通信用光器件課件2

3.2光檢測器3.2.1光電二極管工作原理

光電二極管(PD)把光信號轉換為電信號的功能，是由半導體PN結的光電效應實現的。在耗盡層形成漂移電流。內部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動電子和空穴的擴散運動PN結界面內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結時發(fā)生受激吸收3.2光檢測器3.2.1光電二極管工作原理在耗

在耗盡層兩側是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運動，部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層，然后在電場作用下，形成和漂移電流相同方向的擴散電流。漂移電流分量和擴散電流分量的總和即為光生電流。當與P層和N層連接的電路開路時，便在兩端產生電動勢，這種效應稱為光電效應。在耗盡層兩側是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運動，當連接的電路閉合時，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。當入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉換成電信號。這種由PN結構成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產生的電子-空穴對的運動，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。當連接的電路閉合時，N區(qū)過剩的電子通過外部電

如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當的反向偏壓，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴散分量。如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施第3章通信用光器件課件2由于載流子擴散運動比漂移運動慢得多，所以減小擴散分量的比例便可顯著提高響應速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡越時間，使響應速度減慢。為了解決這一矛盾，就需要改進PN結光電二極管的結構。由于載流子擴散運動比漂移運動慢得多，所以減小

3.2.2PIN光電二極管

PIN光電二極管的產生

由于PN結耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉換效率低，響應速度慢。為改善器件的特性，在PN結中間設置一層摻雜濃度很低的本征半導體(稱為I)，這種結構便是常用的PIN光電二極管。

3.2.2PIN光電二極管PIN光電二極管的工作原理和結構見圖3.20和圖3.21。PIN光電二極管的工作原理和結構見圖3.20圖3.21PIN光電二極管結構圖3.21PIN光電二極管結構中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導體，用Π(N)表示；兩側是摻雜濃度很高的P型和N型半導體，用P+和N+表示。I層很厚，吸收系數很小，入射光很容易進入材料內部被充分吸收而產生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉換效率。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導體，用Π兩側P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據整個耗盡層，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速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應速度。

兩側P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小PIN光電二極管具有如下主要特性：(一)量子效率和光譜特性。(1)光電轉換效率用量子效率η或響應度ρ表示。量子效率η的定義為一次光生電子-空穴對和入射光子數的比值(3.13)PIN光電二極管具有如下主要特性：(3.13)響應度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值(3.14)式中，hf為光子能量，e為電子電荷。響應度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P

（2）

量子效率的光譜特性取決于半導體材料的吸收光譜α(λ)，對長波長的限制由式(3.6)確定，即λc=hc/Eg。圖3.22示出量子效率η和響應度ρ的光譜特性，由圖可見，Si適用于0.8~0.9μm波段，Ge和InGaAs適用于1.3~1.6μm波段。響應度一般為0.5~0.6(A/W)。（2）量子效率的光譜特性取決于半導體材料的吸圖3-22PIN光電二極管響應度、量子效應率與波長的關系圖3-22PIN光電二極管響應度、量子效應率

(二)響應時間和頻率特性。光電二極管對高速調制光信號的響應能力用脈沖響應時間τ或截止頻率fc(帶寬B)表示。對于數字脈沖調制信號，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%的時間，分別定義為脈沖上升時間τr和脈沖下降時間τf。(二)響應時間和頻率特性。當光電二極管具有單一時間常數τ0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數函數exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脈沖響應時間τ=τr=τf=2.2τ0

(3.16)

對于幅度一定，頻率為ω=2πf的正弦調制信號，用光生電流I(ω)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當光電二極管具有單一時間常數τ0時，當光電二極管具有單一時間常數τ0時，其脈沖（3.17）

PIN光電二極管響應時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時間τd和包括光電二極管在內的檢測電路RC常數所確定。

當調制頻率ω與渡越時間τd的倒數可以相比時，耗盡層(I層)對量子效率η(ω)的貢獻可以表示為（3.17）PIN光電二極管響應時間或(3.18)（3.19）

式中，渡越時間τd=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度，比例于電場強度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時間τd，從而提高截止頻率fc，但是同時要降低量子效率η。(3.18)（3.19）式中，渡越時間τd=圖3.23內量子效率和帶寬的關系圖3.23內量子效率和帶寬的關系

由電路RC時間常數限制的截止頻率(3.20)

式中，Rt為光電二極管的串聯電阻和負載電阻的總和，Cd為結電容Cj和管殼分布電容的總和。(3.21)

