通信用光器件通信用光器件可以分為兩種類型有源.ppt

第 3 章 通信用光器件 通信用光器件可以分為兩種類型： 1、有源器件 2、無源器件,1、有源器件 有源器件包括光源、光檢測器和光放 大器，這些器件是光發(fā)射機、光接收機和 光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著 基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。,2、光無源器件 光無源器件主要有連接器、耦合 器、光合波器和光分波器、光濾波器 和隔離器等。這些器件對光纖通信系 統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴展和性能的提高 都是不可缺少的。,本章重點要求： 1、了解光源和光檢測器的概念及其 在光纖通信系統(tǒng)中作用； 2、理解激光器的發(fā)光機理； 3、掌握發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、 光電二極管、雪崩光電二極管等的工作原 理及其主要特性。,3.1 光源 光源是光發(fā)射機的關(guān)鍵器件，其功能 是把電信號電流轉(zhuǎn)換為光信號功率,即實現(xiàn) 電/光轉(zhuǎn)換。 目前光纖通信廣泛使用的光源主要有 半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器(LD)和發(fā)光 二極管或稱發(fā)光管(LED)。,對光源性能的基本要求 1 光源發(fā)光波長必須與光纖低損耗窗口相符 石英光纖的損耗特性有三個低損耗窗 口，其中心波長分別為 850 nm、1310 nm 和 1550 nm。因此，光源的發(fā)光波長應(yīng)與 三個低損耗窗口相符。,2 足夠的光輸出功率 在室溫下長時間連續(xù)工作的光源，必 須按光通信系統(tǒng)設(shè)計的要求，能提供足夠 的光輸出功率。 目前激光二極管能提供500微瓦到10毫瓦的輸出光功率；發(fā)光二極管可提供10微瓦到1毫瓦的輸出光功率。,3 可靠性高、壽命長 現(xiàn)在的激光二極管可靠性比較高，壽命長。 激光二極管壽命105小時，發(fā)光二極管壽命107小時。,4 溫度穩(wěn)定性好 器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作，要求溫度穩(wěn)定性好。 5 調(diào)制特性好 允許的調(diào)制速率要高或響應(yīng)速度要快，以滿足系統(tǒng)的大傳輸容量的要求。,6 光譜寬度要窄 光譜單色性要好，即譜線寬度要窄，以減小光纖色散對帶寬的限制。 LD 線寬 2nm； LED 線寬在100nm左右。,7 與光纖之間的耦合效率高 光源發(fā)出的光最終要耦合進光纖才能進行傳輸，因此希望光源與光纖之間有較高的耦合效率，使入纖功率大，中繼間距加大。 目前一般激光的耦合效率為 20% 30% 較高水平的耦合效率可超過 50%,8 體積小，重量輕 要求器件體積小，重量輕，安裝使用方便，價格便宜。 激光器的工作物質(zhì)可以是氣體、液體、固體。也可以是半導(dǎo)體。由于半導(dǎo)體激光器調(diào)制方便、體積小、便于與光纖耦合，是光纖通信最為合適的光源。,3.1.1 半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu) 一、受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 （一）基本概念 （1）半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。,（2）激光 激光，其英文 LASER 就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激輻射的光放大)的縮寫。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。,（二）光和物質(zhì)相互作用,有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級 Ei (i=2, 3, 4 ) 稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式。,1917年愛因斯坦根據(jù)輻射與原子相互作的量子理論提出，光與物質(zhì)的相互作用時，將發(fā)生: (1)受激吸收 (2)自發(fā)輻射 (3)受激輻射 三種基本物理過程。,(1)受激吸收 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。受激吸收將使外界光能減少。,(2) 自發(fā)輻射 在高能級 E2 的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自動地躍遷到低能級 E1上，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。,(3) 受激輻射 在高能級 E2 的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級 E1上，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這個過程是在外界條件刺激下產(chǎn)生的，因而稱為受激輻射。受激輻射產(chǎn)生的光子與入射光子疊加，使光得到放大，因而受激輻射是產(chǎn)生激光的最重要的過程。,受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在 E1 和 E2 兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即,式中，h=6.62810-34Js，為普朗克常數(shù)， f12 為吸收或輻射的光子頻率。,（三）相干光和非相干光 （1）相干光 受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。,（2）非相干光 自發(fā)輻射的光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。,（四）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級 E2 (E2 E1) 的粒子數(shù)分別為 N1 和 N2。,在熱平衡條件下，各能級上的粒子數(shù)分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計分布。,式中，k = 1.38110-23 J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T 為絕對溫度。由于 (E2-E1) 0 ，T 0， 所以在這種狀態(tài)下，總是 N1 N2。,（1）吸收物質(zhì) 我們把這種 N1 N2 分布稱為粒子數(shù)正常分布,如圖。在熱平衡狀態(tài)下，N1 N2，受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質(zhì)時，光波總是被吸收，光強按指數(shù)衰減， 這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。,（2）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 如果 N2 N1，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為 激活物質(zhì)。N2 N1的分布，和正常狀態(tài)( N1 N2 )的分布相反，所以稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。,問題是: 如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?,（1）要在能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，物質(zhì)系統(tǒng)中必須存在3個能級或3個以上的能級。理論證明，在二能級的物質(zhì)系統(tǒng)中，能級間不可能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)。 （2）在半導(dǎo)體光源器件中，通常是利用外加適當?shù)恼螂妷簛韺崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)的。,二 、PN結(jié)的能帶和電子分布 （一）能帶概念 半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶。,內(nèi)層電子態(tài)之間的交疊小，原子間的影響弱，分成的能帶比較窄；外層電子態(tài)之間的交疊大，原子間的影響強，分成的能帶比較寬。 電子填充能帶時，將從最低能帶開始向上依次填充各個能帶的能級。,（1） 價帶 原子最外層的價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶。（價帶中的電子不能導(dǎo)電，價帶中只有空穴才能導(dǎo)電）； （2）導(dǎo)帶 價帶上面鄰近的空帶，即自由電子占據(jù)的能帶稱為導(dǎo)帶。 原子的電子與空穴的復(fù)合發(fā)光過程，主要發(fā)生在導(dǎo)帶和價帶之間。,（3）滿帶 除了最外層外，內(nèi)層所有能帶都被電子填滿，故稱為滿帶。 （4）禁帶 導(dǎo)帶底的能量和價帶頂?shù)哪芰恐g的能量差稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。,（二）電子分布 根據(jù)量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為 E 的能級被電子占據(jù)的概率為費米分布：,式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef 稱為費米能級，它是半導(dǎo)體的一個參數(shù)。,當能級 E 0.5時，說明這種能級被電子占據(jù)的概率大于50%；當能級E Ef ，p(E) 0.5時，說明這種能級被電子占據(jù)的概率小于50%。 也就是說，低于費米能級Ef 的能級被電子占據(jù)的概率大，高于費米能級Ef 的能級被電子占據(jù)的概率小。,（三）P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的能帶,（1）接觸前P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖 主要由空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。當重摻雜時，費米能級會進入價帶，稱為簡并型P型半導(dǎo)體； 主要由電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。當重摻雜時，費米能級會進入導(dǎo)帶，稱為簡并型N型半導(dǎo)體。,接觸前PN半導(dǎo)體的能帶圖,（2）接觸后P型、N型半導(dǎo)體的能帶圖 當P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體結(jié)合時形成PN結(jié)后，由于載流子向?qū)Ψ交ハ鄶U散的結(jié)果，使N區(qū)的費米能級降低，P區(qū)的費米能級升高，達到熱平衡時，形成了統(tǒng)一的費米能級。 因此在熱平衡狀態(tài)下，高能級上電子數(shù)少，低能級上電子數(shù)多，未能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。,接觸后PN半導(dǎo)體的能帶圖,（3）外加正向偏壓下 PN 結(jié)半導(dǎo)體的能帶圖 當PN結(jié)加上正向偏壓時，破壞了熱平衡時統(tǒng)一的費米能級，在P區(qū)和N區(qū)各自形成了準費米能級。這時，導(dǎo)帶中費米能級以下充滿了電子，價帶中費米能級以上沒有電子，因此，形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活區(qū)，稱為半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)。,外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物質(zhì)（PN結(jié)為激活區(qū)）。在激活區(qū)，電子空穴對復(fù)合發(fā)射出光。,在激活區(qū)，電子空穴對復(fù)合發(fā)射出光,三 、激光振蕩和光學(xué)諧振腔 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。,1、法布里-珀羅 (F-P) 諧振腔 激光器是由反射率為100%（R=1）的全反射鏡與反射率為90%95%（R1）的部分反射鏡平行放置在工作物質(zhì)兩端以構(gòu)成光學(xué)諧振腔。并被稱為法布里-珀羅(FabryPerot，F(xiàn)-P)諧振腔。,法布里-珀羅 (F-P) 諧振腔,由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經(jīng)反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，在諧振腔中沿非軸線方向的光子很快逸出了腔外，而沿軸線方向的光子往復(fù)傳輸，不斷被放大，且方向性、增益不斷改善，最后從反射鏡輸出，即為激光。,2、閾值條件及相位條件 要產(chǎn)生激光振蕩還必須滿足閾值條件及相位條件。,（1）、閾值條件 由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當增益和損耗相當時，在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，光波在諧振腔內(nèi)往返一次應(yīng)保持不變，即,式中，th為閾值增益系數(shù)，為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1，R2 1 為兩個反射鏡的反射率。,激光振蕩需要滿足的閾值條件為,例：對于GaAs材料的半導(dǎo)體激光器，其非涂覆解里面上R1=R2=0.32(也就是32%的輻射光在端面上被反射)，激活物質(zhì)的損耗系數(shù)=1mm-1，諧振腔長L=500m，求閾值增益系數(shù)th 。,由閾值條件得,閾值增益系數(shù)為,（2）相位條件 激光振蕩需要滿足的相位條件為,可以寫成,或,式中，為激光波長，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1, 2, 3 稱為縱模模數(shù)。,縱 模,相位條件是：諧振腔的長度應(yīng)為半波長的整數(shù)倍。對于給定的激光器，滿足相位條件的波長稱為激光模式，有一個波長對應(yīng)一個模式，它與前面討論的光纖中的模是不一樣的，前者為波導(dǎo)模式， 后者嚴格地說是空間模式，為了區(qū)別開，可以稱為縱模。,四、 PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理,PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理 PN結(jié)半導(dǎo)體激光器是用PN結(jié)作激活區(qū)，用半導(dǎo)體天然解里面作為反射鏡組成光子諧振腔，外加正向偏壓作為泵浦源。,外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物質(zhì)（PN結(jié)為激活區(qū)）。在激活區(qū)，電子空穴對復(fù)合發(fā)射出光。,初始的光場來源于導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)輻射，方向雜亂無章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運動的光子就成為受激輻射的外界因素， 使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。,這些光子通過反射鏡往返反射不斷通過激活物質(zhì)，使受激輻射過程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出，這就是經(jīng)受激輻射放大的光 。即PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出的工作原理。,五、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 PN結(jié)是由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，P區(qū)、N區(qū)具有相同的帶隙、接近相同的折射率（摻雜后折射率稍有變化，但很?。?，這種PN結(jié)稱為同質(zhì)結(jié)。,同質(zhì)結(jié)導(dǎo)波作用很弱，光波在PN結(jié)兩側(cè)滲透較深，從而致使損耗增大，發(fā)光區(qū)域較寬。 因此，同質(zhì)結(jié)構(gòu)成的光源有很大的缺點：發(fā)光不集中，強度低，需要較大的注入電流。器件工作時發(fā)熱非常嚴重，必須在低溫環(huán)境下工作，不可能在室溫下連續(xù)工作。,為了克服同質(zhì)結(jié)的缺點，需要加強結(jié)區(qū)的光波導(dǎo)作用及對載流子的限定作用，這時可以采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。所謂異質(zhì)結(jié)，就是由帶隙及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)。,異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器不同。它是利用不同折射率的材料來對光波進行限制，利用不同帶隙的材料對載流子進行限制。,圖給出了雙異質(zhì)結(jié)（DH）半導(dǎo)體激光器加正向偏壓時，能帶的分布。如圖。,這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。,另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。,3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性 一、 發(fā)射波長和光譜特性 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于禁帶寬度 Eg(eV )，即,將 f=c /， f 和分別為發(fā)射光的頻率和波長， c = 3108 m/s為光速， h = 6.62810-34JS為普朗克常數(shù)， 1 eV = 1.610-19 J。 代入上式得到:,得發(fā)射波長為：,不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長。,鎵鋁砷 -鎵砷 (GaAlAs-GaAs)材料禁帶寬度Eg=1.47 eV，其發(fā)射波長為：,適用于0.85 m波段。,0.85,m,銦鎵砷磷 - 銦磷(InGaAsP-InP)材料禁帶寬度Eg=0.800.96 eV 。,適用于1.31.55m波段。,二 、光譜特性 因為導(dǎo)帶和價帶都是由許多連續(xù)能級組成的有一定寬度的能帶，兩個能帶中不同能級之間電子的躍遷會產(chǎn)生連續(xù)波長的輻射光，所以激光器發(fā)射光譜就有一定的譜線寬度。如圖。,光源的譜線寬度是衡量光源單色性好壞的一個物理量。激光器發(fā)射光譜的寬度取決于激發(fā)的縱模數(shù)目，對于存在若干個縱模的光譜性刻畫出包絡(luò)線。 把光強下降一半時的兩點間波長范圍定義為輸出譜線寬度（半功率點全寬FWHP），用 表示。,半導(dǎo)體光源的典型性,1、 靜態(tài)單縱模激光器 隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。,2 、動態(tài)單縱模激光器 由圖可見，在高速數(shù)字調(diào)制下，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。用 F-P諧振腔 可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器，但要得到高速數(shù)字調(diào)制的動態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如采用分布反饋激光器就可達到目的。,三 、轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性 1 、轉(zhuǎn)換效率 激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率d eta 表示，其定義是在閾值電流以上，激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，表達式為,2 、輸出光功率特性 由上式此得到激光器的光功率 P 為,式中，P 和 I 分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動電流，Pth 和 I th 分別為相應(yīng)的閾值，hf 和 e 分別為光子能量和電子電荷。,激光器的光功率特性通常用 PI 曲線表示，圖是典型激光器的光功率特性曲線。 當I Ith 時，激光器發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。,四、頻率特性 在直接光強調(diào)制下，激光器輸出光功率 P 和調(diào)制頻率 f 的關(guān)系為,式中， 和 ksi分別稱為弛豫頻率和阻尼因子。激光器調(diào)制頻率特性在 處有諧振峰，調(diào)制頻率大于 時，輸出光功率急劇下降。所以，可以把弛豫頻率作為調(diào)制速率的上限。,圖為半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率 fT 是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的 fT 為12 GHz。在接近 fT 處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。,五、 溫度特性 激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因：一是激光器的閾值電流 Ith 隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率d隨溫度升高而減小。,溫度升高時，Ith增大，d 減小， 輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不激射了當以直流電流驅(qū)動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴重。當對激光器進行脈沖調(diào)制時，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為,式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫度。 P-I 曲線隨溫度的變化如圖所示。,光源是光發(fā)射機的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號電流轉(zhuǎn)換為光信號功率,即實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。,3.1.3 分布反饋激光器 如果激光器同時有多個模式振蕩, 就稱為多模激光器。 前面討論的 F-P 腔激光器就是多模激光器。 半導(dǎo)體激光器的光譜特性主要由其縱模決定。,：為單模光纖色散系數(shù)。 ：為光源的譜線寬寬。,單模光纖的色散為：,由于光纖中存在色散，譜寬很寬對高速光通信系統(tǒng)是很不利的，因此光源的譜寬應(yīng)盡可能地窄，即希望激光器僅僅工作在單縱模狀態(tài)，這樣的激光器稱為單縱模激光器。,要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低，而輸出光功率更大。,具有這些特性的動態(tài)單縱模激光器有多種類型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反饋(Distributed Feed Back, DFB )激光器。 ,1、結(jié)構(gòu)特點 DFB激光器結(jié)構(gòu)上的特點是：激光器不是由反射鏡面來提供，而是由折射率周期性變化的波紋結(jié)構(gòu)（波紋光柵）來提供，即在有源層的一側(cè)制作波紋光柵。,2、工作原理 DFB 激光器的基本工作原理，可以用布喇格反射來說明。波紋光柵是由于材料折射率周期性變化而形成，它為受激輻射產(chǎn)生的光子提供周期性的反射點，在一定的條件下，所有的反射光同相疊加，形成某方向光的主極強。,布喇格反射原理,分布反饋(DFB)激光器 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋,如圖所示，由有源層發(fā)射的光，從一個方向向另一個方向傳播時，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強的反饋，而其他波長的光將相互抵消。雖然每個波紋峰反射的光不大，但整個光柵有成百上千個波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。,光柵周期由下式布喇格反射條件確定：,式中，為波紋光柵的周期長度，也稱柵距；ne為材料有效折射率；B為布喇格波長；m為整數(shù)，稱為衍射級數(shù)。,當波紋光柵的周期長度為時，只有滿足布喇格反射條件波長為B的光波，才能產(chǎn)生激光震蕩，使激光器得到蛋品輸出。由于分布反饋激光器是由光柵選擇單縱模，因而在高速調(diào)制下仍維持單縱模輸出。,DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點： 單縱模激光器。 DFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期決定。相當于F-P激光器的腔長L，每一個形成一個微型諧振腔。于是DFB激光器容易設(shè)計成單縱模振蕩。, 譜線窄， 波長穩(wěn)定性好。 由于DFB激光器的每一個柵距相當于一個F-P腔，所以布喇格反射可以看作多級調(diào)諧，使得諧振波長的選擇性大大提高， 譜線明顯變窄，可以窄到 0.1 nm 左右。 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，因而波長的穩(wěn)定性得以改善, 動態(tài)譜線好。 DFB激光器在高速調(diào)制時也能保持單模特性，這是F-P激光器無法比擬的。盡管DFB激光器譜線有一定展寬，但比F-P激光器的動態(tài)譜線的展寬要改善一個數(shù)量級左右。 , 線性好。 DFB激光器的線性非常好， 因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。 ,3.1.4 發(fā)光二極管 1、工作原理 發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同， LD發(fā)射的是受激輻射光-激光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光-熒光。,2、LED的結(jié)構(gòu) LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔， 沒有閾值。,LD的結(jié)構(gòu),LED的結(jié)構(gòu),和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡單，價格低廉。因此， 這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。 ,LD和 LED一性能,3.1.5 半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用 LED通常和多模光纖耦合，用于1.3 m (或0.85m) 波長的小容量短距離系統(tǒng)。因為LED發(fā)光面積和光束輻射角較大， 而多模光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。,LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量長距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國內(nèi)外都得到最廣泛的應(yīng)用。,分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。 ,3.2 光-檢測器,光檢測器的作用是通過光電效應(yīng)，將接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。目前的光接收機絕大多數(shù)都是用光電二極管直接進行光電轉(zhuǎn)換，其性能的好壞直接影著接收機的性能指標。,3.2 光-檢測器,光電二極管的種類很多，在光纖通信系統(tǒng)中，主要采用半導(dǎo)體PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD)。,3.2光-檢測器,3.2.1 光電二極管工作原理 光電二極管把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實現(xiàn)的。 ,由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為 I )，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。 ,3.2.2 PIN 光電二極管 1、PIN光電二極管結(jié)構(gòu),基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管,2、PIN 光電二極管工作原理,PIN 光電二極管工作原理,當光從P區(qū)一側(cè)入射，則光能量在被吸收的同時仍繼續(xù)向 N區(qū)一側(cè)延伸吸收，在經(jīng)過耗盡層時，由于吸收光子能量，電子從價帶被激勵到導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子空穴對（即光生載流子），并且在耗盡層空間電場作用下，分別向N型區(qū)和P型區(qū)相互逆方向作漂移運動，并在外部電路形成光電流。,PIN 光電二極管工作原理,然而，在耗盡層以外