有源光器件與無源光器件基本知識

1、關(guān)于有源光器件和無源光器件基本知識第一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光有源器件定義：需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件半導(dǎo)體光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半導(dǎo)體光探測器(PD,PIN,APD）光纖激光器（OFL:單波長、多波長）光放大器(SOA,EDFA)光波長轉(zhuǎn)換器(XGM,XPM,FWM)光調(diào)制器（EA）光開關(guān)/路由器第二張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光無源器件定義：不需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件光纖連接器（固定、活動,FC/PC,FC/APC）光纖定向耦合器/分支器光分插復(fù)用器（OADM)光波分/密集波分復(fù)用器（WDM/DWDM)

2、光衰減器（固定、連續(xù)）光濾波器（帶通、帶阻）光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關(guān)、無關(guān)）光偏振態(tài)控制器、光纖延遲線、光纖光柵第三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光器件與電器件的類比第四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月多波長光源DWDM光調(diào)制器光隔離器光耦合器光波長轉(zhuǎn)換光放大DWDM光色散補償光隔離器光環(huán)行器光波長轉(zhuǎn)換OADMDWDM光隔離器光環(huán)行器光開關(guān)可調(diào)諧濾波DWDMOXC光耦合器光調(diào)制解調(diào)光器件的應(yīng)用第五張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光器件的分類光電變換器件光開關(guān)與調(diào)制器件光放大器件光色散補償器件光網(wǎng)絡(luò)器件第六張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年

3、6月光電變換器件F-P腔激光二極管(LD)分布反饋布拉格激光器(DFB)分布布拉格反射激光器(DBR)外腔激光器與Q開關(guān)激光器發(fā)光二極管(LED)光纖激光器(OFL) 垂直腔表面發(fā)射激光器(ECSEL) 多波長光源與波長可調(diào)諧激光器光電探測器(PD、PIN、APD)第七張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光調(diào)制器件幅度調(diào)制機械調(diào)制電光調(diào)制直接調(diào)制電吸收光調(diào)制(EA)相位調(diào)制偏振調(diào)制光電集成芯片(OEIC)光子集成芯片(PIC)第八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光色散補償器件色散控制色散位移單模光纖非零色散位移單模光纖大有效截面單模光纖色散平坦單模光纖色散補償色散補償光

4、纖模塊SOA色散補償光纖光柵色散補償色散管理第九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光網(wǎng)絡(luò)器件光耦合透鏡（自聚焦透鏡、玻璃球透鏡）光連接器與光耦合器光隔離器與光環(huán)行器光濾波與光波分復(fù)用器件光起偏器與偏振控制器光波長轉(zhuǎn)換與光波長路由器件光調(diào)制解調(diào)器（Modem）光衰減器與光延時器件光開關(guān)與光交叉連接器件微光電機械芯片第十張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光放大器件摻鉺光纖放大(EDFA) 摻鐠光纖放大(PDFA) 摻釹光纖放大(NDFA)分布式光纖放大喇曼光纖放大(SRFA)布里淵光纖放大(SBFA) 半導(dǎo)體光放大(SOA) 第十一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年

5、6月元件：Components器件：Devices模塊：Modules系統(tǒng)：Systems第十二張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第三章 有源光器件和 無源光器件3.1 激光原理的基礎(chǔ)知識3.2 半導(dǎo)體光源3.3 光電探測器3.4 無源光器件第十三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1 激光的基礎(chǔ)知識3.1.1 玻爾的能級假說3.1.2 光子3.1.3 自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收3.1.4 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第十四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月其中E2和E1分別為躍遷前、后的原子能級能量，h為普朗克常數(shù)，為電磁輻射的頻率。3.1.1 玻爾的能級假說h =6.

6、626110-34 Js能量最低的原子能級稱為基態(tài)能級，其它能量較高的原子能級稱為激發(fā)態(tài)能級。第十五張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1.2 光子若原子從E2 E 1 ， E=E2 E 1 ，這個差 E將以一個量子的能量形式釋放，一個量子的能量被稱為光子（photon）。一個光子的能量Ep由下面的公式定義Ep =h（ 3.1.3-1 ）h是普朗克常數(shù)(h=6.626 10-34 J S)，而是光子的頻率。原子從高能級低能級，對應(yīng)于光子的輻射；原子從低能級高能級，對應(yīng)于光子的吸收。第十六張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 處于高能級的原子自發(fā)的輻射一個頻率為、能量為E

