光纖通信第03章

1、 第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件 3.1 光源光源 3.2 光檢測器光檢測器 3.3 光無源器件光無源器件 一、光源的作用一、光源的作用 將電流形式的電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽a(chǎn)生光將電流形式的電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，產(chǎn)生光載波，并把光耦合進光纖。載波，并把光耦合進光纖。二、二、 光源的分類光源的分類 半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二極管、非半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二極管、非半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器3.1.1 概述概述三、 對光源的技術(shù)要求 （1）合適的發(fā)光波長）合適的發(fā)光波長 （2）足夠的輸出功率）足夠的輸出功率 （3）輸出效率高）輸出效率高 （4）光譜寬度窄）光譜寬度窄 （5）聚光性好）聚光性好四、四、

2、 作為光源的物質(zhì)的發(fā)光機理作為光源的物質(zhì)的發(fā)光機理 光與物質(zhì)之間存在光與物質(zhì)之間存在三種三種不同的作用過程，不同的作用過程，分別是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。分別是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。 1. 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 （1） 沒有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，屬沒有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，屬于自發(fā)躍遷；于自發(fā)躍遷； （2） 發(fā)射出的光子頻率不同；發(fā)射出的光子頻率不同； （3） 自發(fā)輻射光為非相干光。自發(fā)輻射光為非相干光。2. 受激輻射受激輻射（1） 外來光子能量等于躍遷能級差；外來光子能量等于躍遷能級差；（2） 受激輻射出來的光子和外來光受激輻射出來的光子和外來光 子是全同光子；子是全同

3、光子；（3） 入射光得到放大。入射光得到放大。3. 受激吸收受激吸收（1） 必須有外界光子，是受激躍遷；必須有外界光子，是受激躍遷；（2） 外來光子能量等于電子躍遷的能外來光子能量等于電子躍遷的能 級之差；級之差；（3） 不放出能量，而是消耗外來光能。不放出能量，而是消耗外來光能。 圖圖 3.1能級和電子躍遷能級和電子躍遷 (a) 受激吸收；受激吸收； (b) 自發(fā)輻射；自發(fā)輻射； (c) 受激輻射受激輻射 hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf123.1.2 半導(dǎo)體激光二極管半導(dǎo)體激光二極管 激光激光（LASER），就是英文就是英文 Light Amplifi

4、cation by Stimulated Emission of Radiation （受激輻射（受激輻射的光放大）的縮寫。因此所謂激光就是的光放大）的縮寫。因此所謂激光就是受激輻射發(fā)出的光。受激輻射發(fā)出的光。一、一、 半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（集居數(shù)反轉(zhuǎn)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（集居數(shù)反轉(zhuǎn)） 由于電子總是搶先占據(jù)低能級，因由于電子總是搶先占據(jù)低能級，因此在熱平衡狀態(tài)下，高能級上的電子數(shù)此在熱平衡狀態(tài)下，高能級上的電子數(shù)要少于低能級上電子數(shù)。要少于低能級上電子數(shù)。 所謂所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就是指高能級的電就是指高能級的電子數(shù)多于低能級上的電子數(shù)。子數(shù)多于低能級上的電

5、子數(shù)。2. PN結(jié)的能帶和電子分布結(jié)的能帶和電子分布 半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)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。成的共價晶體。 在這種晶體中，由于鄰近原在這種晶體中，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)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，如圖分布的能帶，如圖3.2。 能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec和價帶頂?shù)哪芰亢蛢r帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶稱為禁帶寬度或帶隙。隙。電子不可能占據(jù)禁帶。電子不可能占據(jù)禁帶。 圖圖 3.2

