光纖和光纜第3章通信用光器件綜述

1、第3章通信用光器件第3章通信用光器件3.1光源3.2光檢測(cè)器3.3光無(wú)源器件第3章通信用光器件3.1光源光源光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)，有些場(chǎng)合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。本節(jié)首先介紹半導(dǎo)體激光器(LD)的工作原理、 基本結(jié)構(gòu)和主要特性，然后進(jìn)一步介紹性能更優(yōu)良的分布反饋激光器(DFB-LD)，最后介紹可靠性高、 壽命長(zhǎng)和價(jià)格便宜的發(fā)光管(LED)。 第3章通信用光器件3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)

2、構(gòu)半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激輻射的光放大)的縮寫。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。第3章通信用光器件1. 受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2, 3, 4 )稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間

3、的躍遷有三種基本方式(見圖3.1)：(1) 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴，見圖3.1(a)。 第3章通信用光器件(2) 在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射，見圖3.1(b)。(3) 在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射，見圖3.1(c)。 第3章通信用光器件圖 3.1能級(jí)和電子躍遷(a) 受激吸

4、收；(b) 自發(fā)輻射；(c) 受激輻射 第3章通信用光器件受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即E2E1=hf12(3.1) 式中，h=6.6281034 Js，為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。受激輻射光的頻率、 相位、 偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。第3章通信用光器件產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于

5、低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2(E2E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下面的分布 式中，k=1.3811023 J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2E1)0，T0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1N2。這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。 kTEENN1212exp(3.2)第3章通信用光器件如果N2N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。

6、N2N1的分布和正常狀態(tài)(N1N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。問題是如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢? 這個(gè)問題將在下面加以敘述。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)成的共價(jià)晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶，如圖3.2。能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差EcEv=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。 第3章通信用光器件圖 3.2半導(dǎo)體的能帶和電子分布(a) 本征半導(dǎo)體；(b) N型半導(dǎo)體；(c) P型半導(dǎo)體 第3章通信用光器件

7、圖3.2示出不同半導(dǎo)體的能帶和電子分布圖。根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布式中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。當(dāng)T0時(shí)，P(E)0，這時(shí)導(dǎo)帶上幾乎沒有電子，價(jià)帶上填滿電子。Ef稱為費(fèi)米能級(jí)，用來描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。 )exp(11)(fkTEEEP(3.3)第3章通信用光器件一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，用Ef位于禁帶中央來表示，見圖3.2(a)。在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，Ef增大，導(dǎo)帶的電子增多，價(jià)帶的空穴相對(duì)減少，見圖3.2(b)。在

8、本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，Ef減小，導(dǎo)帶的電子減少，價(jià)帶的空穴相對(duì)增多，見圖3.3(c)。 第3章通信用光器件圖 3.3PN結(jié)的能帶和電子分布P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)； (b) 零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶圖；(a) (c) 正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖 第3章通信用光器件在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)，見圖3.3(a)。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜，見圖3.3(b)。這時(shí)在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的

9、外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見圖3.3(c)。在電子和空穴擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。 第3章通信用光器件3. 激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩和光學(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，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。基本的光學(xué)諧振腔由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成(如圖3.4所示

10、)，并被稱為法布里-珀羅(F-P，F(xiàn)abry Perot)諧振腔。由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。入射光經(jīng)反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向的光被減弱。反射光經(jīng)多次反饋，不斷得到放大，方向性得到不斷改善，結(jié)果增益大幅度得到提高。 第3章通信用光器件圖 3.4激光器的構(gòu)成和工作原理(a) 激光振蕩；(b) 光反饋 第3章通信用光器件另一方面，由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相等(滿足振幅平衡條件)時(shí)，在諧振腔內(nèi)就會(huì)建立穩(wěn)定的激光振蕩，其閾值條件為 式中，th為閾值增益系數(shù)，為諧振腔內(nèi)

