光纖元件連接

光纖元件連接第六章光纖機(jī)械量傳感器第七章光纖熱工量傳感器第八章光纖電磁量傳感器第九章醫(yī)用光纖傳感器第二章光纖系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器與元件連接2.1引言一般的光纖系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、光纖傳輸線2．2電光轉(zhuǎn)換器——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(dǎo)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，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。

2.2.1光源的特性

一、輸出功率特性對于一個(gè)帶有光纖輸出的光源，要求是從光纖終端射出的光通量應(yīng)最大。這個(gè)量的大小取決于光源的波長和射入光纖的光通量。射入光纖的光通量與光源和光纖的耦合效果以及光源的亮度有關(guān)二、輻射頻譜特性光源輻射的頻譜特性應(yīng)與光纖波導(dǎo)的傳輸頻響特性匹配。SiO2光纖的損耗曲線表明，除OH根的吸收峰值外，光纖損耗隨波長的增加而減小。在波長為0.8---1.6微米的區(qū)域內(nèi)，傳輸損耗較低。三、電光轉(zhuǎn)換特性施加于光源的電偏置對光輸出有直接影響。通常，輸出功率值隨電激勵的增加而增加。但是，器件的溫度也隨電激勵的增加而升高。因此，對于大多數(shù)電光變換器來說．非恒溫的輸出光功率比恒溫的稍低，且光頻將發(fā)生變化。四、環(huán)境特性除某些半導(dǎo)體光源外，大多數(shù)光源的平均壽命都在幾千小時(shí)范圍內(nèi)。其輸出功率常常隨使用時(shí)間下降，且與溫度密切相關(guān)。2.2.2典型光源一、白熾光源

白熾光源屬于溫度輻射體，具有連續(xù)的光譜分布。輻射光是從通有電流的鎢絲發(fā)出來的。鎢絲的熔點(diǎn)約為3600K鎢絲裝在抽成真空的或充有惰性氣體的玻璃泡里，工作溫度通常在2200—3000K。白熾燈發(fā)光近于黑體輻射．光源的亮度正比于輻射體熱力學(xué)溫度的4次方，輻射光譜的蜂值波長與輻射體的溫度成反比。二、氣體溫光器

氣體激光器通常用于要求高度相干的系統(tǒng)中。最常用的氣體激光源有：工作波長為0.633μm或1.15μm的氦氖激光器，工作波長為10.6μm的二氧化碳激光器，工作波長為0.516μm的氨離子激光器。

He—Ne激光器容易達(dá)到單縱模工作，一種方法是減小激光腔的長度．使得在激光帶寬內(nèi)只發(fā)生一個(gè)振蕩模。這種單模的線寬非常窄，低到1kHz的寬度(相當(dāng)于空氣中300km的相干長度)。比較典型的線寬是幾kHz。

三、固體激光器常見的固體激光器有紅寶石激光器(Ruby)、釹玻璃激光器(Nd：glass)和摻釹億鋁石榴石激光器(Nd：YAG)。三者各有其特點(diǎn)，以Nd：YAG激光器應(yīng)用最廣。特別是用Nd；YAG晶體光纖制成的小型激光器更是光纖系統(tǒng)的理想光源。典型情況工作于1.064μm波長.四、半導(dǎo)體光源

半導(dǎo)體光源是光纖系統(tǒng)中最常用的也是最重要的光源。其主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長，亮度足夠、供電電源簡單等。它與光纖的特點(diǎn)相容，因此，在光纖傳感器和光纖通信中得到廣泛應(yīng)用。

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。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。能級和電子躍遷(a)受激吸收；(b)自發(fā)輻射；(c)受激輻射受激輻射和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個(gè)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

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。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PN結(jié)的能帶和電子分布

PN結(jié)的能帶和電子分布(a)P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動；(b)零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶圖；(c)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖自發(fā)輻射電子運(yùn)動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見圖(c)。在電子和空穴擴(kuò)散過程中，導(dǎo)帶的電子可以躍遷到價(jià)帶和空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。

激光振蕩和光學(xué)諧振腔粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出?；镜墓鈱W(xué)諧振腔由兩個(gè)反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構(gòu)成(如圖所示)，并被稱為法布里-珀羅(FabryPerot,FP)諧振腔。

激光器的構(gòu)成和工作原理(a)激光振蕩；(b)光反饋

半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3μm的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體，稱為限制層。三層半導(dǎo)體置于基片(襯底)上，前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里-珀羅(FP)諧振腔。DH激光器工作原理

