有源光器件和無源光器件區(qū)別及基礎(chǔ)

有源光器件和無源光器件光有源器件定義：需要外加能源驅(qū)動(dòng)工作的光電子器件半導(dǎo)體光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半導(dǎo)體光探測(cè)器(PD,PIN,APD）光纖激光器（OFL:單波長、多波長）光放大器(SOA,EDFA)光波長轉(zhuǎn)換器(XGM,XPM,FWM)光調(diào)制器（EA）光開關(guān)/路由器光無源器件定義：不需要外加能源驅(qū)動(dòng)工作的光電子器件光纖連接器（固定、活動(dòng),FC/PC,FC/APC）光纖定向耦合器/分支器光分插復(fù)用器（OADM)光波分/密集波分復(fù)用器（WDM/DWDM)光衰減器（固定、連續(xù)）光濾波器（帶通、帶阻）光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關(guān)、無關(guān)）光偏振態(tài)控制器、光纖延遲線、光纖光柵光器件與電器件的類比多波長光源DWDM光調(diào)制器光隔離器光耦合器光波長轉(zhuǎn)換光放大DWDM光色散補(bǔ)償光隔離器光環(huán)行器光波長轉(zhuǎn)換OADMDWDM光隔離器光環(huán)行器光開關(guān)可調(diào)諧濾波DWDMOXC光耦合器光調(diào)制解調(diào)光器件的應(yīng)用光器件的分類光電變換器件光開關(guān)與調(diào)制器件光放大器件光色散補(bǔ)償器件光網(wǎng)絡(luò)器件光電變換器件F-P腔激光二極管(LD)分布反饋布拉格激光器(DFB)分布布拉格反射激光器(DBR)外腔激光器與Q開關(guān)激光器發(fā)光二極管(LED)光纖激光器(OFL)垂直腔表面發(fā)射激光器(ECSEL)多波長光源與波長可調(diào)諧激光器光電探測(cè)器(PD、PIN、APD)

光調(diào)制器件幅度調(diào)制機(jī)械調(diào)制電光調(diào)制直接調(diào)制電吸收光調(diào)制(EA)相位調(diào)制偏振調(diào)制光電集成芯片(OEIC)光子集成芯片(PIC)光色散補(bǔ)償器件色散控制色散位移單模光纖非零色散位移單模光纖大有效截面單模光纖色散平坦單模光纖色散補(bǔ)償色散補(bǔ)償光纖模塊SOA色散補(bǔ)償光纖光柵色散補(bǔ)償色散管理光網(wǎng)絡(luò)器件光耦合透鏡（自聚焦透鏡、玻璃球透鏡）光連接器與光耦合器光隔離器與光環(huán)行器光濾波與光波分復(fù)用器件光起偏器與偏振控制器光波長轉(zhuǎn)換與光波長路由器件光調(diào)制解調(diào)器（Modem）光衰減器與光延時(shí)器件光開關(guān)與光交叉連接器件微光電機(jī)械芯片光放大器件摻鉺光纖放大(EDFA)摻鐠光纖放大(PDFA)摻釹光纖放大(NDFA)分布式光纖放大喇曼光纖放大(SRFA)布里淵光纖放大(SBFA)半導(dǎo)體光放大(SOA)

元件：Components器件：Devices模塊：Modules系統(tǒng)：Systems第三章有源光器件和

無源光器件3.1激光原理的基礎(chǔ)知識(shí)3.2半導(dǎo)體光源3.3光電探測(cè)器3.4無源光器件3.1激光的基礎(chǔ)知識(shí)3.1.1玻爾的能級(jí)假說3.1.2光子3.1.3自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收3.1.4粒子數(shù)反轉(zhuǎn)其中E2和E1分別為躍遷前、后的原子能級(jí)能量，h為普朗克常數(shù)，ν為電磁輻射的頻率。3.1.1玻爾的能級(jí)假說h=6.6261×10-34Js能量最低的原子能級(jí)稱為基態(tài)能級(jí)，其它能量較高的原子能級(jí)稱為激發(fā)態(tài)能級(jí)。3.1.2光子若原子從E2

→

E

1

，△E=E2

–

E

1

，這個(gè)差△E將以一個(gè)量子的能量形式釋放，一個(gè)量子的能量被稱為光子（photon）。一個(gè)光子的能量Ep由下面的公式定義Ep=hν（3.1.3-1

）h是普朗克常數(shù)(h=6.626×10-34J?S)，而ν是光子的頻率。原子從高能級(jí)→低能級(jí)，對(duì)應(yīng)于光子的輻射；原子從低能級(jí)→高能級(jí)，對(duì)應(yīng)于光子的吸收。

處于高能級(jí)的原子自發(fā)的輻射一個(gè)頻率為ν、能量為E的光子，躍遷到低能級(jí)，這一過程稱為自發(fā)輻射。是相位、偏振方向不同的非相干光。E2E1N2N1h3.1.3自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收3.1.4

.1

自發(fā)輻射(spontaneousradiation)E2E1N2N1全同光子h3.1.3

.2受激輻射

(stimulatedradiation)在能量為E的入射光子的激勵(lì)下，原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與入射光子頻率、相位、偏振方向和傳播方向都相同的另一個(gè)光子，這一過程稱為受激輻射。E2E1N2N1h上述外來光也有可能被低能級(jí)吸收，使原子從E1E2。在入射光子的激勵(lì)下，原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，稱為受激吸收。

3.1.3

.3受激吸收(stimulatedabsorption)自發(fā)輻射是單向性的；受激躍遷是雙向的;自發(fā)輻射概率與光強(qiáng)無關(guān)；受激躍遷概率正比于光強(qiáng)。自發(fā)輻射和受激輻射、吸收的區(qū)別：3.1.4粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在熱平衡時(shí)，各能級(jí)的粒子數(shù)目服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布:即若

E2>E

1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比k=1.38×10-23J/K為玻耳茲曼常量N2N1N2N1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（N2>N1）是實(shí)現(xiàn)激光放大的必要條件。為了實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就需要大量電子躍遷到導(dǎo)帶，為此，需要泵浦為躍遷提供能量。此外，還需要亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)使激發(fā)的電子保持一段時(shí)間，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。例如：T

～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;在可見光和近紅外，Eg=hv=E

2-E

1～1eV;說明基態(tài)上粒子數(shù)最多。此時(shí)受激輻射概率<受激吸收概率，不能產(chǎn)生光放大。例題1、假設(shè)一個(gè)激光二極管發(fā)出的紅光的波長λ=650nm,那么單個(gè)光子的能量是多少？解：Ep=hν=h?c/λ={[6.6×10-34J?S]×[3×108m/s]}/650×10-9m=3.04×10-19J2、LD波長λ=650nm,光能量P=1mW,這個(gè)光源每秒發(fā)射多少光子？解：總能量E

=P×1s=1×10-3W×1s=1×10-3J這個(gè)能量等于E

=

Ep×N,其中N是光子的數(shù)量。所以N=E/Ep={1×10-3J}/{3.04×10-19J}=3.3×1015

，也就是3.3千萬億。

課間休息3.2半導(dǎo)體光源3.2.1半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)和應(yīng)用3.2.2半導(dǎo)體激光器（LD）3.2.2發(fā)光二極管（LED）3.2.1半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)和應(yīng)用半導(dǎo)體激光器是通過受激輻射產(chǎn)生光的器件。受激輻射的特征：一個(gè)外來光子迫使一個(gè)帶有類似能量E的光子被發(fā)射；所有受激光子的發(fā)射方向都與激發(fā)他們的光子相同；受激光子僅在有外來光子激發(fā)他們的時(shí)候才輻射→同步的。形成正反饋的方法：用兩個(gè)鏡面、光柵形成諧振器。受激光子快速增加需要導(dǎo)帶中有無數(shù)受激電子來維持這個(gè)動(dòng)態(tài)過程。因此需要比LED快得多的速度來激活電子，需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要在激活區(qū)加大的正向電流。為了使激光二極管產(chǎn)生光，增益必須大于損耗。綜上所述，半導(dǎo)體激光器的激射條件為：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)受激輻射正反饋半導(dǎo)體激光器（LD）的特點(diǎn)：半導(dǎo)體激光器（LD）的應(yīng)用：輸出功率大(kW)，光譜寬度窄(0.01pm)，高偏振，相干長度長，輸出NA小(

光易于耦合進(jìn)光纖)光纖通信、醫(yī)學(xué)、測(cè)量、加工和軍事等。3.2.2半導(dǎo)體激光器（LD）FP-LD----法不里-泊羅激光器DFB-LD—分布反饋激光器DBR-LD---分布反射激光器

QW–LD----量子阱激光器法不里-泊羅激光器

Fabry-Perot(FP)Laser多縱模(MLM)光譜“著名”的半導(dǎo)體激光器最早用于光纖鏈路(850or1300nm)今天:用于短或中等長度的光纖鏈路主要性能指標(biāo)主要用于波長850or1310nm總輸出功率大于幾mw光譜寬度3to20nmModespacing0.7to2nm高偏振相干長度約為1to100mm小的NA(

光易于耦合進(jìn)光纖)PpeakI(mA)P(mW)閾值λ(nm)FP-LD的結(jié)構(gòu)FP-LD管芯示意圖FP-LD的工作原理要實(shí)現(xiàn)FP-LD激射，必須滿足幾個(gè)基本條件：要有能實(shí)現(xiàn)電子和光場(chǎng)相互作用的物質(zhì)；要有注入能量的泵浦源；要有一個(gè)F-P諧振腔；

