光纖通信課件劉增基-第3章

1、第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 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 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1 光源光源3.1.1 半導體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 一、激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)一、激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.原子的能級原子的能級微觀粒子的能量只能處于微觀粒子的能量只能處于分立分立的的能量狀態(tài)能量狀態(tài)，稱為，稱為能級能級。粒子處于最低能級時稱為基態(tài)，處于比基態(tài)高的能級時，粒子處于最低能級時稱為基態(tài)，處于比基態(tài)高的能級時，稱為激發(fā)態(tài)。稱

2、為激發(fā)態(tài)。在在熱平衡熱平衡條件條件下，各能級上的粒子數(shù)分布滿足玻爾茲曼下，各能級上的粒子數(shù)分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計分布（正態(tài)分布）統(tǒng)計分布（正態(tài)分布）210()/21EEk TNeN第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 0EE1E2E3N3N2N1N 玻爾茲曼分布曲線玻爾茲曼分布曲線 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 2 、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用(a)(a)自發(fā)輻射；自發(fā)輻射； (b)(b)受激吸收；受激吸收； (c)(c)受激輻射受激輻射自發(fā)輻射光hf E2 E1E2(a)入射光(b)入射光(c)E1E2E1E2E1hf E2 E1E2E1E2E1hf E2 E1E2E1

3、受激輻射光 hf E2 E1入射光 hf E2 E1第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光與物質(zhì)相互作用（續(xù)）光與物質(zhì)相互作用（續(xù)）電子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的三種躍遷電子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的三種躍遷 自發(fā)輻射，產(chǎn)生非相干光，發(fā)光二級管的工作原理自發(fā)輻射，產(chǎn)生非相干光，發(fā)光二級管的工作原理 在入射光作用下，受激吸收，光接受器件的工作原理在入射光作用下，受激吸收，光接受器件的工作原理 在入射光作用下，受激輻射在入射光作用下，受激輻射 ，產(chǎn)生相干光，激光器的工作原理，產(chǎn)生相干光，激光器的工作原理 均滿足玻爾條件均滿足玻爾條件1212hfEE入射光作用下入射光作用下 原子數(shù)正態(tài)分布時，一般為受激吸

4、收原子數(shù)正態(tài)分布時，一般為受激吸收 當當N2N1時，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射大于受激吸收時，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射大于受激吸收第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 半導體能級結(jié)構(gòu)半導體能級結(jié)構(gòu)半導體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價晶體半導體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價晶體相鄰原子的作用造成電子能級擴展成連續(xù)分布的能帶相鄰原子的作用造成電子能級擴展成連續(xù)分布的能帶 能量低的價帶能量低的價帶,被空穴占用（束縛電子）被空穴占用（束縛電子） 能量高的導帶能量高的導帶,被電子占用（自由電子）被電子占用（自由電子） 導帶底導帶底Ec與價帶頂與價帶頂Ev的能量差的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶

5、寬度或帶隙稱為禁帶寬度或帶隙 Ef為費米能級，該能級被電子和空穴占用的幾率相等為費米能級，該能級被電子和空穴占用的幾率相等能量價帶導帶EgEfEvEc()1( )1fE EkTf Ee第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 半導體中載流子分布半導體中載流子分布本征半導體電子和空穴成對出現(xiàn)，電子在導帶，空穴在價帶本征半導體電子和空穴成對出現(xiàn)，電子在導帶，空穴在價帶費米能級位于禁帶中央費米能級位于禁帶中央N型半導體中導帶的電子增多，價帶的空穴減少型半導體中導帶的電子增多，價帶的空穴減少費米能級增大，向?qū)б瀑M米能級增大，向?qū)б芇型半導體中導帶的電子減少，價帶的空穴增加型半導體中導帶的電子減少，