6、半導(dǎo)體的能帶和電子分布半導(dǎo)體的能帶和電子分布 (a) 本征半導(dǎo)體；本征半導(dǎo)體； (b) N型半導(dǎo)體；型半導(dǎo)體； (c) P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 Eg/2Eg/2EfEcEvEg導(dǎo) 帶價 帶能 量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)PN結(jié)的形成結(jié)的形成 一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對出現(xiàn)一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對出現(xiàn)的，在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)的，在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)(負(fù)價離子），稱為負(fù)價離子），稱為N型半導(dǎo)體；若摻入受主雜質(zhì)（正價離子），則稱為型半導(dǎo)體；若摻入受主雜質(zhì)（正價離子），則稱為P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 在在PN結(jié)界面上，結(jié)界面上， 由于存在多數(shù)

7、載流子的梯度，因由于存在多數(shù)載流子的梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成內(nèi)部電場。內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴而產(chǎn)生擴散運動，形成內(nèi)部電場。內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴散相反方向的漂移運動，直到散相反方向的漂移運動，直到P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的區(qū)的Ef相同，兩相同，兩種運動處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。這時種運動處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。這時在在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強。外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強。 圖 3.3PN結(jié)的能帶和電子分布(a) P - N結(jié)內(nèi)載流子運動；(b) 零偏壓時P - N結(jié)的能帶圖； (c

8、) 正向偏壓下P - N結(jié)能帶圖 h fh fEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場外加電場電子，空穴( c )勢壘能量EpcP 區(qū)EncEfEpvN 區(qū)Env( b )P 區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N 區(qū)內(nèi)部電場 擴散 漂移( a ) 電子運動方向與電場方向相反，便使電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子區(qū)的電子向向P區(qū)運動，區(qū)運動，P區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在區(qū)運動，最后在PN結(jié)形成結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價帶一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。3. 激光振蕩和光學(xué)諧振腔激

9、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，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。和激光振蕩輸出。 由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收， 反射鏡存在反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時，相當(dāng)時， 在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩， 其閾值條件為其閾

10、值條件為211ln21RRLth 式中，式中，為激光波長，為激光波長，n為激活物質(zhì)的折射為激活物質(zhì)的折射率，率，q=1, 2, 3 稱為縱模模數(shù)。稱為縱模模數(shù)。 nqL2 并不是所有的光都能形成振蕩，必須是那些并不是所有的光都能形成振蕩，必須是那些輻射方向與鏡面垂直，并且在腔中往返一次的輻射方向與鏡面垂直，并且在腔中往返一次的相位差正好是相位差正好是2的整數(shù)倍的光才能形成振蕩。的整數(shù)倍的光才能形成振蕩。 即腔長滿足：即腔長滿足：4. 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器從結(jié)構(gòu)上可以分為半導(dǎo)體激光器從結(jié)構(gòu)上可以分為同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)單異質(zhì)結(jié)結(jié)和和雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)激光器三種

11、。激光器三種。 同質(zhì)結(jié)激光器同質(zhì)結(jié)激光器是由同一種半導(dǎo)體材料制成的激光是由同一種半導(dǎo)體材料制成的激光器。器。 單異質(zhì)結(jié)激光器單異質(zhì)結(jié)激光器的的PNPN結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)體材結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)體材料制成的。料制成的。 雙異質(zhì)結(jié)激光器雙異質(zhì)結(jié)激光器是指在同一塊單晶上形成兩個雙是指在同一塊單晶上形成兩個雙異質(zhì)結(jié)，即中間的半導(dǎo)體材料和兩側(cè)都不相同。異質(zhì)結(jié)，即中間的半導(dǎo)體材料和兩側(cè)都不相同。 二、二、 半導(dǎo)體激光器的主要特性半導(dǎo)體激光器的主要特性 1. 發(fā)射波長和光譜特性發(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

