光纖通信課件劉增基西安電子科技大學(xué)出版社3

第3章通信用光器

3.1光源

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

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

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)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。

3.1光源

光源是光發(fā)射機的關(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

(見圖3.1)雙能級原子系統(tǒng)的三種躍遷hE2E1自發(fā)發(fā)射躍遷E2E1受激吸收躍遷hhE2E1受激發(fā)射躍遷hh受激發(fā)射的光子與原光子具有相同的波長、相位和傳播方向受激輻射和受激吸收的區(qū)別與聯(lián)系

受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，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E1和處于高能級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，存在下面的分布(3.2)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。這是因為電子總是首先占據(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)光通過這種物質(zhì)時，光強按指數(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)光通過這種物質(zhì)時，會產(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。

問題：如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?

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2.PN結(jié)的能帶和電子分布

在半導(dǎo)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。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)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)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef

稱為費米能級，用來描述半導(dǎo)體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費米能級，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。(3.3)P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場擴散漂移

P-N結(jié)內(nèi)載流子運動；圖3.3PN結(jié)的能帶和電子分布勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env零偏壓時P-N結(jié)的能帶傾斜圖hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場外加電場正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

增益區(qū)的產(chǎn)生：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。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(dǎo)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，見圖3.3(c)。在電子和空穴擴散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。

3.激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生：

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（必要條件)+激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇=連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。基本的光學(xué)諧振腔由兩個反射率分別為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。

圖3.4激光器的構(gòu)成和工作原理

(a)激光振蕩；(b)光反饋式中，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為兩個反射鏡的反射率

激光振蕩的相位條件為式中，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)。在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩的閾值條件為γth=α+(3.4)L=q(3.5)增益和損耗相等產(chǎn)生穩(wěn)定激光

4.半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)

DH激光器

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，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。這樣，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。另一方面，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。圖3.6DH激光器工作原理(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；

(d)光功率分布

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)射波長取決于禁帶寬度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。在直流驅(qū)動下，發(fā)射光波長只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長存在。這些波長取決于激光器縱向長度L，并稱為激光器的縱模。

驅(qū)動電流變大，縱模模數(shù)變小，譜線寬度變窄。這種變化是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。當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時，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。圖3.7(b)是300Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性，由圖可見，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。

圖3.7GaAlAs-DH激光器的光譜特性

(a)直流驅(qū)動;(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)激光器縱模的概念：

激光器的縱模反映激光器的光譜性質(zhì)。對于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)注入電流低于閾值時，發(fā)射光譜是導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)發(fā)射譜，譜線較寬；只有當(dāng)激光器的注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益才大于損耗，自發(fā)發(fā)射譜線中滿足駐波條件的光頻率才能在諧振腔里振蕩并建立起場強，這個場強使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能級間產(chǎn)生受激輻射，而其他頻率的光卻受到抑制，使激光器的輸出光譜呈現(xiàn)出以一個或幾個模式振蕩，這種振蕩稱之為激光器的縱模。I=67mAP=1.2mWI=75mAP=2.5mWI=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW隨著電流增加，主模的增益增加，而邊模的增益減小，縱模數(shù)減少，一個模式開始占優(yōu)勢，直到出現(xiàn)單個窄線寬的光譜為止?？v模數(shù)隨注入電流而變：在眾多的縱模中，只有那些頻率落在增益介質(zhì)的增益曲線范圍內(nèi)，且增益大于損耗的那些腔模才能在LD的輸出中存在。譜線特性：

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。圖3.8是GaAlAs-DH激光器的近場圖和遠場圖，近場和遠場是由諧振腔(有源區(qū))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。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，這個方向的場圖總是單橫模。

圖3.8GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣

3.-9典型半導(dǎo)體激光器的遠場輻射特性和遠場圖樣

(a)光強的角分布；(b)輻射光束圖3.9為典型半導(dǎo)體激光器的遠場輻射特性，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，整個光束的橫截面呈橢圓形。表示激光器件把注入的電子－空穴對（注入電荷）轉(zhuǎn)換成從器件發(fā)射的光子（輸出光）的效率。是一個以百分數(shù)（％）度量的性能系數(shù)。一個把100％注入電流轉(zhuǎn)換成輸出光的理想假設(shè)器件(即器件沒有以熱形式消耗)，在理論上應(yīng)具有100％的e。e可從P-I特性的斜率（閾值以上）dP/dI求得：（對GaALAs材料）3.外微分量子效率e：圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。當(dāng)I<Ith時激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當(dāng)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。

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內(nèi)量子效率i是衡量激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子能力的一個參數(shù)。與e不同的的是，i與激光二極管的幾何尺寸無關(guān)，是評價激光二極管半導(dǎo)體晶片質(zhì)量的主要參數(shù)。i和e既又關(guān)系又有差別。i是激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成為輸出光，有些光子由于各種內(nèi)部損耗而被重新吸收。e是激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成輸出光的效率象征。e總是比i小。內(nèi)量子效率i=有源區(qū)內(nèi)每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù)有源區(qū)內(nèi)每秒鐘注入的電子-空穴對數(shù)內(nèi)量子效率i：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(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。

Ith=I0exp(3.9)

5.溫度特性激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因（1）激光器的閾值電流Ith

隨溫度升高而增大（2）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。當(dāng)以直流電流驅(qū)動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴重。當(dāng)對激光器進行脈沖調(diào)制時，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

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。

分布反饋激光器的要求：

（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性（3）發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實現(xiàn)調(diào)諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大圖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：①單縱模激光器②譜線窄，波長穩(wěn)定性好③動態(tài)譜線好④線性好DBR激光器

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：表面發(fā)光型LED和側(cè)面發(fā)光型LED

表面發(fā)光二極管優(yōu)點由于異質(zhì)結(jié)對載流子的限制作用，可以提高電子注入效率；由于AlGaAs層的能帶間隙比復(fù)合區(qū)（p－GaAs）的能帶間隙大，因此，AlGaAs層基本不吸收由低能帶間隙之間躍遷所發(fā)射出的光子。因此異質(zhì)結(jié)增加了光從器件內(nèi)部穿透出來的透射率；異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)很容易改變發(fā)光器件的發(fā)光波長。它的熱傳導(dǎo)性能比同質(zhì)結(jié)器件差。AlGaAs半導(dǎo)體能帶間隙比較大，能帶間隙大的材料一般熱傳導(dǎo)性能都比較差；異質(zhì)結(jié)器件更容易退化。由于異質(zhì)結(jié)器件是多層結(jié)構(gòu)，晶格匹配比較困難，容易造成缺陷，因此加速了器件退化。

為了揚長避短，有人將表面發(fā)光二極管做成單異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，介于同質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)器件之間，即只在pn結(jié)出光的一側(cè)制作一個異質(zhì)結(jié)，使其有一層能帶間隙較寬的材料層，以利于光透射，而在pn結(jié)的另一側(cè)仍為同質(zhì)結(jié)，以利于熱傳導(dǎo)。這樣一來，兼顧了表面發(fā)光管的輸出功率和熱傳導(dǎo)性能，達到了較好的效果。表面發(fā)光二極管缺點側(cè)面發(fā)光二極管側(cè)面發(fā)光管發(fā)出的光束在垂直于pn結(jié)結(jié)平面方向上發(fā)散角較小，方向性好，有利于光源和光纖之間的耦合。側(cè)面發(fā)光管的另一個優(yōu)點是在出光端面上光源的輻射率R非常高，這同樣是由于雙異質(zhì)結(jié)的波導(dǎo)作用將光通道限制在非常小的區(qū)域內(nèi)造成的。發(fā)光二極管的特點：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)=P0

cosθ，半功率點輻射角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%。

43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW(3)輸出光功率特性

發(fā)光二極管實際輸出的光子數(shù)遠遠小于有源區(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)動電流I較小時，

P-I曲線的線性較好；I過大時，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。

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，|H(fc)|=，最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。(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。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)。因為LED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)運動，空穴向P區(qū)運動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)實現(xiàn)的。電子和空穴的擴散運動PN結(jié)界面內(nèi)部電場漂移運動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)時發(fā)生受激吸收在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運動，部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層，然后在電場作用下，形成和漂移電流相同方向的擴散電流。漂移電流分量和擴散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時，便在兩端產(chǎn)生電動勢，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子-空穴對的運動，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。PN光電二極管缺點帶寬受限的主要因素:產(chǎn)生的光電流中存在擴散分量，它與耗盡區(qū)外的光吸收有關(guān)。載流子作擴散運動的時延將使檢測器輸出電流脈沖后沿的托尾加長，影響光電二極管的響應(yīng)速度。解決方法：減小P,N區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使大部分入射光功率在耗盡區(qū)吸收，減少P,N區(qū)吸收的光能--PIN考慮漂移和擴散運動時PN光電二極管對矩形脈沖的響應(yīng)擴散分量的存在導(dǎo)致光電二極管瞬態(tài)響應(yīng)失真

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。

PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖3.20和圖3.21。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。

I層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。I層很厚，提高了光電轉(zhuǎn)換效率兩側(cè)P+層和N+層很薄，提高了響應(yīng)速度。圖3.21PIN光電二極管結(jié)構(gòu)式中，hf為光子能量，e為電子電荷。(3.13)(3.14)PIN光電二極管具有如下主要特性：

(一)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的比值式中，α(λ)和w分別為I層的吸收系數(shù)和厚度。由式(3.15)可以看到，當(dāng)α(λ)w>>1時，η→1，所以為提高量子效率η，I層的厚度w要足夠大。（1）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)。假設(shè)器件表面反射率為零，P層和N層對量子效率的貢獻可以忽略，在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為(3.15)

（2）

量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜α(λ)，對長波長的限制由式(3.6)確定，即λc=hc

/Eg。

(二)響應(yīng)時間和頻率特性。光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時間τ或截止頻率fc(帶寬B)表示。對于數(shù)字脈沖調(diào)制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時間，分別定義為脈沖上升時間τr和脈沖下降時間τf。當(dāng)光電二極管具有單一時間常數(shù)τ0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脈沖響應(yīng)時間τ=τr=τf=2.2τ0

(3.16)對于幅度一定，頻率為ω=2πf的正弦調(diào)制信號，用光生電流I(ω)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當(dāng)光電二極管具有單一時間常數(shù)τ0時，（3.17）

PIN光電二極管響應(yīng)時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時間τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所確定。當(dāng)調(diào)制頻率ω與渡越時間τd的倒數(shù)可以相比時，耗盡層(I層)對量子效率η(ω)的貢獻可以表示為(3.18)

由η(ω)/η(0)=得到由渡越時間τd限制的截止頻率（3.19）式中，渡越時間τd=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度，比例于電場強度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時間τd，從而提高截止頻率fc，但是同時要降低量子效率η。圖3.23內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系

由電路RC時間常數(shù)限制的截止頻率式中，Rt為光電二極管的串聯(lián)電阻和負載電阻的總和，Cd為結(jié)電容Cj和管殼分布電容的總和。式中，ε為材料介電常數(shù)，A為結(jié)面積，w為耗盡層寬度。(3.20)(3.21)(三)噪聲

噪聲影響光接收機的靈敏度。

噪聲包括散粒噪聲(ShotNoise)(由信號電流和暗電流產(chǎn)生)熱噪聲(由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生)

（1）均方散粒噪聲電流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B(3.22)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。

2eIPB

稱為量子噪聲(由于入射光子和所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機性而產(chǎn)生)

2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。

暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產(chǎn)生的反向直流電流。漏電流噪聲：當(dāng)光檢測器表面物理狀態(tài)不完善和加有偏置電壓時，會引起很小的漏電流噪聲，但這種噪聲并非本征性噪聲，可通過光檢測器的合理設(shè)計，良好的結(jié)構(gòu)和嚴格的工藝降低。（2）均方熱噪聲電流式中，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+(3.24)(3.23)〈i2T〉=

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，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。

APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計的器件。

圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系

如果電壓增加到使電場達到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動。高速運動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)。根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。

圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）圖3.26APD結(jié)構(gòu)圖圖3.26示出的N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。工作過程

APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍。

U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。當(dāng)U≈UB時，RIo/UB<<1，上式可簡化為對APD特性新引入的參數(shù)是倍增因子和附加噪聲指數(shù)倍增因子

倍增因子g(一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù))定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。(3.25)(3.26)(3.27)

2.過剩噪聲因子

APD的均方量子噪聲電流為〈i2q〉=2eIPBg2(3.26a)

引入新的噪聲成分，并表示為附加噪聲因子F。

F(>1)是雪崩效應(yīng)的隨機性引起噪聲增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲電流應(yīng)為〈i2q〉=2eIPBg2+x(3.26b)式中，x為附加噪聲指數(shù)。同理，APD暗電流產(chǎn)生的均方噪聲電流應(yīng)為

〈i2d〉=2eIdBg2+x(3.27)

附加噪聲指數(shù)x與器件所用材料和制造工藝有關(guān)

Si-APD的x=0.3~0.5，Ge-APD的x=0.8~1.0，InGaAs-APD的x=0.5~0.7。當(dāng)式(3.26)和式(3.27)的g=1時，得到的結(jié)果和PIN相同。

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)時間10~200.1~1暗電流Id/nA0.5~0.70.5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、價格便宜、便于集成等。3.3.1光連接器—Connector技術(shù)指標：插入損耗：光信號通過連接器之后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數(shù)?；夭〒p耗：反射損耗，光纖連接處，后向反射光相對輸入光的比率的分貝數(shù)。重復(fù)性和互換性損耗來源連接器方法：利用精密陶瓷套筒準直纖芯插入損耗目前水平0.2dB類型：FC、SC、ST其它：多芯光纜連接器、保偏光纖連接器、密封型光纖連接器FC型：螺紋連接。外部材料為金屬SC型：外殼采用工程塑料，矩形結(jié)構(gòu)，便于密集安裝，不用螺紋連接，可以直接插拔。ST型：采用帶鍵的卡口式鎖緊機構(gòu)，確保連接時準確對中。

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，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。

1.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)用器圖3.28常用耦合器的類型

T形(a)……星形(b)定向(c)2314…l1l2lNl1＋l2＋lN(d)波分2.基本結(jié)構(gòu)的分類

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。圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。如圖3.30，光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合理論得到

Pa=cos2(CλL)(3.28a)

Pb=sin2(CλL)(3.28b)式中，L為耦合器有效作用長度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長的耦合系數(shù)。C--耦合系數(shù)22光纖耦合器P4P0輸入功率P1直通功率P3串?dāng)_P2耦合功率L錐形區(qū)域L錐形區(qū)域Z耦合區(qū)域1，221直通臂耦合臂12P0

P1P2熔錐光纖型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)和特性1

21212121

21

21

21

2公共臂

圖3.29光纖型耦合器

(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個2×2耦合器組成的8×8星形耦合器

圖3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)濾光式解復(fù)用器；(d)光柵式解復(fù)用器微器件型

用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，部分反射)、濾光片(一個波長的光透射，另一個波長的光反射)或光柵(不同波長的光有不同反射方向)等微光學(xué)器件構(gòu)成，如圖3.31所示。

衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖光纖透鏡光柵1231231+2+31+2+31+2+3123采用棒透鏡的光柵型WDM光纖棒透鏡光柵1+2+31231+2+3123圖3.32波導(dǎo)型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解復(fù)用器；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。波導(dǎo)的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。3.主要特性說明耦合器參數(shù)的模型如圖3.33所示，主要參數(shù)定義如下。耦合比CR

是一個指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用%表示(3.29)由此可定義功率分路損耗Ls：

Ls=10lg(3.30)分光比

附加損耗Le

由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示

插入損耗Lt

是一個指定輸入端的光功率Pic和一個指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示(3.31)(3.32)

方向性DIR(隔離度)

是一個輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分貝表示

一致性U

是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同輸出端耦合比的等同性。(3.33)-40~+70-40~+70工作溫度/oC1~1.250.8~2.0穩(wěn)定性/dB40~55方向性/dB04×47~88×811~1232×3217~193.45.6/1.810.8/0.7插入損耗/dB分路比0.5/0.50.3/0.70.1/0.91.31或1.551.31或1.55工作波長/n×n星型2×2型耦合器表3.6耦合器的一般特性2555（濾波）隔離度/dB2~30.5~1附加損耗/dB20~30200波長間隔/nm1.31和1.551.31和1.55工作波長/6端2端波分復(fù)用器表3.7波分復(fù)用器的一般性能

3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

耦合器和其他大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。

隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。

隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。

插入損耗和隔離度是隔離器的兩個主要參數(shù)。隔離器工作原理如圖3.34所示。這里假設(shè)入射光只是垂直偏振光，第一個偏振器的透振方向也在垂直方向，因此輸入光能夠通過第一個偏振器。緊接第一個偏振器的是法拉弟旋轉(zhuǎn)器，法拉弟旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，例如45°，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無關(guān)。光偏振(極化)

單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的振動方向。在任何時刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模。

偏振器圖3.34隔離器的工作原理法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光SOP圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP光纖輸入(b)另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當(dāng)兩個分量的光通過這兩個器件時，其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖3.35(b)所示，于是就起到隔離作用。

環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。如圖3.36所示，典型的環(huán)行器一般有三個或四個端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號在端口2輸出，端口2輸入的光信號在端口3輸出，端口3輸入的光信號由端口1輸出。

光環(huán)行器主要用于光分插復(fù)用器中。

圖3.36光環(huán)行器

(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)1324反射棱鏡光環(huán)行器原理示意圖光發(fā)射機1光接收機2光接收機1光發(fā)射機2123132光環(huán)行器用于雙向傳輸系統(tǒng)光調(diào)制器Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATA