通信用光器件

1、1 2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 激光器的工作原理。 光源和光電檢測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 發(fā)光機理。3 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)動電路工作原理。 掌握光電檢測器的工作原理及特性。 掌握無源光器件的功能及主要性能。4 光源器件：光纖通信設(shè)備的核心，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號送入光纖。 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）

2、：適用于長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)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。53.1.1 激光器的工作原理 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P-N結(jié)注入電流，實現(xiàn)結(jié)注入電流，實現(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，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩輸出激光。反饋，實現(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)激光器的物理基礎(chǔ) （1）光子的概念）光子的概念 光量子學(xué)

3、說認為，光是由能量為光量子學(xué)說認為，光是由能量為hf 的光量子組成的，的光量子組成的，其中其中h=6.6281034 Js（焦耳（焦耳秒），稱為普朗克常數(shù)，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是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子光子。 當光與物質(zhì)相互作用時，光子的能量作為一個整體當光與物質(zhì)相互作用時，光子的能量作為一個整體被吸收或發(fā)射。被吸收或發(fā)射。6（2） 半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的特性n自然界中的物質(zhì)，依其導(dǎo)電能力的強弱，通?？煞肿匀唤缰械奈镔|(zhì)，依其導(dǎo)電能力的強弱，通?？煞譃闉?大類：大類：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。電阻率低于。電阻率低于10-4cm的物質(zhì)為

4、導(dǎo)體，如銅、鋁等。導(dǎo)體原子的最的物質(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，在外電場作用下，這些自由電子將逆著電由電子，在外電場作用下，這些自由電子將逆著電場方向作定向運動形成較大的電流，因此導(dǎo)體的導(dǎo)場方向作定向運動形成較大的電流，因此導(dǎo)體的導(dǎo)電能力強。電能力強。n定義：定義：半導(dǎo)體是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體（半導(dǎo)體是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體（conductor）和絕緣體（和絕緣體（insulator）之間的一種物質(zhì)。）之間的一種物質(zhì)。 3.1.1 激光器的工作原理73.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理n半導(dǎo)體

5、材料：元素半導(dǎo)體：硅（半導(dǎo)體材料：元素半導(dǎo)體：硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge）化合）化合物砷化鎵（物砷化鎵（GaAs）目前最常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺。）目前最常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺。n半導(dǎo)體重要特性：熱敏特性半導(dǎo)體重要特性：熱敏特性; 光敏特性光敏特性; 摻雜特性。摻雜特性。8+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅單晶的共價鍵結(jié)構(gòu)硅單晶的共價鍵結(jié)構(gòu)http:/ 激光器的工作原理激光器的工作原理圖3.1 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵結(jié)構(gòu) 9n溫度越高，半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的自由電子便越多。溫度越高，半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的自由電子便越多。束縛電子脫離共價鍵成為自由電子后，在原來的位束縛電子脫離共價鍵成為自由電

6、子后，在原來的位置留有一個空位，稱此空位為空穴。置留有一個空位，稱此空位為空穴。n 當溫度上升或受光照時當溫度上升或受光照時，價電子以熱運動的形式，價電子以熱運動的形式不斷從外界獲得一定的能量，少數(shù)價電子因獲得的不斷從外界獲得一定的能量，少數(shù)價電子因獲得的能量較大，而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，能量較大，而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，同時在原來的共價鍵的相應(yīng)位置上留下一個空位，同時在原來的共價鍵的相應(yīng)位置上留下一個空位，叫叫“空穴空穴”，如圖，如圖3.3的的A處為空穴，處為空穴，B處為自由電處為自由電子，顯然，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，所以稱子，顯然，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，所以

7、稱它們?yōu)殡娮铀鼈優(yōu)殡娮涌昭▽Α０言诠饣驘岬淖饔孟?，本征空穴對。把在光或熱的作用下，本征半?dǎo)體中產(chǎn)生電子半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象，叫本征激發(fā)?？昭▽Φ默F(xiàn)象，叫本征激發(fā)。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理103.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理11n那么當共價鍵中由于失去一個價電子而出現(xiàn)一個空那么當共價鍵中由于失去一個價電子而出現(xiàn)一個空穴時，如圖穴時，如圖3.3中中A處，與其相鄰的價電子很容易離處，與其相鄰的價電子很容易離開它所在的共價鍵填補到這個空穴中來，使該價電開它所在的共價鍵填補到這個空穴中來，使該價電子原來所處的共價鍵中出現(xiàn)一個空穴，如圖子原來所處的共價鍵中出現(xiàn)一個空

