光通信應(yīng)用技術(shù)第三章

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源器件兩種類型。有源器件包括光源、光檢測器和光放大器。光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等。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

3.2.2PIN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

3.3.5光開關(guān)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(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。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(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(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。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(huì)自動(dòng)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)。（激活物質(zhì)置于）（中對光的頻率和方向進(jìn)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)的光放大和激光振蕩輸出

圖3.4激光器的構(gòu)成和工作原理

(a)激光振蕩；(b)光反饋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(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。

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

hf=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λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85μm波段銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3~1.55μm波段式中，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

圖3.7是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。

圖3.7GaAlAs-DH激光器的光譜特性

(a)直流驅(qū)動(dòng);(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)2.激光束的空間分布

圖3.8GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠(yuǎn)場圖樣

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)(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(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是典型激光器的光功率特性曲線。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，光功率隨驅(qū)動(dòng)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/InP4.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)=(3.8a)(3.8b)式中，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。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1~2GHz。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。5.溫度特性

圖3.12P-I曲線隨溫度的變化

3.1.3分布反饋激光器分布反饋(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。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

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Λ=m(3.10)ne為材料有效折射率，λB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(gè)閾值最低、增益相同的縱模，其波長為(3.11)DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(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。

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)光二極管的類型：正面發(fā)光型LED和側(cè)面發(fā)光型LED

發(fā)光二極管的特點(diǎn)：輸出光功率較??；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(jià)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。

圖3.15LED光譜特性(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，即P(θ)=P0cosθ，半功率點(diǎn)輻射角θ≈120°。側(cè)面發(fā)光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于θ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(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率ηd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(dòng)電流I較小時(shí)，

P-I曲線的線性較好；I過大時(shí)，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。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(jìn)行自發(fā)輻射而發(fā)光43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW(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τe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(dāng)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，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。圖3.17發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng)

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1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)長ED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1.3μm或1.55μm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(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。表3.1半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-20×50-20×50-20×50-20×50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調(diào)制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流Ith/mA50~10060~1201~21~3譜線寬度1.31.551.31.55工作波長LEDLD表3.2分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能20~4015~30輸出功率P/mW(連續(xù)單縱模,25oC)2015外量子效率/%15~2020~30閥值電流Ith/mA<0.08頻譜漂移/(nm/oC)30~35邊模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度1.31.55工作波長光源組件實(shí)例3.2光檢測器

3.2.1光電二極管工作原理

3.2.2PIN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(shí)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(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)3.2.1光電二極管工作原理

光電二極管(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(shí)現(xiàn)的。電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)PN結(jié)界面內(nèi)部電場漂移運(yùn)動(dòng)能帶傾斜如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)發(fā)生受激吸收

3.2.2PIN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。

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。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。

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)。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。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(只畫出電子）

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(jī)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。-5~-15-5~-15工作電壓/V1~20.5~1結(jié)電容Cj/pF0.2~12~10響應(yīng)時(shí)間2~50.1~1暗電流Id/nA0.6(1.3)0.4(0.85)響應(yīng)度1.0~1.60.4~1.0波長響應(yīng)InGaAs-PINSi-PIN表3.3PIN光電二極管一般特性0.5~0.70.3~0.4附加噪聲指數(shù)x20~3030~100倍增因子g40~6050~100工作電壓/V<0.51~2結(jié)電容Cj/pF0.1~0.30.2~0.5響應(yīng)時(shí)間10~200.1~1暗電流Id/nA05~0.70.5響應(yīng)度1~1.650.4~1.0波長響應(yīng)InGaAs-APDSi-APD表3.4雪崩光電二極管（APD）一般性能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)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(jià)格便宜、便于集成等。

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(活動(dòng))連接的器件，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。

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(shù)）35~40FC型反射損耗/dB互換性/dB重復(fù)性/dB0.2~0.3插入損耗/dB性能型號或材料項(xiàng)目圖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。

3.3.2光耦合器耦合器的功能是把