通信用光器件

第3章 通信用光器件

1本章内容、重点和难点本章内容光源：半导体激光器和发光二极管。光电检测器：PIN和APD光电二极管。无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。本章重点激光器的工作原理。光源和光电检测器工作原理及其工作特性。无源光器件的功能及主要性能。本章难点发光机理。第3章通信用光器件2学习本章目的和要求了解半导体激光器的物理基础。掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。熟悉光源的驱动电路工作原理。掌握光电检测器的工作原理及特性。掌握无源光器件的功能及主要性能。第3章通信用光器件33.1光源光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。43.1.1

激光器的工作原理

半导体激光器：是向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。

1．激光器的物理基础（1）光子的概念光量子学说认为，光是由能量为hf

的光量子组成的，其中h=6.628×10−34

J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，f是光波频率，人们将这些光量子称为光子。

当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。5（2）半导体的特性自然界中的物质，依其导电能力的强弱，通常可分为3大类：导体、绝缘体和半导体。电阻率低于10-4Ω·cm的物质为导体，如铜、铝等。导体原子的最外层电子数目少，很容易摆脱原子核束缚而形成自由电子，在外电场作用下，这些自由电子将逆着电场方向作定向运动形成较大的电流，因此导体的导电能力强。定义：半导体是指导电性能介于导体（conductor）和绝缘体（insulator）之间的一种物质。

3.1.1

激光器的工作原理63.1.1激光器的工作原理半导体材料：元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）化合物砷化镓（GaAs）目前最常用的半导体材料是硅和锗。半导体重要特性：热敏特性;光敏特性;掺杂特性。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体材料。本征半导体的原子结构及共价键。共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图3.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。7+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅单晶的共价键结构/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5273.1.1激光器的工作原理图3.1硅和锗的原子结构和共价键结构

8温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。

当温度上升或受光照时，价电子以热运动的形式不断从外界获得一定的能量，少数价电子因获得的能量较大，而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原来的共价键的相应位置上留下一个空位，叫“空穴”，如图3.3的A处为空穴，B处为自由电子，显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以称它们为电子—空穴对。把在光或热的作用下，本征半导体中产生电子—空穴对的现象，叫本征激发。3.1.1激光器的工作原理9

图3.2本征激发产生电子空穴对3.1.1激光器的工作原理10那么当共价键中由于失去一个价电子而出现一个空穴时，如图3.3中A处，与其相邻的价电子很容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所处的共价键中出现一个空穴，如图1.3中C处，这样空穴便从A处移至C处。3.1.1激光器的工作原理11图1.3本征激发产生现象

图3.3本征激发产生现象3.1.1激光器的工作原理12本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图3.2所示为本征激发所产生的电子空穴对，半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。3.1.1激光器的工作原理13杂质半导体

N型半导体:掺入微量的五价元素（杂质）如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。形成一个自由电子和不能移动的正离子。N型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。N型半导体主要靠自由电子导电。

P型半导体:掺入微量三价元素（杂质）如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。形成一个空穴和不能移动的负离子。P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。3.1.1激光器的工作原理143.1.1激光器的工作原理图3.4N型半导体的共价键结构

15图3.5P型半导体共价键结构

3.1.1

激光器的工作原理16

PN结的形成多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图3.6所示。图3.6P型和N型半导体交界处载流子的扩散

3.1.1激光器的工作原理17由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图3.7所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。3.1.1

激光器的工作原理18图3.7PN结的形成

3.1.1

激光器的工作原理19

空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。3.1.1

激光器的工作原理20如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。PN结外加正向电压，PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图3.8所示。图3.8PN结外加正向电压

3.1.1

激光器的工作原理21PN结外加反向电压，PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图3.9所示。图3.9PN结外加反向电压

3.1.1

激光器的工作原理223.1.1

激光器的工作原理

（3）原子能级物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。图3.10

锗原子的结构模型233.1.1

激光器的工作原理最低的能级E1称为基态，能量比基态大的所有其他能级Ei（i=2，3，4，…）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为∆E=E2−E1，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f12之间有以下关系式式中，h为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。当处于低能级E1的电子受到一个光子能量∆E=hf12的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2上去。光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。（3-1）24（4）半导体的能带在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。在图3.11中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。3.1.1激光器的工作原理能级、导带，价带，禁带示意图：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=52825图图3.11

半导体的能带结构3.1.1激光器的工作原理263.1.1

激光器的工作原理

（5）光与物质的三种作用形式光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图3-10所示。图3-12能级和电子跃迁273.1.1

激光器的工作原理

①在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收——光电检测器。/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=524