(a)短波長；(b)長波長(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布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(dǎo)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(kuò)散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)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(shí)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。

2半導(dǎo)體激光器的主要特性

1.發(fā)射波長和光譜特性

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(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)hf=Eg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

不同半導(dǎo)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(GaAlAsGaAs)材料適用于0.85μm波段，銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsPInP)材料適用于1.3~1.55μm波段。

圖3.7GaAlAsDH激光器的光譜特性(a)直流驅(qū)動;(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制

2.激光束的空間分布激光束的空間分布用近場和遠(yuǎn)場來描述。近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。GaAlAsDH條形激光器的近場圖

典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場輻射特性和遠(yuǎn)場圖樣(a)光強(qiáng)的角分布；(b)輻射光束

3.轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性

激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率ηd表示，其定義是在閾值電流以上，每對復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)由此得到式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動電流，Pth和Ith分別為相應(yīng)的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。

典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性(a)短波長AlGaAs/GaAs;(b)長波長InGaAsP/InP4.頻率特性

在直接光強(qiáng)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)=

式中，fr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(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性5.溫度特性

作業(yè)1：什么是單模光纖和多模光纖？它們各有什么特點(diǎn)？2、半導(dǎo)體激光器能夠輸出激光應(yīng)具備的基本條件有那些？6、分布反饋激光器隨著技術(shù)的進(jìn)步，高速率光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和新型光纖通信系統(tǒng)例如波分復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)，都對激光器提出更高的要求。和由FP諧振腔構(gòu)成的DH激光器相比，要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低，而輸出光功率更大。具有這些特性的動態(tài)單縱模激光器有多種類型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反饋(DistributedFeedBack,DFB)激光器。

由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，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)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長的光將相互抵消。雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大，但整個(gè)光柵有成百上千個(gè)波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。光柵周期Λ由下式確定Λ=m式中，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(gè)閾值最低、增益相同的縱模，其波長為DFB激光器與FP激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①單縱模激光器。

FP激光器的發(fā)射光譜是由增益譜和激光器縱模特性共同決定的，由于諧振腔的長度較長，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難。DFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期Λ決定。Λ相當(dāng)于FP激光器的腔長L，每一個(gè)Λ形成一個(gè)微型諧振腔。由于Λ的長度很小，所以m階和(m+1)階模之間的波長間隔比FP腔大得多，加之多個(gè)微型腔的選模作用，很容易設(shè)計(jì)成只有一個(gè)模式就能獲得足夠的增益。于是DFB激光器容易設(shè)計(jì)成單縱模振蕩。

②譜線窄，波長穩(wěn)定性好。

由于DFB激光器的每一個(gè)柵距Λ相當(dāng)于一個(gè)FP腔，所以布喇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，可以窄到幾個(gè)GHz。由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，因而波長的穩(wěn)定性得以改善。

③動態(tài)譜線好。DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性，這是FP激光器無法比擬的。盡管DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)存在啁啾，譜線有一定展寬，但比FP激光器的動態(tài)譜線的展寬要改善一個(gè)數(shù)量級左右。

④線性好。DFB激光器的線性非常好，因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。7、發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同，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(xué)諧振腔，沒有閾值。發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型LED，另一類是側(cè)面發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示于圖3.14。和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。

兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側(cè)面發(fā)光型和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價(jià)格低廉。因此，這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。

發(fā)光二極管具有如下工作特性：(1)光譜特性。

LED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)=P0cosθ，半功率點(diǎn)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%。(3)輸出光功率特性。

在通常工作條件下，LED工作電流為50~100mA，輸出光功率為幾mW，由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百μW。發(fā)光二極管(LED)的P-I特性(4)頻率特性。τe為少數(shù)載流子(電子)的壽命

8、半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用

表3.1和表3.2列出半導(dǎo)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)。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)，這種系統(tǒng)在國內(nèi)外都得到最廣泛的應(yīng)用。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(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于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。

表3.2分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能

在實(shí)際應(yīng)用中，通常把光源做成組件，同時(shí)利用熱敏電阻和冷卻元件進(jìn)行溫度監(jiān)測和自動溫度控制(ATC)。2.3光電轉(zhuǎn)換器——光探測器光電探測器：對各種光輻射進(jìn)行接收和探測的器件2.3.1光探測器的特性參數(shù)

