光纖通信課件劉增基西安電子科技大學出版社3

第3章通信用光器

3.1光源

3.1.1半導體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)

3.1.2半導體激光器的主要特性

3.1.3分布反饋激光器

3.1.4發(fā)光二極管

3.1.5半導體光源一般性能和應用

3.2光檢測器

3.2.1光電二極管工作原理

3.2.2PIN光電二極管

3.2.3雪崩光電二極管(APD)

3.2.4光電二極管一般性能和應用

3.3光無源器件

3.3.1連接器和接頭

3.3.2光耦合器

3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

3.3.4光調(diào)制器

3.3.5光開關(guān)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源器件兩種類型。

有源器件包括光源、光檢測器和光放大器。

光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等。

3.1光源

光源是光發(fā)射機的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號轉(zhuǎn)換為光信號。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導體激光二極管或稱激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)，有些場合也使用固體激光器。

本節(jié)首先介紹半導體激光器(LD)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)和主要特性，然后進一步介紹性能更優(yōu)良的分布反饋激光器(DFB-LD)，最后介紹可靠性高、壽命長和價格便宜的發(fā)光管(LED)。

3.1.1半導體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)

半導體激光器是向半導體PN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，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。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。在物質(zhì)的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的能級Ei(i=2,3,4…)稱為激發(fā)態(tài)。電子在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收自發(fā)輻射受激輻射

(見圖3.1)雙能級原子系統(tǒng)的三種躍遷hE2E1自發(fā)發(fā)射躍遷E2E1受激吸收躍遷hhE2E1受激發(fā)射躍遷hh受激發(fā)射的光子與原光子具有相同的波長、相位和傳播方向受激輻射和受激吸收的區(qū)別與聯(lián)系

受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，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。設在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布(3.2)式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因為電子總是首先占據(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。當光通過這種物質(zhì)時，光強按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。

N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

問題：如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?

圖3.2半導體的能帶和電子分布(a)本征半導體；(b)N型半導體；(c)P型半導體2.PN結(jié)的能帶和電子分布

在半導體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量Ec和價帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。圖3.2示出不同半導體的能帶和電子分布圖。根據(jù)量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。Ef

稱為費米能級，用來描述半導體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費米能級，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。(3.3)P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場擴散漂移

P-N結(jié)內(nèi)載流子運動；圖3.3PN結(jié)的能帶和電子分布勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env零偏壓時P-N結(jié)的能帶傾斜圖hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場外加電場正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

增益區(qū)的產(chǎn)生：在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強。電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在PN結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見圖3.3(c)。在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。

3.激光振蕩和光學諧振腔激光振蕩的產(chǎn)生：

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（必要條件)+激活物質(zhì)置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇=連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出?；镜墓鈱W諧振腔由兩個反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成(如圖3.4所示)，并被稱為法布里-珀羅(FabryPerot,FP)諧振腔。由于諧振腔內(nèi)的激活物質(zhì)具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可以用它產(chǎn)生的自發(fā)輻射光作為入射光。

圖3.4激光器的構(gòu)成和工作原理

(a)激光振蕩；(b)光反饋式中，γth為閾值增益系數(shù)，α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1，R2<1為兩個反射鏡的反射率

激光振蕩的相位條件為式中，λ為激光波長，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1,2,3…稱為縱模模數(shù)。在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩的閾值條件為γth=α+(3.4)L=q(3.5)增益和損耗相等產(chǎn)生穩(wěn)定激光

4.半導體激光器基本結(jié)構(gòu)

DH激光器

DH激光器工作原理由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。

P層帶隙寬，導帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。圖3.6DH激光器工作原理(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；

(d)光功率分布

3.1.2半導體激光器的主要特性

1.發(fā)射波長和光譜特性半導體激光器的發(fā)射波長取決于禁帶寬度Eg(eV)，由式(3.1)得到

hf=Eg(3.6)不同半導體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85μm波段銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3~1.55μm波段式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3×108m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數(shù)，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到圖3.7是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。在直流驅(qū)動下，發(fā)射光波長只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長存在。這些波長取決于激光器縱向長度L，并稱為激光器的縱模。

驅(qū)動電流變大，縱模模數(shù)變小，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。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。圖3.7(b)是300Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性，由圖可見，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。