7、的光子，躍遷到低能級，這一過程稱為自發(fā)輻射。是相位、偏振方向不同的非相干光。E2E1N2N1h3.1.3 自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收3.1.4 .1 自發(fā)輻射(spontaneous radiation)第十七張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月E2E1N2N1全同光子h3.1.3 .2 受激輻射 (stimulated radiation)在能量為E的入射光子的激勵下，原子從高能級向低能級躍遷，同時發(fā)射一個與入射光子頻率、相位、偏振方向和傳播方向都相同的另一個光子，這一過程稱為受激輻射。第十八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月E2E1N2N1h上述外來光也有可能被低能

8、級吸收，使原子從E1E2。在入射光子的激勵下，原子從低能級向高能級躍遷，稱為受激吸收。 3.1.3 .3 受激吸收 (stimulated absorption)第十九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月自發(fā)輻射是單向性的；受激躍遷是雙向的;自發(fā)輻射概率與光強無關(guān)；受激躍遷概率正比于光強。自發(fā)輻射和受激輻射、吸收的區(qū)別：第二十張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1.4 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在熱平衡時，各能級的粒子數(shù)目服從玻耳茲曼統(tǒng)計分布:即若 E2 E 1，則兩能級上的原子數(shù)目之比k=1.3810-23J/K為玻耳茲曼常量N2N1第二十一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年

9、6月N2N1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（N2 N1）是實現(xiàn)激光放大的必要條件。為了實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就需要大量電子躍遷到導(dǎo)帶，為此，需要泵浦為躍遷提供能量。此外，還需要亞穩(wěn)態(tài)能級使激發(fā)的電子保持一段時間，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第二十二張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月例如：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;在可見光和近紅外，Eg=hv=E 2-E 11eV;說明基態(tài)上粒子數(shù)最多。此時 受激輻射概率受激吸收概率，不能產(chǎn)生光放大。第二十三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月例題1、假設(shè)一個激光二極管發(fā)出的紅光的波長=650nm,那么單個光子的能量是多少？解： Ep =h

10、=hc/=6.6 10-34 J S 3 108 m/s/650 10-9m=3.04 10-19 J 2、LD波長=650nm,光能量P=1mW,這個光源每秒發(fā)射多少光子？解：總能量 E =P 1s=1 10 -3W 1s = 1 10 -3J這個能量等于E = Ep N,其中N是光子的數(shù)量。所以N=E/ Ep = 1 10 -3J/3.04 10-19 J =3.3 1015 ，也就是3.3千萬億。 第二十四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月課間休息第二十五張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2 半導(dǎo)體光源3.2.1半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用3.2.2半導(dǎo)體激光器（

11、LD）3.2.2發(fā)光二極管（LED）第二十六張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2.1 半導(dǎo)體激光器的特點和應(yīng)用半導(dǎo)體激光器是通過受激輻射產(chǎn)生光的器件。受激輻射的特征：一個外來光子迫使一個帶有類似能量E的光子被發(fā)射；所有受激光子的發(fā)射方向都與激發(fā)他們的光子相同；受激光子僅在有外來光子激發(fā)他們的時候才輻射同步的。形成正反饋的方法：用兩個鏡面、光柵形成諧振器。受激光子快速增加需要導(dǎo)帶中有無數(shù)受激電子來維持這個動態(tài)過程。因此需要比LED快得多的速度來激活電子，需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要在激活區(qū)加大的正向電流。為了使激光二極管產(chǎn)生光，增益必須大于損耗。第二十七張，PPT共一

12、百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月綜上所述，半導(dǎo)體激光器的激射條件為： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 受激輻射 正反饋第二十八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器（LD）的特點：半導(dǎo)體激光器（LD）的應(yīng)用：輸出功率大(kW)，光譜寬度窄(0.01pm)，高偏振，相干長度長，輸出 NA小 ( 光易于耦合進光纖)光纖通信、醫(yī)學(xué)、測量、加工和軍事等。第二十九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2.2 半導(dǎo)體激光器（LD） FP-LD-法不里-泊羅激光器 DFB-LD分布反饋激光器 DBR -LD -分布反射激光器 QW LD-量子阱激光器第三十張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022

13、年6月法不里-泊羅激光器Fabry-Perot (FP) Laser多縱模(MLM) 光譜“著名”的半導(dǎo)體激光器最早用于光纖鏈路 (850 or 1300 nm)今天:用于短或中等長度的光纖鏈路主要性能指標主要用于波長 850 or 1310 nm總輸出功率大于幾 mw光譜寬度 3 to 20 nmMode spacing 0.7 to 2 nm高偏振相干長度約為 1 to 100 mm小的 NA ( 光易于耦合進光纖)P peakI(mA)P(mW)閾值 (nm)第三十一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月FP-LD的結(jié)構(gòu)FP-LD管芯示意圖第三十二張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于