激光束的空間分布用近場和遠(yuǎn)場來描述。1.當(dāng)兩光纖參數(shù)不同時(shí)，耦合比將不但與耦合長度有關(guān)，而且還和信號波長有關(guān)。和由FP諧振腔構(gòu)成的DH激光器相比，要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性；1：什么是單模光纖和多模光纖？它們各有什么特點(diǎn)？λc稱為光譜響應(yīng)的截止受激輻射是受激吸收的逆過程。典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場輻射特性和遠(yuǎn)場圖樣隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。則電子吸收光子能量后逸出材料表面成為光電子。光纖端面可鍍制抗反膜以消除斯耐爾反射。比較典型的線寬是幾kHz。一般用在長途接續(xù)、永久或半永久固定連接。圖2-30兩報(bào)單模光纖的熔接噪聲通常用均方噪聲電流(在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率)來描述。一、量子效率

光探測器吸收光子產(chǎn)生光電子。光電子形成光電流，光電流與光功率成正比。由光子統(tǒng)計(jì)理論可知．光電流J與入射光功率P的關(guān)系為式中α為光電轉(zhuǎn)換因子,;e為電子電荷；h為普朗克常數(shù)；p為人射光頻率；η為量子效率、P／hv為單位時(shí)間入射到探測器表面的光子致；I／e為單位時(shí)間內(nèi)被光子激勵的光電子數(shù)。

量子效率η定義為對于理想的探測器η＝1，即一個(gè)光于產(chǎn)生一個(gè)光電子。實(shí)際探測器η<1。顯然，η越接近1，效率越高。二、響應(yīng)度響應(yīng)度是與量子效率相對應(yīng)的宏觀參數(shù)。它包括電壓響應(yīng)度和電流靈敏度。1電壓響應(yīng)度Rv電壓響應(yīng)度定義為入射的單位光功率所能產(chǎn)生的信號電壓，即Rv=Us/P式中，Us為探測器產(chǎn)生的信號電壓,P為入射功率。通常規(guī)定P和Us均取有效值。2．電流靈敏度Sd電流靈敏度定義為入射的單位光功率所能產(chǎn)生的傳導(dǎo)電流，即Sd=Is/P式中．Is為探測器產(chǎn)生的信導(dǎo)電流，通常規(guī)定P和Is均取有效值

三、光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)是光探測器的響應(yīng)度隨入射光波長變化的特性。把響應(yīng)度隨波長變化的規(guī)律畫成曲線稱為光譜響應(yīng)曲線。有時(shí)取響應(yīng)的相對變化值，并把響應(yīng)的相對最大值作為1，這種曲線稱為“歸一化光譜響應(yīng)曲線”。響應(yīng)度最大時(shí)所對應(yīng)的波長稱為峰值響應(yīng)波長，以λm表示。當(dāng)光波長偏離λm時(shí)，響應(yīng)度便下降。當(dāng)響應(yīng)度下降到其峰值的50％時(shí)，所對應(yīng)的波長λc稱為光譜響應(yīng)的截止波長。

四、頻率響應(yīng)和響應(yīng)時(shí)間

頻率響應(yīng)是在入射光波長一定的條件下，探測器的響應(yīng)度隨入射光信號的調(diào)制頻率變化的特性。探測器的頻率響應(yīng)R(f)可表示為式中．R(0)為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)度；τ為探測器的時(shí)間常數(shù)．由探測器的材料、結(jié)構(gòu)及外電路決定。五、噪聲等效功率

當(dāng)選擇光探測器時(shí)，通常認(rèn)為響應(yīng)度越大越好。但在探測微弱信號時(shí)，限制光探測器探測能力的因素不是響應(yīng)度的大小，而是光探測器的噪聲。當(dāng)無入射光時(shí)，輸出端仍有電信號輸出，這就是噪聲的影響。通常引入等效噪聲功率(NEP)的概念來表征探測器的最小可探測功率。等效噪聲功率定義為探測器輸出電壓恰好等于輸出噪聲電壓時(shí)的入射光功率，即式中各量均取有效值。NEP越小，探測器的探測能力越強(qiáng)六、探測度探測度(D)定義為NEP的倒數(shù)，即D＝1／NEP(1／w)D表示探測器的探測能力，其值超大超好。2.3.2光電探測器的原理

