《光纤通信技术》课件第3章

第3章光通信器件3.1

LD和LED光源3.2

PIN和APD光检测器3.3

EDFA光纤放大器3.4无源光器件

3.1

LD和LED光源

光源是光发送机的核心器件，作用是把电信号转变成光信号，以便在光纤中传输。光源性能的好坏是保证光纤通信系统稳定可靠工作的关键。光纤通信系统对光源的基本要求有以下几个方面：

（1）光源的发光波长必须和光纤的低损耗波长1.3μm、1.55μm相一致。

（2）光源的输出功率必须足够大，入纤功率为数十微瓦到数毫瓦才能满足一定通信距离的需要。（3）光源应具有高度的可靠性，其寿命要在105h以上。否则会因频繁更换器件而降低系统的可靠性。

（4）光源的谱线宽度要窄，这有利于减少光纤的材料色散，增大系统的传输容量。

（5）光电转换效率要高，否则会因效率太低而导致器件发热严重，不仅增加损耗，还会缩短光源的寿命。

（6）光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。

（7）光源应体积小，重量轻，便于安装和使用。3.1.1半导体中光的发射与激射

1.半导体价带、导带、带隙与发光

单晶体中各个原子的最外层轨道是互相重叠的，这样就使分立的能级变成了能带。价带上面的能带称为导带。在温度低至绝对零度的情况下，晶体中的电子均在价带之中，而导带是完全空着的。如果价带中的电子受热或光的激发，则受激发的电子就会跃迁到上面的导带中去。这样一来，晶体材料就可以导电了。把导带底的能量记作Ec，把价带顶的能量记作Ev。在Ec和Ev之间是不可能有电子的，故称为禁带。把Ec与Ev之差记作Eg，称为禁带宽度或带隙。如果Eg较大，则需要较大的激励能量把价带中的电子激发到导带中去。导带中的一个电子也可以跃迁到价带中去，电子把大约等于禁带宽度Eg的能量释放出来。在辐射跃迁的情况下，释放出一个频率为(3－1)的光子(其中，h是普朗克常数6.625×10-34J·s），形成半导体发光。不同的半导体单晶体材料的Eg值不同，发光波长也会不同。

2.半导体掺杂、P型半导体和N型半导体

在实际应用中，要有意识地在晶体中掺入一定量的有用杂质，这些杂质对原子半导体起着极为重要的作用。按照掺杂的不同，可以得到电子型半导体和空穴型半导体材料。

本征半导体是指含杂质和缺陷极少的纯净、完整的半导体。其特点是在半导体材料中，导带电子的数目和价带空穴的数目相等。通常把本征半导体叫做Ⅰ型半导体。电子型半导体就是通过故意掺杂使导带的电子数目比价带空穴的数目大得多的半导体。例如，在纯净的Ⅲ－Ⅴ族化合物GaAs中掺入少量的Ⅵ族元素Te，Te原子取代晶体中的As原子，这样就得到了电子型半导体。电子型半导体也称为N型半导体。空穴型半导体就是通过故意掺杂使价带空穴的数目比导带电子数目大得多的半导体。例如，在纯净的Ⅲ－Ⅴ族化合物GaAs中掺入少量的Ⅱ族元素Zn。Zn原子取代晶体中的Ga原子，这样就得到了空穴型半导体。空穴半导体也叫做P型半导体。把不同的类型的半导体结合起来，就可以制作成各种半导体器件，当然也包括激光二极管和发光二极管。

3.半导体P－N结和P－N结光源

P型半导体和N型半导体结合的界面称为P－N结，许多半导体器件（包括半导体激光器件）的核心就是这个P－N结。在P型半导体内有多余的空穴，在N型半导体内有多余的电子，当这两种半导体结合在一起的时候，P区内的空穴向N区扩散，在靠近界面的地方剩下了带负电的离子，N区内的电子向P区扩散，在靠近界面的地方剩下了带正电的离子，这样一来，在界面两侧就形成了带相反电荷的区域，叫做空间电荷区。由这些相反电荷形成一个自建电场，其方向由N区指向P区。由于自建电场的存在，在界面两侧产生了一个电势差VD，这个电势差阻碍空穴和电子进一步扩散，使之最后达到了平衡状态。图3.1P－N结能带图图3.1（a）所示的是半导体能带图。半导体P－N结光源包括半导体发光二极管与半导体激光器。它们都是正向工作器件。当把正向工作电压V加在P－N结上时，抵消了一部分势垒，势垒高度就只剩下了（VD-V）的数值，如图3.1（b）所示。当把足够大的正向电压加在P－N结上时，P区内的空穴大量地注入N区，N区内的电子大量注入P区，这样一来，在P区和N区靠近界面的地方就产生了复合发光。在激光物理学中，材料的光子吸收、自然发射和受激发射可以由图3.2的两级图来表示。图中，E1是基态能量；E2是激发态能量。按照普朗克定律，这两个能态之间的跃迁涉及到发射或吸收一个能量为hv12=E2-E1的光子。一般情况下系统处于基态。当能量为hv12的光子射入，能态E1中的某个电子能够吸收光子能量，并激发到能态E2，如图3.2（a）所示。由于E2能态是一种不稳定的状态，电子很快就返回到基态，从而发射一个能量为hv12的光子，这个过程是在无外部激励的情况下发生的，因此成为自发发射，如图3.2（b）所示。图3.2光子吸收的三种形式(a)吸收；(b)自发发射；(c)受激发射当有一个能量为hv12的光子入射到系统时，电子会立即受到激励而往下跃迁到基态，同时释放一个能量为hv12的光子。发射出来的这个光子与入射光子同相位，这种情况称为受激发射，如图3.2（c）所示。在热平衡状态下，受到激发的电子的密度非常小，入射于系统的大多数光子都会被吸收，受激发射可以被忽略，材料对光能量来说是消耗的。仅当激发态中的电子数大于基态中的电子数时，受激发射才会超过吸收。这个条件在激光物理学中称为粒子数反转。粒子数反转状态并不是一种平衡状态，必须利用各种“泵浦”方法来使材料达到这种状态。如图3.3所示，处于粒子反转状态的有源区对某波长有放大作用。设有微弱的光由左向右传输，在光放大作用下逐渐增强，到达右镜面立刻向左传输又再次逐渐增强，到达左镜面反射而形成正反馈过程。显然，只有在传播方向与镜面垂直的一部分光才能够在镜面的帮助下实现放大—反馈。当这个放大—反馈环路的光增益足以抵消一切光损耗时，就在谐振腔内建立了等相面与反射镜面平行的驻波，即产生了激光振荡。如图3.1所示的P－N结，当未注入电流时，其材料对光呈现吸收性；当注入电流较小时，P－N结开始发光；电流继续增加时，光放大增强，放大反馈环路增益一旦超过损耗，就产生振荡，半导体激光器就由自发射状态转入受激状态，此时的注入电流称阈值电流。图3.3平面谐振腔3.1.2半导体发光二极管

半导体光源主要有半导体发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)两种。半导体发光二极管是利用半导体P－N结自发发射的器件的统称。商品发光二极管种类很多，电信仪表与家电产品的半导体指示灯也是半导体发光二极管。光纤通信专用半导体发光二极管的特点是高亮度、高响应速度，其制造工艺和价格与半导体指示灯有所不同。

发光二极管与半导体激光器相比，因为它发射的不是激光，所以输出功率较小，发射角较大，与光纤耦合效率较低。其优点：首先是半导体发光二极管的寿命长，理论推算可达1018h；其次是受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系好，价格也比较便宜；另外，驱动电路比较简单，不存在模式噪声等问题。半导体发光二极管可以作为中短距离、中小容量的光纤通信系统的理想光源。为了提高发光功率和效率，发光二极管在有源区附近应用了异质结构，以限制载流子和光波。发光二极管有面发光二极管和边发光二极管两种，如图3.4所示。面发光二极管的发射光束垂直于P－N结，光束发散角很大，相当一部分光不能进入光纤而损失掉，因而面发光二极管与光纤的耦合效率很低；边发光二极管的发射光束平行于P－N结，发光面一般小于光纤的横截面，提高了与光纤的耦合效率。面发光二极管的发光效率比边发光二极管的大，但边发光二极管发光面窄，光功率集中，实际进入光纤的功率并不小。由于边发光二极管与单模光纤耦合性较好，使用较为广泛。图3.4两种发光二极管

（a）面发光二极管；（b）边发光二极管下面介绍两种实用发光二极管

1.短波长发光二极管（GaAlAs－LED）

短波长发光二极管适用于中、短距离的光纤计算机信号传输系统、光信息处理和光信号控制等场合。其优点是使用方便、寿命长和成本低。表3.1为两种短波长LED的技术参数，其中出纤功率指由LED耦合到多模光纤中的功率。由于短波长LED主要用于短距离、小容量光纤通信系统，一般只考虑多模尾纤。表3.1两种短波长LED的技术参数

2.长波长发光二极管（InGaAsP－LED）

长波长发光二极管适用于长波长中、短距离光纤通信。其优点是成本较低、使用方便、寿命长。表3.2和表3.3分别为1.3μm波长面发光（重庆光电技术研究所产品）和边发光LED（武汉电信器件公司产品）的主要参数以及1.55μm波长的边发光LED（武汉电信器件公司产品）的技术参数。计算机数据线路和局域网的发展对半导体发光二极管提出了新的要求。局域网的通信特点是通信距离短但传输容量大，如果使用半导体激光器，一方面是价格贵、使用不方便，另一方面半导体激光器入纤功率也超过了短距离的需要。因此，研究开发能工作于数百兆比特每秒至数吉比特每秒速率的半导体发光二极管和相应的驱动电路，对短距离电话用户环路和局域网数据光纤系统带来极大的方便性和经济性，特别是对即将到来的宽带综合业务数字网（ISDN）具有更大的吸引力。因为ISDN需要大量的低成本、高可靠性和高速调制的光源，半导体发光二极管是理想的候选者。高速半导体发光二极管的设计和制造首先是高的注入电流和小的有源区面积。理论分析和试验证明，半导体发光二极管脉冲上升时间（tr）和下降时间（tf）与注入电流有关。注入电流越大，半导体发光二极管输出脉冲前沿越陡。高速半导体发光二极管其输出光脉冲前、后沿只有350ps，可以用于2Gb/s的数字光纤通信系统中。表3.4中列出了边发光两种高速半导体发光二极管的主要数据。其有源面厚度为0.15μm，窄条宽度为8μm，重掺Zn浓度为1×1019/cm3，峰值波长为1.3μm。由此可见，半导体发光二极管作为超高速数字光纤通信系统的光源，有很好的发展前景。表3.4边发光高速半导体二极管的主要数据3.1.3半导体激光器

1.半导体激光器的结构

最简单的半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料以及中间夹一层很薄的另一种半导体材料构成。图3.5为它的结构示意图。通过金属接触给P－N结加上正向偏置，由于整个P－N结面积上都有电流通过，因此有源区是一个宽面，这种激光器称为宽面半导体激光器。激光由激活区的两个自然解理面输出，输出的光斑具有椭圆的形状，面积约为1×100μm2。在垂直于结平面的方向上光斑尺寸被限制在1nm的量级，这是因为在垂直于结平面的方向上载流子和光子都被限制在很窄的范围内，而在平行于结平面的方向上光子和载流子没有受到限制的缘故。由于电流是沿着整个平行结平面的激活区平面注入，所以这种结构的激光器的阈值电流较高。由于它的输出光斑为椭圆形，与光纤的耦合效率较低，因此在光纤通信中基本不采用这种结构的激光器。通常采用的激光器为条形激光器，它们的激光区为条形结构，使在平行于结平面的方向上光子和载流子都受到限制，使之局限在一个较窄且很薄的条形区域内，同时提高载流子和光子的浓度，降低激光器的阈值。这种结构的激光器能够与光纤很好的耦合，耦合效率较高。条形激光器主要有两种结构，即增益导引条形和折射率导引条形。图3.5宽面半导体激光器的结构