14、2022年6月FP-LD的工作原理要實現(xiàn)FP-LD激射，必須滿足幾個基本條件： 要有能實現(xiàn)電子和光場相互作用的物質(zhì)； 要有注入能量的泵浦源； 要有一個F-P諧振腔； 必須增益大于損耗 要滿足振蕩條件: = 2nL/N。其中L是鏡間距， N 是一個整數(shù)， n為諧振腔內(nèi)折射率，是光波長。a)任意波注入時的FP-LDb)駐波注入時的FP-LD第三十三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月例如：如果L= 0.4mm = 400 m， n=1而= 1300 nm= 1.3 m則N = 615諧振器支持的波長為1300 nm =2 n L/ N，但其也支持：2L(N 1), 2L(N 2),等等波

15、長。這些諧振器選擇的波長叫縱模。當(dāng)諧振器的長度增加或減少時，激光器就從一個縱模轉(zhuǎn)向另一個，被稱之為跳模。因為 = 2 n L/ N，所以相鄰兩個縱模的間隔N N+1 2 n L/N2 = 2/2 n L第三十四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、必須增益大于損耗： 激光出射條件2、活性介質(zhì)只能在很小的波長范圍內(nèi)提供增益（ 50 dB相干長度約為 1 to 100 m小的 NA (光易于耦合進光纖)第三十七張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月為了減少線寬，需要激光管只發(fā)射一個縱模。分布反饋激光器實現(xiàn)這個功能。其在激活區(qū)附近的異質(zhì)結(jié)中合并了光柵，其工作原理與鏡子類似，但他僅

16、選擇反射波長為B 的光。2 neff= B “反饋”是指；使受激光子返回活性介質(zhì)；“分布”是指；反射并不僅僅發(fā)生在一個點上。二十世紀六十年代提出，二十世紀八十年代商品化。改進方案：DBR第三十八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月a) 分布反饋激光器b) 分布反饋工作原理c) 實際單模輻射第三十九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 activen-DBRp-DBR分布布拉格反射 (DBR) 鏡交替的半導(dǎo)體材料層40到60層,每層厚度 l / 4光束的匹配與光纖更接近主要性能指標波長范圍780 to 980 nm (gigabit ethernet) 譜線寬度 -10 dB

17、m相干長度10 cm to10 mNA 0.2 to 0.3第四十張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月量子阱激光器為了提高發(fā)射效率，使用特殊制造技術(shù)來得到特別薄的激活區(qū)（4nm20nm），稱為量子阱（QW）激光器。a)單量子阱激光器第四十一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月MQW激光器是用超薄膜（厚度20nm形成有源層，能呈現(xiàn)量子效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，普通半導(dǎo)體激光器的有源層厚度為幾百納米到幾千納米。電子在有源層的運動是三維的，當(dāng)有源層的厚度減小到20nm而與電子的自由程接近時，電子就不能在層厚方向做自由運動，只能在層面內(nèi)作橫向運動，電子能量變成一個個離散值，即呈現(xiàn)量

18、子效應(yīng)，有源層由多個薄層構(gòu)成，由于載流子和光子被限制在薄層之內(nèi)，從直觀來看就是載流子和光子都很集中，因此容易發(fā)生激射。多量子阱激光器MQW-LD第四十二張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月MQW激光器的優(yōu)點： （1）閾值電流小，由于其結(jié)構(gòu)中“阱“的作用，使電子和空穴被限制在很薄的有源區(qū)內(nèi)，造成有源層內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度很高，因而大大降低了閾值電流，由于閾值電流的降低，還帶來了功耗低，溫度特性好的優(yōu)點。 （2）線寬變窄。由于量子阱中帶間復(fù)合的特點，造成線寬增大系數(shù)a變小，從而減小了光譜中的線寬，同雙異質(zhì)結(jié)激光器相比，縮小了近一倍。 （3）器件的微分增益高，注入電流的微小變化能夠引起光功率的

19、較大變化。 （4）調(diào)制速度高。工作頻段可達30GHZ。 （5）頻率啁啾小，動態(tài)單縱模特性好，縱?？刂颇芰?。第四十三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2.3 發(fā)光二極管（LED） 面發(fā)射發(fā)光二極管SELED 邊發(fā)光發(fā)光二極管EELED 超輻射發(fā)光二極管SLD LED的主要性能指標第四十四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2.2 發(fā)光二極管Light-emitting Diode (LED)P -3 dBP peakBW具有體積小,機械強度高,壽命長,電壓低,電流小(數(shù)毫安或數(shù)十毫安),耗電省,響應(yīng)速度快,易用電流調(diào)制光通量和使用方便等優(yōu)點.由于它所需要的電壓低,

