光通信技術(shù)第三

1、關(guān)于光通信技術(shù)第三現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共60頁第第 3 章章 通信用光器通信用光器 3.1 光源光源 （理解）（理解） 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) 3.1.2 半導(dǎo)體激光器的主要特性半導(dǎo)體激光器的主要特性 3.1.3 分布反饋激光器分布反饋激光器 3.1.4 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 3.1.5 半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用 3.2 光檢測器光檢測器 （理解）（理解） 3.2.1 光電二極管工作原理光電二極管工作原理 3.2.2 PIN 光電二極管光電二極管 3.2.3 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 3.2.4 光電二極管

2、一般性能和應(yīng)用光電二極管一般性能和應(yīng)用 3.3 光無源器件光無源器件 （了解了解） 3.3.1 連接器和接頭連接器和接頭 3.3.2 光耦合器光耦合器 3.3.3 光隔離器與光環(huán)行器光隔離器與光環(huán)行器 3.3.4 光調(diào)制器光調(diào)制器 3.3.5 光開關(guān)光開關(guān)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共60頁3.1 光源光源 光源光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把功能是把電電信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)轉(zhuǎn)換為光光信號(hào)。信號(hào)。 目前光纖通信廣泛使用的光源主要有目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)， 有

3、些場合也使用有些場合也使用固體激光器固體激光器。 本節(jié)首先介紹本節(jié)首先介紹半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器(LD)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和主的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和主要特性，然后進(jìn)一步介紹性能更優(yōu)良的要特性，然后進(jìn)一步介紹性能更優(yōu)良的分布反饋激光器分布反饋激光器(DFB - LD)，最后介紹可靠性高、壽命長和價(jià)格便宜的，最后介紹可靠性高、壽命長和價(jià)格便宜的發(fā)光管發(fā)光管(LED)。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共60頁 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) 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，結(jié)注入電流， 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生產(chǎn)生受激

4、輻射受激輻射，再利用，再利用諧振腔諧振腔的的正反饋正反饋，實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)光放大光放大而產(chǎn)生而產(chǎn)生激光振激光振蕩蕩的。的?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共60頁受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 有源器件有源器件的物理基礎(chǔ)是的物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。 在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)在物質(zhì)的原子中，存在許多能級(jí)，最低能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2, 3, 4 )稱為激發(fā)態(tài)。稱為激發(fā)態(tài)。 電子在低能級(jí)電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：基本方式：

5、現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁，共60頁 (1)受激吸收受激吸收 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱為上，這種躍遷稱為受激吸收受激吸收。電子躍遷。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴，后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴，見圖見圖3.1(a)。 (2)自發(fā)輻射自發(fā)輻射 在高能級(jí)在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用， 也會(huì)也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射上與空穴復(fù)合，釋放的能

6、量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射自發(fā)輻射，見圖見圖3.1(b)。 (3)受激輻射受激輻射 在高能級(jí)在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射受激輻射，見圖見圖3.1(c)。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共60頁（激活物質(zhì)置于）（激活物質(zhì)置于）（中對光的頻率和方向進(jìn)行選擇）（中對光的頻率和方向進(jìn)行選擇） 3. 激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生：激光振蕩的產(chǎn)生： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 +

7、光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔 = 連續(xù)的光放大和激光振蕩輸連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出出現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共60頁 圖 3.4 激光器的構(gòu)成和工作原理 (a) 激光振蕩； (b) 光反饋 2n反射鏡光的振幅反射鏡L(a)初始位置光光強(qiáng)輸出OXL(b)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共60頁 4. 半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是圖半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是圖3.5示出的雙異示出的雙異質(zhì)結(jié)質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。平面條形結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)由這種結(jié)構(gòu)由三層三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長。波長。

8、 圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間中間有一層厚有一層厚0.10.3 m的的窄帶隙窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為型半導(dǎo)體，稱為有源層有源層；兩側(cè)兩側(cè)分別為寬帶隙的分別為寬帶隙的P型和型和N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體，稱為體，稱為限制層限制層。三層半導(dǎo)體置于。三層半導(dǎo)體置于基片基片(襯底襯底)上，前后兩個(gè)晶體解理面上，前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里作為反射鏡構(gòu)成法布里 - 珀羅珀羅(FP)諧振腔。諧振腔。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共60頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共60頁 3.1.2 半導(dǎo)體激光器的主要特性半導(dǎo)體激光器的主要特性 1. 發(fā)射波長和光譜特性發(fā)射波長和光譜特性 半導(dǎo)體激光

