第4章 光通信器件课件

第四章

光通信器件4.1半导体激光器4.2半导体发光二极管(LED)4.3光放大器4.4光检测器4.5其他光通信器件1/14/20231安工大数理ZhouWenping4.1半导体激光器4.1.1半导体激光器原理4.1.2激光器的基本组成4.1.3半导体激光器的机理4.1.4制作激光器的材料4.1.5F－P腔激光器*4.1.6量子阱半导体激光器4.1.7分布反馈激光器4.1.8半导体激光器的工作特性*4.1.9光纤通信使用的激光器4.1.10固体蓝光激光器*1/14/20232安工大数理ZhouWenping工作原理：是激励方式，利用半导体物质(即电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。形成激光的条件：有源区产生足够的粒子数反转分布；存在光学谐振机制，并在有源区建立起稳定的光振荡。解理面NP耗尽层金属电极金属电极4.1.1～4.1.4半导体激光器原理1/14/20233安工大数理ZhouWenping4.1.1～4.1.4半导体激光器原理能带：价带、禁带、导带Ｐ型、Ｎ型半导体的能带PN结、半导体激光器产生激光原理激光器模型1/14/20234安工大数理ZhouWenping半导体激光器的组成激光工作物质：半导体材料，在被激活的条件下，可以辐射光子。泵浦源：在泵浦源的激励下，工作物质被激活而成为激活物质或增益物质。光学谐振腔：其正反馈作用使光的增益大于损耗，产生激光。1/14/20235安工大数理ZhouWenping半导体激光器的材料、激励方式、分类半导体材料工作物质：如，砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式：电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。分类：同质结、单异质结、双异质结等几种半导体激光器。1/14/20236安工大数理ZhouWenping峰值波长，应在光纤的低损耗窗口之内，即与石英光纤三个低损耗窗口相适应。高而稳定的输出光功率(入纤功率：数十μw至数mw)

，以满足系统的光中继段距离的要求。高的电光转换效率，低功率驱动，长寿命，高可靠性。单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光缆和光纤的耦合效率。易于调制，响应速度快，温度特性好，以利于高速率大容量的数字信号的传输。体积小，重量轻，便于安装使用，也利于和光纤的耦合。一、光纤通信对光源的基本要求1/14/20237安工大数理ZhouWenping二、光通信用的激光光源三种激光器：1、单纵模(SLM)半导体激光器①分布反馈(DFB)激光器

②分布布拉格反射(DBR)激光器2、量子阱(QW)激光器3、光纤激光器*1/14/20238安工大数理ZhouWenping1、单纵模(SLM)半导体激光器SLM的思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，具有最低光腔损耗的纵模最先达到阈值并成为支配模式。其它邻模由于高损耗而被区分开，并被阻止从自发辐射中建立。这些邻模携带的功率在总的辐射功率中一般只占很小一部分(<1%)。频率ν纵模发射模损耗线增益单纵模半导体激光器的增益和损耗1/14/20239安工大数理ZhouWenping(a)结构(b)光反馈1、SLM半导体激光器-分布反馈激光器DFB反馈并不位于端面上，而是分布在整个光腔长度上，通过折射率周期扰动的内建光栅产生的布拉格散射得到，并使正向和反向传播的波相互耦合。1/14/202310安工大数理ZhouWenpingDFB机制产生模式选择需要满足布拉格条件（波长耦合条件）：Λ＝m(λB/2n)

