第3章通信用光器件

1、第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 第三章通信用光器件第三章通信用光器件 引言 半導(dǎo)體光電器件的工作原理 光源 光電檢測器 光無源器件 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 引引 言言 光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī) 光接收機(jī)光接收機(jī) 電電 端端 機(jī)機(jī) （發(fā)送）（發(fā)送） 電電 端端 機(jī)機(jī) （接收）（接收） 光光 纖纖 輸入輸入 輸出輸出 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 引引 言言 光端機(jī)中實(shí)現(xiàn)電光和光電變換的主要部 件是光電器件。 光發(fā)射機(jī)的光源（半導(dǎo)

2、體激光器LD和發(fā)光 二極管LED） 光接收機(jī)的光檢測器（半導(dǎo)體光檢測器PIN 和APD） 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體導(dǎo)體、絕緣體絕緣體和和半導(dǎo)體半導(dǎo)體。 導(dǎo)體一般為低價元素，如銅、鐵、鋁等金屬，其最外層電子受原 子核的束縛力很小，因而極易掙脫原子核的束縛成為自由電子。 因此在外電場作用下，這些電子產(chǎn)生定向運(yùn)動（稱為漂移運(yùn)動） 形成電流，呈現(xiàn)出較好的導(dǎo)電特性。 高價元素（如惰性氣體）和高分子物質(zhì)（如橡膠，塑料）最外層 電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，極不易擺脫原子核的

3、束縛，所以其 導(dǎo)電能力很差，用作絕緣材料。 半導(dǎo)體材料，最外層電子既不像導(dǎo)體那樣極易掙脫原子核的束縛， 成為自由電子，也不象絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊，因此， 半導(dǎo)體的導(dǎo)電持性介于二者之間。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 純凈晶體結(jié)構(gòu)的半 導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo) 體。常用的半導(dǎo)體 材料是硅和鍺，它 們都是四價元素， 在原子結(jié)構(gòu)中最外 層軌道上有四個價 電子。 +4 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 本征半

4、導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體中的 （共價鍵） 自由電子和空穴 本征 激發(fā) 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 雜質(zhì)半導(dǎo)體之雜質(zhì)半導(dǎo)體之N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： 在本征半導(dǎo)體中，摻入5價元素，如磷、銻、砷等，則原來晶格中 的某些硅(鍺)原子被雜質(zhì)原子代替。由于雜質(zhì)原子的最外層有5個 價電子，因此它與周圍1個硅(鍺)原子組成共價鍵時，還多余一個 價電子。它不受共價鍵的束縛，而只受自身原子核的束縛，因此， 它只要得到較少的能量就能成為自由電子。 由于5價雜質(zhì)原子可提供自由電子，故稱為施主雜質(zhì)。 N型半導(dǎo)體中自由電子稱為多數(shù)載

5、流子；空穴稱為少數(shù)載流子。 這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度，主要靠電子導(dǎo) 電，所以稱為N型半導(dǎo)體。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 雜質(zhì)半導(dǎo)體之雜質(zhì)半導(dǎo)體之P型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體： 在本征半導(dǎo)體中，摻入3價元素，如硼、鎵、銦等，它將在某些位 置取代硅(鍺)，由于雜質(zhì)原子的最外層只有3個價電子，當(dāng)它和周 圍的硅(鍺)原子組成共價鍵時，由于缺少一個電子，形成一個空位。 其它共價鍵的電子，只需掙脫一個原子核的束縛，就轉(zhuǎn)至空位上， 形成空穴。因此，在較少能量下就可形成空穴。 由于3價雜質(zhì)原子可接受電子形成空

6、穴，故稱為受主雜質(zhì)。 P型半導(dǎo)體中，自由電子稱為少數(shù)載流子；空穴稱為多數(shù)載流子。 這種雜質(zhì)半導(dǎo)體中空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子濃度，主要靠空穴導(dǎo)電， 所以稱為P型半導(dǎo)體。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 PN結(jié)結(jié) 多數(shù)載流子的擴(kuò)散示意圖空間電荷區(qū)示意圖 P區(qū)P區(qū)N區(qū)N區(qū) 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 擴(kuò)散運(yùn)動：擴(kuò)散運(yùn)動： P區(qū)的空穴的濃度遠(yuǎn)大于N區(qū)空穴的濃度，所以P區(qū)的空穴會向N區(qū) 擴(kuò)散，并與那里的電子復(fù)合。同樣，N區(qū)的電子也會向

7、P區(qū)擴(kuò)散。 空間電荷區(qū)（稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)）：空間電荷區(qū)（稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)）： 隨著上述擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行，緊靠接觸面兩側(cè)留下的空間電荷量增 多，空間電荷區(qū)增寬，同時，空間電荷形成的、由N區(qū)指向P區(qū)的 內(nèi)建電場也就增大。 這個電場一方面將阻止上述擴(kuò)散的進(jìn)行，另一方面將使空間電荷 區(qū)的空穴向P區(qū)漂移，自由電子向N區(qū)漂移。 隨著內(nèi)建電場的增加，擴(kuò)散運(yùn)動減弱，漂移運(yùn)動加強(qiáng)。最后擴(kuò)散 運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體光電器件的工作原理半導(dǎo)體光電器件的工作原理 能級與能級躍遷能級與能級躍遷 本征半導(dǎo)

8、體材料的能帶結(jié)構(gòu) gvc EEEh 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體光電器件的工作原理半導(dǎo)體光電器件的工作原理 光輻射與光吸收光輻射與光吸收 光輻射與光吸收 自發(fā)輻射 受激輻射 光吸收 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 (1) 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下， 它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸 收。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴。 (2) 在高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用， 也會自動地躍遷到低能級E1上與空穴復(fù)合，

9、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。 (3) 在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到 低能級E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱 為受激輻射。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體光電器件的工作原理半導(dǎo)體光電器件的工作原理 光放大的基理：滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條 件件，即高能級的電子數(shù)大于低能級的電 子數(shù)。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體光電器件的工作原理半導(dǎo)體光電器件的工作原理 電子在能級中的分布服從費(fèi)米分布，即能級

10、被電子占據(jù)的概率為： 為費(fèi)米能級。式中 f f KT EE Ef E exp1)( 1 的概率的概率小于被空穴占據(jù)即高能級處被電子占據(jù)時 的概率的概率大于被空穴占據(jù)即低能級處被電子占據(jù)時 據(jù)的概率據(jù)的概率等于被空穴占即費(fèi)米能級處被電子占時 2/1)(,EE 2/1)(,EE 2/1)(,EE f f f Ef Ef Ef 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體光電器件的工作原理半導(dǎo)體光電器件的工作原理 半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計分布半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計分布 本征半導(dǎo)體兼并型P型半導(dǎo)體 兼并型N型半導(dǎo)體雙兼并型半導(dǎo)體 半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計分布 第第3

11、3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體光電器件的工作原理半導(dǎo)體光電器件的工作原理 PN結(jié)加上正向偏壓時（發(fā)光原理）：結(jié)加上正向偏壓時（發(fā)光原理）： 在勢壘區(qū)產(chǎn)生一個與內(nèi)建電場相反的電場，內(nèi)建電場減弱。 它削弱了漂移運(yùn)動，使擴(kuò)散運(yùn)動超過了漂移運(yùn)動，形成了流 過PN結(jié)的凈擴(kuò)散電流。 N區(qū)電子流向P區(qū)，在P區(qū)邊界形成電子積累； P區(qū)空穴流向N區(qū)，在N區(qū)邊界形成空穴積累。 形成一個雙兼并 的作用區(qū)，滿足 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 條件，這些非平 衡載流子可以通 過自發(fā)輻射或受 激輻射而發(fā)光。內(nèi)電場方向正向偏壓 有源區(qū)有源區(qū) 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件

