CH 通信用光器件ppt課件

1、第三章 通信用光器件第二講內(nèi)容提要n分布反饋式激光器（DFB）n光電二極管n主要內(nèi)容回顧1.分布反饋式激光器（DFB）n產(chǎn)生的背景n工作原理DFB產(chǎn)生的背景n隨著技術(shù)的進步，高速率的光纖通信系統(tǒng)不斷投入使用，對光源提出了更高的要求：（1）光源的譜線更窄；（2）高速調(diào)制下，能保持動態(tài)單縱模特性；（3）發(fā)射波長更穩(wěn)定，且能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)諧；（4）閾值電流更低，輸出功率更大。滿足上述特性的激光器就是分布反饋式（Distributed Feedback）激光器工作原理n普通的F-P諧振腔兩端的反射鏡對激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進行反饋，而DFB激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性（波紋狀）衍射光柵實現(xiàn)光的反饋

2、。n因此，把這種利用衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿整個有源層的分布進行反饋的結(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 衍 射 光 柵有 源 層N層P層輸 出 光光 柵有 源 層ba(a)(b) 如圖3.13所示，由有源層有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰光柵波紋峰反射(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)生更強的反饋，而其他波長的光相互抵消。雖然，每個波紋反射的光不大，但是整個光柵有成百上千個波紋，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。 ne 為材料有效折射率，

3、B為布喇格波長，m為衍射級數(shù)。 在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩激光振蕩的有兩個閾值閾值最低、增益相同的縱?？v模，其波長為 )221(22, 1LneBB(3.11)2Bemn (3.10)DFB激光器的優(yōu)點n單縱模激光器：nFP激光器的發(fā)射光譜由增益譜和激光器的縱模特性共同決定。由于其諧振腔的長度較長，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰縱模的增益差別小。因此，要得到單縱模振蕩就很困難。nDFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期決定。光柵周期相當(dāng)于FP激光器的腔長L，每一個光柵的周期都形成一個微型諧振腔。由于光柵周期很小，所以m階和m+1階模之間的波長比FP腔大很多，加上多個微型諧振腔的選模作用，就很容

4、易設(shè)計成只有一個模式能夠獲得足夠增益。于是，DFB激光器容易制成單縱模激光器。DFB激光器的優(yōu)點n譜線窄，波長穩(wěn)定性好n由于DFB激光器的每一個光柵周期相當(dāng)于一個FP腔，所以光柵形成的布拉格反射可以看作多級調(diào)諧，使得諧振波長的選擇性大大提高，譜線明顯變窄。此外，由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，使得波長穩(wěn)定性極好。DFB激光器的優(yōu)點n動態(tài)譜線好n由于DFB激光器能夠在高速調(diào)制時也能保持單模特性，因此，高速調(diào)制時的動態(tài)譜線特性比FP激光器能夠改善一個數(shù)量級。DFB激光器的優(yōu)點n線性好nDFB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.光檢測器n光電二極管的工作原理nP

5、IN光電二極管的工作原理nAPD光電二極管的工作原理2.1 光電二極管的工作原理n光電二極管（PD）的功能：光信號轉(zhuǎn)換為電（流）信號。n光電二極管的工作的物理基礎(chǔ)：光的吸收（光電效應(yīng)）n光（生）電流=漂移電流+擴散電流n入射光照射到光電二極管上時，不僅PN結(jié)會產(chǎn)生光電效應(yīng)，而且P區(qū)或者N區(qū)也會產(chǎn)生光電效應(yīng)。n光電二極管工作于反向偏置狀態(tài)。漂移電流的產(chǎn)生n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，便發(fā)生光的吸收，價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。n在耗盡層，由于內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動，形成漂移電流。擴散電流的產(chǎn)生n當(dāng)入射光照射在P

6、區(qū)或者N區(qū)時，由于該區(qū)域沒有內(nèi)電場（中性區(qū)）。所以，生成的光生電子空穴對在熱運動的作用下，向PN結(jié)結(jié)區(qū)擴散進入耗盡層。接著，在耗盡層內(nèi)電場的作用下，電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)運動光電二極管工作于反向偏置狀態(tài)n目的：提高響應(yīng)速度！n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散電流。n由于載流子的擴散速度比漂移速度慢得多，所以，減小擴散電流，可以顯著提高光電二極管的響應(yīng)速度。n但是，如果反向偏置電壓升高，會導(dǎo)致耗盡層增寬，增加了漂移運動的時間，進而使得響應(yīng)速度減慢。為了解決這個矛盾，必須改進PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)，于是就出現(xiàn)了PI

7、N光電二極管。2.2 PIN光電二極管n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)換效率光電轉(zhuǎn)換效率低低，響應(yīng)響應(yīng)速度速度慢慢。n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光電二極管光電二極管。PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理n中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體，用(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。nI層很厚， 吸收系數(shù)吸收系數(shù)很小，入射光很容易進入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子電子 - 空穴對空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率。n

8、兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層耗盡層， 因而光生電流中漂移分量漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度響應(yīng)速度。n另外，可通過控制耗盡層的寬度耗盡層的寬度w，來改變器件的響響應(yīng)速度應(yīng)速度。 圖3. 21 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)抗 反 射 膜光電 極(n)PNE電 極PIN光電二極管的工作特性n量子效率和光譜特性量子效率和光譜特性光電轉(zhuǎn)換效率光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率量子效率或響應(yīng)度響應(yīng)度表示。量子效率量子效率的定義為一次光光生電子生電子 -空穴對空穴對和入射光子數(shù)入射光子數(shù)的比值：式中， hf 為， e為。 00/PPIeIhfPhfPe光生電子空穴對入射光子

9、數(shù)(3.13)/(0WAhfePIP(3.14)響應(yīng)度響應(yīng)度的定義為一次光生電流光生電流IP和入射光功率入射光功率P0的比值 PIN光電二極管的工作特性n響應(yīng)時間和頻率特性響應(yīng)時間和頻率特性n光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應(yīng)能力響應(yīng)能力用脈脈沖響應(yīng)時間沖響應(yīng)時間或截止頻率截止頻率fc(帶寬B)表示。主要由載流子在耗盡層的渡越時間和檢測電路的時間常數(shù)決定。PIN光電二極管的工作特性n噪聲（噪聲（噪聲噪聲影響光接收機的靈敏度）靈敏度）n噪聲噪聲包括散粒噪聲散粒噪聲(Shot Noise)(由信號電流和暗電流產(chǎn)生) 熱噪聲熱噪聲(由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生)n暗電流暗電流是器件在反反偏壓偏壓

10、條件下，沒有入射光時產(chǎn)生的反向直流反向直流電流。在一般的二極管中，此電流被稱為反向電流。ne為電子電荷，B為放大器帶寬，Ip和Id分別為信號電流和暗電流。 稱為量子噪聲量子噪聲(由于入射光子和所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機性而產(chǎn)生，是不可克服的。它決定了光接收機的極限靈敏度。) 是暗電流暗電流產(chǎn)生的噪聲。22 ()shpdE ie iiBn式中，k=1.3810-23J/K為，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。RKTB4(3.23)i2T=i2=2e(IP+Id)B+ RKTB4(3.24)因此， 光電二極管的總均方噪聲電流總均方噪聲電流為2.3 雪

11、崩光電二極管n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。n當(dāng)反向偏壓反向偏壓增加到一定數(shù)值時，光電流光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個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 U暗電流I00UB碰撞電離n根據(jù)光電效應(yīng)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時， 光子被吸收而產(chǎn)生電子電子 - 空穴對空穴對。n如果如果電壓增加到使電場達到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動。n高速運動的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，產(chǎn)生新的。 n新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，

12、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。 圖 3.25 APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）I0NPP(N)光APD光電二極管的典型結(jié)構(gòu)2.4 光無源器件n一個完整的光纖通信系統(tǒng)，除了光纖、光源和光檢測器之外，還需要許多其他光學(xué)器件，特別是無源器件。n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、價格便宜、便于集成等。連接器和接頭n連接器連接器是實現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件， 主要用于光纖線路與光發(fā)射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他之間的連接。n接頭接頭是實現(xiàn)光纖與光纖之間的（固定）連接。其主要用于光纖線路的構(gòu)成，通

13、常在工程現(xiàn)場實施。連接器 表表 3.5 光纖連接器一般性能光纖連接器一般性能 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性能性能型號或材料型號或材料項目項目3101 . 0410(1)FC型光纖連接器這種連接器最早是由日本NTT研制。FC是Ferrule Connector的縮寫，表明其外部加強方式是采用金屬套，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接端面是平面接觸方

14、式(FC)。此類連接器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，制作容易，但光纖端面對微塵較為敏感，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，對該類型連接器做了改進，采用對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)造上的特點可以保證兩條連接的光纖更準確地對齊，而且可以防止光纖在配合時旋轉(zhuǎn)。 (3) LC型連

15、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)用也增長迅速。 光耦合器n 耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出， 或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。n1. 耦合器類型耦合器類型nT形耦合器形耦合器n星形耦合器星形耦合器n定向耦合器定向耦合器n波分復(fù)用器波分復(fù)用器/解復(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(

16、c)231412N12N(d)波分光耦合器的基本結(jié)構(gòu)分類n光纖型光纖型n微器件型微器件型n波導(dǎo)型波導(dǎo)型光纖型光耦合器光纖型光耦合器n把兩根或多根光纖排列，用制作各種器件。 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22耦合器組成的88星形耦合器 輸 入 光光 強 度光 纖 a光 纖 b 輸 出 光2341(a)(b)123456789101112(c)耦合長度耦合長度光功率光功率耦合臂ababab圖圖3.30 光纖型波分復(fù)用解復(fù)用器工作原理光纖型波分復(fù)用解復(fù)用器工作原理微器件型光耦合器微器件型光耦合器n用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射， 部分反射)

17、、濾光片(一個波長的光透射，另一個波長的光反射)或光柵(不同波長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)用器光 纖自 聚 焦 透 鏡自 聚 焦 透 鏡光 纖濾 光 片1、 2121231 2 3光 纖自 聚 焦 透 鏡硅 光 柵光 纖自 聚 焦 透 鏡分 光 片1342(b)(a)(c)(d)衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖衍射光柵型波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖光光 纖纖透透 鏡鏡光光 柵柵 1 2 3 1 2 3 1+ 2+ 3 1+ 2+ 3采用棒透鏡的光柵型采用棒透鏡的光柵型WDM光光 纖纖棒棒 透透 鏡鏡光光 柵柵 1+ 2+ 3 1 2 3+