6、價帶的空穴增加費米能級減小，向價帶移費米能級減小，向價帶移在在PN結(jié)界面上，載流子的梯度產(chǎn)生了擴散運動，從而形成內(nèi)部電場結(jié)界面上，載流子的梯度產(chǎn)生了擴散運動，從而形成內(nèi)部電場內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴散運動相反的漂移運動，在內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴散運動相反的漂移運動，在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的費米能級相同時，達到平區(qū)的費米能級相同時，達到平衡狀態(tài)，此時能帶發(fā)生傾斜衡狀態(tài)，此時能帶發(fā)生傾斜Eg/2Eg/2EfEcEvEg導 帶價 帶能 量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖圖 3.33.3PNPN結(jié)的能帶和電子分布結(jié)的能帶和電子分布(a) P - N(a) P

7、- N結(jié)內(nèi)載流子運動；結(jié)內(nèi)載流子運動；(b) (b) 零偏壓時零偏壓時P - NP - N結(jié)的能帶圖；結(jié)的能帶圖； (c) (c) 正向偏壓下正向偏壓下P - NP - N結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖 勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env(b)hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場外加電場電子，空穴(c)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 )在在P P型和型和N N型半導體組成的型半導體組成的PNPN結(jié)界面上，結(jié)界面上， 由于存在多數(shù)載流子由于存在多數(shù)載流子( (電子或空穴電子或空穴) )的梯度，的梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成內(nèi)部電場因而產(chǎn)生擴散運動，形成內(nèi)部電場內(nèi)部電

8、場產(chǎn)生與擴散相反方向的漂移運內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴散相反方向的漂移運動，直到動，直到P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的區(qū)的EfEf相同，兩種運動相同，兩種運動處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜這時在這時在PNPN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生結(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，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。結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 在在PN結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)，獲得了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)，獲得了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)N區(qū)電子向區(qū)電子向P區(qū)運動，形成增益區(qū)的導帶多為電子區(qū)運動，形成增益區(qū)的導帶多

9、為電子P區(qū)空穴向區(qū)空穴向N區(qū)運動，形成增益區(qū)的價帶多為空穴區(qū)運動，形成增益區(qū)的價帶多為空穴在電子和空穴運動過程中，產(chǎn)生自發(fā)輻射光在電子和空穴運動過程中，產(chǎn)生自發(fā)輻射光導帶的電子躍遷到價帶和空穴復合導帶的電子躍遷到價帶和空穴復合在在PN結(jié)上施加與內(nèi)部電場反向的結(jié)上施加與內(nèi)部電場反向的正向電場正向電場 能帶傾斜減小，擴散增強能帶傾斜減小，擴散增強hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場外加電場電子，空穴(c)pN第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生激光產(chǎn)生的條件激光產(chǎn)生的條件 - -激活物質(zhì)：激活物質(zhì)：具有合適的能級分布，可以產(chǎn)生合適波長的輻射光具有合適的能級

10、分布，可以產(chǎn)生合適波長的輻射光 - -泵浦源使激活物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：半導體泵浦源使激活物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：半導體PNPN節(jié)施加正向電壓獲得節(jié)施加正向電壓獲得 - -入射光：激活物質(zhì)的自發(fā)輻射光作為入射光入射光：激活物質(zhì)的自發(fā)輻射光作為入射光 - -光學諧振腔：對光的頻率和光學諧振腔：對光的頻率和 方向進行選擇，并通過多次反饋，使得較方向進行選擇，并通過多次反饋，使得較強相干光輸出強相干光輸出反 射 鏡工 作 物 質(zhì)部 分 反 射 鏡激 光 輸 出z第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光學諧振腔：兩個平行反射鏡構(gòu)成法布里珀羅光學諧振腔：兩個平行反射鏡構(gòu)成法布里珀羅(F-P)諧振腔諧振腔 腔內(nèi)是處

11、于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活物質(zhì)，產(chǎn)生自發(fā)輻射光和受激輻射光腔內(nèi)是處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活物質(zhì)，產(chǎn)生自發(fā)輻射光和受激輻射光 自發(fā)輻射的入射光沿軸線方向被反射和放大，傳播方向不斷改善自發(fā)輻射的入射光沿軸線方向被反射和放大，傳播方向不斷改善 成為相干光，激光產(chǎn)生了成為相干光，激光產(chǎn)生了腔內(nèi)產(chǎn)生的激光的波長由激光振蕩的相位條件決定，即駐波的條件腔內(nèi)產(chǎn)生的激光的波長由激光振蕩的相位條件決定，即駐波的條件稱為縱模模數(shù).3 ,2, 1,2qqnL諧振腔內(nèi)存在吸收、散射和透射，建立穩(wěn)定激光振蕩需要閾值條件諧振腔內(nèi)存在吸收、散射和透射，建立穩(wěn)定激光振蕩需要閾值條件增益和損耗相當增益和損耗相當為損耗系數(shù)為閾值增益系數(shù)，tht

