第4章：光通信器件

第四章光通信器件本章内容物质与光的互作用半导体发光机理半导体激光器（LD）半导体发光二极管（LED）光放大器半导体光检测器工作原理

PIN-PD和APD的工作特性无源器件4.1物质与光的互作用电子的跃迁介质材料中，存在着三种电子的跃迁过程，对应着三种光与物质的互作用过程受激吸收自发发射受激发射hυhυhυhυhυE2E1E1E2E1E2受激吸收自发发射受激发射发光与光的放大在热平衡状态下，分布为：受激吸收和受激发射的速率分别比例与N1和N2N1>N2---正常状态---受激吸收>受激发射----吸收物质N1<N2---粒子数反转状态---受激发射>受激吸收----激活物质如果外部有合适频率的光信号进入粒子数反转区，则在受激辐射的作用下，该光信号被放大、光子数倍增，原有光波特点保留4.2半导体发光机理纯净半导体晶体的能带半导体晶体的晶格结构使分立的能级形成具有一定宽度的能带在共价晶体中，最外层的电子和相邻的原子形成共价键通常把价电子所占据的能带称为价带价带以上的能带（被自由电子占据）称为导带价带顶和导带底之间的能量差为Eg，称为禁带宽度或带隙半导体晶体的能带在热平衡状态，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布材料的费米能级

Ef

是一个参考能级，E>Ef

的能级，被电子占据的可能性小于1/2，而对于E<Ef

的能级，被电子占据的可能性大于1/2。PN结的形成P型半导体与N型半导体接触时，在边界面上，由于载流子浓度不同，出现扩散P区空穴浓度高，向N区扩散N区电子浓度高，向P区扩散载流子扩散后，打破了原先的电平衡，在P区和N区的界面附近形成自建场，方向从N区指向P区载流子在自建场作用下发生漂移，方向与扩散运动相反载流子的扩散运动和漂移运动终将取得平衡，此时PN结形成自建场空间电荷区-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+P区N区PN结的特点自建场的方向由N区指向P区空间电荷区几乎没有载流子存在，又称为耗尽区PN结具有单向导电性当在N区加正电压P区接地时，外加电场与自建场方向一致，加强了自建场，在漂移作用下，耗尽区变宽，PN结电阻愈大，几乎不导电当在P区加正电压N区接地时，外加电场与自建场方向相向，抵消了自建场，当完全抵消自建场时，在载流子的扩散作用下，PN结开始导电有源区的形成P区N区热平衡状态下，费米能级统一P区N区Ef外加正向电压时，费米能级分裂，形成两个准费米能级（Ef）c（Ef）v有源区增益区有源区形成粒子数反转，自发辐射和受激辐射将占优势，半导体发光，且光子能量满足：就会产生放大作用。Eg<hυ

<eV正向电压大到一定的值时，准费米能级的能量间隔大于禁带宽度，

，在PN结区域会出现有源区。4.3半导体发光二极管（LED）LED工作原理LED：Light-EmittingDiode，发光二极管发光原理：基于半导体PN结自发辐射机理适当材料的半导体PN结加正向电压就可构成LED适当材料：有源区电子-空穴可以产生辐射复合，从而产生发光的半导体材料直接带隙半导体：导带底和价带顶对齐---辐射复合间接带隙半导体：导带底和价带顶错位---非辐射复合硅为间接带隙半导体，所以不能用于制作发光器件由三种及三种以上元素构成的合金材料可以通过改变元素的构成比例改变其带隙能量和辐射波长LED的结构同质结指制作P区和N区均使用同一种半导体掺杂制成同质PN结发光效率比较低电子-空穴分布范围大，浓度低，增益低PN结与P区和N区的相对折射率差小，杂散方向上光子多，不能有效反馈、输出同质结的效率问题LED的结构异质结结构指在有源区的两边加上相异的宽带隙的半导体材料异质结结构，特别是双异质结结构，对载流子和光子都形成约束，大大提高了发光效率双异质结提高发光效率双异质结的工作原理LED的结构根据光输出位置不同可分为面发射型LED和边发射型LED电极光纤胶有源区限流区Cu热沉SiO2SiO2双异质结结构金属接触层面发射型LED双异质结结构衬底Cu热沉电极金属接触边发射型LED辐射方向：与PN结区垂直发光面：圆形辐射方向：是PN结有源区端面发光面：椭圆形LED的P-I特性输出光功率基本上与注入电流成正比典型值：工作电流：50~100mA

