通信用光器件

第3章 通信用光器件

1本章內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)本章內(nèi)容光源：半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管。光電檢測(cè)器：PIN和APD光電二極管。無源光器件：光連接器、光衰減器、光耦合器和光開關(guān)等。本章重點(diǎn)激光器的工作原理。光源和光電檢測(cè)器工作原理及其工作特性。無源光器件的功能及主要性能。本章難點(diǎn)發(fā)光機(jī)理。第3章通信用光器件2學(xué)習(xí)本章目的和要求了解半導(dǎo)體激光器的物理基礎(chǔ)。掌握半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管工作原理及其工作特性。熟悉光源的驅(qū)動(dòng)電路工作原理。掌握光電檢測(cè)器的工作原理及特性。掌握無源光器件的功能及主要性能。第3章通信用光器件33.1光源光源器件：光纖通信設(shè)備的核心，其作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)送入光纖。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。半導(dǎo)體激光器（LD）：適用于長(zhǎng)距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。發(fā)光二極管（LED）：適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、可靠性好。43.1.1

激光器的工作原理

半導(dǎo)體激光器：是向半導(dǎo)體P-N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)生激光振蕩輸出激光。

1．激光器的物理基礎(chǔ)（1）光子的概念光量子學(xué)說認(rèn)為，光是由能量為hf

的光量子組成的，其中h=6.628×10?34

J·s（焦耳·秒），稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。

當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。5（2）半導(dǎo)體的特性自然界中的物質(zhì)，依其導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，通常可分為3大類：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。電阻率低于10-4Ω·cm的物質(zhì)為導(dǎo)體，如銅、鋁等。導(dǎo)體原子的最外層電子數(shù)目少，很容易擺脫原子核束縛而形成自由電子，在外電場(chǎng)作用下，這些自由電子將逆著電場(chǎng)方向作定向運(yùn)動(dòng)形成較大的電流，因此導(dǎo)體的導(dǎo)電能力強(qiáng)。定義：半導(dǎo)體是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體（conductor）和絕緣體（insulator）之間的一種物質(zhì)。

3.1.1

激光器的工作原理63.1.1激光器的工作原理半導(dǎo)體材料：元素半導(dǎo)體：硅（Si）、鍺（Ge）化合物砷化鎵（GaAs）目前最常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺。半導(dǎo)體重要特性：熱敏特性;光敏特性;摻雜特性。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體材料。本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)及共價(jià)鍵。共價(jià)鍵內(nèi)的兩個(gè)電子由相鄰的原子各用一個(gè)價(jià)電子組成，稱為束縛電子。圖3.1所示為硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。7+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅單晶的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5273.1.1激光器的工作原理圖3.1硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

8溫度越高，半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的自由電子便越多。束縛電子脫離共價(jià)鍵成為自由電子后，在原來的位置留有一個(gè)空位，稱此空位為空穴。

當(dāng)溫度上升或受光照時(shí)，價(jià)電子以熱運(yùn)動(dòng)的形式不斷從外界獲得一定的能量，少數(shù)價(jià)電子因獲得的能量較大，而掙脫共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)在原來的共價(jià)鍵的相應(yīng)位置上留下一個(gè)空位，叫“空穴”，如圖3.3的A處為空穴，B處為自由電子，顯然，自由電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，所以稱它們?yōu)殡娮印昭▽?duì)。把在光或熱的作用下，本征半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子—空穴對(duì)的現(xiàn)象，叫本征激發(fā)。3.1.1激光器的工作原理9

圖3.2本征激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)3.1.1激光器的工作原理10那么當(dāng)共價(jià)鍵中由于失去一個(gè)價(jià)電子而出現(xiàn)一個(gè)空穴時(shí)，如圖3.3中A處，與其相鄰的價(jià)電子很容易離開它所在的共價(jià)鍵填補(bǔ)到這個(gè)空穴中來，使該價(jià)電子原來所處的共價(jià)鍵中出現(xiàn)一個(gè)空穴，如圖1.3中C處，這樣空穴便從A處移至C處。3.1.1激光器的工作原理11圖1.3本征激發(fā)產(chǎn)生現(xiàn)象