探測器在受光照射后，吸收了光子的能量，并把它轉(zhuǎn)換成另一種能量，因此光探測器是將光能轉(zhuǎn)換為其它能量的換能器。

光探測器可分為熱電探測器和光電探測器。

熱電探測器的原理是基于光輻射引起探測器溫度上升，從而使與溫度有關(guān)的電物理量產(chǎn)生變化，測量其變化便可測定入射光的能量或功率。探測器的光譜響應(yīng)沒有選擇性。最常用的熱電效應(yīng)有三種：溫差電效應(yīng)、熱敏電阻效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。熱電探測器的優(yōu)點(diǎn)是可以在室溫下工作和無光譜選擇性。溫差電探測器和熱敏電阻探測器的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢，只能用于光能量、功率的慢速測量。熱釋電探測器對溫度的變化極靈敏，響應(yīng)速度快，在中、遠(yuǎn)紅并光探測器中有發(fā)展前途。

在光纖傳感系統(tǒng)中所用的光探測器多半是光電探測器。所應(yīng)用的光電效應(yīng)主要有光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)及光電磁效應(yīng)等。一、光電子發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射現(xiàn)象是赫茲于1887年在做電磁振蕩的研究中首先發(fā)現(xiàn)的，由此開拓了外光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。經(jīng)過近百年的探討及大量研究工作，使光電發(fā)射的理論不斷深入．目前被公認(rèn)的理論模型是三步過程模型。即把光電發(fā)射的物理過程分為三步：

①光電發(fā)射體內(nèi)的電子被入射光子激發(fā)到高能態(tài)；②受激電子向表面運(yùn)動，在運(yùn)動的過程中因碰撞而損失部分能量；③到達(dá)表面的受激電子克服表面電子親和勢而逸出。根據(jù)光的量子理論，每個(gè)光子具有能量hv。則電子吸收光子能量后逸出材料表面成為光電子。這種效應(yīng)稱為光電子發(fā)射或外光電效應(yīng)，可用愛因斯坦方程來描述

式中，Ek為光電子的動能，w為光電子發(fā)射材料的逸出功，表示產(chǎn)生一個(gè)光電子所必須給予束縛電子的最小能量?！?、光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)光照射在某些半導(dǎo)體材料時(shí)．若透入內(nèi)部的光子能量足夠大，則某些電子吸收光于能量．從原來的束縛態(tài)變成導(dǎo)電的自由態(tài)。這時(shí)在外電場作用下流過半導(dǎo)體的電流會增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。它是一種內(nèi)光電效應(yīng)。光敏管及光敏電阻的光電效應(yīng)屬于此類效應(yīng)。

三、光生伏特效應(yīng)在無光照射時(shí)PN結(jié)內(nèi)存在內(nèi)部電場E。當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時(shí)，若光子的能量足夠大，則在結(jié)區(qū)及其附近產(chǎn)生少數(shù)載流了(電子—空穴對)。它們在結(jié)區(qū)外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)，它們在結(jié)區(qū)內(nèi)時(shí)，則在電場E作用下電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。結(jié)果，N區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動勢。此電動勢稱為光生電動勢，此效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。

四、光電磁效應(yīng)將半導(dǎo)體樣品置于強(qiáng)磁場中，用激光輻射線垂直照射其表面。當(dāng)光子能量足夠大時(shí)，在表面層內(nèi)激發(fā)出光生載流子—電子空穴對，并在樣品表面層和體內(nèi)形成載流于濃度梯度．于是光生載流子向體內(nèi)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中，由于磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用，電子和空穴偏向樣品兩端，產(chǎn)生電荷積累，這就是光電磁效應(yīng)。2.3.3半導(dǎo)體光電探測器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(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。

光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?，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(kuò)散分量。由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動比漂移運(yùn)動慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡越時(shí)間，使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾，就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。2、PIN光電二極管

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(yīng)速度慢。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(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。

圖3.21PIN光電二極管結(jié)構(gòu)PIN光電二極管響應(yīng)度量子效應(yīng)率與波長的關(guān)系噪聲。噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)。光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(ShotNoise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率)來描述。均方散粒噪聲電流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B式中，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?！磇2T〉=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(fù)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+均方熱噪聲電流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。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時(shí)，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個(gè)電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據(jù)這種特性設(shè)計(jì)的器件。

