光纖通信第03章

第3章通信用光器件

3.1光源

3.2光檢測器

3.3光無源器件3.1光源

一、光源的作用

將電流形式的電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽a(chǎn)生光載波，并把光耦合進光纖。二、光源的分類半導體激光器、半導體發(fā)光二極管、非半導體激光器3.1.1概述三、對光源的技術要求

（1）合適的發(fā)光波長

（2）足夠的輸出功率

（3）輸出效率高

（4）光譜寬度窄（5）聚光性好四、作為光源的物質(zhì)的發(fā)光機理

光與物質(zhì)之間存在三種不同的作用過程，分別是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。

1.自發(fā)輻射（1）沒有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，屬于自發(fā)躍遷；（2）發(fā)射出的光子頻率不同；（3）自發(fā)輻射光為非相干光。2.受激輻射（1）外來光子能量等于躍遷能級差；（2）受激輻射出來的光子和外來光子是全同光子；（3）入射光得到放大。3.受激吸收（1）必須有外界光子，是受激躍遷；（2）外來光子能量等于電子躍遷的能級之差；（3）不放出能量，而是消耗外來光能。

圖3.1能級和電子躍遷

(a)受激吸收；(b)自發(fā)輻射；(c)受激輻射3.1.2

半導體激光二極管

激光（LASER），就是英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

（受激輻射的光放大）的縮寫。因此所謂激光就是受激輻射發(fā)出的光。一、半導體激光器的工作原理1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（集居數(shù)反轉(zhuǎn)）由于電子總是搶先占據(jù)低能級，因此在熱平衡狀態(tài)下，高能級上的電子數(shù)要少于低能級上電子數(shù)。

所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就是指高能級的電子數(shù)多于低能級上的電子數(shù)。2.PN結(jié)的能帶和電子分布

半導體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶，如圖3.2。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量Ec和價帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。

圖3.2半導體的能帶和電子分布

(a)本征半導體；(b)N型半導體；(c)P型半導體

PN結(jié)的形成

一般狀態(tài)下，本征半導體的電子和空穴是成對出現(xiàn)的，在本征半導體中摻入施主雜質(zhì)(負價離子），稱為N型半導體；若摻入受主雜質(zhì)（正價離子），則稱為P型半導體。在PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子的梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成內(nèi)部電場。內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴散相反方向的漂移運動，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運動處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。這時在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強。圖3.3PN結(jié)的能帶和電子分布(a)P-N結(jié)內(nèi)載流子運動；(b)零偏壓時P-N結(jié)的能帶圖；

(c)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖

電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在PN結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。3.激光振蕩和光學諧振腔

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)置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。

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。當增益和損耗相當時，在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，其閾值條件為

式中，λ為激光波長，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1,2,3…稱為縱模模數(shù)。

并不是所有的光都能形成振蕩，必須是那些輻射方向與鏡面垂直，并且在腔中往返一次的相位差正好是2π的整數(shù)倍的光才能形成振蕩。即腔長滿足：4.半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)

半導體激光器從結(jié)構(gòu)上可以分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)激光器三種。

同質(zhì)結(jié)激光器是由同一種半導體材料制成的激光器。

單異質(zhì)結(jié)激光器的PN結(jié)是由兩種不同的半導體材料制成的。

雙異質(zhì)結(jié)激光器是指在同一塊單晶上形成兩個雙異質(zhì)結(jié)，即中間的半導體材料和兩側(cè)都不相同。

二、半導體激光器的主要特性

1.發(fā)射波長和光譜特性

半導體激光器的發(fā)射波長取決于導帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，

因為hf=Eg，f=c/λ，得到發(fā)射波長

由于不同的半導體具有不同的禁帶寬度，因而不同的半導體有不同的發(fā)射波長。激光器的光譜特性：

縱模的數(shù)量隨著驅(qū)動電流的增大而減少。

2.激光束的空間分布

激光束的空間分布用近場和遠場來描述。

近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布，遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。近場和遠場是由諧振腔的橫向尺寸，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。圖3.8GaAlAsDH條形激光器的光束空間分布圖

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ηd表示，其定義是在閾值電流以上，每對復合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)由此得到激光器的輸出光功率為

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I<Ith時激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當I>Ith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。

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的關系為

式中，fr和ξ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,I′=(0.7~0.8)Ith；τsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，τph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。

5.溫度特性激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因：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ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不激射了。圖3.12示出脈沖調(diào)制的激光器，由于溫度升高引起閾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。圖3.12PI曲線隨溫度的變化

3.1.3

半導體發(fā)光二極管一、半導體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

主要有面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管、超發(fā)光二極管、平面二極管和圓頂型二極管五種。二、半導體發(fā)光二極管的工作特性

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，隨著溫度升高或驅(qū)動電流增大，譜線加寬，且峰值波長向長波長方向移動。2.光束空間分布特性發(fā)光二極管輸出光束的發(fā)散角比較大。在平行于PN結(jié)方向，發(fā)散角約為1200，而垂直PN結(jié)方向面發(fā)光二極管為1200，邊發(fā)光二極管為300。由于發(fā)散角大，它與光纖的耦合效率低，故一般只用于短距離的通信。