正向电压：1.2~1.8V入纤功率在-20dBm(10μw)量级PI频谱特性LED没有谐振腔，其光谱就是半导体材料的自发辐射谱LED的发射谱线较宽GaAlAsLED谱线宽度约30~50nmInGaAsPLED谱线宽度约60~120nm面发光LED较边发光LED的谱宽更宽边发光LED面发光LED温度特性温度升高，输出功率有所下降温度升高，输出光谱展宽，谱中心右移总体上，由于LED不是阈值器件，因此与LD相比，温度对LED的影响相对较小I=100mAI=400mAP光束发射特性LED发出的光束为非相干光，可视作朗伯光源，空间发散角较大面发光LED光束的辐射功率随角度的变化而呈余弦变化，光束的半功率发散角为120°边发光LED由于在平行于PN结的方向有异质结的折射率变化约束，因此光束的垂直发射角小一些，约30~50°，另外一个方向上发射角较大，约120°LED的常用典型值出纤功率典型值：-20dBm调制带宽100Mbps以上半功率谱线宽度50~120nm工作电流100mA4.4半导体激光器（LD）LD工作原理LD：LaserDiode，半导体激光器发光原理：基于半导体PN结受激辐射机理构成：对光频具有放大作用的激活物质、选频机构和反馈机构激射条件当PN结外加正向电压形成有源区后，还不能产生激光产生激光的两个条件存在光学谐振腔（振荡的必要条件：反馈）有源区对光的增益足够大（振荡的必要条件：克服损耗）条件的满足普通LD通常使用晶体的天然解理面作为F-P谐振腔LD要产生激光，注入电流必须超过某一阈值，使有源区内的增益大于损耗，此时才能产生激光。因此，LD是一种阈值器件4.4.1LD的结构构成：对光频具有放大作用的激活物质、选频机构和反馈机构激活物质---处于粒子数反转状态的有源区提供选频机构和反馈机构---F-P谐振腔或光栅提供半导体激光器的基本结构：由一个简单的PN结合两个自然解理面形成的F-P谐振腔构成F-P谐振腔

图激光器的构成和工作原理

(a)激光振荡；(b)光反馈阈值条件当注入电流从零逐渐增大时，并不能立即产生激光由于谐振腔内部会有各种损耗光场在谐振腔内部往返一次所得的增益足以补偿腔内所有的损耗时才会形成稳定的激光输出阈值条件阈值条件阈值电流阈值增益系数主要决定于有源区的粒子数反转浓度，或者说决定于注入电流对于确定结构的半导体激光器必有一个确定的注入电流It，在此注入电流下，激光器的增益系数正好等于其总损耗系数如果注入电流再增加，增益就会超过损耗，激光器从自发辐射状态转换为受激辐射状态It称为阈值电流F-P谐振腔谐振腔中的电磁场呈驻波分布，谐振腔中的谐振模式分为纵模和横模光波在两个镜面之间来回反射，入射波和反射波叠加会形成稳定的驻波分布。轴向形成稳定驻波的条件是两个反射镜之间的距离即腔体的长度L是腔体中电磁波半波长的整数倍纵模F-P谐振腔纵模在频率轴上是均匀分布的F-P谐振腔谐振腔在横截面内的电磁场结构决定了谐振腔的横模。谐振腔内的场具有准TEM场特性，可以用TEMmnq来代表F-P腔中的谐振模式。q：纵模序数（一般不写）m和n：横模序数横模基横模状态TEM00q，对于一个确定的纵模序数q，谐振频率是确定的，即每一个纵模序数q对应一条谱线。多横模条件下，对应确定的纵模序数，谱线将被展宽。F-P谐振腔的损耗腔内光子数减少到初始值的1/e的时间间隔称为腔内光子寿命由于存在损耗，确定纵模谐振频率不再是确定值，而对应于一条确定的谐振曲线。4.3.2LD的工作特性激光器的工作特性内容包括以下几个方面转换效率温度特性P-I特性光谱特性激光光束的空间特性转换效率激光器的电/光转换效率用外微分量子效率表示表征了阈值以上的输出的光子数的增量与注入的电子数的增量之比，且随温度的升高而下降PIP-I特性激光器的P-I特性表现出明显的阈值特性当注入电流小于阈值电流时，不发射激光，输出光功率随注入电流的增加而缓慢增长当注入电流大于阈值电流时，发射激光，输出光功率随注入电流的增加而迅速线性增长Ith温度特性LD总体上是一个温度敏感器件。温度的变化对LD的工作状态影响较大，主要存在以下几个方面的影响温度升高，阈值电流升高温度升高，输出功率降低温度变化，波长不稳定光束发射特性半导体激光器的有源区是一个类似于矩形平面介质波导近区场呈椭圆形分布，长轴在波导的宽边方向，短轴在窄边方向远区场也呈椭圆形分布，但长轴在波导的窄边方向，短轴在宽边方向远区场表现出LD光束的发射特性，通常垂直发散角约300～400，水平发散角约