圖3.7GaAlAs-DH激光器的光譜特性

(a)直流驅(qū)動;(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)激光器縱模的概念：

激光器的縱模反映激光器的光譜性質(zhì)。對于半導體激光器，當注入電流低于閾值時，發(fā)射光譜是導帶和價帶的自發(fā)發(fā)射譜，譜線較寬；只有當激光器的注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益才大于損耗，自發(fā)發(fā)射譜線中滿足駐波條件的光頻率才能在諧振腔里振蕩并建立起場強，這個場強使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能級間產(chǎn)生受激輻射，而其他頻率的光卻受到抑制，使激光器的輸出光譜呈現(xiàn)出以一個或幾個模式振蕩，這種振蕩稱之為激光器的縱模。I=67mAP=1.2mWI=75mAP=2.5mWI=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW隨著電流增加，主模的增益增加，而邊模的增益減小，縱模數(shù)減少，一個模式開始占優(yōu)勢，直到出現(xiàn)單個窄線寬的光譜為止?？v模數(shù)隨注入電流而變：在眾多的縱模中，只有那些頻率落在增益介質(zhì)的增益曲線范圍內(nèi)，且增益大于損耗的那些腔模才能在LD的輸出中存在。譜線特性：

2.激光束的空間分布激光束的空間分布用近場和遠場來描述。

近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布；

遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。圖3.8是GaAlAs-DH激光器的近場圖和遠場圖，近場和遠場是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模。由圖3.8可以看出，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄，這個方向的場圖總是單橫模。

圖3.8GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣

3.-9典型半導體激光器的遠場輻射特性和遠場圖樣

(a)光強的角分布；(b)輻射光束圖3.9為典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中θ‖和θ⊥分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。表示激光器件把注入的電子－空穴對（注入電荷）轉(zhuǎn)換成從器件發(fā)射的光子（輸出光）的效率。是一個以百分數(shù)（％）度量的性能系數(shù)。一個把100％注入電流轉(zhuǎn)換成輸出光的理想假設器件(即器件沒有以熱形式消耗)，在理論上應具有100％的e。e可從P-I特性的斜率（閾值以上）dP/dI求得：（對GaALAs材料）3.外微分量子效率e：圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。當I<Ith時激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當I>Ith時，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。

圖3.10典型半導體激光器的光功率特性

(a)短波長AlGaAs/GaAs(b)長波長InGaAsP/InP內(nèi)量子效率i是衡量激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子能力的一個參數(shù)。與e不同的的是，i與激光二極管的幾何尺寸無關(guān)，是評價激光二極管半導體晶片質(zhì)量的主要參數(shù)。i和e既又關(guān)系又有差別。i是激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成為輸出光，有些光子由于各種內(nèi)部損耗而被重新吸收。e是激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉(zhuǎn)換成輸出光的效率象征。e總是比i小。內(nèi)量子效率i=有源區(qū)內(nèi)每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù)有源區(qū)內(nèi)每秒鐘注入的電子-空穴對數(shù)內(nèi)量子效率i：4.頻率特性在直接光強調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f

的關(guān)系為P(f)=(3.8a)(3.8b)式中，和ξ分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，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′=(0.7~0.8)Ith；τsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，τph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。圖3.11半導體激光器的直接調(diào)制頻率特性圖3.11示出半導體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率fr

是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr為1~2GHz。在接近fr處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。

Ith=I0exp(3.9)

5.溫度特性激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因（1）激光器的閾值電流Ith

隨溫度升高而增大（2）外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不激射了。當以直流電流驅(qū)動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴重。當對激光器進行脈沖調(diào)制時，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為

3.1.3分布反饋激光器

分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。

分布反饋激光器的要求：

（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性（3）發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實現(xiàn)調(diào)諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大圖3.13分布反饋(DFB)激光器

(a)結(jié)構(gòu)；(b)光反饋如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。

光柵周期Λ=m(3.10)

ne為材料有效折射率，λB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)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為(3.11)

DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點：①單縱模激光器②譜線窄，波長穩(wěn)定性好③動態(tài)譜線好④線性好DBR激光器

3.1.4發(fā)光二極管LD和LED的區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光

LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔，沒有閾值。

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)光型發(fā)光二極管的類型：表面發(fā)光型LED和側(cè)面發(fā)光型LED