必須增益大于損耗要滿足振蕩條件:λ=

2nL/N。其中L是鏡間距，N是一個(gè)整數(shù)，n為諧振腔內(nèi)折射率，λ是光波長。a)任意波注入時(shí)的FP-LDb)駐波注入時(shí)的FP-LD例如：如果L=0.4mm=400μm，n=1而λ=1300nm=1.3

μm則N=615諧振器支持的波長為1300nm=2nL/N，但其也支持：2L(N±1),2L(N±2),等等波長。這些諧振器選擇的波長叫縱模。當(dāng)諧振器的長度增加或減少時(shí)，激光器就從一個(gè)縱模轉(zhuǎn)向另一個(gè)，被稱之為跳模。因?yàn)棣?2nL/N，所以相鄰兩個(gè)縱模的間隔λN–λN+1

≈2nL/N2=λ2/2nL1、必須增益大于損耗：激光出射條件2、活性介質(zhì)只能在很小的波長范圍內(nèi)提供增益（λ<hc/E）。諧振器和活性介質(zhì)共同作用的結(jié)果，只有幾個(gè)落在增益曲線內(nèi)的諧振波長才能被激射。Ppeakλ(nm)相鄰兩個(gè)縱模的間隔λN

–λN+1

≈λ2/2nL當(dāng)諧振器的L=0.4mm,n=1，工作在λ=1300nm

附近時(shí)，計(jì)算出λN–λN+1≈2.1nm

，假設(shè)增益曲線的線寬等于7nm，則這種活性介質(zhì)可支持3個(gè)縱模。c)增益損耗曲線和可能的縱模d)實(shí)際的多模輻射FP-LD的光譜寬度為縱模包絡(luò)光功率最大值一半時(shí)的帶寬。分布反饋激光器

DistributedFeedback(DFB)LaserPpeakSMSR單縱模(SLM)光譜高性能的通信激光器價(jià)格貴(難于制造)長距離干線或DWDM系統(tǒng)主要性能指標(biāo)主要用于1550nm總輸出功率3to50mw譜線寬度10to100MHz(0.08to0.8pm)邊模抑制比(SMSR):>50dB相干長度約為1to100m小的NA(光易于耦合進(jìn)光纖)λ為了減少線寬，需要激光管只發(fā)射一個(gè)縱模。分布反饋激光器實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。其在激活區(qū)附近的異質(zhì)結(jié)中合并了光柵，其工作原理與鏡子類似，但他僅選擇反射波長為λB的光。2∧neff=λB“反饋”是指；使受激光子返回活性介質(zhì)；“分布”是指；反射并不僅僅發(fā)生在一個(gè)點(diǎn)上。二十世紀(jì)六十年代提出，二十世紀(jì)八十年代商品化。改進(jìn)方案：DBRa)分布反饋激光器b)分布反饋工作原理c)實(shí)際單模輻射

activen-DBRp-DBR分布布拉格反射(DBR)鏡交替的半導(dǎo)體材料層40到60層,每層厚度l/4光束的匹配與光纖更接近主要性能指標(biāo)波長范圍780to980nm(gigabitethernet)譜線寬度<1nm輸出功率>-10dBm相干長度10cmto10mNA0.2to0.3量子阱激光器為了提高發(fā)射效率，使用特殊制造技術(shù)來得到特別薄的激活區(qū)（4nm—20nm），稱為量子阱（QW）激光器。a)單量子阱激光器MQW激光器是用超薄膜（厚度〈20nm〉形成有源層，能呈現(xiàn)量子效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，普通半導(dǎo)體激光器的有源層厚度為幾百納米到幾千納米。電子在有源層的運(yùn)動(dòng)是三維的，當(dāng)有源層的厚度減小到20nm而與電子的自由程接近時(shí)，電子就不能在層厚方向做自由運(yùn)動(dòng)，只能在層面內(nèi)作橫向運(yùn)動(dòng)，電子能量變成一個(gè)個(gè)離散值，即呈現(xiàn)量子效應(yīng)，有源層由多個(gè)薄層構(gòu)成，由于載流子和光子被限制在薄層之內(nèi)，從直觀來看就是載流子和光子都很集中，因此容易發(fā)生激射。多量子阱激光器MQW-LDMQW激光器的優(yōu)點(diǎn)：

（1）閾值電流小，由于其結(jié)構(gòu)中“阱“的作用，使電子和空穴被限制在很薄的有源區(qū)內(nèi)，造成有源層內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度很高，因而大大降低了閾值電流，由于閾值電流的降低，還帶來了功耗低，溫度特性好的優(yōu)點(diǎn)。