Λ—光栅周期；m—布拉格散射的阶数；

λB—布拉格波长；n—模折射率例如：一阶布拉格散射(m=1)，正向和反向耦合最强，对工作于λB=1550nm的DFB激光器，若m=1，n=3.3，则Λ=235nm。此光栅可用全息照相技术制造。1、SLM半导体激光器-分布反馈激光器DFB1/14/202311安工大数理ZhouWenpingN型P型光栅有源层DFB激光器DBRDBR激光器DBR泵浦区N型P型DFB激光器：反馈发生在整个光腔有源区长度上。DBR激光器：反馈并不发生在有源区内。1、SLM半导体激光器-两类DFB机制的半导体激光器1/14/202312安工大数理ZhouWenping多段DFB和DBR激光器的设计方案，可实现稳定性和可调谐性兼备的SLM激光器。它由三段组成：有源段、相位控制段、布拉格段。通过注入不同大小的电流分别偏置：注入到布拉格段的电流I3导致折射率变化，改变布拉格波长；注入到相位控制段的电流I2导致折射率变化，改变从DBR反馈的相位。通过控制这三段的电流，激光波长能在5～7nm范围内连续调节。波长由在布拉格段的内建光栅决定，这种激光器工作稳定，适用于相干通信系统。多段DBR激光器1/14/202313安工大数理ZhouWenpingDFB激光器比F-P激光器的优点单纵模激光器谱线窄，波长稳定性好动态谱线好线性好DFB激光器vs普通激光器1/14/202314安工大数理ZhouWenping2、量子阱(QW)半导体激光器基本结构与普通的双异质结激光器结构类似，只是有源区的厚度很薄，仅为：10～100Ǻ（通常的F-P腔激光器为：1000～2000Ǻ），使窄带隙的有源区为导带中的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱，从而带来一系列优越的性质，如：极低的阈值电流、高的输出光功率、窄的发射谱线、发射波长可调谐、弱温度依赖等，被称为“理想激光器”。1/14/202315安工大数理ZhouWenping量子阱激光器可以为单量子阱、多量子阱；还可以在内部制造波纹光栅，构成量子阱-分布反馈(QW-DBF)激光器，从而获得更窄的谱线宽度和更好的性能。如InGaAs-InGaAsPMQW-DFB激光器含有4个量子阱，阱的厚度仅为70Ǻ，发射谱宽可减少到2MHz左右。2、量子阱(QW)半导体激光器MQW-DFB激光器的结构图和能带图1/14/202316安工大数理ZhouWenping3、光纤激光器*-掺铒光纤激光器利用光纤光栅技术把掺铒光纤相隔一定长度的两处写入光栅，两光栅之间相当于谐振腔；用980nm或1480nm泵浦激发激光，铒离子就会产生增益放大。由于光栅的选频作用，谐振腔只能反馈某一特定波长的光，输出单频激光，再经过隔离器输出线宽较窄、功率高、噪声低的激光。1/14/202317安工大数理ZhouWenping把光纤布拉格光栅作为半导体激光二极管的外腔反射镜，可以制作性能优异的光纤光栅DFB激光器。该激光器不仅输出激光的线宽窄，易与光纤耦合，而且通过对光栅加以纵向拉伸力或改变LD的调制频率就能控制输出激光的频率和模式。3、光纤激光器*-光纤光栅DFB激光器1/14/202318安工大数理ZhouWenpinga.结构图b.频谱图5段铒光纤光栅构成具有5个波长的DFB激光器3、光纤激光器*-光纤光栅DFB激光器1/14/202319安工大数理ZhouWenping波长可调谐光纤光栅DFB激光器3、光纤激光器*-光纤光栅DFB激光器1/14/202320安工大数理ZhouWenping(1)LED与光纤的耦合面发光与边发光LED

同多模光纤的耦合效率可分别达到1％和10％；边发光LED与单模光纤的耦合效率<1％。LED直接耦合效率非常低，因为LED发散角比较大。要提高耦合效率，可采用透镜耦合方式。三、光源与光纤的耦合及组件1/14/202321安工大数理ZhouWenping透镜耦合：在光源与光纤之间放置球透镜(图a)或将光纤端面加工成球面(图b、c)，耦合效率可显著提高。面发光LED同多模光纤的耦合效率可达到15％，边发光LED的耦合效率可达到30％。三、光源与光纤的耦合及组件面发光LED与光纤的透镜耦合1/14/202322安工大数理ZhouWenping(2)LD与光纤的耦合LD的发光面尺寸及发散角均比LED小，与光纤的耦合效率较高。LD与多模光纤的直接耦合效率可以高于70％；与单模光纤的耦合效率通常为10％～20％，直接耦合效率不高，主要原因是单模光纤模场半径与LD模场半径的失配，可采用透镜耦合方式，提高耦合效率。LD与光纤的透镜耦合三、光源与光纤的耦合及组件1/14/202323安工大数理ZhouWenping(3)半导体激光器组件长波长半导体激光器产品常以组件的形式出现，组件通常包括LD管芯、PD（光电二极管）、热沉（微型水冷散热片）、制冷器、热敏电阻及光纤等。LD组件

三、光源与光纤的耦合及组件1/14/202324安工大数理ZhouWenping4.2半导体发光二极管(LED)4.2.1LED工作原理4.2.2LED工作特性1/14/202325安工大数理ZhouWenping4.2.1LED工作原理面发光型：驱动电流小，输出光功率大；边发光型：驱动电流大，输出光功率小，光束辐射角小，与光纤耦合效率高，其入纤光功率比面发光型LED大。双异质结面发光LED边发光LED1/14/202326安工大数理ZhouWenping4.2.2LED性质自发辐射，无需粒子数反转，非阈值器件；发射谱线宽，不利于高速信号传输；应用于中低速率、短距离的通信系统中。响应速度低，方向性差，发散角大（400～1200），与光纤耦合效率低；温度性能好，不需要加温控电路；制造工艺简单，价格低廉；寿命长（106h），可靠性高。1/14/202327安工大数理ZhouWenping4.3光放大器4.3.1概述4.3.2光放大器分类4.3.3掺铒光纤放大器(EDFA)4.3.4拉曼光纤放大器(SRA)4.3.5半导体光放大器4.3.6其他光放大器1/14/202328安工大数理ZhouWenping光放大器首先解决的是光路损耗的功率补偿问题。光放大器能对光信号直接放大，省去光电转换的麻烦，得到了广泛的应用。光放大器的出现是继光纤、激光器之后在光信息领域的新突破。显然，光放大器是实现长距离光传输的关键器件，在光纤通信中享有重要的地位。它的出现，带来了光信息领域将有新的突破，它将成为光信号处理、各种光功能器件的基础元件。4.3.1概述1/14/202329安工大数理ZhouWenping受激辐射受激散射4.3.1概述-光放大器工作原理1/14/202330安工大数理ZhouWenping（1）增益：输出光功率与输入光功率的比值，单位dB。（2）增益带宽：放大信号的有效频率范围。（3）增益饱和：输入信号足够大时，光放大器的最大增益。（4）噪声（ASE）：光场噪声（自发辐射）、强度/光电流噪声。自发辐射噪声:自发辐射跃迁是一种光子态不确定的随机跃迁，所以有很宽的频谱，形成噪声。差拍噪声：信号光与自发辐射光在光检测器中发生相干混频，从而使检测器的光电流产生了一个差拍分量。4.3.1概述-光放大器的技术指标1/14/202331安工大数理ZhouWenping光纤放大器半导体光放大器(SOA)掺铒光纤放大器(EDFA)拉曼光纤放大器(SRA)4.3.2光放大器分类1/14/202332安工大数理ZhouWenping（a）掺杂光纤放大器；（b）受激散射光纤放大器；（c）半导体光放大器几类放大器的基本结构

4.3.2光放大器分类1/14/202333安工大数理ZhouWenping4.3.2光放大器分类-光纤放大器构成方框图1/14/202334安工大数理ZhouWenping普通石英光纤其吸收谱和辐射谱都在光纤的通光窗口之外，不能产生光放大。普通光纤掺入稀土元素，使无活性的光纤变为有活性的光纤。活性:光纤中的粒子具有受激吸收、受激辐射的性质。掺稀土(Nd、Sm、Ho、Er、Pr、Tm和Yb)光纤，利用受激辐射直接进行光放大。4.3.3掺铒光纤放大器(EDFA)1/14/202335安工大数理ZhouWenping掺铒的光纤在1550nm处有很好的辐射特性，正好落于光纤传输的低损耗窗口(C波段：1528~1565nm)。由于980nm和1480nm的半导体激光器泵浦源的出现，使掺铒光纤放大器得到了实用化。EDFA的特点：泵浦光功率低(10～100mW，而拉曼放大器泵浦光功率500～1000mW)、增益高(40dB)、噪声低(3~4dB)、输出光功率大(14~20dBm)、连接损耗小(0.1dB)、偏振不灵敏。4.3.3掺铒光纤放大器(EDFA)1/14/202336安工大数理ZhouWenpingEDFA是基于活性介质掺铒光纤（EDF）固有的受激辐射光放大机制。三种跃迁：受激吸收：EDF中的铒离子，通过对泵浦光子的受激吸收从低能级跃迁到高能级，实现粒子数反转。受激辐射：通入信号光，在信号光子的作用下，产生受激辐射放大。自发辐射：产生自发辐射噪声ASE。EDFA光放大原理演示EDFA的原理和结构1/14/202337安工大数理ZhouWenping图4-19掺铒光纤放大器的基本组成signalEDFPump1Pump2WDM1WDM2Isolator1Isolator2PEDFA的原理和结构1/14/202338安工大数理ZhouWenping掺铒光纤EDF（Er3+：25mg/kg）泵浦源Pump：铒离子在EDF中的能级跃迁，不是像普通的激光器那样，以电流作为泵浦源，而是以另一个波长的光作为泵浦源。波分复用耦合器WDM隔离器IsolatorEDFA的原理和结构1/14/202339安工大数理ZhouWenping根据泵浦光与信号光传输方向，分为：同向泵浦、反向泵浦或双向泵浦结构。泵浦光吸收损耗：石英光纤吸收、铒离子的受激吸收，总损耗很大。在铒光纤的输入端，信号光很小，需要的泵浦功率小。在铒光纤的输出端，信号光的功率变得比较大，容易产生饱和，这时希望有更大的泵浦功率。EDFA的泵浦方式1/14/202340安工大数理ZhouWenping同向泵浦：在输入端泵浦功率大，输出端的泵浦功率小，比较容易饱和；噪声性能主要由最开始的一段决定。噪声系数主要由自发辐射因子或者粒子数不完全反转因子所决定。在EDF的输入端的泵浦功率强，粒子数基本完全反转，总的噪声较小。不宜作为功率放大器，可做前置放大器。EDFA的泵浦方式-同向泵浦1/14/202341安工大数理ZhouWenping反向泵浦：到达EDF始端的光功率已经很小，粒子数反转不完全，因此噪声指数大。不易饱和，可做功率放大器。双向泵浦：较大的输出功率和较低的噪声，线性范围宽，适合于作为线路放大器。EDFA的泵浦方式-反向泵浦与双向泵浦1/14/202342安工大数理ZhouWenping光信号泵浦反向泵浦：(功率放大器)考虑输出功率：反向泵浦优于同向泵浦，输出功率高。光信号泵浦同向泵浦：EDFA的泵浦方式比较1/14/202343安工大数理ZhouWenping考虑噪声：噪声与粒子数反转程度有关，因此同向泵浦有好的噪声性能。同向泵浦(前置放大器)光信号泵浦反转不完全反转完全反向泵浦光信号泵浦反转不完全反转完全EDFA的泵浦方式比较1/14/202344安工大数理ZhouWenping同向泵浦：前置放大器反向泵浦：功率放大器双向泵浦：线路放大器光发射机光接收机后置放大器(功率放大器)线路放大器前置放大器EDFA的用途1/14/202345安工大数理ZhouWenping光发射机光接收机光纤光纤EDFAEDFA在线放大器a在线放大器光发射机光接收机光纤EDFA功率放大器b发射机功率增强器光发射机光接收机光纤EDFA前置放大器c接收机前置放大器光发射机光接收机节点EDFA补偿损耗放大器光纤总线d局域网中补偿分配损耗1/14/202346安工大数理ZhouWenping图4-23铒离子的简化能级结构4I15/2980nm1480nm1550nm4I11/24I13/2τ1µsτ10msEr3+的简化能级结构1/14/202347安工大数理ZhouWenping从基态4I15/2到激发态4I11/2，对应于980nm波长的受激吸收；从基态4I15/2到亚稳态4I13/2，对应于1480nm波长的受激吸收；从亚稳态4I13/2到基态4I15/2，对应于1550nm波长的受激辐射和自发辐射。泵浦光源的波长有980nm和1480nm。Er3+三种跃迁1/14/202348安工大数理ZhouWenping光子转换效率：受激放大的光子数与泵浦的光子数之比。能量转换效率：受激放大的功率与泵浦的功率之比。假定光子转换效率为100%：980nm泵浦光：980nm波长的光子能量约为1550nm波长光子能量的1.58倍；能量转换效率最高只有63%。1480nm泵浦光：1480nm波长的光子能量约为1550nm波长光子能量的1.04倍；能量转换效率最高可达95%。泵浦光的能量转换效率1/14/202349安工大数理ZhouWenping1480nm泵浦二能级系统：存在泵浦波长上的受激辐射过程，将消耗处于激发态的粒子数，引起放大器饱和增益，噪声特性的劣化。980nm泵浦三能级系统：不存在泵浦光的受激辐射过程。噪声特性好。噪声指数输入信噪比