12、hRRL211ln21R1R22n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 二、半導體激光器（二、半導體激光器（LD）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)（雙異質(zhì)結(jié)（DH）平面條形結(jié)構(gòu)）平面條形結(jié)構(gòu) 三層不同類型材料三層不同類型材料 中間一層窄帶隙中間一層窄帶隙P型半導體，稱為有型半導體，稱為有源源 兩側(cè)分別為寬帶隙兩側(cè)分別為寬帶隙P型和型和N型半導體，型半導體，稱為限制層稱為限制層 前后兩個晶體理解面作為反射鏡構(gòu)成前后兩個晶體理解面作為反射鏡構(gòu)成法布里法布里-珀羅諧振腔珀羅諧振腔第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖 3.6 DH激光器工作原理 (a) 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)； (b)

13、能帶； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 PGa1xAlxAsPGaAsNGa1yAlyAs復合空穴異質(zhì)勢壘E能量(a)(b)(c)n折射率5%(d)P光電子限制層帶隙較有源層寬，施加正向電壓，限制層帶隙較有源層寬，施加正向電壓，易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)換效率較高易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)換效率較高 P P層的空穴和層的空穴和N N層的電子注入有源層層的電子注入有源層 P P層帶隙寬，導帶的能態(tài)比有源層高，層帶隙寬，導帶的能態(tài)比有源層高， 對注入電子形成勢壘對注入電子形成勢壘 N N層帶隙寬，價帶的能態(tài)比有源層低，層帶隙寬，價帶的能態(tài)比有源層低，對注入空穴形成勢壘對注入空穴形成勢壘 有源層的

14、折射率比限制層高，產(chǎn)生的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)激光被限制在有源區(qū)內(nèi)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 半導體激光器的發(fā)射波長和光譜特性半導體激光器的發(fā)射波長和光譜特性長波長發(fā)射波長決定于帶隙長波長發(fā)射波長決定于帶隙ggEevhcE)(24. 1激光器輸出滿足激光振蕩相位條件的一些波長的光，即為激光器的縱模激光器輸出滿足激光振蕩相位條件的一些波長的光，即為激光器的縱模導帶和價帶由許多連續(xù)能級組成，有一定的帶寬導帶和價帶由許多連續(xù)能級組成，有一定的帶寬兩個能帶中不同能級之間的電子躍遷會產(chǎn)生連續(xù)波長的輻射光兩個能帶中不同能級之間的電子躍遷會產(chǎn)生連續(xù)波長的輻射光諧振

15、腔的作用使得滿足激光振蕩相位條件的波長輸出諧振腔的作用使得滿足激光振蕩相位條件的波長輸出不同半導體材料有不同的禁帶寬度不同半導體材料有不同的禁帶寬度EgEg，因而有不同的發(fā)射波長，因而有不同的發(fā)射波長。鎵鋁砷鎵鋁砷 - -鎵砷鎵砷(GaAlAs(GaAlAsGaAs)GaAs)材料適用于材料適用于0.85 m0.85 m波段波段銦鎵砷磷銦鎵砷磷 - - 銦磷銦磷(InGaAsP(InGaAsPInP)InP)材料適用于材料適用于1.31.31.55 m1.55 m波段。波段。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖圖 3.7GaAlAs3.7GaAlAsDHDH激光器的光譜特性激光器的光譜

16、特性 (a) (a) 直流驅(qū)動直流驅(qū)動; (b) 300 Mb/s; (b) 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 I（a)隨著驅(qū)動直流電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄最終產(chǎn)生靜態(tài)單縱模激光(b)是300 Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性， 隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。 無法調(diào)制高速數(shù)字信號*用FP諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器。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。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 激光器輸出的光束橫模分別激光器輸出的光束橫模分別取決于有源區(qū)的寬度和厚度取決于有源區(qū)的寬度和厚度寬度和厚度足夠

17、小，多寬度和厚度足夠小，多橫模分布變成單橫模橫模分布變成單橫模圖 3.8 GaAlAsDH條形激光器的近場圖 W10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近場圖樣0.1rad遠場圖樣w_第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1.2 半導體激光器的特性半導體激光器的特性當電流小于閾值電流當電流小于閾值電流Ith時，時，激光器輸出為自發(fā)輻射光激光器輸出為自發(fā)輻射光當電流大于閾值電流時，激當電流大于閾值電流時，激光器輸出受激輻射光光器輸出受激輻射光光功率隨驅(qū)動電流的增加而光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加增加)(,thdthththdIIehfPPhfeIPeIIhfPP或1.轉(zhuǎn)換效

18、率轉(zhuǎn)換效率 d：在閾值電流之上，每對復合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)：在閾值電流之上，每對復合載流子產(chǎn)生的光子數(shù) 圖圖 3.103.10典型半導體激光器的光功率特性典型半導體激光器的光功率特性短波長短波長AlGaAs/GaAs;AlGaAs/GaAs;長波長長波長InGaAsP/InP InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80工 作 電 流 I / mA單 面 輸 出 功 率P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工 作 電 流 I / mA輸 出 功 率P / mW(a)(b)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 溫度升高，

19、輸出光功溫度升高，輸出光功率下降率下降 激光器的閾值電流激光器的閾值電流隨溫度升高而增大隨溫度升高而增大 轉(zhuǎn)換效率隨著溫度轉(zhuǎn)換效率隨著溫度升高而變小升高而變小圖圖 3.12 P-I3.12 P-I曲線隨溫度的變化曲線隨溫度的變化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射2.溫度特性：溫度特性：第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3. 3. 頻率特性頻率特性在直接光強調(diào)制下，在直接光強調(diào)制下， 激光器輸出光功率激光器輸出光功率P P和調(diào)制頻率和調(diào)制頻率f f的關(guān)系為的關(guān)系為: : 2222)/(4)/(1 )0()(ffffpfP) 1(1210II

20、IIfthhpsp馳豫頻率：-f-f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-I-I是零增益電流是零增益電流: : 高摻雜濃度的高摻雜濃度的LDLD： I=0 I=0 低摻雜濃度的低摻雜濃度的LDLD： I=(0.7-0.8)I I=(0.7-0.8)Ithth-spsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命-phph為諧振腔內(nèi)的光子壽命為諧振腔內(nèi)的光子壽命第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖 3.11 半導體激光器的直接調(diào)制頻率特性 0.010.11100.1110100fr調(diào)制頻率f

21、/ GHz相 對 光 功 率半導體激光器的直接調(diào)制頻半導體激光器的直接調(diào)制頻率特性。率特性。弛豫頻率弛豫頻率f f是調(diào)制頻率的上限是調(diào)制頻率的上限 一般激光器的一般激光器的ff為為1 12 GHz2 GHz 在接近在接近f f處：數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生處：數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。失真。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1.3 分布式反饋激光器分布式反饋激光器新型激光器的要求新型激光器的要求 譜線寬度更窄譜線寬度更窄 高速脈沖調(diào)制下保持單縱模特性高速脈沖調(diào)制下保持單縱模特性 發(fā)射光波長穩(wěn)定發(fā)射光波長穩(wěn)定 閾值電流低，輸出光功率大閾值電

22、流低，輸出光功率大分布式反饋激光器分布式反饋激光器第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 衍 射 光 柵有 源 層N層P層輸 出 光光 柵有 源 層ba(a)(b)分布式反饋激光器分布式反饋激光器用靠近有源層沿長度方向折射率周期性變化的衍射光柵實現(xiàn)光反饋用靠近有源層沿長度方向折射率周期性變化的衍射光柵實現(xiàn)光反饋光柵周期滿足光柵周期滿足為衍射級數(shù)為布拉格波長，為材料有效折射率，m2BeeBnnmDFB激光器單個諧振腔長度較小，多個諧振腔存在，易設(shè)計成單縱模激光器激光器單個諧振腔長度較小，多個諧振腔存在，易設(shè)計成單縱模激光器多級諧振腔諧振使得譜線窄、波長穩(wěn)定性高多級諧振腔諧振使得譜線窄、波長穩(wěn)定

23、性高動態(tài)譜線好，可調(diào)制高速信號動態(tài)譜線好，可調(diào)制高速信號第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1.4 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED)LED與與LD結(jié)構(gòu)上的異同：結(jié)構(gòu)上的異同：同：均是雙異質(zhì)結(jié)（同：均是雙異質(zhì)結(jié)（DH)條形平面結(jié)構(gòu)條形平面結(jié)構(gòu)異：異：LD有諧振腔有諧振腔 LED無諧振腔無諧振腔結(jié)構(gòu)的不同造成了性能的不同結(jié)構(gòu)的不同造成了性能的不同第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 LED與與LD性能的不同性能的不同:LD:有諧振腔，輸出的是方向性很好、強度大的相干光有諧振腔，輸出的是方向性很好、強度大的相干光有閾值電流。有閾值電流。LED:無諧振腔。有源區(qū)是自發(fā)輻射，輸出無諧振腔。

24、有源區(qū)是自發(fā)輻射，輸出 光斑大，強度光斑大，強度低，譜線寬度大的自發(fā)輻射光，無閾值電流。低，譜線寬度大的自發(fā)輻射光，無閾值電流。 由于結(jié)構(gòu)簡單由于結(jié)構(gòu)簡單:造價低、性能穩(wěn)定、壽命長造價低、性能穩(wěn)定、壽命長 在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 (a) 正面發(fā)光型； (b) 側(cè)面發(fā)光型 球透鏡環(huán)氧樹脂P層n層有源層發(fā)光區(qū)微透鏡P型限制層n型限制層有源層波導層兩類發(fā)光二極管兩類發(fā)光二極管(LED)(LED)：第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2 光電檢測器光電檢測器光接收機的關(guān)鍵器件光接收機的關(guān)鍵器件其功能是把

25、光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柶涔δ苁前压庑盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柍Ｓ玫墓鈾z測器有常用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（光電二極管和雪崩光電二極管（APD)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2.1 光電二極管（光電二極管（PD)光電二極管是利用半導體光電二極管是利用半導體PN結(jié)的光電效應實現(xiàn)光信號轉(zhuǎn)換為電信號結(jié)的光電效應實現(xiàn)光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光檢測器器件的光檢測器器件光電效應就是指一定波長的光照射到半導體的光電效應就是指一定波長的光照射到半導體的PN結(jié)時，價帶結(jié)時，價帶上的電子吸收光子能量而躍遷到導帶，使導帶中有了電子，上的電子吸收光子能量而躍遷到導帶，使導帶中有了電子，價帶中有了空穴，

26、從而使價帶中有了空穴，從而使PN結(jié)中產(chǎn)生光生載流子的一種現(xiàn)象。結(jié)中產(chǎn)生光生載流子的一種現(xiàn)象。這些載流子在內(nèi)部電場的作用下在閉環(huán)電路中形成光生電流。這些載流子在內(nèi)部電場的作用下在閉環(huán)電路中形成光生電流。在開環(huán)電路中形成電動勢在開環(huán)電路中形成電動勢 由于由于PN結(jié)界面存在耗盡層和沒有電場的中性層，因此在存在結(jié)界面存在耗盡層和沒有電場的中性層，因此在存在由于光電效應由耗盡層產(chǎn)生的漂移電流情況，還存在中性層由于光電效應由耗盡層產(chǎn)生的漂移電流情況，還存在中性層熱運動產(chǎn)生的擴散電流，這兩種電流的總量構(gòu)成光生電流熱運動產(chǎn)生的擴散電流，這兩種電流的總量構(gòu)成光生電流第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 為了

