第三章光器件

1、光纖通信第三章 光器件通信用光器件：光有源器件：需要外加能源驅(qū)動工作的光器件。光無源器件：不需要外加能源驅(qū)動工作的光器件。功能：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各組成間信道的互通、分路 /和路、復(fù)用 /解復(fù)用、光路轉(zhuǎn)接、波長 /頻率選擇、功率控制、噪聲濾除、反向隔離、偏振選擇控制等。第三章 光器件光有源器件：光放大器： 摻鉺光纖放大器（ EDFA）光源： 半導(dǎo)體激光器（ LD）分布反饋（ DFB）激光器發(fā)光二極管（ LED）光檢測器： 光電二極管 （ PD）PIN光電二極管雪崩光電二極管（ APD）第三章 光器件光無源器件：光纖連接器和接頭光耦合器光隔離器與光環(huán)行器光調(diào)制器光波分復(fù)用器 /解復(fù)用器光開關(guān)第三章 光器件

2、本章內(nèi)容：3.1 光電器件一般工作原理3.2 發(fā)光二極管3.3 半導(dǎo)體激光器3.4 光電二極管3.5 光無源器件3.1 光電器件一般工作原理半導(dǎo)體光源和光檢測器優(yōu)點(diǎn)：體積小效率高可靠性高工作波長與光纖低損耗窗口相對應(yīng)便于光纖耦合調(diào)制速率高半導(dǎo)體光源 ：在注入電流作用下，電子從低能級躍遷到高能態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，電子再從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)產(chǎn)生光子而發(fā)光。半導(dǎo)體光檢測器 ：注入光作用下，電子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，并在外加電場作用下形成光生電流。3.1.1 光發(fā)射與光吸收能級理論：原子由原子核和核外沿固定軌道旋轉(zhuǎn)的電子組成；電子在特定的能級中運(yùn)動，并通過與外界交換能量發(fā)生能級躍遷；能級所對應(yīng)的能量值

3、是離散的。能帶理論 針對半導(dǎo)體材料價帶導(dǎo)帶處于高能態(tài)（導(dǎo)帶）電子不穩(wěn)定，向低能態(tài)（價帶）躍遷，而能量以光子形式釋放出來，發(fā)射光子的能量h等于導(dǎo)帶價帶能量差，即hE c -E v E g 。發(fā)光過程：3.1.1 光發(fā)射與光吸收自發(fā)發(fā)射 ：處于高能態(tài)的電子按照一定的概率自發(fā)地躍遷到低能態(tài)上，并發(fā)射一個能量為 E2- E1 的光子；受激發(fā)射 ：處在高能態(tài)的電子在外界光場的感應(yīng)下，發(fā)射一個和感應(yīng)光子一模一樣的光子，躍遷到低能態(tài)。自發(fā)發(fā)射光子隨機(jī)地向各個方向發(fā)射，每次發(fā)射沒有確定的相位關(guān)系 非相干光。LED通過自發(fā)發(fā)射過程發(fā)光。受激發(fā)射光子的發(fā)射方向、相位、頻率都與激發(fā)它們的光子相同 相 干 光 。LD

4、通過受激發(fā)射過程發(fā)光。3.1.1 光發(fā)射與光吸收光吸收： 處于低能態(tài)電子，如果受到外來光的照射，當(dāng)光子能量等于或大于禁帶能量時，光子將被吸收而使電子躍遷到高能態(tài)。光吸收過程：3.1.1 光發(fā)射與光吸收受激吸收：如果入射光子的能量h 近 似 等 于 E 2 - E 1 ， 光 子 能 量 就會被吸收，同時基態(tài)上的電子躍遷到高能態(tài)。半導(dǎo)體光檢測器基于這種效應(yīng)。自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收三種過程是同時存在的。3.1.1 光發(fā)射與光吸收考 慮 兩 能 級 原 子 系 統(tǒng) 。 在 單 位 物 質(zhì) 中 ， 處 于 低 能 級 E1和 高能 級 E2的 原 子 數(shù) 分 別 為 N1和 N2。 系 統(tǒng) 處