9、器的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長發(fā)射波長等于等于禁帶寬度禁帶寬度Eg(eV)，由式，由式(3.1)得到得到 h f =EgggEEhc24. 1(3.6)不同半導(dǎo)體材料有不同的不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度禁帶寬度Eg，因而有不同的，因而有不同的發(fā)射波長發(fā)射波長。 鎵鋁砷鎵鋁砷-鎵砷鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于材料適用于0.85 m波段波段 銦鎵砷磷銦鎵砷磷 - 銦磷銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于材料適用于1.31.55 m波段波段式中，式中，f=c/，f (Hz)和和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長，分別為發(fā)射光的頻率和波長， c=3108 m/s為光速，為光速，h=6.628

10、10-34JS為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)， 1eV=1.610-19 J，代入上，代入上式得到式得到現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共60頁 圖圖3.7是是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。激光器的光譜特性。 圖 3.7 GaAlAs-DH激光器的光譜特性 (a) 直流驅(qū)動(dòng); (b) 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI= 8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828

11、826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共60頁 2. 激光束的空間分布激光束的空間分布 圖 3.8 GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠(yuǎn)場圖樣 W 10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近 場 圖 樣0.1rad遠(yuǎn) 場 圖 樣現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共60頁3. 轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性 激光器的電激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率d表示，其定義是在閾值表示，其定義是在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)光子數(shù)

12、hfeIpeIIhfppththd/ )(/ )(3.7a)由此得到由此得到)(ethdthIIhfpp(3.7b)式中，式中，P和和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，Pth 和和Ith 分別分別為相應(yīng)的閾值，為相應(yīng)的閾值，h f 和和e分別為光子能量和電子電荷。分別為光子能量和電子電荷。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁，共60頁圖圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。是典型激光器的光功率特性曲線。 當(dāng)當(dāng)IIth 時(shí)，發(fā)出的是時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光受激輻射光，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。 圖 3.10 典型半導(dǎo)體激光器的光功率特

13、性 (a) 短波長AlGaAs/GaAs (b) 長波長InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80I / mA P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150IthI / mA P / mW(a)(b)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共60頁4. 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， 激光器輸出激光器輸出光功率光功率P和和調(diào)制頻率調(diào)制頻率f 的關(guān)系的關(guān)系為為 P(f)= 2222)/(4)/(1 )0(rrffffp(3.8a) 1(1210IIIIfthphspr(3.8b)式中， 和分別稱為弛豫頻率弛豫頻率和阻尼因子阻尼因

14、子，Ith 和I0分別為閾值電流和偏置電流；I是零增益電流，高摻雜濃度的LD， I=0， 低摻雜濃度的LD, I=(0.70.8)Ith；sp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，ph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。 rf現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共60頁圖 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 光 功 率 圖圖3.11示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率fr 是調(diào)是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的制頻率的上限，一般激光器的fr 為為12 GHz。在接近。在接近fr 處，數(shù)字調(diào)制處，數(shù)字調(diào)制要

15、產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共60頁 5. 溫度特性溫度特性 圖 3.12 P - I曲線隨溫度的變化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不 激 射現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共60頁 3.1.3 分布反饋激光器分布反饋激光器 分布反饋分布反饋(DFB)激光器用靠近激光器用靠近有源層有源層沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀波紋狀)衍射光柵衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵衍射光柵的折射率周期性變化，使的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。

16、光沿有源層分布式反饋。 圖 3.13 分布反饋(DFB)激光器 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋 衍 射 光 柵有 源 層N 層P層輸 出 光光 柵有 源 層ba(a)(b)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁，共60頁 如圖如圖3.13所示，由所示，由有源層有源層發(fā)射的光，一部分在發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰光柵波紋峰反射反射(如光如光線線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰光柵波紋峰反射反射(如光線如光線b)。 光柵周期光柵周期=m eBn2(3.10) ne 為材料有效折射率，為材料有效折射率，B為布喇格波長，為布喇格波長，m為衍射級(jí)數(shù)。為衍射級(jí)數(shù)。 在普通光柵的

17、在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光器中，發(fā)生激光振蕩激光振蕩的有兩個(gè)的有兩個(gè)閾值閾值最低、最低、增益相同的增益相同的縱?？v模，其波長為，其波長為 )221(22, 1LneBB(3.11)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共60頁 DFB激光器激光器與與F-P激光器激光器相比，相比， 具有以下具有以下優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 單縱模激光器單縱模激光器 譜線窄，譜線窄， 波長穩(wěn)定性好波長穩(wěn)定性好 動(dòng)態(tài)譜線好動(dòng)態(tài)譜線好 線性好線性好現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共60頁 3.1.4 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 LD發(fā)射的是發(fā)射的是受激輻射光受激輻射光 LED發(fā)射的是發(fā)射的是自發(fā)輻射光自發(fā)輻射光 LED的結(jié)構(gòu)和的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多

18、是采用相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片芯片，把有源，把有源層夾在層夾在P型和型和N型限制層中間，不同的是型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，不需要光學(xué)諧振腔， 沒有閾值。沒有閾值?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共60頁 圖 3.14兩類發(fā)光二極管(LED) (a) 正面發(fā)光型； (b) 側(cè)面發(fā)光型 球 透 鏡環(huán) 氧 樹 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：正面發(fā)光型正面發(fā)光型LED和和側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型LED 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共60頁： 輸出光功率較?。蛔V線寬度較寬；調(diào)制頻率較低；性能穩(wěn)定，輸出光功率較??；譜線

19、寬度較寬；調(diào)制頻率較低；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(jià)格低廉；適壽命長；輸出光功率線性范圍寬；制造工藝簡單，價(jià)格低廉；適用于小容量短距離系統(tǒng)用于小容量短距離系統(tǒng) ： (1) 光譜特性。光譜特性。 發(fā)光二極管發(fā)射的是發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光自發(fā)輻射光， 沒有諧振腔對波長的選擇，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線譜線較寬較寬，如圖，如圖3.15。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共60頁 圖 3.15LED光譜特性 1300 / nm70 nm現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁，共60頁 (2) 光束的空間分布。光束的空間分布。 在垂直于發(fā)光平面上，在垂直于發(fā)光平面上， 正面發(fā)光型正面發(fā)光型L

20、ED輻射圖呈輻射圖呈朗伯分布朗伯分布， 即即P()=P0 cos，半功率點(diǎn)輻射角，半功率點(diǎn)輻射角120。 側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型LED，120，2535。由于。由于大，大，LED與與光纖的耦合效率一般小于光纖的耦合效率一般小于 10%。 (3) 輸出光功率特性。輸出光功率特性。 發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率般外微分量子效率d小于小于10%。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖示于圖3.16。 驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)較小時(shí)， P - I曲線的曲線的線性較好線

21、性較好；I過大時(shí)，由于過大時(shí)，由于PN結(jié)結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P -I 曲線的斜率減小。曲線的斜率減小?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁，共60頁LED的的P_I特性曲線特性曲線原理：由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流進(jìn)行自發(fā)輻射而發(fā)光原理：由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流進(jìn)行自發(fā)輻射而發(fā)光4 3 2 1 0 50 100 150 02570電流電流/mA輸出功率輸出功率/ mW現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁，共60頁(4) 頻率特性。頻率特性。 發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為|H(f)|= 2)2(11)0()(efPfp(3.12) 圖圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響

22、應(yīng)，示出發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)， 圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命e和和截止頻率截止頻率 fc 的關(guān)系。的關(guān)系。 對有源區(qū)為低摻雜濃度的對有源區(qū)為低摻雜濃度的LED， 適當(dāng)適當(dāng)增加增加工作電流工作電流可以可以縮短縮短載流子載流子壽命壽命，提高提高截止頻率截止頻率。 式中，式中，f 為調(diào)制頻率，為調(diào)制頻率，P( f )為對應(yīng)于調(diào)制頻率為對應(yīng)于調(diào)制頻率 f 的輸出光功率，的輸出光功率，e為少數(shù)載流子為少數(shù)載流子(電子電子)的壽命。定義的壽命。定義 fc 為發(fā)光二極管的截止頻率，為發(fā)光二極管的截止頻率，當(dāng)當(dāng) f = f c =1/(2e)時(shí)，時(shí)，|H(fc)|= ， 最高調(diào)制頻率應(yīng)