②处于高能级E2

上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1

上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=530

28③在高能级E2上的电子，受到外界作用时（电压、电流、光子），使电子被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来（电压、电流、光子)的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射——激光器。/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=526

注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。3.1.1

激光器的工作原理293.1.1

激光器的工作原理

（5）粒子数反转分布与光的放大受激辐射是产生激光的关键。如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正常状态下，N1

＞N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2

＞N1

（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。303.1.1激光器的工作原理

2．激光器的工作原理激光器包括以下3个部分：

必须有产生激光的工作物质（激活物质）；

必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）；

必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。（1）产生激光的工作物质即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。313.1.1激光器的工作原理

（2）泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。（3）光学谐振腔激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及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。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。

323.1.1激光器的工作原理图3-13光学谐振腔的结构

①光学谐振腔的结构在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图3-13所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。333.1.1激光器的工作原理

②谐振腔产生激光振荡过程如图3-14所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2π的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。343.1.1激光器的工作原理图3-14激光器示意图激光器模型:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=529353.1.1激光器的工作原理

③光学谐振腔的谐振条件与谐振频率设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为

（3-2）或 （3-3）式中，c为光在真空中的速度，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3…称为纵模模数。谐振腔只对满足式（3-2）的光波波长或式（3-3）的光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。363.1.1激光器的工作原理

④起振的阈值条件激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如以Gth表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是

（3-4）

α为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。373.1.2

半导体激光器

用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LD），对LD的要求如下。

①光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即0.85μm、1.31μm和1.55μm）。

②能够在室温下长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。目前LD的尾纤输出功率可达500μW～2mW；LED的尾纤输出功率可达10μW左右。

③与光纤耦合效率高。

④光源的谱线宽度要窄。较好的LD的谱线宽度可达到0.1nm。

⑤寿命长，工作稳定。383.1.2

半导体激光器

1．半导体激光器的基本结构和工作原理有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图3-15所示。图3-15

半导体激光器的结构示意图393.1.2半导体激光器

（1）同质结半导体激光器。其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。（2）异质半导体激光器异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种。异质半导体激光器的“结”是由不同的半导体材料制成的，目的是降低阈值电流，提高效率。特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。目前，光纤通信用的激光器大多采用如图3-16所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。403.1.2

半导体激光器图3-16InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构

n—InGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层n—InP是衬底，顶层P+—InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=515413.1.2半导体激光器（3）工作原理用半导体材料做成的激光器，当激光器的P-N结上外加的正向偏压足够大时，将使得P-N结的结区出现了高能级粒子多、低能级粒子少的分布状态，这即是粒子数反转分布状态，这种状态将出现受激辐射大于受激吸收的情况，可产生光的放大作用。被放大的光在由P-N结构成的F-P光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。P-N结半导体激光器产生激光的机理：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=518423.1.2半导体激光器

2．半导体激光器的工作特性（1）发射波长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出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式（3-1）得

hf=Eg

（3-5）式中f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s，

h=6.628×10−34J·s，leV=1.60×10−19J为电子伏特，代入式（3-5）得

(μm) （3-6）由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。433.1.2半导体激光器

（2）阈值特性对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith

表示。如图3-17所示。阈值电流越小越好。图3-17

典型半导体激光器的输出特性曲线

/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=514443.1.2半导体激光器

（3）光谱特性

LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当I＜Ith时，发出的是荧光，光谱很宽，如图3-18（a）所示。当I＞Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图3-18（b）所示。图3-18GaAlAs-GaAs激光器的光谱453.1.2半导体激光器

随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。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。普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图3-19（a）所示。而在高码速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图3-19（b）所示。一般，用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到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，例如分布反馈半导体激光器（DFB-LD）。LD-F-P与LD-DFB比较:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=513463.1.2

半导体激光器图3-19GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱473.1.2半导体激光器

（4）转换效率半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率ηd表示，其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为

（3-7）由此得（3-8）

式中，P为激光器的输出光功率；I为激光器的输出驱动电流，Pth为激光器的阈值功率；Ith为激光器的阈值电流；hf

为光子能量；e为电子电荷。·483.1.2

半导体激光器（5）温度特性激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大，其变化情况如图3-20所示。图3-20激光器阈值电流随温度变化的曲线493.1.2半导体激光器

3．分布反馈半导体激光器（DFB-LD）

DFB-LD是一种可以产生动态控制的单纵模激光器（称为动态单纵模激光器），即在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器。它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的，如图3-21所示。图3-21DFB-LD结构示意图50分布反馈式激光器光栅结构：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=521分布反馈式激光器：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5193.1.2半导体激光器513.1.2半导体激光器