20、能與集成電路或晶體管共用電源,或用晶體直接控制它發(fā)光,能方便的與光纖進行耦合,因此,LED在光纖通信領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用.第四十五張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月LED的結(jié)構(gòu)光纖通信用的發(fā)光二極管（LED）通常是采用GaAs為襯底的GaAs或AlGaAs和InP為襯底的InGaAs或InGaAsP材料制成。用AlGaAs/ GaAs制作的LED其峰值發(fā)射波長在 0.8 0.95 m范圍內(nèi)，用InGaAsP/ InP制作的LED其峰值發(fā)射波長為1.31 m和1.55 m。要使LED發(fā)光，有源層的半導(dǎo)體材料必須是直接帶隙材料，越過帶隙的電子和空穴能夠直接復(fù)合而發(fā)射出光子。為了使器件有好的

21、光和載流子限制，大多采用雙異質(zhì)結(jié)（DH）結(jié)構(gòu)。第四十六張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月面發(fā)射同質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的基本類型圖3.2.2 1 LED結(jié)構(gòu)截面圖分為： 面發(fā)射SELED、邊發(fā)射EELED和超輻射SLD。這里介紹前兩種。1、面發(fā)射LED（SELED）出光條件：產(chǎn)生光子的地方（有源區(qū)）；諧振腔（上、下面），限制載流子和光子的路徑。特點：驅(qū)動電流大、出光功率高、溫度特性較好；帶寬較小。第四十七張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月LED結(jié)構(gòu)截面圖邊發(fā)射雙異質(zhì)結(jié)出光條件：產(chǎn)生光子的地方（有源區(qū)）；諧振腔側(cè)邊限制載流子和光子的路徑。光纖通信用的LED多采用邊發(fā)光型LED。因

22、為邊發(fā)光型LED有與激光管相似的結(jié)構(gòu)，與光纖耦合效率較高，帶寬較寬，線寬較窄。2、邊發(fā)光LED（EELED-edge-emitting LED）第四十八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月介于LED和LD之間的光源。在高電流強度下，用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成有源區(qū)。但SLD沒有正反饋，僅能自發(fā)輻射光。所以SLD比通常的LED功率更強，限定性更好，但是，在單色性、定向性和相干性方面，不如LD。SLD在光通信中較少使用，多用于寬帶測量光源。2、超輻射發(fā)光二極管SLD （Super-luminescent Diodes）第四十九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月LED的工作原理值得注意

23、的是，對于大量處于高能級的粒子各自分別自發(fā)發(fā)射一列一列角頻率為=Eg/h 的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，并且每個粒子所發(fā)射的光沿所有可能的方向傳播，這個過程稱之為自發(fā)發(fā)射。其發(fā)射波長可用下式來表示 =1.2396/Eg半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)是在正向偏置時p-n結(jié)內(nèi)的電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生光子的電致發(fā)光器件. 第五十張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月GaAs的Eg=1.435eV, 故可用它來制作0.85 m波長的紅外LED，InGaAsP的Eg= 0.75 1. 35eV， 對應(yīng)的發(fā)射波長為1.65 0.92 m ，考慮到光纖的低損耗窗口， InG

24、aAsPLED的發(fā)射波長選為1.31 m和1.55 m。光功率P=N光 E/t，而光子數(shù)目N光=N電 （N電：受激電子數(shù)目； ：量子效率；E：能量； t：時間。I=N電 e/t N電= It/e P= N電 E /t= It/e E /t= I E /e 其中：E 的單位是焦耳，如果用電子伏特eV來度量E ，I的單位是mA,則：P(mW)= I(mA) E(eV) I第五十一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月主要性能指標波長通常為： 780, 850, 1300 nm總輸出功率大于幾 W mW光譜寬度 30 100 nm相干長度約為 0.01 0.1 mm 偏振較小或不偏振大的 N

25、A (難于將光耦合進光纖)3、LED的主要性能指標第五十二張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月SLED的P-I特性LED的P-I特性是指輸出功率隨注入電流的關(guān)系。LED的輸出功率P與注入電流I的關(guān)系為: p = aI ，表明LED的P-I曲線應(yīng)該具有線性關(guān)系.但實際上只有在注入電流 I較小時,它們才具有近似的線性關(guān)系,當(dāng)注入電流I較大時,P-I曲線會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象.LED的P-I特性驅(qū)動電流（mA）876543210輸出光功率(mW)第五十三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月LED的耦合效率LED的發(fā)射功率盡管可以超過10mw,但因與光纖的耦合效率很低,從光纖中輸出的光功率

26、最大也只能達到100 u W左右(損耗20dB左右).耦合輸出光功率(uW)驅(qū)動電流（mA）第五十四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月a)面發(fā)射LED（朗伯源）b)邊發(fā)射LEDc)雙異質(zhì)結(jié)LEDLED的輻射模式第五十五張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月LED的溫度特性當(dāng)溫度上升時，功率下降。2dB/65C.第五十六張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月LED的波長和光譜寬度峰值波長p由禁帶寬度決定。一般給出最大最小值，如AMP公司的SLED為1290nm和1350nm；而EELED為1270nm和1330nm。光譜寬度 是用半最大寬度FWHM來度量，如圖。當(dāng)溫度

27、升高， 變大；0.38nm/C。當(dāng)正向電流增加， 變大；0.69nm/mA。某SLD的光譜特性第五十七張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月LED的電特性包括：正向電壓、電容和漏瀉電流。制作商通常給出U-I關(guān)系：LED的U-I特性是指正向壓降隨注入電流的關(guān)系。當(dāng)I=100mA時，正向壓降通常小于2V, 反向擊穿電壓2-4V，串聯(lián)電阻1-4。 LED的伏安特性如圖所示。 正向電流（mA）(250C)正向電壓（V）第五十八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月電容C電容C是LED的固有特性。來源：（1）電荷電容（與p-n結(jié)有關(guān)）；（2）擴散電容（與有源區(qū)載流子壽命有關(guān)）。電容C限制

28、了其調(diào)制帶寬。例如：一個SLED的電容為20pF,帶寬為200MHz（當(dāng) p = 865 nm），而SLED的電容為200pF,帶寬為125MHz（當(dāng) p =1320 nm）。這也是LED電容的典型值。漏瀉電流漏瀉電流是由少數(shù)載流子（ p區(qū)中的電子和n區(qū)中的空穴 ）的流動引起的。載流子流動由熱能引起。漏瀉電流可以用反偏電壓來度量。第五十九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月載流子壽命 上升/下降時間和帶寬載流子壽命是指其從被激活（即到達耗盡區(qū)）到被復(fù)合之間的這段時間（一般為幾ns 幾ms）。第六十張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月是根據(jù)脈沖最大值的10%到90%的時間來定

29、義的。如右上圖。理想的階躍型脈沖響應(yīng)如圖虛線所示；實線為由于上升/下降時間造成的脈沖失真。上升/下降時間其中：為載流子壽命；C為LED的電容；TK表示開爾文絕對溫度。（ 0 C=273K）第六十一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月歸一化輸出功率電流（mA）上升/下降時間表明輸出光脈沖是怎樣隨著電調(diào)制而改變的。如右下圖。上升/下降時間第六十二張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月電調(diào)制帶寬BW是指當(dāng)電功率衰減到0.707時的調(diào)制頻率范圍。在電子學(xué)中有其與上升時間關(guān)系式：BW=0.35/t1LED調(diào)制帶寬是在輸出光功率下降到-3dB時的頻帶寬度。LED的頻響受復(fù)合壽命的影響，其

30、關(guān)系為： BW= 3dB=1/調(diào)制帶寬BW第六十三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月即：增加LED的帶寬是以輸出功率為代價。 功率帶寬積第六十四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月復(fù)習(xí)題 3.1.1 當(dāng)量子效率為1%，峰值波長是850nm時， LED發(fā)射出的功率為多少？諧振器間長度0.3mm,工作為1550 nm ，增益曲線的線寬等于9nm，則法不里-珀羅激光器能產(chǎn)生多少縱模？分布反饋激光器的工作原理是什么?DFB代表什么？這種激光器與其它激光器的區(qū)別是什么？你怎么確定激光器的域值電流？第六十五張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月課間休息第六十六張，PPT共一百

31、二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 光電探測器P-N光電二極管PIN光電二極管雪崩光電二極管光通信用光電探測器：第六十七張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 光電探測器P-N光電二極管一個能量為Ep =hf =hc/ Eg的光子射入光電二極管時，被吸收的光子能量被電子獲得。于是，導(dǎo)帶中的電子被激活，能夠運動。光能單位時間內(nèi)的光子數(shù)目乘上單個光子的能量轉(zhuǎn)化為電流。圖3.3-1 p-n光電二極管的工作原理a)能帶圖 b) p-n結(jié) c)電路第六十八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月輸入輸出特性：輸入光功率P，輸出光電流I，射入光電二極管激活區(qū)的光子越多，產(chǎn)生的載流子越