11、激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長(zhǎng)度，R1、R21為兩個(gè)反射鏡的反射率。激光振蕩的相位條件為 21th1ln21RRL(3.4)第3章通信用光器件(3.5)qnLnqL22或式中，為激光在真空中傳播的波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的折射率，/n為激光在介質(zhì)中傳播的波長(zhǎng)，q=1, 2, 3，稱為縱模模數(shù)。式(3.5)意味著，L應(yīng)為介質(zhì)中激光傳播波長(zhǎng)的1/2的整數(shù)倍。 第3章通信用光器件4. 半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)如圖3.5示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長(zhǎng)。圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中

12、間有一層厚0.10.3 m的窄禁帶P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬禁帶的P型和N型半導(dǎo)體，稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個(gè)晶體介質(zhì)里面作為反射鏡構(gòu)成法布里-珀羅(F-P)諧振腔。 第3章通信用光器件圖 3.5雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形激光器的基本結(jié)構(gòu)(a) 短波長(zhǎng)；(b) 長(zhǎng)波長(zhǎng)第3章通信用光器件圖3.6示出DH激光器工作原理。由于限制層的禁帶寬度比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。P層禁帶寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對(duì)注入電子形成了勢(shì)壘，注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被

13、限制在厚0.10.3 m的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時(shí)只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，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)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。 第3章通信用光器件圖 3.6DH激光器工作原理(a) 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b) 能帶；(c) 折射率分布；(d) 光功率分布 第3章通信用光器件3.1.2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(zhǎng)和光譜特性發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，

14、由式(3.1)得到h f=Eg式中，f=c/，f (Hz)和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，c=3108 m/s為光速，h=6.6281034 Js為普朗克常數(shù)，1 eV=1.61019 J，代入上式得到 (3.6)ggEEhc24. 1第3章通信用光器件不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85 m波段，銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.31.55 m 波段。參看圖3.5(b)。圖3.7是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。 第3章通信用光器件圖 3.7GaAlAs-DH激光器的光譜特性(a) 直流驅(qū)

15、動(dòng); (b) 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制 第3章通信用光器件在直流驅(qū)動(dòng)下，發(fā)射光波長(zhǎng)有一定分布，光譜具有明顯的模式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶都是由許多連續(xù)能級(jí)組成的有一定寬度的能帶，兩個(gè)能帶中不同能級(jí)之間電子的躍遷會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波長(zhǎng)的輻射光。其中只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長(zhǎng)存在。這些波長(zhǎng)取決于激光器縱向長(zhǎng)度L，并稱為激光器的縱模。由圖3.7(a)可見，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。第3章通信用光器件圖3.7

16、(b)是300 Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性，由圖可見，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，光譜寬度變寬。用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)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3章通信用光器件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(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來描述。近場(chǎng)是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。圖3.8是GaAlAs-DH激光器的近場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)圖，近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模。由圖3.8可以看出，

17、平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場(chǎng)圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄，這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是單橫模。第3章通信用光器件圖 3.8GaAlAs-DH條形激光器的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣第3章通信用光器件圖3.9為典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，圖中和分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個(gè)光束的橫截面呈橢圓形。第3章通信用光器件圖 3.9典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性(a) 光強(qiáng)的角分布；(b) 輻射光束第3章通信用光器件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/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率d表示，其定義是在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)(3.

18、7a)(thdthIIehfPPhfeIPeIIhfPP/ )(/ )(ththd(3.7b)由此得到第3章通信用光器件式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，Pth和Ith分別為相應(yīng)的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。激光器的光功率特性通常用P-I曲線表示，圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。當(dāng)IIth時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。 第3章通信用光器件圖 3.10典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性(a) 短波長(zhǎng)GaAlAs-GaAs; (b) 長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP-InP 第3章通信用光器件4. 頻率特性頻率特性在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制信

19、號(hào)頻率f的關(guān)系為 2r222r)/(4)/(1 )0()(ffffPfP(3.8a)(3.8b) 1(121th0hpsprIIIIf第3章通信用光器件式中，fr和分別稱為弛張頻率和阻尼因子，Ith和I0分別為閾值電流和偏置電流；I是零增益電流，高摻雜濃度的LD，I=0，低摻雜濃度的LD，I=(0.70.8)Ith；sp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，ph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。圖3.11示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛張頻率fr是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr為12 GHz。在接近fr處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛張振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。 第3章通信用光器件圖 3.11半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率

