程控交换与光纤通信3.1

1、第第 3 章章 通信用光器通信用光器 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第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件通信用光器件可以分为通信用光器件可以分为有源器件有源器件和和无源器件无源器件两种类两种类型。型。 有源器件包括有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、件是光发射机、 光接收机和光中继器的关键器件，光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、连接器、耦合器、波分复用器、调制器

2、、光开关和隔离器等，这些器件对光纤通信调制器、光开关和隔离器等，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。少的。3.1光源光源光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光半导体激光二极管二极管 (LD)和半导体发光二极管和半导体发光二极管 (LED)， 有些场有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。激光器。 3.1.1半

3、导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。1. 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为称为基态基态，能量比基态大的能级，能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 )称称为为激发态激发态。电子在低能级。电子在低能级E1的基态和高能级的基态和高能级E2的的激发态之间的跃迁有三种基本方式激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图见图3.1)： 图图 3.1能级和电子跃迁能级和电子跃迁 (a) 受激吸收；受

4、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)hf12hf12 (1) 在正常状态下，电子处于低能级在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图同数目的空穴，见图3.1(a)。 (2) 在高能级在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，的作用， 也会自动地跃迁到低能级也会自

5、动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图辐射，见图3.1(b)。 (3) 在高能级在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，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，见图这种跃迁称为受激辐射，见图3.1(c)。 受激辐射是受激吸收的逆过程。受激辐射是受激吸收的逆过程。 电子在电子在E1和和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的

6、光子能量都要满足波尔条件，即量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12 (3.1)式中，式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，为普朗克常数，f12为吸收为吸收或辐射的光子频率。或辐射的光子频率。 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏生的，其频率和方向分布在一定范围

7、内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。振态是混乱的，这种光称为非相干光。如果如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过，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，这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为这种物质称为吸收吸收物质物质。 如果如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过，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，这种物质称为这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活激活物质物质。N2N1的分布，和正常状态的分布，和正常状态(N1N2)的分布相的分布相反，所以反，所以称为粒子称为粒子(电子电子)数反转分布。数反转分布。 如何得到粒

8、子数反转分布状态：如何得到粒子数反转分布状态：PN结上加正向电结上加正向电压压。 3. 激光振荡和光学谐振腔激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粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的学谐振腔中，对光的频率和方向频率和方向进行选择，才能进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。获得连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和和R2的的平行反射镜构成平行反射镜构成 (如图如图3.4所示所示)，并被称为，并被称为法布

9、里法布里 - 珀珀罗罗(Fabry-Perot,FP)谐振腔谐振腔。 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。 图图 3.4激光器的构成和工作原理激光器的构成和工作原理 (a) 激光振荡；激光

10、振荡； (b) 光反馈光反馈 2n反射镜光的振幅反射镜L(a)初始位置光光强输出OXL(b)另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收，另一方面，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。当增益和损耗相当时，透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时， 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， 其其阈值条件阈值条件为为 th=+ 211ln21RRL 式中，式中，th为阈值增益系数，为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗为谐振腔内激活物质的损耗系数，系数，L为谐振腔的长度为谐振腔的长度,R1，R21为两个反射镜的反射率

11、为两个反射镜的反射率.激激光振荡的相位条件光振荡的相位条件为为qnLnqL22或 式中，式中，为激光波长，为激光波长，n为激活物质的折射率，为激活物质的折射率，q=1, 2, 3 称为纵模模数。称为纵模模数。 4. 半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 图图3.5示出的双异质结示出的双异质结(DH)平面条形结构。平面条形结构。结构中间有一层厚结构中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙的窄带隙P型半导型半导体，称为体，称为有源层有源层；两侧分别为宽带隙的；两侧分别为宽带隙的P型和型和N型半导体，型半导体， 称为称为限制层限制层。三层半导体置于基片。三层半导体置于基片(衬底衬底)上，前后两个晶体

12、解理面作为反射镜构成上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里法布里 - 珀罗珀罗(FP)谐振腔。谐振腔。 3.1.2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到价带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，这个能量近似等于禁带宽度时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式，由式(3.1)得到得到 hf=Eg式中，式中，f=c/，f(Hz)和和(m)分别为发射光的频率和波长，分别为发射光的频率和波长， c=3108m/s为光速，为光速，h=6.62810-34JS为普