1）增益导引条形半导体激光器

图3.6给出了两种增益导引条形半导体激光器横截面结构。在增益导引条形半导体激光器中，采用了特种结构，使注入载流子约束在结平面内的一小条形区域内，其目的如下：

（1）降低阈值电流；

（2）实现基横模工作，这样可以与光纤实现高效率耦合；

（3）发热区集中在条形区，易于向四周传导，又易于耗散，管芯温度低，增加了器件的寿命。图3.6（a）中，在P型材料的顶部的边缘沉积了一层绝缘材料（SiO2），只剩下中央的条形区可以注入电流；图3.6（b）中，在P型材料上先沉积一层N型材料，然后在中央条形区域采用Zn扩散的方法制成一深入P型材料层的Zn扩散层，电流只能通过Zn扩散层注入有源区，在其它区域，由于上层P－N结是反向偏置，而不能有电流通过。除了这两种结构以外，人们还提出了其它的结构形式，其基本设计思想都是将注入的载流子约束在有源区的条形范围内（5～10μm宽），这样使得非平衡载流子也被局限在中心区域。由于在条形区域内光增益最大，条形区以外损耗较大，因此光信号也被局限在这个条形区域内。由于这种对光子的限制作用是由增益所提供的，因此这种半导体激光器称为增益导引条形半导体激光器。图3.6两种增益导引条形半导体激光器横截面结构增益导引条形半导体激光器的阈值电流典型值为50～100mA，输出光斑尺寸约为1×10μm2，当注入电流增加时，其光斑尺寸不太稳定。此外，在水平方向上形成的折射率很小，因而侧向光场泄露较严重，这不仅增加了谐振腔的损耗，而且不利于控制激光的横模。为了获得更稳定的模式分布，激光器需要采用折射率导引条形半导体激光器结构。

2）折射率导引条形半导体激光器

折射率导引条形半导体激光器是指有源区为条形，条形的两侧被埋在折射率较低的材料中，形成波导效应，以有效地实现对激光横模的控制。这类激光器种类繁多，按照条形区与两侧材料的折射率差的大小，可以分为弱折射率导引条形和强折射率导引条形两种，如图3.7所示。图3.7两种折射率导引条形半导体激光器的横截面结构如图3.7(a)所示，弱折射率导引条形半导体激光器常采用脊型波导结构。它通过先腐蚀掉一部分P型层，再沉淀上SiO2而构成，由于SiO2的折射率比半导体材料低，致使在横方向出现一个大约0.01的折射率差，从而实现对光波的限制。

图3.7（b）中，强折射率导引条形激光器的条件有源区被折射率较低的半导体材料包围而形成折射率导向波导，这种结构相当于在有源区的四周对光波和载流子进行限制。这种激光器又称为掩埋条形（BH）半导体激光器。一般有源区横向尺寸约为0.1×1（μm2）。根据设计和制作工艺的不同，它们又分为腐蚀台面BH和平面BH激光器等。这种激光器在横向上具有很大的折射率差，平均为0.2～0.3，所以对光信号有很强的限制作用。这种结构的激光器阈值电流低、输出光功率高、输出光斑稳定，适合于单模光纤耦合，目前在光纤通信中得到了广泛的应用。

3）量子阱半导体激光器

一般双异质结半导体激光器有源层的厚度在0.1～0.2μm左右，有源层厚度的减少使激光器阈值电流明显提高。当有源层厚度小至某一尺寸后，将会出现所谓的量子阱效应，即有源层与两边相邻层的能带不连续，在有源层的异质上出现了导带和价带的突变。这样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，将载流子限制在很薄的有源区内，使有源区的粒子数反转浓度非常高。从结构上讲，量子阱是将窄带隙的有源层夹在宽带隙的半导体材料之间形成的一种层状结构，其有源层宽度（LZ）达到或小于电子的德布罗意波长，一般LZ<200。在GaAlAs/GaAs类量子阱结构中，GaAs为有源层，以宽带隙材料GaAlAs为限制层，GaAs形成势阱，GaAlAs形成势垒。如图3.8所示，只有一层InGaAsP，两边为InP的结构为单量子阱，由多层GaAlAs和GaAs交替重叠形成的结构称为多量子阱。图3.8量子阱结构示意图

（a）单量子阱；（b）多量子阱

2.半导体激光器的特性

1）光功率－电流特性

半导体激光器的光功率－电流特性常用P－I曲线表示，它表明输出光功率随注入电流变化的关系。P－I曲线可以由实验测定。典型曲线如图3.9所示。图3.9

LD的P－I曲线从曲线可以看出它有一个“拐点”，对应的电流Ith叫“阈值电流”（如前所述，为使激光器稳定工作，希望阈值电流越小越好）。当注入电流小于阈值时，激光器处于自发辐射状态，它发出的是“荧光”。这时的激光器输出功率很小，光功率随电流增加的很缓慢。当注入电流超出阈值电流时，大量电子吸收能量跃迁到高能级，其数量大大超过低能级上的电子，此时自发辐射已足够强，引起强烈的受激辐射，跃迁与复合达到动态平衡时，激光器发射激光。所以，在“拐点”之后，光功率随电流增大而急剧上升，P－I曲线基本是直的。使用激光器时，只有注入电流大于阈值电流时，激光器才能建立起稳定的激光振荡，从而获得激光输出，所以激光器工作电流应该大于阈值电流。