20、特性第3章通信用光器件5. 溫度特性溫度特性對(duì)于線性良好的激光器，輸出光功率特性如式(3.7b)和圖3.10所示。 激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因： 一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率d隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，Ith增大，d減小，輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為 第3章通信用光器件式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫度。GaAlAs-GaAs激光器T0=100150 K

21、、InGaAsP-InP激光器T0=4070 K，所以長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP-InP激光器輸出光功率對(duì)溫度的變化更加敏感。外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感，例如，GaAlAs-GaAs激光器在77 K時(shí)d50%，在300 K時(shí)，d30%。圖3.12示出脈沖調(diào)制的激光器，由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P-I曲線的變化。 (3.9)exp(00thTTII 第3章通信用光器件圖 3.12P-I曲線隨溫度的變化第3章通信用光器件3.1.3分布反饋激光器分布反饋激光器隨著技術(shù)的進(jìn)步，高速率光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和新型光纖通信系統(tǒng)(例如波分復(fù)用系統(tǒng))的出現(xiàn)，都對(duì)激光

22、器提出更高的要求。和由F-P諧振腔構(gòu)成的DH激光器相比，要求新型半導(dǎo)體激光器的光譜寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長(zhǎng)更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低，而輸出光功率更大。具有這些特性的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種類型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反饋(DFB，Distributed Feed-Back)激光器。 第3章通信用光器件普通激光器用F-P諧振腔兩端的反射鏡，對(duì)激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋，DFB激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱為分布反饋激光器。如圖3.1

23、3所示，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大，但整個(gè)光柵有成百上千個(gè)波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。第3章通信用光器件圖 3.13分布反饋(DFB)激光器(a) 結(jié)構(gòu)；(b) 光反饋 第3章通信用光器件光柵周期由下式確定式中，ne為材料有效折射率，B為布喇格波長(zhǎng)，m為衍射級(jí)數(shù)(取正整數(shù))。在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個(gè)閾值最低、增益相同的縱模，其波長(zhǎng)為 (3.10)e

24、B2nm(3.11)Lne2BB2, 1221式中L為光柵長(zhǎng)度，其他符號(hào)和式(3.10)意義相同。在普通均勻光柵中，引入一個(gè)/4相移變換，使原來的波峰變波谷，波谷變波峰，可以有效地提高模式選擇性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模激光器的要求。 第3章通信用光器件DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 單縱模激光器。F-P激光器的發(fā)射光譜是由增益譜和激光器縱模特性共同決定的，由于諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難。DFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期決定。相當(dāng)于F-P激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)形成一個(gè)微型諧振腔。由于的長(zhǎng)度很小，所以m階和(m+1)階

25、模之間的波長(zhǎng)間隔比F-P腔大得多，加之多個(gè)微型腔的選模作用，很容易設(shè)計(jì)成只有一個(gè)模式能獲得足夠的增益。于是DFB激光器容易設(shè)計(jì)成單縱模振蕩器。 第3章通信用光器件 光譜寬度窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。由于DFB激光器的每一個(gè)柵距相當(dāng)于一個(gè)F-P腔，所以布喇格反射可以看做是多級(jí)調(diào)諧，使得諧振波長(zhǎng)的選擇性大大提高，光譜明顯變窄，可以窄到幾個(gè)吉赫茲。由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善。 第3章通信用光器件 動(dòng)態(tài)譜特性好。DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性，這是F-P激光器無(wú)法比擬的。盡管DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)存在啁啾，光譜有一定展寬，但比F-P激光器的動(dòng)態(tài)光譜的展

26、寬要改善一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。 線性好。DFB激光器的線性非常好，因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。第3章通信用光器件3.1.4發(fā)光二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)結(jié)構(gòu)，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型LED，另一類是側(cè)面發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示于圖3.14。和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，