12、 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體光電器件的工作原理半導(dǎo)體光電器件的工作原理 PN結(jié)加上反向偏壓時（光檢測原理）：結(jié)加上反向偏壓時（光檢測原理）： 反向偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場方向一致。 勢壘區(qū)電場增強(qiáng)，增強(qiáng)了漂移運(yùn)動，使結(jié)區(qū)內(nèi)的少 數(shù)載流子基本耗盡，成為耗盡區(qū)。 如果有光射入時，價帶上的電子吸收光子而產(chǎn)生 “電子空穴”對。 在電場的作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動，空穴向P區(qū)運(yùn)動 而形成電流。 電流的大小正比于入射光強(qiáng)。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 光源光源-激光器和發(fā)光二極管激光器和發(fā)光二極管 第第3 3章章 通

13、信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 對光源的基本要求對光源的基本要求 發(fā)射的光功率足夠大，穩(wěn)定度要高發(fā)射的光功率足夠大，穩(wěn)定度要高 調(diào)制方法簡單，即響應(yīng)速度要快調(diào)制方法簡單，即響應(yīng)速度要快 光源發(fā)光峰值波長與光纖低損耗窗口相匹配光源發(fā)光峰值波長與光纖低損耗窗口相匹配 光源發(fā)光譜線寬度窄，單色性好光源發(fā)光譜線寬度窄，單色性好 光源與光纖間有較高的耦合效率光源與光纖間有較高的耦合效率 光源為低功率驅(qū)動，電光轉(zhuǎn)換效率高光源為低功率驅(qū)動，電光轉(zhuǎn)換效率高 可靠性好，保證可靠性好，保證24h 運(yùn)轉(zhuǎn)，工作穩(wěn)定性好運(yùn)轉(zhuǎn)，工作穩(wěn)定性好 溫度特性好溫度特性好 光源體積小，重量輕，

14、便于安裝使用光源體積小，重量輕，便于安裝使用 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 光源的種類與特性光源的種類與特性 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 相干光(單色性好），譜寬窄，輸出功率高，輻射角?。ü馐?細(xì)），調(diào)制速率高。 形成激光振蕩的條件形成激光振蕩的條件 一是具有增益介質(zhì)，可產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布； 重?fù)诫s的PN結(jié)在正向偏壓作用下，可滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 二是具有正反饋的光學(xué)諧振機(jī)制。 由激活區(qū)（有源層）兩端的自然解理面(Cleaved Face

15、ts)構(gòu)成的法布 里-珀羅(Fabry-Perot)諧振腔來提供。 利用有源區(qū)一側(cè)的周期性波紋結(jié)構(gòu)（光柵）提供光耦合來形成光 振蕩。 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 F-P腔半導(dǎo)體激光器腔半導(dǎo)體激光器 P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)（同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)）結(jié)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)（同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)） N 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 F-P腔半導(dǎo)體激光器腔半導(dǎo)體激光器 雙異質(zhì)（雙異質(zhì)（D

16、H）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) 如果PN結(jié)由相同的材料通過不同 的摻雜而構(gòu)成，稱之為同質(zhì)結(jié)構(gòu)。 發(fā)光效率不高。 在P型和N型材料中間加入一薄層 帶隙比兩端材料小的半導(dǎo)體，就構(gòu) 成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 夾層可以是本征半導(dǎo)體，也可以是 P型或N型半導(dǎo)體。 對載流子有一定的限制作用，可增 大載流子密度。 激活區(qū)的折射率比兩端高，相當(dāng)于 一個光波導(dǎo)。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 分布反饋（分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器）半導(dǎo)體激光器 分布布拉格反射（分布布拉格反射（DBR）半導(dǎo)體激光器）半導(dǎo)體激光器 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 激光振蕩不是由反射鏡面提供，而是由折射率周期 變

