光纖通信第3章-正式版

光纖通信第三章通用光器件通信用光器件：光有源器件：需要外加能源驅(qū)動(dòng)工作的光器件。

功能：信號放大、變換等。光無源器件：不需要外加能源驅(qū)動(dòng)工作的光器件。功能：信號傳輸。第三章通用光器件光有源器件：光放大器：摻鉺光纖放大器（EDFA）光源：半導(dǎo)體激光器（LD）分布反饋（DFB）激光器發(fā)光二極管（LED）光檢測器：光電二極管（PD）PIN光電二極管雪崩光電二極管（APD）第三章通用光器件光無源器件：光纖連接器和接頭光耦合器光隔離器與光環(huán)行器光調(diào)制器光波分復(fù)用器/解復(fù)用器光開關(guān)第三章通用光器件本章內(nèi)容：3.1光源3.2光檢測器3.3光無源器件3.1半導(dǎo)體激光器工作的原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)：1，在向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流作用下，電子從低能級躍遷到高能態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2，再在入射光的作用下，電子再從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)產(chǎn)生光子而發(fā)光——受激輻射。3，最后，利用光學(xué)諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光震蕩的。3.1.1受激輻射和粒子數(shù)目反轉(zhuǎn)分布能級理論——針對一切物質(zhì)原子由原子核和核外沿固定軌道旋轉(zhuǎn)的電子組成；電子在特定的能級中運(yùn)動(dòng)，并通過與外界交換能量發(fā)生能級躍遷；能級所對應(yīng)的能量值是離散的。能帶理論——針對半導(dǎo)體材料

價(jià)帶導(dǎo)帶處于高能態(tài)（導(dǎo)帶）電子不穩(wěn)定，向低能態(tài)（價(jià)帶）躍遷，而能量以光子形式釋放出來，發(fā)射光子的能量hυ等于導(dǎo)帶價(jià)帶能量差，即hυ＝Ec-Ev＝Eg。發(fā)光過程：（光和物質(zhì)作用的方式）3.1.1受激輻射和粒子數(shù)目反轉(zhuǎn)分布

自發(fā)輻射：處于高能態(tài)的電子按照一定的概率自發(fā)地躍遷到低能態(tài)上，并發(fā)射一個(gè)能量為E2-E1的光子；

受激輻射：處在高能態(tài)的電子在外界光場的感應(yīng)下，發(fā)射一個(gè)和感應(yīng)光子一模一樣的光子，躍遷到低能態(tài)。自發(fā)輻射光子隨機(jī)地向各個(gè)方向發(fā)射，每次發(fā)射沒有確定的相位關(guān)系——非相干光。LED通過自發(fā)發(fā)射過程發(fā)光。受激輻射光子的發(fā)射方向、相位、頻率都與激發(fā)它們的光子相同——相干光。LD通過受激發(fā)射過程發(fā)光。3.1.1受激輻射和粒子數(shù)目反轉(zhuǎn)分布受激吸收：處于低能態(tài)電子，如果受到外來光的照射，當(dāng)光子能量等于或大于禁帶能量時(shí)，光子將被吸收而使電子躍遷到高能態(tài)。受激吸收過程：3.1.1受激輻射和粒子數(shù)目反轉(zhuǎn)分布受激吸收：如果入射光子的能量hν近似等于E2-E1，光子能量就會(huì)被吸收，同時(shí)基態(tài)上的電子躍遷到高能態(tài)。半導(dǎo)體光檢測器基于這種效應(yīng)。自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收三種過程是同時(shí)存在的。

3.1.1受激輻射和粒子數(shù)目反轉(zhuǎn)分布考慮兩能級原子系統(tǒng)。在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和高能級E2的原子數(shù)分別為N1和N2。系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布：（T為熱力學(xué)溫度，玻爾茲曼常數(shù)k=1.381×10-23J/K）)N2N1EgkThνkT=exp(?)=exp(?3.1.1受激輻射和粒子數(shù)目反轉(zhuǎn)分布N1>N2：在熱平衡狀態(tài)下，受激吸收居支配地位，不能發(fā)射相干光。N2>N1：受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生放大作用。這種分布和正常狀態(tài)的分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3.1.1PN結(jié)的能帶和電子分布半導(dǎo)體（PN結(jié)）的能帶：半導(dǎo)體材料的的能級結(jié)構(gòu)不是分離的能級，而是有一定寬度的帶狀結(jié)構(gòu)。價(jià)帶（能量較低）導(dǎo)帶（能量較高）禁帶（Efc和Efv