27、因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。 第3章通信用光器件圖 3.14兩類發(fā)光二極管(LED)(a) 正面發(fā)光型；(b) 側(cè)面發(fā)光型 第3章通信用光器件和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，光譜寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。因此，這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。發(fā)光二極管具有如下工作特性： 第3章通信用光器件(1) 光譜特性。發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇作用，光譜較寬，如圖3.15。一般短波長(zhǎng)GaAlAs-GaAs LED光譜寬度為3050 nm，長(zhǎng)波InGaAsP-InP LED 光

28、譜寬度為60120 nm。隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，光譜加寬，且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)LED的移動(dòng)分別為0.20.3 nm/和0.30.5 nm/。 (2) 光束的空間分布。在垂直于發(fā)光平面上，正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布，即P()=P0cos，半功率點(diǎn)輻射角120。側(cè)面發(fā)光型LED，120，2535。由于大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。 第3章通信用光器件圖 3.15LED光譜特性第3章通信用光器件(3) 輸出光功率特性。發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率d小于10%。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。驅(qū)

29、動(dòng)電流I較小時(shí)，P-I曲線的線性較好；I過大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I曲線的斜率減小。在通常工作條件下，LED工作電流為50100 mA，輸出光功率為幾毫瓦，由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百微瓦。 第3章通信用光器件圖 3.16發(fā)光二極管(LED)的P-I特性第3章通信用光器件(4) 頻率特性。發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為式中，f 為調(diào)制頻率，P(f)為對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功率，e為少數(shù)載流子(電子)的壽命。定義fc為發(fā)光二極管的截止頻率，當(dāng)f=fc=1/(2e)時(shí)，|H(fc)|=1/，最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。 2e)2(11)0()(| )(|fPfPfH(3.

30、12)第3章通信用光器件圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)，圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命e和截止頻率fc的關(guān)系。對(duì)有源區(qū)為低摻雜濃度的LED，適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。在一般工作條件下，正面發(fā)光型LED截止頻率為2030 MHz，側(cè)面發(fā)光型LED截止頻率為100150 MHz。 第3章通信用光器件圖 3.17發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng)第3章通信用光器件3.1.5半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用表3.1和表3.2列出半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能。LED通常和多模光纖耦合，用于1.3 m(或0.85 m)波長(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)?/p>

31、LED發(fā)光面積和光束輻射角較大，而多模SIF光纖或G651規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外都得到最廣泛的應(yīng)用。分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。 第3章通信用光器件第3章通信用光器件第3章通信用光器件在實(shí)際應(yīng)用中，通常把光源做成組件，圖3.18示出LD組件構(gòu)成的實(shí)例。偏置電流和信號(hào)電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路作用于LD，LD正

32、向發(fā)射的光經(jīng)隔離器和透鏡耦合進(jìn)入光纖，反向發(fā)射的光經(jīng)PIN光電二極管轉(zhuǎn)換進(jìn)入光功率監(jiān)控器，同時(shí)利用熱敏電阻和冷卻元件進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)溫度控制(ATC)。 第3章通信用光器件圖 3.18LD組件的構(gòu)成實(shí)例第3章通信用光器件3.2光檢測(cè)器光檢測(cè)器光檢測(cè)器是光接收機(jī)的關(guān)鍵器件，它的功能是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。目前常用的光檢測(cè)器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。本節(jié)介紹這些光電二極管的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和主要特性。3.2.1光電二極管工作原理光電二極管工作原理光電二極管(PD)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。 第3章通信用光器件如3.1節(jié)所述，在PN結(jié)界面上

33、，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶發(fā)生傾斜，在PN結(jié)界面附近形成耗盡層，如圖3.19(a)所示。當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于或等于帶隙(hfEg)，便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子-空穴對(duì)。在耗盡層，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光生漂移電流。在耗盡層兩側(cè)是沒有電場(chǎng)的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場(chǎng)作用下，形成和漂移電流相同方向的光生擴(kuò)散電流。第3章通信用光器件光生漂移電流分量和光生擴(kuò)散電流分量的總和即為光生

34、電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子- 空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡(jiǎn)單的光電二極管(PD)。第3章通信用光器件如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘海康氖窃黾雍谋M層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量。由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的

