光通信的技術(shù)第三

1、關(guān)于光通信技術(shù)第三第1頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四第 3 章 通信用光器 3.1 光源 （理解） 3.1.1 半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu) 3.1.2 半導(dǎo)體激光器的主要特性 3.1.3 分布反饋激光器 3.1.4 發(fā)光二極管 3.1.5 半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用 3.2 光檢測器 （理解） 3.2.1 光電二極管工作原理 3.2.2 PIN 光電二極管 3.2.3 雪崩光電二極管(APD) 3.2.4 光電二極管一般性能和應(yīng)用 3.3 光無源器件 （了解） 3.3.1 連接器和接頭 3.3.2 光耦合器 3.3.3 光隔離器與光環(huán)行器 3.3.4 光調(diào)制器 3.

2、3.5 光開關(guān)第2頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四3.1 光源 光源是光發(fā)射機的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號轉(zhuǎn)換為光信號。 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)， 有些場合也使用固體激光器。 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、壽命長和價格便宜的發(fā)光管(LED)。 第3頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 3.1.1 半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流

3、， 實現(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，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。第4頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四受激輻射和粒子數(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，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2, 3, 4 )稱為激發(fā)態(tài)。 電子在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收 自發(fā)輻射 受激輻射第5頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 (1)受激吸收 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍

4、遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴，見圖3.1(a)。 (2)自發(fā)輻射 在高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用， 也會自動地躍遷到低能級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)受激輻射 在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級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6頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四（激活物質(zhì)置于）（中對光的頻率和方向進行選擇） 3. 激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 + 光學(xué)諧振腔 = 連續(xù)

5、的光放大和激光振蕩輸出第7頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 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8頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 4. 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)是圖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。 圖中標出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.10.3 m的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的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，前后兩個晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法

6、布里 - 珀羅(FP)諧振腔。 第9頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四第10頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 3.1.2 半導(dǎo)體激光器的主要特性 1. 發(fā)射波長和光譜特性 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長等于禁帶寬度Eg(eV)，由式(3.1)得到 h f =Eg(3.6)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。 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波段式中，f=c/，f (Hz)和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長， c=3108 m/s為光

7、速，h=6.62810-34JS為普朗克常數(shù)， 1eV=1.610-19 J，代入上式得到第11頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 圖3.7是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。 圖 3.7 GaAlAs-DH激光器的光譜特性 (a) 直流驅(qū)動; (b) 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI= 8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828

8、826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)第12頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 2. 激光束的空間分布 圖 3.8 GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣 第13頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四3. 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，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)(3.7a)由此得到(3.7b)式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動電流，Pth 和Ith 分別為相應(yīng)的閾值，h f 和e分別為光子能量和電子電荷。 第14頁，共

9、60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。 當IIth 時，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。 圖 3.10 典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性 (a) 短波長AlGaAs/GaAs (b) 長波長InGaAsP/InP 第15頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四4. 頻率特性 在直接光強調(diào)制下， 激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f 的關(guān)系為 P(f)= (3.8a)(3.8b)式中， 和分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，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,

10、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。 第16頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四圖 3.11 半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性 圖3.11示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率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)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。 第17頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 5. 溫度特性 圖 3.12 P - I曲線隨溫度的變化 第18頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 3.1.3 分布反饋激光器 分布反饋(DFB

11、)激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實現(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。 圖 3.13 分布反饋(DFB)激光器 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋 第19頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，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)。 光柵周期=m (3.10) ne 為材料有效折射率，B為布喇格波長，m為衍射級數(shù)。 在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為 (3.11)第20頁，共60

12、頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 DFB激光器與F-P激光器相比， 具有以下優(yōu)點： 單縱模激光器 譜線窄， 波長穩(wěn)定性好 動態(tài)譜線好 線性好第21頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 3.1.4 發(fā)光二極管LD 和LED的區(qū)別 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)芯片，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。第22頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 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 發(fā)光二極管

13、的類型：正面發(fā)光型LED和側(cè)面發(fā)光型LED 第23頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四發(fā)光二極管的特點： 輸出光功率較小；譜線寬度較寬；調(diào)制頻率較低；性能穩(wěn)定，壽命長；輸出光功率線性范圍寬；制造工藝簡單，價格低廉；適用于小容量短距離系統(tǒng) 發(fā)光二極管的主要工作特性： (1) 光譜特性。 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光， 沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬，如圖3.15。 第24頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 圖 3.15LED光譜特性 第25頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 (2) 光束的空間分布。 在垂直于發(fā)光平面上， 正面發(fā)光

14、型LED輻射圖呈朗伯分布， 即P()=P0 cos，半功率點輻射角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%。 (3) 輸出光功率特性。 發(fā)光二極管實際輸出的光子數(shù)遠遠小于有源區(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)動電流I較小時， P - I曲線的線性較好；I過大時，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。第26頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四LED的P_I特性曲線原理：由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流進行自發(fā)輻射而發(fā)光4 3 2 1 0 50

15、100 150 02570電流/mA輸出功率/ mW第27頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四(4) 頻率特性。 發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為|H(f)|= (3.12) 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。 對有源區(qū)為低摻雜濃度的LED， 適當增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。 式中，f 為調(diào)制頻率，P( f )為對應(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 f = f c =1/(2e)時，|H(fc)|= ， 最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。 第