32、多，光電流越大。I=RP （3.3-1）R是常量（響應(yīng)度）。其關(guān)系如下圖所示：圖3.3-2光電二極管的響應(yīng)度a)輸入輸出特性 b) 響應(yīng)度和波長的關(guān)系 c)暗電流第六十九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月例題：光電二極管的響應(yīng)度是0.85A/W，飽和輸入光功率是1.5mW，當(dāng)入射光功率是1mW和2mW時，光電流分別是多少？I=RP= 0.85A/W 1.5mW= 0.85mA當(dāng)輸入光功率是2mW時，公式I=RP不適用，因此我們無法得到光電流的值。解：當(dāng)輸入光功率是1mW時，由I=RP，可得，第七十張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月PIN光電二極管（Photodiodes

33、）高線性,低暗電流n+PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)如圖3.3-5所示。其在P區(qū)和N區(qū)之間夾有一層厚的本征層?！氨菊鳌?“天然的”、“不摻雜的”。P-I-N的完整意思：正極-本征-負極。實際上，本征區(qū)是輕摻雜的（N型），所以電子濃度很高，大大提高了光電轉(zhuǎn)換效率。PIN光電二極管是在反向偏壓作用下使用的，一般為-5V左右。當(dāng)光入射到PIN結(jié)時，由于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子電子和空穴經(jīng)過擴散和漂移，形成了通過PIN結(jié)的光電流。第七十一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月圖3.3-5 PIN光電二極管光生載流子通過PIN結(jié)時間很短，這是因為雖然I層較厚，但它處于一個強的反向電場作用下，所以載流子以快

34、的漂移速度通過I層。光生載流子通過兩邊P與N區(qū)時，是以比較慢的擴散速度前進的，但因P層和N層均較薄，這樣總的來說就提高了PIN管的響應(yīng)速度。目前PIN光電二極管帶寬以達110GHz。第七十二張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月雪崩光電二極管Avalanche photo diode (APD)內(nèi)置放大，不引入外部電路相關(guān)噪聲。增益提高x100，接收大于接收機電噪聲的光信號是高速、高靈敏度的接收器極大的溫度倚賴性主要性能增益帶寬積暗電流響應(yīng)Bias VoltageAPD Gain第七十三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、工作原理：在光電二極管上加相對較高的反向電壓（20

35、V左右），該電壓使光生電子和空穴加速并獲得高能量。這些高能電子和空穴射入中性原子中，分離出其它電子和空穴。而二級載流子也獲得足夠能量去離化其它載流子，形成雪崩過程。這就意味著光電二極管在內(nèi)部放大了光電流。（其量子效率10到100）產(chǎn)生二次載流子的過程稱為沖擊離化。圖3.3-6雪崩光電二極管（APD）距離第七十四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月簡單歸納其工作原理為：高的反向偏置電壓，碰撞電離，產(chǎn)生一次光生載流子、二次光生載流子APD的平均雪崩增益G：是個復(fù)雜的隨機過程G是一個統(tǒng)計平均值其結(jié)構(gòu)如圖3.3-6所示。光子穿過重摻雜的p+區(qū)，進入本征區(qū)，在這里產(chǎn)生電子空穴對。反向電壓分離這

36、些光生電子空穴，并將其移向pn+結(jié)，這里存在一個105V/cm的高電場，這個電場聚集載流子，并沖擊導(dǎo)致離化。第七十五張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月探測器材料Silicon (Si)最便宜Germanium (Ge) 常用Indium gallium arsenide (InGaAs) 高速SiliconWavelength nm50010001500GermaniumInGaAsQuantum Efficiency = 10.10.51.0Responsivity (A/W)第七十六張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月復(fù)習(xí)題3.31、光電二極管的主要功能是什么？2、

37、InGaAs光電二極管的量子效率是70%，它的響應(yīng)度是多少？3、響應(yīng)度是如何依賴光信號的波長的？4、P-I-N代表什么意思？5、與P-N光電二極管相比P-I-N的優(yōu)點是什么？6、與P-I-N光電二極管相比APD的優(yōu)點是什么？7、APD的缺點是什么？第七十七張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月課間休息第七十八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月四、光無源器件 1.光纖的連接、光纖連接器 2.光衰減器 3.光纖定向耦合器 4.波分復(fù)用器 5.光隔離器 6.光環(huán)形器 7.光濾波器 8.光開關(guān) 9.光調(diào)制器第七十九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、光纖的連接、光纖連