5、于 熱 平 衡 狀 態(tài) 時 ，服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布：（ T為 熱 力 學(xué) 溫 度 ， 玻 爾 茲 曼 常數(shù) k=1.381 10-23 J/K ）)N 2N 1E gkTh kT= exp( ) = exp( 3.1.1 光發(fā)射與光吸收N1 N2 ：在熱平衡狀態(tài)下，自發(fā)發(fā)射居支配地位，不能發(fā)射相干光。N2 N1 ：受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，產(chǎn)生放大作用。這種分布和正常狀態(tài) 的分布相反，稱為 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 。3.1.1 光發(fā)射與光吸收半導(dǎo)體的能帶：半導(dǎo)體材料的的能級結(jié)構(gòu)不是分離的能級，而是有一定寬度的帶狀結(jié)構(gòu)。價帶（能量較低）導(dǎo)帶（能量較高）禁帶（ Efc 和 Efc 為費(fèi)密能級）

6、要使受激輻射大于吸收，達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，要求 fc(E2) fv(E1)，即3.1.1 光發(fā)射與光吸收電子在導(dǎo)帶和價帶的占居幾率由費(fèi)密 狄拉克分布給出：11 + exp( E 2 E fc ) kT 11 + exp( E1 E fv ) kT f v ( E1 ) =E fc E fv E2 E1 E g3.1.2 PN結(jié)半導(dǎo)體光源的核心是 PN結(jié)，將 P型和 N型半導(dǎo)體相接觸形成 PN結(jié)。N型半導(dǎo)體中過剩電子占據(jù)了本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶。P型半導(dǎo)體中過?？昭ㄕ紦?jù)了價帶。1. PN 結(jié)的形成：(c) 兼并型 P 型半導(dǎo)體(a) 本征半導(dǎo)體(b) 兼并型 N 型半導(dǎo)體3.1.2 PN結(jié)費(fèi)密能級： （

7、熱平衡狀態(tài)下 ）本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級位于帶隙中間；N 型摻雜將使費(fèi)米能級向?qū)б苿樱?P 型摻雜使費(fèi)米能級向價帶移動；對于重?fù)诫s N 型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶內(nèi) 兼并型N 型半導(dǎo)體；對 于 重 摻 雜 P 型 ， 費(fèi) 米 能 級 位 于 價 帶 內(nèi) 兼 并 型 P 型半導(dǎo)體；3.1.2 PN結(jié)雙兼并型半導(dǎo)體：非熱平衡狀態(tài)時，在 Efc 和 Efv 之間形成了一個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)域。如果入射光波能量滿足：則經(jīng)過雙兼并型半導(dǎo)體時將得到放大。(d) 雙兼并型半導(dǎo)體E g h E fc E fv最后，漂移完全抵消了擴(kuò)散，達(dá)到平衡。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體形成PN結(jié)時，載流子（電子、空穴）的濃度（密度）差引起擴(kuò)

8、散運(yùn)動；漂移運(yùn)動的方向與擴(kuò)散運(yùn)動相反；為了維持電子空穴的復(fù)合，在 PN 結(jié)上加 正向電壓 ，打破原有平衡；3.1.2 PN結(jié)正向偏壓： P 區(qū)空穴不斷流向 N 區(qū) ， N 區(qū) 電 子 流 向 P 區(qū) ， 通過復(fù)合發(fā)光。自發(fā)發(fā)射復(fù)合 LED受激發(fā)射復(fù)合 LD反向偏壓： 區(qū)域內(nèi)電子和空穴都很少，形成高阻區(qū)。3.1.2 PN結(jié)(b) 兼并型 N 型半導(dǎo)體(c) 兼并型 P 型半導(dǎo)體一個熱平衡系統(tǒng)只能有一個費(fèi)米能級。3.1.2 PN結(jié)2. PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)3.1.2 PN結(jié)處于熱平衡狀態(tài)時， PN結(jié)兩側(cè)的費(fèi)米能級相等。如果 N區(qū)的能級位置保持不變，則 P區(qū)的能級應(yīng)該提高。P區(qū)N區(qū)3.1.2 PN結(jié)當(dāng)正