8、穴，如圖1.3中中C處，這樣空穴便從處，這樣空穴便從A處移至處移至C處。處。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理123.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理13n本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，數(shù)目相本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，數(shù)目相同。圖同。圖3.2所示為本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子空穴對，所示為本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子空穴對，半導(dǎo)體中存在兩種載流子，一種是帶負電的自由電半導(dǎo)體中存在兩種載流子，一種是帶負電的自由電子，另一種是帶正電的空穴，它們都可以運載電荷子，另一種是帶正電的空穴，它們都可以運載電荷形成電流。形成電流。 本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴相伴本征半導(dǎo)體中，自由電子

9、和空穴相伴產(chǎn)生，數(shù)目相同。產(chǎn)生，數(shù)目相同。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理14n雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體: 摻入摻入微量的微量的五價元素（雜質(zhì)）五價元素（雜質(zhì)）如磷如磷（P）、砷（）、砷（As）等，則構(gòu)成）等，則構(gòu)成N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 形成一形成一個自由電子和不能移動的個自由電子和不能移動的正離子正離子。 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體: 摻入摻入微量微量三價元素（雜質(zhì)）三價元素（雜質(zhì)）如硼如硼（B）、銦（）、銦（In）等，則構(gòu)成）等，則構(gòu)成P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 形成一形成一個空穴和不能移動的個空穴和不能移動的負離子負離子。 P型半導(dǎo)體中，空穴型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子

10、（多子），自由電子為少數(shù)載流子為多數(shù)載流子（多子），自由電子為少數(shù)載流子（少子）。（少子）。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電。型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理153.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理圖3.4 N型半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 16圖3.5 P型半導(dǎo)體共價鍵結(jié)構(gòu) 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理17n PN結(jié)的形成結(jié)的形成 多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運動多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運動稱為稱為擴散運動擴散運動，如圖，如圖3.6 所示。所示。圖3.6P型和N型半導(dǎo)體交界處載流子的擴散 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理18n

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

12、原理19圖3.7 PN結(jié)的形成 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理20n 空間電荷區(qū)出現(xiàn)后，因為正負電荷的作用，將產(chǎn)空間電荷區(qū)出現(xiàn)后，因為正負電荷的作用，將產(chǎn)生一個從生一個從N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場。內(nèi)電場的方向，區(qū)的內(nèi)電場。內(nèi)電場的方向，會對多數(shù)載流子的擴散運動起阻礙作用。同時，內(nèi)會對多數(shù)載流子的擴散運動起阻礙作用。同時，內(nèi)電場則可推動少數(shù)載流子（電場則可推動少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和區(qū)的自由電子和N區(qū)區(qū)的空穴）越過空間電荷區(qū)，進入對方。少數(shù)載流子的空穴）越過空間電荷區(qū)，進入對方。少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動漂移運動。漂移。漂移

13、運動和擴散運動的方向相反。無外加電場時，通過運動和擴散運動的方向相反。無外加電場時，通過PN結(jié)的擴散電流等于漂移電流，結(jié)的擴散電流等于漂移電流，PN結(jié)中無電流流結(jié)中無電流流過，過，PN結(jié)的寬度保持一定而處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)的寬度保持一定而處于穩(wěn)定狀態(tài)。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理21n如果在如果在PN結(jié)兩端加上不同極性的電壓，結(jié)兩端加上不同極性的電壓，PN結(jié)會呈結(jié)會呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能?，F(xiàn)出不同的導(dǎo)電性能。nPN結(jié)外加正向電壓，結(jié)外加正向電壓，PN結(jié)結(jié)P端接高電位，端接高電位，N端接低端接低電位，稱電位，稱PN結(jié)外加正向電壓，又稱結(jié)外加正向電壓，又稱PN結(jié)正向偏置，結(jié)正向偏置，簡稱

