光纖通信-通信用光器件

第3章通信用光器

3.1光源

3.2光檢測(cè)器

3.3光無(wú)源器件返回主目錄第3章通信用光器件

通信用光器件可以分為有源器件和無(wú)源器件兩種類(lèi)型。有源器件包括光源、光檢測(cè)器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。光無(wú)源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)和隔離器等，這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。本章介紹通信用光器件的工作原理和主要特性，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供選擇依據(jù)。3.1光源光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。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(chēng)激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱(chēng)發(fā)光管(LED)，有些場(chǎng)合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。本節(jié)首先介紹半導(dǎo)體激光器(LD)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)良的分布反饋激光器(DFB-LD)，最后介紹可靠性高、壽命長(zhǎng)和價(jià)格便宜的發(fā)光管(LED)。

3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激輻射的光放大)的縮寫(xiě)。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開(kāi)始。1.受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布有源器件的物理基礎(chǔ)是光和物質(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)E1稱(chēng)為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級(jí)Ei(i=2,3,4…)稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。電子在低能級(jí)E1的基態(tài)和高能級(jí)E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式(見(jiàn)圖3.1)：

圖3.1能級(jí)和電子躍遷(a)受激吸收；(b)自發(fā)輻射；(c)受激輻射(1)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)吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)E2上，這種躍遷稱(chēng)為受激吸收。電子躍遷后，在低能級(jí)留下相同數(shù)目的空穴，見(jiàn)圖3.1(a)。(2)在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒(méi)有外界的作用，也會(huì)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)換為光子輻射出去，這種躍遷稱(chēng)為自發(fā)輻射，見(jiàn)圖3.1(b)。(3)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)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱(chēng)為受激輻射，見(jiàn)圖3.1(c)。受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程。電子在E1和E2兩個(gè)能級(jí)之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即E2-E1=hf12(3.1)式中，h=6.628×10-34J·s，為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點(diǎn)很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱(chēng)為相干光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱(chēng)為非相干光。產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級(jí)E1和處于高能級(jí)E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱(chēng)為吸收物質(zhì)。如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱(chēng)為激活物質(zhì)。N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱(chēng)為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。問(wèn)題是如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?這個(gè)問(wèn)題將在下面加以敘述。

2.PN結(jié)的能帶和電子分布半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶，如圖3.2。能量低的能帶稱(chēng)為價(jià)帶，能量高的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱(chēng)為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。

圖3.2半導(dǎo)體的能帶和電子分布(a)本征半導(dǎo)體；(b)N型半導(dǎo)體；(c)P型半導(dǎo)體圖3.2示示出不同半半導(dǎo)體的能能帶和電子子分布圖。。根據(jù)量子子統(tǒng)計(jì)理論論，在熱平平衡狀態(tài)下下，能量為為E的能級(jí)級(jí)被電子占占據(jù)的概率率為費(fèi)米分分布式中，k為為波茲曼常常數(shù)，T為為熱力學(xué)溫溫度。當(dāng)T→0時(shí)，，P(E)→0，，這時(shí)導(dǎo)導(dǎo)帶上幾乎乎沒(méi)有電子子，價(jià)帶上上填滿電子子。Ef稱(chēng)為費(fèi)米米能級(jí)，用用來(lái)描述半半導(dǎo)體中各各能級(jí)被電電子占據(jù)的的狀態(tài)。在在費(fèi)米能能級(jí)，被電電子占據(jù)和和空穴占據(jù)據(jù)的概率相相同。圖3.3PN結(jié)結(jié)的能帶和和電子分布布(a)P-N結(jié)內(nèi)載流流子運(yùn)動(dòng)；；(b)零零偏壓時(shí)時(shí)P-N結(jié)的能能帶圖；(c)正正向偏壓下下P-N結(jié)能帶帶圖一般狀態(tài)下下，本征半半導(dǎo)體的電電子和空穴穴是成對(duì)出出現(xiàn)的，用用Ef位于禁帶中中央來(lái)表示示，見(jiàn)圖3.2(a)。在本本征半導(dǎo)體體中摻入施施主雜質(zhì)，，稱(chēng)為N型型半導(dǎo)體。。在N型半半導(dǎo)體中，，Ef增大，導(dǎo)帶帶的電子增增多，價(jià)價(jià)帶的空穴穴相對(duì)減少少，見(jiàn)圖3.2(b)。在本本征半導(dǎo)體體中，摻入入受主雜質(zhì)質(zhì)，稱(chēng)為P型半導(dǎo)體體。在P型型半導(dǎo)體中中，Ef減小，導(dǎo)帶帶的電子減減少，價(jià)帶帶的空穴相相對(duì)增多，，見(jiàn)圖3.3(c)。