式中，ε為材料介電常數，A為結面積，w為耗盡層寬度。由電路RC時間常數限制的截止頻率(3.2(三)噪聲。

噪聲影響光接收機的靈敏度。

噪聲包括散粒噪聲(ShotNoise)(由信號電流和暗電流產生)熱噪聲(由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產生)（1）均方散粒噪聲電流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B(3.22)e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號電流和暗電流。(三)噪聲。2eIPB稱為量子噪聲(由于入射光子和所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機性而產生)

2eIdB是暗電流產生的噪聲。

暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產生的反向直流電流。2eIPB稱為量子噪聲(由于入射光子和所形成的（1）均方熱噪聲電流(3.23)〈i2T〉=

式中，k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電阻并聯的結果。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為

〈i2〉=2e(IP+Id)B+(3.24)（1）均方熱噪聲電流(3.23)〈i2T〉=

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。3.2.3雪崩光電二極管(APD)

如果電壓增加到使電場達到200kV/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，產生新的電子-空穴對。APD就是根據這種特性設計的器件。根據光電效應，當光入射到PN結時，光子被吸收而產生電子-空穴對。

如果電壓增加到使電場達到200kV/cm以新產生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產生連鎖反應，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)。新產生的二次電子再次和原子碰撞。圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關系

圖3.24光電二極管輸圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）圖3.25APD載流子雪崩式倍增圖3.26APD結構圖圖3.26示出的N+PΠP+結構被稱為拉通型APD。圖3.26APD結構圖圖3.26示出的N

對APD特性新引入的參數是倍增因子和附加噪聲指數1.倍增因子

倍增因子g(一次光生電流產生的平均增益的倍數)定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。(3.25)

APD的響應度比PIN增加了g倍。對APD特性新引入的參數是倍增因子和((3.26)

U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關的常數，R為體電阻。當U≈UB時，RIo/UB<<1，上式可簡化為(3.27)(3.26)U為反向偏壓，UB為擊穿電

2.過剩噪聲因子APD的均方量子噪聲電流為〈i2q〉=2eIPBg2(3.26a)引入新的噪聲成分，并表示為附加噪聲因子F。F(>1)是雪崩效應的隨機性引起噪聲增加的倍數，設F=gx，APD的均方量子噪聲電流應為〈i2q〉=2eIPBg2+x(3.26b)式中，x為附加噪聲指數。2.過剩噪聲因子同理，APD暗電流產生的均方噪聲電流應為〈i2d〉=2eIdBg2+x(3.27)

附加噪聲指數x與器件所用材料和制造工藝有關Si-APD的x=0.3~0.5，Ge-APD的x=0.8~1.0，InGaAs-APD的x=0.5~0.7。當式(3.26)和式(3.27)的g=1時，得到的結果和PIN相同。同理，APD暗電流產生的均方噪聲電流應為

3.2.4光電二極管一般性能和應用表3.3和表3.4列出半導體光電二極管(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有利于延長系統的傳輸距離。

靈敏度要求不高的場合，一般采用PIN-PD。3.2.4光電二極管一般性能和應用-5~-15-5~-15工作電壓/V1~20.5~1結電容Cj/pF0.2~12~10響應時間2~50.1~1暗電流Id/nA0.6(1.3)0.4(0.85)響應度1.0~1.60.4~1.0波長響應InGaAs-PINSi-PIN表3.3PIN光電二極管一般特性-5~-15-5~-15工作電壓/V1~20.5~1結電0.5~0.70.3~0.4附加噪聲指數x20~3030~100倍增因子g40~6050~100工作電壓/V<0.51~2結電容Cj/pF0.1~0.30.2~0.5響應時間10~200.1~1暗電流Id/nA05~0.70.5響應度1~1.650.4~1.0波長響應InGaAs-APDSi-APD表3.4雪崩光電二極管（APD）一般性能0.5~0.70.3~0.4附加噪聲指數x20~3030~3.3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。

無源光器件作用：構成光纖通信系統，擴展功能，提高性能。3.3光無源器件無源光器件的

3.3.1連接器和接頭

連接器是實現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。3.3.1連接器和接頭

表3.5光纖連接器一般性能40~50PC型陶瓷-40~+80陶瓷-20~+70不銹鋼工作溫度/oC不銹鋼壽命（插拔次數）35~40FC型反射損耗/dB互換性/dB重復性/dB0.2~0.3插入損耗/dB性能型號或材料項目表3.5光纖連接器一般性能40~50PC型陶瓷

連接器的分類：

單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器。其特性主要取決于機構設計、加工精度和所用材料。單纖連接器中，精密套管結構設計合理，效果良好，適于大規(guī)模生產，因而得到廣泛的應用。連接器的分類：圖3.27精密套管結構連接器簡圖圖3.27精密套管結構連接器簡圖光纖固定在插針的微孔內，兩支帶光纖的插針用套管對中實現連接。要求：光纖與微孔、插針與套管精密結合。

套管和插針的材料一般可以用或者不銹鋼。插針材料用ZrO2陶瓷最理想。因為ZrO2陶瓷機械性能好、耐磨、熱膨脹系數和光纖相近，使連接器的壽命（插拔次數）和工作溫度范圍大大改善。光纖固定在插針的微孔內，兩支帶光纖的插針用套對于實現固定連接的接頭，有三種連接方法：熔接法、V型槽連接法、套管法。熔接法式通過光纖焊接機將對接的兩光纖端面加熱并熔接在一起。

V型槽連接法是利用V型槽或幾根平行棒之間的間隙使光纖準直連接。套管法是采用彈性緊套管、精密孔套管或松套管使光纖準直連接。對于實現固定連接的接頭，有三種連接方法：熔接

3.3.2光耦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用器/解復用器3.3.2光耦合器圖3.28常用耦合器的類型

T形(a)……星形(b)定向(c)2314…l1l2lNl1＋l2＋lN(d)波分圖3.28常用耦合器的類型T形(a)……星形(b)2.基本結構的分類

光纖型微器件型波導型2.基本結構的分類

光纖型

把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術制作各種器件。圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復用/解復用器。如圖3.30，光纖a(直通臂)傳輸的輸出光功率為Pa，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據耦合理論得到Pa=cos2(CλL)(3.28a)Pb=sin2(CλL)(3.28b)光纖型

設特定波長為λ1和λ2，選擇光纖參數，調整有效作用長度，使得當光纖a的輸出Pa(λ1)最大時，光纖b的輸出Pb(λ1)=0；當Pa(λ2)=0時，Pb(λ2)最大。式中，L為耦合器有效作用長度，Cλ為取決于光纖參數和光波長的耦合系數。

設特定波長為λ1和λ2，選擇光纖參數，調對于λ1和λ2分別為1.3μm和1.55μm的光纖型解復用器，可以做到附加損耗為0.5dB，波長隔離度大于20dB。對于λ1和λ2分別為1.3μm和1.55μ

圖3.29光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個2×2耦合器組成的8×8星形耦合器

1，221直通臂耦合臂12P0P1P2熔錐光纖型波分復用器結構和特性1

21212121

21

21

21

2公共臂1，221直通臂耦合臂12P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)等微光學器件構成，如圖3.31所示。微器件型

圖3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)濾光式解復用器；(d)光柵式解復用器

衍射光柵型波分復用器結構示意圖光纖透鏡光柵1231231+2+31+2+31+2+3123衍射光柵型波分復用器結構示意圖光纖透鏡光柵1采用棒透鏡的光柵型波分復用器（WDM）光纖棒透鏡光柵1+2+31231+2+3123采用棒透鏡的光柵型波分復用器（WDM）光纖棒透鏡光

波導型

在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層。波導的材料根據器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。波導型在一片平板襯底上制作所需形狀的光圖3.32波導型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解復用器；圖3.32波導型耦合器3.主要特性說明耦合器參數的模型如圖3.33所示，主要參數定義如下。

耦合比CR

是一個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(3.29)由此可定義功率分路損耗Ls：Ls=10lg(3.30)3.主要特性耦合比CR是一個指第3章通信用光器件課件2

附加損耗Le

由散射、吸收和器件缺陷產生的損耗，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

插入損耗Lt

是一個指定輸入端的光功率Pic和一個指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示(3.31)(3.32)附加損耗Le由散射、吸收和器件缺陷產生

方向性DIR(隔離度)

是一個輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率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。(3.33)方向性DIR(隔離度)是一個輸入端-40~+70-40~+70工作溫度/oC1~1.250.8~2.0穩(wěn)定性/dB40~55方向性/dB04×47~88×811~1232×3217~193.45.6/1.810.8/0.7插入損耗/dB分路比0.5/0.50.3/0.70.1/0.91.31或1.551.31或1.55工作波長/n×n星型2×2型耦合器表3.6耦合器的一般特性-40~+70-40~+70工作溫度/oC1~1.250.82555（濾波）隔離度/dB2~30.5~1附加損耗/dB20~30200波長間隔/nm1.31和1.551.31和1.55工作波長/6端2端波分復用器表3.7波分復用器的一般性能2555（濾波）隔離度/dB2~30.5~1附加損耗/dB2

3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

耦合器和其他大多數光無源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。

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。3.3.3光隔離器與光環(huán)行器光偏振(極化)