35、比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會(huì)增加載流子漂移的渡越時(shí)間，使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾， 就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。 第3章通信用光器件圖 3.19光電二極管工作原理 (a) 光電效應(yīng)；(b) 加反向偏壓后的能帶 第3章通信用光器件3.2.2PIN光電二極管光電二極管由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖3.20和圖3.21。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)

36、體，用(n)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P和N表示。I層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部而產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。 第3章通信用光器件圖 3.20PIN光電二極管工作原理第3章通信用光器件圖 3.21PIN光電二極管結(jié)構(gòu)第3章通信用光器件PIN光電二極管具有如下主要特性： (1) 量子效率和光譜特性。光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度表示。量子效率定義為相同時(shí)間內(nèi)一

37、次光生電子-空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值 響應(yīng)度的定義為一次光生電流Ip和入射光功率P0的比值式中，hf為光子能量，e為電子電荷。 ehfPIhfPeI0p0p/每秒入射光子數(shù)每秒光生電子空穴對(duì)(3.13)(A/W) 0phfePI(3.14)第3章通信用光器件量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。假設(shè)器件表面反射率為零，P層和N層對(duì)量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略，在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為=1exp()w)(3.15) 式中，()和w分別為I層的吸收系數(shù)和寬度。由式(3.15)可以看到，當(dāng)()w1時(shí)， 1，所以為提高量子效率，I層的寬度w要足夠大。

38、第3章通信用光器件量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜()，對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的限制由式(3.6)確定，即c=1.24/Eg。圖3.22示出量子效率和響應(yīng)度的光譜特性，由圖可見，Si適用于0.80.9 m 波段，Ge和InGaAs適用于1.31.6 m波段。響應(yīng)度一般為0.50.6 (A/W)。 第3章通信用光器件圖 3.22PIN光電二極管響應(yīng)度、量子效率波長(zhǎng)的關(guān)系第3章通信用光器件(2) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性。光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間或截止頻率fc(帶寬B)表示。對(duì)于數(shù)字脈沖調(diào)制信號(hào)，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時(shí)間，

39、分別定義為脈沖上升時(shí)間r和脈沖下降時(shí)間f。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/0)和exp(t/0)，由此得到脈沖響應(yīng)時(shí)間=r=f=2.20(3.16) 對(duì)于幅度一定，頻率為=2f 的正弦調(diào)制信號(hào)，截止頻率fc定義為光生電流I()下降3 dB的頻率。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)， 第3章通信用光器件PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層(這里是I層)的渡越時(shí)間d和包括光電二極管在內(nèi)的檢測(cè)電路RC常數(shù)所確定。當(dāng)調(diào)制頻率與渡越時(shí)間d的倒數(shù)可以相比時(shí)，耗盡層(I層)對(duì)量子效率()的貢獻(xiàn)可以表示為由()/(0)=1/得到由渡越時(shí)

40、間d限制的截止頻率(3.17)r0c35. 021f2/)2/sin()0()(dd(3.18)2第3章通信用光器件式中，渡越時(shí)間d=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度， 比例于電場(chǎng)強(qiáng)度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時(shí)間d，從而提高截止頻率fc，但是同時(shí)要降低量子效率。圖3.23示出Si-PIN光電二極管的量子效率與由渡越時(shí)間限制的截止頻率fc(帶寬)和耗盡層寬度w的關(guān)系。 (3.19)wvfsdc42. 042. 0第3章通信用光器件圖 3.23內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系第3章通信用光器件由電路RC時(shí)間常數(shù)限制的截止頻率式中，Rt為光電二極

41、管的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的總和，Cd為結(jié)電容Cj和管殼分布電容的總和。式中，為材料的介電常數(shù)，A為結(jié)面積，w為耗盡層寬度。 dtc21CRf (3.20)AC j(3.21)第3章通信用光器件(3) 噪聲。噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(Shot Noise)和由負(fù)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 電阻負(fù)載上的噪聲功率)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為光電二極管及后繼放大器的等效噪聲帶寬，Ip和Id分別為信號(hào)電流和