9、向電壓加大到某一值后， PN結(jié)里出現(xiàn)了增益區(qū)（有源區(qū)）。在 Efc 和 Efv之間價帶主要由空穴占據(jù)，導(dǎo)帶主要由電子占據(jù)，即實(shí)現(xiàn)了 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 。(d) 雙兼并型半導(dǎo)體3.1.2 PN結(jié)同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)： PN 結(jié)的兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料。雙異質(zhì)結(jié)：在寬帶隙的 P型和 N型半導(dǎo)體材料之間插進(jìn)一薄層窄帶隙的材料 。對比：3.1.2 PN結(jié)同質(zhì)結(jié)： 有源區(qū)對載流子和光子的限制作用很弱；異質(zhì)結(jié)：帶隙差形成的勢壘將電子和空穴限制在有源區(qū)復(fù)合發(fā)光；折射率使光場（光子）有效地限制在有源區(qū)。3.1.2 PN結(jié)3.2 發(fā)光二極管LED 適用范圍：低速率、短距離光波系統(tǒng)。LED優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單。成本低。壽命

10、長?？煽啃愿摺ｋS溫度變化較小。發(fā)光二極管通過自發(fā)發(fā)射過程發(fā)射非相干光。缺點(diǎn)輸出功率低。輸出光束發(fā)散角較大，耦合效率低。光源譜線較寬。響應(yīng)速度較慢。3.2 發(fā)光二極管發(fā)散角大。效率低。調(diào)制帶寬較窄。3.2.1 LED結(jié)構(gòu)面發(fā)光 LED： 從平行于結(jié)平面的表面發(fā)光。SLED光束呈朗伯分布：P = P0 cos SLED特點(diǎn)：工藝簡單。P0為提高面發(fā)光 LED與光纖的耦合效率：在井中放置一個截球透鏡；或者將光纖末端形成球透鏡。3.2.1 LED結(jié)構(gòu)邊發(fā)光 LED： 從結(jié)區(qū)的邊緣發(fā)光。ELED特點(diǎn)：發(fā)散角、耦合效率和調(diào)制帶寬均比面發(fā)光LED有改善。3.2.1 LED結(jié)構(gòu)3.2.2 LED工作特性P-I

11、特性LED 內(nèi)產(chǎn)生的光功率：Pint = int ( I q ) h = int ( h q ) IPe = ext Pint = ext int ( h q ) ILED 的發(fā)射功率為：功率的份額。定義外量子效率 ext ： LED 的逸出功率占內(nèi)部產(chǎn)生由于內(nèi)部吸收、空氣半導(dǎo)體界面的反射，只有在圓錐角內(nèi)發(fā)射時，光功率才能從 LED 表面逸出，外量子效率通常很?。ò俜种畮祝?。用雙異質(zhì)結(jié)制作 LED 可以降低內(nèi)部吸收。3.2.2 LED工作特性P-I特性= = 0.014n ( n + 1) 3.5 (3.5 + 1) 21 12 ext內(nèi)部產(chǎn)生的功率只有一小部分可從 LED 發(fā)射出來。將 LE

12、D發(fā)射的光耦合進(jìn)光纖時，功率還將進(jìn)一步減小其減小程度取決于與光纖的耦合系數(shù) c ： c = ( N A ) 2例如： NA = 0.3 時， c = (0.3) 2 = 0.09LED 的輸出功率為 100 w 量級。3.2.2 LED工作特性P-I特性設(shè)材料折射率 n =3.5， 則：LED 輸出功率注入電流特性 (P I 曲線 )光功率隨注入電流增大而增大。輸出功率隨溫度升高而減小。功率飽和效應(yīng)。3.2.2 LED工作特性P-I特性c h2(1.3 )m3.2.2 LED工作特性光譜特性光譜半極大值全寬 (FWHM)：右圖： = 1.3 m, T = 280 K2 = 1.8kT = 1.

13、8 (1.38 1023 J K ) 280K 60nmc h對于一個典型 1.3 m LED， 其譜寬為 5060nm；LED的比特率距離積 BL不高。LED主要用于短途、低速率的本地網(wǎng)。3.2.2 LED工作特性光譜特性3.2.2 LED工作特性調(diào)制特性頻率特性：發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為：P ( f )P (0)11 + (2 f e )2H ( f ) =發(fā)光二極管的 截止頻率 ：最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。 f c = 1 ( 2 e )2兩調(diào)制頻率間的寬度。2 1 223dB 光帶寬是3dB 電帶寬的 3 倍。( f3dB )o = 3( f3dB )e激光二極管 LD通過受激