输出信噪比

泵浦光的噪声特性1/14/202350安工大数理ZhouWenping1小信号增益特性2增益谱特性3增益饱和与饱和输出功率EDFA的增益特性1/14/202351安工大数理ZhouWenping实验发现：在每个泵浦功率下，存在一个最佳的光纤长度，在此长度下，信号增益最大。当超过这个光纤长度时，在这段光纤中没有足够的粒子反转，信号在光纤中会被吸收。EDFA的增益特性-1小信号增益特性1/14/202352安工大数理ZhouWenping不同光纤长度下的输出功率(b)不同泵浦功率下的信号增益EDFA的增益特性-1小信号增益特性1/14/202353安工大数理ZhouWenping不同光纤长度下泵浦功率与增益的关系EDFA的增益特性-1小信号增益特性1/14/202354安工大数理ZhouWenpingEDFA的增益特性-2增益谱特性

1/14/202355安工大数理ZhouWenpingEDFA的增益特性-3增益饱和与饱和输出功率1/14/202356安工大数理ZhouWenping4.3.4拉曼光纤放大器(SRA)工作原理：基于石英光纤中的受激拉曼散射效应，在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号ωs与强泵浦光波ωp同时在光纤中传输，从而使弱信号光得到放大。其工作原理如图4-27：E1（）E2（）n=1n=2(Rayleigh)(Anti-Stokes)(Stokes)图4-27拉曼光谱原理图

Vibrationlevel：Ω1/14/202357安工大数理ZhouWenpingSRA相对于EDFA的不同之处：理论上只要有合适的拉曼泵浦源，就可以对光纤窗口内任一波长的信号进行放大，因此它具有很宽的增益谱（1279～1670nm）；利用传输光纤本身作增益介质，光纤拉曼放大器可以对光信号的放大构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通讯等不方便建立中继站的场合；可以通过调整各个泵浦的功率来动态调整信号增益平坦度；具有较低的等效噪声指数，与常规的掺铒光纤放大器混合使用时可大大降低系统噪声指数。1/14/202358安工大数理ZhouWenpingSRA的主要应用作为高增益、高功率光放大。泵浦光功率1～2W，可提供30dB的增益和接近泵浦光功率的输出光功率。分布式补偿放大，实现光纤通信系统光信号的透明传输。可用作光接收机的前置放大器。拉曼光纤放大器主要用做分布式放大器，辅助EDFA在进行信号放大；也可以单独使用，放大EDFA不能放大的波段，同时克服了EDFA级联噪声大及放大带宽有限等缺点。目前拉曼放大器在长距离骨干网和海底光缆中的市场地位已得到承认。

1/14/202359安工大数理ZhouWenping4.3.5半导体光放大器SOA1/14/202360安工大数理ZhouWenping当电子通过半导体时，将自身能量传递给载流子（电子），使载流子跃迁到高能级，实现粒子数反转。输入光信号通过受激辐射过程激活这些电子，使其跃迁到低能级，从而产生放大的光信号。1.SOA的原理与结构1/14/202361安工大数理ZhouWenpingN1N2电流将低能级粒子激发到高能级。1.SOA的原理与结构1/14/202362安工大数理ZhouWenping光子将高能级粒子激发到低能级，高能级粒子数减少，光子数增加，实现光放大。N1N21.SOA的原理与结构1/14/202363安工大数理ZhouWenping电流再将低能级粒子激发到高能级，高能级粒子数达到平衡，光子数增加，实现光不断放大。N1N21.SOA的原理与结构1/14/202364安工大数理ZhouWenping激光器与放大器的主要区别：是否有谐振腔。激光器：优良谐振腔（谱宽很窄）。TW-SOA：无谐振腔的行波放大器，功率输出高，偏振灵敏度低

，带宽大。FP-SOA：天然解理面，构成F-P谐振腔，有反射但形成的谐振腔谱宽较宽。1.SOA的原理与结构1/14/202365安工大数理ZhouWenpingSOACurrentInjectionSignalInputSignalOutput图4-28半导体光放大原理1.SOA的原理与结构1/14/202366安工大数理ZhouWenping优点：体积小，集成度高，电泵浦，增益高（20dB）。缺点：不易制作，价格高，噪声大。应用：光信号放大器，光电集成器件，光开关，全光波长转换。2.SOA的特点与应用1/14/202367安工大数理ZhouWenping4.3.6其他光放大器布里渊光纤放大器掺镨光纤放大器PDFA掺铝（Al）EDFA：掺铝改变铒的放大能级分布，加宽放大频段，并实现平坦增益。掺钇（Y）EDFA：钇作为铒的激活剂。氟（F）化物EDFA碲（Te）化物EDFA1/14/202368安工大数理ZhouWenping掺镨光纤放大器PDFAEDFA只能用于1.55µm光纤通信系统，但是现有众多工作在1.3µm的光纤通信系统和CATV网络。于是科学家们开发了工作在1.3µm波段的掺镨光纤放大器，要求的泵浦波长是1.01µm。PDFA的增益可达38dB，饱和输出功率达20mw。但泵浦效率相当低，典型值＜0.2dB/mW，而EDFA却高达11dB/mw。所以，为了从掺镨光纤放大器中获得30dB增益，需要高达1w的泵浦功率。1/14/202369安工大数理ZhouWenping几类光放大器的参数对比

放大器参数EDFAPDFASRASBASOAErAlYFTe泵浦功率(W)0.01~0.1改变铒的能级分布，加宽可放大频段较宽的增益平坦度30nm__0.5~2高增益、低噪声、窄带宽、分布式放大_增益(dB)15~4020303020输出功率(dBm)14~20_20255~10泵浦波长(nm)980,14809801017__工作波长(nm)1530~15601540↑1530~15601530~16341280~13401279~16701300,1400,1550850,1300,15501/14/202370安工大数理ZhouWenping4.4光检测器4.4.1半导体的光电效应4.4.2PIN光电二极管4.4.3雪崩光电二极管4.4.4光检测器性能参数4.4.5光检测器噪声1/14/202371安工大数理ZhouWenping半导体材料的光电效应：光照射到半导体PN结上，若光子能量足够大，则价带的电子吸收光子能量，越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴。这样，光子转换为电子-空穴对(光生载流子)。将新生的电子-空穴对迅速的移开，形成光电流。4.4.1半导体的光电效应P区N区耗尽区光子hν>EgEg费米能级Eg1/14/202372安工大数理ZhouWenping4.4.2～4.4.3光检测器光检测器：又称检波器、探测器。作用：接收光信号，将光信号转变为电信号。一、光纤通信对光检测器要求二、光电二极管PD三、改进型光电二极管PIN四、雪崩光电二极管APD1/14/202373安工大数理ZhouWenping光电二极管实物图1/14/202374安工大数理ZhouWenping一、光纤通信对光检测器要求高的光电转换效率高的响应速度高的接收灵敏度低的功耗稳定、可靠、价格便宜1/14/202375安工大数理ZhouWenping工作原理：有光照(hν>Eg)→价带中电子吸收光子能量，跃到导带(受激吸收)成为自由电子。加反向电压(与自建场方向相反)，形成光生电流。过程：在电场作用下，耗尽区内：电子(漂移)→N区N区空穴(漂移)→P区P区条件：hν>Eg，即λ<hc/Eg；截止波长λc=1.24/Eg。扩散形成光生电流二、光电二极管PD1/14/202376安工大数理ZhouWenpingP区N区耗尽区反射吸收光/电剩余入射光二、光电二极管PD光能损失：（1）在半导体表面被反射，损失一部分光能。（2）透过不能产生电子-空穴对的表层，进一步消耗。（3）到达能够产生电子-空穴的耗尽区，产生电子-空穴对。（4）最后剩余的一部分光能，透过耗尽区而消耗掉。1/14/202377安工大数理ZhouWenping三、改进型光电二极管PIN结构：P-I(Intrinsic，本征的，Si或InGaAs轻掺杂)-N三层。原理：hν>Eg