27、提高耗盡層光電效應產(chǎn)生的電流分量，減少熱運動為了提高耗盡層光電效應產(chǎn)生的電流分量，減少熱運動產(chǎn)生的擴散電流分量對光電二極管施加反向偏壓，增大產(chǎn)生的擴散電流分量對光電二極管施加反向偏壓，增大耗盡層的寬度，減小中性區(qū)的寬度。耗盡層的寬度，減小中性區(qū)的寬度。漂移運動比擴散運動快得多，可以提高響應速度漂移運動比擴散運動快得多，可以提高響應速度.為了提高轉(zhuǎn)換效率和響應速度，設(shè)計新的光檢測器為了提高轉(zhuǎn)換效率和響應速度，設(shè)計新的光檢測器PIN光電二極管光電二極管雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2.2 PIN光電二

28、極管光電二極管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型材料之間加一層型材料之間加一層輕摻雜的輕摻雜的N型材料，一般稱為本征半導體層，即型材料，一般稱為本征半導體層，即I層層由于由于I層是輕摻雜，故電子濃度很低，經(jīng)擴散作用層是輕摻雜，故電子濃度很低，經(jīng)擴散作用后可形成一個很寬的耗盡區(qū)后可形成一個很寬的耗盡區(qū)在反向偏壓的作用下，可大大提高在反向偏壓的作用下，可大大提高PIN光電二極管光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率的光電轉(zhuǎn)換效率 及響應速度及響應速度第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 抗反射膜光電極(n)PNE電極第第3 3章章 通信用光器件

29、通信用光器件 PIN光電二極管的主要特性光電二極管的主要特性光電轉(zhuǎn)換量子效率：一次光生電子光電轉(zhuǎn)換量子效率：一次光生電子-空穴對和入射光子數(shù)的比值空穴對和入射光子數(shù)的比值也可以用一次光生電流和入射功率的比值也可以用一次光生電流和入射功率的比值:響應度來表示響應度來表示噪聲：包括散粒噪聲和熱噪聲，用均方噪聲電流來描述噪聲：包括散粒噪聲和熱噪聲，用均方噪聲電流來描述ehfPIhfPeIpp00-入射光子數(shù)空穴對光生電子hfePIp0電流與溫度有關(guān)的是熱噪聲的反向直流電流有關(guān)的是沒有入射光時本征噪聲；與有關(guān)的是量子噪聲，是與為等效電阻為等效噪聲溫度，為暗電流，為信號電流，為放大器帶寬，dPdPdPI

30、IIIBRkTBBIIeiRT4)(22第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 量子效率和響應度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。在一定條件下：器件表面的反射率為零;P層和N層的量子效率可以忽略；I層耗盡，則PIN光電管的量子效率近似為：)(exp1其中：)(及w為I層的吸收系數(shù)及寬度所以：w越大，越大量子效率的光譜特性取決于半導體材料的吸收光譜()對長波長的限制由式c=hc/Eg。圖3.22示出量子效率和響應度的光譜特性。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m (W1)Si由圖可見，S

31、i適用于0.80.9m波段，Ge和InGaAs適用于1.31.6 m波段。響應度一般為0.50.6 (A/W)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 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)生的散粒噪聲和由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1負載上消耗的噪聲功率)來描述。 均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.22)式中，e為電子電荷，B為放大器帶寬，Ip和Id分別為信號電流和暗電流第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 式(3.22)第一項2eIpB稱為量子噪聲，是由

32、于入射光子和所形成的電子 - 空穴對都具有離散性和隨機性而產(chǎn)生的。只要有光信號輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲， 它決定光接收機靈敏度的極限。 式(3.22)第二項2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。 暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產(chǎn)生的反向直流電流，它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴散形成的本征暗電流。暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如Si-PIN， Id100nA。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 均方熱噪聲電流: i2T= (3.23) 式中，k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電

33、阻并聯(lián)的結(jié)果。 因此， 光電二極管的總均方噪聲電流為RKTB4i2=2e(IP+Id)B+ RKTB4第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2.3 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）雪崩光電二極管是利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應，從而產(chǎn)生光電流的倍增作雪崩光電二極管是利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應，從而產(chǎn)生光電流的倍增作用用 所謂雪崩倍增效應是指所謂雪崩倍增效應是指PN結(jié)外加高反向偏壓后，在耗盡區(qū)內(nèi)形成一個強電場。當結(jié)外加高反向偏壓后，在耗盡區(qū)內(nèi)形成一個強電場。當耗盡區(qū)吸收光子時，激發(fā)出來的光生載流子被強電場加速，以極高的速度與耗盡區(qū)耗盡區(qū)吸收光子時，激發(fā)出來的光