14、為正偏，如圖簡稱為正偏，如圖3.8所示。所示。圖3.8 PN結(jié)外加正向電壓 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理22nPN結(jié)外加反向電壓，結(jié)外加反向電壓，PN結(jié)結(jié)P端接低電位，端接低電位，N端接高端接高電位，稱電位，稱PN結(jié)外加反向電壓，又稱結(jié)外加反向電壓，又稱PN結(jié)反向偏置，結(jié)反向偏置，簡稱為反偏，如圖簡稱為反偏，如圖3.9所示。所示。圖3.9 PN結(jié)外加反向電壓 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理23 （3）原子能級）原子能級 物質(zhì)是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子物質(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。構(gòu)成。原子有不同穩(wěn)定狀態(tài)的

15、能級。 +32 圖3.10 鍺原子的結(jié)構(gòu)模型鍺原子的結(jié)構(gòu)模型24最 低的能級低的能級E1 稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級E i（i=2，3，4，）都稱為激發(fā)態(tài)。當電子從較高能）都稱為激發(fā)態(tài)。當電子從較高能級級E2躍遷至較低能級躍遷至較低能級E1時，其能級間的能量差為時，其能級間的能量差為E =E2E1，并以光子的形式釋放出來，這個能量差與輻，并以光子的形式釋放出來，這個能量差與輻射光的頻率射光的頻率f 12之間有以下關(guān)系式之間有以下關(guān)系式 式中，式中，h為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，f 12 為吸收或輻射的光子頻率。為吸收或輻射的光子頻率。當處于低能級當

16、處于低能級E1 的電子受到一個光子能量的電子受到一個光子能量E =hf12的光的光照射時，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能照射時，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級級E2 上去。上去。 光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測元件就是利用這兩種光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測元件就是利用這兩種現(xiàn)象現(xiàn)象。1212hfEEE（3-1）25（4）半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶n在大量原子相互靠近形成半導(dǎo)體晶體時，由于半導(dǎo)在大量原子相互靠近形成半導(dǎo)體晶體時，由于半導(dǎo)體晶體內(nèi)部電子的共有化運動，使孤立原子中離散體晶體內(nèi)部電子的共有化運動，使孤立原子中離散能級變成能帶。能級變成能帶。n在圖在圖3.11中，半

17、導(dǎo)體內(nèi)部自由運動的電子中，半導(dǎo)體內(nèi)部自由運動的電子(簡稱自由簡稱自由電子電子)所填充的能帶稱為導(dǎo)帶；價電子所填充的能所填充的能帶稱為導(dǎo)帶；價電子所填充的能帶稱為價帶；導(dǎo)帶和價帶之間不允許電子填充，所帶稱為價帶；導(dǎo)帶和價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，用以稱為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示，單表示，單位為電子伏特位為電子伏特(eV)。3.1.1 激光器的工作原理能級、導(dǎo)帶，價帶，禁帶示意圖：http:/ 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)3.1.1 激光器的工作原理27 （5）光與物質(zhì)的三種作用形式）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

18、作用，將發(fā)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。所示。圖3-12 能級和電子躍遷28 在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級（即基態(tài)）在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級（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在入射光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級（即激發(fā)態(tài)）級（即激發(fā)態(tài)）E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收收光電檢測器。光電檢測器。http:/ 處于高能級處于高能級E2 上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的上的

19、電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自發(fā)地躍遷到低能級作用，也會自發(fā)地躍遷到低能級E1 上與空穴復(fù)合，釋放上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射，這種躍遷稱為自發(fā)輻射發(fā)光二極管。發(fā)光二極管。http:/ 29 在高能級在高能級E2上的電子，受到外界作用時（電壓、上的電子，受到外界作用時（電壓、電流、光子），使電子被迫躍遷到低能級電流、光子），使電子被迫躍遷到低能級E1 上與上與空穴復(fù)合，同時釋放出一個與激光發(fā)光同頻率、同空穴復(fù)合，同時釋放出一個與激光發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子（稱為全同光子）。由于這個相位、同方向的光子（稱為全同光子）

20、。由于這個過程是在外來（電壓、電流、光子過程是在外來（電壓、電流、光子)的激發(fā)下產(chǎn)生的激發(fā)下產(chǎn)生的，所以這種躍遷稱為受激輻射的，所以這種躍遷稱為受激輻射激光器。激光器。http:/ 注：受激輻射光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。注：受激輻射光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光。30 （5）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大）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。受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。 如設(shè)低能級上的粒子密度為如設(shè)低能級上的粒子密度為N1，高能級上的粒子密度，高能級上的粒子密度為為N2，在正常狀態(tài)下，在正常狀態(tài)下， N1 N2，總是受激吸收大于受激，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡條件下