2）光谱特性

光源的谱线宽度是衡量光源单色性好坏的一个物理量，定义为输出光功率峰值下降3dB时的半功率点对应的宽度。

半导体激光器的光谱随着注入电流而变化。当注入电流小于阈值时，激光器发出的是“荧光”，荧光光谱范围很宽，宽度约为几十纳米，相干性很差；当电流增大到阈值时，发射光谱突然变窄，宽度约为一两个纳米，谱线中心强度急剧增加，这表明出现了激光。光谱窄、单色性强是激光器的重要特点，利用它可以测定激光器的阈值电流。在工作电流由小变大的过程中，一旦观察到激光器的光谱突然变窄，就说明此时的工作电流即是阈值电流。实际上，半导体激光器相当于一个矩形波导腔，光波在腔内的六个面间反射形成驻波，光强有一定的稳定分布。沿谐振腔轴向的光强分布是纵模，垂直于该方向的是横模。自发辐射光谱成分中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建立自己的光场（这也正是谐振腔的频率选择作用），形成“强模”。这个“强模”使粒子数反转分布的能级间产生受激辐射，消耗了激发态的载流子，使其他频率的光受到抑制，形成一个或几个纵模振荡的情况。光谱中只有单个纵模的是单纵模激光器，光谱中有多个纵模的是多纵模激光器。显然，多纵模激光光谱较之单纵模激光光谱要宽许多。单纵模激光器适用于单模光纤系统，多纵模激光器适用于多模光纤系统。另外，激光器在直流工作时为单频谱线的，称为静态单纵模激光器。它在高速调制时振荡模数会增加，使光谱范围增宽，这对于高速率单模光纤通信是非常不利的，由光源谱宽增加引起的材料色散会在传输速率为Gb/s量级的系统中严重地限制中继距离。与静态单纵模相对应的是动态单纵模激光器，它的特点是采取各种措施增加了光反馈的选择性和稳定性，因而在高速调制下仍能维持单纵模振荡，谱宽较窄，频率也较稳定。激光器的光谱特性如图3.10所示。图3.10

LD的光谱特性

（a）荧光光谱；（b）单纵模光纤光谱；（c）多纵模光纤光谱

图3.11

LD温度老化特性（a）随温度变化；（b）随时间变化

4）调制特性

光纤通信中光源多采用直接调制方式：把电信号直接加到激光器上。在数字调制的情况下，有电脉冲时激光器“导通”就发光，无电脉冲时激光器“断开”不发光，这样就把电脉冲变成了光脉冲。调制速率受激光器中载流子平均寿命的限制。这是因为，激光器在导通发射光脉冲后，需要一段时间来恢复所需要的粒子数反转分布，以产生足以克服光强损耗的受激辐射，这段时间可以用td表示。

td是激光器连续发射两个光脉冲所需的延迟时间，这个时间越长，激光器的调制速率就越低，反之就越高。理论分析表明，对激光器加偏置电流可以提高调制速度。当外加的偏置电流等于阈值电流时，延迟时间接近于零，即激光器可以连续发射光脉冲而不需要多少准备时间，调制速度可以非常高。因此，激光器工作时要加一个直流偏置电流在阈值电流附近，以期获得较高的调制速率。实测的激光器调制频率特性如图3.12所示，可以看出调制频率特性在fR处有谐振峰，调制频率大于fR时，输出光功率急剧下降。所以，可以把fR作为调制速率的上限。

5）伏安特性

半导体激光器的伏安特性与一般二极管的伏安特性相似，如图3.13所示，但它有一个导通电压在1V左右。外加电压超过导通电压，注入电流才随之增大。一般要求激光器在阈值电流附近的正向偏压小于2V，激光器的串联电阻小于5Ω。图3.12激光器的调制频率特性图3.13激光器的I－U曲线

3.半导体激光器参数指标

对于一个半导体激光器，主要应用了阈值电流、输出功率、波长范围等参数。表3.5和表3.6所示为两种半导体激光器的特性参数指标。表3.5双异质结InGaAsP波长半导体激光器特性参数表3.6扩散条形半导体激光器的特性参数 3.2

PIN和APD光检测器

光检测器（photodetector）又称光探测器或光检波器。按其作用原理可分为热器件和光子器件两大类。前者是吸收光子使器件升温，起到探知入射光能大小的作用；后者则将入射光转化为电流或电压，是以光子—电子的能量转换形式完成光的检测目的。

热器件对入射波长无选择性，能在很宽的波长范围内对光波作均匀响应。

光纤通信系统均采用光谱很窄的单色光源，要求所采用的检测器具有波长选择性，因此系统的检测器都采用光子器件。光子器件中又可分为光导电型和光生伏特型，光纤通信系统的接收机都采用光生伏特型-结型光电二极管。

石英光纤具有三个低损耗窗口，即0.85μm的第一窗口、1.31μm的第二窗口和1.55μm的第三窗口，相应的光检测器也要分三个波段。用于0.85μm波段的称为短波长光检测器，用于1.31μm和1.55μm波段的则称为长波长光检测器。现在还出现了远比石英光纤损耗低的氟化物玻璃光纤、重金属氧化物和硫化物玻璃等材料制成的光纤，这些新型光纤最低损耗窗口出现在2～6μm波段。波长比2μm还要长的称为“超长波”，它所对应的检测器称超长波检测器。最简单的光检测器就是P－N结，但它存在许多缺点，因此光纤通信系统中较多采用P－I－N结光电二极管（PIN－PD）及雪崩光电二极管（APD）。为了提高接收机的灵敏度，又常将PIN－PD或APD与场效应管（PIN－PD或APD）组合成为PIN－PD或APD－FET接收机组件，因为它们兼有光电转换和放大作用，在光纤通信接收机中获得广泛应用。近年来，高速光电晶体三极管迅速发展，据报道，在1.3μm波段响应度可达125A/W，工作带宽为4.4GHz。它有可能部分代替光电二极管及其组件。3.2.1光电转换原理

