光發(fā)射機與光接收機

1、第10章 光發(fā)射機與光接收機 第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.1 光源光源 10.2 光發(fā)射機光發(fā)射機 10.3 光電檢測器光電檢測器 10.4 光接收機光接收機 10.5 光電集成器件與電路光電集成器件與電路 第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.1 光源光源光源的作用光源的作用把要傳輸?shù)碾娦盘栟D換成光信號發(fā)射去。一、對光源的基本要求一、對光源的基本要求(1)發(fā)射的光功率應足夠大，而且穩(wěn)定度要高(2)調(diào)制方法簡單(3)光源發(fā)光峰值波長應與光纖低損耗窗口相匹配(4)光源與光纖之間應有較高的耦合效率(5)光源發(fā)光譜線寬度要窄，即單色性要好(6)可靠性要高，必須保證系統(tǒng)能24h連續(xù)運轉(7)光源

2、應該是低功率驅動低電壓、低電流)，而且電光轉 換效率要高第10章 光發(fā)射機與光接收機 能滿足上述基本要求的光源是半導體光源。能滿足上述基本要求的光源是半導體光源。 半導體激光器(LD) 中、長距離最常用的光源 大容量(高碼速)系統(tǒng) 半導體發(fā)光二極管(LED)。 短距離、低容量系統(tǒng) 模擬系統(tǒng)。第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.1.1 激光二極管（LD） 1 1基本結構基本結構激光二極管的基本結構框圖第10章 光發(fā)射機與光接收機 2LD的工作原理的工作原理（1）半導體材料的能級結構 半導體材料中的電子處于分立能級上，高能級稱為導帶，低能級稱為價帶，高、低能級之間稱為禁帶。則禁帶寬度Eg=Ec-E

3、v 在熱平衡狀態(tài)下，價帶能級上的電子總數(shù)目NV遠多于導帶能級上的電子總數(shù)目NC，即NVNC。半導體材料電子能級示意圖第10章 光發(fā)射機與光接收機 （2）半導體材料中電子能態(tài)的變化 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 發(fā)出的光子彼此不相干（即傳播方向、相位和偏振不同），稱為非相干發(fā)出的光子彼此不相干（即傳播方向、相位和偏振不同），稱為非相干光。光。 受激輻射受激輻射 發(fā)出的光子彼此相干（即其傳播方向、頻率、相位、偏振都與外來光子發(fā)出的光子彼此相干（即其傳播方向、頻率、相位、偏振都與外來光子相同），稱為相干光。激光二極管輸出的就是這種相干光。相同），稱為相干光。激光二極管輸出的就是這種相干光。 受激吸收受激吸收 在

4、外來入射光的作用下，處在低能級上的電子可以吸收入射光子的能量在外來入射光的作用下，處在低能級上的電子可以吸收入射光子的能量而躍遷到高能級上而躍遷到高能級上 。第10章 光發(fā)射機與光接收機 在熱平衡狀態(tài)下，半導體材料中同時存在以上三種物理過程，其中自發(fā)輻射的概率遠大于受激輻射的概率，并且受激輻射的概率與導帶上的電子總數(shù)NC成正比，受激吸收的概率與價帶上的電子總數(shù)NV成正比。所以，若要受激輻射占有主導地位，就必須使導帶上的電子總數(shù)NC 遠大于價帶上的電子總數(shù)NV ，這稱為粒子數(shù)反轉狀態(tài)。第10章 光發(fā)射機與光接收機 （3）PN結的能帶和電子分布 在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被一個電子占據(jù)的概率遵

5、循費米（Fermi）分布，即 在通常室溫下，本征半導體、N型半導體和P型半導體都是大多數(shù)電子占據(jù)低能級位置，沒有形成粒子數(shù)反轉分布，不能對光產(chǎn)生放大作用。fB1( )1exp()/P EEEk T第10章 光發(fā)射機與光接收機 （4）電激勵結產(chǎn)生一個增益區(qū)，使其中的導帶電子數(shù)遠大于價帶電子數(shù)，形成（5）光學諧振腔 前、后鏡面之間夾有處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的PN結半導體材料，構成了光學諧振腔。 其作用是使軸向（垂直于鏡面方向）運動的光子在腔內(nèi)來回多次反射形成光振蕩，并激勵已處于粒子數(shù)反轉的半導體材料，不斷地產(chǎn)生受激輻射，使放出的光子數(shù)目雪崩式地增加。第10章 光發(fā)射機與光接收機 3LD的類型結構（1）

6、同質(zhì)結LD 由同一種半導體材料經(jīng)不同摻雜構成單層由同一種半導體材料經(jīng)不同摻雜構成單層PNPN結，稱為同質(zhì)結結，稱為同質(zhì)結LDLD。 例如：砷化鎵（例如：砷化鎵（GaAsGaAs）同質(zhì)結）同質(zhì)結LDLD。GaAs同質(zhì)結LD結構示意圖第10章 光發(fā)射機與光接收機 （2）異質(zhì)結LD 由不同的半導體材料經(jīng)摻雜構成單層PN結或多層PN結。前者稱為單異質(zhì)結LD，后者稱為多異質(zhì)結LD。 例如：GaAlAs/GaAs單異質(zhì)結LD，發(fā)光波長為0.85m。 InGaAsP/InP雙異質(zhì)結LD，發(fā)光波長為1.31m或1.55m，損耗小。 異質(zhì)結LD結構示意圖第10章 光發(fā)射機與光接收機 半導體光源的發(fā)光機理半導體光

7、源的發(fā)光機理 半導體發(fā)光器件是通過電子在能級之間的躍遷而發(fā)光的。 在構成半導體晶體的原子內(nèi)部各個電子都占有所規(guī)定的能級。 如果讓占據(jù)較高能級Ei的電子躍遷到較低能級Ej上，就會以光的形式放出等于能級差的能量，這時能級差Eg和光的振蕩頻率f之間的關系為 Eg=hf 式中，h為普朗克常數(shù)(h=6.62610-34 Js)。 (10.1) 第10章 光發(fā)射機與光接收機 半導體發(fā)光器件由適當?shù)腜型材料和N型材料所構成，兩種材料的交界區(qū)形成P-N結，如果在P-N結上加上正向電壓，則N型區(qū)的電子及P型區(qū)的空穴源源不斷地流向P- N 結區(qū)。在那里電子與空穴自發(fā)地復合，復合時電子從高能級的導帶躍遷至低能級價帶