12、能量近似等于禁帶寬到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于禁帶寬度度Eg(eV)， 因為因為hf=Eg，f=c/， 得到發(fā)射波長得到發(fā)射波長ggEEhc24. 1 由于不同的半導(dǎo)體具有不同的禁帶寬度，由于不同的半導(dǎo)體具有不同的禁帶寬度，因而不同的半導(dǎo)體有不同的發(fā)射波長。因而不同的半導(dǎo)體有不同的發(fā)射波長。激光器的光譜特性：激光器的光譜特性： 縱模的數(shù)量隨著驅(qū)動電流的增大而減少?？v模的數(shù)量隨著驅(qū)動電流的增大而減少。 2. 激光束的空間分布激光束的空間分布 激光束的空間分布用近場和遠場來描述。激光束的空間分布用近場和遠場來描述。 近場近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布，是指激光器輸出反射鏡面上的光

13、強分布，遠場遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。 近場和遠場是由諧振腔的橫向尺寸，即平行近場和遠場是由諧振腔的橫向尺寸，即平行于于PN結(jié)平面的寬度結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度和垂直于結(jié)平面的厚度t所所決定，并稱為激光器的橫模。決定，并稱為激光器的橫模。圖圖 3.8 GaAlAsDH條形激光器的光束空間分布圖條形激光器的光束空間分布圖 W10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近場圖樣0.1rad遠場圖樣 3. 轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性 激光器的電激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率

14、d表示，表示，其定義是在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光其定義是在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)子數(shù))(edhfththIIpphfeIpeIIhfppththd/ )(/ )(由此得到激光器的輸出光功率為由此得到激光器的輸出光功率為 激光器的光功率特性通常用激光器的光功率特性通常用P -IP -I曲線表示，曲線表示，圖圖3.103.10是典型激光器的光功率特性曲線。是典型激光器的光功率特性曲線。 當(dāng)當(dāng)IIIIthIth時，發(fā)出的是受時，發(fā)出的是受激輻射光，激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。 4. 頻率特性頻率特性 在直接光強調(diào)制下，在直接光強

15、調(diào)制下， 激光器輸出光功率激光器輸出光功率P和調(diào)制和調(diào)制頻率頻率f的關(guān)系為的關(guān)系為 2222)/(4)/(1 )0()(ffffpfp)1(1210IIIIfthhpsp 式中，式中，f fr r和和分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，I Ithth和和I I0 0分別為閾值電流和偏置電流；分別為閾值電流和偏置電流；II是零增益電流，高摻雜是零增益電流，高摻雜濃 度 的濃 度 的 L DL D ， I = 0I = 0 ， 低 摻 雜 濃 度 的低 摻 雜 濃 度 的 L D , L D , I=(0.70.8)II=(0.70.8)Ithth；spsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命

16、，為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，phph為為諧振腔內(nèi)的光子壽命。諧振腔內(nèi)的光子壽命。 5. 5. 溫度特性溫度特性 激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因：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一是激光器的閾值電流I Ithth隨溫度升高而增大，二是隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率外微分量子效率d d隨溫度升高而減小。溫度升高時，隨溫度升高而減小。溫度升高時，I Ithth增大，增大，dd減小，減小， 輸出光功率明顯下降，達到一輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不激射了。定溫度時，激光器就不激射了。 圖圖3.123.12示出脈沖調(diào)制的激光器，由于溫度升高示出脈沖調(diào)

17、制的激光器，由于溫度升高引起閾電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸引起閾電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性出光功率特性P - IP - I曲線的變化。曲線的變化。圖圖 3.12 P I曲線隨溫度的變化曲線隨溫度的變化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射3.1.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管一、一、 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu) 主要有面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管、超主要有面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管、超發(fā)光二極管、平面二極管和圓頂型二極管五種。發(fā)光二極管、平面二極管和圓頂型二極管五種。二、二、 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的