某些半导体受到光照射时，其中的电子会接受光能而激发到高能态上。也就是说，半导体中被原子束缚的载流子吸收光后能激发成为自由载流子。这种现象称为光电效应。半导体光检测器完成光电转换就是基于这种光电效应。最简单的光检测器是P－N结光电二极管。其结构如图3.14所示（P型半导体和N型半导体能级结构不同，所以在P－N结附近形成一个能级弯曲的区域）。N型半导体电子浓度高，会向P区扩散，P区中的空穴浓度高，也会向N区扩散。扩散结果使结区中几乎没有可移动的载流子，故称之为耗尽区。耗尽区中形成由N区指向P区的自建电场。在平衡状态下，它阻止了电子和空穴的进一步扩散。用一定波长的光照射P－N结时，如果入射光子能量hv大于材料的禁带宽度Eg（上下能级之间的能量差），价带上的电子就会吸收光子能量受激跃迁到导带，同时在价带中留下空穴，从而产生了新的电子空穴对，这些电子空穴对称为光电载流子。在耗尽区产生的光电载流子由于自建电子的作用，光生电子和光生空穴被分开，成为自由载流子，它们分别向耗尽区两边漂移。若P－N结开路，因为光生载流子在耗尽区两边积累形成的光生电场与自建电场方向相反，会使自建电场电压下降。如果自建电场“势垒”高度为Ud，则光生电场会使之降低ΔU，这个ΔU就是P－N结两端建立的稳定的电势差——光生伏特，它可以对外电路提供电流，开路电压就是ΔU

（这也就是太阳能电池的原理）。图3.14半导体光电二极管P－N结能带图

(a)P－N结；（b）能带结构若P－N结外部电路闭合，在光照作用下，光生载流子就在外电路中形成光电流。光连续照射，P－N结就不断产生电子空穴对，外电路中就有光电流连续通过。当入射光功率变化时，光生电流也将随之线性变化。照射到半导体材料上的光能，受材料吸收系数等因素的影响，在进入半导体内部的过程中会逐渐减弱。如果吸收系数小，入射光功率会透进材料的深处；如果吸收系数很大，光能只能进入材料的薄层中。吸收入射光子而产生光生载流子的区域，称为吸收区；耗尽层及其两侧宽度为载流子扩散长度的区域，称为作用区。产生于吸收区的光生载流子，只有进入作用区的那一部分，才能在耗尽层两侧产生光生伏特效应。在P－N结光电二极管中，产生于P区的光生电子和产生于N区的光生空穴都是以少数载流子身份出现的。它们一边发生浓度扩散，一边与多数载流子复合，这时光电效应消失。只有那些扩散到靠近耗尽层边缘的载流子，才有可能在内建电场的作用下分别快速漂移到对方区域，在耗尽层两边积累。少数载流子扩散速度慢，不能立即产生光生伏特效应，会影响P－N结光电二极管对光信号的影响时间。而产生于耗尽层的光生电子空穴对，则可以被内建电场迅速分开。为了提高光电转化的效率，促使光生载流子高效产生高速流动，可以采用对P－N结施加反向偏压的方法。反向偏压与P－N结的自建电场同方向，这样就加快了光生载流子的高速漂移；同时，反向偏压也加大了耗尽区的宽度，使入射光子主要落在耗尽层中，能更有效地吸收光能，产生光生载流子。

简单地说，半导体光检测器就是一个工作在反向偏压下的P－N结二极管。按工作原理分为PIN光电二极管和APD光电倍增管两大类。3.2.2

PIN光电二极管

虽然P－N结有光电效应，实际上却并不适合做光纤通信检测器。因为这种简单的结构没法减低暗电流和提高响应率，器件的稳定性也很差。

PIN光电二极管改进了P－N结的结构，它在P型层和N型层之间夹有一本征半导体（intrinsicsemiconductor），形成了P－I－N结构而得名。

PIN光电二极管（PIN－PD）的应用电路如图3.15所示。图中，U为反向偏置电压，RL为负载电阻。光波从P面射入（也可以由N面或I层照射，这取决于不同的设计要求），当器件处于反偏置状态时，电源在P－N结中形成的电场E与内建电场Ei同方向，合成结电场Ej=E+Ei，使耗尽区W显著地展宽。再加上本征I区具有极高的电阻值，已接近绝缘体，耗尽区便在整个I区内延伸。其结果给器件性能带来三方面的好处：

第一，I区比P区、N区厚许多。由图3.15表明，入射光能在较宽的范围内激发出载流子，使产生载流子的机会增加，因而提高了器件的响应率。图3.15

PIN－PD的应用电路第二，整个I区内有电场，光生载流子获得较扩散速度快得多的漂移速度奔向电极形成外部电流，因此它的响应速度提高了。

第三，耗尽区拉宽，使结电容减小，有利于高频响应。如图3.16的PIN光电二极管的等效电路所示，Cj减小时，光电流Ip中的高频成分旁路作用减少，因而提高了器件的频率响应。图中，Rj为结区漏电阻；RS为结区和引线的串联电阻；RL为负载电阻。图3.16

PIN－PD的等效电路

为了克服器件光面厚度造成的“短波限”，可采用光从侧面入射的方法（例如，从图3.15中，横向照射I区），或利用异质结的“窗口”效应来达到。横向入射还可以提高响应速率，虽然该法不适用于平面结构的器件，但是在电子集成电路中却被广泛采用。3.2.3雪崩光电二极管

将光电二极管的反偏压不断增加，P－N结内的电场增高，光生载流子漂移速度加快，当电场增高到一定值时，高速漂移的载流子从晶格中碰撞出“二次电子”，二次电子与原电子又加速碰撞出更多的电子，这种现象称为碰撞电离。它是一种连锁式反应，导致载流子雪崩式的猛增，外部电路的光电流相应地增大，这就是雪崩倍增机原理，也就是雪崩光电二极管（APD）的工作原理。图3.17为保护APD（guideringAPD，GAPD）的结构及管内场强分布。器件的几何图形是圆的，光敏面为N型半导体（N+代表高掺杂），虚线左边是耗尽区。保护环的作用往往在边缘集中，使局部场强高于中心区，促使局部提前击穿。