為費(fèi)密能級） 要使受激輻射大于吸收，達(dá)到粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)，要求fc(E2)>fv(E1)，即3.1.1PN結(jié)的能帶和電子分布

電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶的占居幾率由 費(fèi)密—狄拉克分布給出：

11+exp[(E1?Efv)kT]fv(E1)=Efc?Efv>E2?E1>Eg2、半導(dǎo)體激光器中增益區(qū)的形成晶體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布：費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)

f(E)=1/[e

(E–Ef)/kK+1]

f(E)：電子的費(fèi)米分布函數(shù)k:玻耳茲曼常數(shù)K：絕對溫度Ef：費(fèi)米能級，它只是反映電子在各能級中分布情況的一個(gè)數(shù)學(xué)參量,位置由電子總數(shù)決定。E=Eff(E)=1/2該能級被電子占據(jù)概率等于50％E<Eff(E)>1/2該能級被電子占據(jù)概率大于50％E>Eff(E)<1/2該能級被電子占據(jù)概率小于50％3.1.2PN結(jié)半導(dǎo)體光源的核心是PN結(jié)，將P型和N型半導(dǎo)體相接觸形成PN結(jié)。N型半導(dǎo)體中過剩電子占據(jù)了本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶。P型半導(dǎo)體中過剩空穴占據(jù)了價(jià)帶。1.PN結(jié)的形成：(c)兼并型P型半導(dǎo)體(a)本征半導(dǎo)體(b)兼并型N型半導(dǎo)體

3.1.2PN結(jié)費(fèi)密能級：（熱平衡狀態(tài)下）本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級位于帶隙中間；N型摻雜將使費(fèi)米能級向?qū)б苿?dòng)，P型摻雜使費(fèi)米能級向價(jià)帶移動(dòng)；對于重?fù)诫sN型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶內(nèi)——兼并型N型半導(dǎo)體；對于重?fù)诫sP型，費(fèi)米能級位于價(jià)帶內(nèi)——兼并型P型半導(dǎo)體；3.1.2PN結(jié)雙兼并型半導(dǎo)體：非熱平衡狀態(tài)時(shí)，在Efc和Efv之間形成了一個(gè)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)域。如果入射光波能量滿足：則經(jīng)過雙兼并型半導(dǎo)體時(shí)將得到放大。(d)雙兼并型半導(dǎo)體Eg<hν<Efc?Efv最后，漂移完全抵消了擴(kuò)散，達(dá)到平衡。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體形成PN結(jié)時(shí)，載流子（電子、空穴）的濃度（密度）差引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；漂移運(yùn)動(dòng)的方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反；為了維持電子－空穴的復(fù)合，在PN結(jié)上加正向電壓，打破原有平衡；3.1.2PN結(jié)正向偏壓：P區(qū)空穴不斷流向N區(qū)，N區(qū)電子流向P區(qū)，通過復(fù)合發(fā)光。自發(fā)輻射復(fù)合——LED受激輻射復(fù)合——LD反向偏壓：區(qū)域內(nèi)電子和空穴都很少，形成高阻區(qū)。3.1.2PN結(jié)3.1.2PN結(jié)當(dāng)正向電壓加大到某一值后，PN結(jié)里出現(xiàn)了增益區(qū)（有源區(qū)）。在Efc和Efv之間價(jià)帶主要由空穴占據(jù)，導(dǎo)帶主要由電子占據(jù)，即實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。(d)雙兼并型半導(dǎo)體3.激光振蕩和光學(xué)諧振腔受激輻射的條件：1，粒子數(shù)目反轉(zhuǎn)分布（受激物質(zhì)）2，光學(xué)諧振腔：只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔的組成：兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成。又稱：法布里-珀羅(FabryPerot,FP)諧振腔。作用：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。

圖3.4激光器的構(gòu)成和工作原理(a)激光振蕩；(b)光反饋但由于諧振腔內(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)增益和損耗相當(dāng)時(shí)，在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，其閾值條件為γth=α+式中，γth為閾值增益系數(shù)，α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1，R2<1為兩個(gè)反射鏡的反射率激光振蕩的相位條件為L=q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)。

4.半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)：PN結(jié)的兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料。雙異質(zhì)結(jié)：在寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體材料之間插進(jìn)一薄層窄帶隙的材料。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)。

圖3.6DH激光器工作原理(a)短波長；(b)長波長(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布DH激光器工作原理1，當(dāng)施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。P層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，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。2，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm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。3，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。3.1.2半導(dǎo)體激光器的主要特性光源的主要特性有：1，發(fā)射波長2，光譜特性3，光束的空間分布4，輸出光功率5，入纖功率6，頻率特性7，溫度特性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)，由式(3.1)得到h·f=Eg式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3×108m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數(shù)，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長λ。在直流驅(qū)動(dòng)下，發(fā)射光波長有一定分布，譜線具有明顯的模式結(jié)構(gòu)。（原因是：導(dǎo)帶、價(jià)帶是連續(xù)能級

，因而禁帶Eg也是連續(xù)的。）激光器的縱模：只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長，這些波長取決于激光器縱向長度L。（1）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。原因：由于諧振腔對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）結(jié)論：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。如圖

3.7（a)（2）但在高速率脈沖調(diào)制下，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。用FP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。如圖3.7（b）如何得到動(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就可達(dá)到目的。

圖3.7GaAlAsDH激光器的光譜特性(a)直流驅(qū)動(dòng);(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制

2.激光束的空間分布研究意義：在光學(xué)系統(tǒng)中，光源的光束分布對光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要的參數(shù)，影響光耦合到光纖中的技術(shù)選擇，并決定耦和效率。激光束的空間分布用近場和遠(yuǎn)場來描述。近場：指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場：指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。決定近場和遠(yuǎn)場的圖示分布的因素1，平行于PN結(jié)平面的寬度w。2，垂直于PN結(jié)平面的厚度t。結(jié)論1：由圖3.8可以看出，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現(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)方向的場圖總是單橫模。結(jié)論2：由圖3.9為典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場輻射特性，圖中θ‖和θ⊥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。圖3.8GaAlAsDH條形激光器的近場圖

3.-9典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場輻射特性和遠(yuǎn)場圖樣(a)光強(qiáng)的角分布；(b)輻射光束

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(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)由此得到式中，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。

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

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，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。

當(dāng)I<Ith時(shí)激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當(dāng)I>Ith時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，

4.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)制頻率f的關(guān)系為P(f)=式中，fτ和ξ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′=(0.7~0.8)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。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fτ是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fτ為1~2GHz。在接近fτ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。

圖3.11半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性

5.溫度特性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ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，Ith增大，ηd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Ith=I0exp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。圖3.12PI曲線隨溫度的變化

3.1.3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)，都對激光器提出更高的要求。與由FP諧振腔構(gòu)成的DH激光器相比，1，要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性；2，發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；3，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(DistributedFeedBack,DFB)激光器?；仡櫍浩胀す馄饔肍P諧振腔兩端的反射鏡，對激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋。對比：DFB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(shí)現(xiàn)光反饋。特點(diǎn)：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。

圖3.13分布反饋(DFB)激光器(a)結(jié)構(gòu)；(b)光反饋分布反饋激光器的原理如圖3.13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，而其他波長的光將相互抵消。

說明：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。DFB激光器相比FP激光器的優(yōu)點(diǎn)①單縱模激光器。②譜線窄，波長穩(wěn)定性好。③動(dòng)態(tài)譜線好。④線性好。3.1.4發(fā)光二極管激光器（LD）的工作原理：受激輻射光發(fā)光二極管（LED）的工作原理：自發(fā)輻射光組成結(jié)構(gòu)比較;相同點(diǎn)：都采用雙異質(zhì)結(jié)（DH）結(jié)構(gòu)（把有源層夾在P型和N型限制層中間）不同點(diǎn)：LED不需要光學(xué)諧振腔，無閾值電流。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。兩種類型對比：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，因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。

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)光型同作為光源的發(fā)光二極管（LED）和激光機(jī)（LD）比較：發(fā)光二極管（LED）缺點(diǎn)：1，輸出光功率較小2，譜線寬度較寬3，調(diào)制頻率較低發(fā)光二極管（LED）優(yōu)點(diǎn)：1，穩(wěn)定，壽命長2制造工藝簡單，價(jià)格低廉因此，適用于小容量，短距離的光纖通信系統(tǒng)中。發(fā)光二極管（LED）的工作特性(1)光譜特性。