17、化的波紋結(jié)構(gòu)（光柵）提供。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 分布反饋（分布反饋（DFB）激光器）激光器 布拉格反射原理布拉格反射原理 不同的反射光由于存在相位差而進(jìn)行干涉，其相位差為波長 的整數(shù)倍，成為布拉格反射條件； 只有滿足布拉格反射條件的光波才能受到強(qiáng)烈反射，具有波 長選擇性，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)單縱模性質(zhì)。 DFB激光器的優(yōu)點(diǎn)激光器的優(yōu)點(diǎn) 單縱模振蕩 譜線窄，波長穩(wěn)定性好 動態(tài)譜線好（高速調(diào)制時，啁啾特性比F-P激光器有所改善） 線性度好 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 單縱模與多縱模

18、單縱模與多縱模 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 MQW多量子阱激光器多量子阱激光器 量子阱激光器與一般的雙異質(zhì)結(jié)激光 器結(jié)構(gòu)相似，只是有源區(qū)的厚度很薄 僅為幾十埃; 當(dāng)有源區(qū)厚度極小時，電子就不能在 層厚方向做自由運(yùn)動，只能在層面內(nèi) 作橫向運(yùn)動，電子能量變成一個個離 散值，即呈現(xiàn)量子效應(yīng) 。 MQW具有閾值電流低、功耗低、溫 度特性好、頻率啁啾小，以及動態(tài)單 模特性好等許多優(yōu)點(diǎn)。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 LD的工作特性的工作特性 P-I特性 溫度特性

19、 調(diào)制響應(yīng)特性（瞬態(tài)特性） 激光噪聲特性 光譜特性 空間分布特性 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 LD的的P-I特性特性 存在一個域值電流Ith。 當(dāng)注入電流大于Ith時，輸出功率 隨注入電流急劇增加，發(fā)射出激 光； 當(dāng)注入電流小于Ith時，LD發(fā)出的 是光譜很寬、相干性很差的自發(fā) 輻射光。 PI曲線的斜率表征著激光器 的電光轉(zhuǎn)換效率，可用功率效 率和量子效率來衡量 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 LD的的P-I特性特性 P-I曲線

20、的斜率表征著激光器的電光轉(zhuǎn)換效率， 可用功率效率和量子效率來衡量 功率轉(zhuǎn)換效率：激光器的輸出光功率與器件消耗電 功率之比 外微分量子效率: 激光器輸出光子數(shù)的增量與輸入 電子數(shù)的增量之比 qII hPP th th D / )( / )( 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 LD的溫度特性的溫度特性 LD是一個對溫度很敏感的器 件，它的輸出功率隨溫度發(fā) 生很大的變化。 影響P-I曲線的斜率 影響閾值電流 影響輸出激光的波長(隨溫 度增加向長波長方向漂移） 要采用致冷器使LD在恒溫情 況下工作。 )/exp()( 00

21、 TTITIth 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 LD的調(diào)制響應(yīng)特性的調(diào)制響應(yīng)特性 LD的調(diào)制響應(yīng)特性 決定了可以調(diào)制到半 導(dǎo)體激光器上的最高 信號頻率。 thB II 略小于閾值電流偏置電流 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 激光器的驅(qū)動電路激光器的驅(qū)動電路 電光延遲時間 張弛振蕩 頻率啁啾（Chirp) 自脈動現(xiàn)象 LD的動態(tài)特性的動態(tài)特性 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 光脈沖的電光延遲和張弛振蕩光

22、脈沖的電光延遲和張弛振蕩 光脈沖 電脈沖 增大偏置電流，可使張弛振蕩幅度減小，電光延遲時間縮短。增大偏置電流，可使張弛振蕩幅度減小，電光延遲時間縮短。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 啁啾現(xiàn)象啁啾現(xiàn)象 可使啁啾增強(qiáng)增大調(diào)制電流, 可消除啁啾采用外調(diào)制, 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 輸出光脈沖的自脈動輸出光脈沖的自脈動 器才會出現(xiàn)曲線有明顯扭折的激光只有IP 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 LD的光譜

