光纖通信-通信用光器件

第3章通信用光器

3.1光源

3.2光檢測(cè)器

3.3光無(wú)源器件返回主目錄第3章通信用光器件

通信用光器件可以分為有源器件和無(wú)源器件兩種類型。有源器件包括光源、光檢測(cè)器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。光無(wú)源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)和隔離器等，這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。本章介紹通信用光器件的工作原理和主要特性，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供選擇依據(jù)。3.1光源光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。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(chǎng)合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)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(jìn)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(zhǎng)和價(jià)格便宜的發(fā)光管(LED)。

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，實(shí)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(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射的光放大)的縮寫。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開(kāi)始。1.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(jí)，最低能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式(見(jiàn)圖3.1)：

圖3.1能級(jí)和電子躍遷(a)受激吸收；(b)自發(fā)輻射；(c)受激輻射(1)在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴，見(jiàn)圖3.1(a)。(2)在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒(méi)有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)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(jiàn)圖3.1(b)。(3)在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)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(jiàn)圖3.1(c)。受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。電子在E1和E2兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即E2-E1=hf12(3.1)式中，h=6.628×10-34J·s，為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。問(wèn)題是如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?這個(gè)問(wèn)題將在下面加以敘述。

2.PN結(jié)的能帶和電子分布半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)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(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶，如圖3.2。能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec和價(jià)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(dǎo)體的能帶和電子分布(a)本征半導(dǎo)體；(b)N型半導(dǎo)體；(c)P型半導(dǎo)體圖3.2示出不同半導(dǎo)體的能帶和電子分布圖。根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。當(dāng)T→0時(shí)，P(E)→0，這時(shí)導(dǎo)帶上幾乎沒(méi)有電子，價(jià)帶上填滿電子。Ef稱為費(fèi)米能級(jí)，用來(lái)描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。圖3.3PN結(jié)的能帶和電子分布(a)P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；(b)零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶圖；(c)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，用Ef位于禁帶中央來(lái)表示，見(jiàn)圖3.2(a)。在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，Ef增大，導(dǎo)帶的電子增多，價(jià)帶的空穴相對(duì)減少，見(jiàn)圖3.2(b)。在本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，Ef減小，導(dǎo)帶的電子減少，價(jià)帶的空穴相對(duì)增多，見(jiàn)圖3.3(c)。在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)，見(jiàn)圖3.3(a)。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜，見(jiàn)圖3.3(b)。這時(shí)在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見(jiàn)圖3.3(c)。在電子和空穴擴(kuò)散過(guò)程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。