23、低于截止頻最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。率。 21現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁，共60頁圖 3.17 發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng) e1.1 nse2.1 nse 6.4ns1001000100.110f / MHz H( f )現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁，共60頁 3.1.5 半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源的一般性能表：半導(dǎo)體光源的一般性能表： 3.1和表和表3.2列出半導(dǎo)體激光器列出半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管和發(fā)光二極管(LED)的一般性能。的一般性能。 LED通常和通常和多模光纖多模光纖耦合，用于耦合，用于1.3 m(或或0.85 m)波長的小容波長的小容量短距離

24、系統(tǒng)。因?yàn)榱慷叹嚯x系統(tǒng)。因?yàn)長ED發(fā)光面積發(fā)光面積和和光束輻射角光束輻射角較大，較大， 而多模而多模SIF光纖光纖或或G.651規(guī)范的多模規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效耦合效率率，增加，增加入纖功率入纖功率。 LD通常和通常和G.652或或G.653規(guī)范的規(guī)范的單模光纖單模光纖耦合，用于耦合，用于1.3 m或或1.55 m大容量長距離系統(tǒng)。大容量長距離系統(tǒng)。 分布反饋激光器分布反饋激光器(DFB - LD)主要和主要和G.653或或G.654規(guī)范的單模光纖或規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)

25、。特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁，共60頁表表3.1 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管和發(fā)光二極管(LED)的一般性能的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作溫度工作溫度 /C壽命壽命 t/h30120 30120 2050 2050輻射角輻射角50150 301005002000 5001000調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纖功率入纖功率 P/mW15 13510 510輸出功率輸出功率 P/mW100150 100150工作電流工作電流 I/mA2030 3060閥值電流閥值電流

26、Ith/mA50100 6012012 13譜線寬度譜線寬度1.3 1.551.3 1.55工作波長工作波長LEDLD/nm/)/(761010651010810710現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁，共60頁表表 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 /nm 2040 1530輸出功率輸出功率 P/mW (連續(xù)單縱模連續(xù)單縱模,25C) 20 15外量子效率外量子效率 /% 1520 2030閥值電流閥值電流 Ith/mA0.08頻譜漂移頻譜漂移 /(nm/C)3035邊模抑制比邊模抑制比 /dB0.040.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱

27、模連續(xù)波單縱模譜線寬度譜線寬度 1.3 1.55工作波長工作波長m/d341010現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁，共60頁光源組件實(shí)例現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁，共60頁3.2 光檢測器光檢測器 3.2.1 光電二極管工作原理光電二極管工作原理 3.2.2 PIN 光電二極管光電二極管 一、工作原理和結(jié)構(gòu)一、工作原理和結(jié)構(gòu) 二、二、PIN光電二極管主要特性光電二極管主要特性 (1) 量子效率和光譜特性量子效率和光譜特性 (2) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性 (3) 噪聲噪聲 3.2.3 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 一、工作原理和結(jié)構(gòu)一、工作原理和結(jié)構(gòu) 二、二、 APD特性參數(shù)特性參數(shù)

28、3.2.4 光電二極管一般性能和應(yīng)用光電二極管一般性能和應(yīng)用現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁，共60頁3.2 光檢測器光檢測器 在耗盡層 形成漂移電流。 內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)3.2.1 光電二極管工作原理光電二極管工作原理 把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能， 是由半導(dǎo)體PN結(jié)的實(shí)現(xiàn)的。 電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)PN結(jié)界面 內(nèi)部電場 漂移運(yùn)動(dòng) 能帶傾斜 如果光子的能量大于或等于帶隙( hf Eg )當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí) 發(fā)生受激吸收現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁，共60頁 3.2.2 PIN 光電二極管光電二極管 PIN光電二極管的產(chǎn)生光電二極管的產(chǎn)生 由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被

29、中性區(qū)吸收， 因而光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率低低，響應(yīng)速度響應(yīng)速度慢慢。 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)本征半導(dǎo)體體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管光電二極管。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁，共60頁 3.2.3 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 光電二極管輸出電流輸出電流 I和反偏壓反偏壓U的關(guān)系示于圖3.24。 隨著反向偏壓反向偏壓的增加，開始光電流光電流基本保持不變。 當(dāng)反向偏壓反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿電壓擊穿電壓UB。 就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。 根據(jù)光電效應(yīng)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)