图3.17光电二极管场强分布图在光敏面周围做成一个保护环，环深比光敏面厚得多，使环的击穿电压高于中心区。如不设保护环，则中心区电场尚未达到发生雪崩的数值时，边缘已击穿了，器件的漏电流大增，工作条件被破坏了。雪崩光电二极管有内部增益，用它制作的光通信接收机的灵敏度应高于PIN－PD。但是APD的噪声远大于PIN管的噪声，限制了灵敏度进一步提高。所以又出现了一些改进型的器件，如达通型APD和SAM－APD等，它们的噪声电平和暗电流都较小，已在光纤通信中大量使用。图3.18为达通（reach－throught）型雪崩光电二极管（RAPD）的结构及场强分布。当外加反偏压较小时，|E|的分布如图3.18中曲线①所示，峰值电场较抵，本征层π区也未耗尽，这时不会发生碰撞电离。加大反偏压，使峰值电场超过雪崩所需最低值电场|EA|时就发生雪崩，光生载流子在雪崩区内倍增，如图3.18中曲线②所示。同时，耗尽区已展宽到整个π区。或者说，电场在π区内“达通”或“拉通”了。故该管称为达通型或拉通型APD。为了减小RAPD的噪声和保证它能有较高的倍增，一些结构中设有保护环。两种APD的参数如表3.8和表3.9所示。图3.18

RAPD的结构及场强分布图3.2.4光检测器的特性

1.响应度R

在给定波长的光照射下，光检测器输出的平均电流与入射的光功率平均值之比称响应率或响应度。简言之，响应度为输入单位光功率产生的平均输出电流，R的单位为A/W或μA/μW。其表达式为（3－2）式中：IP为光电流的平均值；P为入射光功率平均值。一般，PIN－PD和APD的响应率为0.3～0.7μA/μW。习惯上将APD的响应率与倍增因子的乘积定义为APD的灵敏度。对无倍增因子的光电二极管灵敏度与响应率是一个含义。

2.量子效率η

响应率是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，量子效率是内部呈现的微观灵敏特性。量子效率是能量为hv的每个入射光子所产生的电子-空穴载流子对的数量（3－3）（3－4）式中：e是电子电荷；v为光频。已知R=IP/P，所以η与R可以相互换算（以v=c/λ代入）（3－5）按现有水平制作的光电二极管，入射100个光子可产生30～95个电子-空穴对，所以η在30%～95%之间。η与R都与波长λ有关。若将h、c、e的常数代入，且未知波长λ以μm值代入，可获得R和η的实用公式（3－6）（3－7）制作一个高量子效率或高响应率的光电二极管需要注意以下三个方面：

(1)光敏面要做的很薄。因为光敏面是高掺杂的材料，这里产生的光生载流子需要在零场区经过缓慢扩散，才能达到耗尽区成为外部光电流，一些载流子在扩散过程中常常被复合而消失。极薄的光敏面可使光生载流子复合的机率减小，大部分能顺利地到达耗尽区，从而提高了量子效率。

(2)耗尽区要足够宽，这是因为入射的全光程都能产生载流子。在0.9μm波长光能穿入硅内深约17μm。因此，按图3－18的Si－RAPD结构中，（N+-P-π）三层的厚度总和应大于17μm，才能保证全光程产生载流子。如果厚度小了，量子效率降低。一般π区需取30～50μm。

(3)为了减小光敏面的光反射损失，可在其表面镀一层抗反射膜（增透膜），以提高量子效率。

3.截止波长

光检测器响应度是与工作波长有关的。由光电转换原理可知，对于禁带宽度Eg=E2-E1的半导体材料，只有在光子能量E=hv>Eg时，才能使电子由价带跃迁到导带，从而产生光电效应。由v·λ=c，v=c/λ，有E=hc/λ。这样，若以hc/λ=Eg，那么当λ>λc时，E<Eg，就不能产生光电效应了。故将λc称为光检测器的波长（注意不要与单模光纤的截止波长相混淆。光检测器的截止波长对应于产生光电效应临界点；而单模光纤的截止波长对应于单模传输的临界点）。图3.19表示出不同半导体材料的量子效率与波长的关系。可以看出，各材料曲线都有一个最高点，它对应的就是截止波长λc，波长大于λc，响应度就迅速下降。不同的材料能级结构不一样，禁带宽度Eg也不一样，截止波长λc就各不相同。例如，Ge材料λc≈1.6μm，Si材料λc≈0.85μm。图3.19量子效率与波长的关系上述表明，只有入射光波长λ<λc才能产生光电效应。但半导体光电二极管的工作波长也不能无限制地减小。对波长小于截止波长λc

的光波半导体材料有吸收作用。波长越短，吸收越严重，结果使大量的入射光子不能深入到耗尽区的内部，在光电二极管的表层就被吸收了。又因反向偏压主要加在PN结附近的耗尽区，表层往往存在一个零电场区域，在这个区域里产生的电子空穴对不能有效转换成光电流。因此，光电转换效率将随波长变短大大下降。这样，长波限取决于禁带宽度，短波限取决于吸收系数，长波限与短波限之间就是器件的光谱响应范围。所以某种特定半导体材料制造的光检测器，只能检测某个波长范围的光信号（在这个范围内，R近似为一个常数，光电流Ip是正比于光功率P的），而用不同的半导体材料制作的光检测器具有不同的光谱效应。例如，Ge：λ=1.3μm时，R=0.45μA/μW；InGaAs：λ=1.3μm时，R=0.6μA/μW。

4.响应速度或响应时间

接收高频率光信号时，光电流必须紧紧跟随光信号的快速变化。光电二极管对光信号变化的反应速度，常用响应速度或响应时间（上升和下降时间）来表示。图3.20是光电二极管响应输入光脉冲的输出电脉冲波形。通常将输出电脉冲前沿的10%上升到99%所需的时间定义为上升时间，而将后沿的99%下降到10%所需的时间定义为下降时间。响应时间越短，响应速度越快，反之亦同。响应时间长短直接影响光电二极管所能接收的最高传输速率，因此越短越好。光电二极管具有一定的响应时间是因为光生载流子的产生、移动和复合等都需要一定的时间，所以响应时间取决于耗尽区内光生载流子的漂移时间、P区内和N区内光生载流子的扩散时间及P－N结的结电容和外电路的负载电阻。图3.20光电二极管的响应时间

