、半导体的能带和电子分布半导体的能带和电子分布 (a) 本征半导体；本征半导体； (b) N型半导体；型半导体； (c) P型半导体型半导体 Eg/2Eg/2EfEcEvEg导 带价 带能 量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)PN结的形成结的形成 一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，在本征半导体中掺入施主杂质的，在本征半导体中掺入施主杂质(负价离子），称为负价离子），称为N型半导体；若掺入受主杂质（正价离子），则称为型半导体；若掺入受主杂质（正价离子），则称为P型半导体。型半导体。 在在PN结界面上，结界面上， 由于存在多数

7、载流子的梯度，因由于存在多数载流子的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场。内部电场产生与扩而产生扩散运动，形成内部电场。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到散相反方向的漂移运动，直到P区和区和N区的区的Ef相同，两相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。这时种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。这时在在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。 图 3.3PN结的能带和电子分布(a) P - N结内载流子运动；(b) 零偏压时P - N结的能带图； (c

8、) 正向偏压下P - N结能带图 h fh fEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴( c )势垒能量EpcP 区EncEfEpvN 区Env( b )P 区PN结空间电荷区N 区内部电场 扩散 漂移( a ) 电子运动方向与电场方向相反，便使电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子区的电子向向P区运动，区运动，P区的空穴向区的空穴向N区运动，最后在区运动，最后在PN结形成结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。3. 激光振荡和光学谐振腔激

9、光振荡和光学谐振腔 粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。和激光振荡输出。 由于谐振腔内激活物质存在吸收，由于谐振腔内激活物质存在吸收， 反射镜存在反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时，相当时， 在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡， 其阈值条件为其阈

10、值条件为211ln21RRLth 式中，式中，为激光波长，为激光波长，n为激活物质的折射为激活物质的折射率，率，q=1, 2, 3 称为纵模模数。称为纵模模数。 nqL2 并不是所有的光都能形成振荡，必须是那些并不是所有的光都能形成振荡，必须是那些辐射方向与镜面垂直，并且在腔中往返一次的辐射方向与镜面垂直，并且在腔中往返一次的相位差正好是相位差正好是2的整数倍的光才能形成振荡。的整数倍的光才能形成振荡。 即腔长满足：即腔长满足：4. 半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构 半导体激光器从结构上可以分为半导体激光器从结构上可以分为同质结同质结、单异质单异质结结和和双异质结双异质结激光器三种

11、。激光器三种。 同质结激光器同质结激光器是由同一种半导体材料制成的激光是由同一种半导体材料制成的激光器。器。 单异质结激光器单异质结激光器的的PNPN结是由两种不同的半导体材结是由两种不同的半导体材料制成的。料制成的。 双异质结激光器双异质结激光器是指在同一块单晶上形成两个双是指在同一块单晶上形成两个双异质结，即中间的半导体材料和两侧都不相同。异质结，即中间的半导体材料和两侧都不相同。 二、二、 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个

12、能量近似等于禁带宽到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度度Eg(eV)， 因为因为hf=Eg，f=c/， 得到发射波长得到发射波长ggEEhc24. 1 由于不同的半导体具有不同的禁带宽度，由于不同的半导体具有不同的禁带宽度，因而不同的半导体有不同的发射波长。因而不同的半导体有不同的发射波长。激光器的光谱特性：激光器的光谱特性： 纵模的数量随着驱动电流的增大而减少。纵模的数量随着驱动电流的增大而减少。 2. 激光束的空间分布激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场和远场来描述。激光束的空间分布用近场和远场来描述。 近场近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，是指激光器输出反射镜面上的光

13、强分布，远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 近场和远场是由谐振腔的横向尺寸，即平行近场和远场是由谐振腔的横向尺寸，即平行于于PN结平面的宽度结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度和垂直于结平面的厚度t所所决定，并称为激光器的横模。决定，并称为激光器的横模。图图 3.8 GaAlAsDH条形激光器的光束空间分布图条形激光器的光束空间分布图 W10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近场图样0.1rad远场图样 3. 转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 激光器的电激光器的电/光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率

