第4章：光通信器件

1、第四章 光通信器件本章內(nèi)容n物質(zhì)與光的互作用物質(zhì)與光的互作用n半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理n半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）n半導(dǎo)體發(fā)光二極管（半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）n光放大器光放大器n半導(dǎo)體光檢測器工作原理半導(dǎo)體光檢測器工作原理 nPIN-PD和和APD的工作特性的工作特性n無源器件無源器件4.1 物質(zhì)與光的互作用電子的躍遷n介質(zhì)材料中，存在著三種電子的躍遷過程，對應(yīng)著三介質(zhì)材料中，存在著三種電子的躍遷過程，對應(yīng)著三種光與物質(zhì)的互作用過程種光與物質(zhì)的互作用過程n受激吸收受激吸收n自發(fā)發(fā)射自發(fā)發(fā)射n受激發(fā)射受激發(fā)射hhhhhE2E1E1E2E1E2受激吸收自發(fā)發(fā)射受激發(fā)射發(fā)光與光的放大n

2、在熱平衡狀態(tài)下，分布為：在熱平衡狀態(tài)下，分布為：n受激吸收和受激發(fā)射的速率分別比例與受激吸收和受激發(fā)射的速率分別比例與N1和和N2nN1N2-正常狀態(tài)正常狀態(tài)-受激吸收受激吸收受激發(fā)射受激發(fā)射-吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)nN1受激吸收受激吸收-激活激活物質(zhì)物質(zhì)n如果外部有合適頻率的光信號進(jìn)入粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)，則在受如果外部有合適頻率的光信號進(jìn)入粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)，則在受激輻射的作用下，該光信號被放大、光子數(shù)倍增，原有光激輻射的作用下，該光信號被放大、光子數(shù)倍增，原有光波特點保留波特點保留kTEENN1221exp4.2 半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)理純凈半導(dǎo)體晶體的能帶n半導(dǎo)體半導(dǎo)體晶體的晶格結(jié)構(gòu)使分立的能級形成具有一定寬晶體的

3、晶格結(jié)構(gòu)使分立的能級形成具有一定寬度的能帶度的能帶n在共價晶體中，最外層的電子和相鄰的原子形成共價在共價晶體中，最外層的電子和相鄰的原子形成共價鍵鍵n通常把價電子所占據(jù)的能帶稱為通常把價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶價帶n價帶以上的能帶（被自由電子占據(jù)）稱為價帶以上的能帶（被自由電子占據(jù)）稱為導(dǎo)帶導(dǎo)帶n價帶頂和導(dǎo)帶底之間的能量差為價帶頂和導(dǎo)帶底之間的能量差為 Eg，稱為禁帶寬度或稱為禁帶寬度或帶隙帶隙半導(dǎo)體晶體的能帶n在熱平衡狀態(tài)，能量為在熱平衡狀態(tài)，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布的能級被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布n材料的材料的費(fèi)米能級費(fèi)米能級 Ef 是一個參考能級，是一個參考能級，EEf

4、的能級，被電子占據(jù)的能級，被電子占據(jù)的可能性小于的可能性小于1/2，而對于，而對于 EEf 的能級，被電子占據(jù)的可能性的能級，被電子占據(jù)的可能性大于大于1/2。Eg/2Eg/2EfEcEvEg導(dǎo)帶價帶能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c) kTEEEPfexp11PN結(jié)的形成nP型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸時，在邊界面型半導(dǎo)體接觸時，在邊界面上，由于載流子濃度不同，出現(xiàn)擴(kuò)散上，由于載流子濃度不同，出現(xiàn)擴(kuò)散nP區(qū)空穴濃度高，向區(qū)空穴濃度高，向N區(qū)擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散nN區(qū)電子濃度高，向區(qū)電子濃度高，向P區(qū)擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散n載流子擴(kuò)散后，打破了原先的電平衡，在載流子擴(kuò)散后，打破了原先的電平衡

5、，在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的界面附近形成自建場，方向從區(qū)的界面附近形成自建場，方向從N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)區(qū)n載流子在自建場作用下發(fā)生漂移，方向與載流子在自建場作用下發(fā)生漂移，方向與擴(kuò)散運(yùn)動相反擴(kuò)散運(yùn)動相反n載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動終將取得平載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動終將取得平衡，此時衡，此時PN結(jié)形成結(jié)形成自建場空間電荷區(qū)-+-+- +-+-+-+- +-+-+-+- +-+-+-+- +-+-+-+- +-+P區(qū)N區(qū)PN結(jié)的特點n自建場的方向由自建場的方向由 N 區(qū)指向區(qū)指向 P 區(qū)區(qū)n空間電荷區(qū)幾乎沒有載流子存在，又稱為耗盡區(qū)空間電荷區(qū)幾乎沒有載流子存在，又稱為耗盡區(qū)nPN 結(jié)具有單向?qū)щ娦越Y(jié)具有

6、單向?qū)щ娦詎當(dāng)在當(dāng)在 N 區(qū)加正電壓區(qū)加正電壓 P 區(qū)接地時，外加電場與自建場方向一致，區(qū)接地時，外加電場與自建場方向一致，加強(qiáng)了自建場，在漂移作用下，耗盡區(qū)變寬，加強(qiáng)了自建場，在漂移作用下，耗盡區(qū)變寬，PN 結(jié)電阻愈大，結(jié)電阻愈大，幾乎不導(dǎo)電幾乎不導(dǎo)電n當(dāng)在當(dāng)在 P 區(qū)加正電壓區(qū)加正電壓 N 區(qū)接地時，外加電場與自建場方向相向，區(qū)接地時，外加電場與自建場方向相向，抵消了自建場，當(dāng)完全抵消自建場時，在載流子的擴(kuò)散作用抵消了自建場，當(dāng)完全抵消自建場時，在載流子的擴(kuò)散作用下，下，PN 結(jié)開始導(dǎo)電結(jié)開始導(dǎo)電有源區(qū)的形成P區(qū)N區(qū)熱平衡狀態(tài)下，費(fèi)米能級統(tǒng)一熱平衡狀態(tài)下，費(fèi)米能級統(tǒng)一P區(qū)N區(qū)Ef外加正向電