5.倍增因子

提高光接收机的灵敏度可从提高信噪比（S/N）着手，S/N的定义为

PIN光电二极管具有很低的噪声，但它不能放大信号，S/N不大。雪崩光电二极管虽然噪声较大，但它的内部增益有利于提高S/N，所以较多地被采用。雪崩光电二极管APD器件有放大作用，其放大作用用倍增因子G表示，定义为（3－8）

对突变结APD，倍增因子可用下式表示:（3－9）式中:G为倍增因子；U1为反向工作电压；UB为击穿电压；n是一个与材料性质、器件结构、辐射条件有关的指数，其值小于1，由经验决定。设在工作电压下，当Idp《Ipp<<IR<<UB时，经过不太复杂的推导，得最大倍增因子表示式近似为(3－10)

6.暗电流

暗电流是指光电二极管在反偏状态下，无光入射时器件输出的反向直流电流。产生暗电流的机理比较复杂，与P－N结结构的表面状态（表面漏电流）以及载流子的扩散、复合等因素有关。它是器件处于反偏下的电流，因此数量级很小（一般为nA量级）。但它带来的噪声位于光接收机的最前端，其影响是不能忽视的。显然，暗电流越小越好。Ge材料通常达到几百纳安，而InGaAs材料暗电流较小。

温度变化对APD暗电流的影响显著。暗电流的增大将使接收机的灵敏度下降。普通光电二极管的暗电流很小，只有几个纳安。 3.3

EDFA光纤放大器

3.3.1光放大器的类型

光放大器的类型主要有三类：半导体激光放大器、非线性光学放大器和掺稀土金属光纤放大器。

1.半导体激光放大器

半导体激光放大器分为两种：一种叫法布里-泊罗半导体激光放大器(FPA)；另一种是在F－P激光器的两个端面上涂有防反射膜，用来获得宽频带、高输出、低噪声。这种放大器也叫行波放大器，因为它的放大作用是在光波的行进过程中获得的。

半导体激光放大器的工作原理与半导体激光器的工作原理相同，都是利用能级间跃迁的受激现象进行放大的。不同的是半导体激光放大器没有设置谐振腔，这是为了提高单位长度的光信号增益。

2.非线性光学放大器

非线性光学放大器是利用光纤中的非线性现象进行放大的，即利用受激拉曼散射和布里渊散射现象进行放大。其工作原理：当单色光射入物质时，入射光与该物质的光学声子相互作用，就在散射光中产生位移一定波长的斯托克斯光。当把泵浦光与信号光一起注入单模光纤时，就会产生从泵浦光功率向信号光功率转换的过程，使光信号获得放大。

3.掺稀土金属光纤放大器

掺铒光纤放大器和掺镨光纤放大器都属于掺稀土金属光纤放大器。掺铒光纤放大器是一种很有前途的放大器，它是利用光纤的非线性效应来制作的，在现代光纤线路中特别是在全光网络中应用越来越广泛。下面主要介绍掺铒光纤放大器。3.3.2

EDFA的组成

掺铒光纤放大器简称EDFA。EDFA是将激光技术用泵浦源作用于掺铒光纤而形成的光纤放大器。掺铒光纤放大器的示意图如图3.21所示。它主要由一根掺有铒杂质、长度为10～100m的光纤和一个泵浦源组成，其工作波长为1.55μm。图3.21

EDFA示意图3.3.3

EDFA的工作原理

1.掺铒光纤（ErbiurDopedFiber，EDF）

EDF是使EDFA具有放大特性的关键技术之一。它多用石英光纤作为基质，也有采用氟化物光纤的。在细微的光纤芯子中掺入固体激光工作物质——铒离子。这细长的光纤（几米、十几米、几十米）本身就是激光作用空间。在这里，光与物质相互作用而被放大、增强。在掺铒光纤放大器技术中，掺铒光纤工艺至关重要。在光纤中，可认为信号光与泵浦光的场近似高斯分布，在光纤芯子轴线上的光强最强。所以，掺杂时尽量使杂质粒子集中在近轴区域，以使光与物质的作用最充分，从而提高能量转换效率。这种方法叫做集心掺杂。英国电信研究室1988年实验证实了这一设想。一般单模光纤芯直径在9μm左右。如果将掺杂光纤拉得比常规光纤更细，可提高信号光和泵浦的能量密度，从而提高其相互作用的效率。实验室中曾用3.3μm，甚至1.34μm芯径的掺杂光纤制成EDFA。芯径的减小将会带来较大的反射和连接损耗。解决的方法是光纤中掺X元素，以降低其折射率（并不是改变半径），从而改变模场半径，使之增大到与常规光纤可匹配的程度。此时，连接损耗可低至0.5dB以下。这种方法称为扩散成锥法，即在光纤尾端形成模场直径锥。掺铒光纤还有掺杂浓度问题。习惯上用光纤中掺杂粒子的质量占光纤芯子总质量的比例来衡量掺杂浓度，一般以10-6表示。高掺杂浓度对提高泵浦效率不利，因为高掺杂浓度可使光纤内的铒离子聚集成团，从而降低泵浦吸收率。在上边提到的集心掺杂法中，如芯子中掺入磷元素或铝元素，将改变掺杂粒子的作用力环境，使铒离子能互相离散。

EDFA在1.55μm波段的自发辐射强度很大，因而可对该波段的光进行放大。其增益谱宽可达35nm甚至更宽，增益高达40dB。对给定的掺铒光纤，须对EDFA进行优化设计，采用合适的光纤长度，使信号得到充分放大，同时得到较低的噪声。

2.泵浦源

泵浦源是EDFA的另一项关键技术。它将粒子从低能级抽运到高能级使之处于粒子反转状态，从而产生放大。实用化的EDFA采用InGaAsP半导体激光器做泵浦源。对它的要求是高输出功率、长寿命。泵浦源可取不同的波长，这些波长必须短于放大信号的波长（其能量E≥hf），且须选在掺铒光纤的吸收带内。现用的最多的是0.98μm的泵浦源，因其噪声低、效率高。有时用1.48μm的泵浦源，因其与放大信号波长相近，在分布式EDFA中更适用。图3.21给出了正向泵浦的EDFA原理性光路，其主体是泵浦源与掺铒光纤。WDM为波分复用器，它的作用是不将不同波长的泵浦光和信号光混合送入掺铒光纤。对它的要求是能将两信号有效地混合而损耗最小。光隔离器的作用是防止反射光对光放大器的影响，保证系统稳定工作。滤波器的作用是滤除放大器的噪声，提高系统的信噪声比。

在泵浦源作用下的掺铒光纤中，通过与工作物质的互相作用，泵浦光将能量转移给信号光而将其放大。

掺铒光纤放大器性能指标如表3.10所示。表3.10掺铒光纤放大器性能指标 3.4无源光器件

3.4.1光纤连接器

光纤连接器是可以装拆的，常用于机-线连接或线-线连接的一类器件，有时也叫活动光纤连接器，俗称“活接头”。虽然它的光学原理十分简单（将两根需要连接的光纤端面抛光、对准、贴紧就实现了光纤的连接），却是光纤通信系统不可缺少的重要部件。光纤活动连接器按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤单模、多模连接器，还有其它如以塑胶等为传输媒介的光纤连接器；按接头结构形式可分为FC、SC、ST、LC、MTRJ、MPO、MU、SMA、FDDI、E2000、DIN4、D4等各种形式。机-线连接是指光端机与光纤线路之间或光测量仪器与光纤之间的连接。目前广泛使用的连接器有三种端面接触形式：FC型(FaceConnect，平面接触型)、PC型(PhysicalConnect，物理接触型)、APC型(AnglePhysicalConnect，角度物理接触型)。FC型连接端面为一垂直光纤芯轴，无凹凸不平的抛光平面。它的最大优点是加工简单、工艺成熟、成本低，因而获得广泛应用。但由于该端面不是绝对平面，因而存在菲涅尔反射。菲涅尔反射除了增加损耗外，还要返回光源，使光源输出不稳定。PC型的端面为抛光的球面，光纤芯子位于球冠的中心而减少了菲涅尔反射。APC型的端面抛光成球面外，还使端面法线与轴线成一定的角度，使光难以返回光源。FC型的反射损耗系数在40dB，PC型可达48dB，APC型反射损耗系数达55dB。如图3.22所示是两种常用光纤连接器，两个接头之间用2～10m的黄色光纤软线连接。图3.22两种常用光纤连接器（a）FC/PC光纤连接器；（b）FC/APC光纤连接器线-线连接指光纤之间的连接。若用熔接机熔接，就是固定接头（俗称“死接头”）。这里所说的虽然也是光纤之间的连接，却是用其他方法完成的，常见于光纤线路紧急抢修或实验室中。它可以是活动或半固定的连接，也可以是固定的连接。前面提到的V形槽类连接器，其核心是一块硅片，上面用光刻工艺刻出了一道与光纤外径相适应的V形槽，光纤放入槽中对正后从上面按压光纤使轴心对准，再设法固定住即可。若是用可拆卸的夹具固定，就是活动或半固定的连接；若是再加粘接剂固定，就是固定连接。对正技术的要点：一是光纤外径精密度要一致；二是将光纤压在槽中的压力要均匀。另外，套管类连接器也能用于活动连接。用玻璃或塑料制成内径与光纤外径精密适配的套管，从套管两端插入光纤，端面贴近后在套管中部的小孔冲填粘接剂即成，如果充填的是折射率匹配液，可以减少连接损耗。这两类连接器均比熔接机连接光纤方便，比FC型连接器便宜。表3.11是国产FC型连接器主要性能指标。表3.11国产FC型连接器主要性能指标光纤连接器技术要求有以下几项：

(1)插入损耗：定义为连接器的输入光功率与输出光功率之比的分贝值。

(2)重复性：指重复使用时由于磨损引起的插入损耗变化量。

(3)互换性：指同类的光纤连接器互换以后插入损耗变化量。

(4)寿命：指保证一定指标条件下的插拔次数。3.4.2光衰减器

光衰减器的作用是对光能量进行预期的衰减，使光能量减少。光衰减器的使用场合有光通信系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等。

光衰减器可以用不同的方式分类。按照光信号的传输方式分为单模光衰减器和多模光衰减器；按照光信号的接口方式分为尾纤式光衰减器和连接器端口式光衰减器；按照光信号的衰减方式分为固定光衰减器和可变光衰减器。当接收机输入光功率超过某一范围或在测量光纤接收机灵敏度时，都要用到光衰减器，其结构示意图如图3.23所示。其中，光衰减片可调整旋转角度，改变反射光与透射光比例来改变光衰减的大小。可制成步进式或连续改变衰减值的结构。光衰减器也有衰减为固定值的。这种衰减器的衰减片可以装在结构如活动连接器的插件中。光衰减片由镀金属膜的玻璃片构成，衰减大小决定于镀膜的材料性能及膜厚度。衰减器的指标为插入衰减、工作波长、衰减精度，可调衰减器还给出衰减变化范围及步进量。表3.12是光衰减器的主要性能指标。图3.23光衰减器示意图3.4.3波分复用器

多波长波分复用器件一般指4波长以上器件，对于密集型(DWDM，DenseWavelengthDivisionMultiplexing)器件，有4波长、8波长、16波长几种。研制产品的波长为1550nm和1310nm。考虑到掺铒光纤放大器的需要，又考虑到波长在1550nm区域具有更小的损耗，所以一般研制产品的波长为1550nm。按照电磁波频率单一与特定波长相对应这一意义来讲，光波分复用(WDM)的概念与光频分复用(FDM)概念没有任何不同。目前，光波按波长(或频率)复用的技术内容包括两个方面，即波分复用与频分复用。对于大的光载波间隔，比如20000GHz的频率间隔(约0.1μm的波长间隔)一般称波分复用。对于窄的光载波间隔，比如5GHz的频率间隔(0.04nm波长间隔)采用频分复用这一技术术语比较方便。一般来说，光频分复用适用于光信道排列紧密的情况，复用信道一般在10个以上；光波分复用适用光信道排列稀松的情况，复用信道数量在