→(光照)受激吸收→电子漂移→扩散→形成光生电流。优点：光电转换效率高，响应速度快。Si-PIN，响应波长0.5～1μm，响应时间几ns；Ge-PIN，响应波长1.1～1.6μm，响应时间20ns。1/14/202378安工大数理ZhouWenping三、改进型光电二极管PIN图4-30PIN光电二极管结构原理演示1/14/202379安工大数理ZhouWenping结构：在N、P区大量掺杂，载流子浓度变大。特点：可承受很高的反向偏压。PIN：0~20V，APD：20~150V原理：加高反偏电压→耗尽区形成强电场→光照(克服Eg)→形成初始载流子→有高能量(或运动速度很快)→运行中高速碰撞→产生新生载流子(由碰撞产生)→新生载流子和原始载流子再撞击→电子浓度瞬时猛增→电流急剧增长→

“雪崩”、“倍增”→完成光/电转换。四、雪崩光电二极管APD1/14/202380安工大数理ZhouWenping图4-31APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）四、雪崩光电二极管APD1/14/202381安工大数理ZhouWenping电场四、雪崩光电二极管APDP+IPN+吸收增益距离E图4-32APD的结构和工作原理(a)(b)原理演示1/14/202382安工大数理ZhouWenping量子效率：转化为光生电流的光子数与入射总光子数之比响应度：光电流与入射光功率之比，二者之间的关系：截止波长：Si：1060nm；Ge：1650nm4.4.4光检测器性能参数1/14/202383安工大数理ZhouWenping1）光电二极管的负载电阻和结电容构成的RC时间常数2）载流子在耗尽区内的定向运动速度3）载流子在耗尽区外的扩散运动速度响应时间的主要影响因素：4.4.4光检测器性能参数1/14/202384安工大数理ZhouWenping量子噪声：由光子产生电子-空穴对的随机起伏而引起。受电源电压和温度的影响，是一个极不稳定的因素。暗电流：无入射光时，耗尽区内带电粒子的热运动形成的电子-空穴对，在反向偏转电压的作用下产生定向流动，形成暗电流。噪声（和干扰）：4.4.4光检测器性能参数1/14/202385安工大数理ZhouWenping参数单位硅检测器锗检测器铟镓砷检测器PIN

APDPINAPDPINAPD波长范围nm400~1100800~1800900~1700峰值波长nm900830155013001300(1550)1300(1550)响应度,芯片耦合后A/W0.60.3~0.5577~13050~1200.65~0.7,0.5~0.653~282.5~250.63~0.8(0.75~0.97)0.5~0.7(0.6~0.8)量子效率%65~907750~5555~7560~7060~70增益G倍数1150~25015~40110~30过剩噪声指数x-0.3~0.5-0.95~1-0.7偏压-V45~1002206~1020~355<30暗电流nA1-100.1~150~50010~5001~201~5结电容pF1.2~31.3~22~52~50.5~20.5上升时间ns0.5~10.1~20.1~0.50.5~0.80.06~0.50.1~0.5三种光检测器的参数对比1/14/202386安工大数理ZhouWenping4.5其他光通信器件4.5.1连接器4.5.2光纤耦合器4.5.3光滤波器4.5.4光衰减器4.5.5光开关4.5.6光隔离器与光环形器4.5.7波分复用器／解复用器4.5.8调制器1/14/202387安工大数理ZhouWenping完整的光纤通信系统，除了光源、光纤和光检测器外，还需要许多配套的功能部件，特别是无源器件。光无源器件：本身不发光，不放大，不产生光电转换的光学器件。作用：连接光波导和光路；控制光的传播方向；控制光功率的分配；控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合；合波、分波等。特性要求：插入损耗小、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成。概述光无源器件1/14/202388安工大数理ZhouWenping光发射机隔离器连接器分路开关开关合路连接连接衰减器连接器光接收机按其功能可分为：光纤连接器、耦合器、合/分路器、光开关、光衰减器、光隔离器、光环形器等。概述光无源器件1/14/202389安工大数理ZhouWenping连接器：实现光纤与光纤之间连接的器件。要求：连接损耗小；装拆方便（操作方便）；稳定性好：插入损耗随时间、环境的变化不大；重复性好：一般要求重复使用次数>1000次；互换性好：要求同一种型号的活动连接器可以互换；体积小，重量轻，成本低。4.5.1连接器1/14/202390安工大数理ZhouWenping光纤连接器(又称跳线)是指光纤两端都装上连接器插头，用来实现光路活动连接；一端装有插头则称为尾纤。光纤连接器连接头连接类型有FC、SC、ST，端面接触方式有PC、UPC、APC型。

光纤连接器分为两类：活动连接器—“活接头”，主要用于光纤线路两端与端机的连接中；固定连接器—“死接头”，不能拆卸，或只能进行破坏性拆卸。4.5.1连接器1/14/202391安工大数理ZhouWenping4.5.1连接器1/14/202392安工大数理ZhouWenping4.5.1连接器1/14/202393安工大数理ZhouWenping光纤固定接头的方法1/14/202394安工大数理ZhouWenping光纤接续视频光纤端面清洁光纤冷接续视频皮线冷接子操作规程光纤熔接流程光纤熔接教程1/14/202395安工大数理ZhouWenpingN×N1×NP1/NP1/NP1/N2×24.5.2光纤耦合器1/14/202396安工大数理ZhouWenpingP4P3P14.5.2光纤耦合器1/14/202397安工大数理ZhouWenping根据器件的输入和输出端口进行表征。比如具有两个输入和两个输出端口的器件称为“2×2耦合器”；通常，N×M耦合器具有N个输入和M个输出。图4-332×2熔锥型光纤耦合器

耦合器总的拉伸长度为L=2l+WP1P2P3P44.5.2光纤耦合器-2×2型1/14/202398安工大数理ZhouWenping将四根光纤扭绞、加热和拉伸，熔融在一起，制作成4×4熔融光纤星形耦合器。星形耦合器的主要作用是将N个输入功率复合后再平均分配到M个输出端口。4.5.2光纤耦合器-星型1/14/202399安工大数理ZhouWenping插入损耗：分光比：输出端的功率分配比。隔离度：反映了定向耦合器反向散射信号的大小。4.5.2光纤耦合器-性能指标1/14/2023100安工大数理ZhouWenping4.5.3光滤波器光滤波器：只允许一定波长的光信号通过的器件，是一种波长选择器件。固定波长滤波器波长可调谐滤波器1/14/2023101安工大数理ZhouWenping4.5.3光滤波器-固定波长滤波器图4-34薄膜干涉滤波器（固定波长）λ/4λ/4λ/4λ/4λ/41/14/2023102安工大数理ZhouWenping4.5.3光滤波器-波长可调谐滤波器1、光纤法布里-珀罗滤波器2、马赫-曾德尔干涉滤波器入射光透射光压电陶瓷反射镜反射镜图4-35光纤法布里-珀罗滤波器原理1/14/2023103安工大数理ZhouWenping2、可调MZI：通过热光或电光效应控制改变干涉仪的臂长频谱分辨率：<0.4nm调谐速度：~50ns对环境敏感4.5.3光滤波器-波长可调谐滤波器1、光纤F-P滤波器：通过改变电介质镜面的距离改变共振条件调谐范围：几十个nm频谱分辨率：~GHz调谐速度：0.1ms1/14/2023104安工大数理ZhouWenping4.5.3光滤波器-波长可调谐滤波器3、可调多光栅滤波器：分插复用器OADM1234、声光滤波器:输入信号产生的声波引起媒质密度周期变化，其变化周期等于声波波长，这相当于形成一个布喇格光栅。满足条件的波长被耦合到另一个臂传输。1/14/2023105安工大数理ZhouWenping光衰减器：对光信号进行衰减的器件，用于调整光中继区间的损耗和调整光功率等。应用：光纤系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。如：可调式光衰减器一般用于光学测量中，在测量光接收机的灵敏度时，通常把它置于光接收机的输入端，用来调整接收光功率的大小。

要求：重量轻、体积小、精度高、稳定性好等。

类型：固定光衰减器、可变光衰减器。4.5.4光衰减器1/14/2023106安工大数理ZhouWenping输入输出粗档板10dB/档精档板1dB/档分档衰减器厚连续衰减器4.5.4光衰减器-可变光衰减器1/14/2023107安工大数理ZhouWenping4.5.4光衰减器-工作机理1/14/2023108安工大数理ZhouWenping1、光衰减器的工作机理主要有三种：(1)耦合型光衰减器：它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。(2)反射型光衰减器：它是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。光通过衰减片时主要是反射和透射，由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。4.5.4光衰减器-工作机理1/14/2023109安工大数理ZhouWenping为避免反射光的再入射影响衰减性能的稳定性，光线不能垂直入射到衰减片上，需将二块衰减片按一定倾斜角对称地排成八字形。（<40o，一般取5o或10o）(3)吸收型光衰减器：它是采用光学吸收材料制成衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。2、衰减器主要指标插入损耗，带宽（衰减量变化范围），衰减精度等。4.5.4光衰减器1/14/2023110安工大数理ZhouWenping4.5.5光开关光发射机光接收机1/14/2023111安工大数理ZhouWenping功能：转换光路，实现光切换。要求：插入损耗低、转换重复性好、开关速度快、使用寿命长、结构紧凑。主要指标：插入损耗、开关速度(ms量级)、消光比。分类：①机械式光开关②固体光开关③半导体光波导开关4.5.5光开关1/14/2023112安工大数理ZhouWenping分类：