21、，物質(zhì)不可能有光的放大作用。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，即使吸收，即使N2 N1 （高能級上的電子數(shù)多于低能級上的（高能級上的電子數(shù)多于低能級上的電子數(shù)），這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）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。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。要條件。31 2激光器的工作原理激光器的工作原理 激光器包括以下激光器包括以下3個部分：個部分： 必須有產(chǎn)生激

22、光的必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)工作物質(zhì)（激活物質(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)的激勵源激勵源（泵浦源）；（泵浦源）； 必須有能夠完成頻率選擇及反饋作用的必須有能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔。 （1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)）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。質(zhì)或增益物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。 32 （2）泵浦源）泵浦源 使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源，稱為使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分

23、布的外界激勵源，稱為泵浦源。泵浦源。 物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2N1，從而受激輻射，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時的工作物質(zhì)已被大于受激吸收，有光的放大作用。這時的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。 （3）光學(xué)諧振腔）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光的頻率和方向進行選振腔中，以提供必要的反饋及對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。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

24、振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。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。 33圖3-13 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 在激活物質(zhì)的兩端的適當位置，放置兩個反射系數(shù)分別為在激活物質(zhì)的兩端的適當位置，放置兩個反射系數(shù)分別為r1和和r2的平行反射鏡的平行反射鏡M1和和M2，就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔。，就構(gòu)成了最簡單的光學(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，如圖稱為球面腔，如圖3-13所示。對于兩個反射鏡，要求其中一個能所示。對于兩個反射鏡，要求其中一個能全反射，另一個為部分反射

25、。全反射，另一個為部分反射。34 諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程 如圖如圖3-14所示，當工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實現(xiàn)粒子數(shù)所示，當工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實現(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。射才能存在，繼續(xù)前進。 當它遇到一個高能級上的粒子時，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷，當它遇到一個高能級上的粒子時，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷，在從高能級躍遷到低能級中放

26、出一個全同的光子，為受激輻射。在從高能級躍遷到低能級中放出一個全同的光子，為受激輻射。 當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當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2的整數(shù)倍時，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強，產(chǎn)的整數(shù)倍時，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強，產(chǎn)生諧振。達到一定強度后，就從部分反射鏡生諧振。達到一定強度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成一透射出來，形成一束筆直的激光。束筆直的激光。 當達到平衡時，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得的當達到平衡時，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，激光器

27、即保持穩(wěn)定的輸出。能量，恰好抵消所消耗的能量時，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。35圖3-14 激光器示意圖激光器模型:http:/ 光學(xué)諧振腔的諧振條件與諧振頻率光學(xué)諧振腔的諧振條件與諧振頻率 設(shè)諧振腔的長度為設(shè)諧振腔的長度為L，則諧振腔的諧振條件為，則諧振腔的諧振條件為 （3-2）或或 （3-3） 式中，式中，c為光在真空中的速度，為光在真空中的速度，為激光波長，為激光波長，n為激活為激活物質(zhì)的折射率，物質(zhì)的折射率，L為光學(xué)諧振腔的腔長，為光學(xué)諧振腔的腔長，q=1，2，3稱稱為縱模模數(shù)。為縱模模數(shù)。 諧振腔只對滿足式（諧振腔只對滿足式（3-2）的光波波長或式（）的光波波長或式（3-3）的）的光波頻

28、率提供正反饋，使之在腔中互光波頻率提供正反饋，使之在腔中互相加強產(chǎn)生諧振形相加強產(chǎn)生諧振形成激光。成激光。qnL2nLqf2cc37 起振的閾值條件起振的閾值條件 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。如以條件。如以G th表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是 （3-4） 為光學(xué)諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，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)諧振為光學(xué)諧振腔的腔長，腔的腔長，r1，r2為光學(xué)諧振腔兩個反射鏡的反射系數(shù)。為光學(xué)諧振腔兩個反射鏡的反射系數(shù)。21th1ln21rrLG38 用半導(dǎo)體材