（2）線寬變窄。由于量子阱中帶間復(fù)合的特點(diǎn)，造成線寬增大系數(shù)a變小，從而減小了光譜中的線寬，同雙異質(zhì)結(jié)激光器相比，縮小了近一倍。

（3）器件的微分增益高，注入電流的微小變化能夠引起光功率的較大變化。

（4）調(diào)制速度高。工作頻段可達(dá)30GHZ。

（5）頻率啁啾小，動(dòng)態(tài)單縱模特性好，縱?？刂颇芰?qiáng)。3.2.3發(fā)光二極管（LED）

面發(fā)射發(fā)光二極管SELED

邊發(fā)光發(fā)光二極管EELED

超輻射發(fā)光二極管SLD

LED的主要性能指標(biāo)3.2.2發(fā)光二極管

Light-emittingDiode(LED)P-3dBPpeakBW具有體積小,機(jī)械強(qiáng)度高,壽命長,電壓低,電流小(數(shù)毫安或數(shù)十毫安),耗電省,響應(yīng)速度快,易用電流調(diào)制光通量和使用方便等優(yōu)點(diǎn).由于它所需要的電壓低,能與集成電路或晶體管共用電源,或用晶體直接控制它發(fā)光,能方便的與光纖進(jìn)行耦合,因此,LED在光纖通信領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用.λLED的結(jié)構(gòu)光纖通信用的發(fā)光二極管（LED）通常是采用GaAs為襯底的GaAs或AlGaAs和InP為襯底的InGaAs或InGaAsP材料制成。用AlGaAs/GaAs制作的LED其峰值發(fā)射波長在0.8~

0.95m范圍內(nèi)，用InGaAsP/

InP制作的LED其峰值發(fā)射波長為1.31m和1.55m。要使LED發(fā)光，有源層的半導(dǎo)體材料必須是直接帶隙材料，越過帶隙的電子和空穴能夠直接復(fù)合而發(fā)射出光子。為了使器件有好的光和載流子限制，大多采用雙異質(zhì)結(jié)（DH）結(jié)構(gòu)。面發(fā)射同質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的基本類型圖3.2.2–1LED結(jié)構(gòu)截面圖分為：面發(fā)射SELED、邊發(fā)射EELED和超輻射SLD。這里介紹前兩種。1、面發(fā)射LED（SELED）出光條件：產(chǎn)生光子的地方（有源區(qū)）；諧振腔（上、下面），限制載流子和光子的路徑。特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電流大、出光功率高、溫度特性較好；帶寬較小。LED結(jié)構(gòu)截面圖邊發(fā)射雙異質(zhì)結(jié)出光條件：產(chǎn)生光子的地方（有源區(qū)）；諧振腔側(cè)邊限制載流子和光子的路徑。光纖通信用的LED多采用邊發(fā)光型LED。因?yàn)檫叞l(fā)光型LED有與激光管相似的結(jié)構(gòu)，與光纖耦合效率較高，帶寬較寬，線寬較窄。2、邊發(fā)光LED（EELED-edge-emittingLED）介于LED和LD之間的光源。在高電流強(qiáng)度下，用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成有源區(qū)。但SLD沒有正反饋，僅能自發(fā)輻射光。所以SLD比通常的LED功率更強(qiáng)，限定性更好，但是，在單色性、定向性和相干性方面，不如LD。SLD在光通信中較少使用，多用于寬帶測(cè)量光源。2、超輻射發(fā)光二極管SLD

（Super-luminescentDiodes）LED的工作原理值得注意的是，對(duì)于大量處于高能級(jí)的粒子各自分別自發(fā)發(fā)射一列一列角頻率為ν=Eg/h

的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，并且每個(gè)粒子所發(fā)射的光沿所有可能的方向傳播，這個(gè)過程稱之為自發(fā)發(fā)射。其發(fā)射波長λ可用下式來表示λ

=1.2396/Eg半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)是在正向偏置時(shí)p-n結(jié)內(nèi)的電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生光子的電致發(fā)光器件.

GaAs的Eg=1.435eV,故可用它來制作0.85m波長的紅外LED，InGaAsP的Eg=0.75

~

1.35eV，對(duì)應(yīng)的發(fā)射波長為1.65

~0.92m

，考慮到光纖的低損耗窗口，InGaAsPLED的發(fā)射波長選為1.31m和1.55m。光功率P=N光×E/t，而光子數(shù)目N光=N電×η

（N電：受激電子數(shù)目；η：量子效率；E：能量；t：時(shí)間。I=N電×

e/t→N電=It/e→P=

N電×η

×E

/t=It/e×η

×E

/t=I×η

×E/e其中：E的單位是焦耳，如果用電子伏特eV來度量E

，I的單位是mA,則：P(mW)=

I(mA)×η

×E(eV)

∝I主要性能指標(biāo)波長通常為：780,850,1300nm總輸出功率大于幾W~mW光譜寬度30~100nm相干長度約為0.01~0.1mm偏振較小或不偏振大的NA(難于將光耦合進(jìn)光纖)3、LED的主要性能指標(biāo)SLED的P-I特性LED的P-I特性是指輸出功率隨注入電流的關(guān)系。LED的輸出功率P與注入電流I的關(guān)系為:p=aI

，表明LED的P-I曲線應(yīng)該具有線性關(guān)系.但實(shí)際上只有在注入電流I較小時(shí),它們才具有近似的線性關(guān)系,當(dāng)注入電流I較大時(shí),P-I曲線會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象.LED的P-I特性驅(qū)動(dòng)電流（mA）876543210輸出光功率(mW)LED的耦合效率LED的發(fā)射功率盡管可以超過10mw,但因與光纖的耦合效率很低,從光纖中輸出的光功率最大也只能達(dá)到100uW左右(損耗20dB左右).耦合輸出光功率(uW)驅(qū)動(dòng)電流（mA）a)面發(fā)射LED（朗伯源）b)邊發(fā)射LEDc)雙異質(zhì)結(jié)LEDLED的輻射模式LED的溫度特性當(dāng)溫度上升時(shí)，功率下降。~2dB/65oC.LED的波長和光譜寬度峰值波長λp由禁帶寬度決定。一般給出最大最小值，如AMP公司的SLED為1290nm和1350nm；而EELED為1270nm和1330nm。光譜寬度Δλ是用半最大寬度FWHM來度量，如圖。當(dāng)溫度升高，Δλ變大；0.38nm/oC。當(dāng)正向電流增加，Δλ變大；0.69nm/mA。某SLD的光譜特性LED的電特性包括：正向電壓、電容和漏瀉電流。制作商通常給出U-I關(guān)系：LED的U-I特性是指正向壓降隨注入電流的關(guān)系。當(dāng)I=100mA時(shí)，正向壓降通常小于2V,反向擊穿電壓2-4V，串聯(lián)電阻1-4Ω。LED的伏安特性如圖所示。正向電流（mA）(250C)正向電壓（V）電容C電容C是LED的固有特性。來源：（1）電荷電容（與p-n結(jié)有關(guān)）；（2）擴(kuò)散電容（與有源區(qū)載流子壽命有關(guān)）。電容C限制了其調(diào)制帶寬。例如：一個(gè)SLED的電容為20pF,帶寬為200MHz（當(dāng)λp=865nm），而SLED的電容為200pF,帶寬為125MHz（當(dāng)λp=1320nm）。這也是LED電容的典型值。漏瀉電流漏瀉電流是由少數(shù)載流子（p區(qū)中的電子和n區(qū)中的空穴）的流動(dòng)引起的。載流子流動(dòng)由熱能引起。漏瀉電流可以用反偏電壓來度量。載流子壽命上升/下降時(shí)間和帶寬載流子壽命τ是指其從被激活（即到達(dá)耗盡區(qū)）到被復(fù)合之間的這段時(shí)間（一般為幾ns~幾ms）。是根據(jù)脈沖最大值的10%到90%的時(shí)間來定義的。如右上圖。理想的階躍型脈沖響應(yīng)如圖虛線所示；實(shí)線為由于上升/下降時(shí)間造成的脈沖失真。上升/下降時(shí)間其中：τ為載流子壽命；C為LED的電容；T?K表示開爾文絕對(duì)溫度。（0?

C=273?K）歸一化輸出功率電流（mA）上升/下降時(shí)間表明輸出光脈沖是怎樣隨著電調(diào)制而改變的。如右下圖。上升/下降時(shí)間電調(diào)制帶寬BW是指當(dāng)電功率衰減到0.707時(shí)的調(diào)制頻率范圍。在電子學(xué)中有其與上升時(shí)間關(guān)系式：BW=0.35/t1LED調(diào)制帶寬是在輸出光功率下降到-3dB時(shí)的頻帶寬度。LED的頻響受復(fù)合壽命τ的影響，其關(guān)系為：BW=