①机械式光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换。可分为镜可动型和光纤可动型两种。优点：插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟。缺点：开关速度慢，结构不紧凑，容易受振动、冲击的影响。4.5.5光开关1/14/2023113安工大数理ZhouWenping棒透镜棱镜可动光纤光纤固定装置反射镜GRIN透镜01624531×6机械式光开关①机械式光开关1/14/2023114安工大数理ZhouWenping②固体光开关：又称非机械式光开关，利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换。优点：开关速度快，重复性好，可靠性高，使用寿命长，尺寸小，可单片集成。缺点：插入损耗大，串扰大。③半导体光波导开关：通过改变波导区内折射率达到光波的导通或截止。4.5.5光开关1/14/2023115安工大数理ZhouWenping4.5.5光开关-两类光开关的性能对比开关类型10×10机械1×2磁光8×8电光插入损耗/dB0.7~1.31.3~1.75~7串扰/dB>602520~30开关时间/μs40×10330301/14/2023116安工大数理ZhouWenping1、光隔离器Isolator概念：光隔离器是光单向传输的一种非互易性器件，即光的单向器。作用：消除光路中不连续处产生的反射光对光源、光放大器以及光路系统中产生的不良影响。主要指标及要求：插入损耗小(1~2dB)、隔离度大(反向衰减，30~40dB)、价格便宜、体积小、便于集成。组成：起偏器、法拉第旋光器、检偏器等。4.5.6光隔离器、光环形器1/14/2023117安工大数理ZhouWenping图4-40光隔离器的工作原理1、光隔离器Isolator原理演示1/14/2023118安工大数理ZhouWenping1、光隔离器-应用1/14/2023119安工大数理ZhouWenping(a)三端口(b)四端口2、光环行器光环形器是EDFA、OADM、色散补偿及其他应用领域中的理想器件。其原理类似光隔离器。一个端口输入，指定端口输出。1/14/2023120安工大数理ZhouWenping2、光环行器1/14/2023121安工大数理ZhouWenping端口1端口2端口3端口2全反射棱镜偏振分束立方体透镜双折射分离元件A双折射分离元件B单向法拉第旋转器相位旋转器2、光环行器-原理图1/14/2023122安工大数理ZhouWenping光环形器的非互易性使其成为双向通信中的重要器件，它可以完成正反向传输光的分离任务。光环形器在单纤双向通信、上/下话路(OADM)、色散补偿等领域有广泛的应用。2、光环行器-应用1/14/2023123安工大数理ZhouWenping2、光环行器-应用1231/14/2023124安工大数理ZhouWenping波分复用器是构成波分复用多信道光纤通信系统的关键器件。将若干路不同波长的信号复合后送入同一根光纤中传送（复用），或者将在同一根光纤中传送的多波长信号分解（解复用）后分送给不同的接收机。4.5.7波分复用/解复用器1/14/2023125安工大数理ZhouWenping4.5.7波分复用/解复用器波分复用器100GHz间隔的WDM信道频谱复用器解复用器1/14/2023126安工大数理ZhouWenping（一）熔锥光纤型WDM（二）干涉滤波器型WDM（三）光栅型WDM体型平面或曲面光栅平面阵列波导光栅光纤光栅4.5.7波分复用/解复用器1/14/2023127安工大数理ZhouWenping（一）熔锥光纤型WDM1/14/2023128安工大数理ZhouWenping（二）干涉滤波器型WDM①介质薄膜干涉型WDM器件-原理1/14/2023129安工大数理ZhouWenping①介质薄膜干涉型WDM器件-结构（a）二波分解复用器（b）六波分解复用器（二）干涉滤波器型WDM1/14/2023130安工大数理ZhouWenping②基于MZI的集成四通道WDM（二）干涉滤波器型WDM1/14/2023131安工大数理ZhouWenpingMach-ZehnderInterferometer(MZI)应用：波分复用/解复用器、外调制器、DPSK解调…控制w1和w2中光的相位差，并使之在输出端产生相长/消干涉.3dBcoupler3dBcouplerw2w11/14/2023132安工大数理ZhouWenpingMZI复用器/解复用器1/14/2023133安工大数理ZhouWenping如果输入波长满足bDL=(2k-1)pp/2bDL+p/2bDL+pbDL信号