29、料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器（光器（LD），對），對LD的要求如下。的要求如下。 光源的發(fā)光波長應(yīng)符合目前光纖的三個低損耗窗口光源的發(fā)光波長應(yīng)符合目前光纖的三個低損耗窗口（即（即0.85m、1.31m和和1.55m）。）。 能夠在室溫下長時間連續(xù)工作，并能提供足夠的光能夠在室溫下長時間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。目前輸出功率。目前LD的尾纖輸出功率可達的尾纖輸出功率可達500W2mW；LED的尾纖輸出功率可達的尾纖輸出功率可達10W左右。左右。 與光纖耦合效率高。與光纖耦合效率高。 光源的譜線寬度要窄。較好的光源的譜線寬度要窄。

30、較好的LD的譜線寬度可達的譜線寬度可達到到0.1nm。 壽命長，工作穩(wěn)定。壽命長，工作穩(wěn)定。39 1半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理半導(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：有兩種方式構(gòu)成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型腔激光器和分布反饋型（DFB）激光器。）激光器。F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如種，如圖圖3-15所示。所示。圖3-15 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖40 （1）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。 其核心部分是一個其核心部分是一個P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。 缺點是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能缺點是

31、閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實用。實用。 （2）異質(zhì)半導(dǎo)體激光器）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。兩種。 異質(zhì)半導(dǎo)體激光器的異質(zhì)半導(dǎo)體激光器的“結(jié)結(jié)”是由不同的半導(dǎo)體材料制是由不同的半導(dǎo)體材料制成的，目的是降低閾值電流，提高效率。成的，目的是降低閾值電流，提高效率。 特點是對電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，特點是對電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強度。增加了發(fā)光強度。 目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖3-16所示的所示的銦鎵砷磷（銦鎵

32、砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。41圖3-16 InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu) nInGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層，它是發(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)。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)。最下面一層最下面一層nInP是襯底，頂層是襯底，頂層P+InGaAsP是接觸層，其作用是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。是為了改善和金屬電極的接觸。http:/ （3）工作原理）工作原理 用半導(dǎo)體材料做成的激光器，當激光器的用半導(dǎo)體材料做成的激光器，當激

33、光器的P-N結(jié)上外結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時，將使得加的正向偏壓足夠大時，將使得P-N結(jié)的結(jié)區(qū)出現(xiàn)了高能結(jié)的結(jié)區(qū)出現(xiàn)了高能級粒子多、低能級粒子少的分布狀態(tài)，這即是粒子數(shù)反級粒子多、低能級粒子少的分布狀態(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。情況，可產(chǎn)生光的放大作用。 被放大的光在由被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)成的F-P光學(xué)諧振腔（諧振腔光學(xué)諧振腔（諧振腔的兩個反射鏡是由半導(dǎo)體材料的天然解理面形成的）中的兩個反射鏡是由半導(dǎo)體材料的天然解理面形成的）中來回反射，不斷增強，當滿足閾值條件后，即可發(fā)

34、出激來回反射，不斷增強，當滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光光。P-N結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的機理：http:/ 2半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性 （1）發(fā)射波長）發(fā)射波長 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶時所釋放出的能量，這個能量近似等于禁帶寬度帶時所釋放出的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式（，由式（3-1）得）得 hf = Eg （3-5） 式中式中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=3108m/s， h=6.6281034 Js，leV=1.601019 J為電

35、為電子伏特，代入式（子伏特，代入式（3-5）得）得 (m) （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)這個原理可以制成不同發(fā)射波長的激光器。據(jù)這個原理可以制成不同發(fā)射波長的激光器。cf)eV(24. 1gE44 （2）閾值特性）閾值特性 對于對于LD，當外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急，當外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用Ith 表示。如圖表示。如圖3-17所示。閾值電流越小越好。所示。閾值電流越小越好。圖3-17

36、 典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線 http:/ （3）光譜特性）光譜特性 LD的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當?shù)墓庾V隨著激勵電流的變化而變化。當IIth時，發(fā)出的是熒時，發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如圖光，光譜很寬，如圖3-18（a）所示。當）所示。當I Ith后，發(fā)射光譜突然變后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖窄，譜線中心強度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖3-18（b）所示）所示。圖3-18 GaAlAs-GaAs激光器的光譜46 隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。當驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這