34、生載流子被強電場加速，以極高的速度與耗盡區(qū)的晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的光生載流子，并形成鏈鎖反應，從而使光電流在光電二的晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的光生載流子，并形成鏈鎖反應，從而使光電流在光電二極管內(nèi)部獲得倍增極管內(nèi)部獲得倍增 存在一個擊穿電壓存在一個擊穿電壓U UB B APD具有轉(zhuǎn)換效率高、響應速度快和附加噪聲低等特點具有轉(zhuǎn)換效率高、響應速度快和附加噪聲低等特點倍增因子：倍增因子：APD輸出光電流和一次光電流的比值輸出光電流和一次光電流的比值A(chǔ)PD的轉(zhuǎn)換效率是的轉(zhuǎn)換效率是PIN的的g倍，可表示為倍，可表示為噪聲噪聲APD對量子噪聲直接放大之外，還產(chǎn)生新的噪聲，表示為過剩噪聲因子對量子噪聲直接放大之

35、外，還產(chǎn)生新的噪聲，表示為過剩噪聲因子F。F是倍是倍增因子的倍數(shù)。因此量子噪聲為增因子的倍數(shù)。因此量子噪聲為暗電流噪聲為暗電流噪聲為PoIIg nBonBURIUUUg1111為附加噪聲指數(shù)，x222xPqBgeIixddBgeIi222第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.3 光無源器件光無源器件連接器和接頭連接器和接頭光耦合器光耦合器光隔離器與光環(huán)形器光隔離器與光環(huán)形器光調(diào)制器光調(diào)制器光開關(guān)光開關(guān)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.3.1 連接器與接頭連接器與接頭連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動活動)連接的器件。連接的器件。主要用于光

36、纖線路中光纖與其他器件的活動連接。主要用于光纖線路中光纖與其他器件的活動連接。接頭：光纖與光纖之間的固定連接。接頭：光纖與光纖之間的固定連接。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 連接器連接器單芯連接器結(jié)構(gòu)如圖單芯連接器結(jié)構(gòu)如圖套管和插針保證光纖對中連接套管和插針保證光纖對中連接低插入損耗要求：低插入損耗要求：端面適配、直線連接端面適配、直線連接球端面或斜面球端面或斜面光纖套管插針 粘結(jié)劑第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.3.2 光耦合器光耦合器功能：把一路光信號分配給多路輸出或?qū)⒍嗦饭庑盘柦M合成一路輸功能：把一路光信號分配給多路輸出或?qū)⒍嗦饭庑盘柦M合成一路輸出出對光路影響：對

37、光路影響：插入損耗插入損耗反射及串擾噪聲反射及串擾噪聲耦合器類型：耦合器類型：T型耦合器型耦合器星型耦合器星型耦合器定向耦合器定向耦合器波分復用波分復用/解復用器解復用器第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖 3.28 常用耦合器的類型 T形(a)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 耦合器基本結(jié)構(gòu)耦合器基本結(jié)構(gòu)光纖型光纖型微器件型微器件型波導型波導型第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖 3.29光纖型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12個22耦合器組成的88星形耦合器 輸 入 光光 強

38、度光 纖 a光 纖 b 輸 出 光2341(a)(b)123456789101112(c)光纖型耦合器結(jié)構(gòu)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 定向耦合器定向耦合器由耦合理論：由耦合理論：調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)a、b的有效長度使：的有效長度使：當當Pa(1)最大時最大時,Pa(2)=0當當Pb(2)最大時最大時,Pb(1)=0圖 3.30 光纖型波分解復用器原理 1、 21212耦合長度光功率ababba)(cos)()(cos)(22212121LCPLCPba第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 主要特性主要特性耦合比：耦合比：附加損耗：附加損耗：插入損耗插入損耗方向性（隔離度）方向性（隔離度）一致性：一致性：