光纖通信課件劉增基第二版第3章

1、第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 第第3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1 光源光源 3.2 光檢測(cè)器光檢測(cè)器3.3 光無(wú)源器件光無(wú)源器件 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1 光源光源3.1.1 半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 一、激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)一、激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)1.原子的能級(jí)原子的能級(jí)微觀粒子的能量只能處于微觀粒子的能量只能處于分立分立的的能量狀態(tài)能量狀態(tài)，稱(chēng)為，稱(chēng)為能級(jí)能級(jí)。粒子處于最低能級(jí)時(shí)稱(chēng)為基態(tài)，處于比基態(tài)高的能級(jí)時(shí)，粒子處于最低能級(jí)時(shí)稱(chēng)為基態(tài)，處于比基態(tài)高的能級(jí)時(shí)，稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。稱(chēng)

2、為激發(fā)態(tài)。在在熱平衡熱平衡條件條件下，各能級(jí)上的粒子數(shù)分布滿(mǎn)足玻爾茲曼下，各能級(jí)上的粒子數(shù)分布滿(mǎn)足玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布（正態(tài)分布）統(tǒng)計(jì)分布（正態(tài)分布）210()/21EEk TNeN第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 0EE1E2E3N3N2N1N 玻爾茲曼分布曲線玻爾茲曼分布曲線 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 2 、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用(a)(a)自發(fā)輻射；自發(fā)輻射； (b)(b)受激吸收；受激吸收； (c)(c)受激輻射受激輻射自發(fā)輻射光hf E2 E1E2(a)入射光(b)入射光(c)E1E2E1E2E1hf E2 E1E2E1E2E1hf E2 E1E2E1

3、受激輻射光 hf E2 E1入射光 hf E2 E1第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光與物質(zhì)相互作用（續(xù)）光與物質(zhì)相互作用（續(xù)）電子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的三種躍遷電子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的三種躍遷 自發(fā)輻射，產(chǎn)生非相干光，發(fā)光二級(jí)管的工作原理自發(fā)輻射，產(chǎn)生非相干光，發(fā)光二級(jí)管的工作原理 在入射光作用下，受激吸收，光接受器件的工作原理在入射光作用下，受激吸收，光接受器件的工作原理 在入射光作用下，受激輻射在入射光作用下，受激輻射 ，產(chǎn)生相干光，激光器的工作原理，產(chǎn)生相干光，激光器的工作原理 均滿(mǎn)足玻爾條件均滿(mǎn)足玻爾條件1212hfEE入射光作用下入射光作用下 原子數(shù)正態(tài)分布時(shí)，一般為受激吸

4、收原子數(shù)正態(tài)分布時(shí)，一般為受激吸收 當(dāng)當(dāng)N2N1時(shí)，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射大于受激吸收時(shí)，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射大于受激吸收第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 半導(dǎo)體能級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體能級(jí)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體相鄰原子的作用造成電子能級(jí)擴(kuò)展成連續(xù)分布的能帶相鄰原子的作用造成電子能級(jí)擴(kuò)展成連續(xù)分布的能帶 能量低的價(jià)帶能量低的價(jià)帶,被空穴占用（束縛電子）被空穴占用（束縛電子） 能量高的導(dǎo)帶能量高的導(dǎo)帶,被電子占用（自由電子）被電子占用（自由電子） 導(dǎo)帶底導(dǎo)帶底Ec與價(jià)帶頂與價(jià)帶頂Ev的能量差的能量差Ec-Ev=Eg稱(chēng)為禁帶

5、寬度或帶隙稱(chēng)為禁帶寬度或帶隙 Ef為費(fèi)米能級(jí)，該能級(jí)被電子和空穴占用的幾率相等為費(fèi)米能級(jí)，該能級(jí)被電子和空穴占用的幾率相等能量?jī)r(jià)帶導(dǎo)帶EgEfEvEc()1( )1fE EkTf Ee第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 半導(dǎo)體中載流子分布半導(dǎo)體中載流子分布本征半導(dǎo)體電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，電子在導(dǎo)帶，空穴在價(jià)帶本征半導(dǎo)體電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)，電子在導(dǎo)帶，空穴在價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央N型半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子增多，價(jià)帶的空穴減少型半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子增多，價(jià)帶的空穴減少費(fèi)米能級(jí)增大，向?qū)б瀑M(fèi)米能級(jí)增大，向?qū)б芇型半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子減少，價(jià)帶的空穴增加型半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子減少，