圖3.3本征激發(fā)產(chǎn)生現(xiàn)象3.1.1激光器的工作原理12本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，數(shù)目相同。圖3.2所示為本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，半導(dǎo)體中存在兩種載流子，一種是帶負(fù)電的自由電子，另一種是帶正電的空穴，它們都可以運(yùn)載電荷形成電流。本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴相伴產(chǎn)生，數(shù)目相同。3.1.1激光器的工作原理13雜質(zhì)半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體:摻入微量的五價(jià)元素（雜質(zhì)）如磷（P）、砷（As）等，則構(gòu)成N型半導(dǎo)體。形成一個(gè)自由電子和不能移動(dòng)的正離子。N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子（多子），空穴為少數(shù)載流子（少子）。N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電。

P型半導(dǎo)體:摻入微量三價(jià)元素（雜質(zhì)）如硼（B）、銦（In）等，則構(gòu)成P型半導(dǎo)體。形成一個(gè)空穴和不能移動(dòng)的負(fù)離子。P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子（多子），自由電子為少數(shù)載流子（少子）。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電。3.1.1激光器的工作原理143.1.1激光器的工作原理圖3.4N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

15圖3.5P型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

3.1.1

激光器的工作原理16

PN結(jié)的形成多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，如圖3.6所示。圖3.6P型和N型半導(dǎo)體交界處載流子的擴(kuò)散

3.1.1激光器的工作原理17由于空穴和自由電子均是帶電的粒子，所以擴(kuò)散的結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)原來的電中性被破壞，在交界面的兩側(cè)形成一個(gè)不能移動(dòng)的帶異性電荷的離子層，稱此離子層為空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結(jié)，如圖3.7所示。在空間電荷區(qū)，多數(shù)載流子已經(jīng)擴(kuò)散到對(duì)方并復(fù)合掉了，或者說消耗盡了，因此又稱空間電荷區(qū)為耗盡層。3.1.1

激光器的工作原理18圖3.7PN結(jié)的形成

3.1.1

激光器的工作原理19

空間電荷區(qū)出現(xiàn)后，因?yàn)檎?fù)電荷的作用，將產(chǎn)生一個(gè)從N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)的方向，會(huì)對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用。同時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)則可推動(dòng)少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴）越過空間電荷區(qū)，進(jìn)入對(duì)方。少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。無外加電場(chǎng)時(shí)，通過PN結(jié)的擴(kuò)散電流等于漂移電流，PN結(jié)中無電流流過，PN結(jié)的寬度保持一定而處于穩(wěn)定狀態(tài)。3.1.1

激光器的工作原理20如果在PN結(jié)兩端加上不同極性的電壓，PN結(jié)會(huì)呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能。PN結(jié)外加正向電壓，PN結(jié)P端接高電位，N端接低電位，稱PN結(jié)外加正向電壓，又稱PN結(jié)正向偏置，簡(jiǎn)稱為正偏，如圖3.8所示。圖3.8PN結(jié)外加正向電壓

3.1.1

激光器的工作原理21PN結(jié)外加反向電壓，PN結(jié)P端接低電位，N端接高電位，稱PN結(jié)外加反向電壓，又稱PN結(jié)反向偏置，簡(jiǎn)稱為反偏，如圖3.9所示。圖3.9PN結(jié)外加反向電壓

3.1.1

激光器的工作原理223.1.1

激光器的工作原理

（3）原子能級(jí)物質(zhì)是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。原子有不同穩(wěn)定狀態(tài)的能級(jí)。圖3.10

鍺原子的結(jié)構(gòu)模型233.1.1

激光器的工作原理最低的能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級(jí)Ei（i=2，3，4，…）都稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子從較高能級(jí)E2躍遷至較低能級(jí)E1時(shí)，其能級(jí)間的能量差為?E=E2?E1，并以光子的形式釋放出來，這個(gè)能量差與輻射光的頻率f12之間有以下關(guān)系式式中，h為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。當(dāng)處于低能級(jí)E1的電子受到一個(gè)光子能量?E=hf12的光照射時(shí)，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級(jí)E2上去。光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測(cè)元件就是利用這兩種現(xiàn)象。（3-1）24（4）半導(dǎo)體的能帶在大量原子相互靠近形成半導(dǎo)體晶體時(shí)，由于半導(dǎo)體晶體內(nèi)部電子的共有化運(yùn)動(dòng)，使孤立原子中離散能級(jí)變成能帶。在圖3.11中，半導(dǎo)體內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)的電子(簡(jiǎn)稱自由電子)所填充的能帶稱為導(dǎo)帶；價(jià)電子所填充的能帶稱為價(jià)帶；導(dǎo)帶和價(jià)帶之間不允許電子填充，所以稱為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)。3.1.1激光器的工作原理能級(jí)、導(dǎo)帶，價(jià)帶，禁帶示意圖：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=52825圖圖3.11

半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)3.1.1激光器的工作原理263.1.1

激光器的工作原理

（5）光與物質(zhì)的三種作用形式光與物質(zhì)的相互作用，可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，將發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種物理過程。如圖3-10所示。圖3-12能級(jí)和電子躍遷273.1.1

激光器的工作原理

①在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級(jí)（即基態(tài)）E1，在入射光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級(jí)（即激發(fā)態(tài)）E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收——光電檢測(cè)器。/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=524

②處于高能級(jí)E2

上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)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——發(fā)光二極管。/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=530

28③在高能級(jí)E2上的電子，受到外界作用時(shí)（電壓、電流、光子），使電子被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)與激光發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子（稱為全同光子）。由于這個(gè)過程是在外來（電壓、電流、光子)的激發(fā)下產(chǎn)生的，所以這種躍遷稱為受激輻射——激光器。/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=526

注：受激輻射光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。3.1.1

激光器的工作原理293.1.1

激光器的工作原理

（5）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。如設(shè)低能級(jí)上的粒子密度為N1，高能級(jí)上的粒子密度為N2，在正常狀態(tài)下，N1

＞N2，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光的放大作用。要想物質(zhì)產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即使N2

＞N1

（高能級(jí)上的電子數(shù)多于低能級(jí)上的電子數(shù)），這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大而發(fā)光的首要條件。303.1.1激光器的工作原理

2．激光器的工作原理激光器包括以下3個(gè)部分：

必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）；

必須有能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵(lì)源（泵浦源）；

必須有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。（1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。313.1.1激光器的工作原理

（2）泵浦源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。（3）光學(xué)諧振腔激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。激活物質(zhì)和光學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。

323.1.1激光器的工作原理圖3-13光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)

①光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置，放置兩個(gè)反射系數(shù)分別為r1和r2的平行反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔。如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔，如圖3-13所示。對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，另一個(gè)為部分反射。333.1.1激光器的工作原理

②諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程如圖3-14所示，當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即可產(chǎn)生自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射的方向不與光學(xué)諧振腔軸線平行，就被反射出諧振腔。只有與諧振腔軸線平行的自發(fā)輻射才能存在，繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)它遇到一個(gè)高能級(jí)上的粒子時(shí)，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷，在從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)中放出一個(gè)全同的光子，為受激輻射。當(dāng)受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回反射一次，相位的改變量正好是2π的整數(shù)倍時(shí)，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強(qiáng)，產(chǎn)生諧振。達(dá)到一定強(qiáng)度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成一束筆直的激光。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量時(shí)，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。343.1.1激光器的工作原理圖3-14激光器示意圖激光器模型:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=529353.1.1激光器的工作原理

③光學(xué)諧振腔的諧振條件與諧振頻率設(shè)諧振腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則諧振腔的諧振條件為

（3-2）或 （3-3）式中，c為光在真空中的速度，λ為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的折射率，L為光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)，q=1，2，3…稱為縱模模數(shù)。諧振腔只對(duì)滿足式（3-2）的光波波長(zhǎng)或式（3-3）的光波頻率提供正反饋，使之在腔中互相加強(qiáng)產(chǎn)生諧振形成激光。363.1.1激光器的工作原理

④起振的閾值條件激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件。如以Gth表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是

（3-4）

α為光學(xué)諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)，r1，r2為光學(xué)諧振腔兩個(gè)反射鏡的反射系數(shù)。373.1.2

半導(dǎo)體激光器

用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器（LD），對(duì)LD的要求如下。

①光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)符合目前光纖的三個(gè)低損耗窗口（即0.85μm、1.31μm和1.55μm）。

②能夠在室溫下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。目前LD的尾纖輸出功率可達(dá)500μW～2mW；LED的尾纖輸出功率可達(dá)10μW左右。

③與光纖耦合效率高。

④光源的譜線寬度要窄。較好的LD的譜線寬度可達(dá)到0.1nm。

⑤壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定。383.1.2

半導(dǎo)體激光器

1．半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理有兩種方式構(gòu)成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型（DFB）激光器。F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如圖3-15所示。圖3-15

半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖393.1.2半導(dǎo)體激光器

（1）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。其核心部分是一個(gè)P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。缺點(diǎn)是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實(shí)用。（2）異質(zhì)半導(dǎo)體激光器異質(zhì)半導(dǎo)體激光器包括單異質(zhì)和雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器兩種。異質(zhì)半導(dǎo)體激光器的“結(jié)”是由不同的半導(dǎo)體材料制成的，目的是降低閾值電流，提高效率。特點(diǎn)是對(duì)電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強(qiáng)度。目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖3-16所示的銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。403.1.2

半導(dǎo)體激光器圖3-16InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu)

n—InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層n—InP是襯底，頂層P+—InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=515413.1.2半導(dǎo)體激光器（3）工作原理用半導(dǎo)體材料做成的激光器，當(dāng)激光器的P-N結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時(shí)，將使得P-N結(jié)的結(jié)區(qū)出現(xiàn)了高能級(jí)粒子多、低能級(jí)粒子少的分布狀態(tài)，這即是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這種狀態(tài)將出現(xiàn)受激輻射大于受激吸收的情況，可產(chǎn)生光的放大作用。被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的F-P光學(xué)諧振腔（諧振腔的兩個(gè)反射鏡是由半導(dǎo)體材料的天然解理面形成的）中來回反射，不斷增強(qiáng)，當(dāng)滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的機(jī)理：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=518423.1.2半導(dǎo)體激光器

2．半導(dǎo)體激光器的工作特性（1）發(fā)射波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放出的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式（3-1）得

hf=Eg

（3-5）式中f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，c=3×108m/s，

h=6.628×10?34J·s，leV=1.60×10?19J為電子伏特，代入式（3-5）得

(μm) （3-6）由于能隙與半導(dǎo)體材料的成分及其含量有關(guān)，因此根據(jù)這個(gè)原理可以制成不同發(fā)射波長(zhǎng)的激光器。433.1.2半導(dǎo)體激光器

（2）閾值特性對(duì)于LD，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，輸出光功率急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流稱為閾值電流，用Ith

表示。如圖3-17所示。閾值電流越小越好。圖3-17

典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線

/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=514443.1.2半導(dǎo)體激光器

（3）光譜特性

LD的光譜隨著激勵(lì)電流的變化而變化。當(dāng)I＜Ith時(shí)，發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如圖3-18（a）所示。當(dāng)I＞Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖3-18（b）所示。圖3-18GaAlAs-GaAs激光器的光譜453.1.2半導(dǎo)體激光器

隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，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。普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模譜線，所對(duì)應(yīng)的光譜只有一根譜線，如圖3-19（a）所示。而在高碼速調(diào)制情況下，其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。如圖3-19（b）所示。一般，用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）。LD-F-P與LD-DFB比較:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=513463.1.2

半導(dǎo)體激光器圖3-19GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜473.1.2半導(dǎo)體激光器

（4）轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器的電光功率轉(zhuǎn)換效率常用微分量子效率ηd表示，其定義為激光器達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，其表達(dá)式為

（3-7）由此得（3-8）

式中，P為激光器的輸出光功率；I為激光器的輸出驅(qū)動(dòng)電流，Pth為激光器的閾值功率；Ith為激光器的閾值電流；hf

為光子能量；e為電子電荷?！?83.1.2

半導(dǎo)體激光器（5）溫度特性激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大，其變化情況如圖3-20所示。圖3-20激光器閾值電流隨溫度變化的曲線493.1.2半導(dǎo)體激光器

3．分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）

DFB-LD是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的單縱模激光器（稱為動(dòng)態(tài)單縱模激光器），即在高速調(diào)制下仍然能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的，如圖3-21所示。圖3-21DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖50分布反饋式激光器光柵結(jié)構(gòu)：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=521分布反饋式激光器：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5193.1.2半導(dǎo)體激光器513.1.2半導(dǎo)體激光器

4．量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱半導(dǎo)體激光器與一般雙異質(zhì)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很?。◣资＃?，如圖3-22所示。當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時(shí)，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。圖3-22量子阱半導(dǎo)體激光器523.1.3發(fā)光二極管

1．LED的工作原理發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。533.1.3發(fā)光二極管

2．LED的結(jié)構(gòu)

LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒有解理面，即沒有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。

LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-23所示。圖3-23

常用的兩類發(fā)光二極管（LED）54發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu):/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5233.1.3發(fā)光二極管553.1.3發(fā)光二極管

3．LED的工作特性（1）光譜特性

LED譜線寬度?λ比激光器寬得多。圖3-24是InGaAsPLED的輸出光譜。

圖3-24InGaAsPLED的發(fā)光光譜

563.1.3發(fā)光二極管

（2）輸出光功率特性兩種類型的LED輸出光功率特性如圖3-25所示。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)，P?I曲線的線性較好；當(dāng)I過大時(shí)，由于P-N結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P?I曲線的斜率減小。圖3-25

發(fā)光二極管（LED）的P?I特性/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=516573.1.3發(fā)光二極管

（3）溫度特性由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。（4）耦合效率由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。（5）調(diào)制特性

調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型LED截止頻率為20MHz～30MHz，邊發(fā)光型LED截止頻率為100MHz～150MHz。

比較：

LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。583.1.4半導(dǎo)體光源的應(yīng)用

LED通常和多模光纖耦合，用于1.31μm或0.85μm波長(zhǎng)的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。

LD通常和單模光纖耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)。分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于1.55μm超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。593.2

光電檢測(cè)器

光電檢測(cè)器完成光/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是：①在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；②具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；③具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響；④具有良好的線性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的不失真；⑤具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等。目前常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種，PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。603.2.1

光電檢測(cè)器的工作原理能級(jí)、導(dǎo)帶，價(jià)帶，禁帶示意圖：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=528光電檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。光電效應(yīng)如圖3-26（a）和（b）所示。當(dāng)入射光子能量hf

小于禁帶寬度Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足以下條件

hf

≥Eg

（3-9）

即光頻fc＜的入射光是不能產(chǎn)生光電效應(yīng)的，將fc

轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)，則λc=。即只有波長(zhǎng)λ＜λc

的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故λc

為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，又稱為截至波長(zhǎng)，相應(yīng)的fc

稱為截至頻率。613.2.1

光電檢測(cè)器的工作原理圖3-26半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)n-p能帶圖：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=517623.2.2PIN光電二極管

PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，加一層輕摻雜的N型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個(gè)很寬的耗盡層，如圖3-27（a）所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-27（b）所示。圖3-27PIN光電二極管63PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=584PIN光電二極管的電光轉(zhuǎn)換原理:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5833.2.2PIN光電二極管643.2.3

雪崩光電二極管

雪崩光電二極管，又稱APD（AvalanchePhotoDiode）。它不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。1．APD的結(jié)構(gòu)目前APD結(jié)構(gòu)型式，有保護(hù)環(huán)型和拉通（又稱通達(dá)）型。保護(hù)環(huán)型在制作時(shí)淀積一層環(huán)形N型材料，以防止在高反壓時(shí)使P-N結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。拉通型雪崩光電二極管（RAPD）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場(chǎng)分布如圖3-25所示。圖3-17（a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-28（b）所示的是將縱向剖面順時(shí)針轉(zhuǎn)90°的示意圖。圖3-28（c）所示的是它的電場(chǎng)強(qiáng)度隨位置變化的分布圖。

APD隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長(zhǎng)區(qū)）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)）等。

653.2.3

雪崩光電二極管圖3-28RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖APD結(jié)構(gòu)：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=582APD場(chǎng)分布/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=581663.2.3

雪崩光電二極管2．APD的雪崩效應(yīng)

APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)；在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，獲得高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到了能量；越過禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子—空穴對(duì)；新產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子—空穴對(duì)……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。

APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測(cè)器。雪崩倍增效應(yīng)示意圖：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=588673.2.4光電檢測(cè)器的特性

PIN管特性包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)時(shí)間和暗電流。

APD管除有上述特性外，還有雪崩倍增特性、溫度特性等。

1．PIN光電二極管的特性（1）響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。①響應(yīng)度響應(yīng)度定義（A/W） （3-10）

其中，Ip為光電檢測(cè)器的平均輸出電流，Pin為入射到光電二極管上的平均光功率。

683.2.4光電檢測(cè)器的特性

②量子效率量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即

（3-11）其中，e為電子電荷，，hf

為一個(gè)光子的能量，（3-12）式中m/s為光速，·s為普朗克常數(shù)。也就是說，光電二極管的響應(yīng)度和量子效率與入射光頻率（波長(zhǎng)）有關(guān)。圖3-29為硅APD雪崩管的量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系?！ぁ?/p>

693.2.4光電檢測(cè)器的特性圖3-29為硅APD雪崩管的量子效率與波長(zhǎng)的關(guān)系。703.2.4光電檢測(cè)器的特性

（2）響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)速度是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來表示。顯然響應(yīng)時(shí)間越短越好。（3）暗電流在理想條件下，當(dāng)沒有光照時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無光電流輸出。但是實(shí)際上由于熱激勵(lì)等，在無光情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。嚴(yán)格地說，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。暗電流會(huì)引起接收機(jī)噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。713.2.4光電檢測(cè)器的特性

2．APD的特性

APD除了PIN的特性之外還包括雪崩倍增特性、溫度特性等。（1）倍增因子倍增因子g實(shí)際上是電流增益系數(shù)。在忽略暗電流影響的條件下，它定義為

g=I0/Ip

（3-13）

I0為有雪崩倍增時(shí)光電流平均值，Ip為無倍增效應(yīng)時(shí)光電流平均值。PIN管由于無雪崩倍增作用，所以g=1。（2）溫度特性隨著溫度的升高，倍增增益將下降。（3）噪聲特性

PIN管的噪聲，主要為量子噪聲和暗電流噪聲，APD管還有倍增噪聲。723.3無源光器件

無源光器件是除光源器件、光檢波器件之外不需要電源的光通路部件。無源光器件可分為連接用的部件和功能性部件兩大類。

連接用的部件有各種光連接器，用做光纖和光纖、部件（設(shè)備）和光纖、或部件（設(shè)備）和部件（設(shè)備）的連接。

功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰減器、光開關(guān)和光隔離器等，用于光的分路、耦合、復(fù)用、衰減等方面。733.3.1光纖連接器

光纖連接器，俗稱活接頭，ITU-T建議將其定義為“用以穩(wěn)定地，但并不是永久地連接兩根或多根光纖的無源組件”。光纖連接器主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與儀表、設(shè)備與光纖及光纖與光纖的非永久性固定連接等。（1）光纖連接器的基本構(gòu)成由三個(gè)部分組成的：兩個(gè)配合插頭和一個(gè)耦合管。兩個(gè)插頭裝進(jìn)兩根光纖尾端；耦合管起對(duì)準(zhǔn)套管的作用。如圖3-30所示。圖3-30光纖活動(dòng)連接器基本結(jié)構(gòu)743.3.1光纖連接器（2）光纖連接器的分類光纖連接器按光纖數(shù)量、光耦合系統(tǒng)、機(jī)械耦合系統(tǒng)、套管結(jié)構(gòu)和緊固方式進(jìn)行分類，如表3-1所示。

表3-1 光纖連接器的分類單通道對(duì)接套筒/V型槽直套管螺絲多通道透鏡錐型錐型套管銷釘單/多通道其他其他其他彈簧銷753.3.1光纖連接器

（3）光纖連接器的性能

①插入損耗（介入損耗），該值越小越好。平均損耗值應(yīng)不大于0.5dB。

②回波損耗（或稱反射損耗、回?fù)p、回程損耗），是衡量從連接器反射回來并沿輸入通道返回的輸入功率分量的一個(gè)度量值，該值越大越好。其典型值應(yīng)不小于25dB。

③互換性，每次互換后，其連接損耗變化量越小越好。

④重復(fù)性，即每次插拔時(shí)連接損耗變化量要小。

⑤插拔壽命（最大可插拔次數(shù)），光纖連接器的插拔壽命一般由元件的機(jī)械磨損情況決定。763.3.1光纖連接器（4）部分常見光纖連接器①FC型。其接頭的對(duì)接方式為平面對(duì)接。②PC型。是FC型的改進(jìn)型。其對(duì)接面由平面變?yōu)楣靶屯姑?。是我?guó)最通用的規(guī)格。③SC型。其結(jié)構(gòu)尺寸與FC型相同，端面處理采用拱型凸面或PC研磨方式。

④DIN47256型。由德國(guó)開發(fā)。

⑤雙錐型連接器。由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研制。（5）固定連接光纖與光纖的連接有兩種，活動(dòng)連接和永久性連接。以上介紹了活動(dòng)連接。永久性連接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。773.3.2光衰減器

光衰減器是用來穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地減小信號(hào)光功率的無源光器件。光衰減器主要用于調(diào)整中繼段的線路衰減，測(cè)量光系統(tǒng)的靈敏度及校正光功率計(jì)等。光衰減器分固定衰減器和可變衰減器兩種。（1）固定衰減器，其造成的功率衰減值是固定不變的，一般用于調(diào)節(jié)傳輸線路中某一區(qū)間的損耗。（2）可變衰減器，它所造成的功率衰減值可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)?？勺兯p器又分為連續(xù)可變和分擋可變兩種。783.3.3光分路耦合器

光分路耦合器是分路和耦合光信號(hào)的器件。功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出（分路），或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出（耦合）。

1．耦合器類型（1）T形耦合器（2）星形耦合器（3）定向耦合器（4）波分復(fù)用器/解復(fù)用器（也稱合波器/分波器）如圖3-28所示。波導(dǎo)型分支器:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=543793.3.3光分路耦合器圖3-31

常用耦合器的類型80定向耦合:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=538棱鏡型光分波和合波器工作原理:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=541光柵型分波和合波器工作原理/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=531干涉膜型分光器分光原理/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5393.3.3光分路耦合器813.3.3光分路耦合器

2．主要性能指標(biāo)表示光纖耦合器性能指標(biāo)的參數(shù)有：隔離度、插入損耗和分光比等。下面以2×2定向耦合器為例來說明。（1）隔離度A

如圖3-31（c）所示，由端1輸入的光功率P1應(yīng)從端2和端3輸出，端4理論上應(yīng)無光功率輸出。但實(shí)際上端4還是有少量光功率輸出（P4），其大小就表示了1、4兩個(gè)端口的隔離程度。隔離度A表示為

（3-14）一般情況下，要求。823.3.3光分路耦合器（2）插入損耗L

它表示了定向耦合器損耗的大小。插入損耗等于輸出光功率之和與輸入光功率之比的分貝值，用L表示為 （3-15）一般情況下，要求L≤

（3）分光比T

分光比等于兩個(gè)輸出端口的光功率之比，如從端1輸入光功率，則端2和端3分光比（3-16）一般情況下，定向耦合器的分光比為1︰1～1︰10。833.3.4光隔離器與光環(huán)形器

1．光隔離器光隔離器是保證光波只能正向傳輸，避免線路中由于各種因素而產(chǎn)生的反射光再次進(jìn)入激光器而影響激光器的工作穩(wěn)定性。光隔離器主要用在激光器或光放大器的后面。光隔離器:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5372．光環(huán)形器光環(huán)形器與光隔離起工作原理基本相同，只是光隔離器一般為兩端口器件，而光環(huán)形器則為多端口器件。如圖3-32所示。光環(huán)形器為雙向通信中的重要器件，它可以完成正反向傳輸光的分離任務(wù)。圖3-33所示為光環(huán)形器用于單纖雙向通信的例子。843.3.4光隔離器與光環(huán)形器

圖3-32

光環(huán)形器示意圖

(a)三端口；(b)四端口

85圖3-33光環(huán)形器用于單纖雙向通信示意圖3.3.4光隔離器與光環(huán)形器863.3.4光隔離器與光環(huán)形器

3．光隔離器的性能指標(biāo)

插入損耗和隔離度是光隔離器的兩個(gè)主要性能參數(shù)，另還有回波損耗，偏振相關(guān)損耗和偏振模色散。（1）插入損耗插入損耗是指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光隔離器而產(chǎn)生的附加損耗。如果輸入的光信號(hào)功率為Pi，經(jīng)過光隔離器后的功率為Po，則插入損耗IL為 （3-17）顯然，其值越小越好。873.3.4光隔離器與光環(huán)形器

（2）回波損耗回波損耗是指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射造成的對(duì)入射光信號(hào)的衰減。回波損耗RL為

（3-18）其中，Pi為正向輸入光隔離器的光信號(hào)功率，Pr為返回輸入端口的光功率。RL值越大越好。（3）隔離度隔離