14、輻射發(fā)光；LD可以發(fā)出單色、定向性好、高強(qiáng)度、相干性的光。3.3 半導(dǎo)體激光器LD 適合于作高速長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。優(yōu) 點(diǎn)：輻射功率高發(fā)散角窄與單模光纖耦合效率高輻射光譜窄能進(jìn)行高速直接調(diào)制3.3 半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的 三個先決條件 ：激勵源 是能量的提供者，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激活物質(zhì) 是產(chǎn)生激光的物質(zhì)基礎(chǔ)，提供光放大。光學(xué)諧振腔 提供光反饋。要產(chǎn)生激光還應(yīng)滿足如下兩方面的條件：光 的 增 益 和 損 耗 間 應(yīng) 滿 足 平 衡 條 件 閾 值 條 件 。在諧振腔中，光波反復(fù)反射能得到加強(qiáng)，從而能夠存 在 ， 應(yīng) 滿 足 的 條 件 相 位 條 件 。3.3.1 LD激光振蕩當(dāng)有源層載流

15、子濃度超過一定值時，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；在有源區(qū)產(chǎn)生了光增益 信號得到放大；exp( gz )放大倍數(shù)為：增益系數(shù)： g (Rst Rab )增益的產(chǎn)生表明有源區(qū)的受激輻射速率超過了受激吸收速率。一旦實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，光增益將迅速增大。3.3.1 LD激光振蕩半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)：有源層限制層法布里 珀羅（ F-P）諧振腔雙異質(zhì)結(jié)平面條形激光器的基本結(jié)構(gòu)(a)短波長 （b）長波長反射鏡反射率：Rm = 2 n 1 n + 1 n = 3.5, Rm = 30%3.3.1 LD激光振蕩法布里珀羅腔（ FP腔）激光器的反饋通過將增益介質(zhì)放入一個光學(xué)諧振腔（光腔）內(nèi)來提供；法布里珀羅腔（ FP 腔）：光腔

16、由兩塊反射鏡組成。半導(dǎo)體激光器中，兩端的解理面起反射鏡的作用，不必再外加反射鏡。由于損耗的存在，受激發(fā)射產(chǎn)生的工作將不斷消耗：光腔損耗反射鏡的光輻射只有當(dāng)增益等于或大于總損耗時，才能建立起穩(wěn)定的振蕩 這一增益稱為 閾值增益 ；半導(dǎo)體激光器是一種閾值器件；為 達(dá) 到 閾 值 增 益 所 要 求 的 注 入 電 流 稱 為 閾 值 電流 。3.3.1 LD激光振蕩E0 1 R2 )exp( gL )( RE0 1 R2 ) exp( int L ) = E0exp( gL )( R12exp( int L ) exp(2ikL ) = E0令等式兩邊振幅相等：12令等式兩邊相位相等：exp(2ik

17、L ) = 1(a)(b)3.3.1 LD激光振蕩閾值條件自再現(xiàn)：在穩(wěn)定工作時，光波在光腔內(nèi)往返一次，（振幅、相位）保持不變。自再現(xiàn)條件：ln = int + mir c= 2 L R1 2 k = 2 n cR1 1 g th = int+ = m = m c 2 nL 2 kL = 2 m相位條件 由(b)式，解得：幅值條件規(guī)定了增益和電流的最低值；相位條件規(guī)定激光器振蕩頻率必為 m = m c 2 nL中的一個頻率。3.3.1 LD激光振蕩幅值條件 由(a)式，解得：半導(dǎo)體激光器的模式增益譜FP 腔中滿足諧振條件的縱模是均勻分布的：Q m = m c（2 nL）縱 模 間 距 ： L =

18、 c（2 nL）3.3.1 LD激光振蕩利 用 縱 模 間 距 ： L = c（2 nL）可 計(jì) 算 激 光 器 的 腔 長 ： L = c（2 n L）多模激光器：主模及其臨近的兩個邊模同時振蕩。主導(dǎo)模式：最靠近增益峰的模式。3.3.1 LD激光振蕩單縱模激光器：僅有主模能夠產(chǎn)生振蕩。絕大部分功率都集中在一個縱模上 ;譜寬較窄，單色性較好。Q 縱 模 間 距 ： L = c（2 nL）增大激光器的腔長可使輸出譜線更窄。將 LD設(shè)計(jì)在單縱模工作能進(jìn)一步提高 BL積。3.3.1 LD激光振蕩3.3.2 LD的結(jié)構(gòu)大面積激光器 使用較少增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器 使用較少折射率導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器 廣泛使用