6、價(jià)帶的空穴增加費(fèi)米能級(jí)減小，向價(jià)帶移費(fèi)米能級(jí)減小，向價(jià)帶移在在PN結(jié)界面上，載流子的梯度產(chǎn)生了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而形成內(nèi)部電場(chǎng)結(jié)界面上，載流子的梯度產(chǎn)生了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而形成內(nèi)部電場(chǎng)內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反的漂移運(yùn)動(dòng)，在內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反的漂移運(yùn)動(dòng)，在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相同時(shí)，達(dá)到平區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相同時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)能帶發(fā)生傾斜衡狀態(tài)，此時(shí)能帶發(fā)生傾斜Eg/2Eg/2EfEcEvEg導(dǎo)帶價(jià)帶能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖圖 3.33.3PNPN結(jié)的能帶和電子分布結(jié)的能帶和電子分布(a) P - N(a) P - N

7、結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；(b) (b) 零偏壓時(shí)零偏壓時(shí)P - NP - N結(jié)的能帶圖；結(jié)的能帶圖； (c) (c) 正向偏壓下正向偏壓下P - NP - N結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖 勢(shì)壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env(b)hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)電子，空穴(c)P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場(chǎng) 擴(kuò)散 漂移(a )在在P P型和型和N N型半導(dǎo)體組成的型半導(dǎo)體組成的PNPN結(jié)界面上，結(jié)界面上， 由于存在多數(shù)載流子由于存在多數(shù)載流子( (電子或空穴電子或空穴) )的梯度，的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生

8、與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到動(dòng)，直到P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的區(qū)的EfEf相同，兩種運(yùn)動(dòng)相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜這時(shí)在這時(shí)在PNPN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 在在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)，獲得了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)，獲得了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)N區(qū)電子向區(qū)電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成增益區(qū)的導(dǎo)帶多為電子區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成增益區(qū)的導(dǎo)帶多為電子

9、P區(qū)空穴向區(qū)空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成增益區(qū)的價(jià)帶多為空穴區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成增益區(qū)的價(jià)帶多為空穴在電子和空穴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，產(chǎn)生自發(fā)輻射光在電子和空穴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，產(chǎn)生自發(fā)輻射光導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合在在PN結(jié)上施加與內(nèi)部電場(chǎng)反向的結(jié)上施加與內(nèi)部電場(chǎng)反向的正向電場(chǎng)正向電場(chǎng) 能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv內(nèi)部電場(chǎng)外加電場(chǎng)電子，空穴(c)pN第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生激光產(chǎn)生的條件激光產(chǎn)生的條件 - -激活物質(zhì)：激活物質(zhì)：具有合適的能級(jí)分布，可以產(chǎn)生合適波長(zhǎng)的輻射光具有合適的能級(jí)分布，

10、可以產(chǎn)生合適波長(zhǎng)的輻射光 - -泵浦源使激活物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：半導(dǎo)體泵浦源使激活物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：半導(dǎo)體PNPN節(jié)施加正向電壓獲得節(jié)施加正向電壓獲得 - -入射光：激活物質(zhì)的自發(fā)輻射光作為入射光入射光：激活物質(zhì)的自發(fā)輻射光作為入射光 - -光學(xué)諧振腔：對(duì)光的頻率和光學(xué)諧振腔：對(duì)光的頻率和 方向進(jìn)行選擇，并通過(guò)多次反饋，使得較方向進(jìn)行選擇，并通過(guò)多次反饋，使得較強(qiáng)相干光輸出強(qiáng)相干光輸出反 射 鏡工 作 物 質(zhì)部 分 反 射 鏡激 光 輸 出z第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光學(xué)諧振腔：兩個(gè)平行反射鏡構(gòu)成法布里珀羅光學(xué)諧振腔：兩個(gè)平行反射鏡構(gòu)成法布里珀羅(F-P)諧振腔諧振腔 腔內(nèi)是處于粒子

11、數(shù)反轉(zhuǎn)的激活物質(zhì)，產(chǎn)生自發(fā)輻射光和受激輻射光腔內(nèi)是處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活物質(zhì)，產(chǎn)生自發(fā)輻射光和受激輻射光 自發(fā)輻射的入射光沿軸線方向被反射和放大，傳播方向不斷改善自發(fā)輻射的入射光沿軸線方向被反射和放大，傳播方向不斷改善 成為相干光，激光產(chǎn)生了成為相干光，激光產(chǎn)生了腔內(nèi)產(chǎn)生的激光的波長(zhǎng)由激光振蕩的相位條件決定，即駐波的條件腔內(nèi)產(chǎn)生的激光的波長(zhǎng)由激光振蕩的相位條件決定，即駐波的條件稱(chēng)為縱模模數(shù).3 ,2, 1,2qqnL諧振腔內(nèi)存在吸收、散射和透射，建立穩(wěn)定激光振蕩需要閾值條件諧振腔內(nèi)存在吸收、散射和透射，建立穩(wěn)定激光振蕩需要閾值條件增益和損耗相當(dāng)增益和損耗相當(dāng)為損耗系數(shù)為閾值增益系數(shù)，ththRR

12、L211ln21R1R22n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 二、半導(dǎo)體激光器（二、半導(dǎo)體激光器（LD）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)（雙異質(zhì)結(jié)（DH）平面條形結(jié)構(gòu)）平面條形結(jié)構(gòu) 三層不同類(lèi)型材料三層不同類(lèi)型材料 中間一層窄帶隙中間一層窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱(chēng)為有型半導(dǎo)體，稱(chēng)為有源源 兩側(cè)分別為寬帶隙兩側(cè)分別為寬帶隙P型和型和N型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，稱(chēng)為限制層稱(chēng)為限制層 前后兩個(gè)晶體理解面作為反射鏡構(gòu)成前后兩個(gè)晶體理解面作為反射鏡構(gòu)成法布里法布里-珀羅諧振腔珀羅諧振腔第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖 3.6 DH激光器工作原理 (a) 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)； (b) 能帶；

13、 (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 PGa1xAlxAsPGaAsNGa1yAlyAs復(fù)合空穴異質(zhì)勢(shì)壘E能量(a)(b)(c)n折射率5%(d)P光電子限制層帶隙較有源層寬，施加正向電壓，限制層帶隙較有源層寬，施加正向電壓，易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)換效率較高易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)換效率較高 P P層的空穴和層的空穴和N N層的電子注入有源層層的電子注入有源層 P P層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高， 對(duì)注入電子形成勢(shì)壘對(duì)注入電子形成勢(shì)壘 N N層帶隙寬，價(jià)帶的能態(tài)比有源層低，層帶隙寬，價(jià)帶的能態(tài)比有源層低，對(duì)注入空穴形成勢(shì)壘對(duì)注入空穴形成勢(shì)壘 有源層的折射率

14、比限制層高，產(chǎn)生的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)激光被限制在有源區(qū)內(nèi)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射波長(zhǎng)決定于帶隙長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射波長(zhǎng)決定于帶隙ggEevhcE)(24. 1激光器輸出滿(mǎn)足激光振蕩相位條件的一些波長(zhǎng)的光，即為激光器的縱模激光器輸出滿(mǎn)足激光振蕩相位條件的一些波長(zhǎng)的光，即為激光器的縱模導(dǎo)帶和價(jià)帶由許多連續(xù)能級(jí)組成，有一定的帶寬導(dǎo)帶和價(jià)帶由許多連續(xù)能級(jí)組成，有一定的帶寬兩個(gè)能帶中不同能級(jí)之間的電子躍遷會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波長(zhǎng)的輻射光兩個(gè)能帶中不同能級(jí)之間的電子躍遷會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波長(zhǎng)的輻射光諧振腔的作

15、用使得滿(mǎn)足激光振蕩相位條件的波長(zhǎng)輸出諧振腔的作用使得滿(mǎn)足激光振蕩相位條件的波長(zhǎng)輸出不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度EgEg，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)。鎵鋁砷鎵鋁砷 - -鎵砷鎵砷(GaAlAs(GaAlAsGaAs)GaAs)材料適用于材料適用于0.85 m0.85 m波段波段銦鎵砷磷銦鎵砷磷 - - 銦磷銦磷(InGaAsP(InGaAsPInP)InP)材料適用于材料適用于1.31.31.55 m1.55 m波段。波段。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖圖 3.7GaAlAs3.7GaAlAsDHDH激光器的光譜特性激光器的光譜特性

16、(a) (a) 直流驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng); (b) 300 Mb/s; (b) 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 I（a)隨著驅(qū)動(dòng)直流電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄最終產(chǎn)生靜態(tài)單縱模激光(b)是300 Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性， 隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。 無(wú)法調(diào)制高速數(shù)字信號(hào)*用FP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)，例如采用分布反饋激光器。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 激光器輸出的光束橫模分別激光器輸出的光束橫模分別取決于有源區(qū)的寬度和厚度取決于有源區(qū)的寬度和厚度寬度和厚度足夠小，寬

17、度和厚度足夠小，多橫模分布變成單橫模多橫模分布變成單橫模圖 3.8 GaAlAsDH條形激光器的近場(chǎng)圖 W10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近場(chǎng)圖樣0.1rad遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣w_第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1.2 半導(dǎo)體激光器的特性半導(dǎo)體激光器的特性當(dāng)電流小于閾值電流當(dāng)電流小于閾值電流Ith時(shí)，時(shí)，激光器輸出為自發(fā)輻射光激光器輸出為自發(fā)輻射光當(dāng)電流大于閾值電流時(shí)，激當(dāng)電流大于閾值電流時(shí)，激光器輸出受激輻射光光器輸出受激輻射光光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加增加)(,thdthththdIIehfPPhfeIPeIIhfPP或1.轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換

18、效率 d：在閾值電流之上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)：在閾值電流之上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù) 圖圖 3.103.10典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性短波長(zhǎng)短波長(zhǎng)AlGaAs/GaAs;AlGaAs/GaAs;長(zhǎng)波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP/InP InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80工作電流I / mA單面輸出功率P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工作電流I / mA輸出功率P / mW(a)(b)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 溫度升高，輸出光功溫度升高，輸出光功率下降率下降

19、 激光器的閾值電流激光器的閾值電流隨溫度升高而增大隨溫度升高而增大 轉(zhuǎn)換效率隨著溫度轉(zhuǎn)換效率隨著溫度升高而變小升高而變小圖圖 3.12 P-I3.12 P-I曲線隨溫度的變化曲線隨溫度的變化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射2.溫度特性：溫度特性：第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3. 3. 頻率特性頻率特性在直接光強(qiáng)調(diào)制下，在直接光強(qiáng)調(diào)制下， 激光器輸出光功率激光器輸出光功率P P和調(diào)制頻率和調(diào)制頻率f f的關(guān)系為的關(guān)系為: : 2222)/(4)/(1 )0()(ffffpfP) 1(1210IIIIfthhpsp馳豫頻率：-f-f和

20、和分別稱(chēng)為弛豫頻率和阻尼因子分別稱(chēng)為弛豫頻率和阻尼因子-I-Ithth和和I I0 0分別為閾值電流和偏置電流分別為閾值電流和偏置電流-I-I是零增益電流是零增益電流: : 高摻雜濃度的高摻雜濃度的LDLD： I=0 I=0 低摻雜濃度的低摻雜濃度的LDLD： I=(0.7-0.8)I I=(0.7-0.8)Ithth-spsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命-phph為諧振腔內(nèi)的光子壽命為諧振腔內(nèi)的光子壽命第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖 3.11 半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性 0.010.11100.1110100fr調(diào) 制 頻 率 f / GHz相 對(duì) 光 功 率半

21、導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。率特性。弛豫頻率弛豫頻率f f是調(diào)制頻率的上限是調(diào)制頻率的上限 一般激光器的一般激光器的ff為為1 12 GHz2 GHz 在接近在接近f f處：數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生處：數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。失真。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1.3 分布式反饋激光器分布式反饋激光器新型激光器的要求新型激光器的要求 譜線寬度更窄譜線寬度更窄 高速脈沖調(diào)制下保持單縱模特性高速脈沖調(diào)制下保持單縱模特性 發(fā)射光波長(zhǎng)穩(wěn)定發(fā)射光波長(zhǎng)穩(wěn)定 閾值電流低，輸出光功率大閾值電流低，輸出光功率大分布式反饋激