單模光纖中傳輸的光的偏振態(tài)(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的振動方向。在任何時刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模。光偏振(極化)隔離器工作原理如圖3.34所示。這里假設入射光只是垂直偏振光，第一個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偏振器。緊接第一個偏振器的是法拉弟旋轉器，法拉弟旋轉器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉一定角度，例如45°，并且其旋轉方向與光傳播方向無關。隔離器工作原理如圖3.34所示。偏振器圖3.34隔離器的工作原理法拉弟旋轉器偏振器反射光阻塞入射光SOP偏振器圖3.34隔離器的工作原理法拉弟旋轉器偏振器

法拉弟旋轉器后面跟著的是第二個偏振器，這個偏振器的透振方向在45°方向上，因此經過法拉弟旋轉器旋轉45°后的光能夠順利地通過第二個偏振器，也就是說光信號從左到右通過這些器件(即正方向傳輸)是沒有損耗的(插入損耗除外)。法拉弟旋轉器后面跟著的是第二個偏振器，這個

另一方面，假定在右邊存在某種反射(比如接頭的反射)，反射光的偏振態(tài)也在45°方向上，當反射光通過法拉弟旋轉器時再繼續(xù)旋轉45°，此時就變成了水平偏振光。水平偏振光不能通過左面偏振器(第一個偏振器)，于是就達到隔離效果。另一方面，假定在右邊存在某種反射(比如接

然而在實際應用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)是任意的，并且隨時間變化，因此必須要求隔離器的工作與入射光的偏振態(tài)無關，于是隔離器的結構就變復雜了。一種小型的與入射光的偏振態(tài)無關的隔離器結構如圖3.35所示。然而在實際應用中，入射光的偏振態(tài)(偏振方向)圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無關的隔離器光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉器SWP光纖輸入(b)圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無關的隔離器光纖輸出

具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個空間分離偏振器(SWP:SpatialWalkoffPolarizer)。這個SWP的作用是將入射光分解為兩個正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，水平分量偏折通過。

兩個分量都要通過法拉弟旋轉器，其偏振態(tài)都要旋轉45°。法拉弟旋轉器后面跟隨的是一塊半波片(plate或halfwaveplate)。具有任意偏振態(tài)的入射光首先通過一個空間分離

這個半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態(tài)順時針旋轉45°，將從右向左傳播的光的偏振態(tài)逆時針旋轉45°。因而法拉弟旋轉器與半波片的組合可以使垂直偏振光變?yōu)樗狡窆?，反之亦然。最后兩個分量的光在輸出端由另一個SWP合在一起輸出，如圖3.35(a)所示。這個半波片的作用是將從左向右傳播的光的

另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉器的旋轉方向正好相反，當兩個分量的光通過這兩個器件時，其旋轉效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖3.35(b)所示，于是就起到隔離作用。另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。如圖3.36所示，典型的環(huán)行器一般有三個或四個端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號在端口2輸出，端口2輸入的光信號在端口3輸出，端口3輸入的光信號由端口1輸出。環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似

圖3.36光環(huán)行器(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)1324圖3.36光環(huán)行

環(huán)行器又叫隔離器的突出特點是：單向傳輸高頻信號能量。它控制電磁波沿某一環(huán)行方向傳輸。

環(huán)行器單向傳輸的原理：是由于采用了鐵氧體旋磁材料。這種材料在外加高頻波場與恒定直流磁場共同作用下，產生旋磁特性（又稱張量磁導率特性）。正是這種旋磁特性，使在鐵氧體中傳播的電磁波發(fā)生極化的環(huán)行器又叫隔離器的突出特點是：單向旋轉（法拉第效應），以及電磁波能量強烈吸收（鐵磁共振），正是利用這個旋磁現象，制做出結型隔離器、環(huán)行器。它具有體積小、頻帶寬、插損小等特點，因而應用十分廣泛。

下圖是環(huán)行器的結構圖，它采用結型帶線結構，雙Y形中心導體置于兩片旋磁鐵氧體樣品之間，組成樣品結，在樣品結周圍各置三旋轉（法拉第效應），以及電磁波能量強烈吸收（鐵磁共振），正是片磁石，使整個樣品結產生一均勻恒定的磁場。隔離器、環(huán)行器端口由帶線轉為同軸線，通過正確的設計，可使樣品結與同軸線有良好的匹配，滿足隔離器、環(huán)行器各種性能的要求，當在負載失配的情況下，反射能量將沿著藍線所標的方向流到外接的吸收電阻上，能量被電阻所吸收。

光環(huán)行器主要用于光分插復用器中。片磁石，使整個樣品結產生一均勻恒定的磁場。隔離器、環(huán)行器端口第3章通信用光器件課件2

3.3.4光調制器

光調制器是將電信號加載到光載波上的器件。光源調制有兩種方式：一種是將調制信號直接注入激光器，調制激光輸出參數，稱為內調制；另一種是將調制信號控制激光器后接的外調制器，