18、工作特性半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作特性 1. 光譜特性光譜特性 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光， 沒有諧振沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬，隨著溫度升高或驅(qū)腔對波長的選擇，譜線較寬，隨著溫度升高或驅(qū)動電流增大，譜線加寬，且峰值波長向長波長方動電流增大，譜線加寬，且峰值波長向長波長方向移動。向移動。 2. 2. 光束空間分布特性光束空間分布特性 發(fā)光二極管輸出光束的發(fā)散角比較大。在平發(fā)光二極管輸出光束的發(fā)散角比較大。在平行于行于PNPN結(jié)方向，發(fā)散角約為結(jié)方向，發(fā)散角約為12001200，而垂直，而垂直PNPN結(jié)方結(jié)方向面發(fā)光二極管為向面發(fā)光二極管為12001200，邊發(fā)

19、光二極管為，邊發(fā)光二極管為300300。由于發(fā)散角大，它與光纖的耦合效率低，故一般由于發(fā)散角大，它與光纖的耦合效率低，故一般只用于短距離的通信。只用于短距離的通信。 3. 輸出光功率特性輸出光功率特性 由于發(fā)光二極管為無閾值器件，隨著注入電流的由于發(fā)光二極管為無閾值器件，隨著注入電流的增加，輸出光功率近似呈線性增加。但當(dāng)注入電流增增加，輸出光功率近似呈線性增加。但當(dāng)注入電流增大到一定程度時，由于大到一定程度時，由于PN結(jié)過熱，曲線呈飽和趨勢。結(jié)過熱，曲線呈飽和趨勢。 4. 頻率特性頻率特性 發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為 式中，式中，f f為調(diào)制頻率，為調(diào)制頻率，

20、P(fP(f) )為對應(yīng)于調(diào)制頻率為對應(yīng)于調(diào)制頻率f f的輸出光的輸出光功率，功率，ee為少數(shù)載流子為少數(shù)載流子( (電子電子) )的壽命。定義的壽命。定義fcfc為發(fā)光二極為發(fā)光二極管的截止頻率，當(dāng)管的截止頻率，當(dāng)f=f=fcfc=1/(2e)=1/(2e)時時| |H(fcH(fc)|= )|= ， 最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。 212)2(11) 0()()(efPfpfH 圖圖 3.17 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng)的頻率響應(yīng) e1.1 nse2.1 nse 6.4 ns1001000100.110調(diào)制頻率f / MHz頻率響應(yīng) H( f )三、

21、三、 LD和和LED的主要差別的主要差別（1）發(fā)光原理不同）發(fā)光原理不同（2）光的性質(zhì)不同）光的性質(zhì)不同（3）適用范圍不同）適用范圍不同3.2.1 3.2.1 概述概述一、光檢測器的作用一、光檢測器的作用 把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，即把原始的電信號把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，即把原始的電信號重現(xiàn)。重現(xiàn)。二、光檢測器的分類二、光檢測器的分類 按工作原理可以把光檢測器分為熱器件和光按工作原理可以把光檢測器分為熱器件和光子器件兩類。子器件兩類。三、三、 對光檢測器的要求對光檢測器的要求（1）響應(yīng)度高）響應(yīng)度高（2）響應(yīng)速度快）響應(yīng)速度快（3）噪聲?。┰肼曅。?）功耗?。┕男。?）穩(wěn)定可靠，體積小，使用簡便）

22、穩(wěn)定可靠，體積小，使用簡便 3.2.2 光檢測器的工作原理光檢測器的工作原理 一、一、 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 由于由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，中性區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率低，而耗盡層以外因而光電轉(zhuǎn)換效率低，而耗盡層以外產(chǎn)生的光電子和空穴由于沒有內(nèi)部電場的加速，運產(chǎn)生的光電子和空穴由于沒有內(nèi)部電場的加速，運動速度很慢，因而響應(yīng)速度低。動速度很慢，因而響應(yīng)速度低。 為了克服光電二極管的缺點，改善響應(yīng)速度和為了克服光電二極管的缺點，改善響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，必須加大耗盡層的寬度。轉(zhuǎn)換效率，必須加大耗盡層的寬度。 增大耗盡層寬度的措施只有兩種：一