Δω3dB=1/τ調(diào)制帶寬BW即：增加LED的帶寬是以輸出功率為代價(jià)。

功率帶寬積復(fù)習(xí)題3.1.1當(dāng)量子效率為1%，峰值波長是850nm時(shí)，

LED發(fā)射出的功率為多少？諧振器間長度0.3mm,工作為1550nm，增益曲線的線寬等于9nm，則法不里-珀羅激光器能產(chǎn)生多少縱模？分布反饋激光器的工作原理是什么?DFB代表什么？這種激光器與其它激光器的區(qū)別是什么？你怎么確定激光器的域值電流？課間休息3.3光電探測(cè)器P-N光電二極管PIN光電二極管雪崩光電二極管光通信用光電探測(cè)器：3.3光電探測(cè)器P-N光電二極管一個(gè)能量為Ep=hf=h?c/λ≧Eg的光子射入光電二極管時(shí)，被吸收的光子能量被電子獲得。于是，導(dǎo)帶中的電子被激活，能夠運(yùn)動(dòng)。光能→單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)目乘上單個(gè)光子的能量→轉(zhuǎn)化為電流。圖3.3-1p-n光電二極管的工作原理a)能帶圖b)p-n結(jié)c)電路輸入輸出特性：輸入光功率P，輸出光電流I，射入光電二極管激活區(qū)的光子越多，產(chǎn)生的載流子越多，光電流越大。I=RP（3.3-1）R是常量（響應(yīng)度）。其關(guān)系如下圖所示：圖3.3-2光電二極管的響應(yīng)度a)輸入輸出特性b)響應(yīng)度和波長的關(guān)系c)暗電流例題：光電二極管的響應(yīng)度是0.85A/W，飽和輸入光功率是1.5mW，當(dāng)入射光功率是1mW和2mW時(shí)，光電流分別是多少？I=RP=[0.85A/W]×[1.5mW]=0.85mA當(dāng)輸入光功率是2mW時(shí)，公式I=RP不適用，因此我們無法得到光電流的值。解：當(dāng)輸入光功率是1mW時(shí)，由I=RP，可得，PIN光電二極管（Photodiodes）高線性,低暗電流n+PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)如圖3.3-5所示。其在P區(qū)和N區(qū)之間夾有一層厚的本征層?！氨菊鳌薄疤烊坏摹薄ⅰ安粨诫s的”。P-I-N的完整意思：正極-本征-負(fù)極。實(shí)際上，本征區(qū)是輕摻雜的（N型），所以電子濃度很高，大大提高了光電轉(zhuǎn)換效率。PIN光電二極管是在反向偏壓作用下使用的，一般為-5V左右。當(dāng)光入射到PIN結(jié)時(shí)，由于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子—電子和空穴經(jīng)過擴(kuò)散和漂移，形成了通過PIN結(jié)的光電流。圖3.3-5PIN光電二極管光生載流子通過PIN結(jié)時(shí)間很短，這是因?yàn)殡m然I層較厚，但它處于一個(gè)強(qiáng)的反向電場(chǎng)作用下，所以載流子以快的漂移速度通過I層。光生載流子通過兩邊P與N區(qū)時(shí)，是以比較慢的擴(kuò)散速度前進(jìn)的，但因P層和N層均較薄，這樣總的來說就提高了PIN管的響應(yīng)速度。目前PIN光電二極管帶寬以達(dá)110GHz。雪崩光電二極管

Avalanchephotodiode(APD)內(nèi)置放大，不引入外部電路相關(guān)噪聲。增益提高x100，接收大于接收機(jī)電噪聲的光信號(hào)是高速、高靈敏度的接收器極大的溫度倚賴性主要性能增益帶寬積暗電流響應(yīng)BiasVoltageAPDGain1、工作原理：在光電二極管上加相對(duì)較高的反向電壓（20V左右），該電壓使光生電子和空穴加速并獲得高能量。這些高能電子和空穴射入中性原子中，分離出其它電子和空穴。而二級(jí)載流子也獲得足夠能量去離化其它載流子，形成雪崩過程。這就意味著光電二極管在內(nèi)部放大了光電流。（其量子效率10到100）產(chǎn)生二次載流子的過程稱為沖擊離化。圖3.3-6雪崩光電二極管（APD）距離簡單歸納其工作原理為：高的反向偏置電壓，碰撞電離，產(chǎn)生一次光生載流子、二次光生載流子APD的平均雪崩增益G：是個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程G是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值其結(jié)構(gòu)如圖3.3-6所示。光子穿過重?fù)诫s的p+區(qū)，進(jìn)入本征區(qū)，在這里產(chǎn)生電子空穴對(duì)。反向電壓分離這些光生電子空穴，并將其移向pn+結(jié)，這里存在一個(gè)105V/cm的高電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)聚集載流子，并沖擊導(dǎo)致離化。探測(cè)器材料Silicon(Si)最便宜

Germanium(Ge)

常用

Indiumgalliumarsenide(InGaAs)

高速SiliconWavelengthnm50010001500GermaniumInGaAsQuantumEfficiency=10.10.51.0Responsivity(A/W)復(fù)習(xí)題3.31、光電二極管的主要功能是什么？2、InGaAs光電二極管的量子效率是70%，它的響應(yīng)度是多少？3、響應(yīng)度是如何依賴光信號(hào)的波長的？4、P-I-N代表什么意思？5、與P-N光電二極管相比P-I-N的優(yōu)點(diǎn)是什么？6、與P-I-N光電二極管相比APD的優(yōu)點(diǎn)是什么？7、APD的缺點(diǎn)是什么？課間休息四、光無源器件

1.光纖的連接、光纖連接器

2.光衰減器

3.光纖定向耦合器

4.波分復(fù)用器

5.光隔離器

6.光環(huán)形器

7.光濾波器

8.光開關(guān)

9.光調(diào)制器

1、光纖的連接、光纖連接器“跳線”連接光器件和光儀器，通過“法蘭盤”連接同類“跳線”FC/PC光纖連接器

SC

光纖連接器

ST光纖連接器

SMA光纖連接器

CATV光纖連接器分為：固定連接和活動(dòng)連接，活動(dòng)連接器典型的：插入損耗0.25dB,回波損耗-50dB2.光衰減器一、分類：固定衰減器（繞線、拉錐等）可變衰減器（光-機(jī)械裝置）二、可變衰減器原理典型的：衰減范圍0-60dB,分辨率0.5dB，插入損耗2dB光衰減器是減少傳輸光功率的裝置。自聚焦透鏡衰減片自聚焦透鏡光衰減器原理示意圖

光可變衰減器原理圖

輸入光輸出光棱鏡圓盤式衰減片3.光纖定向耦合器分類：標(biāo)準(zhǔn)耦合器寬帶耦合器雙窗口寬帶耦合器原理熔錐型磨拋型耦合器是實(shí)現(xiàn)光的分路、合路的器件。主要指標(biāo)：附加損耗、耦合比研磨法光纖2×2耦合器原理示意圖

熔錐光纖2×2耦合器示意圖

任何一臂的入射光，可以耦合到任何一個(gè)出射臂。50%/50%(3dB)是最常用的4端口形式。1%,5%or10%taps(often3portdevices)附加損耗-ExcessLoss(EL):耦合比：CR(dB)=-10log10[P1/(P1+P2)]EL=-10?log10PoutPin直通臂(P1)耦合臂(P2)P011NM星形耦合器

光時(shí)分復(fù)用器件10Gb/ssignalinput4×10Gb/ssignaloutput4×10Gb/smultiplexerwithsixfiber1×2couplers4×10Gb/smultiplexerwithtwofiber1×4couplersFiberCouplerFiberCoupler4.波分復(fù)用器

Wavelength-divisionmultiplexers(WDM)--波分復(fù)用器---的形式:3端口器件(第4端口不用)1310/1550nm(“經(jīng)典”

WDM技術(shù))1480/1550nm和980/1550nm用于光放大器(后面章節(jié)詳述)1550/1625nm用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控插入損耗和隔離度:對(duì)傳輸通道的波長，具有低插入損耗(<1dB)傳輸通道波長對(duì)另一波長有高損耗(20to50dB):I10=-10log10[P1(λ1)/P0(λ1)],I20=-10log10[P2(λ1)/P0(λ1)]Commonl1l2A、分類熔錐型(粗WDM)多層干涉濾光膜型(細(xì)WDM→DWDM)棱鏡分光型(粗WDM)光柵型---體光柵、光纖光柵(粗WDM，細(xì)WDM)陣列波導(dǎo)光柵(細(xì)WDM→DWDM)B、原理直通臂(P1)耦合臂(P2)P0

熔錐型波分復(fù)用器P1=Pincos2[K(λ)z]P2=Pinsin2[K(λ)z]其中z是耦合區(qū)的長度，K(λ)為耦合系數(shù)，當(dāng)K(λ)z=π/2，

P1=0，P2=Pin棱鏡分光型波分復(fù)用器Multiplexers(MUX)/Demultiplexers(DEMUX)DWDM的關(guān)鍵器件技術(shù)分類：串聯(lián)介質(zhì)濾光器CascadedFBGsPhasedarrays(seelater)低串?dāng)_，有利于解復(fù)用干涉濾光片型波分復(fù)用器1—161—15161—1415輸入光纖14320(監(jiān)管信道)干涉濾光膜光柵型波分復(fù)用器---體光柵主最大強(qiáng)度的方向由下式給出：dsinθ=mλΔθ/Δλ=m/dcosθ其中d為光柵周期，θ為衍射角，m=0，±1，±2，等等，Δθ

為角分離，Δλ

為波長間隔。輸入光14321.體光柵型布拉格光柵1—161—151616161—15、161—15、16FBG環(huán)形器光纖光柵型波分復(fù)用器其反射波長成為布拉格波長（λB）由下面的布拉格條件確定：2Λneff=λB其中Λ為光柵周期，neff為有效纖芯折射率。ArrayWaveguide

Grating(AWG)l1al3al2al4al1bl3bl2bl4bl1cl3cl2cl4cl1dl3dl2dl4dl1al3cl2dl4bl1bl3dl2al4cl1cl3al2bl4dl1dl3bl2cl4a行....轉(zhuǎn)化為....列自由空間扇型波導(dǎo)扇型波導(dǎo)波導(dǎo)光柵NTT：256波，間隔0.2nm，3dB帶寬0.12nm，插入損耗4.4-6.4dB，串?dāng)_-33dB，偏振相關(guān)波長差<0.03nm，需要溫控。5.光隔離器—Isolators主要應(yīng)用:單向傳輸，阻擋背向光，保護(hù)激光器、光纖放大器插入損耗:前進(jìn)方向，低插入損耗(0.2to2dB)高隔離度:

背向損耗，20到40dB單級(jí),40到80dB雙級(jí))Returnloss:

--帶連接器的回波損耗60dB設(shè)計(jì)隔離器中的問題：

--偏振敏感、波長依賴、法拉第旋光器的溫度依賴。Faraday效應(yīng)：在外磁場(chǎng)作用下，使通過它的偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。具有這種效應(yīng)的材料叫磁光材料。磁光材料引起的光偏振面旋轉(zhuǎn)方向取決于外加磁場(chǎng)，與光的傳播方向無關(guān)（非互易）。這種效應(yīng)與材料的固有旋光效應(yīng)不同，在固有旋光效應(yīng)材料中，旋轉(zhuǎn)方向取決于光的傳播方向，與外加磁場(chǎng)無關(guān)(互易)。光隔離器原理光隔離器原理示意圖

外加磁場(chǎng)反射光出射光45°外加磁場(chǎng)入射光出射光45°Faraday旋磁材料外加磁場(chǎng)外加磁場(chǎng)固有磁光材料45°45°磁光材料的光偏轉(zhuǎn)角：L(m)—光和磁場(chǎng)相互作用區(qū)的長度（毫米）H(A/m=T)—沿光傳播方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度（奧斯忒）ρ(rad/

(A/m)/m)—材料的維爾德常數(shù)（度/奧斯忒·毫米）Φ=ρHL偏振無關(guān)光隔離器的工藝結(jié)構(gòu)RR(450)FR(450)RR(450)FR(450)oeeeoooePBS6.光環(huán)行器--Circulators光纖環(huán)形器是一種非可逆裝置，如下圖所示，技術(shù)類似于光隔離器插入損耗0.3到1.5dB,隔離度20到40dB，帶寬±20nm典型結(jié)構(gòu):3端口器件Fast

lSlow

l光環(huán)行器的原理eRR(450)FR(450)eeooRR(450)FR(450)ooe端口1端口1端口2端口2端口3反射鏡偏振合波器光環(huán)形器+CFBG的色散補(bǔ)償原理ChirpedperiodicrefractiveIndexvariationl3l2l1Incidentl1l3tDispersedsignal(normaldispersion)ReflectedtReshapedsignall1l2l3Dispersivefiber

Dispersedpulse

Circulator

R

BINOUT

lblue

lred

DCMmodule7.光濾波器光濾波器是允許特定波長范圍通過的器件。分為：固定、可調(diào)光濾波器1）固定光濾波器：熔錐、馬赫-陳德爾干涉儀、法步里-珀羅濾波器、衍射光柵、薄膜干涉濾波器、光纖光柵等。1）可調(diào)光濾波器：熔錐、法步里-珀羅濾波器、衍射光柵、馬赫-陳德爾濾波器、聲光可調(diào)濾波器、光電可調(diào)濾波器等等。FilterCharacteristicsli-1lili+1PassbandCrosstalkCrosstalk帶通--Passband插入損耗紋波（Ripple）波長

(peak,center,edges)帶寬（Bandwidths）

(0.5dB,3dB,..)Polarizationdependence帶阻--Stopband串?dāng)_帶寬

(20dB,40dB,..)固定濾波器介質(zhì)濾波器--DielectricFilters（薄膜干涉濾波器）利用多層膜干涉效應(yīng)。若每層厚度是λ/4，那么當(dāng)入射角θ=0時(shí)，波長為λ的光通過每層后相移π,見下圖，反射波與入射波相位相反，相消干涉，波長λ/4λ/4θθ薄膜干涉為λ的光將不被反射。這就是濾波。若采用每層厚度是λ/2，那么反射將為相長干涉。介質(zhì)濾波器--DielectricFilters特點(diǎn)：具有交替不同折射率介質(zhì)的薄膜層多光束干涉導(dǎo)致相干迭加和相消濾波器種類和帶寬(0.1to10nm)插入損耗（Insertionloss）0.2to2dB,隔離度30to50dBLayersSubstrateIncomingSpectrumReflectedSpectrumTransmittedSpectrum1535nm1555nm0dB30dB光纖光柵

Fiber