CH3-2 通信用光器件 (2)課件

第三章通信用光器件第二講內(nèi)容提要分布反饋式激光器（DFB）光電二極管主要內(nèi)容回顧1.分布反饋式激光器（DFB）產(chǎn)生的背景工作原理工作原理普通的F-P諧振腔兩端的反射鏡對(duì)激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋，而DFB激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的周期性（波紋狀）衍射光柵實(shí)現(xiàn)光的反饋。因此，把這種利用衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿整個(gè)有源層的分布進(jìn)行反饋的結(jié)構(gòu)，稱為分布反饋式結(jié)構(gòu)。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)。如果a和b能夠匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長(zhǎng)的光相互抵消。雖然，每個(gè)波紋反射的光不大，但是整個(gè)光柵有成百上千個(gè)波紋，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。ne為材料有效折射率，λB為布喇格波長(zhǎng)，m為衍射級(jí)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(zhǎng)為(3.11)(3.10)DFB激光器的優(yōu)點(diǎn)譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好由于DFB激光器的每一個(gè)光柵周期相當(dāng)于一個(gè)FP腔，所以光柵形成的布拉格反射可以看作多級(jí)調(diào)諧，使得諧振波長(zhǎng)的選擇性大大提高，譜線明顯變窄。此外，由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，使得波長(zhǎng)穩(wěn)定性極好。DFB激光器的優(yōu)點(diǎn)動(dòng)態(tài)譜線好由于DFB激光器能夠在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性，因此，高速調(diào)制時(shí)的動(dòng)態(tài)譜線特性比FP激光器能夠改善一個(gè)數(shù)量級(jí)。DFB激光器的優(yōu)點(diǎn)線性好DFB的線性非常好，廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)。2.1光電二極管的工作原理光電二極管（PD）的功能：光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電（流）信號(hào)。光電二極管的工作的物理基礎(chǔ)：光的吸收（光電效應(yīng)）光（生）電流=漂移電流+擴(kuò)散電流入射光照射到光電二極管上時(shí)，不僅PN結(jié)會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，而且P區(qū)或者N區(qū)也會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。光電二極管工作于反向偏置狀態(tài)。漂移電流的產(chǎn)生當(dāng)入射光作用在PN結(jié)上，如果光子的能量大于或者等于帶隙能量時(shí)，便發(fā)生光的吸收，價(jià)帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶，形成光生電子空穴對(duì)。在耗盡層，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。光電二極管工作于反向偏置狀態(tài)目的：提高響應(yīng)速度！光電二極管通常工作于反向偏置狀態(tài)。其目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散電流。由于載流子的擴(kuò)散速度比漂移速度慢得多，所以，減小擴(kuò)散電流，可以顯著提高光電二極管的響應(yīng)速度。但是，如果反向偏置電壓升高，會(huì)導(dǎo)致耗盡層增寬，增加了漂移運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，進(jìn)而使得響應(yīng)速度減慢。為了解決這個(gè)矛盾，必須改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)，于是就出現(xiàn)了PIN光電二極管。2.2PIN光電二極管由于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。圖3.21PIN光電二極管結(jié)構(gòu)PIN光電二極管的工作特性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(duì)和入射光子數(shù)的比值：式中，hf為光子能量，e為電子電荷。(3.13)(3.14)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PIN光電二極管的工作特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間τ或截止頻率fc(帶寬B)表示。主要由載流子在耗盡層的渡越時(shí)間和檢測(cè)電路的時(shí)間常數(shù)決定。均方散粒噪聲電流e為電子電荷，B為放大器帶寬，Ip和Id分別為信號(hào)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(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生，是不可克服的。它決定了光接收機(jī)的極限靈敏度。)2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。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(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。(3.23)〈i2T〉=〈i2〉=2e(IP+Id)B+(3.24)因此，光電二極管的總均方噪聲電流為2.3雪崩光電二極管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。圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系

圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）APD光電二極管的典型結(jié)構(gòu)2.4光無源器件一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，除了光纖、光源和光檢測(cè)器之外，還需要許多其他光學(xué)器件，特別是無源器件。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(zhǎng)、體積小、價(jià)格便宜、便于集成等。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。接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性（固定）連接。其主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。連接器

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(hào)或材料項(xiàng)目(1)FC型光纖連接器

這種連接器最早是由日本NTT研制。FC是FerruleConnector的縮寫，表明其外部加強(qiáng)方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。最早，F(xiàn)C類型的連接器，采用的陶瓷插針的對(duì)接端面是平面接觸方式(FC)。此類連接器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，制作容易，但光纖端面對(duì)微塵較為敏感，且容易產(chǎn)生菲涅爾反射，提高回波損耗性能較為困難。后來，對(duì)該類型連接器做了改進(jìn)，采用對(duì)接端面呈球面的插針(PC)，而外部結(jié)構(gòu)沒有改變，使得插入損耗和回波損耗性能有了較大幅度的提高。

(2)ST(朗迅公司的一個(gè)品牌)光纖連接器廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，可能是最常見的光纜用光纖連接器。該連接器使用了尖刀型接口，類似于常見的尖刀-核耦合(BNC)型接口，但連接器的直徑大約比BNC型的直徑(0.38英寸)小三分之一。ST光纖連接器在物理構(gòu)造上的特點(diǎn)可以保證兩條連接的光纖更準(zhǔn)確地對(duì)齊，而且可以防止光纖在配合時(shí)旋轉(zhuǎn)。(3)LC型連接器LC型連接器是著名Bell研究所研究開發(fā)出來的，采用操作方便的模塊化插孔(RJ)閂鎖機(jī)理制成。其所采用的插針和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，為1.25mm。這樣可以提高光配線架中光纖連接器的密度。目前，在單模SFF方面，LC類型的連接器實(shí)際已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，在多模方面的應(yīng)用也增長(zhǎng)迅速。

光耦合器耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)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)波分光耦合器的基本結(jié)構(gòu)分類光纖型微器件型波導(dǎo)型光纖型光耦合器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光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個(gè)2×2耦合器組成的8×8星形耦合器耦合長(zhǎng)度耦合長(zhǎng)度光功率光功率耦合臂ababab圖3.30光纖型波分復(fù)用解復(fù)用器工作原理微器件型光耦合器用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，部分反射)、濾光片(一個(gè)波長(zhǎng)的光透射，另一個(gè)波長(zhǎng)的光反射)或光柵(不同波長(zhǎng)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。

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