19、弱折射率導(dǎo)引脊形波導(dǎo)激光器強(qiáng)折射率導(dǎo)引掩埋異質(zhì)結(jié)激光器大面積激光器是結(jié)構(gòu)最簡單的 LD ： 一個薄的有源層夾在 P 型和N 型 限 制 層 中 間 。正向電流在較大面積注入，所以稱為 大面積激光器 。缺點(diǎn)：沿激光器整個寬度上都存在光輻射，因此損耗大，閾值電流高。3.3.2 LD的結(jié)構(gòu)增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器限制光的辦法：電流在狹窄的中間帶內(nèi)注入，導(dǎo)致載流子濃度在條形區(qū)最高，光被限制在條形區(qū)域內(nèi)。因?yàn)殡娏髟谟性磪^(qū)產(chǎn)生增益，光限制是借助條形區(qū)的增益來實(shí)現(xiàn)的，這樣的激光器稱為 增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器 。3.3.2 LD的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：功率增大時，光斑尺寸不穩(wěn)定，模式穩(wěn)定性不高（輻射模式隨激光器增益的增加而改變

20、），增益導(dǎo)引激光器很少用于光波系統(tǒng)中。3.3.2 LD的結(jié)構(gòu)折射率導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器限制光的辦法：在側(cè)向引入折射率差，以達(dá)到限制光場的目的。根據(jù)折射率差的大小，分為 弱折射率導(dǎo)引 半導(dǎo)體激光器和 強(qiáng)折射率導(dǎo)引 半導(dǎo)體激光器。3.3.2 LD的結(jié)構(gòu)脊形波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器：弱折射率導(dǎo)引：nL 0.01 ；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：將 P 型 的 一 部 分 腐 蝕 掉 形 成 脊 ；在脊的兩邊沉積 SiO 2 ， 形成折射率波導(dǎo) ( nSiO2 nP LnP), 將光限制在脊區(qū)。優(yōu) 點(diǎn) : 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ，制造工藝較簡單。3.3.2 LD的結(jié)構(gòu)弱折射率導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器掩埋異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器：強(qiáng)折射率導(dǎo)引：nL =

21、0.2 0.3；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：有源區(qū)被若干低折射率層從各個方向掩埋。優(yōu)點(diǎn) :側(cè)向折射率差較大，對光場限制作用強(qiáng)；光空間分布穩(wěn)定性高，被大多數(shù)光波系統(tǒng)采用。3.3.2 LD的結(jié)構(gòu)強(qiáng)折射率導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器= GP + Rsp dt p dN I N c ( ) 受激發(fā)射產(chǎn)生的光子數(shù) 自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的光子數(shù) 光腔內(nèi)光子的損耗( ) 由 注 入 電 流 提 供 的 電 子 數(shù)( ) 自 發(fā) 發(fā) 射 和 非 輻 射 復(fù) 合 導(dǎo)致的電子數(shù)減少( ) 受 激 發(fā) 射 消 耗 的 電 子 數(shù)dP P= GPdt q( ) ( ) 3.3.3 LD的工作特性速率方程組考慮到有源區(qū)光子數(shù)目 P和電子數(shù)目 N在相互作用過

22、程中隨時間變化的特點(diǎn) ， 建立速率方程組： p = gc = g (mir + int )在速率方程組中：光增益 G ： G = g g1 增益系數(shù) g隨 N線性增大： g = g (N NT ) ， 光增益 G隨 N也線性增大。光子壽命 p 代表光腔內(nèi)光子的損耗：（ 5.4.3）Rsp + Rnr = N c載流子壽命 c 包括自發(fā)輻射和非輻射復(fù)合導(dǎo)致的載流子（電子）損耗：（ 5.1.15）（ 5.4.2）3.3.3 LD的工作特性3.3.3 LD的工作特性P-I特性激光器的 轉(zhuǎn)換效率 用 外微分量子效率 d表示： d 定義：在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)。P eI hf=( P

23、 Pth ) / hf( I I th ) / e d =P = Pth +( I I th )d hfe解得激光器的輸出光功率為：圖半導(dǎo)體激光器的P-I曲線3.3.3 LD的工作特性P-I特性閾值電流 Ith的確定：P-I曲線線性部分的反向延長線與電流軸的交點(diǎn)。當(dāng) I Ith時 ,激光器發(fā)出受激輻射光。3.3.3 LD的工作特性P-I特性溫度升高時性能下降，閾值電流隨溫度按指數(shù)增長。溫度對 LD的影響閾值電流隨溫度按指數(shù)增長：Ith (T ) = I0 exp(T T0 )對溫度比較敏感，需內(nèi)裝熱電致冷器。對 GaAs 激光器， T0 120 K。特征溫度 T0 代表閾值電流 Ith對溫度的

24、靈敏度。對 InGaAsP 激光器， T0 ： 50 70 K，3.3.3 LD的工作特性P-I特性高速調(diào)制下出現(xiàn)的現(xiàn)象：電光延遲： 輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間。張弛振蕩： 當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩。自脈動現(xiàn)象： 當(dāng)注入電流達(dá)到某個范圍時，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩。3.3.3 LD的工作特性調(diào)制特性3.3.3 LD的工作特性調(diào)制特性tdr電脈沖光脈沖電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象3.3.3 LD的工作特性調(diào)制特性自脈動現(xiàn)象：自脈動現(xiàn)象往往和 P-I曲電脈沖線的非線性有關(guān)。光脈沖激光器自脈動現(xiàn)象3.3.3 LD的工作特性調(diào)制特性調(diào)制速率低時

25、， 結(jié)發(fā)熱效應(yīng) 現(xiàn)象更明顯。結(jié)發(fā)熱效應(yīng)：定義：由于調(diào)制電流的作用，引起激光器結(jié)區(qū)溫度的變化，使輸出光脈沖的形狀發(fā)生變化。電流 脈沖光脈沖t 0t TI 1I 0結(jié)發(fā)熱現(xiàn)象TPN結(jié) I th Pout A TPN結(jié) Ith Pout A 3.3.3 LD的工作特性激光模式激光腔的振蕩模式LD的縱模LD的橫模LD的縱模 激光腔只支持頻率滿足 m = mc（2nL）的模式近場分布近場分布：遠(yuǎn)場分布遠(yuǎn)場分布：3.3.3 LD的工作特性激光模式LD的橫模是一種穩(wěn)定的電磁場分布；表現(xiàn)為激光器輸出能量在空間上的穩(wěn)定的分布。L : 30 40ooLT3.3.3 LD的工作特性激光模式LD基模的近場和遠(yuǎn)場分布均

26、可擬合為高斯分布。近場分布 通常為橫橢圓形狀遠(yuǎn)場分布 是激光器發(fā)散角的一種度量，對激光與光纖的耦合有重要影響。角寬度 T 和 L 定義為相應(yīng)角分布的 FWHMo提高 LD輸出光的性能 :1. 從橫模的角度 使 LD工作于單橫模發(fā)光實(shí)現(xiàn)辦法：通過控制有源層的厚度和寬度3.3.4 單縱模半導(dǎo)體激光器多縱模激光器：輸出譜寬較寬設(shè)計(jì) SLM激光器可使譜寬進(jìn)一步變窄3.3.4 單縱模半導(dǎo)體激光器提高 LD的性能 :2. 從縱模的角度 使 LD工作于單縱模發(fā)光實(shí)現(xiàn)辦法：設(shè)計(jì) 窄譜線單縱模激光器單縱模激光器：輸出譜寬較窄是不同縱模具有不同的腔損耗。具有最低光腔損耗的縱模最先達(dá)到閾值并成為支配模式。其他鄰模由

27、于高損耗而被截止。鄰模攜帶的功率在總的輻射功率中只占很小一部分（ 0.9m 的光， InP是透明的；同理， InGaAs的截止波長：( c )c = 1.24 Eg = 1.24 0.75 1.65m3.4.1 光電二極管結(jié)構(gòu)原理 PIN光電二極管因此在中間 InGaAs層，在 1.3 m1.65 m范圍內(nèi)有很強(qiáng)的吸收。由于光子僅在耗盡區(qū)內(nèi)吸收，完全消除了擴(kuò)散分量。采用幾微米厚的 InGaAs，量子效率可接近 100%。長波長波段： InGaAs短波長波段： Si3.4.1 光電二極管結(jié)構(gòu)原理 PIN光電二極管3.4.1 光電二極管結(jié)構(gòu)原理 APD光電二極管為了獲得更高響應(yīng)度，采用 APD光電

28、二極管。工作原理 ：當(dāng)光入射到 PN結(jié)時， 光子被吸收產(chǎn)生的一次電子 - 空穴對在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動， 使晶格原子電離，產(chǎn)生的二次電子 -空穴對再和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增。結(jié)構(gòu)：對 p區(qū) 、 n區(qū) 進(jìn) 行 了 重 摻 雜 ， 并 在 I區(qū) 和 n區(qū) 之 間 引 入 另 一層 p區(qū) 作 為 碰 撞 電 離 區(qū) ， 即 增 益 區(qū) ， 以 產(chǎn) 生 二 次 電 子 空穴對。I區(qū) ： 耗 盡 區(qū) ， 產(chǎn) 生 一 次 電 子 空 穴 對 。P區(qū)：增益區(qū)，通過雪崩倍增效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光電流放大。3.4.1 光電二極管結(jié)構(gòu)原理 APD光電二極管I P qPin (h

29、 ) =響應(yīng)度 R ：R = I P Pin （1） = (m) 1.24 （2）3.4.2 工作特性和參數(shù)光電流 I P ：與入射光功率 Pin 成比例。I P = RPin量子效率 ：能轉(zhuǎn)換為光電流的電子數(shù)和入射總光子數(shù)之比。響應(yīng)度 R：R = I P Pin從功率角度：R = (m) 1.24但當(dāng) h 1， 則 1。3.4.2 工作特性和參數(shù)I pI 0=倍增系數(shù) M ：M =輸出光電流一次光生電流3.4.2 工作特性和參數(shù)APD的倍增系數(shù)及噪聲：APD的響應(yīng)度 比 PIN提高了 M倍。RAPD = MR = Mq h = M(m) 1.24APD的噪聲： 包括量子噪聲、暗電流噪聲和倍增

30、噪聲。倍增效應(yīng)對噪聲電流也被放大了。雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)為 x。2APD的x值一般在0.31之間。X=0， x 1，是理想情況。1 + ( e M 0 ) 1 221M ( )M (0)H ( ) =APD傳輸函數(shù) 為3.4.2 工作特性和參數(shù)響應(yīng)帶寬： 光生電流下降 3 dB的頻率響應(yīng)帶寬f = 0.44v s WW為耗盡層寬度， vs 為載流子渡越速度。本征響應(yīng)帶寬與倍增系數(shù)也有關(guān)系。 M0 M(0) ,為 APD低頻倍增系數(shù)； e為等效渡越時間在空穴和電子的碰撞電離系數(shù)比值 k/ e1情況下，3dB電帶寬 為 f = (2 e M 0 )1電帶寬與倍增系數(shù)有著矛盾關(guān)系。對

31、Si， k/e 0.22，工作于 0.8 m時有很高的性能。PIN二極管特點(diǎn)：量子效率高。噪聲小。帶寬較高。APD二極管特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。 靈敏度高。電壓低，使用方便。高增益。高電壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。噪聲大。3.4.3 光電二極管一般性能和應(yīng)用3.4.3 光電二極管一般性能和應(yīng)用使用場合：PIN：廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)。在靈敏度要求不高的場合，一般都采用 PIN。APD：在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場合，采用 APD。如：小信號測量。3.4.3 光電二極管一般性能和應(yīng)用Si-PIN/APD用于短波長 (0.85 m)光纖通信系統(tǒng)。InGaAs-PIN用于長波長 (1.31 m/1.55 m)系

32、統(tǒng)。把 InGaAs-PIN和使用場效應(yīng)管（ FET ）的前置放大器集成，構(gòu)成 FET-PIN接收組件，可以進(jìn)一步提高靈敏度，改善器件的性能。3.5 光無源器件光無源器件：光纖連接器和接頭光耦合器光波分復(fù)用器光隔離器與光環(huán)行器光調(diào)制器光開關(guān)3.5 光無源器件對光無源器件的 普遍要求 ：插入損耗小、反射損耗大。工作溫度范圍寬。性能穩(wěn)定、壽命長。體積小。價格便宜。便于集成。3.5.1 連接器和接頭連接器 是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接的器件。（活動連接）主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。接頭 是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性連接。（固定連接）主要用

33、于光纖線路的構(gòu)成。光纖套管插針粘結(jié)劑3.5.1 連接器和接頭對于活動連接，光纖固定在插針的微孔內(nèi)，兩支帶光纖的插針用套管對中實(shí)現(xiàn)連接。對于 FC型連接器，光纖端面為平面。對于 PC型，要求光纖端面為球面或斜面。圖套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖3.5.1 連接器和接頭光纖固定接頭的方法： 熔接法：使光纖端面加熱并熔接在一起。 V型槽法：采用 V型槽或幾根平行棒之間的間隙時光纖準(zhǔn)直連接。3.5.2 光耦合器耦合器功能：把一個輸入光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。耦合器對線路影響：帶來附加插入損耗、發(fā)射、串?dāng)_噪聲。耦合器類型：T形 耦合器星形耦合器定向耦合器波分復(fù)用器 /解復(fù)用器3.5.

34、2 光耦合器T形 耦 合 器 ：2 2的三端耦合器。功能：把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號組合在一起，輸入一根光纖。用作不同分路比的功率分配器或功率組合器。T形(a)3.5.2 光耦合器星形耦合器：n m耦 合 器 。功能：把 n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配 給 m根 光 纖 。常用作多端功率分配器。星形(b)3.5.2 光耦合器定向耦合器：2 2的 3端或 4端耦合器。功能：分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘枴＠纾汗庑盘枏亩?1傳輸?shù)蕉?2， 一部分由端 3輸出，端 4無輸出?？捎米鞣致菲?，不能用 作合路器。( )定向(c)23143.

35、5.2 光耦合器波 分 復(fù) 用 器 /解 復(fù) 用 器 ：與波長相關(guān)的耦合器稱為波分復(fù)用器 /解復(fù)用器。波分復(fù)用器功能：把多個不同波長的光信號組合在一起，輸入到一根光纖。解復(fù)用器功能：把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號， 分配給不同的接收機(jī)。12N12N波分(d)3.5.2 光耦合器光耦合器的基本結(jié)構(gòu)：光纖型、微器件型、波導(dǎo)型光纖型： 把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件。(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星形耦合器光強(qiáng)度光纖a輸出光234輸入光1光纖b(a)(b)123456791011128(c)3.5.2 光耦合器根據(jù)耦合理論得

36、到Pa=cos2(C L)Pb=sin2(C L)光纖波分解復(fù)用器原理：對于 波 長 1 的 信 號 ， 當(dāng) 光 纖 a的輸出最大時，光纖 b 的輸出 為 0； 對 于 2 信 號 ， 當(dāng) 光纖 a 的輸出為 0 時， b 的輸出最大。1、21212耦合長度光功率ababab圖光纖型波分解復(fù)用器原理3.5.2 光耦合器微器件型：用自聚焦透鏡和分光片、濾光片或光柵等微光學(xué)器件構(gòu)成。光纖自聚焦 透 鏡自聚焦透鏡光纖11、22123光纖自聚焦透鏡硅光柵光纖自聚焦 透 鏡分光片1342(b)定向耦合器(a) T形耦合器濾光片(c)濾光式解復(fù)用器圖123(d)光柵式解復(fù)用器微器件型耦合器3.5.2 光耦

37、合器波導(dǎo)型：在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導(dǎo)，襯底作支撐體，又作波導(dǎo)包層。光波導(dǎo)開角(a) T形耦合器(b)定向耦合器(c)波分解復(fù)用器多 模 波導(dǎo)多 層 膜 濾 光片單模波導(dǎo)1.55 mm1.3 mm1.55 mm1. 3mmCR = pPOt3.5.2 光耦合器主要特性：耦合比CR： 一個指定輸出端的光功率和全部輸出端的光功率總和的比值。)1CRPOC pocNonn =1功率分路損耗 Ls： Ls = 10 lg(3.5.2 光耦合器主要特性：附 加 損 耗 Le ： 由 散 射 、 吸 收 和 器 件 缺 陷 產(chǎn) 生 的 損 耗 ，是全部輸入端的光功率總和P it 和全部輸出端的光

38、功率總和P ot 的比值，用分貝表示NPit n=1 N pot n=1插入損耗 Lt：一個指定輸入端的光功率P ic 和一個指定輸出端的光功率P oc 的比值，用分貝表示picpocLt = 10 lg3.5.2 光耦合器主要特性：方向性 DIR(隔離度 ) ： 一個輸入端的光功率P ic 和由耦合器反射到其它端的光功率P r 的比值一 致 性 U ： 不 同 輸 入 端 得 到 的 耦 合 比 的 均 勻 性 ， 或 者不同輸出端耦合比的等同性。picprDIR = 10 lg3.5.3 光隔離器與光環(huán)行器隔離器的作用：只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離器