譜線較寬（波長范圍）。隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，譜線加寬，(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。導(dǎo)致與光纖的耦合效率一般小于10%

(3)輸出光功率特性。1，一般外微分量子效率ηd小于10%。2，入纖光功率低（只有幾百μW。）

(4)頻率特性。

發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為|H(f)|=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，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(dāng)f=fc=1/(2πτe)時(shí)，|H(fc)|=，最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。結(jié)論：不論是正面型LED還是側(cè)面型LED，調(diào)制頻率比較低。如：20~30MHZ（正面型），100~150MHZ（側(cè)面型）而LD最高調(diào)制頻率為1~2GHz

3.1.5半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用〖ST〗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。（1）LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統(tǒng)。（2）LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國內(nèi)外都得到最廣泛的應(yīng)用。

（3）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。表3.2分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能

在實(shí)際應(yīng)用中，通常把光源做成組件（封裝，集成），圖3.18示出LD組件構(gòu)成的實(shí)例。偏置電流和信號電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路作用于LD，LD正向發(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)測和自動(dòng)溫度控制(ATC)。3.2光檢測器光檢測器是光接收機(jī)的核心。光檢測器的功能：把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。常用光檢測器：PN光電二極管PIN光電二極管雪崩光電二極管（APD）工作原理：光電效應(yīng)當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，光子能量大于或等于帶隙能量時(shí)，價(jià)帶的電子通過受激吸收躍遷至導(dǎo)帶，形成電子-空穴對。當(dāng)電路閉合時(shí)，這些自由載流子的定向流動(dòng)形成（光）電流。施加反向偏壓可以增強(qiáng)光電流。限制因素：光生電流中的擴(kuò)散分量，光信號在勢壘區(qū)外吸收所致。p區(qū)光生電子和n區(qū)光生空穴的擴(kuò)散相當(dāng)慢，因此擴(kuò)散電流分量引起時(shí)間響應(yīng)畸變。克服方法：通過減小p區(qū)和n區(qū)厚度減小擴(kuò)散時(shí)間和吸收電能來增大勢壘區(qū)寬度。有兩種改進(jìn)方案已在光波系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用:PIN光電二極管雪崩光電二極管（APD，AvalanchePhotodiode）3.4.1光電二極管結(jié)構(gòu)原理－PN光電二極管3.4.1光電二極管結(jié)構(gòu)原理－PIN光電二極管結(jié)構(gòu)：在PN結(jié)中間夾一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體（I層）。工作原理：由于I層很厚具有較高電阻，電壓基本上落在該區(qū)，使勢壘區(qū)寬度增加，減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)影響，提高了響應(yīng)速度。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η或響應(yīng)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(shù)的比值

η=每秒光生電子-空穴對/每秒入射光子數(shù)=IP/e/P0/hf

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

ρ=IP/P0=ηe/hf

上式中，hf為每個(gè)光子能量，e為電子電荷結(jié)論：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)——即想要提高量子效率η，I層的寬度W要足夠大。（2）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性

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τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所確定。

由渡越時(shí)間τd限制的截止頻率fc=0.42/τd=0.42Vs/w上式中渡越時(shí)間τd=w/Vs,w為耗盡層寬度，Vs為載流子渡越速度。結(jié)論：減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時(shí)間τd，從而提高截止頻率fc，但是同時(shí)要降低量子效率η。截止頻率fc還可以由檢測電路RC常數(shù)所確定。fc=

上式中，Rt為光電二極管的串聯(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。（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電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(ShotNoise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。均方散粒噪聲電流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B式中，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。均方熱噪聲電流〈i2T〉=(3.23)式中，k=1.38×10-23J/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)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為〈i2〉=2e(IP+Id)B+

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(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。

雪崩光電二極管APD工作原理：

1，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。2，如果電壓增加到使電場達(dá)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(yùn)動(dòng)。3，高速運(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。4，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)。

圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖APD的工作特性和參數(shù)1，倍增系數(shù)g:g=輸出光電流/一次光生電流=i0/ip2,APD的響應(yīng)度比PIN提高了g倍。ρ(APD)=g·ρ(PIN)=g·ηe/hfAPD的噪聲：包括量子噪聲、暗電流噪聲和倍增噪聲。倍增效應(yīng)對噪聲電流也被放大了。雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)為〈i2〉=2ei0Bg2+xAPD的x值一般在0.3～1之間。X=0，<M>x＝1，是理想情況。PIN二極管特點(diǎn)：量子效率高。噪聲小。帶寬較高。APD二極管特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。靈敏度高。電壓低，使用方便。

高增益。 高電壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜

噪聲大。3.2.4光電二極管一般性能和應(yīng)用3.2.4光電二極管一般性能和應(yīng)用使用場合：PIN：廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)。在靈敏度要求不高的場合，一般都采用PIN。APD：在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場合，采用APD。如：小信號測量。3.2.4光電二極管一般性能和應(yīng)用Si-PIN/APD用于短波長(0.85μm)光纖通信系統(tǒng)。InGaAs-PIN用于長波長(1.31μm/1.55μm)系統(tǒng)。把InGaAs-PIN和使用場效應(yīng)管（FET）的前置放大器集成，構(gòu)成FET-PIN接收組件，可以進(jìn)一步提高靈敏度，改善器件的性能。3.3光無源器件光無源器件：光纖連接器和接頭光耦合器光波分復(fù)用器光隔離器與光環(huán)行器光調(diào)制器光開關(guān)3.3光無源器件對光無源器件的普遍要求：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(jià)格便宜。便于集成。3.3.1連接器和接頭連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接的器件。（活動(dòng)連接）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源器件之間的連接。接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性連接。（固定連接）主要用于光纖線路的構(gòu)成。光纖套管插針粘結(jié)劑

3.3.1連接器和接頭

對于活動(dòng)連接，光纖固定在插針的微孔內(nèi)，兩支帶光纖的插針用套管對中實(shí)現(xiàn)連接。 對于FC型連接器，光纖端面為平面。 對于PC型，要求光纖端面為球面或斜面。圖套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖3.3.1連接器和接頭光纖固定接頭的方法：–熔接法：使光纖端面加熱并熔接在一起。–V型槽法：采用V型槽或幾根平行棒之間的間隙時(shí)光纖準(zhǔn)直連接。3.3.2光耦合器耦合器功能：把一個(gè)輸入光信號分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號組合成一個(gè)輸出。耦合器對線路影響：帶來附加插入損耗、發(fā)射、串?dāng)_噪聲。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3.3.2光耦合器T形耦合器：2×2的三端耦合器。功能：把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根光纖輸入的光信號組合在一起，輸入一根光纖。用作不同分路比的功率分配器或功率組合器。T形(a)……3.3.2光耦合器星形耦合器：n×m耦合器。功能：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。常用作多端功率分配器。星形(b)

3.3.2光耦合器定向耦合器：

2×2的3端或4端耦合器。 功能：分別取出光纖中向不同方向傳輸?shù)墓庑盘枴? 例如：光信號從端1傳輸?shù)蕉?，一部分由端3輸出 ，端4無輸出。 可用作分路器，不能用作合路器。()定向

(c)2314…3.3.2光耦合器

波分復(fù)用器/解復(fù)用器：

與波長相關(guān)的耦合器稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。 波分復(fù)用器功能：把多個(gè)不同波長的光信號組合在一 起，輸入到一根光纖。 解復(fù)用器功能：把一根光纖輸出的多個(gè)不同波長的光 信號，分配給不同的接收機(jī)。λ1λ2λNλ1＋λ2＋λN波分

(d)3.3.2光耦合器

光耦合器的基本結(jié)構(gòu)：

光纖型、微器件型、波導(dǎo)型

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。

(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個(gè)2×2耦合器組成的8×8星形耦合器光強(qiáng)度光纖a輸出光234輸入光

1

光纖b(a)(b)123456791011128 (c)

3.3.2光耦合器

微器件型：用自聚焦透鏡和分光片、濾光片或光柵等微光學(xué)器件構(gòu)成。光纖自聚焦透鏡自聚焦透鏡光纖λ1λ1、λ2

λ2λ1λ2

λ3光纖自聚焦透鏡硅光柵光纖自聚焦透鏡分光片

1342(b)定向耦合器(a)T形耦合器

濾光片(c)濾光式解復(fù)用器

圖

λ1＋λ2＋λ3

(d)光柵式解復(fù)用器微器件型耦合器3.3.2光耦合器波導(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。光波導(dǎo)開角(a)T形耦合器 (b)定向耦合器(c)波分解復(fù)用器多模波導(dǎo)多層膜