表面發(fā)光二極管優(yōu)點由于異質(zhì)結(jié)對載流子的限制作用，可以提高電子注入效率；由于AlGaAs層的能帶間隙比復合區(qū)（p－GaAs）的能帶間隙大，因此，AlGaAs層基本不吸收由低能帶間隙之間躍遷所發(fā)射出的光子。因此異質(zhì)結(jié)增加了光從器件內(nèi)部穿透出來的透射率；異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)很容易改變發(fā)光器件的發(fā)光波長。它的熱傳導性能比同質(zhì)結(jié)器件差。AlGaAs半導體能帶間隙比較大，能帶間隙大的材料一般熱傳導性能都比較差；異質(zhì)結(jié)器件更容易退化。由于異質(zhì)結(jié)器件是多層結(jié)構(gòu)，晶格匹配比較困難，容易造成缺陷，因此加速了器件退化。

為了揚長避短，有人將表面發(fā)光二極管做成單異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，介于同質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)器件之間，即只在pn結(jié)出光的一側(cè)制作一個異質(zhì)結(jié)，使其有一層能帶間隙較寬的材料層，以利于光透射，而在pn結(jié)的另一側(cè)仍為同質(zhì)結(jié)，以利于熱傳導。這樣一來，兼顧了表面發(fā)光管的輸出功率和熱傳導性能，達到了較好的效果。表面發(fā)光二極管缺點側(cè)面發(fā)光二極管側(cè)面發(fā)光管發(fā)出的光束在垂直于pn結(jié)結(jié)平面方向上發(fā)散角較小，方向性好，有利于光源和光纖之間的耦合。側(cè)面發(fā)光管的另一個優(yōu)點是在出光端面上光源的輻射率R非常高，這同樣是由于雙異質(zhì)結(jié)的波導作用將光通道限制在非常小的區(qū)域內(nèi)造成的。發(fā)光二極管的特點：輸出光功率較小；譜線寬度較寬；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，價格低廉；適用于小容量短距離系統(tǒng)。發(fā)光二極管的主要工作特性：

(1)光譜特性。發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬，如圖3.15。圖3.15LED光譜特性

(2)光束的空間分布。在垂直于發(fā)光平面上，正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布，即P(θ)=P0

cosθ，半功率點輻射角θ≈120°。

側(cè)面發(fā)光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于θ‖大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。

43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW(3)輸出光功率特性

發(fā)光二極管實際輸出的光子數(shù)遠遠小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率ηd小于10%。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。

驅(qū)動電流I較小時，

P-I曲線的線性較好；I過大時，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I

曲線的斜率減小。

式中，f為調(diào)制頻率，P(f)為對應于調(diào)制頻率f的輸出光功率，τe為少數(shù)載流子(電子)的壽命。定義fc為發(fā)光二極管的截止頻率，當f=fc=1/(2πτe)時，|H(fc)|=，最高調(diào)制頻率應低于截止頻率。(4)頻率特性。發(fā)光二極管的頻率響應可以表示為：|H(f)|=(3.12)圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響應，圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命τe和截止頻率fc

的關(guān)系。對有源區(qū)為低摻雜濃度的LED，適當增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。圖3.17發(fā)光二極管(LED)的頻率響應

3.1.5半導體光源一般性能和應用半導體光源的一般性能表：

3.1和表3.2列出半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能。

LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統(tǒng)。因為LED發(fā)光面積和光束輻射角較大，而多模SIF光纖或G.651規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。

LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長距離系統(tǒng)。

分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。表3.1半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-20×50-20×50-20×50-20×50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調(diào)制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流Ith/mA50~10060~1201~21~3譜線寬度1.31.551.31.55工作波長LEDLD表3.2分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能

20~4015~30輸出功率P/mW(連續(xù)單模,25oC)

2015外量子效率/%

15~2020~30閥值電流Ith/mA<0.08頻譜漂移/(nm/oC)30~35邊模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度

1.31.55工作波長3.2光檢測器

3.2.1光電二極管工作原理

3.2.2PIN光電二極管

一、工作原理和結(jié)構(gòu)

二、PIN光電二極管主要特性

(1)量子效率和光譜特性

(2)響應時間和頻率特性

(3)噪聲

3.2.3雪崩光電二極管(APD)

一、工作原理和結(jié)構(gòu)

二、APD特性參數(shù)