42、暗電流的強(qiáng)度。 第3章通信用光器件式(3.21)第一項(xiàng)2eIpB稱為量子噪聲，是由于入射光子和所形成的電子-空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要有光信號(hào)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(jī)靈敏度的極限。式(3.22)第二項(xiàng)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(shí)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(kuò)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，Id100 nA。 均方熱噪聲電流第3章通信用光器件式中，k=1.381023 J/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(fù)

43、載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。因此，光電二極管輸出的總均方噪聲電流為 (3.23)RkTBi42TRkTBBIIei4)(2dp2n(3.24)第3章通信用光器件3.2.3雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關(guān)系示于圖3.24。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速

44、運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見圖3.25。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。 第3章通信用光器件圖 3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系第3章通信用光器件圖 3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖第3章通信用光器件APD的結(jié)構(gòu)有多種類型，如圖3.26示出的NPP結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。在這種類型的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到(p)層，一直抵達(dá)P接觸層，是一種全耗盡型結(jié)構(gòu)。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低

45、等優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)APD特性新引入的參數(shù)是倍增因子和附加噪聲指數(shù)。第3章通信用光器件圖 3.26APD結(jié)構(gòu)圖第3章通信用光器件1. 倍增因子倍增因子由于雪崩倍增效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，所以用這種效應(yīng)對(duì)一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來描述它的放大作用，并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。顯然，APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并考慮到器件體電阻的影響，g可以表示為 (3.25)poIIg 第3章通信用光器件式中，U為APD工作電壓，U為外加反向總偏壓，UB為APD擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)，R為APD體電阻。當(dāng)UUB時(shí)，RIo /UB1)

46、是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲電流應(yīng)為i2q=2eIpBg2x(3.26b)第3章通信用光器件式中，x為附加噪聲指數(shù)。同理，APD暗電流產(chǎn)生的均方噪聲電流應(yīng)為i2d=2eIdBg2x (3.27)附加噪聲指數(shù)x與器件所用材料和制造工藝有關(guān)，Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。當(dāng)式(3.26)和式(3.27)的g=1時(shí)，得到的結(jié)果和PIN相同。3.2.4光電二極管一般性能和應(yīng)用光電二極管一般性能和應(yīng)用表3.3和表3.4列出半導(dǎo)體光電二極管(PIN和APD)的一般性能。 第3章通信用光器件第

47、3章通信用光器件第3章通信用光器件APD是有增益的光電二極管，采用APD的光接收機(jī)具有較高的靈敏度，有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)的傳輸距離。但是采用APD要求有較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，結(jié)果增加了成本。因此在靈敏度要求不高的場(chǎng)合，一般都采用PIN。Si-PIN和Si-APD用于短波長(zhǎng)(0.85 m)光纖通信系統(tǒng)。InGaAs-PIN用于長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31 m和1.55 m)系統(tǒng)，性能非常穩(wěn)定，通常把它和使用場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，構(gòu)成PIN-FET接收組件，以進(jìn)一步提高靈敏度，改善器件的性能。這種組件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。InGaAs-APD的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，傳輸速率可達(dá)幾到十

48、幾Gb/s，適用于高速光纖通信系統(tǒng)。由于Ge-APD的暗電流和附加噪聲指數(shù)較大，很少用于實(shí)際通信系統(tǒng)。 第3章通信用光器件3.3光光 無(wú)無(wú) 源源 器器 件件3.3.1連接器和接頭連接器和接頭連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng))連接的器件，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(wú)源器件之間的連接。表3.5給出了光纖連接器的一般性能。接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。連接器件是光纖通信領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的無(wú)源器件。 第3章通信用光器件表表 3.5光纖連接器的一般性能光纖連接器的一般性能 第3章通信用光器件

49、連接器有單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器，其特性主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度和所用材料。單纖連接器結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中精密套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、效果良好，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，因而得到很廣泛的應(yīng)用。圖3.27示出精密套管結(jié)構(gòu)的連接器簡(jiǎn)圖，包括用于對(duì)中的套管、帶有微孔的插針和端面的形狀(圖中畫出平面的端面)。光纖固定在插針的微孔內(nèi)，兩支帶光纖的插針用套管對(duì)中實(shí)現(xiàn)連接。要求光纖與微孔、插針與套管精密配合。對(duì)低插入損耗的連接器，要求兩根光纖之間的橫向偏移在1 m以內(nèi)，軸線傾角小于0.5。第3章通信用光器件圖 3.27套管結(jié)構(gòu)連接器簡(jiǎn)圖第3章通信用光器件普通的FC型連接器，光纖端面為平面。對(duì)于高反射損耗的連