4．量子阱半导体激光器量子阱半导体激光器与一般双异质激光器类似，只是有源区的厚度很薄（几十埃），如图3-22所示。当有源区的厚度非常小时，在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。图3-22量子阱半导体激光器523.1.3发光二极管

1．LED的工作原理发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。533.1.3发光二极管

2．LED的结构

LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。

LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED，其结构示意图如图3-23所示。图3-23

常用的两类发光二极管（LED）54发光二极管的结构:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5233.1.3发光二极管553.1.3发光二极管

3．LED的工作特性（1）光谱特性

LED谱线宽度∆λ比激光器宽得多。图3-24是InGaAsPLED的输出光谱。

图3-24InGaAsPLED的发光光谱

563.1.3发光二极管

（2）输出光功率特性两种类型的LED输出光功率特性如图3-25所示。驱动电流I较小时，P−I曲线的线性较好；当I过大时，由于P-N结发热而产生饱和现象，使P−I曲线的斜率减小。图3-25

发光二极管（LED）的P−I特性/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=516573.1.3发光二极管

（3）温度特性由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好。（4）耦合效率由于LED发射出的光束的发散角较大，因此与光纤的耦合效率较低。一般只适于短距离传输。（5）调制特性

调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为20MHz～30MHz，边发光型LED截止频率为100MHz～150MHz。

比较：

LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。583.1.4半导体光源的应用

LED通常和多模光纤耦合，用于1.31μm或0.85μm波长的小容量、短距离的光通信系统。

LD通常和单模光纤耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、长距离光通信系统。分布反馈半导体激光器（DFB-LD）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55μm超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。593.2

光电检测器

光电检测器完成光/电信号的转换。对光检测器的基本要求是：①在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；②具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；③具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；④具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；⑤具有较小的体积、较长的工作寿命等。目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。603.2.1

光电检测器的工作原理能级、导带，价带，禁带示意图：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=528光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换的。光电效应如图3-26（a）和（b）所示。当入射光子能量hf

小于禁带宽度Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件

hf

≥Eg

（3-9）

即光频fc＜的入射光是不能产生光电效应的，将fc

转换为波长，则λc=。即只有波长λ＜λc

的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故λc

为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的fc

称为截至频率。613.2.1

光电检测器的工作原理图3-26半导体材料的光电效应n-p能带图：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=517623.2.2PIN光电二极管

PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图3-27（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图3-27（b）所示。图3-27PIN光电二极管63PIN光电二极管的结构：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=584PIN光电二极管的电光转换原理:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5833.2.2PIN光电二极管643.2.3

雪崩光电二极管

雪崩光电二极管，又称APD（AvalanchePhotoDiode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。1．APD的结构目前APD结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电场分布如图3-25所示。图3-17（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图3-28（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。图3-28（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。

APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等。

653.2.3

雪崩光电二极管图3-28RAPD的结构图和能带示意图APD结构：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=582APD场分布/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=581663.2.3

雪崩光电二极管2．APD的雪崩效应

APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子—空穴对；新产生的电子—空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子—空穴对……如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。

APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。雪崩倍增效应示意图：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=588673.2.4光电检测器的特性

PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。

APD管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。

1．PIN光电二极管的特性（1）响应度和量子效率响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。①响应度响应度定义（A/W） （3-10）

其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到光电二极管上的平均光功率。

683.2.4光电检测器的特性

②量子效率量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即

（3-11）其中，e为电子电荷，，hf

为一个光子的能量，（3-12）式中m/s为光速，·s为普朗克常数。也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波长）有关。图3-29为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。··

693.2.4光电检测器的特性图3-29为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。703.2.4光电检测器的特性

（2）响应时间响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。显然响应时间越短越好。（3）暗电流在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励等，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。暗电流会引起接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。713.2.4光电检测器的特性

2．APD的特性

APD除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。（1）倍增因子倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响的条件下，它定义为

g=I0/Ip

（3-13）

I0为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应时光电流平均值。PIN管由于无雪崩倍增作用，所以g=1。（2）温度特性随着温度的升高，倍增增益将下降。（3）噪声特性

PIN管的噪声，主要为量子噪声和暗电流噪声，APD管还有倍增噪声。723.3无源光器件

无源光器件是除光源器件、光检波器件之外不需要电源的光通路部件。无源光器件可分为连接用的部件和功能性部件两大类。

连接用的部件有各种光连接器，用做光纤和光纤、部件（设备）和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。

功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光开关和光隔离器等，用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。733.3.1光纤连接器

光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将其定义为“用以稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。（1）光纤连接器的基本构成由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图3-30所示。图3-30光纤活动连接器基本结构743.3.1光纤连接器（2）光纤连接器的分类光纤连接器按光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、套管结构和紧固方式进行分类，如表3-1所示。