7、壓時，費(fèi)米能級分裂，外加正向電壓時，費(fèi)米能級分裂，形成兩個準(zhǔn)費(fèi)米能級形成兩個準(zhǔn)費(fèi)米能級（Ef）c（Ef）v有源區(qū)有源區(qū)增益區(qū)增益區(qū)有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)輻射和受激輻射將占優(yōu)勢，半導(dǎo)體發(fā)光，有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)輻射和受激輻射將占優(yōu)勢，半導(dǎo)體發(fā)光，且光子能量滿足：且光子能量滿足： 就會產(chǎn)生放大作用。就會產(chǎn)生放大作用。Eg h eV正向電壓大到一定的值時，準(zhǔn)費(fèi)米能級的能量間隔大于禁帶寬度，正向電壓大到一定的值時，準(zhǔn)費(fèi)米能級的能量間隔大于禁帶寬度， ，在，在PN結(jié)區(qū)域會出現(xiàn)有源區(qū)。結(jié)區(qū)域會出現(xiàn)有源區(qū)。gfVfCEEE4.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）LED工作原理nLED：Light-Emi

8、tting Diode，發(fā)光二極管發(fā)光二極管n發(fā)光原理：基于半導(dǎo)體發(fā)光原理：基于半導(dǎo)體PN結(jié)自發(fā)輻射機(jī)理結(jié)自發(fā)輻射機(jī)理n適當(dāng)材料的半導(dǎo)體適當(dāng)材料的半導(dǎo)體PN結(jié)加正向電壓就可構(gòu)成結(jié)加正向電壓就可構(gòu)成LEDn適當(dāng)材料：有源區(qū)電子適當(dāng)材料：有源區(qū)電子-空穴可以產(chǎn)生輻射復(fù)合，從而產(chǎn)生發(fā)光的空穴可以產(chǎn)生輻射復(fù)合，從而產(chǎn)生發(fā)光的半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料n直接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶底和價帶頂對齊直接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶底和價帶頂對齊-輻射復(fù)合輻射復(fù)合n間接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶底和價帶頂錯位間接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶底和價帶頂錯位-非輻射復(fù)合非輻射復(fù)合n硅為間接帶隙半導(dǎo)體，所以不能用于制作發(fā)光器件硅為間接帶隙半導(dǎo)體，所以不能用于制作

9、發(fā)光器件n由三種及三種以上元素構(gòu)成的合金材料可以通過改變元素的構(gòu)成由三種及三種以上元素構(gòu)成的合金材料可以通過改變元素的構(gòu)成比例改變其帶隙能量和輻射波長比例改變其帶隙能量和輻射波長等為直接帶隙半導(dǎo)體GaAsPAlGaAsGaInPGaAs,LED的結(jié)構(gòu)n同質(zhì)結(jié)指制作同質(zhì)結(jié)指制作P區(qū)和區(qū)和N區(qū)均使用同一種半導(dǎo)體區(qū)均使用同一種半導(dǎo)體摻雜制成摻雜制成n同質(zhì)同質(zhì)PN結(jié)發(fā)光效率比較低結(jié)發(fā)光效率比較低n電子電子-空穴分布范圍大，濃度低，增益低空穴分布范圍大，濃度低，增益低nPN結(jié)與結(jié)與P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的相對折射率差小，雜散方向上區(qū)的相對折射率差小，雜散方向上光子多，不能有效反饋、輸出光子多，不能有效反饋、輸出

10、同質(zhì)結(jié)的效率問題同質(zhì)結(jié)的效率問題LED的結(jié)構(gòu)n異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)指在有源區(qū)的兩邊加上相異的寬帶隙的半異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)指在有源區(qū)的兩邊加上相異的寬帶隙的半導(dǎo)體材料導(dǎo)體材料n異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，特別是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，對載流子和光子異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，特別是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，對載流子和光子都形成約束，大大提高了發(fā)光效率都形成約束，大大提高了發(fā)光效率雙異質(zhì)結(jié)提高發(fā)光效率雙異質(zhì)結(jié)提高發(fā)光效率雙異質(zhì)結(jié)的工作原理PGa1xAlxAsPGaAsNGa1yAlyAs復(fù)合空穴異質(zhì)勢壘E能量(a)(b)(c)n折射率5%(d)P光電子LED的結(jié)構(gòu)n根據(jù)光輸出位置不同可分為面發(fā)射型根據(jù)光輸出位置不同可分為面發(fā)射型LED和邊發(fā)射型和邊發(fā)射型LED電極光纖

11、膠有源區(qū)限流區(qū)Cu熱沉SiO2SiO2雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)金屬接觸層面發(fā)射型LED雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)襯底Cu熱沉電極金屬接觸邊發(fā)射型LEDn輻射方向：與輻射方向：與PN結(jié)區(qū)垂直結(jié)區(qū)垂直n發(fā)光面：圓形發(fā)光面：圓形n輻射方向：是輻射方向：是PN結(jié)有源區(qū)端面結(jié)有源區(qū)端面n發(fā)光面：橢圓形發(fā)光面：橢圓形LED的P-I特性n輸出光功率基本上與注入電流成正比輸出光功率基本上與注入電流成正比n典型值：典型值： 工作電流：工作電流：50100mA 正向電壓：正向電壓：1.21.8V 入纖功率在入纖功率在-20dBm(10w)量級量級PIeIEeIhvPg頻譜特性nLED沒有諧振腔，其光譜就是半導(dǎo)體材料的自發(fā)輻射譜沒有諧振腔，

12、其光譜就是半導(dǎo)體材料的自發(fā)輻射譜nLED的發(fā)射譜線較寬的發(fā)射譜線較寬nGaAlAs LED譜線寬度約譜線寬度約3050nmnInGaAsP LED譜線寬度約譜線寬度約60120nmn面發(fā)光面發(fā)光LED較邊發(fā)光較邊發(fā)光LED的譜寬更寬的譜寬更寬邊發(fā)光邊發(fā)光LED面發(fā)光面發(fā)光LED溫度特性n溫度升高，輸出功率有所下降溫度升高，輸出功率有所下降n溫度升高，輸出光譜展寬，譜中心右移溫度升高，輸出光譜展寬，譜中心右移n總體上，由于總體上，由于LED不是閾值器件，因此與不是閾值器件，因此與LD相比，溫度對相比，溫度對LED的的影響相對較小影響相對較小I=100mAI=400mAP光束發(fā)射特性nLED發(fā)出的

13、光束為非相干光，可視作朗伯光源，空間發(fā)散角較大發(fā)出的光束為非相干光，可視作朗伯光源，空間發(fā)散角較大n面發(fā)光面發(fā)光LED光束的輻射功率隨角度的變化而呈余弦變化，光束的光束的輻射功率隨角度的變化而呈余弦變化，光束的半功率發(fā)散角為半功率發(fā)散角為120n邊發(fā)光邊發(fā)光LED由于在平行于由于在平行于PN結(jié)的方向有異質(zhì)結(jié)的折射率變化約束，結(jié)的方向有異質(zhì)結(jié)的折射率變化約束，因此光束的垂直發(fā)射角小一些，約因此光束的垂直發(fā)射角小一些，約3050，另外一個方向上發(fā)另外一個方向上發(fā)射角較大，約射角較大，約120LED的常用典型值n出纖功率n典型值：-20dBmn調(diào)制帶寬n100Mbps以上n半功率譜線寬度n50120

14、nmn工作電流n100mA4.4 半導(dǎo)體激光器（LD）LD工作原理nLD：Laser Diode，半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器n發(fā)光原理：基于半導(dǎo)體發(fā)光原理：基于半導(dǎo)體PN結(jié)受激輻射機(jī)理結(jié)受激輻射機(jī)理n構(gòu)成：對光頻具有放大作用的激活物質(zhì)、選頻機(jī)構(gòu)構(gòu)成：對光頻具有放大作用的激活物質(zhì)、選頻機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)激射條件n當(dāng)當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓形成有源區(qū)后，還不能產(chǎn)生激光結(jié)外加正向電壓形成有源區(qū)后，還不能產(chǎn)生激光n產(chǎn)生激光的兩個條件產(chǎn)生激光的兩個條件n存在光學(xué)諧振腔（振蕩的必要條件：反饋）存在光學(xué)諧振腔（振蕩的必要條件：反饋）n有源區(qū)對光的增益足夠大（振蕩的必要條件：克服損耗）有源區(qū)對光的增益足夠大（

15、振蕩的必要條件：克服損耗）n條件的滿足條件的滿足n普通普通LD通常使用晶體的天然解理面作為通常使用晶體的天然解理面作為 F-P 諧振腔諧振腔nLD要產(chǎn)生激光，注入電流必須超過某一閾值，使有源區(qū)內(nèi)的增要產(chǎn)生激光，注入電流必須超過某一閾值，使有源區(qū)內(nèi)的增益大于損耗，此時才能產(chǎn)生激光。因此，益大于損耗，此時才能產(chǎn)生激光。因此，LD是一種閾值器件是一種閾值器件4.4.1 LD的結(jié)構(gòu)n構(gòu)成：對光頻具有放大作用的激活物質(zhì)、選頻機(jī)構(gòu)構(gòu)成：對光頻具有放大作用的激活物質(zhì)、選頻機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)激活物質(zhì)激活物質(zhì)-處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的有源區(qū)提供處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的有源區(qū)提供選頻機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)選頻機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)

16、-F-P諧振腔或光柵提供諧振腔或光柵提供n半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)：由一個簡單的半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)：由一個簡單的PN結(jié)合兩結(jié)合兩個自然解理面形成的個自然解理面形成的F-P諧振腔構(gòu)成諧振腔構(gòu)成F-P諧振腔2n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)初始位置光光強(qiáng)輸出OXL(b) 圖 激光器的構(gòu)成和工作原理 (a) 激光振蕩； (b) 光反饋 閾值條件211ln21rrLagit閾值增益系數(shù)：n當(dāng)注入電流從零逐漸增大時，并不能立即產(chǎn)生激光當(dāng)注入電流從零逐漸增大時，并不能立即產(chǎn)生激光n由于諧振腔內(nèi)部會有各種損耗由于諧振腔內(nèi)部會有各種損耗n光場在諧振腔內(nèi)部往返一次所得的增益足以補(bǔ)償腔光場在諧振腔內(nèi)部往返一次所得

17、的增益足以補(bǔ)償腔內(nèi)所有的損耗時才會形成穩(wěn)定的激光輸出內(nèi)所有的損耗時才會形成穩(wěn)定的激光輸出n閾值條件閾值條件閾值條件gLiteGrrLag2211ln21增益：閾值增益系數(shù)：之前取值反射系數(shù)，分別是腔體兩個端面的諧振腔中的損耗系數(shù)是4 . 03 . 0,21rrPFai起的損耗腔兩端的不完全反射引腔側(cè)面的衍射損耗吸收損耗腔中的損耗PF閾值電流n閾值增益系數(shù)主要決定于有源區(qū)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度，或閾值增益系數(shù)主要決定于有源區(qū)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度，或者說決定于注入電流者說決定于注入電流n對于確定結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器必有一個確定的注入電流對于確定結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器必有一個確定的注入電流It，在此注入電流下，激光

18、器的增益系數(shù)正好等于其總，在此注入電流下，激光器的增益系數(shù)正好等于其總損耗系數(shù)損耗系數(shù)n如果注入電流再增加，增益就會超過損耗，激光器從自如果注入電流再增加，增益就會超過損耗，激光器從自發(fā)輻射狀態(tài)轉(zhuǎn)換為受激輻射狀態(tài)發(fā)輻射狀態(tài)轉(zhuǎn)換為受激輻射狀態(tài)nIt稱為閾值電流稱為閾值電流F-P諧振腔n諧振腔中的電磁場呈駐波分布，諧振腔中的諧振模式分諧振腔中的電磁場呈駐波分布，諧振腔中的諧振模式分為縱模和橫模為縱模和橫模n光波在兩個鏡面之間來回反射，入射波和反射波疊加會光波在兩個鏡面之間來回反射，入射波和反射波疊加會形成穩(wěn)定的駐波分布。形成穩(wěn)定的駐波分布。n軸向形成穩(wěn)定駐波的條件是兩個反射鏡之間的距離即腔軸向形成

19、穩(wěn)定駐波的條件是兩個反射鏡之間的距離即腔體的長度體的長度L是腔體中電磁波半波長的整數(shù)倍是腔體中電磁波半波長的整數(shù)倍縱?？v模F-P諧振腔nLnLcvvvqq2221隔：相鄰縱模之間的波長間隔：相鄰縱模之間的頻率間n縱模在頻率軸上是均勻分布的縱模在頻率軸上是均勻分布的nvcqnqL22激光振蕩的相位條件：nLcqvqq2個縱模的諧振頻率為：第F-P諧振腔n諧振腔在橫截面內(nèi)的電磁場結(jié)構(gòu)決定了諧振腔的橫模。諧振腔在橫截面內(nèi)的電磁場結(jié)構(gòu)決定了諧振腔的橫模。n諧振腔內(nèi)的場具有準(zhǔn)諧振腔內(nèi)的場具有準(zhǔn)TEM場特性，可以用場特性，可以用TEMmnq來代來代表表F-P腔中的諧振模式。腔中的諧振模式。q：縱模序數(shù)（一

20、般不寫）：縱模序數(shù)（一般不寫）m和和n：橫模序數(shù)：橫模序數(shù)橫模橫模n基橫模狀態(tài)基橫模狀態(tài)TEM00q ，對于一個確定的縱模序數(shù)，對于一個確定的縱模序數(shù)q，諧振，諧振頻率是確定的，即每一個縱模序數(shù)頻率是確定的，即每一個縱模序數(shù)q對應(yīng)一條譜線。對應(yīng)一條譜線。n多橫模條件下，對應(yīng)確定的縱模序數(shù)，譜線將被展寬。多橫模條件下，對應(yīng)確定的縱模序數(shù)，譜線將被展寬。F-P諧振腔的損耗 azeIzI0數(shù)衰減：腔內(nèi)的光強(qiáng)在軸向呈指 QteWtW/0腔內(nèi)能量按指數(shù)衰減：/Qtp腔內(nèi)光子壽命：pdBvdB2133帶寬為：譜線的n腔內(nèi)光子數(shù)減少到初始值的1/e的時間間隔稱為腔內(nèi)光子壽命nvcaQvvdB213譜線的相對

21、線寬為：n由于存在損耗，確定縱模諧振頻率不再是確定值，而對應(yīng)于一條確定的諧振曲線。4.3.2 LD的工作特性激光器的工作特性內(nèi)容n包括以下幾個方面n轉(zhuǎn)換效率n溫度特性nP-I特性n光譜特性n激光光束的空間特性轉(zhuǎn)換效率n激光器的電激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率表示光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率表示hfeIPeIIhfPPththd/n表征了閾值以上的輸出的光子數(shù)的增量與注入的電子數(shù)表征了閾值以上的輸出的光子數(shù)的增量與注入的電子數(shù)的增量之比，且隨溫度的升高而下降的增量之比，且隨溫度的升高而下降PIP-I特性n激光器的激光器的P-I特性表現(xiàn)出明顯的特性表現(xiàn)出明顯的閾值特性閾值特性n當(dāng)注入電流小于

22、閾值電流時，不發(fā)當(dāng)注入電流小于閾值電流時，不發(fā)射激光，輸出光功率隨注入電流的射激光，輸出光功率隨注入電流的增加而緩慢增長增加而緩慢增長n當(dāng)注入電流大于閾值電流時，發(fā)射當(dāng)注入電流大于閾值電流時，發(fā)射激光，輸出光功率隨注入電流的增激光，輸出光功率隨注入電流的增加而迅速線性增長加而迅速線性增長IththdthIIehfPP溫度特性nLD總體上是一個溫度敏感器件?？傮w上是一個溫度敏感器件。n溫度的變化對溫度的變化對LD的工作狀態(tài)影響較大，主要存在以下幾個方面的工作狀態(tài)影響較大，主要存在以下幾個方面的影響的影響n溫度升高，閾值電流升高溫度升高，閾值電流升高n溫度升高，輸出功率降低溫度升高，輸出功率降低n

23、溫度變化，波長不穩(wěn)定溫度變化，波長不穩(wěn)定 00/expTTITIth光束發(fā)射特性n半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)是一個類似于矩形平面介質(zhì)波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)是一個類似于矩形平面介質(zhì)波導(dǎo)n近區(qū)場呈橢圓形分布，長軸在波導(dǎo)的寬邊方向，短軸在窄邊方向近區(qū)場呈橢圓形分布，長軸在波導(dǎo)的寬邊方向，短軸在窄邊方向n遠(yuǎn)區(qū)場也呈橢圓形分布，但長軸在波導(dǎo)的窄邊方向，短軸在寬邊方向遠(yuǎn)區(qū)場也呈橢圓形分布，但長軸在波導(dǎo)的窄邊方向，短軸在寬邊方向n遠(yuǎn)區(qū)場表現(xiàn)出遠(yuǎn)區(qū)場表現(xiàn)出LD光束的發(fā)射特性，通常垂直發(fā)散角約光束的發(fā)射特性，通常垂直發(fā)散角約 30300 040400 0，水，水平發(fā)散角約平發(fā)散角約 10100 020200 0 光

24、譜特性n使用天然解理面構(gòu)成使用天然解理面構(gòu)成F-P諧振腔的半導(dǎo)體激光器存在多縱模振蕩的情況，諧振腔的半導(dǎo)體激光器存在多縱模振蕩的情況，每一個縱模對應(yīng)一個振蕩波長，因此總體上每一個縱模對應(yīng)一個振蕩波長，因此總體上LD的頻譜呈現(xiàn)多譜線結(jié)構(gòu)，譜的頻譜呈現(xiàn)多譜線結(jié)構(gòu)，譜線包絡(luò)為高斯輪廓線包絡(luò)為高斯輪廓gEhf n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的能量/cf ggEEhc24. 1n不同的半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度，因而有不同的發(fā)射波長不同的半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度，因而有不同的發(fā)射波長n鎵鋁砷鎵鋁砷-鎵砷鎵砷(Ga

25、AlAs-GaAs)-0.85 mn銦鎵砷磷銦鎵砷磷-銦磷銦磷(InGaAsP-InP)-1.31.55 mLD輸出譜線隨注入電流的變化75mA 2.3mW80mA 4mW100mA 10mW直流驅(qū)動直流驅(qū)動300Mb/s數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制靜態(tài)單縱模激光器動態(tài)單縱模激光器F-P諧振腔改變結(jié)構(gòu)分布反饋激光器動態(tài)單縱模激光器4.3.3 窄線寬激光器DFB和DBRBragg光柵P區(qū)N區(qū)Bragg光柵有源區(qū)DBR-LDDFB和和DBR均可實現(xiàn)單均可實現(xiàn)單縱模輸出，輸出波長為縱模輸出，輸出波長為布喇格波長布喇格波長更好的溫度特性更好的溫度特性窄線寬特性窄線寬特性波長穩(wěn)定性好波長穩(wěn)定性好線性好線性好動態(tài)譜線

26、好動態(tài)譜線好P區(qū)N區(qū)1/4波長Bragg光柵有源區(qū)DFB-LDDFB分布反饋式半導(dǎo)體激光器分布反饋式半導(dǎo)體激光器DBR分布布拉格反射激光器分布布拉格反射激光器nLED與與LD的區(qū)別在于：的區(qū)別在于：nLED是非相干光源，以自發(fā)輻射為主是非相干光源，以自發(fā)輻射為主n沒有諧振腔沒有諧振腔n發(fā)光過程中不一定需要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，沒發(fā)光過程中不一定需要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，沒有閾值條件有閾值條件n輸出光功率基本上與注入電流成正比輸出光功率基本上與注入電流成正比LD與LED的比較n出纖功率：出纖功率：通常通常LD較較LED高高10dB以上以上n譜寬：譜寬：LD尤其是動態(tài)單縱模尤其是動態(tài)單縱模LD譜線比譜線比LE

27、D窄窄23個數(shù)量級個數(shù)量級n調(diào)制速率：調(diào)制速率：LD更高更高n與光纖的耦合：與光纖的耦合：LD發(fā)散角較小，耦合更方便發(fā)散角較小，耦合更方便n生產(chǎn)成本：生產(chǎn)成本：LED低低nP-I特性：特性：LED基本是線性；基本是線性；LD為閾值器件為閾值器件n溫度特性：溫度特性：LD對溫度變化更敏感對溫度變化更敏感n壽命：壽命：LED更長一些更長一些n應(yīng)用場合：應(yīng)用場合：LD應(yīng)用于高速、長距離光纖通信系統(tǒng)；應(yīng)用于高速、長距離光纖通信系統(tǒng)；LED應(yīng)用于對應(yīng)用于對成本比較敏感的低速短距離光纖通信系統(tǒng)成本比較敏感的低速短距離光纖通信系統(tǒng)4.5 光放大器光放大器的應(yīng)用n長距離通信系統(tǒng)中的中繼放大器長距離通信系統(tǒng)中的

28、中繼放大器n光發(fā)送機(jī)后級的功率提升放大器光發(fā)送機(jī)后級的功率提升放大器n光接收機(jī)前置放大器光接收機(jī)前置放大器n廣泛使用的光放大器廣泛使用的光放大器n半導(dǎo)體激光放大器半導(dǎo)體激光放大器(SOA)n光纖放大器光纖放大器摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器(EDFA)拉曼光纖放大器拉曼光纖放大器放大機(jī)理n半導(dǎo)體激光放大器半導(dǎo)體激光放大器n利用處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的半導(dǎo)體利用處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的半導(dǎo)體PN結(jié)對光的增結(jié)對光的增益效應(yīng)來實現(xiàn)對光信號的放大益效應(yīng)來實現(xiàn)對光信號的放大n光纖放大器光纖放大器n對光纖進(jìn)行摻雜，利用受激輻射機(jī)制實現(xiàn)光的直接對光纖進(jìn)行摻雜，利用受激輻射機(jī)制實現(xiàn)光的直接放大放大n利用受激散射機(jī)制實現(xiàn)

29、光的直接放大利用受激散射機(jī)制實現(xiàn)光的直接放大衡量放大器的參數(shù)spspoutinnGGnSNRSNRNF212n增益增益n噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)n經(jīng)過放大器后，系統(tǒng)信噪比的劣化程度為噪聲系數(shù)經(jīng)過放大器后，系統(tǒng)信噪比的劣化程度為噪聲系數(shù)NFn理想放大器，被放大光信號的理想放大器，被放大光信號的SNR也會降低也會降低3dB粒子數(shù)不完全反轉(zhuǎn)粒子數(shù)完全反轉(zhuǎn)11spnEDFA放大原理n鉺鉺(Er)是一種稀土元素是一種稀土元素n摻入鉺元素的目的：促成被動的傳摻入鉺元素的目的：促成被動的傳輸光纖轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹糯竽芰Φ闹鲃虞敼饫w轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹糯竽芰Φ闹鲃庸饫w。光纖。n因此，這種光纖的新特性因此，這種光纖的新特性-激光特激

30、光特性、光放大特性等與鉺離子的性質(zhì)性、光放大特性等與鉺離子的性質(zhì)密切相關(guān)。密切相關(guān)。n鉺未受到任何激勵的條件下，處于最低能級，鉺未受到任何激勵的條件下，處于最低能級，即基態(tài)上；即基態(tài)上；n當(dāng)泵浦光射入，當(dāng)泵浦光射入，Er原子中的電子吸收泵浦光原子中的電子吸收泵浦光的能量，向高能級躍遷。處于高能級的粒子的能量，向高能級躍遷。處于高能級的粒子是不穩(wěn)定的，它會通過非發(fā)光躍遷迅速跳到是不穩(wěn)定的，它會通過非發(fā)光躍遷迅速跳到壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)能級上；壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)能級上；n源源不斷的泵浦下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)不斷源源不斷的泵浦下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)不斷積累，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；積累，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；n當(dāng)有外部

31、光激勵時，載流子將以受激輻射的當(dāng)有外部光激勵時，載流子將以受激輻射的方式躍遷到基態(tài)并發(fā)射光子，形成光放大。方式躍遷到基態(tài)并發(fā)射光子，形成光放大。n980nm和和1480nm的大功率半導(dǎo)體激光器是的大功率半導(dǎo)體激光器是最常用的泵浦源。最常用的泵浦源。EDFA的結(jié)構(gòu)光耦合器光耦合器光隔離器光隔離器光隔離器光隔離器光濾波器光濾波器EDFINOUT泵浦光泵浦光4.6 半導(dǎo)體光檢測器工作原理半導(dǎo)體光檢測器工作原理 n檢測器的基本功能：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。檢測器的基本功能：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。n分類分類熱檢測器熱檢測器光電導(dǎo)型檢測器光電導(dǎo)型檢測器光伏檢測器光伏檢測器-+-+- +-+-+-+- +-+

32、-+-+- +-+光電二極管工作原理n利用利用PN結(jié)的光電效應(yīng)，在自建場的作用下產(chǎn)生光電流結(jié)的光電效應(yīng)，在自建場的作用下產(chǎn)生光電流h自建場n由由PN結(jié)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)成，光電效應(yīng)對應(yīng)著物質(zhì)與光的互作用中的“受激吸收”h耗盡區(qū)反偏的PN結(jié)導(dǎo)帶價帶P區(qū)N區(qū)PN結(jié)響應(yīng)波長n產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件：產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件：n截止波長截止波長n上截止波長上截止波長n上截止波長受禁帶寬度的限制，當(dāng)光子能量小于禁帶上截止波長受禁帶寬度的限制，當(dāng)光子能量小于禁帶寬度時，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)寬度時，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)nGe材料：材料：1.6m；Si材料：材料：1.06mn下截止波長下截止波長n半導(dǎo)體材料對入射光的吸收作用和波長有關(guān)

33、半導(dǎo)體材料對入射光的吸收作用和波長有關(guān)n下截止波長受下截止波長受 0 電場區(qū)吸收限制，當(dāng)光子頻率很高時，電場區(qū)吸收限制，當(dāng)光子頻率很高時，其穿透深度小于其穿透深度小于 0 電場區(qū)的厚度，不能到達(dá)耗盡區(qū)電場區(qū)的厚度，不能到達(dá)耗盡區(qū)gEhv mEgc24. 1vc/gcEhc響應(yīng)度和響應(yīng)時間n光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度表示：光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度表示：n量子效率：一次光生電子量子效率：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n響應(yīng)度：一次光生電流和入射光功率的比值響應(yīng)度：一次光生電流和入射光功率的比值n響應(yīng)時間響應(yīng)時間n入射光功率呈階躍變化的條件下，檢測器的輸出電