23、特性的光譜特性 激光縱模 注入電流低于閾值時，屬自發(fā) 輻射，譜線較寬。 注入電流剛達(dá)到閾值時，激光 器呈多縱模振蕩。 隨著注入電流的增加，主模的 幅度增加，而邊模的幅度減小， 振蕩數(shù)減少。 有些激光器，如分布反饋激光 器、分布布喇格反射激光器等， 在高注入電流時可呈現(xiàn)出單縱 模振蕩。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 LD的空間分布特性的空間分布特性 激光橫模 它表明激光光束的空間分 布。 可用近場圖和遠(yuǎn)場圖來表 示。 近場圖主要表明激光器輸 出鏡面上光強(qiáng)的分布。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信

24、 第第3章通信用光器件章通信用光器件 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 LED的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 它利用正向偏壓下的PN結(jié)（雙異質(zhì)結(jié)），在激活區(qū)中載流 子的復(fù)合而發(fā)出自發(fā)輻射的光，因此LED產(chǎn)生的是一種非 相干光，其譜線較寬，輻射角也較大。 LED的主要優(yōu)點(diǎn)的主要優(yōu)點(diǎn) 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。 LED的主要缺點(diǎn)的主要缺點(diǎn) 輸出功率較小，發(fā)散角大，耦合效率低，譜線寬度較寬， 調(diào)制頻率較低。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管 發(fā)光面與PN結(jié)的結(jié)平面 平行 指向性角為1200

25、1200 邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管 發(fā)光面與PN結(jié)的結(jié)平面 垂直 指向性角為1200300 面發(fā)光二極管 邊發(fā)光二極管 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 0100200300400500 0 5 10 15 正面發(fā)光 側(cè)面發(fā)光 電流 I / mA 發(fā)射功率P / mW 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)的的P - I特性特性 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 發(fā)光二極管的工作特性發(fā)光二極管的工作特性 P-I特性（溫度特性）特性（溫度特性） ： 注入電流較小時，P-I近似為線性 關(guān)系；注入電流

26、較大時，P-I曲線 會出現(xiàn)飽和。 溫度的變化對P-I特性的影響并不 大。但溫度升高時輸出光功率降 低 LED內(nèi)部發(fā)射功率可以達(dá)到幾個 mW，但因與光纖的耦合效率很低， 入纖功率最大也只能達(dá)到100W 左右。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 光譜特性光譜特性 可以證明，LED的譜寬隨 著發(fā)射波長的平方增加而 增加。 0.85m的GaAsLED譜 線寬一般為3050nm。 1.3m的InGaAsPLED 譜線寬一般為5080nm。 由于光源的單色性較差， 所以它只能用于容量較低 的系統(tǒng)。 第第3 3章章 通信用光器件通信

27、用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 發(fā)光二級管發(fā)光二級管 調(diào)制特性調(diào)制特性 用電流信號調(diào)制發(fā)光二極管時，調(diào)制信號的碼率將 受到LED響應(yīng)特性的限制。 目前，InGaAsP LED可做到c=25ns，相應(yīng)的調(diào)制 帶寬在50 140MHz的范圍，改進(jìn)的LED調(diào)制速率可 達(dá)1GHz。 壽命。為有源區(qū)載流子的平均式中： c c dB f 2 3 3 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 表表 3.2分布反饋激光器分布反饋激光器(DFB - LD)一般性能一般性能 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器

28、件章通信用光器件 在光發(fā)射機(jī)中，光源發(fā)出的光信號要送入光纖中去， 這就涉及到光源與光纖的耦合問題。 光源與光纖的耦合效率與光源的類型和光纖的類型有 關(guān)。一般說來，LD與單模光纖的耦合效率可以達(dá)到 30%50%，LED與單模光纖的耦合效率非常低，只有 百分之幾百分之幾甚至更小。 影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)光纖的數(shù) 值孔徑值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合 效率高。此外，光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、形狀 及兩者之間的距離都會影響到耦合效率。 半導(dǎo)體光源與光纖的耦合半導(dǎo)體光源與光纖的耦合 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光

29、器件章通信用光器件 LED與（多模）光纖的耦合與（多模）光纖的耦合 直接耦合直接耦合 直接耦合是將光纖端面直接對準(zhǔn)光源發(fā)光面進(jìn)行 耦合的方法。 當(dāng)光源發(fā)光面積大于纖芯面積時，直接耦合的方 法結(jié)構(gòu)簡單，但耦合效率低。 / 2 120 )( NA c 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 透鏡耦合透鏡耦合 當(dāng)光源發(fā)光面積小于纖芯面積時，可在光 源與光纖之間放置透鏡，使更多的發(fā)散光 線會聚進(jìn)入光纖來提高耦合效率。 LED與光纖的耦合與光纖的耦合 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 面發(fā)光二極管與光纖

30、的透鏡耦合面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合 50 m 2 m 20 m 0.7 m 光 纖 球 端 P電 極 微 透 鏡 InP透 鏡 N-InP襯 底 (a)(b)(c) 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 直接耦合直接耦合 透鏡耦合透鏡耦合 球端光纖耦合 光纖透鏡耦合 自聚焦光纖透鏡耦合 LD與光纖的耦合與光纖的耦合 激光器 光纖 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 LD與光纖的透鏡耦合與光纖的透鏡耦合 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件

31、光電檢測器光電檢測器 -PIN和和APD 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 對光電檢測器的基本要求對光電檢測器的基本要求 有足夠高的靈敏度，即高的光電轉(zhuǎn)換效率 有較低的噪聲。 能工作于光纖的低衰減波長。 有足夠的帶寬，即對光信號有快速的響應(yīng)能力。 體積小，性能穩(wěn)定，使用方便，可靠性高。 可低功率工作，不需要過高的偏壓或偏流 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 半導(dǎo)體光電器件的工作原理半導(dǎo)體光電器件的工作原理 PN結(jié)加上反向偏壓時（光檢測原理）：結(jié)加上反向偏壓時（光檢測原理）： 反向偏壓在勢

32、壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建電場方向一致。 勢壘區(qū)電場增強(qiáng)，增強(qiáng)了漂移運(yùn)動，使結(jié)區(qū)內(nèi)的少 數(shù)載流子基本耗盡，成為耗盡區(qū)。 如果有光射入時，價帶上的電子吸收光子而產(chǎn)生 “電子空穴”對。 在電場的作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動，空穴向P區(qū)運(yùn)動 而形成電流。 電流的大小正比于入射光強(qiáng)。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 PN光電二極管光電二極管 PN光電二極管結(jié)構(gòu)原理光電二極管結(jié)構(gòu)原理 當(dāng)有光入射到PN結(jié)上，且光 子的能量大于禁帶寬度Eg時， 價帶上的電子可以吸收光子 而躍遷到導(dǎo)帶，結(jié)果產(chǎn)生 “電子空穴”對。 在電場作用下，電子將向N 區(qū)漂移，而空穴向P區(qū)漂移，

33、 從而形成光生電流。 由于P區(qū)和N區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動很 慢，所以PN光電二極管很慢。 耗盡區(qū) 擴(kuò)散區(qū) 吸收區(qū) 電子電子擴(kuò)散擴(kuò)散空穴空穴 空穴空穴漂移漂移電子電子 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 PIN光電二極管光電二極管 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理I區(qū)：夾在區(qū)：夾在PN結(jié)中間的一層本征（或輕摻結(jié)中間的一層本征（或輕摻 雜）半導(dǎo)體材料。雜）半導(dǎo)體材料。 I區(qū)具有較高的電阻，因此電壓 基本上降落在該區(qū)，使得耗盡層 寬度加大，而零電場的P區(qū)和N區(qū) 非常薄。 減小了響應(yīng)時間，提高了響應(yīng)速度。 PIN勢壘區(qū)的寬度應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要 設(shè)計（考慮渡越時間）。 PIN一個光

34、子只能產(chǎn)生一對電子-空穴對，是一種無信號增益的 器件 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD） 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 首先，P區(qū)和N區(qū)都進(jìn)行了 重?fù)?，再在I區(qū)和N區(qū)引 入另一層P區(qū)作為碰撞電 離區(qū)（增益區(qū)）以產(chǎn)生二 次電子空穴對。 在一定條件下，被加速的 電子和空穴獲得足夠的能 量，能夠與晶格發(fā)生碰撞 而產(chǎn)生新的電子空穴對， 稱為碰撞電離。并且這一 過程還能形成一種鏈鎖反 應(yīng)，形成雪崩倍增效應(yīng)。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 I0 NPP(N) 光 AP

35、D載流子雪崩式倍增示意圖載流子雪崩式倍增示意圖 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 PIN光電二極管的主要特性參數(shù)光電二極管的主要特性參數(shù) 截止波長 截止波長是光電二極管工作波長的上限（一般Si 材料為1.06 m ，而Ge材料為1.6 m）。 光電二極管的工作波長也不能太短（下限），否 則光電轉(zhuǎn)換效率會大大下降。 不同材料的光電二極管的波長響應(yīng)范圍： Si材料光電二極管：0.71.0m Ge和InGaAs材料光電二極管：1.11.6 m c gg c g cg E 24. 1 E hc h E fEhfE maxmin 即 第第3 3章章

36、通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 不同材料的吸收系數(shù)曲線不同材料的吸收系數(shù)曲線 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 PIN光電二極管的主要特性參數(shù)光電二極管的主要特性參數(shù) 暗電流Id 暗電流是指無光照時的光電二極管的反向電流。 包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò) 散形成的本征暗電流。 PIN的暗電流是構(gòu)成器件本身噪聲的主要來源。 Si材料制作的PIN光電二極管暗電流可小于1nA； Ge光電二極管暗電流經(jīng)常達(dá)到幾百nA； 長波長時，一般用暗電流較小的InGaAs光電二極管。 第第3 3章章 通信

37、用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 PIN光電二極管的主要特性參數(shù)光電二極管的主要特性參數(shù) 光電轉(zhuǎn)換效率 響應(yīng)度：光電二極管宏觀能量轉(zhuǎn)換效率，定義為 式中Pin為入射到光電二極管上的光功率；IP為光 電二極管在該入射光功率下產(chǎn)生的光電流，R的 單位為Aw。 in dP P II R 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 PIN光電二極管的主要特性參數(shù)光電二極管的主要特性參數(shù) 光電轉(zhuǎn)換效率 量子效率： 從微觀上反映光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效 率，定義為 響應(yīng)度與量子效率的關(guān)系 其中：q=1.610-19C h=6.62

38、610-34Js c=3108m/s hP qI in P / / 入射光子數(shù) 光生電子數(shù) 24. 1 h q R 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 不同材料不同材料PIN管的響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系管的響應(yīng)度、量子效率與波長的關(guān)系 ./6 . 0,3 . 1: ;/45. 0,3 . 1: ;/55. 0,85. 0: WARmInGaAs WARmGe WARmSi 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 PIN光電二極管的主要特性參數(shù)光電二極管的主要特性參數(shù) 響應(yīng)速度（響應(yīng)時間） 是