14、d表示，表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数子数)(edhfththIIpphfeIpeIIhfppththd/ )(/ )(由此得到激光器的输出光功率为由此得到激光器的输出光功率为 激光器的光功率特性通常用激光器的光功率特性通常用P -IP -I曲线表示，曲线表示，图图3.103.10是典型激光器的光功率特性曲线。是典型激光器的光功率特性曲线。 当当IIIIthIth时，发出的是受时，发出的是受激辐射光，激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。光功率随驱动电流的增加而增加。 4. 频率特性频率特性 在直接光强调制下，在直接光强

15、调制下， 激光器输出光功率激光器输出光功率P和调制和调制频率频率f的关系为的关系为 2222)/(4)/(1 )0()(ffffpfp)1(1210IIIIfthhpsp 式中，式中，f fr r和和分别称为弛豫频率和阻尼因子，分别称为弛豫频率和阻尼因子，I Ithth和和I I0 0分别为阈值电流和偏置电流；分别为阈值电流和偏置电流；II是零增益电流，高掺杂是零增益电流，高掺杂浓 度 的浓 度 的 L DL D ， I = 0I = 0 ， 低 掺 杂 浓 度 的低 掺 杂 浓 度 的 L D , L D , I=(0.70.8)II=(0.70.8)Ithth；spsp为有源区内的电子寿命

16、，为有源区内的电子寿命，phph为为谐振腔内的光子寿命。谐振腔内的光子寿命。 5. 5. 温度特性温度特性 激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：激光器输出光功率随温度而变化有两个原因： 一是激光器的阈值电流一是激光器的阈值电流I Ithth随温度升高而增大，二是随温度升高而增大，二是外微分量子效率外微分量子效率d d随温度升高而减小。温度升高时，随温度升高而减小。温度升高时，I Ithth增大，增大，dd减小，减小， 输出光功率明显下降，达到一输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。定温度时，激光器就不激射了。 图图3.123.12示出脉冲调制的激光器，由于温度升高示出脉冲调

17、制的激光器，由于温度升高引起阈电流增加和外微分量子效率减小，造成的输引起阈电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性出光功率特性P - IP - I曲线的变化。曲线的变化。图图 3.12 P I曲线随温度的变化曲线随温度的变化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射3.1.3 半导体发光二极管半导体发光二极管一、一、 半导体发光二极管的结构半导体发光二极管的结构 主要有面发光二极管、边发光二极管、超主要有面发光二极管、边发光二极管、超发光二极管、平面二极管和圆顶型二极管五种。发光二极管、平面二极管和圆顶型二极管五种。二、二、 半导体发光二极管的

18、工作特性半导体发光二极管的工作特性 1. 光谱特性光谱特性 发光二极管发射的是自发辐射光，发光二极管发射的是自发辐射光， 没有谐振没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，随着温度升高或驱腔对波长的选择，谱线较宽，随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移动。向移动。 2. 2. 光束空间分布特性光束空间分布特性 发光二极管输出光束的发散角比较大。在平发光二极管输出光束的发散角比较大。在平行于行于PNPN结方向，发散角约为结方向，发散角约为12001200，而垂直，而垂直PNPN结方结方向面发光二极管为向面发光二极管为12001200，边发

19、光二极管为，边发光二极管为300300。由于发散角大，它与光纤的耦合效率低，故一般由于发散角大，它与光纤的耦合效率低，故一般只用于短距离的通信。只用于短距离的通信。 3. 输出光功率特性输出光功率特性 由于发光二极管为无阈值器件，随着注入电流的由于发光二极管为无阈值器件，随着注入电流的增加，输出光功率近似呈线性增加。但当注入电流增增加，输出光功率近似呈线性增加。但当注入电流增大到一定程度时，由于大到一定程度时，由于PN结过热，曲线呈饱和趋势。结过热，曲线呈饱和趋势。 4. 频率特性频率特性 发光二极管的频率响应可以表示为发光二极管的频率响应可以表示为 式中，式中，f f为调制频率，为调制频率，

20、P(fP(f) )为对应于调制频率为对应于调制频率f f的输出光的输出光功率，功率，ee为少数载流子为少数载流子( (电子电子) )的寿命。定义的寿命。定义fcfc为发光二极为发光二极管的截止频率，当管的截止频率，当f=f=fcfc=1/(2e)=1/(2e)时时| |H(fcH(fc)|= )|= ， 最高调制频率应低于截止频率。最高调制频率应低于截止频率。 212)2(11) 0()()(efPfpfH 图图 3.17 发光二极管发光二极管(LED)的频率响应的频率响应 e1.1 nse2.1 nse 6.4 ns1001000100.110调制频率f / MHz频率响应 H( f )三、

21、三、 LD和和LED的主要差别的主要差别（1）发光原理不同）发光原理不同（2）光的性质不同）光的性质不同（3）适用范围不同）适用范围不同3.2.1 3.2.1 概述概述一、光检测器的作用一、光检测器的作用 把光信号转变成电信号，即把原始的电信号把光信号转变成电信号，即把原始的电信号重现。重现。二、光检测器的分类二、光检测器的分类 按工作原理可以把光检测器分为热器件和光按工作原理可以把光检测器分为热器件和光子器件两类。子器件两类。三、三、 对光检测器的要求对光检测器的要求（1）响应度高）响应度高（2）响应速度快）响应速度快（3）噪声小）噪声小（4）功耗小）功耗小（5）稳定可靠，体积小，使用简便）

22、稳定可靠，体积小，使用简便 3.2.2 光检测器的工作原理光检测器的工作原理 一、一、 光电效应光电效应 由于由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，中性区吸收， 因而光电转换效率低，而耗尽层以外因而光电转换效率低，而耗尽层以外产生的光电子和空穴由于没有内部电场的加速，运产生的光电子和空穴由于没有内部电场的加速，运动速度很慢，因而响应速度低。动速度很慢，因而响应速度低。 为了克服光电二极管的缺点，改善响应速度和为了克服光电二极管的缺点，改善响应速度和转换效率，必须加大耗尽层的宽度。转换效率，必须加大耗尽层的宽度。 增大耗尽层宽度的措施只有两种：一

23、是增大反增大耗尽层宽度的措施只有两种：一是增大反向电压，一是减小向电压，一是减小PN结的掺杂浓度。结的掺杂浓度。二、二、 PIN光电二极管光电二极管 PIN光电二极管就是通过减小掺杂浓度来增光电二极管就是通过减小掺杂浓度来增大耗尽层宽度的。大耗尽层宽度的。 PIN光电二极管是在光电二极管是在P型材料和型材料和N型材料之型材料之间夹了一层轻掺杂的间夹了一层轻掺杂的N型半导体材料，称为型半导体材料，称为I层。层。由于是轻掺杂，故电子浓度很低，扩散后可以由于是轻掺杂，故电子浓度很低，扩散后可以形成一个很宽的耗尽层。形成一个很宽的耗尽层。 PIN光电二极管的缺陷：光电二极管的缺陷： 1. 需要放大需要

24、放大 2. 引入噪声引入噪声三、三、 雪崩效应雪崩效应 I0NPP(N)光四、四、 雪崩二极管（雪崩二极管（APDAPD） 根据根据APD的结构形式可将其分为保护环形雪崩的结构形式可将其分为保护环形雪崩二极管二极管(GAPD )和拉通型雪崩二极管和拉通型雪崩二极管(RAPD)两种。两种。我们在光纤通信中使用的是我们在光纤通信中使用的是RAPD。1. RAPD的结构原理的结构原理2. APD的特点的特点3. （1）优点：有增益的光检测器件）优点：有增益的光检测器件4. （2）缺点：）缺点：a.倍增噪声倍增噪声 b.对温度变化敏感对温度变化敏感5. c.反向电压高反向电压高 d.成本高成本高 3.

25、2.3光电检测器的特性光电检测器的特性ehfPIhfPeIPP00/一、一、 光电转换效率光电转换效率 1. 量子效率：表示入射光子能够转换为光电流的量子效率：表示入射光子能够转换为光电流的概率。它定义为一次光生载流子和入射光子数的比概率。它定义为一次光生载流子和入射光子数的比值：值：其中：其中：Ip为一次光生电流，为一次光生电流，P0为入射光功率，为入射光功率，e为电子电量，为电子电量，hf为光子能量。为光子能量。2. 响应度：表示单位入射光功率所产生的光电流。响应度：表示单位入射光功率所产生的光电流。hfePIp0二、二、 响应时间响应时间 光电二极管产生光电流的响应时间主要取决于光电二极

26、管产生光电流的响应时间主要取决于以下几个因素：以下几个因素： （1）耗尽区光生载流子的渡越时间）耗尽区光生载流子的渡越时间 （2）耗尽区外光生载流子的扩散时间）耗尽区外光生载流子的扩散时间 （3）光电二极管及其相关电路的）光电二极管及其相关电路的RC时间常数时间常数三、三、 响应波长响应波长 入射光能量必须大于半导体材料的禁带宽入射光能量必须大于半导体材料的禁带宽度才能发生光电效应，对应于最小入射光能度才能发生光电效应，对应于最小入射光能量的波长称为响应波长，即：量的波长称为响应波长，即：gcEhc 噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光

27、接收机的灵敏度。直接影响光接收机的灵敏度。 光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流产生光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声的散粒噪声(Shot Noise)和由负载电阻和后继放大器和由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。输入电阻产生的热噪声。 噪声通常用均方噪声电流噪声通常用均方噪声电流(在在1负载上消耗的噪声负载上消耗的噪声功率功率)来描述。来描述。 四、噪声四、噪声均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流均方热噪声电流均方热噪声电流BIIeidpsh 22RkTBiT42总均方噪声电流：总均方噪声电流：RkTBBIIeidp4)(22五、五、 雪崩倍增因子雪崩倍增因子 倍增因

28、子倍增因子g定义为定义为APD输出光电流输出光电流Io和一次光和一次光生电流生电流IP的比值。的比值。 PIIg0 APD的倍增因子与它两端所加的反向偏压有关，的倍增因子与它两端所加的反向偏压有关，反向偏压越大，反向偏压越大，g就越大。它们的关系可以表示就越大。它们的关系可以表示为：为：nBnBURIUUUIg/ )(11)/(100当当UUB时，雪崩倍增因子时，雪崩倍增因子g获得最大值：获得最大值：210pBBnRIUnRIUgI0=gIpAPD的倍增因子一般在的倍增因子一般在40100之间，之间，PIN光电光电二极管没有雪崩倍增作用，因而倍增因子是二极管没有雪崩倍增作用，因而倍增因子是1。

29、六、六、 倍增噪声和过剩噪声因子倍增噪声和过剩噪声因子倍增噪声用过剩噪声因子倍增噪声用过剩噪声因子F（雪崩效应的随机（雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数）来表示：性引起噪声增加的倍数）来表示：xgF X为过剩噪声指数，一般在为过剩噪声指数，一般在0.31范围内，对范围内，对于硅于硅APD，x=0.30.5，对于锗，对于锗APD，x=0.81在选取在选取APD时应尽量选择时应尽量选择x比较小的管子比较小的管子 如果不考虑别的因素，如果不考虑别的因素，APD的均方噪声电的均方噪声电流为流为 i2q=2 e （IP+ Id ）B g2 考虑了倍增噪声后，考虑了倍增噪声后，APD的均方噪声电流的均方噪

30、声电流应为应为 i2q=2e （IP+ Id ）B g2+x 式中，式中， x为附加噪声指数。为附加噪声指数。 1. 1. 连接器和接头连接器和接头 2. 2. 光耦合器光耦合器 3. 3. 光隔离器与光环形器光隔离器与光环形器 4. 4. 光调制器光调制器 5. 5. 光开关光开关 3.3.13.3.1连接器和接头连接器和接头 连接器是实现光纤与光纤之间连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸可拆卸(活动活动)连接连接的器件，的器件， 主要用于光纤线路与光发射机输出或光接主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接

31、。的连接。 接头是实现光纤与光纤之间的接头是实现光纤与光纤之间的永久性永久性(固定固定)连连接接，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实，主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。施。 光纤的连接方法主要有光纤的连接方法主要有光纤熔接法光纤熔接法、V型槽机械型槽机械连接连接和和弹性管连接弹性管连接三种。三种。 3.3.23.3.2光耦合器光耦合器 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出端口，或把多个输入端口的光信号组合成一个输出端口，或把多个输入端口的光信号组合成一个输出信号。输出信号。 1. 1. 耦合器类型耦合器类型 T形耦合器形耦合器 定向耦合器定向耦合器 星形耦合器星形耦合器 波分复用器波分复用器/解复用器解复用器(也称合波器也称合波器/分