8、而產(chǎn)生與躍遷所釋放的能量相等的光子。 在這種情況下， 各個光子在時間上及方向上都不相同，這種光稱為自發(fā)光, 該發(fā)光器件叫做發(fā)光管。 其發(fā)光機理如圖 10.1 所示。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.1 發(fā)光機理示意圖 (a) 光的自發(fā)發(fā)射； (b) 光的受激發(fā)射 第10章 光發(fā)射機與光接收機 另一種光稱為激光，是利用諧振腔產(chǎn)生振蕩的原理而獲得的。在P-N結的兩端加工出兩個平行光潔的反射鏡面。此鏡面垂直于P-N結的平面，和它的長度方向形成一個諧振腔。當施加正向電壓于P-N結時，P-N結內(nèi)首先發(fā)出自發(fā)光，其中部分光子沿著與反射面垂直的方向前進，這一部分光子受反射鏡面的反射，在諧振腔內(nèi)來回反

9、射。 同時，激光腔內(nèi)的電子與空穴復合，即激發(fā)電子從導帶躍遷至價帶而產(chǎn)生新的光子。 部分新產(chǎn)生的光子也同樣在諧振腔內(nèi)來回反射。只要外加的電壓和電流足夠大，那么光子的來回反射將激發(fā)更多的光子，產(chǎn)生正反饋作用，使受激發(fā)光大為加強，遂產(chǎn)生激光。反射鏡面是半透明的，既可使部分光子反射回腔內(nèi)，也可讓部分光子輻射出去。 這種發(fā)光器件叫做激光器。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 第10章 光發(fā)射機與光接收機 光子能量E和波長之間的變換關系如下： m2398. 1)eV(E(10.2) 例如, 砷化鎵半導體的帶隙為1.36 eV，則砷化鎵發(fā)光二極管的輻射波長=1.2398/1.36=0.91m。該波長處于近紅外區(qū)

10、，在摻入鋁后可改變波長。因此, 短波長光源采用GaAlAs, 而長波長光源用InGaAsP。目前，光纖通信使用的光源，短波長的有GaAlAs激光器(LD)和GaAlAs發(fā)光二極管(LED)；長波長的有InGaAsP激光器(LD)和InGaAsP發(fā)光二極管(LED)。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.1.2 光源的分類及特性光源的分類及特性 在光纖通信系統(tǒng)中，光源的基本功能是將電流形式的電能轉變?yōu)楣饽?，并將發(fā)出的光有效地耦合到光纖中。 光源是光纖通信的核心器件，其種類和性能的好壞在很大程度上決定了系統(tǒng)的類型和性能。 光源的種類及特性見表10.1。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 表表10.1

11、光源的種類及特性光源的種類及特性 第10章 光發(fā)射機與光接收機 表表10.1 光源的種類及特性光源的種類及特性 第10章 光發(fā)射機與光接收機 表表10.1 光源的種類及特性光源的種類及特性 第10章 光發(fā)射機與光接收機 表表10.2 發(fā)光二極管的類型及特點發(fā)光二極管的類型及特點 第10章 光發(fā)射機與光接收機 激光器的模式有縱模和橫模之分。在與激光器諧振腔軸平行方向(即縱向)的電磁場分布(即模式)稱為縱模；在與激光器諧振腔軸垂直方向(即橫向)的電磁場分布(醬模式)稱為橫模?？v模反映了激光器光強隨波長的變化情況即光譜特性，激光器有多縱模和單縱模之分。多縱模激光器輸出的光譜中包含若干個縱模，縱模在光

12、譜中是一根根離散的線譜，不同縱模上的光能量(即光強)分布是不同的，其中有一個縱模光強最大的稱為主模， 主模旁邊的其它縱模光強都較小的稱為旁模或邊模。單縱模激光器只有一個縱模能夠正常工作，其它縱模都受到抑制，是實現(xiàn)單模工作的激光器。橫模反映了激光器輸出光束光強的空間分布，即方向特性的集散程度，直接影響到光源與光纖的耦合效率。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 在實際應用中，為了使發(fā)射波長與光纖通信系統(tǒng)的低損耗或低色散波長區(qū)相吻合，光源又按發(fā)射波長分為兩大類，即短波長(0.80.9 m)波段光源和長波長(1.21.7 m)波段光源， 而長波段光源又分為1.3m波長光源和1.55 m波長光源兩種。 按照

13、材料特性光源可分為兩大類，即半導體光源器件和非半導體光源器件。半導體光源器件包括發(fā)光二極管和半導體激光器。 短波長半導體光源器件是利用AlGaAs/GaAs材料制成的， 而長波長半導體光源器件則是利用InGaAsP/InP材料制成的。 兩者都是多層外延， 形成雙異質(zhì)結。第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.1.3 半導體激光器的原理和結構半導體激光器的原理和結構 1. P-N結半導體激光器結半導體激光器 P-N結半導體激光器也叫同質(zhì)結半導體激光器。 它是結構最簡單的半導體激光器。下面以GaAs激光器為例進行討論。 GaAs激光器的結構如圖 10.2 所示，它的核心部分是一個P-N結。 P-N結由

14、P+ GaAs 和N+GaAs構成， 激光就是由P - N結結區(qū)發(fā)出的， 因此P - N結也叫作用區(qū)。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.2 P-N結半導體激光器結構簡圖 WLdPGaAsNGaAsP-N結第10章 光發(fā)射機與光接收機 P-N結的兩個端面是按照晶體的天然解理面切開的，相當于反射鏡。它們的反射系數(shù)約為0.32，若將表面涂敷可得到很高的反射系數(shù)。這就組成了光學諧振腔。典型的尺寸為長L=250500 m, 寬W=510 m, 厚d=0.10.2 m。 半導體激光器在正向偏壓下工作， 外加電壓就是電的泵浦源。在正向偏壓的作用下，電子流不斷注入P-N結，使P-N結的載流子失去平衡而

15、處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)。當那些高能級上的粒子向低能級躍遷時就發(fā)出光子。光學諧振腔起反饋及選頻作用， 光束在這里來回反射而得到增強。當滿足振蕩條件時，就可得到激光。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 2. 異質(zhì)結半導體激光器異質(zhì)結半導體激光器 異質(zhì)結激光器分單異質(zhì)結激光器和雙異質(zhì)結激光器。根據(jù)工作波長的不同，所用的材料也不同。圖10.3 給出了應用在=0.840.9m的單異質(zhì)結激光器與雙異質(zhì)結激光器結構簡圖。 它們是用GaAs材料與GaAlAs材料制成的。第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.3 異質(zhì)結半導體激光器的結構示意圖(a) 單異質(zhì)結激光器； (b) 雙異質(zhì)結激光器 N-GaAsP-GaAsP

16、-Ga1 xAlxAs作用區(qū)作用區(qū)N-GaAsN-Ga1 xAlxAsP-GaAsP-Ga1 xAlxAs(a)(b)第10章 光發(fā)射機與光接收機 材料Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中摻入AlAs而形成的，叫做砷鎵鋁三元素晶體。下標x與1-x是指AlAs與GaAs的比例。若總數(shù)為1，則AlAs占x份，而GaAs占1-x份，P-Ga1-xAlxAs與n-Ga1-xAlxAs各代表P型與N型砷鎵鋁材料。為了簡化，一般常用P-GaAlAs，N-GaAlAs這樣的表示法，只有特殊需要時才標明其x值。這種合成材料的折射率、禁帶寬度、損耗等都與GaAs材料不同，它與GaAs是不同的物質(zhì)。 第10章

17、 光發(fā)射機與光接收機 在半導體激光器件中，異質(zhì)結起著重要的作用。異質(zhì)結是由兩種不同的材料構成的，在本例中是由GaAs和GaAlAs結合而成的。根據(jù)形成異質(zhì)結的兩種材料的導電類型， 異質(zhì)結又分反型異質(zhì)結與同型異質(zhì)結兩種。反型異質(zhì)結是由導電類型相反的兩種不同材料形成的，例如由N型GaAs與P型GaAlAs或P型GaAs與N型GaAlAs材料構成。前一種記為N-P GaAs-GaAlAs，后一種記為P-N GaAs-GaAlAs。同型異質(zhì)結是由導電類型相同的兩種不同材料形成的，例如由P-GaAs和P-GaAlAs或N-GaAs和N-GaAlAs構成， 它們各記為P-P GaAs-GaAlAs和N-N

18、 GaAs-GaAlAs。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.1.4 半導體激光器的特性半導體激光器的特性 1. 伏安特性伏安特性 半導體激光器通常在正向偏壓下工作。當接通電源后，激光器并不立即產(chǎn)生電流，而有一個導通電壓(一般在1V以下)。當外加電壓超過此電壓后，電流隨外加電壓而增大。在閾值(門限值)以上， 半導體激光器的伏安特性可用下式表示： sIReEUg(10.3) 式中，Eg為禁帶能量，取決于材料本征值，由Eg=hf決定。e為電子電荷。Rs為二極管串聯(lián)電阻。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖10.4所示為GaAlAs激光器的伏安特性曲線。通常要求在閾值附近電壓U2 V, Rs5 ，以

19、防燒壞管子。 圖 10.4 激光器伏安特性曲線 10050012U / VI / mA第10章 光發(fā)射機與光接收機 2. 激光器輸出光功率特性激光器輸出光功率特性 圖 10.5 激光器P-I特性 (a) LD的P-I曲線； (b) LD的P-I曲線扭折現(xiàn)象 輸出光功率自激輻射受激輻射閾值(a)10 mW光功率0100200(b)電流 / mA電流第10章 光發(fā)射機與光接收機 1) 微分量子效率d 激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，定義為微分量子效率，即 IPhfeeIhfPood/(10.4) 式中，Po/I就是P-I曲線的斜率。室溫下，GaAlAs激光器的d40%50%。 第10

20、章 光發(fā)射機與光接收機 2) 功率轉換效率p 激光器的輸出光功率與器件消耗電功率之比， 定義為功率轉換效率， 即 IVRIPeIERIPsogso22p/(10.5) 式中，Po是在電流I時的發(fā)射光功率。器件的功耗取決于串聯(lián)電阻和熱阻，它隨電流增加而增加。通常用于光通信的半導體激光器， 功率轉換效率約為5%10%。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 在光通信用半導體激光器中，對微分量子效率不要求過高，否則將產(chǎn)生自脈動現(xiàn)象和光反射噪聲。一般尾纖輸出的P-I曲線斜率P/I0.8 mW/10 mA較為適宜。P-I曲線無扭折。 有扭折則出現(xiàn)光的脈動現(xiàn)象。要求在閾值附近的熒光輸出功率盡量小(50W)才能保證

21、輸出光功率的消光比(10%)滿足要求。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.6 激光器的光場 LD515 3. 激光器的光場激光器的光場 激光器發(fā)射的光功率的光場典型情況如圖 10.6 所示。第10章 光發(fā)射機與光接收機 l 一個良好的激光器輸出的光功率分布如圖10.7 中的實線所示， 它只有一個光斑， 激射的是0階?；蚍Q為單橫模。l 一個具有 1 階模的情況如虛線所示，它具有兩個光斑。 l 自發(fā)輻射的光功率分布如點畫線所示。在光纖通信中，為了使光能的大部分耦合到光纖中去， 所以一般要求激光器激射單橫模。 激光器的發(fā)光面積是很小的， 約 120 m。 其發(fā)散角一般為515。 第10章 光發(fā)

22、射機與光接收機 圖 10.7 激光器的光功率空間分布 功率0階模自發(fā)輻射1階模10 m10 m0第10章 光發(fā)射機與光接收機 4. 激光器的光譜特性激光器的光譜特性 光源譜線寬度是衡量器件發(fā)光單色性的一個物理量。激光器發(fā)射光譜的寬度取決于激發(fā)的縱模數(shù)目。觀察半導體激光器的光譜， 可以看到激光器的光譜隨激勵電流而變化。當激勵電流低于閾值電流時，發(fā)出的是熒光，這時的光譜很寬。當電流增大到閾值時，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加， 這表明出現(xiàn)了激光。由此可知，光譜變窄，單色性加強是半導體激光器達到閾值時的一個特征。因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流。 短波長GaAlAs激光器的光譜特性如

23、圖10.8(a)所示。它只有一根譜線，稱為單縱模。有些激光器的譜線如圖10.8(b)所示， 它具有幾根譜線，稱為多縱模。 激光器的激射頻率會隨注入電流微量變動， 如圖 10.9 所示。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.8 GaAlAs LD的譜線 (a) 單縱模； (b) 多縱模 103 m103 m(a)(b)第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.9 激射頻率隨注入電流變動 180 mA173 mA170 mA164.5 mA0.8520 m0.8530 m第10章 光發(fā)射機與光接收機 5. 激光器的調(diào)制特性激光器的調(diào)制特性(瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性) 圖 10.10 激光器調(diào)制的頻率特性

24、 1000500012調(diào)制頻率 / MHz輸出 / mW第10章 光發(fā)射機與光接收機 (1) 張弛振蕩張弛振蕩。 典型激光器的脈沖調(diào)制特性如圖 10.11 所示。 圖 10.11 激光器脈沖調(diào)制狀態(tài)下的張弛振蕩 LD偏流LD光光偏流接近閾值時頻譜穩(wěn)定5103 m相對強度II第10章 光發(fā)射機與光接收機 (2) 自脈動現(xiàn)象自脈動現(xiàn)象。 自脈動現(xiàn)象不是所有激光管都有。在P-I曲線有明顯扭折的激光器中， 如圖10.12(a)所示，當注入電流達到某一值時(通常在P-I曲線發(fā)生扭折的區(qū)域內(nèi))， 輸出光脈沖呈現(xiàn)出如圖10.12(b)所示的持續(xù)的等幅振蕩，這種現(xiàn)象稱為激光器的自脈動現(xiàn)象。自脈動現(xiàn)象振蕩頻率很

25、高，約 600 MHz， 對輸出光脈沖起高頻干擾作用， 這是人們所不希望的現(xiàn)象。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.12 激光器的自脈動現(xiàn)象(a) 激光器P-I曲線的扭折現(xiàn)象；(b) 激光器的自脈動現(xiàn)象 Ith自脈動區(qū)(a)(b)第10章 光發(fā)射機與光接收機 (3) 張弛振蕩與自脈動現(xiàn)象同時存在張弛振蕩與自脈動現(xiàn)象同時存在。 當激光器受激輻射后，先出現(xiàn)一種張弛振蕩過程，緊接著發(fā)生自脈動現(xiàn)象，如圖10.13 所示，這種現(xiàn)象并不普遍，一旦發(fā)生會輻射出兩種波長的光。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.13 激光器的張弛振蕩、 自脈動現(xiàn)象 第10章 光發(fā)射機與光接收機 6. 激光器的溫度特

26、性激光器的溫度特性 半導體激光器閾值電流隨溫度增加而加大。尤其是工作于長波長波段的InGaAsP激光器，閾值電流對溫度更敏感。 半導體激光器輸出光功率閾值電流曲線受溫度變化影響見圖10.14和圖10.15。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.14 短波長LD溫度特性 501001500246810I / mAP / mW60 C40C0 C第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖10.15 長波長LD溫度特性 60 C40 C20 C806040200246810I / mAP / mW第10章 光發(fā)射機與光接收機 7. 激光器的壽命激光器的壽命 激光器的壽命可以用閾值電流的增值來估量。通常激光

27、器的閾值隨使用時間增長而增大。經(jīng)驗表明，激光器的閾值增大在50%內(nèi)， 能繼續(xù)工作， 當閾值增達 3 倍時，激光器將迅速損壞。 目前， 激光器的壽命尚是一個薄弱環(huán)節(jié)。 它對光纖通信系統(tǒng)的可靠性有決定性作用。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 半導體激光器最大的缺點是: 激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角較大(一般在幾度到20度之間)，所以在方向性、單色性和相干性等方面較差. 但隨著科學技術的迅速發(fā)展，半導體激光器的研究正向縱深方向推進，半導體激光器的性能在不斷地提高.目前半導體激光器的功率可以達到很高的水平，而且光束質(zhì)量也有了很大的提高.以半導體激光器為核心的半導體光電子技術在21世紀的信息社會中將

28、取得更大的進展，發(fā)揮更大的作用. 第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.1.5 分布反饋分布反饋 (DFB)激光器激光器 在長距離、大容量光纖通信系統(tǒng)中，需要線寬窄、高速調(diào)制(即動態(tài))下仍能在單縱模工作的半導體激光器動態(tài)單縱模半導體激光器。目前，最為成功和應用最為廣泛的激光器是一種稱為分布反饋(DFB)激光器的器件。這種器件在內(nèi)部有源層上蝕刻有一層皺紋層，形成光柵，利用光柵尖銳的波長選擇特性只允許一種特定的模式能夠傳輸，同時抑制了其它縱模， 形成了單模工作條件。DFB激光器結構及其光譜特性如圖10.16所示。圖中給出了一個內(nèi)部的結構示意圖及其光譜特性。蝕刻的光柵并不在真正的有源層，而在其上方。光

29、柵和諧振腔能夠支持僅有的一個公共諧振縱模， 其波長由布拉格定律決定， 即 Knd2第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖10.16 DFB激光器結構及其光譜特性(b)156515405040302010 / nm0相對強度光柵輸出有源層dPN(a)第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.1.6 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 1. 輸出光功率特性輸出光功率特性 發(fā)光二極管的輸出光功率P與電流I的關系曲線如圖 10.18 所示。當注入電流較小時，發(fā)光二極管的輸出功率曲線基本是線性的。所以LED廣泛用于模擬系統(tǒng)。 但電流太大時，由于PN結發(fā)熱而出現(xiàn)飽和狀態(tài)。其輸出特性雖比LD好， 但遠不是完全線性的。因此，當傳輸彩色

30、電視圖像信號時，其非線性失真問題必須考慮。為此，其驅動電路里應增加預失真補償網(wǎng)絡。由于非線性比較差，因此不能在大容量的頻分多路通信中使用。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 LEDILED(a)(b)圖10.17 發(fā)光二極管的光場（a）面發(fā)光管；（b）邊發(fā)光管第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.18 LED輸出光功率與電流的關系曲線 5100100200300400500I / mAP / mW面發(fā)光管邊發(fā)光管第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.19 LED的輻射光譜 / m400104 m00.51光強 / m第10章 光發(fā)射機與光接收機 2. 光譜特性光譜特性 LED的光譜特性如圖 1

31、0.19 所示。 LED的輻射光譜比LD寬很多，如長波長譜寬可達 100 nm， 短波長LED也有數(shù)十納米。由于光譜寬，光纖材料色散會引起較大的光脈沖展寬， 限制了傳輸速率和距離。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 3. 調(diào)制特性調(diào)制特性 發(fā)光二極管的調(diào)制特性如圖 10.20 所示。一般LED的最高調(diào)制頻率為2060 MHz。隨驅動電流不同，調(diào)制速率也有所改變，一般在電流密度大時調(diào)制速率較高。改進的LED調(diào)制速率可達 1 GHz。 4. 溫度特性溫度特性 溫度對發(fā)光二極管的光功率影響比半導體激光器要小。例如，邊發(fā)射的短波長管和長波長管，在溫度由20 上升至70 時，發(fā)射功率分別下降為1/2和1/1

32、.7(在電流一定時)。因此， 對溫控的要求不像激光器那樣嚴格。其溫度特性參見圖10.21 及圖 10.22。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 注入電流密度0.3 kA/cm20.6 kA/cm21.8 kA/cm21.4 kA/cm230010010254321調(diào)制頻率/ MHz輸出/ dB圖 10.20 發(fā)光二極管的調(diào)制特性第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.21 短波長LED 10020030000.20.40.60.81.01.270 C60 C50 C40 C30 C20 C10 CI / mAP / mW0.85 m第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.22 長波長LED 300

33、20010000.20.40.60.81.0I / mAP / mW1.23 m0C10C20C30C40C50C60C70C第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.1.7 半導體光源與光纖的耦合半導體光源與光纖的耦合 在光發(fā)射機中，如何減少半導體光源與光纖耦合的損耗， 從而提高耦合效率是一個重要的課題。最簡單的耦合方式是直接耦合，即光源與光纖對接。在半導體光源與小數(shù)值孔徑的光纖對接時，可用下列經(jīng)驗公式粗略估算耦合效率: /2c120)NA(10.6) 式中，c為耦合效率，NA為光纖的數(shù)值孔徑，和分別為光源的垂直光束發(fā)散角和水平光束發(fā)散角。第10章 光發(fā)射機與光接收機 對于面發(fā)光二極管，=120，

34、則式(10.6)可簡化為 2c)NA(10.7) 對于邊發(fā)光二極管，=120，則式(10.6)可簡化為 120)NA(2c(10.8) 圖 10.23 畫出了發(fā)光二極管和光纖的幾種耦合方法。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.23 LED與光纖的耦合方法 (a)(b)(c)(d)(e)第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.24 半導體激光器與光纖的耦合方法(a) 直接耦合； (b) 球端光纖耦合； (c) 光纖透鏡耦合； (d) 自聚焦光纖透鏡耦合 光纖激光器激光器光纖激光器激光器光纖透鏡光纖自聚焦光纖透鏡光纖(b)(d)(a)(c)第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.2 光發(fā)射機光發(fā)

35、射機 10.2.1 光發(fā)射機的基本組成及要求光發(fā)射機的基本組成及要求 在光纖通信系統(tǒng)中，必須將電信號經(jīng)過發(fā)射機變換為光信號耦合進光纖才能傳輸?shù)浇邮斩恕Ｒ虼?，光發(fā)射機是系統(tǒng)的重要組成部分。 光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中的光發(fā)射機組成框圖如圖 10.25 所示。第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.25 數(shù)字光發(fā)射機的組成 電端機接口擾碼線路編碼驅動電路光源控制電路PCM光發(fā)射機連接器光纖第10章 光發(fā)射機與光接收機 對光發(fā)射機的要求主要的有以下四項指標。 (1) 輸出光功率及其穩(wěn)定性。發(fā)射機的輸出光功率， 實際上是從其尾光纖的出射端測得的光功率，因此應稱為出纖光功率。 光功率的單位為W或mW。在工程用相

36、對值表示， 即相對于1 mW光功率的分貝數(shù)(1 mW光功率定義為0 dB)，即： dBm)mW( 1)mW(lg10TPP (10.9) 發(fā)射機輸出光功率的大小，直接影響系統(tǒng)的中繼距離，是進行光纖通信系統(tǒng)設計時不可缺少的一個原始數(shù)據(jù)。輸出光功率的穩(wěn)定性要求是指當環(huán)境溫度變化或器件老化過程中，輸出光功率要保持恒定， 例如穩(wěn)定度為5%10%。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 (2) 消光比EXT。 消光比是指發(fā)全“0”碼時的輸出光功率P0和發(fā)全“1”碼時的輸出光功率P1之比，即 10 10PPEXT時平均功率全時平均功率全(10.10) 消光比的大小有兩種意義：一是反映光發(fā)射機的調(diào)制狀態(tài)，消光比值太

37、大，表明光發(fā)射機調(diào)制不完善， 電光轉換效率低； 二是影響接收機的接收靈敏度。 一部性能完好的數(shù)字光發(fā)射機， 其消光比的值應為EXT1 10。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 (3) 光脈沖的上升時間tr, 下降時間tf以及開通延遲時間td。這些時間都是為了使光脈沖成為輸入數(shù)字信號的準確重現(xiàn)， 即有相適應的響應速度。 (4) 無張弛振蕩。若加的電信號脈沖速率較高，則輸出光脈沖可能引起張弛振蕩，這時必須加以阻尼，以使發(fā)射機能正常工作。 此外，還有電路難易、電源功耗、成本等指標。要達到較理想的指標，就必須適當選擇光源器件和驅動電路。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.2.2 光發(fā)射機的光調(diào)制技術光發(fā)

38、射機的光調(diào)制技術 1. 光源調(diào)制方式光源調(diào)制方式 根據(jù)調(diào)制與光源的關系，光調(diào)制可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制兩大類。 直接調(diào)制方法僅適用于半導體光源(LD和LED)，這種方法是把要傳送的信息轉變?yōu)殡娏餍盘栕⑷隠D或LED，從而獲得相應的光信號，所以采用電源調(diào)制方法。直接調(diào)制后的光波電場振幅的平方與調(diào)制信號成一定比例關系，是一種光強度調(diào)制(IM)的方法。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 間接調(diào)制是利用晶體的電光效應、磁光效應、聲光效應等性質(zhì)來實現(xiàn)對激光幅射的調(diào)制，這種調(diào)制方式既適應于半導體激光器，也適應于其它類型的激光器。間接調(diào)制最常用的是外調(diào)制的方法，即在激光形成以后加載調(diào)制信號。其具體方法是在激光器

39、諧振腔外的光路上放置調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制電壓，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應的變化，當激光通過它時，得到調(diào)制。對某些類型的激光器，間接調(diào)制也可以采用內(nèi)調(diào)制的方法，即在激光器的諧振腔內(nèi)放置調(diào)制元件，用調(diào)制信號控制調(diào)制元件的物理性質(zhì)，將改變諧振腔的參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)其調(diào)制。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 表表 10.3 光源的各種調(diào)制方法光源的各種調(diào)制方法 第10章 光發(fā)射機與光接收機 2. 光源直接調(diào)制原理光源直接調(diào)制原理 直接調(diào)制技術具有簡單、經(jīng)濟、 容易實現(xiàn)等優(yōu)點，是光纖通信中最常采用的調(diào)制方式，但只適用于半導體激光器和發(fā)光二極管， 這是因為發(fā)光二極管和半導體激光器的輸出光

40、功率(對激光器來說，是指閾值以上線性部分)基本上與注入電流成正比，而且電流的變化轉換為光頻調(diào)制也呈線性，所以可以通過改變注入電流來實現(xiàn)光強度調(diào)制。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 從調(diào)制信號的形式來說，光調(diào)制又可分為模擬信號調(diào)制和數(shù)字信號調(diào)制。模擬信號調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(如話音、 電視等信號)對光源進行調(diào)制，圖 10.26(a)就是對發(fā)光二極管進行模擬調(diào)制的原理圖。如圖所示，連續(xù)的模擬信號電流疊加在直流偏置電流上，適當?shù)剡x擇直流偏置電流的大小，可以減小光信號的非線性失真。模擬調(diào)制電路，應是電流放大電路， 圖 10.26(b)所示為一個最簡單的模擬調(diào)制電路圖。 第10章 光發(fā)射機與光接收機

41、 圖 10.26 發(fā)光二極管的模擬調(diào)制 (a) 模擬調(diào)制原理； (b) 簡單的模擬調(diào)制電路 PIBLED(a)(b)OI第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.27 數(shù)字調(diào)制原理(a) LED數(shù)字調(diào)制原理； (b) LD數(shù)字調(diào)制原理 POI(a)POIBIIm(b)第10章 光發(fā)射機與光接收機 1) LED的數(shù)字調(diào)制和驅動 從圖10.27中可以看到，在LED上要加以小的直流正向偏置(01mA)，其目的是提高LED的響應速度。至于調(diào)制電流的幅度Im, 應根據(jù)LED的P-I特性來選擇，既要保證有足夠的輸出光脈沖的幅度， 又要考慮LED對電流的承受能力。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 2) LD的數(shù)

42、字調(diào)制和驅動 由于LD是閾值器件，必須在LD上加稍低于閾值電流Ith的偏置電流IB，再疊加調(diào)制電流Im，如圖10.27所示。 偏置電流的大小直接影響激光器的高速調(diào)制性質(zhì)，要兼顧到電光延遲、張弛振蕩、碼型效應、結發(fā)熱效應、激光器的消光比、散粒噪聲等各方面情況。一般偏置電流IB取(0.71.0)Ith。調(diào)制電流Im幅度的選擇，應根據(jù)LD的P-I特性曲線，既要保證有足夠的輸出光脈沖的幅度，又要考慮光源的負擔，還要考慮選擇光源的線性區(qū)域。 對激光器進行高速脈沖調(diào)制時，調(diào)制電路既要有快的開關速度，又要保持有良好的電流脈沖波形，此外，光源本身的響應速度也要快。數(shù)字調(diào)制電路應是電流開關電路，最常用的是差分電

43、流開關。目前，直接強度調(diào)制速率可以達到10 Gb/s。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.2.3 光發(fā)射機的控制電路光發(fā)射機的控制電路 1) 自動溫度控制(ATC) 溫度控制采用微型致冷器、 熱敏元件以及控制電路，方框圖如圖 10.28 所示。熱敏元件監(jiān)測激光器的結溫，與設定的基準溫度比較、 放大后，驅動致冷器的控制電路改變致冷量，從而保持激光器在恒定的溫度下工作。 目前，微型致冷器多采用半導體致冷器，它是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的。所謂珀爾帖效應，是指當直流電流通過兩種半導體(P型和N型)組成的電偶時，可以使一端吸熱而另一端放熱的現(xiàn)象。一對電偶的致冷量是很小的，根據(jù)用途的不同，可將若

44、干對電偶串聯(lián)或并聯(lián)，組成溫差電功能器件。其中，微型半導體致冷器的控制溫差可以達到 3040。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 為提高致冷效率和控制精度，激光器的溫度控制常采用內(nèi)制冷的方式。 即將致冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內(nèi)部， 熱敏電阻直接探測結區(qū)溫度， 致冷器直接和激光器的熱沉接觸。 這種方式可以控制激光器的結溫在0.5的范圍之內(nèi)，從而使激光器有較恒定的輸出光功率和發(fā)射波長。但是，溫度控制方式不能控制由于激光器老化而產(chǎn)生的輸出功率的變化。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.28 溫度控制電路方框圖 激光器致冷器熱敏電阻控制電路熱導第10章 光發(fā)射機與光接收機 2) 自動功率控制(A

45、PC) 要精確控制激光器的輸出功率，應從兩方面著手：一方面要控制激光器的偏置電流，使其自動跟蹤閾值的變化，從而使激光器總是偏置在最佳的工作狀態(tài)； 另一方面要控制激光器調(diào)制脈沖電流的幅度，使其自動跟蹤微分量子效率的變化， 從而保持輸出光脈沖信號的幅度恒定。 自動功率控制方法有兩種：一是通過光反饋來自動調(diào)整偏置電流的自動偏置控制法；二是峰值功率/平均功率控制法。 第二種方法不僅可以自動控制偏置電流，還可以控制調(diào)制電流的幅度， 因此對LD輸出光功率有很好的穩(wěn)定作用。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.3 光光 電電 檢檢 測測 器器 10.3.1 半導體光電檢測器的機理半導體光電檢測器的機理 1.

46、 半導體的光電效應半導體的光電效應 當材料受到光的照射時，發(fā)射出電子的現(xiàn)象，稱為材料的光電效應。 半導體的光電效應主要包括使半導體內(nèi)的電子激發(fā)到真空中的光電子發(fā)射和將半導體內(nèi)被束縛的載流子激發(fā)為自由載流子的內(nèi)光電效應。 前者用來制作真空光電倍增管的光陰極，而后者則是諸如光電二極管等半導體光電檢測器件的基礎。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.29 所示為P-N結的光電效應。 圖 10.29 P-N結的光電效應 P擴散區(qū)自建電場擴散區(qū)N耗盡區(qū)吸收區(qū)禁帶價帶導帶光子第10章 光發(fā)射機與光接收機 2. 光電二極管光電二極管 用作光電檢測的P-N結常用工作方式是通過外電路對P-N結加反向偏壓，如

47、圖 10.30 所示。在這種狀態(tài)下工作的P-N結器件稱為光電二極管(PD)。當外電路接通時，就會有光生電流Is流過負載。入射到P-N結的光越強，光生電動勢就越大。 如果將被調(diào)制的光信號照射到該連接了外電路的光電二極管的P-N結上， 它就將被調(diào)制的光信號還原成帶有原信息的電信號。 這種光電二極管由于響應速度低， 不適用于光纖通信系統(tǒng)。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.30 光電二極管的工作原理 PNIs負載擴散區(qū)吸收區(qū)耗盡區(qū)E電場入射光第10章 光發(fā)射機與光接收機 3. PIN光電二極管光電二極管半導體PIN光電二極管示意圖如圖 10.31 所示。 圖 10.31 PIN二極管工作原理

48、PIN入射光Is負載電場 E擴散區(qū)耗盡區(qū)吸收區(qū)第10章 光發(fā)射機與光接收機 4. 雪崩光電二極管雪崩光電二極管 圖 10.32 所示為APD的工作原理示意圖。 圖 10.32 APD工作原理示意圖 NPP負載入射光電場 E雪崩區(qū)耗盡區(qū)漂移區(qū)第10章 光發(fā)射機與光接收機 10.3.2 半導體光電檢測器的特性及參數(shù)半導體光電檢測器的特性及參數(shù) 1. PIN光電二極管的特性及參數(shù)光電二極管的特性及參數(shù) 1) 截止波長c 對任何一種材料制作的光電二極管，只可用在某個波長范圍內(nèi)。 這是因為光電效應必須發(fā)生在 gEhfE的條件下。其中, E是光子能量，Eg是半導體材料的禁帶寬度。 可見，頻率f Eg/h的

49、光子不能使半導體的電子由價帶躍遷到禁帶， 因而不能產(chǎn)生光電效應。 (10.11) 第10章 光發(fā)射機與光接收機 能量與Eg相對應的光子頻率稱為截止頻率，相應的波長稱為截止波長。 因此, 可求出 )eV(24. 1)m(ggccEEhchEfg(10.12) (10.13) 截止波長是光電二極管工作波長的上限，只有c的光才能使光電二極管產(chǎn)生光電效應。對Si材料制作的光電二極管， c1.06 m， 對于Ge材料制作的光電二極管，c 1.6 m。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 2) 響應度和量子效率 ; 工程上常用響應度和量子效率來衡量光電轉換效率。光電轉換效率。 (1) 當光照射PIN器件時，單位

50、入射光功率所產(chǎn)生的光電流， 稱為PIN光電二極管的響應度?？杀硎緸?odpooPIIR(10.14) 式中，Ro為PIN光電二極管的響應度，Po為入射光功率，Ipo為產(chǎn)生的光電流，Id為暗電流。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 (2) 每一個光子入射到PIN器件所產(chǎn)生的電子數(shù)，稱為PIN器件的量子效率。它是響應度的另一種表達方式， 即 oodpo/ )(RehfhcPeII(10.15) 式中，e為電子電荷(=1.60210- 1 9C), h為普朗克常數(shù)(=6.62610-3 Js),f為光頻(單位為Hz), c為光速(=3108 m/s)， 為光波長(單位為m)。 第10章 光發(fā)射機與光接收

51、機 上式可簡化為 805. 0eohcR(10.16) 響應度是工作波長的函數(shù)。存在一個效率最高的波長，稱為峰值波長。 Si =0.85 m時，Ro=0.65 A/W ;Ge =1.3 m時， Ro =0.45 A/W ;InGaAs =1.3 m時， Ro=0.6 A/W 第10章 光發(fā)射機與光接收機 3) 暗電流 光電二極管的另一個重要參數(shù)是它的暗電流。 暗電流是指無光照時光電二極管的反向電流。Si材料制作的PIN光電二極管暗電流可小于1 nA(10-9 A)，但Ge光電二極管的暗電流經(jīng)常達到幾百納安。因此，長波長、 暗電流較小的InGaAs光電二極管得到迅速發(fā)展。 PIN器件的暗電流Id

52、是構成器件本身噪聲的主要來源。PIN管的噪聲包括量子噪聲和暗電流噪聲。量子噪聲是由于光子激出的電子數(shù)是隨機的，因而產(chǎn)生泊松分布的量子噪聲。量子噪聲很小，通?？梢院雎浴０惦娏髟肼晻绊懡邮諜C性能。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 4) 響應速度(響應時間) 響應速度常用響應時間(上升時間和下降時間)來表示。 它是指二極管的電流隨入射光變化的速度， 當光強受高速調(diào)制時， 時間響應是一項重要指標。限制光電管時間響應的因素有三個，即結電容的影響、 耗盡區(qū)中光生載流子渡越時間的影響和光生載流子在N區(qū)和P區(qū)的擴散時間影響。 PIN管的典型參數(shù)如表 10.4 所示。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 表表 10.

53、4 PIN管的典型參數(shù)管的典型參數(shù) 第10章 光發(fā)射機與光接收機 2. 雪崩光電二極管雪崩光電二極管APD的特性和參數(shù)的特性和參數(shù) 1) 倍增因子 光電倍增因子的定義是，倍增的光電流與低偏壓下未發(fā)生倍增的光電流之比。實際上是電流增益系數(shù)，可用米勒方程表示為 nBdpmdUIRUIIIIG11(10.17) 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.33 APD倍增因子與偏壓關系 100200300400偏壓 u/ V1251020502005001000倍增因子0.825 mC0C23C43C67動態(tài)范圍第10章 光發(fā)射機與光接收機 由式(10.17)可知，當U趨近于UB時，并且忽略暗電流，可以

54、求出APD的最大倍增因子為 RnIUGpBmax(10.18) 由上式可知，最大倍增因子G與IpR的平方根成反比，與UB的平方根成正比。要獲得較大的G值，除必須減小Ip和R值(R包括負載電阻和器件本身的內(nèi)阻)外，還要有較大的擊穿電壓UB。目前，Si-APD比較容易達到上述要求，其G值可達200 以上，但一般只用到80 左右； Ge-APD和InGaAs-APD的G值一般在 30 以下， 實際應用在 1020 之間。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 2) 暗電流 APD的暗電流有Id(初期暗電流)和Imd(倍增后的暗電流)之分，同時又有表面漏電流和體內(nèi)電流之分。表面漏電流不參加APD的倍增，但體內(nèi)

55、暗電流通過倍增而放大，是APD的噪聲源之一。暗電流是按電壓U=UB時測量的，Ge-APD的暗電流最大，達1 A，這是其主要缺點。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 3) 倍增噪聲和過剩(附加)噪聲指數(shù) 對于PIN管而言，其噪聲源主要是“散粒噪聲”。對于APD而言，其雪崩過程中會對初始電流的“散粒噪聲”產(chǎn)生倍增作用，因此，稱為雪崩倍增噪聲。由于雪崩是半導體內(nèi)電子空穴對的多次反復撞擊產(chǎn)生的，在雪崩過程中，每一電子空穴對的電子空穴碰撞的電離是不相同的， 是隨機的。 這種隨機的電流起伏增加了倍增過程中產(chǎn)生的附加噪聲成分。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 由實驗可得，APD做光檢測器時，信號功率是按2的比例增

56、加的，這里G為倍增因子的平均值； 而倍增噪聲是按G2F(G)的比例增加的，其中F(G)為過剩噪聲系數(shù)。F(G) 與G的關系如圖 10.34 所示。圖中，k為電子和空穴的離化率之比，視APD的制作材料而異，如Si-APD的k值為0.020.03。當G值不太大時，過剩噪聲系數(shù)F(G)可近似表示為 ) 10()(xGGFxx稱為倍增過剩噪聲指數(shù)，是APD的一個重要參數(shù)， 在理論計算接收機靈敏度時要用此參數(shù)。x值與制造器件的材料和工藝等因素有關。Si-APD的x值為0.20.5，Ge-APD的x值為 0.81, InGaAs-APD的x值為 0.60.8。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.34

57、 與F（G）的關系10210110 GF(G)k0.05k0.01k0.005第10章 光發(fā)射機與光接收機 4) 溫度特性 環(huán)境溫度的變化對APD的特性有很大的影響，尤其對倍增因子和暗電流更為嚴重。溫度對倍增因子的影響是因為APD的擊穿電壓UB對溫度變化十分敏感，這致使APD的工作不穩(wěn)定。 一般APD的反向工作點靠近(略小于) UB ，如果U不變而UB變化， 將引起G值很大變化，甚至會使器件超出正常的使用范圍。 另外，由于半導體內(nèi)的電子和空穴的電離碰撞能力(離化率)是隨溫度升高而降低的，故倍增因子G隨溫度上升而減小。因此， 為了使APD穩(wěn)定工作，在使用時必須采用工作點溫度補償?shù)瓤刂拼胧?第1

58、0章 光發(fā)射機與光接收機 5) 響應速度(響應時間) APD的響應速度主要由光電轉換時間和結電容以及外部電路參數(shù)來決定。其中，光電轉換時間主要決定于初始光生載流子運動到達雪崩區(qū)和倍增后的載流子運動到器件的電極的時間。 為了提高響應速度，應盡量減小APD的結電容。 APD的結電容一般在工作電壓范圍內(nèi)不隨電壓變化。例如, APD的區(qū)厚度為 40 m，則電容將為 0.3 pF。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 表表 10.5 APD的典型參數(shù)的典型參數(shù) 第10章 光發(fā)射機與光接收機 表表 10.6 長波長光電檢測器接收性能長波長光電檢測器接收性能(靈敏度靈敏度dBm) 第10章 光發(fā)射機與光接收機 1

59、0.3.3 光電檢測器與光纖的耦合光電檢測器與光纖的耦合 在光纖通信系統(tǒng)中使用的光電檢測器件PIN和APD，由于它們的光敏面積比較大(PIN管光敏面的直徑約為12 mm; APD管光敏面的直徑約為 150300 m)， 因此它們和光纖之間的低損耗耦合是比較容易實現(xiàn)的。從光纖的平端出射的光， 其出射角也是由光纖的數(shù)值孔徑?jīng)Q定的， 如圖 10.35 所示，=1/sin(n21- n22)。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.35 接收元件和光纖的出射位置的關系 接收元件光敏面第10章 光發(fā)射機與光接收機 在一般光纖通信中，所用光纖(NA=0.14)的=8，只要光纖端面和光敏面靠得足夠近，光纖

60、端面平整垂直，光纖和接收器中間一般不加任何光學系統(tǒng)就可以使耦合效率達到85%以上。 在光纖和光敏面之間加上合適的匹配粘著劑，使耦合效率還可再提高一些。 光纖和接收器之間的具體連接裝置如圖 10.36 所示，固定連接時要進行調(diào)節(jié)對準，它比光源和光纖之間的耦合容易實現(xiàn)。 另外，也可以利用光纖與光纖耦合的活動連接器來實現(xiàn)光纖與接收器的耦合，只要把結構稍加改動即可。 在連接裝置上， 一邊裝上光纖，而在另一邊不裝光纖而裝一個PIN或APD管芯使它的位置精確調(diào)節(jié)到中心，引出適當?shù)碾姌O，這樣就成為一個可拆卸的光纖與接收器的耦合接頭， 更換接收器件也很方便。 第10章 光發(fā)射機與光接收機 圖 10.36 光纖