100～200

光谱特性使用天然解理面构成F-P谐振腔的半导体激光器存在多纵模振荡的情况，每一个纵模对应一个振荡波长，因此总体上LD的频谱呈现多谱线结构，谱线包络为高斯轮廓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不同的半导体材料有不同的禁带宽度，因而有不同的发射波长镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)----0.85μm铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)----1.3~1.55μmLD输出谱线随注入电流的变化75mA2.3mW80mA4mW100mA10mW直流驱动300Mb/s数字调制静态单纵模激光器动态单纵模激光器F-P谐振腔改变结构分布反馈激光器动态单纵模激光器4.3.3窄线宽激光器DFB和DBRBragg光栅P区N区Bragg光栅有源区DBR-LDDFB和DBR均可实现单纵模输出，输出波长为布喇格波长更好的温度特性窄线宽特性波长稳定性好线性好动态谱线好P区N区1/4波长Bragg光栅有源区DFB-LDDFB分布反馈式半导体激光器DBR分布布拉格反射激光器LED与LD的区别在于：LED是非相干光源，以自发辐射为主没有谐振腔发光过程中不一定需要实现粒子数反转，没有阈值条件输出光功率基本上与注入电流成正比LD与LED的比较出纤功率：通常LD较LED高10dB以上谱宽：LD尤其是动态单纵模LD谱线比LED窄2~3个数量级调制速率：LD更高与光纤的耦合：LD发散角较小，耦合更方便生产成本：LED低P-I特性：LED基本是线性；LD为阈值器件温度特性：LD对温度变化更敏感寿命：LED更长一些应用场合：LD应用于高速、长距离光纤通信系统；LED应用于对成本比较敏感的低速短距离光纤通信系统4.5光放大器光放大器的应用长距离通信系统中的中继放大器光发送机后级的功率提升放大器光接收机前置放大器广泛使用的光放大器半导体激光放大器(SOA)光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)拉曼光纤放大器放大机理半导体激光放大器利用处于粒子数反转状态的半导体PN结对光的增益效应来实现对光信号的放大光纤放大器对光纤进行掺杂，利用受激辐射机制实现光的直接放大利用受激散射机制实现光的直接放大衡量放大器的参数增益噪声系数经过放大器后，系统信噪比的劣化程度为噪声系数NF理想放大器，被放大光信号的SNR也会降低3dBEDFA放大原理铒(Er)是一种稀土元素掺入铒元素的目的：促成被动的传输光纤转变为具有放大能力的主动光纤。因此，这种光纤的新特性--激光特性、光放大特性等与铒离子的性质密切相关。铒未受到任何激励的条件下，处于最低能级，即基态上；当泵浦光射入，Er原子中的电子吸收泵浦光的能量，向高能级跃迁。处于高能级的粒子是不稳定的，它会通过非发光跃迁迅速跳到寿命较长的亚稳态能级上；源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数不断积累，实现了粒子数反转；当有外部光激励时，载流子将以受激辐射的方式跃迁到基态并发射光子，形成光放大。980nm和1480nm的大功率半导体激光器是最常用的泵浦源。EDFA的结构光耦合器光隔离器光隔离器光滤波器EDFINOUT泵浦光4.6半导体光检测器工作原理

检测器的基本功能：将光信号转换为电信号。分类热检测器光电导型检测器光伏检测器-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+光电二极管工作原理利用PN结的光电效应，在自建场的作用下产生光电流hυ自建场由PN结构成，光电效应对应着物质与光的互作用中的“受激吸收”hυ耗尽区反偏的PN结导带价带P区N区PN结响应波长产生光电效应的条件：截止波长上截止波长上截止波长受禁带宽度的限制，当光子能量小于禁带宽度时，不能产生光电效应Ge材料：1.6μm；Si材料：1.06μm下截止波长半导体材料对入射光的吸收作用和波长有关下截止波长受0电场区吸收限制，当光子频率很高时，其穿透深度小于0电场区的厚度，不能到达耗尽区响应度和响应时间光电转换效率用量子效率或响应度表示：量子效率：一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值响应度：一次光生电流和入射光功率的比值响应时间入射光功率呈阶跃变化的条件下，检测器的输出电流从最大值的10%上升到90%所用的时间响应度和响应时间响应时间制约元素：检测器的结电容和外电路电阻构成电路的时间常数电荷载流子渡越耗尽区的时间响应时间决定了器件的可用频带宽度普通PD存在的问题普通PD直接使用P掺杂半导体和N掺杂半导体结合而成，工作时加反向偏压存在问题0电场区较厚量子效率低、响应速度慢耗尽区较薄量子效率低、结电容大，影响响应速度P区PN结N区0电场区0电场区耗尽区4.7PIN-PD和APD的工作特性PIN-PDPIN的结构PIN使用三层结构，与普通PD相比，在P层和N层之间增加一个I层，同时P层和N层均很薄I层是一个接近本征的，低掺杂浓度的N区，比较厚整个I区均没有载流子，为耗尽区PINhvPIN的优点量子效率高响应速度快E光电流的倍增——APDAPD：AvalanchePhotoDiode，雪崩光电二极管