在P型和N型半導(dǎo)體體組成的PN結(jié)界面面上，由由于存在多多數(shù)載流子子(電子或或空穴)的的梯度，因因而產(chǎn)生擴(kuò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，，形成內(nèi)部部電場(chǎng)，見(jiàn)見(jiàn)圖3.3(a)。內(nèi)部電電場(chǎng)產(chǎn)生與與擴(kuò)散相反反方向的漂漂移運(yùn)動(dòng)，，直到P區(qū)區(qū)和N區(qū)的的Ef相同同，兩種運(yùn)運(yùn)動(dòng)處于平平衡狀態(tài)為為止，結(jié)果果能帶發(fā)生生傾斜，見(jiàn)見(jiàn)圖3.3(b)。。這時(shí)在PN結(jié)上施施加正向電電壓，產(chǎn)生生與內(nèi)部電電場(chǎng)相反方方向的外加加電場(chǎng)，結(jié)結(jié)果能帶傾傾斜減小，，擴(kuò)散增強(qiáng)強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方方向與電場(chǎng)場(chǎng)方向相反反，便使N區(qū)的電子子向P區(qū)運(yùn)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)區(qū)的空穴向向N區(qū)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，最后在在PN結(jié)形形成一個(gè)特特殊的增益益區(qū)。增益益區(qū)的導(dǎo)帶帶主要是電電子，價(jià)帶帶主要是空空穴，結(jié)果果獲得粒子子數(shù)反轉(zhuǎn)分分布，見(jiàn)圖圖3.3(c)。在在電子和空空穴擴(kuò)散過(guò)過(guò)程中，導(dǎo)導(dǎo)帶的電子子可以躍遷遷到價(jià)帶和和空穴復(fù)合合，產(chǎn)生自自發(fā)輻射光光。3.激光光振蕩和光光學(xué)諧振腔腔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)產(chǎn)生受激輻輻射的必要要條件，但但還不能產(chǎn)產(chǎn)生激光。。只有把激激活物質(zhì)置置于光學(xué)諧諧振腔中，，對(duì)光的頻頻率和方向向進(jìn)行選擇擇，才能獲獲得連續(xù)的的光放大和和激光振蕩蕩輸出?；镜墓鈱W(xué)學(xué)諧振腔由由兩個(gè)反射射率分別為為R1和R2的平行行反射鏡構(gòu)構(gòu)成(如如圖3.4所示)，，并被稱(chēng)為為法布里-珀羅羅(FabryPerot,FP)諧振腔腔。由于諧諧振腔內(nèi)的的激活物質(zhì)質(zhì)具有粒子子數(shù)反轉(zhuǎn)分分布，可以以用它產(chǎn)生生的自發(fā)輻輻射光作為為入射光。。入射光經(jīng)經(jīng)反射鏡反反射，沿軸軸線方向傳傳播的光被被放大，沿沿非軸線方方向的光被被減弱。反反射光經(jīng)多多次反饋，，不斷得到到放大，方方向性得到到不斷改善善，結(jié)果增增益大幅度度得到提高高。另一方面，，由于諧振振腔內(nèi)激活活物質(zhì)存在在吸收，反反射鏡存存在透射和和散射，因因此光受到到一定損耗耗。當(dāng)增益益和損耗相相當(dāng)時(shí)，在在諧振腔腔內(nèi)開(kāi)始建建立穩(wěn)定的的激光振蕩蕩，其閾閾值條件為為圖3.4激光器的的構(gòu)成和工工作原理(a)激激光振蕩；；(b)光反饋饋γγth=α+式中，γth為閾值增益益系數(shù)，αα為諧振腔腔內(nèi)激活物物質(zhì)的損耗耗系數(shù)，L為諧振腔腔的長(zhǎng)度，，R1，R2<1為兩個(gè)個(gè)反射鏡的的反射率激激光振蕩的的相位條件件為L(zhǎng)=q式中，λ為為激光波長(zhǎng)長(zhǎng)，n為激激活物質(zhì)的的折射率，，q=1,2,3…稱(chēng)稱(chēng)為縱模模模數(shù)。4.半導(dǎo)導(dǎo)體激光器器基本結(jié)構(gòu)構(gòu)半導(dǎo)體激光光器的結(jié)構(gòu)構(gòu)多種多樣樣，基本結(jié)結(jié)構(gòu)是圖3.5示出出的雙異質(zhì)質(zhì)結(jié)(DH)平面條條形結(jié)構(gòu)。。這種結(jié)構(gòu)構(gòu)由三層不不同類(lèi)型半半導(dǎo)體材料料構(gòu)成，不不同材料發(fā)發(fā)射不同的的光波長(zhǎng)。。圖中標(biāo)出出所用材料料和近似尺尺寸。結(jié)構(gòu)構(gòu)中間有一一層厚0.1~0.3μm的窄帶隙隙P型半導(dǎo)導(dǎo)體，稱(chēng)為為有源層；；兩側(cè)分別別為寬帶隙隙的P型和和N型半導(dǎo)導(dǎo)體，稱(chēng)稱(chēng)為限制層層。三層半半導(dǎo)體置于于基片(襯襯底)上，，前后兩個(gè)個(gè)晶體解理理面作為反反射鏡構(gòu)成成法布里-珀羅羅(FP)諧振腔。。圖3.6示示出DH激激光器工作作原理。由由于限制層層的帶隙比比有源層寬寬，施加正正向偏壓后后，P層層的空穴和和N層的電電子注入有有源層。P層帶隙隙寬，導(dǎo)導(dǎo)帶的能態(tài)態(tài)比有源層層高，對(duì)注注入電子形形成了勢(shì)壘壘，注入入到有源層層的電子不不可能擴(kuò)散散到P層。。同理，注注入到有源源層的空穴穴也不可能能擴(kuò)散到N層。圖3.6DH激光光器工作原原理(a)短短波長(zhǎng)；(b)長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)(a)雙雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；(b)能能帶；(c)折折射率分布布；(d)光功功率分布P層帶隙寬寬，導(dǎo)帶的的能態(tài)比有有源層高，，對(duì)注入電電子形成了了勢(shì)壘，注注入到有源源層的電子子不可能擴(kuò)擴(kuò)散到P層層。同理理，注入入到有源層層的空穴也也不可能擴(kuò)擴(kuò)散到N層層。這樣，，注入到有有源層的電電子和空穴穴被限制在在厚0.1~0.3μm的的有源層內(nèi)內(nèi)形成粒子子數(shù)反轉(zhuǎn)分分布，這時(shí)時(shí)只要很小小的外加電電流，就可可以使電子子和空穴濃濃度增大而而提高效益益。另一方方面，有源源層的折射射率比限制制層高，產(chǎn)產(chǎn)生的激光光被限制在在有源區(qū)內(nèi)內(nèi)，因而電電/光轉(zhuǎn)換換效率很高高，輸出激激光的閾值值電流很低低，很小的的散熱體就就可以在室室溫連續(xù)工工作。3.1.2半導(dǎo)導(dǎo)體激光光器的主主要特性性1.發(fā)發(fā)射波長(zhǎng)長(zhǎng)和光譜譜特性半導(dǎo)體激激光器的的發(fā)射波波長(zhǎng)取決決于導(dǎo)帶帶的電子子躍遷到到價(jià)帶時(shí)時(shí)所釋放放的能量量，這個(gè)個(gè)能量近近似等于于禁帶寬寬度Eg(eV)，由由式(3.1)得到hf=Eg式中，f=c/λ，f(Hz)和λλ(μm)分別別為發(fā)射射光的頻頻率和波波長(zhǎng)，c=3×108m/s為為光速，，h=6.628×10-34J·S為為普朗克克常數(shù)，，1eV=1.6××10-19J，代入入上式得得到不同半導(dǎo)導(dǎo)體材料料有不同同的禁帶帶寬度Eg，，因而有有不同的的發(fā)射波波長(zhǎng)λ。。鎵鋁砷砷-鎵鎵砷(GaAlAsGaAs)材材料適用用于0.85μμm波波段，銦銦鎵砷磷磷-銦銦磷(InGaAsPInP)材料適適用于1.3~1.55μμm波段段。參看看圖3.5(b)。圖3.7是GaAlAsDH激光光器的光光譜特性性。在直直流驅(qū)動(dòng)動(dòng)下，發(fā)發(fā)射光光波長(zhǎng)有有一定分分布，譜譜線具有有明顯的的模式結(jié)結(jié)構(gòu)。這這種結(jié)構(gòu)構(gòu)的產(chǎn)生生是因?yàn)闉閷?dǎo)帶和和價(jià)帶都都是由許許多連續(xù)續(xù)能級(jí)組組成的有有一定寬寬度的能能帶，兩兩個(gè)能帶帶中不同同能級(jí)之之間電子子的躍遷遷會(huì)產(chǎn)生生連續(xù)波波長(zhǎng)的輻輻射光。。其中只有有符合激激光振蕩蕩的相位位條件式式(3.5)的的波長(zhǎng)存存在。這這些波波長(zhǎng)取決決于激光光器縱向向長(zhǎng)度L，并稱(chēng)稱(chēng)為激光光器的縱縱模。由圖圖3.7(a)可見(jiàn)，，隨著驅(qū)驅(qū)動(dòng)電流流的增加加，縱模模模數(shù)逐逐漸減少少，譜譜線寬度度變窄。。這種變變化是由由于諧振振腔對(duì)光光波頻率率和方向向的選擇擇，使邊邊模消失失、主模模增益增增加而產(chǎn)產(chǎn)生的。。當(dāng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電流足足夠大時(shí)時(shí)，多縱縱模變?yōu)闉閱慰v模模，這種種激光器器稱(chēng)為靜靜態(tài)單縱縱模激光光器。圖圖3.7(b)是是300Mb/s數(shù)數(shù)字調(diào)制制的光譜譜特性，，由圖圖可見(jiàn)，，隨著調(diào)調(diào)制電流流增大，，縱模模模數(shù)增多多，譜線線寬度變變寬。用用FP諧諧振腔可可以得到到的是直直流驅(qū)動(dòng)動(dòng)的靜態(tài)態(tài)單縱模模激光器器，要得得到高速速數(shù)字調(diào)調(diào)制的動(dòng)動(dòng)態(tài)單縱縱模激光光器，必必須改變變激光器器的結(jié)構(gòu)構(gòu)，例如如采用分分布反饋饋激光器器就可達(dá)達(dá)到目的的。圖3.7GaAlAsDH激光光器的光光譜特性性(a)直直流驅(qū)驅(qū)動(dòng);(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)調(diào)制2.激激光束的的空間分分布激光束的的空間分分布用近近場(chǎng)和遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)描描述。近近場(chǎng)是指指激光器器輸出反反射鏡面面上的光光強(qiáng)分布布，遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)是指離離反射鏡鏡面一定定距離處處的光強(qiáng)強(qiáng)分布。。圖3.8是GaAlAsDH激激光器的的近場(chǎng)圖圖和遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)圖，近近場(chǎng)和和遠(yuǎn)場(chǎng)是是由諧振振腔(有有源區(qū))的橫向向尺寸，，即平行行于PN結(jié)平面面的寬度度w和垂垂直于結(jié)結(jié)平面的的厚度t所決定定，并稱(chēng)稱(chēng)為激光光器的橫橫模。由由圖3.8可以以看出，，平行行于結(jié)平平面的諧諧振腔寬寬度w由由寬變窄窄，場(chǎng)場(chǎng)圖呈現(xiàn)現(xiàn)出由多多橫模變變?yōu)閱螜M橫模；垂垂直于結(jié)結(jié)平面的的諧振腔腔厚度t很薄，，這個(gè)方方向的場(chǎng)場(chǎng)圖總是是單橫模模。圖3.8GaAlAsDH條形激激光器的的近場(chǎng)圖圖3.9典典型半導(dǎo)導(dǎo)體激光光器的遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射射特性和和遠(yuǎn)場(chǎng)圖圖樣(a)光強(qiáng)強(qiáng)的角分分布；(b)輻射射光束圖3.9為典型型半導(dǎo)體體激光器器的遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)輻射特特性，圖圖中θ‖‖和θ⊥⊥分別為為平行于于結(jié)平面面和垂直直于結(jié)平平面的輻輻射角，，整個(gè)光光束的橫橫截面呈呈橢圓形形。3.轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率率和輸出出光功率率特性激光器的的電/光光轉(zhuǎn)換效效率用外外微分量量子效率率ηd表表示，其其定義是是在閾值值電流以以上，每每對(duì)復(fù)合合載流子子產(chǎn)生的的光子數(shù)數(shù)由此得到到式中，P和I分分別為激激光器的的輸出光光功率和和驅(qū)動(dòng)電電流，Pth和Ith分別為相相應(yīng)的閾閾值，hf和e分別為為光子能能量和電電子電荷荷。激激光器的的光功率率特性通通常用P-I曲線表表示，圖圖3.10是典典型激光光器的光光功率特特性曲線線。當(dāng)當(dāng)I<Ith時(shí)時(shí)激光器器發(fā)出的的是自發(fā)發(fā)輻射光光；當(dāng)當(dāng)I>Ith時(shí)時(shí)，發(fā)出出的是受受激輻射射光，光光功率隨隨驅(qū)動(dòng)電電流的增增加而增增加。4.頻頻率特性性在直接光光強(qiáng)調(diào)制制下，激激光器器輸出光光功率P和調(diào)制制頻率f的關(guān)系系為P(f)=圖3.10典典型半導(dǎo)導(dǎo)體激光光器的光光功率特特性(a)短短波長(zhǎng)長(zhǎng)AlGaAs/GaAs;(b)長(zhǎng)波波長(zhǎng)InGaAsP/InP式中，fr和ξ分別別稱(chēng)為弛弛豫頻率率和阻尼尼因子，，Ith和I0分別為閾閾值電流流和偏置置電流；；I′是是零增益益電流，，高摻雜雜濃度的的LD，，I′′=0，，低摻摻雜濃度度的LD,I′=(0.7~0.8)Ith；τsp為有源區(qū)區(qū)內(nèi)的電電子壽命命，τph為諧振腔腔內(nèi)的光光子壽命命。圖3.11示出出半導(dǎo)體體激光器器的直接接調(diào)制頻頻率特性性。弛豫豫頻率fr是調(diào)調(diào)制頻率率的上限限，一般般激光器器的fr為1~2GHz。在在接近fr處，數(shù)數(shù)字調(diào)制制要產(chǎn)生生弛豫振振蕩，模模擬調(diào)制制要產(chǎn)生生非線性性失真。。圖3.11半半導(dǎo)導(dǎo)體激光光器的直直接調(diào)制制頻率特特性5.溫溫度特性性對(duì)于線性性良好的的激光器器，輸出出光功率率特性如如式(3.7b)和圖圖3.10所示示。激光光器輸出出光功率率隨溫度度而變化化有兩個(gè)個(gè)原因：：一是是激光器器的閾值值電流Ith隨溫度升升高而增增大，二二是外微微分量子子效率ηηd隨溫度升升高而減減小。溫溫度升高高時(shí)，Ith增大，ηηd減小小，輸輸出光功功率明顯顯下降，，達(dá)到一一定溫度度時(shí)，激激光器就就不激射射了當(dāng)以以直流電電流驅(qū)動(dòng)動(dòng)激光器器時(shí)，閾閾值電流流隨溫度度的變化化更加嚴(yán)嚴(yán)重。當(dāng)當(dāng)對(duì)激光光器進(jìn)行行脈沖調(diào)調(diào)制時(shí)，，閾值電電流隨溫溫度呈指指數(shù)變化化，在一一定溫度度范圍內(nèi)內(nèi)，可以以表示為為Ith=I0exp式中，I0為常數(shù)，，T為結(jié)結(jié)區(qū)的熱熱力學(xué)溫溫度，T0為激光器器材料的的特征溫溫度。GaAlAsGaAs激光器器T0=100~150K、InGaAsPInP激光器器T0=40~70K，所所以長(zhǎng)波波長(zhǎng)InGaAsPInP激光器器輸出光光功率對(duì)對(duì)溫度的的變化更更加敏感感。外微分量量子效率率隨溫度度的變化化不十分分敏感，，例如，，GaAlAsGaAs激光器器在77K時(shí)時(shí)ηd≈≈50%，在300K時(shí)，，ηd≈30%。圖3.12示出出脈沖調(diào)調(diào)制的激激光器，，由于溫溫度升高高引起閾閾值電流流增加和和外微分分量子效效率減小小，造成成的輸出出光功率率特性P-I曲曲線的變變化。圖3.12PI曲線線隨溫度度的變化化3.1.3分布布反饋激激光器隨著技術(shù)術(shù)的進(jìn)步步，高速速率光纖纖通信系系統(tǒng)的發(fā)發(fā)展和新新型光纖纖通信系系統(tǒng)例如如波分復(fù)復(fù)用系統(tǒng)統(tǒng)的出現(xiàn)現(xiàn)，都對(duì)對(duì)激光器器提出更更高的要要求。和和由FP諧振振腔構(gòu)成成的DH激光器器相比，，要求新新型半導(dǎo)導(dǎo)體激光光器的譜譜線寬度度更窄，，并在高高速率脈脈沖調(diào)制制下保持持動(dòng)態(tài)單單縱模特特性；發(fā)發(fā)射光波波長(zhǎng)更加加穩(wěn)定，，并能實(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧諧；閾值值電流更更低，而而輸出出光功率率更大。。具有這這些特性性的動(dòng)態(tài)態(tài)單縱模模激光器器有多種種類(lèi)型，，其中性性能優(yōu)良良并得到到廣泛應(yīng)應(yīng)用的是是分布反反饋(DistributedFeedBack,DFB)激激光器。。普通激光光器用FP諧振振腔兩端端的反射射鏡，對(duì)對(duì)激活物物質(zhì)發(fā)出出的輻射射光進(jìn)行行反饋，，DFB激光器器用靠近近有源層層沿長(zhǎng)度度方向制制作的周周期性結(jié)結(jié)構(gòu)(波波紋狀)衍射光光柵實(shí)現(xiàn)現(xiàn)光反饋饋。這種種衍射光光柵的折折射率周周期性變變化，使使光沿有有源層分分布式反反饋，所所以稱(chēng)為為分布反反饋激光光器。如圖3.13所所示，由由有源層層發(fā)射的的光，從從一個(gè)方方向向另另一個(gè)方方向傳播播時(shí)，一一部分在在光柵波波紋峰反反射(如如光線a)，另另一部部分繼續(xù)續(xù)向前傳傳播，在在鄰近的的光柵波波紋峰反反射(如如光線b)。如如果光線線a和b匹配，，相互疊疊加，則則產(chǎn)生更更強(qiáng)的反反饋，而而其他波波長(zhǎng)的光光將相互互抵消。。雖然每每個(gè)波紋紋峰反射射的光不不大，但但整個(gè)個(gè)光柵有有成百上上千個(gè)波波紋峰，，反饋光光的總量量足以產(chǎn)產(chǎn)生激光光振蕩。。光柵周期期Λ由下下式確定定Λ=m式中，ne為材料有效折折射率，λB為布喇格波長(zhǎng)長(zhǎng)，m為衍射射級(jí)數(shù)。在普普通光柵的DFB激光器器中，發(fā)生激激光振蕩的有有兩個(gè)閾值最最低、增益相相同的縱模，，其波長(zhǎng)為圖3.13分布反饋(DFB)激激光器(a)結(jié)構(gòu)構(gòu)；(b)光反饋式中L為光柵柵長(zhǎng)度，其他他符號(hào)和式(3.10)意義相同同。在普通通均勻光柵中中，引入一個(gè)個(gè)λ/4相移移變換，使原原來(lái)的波峰變變波谷，波波谷變波峰，，可以有效地地提高模式選選擇性和穩(wěn)定定性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)動(dòng)態(tài)單縱模激激光器的要求求。DFB激光器器與FP激激光器相比，，具有以下下優(yōu)點(diǎn)：①單縱模激激光器。FP激光器的的發(fā)射光譜是是由增益譜和和激光器縱模模特性共同決決定的，由于于諧振腔的長(zhǎng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)導(dǎo)致縱模間隔隔小，相鄰縱縱模間的增益益差別小，因因此要得到單單縱模振蕩非非常困難。DFB激光器器的發(fā)射光譜譜主要由光柵柵周期Λ決定定。Λ相當(dāng)于于FP激光光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)ΛΛ形成一個(gè)微微型諧振腔。。由于Λ的長(zhǎng)長(zhǎng)度很小，所所以m階和(m+1)階階模之間的波波長(zhǎng)間隔比FP腔大得多多，加之多個(gè)個(gè)微型腔的選選模作用，很很容易設(shè)計(jì)成成只有一個(gè)模模式就能獲得得足夠的增益益。于是DFB激光器容容易設(shè)計(jì)成單單縱模振蕩。。②譜線窄，，波長(zhǎng)穩(wěn)定定性好。由于DFB激激光器的每一一個(gè)柵距Λ相相當(dāng)于一個(gè)FP腔，所以以布喇格反射射可以看作多多級(jí)調(diào)諧，使使得諧振波長(zhǎng)長(zhǎng)的選擇性大大大提高，譜譜線明顯變變窄，可以窄窄到幾個(gè)GHz。由于光柵的作作用有助于使使發(fā)射波長(zhǎng)鎖鎖定在諧振波波長(zhǎng)上，因而而波長(zhǎng)的穩(wěn)定定性得以改善善。③動(dòng)態(tài)譜線線好。DFB激光器器在高速調(diào)制制時(shí)也能保持持單模特性，，這是FP激激光器無(wú)法比比擬的。盡管管DFB激光光器在高速調(diào)調(diào)制時(shí)存在啁啁啾，譜線有有一定展寬，，但比FP激光器的動(dòng)動(dòng)態(tài)譜線的展展寬要改善一一個(gè)數(shù)量級(jí)左左右。④線性好。。DFB激光器器的線性非常常好，因此此廣泛用于模模擬調(diào)制的有有線電視光纖纖傳輸系統(tǒng)中中。3.1.4發(fā)發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)的的工作原理與與激光器(LD)有所不不同，LD發(fā)射的是受受激輻射光，，LED發(fā)射射的是自發(fā)輻輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和和LD相似，，大多是采用用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片片，把有源層層夾在P型和和N型限制層層中間，不同同的是LED不需要光學(xué)學(xué)諧振腔，沒(méi)沒(méi)有閾值。。發(fā)光二極管管有兩種類(lèi)型型：一類(lèi)是正正面發(fā)光型LED，另另一類(lèi)是側(cè)面面發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)構(gòu)示于圖3.14。和正正面發(fā)光型LED相比，，側(cè)面發(fā)光型型LED驅(qū)動(dòng)動(dòng)電流較大，，輸出光功率率較小，但但由于光束輻輻射角較小，，與光纖的耦耦合效率較高高，因而入纖纖光功率比正正面發(fā)光型LED大。圖3.14兩類(lèi)發(fā)光二二極管(LED)(a)正面面發(fā)光型；(b)側(cè)側(cè)面發(fā)光型和激光器相比比，發(fā)光二極極管輸出光功功率較小，譜譜線寬度較寬寬，調(diào)制頻率率較低。但發(fā)發(fā)光二極管性性能穩(wěn)定，壽壽命長(zhǎng)，輸出出光功率線性性范圍寬，而而且制造工工藝簡(jiǎn)單，價(jià)價(jià)格低廉。因因此，這種種器件在小容容量短距離系系統(tǒng)中發(fā)揮了了重要作用。。發(fā)光二極管具具有如下工作作特性：(1)光譜譜特性。發(fā)光二極管發(fā)發(fā)射的是自發(fā)發(fā)輻射光，沒(méi)沒(méi)有諧振腔腔對(duì)波長(zhǎng)的選選擇，譜線較較寬，如圖3.15。一一般短波長(zhǎng)GaAlAsGaAsLED譜譜線寬度為30~50nm，長(zhǎng)波波InGaAsPInPLED譜線寬度為為60~120nm。。隨著溫度升升高或驅(qū)動(dòng)電電流增大，譜譜線加寬，且且峰值波長(zhǎng)向向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向向移動(dòng)，短波波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)長(zhǎng)LED的移移動(dòng)分別為0.2~0.3nm/℃和0.3~0.5nm/℃。圖3.15LED光光譜特性(2)光束束的空間分布布。在垂直于發(fā)光光平面上，正正面發(fā)光型型LED輻射射圖呈朗伯分分布，即P(θ)=P0cosθ，半功率率點(diǎn)輻射角θθ≈120°°。側(cè)面發(fā)光光型LED，，θ‖≈120°，θ⊥⊥≈25°~35°。由由于θ大，LED與光光纖的耦合效效率一般小于于10%。(3)輸出出光功率特性性。發(fā)光二極管實(shí)實(shí)際輸出的光光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小小于有源區(qū)產(chǎn)產(chǎn)生的光子數(shù)數(shù)，一般外微微分量子效率率ηd小于10%。兩種種類(lèi)型發(fā)光二二極管的輸出出光功率特性性示于圖3.16。驅(qū)動(dòng)動(dòng)電流I較小小時(shí)，P-I曲線線的線性較好好；I過(guò)大時(shí)時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生生飽和現(xiàn)象，，使P-I曲線的斜斜率減小。在在通常工作條條件下，LED工作電流流為50~100mA，輸出光光功率為幾mW，由于光光束輻射角大大，入纖光功功率只有幾百百μW。圖3.16發(fā)發(fā)光二極管管(LED)的P-I特性(3)輸出出光功率特性性。發(fā)光二極管實(shí)實(shí)際輸出的光光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小小于有源區(qū)產(chǎn)產(chǎn)生的光子數(shù)數(shù)，一般外外微分量子效效率ηd小于10%。。兩種類(lèi)型發(fā)發(fā)光二極管的的輸出光功率率特性示于圖圖3.16。。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)，P-I曲線的線性性較好；I過(guò)過(guò)大時(shí)，由于于PN結(jié)發(fā)熱熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)現(xiàn)象，使P-I曲線線的斜率減小小。在通常工工作條件下，，LED工作作電流為50~100mA，輸出出光功率為幾幾mW，由于于光束輻射角角大，入纖光光功率只有幾幾百μW。(4)頻率率特性。發(fā)光二極管的的頻率響應(yīng)可可以表示為|H(f)|=式中，f為調(diào)調(diào)制頻率，P(f)為對(duì)對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻頻率f的輸出出光功率，ττe為少數(shù)載載流子(電子子)的壽命。。定義fc為發(fā)光二極管管的截止頻率率，當(dāng)f=fc=1/(2ππτe)時(shí)，，|H(fc)|=，，最高調(diào)制制頻率應(yīng)低于于截止頻率。。圖3.17示示出發(fā)光二極極管的頻率響響應(yīng)，圖中中顯示出少數(shù)數(shù)載流子的壽壽命τe和截止頻率fc的關(guān)系。對(duì)有有源區(qū)為低摻摻雜濃度的LED，適適當(dāng)增加工工作電流可以以縮短載流子子壽命，提高高截止頻率。。在一般工作作條件下，正正面發(fā)光型LED截止頻頻率為20~30MHz，側(cè)面發(fā)發(fā)光型LED截止頻率為為100~150MHz。圖3.17發(fā)光光二極管(LED)的頻頻率響應(yīng)3.1.5半半導(dǎo)體光源一一般性能和應(yīng)應(yīng)用〖ST〗表3.1和表表3.2列出出半導(dǎo)體激光光器(LD)和發(fā)光二極極管(LED)的一般性性能。LED通常和和多模光纖耦耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長(zhǎng)的小容容量短距離系系統(tǒng)。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光面面積和光束輻輻射角較大，，而多模SIF光纖或或G651規(guī)規(guī)范的多模GIF光纖具具有較大的芯芯徑和數(shù)值孔孔徑，有利于于提高耦合效效率，增加入入纖功率。LD通常和G.652或或G.653規(guī)范的單模模光纖耦合，，用于1.3μm或1.55μμm大容量長(zhǎng)長(zhǎng)距離系統(tǒng)，，這種系統(tǒng)在在國(guó)內(nèi)外都得得到最廣泛的的應(yīng)用。分分布反饋激光光器(DFB-LD)主要和G.653或或G.654規(guī)范的單模模光纖或特殊殊設(shè)計(jì)的單模模光纖耦合，，用于超大容容量的新型光光纖系統(tǒng)，這這是目前光光纖通信發(fā)展展的主要趨勢(shì)勢(shì)。表3.2分分布反饋激光光器(DFB-LD)一般性能能在實(shí)際應(yīng)用中中，通常把光光源做成組件件，圖3.18示出LD組件構(gòu)成的的實(shí)例。偏置置電流和信號(hào)號(hào)電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電路作用于于LD，LD正向發(fā)射射的光經(jīng)隔離離器和透鏡耦耦合進(jìn)入光纖纖，反向發(fā)射射的光經(jīng)PIN光電二極極管轉(zhuǎn)換進(jìn)入入光功率監(jiān)控控器，同時(shí)利利用熱敏電阻阻和冷卻元件件進(jìn)行溫度監(jiān)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)溫溫度控制(ATC)。3.2光-檢檢測(cè)器3.2.1光光電二極管工工作原理光電二極管(PD)把光光信號(hào)轉(zhuǎn)換為為電信號(hào)的功功能，是由由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。。如3.1節(jié)所述述，在PN結(jié)結(jié)界面上，由由于電子和空空穴的擴(kuò)散運(yùn)運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)內(nèi)部電場(chǎng)使電電子和空穴產(chǎn)產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向相反反的漂移運(yùn)動(dòng)動(dòng)，最終使能能帶發(fā)生傾斜斜，在PN結(jié)界面附近近形成耗盡層層如圖3.19(a)。。當(dāng)入射光作作用在PN結(jié)結(jié)時(shí)，如果光光子的能量大大于或等于帶帶隙(hf≥≥Eg)，便便發(fā)生受激激吸收，即價(jià)價(jià)帶的電子吸吸收光子的能能量躍遷到導(dǎo)導(dǎo)帶形成光生生電子-空空穴對(duì)。在在耗盡層，，由于內(nèi)部電電場(chǎng)的作用，，電子向N區(qū)區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，形成漂漂移電流。在耗盡層兩側(cè)側(cè)是沒(méi)有電場(chǎng)場(chǎng)的中性區(qū)，，由于熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)，部分光生生電子和空穴穴通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入入耗盡層，然然后在電場(chǎng)作作用下，形形成和漂移電電流相同方向向的擴(kuò)散電流流。漂移電流流分量和擴(kuò)散散電流分量的的總和即為光光生電流。當(dāng)當(dāng)與P層和N層連接的電電路開(kāi)路時(shí)，，便在兩端產(chǎn)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，，這種效應(yīng)稱(chēng)稱(chēng)為光電電效效應(yīng)應(yīng)。當(dāng)當(dāng)連連接接的的電電路路閉閉合合時(shí)時(shí)，，N區(qū)區(qū)過(guò)過(guò)剩剩的的電電子子通通過(guò)過(guò)外外部部電電路路流流向向P區(qū)區(qū)。。同同樣樣，，P區(qū)區(qū)的的空空穴穴流流向向N區(qū)區(qū)，，便便形形成成了了光光生生電電流流。。當(dāng)當(dāng)入入射射光光變變化化時(shí)時(shí)，，光光生生電電流流隨隨之之作作線線性性變變化化，，從從而而把把光光信信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成電電信信號(hào)號(hào)。。這這種種由由PN結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成成，，在在入入射射光光作作用用下下，，由由于于受受激激吸吸收收過(guò)過(guò)程程產(chǎn)產(chǎn)生生的的電電子子-空空穴穴對(duì)對(duì)的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，，在在閉閉合合電電路路中中形形成成光光生生電電流流的的器器件件，，就就是是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的的光光電電二二極極管管(PD)。。如圖圖3.19(b)所所示示，，光光電電二二極極管管通通常常要要施施加加適適當(dāng)當(dāng)?shù)牡姆捶聪蛳蚱珘簤海?，目目的的是是增增加加耗耗盡盡層層的的寬寬度度，，縮縮小小耗耗盡盡層層兩兩側(cè)側(cè)中中性性區(qū)區(qū)的的寬寬度度，，從從而而減減小小光光生生電電流流中中的的擴(kuò)擴(kuò)散散分分量量。。由由于于載載流流子子擴(kuò)擴(kuò)散散運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)比比漂漂移移運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)慢慢得得多多，，所所以以減減小小擴(kuò)擴(kuò)散散分分量量的的比比例例便便可可顯顯著著提提高高響響應(yīng)應(yīng)速速度度。。但但是是提提高高反反向向偏偏壓壓，，加加寬寬耗耗盡盡層層，，又又會(huì)會(huì)增增加加載載流流子子漂漂移移的的渡渡越越時(shí)時(shí)間間，，使使響響應(yīng)應(yīng)速速度度減減慢慢。。為為了了解解決決這這一一矛矛盾盾，，就就需需要要改改進(jìn)進(jìn)PN結(jié)結(jié)光光電電二二極極管管的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。3.2.2PIN光光電電二二極極管管由于于PN結(jié)結(jié)耗耗盡盡層層只只有有幾幾微微米米，，大大部部分分入入射射光光被被中中性性區(qū)區(qū)吸吸收收，，因因而而光光電電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換效效率率低低，，響響應(yīng)應(yīng)速速度度慢慢。。為為改改善善器器件件的的特特性性，，在在PN結(jié)結(jié)中中間間設(shè)設(shè)置置一一層層摻摻雜雜濃濃度度很很低低的的本本征征半半導(dǎo)導(dǎo)體體(稱(chēng)稱(chēng)為為I)，，這這種種結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)便便是是常常用用的的PIN光光電電二二極極管管。。PIN光光電電二二極極管管的的工工作作原原理理和和結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)見(jiàn)見(jiàn)圖圖3.20和和圖圖3.21。。中中間間的的I層層是是N型型摻摻雜雜濃濃度度很很低低的的本本征征半半導(dǎo)導(dǎo)體體，，用用ΠΠ(N)表表示示；；兩兩側(cè)側(cè)是是摻摻雜雜濃濃度度很很高高的的P型型和和N型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體，，用用P+和和N+表表示示。。I層層很很厚厚，，吸吸收收系系數(shù)數(shù)很很小小，，入入射射光光很很容容易易進(jìn)進(jìn)入入材材料料內(nèi)內(nèi)部部被被充充分分吸吸收收而而產(chǎn)產(chǎn)生生大大量量電電子子-空空穴穴對(duì)對(duì)，，因因而而大大幅幅度度提提高高了了光光電電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換效效率率。。兩兩側(cè)側(cè)P+層層和和N+層層很很薄薄，，吸吸收收入入射射光光的的比比例例很很小小，，I層層幾幾乎乎占占據(jù)據(jù)整整個(gè)個(gè)耗耗盡盡層層，，因因而而光光生生電電流流中中漂漂移移分分量量占占支支配配地地位位，，從從而而大大大大提提高高了了響響應(yīng)應(yīng)速速度度。。另另外外，，可可通通過(guò)過(guò)控控制制耗耗盡盡層層的的寬寬度度w，，來(lái)來(lái)改改變變器器件件的的響響應(yīng)應(yīng)速速度度。。圖3.21PIN光光電二極極管結(jié)構(gòu)構(gòu)PIN光光電二極極管具有有如下主主要特性性：(1)量量子效效率和光光譜特性性。光電轉(zhuǎn)換換效率用用量子效效率η或或響應(yīng)度度ρ表示示。量子子效率ηη的定義義為一次次光生電電子-空穴對(duì)對(duì)和入射射光子數(shù)數(shù)的比值值響響應(yīng)度的的定義為為一次光光生電流流IP和入射光光功率P0的比值式中，hf為光子能能量，e為電電子電荷荷。量量子效效率和響響應(yīng)度取取決于材材料的特特性和器器件的結(jié)結(jié)構(gòu)。假假設(shè)器器件表面面反射率率為零，，P層和和N層對(duì)對(duì)量子效效率的貢貢獻(xiàn)可以以忽略，，在工工作電壓壓下，I層全部部耗盡，，那么PIN光光電二極極管的量量子效率率可以近近似表示示為圖3.22光光電二極極管響應(yīng)應(yīng)度ρ、、量子效效率與與波長(zhǎng)λλ的關(guān)系系式中，，α(λλ)和w分別為為I層的的吸收系系數(shù)和厚厚度。由由式(3.15)可以以看到，，當(dāng)α(λ)w1時(shí)，，η→1，所以以為提高高量子效效率η，，I層的的厚度w要足夠夠大。量量子效率率的光譜譜特性取取決于半半導(dǎo)體材材料的吸吸收光譜譜α(λλ)，對(duì)對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)長(zhǎng)的限制制由式(3.6)確定定，即λλc=hc/Eg。圖圖3.22示出出量子效效率η和和響應(yīng)度度ρ的光光譜特性性，由圖圖可見(jiàn)，，Si適適用于0.8~0.9μm波波段，Ge和InGaAs適適用于1.3~1.6μm波段。。響應(yīng)度度一般為為0.5~0.6(A/W)。圖3-22PIN光光電二極極管相硬硬度、量量子效應(yīng)應(yīng)率與與波波長(zhǎng)的的關(guān)系系(2)響響應(yīng)時(shí)時(shí)間和頻頻率特性性。光電二極極管對(duì)高高速調(diào)制制光信號(hào)號(hào)的響應(yīng)應(yīng)能力用用脈沖響響應(yīng)時(shí)間間τ或截截止頻率率fc(帶寬B)表示示。對(duì)于于數(shù)字脈脈沖調(diào)制制信號(hào)，，把光生生電流脈脈沖前沿沿由最大大幅度的的10%上升到到90%，或后后沿由90%下下降到10%的的時(shí)間，，分別定定義為脈脈沖上升升時(shí)間ττr和脈脈沖下降降時(shí)間ττf。當(dāng)當(dāng)光電二二極管具具有單一一時(shí)間常常數(shù)τ0時(shí)，其其脈沖前前沿和脈脈沖后沿沿相同，，且接近近指數(shù)函函數(shù)exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此此得到脈脈沖響應(yīng)應(yīng)時(shí)間ττ=ττr=ττf=2.2ττ0(3.16)對(duì)于幅度度一定，，頻率為為ω=2πf的的正弦調(diào)調(diào)制信號(hào)號(hào)，用光光生電流流I(ωω)下降降3dB的頻率率定義為為截止頻頻率fc。當(dāng)光光電二極極管具有有單一時(shí)時(shí)間常數(shù)數(shù)τ0時(shí)時(shí)，fc=(3.17)PIN光電二二極管響響應(yīng)時(shí)間間或頻率率特性主主要由光光生載流流子在耗耗盡層的的渡越時(shí)時(shí)間τd和包括括光電二二極管在在內(nèi)的檢檢測(cè)電路路RC常常數(shù)所確確定。當(dāng)當(dāng)調(diào)制頻頻率ω與與渡越時(shí)時(shí)間τd的倒數(shù)數(shù)可以相相比時(shí)，，耗盡盡層(I層)對(duì)對(duì)量子效效率η(ω)的的貢獻(xiàn)可可以表示示為η(ω)=(3.18)由η(ωω)/ηη(0)=得得到到由渡越越時(shí)間ττd限制的截截止頻率率fc=式中，渡渡越時(shí)間間τd=w/vs，w為耗盡盡層寬度度，vs為載流流子渡越越速度，，比例例于電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)度。。由式(3.19)和和式(3.18)可以以看出，，減小小耗盡層層寬度w，可以以減小渡渡越時(shí)間間τd，，從而提提高截止止頻率fc，但但是同時(shí)時(shí)要降低低量子效效率η。。圖3.23示示出Si-PIN光電電二極管管的量子子效率ηη與由渡渡越時(shí)間間限制的的截止頻頻率fc(帶寬寬)和耗耗盡層寬寬度w的的關(guān)系。。由電路RC時(shí)間間常數(shù)限限制的截截止頻率率fc=式中，Rt為光電二二極管的的串聯(lián)電電阻和負(fù)負(fù)載電阻阻的總和和，Cd為結(jié)電容容Cj和管殼分分布電容容的總和和。圖3.23內(nèi)內(nèi)量子效效率和帶帶寬的關(guān)關(guān)系式中，εε為材料料介電常常數(shù)，A為結(jié)面面積，w為耗盡盡層寬度度。(3)噪噪聲。噪噪聲是是反映光光電二極極管特性性的一個(gè)個(gè)重要參參數(shù)，它它直接影影響光接接收機(jī)的的靈敏度度。光電電二極管管的噪聲聲包括由由信號(hào)電電流和暗暗電流產(chǎn)產(chǎn)生的散散粒噪聲聲(ShotNoise)和由負(fù)負(fù)載電阻阻和后繼繼放大器器輸入電電阻產(chǎn)生生的熱噪噪聲。噪噪聲通常常用均方方噪聲電電流(在在1Ω負(fù)負(fù)載上消消耗的噪噪聲功率率)來(lái)描描述。均方散粒粒噪聲電電流〈〈i2sh〉=2e(IP+Id)B式中，e為電子子電荷，，B為放放大器帶帶寬，IP和Id分別別為信號(hào)號(hào)電流和和暗電流流。式式(3.21)第一一項(xiàng)2eIPB稱(chēng)為量量子噪聲聲，是由由于入射射光子和和所形成成的電子子-空空穴對(duì)對(duì)都具有有離散性性和隨機(jī)機(jī)性而產(chǎn)產(chǎn)生的。。只要有有光信號(hào)號(hào)輸入就就有量子子噪聲。。這是一一種不可可克服的的本征噪噪聲，它它決定定光接收收機(jī)靈敏敏度的極極限。式(3.22)第二項(xiàng)項(xiàng)2eIdB是是暗電流流產(chǎn)生的的噪聲。。暗電電流是器器件在反反偏壓條條件下，，沒(méi)有入入射光時(shí)時(shí)產(chǎn)生的的反向直直流電流流，它包包括晶體體材料表表面缺陷陷形成的的泄漏電電流和載載流子熱熱擴(kuò)散形形成的本本征暗電電流。暗暗電流與與光電二二極管的的材料和和結(jié)構(gòu)有有關(guān)，例例如SiPIN，Id<1nA，，GePIN，，Id>100nA。均方熱熱噪聲聲電流流〈i2T〉=(3.23)式中，，k=1.38×10-23J/K為波波爾茲茲曼常常數(shù)，，T為為等效效噪聲聲溫度度，R為等等效電電阻，，是負(fù)負(fù)載電電阻和和放大大器輸輸入電電阻并并聯(lián)的的結(jié)果果。因此，，光光電二二極管管的總總均方方噪聲聲電流流為〈i2〉=2e(IP+Id)B+3.2.3雪崩崩光電電二極極管(APD)光電二二極管管輸出出電流流I和反反偏壓壓U的的關(guān)系系示于于圖3.24。隨隨著著反向向偏壓壓的增增加，，開(kāi)始始光電電流基基本保保持不不變。。當(dāng)反反向偏偏壓增增加到到一定定數(shù)值值時(shí)，，光電電流急急劇增增加，，最后后器件件被擊擊穿，，這個(gè)個(gè)電壓壓稱(chēng)為為擊穿穿電壓壓UB。APD就是是根據(jù)據(jù)這種種特性性設(shè)計(jì)計(jì)的器器件。。根據(jù)光光電效效應(yīng)，，當(dāng)光光入射射到PN結(jié)結(jié)時(shí)，，光光子被被吸收收而產(chǎn)產(chǎn)生電電子-空空穴穴對(duì)。。如果果電壓壓增加加到使使電場(chǎng)場(chǎng)達(dá)到到200kV/cm以以上，，初始始電子子(一一次電電子)在高高電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)獲獲得足足夠能能量而而加速速運(yùn)動(dòng)動(dòng)。高高速運(yùn)運(yùn)動(dòng)的的電子子和晶晶格原原子相相碰撞撞，使使晶晶格原原子電電離，，產(chǎn)生生新的的電子子-空空穴對(duì)對(duì)。新新產(chǎn)生生的二二次電電子再再次和和原子子碰撞撞。如如此多多次碰碰撞，，產(chǎn)生生連鎖鎖反應(yīng)應(yīng)，致致使載載流子子雪崩崩式倍倍增，，見(jiàn)圖圖3.25。所所以這這種器器件就就稱(chēng)為為雪崩崩光電電二極極管(APD)。圖3.24光光電二二極管管輸出出電流流I和和反向偏偏壓U的關(guān)關(guān)系圖3.25APD載流流子雪雪崩式式倍增增示意意圖APD的結(jié)結(jié)構(gòu)有有多種種類(lèi)型型，如如圖3.26示示出的的N+PΠΠP+結(jié)構(gòu)構(gòu)被稱(chēng)稱(chēng)為拉拉通型型APD。。在這這種類(lèi)類(lèi)型的的結(jié)構(gòu)構(gòu)中，，當(dāng)偏偏壓加加大到到一定定值后后，耗耗盡層層拉通通到ΠΠ(P)層層，一一直抵抵達(dá)P+接接觸層層，是是一種種全耗耗盡型型結(jié)構(gòu)構(gòu)。拉拉通型型雪崩崩光電電二極極管(RAPD)具具有光光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效效率高高、響響應(yīng)速速度快快和附附加噪噪聲低低等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。。1.倍倍增增因子子由于雪雪崩倍倍增效效應(yīng)是是一個(gè)個(gè)復(fù)雜雜的隨隨機(jī)過(guò)過(guò)程，，所以以用這這種效效應(yīng)對(duì)對(duì)一次次光生生電流流產(chǎn)生生的平平均增增益的的倍數(shù)數(shù)來(lái)描描述它它的放放大作作用，，并并把倍倍增因因子g定義義為APD輸出出光電電流Io和和一次次光生生電流流IP的比比值。。圖3.26APD結(jié)結(jié)構(gòu)圖圖顯然，，APD的的響應(yīng)應(yīng)度比比PIN增增加了了g倍倍。根根據(jù)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，，并考考慮到到器件件體電電阻的的影響響，g可以以表示示為式中，，U為為反向向偏壓壓，UB為擊穿穿電壓壓，n為與與材料料特性性和入入射光光波長(zhǎng)長(zhǎng)有關(guān)關(guān)的常常數(shù)，，R為為體電電阻。。當(dāng)U≈UB時(shí)，RIo/UB<<1，上上式可可簡(jiǎn)化化為2.過(guò)過(guò)剩剩噪聲聲因子子雪崩倍倍增效效應(yīng)不不僅對(duì)對(duì)信號(hào)號(hào)電流流而且且對(duì)噪噪聲電電流同同樣起起放大大作用用，所所以如如果不不考慮慮別的的因素素，APD的均均方量量子噪噪聲電電流為為〈〈i2q〉=2eIPBg2(3.26a)這是對(duì)對(duì)噪聲聲電流流直接接放大大產(chǎn)生生的，，并未未引入入新的的噪聲聲成分分。事事實(shí)上上，雪雪崩效效應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)生的的載流流子也也是隨隨機(jī)的的，所所以引引入新新的噪噪聲成成分，，并并表示示為附附加噪噪聲因因子F。F(>1)是是雪崩崩效應(yīng)應(yīng)的隨隨機(jī)性性引起起噪聲聲增加加的倍倍數(shù)，，設(shè)F=gx，APD的的均方方量子子噪聲聲電流流應(yīng)為為〈〈i2q〉=2eIPBg2+x(3.26b)式中，，x為附附加噪噪聲指指數(shù)。?！磇2d〉=2eIdBg2+x(3.27)附加噪噪聲指指數(shù)x與器器件所所用材材料和和制造造工藝藝有關(guān)關(guān)，SiAPD的x=0.3~0.5，GeAPD的x=0.8~1.0，InGaAsAPD的的x=0.5~0.7。。當(dāng)當(dāng)式(3.26)和和式(3.27)的的g=1時(shí)時(shí)，得得到的的結(jié)果果和PIN相相同。。3.2.4光電電二極極管一一般性性能和和應(yīng)用用表3.3和和表3.4列出出半導(dǎo)導(dǎo)體光光電二二極管管(PIN和APD)的的一般般性能能。APD是有有增益的光光電二極管管，在光接接收機(jī)靈敏敏度要求較較高的場(chǎng)合合，采用APD有利利于延長(zhǎng)系系統(tǒng)的傳輸輸距離。但但是采用APD要求求有較高的的偏置電壓壓和復(fù)雜的的溫度補(bǔ)償償電路，結(jié)結(jié)果增加了了成本。因因此在靈敏敏度要求不不高的場(chǎng)合合，一般采采用PINPD。SiPIN和APD用于短波波長(zhǎng)(0.85μm)光纖通通信系統(tǒng)。。InGaAsPIN用于于長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31μm和和1.55μm)系統(tǒng)，性性能非常穩(wěn)穩(wěn)定，通通常把它和和使用場(chǎng)效效應(yīng)管(FET)的的前置放大大器集成在在同一基片片上，構(gòu)成成FETPIN接接收組件，，以進(jìn)一步步提高靈敏敏度，改善善器件的性性能。這種組件已已經(jīng)得到廣廣泛應(yīng)用。。新近研究究的InGaAsAPD的的特點(diǎn)是響響應(yīng)速度快快，傳輸速速率可達(dá)幾幾到十幾Gb/s，，適用于超超高速光纖纖通信系統(tǒng)統(tǒng)。由于GeAPD的暗電流流和附加噪噪聲指數(shù)較較大，很少少用于實(shí)際際通信系統(tǒng)統(tǒng)。3.3光無(wú)無(wú)源器器件一個(gè)完整的的光纖通信信系統(tǒng)，除除光纖、光光源和光檢檢測(cè)器外，，還需要要許多其它它光器件，，特別是無(wú)無(wú)源器件。。這些器件件對(duì)光纖通通信系統(tǒng)的的構(gòu)成、功功能的擴(kuò)展展或性能的的提高，都都是不可缺缺少的。雖雖然對(duì)各各種器件的的特性有不不同的要求求，但是是普遍要求求插入損耗耗小、反射射損耗大、、工作溫度度范圍寬、、性能穩(wěn)定定、壽命長(zhǎng)長(zhǎng)、體積積小、價(jià)格格便宜，許許多器件件還要求便便于集成。。本節(jié)主要要介紹無(wú)源源光器件的的類(lèi)型、原原理和主要要性能。3.3.1連接器和和接頭連接器是實(shí)實(shí)現(xiàn)光纖與與光纖之間間可拆卸(活動(dòng))連連接的器件件，主要要用于光纖纖線路與光光發(fā)射機(jī)輸輸出或光接接收機(jī)輸入入之間，或或光纖線路路與其他光光無(wú)源器件件之間的連連接。表3.5給出出光纖連接接器的一般般性能。接接頭是實(shí)實(shí)現(xiàn)光纖與與光纖之間間的永久性性(固定)連接，主主要用于光光纖線路的的構(gòu)成，通通常在工程程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施施。連接器器件是光纖纖通信領(lǐng)域域最基本、、應(yīng)用最廣廣泛的無(wú)源源器件。連連接器器有單纖(芯)連接接器和多纖纖(芯)連連接器，其其特性主主要取決于于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)、加工精精度和所用用材料。單單纖連接器器結(jié)構(gòu)有許許多種類(lèi)型型，其中精精密套管結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合合理、效果果良好，適適宜大規(guī)模模生產(chǎn)，因因而得到到很廣泛的的應(yīng)用。表3.5光纖纖連接器一一般性能圖3.27示出精密密套管結(jié)構(gòu)構(gòu)的連接器器簡(jiǎn)圖，包包括用于對(duì)對(duì)中的套管管、帶有微微孔的插針針和端面的的形狀(圖圖中畫(huà)出平平面的端面面)。光光纖固定在在插針的微微孔內(nèi)，兩兩支帶光纖纖的插針用用套管對(duì)中中實(shí)現(xiàn)連接接。要求求光纖與微微孔、插針針與套管精精密配合。。對(duì)低插入入損耗的連連接器，要要求兩根光光纖之間的的橫向偏移移在1μμm以?xún)?nèi)，，軸線傾傾角小于0.5°。。普通的FC型連接接器，光纖纖端面為平平面。對(duì)對(duì)于高反射射損耗的連連接器，要要求光纖纖端面為球球面或斜面面，實(shí)現(xiàn)物物理接觸(PC)型型。套管和和插針的材材料一般可可以用銅或或不銹鋼，，但插針針材料用ZrO2陶瓷最理想想。ZrO2陶瓷機(jī)機(jī)械性能好好、耐磨磨，熱膨膨脹系數(shù)和和光纖相近近，使連接接器的壽命命(插拔次次數(shù))和工工作溫度范范圍(插入入損耗變化化±0.1dB)大大改善善。圖3.27套套管結(jié)結(jié)構(gòu)連接器器簡(jiǎn)圖一種常用的的多纖連接接器是用壓壓模塑料形形成的高精精度套管和和矩形外殼殼，配合陶陶瓷插針構(gòu)構(gòu)成的，這這種方法可可以做成2纖或4纖纖連接器。。另一種多多纖連接器器是把光纖纖固定在用用硅晶片制制成的精密密V形槽內(nèi)內(nèi)，然后多多片疊加并并配合適當(dāng)當(dāng)外殼。這這種多纖連連接器配合合高密度帶帶狀光纜，，適用于于接入網(wǎng)或或局域網(wǎng)的的連接。對(duì)于實(shí)現(xiàn)固固定連接的的接頭，國(guó)國(guó)內(nèi)外大多多借助專(zhuān)用用自動(dòng)熔接接機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)進(jìn)行熱熔熔接，也可可以用V形形槽連接。。熱熔接的的接頭平均均損耗達(dá)0.05dB/個(gè)個(gè)。3.3.2光耦合器器耦合器的功功能是把一一個(gè)輸入的的光信號(hào)分分配給多個(gè)個(gè)輸出，或或把多個(gè)個(gè)輸入的光光信號(hào)組合合成一個(gè)輸輸出。這種種器件對(duì)光光纖線路的的影響主要要是附加插插入損耗，，還有一定定的反射和和串?dāng)_噪聲聲耦合器大大多與波長(zhǎng)長(zhǎng)無(wú)關(guān)，與與波長(zhǎng)相關(guān)關(guān)的耦合器器專(zhuān)稱(chēng)為波波分復(fù)用器器/解復(fù)用用器。1.耦合合器類(lèi)型圖3.28示出常用用耦合器的的類(lèi)型，它它們各具具不同的功功能和用途途。T形耦合器器這是一種種2×2的的3端耦合合器，見(jiàn)見(jiàn)圖3.28(a)，其功功能是把一一根光纖輸輸入的光信信號(hào)按一定定比例分配配給兩根光光纖，或或把兩根光光纖輸入的的光信號(hào)組組合在一起起，輸入一一根光纖。。圖3.28常常用耦合合器的類(lèi)型型這種耦合器器主要用作作不同分路路比的功率率分配器或或功率組合合器。星形形耦合器這這是一種n×m耦耦合器，見(jiàn)見(jiàn)圖3.28(b)，其功能能是把n根根光纖輸入入的光功率率組合在一一起，均勻勻地分配給給m根光纖纖，m和和n不一定定相等。這這種耦合器器通常用作作多端功率率分配器。。定向耦合器器這是一種種2×2的的3端或4端耦合器器，其功能能是分別取取出光纖中中向不同方方向傳輸?shù)牡墓庑盘?hào)。。見(jiàn)圖3.28(c)，光信信號(hào)從端1傳輸?shù)蕉硕?，一一部分由端端3輸出，，端4無(wú)輸輸出；光信信號(hào)從端2傳輸?shù)蕉硕?，一部部分由端4輸出，端端3無(wú)輸出出。定向耦耦合器可用用作分路器器，不能用用作合路器器。波分復(fù)用器器/解復(fù)用用器(也稱(chēng)稱(chēng)合波器/分波器)這是一種種與波長(zhǎng)有有關(guān)的耦合合器，見(jiàn)圖圖3.28(d)。。波分復(fù)用用器的功能能是把多個(gè)個(gè)不同波長(zhǎng)長(zhǎng)的發(fā)射機(jī)機(jī)輸出的光光信號(hào)組合合在一起，，輸入到一一根光纖；；解復(fù)用器器是把一根根光纖輸出出的多個(gè)不不同波長(zhǎng)的的光信號(hào)，，分配給給不同的接接收機(jī)。波波分復(fù)用器器/解復(fù)用用器將在7.2節(jié)詳詳細(xì)介紹。。2.基本本結(jié)構(gòu)耦合器的結(jié)結(jié)構(gòu)有許多多種類(lèi)型，，其中比較較實(shí)用和有有發(fā)展前途途的有光纖纖型、微器器件型和波波導(dǎo)型，圖圖3.29~圖3.32示示出這三種種類(lèi)型的有有代表性器器件的基本本結(jié)構(gòu)。圖3.29光光纖纖型型耦耦合合器器(a)定定向向耦耦合合器器；；(b)8××8星星形形耦耦合合器器；；(c)由由12個(gè)個(gè)2××2耦耦合合器器組組成成的的8××8星星形形耦耦合合器器光纖纖型型把把兩兩根根或或多多根根光光纖纖排排列列，，用用熔熔拉拉雙雙錐錐技技術(shù)術(shù)制制作作各各種種器器件件。。這這種種方方法法可可以以構(gòu)構(gòu)成成T型型耦耦合合器器、、定定向向耦耦合合器器、、星星型型耦耦合合器器和和波波分分解解復(fù)復(fù)用用器器。。圖圖3.29(a)和和(b)分分別別示示出出單單模模2××2定定向向耦耦合合器器和和多多模模n××n星星形形耦耦合合器器的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。單單模模星星形形耦耦合合器器的的端端數(shù)數(shù)受受到到一一定定限限制制，，通通常?？煽梢砸杂糜?××2耦耦合合器器組組成成，，圖圖3.29(c)示示出