34、流從最入射光功率呈階躍變化的條件下，檢測器的輸出電流從最大值的大值的10%上升到上升到90%所用的時間所用的時間ehfPIhfPeIPP00/-入射光子數(shù)空穴對光生電子WAhfePIP/0rt響應(yīng)度和響應(yīng)時間n響應(yīng)時間制約元素：響應(yīng)時間制約元素：n檢測器的結(jié)電容和外電路電阻構(gòu)成電路的時間常檢測器的結(jié)電容和外電路電阻構(gòu)成電路的時間常數(shù)數(shù)n電荷載流子渡越耗盡區(qū)的時間電荷載流子渡越耗盡區(qū)的時間rdBtf35. 03n響應(yīng)時間決定了器件的可用頻帶寬度響應(yīng)時間決定了器件的可用頻帶寬度普通PD存在的問題n普通PD直接使用P摻雜半導(dǎo)體和N摻雜半導(dǎo)體結(jié)合而成，工作時加反向偏壓n存在問題n0電場區(qū)較厚n量子效率

35、低、響應(yīng)速度慢n耗盡區(qū)較薄n量子效率低、結(jié)電容大，影響響應(yīng)速度P區(qū)PN結(jié)N區(qū)0電場區(qū)0電場區(qū)耗盡區(qū)4.7 PIN-PD和和APD的工作特性的工作特性PIN-PDnPIN的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)nPIN使用三層結(jié)構(gòu)，與普通使用三層結(jié)構(gòu)，與普通PD相比，在相比，在P層和層和N層之間增加一個層之間增加一個I層，同時層，同時P層和層和N層均很薄層均很薄nI層是一個接近本征的，低摻雜濃度的層是一個接近本征的，低摻雜濃度的N區(qū)，比區(qū)，比較厚較厚n整個整個I區(qū)均沒有載流子，為耗盡區(qū)區(qū)均沒有載流子，為耗盡區(qū)PINhvn PIN的優(yōu)點的優(yōu)點n 量子效率高量子效率高n 響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快E光電流的倍增APDnAPD：Ava

36、lanche Photo Diode，雪崩光電二極管雪崩光電二極管n APD工作原理工作原理n使用時加高反偏壓，在使用時加高反偏壓，在APD內(nèi)部建立一個高電場區(qū)（內(nèi)部建立一個高電場區(qū)（3 105 V/cm）n光生載流子在高電場區(qū)將被加速到較高速度光生載流子在高電場區(qū)將被加速到較高速度n高速載流子與晶格可能發(fā)生碰撞，從而使晶體中的原子發(fā)生高速載流子與晶格可能發(fā)生碰撞，從而使晶體中的原子發(fā)生電離，產(chǎn)生新的電子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對空穴對n二次電子二次電子-空穴對還可重復(fù)上述過程，直到逸出高場區(qū)空穴對還可重復(fù)上述過程，直到逸出高場區(qū)n上述雪崩過程將使上述雪崩過程將使APD的光電流產(chǎn)生倍增的光電流

37、產(chǎn)生倍增雪崩增益的大小n工程應(yīng)用中，工程應(yīng)用中，G 可以用一個簡單的式子來表示可以用一個簡單的式子來表示：mBVIRVG11V 加在APD上的反向偏壓I APD的暗電流R APD電路的串聯(lián)電阻VB APD的反向擊穿電壓m 由APD的材料和器件結(jié)構(gòu)決定的參量 其中：PMIIg/n雪崩過程產(chǎn)生了光電流的倍增，倍增增益為：雪崩過程產(chǎn)生了光電流的倍增，倍增增益為：APD的過剩噪聲n考察考察APD中光生載流子的倍增過程中光生載流子的倍增過程n光生載流子可能發(fā)生倍增，也可能不發(fā)生光生載流子可能發(fā)生倍增，也可能不發(fā)生n可能發(fā)生一次倍增，也可能發(fā)生多次倍增可能發(fā)生一次倍增，也可能發(fā)生多次倍增n電子倍增率和空穴

38、倍概率極可能并不相同電子倍增率和空穴倍概率極可能并不相同nPD中本身存在的一些噪聲也被倍增中本身存在的一些噪聲也被倍增n以上過程均為隨機(jī)過程，可見以上過程均為隨機(jī)過程，可見APD雪崩增益的代價是雪崩增益的代價是倍增后的光電流附加上這些噪聲倍增后的光電流附加上這些噪聲n這種附加的噪聲被稱為這種附加的噪聲被稱為nAPD的過剩噪聲用的過剩噪聲用來描述來描述過剩噪聲系數(shù)n過剩噪聲系數(shù)定義：過剩噪聲系數(shù)定義：n F(G) = /G2n為了簡化計算，過剩噪聲系數(shù)為了簡化計算，過剩噪聲系數(shù)F(G)可表示為：可表示為：nF(G) = G x，式中的式中的 x (0 x1)即為噪聲指數(shù)即為噪聲指數(shù)nx 的大小取

39、決于的大小取決于APD的材料和器件結(jié)構(gòu)，對的材料和器件結(jié)構(gòu)，對Si-APD， x約為約為0.5；對；對Ge-APD， x約為約為0.6-1.0 RAPDnRAPD：拉通型APDnN+P P+ 層結(jié)構(gòu)n當(dāng)偏壓加大到某值后，耗盡區(qū)拉通到區(qū)，一直抵達(dá)P+接觸層n繼續(xù)加壓時電場增量主要在P區(qū)和區(qū)分布，高場區(qū)變化不大雪崩區(qū)耗盡區(qū)碰撞電離所需的最小場強(qiáng)N+PP+4.8 常見的無源光器件光纖通信系統(tǒng)中使用的器件n有源光器件n主動工作，必須外加能源n信號的產(chǎn)生、檢測與放大n無源光器件n被動工作，無需能源n完成光纖的接續(xù)、隔離、信號合/分路、衰耗、復(fù)用/解復(fù)用等功能常見的無源光器件n光纖連接器光纖連接器n活動連