23、是增大反增大耗盡層寬度的措施只有兩種：一是增大反向電壓，一是減小向電壓，一是減小PN結(jié)的摻雜濃度。結(jié)的摻雜濃度。二、二、 PIN光電二極管光電二極管 PIN光電二極管就是通過減小摻雜濃度來增光電二極管就是通過減小摻雜濃度來增大耗盡層寬度的。大耗盡層寬度的。 PIN光電二極管是在光電二極管是在P型材料和型材料和N型材料之型材料之間夾了一層輕摻雜的間夾了一層輕摻雜的N型半導(dǎo)體材料，稱為型半導(dǎo)體材料，稱為I層。層。由于是輕摻雜，故電子濃度很低，擴散后可以由于是輕摻雜，故電子濃度很低，擴散后可以形成一個很寬的耗盡層。形成一個很寬的耗盡層。 PIN光電二極管的缺陷：光電二極管的缺陷： 1. 需要放大需要

24、放大 2. 引入噪聲引入噪聲三、三、 雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng) I0NPP(N)光四、四、 雪崩二極管（雪崩二極管（APDAPD） 根據(jù)根據(jù)APD的結(jié)構(gòu)形式可將其分為保護環(huán)形雪崩的結(jié)構(gòu)形式可將其分為保護環(huán)形雪崩二極管二極管(GAPD )和拉通型雪崩二極管和拉通型雪崩二極管(RAPD)兩種。兩種。我們在光纖通信中使用的是我們在光纖通信中使用的是RAPD。1. RAPD的結(jié)構(gòu)原理的結(jié)構(gòu)原理2. APD的特點的特點3. （1）優(yōu)點：有增益的光檢測器件）優(yōu)點：有增益的光檢測器件4. （2）缺點：）缺點：a.倍增噪聲倍增噪聲 b.對溫度變化敏感對溫度變化敏感5. c.反向電壓高反向電壓高 d.成本高成本高 3.

25、2.3光電檢測器的特性光電檢測器的特性ehfPIhfPeIPP00/一、一、 光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率 1. 量子效率：表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換為光電流的量子效率：表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換為光電流的概率。它定義為一次光生載流子和入射光子數(shù)的比概率。它定義為一次光生載流子和入射光子數(shù)的比值：值：其中：其中：Ip為一次光生電流，為一次光生電流，P0為入射光功率，為入射光功率，e為電子電量，為電子電量，hf為光子能量。為光子能量。2. 響應(yīng)度：表示單位入射光功率所產(chǎn)生的光電流。響應(yīng)度：表示單位入射光功率所產(chǎn)生的光電流。hfePIp0二、二、 響應(yīng)時間響應(yīng)時間 光電二極管產(chǎn)生光電流的響應(yīng)時間主要取決于光電二極

26、管產(chǎn)生光電流的響應(yīng)時間主要取決于以下幾個因素：以下幾個因素： （1）耗盡區(qū)光生載流子的渡越時間）耗盡區(qū)光生載流子的渡越時間 （2）耗盡區(qū)外光生載流子的擴散時間）耗盡區(qū)外光生載流子的擴散時間 （3）光電二極管及其相關(guān)電路的）光電二極管及其相關(guān)電路的RC時間常數(shù)時間常數(shù)三、三、 響應(yīng)波長響應(yīng)波長 入射光能量必須大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬入射光能量必須大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度才能發(fā)生光電效應(yīng)，對應(yīng)于最小入射光能度才能發(fā)生光電效應(yīng)，對應(yīng)于最小入射光能量的波長稱為響應(yīng)波長，即：量的波長稱為響應(yīng)波長，即：gcEhc 噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數(shù)，它噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數(shù)，它直接影響光