22、光器分布式反饋激光器第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 衍 射 光 柵有 源 層N層P層輸 出 光光 柵有 源 層ba(a)(b)分布式反饋激光器分布式反饋激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向折射率周期性變化的衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向折射率周期性變化的衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋光柵周期滿(mǎn)足光柵周期滿(mǎn)足為衍射級(jí)數(shù)為布拉格波長(zhǎng)，為材料有效折射率，m2BeeBnnmDFB激光器單個(gè)諧振腔長(zhǎng)度較小，多個(gè)諧振腔存在，易設(shè)計(jì)成單縱模激光器激光器單個(gè)諧振腔長(zhǎng)度較小，多個(gè)諧振腔存在，易設(shè)計(jì)成單縱模激光器多級(jí)諧振腔諧振使得譜線窄、波長(zhǎng)穩(wěn)定性高多級(jí)諧振腔諧振使得譜線窄、波長(zhǎng)穩(wěn)定性高動(dòng)態(tài)譜線好，可調(diào)制高速信號(hào)

23、動(dòng)態(tài)譜線好，可調(diào)制高速信號(hào)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1.4 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED)LED與與LD結(jié)構(gòu)上的異同：結(jié)構(gòu)上的異同：同：均是雙異質(zhì)結(jié)（同：均是雙異質(zhì)結(jié)（DH)條形平面結(jié)構(gòu)條形平面結(jié)構(gòu)異：異：LD有諧振腔有諧振腔 LED無(wú)諧振腔無(wú)諧振腔結(jié)構(gòu)的不同造成了性能的不同結(jié)構(gòu)的不同造成了性能的不同第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 LED與與LD性能的不同性能的不同:LD:有諧振腔，輸出的是方向性很好、強(qiáng)度大的相干光有諧振腔，輸出的是方向性很好、強(qiáng)度大的相干光有閾值電流。有閾值電流。LED:無(wú)諧振腔。有源區(qū)是自發(fā)輻射，輸出無(wú)諧振腔。有源區(qū)是自發(fā)輻射，輸出 光斑大

24、，強(qiáng)度光斑大，強(qiáng)度低，譜線寬度大的自發(fā)輻射光，無(wú)閾值電流。低，譜線寬度大的自發(fā)輻射光，無(wú)閾值電流。 由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:造價(jià)低、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)造價(jià)低、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng) 在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 (a) 正面發(fā)光型； (b) 側(cè)面發(fā)光型 球透鏡環(huán)氧樹(shù)脂P層n層有源層發(fā)光區(qū)微透鏡P型限制層n型限制層有源層波導(dǎo)層兩類(lèi)發(fā)光二極管兩類(lèi)發(fā)光二極管(LED)(LED)：第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2 光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器光接收機(jī)的關(guān)鍵器件光接收機(jī)的關(guān)鍵器件其功能是把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)其功能是把光

25、信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)常用的光檢測(cè)器有常用的光檢測(cè)器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（光電二極管和雪崩光電二極管（APD)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2.1 光電二極管（光電二極管（PD)光電二極管是利用半導(dǎo)體光電二極管是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光檢測(cè)器器件的光檢測(cè)器器件光電效應(yīng)就是指一定波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體的光電效應(yīng)就是指一定波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，價(jià)帶結(jié)時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收光子能量而躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中有了電子，上的電子吸收光子能量而躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中有了電子，價(jià)帶中有了空穴，從而使價(jià)帶中有了空穴，從而使P

26、N結(jié)中產(chǎn)生光生載流子的一種現(xiàn)象。結(jié)中產(chǎn)生光生載流子的一種現(xiàn)象。這些載流子在內(nèi)部電場(chǎng)的作用下在閉環(huán)電路中形成光生電流。這些載流子在內(nèi)部電場(chǎng)的作用下在閉環(huán)電路中形成光生電流。在開(kāi)環(huán)電路中形成電動(dòng)勢(shì)在開(kāi)環(huán)電路中形成電動(dòng)勢(shì) 由于由于PN結(jié)界面存在耗盡層和沒(méi)有電場(chǎng)的中性層，因此在存在結(jié)界面存在耗盡層和沒(méi)有電場(chǎng)的中性層，因此在存在由于光電效應(yīng)由耗盡層產(chǎn)生的漂移電流情況，還存在中性層由于光電效應(yīng)由耗盡層產(chǎn)生的漂移電流情況，還存在中性層熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流，這兩種電流的總量構(gòu)成光生電流熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流，這兩種電流的總量構(gòu)成光生電流第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 為了提高耗盡層光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流分