40、接、半永久連接和永久連接活動連接、半永久連接和永久連接n光纖耦合器光纖耦合器n光波分復(fù)用光波分復(fù)用/去復(fù)用器去復(fù)用器n光隔離器光隔離器n光纖衰減器光纖衰減器n固定衰減器及可變衰減器固定衰減器及可變衰減器n光外調(diào)制器及光開關(guān)光外調(diào)制器及光開關(guān)光纖連接器光纖的連接n永久連接永久連接n光纜線路建設(shè)中使用，通常使用熔融法實現(xiàn)光纖的光纜線路建設(shè)中使用，通常使用熔融法實現(xiàn)光纖的永久連接永久連接n半永久連接半永久連接n通常用于光纖線路的搶修，常用套管通常用于光纖線路的搶修，常用套管+匹配液匹配液+粘粘接接n活動連接活動連接n用于可能需要經(jīng)常調(diào)整連接關(guān)系的地方，如端設(shè)備用于可能需要經(jīng)常調(diào)整連接關(guān)系的地方，如端

41、設(shè)備與外部光纜線路。與外部光纜線路。對光纖連接器的基本要求n損耗小n可重復(fù)性（指反復(fù)插拔時插入損耗變化?。﹏壽命長n強(qiáng)度高n環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)連接損耗n橫向偏移引起的連接損耗橫向偏移引起的連接損耗n角度偏移引起的連接損耗角度偏移引起的連接損耗n縱向移位引起的連接損耗縱向移位引起的連接損耗單模光纖階躍光纖22/12explg102122arccos2lg10dLadadadLdd單模光纖階躍光纖22/explg1021lg10nLkL單模光纖階躍光纖22222/11lg10241lg10nsLkasLss光纖活動連接器的主要類型及指標(biāo)n衡量光纖活動鏈接器的主要光學(xué)特性指標(biāo)衡量光纖活動鏈接器的主要光學(xué)特

42、性指標(biāo)n插入損耗插入損耗接續(xù)的連接器給系統(tǒng)造成的光功率衰減接續(xù)的連接器給系統(tǒng)造成的光功率衰減目前商用的連接器的損耗小于目前商用的連接器的損耗小于0.2dBn回波損耗回波損耗又稱后向損耗，指在光纖連接處，后向反射光相對又稱后向損耗，指在光纖連接處，后向反射光相對于輸入光的比率分貝數(shù)，值愈大愈好，以減少反射于輸入光的比率分貝數(shù)，值愈大愈好，以減少反射光對光源和系統(tǒng)的影響光對光源和系統(tǒng)的影響光纖活動連接器的主要類型及指標(biāo)n一套光纖連接器習(xí)慣指兩個插頭加一個適配器；一套光纖連接器習(xí)慣指兩個插頭加一個適配器；n將裝有插頭的光纜叫做跳線，可裝一個頭，也將裝有插頭的光纜叫做跳線，可裝一個頭，也可裝兩個頭，插

43、頭可以是同一個型號，也可以可裝兩個頭，插頭可以是同一個型號，也可以不同型號，可以是單芯，也可以是多芯。不同型號，可以是單芯，也可以是多芯。n把光纖插頭連接在一起，使光纖接通的器件叫把光纖插頭連接在一起，使光纖接通的器件叫適配器適配器(法蘭盤法蘭盤)，可以接相同型號的插頭，也，可以接相同型號的插頭，也可接不同的插頭?？山硬煌牟孱^。光纖活動連接器的主要類型及指標(biāo)n連接類型連接類型n圓形帶螺紋光纖接頭圓形帶螺紋光纖接頭-FC型型n卡接式圓形光纖接頭卡接式圓形光纖接頭-ST型型n方形光纖接頭方形光纖接頭-SC型型光纖活動連接器的主要類型及指標(biāo)n連接類型連接類型n圓形帶螺紋光纖接頭圓形帶螺紋光纖接頭-

44、FC型型n卡接式圓形光纖接頭卡接式圓形光纖接頭-ST型型n方形光纖接頭方形光纖接頭-SC型型光纖活動連接器的主要類型及指標(biāo)n連接類型連接類型n圓形帶螺紋光纖接頭圓形帶螺紋光纖接頭-FC型型n卡接式圓形光纖接頭卡接式圓形光纖接頭-ST型型n方形光纖接頭方形光纖接頭-SC型型光纖活動連接器的主要類型及指標(biāo)n端面接觸方式端面接觸方式n插針端面為球面，曲率半徑為插針端面為球面，曲率半徑為1525mm，回波損耗大于，回波損耗大于40dB-PC型型n插針端面為球面，曲率半徑為插針端面為球面，曲率半徑為1015mm，回波損耗大于，回波損耗大于50dB- -UPC型型n光纖接頭端面傾斜，角度一般為光纖接頭端面傾斜，角度一般為8，回波損耗大于，回波損耗大于60dB- -APC型型n光纖連接器通常以連接類型和斷面接觸方式組合命名；光纖連接器通常以連接類型和斷面接觸方式組合命名；n如如FC/PC光纖跳線是指有圓形帶螺紋光纖接頭和球面光纖跳線是指有圓形帶螺紋光纖接頭和球面接觸方式的光纖活動連接方式接觸方式的光纖活動連接方式光纖耦合器耦合器的類型n耦合器的功能：完