表3-1 光纤连接器的分类单通道对接套筒/V型槽直套管螺丝多通道透镜锥型锥型套管销钉单/多通道其他其他其他弹簧销753.3.1光纤连接器

（3）光纤连接器的性能

①插入损耗（介入损耗），该值越小越好。平均损耗值应不大于0.5dB。

②回波损耗（或称反射损耗、回损、回程损耗），是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个度量值，该值越大越好。其典型值应不小于25dB。

③互换性，每次互换后，其连接损耗变化量越小越好。

④重复性，即每次插拔时连接损耗变化量要小。

⑤插拔寿命（最大可插拔次数），光纤连接器的插拔寿命一般由元件的机械磨损情况决定。763.3.1光纤连接器（4）部分常见光纤连接器①FC型。其接头的对接方式为平面对接。②PC型。是FC型的改进型。其对接面由平面变为拱型凸面。是我国最通用的规格。③SC型。其结构尺寸与FC型相同，端面处理采用拱型凸面或PC研磨方式。

④DIN47256型。由德国开发。

⑤双锥型连接器。由美国贝尔实验室开发研制。（5）固定连接光纤与光纤的连接有两种，活动连接和永久性连接。以上介绍了活动连接。永久性连接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。773.3.2光衰减器

光衰减器是用来稳定地、准确地减小信号光功率的无源光器件。光衰减器主要用于调整中继段的线路衰减，测量光系统的灵敏度及校正光功率计等。光衰减器分固定衰减器和可变衰减器两种。（1）固定衰减器，其造成的功率衰减值是固定不变的，一般用于调节传输线路中某一区间的损耗。（2）可变衰减器，它所造成的功率衰减值可在一定范围内调节。可变衰减器又分为连续可变和分挡可变两种。783.3.3光分路耦合器

光分路耦合器是分路和耦合光信号的器件。功能是把一个输入的光信号分配给多个输出（分路），或把多个输入的光信号组合成一个输出（耦合）。

1．耦合器类型（1）T形耦合器（2）星形耦合器（3）定向耦合器（4）波分复用器/解复用器（也称合波器/分波器）如图3-28所示。波导型分支器:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=543793.3.3光分路耦合器图3-31

常用耦合器的类型80定向耦合:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=538棱镜型光分波和合波器工作原理:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=541光栅型分波和合波器工作原理/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=531干涉膜型分光器分光原理/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5393.3.3光分路耦合器813.3.3光分路耦合器

2．主要性能指标表示光纤耦合器性能指标的参数有：隔离度、插入损耗和分光比等。下面以2×2定向耦合器为例来说明。（1）隔离度A

如图3-31（c）所示，由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功率输出。但实际上端4还是有少量光功率输出（P4），其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度A表示为

（3-14）一般情况下，要求。823.3.3光分路耦合器（2）插入损耗L

它表示了定向耦合器损耗的大小。插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比的分贝值，用L表示为 （3-15）一般情况下，要求L≤

（3）分光比T

分光比等于两个输出端口的光功率之比，如从端1输入光功率，则端2和端3分光比（3-16）一般情况下，定向耦合器的分光比为1︰1～1︰10。833.3.4光隔离器与光环形器

1．光隔离器光隔离器是保证光波只能正向传输，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器而影响激光器的工作稳定性。光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。光隔离器:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5372．光环形器光环形器与光隔离起工作原理基本相同，只是光隔离器一般为两端口器件，而光环形器则为多端口器件。如图3-32所示。光环形器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。图3-33所示为光环形器用于单纤双向通信的例子。843.3.4光隔离器与光环形器

图3-32

光环形器示意图

(a)三端口；(b)四端口

85图3-33光环形器用于单纤双向通信示意图3.3.4光隔离器与光环形器863.3.4光隔离器与光环形器

3．光隔离器的性能指标

插入损耗和隔离度是光隔离器的两个主要性能参数，另还有回波损耗，偏振相关损耗和偏振模色散。（1）插入损耗插入损耗是指在光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离器而产生的附加损耗。如果输入的光信号功率为Pi，经过光隔离器后的功率为Po，则插入损耗IL为 （3-17）显然，其值越小越好。873.3.4光隔离器与光环形器

（2）回波损耗回波损耗是指由于构成光隔离器的各元件、光纤以及空气折射率失配引起的反射造成的对入射光信号的衰减。回波损耗RL为

（3-18）其中，Pi为正向输入光隔离器的光信号功率，Pr为返回输入端口的光功率。RL值越大越好。（3）隔离度隔离