APD工作原理使用时加高反偏压，在APD内部建立一个高电场区（~3105V/cm）光生载流子在高电场区将被加速到较高速度高速载流子与晶格可能发生碰撞，从而使晶体中的原子发生电离，产生新的电子-空穴对二次电子-空穴对还可重复上述过程，直到逸出高场区上述雪崩过程将使APD的光电流产生倍增雪崩增益的大小工程应用中，G

可以用一个简单的式子来表示：V ——加在APD上的反向偏压I ——APD的暗电流R ——APD电路的串联电阻VB ——APD的反向击穿电压m ——由APD的材料和器件结构决定的参量

其中：雪崩过程产生了光电流的倍增，倍增增益为：APD的过剩噪声考察APD中光生载流子的倍增过程光生载流子可能发生倍增，也可能不发生可能发生一次倍增，也可能发生多次倍增电子倍增率和空穴倍概率极可能并不相同PD中本身存在的一些噪声也被倍增以上过程均为随机过程，可见APD雪崩增益的代价是倍增后的光电流附加上这些噪声这种附加的噪声被称为过剩噪声APD的过剩噪声用过剩噪声系数来描述过剩噪声系数过剩噪声系数定义：

F(G)=<g2>/G2为了简化计算，过剩噪声系数F(G)可表示为：F(G)=Gx，式中的x(0<x<1)即为噪声指数x的大小取决于APD的材料和器件结构，对Si-APD，x约为0.5；对Ge-APD，x约为0.6-1.0RAPDRAPD：拉通型APDN+PP+层结构当偏压加大到某值后，耗尽区拉通到区，一直抵达P+接触层继续加压时电场增量主要在P区和区分布，高场区变化不大雪崩区耗尽区碰撞电离所需的最小场强N+PP+4.8常见的无源光器件光纤通信系统中使用的器件有源光器件主动工作，必须外加能源信号的产生、检测与放大无源光器件被动工作，无需能源完成光纤的接续、隔离、信号合/分路、衰耗、复用/解复用等功能常见的无源光器件光纤连接器活动连接、半永久连接和永久连接光纤耦合器光波分复用/去复用器光隔离器光纤衰减器固定衰减器及可变衰减器光外调制器及光开关光纤连接器光纤的连接永久连接光缆线路建设中使用，通常使用熔融法实现光纤的永久连接半永久连接通常用于光纤线路的抢修，常用套管+匹配液+粘接活动连接用于可能需要经常调整连接关系的地方，如端设备与外部光缆线路。对光纤连接器的基本要求损耗小可重复性（指反复插拔时插入损耗变化小）寿命长强度高环境适应性强连接损耗横向偏移引起的连接损耗角度偏移引起的连接损耗纵向移位引起的连接损耗光纤活动连接器的主要类型及指标衡量光纤活动链接器的主要光学特性指标插入损耗接续的连接器给系统造成的光功率衰减目前商用的连接器的损耗小于0.2dB回波损耗又称后向损耗，指在光纤连接处，后向反射光相对于输入光的比率分贝数，值愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响光纤活动连接器的主要类型及指标一套光纤连接器习惯指两个插头加一个适配器；将装有插头的光缆叫做跳线，可装一个头，也可装两个头，插头可以是同一个型号，也可以不同型号，可以是单芯，也可以是多芯。把光纤插头连接在一起，使光纤接通的器件叫适配器(法兰盘)，可以接相同型号的插头，也可接不同的插头。光纤活动连接器的主要类型及指标连接类型圆形带螺纹光纤接头---FC型卡接式圆形光纤接头---ST型方形光纤接头---SC型光纤活动连接器的主要类型及指标连接类型圆形带螺纹光纤接头---FC型卡接式圆形光纤接头---ST型方形光纤接头---SC型光纤活动连接器的主要类型及指标连接类型圆形带螺纹光纤接头---FC型卡接式圆形光纤接头---ST型方形光纤接头---SC型光纤活动连接器的主要类型及指标端面接触方式插针端面为球面，曲率半径为15~25mm，回波损耗大于40dB---PC型插针端面为球面，曲率半径为10~15mm，回波损耗大于50dB-

--UPC型光纤接头端面倾斜，角度一般为8°，回波损耗大于60dB-

--APC型光纤连接器通常以连接类