16、28頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四圖 3.17 發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng) 第29頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 3.1.5 半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源的一般性能表： 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)波長的小容量短距離系統(tǒng)。因為LED發(fā)光面積和光束輻射角較大， 而多模SIF光纖或G.651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

17、 m或1.55 m大容量長距離系統(tǒng)。 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)計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。 第30頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四表3.1 半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作溫度 /C壽命 t/h30120 30120 2050 2050輻射角50150 301005002000 5001000調(diào)制帶寬 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纖功率 P/mW15 13510 510輸出功率 P/mW100150 100

18、150工作電流 I/mA2030 3060閥值電流 Ith/mA50100 6012012 13譜線寬度1.3 1.551.3 1.55工作波長LEDLD第31頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四表 3.2 分布反饋激光器(DFB - LD)一般性能 2040 1530輸出功率 P/mW (連續(xù)單縱模,25C) 20 15外量子效率 /% 1520 2030閥值電流 Ith/mA0.08頻譜漂移 /(nm/C)3035邊模抑制比 /dB0.040.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度 1.3 1.55工作波長第32頁，共60頁，2022年，5月20日，9點

19、44分，星期四光源組件實例第33頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四3.2 光檢測器 3.2.1 光電二極管工作原理 3.2.2 PIN 光電二極管 一、工作原理和結(jié)構(gòu) 二、PIN光電二極管主要特性 (1) 量子效率和光譜特性 (2) 響應(yīng)時間和頻率特性 (3) 噪聲 3.2.3 雪崩光電二極管(APD) 一、工作原理和結(jié)構(gòu) 二、 APD特性參數(shù) 3.2.4 光電二極管一般性能和應(yīng)用第34頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四3.2 光檢測器 在耗盡層 形成漂移電流。 內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動3.2.1 光電二極管工作原理 光電二極管

20、(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能， 是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實現(xiàn)的。 電子和空穴的擴散運動PN結(jié)界面 內(nèi)部電場 漂移運動 能帶傾斜 如果光子的能量大于或等于帶隙( hf Eg )當入射光作用在PN結(jié)時 發(fā)生受激吸收第35頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 3.2.2 PIN 光電二極管 PIN光電二極管的產(chǎn)生 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。 第36頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期

21、四 3.2.3 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。 當反向偏壓增加到一定數(shù)值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。 APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計的器件。 根據(jù)光電效應(yīng)，當光入射到PN結(jié)時， 光子被吸收而產(chǎn)生電子 - 空穴對。 第37頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 如果電壓增加到使電場達到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動。 高速運動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。 新產(chǎn)生的二次電

22、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38頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）第39頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 3.2.4 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。 APD是有增益的光電二極管，在光接收機靈敏度要求較高的場合，采用APD有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離。 靈敏度要求不高的場合，一般采用PIN-PD。 第40頁，共60頁，2022年，

23、5月20日，9點44分，星期四-5-15-5-15工作電壓 /V120.51結(jié)電容 Cj/pF0.21210響應(yīng)時間250.11暗電流 Id/nA0.6(1.3 )0.4(0.85 )響應(yīng)度1.01.60.41.0波長響應(yīng)InGaAs-PINSi-PIN表3.3 PIN光電二極管一般特性第41頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四0.50.70.30.4附加噪聲指數(shù) x203030100倍增因子 g406050100工作電壓 /V0.512結(jié)電容 Cj/pF0.10.30.20.5響應(yīng)時間10200.11暗電流 Id/nA050.70.5響應(yīng)度11.650.41.0波長響應(yīng)I

24、nGaAs-APDSi-APD表3.4 雪崩光電二極管（APD）一般性能第42頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四3.3 光無源器件 3.3.1 連接器和接頭 3.3.2 光耦合器 一、耦合器類型 二、基本結(jié)構(gòu) 三、主要特性 3.3.3 光隔離器與光環(huán)行器 3.3.4 光調(diào)制器 3.3.5 光開關(guān)第43頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四3.3 光 無 源 器 件 無源光器件的要求： 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、便于集成等。 第44頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 3.3.1 連接

25、器和接頭 連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。 表 3.5 光纖連接器一般性能 4050PC型陶瓷-40+80陶瓷-20+70不銹鋼工作溫度/C不銹鋼壽命（插拔次數(shù)）3540FC型反射損耗/dB互換性/dB重復(fù)性/dB0.20.3插入損耗/dB性能型號或材料項目第45頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四圖 3.27 精密套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖 連接器的分類： 單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器。第46頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 3.3.2 光耦

26、合器 耦合器的功能是把一個輸入的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。 1. 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)用器第47頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四圖 3.28 常用耦合器的類型 T形(a)星形(b)定向(c)2314l1l2lNl1l2lN(d)波分第48頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四2. 基本結(jié)構(gòu)的分類 光纖型 微器件型 波導(dǎo)型第49頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 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 第50頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 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(一個波長的光透射，另一個波長的光反射)或光柵(不同波長的光有不同反射方向)等微光學(xué)器件構(gòu)成，如圖3.31所示。 第51頁，共60頁，2022年，5月20日，9點44分，星期四 圖3.32 波導(dǎo)型耦合器(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 波分解復(fù)用器；波導(dǎo)型 在一片平板襯底上制作所需形狀的