27、量，減少熱運(yùn)動(dòng)為了提高耗盡層光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流分量，減少熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流分量對(duì)光電二極管施加反向偏壓，增大產(chǎn)生的擴(kuò)散電流分量對(duì)光電二極管施加反向偏壓，增大耗盡層的寬度，減小中性區(qū)的寬度。耗盡層的寬度，減小中性區(qū)的寬度。漂移運(yùn)動(dòng)比擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)快得多，可以提高響應(yīng)速度漂移運(yùn)動(dòng)比擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)快得多，可以提高響應(yīng)速度.為了提高轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度，設(shè)計(jì)新的光檢測(cè)器為了提高轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度，設(shè)計(jì)新的光檢測(cè)器PIN光電二極管光電二極管雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2.2 PIN光電二極管光電二極管PIN光電二極管

28、是在光電二極管是在P型材料和型材料和N型材料之間加一層型材料之間加一層輕摻雜的輕摻雜的N型材料，一般稱(chēng)為本征半導(dǎo)體層，即型材料，一般稱(chēng)為本征半導(dǎo)體層，即I層層由于由于I層是輕摻雜，故電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散作用層是輕摻雜，故電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散作用后可形成一個(gè)很寬的耗盡區(qū)后可形成一個(gè)很寬的耗盡區(qū)在反向偏壓的作用下，可大大提高在反向偏壓的作用下，可大大提高PIN光電二極管光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率的光電轉(zhuǎn)換效率 及響應(yīng)速度及響應(yīng)速度第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 抗反射膜光電極(n)PNE電極第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 PIN光電二極管

29、的主要特性光電二極管的主要特性光電轉(zhuǎn)換量子效率：一次光生電子光電轉(zhuǎn)換量子效率：一次光生電子-空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值也可以用一次光生電流和入射功率的比值也可以用一次光生電流和入射功率的比值:響應(yīng)度來(lái)表示響應(yīng)度來(lái)表示噪聲：包括散粒噪聲和熱噪聲，用均方噪聲電流來(lái)描述噪聲：包括散粒噪聲和熱噪聲，用均方噪聲電流來(lái)描述ehfPIhfPeIpp00-入射光子數(shù)空穴對(duì)光生電子hfePIp0電流與溫度有關(guān)的是熱噪聲的反向直流電流有關(guān)的是沒(méi)有入射光時(shí)本征噪聲；與有關(guān)的是量子噪聲，是與為等效電阻為等效噪聲溫度，為暗電流，為信號(hào)電流，為放大器帶寬，dPdPdPIIIIBRkTBBIIeiRT

30、4)(22第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 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)。在一定條件下：器件表面的反射率為零;P層和N層的量子效率可以忽略；I層耗盡，則PIN光電管的量子效率近似為：)(exp1其中：)(及w為I層的吸收系數(shù)及寬度所以：w越大，越大量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜()對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的限制由式c=hc/Eg。圖3.22示出量子效率和響應(yīng)度的光譜特性。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m (W1)Si由圖可見(jiàn)，Si適用于0.80.9m波段，G

31、e和InGaAs適用于1.31.6 m波段。響應(yīng)度一般為0.50.6 (A/W)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 噪聲：是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1負(fù)載上消耗的噪聲功率)來(lái)描述。 均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.22)式中，e為電子電荷，B為放大器帶寬，Ip和Id分別為信號(hào)電流和暗電流第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 式(3.22)第一項(xiàng)2eIpB稱(chēng)為量子噪聲，是由于入射光子和所形成的電子 -

32、空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要有光信號(hào)輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲， 它決定光接收機(jī)靈敏度的極限。 式(3.22)第二項(xiàng)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(méi)有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流，它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。暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如Si-PIN， Id100nA。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 均方熱噪聲電流: i2T= (3.23) 式中，k=1.3810-23J/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。 因此， 光電二

33、極管的總均方噪聲電流為RKTB4i2=2e(IP+Id)B+ RKTB4第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2.3 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）雪崩光電二極管是利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應(yīng)，從而產(chǎn)生光電流的倍增作雪崩光電二極管是利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應(yīng)，從而產(chǎn)生光電流的倍增作用用 所謂雪崩倍增效應(yīng)是指所謂雪崩倍增效應(yīng)是指PN結(jié)外加高反向偏壓后，在耗盡區(qū)內(nèi)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)。當(dāng)結(jié)外加高反向偏壓后，在耗盡區(qū)內(nèi)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)。當(dāng)耗盡區(qū)吸收光子時(shí)，激發(fā)出來(lái)的光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，以極高的速度與耗盡區(qū)耗盡區(qū)吸收光子時(shí)，激發(fā)出來(lái)的光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，以極高的

34、速度與耗盡區(qū)的晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的光生載流子，并形成鏈鎖反應(yīng)，從而使光電流在光電二的晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的光生載流子，并形成鏈鎖反應(yīng)，從而使光電流在光電二極管內(nèi)部獲得倍增極管內(nèi)部獲得倍增 存在一個(gè)擊穿電壓存在一個(gè)擊穿電壓U UB B APD具有轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等特點(diǎn)具有轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快和附加噪聲低等特點(diǎn)倍增因子：倍增因子：APD輸出光電流和一次光電流的比值輸出光電流和一次光電流的比值A(chǔ)PD的轉(zhuǎn)換效率是的轉(zhuǎn)換效率是PIN的的g倍，可表示為倍，可表示為噪聲噪聲APD對(duì)量子噪聲直接放大之外，還產(chǎn)生新的噪聲，表示為過(guò)剩噪聲因子對(duì)量子噪聲直接放大之外，還產(chǎn)生新的噪聲，表示為過(guò)剩

35、噪聲因子F。F是倍是倍增因子的倍數(shù)。因此量子噪聲為增因子的倍數(shù)。因此量子噪聲為暗電流噪聲為暗電流噪聲為PoIIg nBonBURIUUUg1111為附加噪聲指數(shù)，x222xPqBgeIixddBgeIi222第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.3 光無(wú)源器件光無(wú)源器件連接器和接頭連接器和接頭光耦合器光耦合器光隔離器與光環(huán)形器光隔離器與光環(huán)形器光調(diào)制器光調(diào)制器光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.3.1 連接器與接頭連接器與接頭連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng)活動(dòng))連接的器件。連接的器件。主要用于光纖線路中光纖與其他器件的活動(dòng)連

36、接。主要用于光纖線路中光纖與其他器件的活動(dòng)連接。接頭：光纖與光纖之間的固定連接。接頭：光纖與光纖之間的固定連接。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 連接器連接器單芯連接器結(jié)構(gòu)如圖單芯連接器結(jié)構(gòu)如圖套管和插針保證光纖對(duì)中連接套管和插針保證光纖對(duì)中連接低插入損耗要求：低插入損耗要求：端面適配、直線連接端面適配、直線連接球端面或斜面球端面或斜面光纖套管插針 粘結(jié)劑第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.3.2 光耦合器光耦合器功能：把一路光信號(hào)分配給多路輸出或?qū)⒍嗦饭庑盘?hào)組合成一路輸功能：把一路光信號(hào)分配給多路輸出或?qū)⒍嗦饭庑盘?hào)組合成一路輸出出對(duì)光路影響：對(duì)光路影響：插入損耗插入損耗反射

37、及串?dāng)_噪聲反射及串?dāng)_噪聲耦合器類(lèi)型：耦合器類(lèi)型：T型耦合器型耦合器星型耦合器星型耦合器定向耦合器定向耦合器波分復(fù)用波分復(fù)用/解復(fù)用器解復(fù)用器第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖 3.28 常用耦合器的類(lèi)型 T形(a)星 形(b)定向(c)231412N12N(d)波分第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 耦合器基本結(jié)構(gòu)耦合器基本結(jié)構(gòu)光纖型光纖型微器件型微器件型波導(dǎo)型波導(dǎo)型第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 圖 3.29光纖型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12個(gè)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2341(a)(b)123456789101112(c)光纖型耦合器結(jié)構(gòu)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 定向耦合器定向耦合器由耦合理論：由耦合理論：調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)a、b的有效長(zhǎng)度使：的有效長(zhǎng)度使：當(dāng)當(dāng)Pa(1)最大時(shí)最大時(shí),Pa(2)=0當(dāng)當(dāng)Pb(2)最大時(shí)最大時(shí),Pb(1)=0圖 3.30 光纖型波分解復(fù)用器原理 1、 21212耦合長(zhǎng)度光功率ababba)(cos)()(cos)(22212121LCPLCPba第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 主要特性主要特性耦合比：耦合比：附加損耗：附加損耗：插入損耗插入損耗方向性（隔離度）方向性（隔離度）一致性：一致性：耦合比