3.輸出光功率特性

由于發(fā)光二極管為無閾值器件，隨著注入電流的增加，輸出光功率近似呈線性增加。但當注入電流增大到一定程度時，由于PN結(jié)過熱，曲線呈飽和趨勢。

4.頻率特性

發(fā)光二極管的頻率響應可以表示為

式中，f為調(diào)制頻率，P(f)為對應于調(diào)制頻率f的輸出光功率，τe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=fc=1/(2πτe)時|H(fc)|=，最高調(diào)制頻率應低于截止頻率。

圖3.17發(fā)光二極管(LED)的頻率響應三、LD和LED的主要差別（1）發(fā)光原理不同（2）光的性質(zhì)不同（3）適用范圍不同3.2光檢測器3.2.1概述一、光檢測器的作用

把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，即把原始的電信號重現(xiàn)。二、光檢測器的分類

按工作原理可以把光檢測器分為熱器件和光子器件兩類。三、對光檢測器的要求（1）響應度高（2）響應速度快（3）噪聲?。?）功耗小（5）穩(wěn)定可靠，體積小，使用簡便

3.2.2光檢測器的工作原理

一、光電效應

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，而耗盡層以外產(chǎn)生的光電子和空穴由于沒有內(nèi)部電場的加速，運動速度很慢，因而響應速度低。

為了克服光電二極管的缺點，改善響應速度和轉(zhuǎn)換效率，必須加大耗盡層的寬度。

增大耗盡層寬度的措施只有兩種：一是增大反向電壓，一是減小PN結(jié)的摻雜濃度。二、PIN光電二極管

PIN光電二極管就是通過減小摻雜濃度來增大耗盡層寬度的。

PIN光電二極管是在P型材料和N型材料之間夾了一層輕摻雜的N型半導體材料，稱為I層。由于是輕摻雜，故電子濃度很低，擴散后可以形成一個很寬的耗盡層。

PIN光電二極管的缺陷：

1.需要放大2.引入噪聲三、雪崩效應

四、雪崩二極管（APD）

根據(jù)APD的結(jié)構(gòu)形式可將其分為保護環(huán)形雪崩二極管(GAPD)和拉通型雪崩二極管(RAPD)兩種。我們在光纖通信中使用的是RAPD。RAPD的結(jié)構(gòu)原理

APD的特點（1）優(yōu)點：有增益的光檢測器件

（2）缺點：a.倍增噪聲b.對溫度變化敏感

c.反向電壓高

d.成本高

3.2.3光電檢測器的特性一、光電轉(zhuǎn)換效率

1.量子效率：表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換為光電流的概率。它定義為一次光生載流子和入射光子數(shù)的比值：其中：Ip為一次光生電流，P0為入射光功率，e為電子電量，hf為光子能量。2.響應度：表示單位入射光功率所產(chǎn)生的光電流。二、響應時間

光電二極管產(chǎn)生光電流的響應時間主要取決于以下幾個因素：

（1）耗盡區(qū)光生載流子的渡越時間（2）耗盡區(qū)外光生載流子的擴散時間

（3）光電二極管及其相關電路的RC時間常數(shù)三、響應波長

入射光能量必須大于半導體材料的禁帶寬度才能發(fā)生光電效應，對應于最小入射光能量的波長稱為響應波長，即：

噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數(shù)，它直接影響光接收機的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(ShotNoise)和由負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1Ω負載上消耗的噪聲功率)來描述。

四、噪聲均方散粒噪聲電流均方熱噪聲電流總均方噪聲電流：五、雪崩倍增因子倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。

APD的倍增因子與它兩端所加的反向偏壓有關，反向偏壓越大，g就越大。它們的關系可以表示為：當U→UB時，雪崩倍增因子g獲得最大值：I0=gIpAPD的倍增因子一般在40~100之間，PIN光電二極管沒有雪崩倍增作用，因而倍增因子是1。六、

倍增噪聲和過剩噪聲因子倍增噪聲用過剩噪聲因子F（雪崩效應的隨機性引起噪聲增加的倍數(shù)）來表示：

X為過剩噪聲指數(shù)，一般在0.3~1范圍內(nèi)，對于硅APD，x=0.3~0.5，對于鍺APD，x=0.8~1在選取APD時應盡量選擇x比較小的管子

如果不考慮別的因素，APD的均方噪聲電流為

〈i2q〉=2e（IP+Id）Bg2

考慮了倍增噪聲后，APD的均方噪聲電流應為〈i2q〉=2e（IP+Id

）Bg2+x

式中，x為附加噪聲指數(shù)。3.3

光無源器件

1.連接器和接頭

2.光耦合器

3.光隔離器與光環(huán)形器

4.光調(diào)制器

5.光開關

3.3.1連接器和接頭

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。接頭是實現(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)場實施。光纖的連接方法主要有光纖熔接法、V型槽機械連接和彈性管連接三種。

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端口，或把多個輸入端口的光信號組合成一個輸出信號。

1.耦合器類型

T形耦合器

定向耦合器星形耦合器

波分復用器/解復用器(也稱合波器/分波器)圖3