3.2.4光電二極管一般性能和應用3.2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)運動，空穴向P區(qū)運動3.2.1光電二極管工作原理

光電二極管(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能，是由半導體PN結(jié)的光電效應實現(xiàn)的。電子和空穴的擴散運動PN結(jié)界面內(nèi)部電場漂移運動能帶傾斜如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當入射光作用在PN結(jié)時發(fā)生受激吸收在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運動，部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層，然后在電場作用下，形成和漂移電流相同方向的擴散電流。漂移電流分量和擴散電流分量的總和即為光生電流。當與P層和N層連接的電路開路時，便在兩端產(chǎn)生電動勢，這種效應稱為光電效應。當連接的電路閉合時，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子-空穴對的運動，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。PN光電二極管缺點帶寬受限的主要因素:產(chǎn)生的光電流中存在擴散分量，它與耗盡區(qū)外的光吸收有關(guān)。載流子作擴散運動的時延將使檢測器輸出電流脈沖后沿的托尾加長，影響光電二極管的響應速度。解決方法：減小P,N區(qū)厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使大部分入射光功率在耗盡區(qū)吸收，減少P,N區(qū)吸收的光能--PIN考慮漂移和擴散運動時PN光電二極管對矩形脈沖的響應擴散分量的存在導致光電二極管瞬態(tài)響應失真

3.2.2PIN光電二極管

PIN光電二極管的產(chǎn)生

由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設置一層摻雜濃度很低的本征半導體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。

PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖3.20和圖3.21。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導體，用Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導體，用P+和N+表示。

I層很厚，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-空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。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，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應速度。I層很厚，提高了光電轉(zhuǎn)換效率兩側(cè)P+層和N+層很薄，提高了響應速度。圖3.21PIN光電二極管結(jié)構(gòu)式中，hf為光子能量，e為電子電荷。(3.13)(3.14)PIN光電二極管具有如下主要特性：

(一)量子效率和光譜特性。

光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率η或響應度ρ表示。量子效率η的定義為一次光生電子-空穴對和入射光子數(shù)的比值響應度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值式中，α(λ)和w分別為I層的吸收系數(shù)和厚度。由式(3.15)可以看到，當α(λ)w>>1時，η→1，所以為提高量子效率η，I層的厚度w要足夠大。（1）量子效率和響應度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。假設器件表面反射率為零，P層和N層對量子效率的貢獻可以忽略，在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為(3.15)

（2）

量子效率的光譜特性取決于半導體材料的吸收光譜α(λ)，對長波長的限制由式(3.6)確定，即λc=hc

/Eg。

(二)響應時間和頻率特性。光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應能力用脈沖響應時間τ或截止頻率fc(帶寬B)表示。對于數(shù)字脈沖調(diào)制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時間，分別定義為脈沖上升時間τr和脈沖下降時間τf。當光電二極管具有單一時間常數(shù)τ0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脈沖響應時間τ=τr=τf=2.2τ0

(3.16)對于幅度一定，頻率為ω=2πf的正弦調(diào)制信號，用光生電流I(ω)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當光電二極管具有單一時間常數(shù)τ0時，（3.17）

PIN光電二極管響應時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時間τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所確定。當調(diào)制頻率ω與渡越時間τd的倒數(shù)可以相比時，耗盡層(I層)對量子效率η(ω)的貢獻可以表示為(3.18)

由η(ω)/η(0)=得到由渡越時間τd限制的截止頻率（3.19）式中，渡越時間τd=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度，比例于電場強度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時間τd，從而提高截止頻率fc，但是同時要降低量子效率η。圖3.23內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系

由電路RC時間常數(shù)限制的截止頻率式中，Rt為光電二極管的串聯(lián)電阻和負載電阻的總和，Cd為結(jié)電容Cj和管殼分布電容的總和。式中，ε為材料介電常數(shù)，A為結(jié)面積，w為耗盡層寬度。(3.20)(3.21)(三)噪聲

噪聲影響光接收機的靈敏度。

噪聲包括散粒噪聲(ShotNoise)(由信號電流和暗電流產(chǎn)生)熱噪聲(由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生)

（1）均方散粒噪聲電流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B(3.22)e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。

2eIPB

稱為量子噪聲(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)