27、接收機的靈敏度。直接影響光接收機的靈敏度。 光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲的散粒噪聲(Shot Noise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。 噪聲通常用均方噪聲電流噪聲通常用均方噪聲電流(在在1負(fù)載上消耗的噪聲負(fù)載上消耗的噪聲功率功率)來描述。來描述。 四、噪聲四、噪聲均方散粒噪聲電流均方散粒噪聲電流均方熱噪聲電流均方熱噪聲電流BIIeidpsh 22RkTBiT42總均方噪聲電流：總均方噪聲電流：RkTBBIIeidp4)(22五、五、 雪崩倍增因子雪崩倍增因子 倍增因

28、子倍增因子g定義為定義為APD輸出光電流輸出光電流Io和一次光和一次光生電流生電流IP的比值。的比值。 PIIg0 APD的倍增因子與它兩端所加的反向偏壓有關(guān)，的倍增因子與它兩端所加的反向偏壓有關(guān)，反向偏壓越大，反向偏壓越大，g就越大。它們的關(guān)系可以表示就越大。它們的關(guān)系可以表示為：為：nBnBURIUUUIg/ )(11)/(100當(dāng)當(dāng)UUB時，雪崩倍增因子時，雪崩倍增因子g獲得最大值：獲得最大值：210pBBnRIUnRIUgI0=gIpAPD的倍增因子一般在的倍增因子一般在40100之間，之間，PIN光電光電二極管沒有雪崩倍增作用，因而倍增因子是二極管沒有雪崩倍增作用，因而倍增因子是1。

29、六、六、 倍增噪聲和過剩噪聲因子倍增噪聲和過剩噪聲因子倍增噪聲用過剩噪聲因子倍增噪聲用過剩噪聲因子F（雪崩效應(yīng)的隨機（雪崩效應(yīng)的隨機性引起噪聲增加的倍數(shù)）來表示：性引起噪聲增加的倍數(shù)）來表示：xgF X為過剩噪聲指數(shù)，一般在為過剩噪聲指數(shù)，一般在0.31范圍內(nèi)，對范圍內(nèi)，對于硅于硅APD，x=0.30.5，對于鍺，對于鍺APD，x=0.81在選取在選取APD時應(yīng)盡量選擇時應(yīng)盡量選擇x比較小的管子比較小的管子 如果不考慮別的因素，如果不考慮別的因素，APD的均方噪聲電的均方噪聲電流為流為 i2q=2 e （IP+ Id ）B g2 考慮了倍增噪聲后，考慮了倍增噪聲后，APD的均方噪聲電流的均方噪

30、聲電流應(yīng)為應(yīng)為 i2q=2e （IP+ Id ）B g2+x 式中，式中， x為附加噪聲指數(shù)。為附加噪聲指數(shù)。 1. 1. 連接器和接頭連接器和接頭 2. 2. 光耦合器光耦合器 3. 3. 光隔離器與光環(huán)形器光隔離器與光環(huán)形器 4. 4. 光調(diào)制器光調(diào)制器 5. 5. 光開關(guān)光開關(guān) 3.3.13.3.1連接器和接頭連接器和接頭 連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸可拆卸(活動活動)連接連接的器件，的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接

31、。的連接。 接頭是實現(xiàn)光纖與光纖之間的接頭是實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性永久性(固定固定)連連接接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場實施。施。 光纖的連接方法主要有光纖的連接方法主要有光纖熔接法光纖熔接法、V型槽機械型槽機械連接連接和和彈性管連接彈性管連接三種。三種。 3.3.23.3.2光耦合器光耦合器 耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出端口，或把多個輸入端口的光信號組合成一個輸出端口，或把多個輸入端口的光信號組合成一個輸出信號。輸出信號。 1. 1. 耦合器類型耦合器類型 T形耦合器形耦合器 定向耦合器定向耦合器 星形耦合器星形耦合器 波分復(fù)用器波分復(fù)用器/解復(fù)用器解復(fù)用器(也稱合波器也稱合波器/分