第五章 光有源器件

1、l 第五章第五章 光有源器件光有源器件Active Optical componentsn5.1 光調(diào)制器n5.2 光放大器n5.3 可調(diào)諧光濾波器n5.4 偏振控制器n5.5 光電探測器件光有源器件定義光有源器件定義：需要外加能源驅(qū)動工作的光電需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件子器件光有源器件光有源器件n光有源器件在光通信系統(tǒng)和光纖技術(shù)中占有重要地位。光通信系統(tǒng)的實用和發(fā)展是和光有源器件的發(fā)展密切相關(guān)的,其中摻鉺光纖放大器的實用化是光通信系統(tǒng)中的一個里程碑。n常見的光有源器件:光調(diào)制器、光放大器、可變光衰減器、可調(diào)光濾波器、光分差復(fù)用器、偏振控制器等。 5.1 5.1 光調(diào)制器光調(diào)制器光調(diào)制器

2、光調(diào)制器n光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入電信號轉(zhuǎn)換為光信號, 并用耦合技術(shù)把光信號最大限度地注入光纖線路。n其中把電信號轉(zhuǎn)換為光信號的過程就是光調(diào)制。n調(diào)制后的光波經(jīng)過光纖信道送到接收端, 由光接收機(jī)鑒別出它的變化, 再恢復(fù)原來的信息, 這個過程稱為光解調(diào)。n調(diào)制和解調(diào)是光纖通信系統(tǒng)的重要內(nèi)容。 一、光信號的調(diào)制直接調(diào)制：用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二級管的驅(qū)動電流，是輸出光信號發(fā)生變化。間接調(diào)制：在這種光纖鏈路中，調(diào)制信號不是直接施加在激光二極管上，而是施加在光調(diào)制器上。盡管增加了插入損耗，但卻甚好的解決了直接調(diào)制存在的啁啾現(xiàn)象。二、光纖通信系統(tǒng)中的外調(diào)制器n根據(jù)物理機(jī)制，外部調(diào)制器主要分為四

3、類：。聲光調(diào)制器：是由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅(qū)動電源組成。聲光調(diào)制器的工作原理 聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。 調(diào)制信號是以電信號(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上，電-聲換能器將相應(yīng)的電信號轉(zhuǎn)化為變化的超聲場，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。 磁光調(diào)制 磁光調(diào)制主要是應(yīng)用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn) ：VHL式中V為韋爾德系數(shù)，H 為沿光束傳播方向的磁場強(qiáng)度，L為光在介質(zhì)中的傳播長度。n電光調(diào)制是利用某些電光晶體，如鈮酸鋰（LiNbO3）、砷

4、化鎵（GaAs）等的電光效應(yīng)制成。n電光效應(yīng)是指外電場加到晶體上引起晶體折射率變化的效應(yīng)，從而影響光波在晶體中春傳播特性的變化，實質(zhì)上是電場作用引起晶體的非線性電極化。電光調(diào)制n電吸收調(diào)制是利用材料的電吸收效應(yīng)對光進(jìn)行調(diào)制的光調(diào)制器。n電吸收調(diào)制器是一種損耗調(diào)制器，它利用弗朗茲-凱爾迪什效應(yīng)和量子約束斯塔克效應(yīng)，工作在調(diào)制器材料吸收邊界波長處。n具有調(diào)制帶寬大、插入損耗低、消光比高、調(diào)制效率高等特點。電吸收調(diào)制 5.2 5.2 光放大器光放大器光放大器光放大器n在光纖通信系統(tǒng)中, 隨著傳輸速率的增加, 傳統(tǒng)的光電光中繼方式的成本迅速增加。n長時間以來, 人們一直在尋找用光放大的方法來替代傳統(tǒng)中

5、繼方式, 以延長傳輸距離。n光放大器能直接放大光信號, 對信號的格式和速率具有高度的透明性, 使得整個系統(tǒng)更加簡單和靈活。n它的出現(xiàn)和實用化, 是光纖通信發(fā)展中的一個里程碑。n在光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計中在光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計中, 光放大器有四種光放大器有四種用途用途, 如圖：如圖：線路放大線路放大(In-line)：周期：周期性補償各段光纖損耗性補償各段光纖損耗功率放大功率放大(Boost)：增加：增加入纖功率入纖功率,延長傳輸距離延長傳輸距離前置放大前置放大(Pre-Amplify):提高接收靈敏度提高接收靈敏度局域網(wǎng)的功率放大器局域網(wǎng)的功率放大器：補償分配損耗，增大網(wǎng)補償分配損耗，增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)