38、接器“跳線” 連接光器件和光儀器，通過“法蘭盤” 連接同類 “跳線”FC/PC 光纖連接器 SC 光纖連接器 ST 光纖連接器 SMA 光纖連接器 CATV 光纖連接器分為：固定連接和活動連接，活動連接器典型的：插入損耗0.25dB,回波損耗-50dB第八十張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2.光衰減器一、分類：固定衰減器（繞線、拉錐等）可變衰減器（光-機械裝置）二、可變衰減器原理典型的：衰減范圍0-60dB,分辨率0.5dB，插入損耗2dB光衰減器是減少傳輸光功率的裝置。第八十一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月自聚焦透鏡衰減片自聚焦透鏡光衰減器原理示意圖第八十二張，

39、PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光可變衰減器原理圖 輸入光輸出光棱鏡圓盤式衰減片第八十三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 3.光纖定向耦合器分類：標準耦合器寬帶耦合器雙窗口寬帶耦合器原理熔錐型磨拋型耦合器是實現(xiàn)光的分路、合路的器件。主要指標：附加損耗、耦合比第八十四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月研磨法光纖22耦合器原理示意圖 第八十五張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月熔錐光纖22耦合器示意圖 任何一臂的入射光，可以耦合到任何一個出射臂。50% / 50% (3 dB)是最常用的 4 端口形式。1%, 5% or 10% taps (often

40、 3 port devices) 附加損耗-Excess Loss (EL):耦合比：CR(dB)=-10log10P1/(P1+P2)EL = -10 log10 PoutPin直通臂(P1)耦合臂(P2)P0第八十六張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月11NM星形耦合器 第八十七張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光時分復(fù)用器件10Gb/ssignal input410Gb/ssignal output 410Gb/s multiplexer with six fiber 12 couplers第八十八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 410Gb/s mu

41、ltiplexer with two fiber 14 couplersFiberCouplerFiberCoupler第八十九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月4.波分復(fù)用器Wavelength-division multiplexers (WDM)-波分復(fù)用器-的形式:3 端口器件 (第4端口不用)1310 / 1550 nm (“經(jīng)典” WDM技術(shù))1480 / 1550 nm 和 980 / 1550 nm 用于光放大器(后面章節(jié)詳述)1550 / 1625 nm 用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控插入損耗和隔離度:對傳輸通道的波長，具有低插入損耗 ( 1 dB)傳輸通道波長對另一波長有高損耗

42、(20 to 50 dB) :I10=-10log10P1(1)/P0 (1), I20=-10log10P2(1)/P0 (1)Commonl1l2第九十張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月A、分類熔錐型(粗WDM)多層干涉濾光膜型(細WDM DWDM)棱鏡分光型(粗WDM)光柵型-體光柵、光纖光柵(粗WDM，細WDM )陣列波導(dǎo)光柵(細WDM DWDM)B、原理第九十一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月直通臂(P1)耦合臂(P2)P0 熔錐型波分復(fù)用器P1=Pincos2K()zP2=Pinsin2K()z其中z是耦合區(qū)的長度，K()為耦合系數(shù)，當(dāng)K()z= /2，

43、P1=0， P2=Pin第九十二張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月棱鏡分光型波分復(fù)用器第九十三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Multiplexers (MUX) / Demultiplexers (DEMUX)DWDM的關(guān)鍵器件技術(shù)分類：串聯(lián)介質(zhì)濾光器Cascaded FBGsPhased arrays (see later)低串?dāng)_，有利于解復(fù)用第九十四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月干涉濾光片型波分復(fù)用器1161151611415輸入光纖14320 (監(jiān)管信道)干涉濾光膜第九十五張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光柵型波分復(fù)用器-體光柵主

44、最大強度的方向由下式給出：d sin=m / = m/ d cos其中d為光柵周期， 為衍射角， m = 0，1， 2，等等， 為角分離， 為波長間隔。輸入光14321. 體光柵型第九十六張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月布拉格光柵116115161616115、16115、16FBG環(huán)形器第九十七張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光纖光柵型波分復(fù)用器其反射波長成為布拉格波長（ B ）由下面的布拉格條件確定：2neff=B其中為光柵周期，neff為有效纖芯折射率。第九十八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Array Waveguide Grating (AW

45、G)l1al3al2al4al1bl3bl2bl4bl1cl3cl2cl4cl1dl3dl2dl4dl1al3cl2dl4bl1bl3dl2al4cl1cl3al2bl4dl1dl3bl2cl4a行. 轉(zhuǎn)化為 . 列自由空間扇型波導(dǎo)扇型波導(dǎo)波導(dǎo)光柵NTT：256波，間隔0.2nm，3dB帶寬0.12nm，插入損耗4.4-6.4dB，串?dāng)_-33dB，偏振相關(guān)波長差0.03nm，需要溫控。第九十九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5.光隔離器Isolators主要應(yīng)用:單向傳輸，阻擋背向光，保護激光器、光纖放大器插入損耗:前進方向，低插入損耗 (0.2 to 2 dB)高隔離度:背向損

46、耗，20 到 40 dB 單級, 40 到 80 dB 雙級)Return loss: -帶連接器的回波損耗 60 dB設(shè)計隔離器中的問題： -偏振敏感、波長依賴、法拉第旋光器的溫度依賴。第一百張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Faraday效應(yīng)：在外磁場作用下，使通過它的偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。具有這種效應(yīng)的材料叫磁光材料。磁光材料引起的光偏振面旋轉(zhuǎn)方向取決于外加磁場，與光的傳播方向無關(guān)（非互易）。這種效應(yīng)與材料的固有旋光效應(yīng)不同，在固有旋光效應(yīng)材料中，旋轉(zhuǎn)方向取決于光的傳播方向，與外加磁場無關(guān)(互易)。光隔離器原理第一百零一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光隔離器

47、原理示意圖 外加磁場反射光出射光45外加磁場入射光出射光45Faraday旋磁材料第一百零二張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月外加磁場外加磁場固有磁光材料4545第一百零三張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月磁光材料的光偏轉(zhuǎn)角：L (m)光和磁場相互作用區(qū)的長度（毫米）H (A/m=T)沿光傳播方向的磁場強度（奧斯忒） (rad / (A/m) /m )材料的維爾德常數(shù)（度/奧斯忒毫米）=HL第一百零四張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月偏振無關(guān)光隔離器的工藝結(jié)構(gòu)RR(450) FR (450) RR(450) FR (450) oeeeoooePBS第一百零五

48、張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月6.光環(huán)行器- Circulators光纖環(huán)形器是一種非可逆裝置，如下圖所示，技術(shù)類似于光隔離器插入損耗 0.3 到 1.5 dB, 隔離度 20 到 40 dB，帶寬20nm典型結(jié)構(gòu): 3 端口器件Fast lSlow l第一百零六張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光環(huán)行器的原理eRR(450) FR (450) eeooRR(450) FR (450) ooe端口1端口1端口2端口2端口3反射鏡偏振合波器第一百零七張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月光環(huán)形器+CFBG的色散補償原理Chirped periodic refr

49、active Index variationl3l2l1Incidentl1l3tDispersed signal (normal dispersion)ReflectedtReshaped signall1l2l3Dispersive fiber Dispersed pulse Circulator R BINOUT lblue lred DCM module第一百零八張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月7.光濾波器光濾波器是允許特定波長范圍通過的器件。分為：固定、可調(diào)光濾波器1）固定光濾波器：熔錐、馬赫-陳德爾干涉儀、法步里-珀羅濾波器、衍射光柵、薄膜干涉濾波器、光纖光柵等。1）

50、可調(diào)光濾波器：熔錐、法步里-珀羅濾波器、衍射光柵、馬赫-陳德爾濾波器、聲光可調(diào)濾波器、光電可調(diào)濾波器等等。第一百零九張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月Filter Characteristicsl i-1l il i+1PassbandCrosstalkCrosstalk帶通-Passband插入損耗紋波（Ripple）波長(peak, center, edges)帶寬（Bandwidths） (0.5 dB, 3 dB, .)Polarization dependence帶阻-Stopband串?dāng)_帶寬 (20 dB, 40 dB, .)第一百一十張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2

51、022年6月固定濾波器介質(zhì)濾波器-Dielectric Filters（薄膜干涉濾波器）利用多層膜干涉效應(yīng)。若每層厚度是/4，那么當(dāng)入射角=0時，波長為的光通過每層后相移,見下圖，反射波與入射波相位相反，相消干涉，波長/4/4薄膜干涉為的光將不被反射。這就是濾波。若采用每層厚度是/2，那么反射將為相長干涉。第一百一十一張，PPT共一百二十六頁，創(chuàng)作于2022年6月介質(zhì)濾波器-Dielectric Filters特點：具有交替不同折射率介質(zhì)的薄膜層多光束干涉導(dǎo)致相干迭加和相消濾波器種類和帶寬 (0.1 to 10 nm) 插入損耗（Insertion loss） 0.2 to 2 dB, 隔離度 30 to 50 dBLayersS