30、， 光子被吸收而產(chǎn)生電子電子 - 空穴對空穴對。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十七頁，共60頁 如果如果電壓增加到使電場達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。 高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，產(chǎn)生新的。 新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。 如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子載流子雪崩式倍增雪崩式倍增，見圖3.25。 所以所以這種器件就稱為雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十八頁，共60頁 圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）I0NPP(N)光現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十九頁，共60頁 3.2.4 光電二極管一

31、般性能和應(yīng)用光電二極管一般性能和應(yīng)用 表3.3和表3.4列出半導(dǎo)體(PIN和APD)的一般性能。 是有增益的光電二極管，在光接收機(jī)靈敏度靈敏度要求較高的場合，采用有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離。 要求不高的場合，一般采用PIN-PD。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁，共60頁-5-15-5-15工作電壓工作電壓 /V120.51結(jié)電容結(jié)電容 Cj/pF0.21210響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間250.11暗電流暗電流 Id/nA0.6(1.3 )0.4(0.85 )響應(yīng)度響應(yīng)度1.01.60.41.0波長響應(yīng)波長響應(yīng)InGaAs-PINSi-PINm/)W/(A1ns/mm表表3.3 PIN光電二極管一般特性光電二極管一

32、般特性現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十一頁，共60頁ns/0.50.70.30.4附加噪聲指數(shù)附加噪聲指數(shù) x203030100倍增因子倍增因子 g406050100工作電壓工作電壓 /V0.512結(jié)電容結(jié)電容 Cj/pF0.10.30.20.5響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間10200.11暗電流暗電流 Id/nA050.70.5響應(yīng)度響應(yīng)度11.650.41.0波長響應(yīng)波長響應(yīng)InGaAs-APDSi-APD)W/(A1m/表表3.4 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）一般性能）一般性能現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十二頁，共60頁3.3 光無源器件光無源器件 3.3.1 連接器和接頭連接器和接頭 3.3.2 光耦合器光耦合器

33、 一、耦合器類型一、耦合器類型 二、基本結(jié)構(gòu)二、基本結(jié)構(gòu) 三、主要特性三、主要特性 3.3.3 光隔離器與光環(huán)行器光隔離器與光環(huán)行器 3.3.4 光調(diào)制器光調(diào)制器 3.3.5 光開關(guān)光開關(guān)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十三頁，共60頁3.3 光光 無無 源源 器器 件件 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、 體積小、價(jià)格便宜、便于集成等。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十四頁，共60頁 3.3.1 連接器和接頭連接器和接頭 連接器連接器是實(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，或光纖線路與其他之間的連接。 表表 3.5 光纖連接器一般性能光纖連

34、接器一般性能 1 . 04050PC型型陶瓷陶瓷-40+80陶瓷陶瓷-20+70不銹鋼不銹鋼工作溫度工作溫度/C不銹鋼不銹鋼壽命（插拔次數(shù)）壽命（插拔次數(shù)）3540FC型型反射損耗反射損耗/dB互換性互換性/dB重復(fù)性重復(fù)性/dB0.20.3插入損耗插入損耗/dB性能性能型號(hào)或材料型號(hào)或材料項(xiàng)目項(xiàng)目3101 . 0410現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十五頁，共60頁圖 3.27 精密套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖 光纖套管插針粘結(jié)劑 連接器的分類： 單纖單纖(芯芯)連接器連接器和多纖多纖(芯芯)連接器連接器。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十六頁，共60頁 3.3.2 光耦合器光耦合器 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，

35、 或把多個(gè)輸入的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出。 1. 耦合器類型耦合器類型 T形耦合器形耦合器 星形耦合器星形耦合器 定向耦合器定向耦合器 波分復(fù)用器波分復(fù)用器/解復(fù)用器解復(fù)用器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十七頁，共60頁圖 3.28 常用耦合器的類型 T形(a)星 形(b)定向(c)231412N12N(d)波分現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十八頁，共60頁2. 基本結(jié)構(gòu)的分類基本結(jié)構(gòu)的分類 光纖型光纖型 微器件型微器件型 波導(dǎo)型波導(dǎo)型現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十九頁，共60頁 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)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十頁，共60頁 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； (