39、指二極管的電流隨入射 光變化的速度，常用上升 時間和下降時間來表示。 主要受以下兩個因素影響： 光生載流子的渡越時間 二極管的結(jié)電容 str v/W W A Cd 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 PIN光電二極管的主要特性參數(shù)光電二極管的主要特性參數(shù) 噪聲 散粒噪聲 熱噪聲 BIIei dpsh )(2 2 R kTB iT 4 2 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 APD光電二極管的主要特性參數(shù)光電二極管的主要特性參數(shù) 倍增因子 倍增因子與工作偏壓有關(guān) Si-APD的G值可達(dá)200以

40、上 Ge-APD和InGaAs-APD的G 值一般在30以下 dp md G II II APD倍增因子與偏壓關(guān)系 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 APD光電二極管的主要特性參數(shù)光電二極管的主要特性參數(shù) 倍增噪聲和過剩噪聲指數(shù) 信號功率是按2的比例增加 倍增噪聲增大是信號增大的F(G)=x倍，即倍增 噪聲是按2+x的關(guān)系增加的，其中x稱為APD的過 剩噪聲指數(shù), 0 x1 注：要降低倍增噪聲，x值 應(yīng)越小越好。 x值與制造器 件的材料與工藝有關(guān)。 Si-APD：0.30.5 Ge-APD：0.81 InGaAs-APD：0.50.7 第第

41、3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 APD光電二極管的主要特性參數(shù)光電二極管的主要特性參數(shù) 溫度特性 擊穿電壓對溫度變 化十分敏感 ； 倍增因子隨溫度升 高而減??； 為使APD穩(wěn)定工作， 必須采用工作點(diǎn)溫 度補(bǔ)償措施。 01020 30 87 88 89 UB(V) 溫度 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 工作波長（m）0.60.9電容（pF）1001520 電容/pF222 響應(yīng)時間/ps150150200 擊穿電壓/V1006070 光敏面積/ m200200100 APD典型參數(shù)典型參數(shù)

42、 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 光電檢測器與光纖的耦合光電檢測器與光纖的耦合 PIN和APD的光敏面積較大，容易與光纖 進(jìn)行低損耗耦合。 光纖端面與光敏面靠得足夠近 光纖端面平整垂直 在光纖與光敏面間加上匹配黏著劑 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 光光 無無 源源 器器 件件 光纖連接器和接頭 光耦合器 光隔離器與光環(huán)行器 光調(diào)制器 光開關(guān) 要求要求：插入損耗小，工作溫度范圍大，性能穩(wěn)定，壽命長，體積插入損耗小，工作溫度范圍大，性能穩(wěn)定，壽命長，體積 小，價格便宜等小，價格便宜等

43、第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 連接器和接頭連接器和接頭 套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖 光纖套管插針粘結(jié)劑 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 光纖連接器光纖連接器 SC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-JackSC LC MT-RJ DSC VF-45 Opti-Jack 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 常用連接器類型常用連接器類型 FC TypeSC Type SC2 Type FDD Type 第第3

44、3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 常用連接器類型常用連接器類型 BICONIC Type D4 Type SMA 905 TypeSMA 906 Type MINI BNC Type 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 連接頭端面類型連接頭端面類型 Ferrule + Flange Insertion Loss(插入損耗插入損耗) 40dB SPC45dB UPC50dB APC60dB 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 表表 3.5 光纖連接

45、器一般性能光纖連接器一般性能 光纖連接器的一般性能光纖連接器的一般性能 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 常用耦合器的類型常用耦合器的類型 T形 (a) 星 形 (b) 定向 (c) 2 3 1 4 1 2 N 12N (d) 波分 光耦合器光耦合器 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光纖通信 第第3章通信用光器件章通信用光器件 光纖型耦合器光纖型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12個22耦合器組成的88星形耦合器 輸入光 光強(qiáng)度 光纖a 光纖b 輸出光 2 34 1 (a) (b) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (c) 第第3 3章章 通信用