50、接器，要求光纖端面為球面或斜面，實(shí)現(xiàn)物理接觸(PC型)。套管和插針的材料一般可以用銅或不銹鋼，但插針材料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷機(jī)械性能好、耐磨，熱膨脹系數(shù)和光纖相近，使連接器的壽命(插拔次數(shù))和工作溫度范圍(插入損耗變化0.1 dB)大大改善。第3章通信用光器件一種常用的多纖連接器是用壓模塑料形成的高精度套管和矩形外殼，配合陶瓷插針構(gòu)成的，這種方法可以做成2纖或4纖連接器。另一種多纖連接器是把光纖固定在用硅晶片制成的精密V形槽內(nèi)，然后多片疊加并配合適當(dāng)外殼。這種多纖連接器配合高密度帶狀光纜，適用于接入網(wǎng)或局域網(wǎng)的連接。對(duì)于實(shí)現(xiàn)固定連接的接頭，國(guó)內(nèi)外大多借助專用自動(dòng)熔接機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熱

51、熔接，也可以用V形槽連接。熱熔接的接頭平均損耗約為0.05 dB/個(gè)。第3章通信用光器件3.3.2光耦合器光耦合器耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。這種器件對(duì)光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_。耦合器大多與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，與波長(zhǎng)相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。1. 耦合器類型耦合器類型圖3.28示出常用耦合器的類型，它們各具不同的功能和用途。第3章通信用光器件圖 3.28常用耦合器的類型第3章通信用光器件T形耦合器這是一種22的3端耦合器，見圖3.28(a)，其功能是把一根光纖輸入的光信號(hào)按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根

52、光纖輸入的光信號(hào)組合在一起，輸入一根光纖。這種耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率組合器。星形耦合器這是一種nm耦合器，見圖3.28(b)，其功能是把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，m和n不一定相等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。 第3章通信用光器件定向耦合器這是一種22的3端或4端耦合器，其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘?hào)。見圖3.28(c)，光信號(hào)從端1傳輸?shù)蕉?，一部分由端3輸出，端4無(wú)輸出；光信號(hào)從端2傳輸?shù)蕉?，一部分由端4輸出，端3無(wú)輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。波分復(fù)用器/解復(fù)用器這是一種與波長(zhǎng)有關(guān)的耦合器(也稱合波器/分

53、波器)，見圖3.28(d)。波分復(fù)用器的功能是把多個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)輸出的光信號(hào)組合在一起，輸入到一根光纖；解復(fù)用器是把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，分配給不同的接收機(jī)。波分復(fù)用器/解復(fù)用器將在7.2節(jié)詳細(xì)介紹。 第3章通信用光器件2. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)耦合器的結(jié)構(gòu)有許多種類型，其中比較實(shí)用和有發(fā)展前途的有光纖型、微器件型和波導(dǎo)型，圖3.29圖 3.32示出這三種類型的有代表性器件的基本結(jié)構(gòu)。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。這種方法可以構(gòu)成T形耦合器、定向耦合器、星形耦合器和波分解復(fù)用器。圖3.29(a)和(b)分別示出單模22 定向耦合器和多模nn星形耦合器的結(jié)

54、構(gòu)。單模星形耦合器的端數(shù)受到一定限制，通常可以用22耦合器組成，圖3.29(c)示出由12個(gè)單模22耦合器組成的88星形耦合器。 第3章通信用光器件圖 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(gè)22耦合器組成的88星形耦合器 第3章通信用光器件圖3.29(a)所示的定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。如圖3.30，設(shè)光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合理論得到Pa=cos2(CL)(3.28a) Pb=sin2(CL)(3.28b) 式中，L為耦合器有效作用長(zhǎng)度，C為取決于光纖參數(shù)和光波長(zhǎng)的耦合系數(shù)。設(shè)特定波

55、長(zhǎng)為1和2，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長(zhǎng)度，使得當(dāng)光纖a的輸出Pa(1)最大時(shí)，光纖b的輸出Pb(1)=0；當(dāng)Pa(2)=0時(shí)，Pb(2)最大。對(duì)于1和2分別為1.3 m和1.55 m 的光纖型解復(fù)用器，可以做到附加損耗為0.5 dB，波長(zhǎng)隔離度大于20 dB。 第3章通信用光器件圖 3.30光纖型波分解復(fù)用器原理第3章通信用光器件微器件型用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，部分反射)、濾光片(一個(gè)波長(zhǎng)的光透射，另一個(gè)波長(zhǎng)的光反射)或光柵(不同波長(zhǎng)的光有不同反射方向)等微光學(xué)器件可以構(gòu)成T形耦合器、定向耦合器和波分解復(fù)用器，如圖3.31所示。用22的耦合器作為基本單元同樣可以構(gòu)成nn星形耦合器。

56、自聚焦透鏡在光無(wú)源器件中起著非常重要的作用，其工作原理可參考2.2節(jié)式(2.13)自聚焦效應(yīng)。圖3.31中使用了A/4和A/2(A為周期)兩種透鏡。 第3章通信用光器件圖 3.31微器件型耦合器(a) T形耦合器；(b) 定向耦合器；(c) 濾光式解復(fù)用器；(d) 光柵式解復(fù)用器 第3章通信用光器件波導(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。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。圖3.32示出波導(dǎo)型T形耦合器、定向耦合器和用濾光片作為波長(zhǎng)選擇元件的波分解復(fù)用器。 第3章通信用光器件圖 3.32波導(dǎo)型耦合器 (a) T形耦合器；(b)

57、定向耦合器；(c) 波分解復(fù)用器 第3章通信用光器件3. 主要特性主要特性說明耦合器參數(shù)的模型如圖3.33所示，主要參數(shù)定義如下。耦合比CR是一個(gè)指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用%表示由此可定義功率分路損耗Ls為NnonocOtOCppPPCR1)1lg( 10sCRL(3.30)(3.29)第3章通信用光器件圖 3.33說明耦合器參數(shù)的模型第3章通信用光器件附加損耗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Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示如下：插入損耗Lt是一個(gè)指定輸入端的光功率Pic和一個(gè)指定輸出端的光功率Poc的比

58、值，用分貝表示 NnNnPPpPL1in1inotitelg10lg 10(3.31)(3.32)ocictlg 10PPL第3章通信用光器件方向性DIR(隔離度)是一個(gè)輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其他端的光功率Pr的比值，用分貝表示一致性U是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。表3.6、表3.7列出波長(zhǎng)為1.31 m或(和)1.55 m單模光纖型耦合器和波分復(fù)用器/解復(fù)用器的一般性能。 (3.33)riclg 10DIRPP第3章通信用光器件第3章通信用光器件第3章通信用光器件3.3.3光隔離器與光環(huán)行器光隔離器與光環(huán)行器耦合器和其他大多數(shù)光無(wú)源器件的輸入端

59、和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。然而在許多實(shí)際光通信系統(tǒng)中通常也需要非互易器件。隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)正向入射光的插入損耗其值越小越好，對(duì)反向反射光的隔離度其值越大越好，目前插入損耗的典型值約為1 dB，隔離度的典型值的大致范圍為4050 dB。 第3章通信用光器件首先介紹一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP，State of Polarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場(chǎng)矢量的方向。在任何時(shí)刻，電場(chǎng)矢量都可以分解為兩個(gè)正交分量，這兩個(gè)正交分量分別稱為水平模和垂直模。隔離器工作原理如圖3.34所示。這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光，第一個(gè)偏振器的透振方向也在垂直方向，因此輸入光能夠通過第一個(gè)偏振器。 第3章通信用光器件緊接第一個(gè)偏振器的是法拉第旋轉(zhuǎn)器，法拉第旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定