37、種變窄。當驅(qū)動電流足夠大時，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。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，所對應(yīng)的光譜只有一根譜線，如圖的單縱模譜線，所對應(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）所示。而在高碼速調(diào)制情況下，其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。如圖譜線。如圖3-19（b）所示。）所示。 一般，用一般，用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動態(tài)單縱模激光器，模激光器，要得到

38、高速數(shù)字調(diào)制的動態(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:http:/ GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜48 （4）轉(zhuǎn)換效率）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d表示，其定義為激光器達到閾值后，輸出光子數(shù)的增表示，其定義為激光器達到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，其表達式為量與注入電子數(shù)的增量之比，其表達式為 （3-7）由此得由此得 （3-8 ） 式中，式中，P為激光器的輸出光功率；為

39、激光器的輸出光功率；I為激光器的輸出驅(qū)動為激光器的輸出驅(qū)動電流，電流，Pth為激光器的閾值功率；為激光器的閾值功率；Ith為激光器的閾值電流；為激光器的閾值電流；hf 為光子能量；為光子能量；e為電子電荷。為電子電荷。ththththd/ )(/ )(IIPPeIIhfPPhfe)(thdthIIehfPP49 （5）溫度特性）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。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，其變化情況如圖閾值電流隨溫度的升高而加大，其變化情況如圖3-20所示。所示。圖3-20 激光器閾值電流隨溫度變化的曲線5

40、0 3分布反饋半導(dǎo)體激光器（分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD） DFB-LD是一種可以產(chǎn)生動態(tài)控制的單縱模激光器（稱是一種可以產(chǎn)生動態(tài)控制的單縱模激光器（稱為動態(tài)單縱模激光器），即在高速調(diào)制下仍然能單縱模為動態(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，作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的，如圖如圖3-21所示。所示。圖3-21 DFB-LD結(jié)構(gòu)示意圖51分布反饋式激光器光柵結(jié)構(gòu)：http:/ 4量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱半導(dǎo)體激光器 量子阱半

41、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＃鐖D厚度很?。◣资＃鐖D3-22所示。當有源區(qū)的厚度非常小時，所示。當有源區(qū)的厚度非常小時，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個勢能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個勢能阱，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。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53 1LED的工作原理的工作原理 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，）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。它的基本工作原理是自發(fā)輻

42、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)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。出的是相干光。54 2LED的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒有解理沒有解理面，即沒有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有面，即沒有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。閾值。 LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型分為兩大類：一類是面發(fā)光

43、型LED，另一類是邊，另一類是邊發(fā)光型發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-23所示。所示。圖3-23 常用的兩類發(fā)光二極管（LED）55發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu):http:/ 3LED的工作特性的工作特性 （1）光譜特性）光譜特性 LED譜線寬度譜線寬度比激光器寬得多。圖比激光器寬得多。圖3-24是是InGaAsP LED的輸出光譜。的輸出光譜。 圖3-24 InGaAsP LED的發(fā)光光譜 57 （2）輸出光功率特性）輸出光功率特性 兩種類型的兩種類型的LED輸出光功率特性如圖輸出光功率特性如圖3-25所示。驅(qū)動電流所示。驅(qū)動電流I 較小較小時，時，P I 曲線的線性較好；當曲線的線

44、性較好；當I 過大時，由于過大時，由于P-N結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使和現(xiàn)象，使P I 曲線的斜率減小。曲線的斜率減小。圖3-25 發(fā)光二極管（LED）的P I 特性http:/ （3）溫度特性）溫度特性 由于由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。是無閾值器件，因此溫度特性較好。 （4）耦合效率）耦合效率 由于由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦發(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。合效率較低。一般只適于短距離傳輸。 （5）調(diào)制特性）調(diào)制特性 調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型LED

45、截止截止頻率為頻率為20MHz30MHz，邊發(fā)光型，邊發(fā)光型LED截止頻率為截止頻率為100MHz150MHz。 比較：比較： LED與與LD相比，相比，LED輸出光功率較小，譜線寬輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但度較寬，調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長，使用性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。低廉。59 LED通常和多模光纖耦合，用于通常和多模光纖耦合，用于1.31m或或0.85m波波長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。 LD通常和單模光纖耦合，用于通常

46、和單模光纖耦合，用于1.31m或或1.55m大容大容量、長距離光通信系統(tǒng)。量、長距離光通信系統(tǒng)。 分布反饋半導(dǎo)體激光器（分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）主要也和單模光）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，用于纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，用于1.55m超大容量的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。新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。60 光電檢測器完成光光電檢測器完成光/電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是：要求是： 在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，能夠輸

47、出盡可能大的光電流；定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流； 具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵稻哂凶銐蚩斓捻憫?yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；統(tǒng)； 具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；響； 具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不具有良好的線性關(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真；失真； 具有較小的體積、較長的工作壽命等。具有較小的體積、較長的工作壽命等。 目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，PIN光電二極管光電二極管和和APD雪崩光電二極管。雪崩光電二極管。61能級、導(dǎo)帶，價帶，禁帶示意圖

48、：http:/ 當入射光子能量當入射光子能量hf 小于小于禁帶寬度禁帶寬度Eg時，不論入射光有多強，光電時，不論入射光有多強，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足以下條件效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足以下條件 hf Eg （3-9） 即光頻即光頻fc 的入射光是不能產(chǎn)生光電效應(yīng)的，將的入射光是不能產(chǎn)生光電效應(yīng)的，將fc 轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為波長，則波長，則 c= 。即只有波長。即只有波長 c 的入射光，才能使這種材的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故料產(chǎn)生光生載流子，故c 為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，又為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，又稱為截至波長，相應(yīng)的稱為截至波長，相應(yīng)

49、的fc 稱為截至頻率。稱為截至頻率。hEggEhc62hEggEhc圖3-26 半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)n-p能帶圖：能帶圖：http:/ PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、型、N型半導(dǎo)體之間，加型半導(dǎo)體之間，加一層輕摻雜的一層輕摻雜的N型材料，稱為型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層，如圖摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層，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）所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如圖圖3-27（

50、b）所示。）所示。圖3-27 PIN光電二極管64PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)：http:/ 雪崩光電二極管，又稱雪崩光電二極管，又稱APD（Avalanche Photo Diode）。它不）。它不但具有光但具有光/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。管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。1APD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 目前目前APD結(jié)構(gòu)型式，有保護環(huán)型和拉通（又稱通達）型。結(jié)構(gòu)型式，有保護環(huán)型和拉通（又稱通達）型。 保護環(huán)型在制作時淀積一層環(huán)形保護環(huán)型在制作時淀積一層環(huán)形N型材料，以防止在高反壓時使型材料，以防止在高反壓時使

51、P-N結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。 拉通型雪崩光電二極管（拉通型雪崩光電二極管（RAPD）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布如圖）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布如圖3-25所示。圖所示。圖3-17（a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖）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針轉(zhuǎn)）所示的是將縱向剖面順時針轉(zhuǎn)90的示意圖。圖的示意圖。圖3-28（c）所）所示的是它的電場強度隨位置變化的分布圖。示的是它的電場強度隨位置變化的分布圖。 APD隨使用的材料不同有幾種：隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長區(qū)）；（工作在短波長區(qū)）；Ge-APD和和InGaAs-APD（工

52、作在長波長區(qū)）等。（工作在長波長區(qū)）等。 66圖3-28 RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖APD結(jié)構(gòu)：http:/ APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強電場加速，獲得結(jié)區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強電場加速，獲得高的動能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價帶的電子得到了能量；越高的動能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價帶的電子得到了能量；越過禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子過禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子空穴對；新產(chǎn)生的電子空穴對；新產(chǎn)生的電子空穴對空穴對在強電場中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新

53、的電子在強電場中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子空穴對空穴對如此循環(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。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器。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器。雪崩倍增效應(yīng)示意圖：http:/ PIN管特性包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)時間和暗電管特性包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)時間和暗電流。流。 APD管除有上述特性外，還有雪崩倍增特性、溫度特管除有上述特性外，還有雪崩倍增特性、溫度特性等。性等。 1PIN光電二極管的特性光電二極管的特性 （1）響應(yīng)度和量子效率）響應(yīng)

54、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。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。 響應(yīng)度響應(yīng)度 響應(yīng)度定義響應(yīng)度定義 （A/W）（3-10） 其中，其中，Ip為光電檢測器的平均輸出電流，為光電檢測器的平均輸出電流，Pin為入射到為入射到光電二極管上的平均光功率。光電二極管上的平均光功率。 inpPIR 69 量子效率量子效率 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。它定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即 （3-11） 其中，其中，e為電子電荷，為電子電荷，hf

55、 為一個光子的能量，為一個光子的能量， （3-12） 式中式中 m/s為光速，為光速， s為普朗克常數(shù)。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）有關(guān)。圖長）有關(guān)。圖3-29為硅為硅APD雪崩管的量子效率與波長的關(guān)系。雪崩管的量子效率與波長的關(guān)系。inpinpPIhfPeI入射光子數(shù)目空穴對數(shù)目子光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電Rehfehf 24. 1chehfeR8103cJ10628. 634h70圖3-29為硅APD雪崩管的量子效率與波長的關(guān)系。71 （2）響應(yīng)時間）響應(yīng)時間 響應(yīng)速度是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光

56、電流跟隨入響應(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變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時間（上升時間射光信號變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時間（上升時間和下降時間）來表示。顯然響應(yīng)時間越短越好。和下降時間）來表示。顯然響應(yīng)時間越短越好。 （3）暗電流）暗電流 在理想條件下，當沒有光照時，光電檢測器應(yīng)無光電在理想條件下，當沒有光照時，光電檢測器應(yīng)無光電流輸出。但是實際上由于熱激勵等，在無光情況下，光流輸出。但是實際上由于熱激勵等，在無光情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。 嚴格地說，暗電流還應(yīng)包括器件表面的漏電流。暗電嚴格地說，暗電流還應(yīng)

57、包括器件表面的漏電流。暗電流會引起接收機噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越流會引起接收機噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。好。72 2APD的特性的特性 APD除了除了PIN的特性之外還包括雪崩倍增特性、溫度的特性之外還包括雪崩倍增特性、溫度特性等。特性等。 （1）倍增因子）倍增因子 倍增因子倍增因子g實際上是電流增益系數(shù)。在忽略暗電流影響實際上是電流增益系數(shù)。在忽略暗電流影響的條件下，它定義為的條件下，它定義為 g=I0/Ip （3-13） I0為有雪崩倍增時光電流平均值，為有雪崩倍增時光電流平均值，Ip為無倍增效應(yīng)時為無倍增效應(yīng)時光電流平均值。光電流平均值。PIN管由于無雪崩倍增作用，

58、所以管由于無雪崩倍增作用，所以g=1。 （2）溫度特性）溫度特性 隨著溫度的升高，倍增增益將下降。隨著溫度的升高，倍增增益將下降。 （3）噪聲特性）噪聲特性 PIN管的噪聲，主要為量子噪聲和暗電流噪聲，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。管還有倍增噪聲。73 無源光器件是除光源器件、光檢波器件之外不需要電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。源的光通路部件。 無源光器件可分為無源光器件可分為連接用的部件和功能性部件連接用的部件和功能性部件兩大類。兩大類。 連接用的部件有連接用的部件有各種光連接器，用做光纖和光纖、部各種光連接器，用做光纖和光纖、部

59、件（設(shè)備）和光纖、或部件（設(shè)備）和部件（設(shè)備）的件（設(shè)備）和光纖、或部件（設(shè)備）和部件（設(shè)備）的連接。連接。 功能性部件有功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰分路器、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)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。用、衰減等方面。74 光纖連接器，俗稱活接頭，光纖連接器，俗稱活接頭，ITU-T建議將其定義為建議將其定義為“用以穩(wěn)定用以穩(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現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與儀表、設(shè)光纖連接

60、器主要用于實現(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。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）光纖連接器的基本構(gòu)成 由三個部分組成的：兩個配合插頭和一個耦合管。兩個插頭裝由三個部分組成的：兩個配合插頭和一個耦合管。兩個插頭裝進兩根光纖尾端；耦合管起對準套管的作用。如圖進兩根光纖尾端；耦合管起對準套管的作用。如圖3-30所示。所示。圖3-30光纖活動連接器基本結(jié)構(gòu)75 （2）光纖連接器的分類）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)、機械耦合系統(tǒng)、光纖連接器按光纖數(shù)量、光耦合系統(tǒng)、機械耦合系統(tǒng)、套管結(jié)構(gòu)和緊固方式進行分類