3.激光振蕩和光學(xué)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(xué)諧振腔中，對(duì)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?；镜墓鈱W(xué)諧振腔由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成(如圖3.4所示)，并被稱為法布里-珀羅(FabryPerot,FP)諧振腔。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。另一方面，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(kāi)始建立穩(wěn)定的激光振蕩，其閾值條件為

圖3.4激光器的構(gòu)成和工作原理(a)激光振蕩；(b)光反饋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(zhǎng)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(zhǎng)=q式中，λ為激光波長(zhǎng)，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(zhǎng)。圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3μm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(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里-珀羅(FP)諧振腔。圖3.6示出DH激光器工作原理。由于限制層的帶隙比有源層寬，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(duì)注入電子形成了勢(shì)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。圖3.6DH激光器工作原理(a)短波長(zhǎng)；(b)長(zhǎng)波長(zhǎng)(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布P層帶隙徑寬，導(dǎo)帶已的能態(tài)比洪有源層高議，對(duì)注入退電子形成砍了勢(shì)壘，緩注入到有壟源層的電趕子不可能韻擴(kuò)散到P窄層。同構(gòu)理，注輩入到有源彎層的空穴幸也不可能怠擴(kuò)散到N任層。這樣惹，注入到月有源層的蘭電子和空宣穴被限制貿(mào)在厚0.赤1~0.腸3μm玩的有源層怖內(nèi)形成粒餅子數(shù)反轉(zhuǎn)慰分布，這用時(shí)只要很服小的外加龜電流，就?？梢允闺姲Y子和空穴寬濃度增大擺而提高效絕益。另一避方面，有限源層的折劇射率比限變制層高，隸產(chǎn)生的激軌光被限制覆在有源區(qū)顏內(nèi)，因而呢電/光轉(zhuǎn)膏換效率很炎高，輸出暑激光的閾江值電流很愿低，很小紹的散熱體國(guó)就可以在依室溫連續(xù)翼工作。您3.1威.2半疫導(dǎo)體激加光器的少主要特勾性1.克發(fā)射波妥長(zhǎng)和光堡譜特性半導(dǎo)體單激光器蛾的發(fā)射材波長(zhǎng)取腹決于導(dǎo)豎帶的電裳子躍遷頑到價(jià)帶徒時(shí)所釋償放的能魂量，這昆個(gè)能量面近似等好于禁帶刑寬度E吳g(e翅V)，屆由式(殿3.1妥)得到正hf幕=Eg銹式中，f很=c/λ沫，f(H而z)和λ閥(μm)瘡分別為發(fā)廊射光的頻姜率和波長(zhǎng)園，c=徒3×108m/s為勿光速，h章=6.6院28×1喜0-34J·S惑為普朗辛克常數(shù)探，1籍eV=驢1.6植×10-19J，代唉入上式但得到不同半第導(dǎo)體材社料有不盯同的禁熊帶寬度差Eg朱，因而蓄有不同艱的發(fā)射澤波長(zhǎng)λ勻。鎵鋁新砷-良鎵砷(碼GaA情lAs靜Ga壯As)評(píng)材料適逗用于0莖.85仿μm榜波段，蘋銦鎵砷便磷-體銦磷祝(In松GaA自sP謠InP茶)材料旺適用于棉1.3裹~1.撲55窩μm波課段。參牙看圖3拴.5(摧b)。賺圖3.7軍是GaA煌lAs賢DH激光掀器的光譜絕特性。在過(guò)直流驅(qū)動(dòng)幼下，發(fā)畫射光波長(zhǎng)枯有一定分就布，譜線口具有明顯純的模式結(jié)腰構(gòu)。這種齒結(jié)構(gòu)的產(chǎn)么生是因?yàn)樯茖?dǎo)帶和價(jià)囑帶都是由仰許多連續(xù)停能級(jí)組成生的有一定恢寬度的能彈帶，兩個(gè)討能帶中不齒同能級(jí)之妄間電子的拾躍遷會(huì)產(chǎn)形生連續(xù)波漁長(zhǎng)的輻射狹光。其中只有姻符合激光閑振蕩的相屬位條件式鞏(3.5伐)的波長(zhǎng)粱存在。襪這些波長(zhǎng)畏取決于激央光器縱向化長(zhǎng)度L，禿并稱為激診光器的縱趁模。呢由圖3.碑7(a)弓可見(jiàn)，隨璃著驅(qū)動(dòng)電顫流的增加坦，縱模模供數(shù)逐漸減敬少，譜俘線寬度變?cè)跽?。這種俘變化是由佩于諧振腔善對(duì)光波頻沫率和方向交的選擇，振使邊模消防失、主模誼增益增加頃而產(chǎn)生的銀。當(dāng)驅(qū)動(dòng)啊電流足夠惹大時(shí)，多跑縱模變?yōu)樘箚慰v模，符這種激光洋器稱為靜虎態(tài)單縱模水激光器。待刺圖3.膛7(b)層是300肚Mb/夫s數(shù)字調(diào)泡制的光譜膀特性，仔由圖可見(jiàn)蜂，隨著調(diào)勒制電流增匙大，縱模受模數(shù)增多浪，譜線寬蔬度變寬。須用FP諧今振腔可以帽得到的是趙直流驅(qū)動(dòng)物的靜態(tài)單責(zé)縱模激光挎器，要得荷到高速數(shù)襲字調(diào)制的憂動(dòng)態(tài)單縱嚷模激光器促，必須改喪變激光器柿的結(jié)構(gòu)，叼例如采用傍分布反饋對(duì)激光器就翁可達(dá)到目被的。圖3扣.7G革aAl約As含DH激粥光器的贈(zèng)光譜特鏡性(a)梳直流驅(qū)動(dòng)揉;(b阿)30話0Mb仇/s數(shù)字種調(diào)制2.激構(gòu)光束的空刑間分布激光束的睬空間分布?jí)庞媒鼒?chǎng)和慎遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)描贈(zèng)述。近場(chǎng)彼是指激光醉器輸出反經(jīng)射鏡面上鉆的光強(qiáng)分跑布，遠(yuǎn)場(chǎng)錦是指離反細(xì)射鏡面一依定距離處棄的光強(qiáng)分曾布。圖3浙.8是G年aAlA號(hào)sDH銀激光器的膠近場(chǎng)圖和穴遠(yuǎn)場(chǎng)圖，篇近場(chǎng)和寸遠(yuǎn)場(chǎng)是由椅諧振腔(擇有源區(qū))策的橫向尺售寸，即平府行于PN非結(jié)平面的戴寬度w和經(jīng)垂直于結(jié)菊平面的厚溪度t所決采定，并稱傭?yàn)榧す馄髑傅臋M模。趁由圖3.抵8可以看提出，平葬行于結(jié)平顛面的諧振壇腔寬度w層由寬變窄居，場(chǎng)圖治呈現(xiàn)出由筒多橫模變垂為單橫模閥；垂直于郊結(jié)平面的秤諧振腔厚禁度t很薄揉，這個(gè)方岔向的場(chǎng)圖養(yǎng)總是單橫句模。圖3.退8G棒aAlA福sDH聞條形激光慕器的近場(chǎng)皆圖3.9甩典型半鑰導(dǎo)體激泳光器的洽遠(yuǎn)場(chǎng)輻寒射特性棵和遠(yuǎn)場(chǎng)怒圖樣警(a當(dāng))光將強(qiáng)的角尤分布；斬(b償)輻覽射光束圖3.9葉為典型半闊導(dǎo)體激光紐奉器的遠(yuǎn)場(chǎng)駱輻射特性拋，圖中θ洪‖和θ⊥姥分別為平候行于結(jié)平目面和垂直牢于結(jié)平面盲的輻射角總，整個(gè)光念束的橫截招面呈橢圓仙形。3.轉(zhuǎn)扶換效率和逆輸出光功喉率特性激光器的伯電/光轉(zhuǎn)重?fù)Q效率用傘外微分量驅(qū)子效率η報(bào)d表示，況其定義是奮在閾值電瓜流以上，凍每對(duì)復(fù)合沿載流子產(chǎn)麗生的光子肢數(shù)由此得到式中，牛P和I剖分別為驢激光器騾的輸出蹲光功率林和驅(qū)動(dòng)施電流，邪Pth和Ith分別為相池應(yīng)的閾值岸，hf和匙e分別為贈(zèng)光子能量軋和電子電可荷。激某光器的光鼻功率特性啦通常用P育-I曲冤線表示，刑圖3.1萄0是典型粉激光器的累光功率特燭性曲線。享當(dāng)I<納Ith時(shí)珍激光器發(fā)容出的是自片發(fā)輻射光搏；當(dāng)I蛋>Ith留時(shí)，發(fā)出胸的是受激祝輻射光，末光功率隨慕驅(qū)動(dòng)電流雀的增加而柱增加。赤4.頻鼠率特性在直接貴光強(qiáng)調(diào)繭制下，腥激光魄器輸出狀光功率胖P和調(diào)釀制頻率阿f的關(guān)核系為P(f貌)=圖3遭.10叉典型半揭導(dǎo)體激印光器的酬光功率父特性(a)燒短波錄長(zhǎng)Al摸GaA刃s/G響aAs濁;睛(b伐)長(zhǎng)妄波長(zhǎng)I競(jìng)nGa暖AsP捧/In抖P式中，fr和ξ分別技稱為弛豫唇頻率和阻蠻尼因子，懶Ith和I0分別為閾神值電流和臺(tái)偏置電流霞；I′是殖零增益電鑰流，高摻島雜濃度的胡LD，掏I′=0行，低摻虧雜濃度的腰LD,崇I′=璃(0.7蓬~0.8拉)Ith；τsp為有源區(qū)慕內(nèi)的電子灘壽命，τph為諧振腔湯內(nèi)的光子?jì)D壽命。圖3.晴11示桌出半導(dǎo)耗體激光蕉器的直撕接調(diào)制庸頻率特包性。弛攔豫頻率部fr是異調(diào)制頻招率的上懷限，一兼般激光勿器的fr為1~即2G自Hz?；柙诮咏鼉Afr處，數(shù)敗字調(diào)制要概產(chǎn)生弛豫港振蕩，模年擬調(diào)制要型產(chǎn)生非線竭性失真。圖3呢.11斜半汪導(dǎo)體激啄光器的搞直接調(diào)內(nèi)制頻率肺特性5.解溫度特艘性對(duì)于線泳性良好客的激光以器，輸紋出光功辨率特性毛如式(個(gè)3.7庫(kù)b)和掀圖3.璃10所駝示。激稱光器輸辟出光功壓率隨溫辯度而變爭(zhēng)化有兩急個(gè)原因嚇：一驕?zhǔn)羌す庖r器的閾卻值電流允Ith隨溫度閱升高而洪增大，裳二是外舅微分量盲子效率研ηd隨溫度宗升高而濫減小。痰溫度升聯(lián)高時(shí)，撿Ith增大，η競(jìng)d減小，酒輸出光逆功率明顯繁下降，達(dá)攏到一定溫蕩度時(shí)，激寶光器就不脖激射了當(dāng)獵以直流電咱流驅(qū)動(dòng)激唇光器時(shí)，心閾值電流沈隨溫度的襖變化更加的嚴(yán)重。當(dāng)耀對(duì)激光器債進(jìn)行脈沖昨調(diào)制時(shí)，掃閾值電流年隨溫度呈廳指數(shù)變化賣，在一定駁溫度范圍吳內(nèi)，可以稼表示為Ith=I0exp式中，碗I0為常數(shù)，偷T為結(jié)區(qū)鞭的熱力學(xué)嬌溫度，T0為激光器盡材料的特煎征溫度。額GaAl穩(wěn)AsGa刺As激光掩器T0=10永0~1佩50糠K、I桿nGa榨AsP江In襯P激光貪器T0=40~雜70K闊，所以長(zhǎng)區(qū)波長(zhǎng)In頸GaAs已PIn捎P激光器席輸出光功忍率對(duì)溫度早的變化更受加敏感。菌外微分南量子效振率隨溫喉度的變杜化不十鉗分敏感恢，例如餅，G關(guān)aAl窮As王GaA旗s激光待器在7螺7K牛時(shí)ηd嶄≈50抵%，在恢300右K時(shí)沙，ηd絞≈3徒0%。濟(jì)圖3.1蛙2示出脈遠(yuǎn)沖調(diào)制的深激光器，苦由于溫度耕升高引起裳閾值電流脹增加和外愿微分量子派效率減小景，造成的誤輸出光功膚率特性P關(guān)-I鴉曲線的獵變化。圖3.交12丈P柳I曲線殊隨溫度的命變化3.1.普3分布反快饋激光器廊隨著技染術(shù)的進(jìn)潮步，高符速率光沉纖通信單系統(tǒng)的恩發(fā)展和烤新型光皂纖通信幻玉系統(tǒng)例絕如波分某復(fù)用系扮統(tǒng)的出挪現(xiàn)，都臣對(duì)激光懂器提出嫁更高的瞞要求。燦和由昏FP諧浴振腔構(gòu)之成的D后H激光嫌器相比宮，要求謎新型半愈導(dǎo)體激哭光器的鼓譜線寬撕度更窄幼，并在扁高速率眠脈沖調(diào)握制下保掌持動(dòng)態(tài)糊單縱模構(gòu)特性；違發(fā)射光建波長(zhǎng)更盤加穩(wěn)定院，并能少實(shí)現(xiàn)調(diào)抱諧；閾爛值電流頓更低，顆而輸梁出光功雕率更大絹。具有偏這些特嗚性的動(dòng)采態(tài)單縱舅模激光趨器有多搜種類型遺，其中蓋性能優(yōu)虧良并得所到廣泛葉應(yīng)用的燃是分布蜂反饋(印Dis桿tri望but瓦ed肆Fee評(píng)dB爽ack剛,D牢FB)江激光器晨。普通激序光器用牙FP諧蝕振腔兩吧端的反獸射鏡，蠻對(duì)激活券物質(zhì)發(fā)詳出的輻墳射光進(jìn)芬行反饋延，DF耳B激光鵝器用靠柿近有源乳層沿長(zhǎng)壺度方向應(yīng)制作的暴周期性賀結(jié)構(gòu)(諒波紋狀曬)衍射龜光柵實(shí)自現(xiàn)光反祥饋。這逼種衍射重光柵的蜂折射率崖周期性仙變化，權(quán)使光沿約有源層蒜分布式龜反饋，曠所以稱勒為分布耍反饋激浩光器。如圖3旋.13煎所示，兇由有源灑層發(fā)射舉的光，杯從一個(gè)僵方向向謹(jǐn)另一個(gè)瞎方向傳帖播時(shí)，鄭一部分假在光柵慮波紋峰寄反射(傾如光線桂a)，恥另一柴部分繼艘續(xù)向前騰傳播，圣在鄰近迅的光柵衡波紋峰線反射(僑如光線做b)。因如果光多線a和攔b匹配貧，相互羅疊加，陷則產(chǎn)生滴更強(qiáng)的坡反饋，霸而其他葉波長(zhǎng)的絡(luò)光將相顏互抵消攻。雖然畜每個(gè)波螺紋峰反隸射的光越不大，印但整琴個(gè)光柵航有成百辜上千個(gè)紙波紋峰考，反饋睬光的總認(rèn)量足以蜘產(chǎn)生激配光振蕩故。光柵周期犁Λ由下式扒確定Λ=跪m式中，突ne為材料夏有效折借射率，特λB為布喇煉格波長(zhǎng)毛，m為侍衍射級(jí)伸數(shù)。在躺普通光輪?wèn)诺腄植FB激達(dá)光器中駝，發(fā)生悠激光振到蕩的有巡壽兩個(gè)閾胃值最低鞠、增益暈相同的圓縱模，愧其波長(zhǎng)誼為圖3.鏟13分布禮反饋(D采FB)激淡光器(a)本結(jié)構(gòu)滅；(揉b)禁光反饋式中L柏為光柵暢長(zhǎng)度，殘其他符倆號(hào)和式影(3.年10)將意義雹相同。賊在普價(jià)通均勻客光柵中話，引入站一個(gè)λ笑/4相米移變換貌，使原核來(lái)的波慕峰變波含谷，檔波谷變慰波峰，巨可以有對(duì)效地提耗高模式刮選擇性牙和穩(wěn)定滲性，實(shí)真現(xiàn)動(dòng)態(tài)惹單縱模窗激光器泉的要求護(hù)。DFB納激光器諸與F娃P激光辜器相比斬，具麥有以下融優(yōu)點(diǎn)：貨①單飛縱模激乎光器。FP激毛光器的誕發(fā)射光若譜是由熄增益譜誓和激光頑器縱模四特性共撫同決定偉的，由游于諧振蕉腔的長(zhǎng)沉度較長(zhǎng)國(guó)，導(dǎo)致液縱模間干隔小，盾相鄰縱皺模間的彩增益差斷別小，任因此要腐得到單糞縱模振偷蕩非常蠅困難。賢DFB侍激光器驚的發(fā)射瞧光譜主夢(mèng)要由光軌柵周期勻Λ決定灰。Λ相孤當(dāng)于F莖P激養(yǎng)光器的搖腔長(zhǎng)L竭，每一隔個(gè)Λ形曾成一個(gè)頂微型諧潛振腔。勸由于Λ芽的長(zhǎng)度睬很小，峽所以m沫階和(扇m+1偏)階模尖之間的便波長(zhǎng)間納隔比F帳P腔大世得多，翼加之多里個(gè)微型瞇腔的選廉模作用顯，很容工易設(shè)計(jì)打成只有痕一個(gè)模斑式就能盯獲得足用夠的增造益。于舊是DF帽B激光蔬器容易電設(shè)計(jì)成療單縱模呢振蕩。成②譜線賴窄，波態(tài)長(zhǎng)穩(wěn)定性翼好。由于D紋FB激墳光器的冷每一個(gè)腸柵距Λ臥相當(dāng)于激一個(gè)F垃P腔，搶所以布秘喇格反壤射可以還看作多壤級(jí)調(diào)諧房誠(chéng)，使得存諧振波施長(zhǎng)的選奸擇性大睜大提高疊，譜蘿線明顯慮變窄，壘可以窄獻(xiàn)到幾個(gè)領(lǐng)GHz摔。由于光柵更的作用有認(rèn)助于使發(fā)步射波長(zhǎng)鎖泉定在諧振莫波長(zhǎng)上，致因而波長(zhǎng)避的穩(wěn)定性種得以改善豆。③動(dòng)態(tài)鋪?zhàn)V線好。DFB嶼激光器濟(jì)在高速籮調(diào)制時(shí)邁也能保能持單模抄特性，餡這是F蒜P激光慘器無(wú)法放比擬的勇。盡管厚DFB盜激光器南在高速戚調(diào)制時(shí)存存在啁浙啾，譜衛(wèi)線有一旬定展寬糠，但比睡FP注激光器匠的動(dòng)態(tài)漢譜線的翼展寬要甩改善一舍個(gè)數(shù)量木級(jí)左右堤。④線性儲(chǔ)好。DFB激啄光器的線宅性非常好版，因此揉廣泛用于聲模擬調(diào)制付的有線電糕視光纖傳隨輸系統(tǒng)中傭。3.1.壤4發(fā)光二突極管發(fā)光二榆極管(斷LED饒)的工叛作原理?yè)炫c激光漫器(L唐D)有書所不同方，L臂D發(fā)射向的是受社激輻射遼光，L揀ED發(fā)選射的是來(lái)自發(fā)輻蘭射光。朵LED省的結(jié)構(gòu)網(wǎng)和LD淹相似，盜大多是璃采用雙咱異質(zhì)結(jié)撿(DH枯)芯片闖，把有拆源層夾帶在P型全和N型筋限制層廳中間，遍不同的辰是LE摧D不需飄要光學(xué)波諧振腔駱，沒(méi)蜓有閾值付。發(fā)光莖二極管妨有兩種刪類型：蓬一類是懶正面發(fā)芹光型L肅ED，生另一費(fèi)類是側(cè)圖面發(fā)光團(tuán)型LE港D，其著結(jié)構(gòu)示話于圖3紫.14爹。和正闊面發(fā)光繪型LE發(fā)D相比門，側(cè)面軌發(fā)光型除LED夠驅(qū)動(dòng)電深流較大敏，輸出阻光功率紐奉較小，辭但由數(shù)于光束沫輻射角據(jù)較小，章與光纖五的耦合準(zhǔn)效率較澤高，因招而入纖嫩光功率悶比正面酒發(fā)光型尸LED棗大。圖3.紅14兩類恐發(fā)光二極雪管(LE片D)(a)弟正面發(fā)光旁型；(哥b)側(cè)忙面發(fā)光型和激光器鐮相比，發(fā)傲光二極管壓輸出光功潮率較小，羽譜線寬度秧較寬，調(diào)五制頻率較頃低。但發(fā)馳光二極管碎性能穩(wěn)定四，壽命長(zhǎng)效，輸出光饅功率線性囑范圍寬，坡而且制手造工藝簡(jiǎn)糧單，價(jià)格叛低廉。因留此，這伙種器件在察小容量短北距離系統(tǒng)記中發(fā)揮了撿重要作用醋。發(fā)光二極啞管具有如利下工作特很性：(1)份光譜特性拐。發(fā)光二住極管發(fā)測(cè)射的是高自發(fā)輻拍射光，革沒(méi)有免諧振腔耐對(duì)波長(zhǎng)炊的選擇盼，譜線篩較寬，釘如圖3紗.15奏。一般典短波長(zhǎng)吳GaA雖lAs恨Ga繁As漲LED赴譜線寬無(wú)度為3徑0~5申0n中m，長(zhǎng)窗波In究GaA幟sP披InP蕩LE叢D譜線洋寬度為洽60~歡120侍nm必。隨著對(duì)溫度升廣高或驅(qū)藝動(dòng)電流價(jià)增大，寧譜線加滿寬，且艙峰值波刃長(zhǎng)向長(zhǎng)旋波長(zhǎng)方指向移動(dòng)峽，短波押長(zhǎng)和長(zhǎng)犬波長(zhǎng)L椒ED的單移動(dòng)分課別為努0.2澡~0.梁3n須m/℃遙和0孤.3~姿0.5雞nm承/℃。司圖3.漸15L槳ED光譜會(huì)特性(2)亭光束的空漿間分布。在垂直品于發(fā)光丙平面上升，正摘面發(fā)光蠢型LE咽D輻射鑄圖呈朗巷伯分布洞，即幼P(θ撈)=P士0c訂osθ孔，半功叮率點(diǎn)輻判射角θ抱≈12朝0°。骨側(cè)面發(fā)燈光型L瀉ED，鑼?duì)取滞?20己°，θ濃⊥≈2仆5°~域35°捎。由于屬θ大，延LED穿與光蜘纖的耦恩合效率疏一般小數(shù)于10掠%娃。(3)米輸出光功堵率特性。發(fā)光二滅極管實(shí)影際輸出錢的光子扒數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)舞小于有館源區(qū)產(chǎn)掏生的光捎子數(shù)，怨一般外傘微分量痕子效率噸ηd小條于10暑%。兩境種類型績(jī)發(fā)光二只極管的睡輸出光累功率特供性示于港圖3.廟16。怠驅(qū)動(dòng)電搶流I較漁小時(shí)，啟P宅-I鋤曲線的遍線性較絨好；I獻(xiàn)過(guò)大時(shí)思，由于堅(jiān)PN結(jié)首發(fā)熱產(chǎn)被生飽和判現(xiàn)象，捐使P異-I場(chǎng)曲線的做斜率減手小。在卵通常工殃作條件厚下，L陜ED工息作電流封為50脹~10迫0mA聲，映輸出光覽功率為妨幾mW喇，由于服光束輻誘射角大懷，入纖拘光功率種只有幾貓百μW錢。圖3根.16眾發(fā)涌光二極不管(L果ED)恒的P藍(lán)-I芳特性(3)房誠(chéng)輸出雷光功率足特性。發(fā)光二音極管實(shí)谷際輸出恨的光子戒數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)稀小于有棗源區(qū)產(chǎn)哲生的光截子數(shù)，朽一般康外微分形量子效搖率ηd小于1巡壽0%。尖兩種類嚇型發(fā)光勞二極管夜的輸出伯光功率謊特性示仔于圖3咐.16測(cè)。驅(qū)動(dòng)蜘電流I屋較小時(shí)筍，P根-裁I曲線孝的線性衫較好；抓I過(guò)大腸時(shí)，由暈于PN晚結(jié)發(fā)熱照產(chǎn)生飽雙和現(xiàn)象郊，使P示-I檔曲線撕的斜率責(zé)減小。休在通常內(nèi)工作條依件下，陶LED饅工作電郊流為5穿0~1英00晉mA，秒輸出光祥功率為棟幾mW伏，由于仁光束輻株射角大笑，入纖估光功率杏只有幾脹百μW腦。(4)死頻率檢特性。發(fā)光二極常管的頻率撓響應(yīng)可以掩表示為|H(沒(méi)f)|聰=式中，及f為調(diào)布制頻率既，P(昂f)為匪對(duì)應(yīng)于悉調(diào)制頻咱率f的區(qū)輸出光哥功率，老τe為尚少數(shù)載幟流子(塔電子)傲的壽命扶。定義去fc為發(fā)光二角極管的截狗止頻率，棉當(dāng)f=fc=1/(亞2πτe醉)時(shí)，|勉H(fc奪)|=魚，緩最高調(diào)制登頻率應(yīng)低稿于截止頻恐率。圖3.1透7示出發(fā)威光二極管油的頻率響脈應(yīng)，圖秋中顯示出臂少數(shù)載流鋪?zhàn)拥膲勖鼜摩觘和截止悟頻率fc的關(guān)系。錘對(duì)有源區(qū)妻為低摻雜磨濃度的拾LED，蜜適當(dāng)增憐加工作電菠流可以縮侵短載流子枯壽命，提桑高截止頻銜率。在一腿般工作條兇件下，正裙面發(fā)光型縫LED截互止頻率為做20~3雀0MH浙z，側(cè)面瞧發(fā)光型L羞ED截止蠢頻率為1議00~1樹(shù)50M撲Hz。哥圖3.劫17敘發(fā)光二豪極管(L運(yùn)ED)的亮頻率響應(yīng)3.1.死5半導(dǎo)體層光源一般捷性能和應(yīng)寒用〖ST〗輝表3.販1和表延3.2施列出半丈導(dǎo)體激哥光器(珍LD)氏和發(fā)光煮二極管雖(LE鹿D)的娃一般性兆能。憶LED鄭通常和賤多模光漲纖耦合撿，用于裕1.3鏡μm票(或0蛛.85族μm霧)波長(zhǎng)尾的小容腎量短距曠離系統(tǒng)斥。因?yàn)椴腖ED廳發(fā)光面溪積和光圓束輻射火角較大終，而抹多模S惜IF光疼纖或G惰651啄規(guī)范的桐多模G繡IF光尤纖具有像較大的槳芯徑和縱數(shù)值孔滾徑，有衣利于提貪高耦合納效率，卡增加入釋纖功率谷。LD隸通常和往G.6霞52或嘉G.6割53規(guī)護(hù)范的單慌模光纖贈(zèng)耦合，訪用于1蟲(chóng).3想μm或嬌1.5即5μ修m大容話量長(zhǎng)距怠離系統(tǒng)驅(qū)，這種衛(wèi)系統(tǒng)在冰國(guó)內(nèi)外晉都得到慘最廣泛挽的應(yīng)用姻。分拍布反饋篩激光器猴(DF友B-歸LD蝕)主要肝和G.煌653嘆或G.仿654頃規(guī)范的忍單模光架纖或特義殊設(shè)計(jì)隆的單模擋光纖耦健合，用容于超大亞容量的尊新型光蘭纖系統(tǒng)映，這捕是目前儲(chǔ)光纖通炭信發(fā)展睬的主要立趨勢(shì)。霧表3衰.2分輔布反饋抹激光器曾(DF濫B-眨LD窄)一般塔性能在實(shí)際擇應(yīng)用中蔑，通常矛把光源勒做成組崇件，圖割3.1武8示出捷LD組夠件構(gòu)成坐的實(shí)例繩。偏置裙電流和唐信號(hào)電饅流經(jīng)驅(qū)攪動(dòng)電路尚作用于勇LD，貞LD買正向發(fā)巖射的光杯經(jīng)隔離幣器和透限鏡耦合蔑進(jìn)入光翻纖，反別向發(fā)射化的光經(jīng)移PIN搬光電二鑄極管轉(zhuǎn)誘換進(jìn)入寸光功率房誠(chéng)監(jiān)控器擁，同時(shí)顫利用熱堤敏電阻憲和冷卻螞元件進(jìn)奔行溫度苗監(jiān)測(cè)和欄自動(dòng)溫法度控制煉(AT棄C)。3.2禾光-檢足測(cè)器3.2點(diǎn).1光榴電二極向管工作狀原理光電二極孕管(PD牙)把光信霜號(hào)轉(zhuǎn)換為近電信號(hào)的陵功能，怖是由半導(dǎo)曲體PN結(jié)旨的光電效溜應(yīng)實(shí)現(xiàn)的掉。攪如3.1債節(jié)所述，生在PN結(jié)辮界面上，聚由于電子奔和空穴的徒擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)罪，形成內(nèi)鍵部電場(chǎng)。煎內(nèi)部電場(chǎng)接使電子和挨空穴產(chǎn)生折與擴(kuò)散運(yùn)名動(dòng)方向相卸反的漂移卵運(yùn)動(dòng)，最從終使能帶蜓發(fā)生傾斜港，在P之N結(jié)界面版附近形成敢耗盡層如訓(xùn)圖3.1城9(a)給。當(dāng)入射記光作用在重PN結(jié)時(shí)飽，如果光宏子的能量何大于或等杜于帶隙(存hf≥E層g)，接便發(fā)生受相激吸收，殲即價(jià)帶的浸電子吸收滿光子的能搞量躍遷到錫導(dǎo)帶形成省光生電子欲-空決穴對(duì)。飲在耗盡層與，由于內(nèi)回部電場(chǎng)的解作用，電晌子向N區(qū)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，空淹穴向P區(qū)依運(yùn)動(dòng)，魯形成漂移遭電流。在耗盡堤層兩側(cè)微是沒(méi)有絞電場(chǎng)的龍中性區(qū)膀，由于汽熱運(yùn)動(dòng)撞，部分前光生電邪子和空絡(luò)穴通過(guò)根擴(kuò)散運(yùn)陽(yáng)動(dòng)可能務(wù)進(jìn)入耗刊盡層，老然后在厚電場(chǎng)作緊用下，巨形成吹和漂移吵電流相糖同方向從的擴(kuò)散獅電流。舒漂移電抄流分量法和擴(kuò)散器電流分位量的總滿和即為誤光生電床流。當(dāng)幸與P層首和N層訪連接的勤電路開(kāi)野路時(shí)，儲(chǔ)便在兩瓜端產(chǎn)生蒜電動(dòng)勢(shì)織，這種舍效應(yīng)稱苗為光電效應(yīng)。當(dāng)雖連接的參電路閉延合時(shí)，巾N區(qū)過(guò)棗剩的電陜子通過(guò)蠶外部電崗路流向冷P區(qū)。欲同樣，猜P區(qū)的械空穴流慈向N區(qū)峰，便罰形成了素光生電坑流。摘當(dāng)入射恩光變化地時(shí)，光態(tài)生電流喚隨之作見(jiàn)線性變符化，從烤而把光教信號(hào)轉(zhuǎn)妖換成電澤信號(hào)。色這種由戲PN結(jié)沸構(gòu)成，鄙在入射陳光作用估下，由方于受激素吸收過(guò)欣程產(chǎn)生瓦的電子鏟-跪空穴謀對(duì)的運(yùn)太動(dòng)，在輩閉合電杜路中形轟成光生掉電流的舒器件，撤就是簡(jiǎn)逝單的光翠電二極察管(P勾D)。悠如圖3.濃19(b智)所示，廚光電二極余管通常要飲施加適當(dāng)植的反向偏良?jí)?，目的臟是增加耗礙盡層的寬些度，縮小筋耗盡層兩睬側(cè)中性區(qū)尸的寬度，競(jìng)從而減小怖光生電流瓦中的擴(kuò)散獎(jiǎng)分量。由買于載流子褲擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)父比漂移運(yùn)牧動(dòng)慢得多俊，所以減賭小擴(kuò)散分曠量的比例坐便可顯著獵提高響應(yīng)孟速度。但堂是提高反沸向偏壓，前加寬耗盡石層，又會(huì)胡增加載流叢子漂移的膝渡越時(shí)間趨，使響奸應(yīng)速度減胸慢。為了爐解決這一魚矛盾，干就需要改葬進(jìn)PN結(jié)夫光電二極蔥管的結(jié)構(gòu)尤。3.2.陪2PIN淋光電二極阻管由于P爬N結(jié)耗撇盡層只賽有幾微綠米，大油部分入埋射光被捧中性區(qū)堪吸收，勇因而鍵光電轉(zhuǎn)傭換效率意低，響僅應(yīng)速度比慢。為雜改善器去件的特剩性，在撐PN結(jié)拖中間設(shè)按置一層巷摻雜濃孔度很低彩的本征侄半導(dǎo)體宏(稱為項(xiàng)I)，腸這種結(jié)帝構(gòu)便是睡常用的客PIN給光電二雄極管。摩PIN蓮光電二嬌極管的建工作原字理和結(jié)罩構(gòu)見(jiàn)圖料3.2枝0和圖盒3.2趟1。中葡間的I邀層是N買型摻雜幫濃度很兄低的本窮征半導(dǎo)限體，用杠Π(N氣)表示礎(chǔ)；兩側(cè)莫是摻雜筒濃度很斜高的P陶型和N據(jù)型半導(dǎo)簡(jiǎn)體，用冬P+和癥N+表路示。I秧層很厚拳，吸撲收系數(shù)閃很小，盛入射光友很容易踢進(jìn)入材筒料內(nèi)部德被充分劣吸收而閉產(chǎn)生大旺量電子認(rèn)-綢空穴對(duì)褲，因而栽大幅度羞提高了惜光電轉(zhuǎn)捉換效率創(chuàng)。兩側(cè)領(lǐng)P+層蒜和N+枝層很薄支，吸收槽入射光宇的比例職很小，費(fèi)I層幾監(jiān)乎占據(jù)罷整個(gè)耗卻盡層，族因而牽光生電糕流中漂誰(shuí)移分量并占支配辣地位，泡從而大怠大提高掠了響應(yīng)獄速度。執(zhí)另外，爽可通過(guò)例控制耗匙盡層的班寬度w翁，來(lái)改拿變器件貝的響應(yīng)圾速度。圖3.吵21李PIN都光電二極辨管結(jié)構(gòu)PIN討光電二辨極管具怠有如下再主要特璃性：王(1)嗓量子效率避和光譜特借性。光電轉(zhuǎn)磁換效率羞用量子介效率η匙或響應(yīng)聽(tīng)度ρ表惡示。量辰子效率占η的定壩義為一誤次光生繡電子礦-空穴瞇對(duì)和入植射光子濤數(shù)的比霧值響相應(yīng)度的定景義為一次臺(tái)光生電流脊IP和入射光秧功率P0的比值式中，隙hf為光子能幣量，e寶為電子電濟(jì)荷。隸量仆子效率和排響應(yīng)度取廣決于材料巧的特性和領(lǐng)器件的結(jié)念構(gòu)。假谷設(shè)器件表免面反射率播為零，P咱層和N層爪對(duì)量子效簽率的貢獻(xiàn)割可以忽略耗，在工排作電壓下蛇，I層全占部耗盡，左那么PI昆N光電二棵極管的量條子效率可極以近似表捉示為圖3家.22陶光電二喜極管響盡應(yīng)度ρ野、量子兇效率怎與波長(zhǎng)作λ的關(guān)膛系式中庭，α(絕λ)和鄰w分別禿為I層凱的吸收沒(méi)系數(shù)和奔厚度。麻由式(忌3.1咽5)可裳以看到叼，當(dāng)α據(jù)(λ)撇w1時(shí)謎，η→擋1，所脾以為提咐高量子賢效率η羅，嫌I層核的厚度就w要足青夠大。遼量子效寄率的光遣譜特性框取決于預(yù)半導(dǎo)體唉材料的星吸收光洪譜α(辦λ)，遣對(duì)長(zhǎng)波紫長(zhǎng)的限眼制由式痛(3.隨6)確趕定，即小λc=糠hc/沾Eg。摩圖3.凍22示呼出量子杠效率η既和響應(yīng)磁度ρ的騰光譜特租性，由友圖可見(jiàn)趙，Si已適用于象0.8群~0.效9μm提波段，絞Ge和妹InG峰aAs敏適用于構(gòu)1.3添~1.韻6μ饒m波段瓶。響應(yīng)盒度一般柏為0.羅5~0渴.6屋(A/拒W)。圖3-2清2PI吳N光電二個(gè)極管相硬膚度、菠量子效詢應(yīng)率朽與波長(zhǎng)簡(jiǎn)的關(guān)系(2)室響應(yīng)湯時(shí)間和殼頻率特膠性。光電二仁極管對(duì)憶高速調(diào)棄制光信引號(hào)的響簡(jiǎn)應(yīng)能力船用脈沖彎響應(yīng)時(shí)垂間τ或窮截止頻壞率fc儀(帶寬懇B)表淺示。對(duì)黑于數(shù)字腐脈沖調(diào)猶制信號(hào)輪，把光海生電流林脈沖前獲沿由最鐘大幅度霞的10歡%上升瞞到90匯%，或高后沿由洞90%炎下降到使10%盾的時(shí)間縮慧，分別覽定義為歷脈沖上賞升時(shí)間墳τr和永脈沖下懼降時(shí)間存τf。災(zāi)當(dāng)光電細(xì)二極管禁具有單訊一時(shí)間斗常數(shù)τ她0時(shí)，馬其脈沖能前沿和寒脈沖后莫沿相同獎(jiǎng)，且接漲近指數(shù)拾函數(shù)e商xp(曲t/τ添0)和脫exp呀(-t渴/τ0危)，由勁此得到宿脈沖響細(xì)應(yīng)時(shí)間斗τ=塘τr=鳳τf=驢2.2課τ0搏(揉3.1塞6)視對(duì)于幅度瀉一定，頻健率為ω=蠢2πf的飯正弦調(diào)制遠(yuǎn)信號(hào)，用朝光生電流大I(ω)焰下降3d析B的頻率宮定義為截貓止頻率f籃c。當(dāng)光西電二極管僵具有單一育時(shí)間常數(shù)晝?chǔ)?時(shí)，阻f惜c=潮(跌3.1采7)嫁遍PIN光炸電二極管雪響應(yīng)時(shí)間煙或頻率特小性主要由灘光生載流比子在耗盡貝層的渡越止時(shí)間τd飄和包括光留電二極管土在內(nèi)的檢斤測(cè)電路R替C常數(shù)所礦確定。當(dāng)錫調(diào)制頻率往ω與渡越外時(shí)間τd新的倒數(shù)可桌以相比時(shí)態(tài)，耗盡漢層(I層摸)對(duì)量子即效率η(池ω)的貢陣獻(xiàn)可以表袍示為η(俱ω)=雕(3徑.18)由η(ω卷)/η(鑄0)=苗得賄到由渡越資時(shí)間τd限制的紅截止頻脅率fc=式中，社渡越時(shí)苦間τd皂=w/籃vs，嬌w為耗皂盡層寬竟度，v私s為載彈流子渡挺越速度這，比闊例于電株場(chǎng)強(qiáng)度所。由式勿(3.兇19)芹和式(拜3.1漏8)可煤以看出掛，減條小耗盡狹層寬度虧w，可碼以減小請(qǐng)渡越時(shí)嚷間τd森，從而緒提高截盤止頻率識(shí)fc，德但是同染時(shí)要降負(fù)低量子鉛效率η月。圖3疫.23幣示出S過(guò)i-P驚IN光闖電二極附管的量蔬子效率羅η與由缸渡越時(shí)突間限制掏的截止鄙頻率f愚c(帶王寬)和紹耗盡層概寬度w娘的關(guān)系潑。由電路召RC時(shí)剖間常數(shù)壞限制的完截止頻摩率fc=式中，Rt為光電二磨極管的串土聯(lián)電阻和頁(yè)負(fù)載電阻究的總和，捉Cd為結(jié)電容堵Cj和管殼計(jì)分布電司容的總單和。圖3.2爭(zhēng)3內(nèi)量共子效率和明帶寬的關(guān)尖系式中，ε晃為材料介供電常數(shù)，談A為結(jié)面屠積，w為何耗盡層寬傾度。球(3)振噪聲。股噪聲高是反映島光電二多極管特交性的一膨個(gè)重要閑參數(shù)，誘它直接逮影響光柳接收機(jī)階的靈敏站度。光幻玉電二極恨管的噪到聲包括珍由信號(hào)檔電流和斧暗電流匪產(chǎn)生的會(huì)散粒噪搜聲(S報(bào)hot旋No您ise碗)和由階負(fù)載電偶阻和后睛繼放大福器輸入施電阻產(chǎn)后生的熱纖噪聲。檔噪聲通芬常用均恒方噪聲道電流(者在1Ω頂負(fù)載上娘消耗的辰噪聲功奶率)來(lái)炒描述。景均方散分粒噪聲襖電流壤〈管i2sh〉=2堡e(IP+Id)B式中，e追為電子電蠶荷，B為幫放大器帶副寬，IP樂(lè)和Id分網(wǎng)別為信號(hào)先電流和暗谷電流。泄式(阻3.2漁1)第譜一項(xiàng)2面eIP享B稱為杯量子噪諸聲，是姿由于入奔射光子術(shù)和所形稻成的電齒子-獵空穴房誠(chéng)對(duì)都具犁有離散在性和隨拋機(jī)性而吐產(chǎn)生的忽。只要型有光信身號(hào)輸入劫就有量極子噪聲幅。這是吵一種不求可克服歡的本征糟噪聲，勸它決唱定光接戒收機(jī)靈熱敏度的駕極限。網(wǎng)式(3.齒22)第峽二項(xiàng)2e串IdB是申暗電流產(chǎn)醬生的噪聲勢(shì)。暗電寄流是器件搜在反偏壓哥條件下，泄沒(méi)有入射撲光時(shí)產(chǎn)生謙的反向直俱流電流，惱它包括晶續(xù)體材料表費(fèi)面缺陷形降成的泄漏敘電流和載轉(zhuǎn)流子熱擴(kuò)坑散形成的轟本征暗電腿流。暗電臟流與光電脆二極管的舒材料和結(jié)嗓構(gòu)有關(guān)，晝例如Si皇PIN，咳Id<添1nA，歌GePI北N，棗Id>1盯00nA件。均方熱頸噪聲電吧流〈i2T〉=壞(3云.23)斗式中，k激=1.3棟8×10-23J/K疑為波爾令茲曼常榜數(shù)，T墳為等效漲噪聲溫早度，R丟為等效槳電阻，恢是負(fù)載隔電阻和全放大器癥輸入電云阻并聯(lián)女的結(jié)果飽。因此，凈光電二極煎管的總均遍方噪聲電居流為〈i2〉=2抵e(IP+Id)B+3.2址.3雪裂崩光電埋二極管嚼(AP哭D(zhuǎn))慈光電二驢極管輸枕出電流疊I和狡反偏壓鵲U的關(guān)米系示于夠圖3.慚24傲。隨動(dòng)著反向葉偏壓的代增加，衛(wèi)開(kāi)始光烘電流基校本保持粱不變。顫當(dāng)反向蜘偏壓增妄加到一塌定數(shù)值祥時(shí)，光宣電流急橫劇增加潤(rùn)，最后晌器件被敘擊穿，處這個(gè)電碗壓稱為蠢擊穿電旨?jí)篣B拍。AP博D就是槍根據(jù)這祝種特性暖設(shè)計(jì)的派器件。貫根據(jù)光芬電效應(yīng)參，當(dāng)光悉入射到粱PN結(jié)奪時(shí)，筐光子被粉吸收而校產(chǎn)生電稱子-粉空穴艘對(duì)。如脂果電壓般增加到睬使電場(chǎng)褲達(dá)到2徐00決kV/囑cm以烘上，初抓始電子下(一次蔽電子)亭在高電輪場(chǎng)區(qū)獲艷得足夠笛能量而誦加速運(yùn)伍動(dòng)。高扎速運(yùn)動(dòng)最的電子棉和晶格動(dòng)原子相促碰撞，渠使晶草格原子儉電離，托產(chǎn)生新連的電子交-移空穴對(duì)濟(jì)。新產(chǎn)敘生的二意次電子攀再次和服原子碰要撞。如氏此多次悟碰撞，萍產(chǎn)生連文鎖反應(yīng)延，致使怎載流子味雪崩式扒倍增，菠見(jiàn)圖3響.25膨。所以芹這種器葵件就稱意為雪崩槳光電二鮮極管(丹APD記)。圖3預(yù).24棉光丘電二極未管輸出滴電流I帥和反向偏艘壓U的柿關(guān)系圖3.配25繁APD載劇流子雪崩皆式倍增示老意圖APD的右結(jié)構(gòu)有多響種類型，翅如圖3.宰26示出守的N+P猾ΠP+結(jié)截構(gòu)被稱為億拉通型A淹PD。在蓋這種類型符的結(jié)構(gòu)中母，當(dāng)偏壓扮加大到一營(yíng)定值后，尋耗盡層拉敞通到Π(笨P)層，新一直抵達(dá)銹P+接觸呀層，是一釣種全耗盡紅型結(jié)構(gòu)。律拉通型雪屢崩光電二廳極管(R祝APD)供具有光電兼轉(zhuǎn)換效率劍高、響應(yīng)括速度快和持附加噪聲報(bào)低等優(yōu)點(diǎn)粒。1.錦倍增因歉子由于雪崩抄倍增效應(yīng)毒是一個(gè)復(fù)雄雜的隨機(jī)沈過(guò)程，所蘭以用這種迎效應(yīng)對(duì)一圍次光生電箭流產(chǎn)生的踏平均增益管的倍數(shù)來(lái)登描述它的家放大作用腰，并把屈倍增因子坡g定義為桐APD輸朽出光電流初Io和一溫次光生電努流I壁P的比值繁。圖3.2乒6A即PD結(jié)構(gòu)俯圖顯然，莊APD閉的響應(yīng)宣度比P代IN增酷加了g賄倍。根尸據(jù)經(jīng)驗(yàn)壤，并考村慮到器垂件體電榴阻的影薯響，g耀可以表走示為式中，U亞為反向偏扒壓，UB為擊穿電觀壓，n為晨與材料特押性和入射令光波長(zhǎng)有找關(guān)的常數(shù)虧，R為體券電阻。當(dāng)興U≈UB時(shí)，RIo/UB<<1，醒上式可簡(jiǎn)叫化為2.過(guò)善剩噪聲因多子雪崩倍推增效應(yīng)出不僅對(duì)簽信號(hào)電真流而且倆對(duì)噪聲察電流同媽樣起放僵大作用威，所以念如果不望考慮別憑的因素爆，AP逗D的均康方量子晝?cè)肼曤娛沽鳛椤垂黫2q〉=2夫eIPBg2(3.2扭6a)碑這是對(duì)噪鬼聲電流直輝接放大產(chǎn)樣生的，并才未引入新痛的噪聲成榮分。事實(shí)漁上，雪崩瀉效應(yīng)產(chǎn)生界的載流子倡也是隨機(jī)靜的，所以黎引入新的倡噪聲成分肚，并表鴉示為附加狼噪聲因子它F。F如(>1)欣是雪崩效屈應(yīng)的隨機(jī)振性引起噪都聲增加的艇倍數(shù)，設(shè)究F=gx，APD赤的均方量浮子噪聲電渣流應(yīng)為劫〈i2q〉=2e比IPBg2+x(3.2芝6b)分式中，僅x為推附加噪華聲指數(shù)窗?！磇2d〉=2e醒IdBg2+x(3胸.27)鈔附加噪聲潮指數(shù)x與拖器件所用既材料和制抹造工藝有孩關(guān)，旨SiAP懇D的x=琴0.3~騾0.5，廳GeAP礎(chǔ)D的x=權(quán)0.8~吊1.0，隙InGa含AsA耽PD的x仁=0.5講~0.7宴。當(dāng)式傷(3.2撤6)和式忌(3.2繞7)的g璃=1時(shí)，承得到的結(jié)緣瑞果和P駛IN相同堪。3.2.只4光電二循極管一般灘性能和應(yīng)剖用表3.3對(duì)和表3.針4列出半奮導(dǎo)體光電鈔二極管(智PIN和秒APD)徹的一般性突能。APD納是有增芝益的光橡電二極快管，在止光接收聰機(jī)靈敏充度要求來(lái)較高的男場(chǎng)合，撫采用A貧PD有贊利于延名長(zhǎng)系統(tǒng)貫的傳輸英距離。劑但是采馬用AP變D要求脊有較高宋的偏置澇電壓和伯復(fù)雜的急溫度補(bǔ)欺償電路著，結(jié)果廁增加了支成本。若因此在槍靈敏度歌要求不地高的場(chǎng)互合，一尾般采用開(kāi)PIN賽PD。焦SiPI劫N和AP礎(chǔ)D用于短架波長(zhǎng)(0扒.85μ由m)光纖肌通信系統(tǒng)亂。InG雞aAs機(jī)PIN用被于長(zhǎng)波長(zhǎng)傻(1.3糾1μm租和1.5細(xì)5μm蝕)系統(tǒng)，壩性能非常欣穩(wěn)定，串通常把它賀和使用場(chǎng)蟻效應(yīng)管(蒼FET)辰的前置放粥大器集成針在同一基矩片上，構(gòu)替成FET垮PIN珍接收組件沉，以進(jìn)一何步提高靈周敏度，改知善器件的槳性能。這種組件鬧已經(jīng)得到接廣泛應(yīng)用添。新近研令究的In贊GaAs夸APD悲的特點(diǎn)是更響應(yīng)速度座快，傳輸研速率可達(dá)叫幾到十幾兇Gb/s碎，適用于上超高速光惹纖通信系游統(tǒng)。由于釀GeAP出D的暗電內(nèi)流和附加眾噪聲指數(shù)激較大，很增少用于實(shí)命際通信系吃統(tǒng)。3.3光胖無(wú)源參器件豎一個(gè)完此整的光捧纖通信毛系統(tǒng)，烈除光纖未、光源唇和光檢背測(cè)器外圍，還規(guī)需要許臥多其它意光器件啞，特別疤是無(wú)源墻器件。舌這些器憑件對(duì)光竭纖通信黨系統(tǒng)的四構(gòu)成、寶功能的辱擴(kuò)展或雞性能的壓提高，談都是不騰可缺少主的。剪雖然對(duì)己各種器撒件的特精性有不爹同的要競(jìng)求，逼但是普隔遍要求辭插入損冊(cè)耗小、寺反射損盞耗大、崗工作溫揭度范圍逗寬、性徑能穩(wěn)定它、壽命膝長(zhǎng)、質(zhì)體積小蛋、價(jià)格恐便宜，騰許多迅器件還盼要求便笑于集成己。本節(jié)殼主要介鈴紹無(wú)源似光器件窮的類型暑、原理寨和主要啞性能。3.3透.1連柜接器和宴接頭連接器喪是實(shí)現(xiàn)尖光纖與漏光纖之診間可拆滲卸(活那動(dòng))連噸接的器斗件，蒸主要用休于光纖扛線路與旨光發(fā)射闖機(jī)輸出姜或光接碼收機(jī)輸辮入之間旱，或光堵纖線路填與其他我光無(wú)源筐器件之祥間的連歷接。表逐3.5夏給出光粱纖連接結(jié)器的一頃般性能限。接地頭是實(shí)宿現(xiàn)光纖橡與光纖組之間的章永久性瞎(固定卻)連接趁，主要?jiǎng)佑糜诠獍卫w線路陽(yáng)的構(gòu)成搏，通常斷在工程襯現(xiàn)場(chǎng)實(shí)虧施。連根接器件斷是光纖術(shù)通信領(lǐng)跪域最基迎本、應(yīng)橫用最廣聯(lián)泛的無(wú)烤源器件估。并檢連接蚊器有單江纖(芯移)連接炸器和多胸纖(芯跳)連接氏器，好其特性寺主要取著決于結(jié)幼構(gòu)設(shè)計(jì)核、加工撓精度和藥所用材牽料。單梨纖連接憂器結(jié)構(gòu)灘有許多馳種類型躁，其中胸精密套薯管結(jié)構(gòu)妹設(shè)計(jì)合淚理、效歇果良好僑，適宜膜大規(guī)模豎生產(chǎn)，質(zhì)因而蠟得到很餓廣泛的找應(yīng)用。表3.過(guò)5光川纖連接器撐一般性能圖3.2繁7示出精禿密套管結(jié)珍構(gòu)的連接荷器簡(jiǎn)圖，哪包括用于濱對(duì)中的套哀管、帶有湊微孔的插陳針和端面免的形狀(幻玉圖中畫出氣平面的端幟面)。充光纖固定么在插針的敲微孔內(nèi)，執(zhí)兩支帶光趨纖的插針斥用套管對(duì)共中實(shí)現(xiàn)連霧接。要地求光纖與凱微孔、插訊針與套管飯精密配合恐。對(duì)低插呈入損耗的明連接器，榜要求兩根丟光纖之間簡(jiǎn)的橫向偏忠移在1塞μm以內(nèi)歐，軸線效傾角小于競(jìng)0.5°逢。普通的紗FC型連膚接器，光花纖端面為將平面。唉對(duì)于高反歸射損耗的暈連接器，斑要求光漠纖端面為屑球面或斜攝面，實(shí)現(xiàn)個(gè)物理接觸扛(PC)恥型。套管訊和插針的拿材料一般貍可以用銅滲或不銹鋼部，但插筆針材料用輝ZrO2陶瓷最理偏想。Zr連O2陶瓷程機(jī)械性能辦好、耐煮磨，熱可膨脹系數(shù)帆和光纖相斗近，使連番接器的壽遷命(插拔狀次數(shù))和虛工作溫度侄范圍(插崗入損耗變顧化±0.稀1dB扶)大大改遍善。圖3寒.27熔套管念結(jié)構(gòu)連接趴器簡(jiǎn)圖一種常用環(huán)的多纖連當(dāng)接器是用宵壓模塑料腹形成的高抄精度套管動(dòng)和矩形外贈(zèng)殼，配合建陶瓷插針康構(gòu)成的，激這種方法抓可以做成騰2纖或4花纖連接器蔽。另一種沃多纖連接分器是把光前纖固定在協(xié)用硅晶片狹制成的精學(xué)密V形槽碰內(nèi)，然后冤多片疊加仔并配合適亮當(dāng)外殼。奪這種多纖蠻連接器配糞合高密度撞帶狀光纜產(chǎn)，適用昨于接入網(wǎng)債或局域網(wǎng)肺的連接。魂對(duì)于實(shí)安現(xiàn)固定材連接的澇接頭，坡國(guó)內(nèi)外陳大多借海助專用眉自動(dòng)熔欲接機(jī)在列現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)捕行熱熔寶接，也暴可以用爺V形槽條連接。棉熱熔接的的接頭慎平均損各耗達(dá)0兄.05節(jié)dB哪/個(gè)。3.3岡.2光油耦合器惡耦合器的叉功能是把進(jìn)一個(gè)輸入賞的光信號(hào)鴉分配給多漠個(gè)輸出，腹或把多病個(gè)輸入的洞光信號(hào)組見(jiàn)合成一個(gè)鹽輸出。這責(zé)種器件對(duì)欠光纖線路賓的影響主溜要是附加封插入損耗機(jī)，還有一杜定的反射信和串?dāng)_噪娃聲耦合器娃大多與波右長(zhǎng)無(wú)關(guān)，架與波長(zhǎng)相址關(guān)的耦合膨器專稱為摟波分復(fù)用湖器/解復(fù)咱用器。游1.丸耦合器嚴(yán)類型圖3.2攝8示出常跪用耦合器狹的類型，翼它們各擋具不同的歉功能和用濾途。T形耦錯(cuò)合器這懂是一種狐2×2霉的3端坦耦合器箏，見(jiàn)陷圖3.絹28(攏a)，未其功煮能是把甩一根光豪纖輸入塞的光信當(dāng)號(hào)按一控定比例謙分配給購(gòu)兩根光懼纖，終或把兩勾根光纖扣輸入的協(xié)光信號(hào)何組合在窩一起，至輸入一嗽根光纖鞠。圖3倉(cāng).28霞常用耦程合器的攻類型這種耦麥合器主桃要用作廉不同分掌路比的焰功率分裕配器或籠功率組創(chuàng)合器。純星形耦餓合器這貞是一種竹n×肅m耦合纖器，見(jiàn)隙圖3.靠28(緞b)，鞭其功能矩是把n削根光纖罪輸入的茄光功率僵組合在鉆一起，獸均勻地陡分配給純m根光混纖，杯m和n困不一定制相等。但這種耦怕合器通煎常用作灣多端功化率分配這器。定向耦合像器這是一見(jiàn)種2×2祥的3端或饑4端耦合積器，其功盲能是分別喘取出光纖沿中向不同共方向傳輸穿的光信號(hào)姿。見(jiàn)圖3晃.28(志c)，光頌信號(hào)從端往1傳輸?shù)焦味?，黨一部分由汽端3輸出督，端4無(wú)排輸出；光同信號(hào)從端足2傳輸?shù)奖啥?，一密部分由端臉4輸出，膜端3無(wú)輸慘出。定向稈?cǎi)詈掀骺蛇\(yùn)用作分路給器，不能見(jiàn)用作合路堪器。嚴(yán)波分復(fù)曠用器/見(jiàn)解復(fù)用親器(也既稱合波但器/分笑波器)勵(lì)這是一勺種與波石長(zhǎng)有關(guān)冊(cè)的耦合秒器，見(jiàn)坑圖3.掉28(有d)。將波分復(fù)終用器的散功能是均把多個(gè)例不同波坑長(zhǎng)的發(fā)葛射機(jī)輸勤出的光萬(wàn)信號(hào)組旱合在一柱起，輸計(jì)入到一增根光纖故；解復(fù)若用器是災(zāi)把一根維光纖輸悲出的多爸個(gè)不同而波長(zhǎng)的蠶光信號(hào)孝，分傾配給不標(biāo)同的接攝收機(jī)。視波分復(fù)使用器/奏解復(fù)用斗器將在券7.2劣節(jié)詳細(xì)汪介紹。慰2.基步本結(jié)構(gòu)耦合器的戶結(jié)構(gòu)有許改多種類型足，其中比帖較實(shí)用和廟有發(fā)展前黃途的有光蔽纖型、微夕器件型和夜波導(dǎo)型，術(shù)圖3.2幫9~圖羨3.32鍵示出這三轟種類型的略有代表性鎖器件的基啞本結(jié)構(gòu)。圖3.獵29光纖注型耦合器介(a)膝定向耦普合器；已(b洲)8侵×8星掌形耦合仔器；茄(c)伐由1垮2個(gè)2求×2耦睜合器組錄成的8慌×8星赴形耦合協(xié)器光纖型夠把兩根間或多根駐光纖排藍(lán)列，用泡熔拉雙窩錐技術(shù)膛制作各揪種器件卷。這種夏方法可洞以構(gòu)成揀T型耦洗合器、放定向耦柜合器、謠星型耦鍵合器和奧波分解策復(fù)用器太。圖3振.29谷(a)煮和(b狠)分別悄示出單啞模2×慚2定向柴耦合器含和多模敲n×n馬星形耦吵合器的疊結(jié)構(gòu)。稅單模星棵形耦合越器的端服數(shù)受到曬一定限克制，通欠?？梢酝掠?×糖2耦合矮器組成它，圖3鉤.29挑(c)吩示出由確12個(gè)癢單模2菠×2耦亦合器組孝成的8椒×8星防形耦合鳴器。蔑圖3.2葉9(a)堆所示定向訪耦合器可蘆以制成波階分復(fù)用/悄解復(fù)用器解。如圖蛋3.30拔，光纖a品(直通臂傲)傳輸?shù)南戚敵龉夤Τ呗蕿镻a鏟，光纖b友(耦合臂裳)的輸出技光功率為撐Pb，根偵據(jù)耦合理倒論得到Pa=c龜os2(Cλ飼L)辦(3鉤.28垮a)Pb=攪sin2(Cλ慮L)圖3.觸30劑光纖型斑波分解復(fù)瘦用器原理式中，駛L為耦緩合器有眾效作用闖長(zhǎng)度，鏈Cλ為托取決于戀光纖參血數(shù)和光肯波長(zhǎng)的尼耦合系耀數(shù)。設(shè)特定頃波長(zhǎng)為繩λ1和λ2，選擇阿光纖參衛(wèi)數(shù)，調(diào)絨整有效郊作用長(zhǎng)洞度，使討得當(dāng)光豆纖a的播輸出P然a(λ逆1)最