6、絡(luò)節(jié)點數(shù)n光纖的光纖的損耗損耗和和色散色散限制了通信距離。限制了通信距離。時間時間色散色散脈沖展寬脈沖展寬頻率頻率非線性非線性新頻率新頻率衰減衰減損耗損耗輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號時間時間n光纖的損耗將使光信號傳輸時按指數(shù)衰減，限制了通信距離，應(yīng)在長途通信線路上設(shè)置中繼放大器。以補償光信號的衰減和對畸變信號進(jìn)行整形，然后繼續(xù)向終端傳送。光電光混合中繼器n采用光-電-光轉(zhuǎn)換方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，且不能用于波分復(fù)用系統(tǒng)中。全光中繼器n采用光放大器對光信號進(jìn)行直接放大的中繼器，多波長放大、低成本。n在混合中繼器中先將從光纖接收到的脈沖光信號用PD轉(zhuǎn)換為光電流。n經(jīng)前置放大器、主放大器、判決

7、再生電路在電域?qū)崿F(xiàn)脈沖信號放大與整形。n驅(qū)動光源產(chǎn)生光脈沖信號沿光纖繼續(xù)傳輸1988年安裝的年安裝的TAT-8使用了使用了103個中繼器個中繼器（每隔（每隔35km-40km ）摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器EDFAnEDFA 主要由合波器WDM、泵浦激光器(大功率LD)、光隔離器和摻鉺光纖構(gòu)成。nEDFA 是利用摻鉺光纖中摻雜的稀土離子在泵浦光源(波長 980nm 或 1480nm)的作用下, 形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 產(chǎn)生受激輻射, 輻射光隨入射光的變化而變化, 進(jìn)而對入射光信號提供光增益。n當(dāng)泵浦光射到摻鉺光纖中時, 基態(tài)鉺離子吸收泵浦光能量, 向高能級躍遷。n泵浦光的波長不同, 粒子所躍遷到的高

8、能級也不同。由于Stark(斯塔克)效應(yīng), 原子能級產(chǎn)生分裂, 鉺離子的能級展寬為帶狀。n粒子躍遷時, 先躍遷到上能級, 并迅速以非輻射躍遷的形式由泵浦態(tài)變至亞穩(wěn)態(tài)。在亞穩(wěn)態(tài), 粒子有較長的存活時間, 由于源源不斷地進(jìn)行泵浦, 粒子數(shù)不斷增加, 從而實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射。EDFA工作原理n根據(jù)泵浦光和信號光傳播方向的相對關(guān)系, EDFA 的結(jié)構(gòu)可分為正向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦, 其結(jié)構(gòu)如下圖所示。正向泵浦反向泵浦雙向泵浦n在石英光纖中摻入一些三價稀土金屬元素, 如Er(鉺)、Pr(鐠)、Nd(釹) 等, 形成一種在泵浦光的激勵下可以放大光信號的特殊光纖, 因此可以用于制作光纖放大器

9、, 其中EDFA目前應(yīng)用最為廣泛。摻鉺光纖的能級圖及部分吸收譜和發(fā)射譜如下圖所示。摻雜光纖放大器優(yōu)點摻雜光纖放大器優(yōu)點n摻鉺與摻鐠光纖放大器具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。n光放大器的類型半導(dǎo)體激光放大器（SLA）光纖型光放大器n光纖喇曼放大器（FRA）n光纖布里淵放大器（FBA）n光纖參量放大器（FPA）n摻雜光纖放大器（eg. EDFA）放大器類放大器類型型摻稀土光摻稀土光纖放大器纖放大器粒子數(shù)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)光光數(shù)米到數(shù)米到數(shù)十米數(shù)十米好好容易容易無無好好半導(dǎo)體光放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電100m1mm差很難大差 5.3 5.3 可調(diào)諧光濾波器可調(diào)諧光濾波器n可調(diào)

10、諧光濾波器（Tunable Optical Filters）是一種光波長選擇器件，它是密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)不可缺少的重要原器件之一。nTOF不僅可以用于DWDM系統(tǒng)的波長上下，還可以用于光譜掃描，TOF除了應(yīng)用在光纖通信領(lǐng)域外，還廣泛應(yīng)用在光纖傳感領(lǐng)域。n可調(diào)諧光濾波器主要是基于光的干涉和衍射原理。n基于干涉原理的濾波器有：Mach-Zehnder 濾波器、Fabry-Perot 濾波器、介質(zhì)膜濾波器、波導(dǎo)微環(huán)形腔濾波器、光纖Sagnac 濾波器。n基于衍射原理的濾波器有：陣列波導(dǎo)光柵濾波器、光纖光柵濾波器及聲光濾波器等。nMach-Zehnder(簡稱M-Z)濾波器結(jié)構(gòu)包括三個部分：

11、對輸入信號進(jìn)行分路的3dB 耦合器C1、兩路波導(dǎo)(其中一路設(shè)有相位延遲控制器)、輸出端將信號復(fù)合的3dB 耦合器C2，結(jié)構(gòu)圖如圖所示。Mach-Zehnder可調(diào)諧濾波器輸入信號 M-Z 濾波器輸出的光功率主要由分光比和相位差所決定，而實際系統(tǒng)中，兩耦合器的分光比均為1/2。以P4 為例，當(dāng) (m 為正整數(shù))，L為兩臂之間的長度差， 輸出對應(yīng)的峰值頻率為f=mc/nL,取定c 值，則通過改變n 和L 這兩個參量就可達(dá)到光調(diào)諧的目的。mcLnfFabry-Perot可調(diào)諧濾波器n Fabry-Perot(簡稱F-P)可調(diào)諧濾波器是一種基于F-P 干涉儀的光學(xué)濾波器，它由諧振腔及光纖組成，諧振腔是

12、F-P 腔濾波器的核心器件。F-P 腔由鍍有部分高反射膜的兩塊平行板構(gòu)成。光線由光纖輸入進(jìn)入腔中并在兩鏡面間多次反射，到達(dá)界面同相則高效輸出。下圖 為F-P 腔多光束干涉示意圖。n當(dāng)相鄰?fù)干涔馐南辔徊?2m(m 為正整數(shù))時有極大透過峰。m 值取定后，影響滿足相位條件的具有峰值透過率波長的因素為：n2、h、1。因此調(diào)節(jié)這三個參量就可以達(dá)到波長調(diào)諧的目的。n目前對F-P 干涉濾波器的研究主要包括微型電動機(jī)械（MEMS）系統(tǒng)F-P 濾波器、光纖光柵F-P 濾波器、液晶F-P 濾波器及光纖F-P 濾波器等。n微型驅(qū)動F-P 濾波器是利用步進(jìn)電機(jī)的微步功能去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角而實現(xiàn)調(diào)諧。該系統(tǒng)波長定位精度達(dá)到

13、0.1nm，溫度穩(wěn)定性高，但由于使用機(jī)械的調(diào)諧方式，其調(diào)諧速度只達(dá)到毫秒級。聲光可調(diào)諧濾波器 聲光可調(diào)諧濾波器的物理基礎(chǔ)是基于光彈性效應(yīng)，即通過聲光材料傳輸?shù)穆暡ɑ虺暡ㄐ盘柈a(chǎn)生隨聲波幅度周期性變化的應(yīng)力，使該材料的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部的密集和疏松，相當(dāng)于使折射率產(chǎn)生周期性的變化， 其結(jié)果是聲波產(chǎn)生了可以對光束衍射的光柵。 晶體按特定方向取向，由于聲波感應(yīng)的雙折射變化，寬帶光輸入光束中特定波長的光束被轉(zhuǎn)換到它的垂直偏振態(tài)。當(dāng)改變超聲頻率時，稍后的光波長也隨之發(fā)生變化，因而聲光濾波器對衍射光波長的調(diào)諧極為方便。聲光可調(diào)諧濾波器 5.4 5.4 偏振控制器偏振控制器 偏振控制器(Polarizatio

14、n controller, PC),是指 能將任意輸入的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿我馄谕敵銎駪B(tài) 的器件。 常見的偏振控制器有方位角控制型偏振控制器、延遲量控制型偏振控制器和方位角-延遲量控制型偏振控制器三類。下面分別以波片型偏振制器、擠壓光纖型偏振控制器為例,來說明方位角控制型和延遲量控制型偏振控制器的控制原理。波片型控制器 下圖所示的是方位角控制型偏振控制器典型結(jié)構(gòu)圖, 其中各波片的延遲量固定,相對角度是可變的。控制原理是:第一個四分之一波片把任意的輸入偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光,二分之一波片把此線偏振光轉(zhuǎn)到任一期望得到的偏振方向,最終第二個四分之一波片再將該偏振光轉(zhuǎn)變成任何希望得到的輸出偏振態(tài)延遲量控制

15、型偏振控制器 延遲量控制型偏振控制器多由三個或四個取向成45角的自由空間波片來實現(xiàn)。每個波片的取向是固定的,延遲量隨加載的電壓而變化。三環(huán)型偏振控制器三環(huán)型機(jī)械式偏振控制器采用了三個固定延遲的波片，通過調(diào)節(jié)波片的角度可使輸出光偏振態(tài)，完全覆蓋Poincare球表面。靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計便于安裝不同工作波長的多種類型光纖。光纖擠壓式偏振控制器 它由4個壓電陶瓷光纖擠壓器(稱為擠壓器F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4)組成，其方位角分別為0，45，O，45，各擠壓器對應(yīng)的驅(qū)動電壓為V1，V2，V3，V4。分別在4個擠壓器上加電壓信號驅(qū)動，產(chǎn)生相應(yīng)的壓力擠壓光纖，形成線性雙折射，改變?nèi)肷涔獠ǖ南辔徊?，從而實現(xiàn)任意偏振

16、態(tài)轉(zhuǎn)換。光纖擠壓式偏振控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 5.5 5.5 光電探測器件光電探測器件真空光電管真空光電管充氣光電管充氣光電管光電探測器件光電探測器件外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型非放大型放放 大大 型型光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器光磁電效應(yīng)探測器光磁電效應(yīng)探測器光生伏特探測器光生伏特探測器本征型本征型摻雜型摻雜型非放大非放大放大型放大型光電倍增管光電倍增管變像管變像管攝像管攝像管像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器光敏電阻光敏電阻紅外探測器紅外探測器光電池光電池光電二極管光電二極管光電三極管光電三極管光電場效應(yīng)管光電場效應(yīng)管雪崩型光電二極管雪崩型光電二極管光電探測器件分類光電探測器件分類光導(dǎo)管或光敏電阻

17、光導(dǎo)管或光敏電阻光電池光電池光電二極管光電二極管雪崩光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢壘光電二極管肖特基勢壘光電二極管光電磁探測器光電磁探測器光子牽引探測器光子牽引探測器1.1. 光電導(dǎo)光電導(dǎo)( (本征和非本征本征和非本征) )2.2. 光生伏特光生伏特 PNPN結(jié)和結(jié)和PINPIN結(jié)結(jié)( (零偏零偏) ) PN PN結(jié)和結(jié)和PINPIN結(jié)結(jié)( (反偏反偏) ) 雪崩雪崩 肖特基勢壘肖特基勢壘 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)3.3.光電磁光電磁 光子牽引光子牽引內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電管光電管充氣光電管充氣光電管光電倍增管光電倍增管象增強(qiáng)管象增強(qiáng)管1.1.光陰極發(fā)射光電子光陰極發(fā)射光電子 正電子親和勢光陰極正電子

18、親和勢光陰極 負(fù)電子親和勢光陰極負(fù)電子親和勢光陰極2.2.光電子倍增光電子倍增 氣體繁流倍增氣體繁流倍增 打拿極倍增打拿極倍增 通道電子倍增通道電子倍增外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)相應(yīng)的探測器相應(yīng)的探測器效效 應(yīng)應(yīng) 光子效應(yīng)分類光子效應(yīng)分類 PIN PIN硅光電二極管就是在硅光電二極管就是在P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)之間加上一區(qū)之間加上一本征層（本征層（I I層）光電二極管。層）光電二極管。 PINPIN光電探測器光電探測器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)nPINPIN是為提高光電轉(zhuǎn)換效率而在是為提高光電轉(zhuǎn)換效率而在PNPN結(jié)內(nèi)部設(shè)置一層摻雜濃度很結(jié)內(nèi)部設(shè)置一層摻雜濃度很低的低的本征半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體（I I層）以擴(kuò)大耗盡層寬度

19、層）以擴(kuò)大耗盡層寬度的光電二極管。從的光電二極管。從而使而使PNPN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。電極電極P +N +I入射光入射光電極電極抗反射膜抗反射膜l 基于載流子雪崩效應(yīng)，從而提供電流內(nèi)增益的光基于載流子雪崩效應(yīng)，從而提供電流內(nèi)增益的光電二極管稱為雪崩二極管電二極管稱為雪崩二極管(APD(APD：Avalanche Photo Avalanche Photo Diode)Diode)。l 常見的雪崩光電二極管有：常見的雪崩光電二極管有：GeGe-ADP-ADP和和Si-ADPSi-ADP兩種光電二極管。兩種光電二極管。 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（

20、APDAPD） 雪崩光電二極管工作原理示意圖雪崩光電二極管工作原理示意圖工作原理：APD在PN結(jié)內(nèi)部有一個高電場區(qū)（達(dá)到200 kV/cm以上），能夠承受高反向偏壓。光生電子或空穴經(jīng)過高場區(qū)時被加速，從而獲得足夠能量，在高速運動中與晶格碰撞，使晶體中的原子電離，激發(fā)出新的電子空穴對。新產(chǎn)生的電子空穴對在高場區(qū)中運動時又被加速，又可能碰撞別的原子，這樣多次碰撞的結(jié)果，使載流子迅速增加，反向電流迅速增大，形成雪崩倍增效應(yīng)。光電倍增管光電倍增管n利用利用外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)和和二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射相結(jié)合，即相結(jié)合，即 把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增獲得倍增的一種光電探測器件。的一種光電探測器件。n光電倍增管組成光電倍增管組成n 光窗（光窗（Input window )Input window ) n 光電陰極光電陰極(Photo cathode)(Photo cathode)n 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)n 電