2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。

暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產(chǎn)生的反向直流電流。漏電流噪聲：當光檢測器表面物理狀態(tài)不完善和加有偏置電壓時，會引起很小的漏電流噪聲，但這種噪聲并非本征性噪聲，可通過光檢測器的合理設計，良好的結(jié)構(gòu)和嚴格的工藝降低。（2）均方熱噪聲電流式中，k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，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。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為〈i2〉=2e(IP+Id)B+(3.24)(3.23)〈i2T〉=

3.2.3雪崩光電二極管(APD)

光電二極管輸出電流

I和反偏壓U的關(guān)系示于圖3.24。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當反向偏壓增加到一定數(shù)值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。

APD就是根據(jù)這種特性設計的器件。

圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系

如果電壓增加到使電場達到200kV/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。高速運動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。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，致使載流子雪崩式倍增，見圖3.25。

所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。根據(jù)光電效應，當光入射到PN結(jié)時，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。

圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）圖3.26APD結(jié)構(gòu)圖圖3.26示出的N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。工作過程

APD的響應度比PIN增加了g倍。

U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。當U≈UB時，RIo/UB<<1，上式可簡化為對APD特性新引入的參數(shù)是倍增因子和附加噪聲指數(shù)倍增因子

倍增因子g(一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù))定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。(3.25)(3.26)(3.27)

2.過剩噪聲因子

APD的均方量子噪聲電流為〈i2q〉=2eIPBg2(3.26a)

引入新的噪聲成分，并表示為附加噪聲因子F。

F(>1)是雪崩效應的隨機性引起噪聲增加的倍數(shù)，設F=gx，APD的均方量子噪聲電流應為〈i2q〉=2eIPBg2+x(3.26b)式中，x為附加噪聲指數(shù)。同理，APD暗電流產(chǎn)生的均方噪聲電流應為

〈i2d〉=2eIdBg2+x(3.27)

附加噪聲指數(shù)x與器件所用材料和制造工藝有關(guān)

Si-APD的x=0.3~0.5，Ge-APD的x=0.8~1.0，InGaAs-APD的x=0.5~0.7。當式(3.26)和式(3.27)的g=1時，得到的結(jié)果和PIN相同。

3.2.4光電二極管一般性能和應用表3.3和表3.4列出半導體光電二極管(PIN和APD)的一般性能。

APD是有增益的光電二極管，在光接收機靈敏度要求較高的場合，采用APD有利于延長系統(tǒng)的傳輸距離。

靈敏度要求不高的場合，一般采用PIN-PD。-5~-15-5~-15工作電壓/V1~20.5~1結(jié)電容Cj/pF0.2~12~10響應時間2~50.1~1暗電流Id/nA0.6(1.3)0.4(0.85)響應度1.0~1.60.4~1.0波長響應InGaAs-PINSi-PIN表3.3PIN光電二極管一般特性0.5~0.70.3~0.4附加噪聲指數(shù)x20~3030~100倍增因子g40~6050~100工作電壓/V<0.51~2結(jié)電容Cj/pF0.1~0.30.2~0.5響應時間10~200.1~1暗電流Id/nA0.5~0.70.5響應度1~1.650.4~1.0波長響應InGaAs-APDSi-APD表3.4雪崩光電二極管（APD）一般性能3.3光無源器件

3.3.1連接器和接頭

3.3.2光耦合器

一、耦合器類型

二、基本結(jié)構(gòu)

三、主要特性

3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

3.3.4光調(diào)制器

3.3.5光開關(guān)3.3光無源器件

無源光器件的要求：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。3.3.1光連接器—Connector技術(shù)指標：插入損耗：光信號通過連接器之后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數(shù)?；夭〒p耗：反射損耗，光纖連接處，后向反射光相對輸入光的比率的分貝數(shù)。重復性和互換性損耗來源連接器方法：利用精密陶瓷套筒準直纖芯插入損耗目前水平0.2dB類型：FC、SC、ST其它：多芯光纜連接器、保偏光纖連接器、密封型光纖連接器FC型：螺紋連接。外部材料為金屬SC型：外殼采用工程塑料，矩形結(jié)構(gòu)，便于密集安裝，不用螺紋連接，可以直接插拔。ST型：采用帶鍵的卡口式鎖緊機構(gòu)，確保連接時準確對中。

3.3.2光耦合器

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。

1.耦合器類型

T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分復用器/解復用器圖3.28常用耦合器的類型

T形(a)……星形(b)定向(c)2314…l1l2lNl1＋l2＋lN(d)波分2.基本結(jié)構(gòu)的分類

光纖型微器件型波導型

光纖型

把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術(shù)制作各種器件。圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復用/解復用器。如圖3.30，光纖a(直通臂)傳輸?shù)妮敵龉夤β蕿镻a，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據(jù)耦合理論得到

Pa=cos2(CλL)(3.28a)

Pb=sin2(CλL)(3.28b)式中，L為耦合器有效作用長度，Cλ為取決于光纖參數(shù)和光波長的耦合系數(shù)。C--耦合系數(shù)22光纖耦合器P4P0輸入功率P1直通功率P3串擾P2耦合功率L錐形區(qū)域L錐形區(qū)域Z耦合區(qū)域1，221直通臂耦合臂12P0

P1P2熔錐光纖型波分復用器結(jié)構(gòu)和特性1

21212121

21

21

21

2公共臂

圖3.29光纖型耦合器

(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個2×2耦合器組成的8×8星形耦合器

圖3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)濾光式解復用器；(d)光柵式解復用器微器件型

用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，部分反射)、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)等微光學器件構(gòu)成，如圖3.31所示。

衍射光柵型波分復用器結(jié)構(gòu)示意圖光纖透鏡光柵1231231+2+31+2+31+2+3123采用棒透鏡的光柵型WDM光纖棒透鏡光柵1+2+31231+2+3123圖3.32波導型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解復用器；波導型

在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層。波導的材料根據(jù)器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。3.主要特性說明耦合器參數(shù)的模型如圖3.33所示，主要參數(shù)定義如下。耦合比CR

是一個指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用%表示(3.29)由此可定義功率分路損耗Ls：

Ls=10lg(3.30)分光比

附加損耗Le

由散射、吸收和器件缺陷產(chǎn)生的損耗，是全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示

插入損耗Lt

是一個指定輸入端的光功率Pic和一個指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示(3.31)(3.32)

方向性DIR(隔離度)

是一個輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分貝表示

一致性U

是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同輸出端耦合比的等同性。(3.33)-40~+70-40~+70工作溫度/oC1~1.250.8~2.0穩(wěn)定性/dB40~55方向性/dB04×47~88×811~1232×3217~193.45.6/1.810.8/0.7插入損耗/dB分路比0.5/0.50.3/0.70.1/0.91.31或1.551.31或1.55工作波長/n×n星型2×2型耦合器表3.6耦合器的一般特性2555（濾波）隔離度/dB2~30.5~1附加損耗/dB20~30200波長間隔/nm1.31和1.551.31和1.55工作波長/6端2端波分復用器表3.7波分復用器的一般性能

3.3.3光隔離器與光環(huán)行器

耦合器和其他大多數(shù)光無源器件的輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。

隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。

隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。

插入損耗和隔離度是隔離器的兩個主要參數(shù)。隔離器工作原理如圖3.34所示。這里假設入射光只是垂直偏振光，第一個偏振器的透振方向也在垂直方向，因此輸入光能夠通過第一個偏振器。緊接第一個偏振器的是法拉弟旋轉(zhuǎn)器，法拉弟旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，例如45°，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無關(guān)。光偏振(極化)

單模光纖中傳輸?shù)墓獾钠駪B(tài)(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的振動方向。在任何時刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模。

偏振器圖3.34隔離器的工作原理法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光SOP圖3.35一種與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)的隔離器光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP光纖輸入(b)另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，當兩個分量的光通過這兩個器件時，其旋轉(zhuǎn)效果相互抵消，偏振態(tài)維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖3.35(b)所示，于是就起到隔離作用。

環(huán)行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。如圖3.36所示，典型的環(huán)行器一般有三個或四個端口。在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號在端口2輸出，端口2輸入的光信號在端口3輸出，端口3輸入的光信號由端口1輸出。

光環(huán)行器主要用于光分插復用器中。

圖3.36光環(huán)行器

(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)1324反射棱鏡光環(huán)行器原理示意圖光發(fā)射機1光接收機2光接收機1光發(fā)射機2123132光環(huán)行器用于雙向傳輸系統(tǒng)光調(diào)制器Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATA