有源光器件及無源光器件區(qū)別及基礎(chǔ)

1、 有源光器件和無源光器件有源光器件和無源光器件定義：定義：需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半導(dǎo)體光探測器半導(dǎo)體光探測器(PD,PIN,APD(PD,PIN,APD）光纖激光器（光纖激光器（OFL:OFL:單波長、多波長）單波長、多波長）光放大器光放大器(SOA,EDFA)(SOA,EDFA)光波長轉(zhuǎn)換器光波長轉(zhuǎn)換器(XGM,XPM,FWM)(XGM,XPM,FWM)光調(diào)制器（光調(diào)制器（EAEA）光開關(guān)光開關(guān)/ /路由器路由器定義：定義：不需要外

2、加能源驅(qū)動工作的光電子器件不需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件光纖連接器（固定、活動光纖連接器（固定、活動,FC/PC,FC/APC,FC/PC,FC/APC）光纖定向耦合器光纖定向耦合器/ /分支器分支器光分插復(fù)用器（光分插復(fù)用器（OADM)OADM)光波分光波分/ /密集波分復(fù)用器（密集波分復(fù)用器（WDM/DWDM)WDM/DWDM)光衰減器（固定、連續(xù)）光衰減器（固定、連續(xù)）光濾波器（帶通、帶阻）光濾波器（帶通、帶阻）光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關(guān)、無關(guān)）光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關(guān)、無關(guān)）光偏振態(tài)控制器、光纖延遲線、光纖光柵光偏振態(tài)控制器、光纖延遲線、光纖光柵電線光纖調(diào)制器光調(diào)制器電阻光衰

3、減器三通（多通）光耦合器二極管光隔離器混頻器光波分復(fù)用器放大器光放大器頻率轉(zhuǎn)換器光波長轉(zhuǎn)換器濾波器光濾波器電源光源電接插件光連接器探頭光探測器開關(guān)光開關(guān)集成電路集成光路多波長光源多波長光源DWDM光調(diào)制器光調(diào)制器光隔離器光隔離器光耦合器光耦合器光波長轉(zhuǎn)換光波長轉(zhuǎn)換光放大光放大DWDM光色散補償光色散補償光隔離器光隔離器光環(huán)行器光環(huán)行器光波長轉(zhuǎn)換光波長轉(zhuǎn)換OADMDWDM光隔離器光隔離器光環(huán)行器光環(huán)行器光開關(guān)光開關(guān)可調(diào)諧濾波可調(diào)諧濾波DWDMOXC光耦合器光耦合器光調(diào)制解調(diào)光調(diào)制解調(diào) 光電變換器件 光開關(guān)與調(diào)制器件 光放大器件 光色散補償器件 光網(wǎng)絡(luò)器件 F-P腔激光二極管(LD) 分布反饋布拉

4、格激光器(DFB) 分布布拉格反射激光器(DBR) 外腔激光器與Q開關(guān)激光器 發(fā)光二極管(LED) 光纖激光器(OFL) 垂直腔表面發(fā)射激光器(ECSEL) 多波長光源與波長可調(diào)諧激光器多波長光源與波長可調(diào)諧激光器 光電探測器(PD、PIN、APD) 幅度調(diào)制 機械調(diào)制 電光調(diào)制 直接調(diào)制 電吸收光調(diào)制(EA) 相位調(diào)制 偏振調(diào)制 光電集成芯片(OEIC) 光子集成芯片(PIC) 色散控制 色散位移單模光纖 非零色散位移單模光纖 大有效截面單模光纖 色散平坦單模光纖 色散補償 色散補償光纖模塊 SOA色散補償 光纖光柵色散補償 色散管理 光耦合透鏡（自聚焦透鏡、玻璃球透鏡） 光連接器與光耦合器

5、 光隔離器與光環(huán)行器 光濾波與光波分復(fù)用器件 光起偏器與偏振控制器 光波長轉(zhuǎn)換與光波長路由器件 光調(diào)制解調(diào)器（Modem） 光衰減器與光延時器件 光開關(guān)與光交叉連接器件 微光電機械芯片 摻鉺光纖放大(EDFA) 摻鐠光纖放大(PDFA) 摻釹光纖放大(NDFA) 分布式光纖放大 喇曼光纖放大(SRFA) 布里淵光纖放大(SBFA) 半導(dǎo)體光放大(SOA) 第三章第三章 有源光器件和有源光器件和 無源光器件無源光器件3.1 3.1 激光原理的基礎(chǔ)知識激光原理的基礎(chǔ)知識3.2 3.2 半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源3.3 3.3 光電探測器光電探測器3.4 3.4 無源光器件無源光器件3.1 3.1 激光的

6、基礎(chǔ)知識激光的基礎(chǔ)知識3.1.1 玻爾的玻爾的能級假說能級假說3.1.2 光子光子3.1.3 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收受激輻射和受激吸收3.1.4 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)其中E2和E1分別為躍遷前、后的原子能級能量，h為普朗克常數(shù)，為電磁輻射的頻率。3.1.1 玻爾的玻爾的能級假說能級假說12EEhh =6.626110-34 Js能量最低的原子能級稱為基態(tài)能級，其它能量較高的原子能級稱為激發(fā)態(tài)能級。3.1.2 光子光子若原子從E2 E 1 ， E=E2 E 1 ，這個差 E將以一個量子的能量形式釋放，一個量子的能量被稱為光子光子（photon）。）。一個光子的能量Ep由下面的公式定

7、義Ep =h（ 3.1.3-1 ）h是普朗克常數(shù)(h=6.626 10-34 J S)，而是光子的頻率。原子從高能級低能級，對應(yīng)于光子的輻射；原子從低能級高能級，對應(yīng)于光子的吸收。 處于高能級的原子自發(fā)的輻射一個頻率為處于高能級的原子自發(fā)的輻射一個頻率為、能量為、能量為E的光子，躍遷到低能級，的光子，躍遷到低能級，這一過程稱為自發(fā)輻射。是相位、偏振方向不同的非相干光。這一過程稱為自發(fā)輻射。是相位、偏振方向不同的非相干光。E2E1N2N1h 3.1.3 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收受激輻射和受激吸收3.1.43.1.4 .1.1 自發(fā)輻射自發(fā)輻射(spontaneous radiatio

8、n)12EEhEpE2E1N2N1全同光子全同光子h 3.1.33.1.3 .2 .2 受激輻射受激輻射 (stimulated radiation)在能量為在能量為E的入射光子的激勵下，原子從高能級向低能級躍遷，同時發(fā)射一個的入射光子的激勵下，原子從高能級向低能級躍遷，同時發(fā)射一個與入射光子頻率、相位、偏振方向和傳播方向都相同的另一個光子，這一過程與入射光子頻率、相位、偏振方向和傳播方向都相同的另一個光子，這一過程稱為受激輻射。稱為受激輻射。12EEhEE2E1N2N1h 上述外來光也有可能被低能級吸收，使原子從E1E2。在入射光子的激勵下，在入射光子的激勵下，原原子從低能級向高能級躍遷，稱

9、為子從低能級向高能級躍遷，稱為受激受激吸收吸收。 3.1.33.1.3 .3 .3 受激吸收受激吸收 (stimulated absorption)12EEhE自發(fā)輻射是單向性的；受激躍遷是雙向的;自發(fā)輻射概率與光強無關(guān)；受激躍遷概率正比于光強。自發(fā)輻射和受激輻射、吸收的區(qū)別：3.1.4 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在熱平衡時，各能級的粒子數(shù)目服從玻耳茲曼統(tǒng)計分布:)/exp()/exp(/12kThkTENNg即若若 E2 E 1，則兩能級上的原子數(shù)目之比則兩能級上的原子數(shù)目之比11212 kTEEeNNk=1.3810-23J/K為玻耳茲曼常量為玻耳茲曼常量N2N1N2N1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（

10、N2 N1）是實現(xiàn)激光放大的必要條件）是實現(xiàn)激光放大的必要條件。為了實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就需要大量電子躍遷到導(dǎo)帶，為此，需要泵浦為躍遷提供能量。此外，還需要亞穩(wěn)態(tài)能級使激發(fā)的電子保持一段時間，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。例如：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;在可見光和近紅外，Eg=hv=E 2-E 11eV;20 08116121E5kTE.Nee10N說明基態(tài)上粒子數(shù)最多。此時 受激輻射概率受激吸收概率，不能產(chǎn)生光放大。JeV19106022. 1例題1、假設(shè)一個激光二極管發(fā)出的紅光的波長=650nm,那么單個光子的能量是多少？解： Ep =h =hc/=6.6 10-34 J

11、 S 3 108 m/s/650 10-9m=3.04 10-19 J 2、LD波長=650nm,光能量P=1mW,這個光源每秒發(fā)射多少光子？解：總能量 E =P 1s=1 10 -3W 1s = 1 10 -3J這個能量等于E = Ep N,其中N是光子的數(shù)量。所以N=E/ Ep = 1 10 -3J/3.04 10-19 J =3.3 1015 ，也就是3.3千萬億。千萬億。 3.2 3.2 半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源3.2.1半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用3.2.2半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）3.2.2發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）3.2.1 3.2.1 半導(dǎo)體激光器

12、的特點和應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用半導(dǎo)體激光器是通過半導(dǎo)體激光器是通過受激輻射受激輻射產(chǎn)生光的器件。產(chǎn)生光的器件。受激輻射的特征：一個受激輻射的特征：一個外來光子迫使外來光子迫使一個帶有類似能量一個帶有類似能量E E的光子被發(fā)射；所有受激光子的光子被發(fā)射；所有受激光子的發(fā)射方向都與激發(fā)他們的光子相同；受激光子僅在有外來光子激發(fā)他們的時候才輻射的發(fā)射方向都與激發(fā)他們的光子相同；受激光子僅在有外來光子激發(fā)他們的時候才輻射同步同步的。的。形成形成正反饋正反饋的方法：用兩個鏡面、光柵形成諧振器。的方法：用兩個鏡面、光柵形成諧振器。受激光子快速增加需要導(dǎo)帶中有無數(shù)受激電子來維持這個動態(tài)過程。因此需要比

13、受激光子快速增加需要導(dǎo)帶中有無數(shù)受激電子來維持這個動態(tài)過程。因此需要比LEDLED快快得多的速度來激活電子，需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)得多的速度來激活電子，需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要在激活區(qū)加大的，需要在激活區(qū)加大的正向電流。正向電流。為了使激光二極管產(chǎn)生光，為了使激光二極管產(chǎn)生光，增益必須大于損耗增益必須大于損耗。綜上所述，半導(dǎo)體激光器的激射條件為：綜上所述，半導(dǎo)體激光器的激射條件為： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 受激受激輻輻射射 正反饋正反饋半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）的特點：）的特點：半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）的應(yīng)用：）的應(yīng)用：輸出功率大輸出功率大(kW)，

14、光譜寬度窄，光譜寬度窄(0.01pm)，高偏振，相干長度長，輸出，高偏振，相干長度長，輸出 NA小小 ( 光易于耦合進光纖光易于耦合進光纖)光纖通信、醫(yī)學、測量、加工和軍事等。光纖通信、醫(yī)學、測量、加工和軍事等。3.2.2 3.2.2 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LDLD）l FP-LD- FP-LD-法不里法不里- -泊羅激光器泊羅激光器l DFB-LD DFB-LD分布反饋激光器分布反饋激光器l DBR DBR -LD-LD - -分布反射激光器分布反射激光器l QW QW LD-LD-量子阱量子阱激光器激光器法不里法不里- -泊羅激光器泊羅激光器Fabry-Perot (FP) Lase

15、rFabry-Perot (FP) Laser多縱模多縱模(MLM) 光譜光譜“著名著名”的半導(dǎo)體激光器的半導(dǎo)體激光器最早用于光纖鏈路最早用于光纖鏈路 (850 or 1300 nm)今天今天:用于短或中等長度的光纖鏈路用于短或中等長度的光纖鏈路主要性能指標主要性能指標*主要用于波長主要用于波長 850 or 1310 nm*總輸出功率大于幾總輸出功率大于幾 mw*光譜寬度光譜寬度 3 to 20 nm*Mode spacing 0.7 to 2 nm*高偏振高偏振*相干長度約為相干長度約為 1 to 100 mm*小的小的 NA ( 光易于耦合進光纖光易于耦合進光纖)P peakI(mA)P

16、(mW)閾值 (nm)FP-LD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)FP-LDFP-LD管芯示意圖管芯示意圖FP-LD的工作原理的工作原理要實現(xiàn)要實現(xiàn)FP-LDFP-LD激射，必須滿足幾個基本條件：激射，必須滿足幾個基本條件： 要有能實現(xiàn)電子和光場相互作用的物質(zhì)；要有能實現(xiàn)電子和光場相互作用的物質(zhì)； 要有注入能量的泵浦源；要有注入能量的泵浦源； 要有一個要有一個F-PF-P諧振腔；諧振腔； 必須增益大于損耗必須增益大于損耗 要滿足振蕩條件要滿足振蕩條件: : = 2nL/N。其中其中L是鏡間距，是鏡間距， N 是一個整數(shù)，是一個整數(shù)， n為諧振腔內(nèi)折射率，為諧振腔內(nèi)折射率，是光波長。是光波長。a)任意波注入時的任意波

17、注入時的FP-LDb)駐波注入時的駐波注入時的FP-LD例如：如果L= 0.4mm = 400 m， n=1而= 1300 nm= 1.3 m則N = 615諧振器支持的波長為1300 nm =2 n L/ N，但其也支持：2L(N 1), 2L(N 2),等等波長。這些諧振器選擇的波長叫縱模。當諧振器的長度增加或減少時，激光器就從一個縱模轉(zhuǎn)向另一個，被稱之為跳模。因為 = 2 n L/ N，所以相鄰兩個縱模的間隔N N+1 2 n L/N2 = 2/2 n L1、必須增益大于損耗： 激光出射條件2、活性介質(zhì)只能在很小的波長范圍內(nèi)提供增益（ 50 dB*相干長度約為相干長度約為 1 to 10

18、0 m*小的小的 NA (光易于耦合進光纖光易于耦合進光纖)為了減少線寬，需要激光管只發(fā)射一個縱模。為了減少線寬，需要激光管只發(fā)射一個縱模。分布反饋激光器實現(xiàn)這個功能。分布反饋激光器實現(xiàn)這個功能。其在激活區(qū)附近的異質(zhì)結(jié)中合并了光柵，其工作原理與鏡子類似，但他僅選擇反射波長其在激活區(qū)附近的異質(zhì)結(jié)中合并了光柵，其工作原理與鏡子類似，但他僅選擇反射波長為為B B 的光。的光。2 neff= B “反饋反饋”是指；使受激光子返回活性介質(zhì)；是指；使受激光子返回活性介質(zhì)；“分布分布”是指；反射并不僅僅發(fā)生在一個點上。是指；反射并不僅僅發(fā)生在一個點上。二十世紀六十年代提出，二十世紀八十年代商品化。二十世紀六

19、十年代提出，二十世紀八十年代商品化。改進方案：改進方案：DBRa) 分布反饋激光器b) 分布反饋工作原理c) 實際單模輻射 activen-DBRp-DBR*分布布拉格反射分布布拉格反射 (DBR) 鏡鏡*交替的半導(dǎo)體材料層交替的半導(dǎo)體材料層*40到到60層層,每層厚度每層厚度 / 4*光束的匹配與光纖更接近光束的匹配與光纖更接近*主要性能指標主要性能指標*波長范圍波長范圍780 to 980 nm (gigabit ethernet) *譜線寬度譜線寬度 -10 dBm*相干長度相干長度10 cm to10 m*NA 0.2 to 0.3量子阱激光器量子阱激光器為了提高發(fā)射效率，使用特殊制造

20、技術(shù)來得到特別薄的激活區(qū)（4nm20nm），稱為量子阱（QW）激光器。a)單量子阱激光器MQW激光器是用超薄膜（厚度20nm形成有源層，能呈現(xiàn)量子效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，普通半導(dǎo)體激光器的有源層厚度為幾百納米到幾千納米。電子在有源層的運動是三維的，當有源層的厚度減小到20nm而與電子的自由程接近時，電子就不能在層厚方向做自由運動，只能在層面內(nèi)作橫向運動，電子能量變成一個個離散值，即呈現(xiàn)量子效應(yīng)，有源層由多個薄層構(gòu)成，由于載流子和光子被限制在薄層之內(nèi)，從直觀來看就是載流子和光子都很集中，因此容易發(fā)生激射。多量子阱激光器多量子阱激光器MQW-LDMQW激光器的優(yōu)點： （1）閾值電流小，由于其結(jié)構(gòu)

21、中“阱“的作用，使電子和空穴被限制在很薄的有源區(qū)內(nèi)，造成有源層內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度很高，因而大大降低了閾值電流，由于閾值電流的降低，還帶來了功耗低，溫度特性好的優(yōu)點。 （2）線寬變窄。由于量子阱中帶間復(fù)合的特點，造成線寬增大系數(shù)a變小，從而減小了光譜中的線寬，同雙異質(zhì)結(jié)激光器相比，縮小了近一倍。 （3）器件的微分增益高，注入電流的微小變化能夠引起光功率的較大變化。 （4）調(diào)制速度高。工作頻段可達30GHZ。 （5）頻率啁啾小，動態(tài)單縱模特性好，縱?？刂颇芰?。3.2.3 3.2.3 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LEDLED） 面發(fā)射發(fā)光二極管面發(fā)射發(fā)光二極管SELED 邊發(fā)光發(fā)光二極管邊發(fā)光發(fā)光二極管

22、EELED 超輻射發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管SLD LED的主要性能指標的主要性能指標3.2.2 3.2.2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管Light-emitting Diode (LED)P -3 dBP peakBW具有體積小具有體積小, ,機械強度高機械強度高, ,壽命長壽命長, ,電壓低電壓低, ,電流小電流小( (數(shù)數(shù)毫安或數(shù)十毫安毫安或數(shù)十毫安),),耗電省耗電省, ,響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快, ,易用電流調(diào)制易用電流調(diào)制光通量和使用方便等優(yōu)點光通量和使用方便等優(yōu)點. .由于它所需要的電壓低由于它所需要的電壓低, ,能能與集成電路或晶體管共用電源與集成電路或晶體管共用電源, ,或用晶體直接控制

23、它發(fā)或用晶體直接控制它發(fā)光光, ,能方便的與光纖進行耦合能方便的與光纖進行耦合, ,因此因此,LED,LED在光纖在光纖通信通信領(lǐng)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用域獲得廣泛應(yīng)用. .LED的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)光纖通信用的發(fā)光二極管（LED）通常是采用GaAs為襯底的GaAs或AlGaAs和InP為襯底的InGaAs或InGaAsP材料制成。用AlGaAs/ GaAs制作的LED其峰值發(fā)射波長在 0.8 0.95 m范圍內(nèi)，用InGaAsP/ InP制作的LED其峰值發(fā)射波長為1.31 m和1.55 m。要使LED發(fā)光，有源層的半導(dǎo)體材料必須是直接帶隙材料，越過帶隙的電子和空穴能夠直接復(fù)合而發(fā)射出光子。為了使器件有好的

24、光和載流子限制，大多采用雙異質(zhì)結(jié)（DH）結(jié)構(gòu)。面發(fā)射同質(zhì)結(jié)面發(fā)射同質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的基本類型發(fā)光二極管的基本類型圖圖3.2.2 3.2.2 1 LED1 LED結(jié)構(gòu)截面圖結(jié)構(gòu)截面圖分為：分為： 面發(fā)射面發(fā)射SELEDSELED、邊發(fā)射、邊發(fā)射EELEDEELED和超輻射和超輻射SLDSLD。這里介紹前。這里介紹前兩種。兩種。1 1、面發(fā)射、面發(fā)射LEDLED（SELEDSELED）出光條件：產(chǎn)生光子的地方（有源區(qū)）；諧振腔（上、下面），限制載流子和光子的路徑。特點：驅(qū)動電流大、出光功率高、溫度特性較好；帶寬較小。LEDLED結(jié)構(gòu)截面圖結(jié)構(gòu)截面圖邊發(fā)射雙異質(zhì)結(jié)邊發(fā)射雙異質(zhì)結(jié)出光條件：產(chǎn)生光子的地方

25、（有源區(qū)）；諧振腔側(cè)邊限制載流子和光子的路徑。光纖通信用的LED多采用邊發(fā)光型LED。因為邊發(fā)光型LED有與激光管相似的結(jié)構(gòu)，與光纖耦合效率較高，帶寬較寬，線寬較窄。2、邊發(fā)光、邊發(fā)光LED（EELED-edge-emitting LED）介于LED和LD之間的光源。在高電流強度下，用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成有源區(qū)。但SLD沒有正反饋，僅能自發(fā)輻射光。所以SLD比通常的LED功率更強，限定性更好，但是，在單色性、定向性和相干性方面，不如LD。SLD在光通信中較少使用，多用于寬帶測量光源。2、超輻射發(fā)光二極管超輻射發(fā)光二極管SLD （Super-luminescent Diodes）LED的工作原理的工

26、作原理值得注意的是，對于大量處于高能級的粒子各自分別自發(fā)發(fā)射一列一列角頻率為=Eg/h 的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，并且每個粒子所發(fā)射的光沿所有可能的方向傳播，這個過程稱之為自發(fā)發(fā)射。其發(fā)射波長可用下式來表示 =1.2396/Eg半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)是在正向偏置時p-n結(jié)內(nèi)的電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生光子的電致發(fā)光器件. GaAs的Eg=1.435eV, 故可用它來制作0.85 m波長的紅外LED，InGaAsP的Eg= 0.75 1. 35eV， 對應(yīng)的發(fā)射波長為1.65 0.92 m ，考慮到光纖的低損耗窗口， InGaAsPLED的發(fā)射波長選為1.31

27、m和1.55 m。光功率P=N光光 E/t，而光子數(shù)目N光光=N電電 （N電電：受激電子數(shù)目； ：量子效率；E：能量； t：時間。I=N電電 e/t N電電= It/e P= N電電 E /t= It/e E /t= I E /e 其中：E 的單位是焦耳，如果用電子伏特eV來度量E ，I的單位是mA,則：P(mW)= I(mA) E(eV) I主要性能指標主要性能指標*波長通常為：波長通常為： 780, 850, 1300 nm*總輸出功率大于幾總輸出功率大于幾 W mW*光譜寬度光譜寬度 30 100 nm*相干長度約為相干長度約為 0.01 0.1 mm *偏振較小或不偏振偏振較小或不偏振

28、*大的大的 NA (難于將光耦合進光纖難于將光耦合進光纖)3、LED的主要性能指標的主要性能指標SLEDSLED的的P-IP-I特性特性LED的P-I特性是指輸出功率隨注入電流的關(guān)系。LED的輸出功率P與注入電流I的關(guān)系為: p = aI ，表明LED的P-I曲線應(yīng)該具有線性關(guān)系.但實際上只有在注入電流 I較小時,它們才具有近似的線性關(guān)系,當注入電流I較大時,P-I曲線會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象.LED的的P-I特性特性驅(qū)動電流（驅(qū)動電流（mA）876543210輸出光功率輸出光功率(mW)LED的耦合效率的耦合效率LED的發(fā)射功率盡管可以超過10mw,但因與光纖的耦合效率很低,從光纖中輸出的光功率最大也

29、只能達到100 u W左右(損耗20dB左右).耦合耦合輸出輸出光功光功率率(uW)驅(qū)動電流（驅(qū)動電流（mA）a)面發(fā)射LED（朗伯源）b)邊發(fā)射LEDc)雙異質(zhì)結(jié)LEDLED的輻射模式的輻射模式LED的溫度特性的溫度特性當溫度上升時，功率下降。2dB/65C.LED的波長和光譜寬度的波長和光譜寬度峰值波長p由禁帶寬度決定。一般給出最大最小值，如AMP公司的SLED為1290nm和1350nm；而EELED為1270nm和1330nm。光譜寬度 是用半最大寬度FWHM來度量，如圖。當溫度升高， 變大；0.38nm/C。當正向電流增加， 變大；0.69nm/mA。某SLD的光譜特性LED的電特性

30、的電特性包括：正向電壓、電容和漏瀉電包括：正向電壓、電容和漏瀉電流。流。制作商通常給出制作商通常給出U-I關(guān)系：關(guān)系：LED的U-I特性是指正向壓降隨注入電流的關(guān)系。當I=100mA時，正向壓降通常小于2V, 反向擊穿電壓2-4V，串聯(lián)電阻1-4。 LED的伏安特性如圖所示。 正向電流（正向電流（mA）(250C)正向電壓（正向電壓（V）電容電容C電容C是LED的固有特性。來源：（1）電荷電容（與p-n結(jié)有關(guān)）；（2）擴散電容（與有源區(qū)載流子壽命有關(guān)）。電容C限制了其調(diào)制帶寬。例如：一個SLED的電容為20pF,帶寬為200MHz（當 p = 865 nm），而SLED的電容為200pF,帶寬

31、為125MHz（當 p =1320 nm）。這也是LED電容的典型值。漏瀉電流漏瀉電流漏瀉電流是由少數(shù)載流子（ p區(qū)中的電子和n區(qū)中的空穴 ）的流動引起的。載流子流動由熱能引起。漏瀉電流可以用反偏電壓來度量。載流子壽命載流子壽命 上升上升/下降時間和帶寬下降時間和帶寬載流子壽命載流子壽命是指其從被激活（即到達耗盡區(qū)）到被復(fù)合之間的這段時間（一般為幾ns 幾ms）。是根據(jù)脈沖最大值的10%到90%的時間來定義的。如右上圖。理想的階躍型脈沖響應(yīng)如圖虛線所示；實線為由于上升/下降時間造成的脈沖失真。上升上升/下降時間下降時間2 . 2/ )107 . 1 ( 2 . 241pICKTt其中：為載流子

32、壽命；C為LED的電容；TK表示開爾文絕對溫度。（ 0 C=273K）歸歸一一化化輸輸出出功功率率電流（電流（mA）上升/下降時間表明輸出光脈沖是怎樣隨著電調(diào)制而改變的。如右下圖。上升上升/下降時間下降時間電調(diào)制帶寬BW是指當電功率衰減到0.707時的調(diào)制頻率范圍。在電子學中有其與上升時間關(guān)系式：BW=0.35/t1LED調(diào)制帶寬是在輸出光功率下降到-3dB時的頻帶寬度。LED的頻響受復(fù)合壽命的影響，其關(guān)系為： BW= 3dB=1/調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬BW即：增加LED的帶寬是以輸出功率為代價。 功率帶寬積功率帶寬積常數(shù)PBW復(fù)習題復(fù)習題 3.1.1 3.1.1 當量子效率為1%，峰值波長是850

33、nm時， LED發(fā)射出的功率為多少？諧振器間長度0.3mm,工作為1550 nm 1550 nm ，增益曲線的線寬等于9nmnm，則法不里-珀羅激光器能產(chǎn)生多少縱模？分布反饋激光器的工作原理是什么?DFB代表什么？這種激光器與其它激光器的區(qū)別是什么？你怎么確定激光器的域值電流？3.3 3.3 光電探測器光電探測器 P-N光電二極管光電二極管 PINPIN光電二極管光電二極管 雪崩光電二極管雪崩光電二極管光通信用光電探測器：光通信用光電探測器：3.3 3.3 光電探測器光電探測器 P-N光電二極管光電二極管一個能量為Ep =hf =hc/ Eg的光子射入光電二極管時，被吸收的光子能量被電子獲得。

34、于是，導(dǎo)帶中的電子被激活，能夠運動。光能單位時間內(nèi)的光子數(shù)目乘上單個光子的能量轉(zhuǎn)化為電流。圖3.3-1 p-n光電二極管的工作原理a)能帶圖 b) p-n結(jié) c)電路輸入輸出特性：輸入輸出特性：輸入光功率P，輸出光電流I，射入光電二極管激活區(qū)的光子越多，產(chǎn)生的載流子越多，光電流越大。I=RP （3.3-1）R是常量（響應(yīng)度）。其關(guān)系如下圖所示：圖3.3-2光電二極管的響應(yīng)度a)輸入輸出特性 b) 響應(yīng)度和波長的關(guān)系 c)暗電流例題：例題：光電二極管的響應(yīng)度是0.85A/W，飽和輸入光功率是1.5mW，當入射光功率是1mW和2mW時，光電流分別是多少？I=RP= 0.85A/W 1.5mW= 0

35、.85mA當輸入光功率是2mW時，公式I=RP不適用，因此我們無法得到光電流的值。解：當輸入光功率是1mW時，由I=RP，可得，PIN光電二極管（光電二極管（PhotodiodesPhotodiodes） 高線性高線性,低暗電流低暗電流n+PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)如圖3.3-5所示。其在P區(qū)和N區(qū)之間夾有一層厚的本征層?！氨菊鳌?“天然的”、“不摻雜的”。P-I-N的完整意思：正極-本征-負極。實際上，本征區(qū)是輕摻雜的（N型），所以電子濃度很高，大大提高了光電轉(zhuǎn)換效率。PIN光電二極管是在反向偏壓作用下使用的，一般為-5V左右。當光入射到PIN結(jié)時，由于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子電子和空穴經(jīng)過擴散和

36、漂移，形成了通過PIN結(jié)的光電流。圖3.3-5 PIN光電二極管光生載流子通過PIN結(jié)時間很短，這是因為雖然I層較厚，但它處于一個強的反向電場作用下，所以載流子以快的漂移速度通過I層。光生載流子通過兩邊P與N區(qū)時，是以比較慢的擴散速度前進的，但因P層和N層均較薄，這樣總的來說就提高了PIN管的響應(yīng)速度。目前PINPIN光電二極管帶寬以達光電二極管帶寬以達110GHz110GHz。雪崩光電二極管雪崩光電二極管Avalanche photo diode (APD)內(nèi)置放大，不引入外部電路相關(guān)噪聲。增益提高增益提高x100 x100，接收大于接收機電噪，接收大于接收機電噪聲的光信號聲的光信號是高速、

37、高靈敏度的接收器是高速、高靈敏度的接收器極大的溫度倚賴性極大的溫度倚賴性主要性能主要性能增益帶寬積增益帶寬積暗電流暗電流響應(yīng)響應(yīng)Bias VoltageAPD Gain1、工作原理：在光電二極管上加相對較高的反向電壓（20V左右），該電壓使光生電子和空穴加速并獲得高能量。這些高能電子和空穴射入中性原子中，分離出其它電子和空穴。而二級載流子也獲得足夠能量去離化其它載流子，形成雪崩過程。這就意味著光電二極管在內(nèi)部放大了光電流。（其量子效率10到100）產(chǎn)生二次載流子的過程稱為沖擊離化。圖3.3-6雪崩光電二極管（APD）距離簡單歸納其工作原理為：高的反向偏置電壓，碰撞電離，產(chǎn)生一次光生載流子、二次

38、光生載流子APD的平均雪崩增益G：是個復(fù)雜的隨機過程G是一個統(tǒng)計平均值其結(jié)構(gòu)如圖3.3-6所示。光子穿過重摻雜的p+區(qū)，進入本征區(qū)，在這里產(chǎn)生電子空穴對。反向電壓分離這些光生電子空穴，并將其移向pn+結(jié)，這里存在一個105V/cm的高電場，這個電場聚集載流子，并沖擊導(dǎo)致離化。探測器材料探測器材料 Silicon (Si)Silicon (Si) 最便宜最便宜 Germanium (Ge)Germanium (Ge) 常用常用 Indium Indium gallium gallium arsenide arsenide (InGaAs)(InGaAs) 高速高速SiliconWavelengt

39、h nm50010001500GermaniumInGaAsQuantum Efficiency = 10.10.51.0Responsivity (A/W)復(fù)習題復(fù)習題3.33.31、光電二極管的主要功能是什么？2、 InGaAs光電二極管的量子效率是70%，它的響應(yīng)度是多少？3、響應(yīng)度是如何依賴光信號的波長的？4、P-I-N代表什么意思？5、與P-N光電二極管相比P-I-N的優(yōu)點是什么？6、與P-I-N光電二極管相比APD的優(yōu)點是什么？7、APD的缺點是什么？四、光無源器件四、光無源器件 1.光纖的連接、光纖連接器光纖的連接、光纖連接器 2.光衰減器光衰減器 3.光纖定向耦合器光纖定向耦合

40、器 4.波分復(fù)用器波分復(fù)用器 5.光隔離器光隔離器 6.光環(huán)形器光環(huán)形器 7.光濾波器光濾波器 8.光開關(guān)光開關(guān) 9.光調(diào)制器光調(diào)制器1、光纖的連接、光纖連接器光纖的連接、光纖連接器 “跳線” 連接光器件和光儀器，通過“法蘭盤” 連接同類 “跳線” FC/PC 光纖連接器 SC 光纖連接器 ST 光纖連接器 SMA 光纖連接器 CATV 光纖連接器分為：固定連接固定連接和活動連接活動連接，活動連接器典型的：插入損耗0.25dB,回波損耗-50dB2. 2.光衰減器光衰減器一、分類：固定衰減器（繞線、拉錐等）可變衰減器（光-機械裝置）二、可變衰減器原理典型的：衰減范圍0-60dB,分辨率0.5d

41、B，插入損耗2dB光衰減器是減少傳輸光功率的裝置。自聚焦透鏡衰減片自聚焦透鏡光衰減器原理示意圖 光可變衰減器原理圖 輸入光輸出光棱鏡圓盤式衰減片 3. 3.光纖定向耦合器光纖定向耦合器分類：分類： 標準耦合器 寬帶耦合器 雙窗口寬帶耦合器原理原理 熔錐型 磨拋型耦合器是實現(xiàn)光的分路、合路的器件。主要指標：附加損耗、耦合比研磨法光纖22耦合器原理示意圖 熔錐光纖22耦合器示意圖 任何一臂的入射光，可以耦合到任何一個出射臂。50% / 50% (3 dB)是最常用的 4 端口形式。1%, 5% or 10% taps (often 3 port devices) 附加損耗-Excess Loss

42、(EL):耦合比：CR(dB)=-10log10P1/(P1+P2)EL = -10 log10 PoutPin直通臂(P1)耦合臂(P2)P011NM星形耦合器 光時分復(fù)用器件10Gb/ssignal input410Gb/ssignal output 410Gb/s multiplexer with six fiber 12 couplers 410Gb/s multiplexer with two fiber 14 couplersFiberCouplerFiberCoupler4.4.波分復(fù)用器波分復(fù)用器Wavelength-division multiplexers (WDM)-波分

43、復(fù)用器-的形式:3 端口器件 (第4端口不用)1310 / 1550 nm (“經(jīng)典” WDM技術(shù))1480 / 1550 nm 和 980 / 1550 nm 用于光放大器(后面章節(jié)詳述)1550 / 1625 nm 用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控插入損耗和隔離度:對傳輸通道的波長，具有低插入損耗 ( 1 dB)傳輸通道波長對另一波長有高損耗 (20 to 50 dB) :I10=-10log10P1(1)/P0 (1), I20=-10log10P2(1)/P0 (1)Common 1 2A、分類、分類熔錐型(粗WDM)多層干涉濾光膜型(細WDM DWDM)棱鏡分光型(粗WDM)光柵型-體光柵、光纖光柵(粗

44、WDM，細WDM )陣列波導(dǎo)光柵(細WDM DWDM)B、原理、原理直通臂(P1)耦合臂(P2)P0 熔錐型波分復(fù)用器波分復(fù)用器P1=Pincos2K()zP2=Pinsin2K()z其中z是耦合區(qū)的長度，K()為耦合系數(shù)，當K()z= /2， P1=0， P2=Pin棱鏡分光型波分復(fù)用器波分復(fù)用器Multiplexers (MUX) / Demultiplexers (DEMUX)DWDM的關(guān)鍵器件技術(shù)分類：串聯(lián)介質(zhì)濾光器Cascaded FBGsPhased arrays (see later)低串擾，有利于解復(fù)用干涉濾光片型波分復(fù)用器波分復(fù)用器 1 16 1 15 16 1 14 15輸

45、入光纖14320 (監(jiān)管信道)干涉濾光膜光柵型波分復(fù)用器波分復(fù)用器-體光柵主最大強度的方向由下式給出：d sin=m / = m/ d cos其中d為光柵周期， 為衍射角， m = 0，1， 2，等等， 為角分離， 為波長間隔。輸入光輸入光 1 4 3 21. 體光柵型體光柵型布拉格光柵布拉格光柵 1 16 1 15 16 16 16 1 15、 16 1 15、 16FBG環(huán)形器環(huán)形器光纖光柵型波分復(fù)用器波分復(fù)用器其反射波長成為布拉格波長（ B ）由下面的布拉格條件確定：2neff=B其中為光柵周期，neff為有效纖芯折射率。Array Waveguide Grating (AWG) 1a

46、3a 2a 4a 1b 3b 2b 4b 1c 3c 2c 4c 1d 3d 2d 4d 1a 3c 2d 4b 1b 3d 2a 4c 1c 3a 2b 4d 1d 3b 2c 4a行行. 轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為 . 列列自由空間扇型波導(dǎo)扇型波導(dǎo)波導(dǎo)光柵NTT：256波，間隔0.2nm，3dB帶寬0.12nm，插入損耗4.4-6.4dB，串擾-33dB，偏振相關(guān)波長差0.03nm，需要溫控。5.5.光隔離器光隔離器Isolators 主要應(yīng)用: 單向傳輸，阻擋背向光，保護激光器、光纖放大器 插入損耗: 前進方向，低插入損耗 (0.2 to 2 dB) 高隔離度:背向損耗，20 到 40 dB 單級,

47、40 到 80 dB 雙級) Return loss: -帶連接器的回波損耗 60 dB 設(shè)計隔離器中的問題： -偏振敏感、波長依賴、法拉第旋光器的溫度依賴。Faraday效應(yīng)：在外磁場作用下，使通過它的偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。具有這種效應(yīng)的材料叫磁光材料。磁光材料引起的光偏振面旋轉(zhuǎn)方向取決于外加磁場，與光的傳播方向無關(guān)（非互易）。這種效應(yīng)與材料的固有旋光效應(yīng)不同，在固有旋光效應(yīng)材料中，旋轉(zhuǎn)方向取決于光的傳播方向，與外加磁場無關(guān)(互易)。光隔離器原理光隔離器原理示意圖 外加磁場外加磁場反射光出射光45外加磁場外加磁場入射光出射光45FaradayFaraday旋磁材料旋磁材料外加磁場外加磁場外

48、加磁場外加磁場固有磁光材料固有磁光材料4545磁光材料的光偏轉(zhuǎn)角：磁光材料的光偏轉(zhuǎn)角：L L (m)光和磁場相互作用區(qū)的長度光和磁場相互作用區(qū)的長度（毫米）（毫米）H H (A/m=T)沿光傳播方向的沿光傳播方向的磁場強度（奧斯忒）磁場強度（奧斯忒） (rad / (A/m) /m )材料的材料的維爾德常數(shù)維爾德常數(shù)（度（度/ /奧斯忒奧斯忒毫米）毫米）=HL偏振無關(guān)偏振無關(guān)光隔離器的工藝結(jié)構(gòu)光隔離器的工藝結(jié)構(gòu)RR(450) FR (450) RR(450) FR (450) oeeeoooePBS6.光環(huán)行器光環(huán)行器- - Circulators 光纖環(huán)形器是一種非可逆裝置，如下圖所示，技術(shù)

49、類似于光隔離器 插入損耗 0.3 到 1.5 dB, 隔離度 20 到 40 dB，帶寬20nm 典型結(jié)構(gòu): 3 端口器件Fast Slow 光環(huán)行器的原理光環(huán)行器的原理eRR(450) FR (450) eeooRR(450) FR (450) ooe端口端口1端口端口1端口端口2端口端口2端口端口3反射鏡反射鏡偏振合波器偏振合波器光環(huán)形器光環(huán)形器+ +CFBG的色散補償原理Chirped periodic refractive Index variation321Incident13tDispersed signal (normal dispersion)ReflectedtReshape

50、d signal123Dispersive fiber Dispersed pulse Circulator R BINOUTblue red DCM module7.光濾波器光濾波器光濾波器是允許特定波長范圍通過的器件。分為：固定、可調(diào)光濾波器1）固定固定光濾波器：光濾波器：熔錐、馬赫-陳德爾干涉儀、法步里-珀羅濾波器、衍射光柵、薄膜干涉濾波器、光纖光柵等。1）可調(diào)可調(diào)光濾波器：光濾波器：熔錐、法步里-珀羅濾波器、衍射光柵、馬赫-陳德爾濾波器、聲光可調(diào)濾波器、光電可調(diào)濾波器等等。Filter Characteristics i-1 i i+1PassbandCrosstalkCrosstal

51、k 帶通-Passband 插入損耗 紋波（Ripple） 波長(peak, center, edges)帶寬（Bandwidths） (0.5 dB, 3 dB, .) Polarization dependence 帶阻-Stopband 串擾 帶寬 (20 dB, 40 dB, .)固定濾波器介質(zhì)濾波器-Dielectric Filters（薄膜干涉濾波器）薄膜干涉濾波器）利用多層膜干涉效應(yīng)。若每層厚度是/4，那么當入射角=0時，波長為的光通過每層后相移,見下圖，反射波與入射波相位相反，相消干涉，波長/4/4薄膜干涉薄膜干涉為的光將不被反射。這就是濾波。若采用每層厚度是/2，那么反射將為相長干涉。介質(zhì)濾波器-Dielectric Filters 特點： 具有交替不同折射率介質(zhì)的薄膜層 多光束干涉導(dǎo)致相干迭加和相消 濾波器種類和帶寬 (0.1 to 10 nm) 插入損耗（Insertion loss） 0.2 to 2 dB, 隔離度 30 to 50 dBLayersSubstrateIncoming SpectrumReflected SpectrumTransmitted Spectrum1535 nm1555 nm0 d