13、朗克常数，为普朗克常数，1 eV=1.610-19 J，代入上式得到，代入上式得到ggEEhc24. 1 不同半导体材料有不同的禁带宽度不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不，因而有不同的发射波长同的发射波长。镓铝砷镓铝砷 -镓砷镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适材料适用于用于0.85 m波段，铟镓砷磷波段，铟镓砷磷 - 铟磷铟磷(InGaAsP-InP)材材料适用于料适用于1.31.55 m波段波段。 图图 3.7GaAlAs-DH激光器的光谱特性激光器的光谱特性 (a) 直流驱动直流驱动I=100mAI=85mAI=80mAI=75mAI=40mAI=35mAI=30mAI=25m

14、AI=0mA光谱特性光谱特性在直流驱动下，发射光波长有一定分布，在直流驱动下，发射光波长有一定分布，谱线具有明谱线具有明显的模式结构显的模式结构。这种结构的产生是因为在不同能级之。这种结构的产生是因为在不同能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光，间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光，其中只有符其中只有符合激光振荡的相位条件式合激光振荡的相位条件式(3.5)的波长存在。的波长存在。 这些波这些波长取决于激光器纵向长度长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。，并称为激光器的纵模。 由图由图3.7(a)可见，随着驱动电流的增加，纵模模数逐可见，随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，渐减少， 谱

15、线宽度变窄。谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。这种激光器称为静态单纵模激光器。图图3.7(b)是是300 Mb/s数字调制的光谱特性，数字调制的光谱特性， 由图可由图可见，见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽变宽。用用FP谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光

16、器，要得到光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用分布反馈激光器必须改变激光器的结构，例如采用分布反馈激光器就可达到目的。就可达到目的。 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。近场近场是是指激光器输出反射镜面上的光强分布，指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场远场是指离反是指离反射镜面一定距离处的光强分布。射镜面一定距离处的光强分布。 图图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场图条形激光器的近场图 W10 m20 m20 m30 m30 m50 m10

17、 m近场图样0.1rad远场图样图图3.8是是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图激光器的近场图和远场图.近场和远场是由谐振腔近场和远场是由谐振腔(有源区有源区)的横向尺寸，即平的横向尺寸，即平行于行于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所决所决定，并称为激光器的定，并称为激光器的横模横模。由图由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单很薄，这个方向的场图总是单横

18、模。横模。 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/光转换效率用外光转换效率用外微分量子效率微分量子效率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其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数光子数。)(edhfththIIpphfeIpeIIhfppththd/ )(/ )(由此得到由此得到 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 -I曲线表示，曲线表示，图图3.10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IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加

19、。动电流的增加而增加。 图 3.10典型半导体激光器的光功率特性 (a) 短波长AlGaAs/GaAs; (b) 长波长InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80工作电流I / mA单面输出功率P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工作电流I / mA输出功率P / mW(a)(b) 4. 频率特性频率特性 在直接光强调制下，在直接光强调制下， 激光器输出光功率激光器输出光功率P和调制频率和调制频率f的关系如图的关系如图3-11.0.010.11100.1110100fr调制频率f / GHz相对光功率图图3.11示出半

20、导体激光器的直接调制频率特性。弛张示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛张频率频率fr是调制频率的上限，一般激光器的是调制频率的上限，一般激光器的fr为为12 GHz。在接近在接近fr处，数字调制要产生弛张振荡，模拟调制要产处，数字调制要产生弛张振荡，模拟调制要产生非线性失真。生非线性失真。 5. 温度特性温度特性l 对于线性良好的激光器，输出光功率特性图对于线性良好的激光器，输出光功率特性图3.10所示。所示。l 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Ith随温度升高而增大，随温度升高而增大，二是外微分量子效

21、率二是外微分量子效率d随温度升高而减小。温度随温度升高而减小。温度升高时，升高时，Ith增大，增大，d减小，减小， 输出光功率明显下降，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。达到一定温度时，激光器就不激射了。图 3.12 P I曲线随温度的变化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射 3.1.3分布反馈激光器分布反馈激光器 普通激光器用普通激光器用FP谐振腔两端的反射镜，对激活物谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进行反馈，质发出的辐射光进行反馈，DFB激光器用靠近有源层激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构沿长度方向制作的

22、周期性结构(波纹状波纹状)衍射光栅实现衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。 图 3.13分布反馈(DFB)激光器 (a) 结构； (b) 光反馈 衍射光栅有源层N层P层输出光光栅有源层ba(a)(b)l如图如图3.13所示，由有源层发射的光，从一个方向向所示，由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射(如光线如光线a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反另一部分继续向

23、前传播，在邻近的光栅波纹峰反射射(如光线如光线b)。l如果光线如果光线a和和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。而其他波长的光将相互抵消。l虽然每个波纹峰反射的光不大，虽然每个波纹峰反射的光不大， 但整个光栅有成百但整个光栅有成百上千个波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。上千个波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。 DFB激光器与激光器与FP激光器相比，具有以下优点：激光器相比，具有以下优点： 单纵模激光器。单纵模激光器。 l由于由于FP谐振腔的长度较长谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，

24、因此要得到单纵模振荡非常困纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。难。lDFB激光器的发射光谱主要由光栅周期激光器的发射光谱主要由光栅周期决定决定。相当于相当于FP激光器的腔长激光器的腔长L，每一个，每一个形成一个微型谐形成一个微型谐振腔。振腔。l由于由于的长度很小，所以的长度很小，所以m阶和阶和(m+1)阶模之间的波阶模之间的波长间隔比长间隔比FP腔大得多，加之多个微型腔的选模作用，腔大得多，加之多个微型腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式就能获得足够的增益。很容易设计成只有一个模式就能获得足够的增益。 谱线窄，谱线窄， 波长稳定性好。波长稳定性好。 由于由于DFB激光器的每一个

25、栅距激光器的每一个栅距相当于一个相当于一个FP腔，腔，所以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的所以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，选择性大大提高， 谱线明显变窄，可以窄到几个谱线明显变窄，可以窄到几个GHz。 由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善。长上，因而波长的稳定性得以改善。 动态谱线好。动态谱线好。 DFB激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是FP激光器无法比拟的。尽管激光器无法比拟的。尽管DFB激光器在高速调制时激光器在高速调制时存在存

26、在,谱线有一定展宽，但比谱线有一定展宽，但比FP激光器的动态谱线的展激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。宽要改善一个数量级左右。啁啾啁啾:对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载流子的密度随着注入电流的变化而变化。这样使其载流子的密度随着注入电流的变化而变化。这样使得有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐得有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔的光通路长度相应变化，结果致使震荡波长随着振腔的光通路长度相应变化，结果致使震荡波长随着时间发生偏移，这就是啁啾现象时间发生偏移，这就是啁啾现象 线性好。线性好。 DFB激光器的线性

27、非常好，激光器的线性非常好， 因此广泛用于模因此广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。拟调制的有线电视光纤传输系统中。3.1.4发光二极管发光二极管l 发光二极管发光二极管(LED)的工作原理与激光器的工作原理与激光器(LD)有所不有所不同，同， LD发射的是受激辐射光，发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐发射的是自发辐射光射光。lLED的结构和的结构和LD相似，大多是采用双异质结相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在芯片，把有源层夹在P型和型和N型限制层中间，不同的型限制层中间，不同的是是LED不需要光学谐振腔，不需要光学谐振腔， 没有阈值。没有阈值。 图图 3.14两类

28、发光二极管两类发光二极管(LED) (a) 正面发光型；正面发光型； (b) 侧面发光型侧面发光型 球 透 镜环 氧 树 脂P层n层有 源 层发 光 区微 透 镜P型 限 制 层n型 限 制 层有 源 层波 导 层l发光二极管有两种类型：一类是正面发光型发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED， 另一类是另一类是侧面发光型侧面发光型LED，其结构示于图，其结构示于图3.14。l和正面发光型和正面发光型LED相比，侧面发光型相比，侧面发光型LED驱动电流较大，输驱动电流较大，输出光功率较小出光功率较小， 但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而较

29、高，因而入纤光功率比正面发光型入纤光功率比正面发光型LED大大。 和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。因此，而且制造工艺简单，价格低廉。因此， 这种器件在这种器件在小容量短距离系统小容量短距离系统中发挥了重要作用。中发挥了重要作用。 发光二极管具有如下工作特性：发光二极管具有如下工作特性： 图 3.15 LED光谱特性 1300波长 / nm70 nm相对光强(1)

30、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， 没有谐振腔对波长的选没有谐振腔对波长的选择，择，谱线较宽谱线较宽，如图，如图3.15。一般短波长。一般短波长GaAlAs-GaAs LED谱线宽谱线宽度为度为3050 nm，长波，长波InGaAsP-InP LED谱线宽度为谱线宽度为60120 nm。(2) 光束的空间分布。光束的空间分布。 在垂直于发光平面上，在垂直于发光平面上， 正面发光型正面发光型LED辐射图辐射图呈朗伯分布，呈朗伯分布， 即即P()=P0 cos，半功率点辐射角，半功率点辐射角 1 2 0 。 侧 面 发 光 型。 侧 面 发 光 型 L E D ， 1 2 0 ，2535。由于。由于大，大，LED与光纤的耦合效率一与光纤的耦合效率一般小于般