圖光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系(返回）

根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達(dá)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(yùn)動。高速運(yùn)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(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見圖。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。探測器的光譜響應(yīng)沒有選擇性。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(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型LED，另一類是側(cè)面發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示于圖3.6×10-19J，代入上式得到Rv=Us/P由于θ大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動電流，Pth和Ith分別為相應(yīng)的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。I／e為單位時(shí)間內(nèi)被光子激勵的光電子數(shù)?！獋€(gè)簡單的緊配合連接器如圖2-27所示。光譜響應(yīng)是光探測器的響應(yīng)度隨入射光波長變化的特性。這種連接器也是由AT＆T公司發(fā)明的，它采用最新的精密模塑技術(shù)，將光纖封裝在端部有一個(gè)精密錐體的插針內(nèi)，連接器轉(zhuǎn)接插座內(nèi)裝有精密的雙錐形套管，當(dāng)兩根光纖插針壓人雙錐形套管之小時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)光纖精密對接。(c)濾光式解復(fù)用器；光電二極管(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。光電倍增管探測器最基本的工作電路。5dB，波長隔離度大于20dB。APD載流子雪崩式倍增示意圖APD結(jié)構(gòu)圖（1）倍增因子由于雪崩倍增效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，所以用這種效應(yīng)對一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù)來描述它的放大作用，并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流Ip的比值。

顯然，APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并考慮到器件體電阻的影響，g可以表示為

式中，UB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，RIo/UB<<1。4、光電二極管一般性能

2.3.4光電倍增管光電倍增管（PMT）是典型的光電子發(fā)射型探測器，其主要特點(diǎn)是：靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快以及噪聲?。坏Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高和體積大。它是電流放大器件，具有很高的電流增益，特別適用于微弱光信號的探測。

二、基本工作電路光電倍增管探測器最基本的工作電路。它適用于探測高速光脈沖或強(qiáng)度調(diào)制的激光信號。若探測平穩(wěn)的連續(xù)信號，則圖中cl、c2、c3電容可不用?？傠妷?.4光纖連接器和固定接頭光纖連接方法主要有永久性連接、應(yīng)急連接、活動連接。

2.4.1光纖連接損耗在光纖連接器和固定接頭中，功率損耗可分成兩類：固有損耗和附加損耗。固有損耗是由光纖制造過程中出現(xiàn)的偏差和缺陷引起的，不能用機(jī)械或外加工方法加以修正。附加損耗是在光纖制造過程結(jié)束之后對接出現(xiàn)的損耗，并且可以用機(jī)械的或外部加工方法加以修正，如光纖端面拋光不正確或光纖機(jī)械連接不正確等均屬這一類.圖2-22光纖互連時(shí)固有功率損耗和附加功率損耗的一些原因圖2-23由大到小的兩根光纖對接時(shí)因芯徑差或數(shù)值孔徑差引起的近似損耗值圖2—24在幾個(gè)數(shù)值孔徑(NA)下．連接器功率損耗隨兩根階躍折射率光纖S／D的變化圖2—25兩根階躍折射宰光纖對接端面的纖芯橫向錯(cuò)位引起的連接器功率損耗—個(gè)簡單的緊配合連接器如圖2-27所示。該連接器中有一個(gè)小孔，以便在把光纖終端插入時(shí)可以擠出折射率匹配液。它不是一種容易拆卸的連接器。如果在折射率匹配液占有的空間中使用折射率匹配環(huán)氧樹脂，可以形成相當(dāng)好的固定接頭。

圖2-27具有折射率匹配液小孔的簡單緊配連接器2.4.2光纖活動連接器活動連接是利用各種光纖連接器件(插頭和插座)，將站點(diǎn)與站點(diǎn)或站點(diǎn)與光纜連接起來的一種方法。這種方法靈活、簡單、方便、可靠，多用在建筑物內(nèi)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)布線中。其典型衰減為1dB/接頭。套管結(jié)構(gòu)連接器簡圖對接式光纖活動連接器的幾種典型結(jié)構(gòu)。(1)ST(直插)型這種連接器是由AT＆T公司1985年初推出的，它用了和同軸電纜連接器類似的結(jié)構(gòu)，插針插座均呈軸對稱，易于加工，是一種最簡單的設(shè)計(jì)。ST型連接器中最精密的零件是固定光纖的金屬插針，連接器轉(zhuǎn)接插座里的與插針相配合的精密套管可確保插入其中的兩根光纖對準(zhǔn)。這種結(jié)構(gòu)還利用帶鍵的卡口式鎖緊機(jī)構(gòu)來防止光纖在多次連接過程中的轉(zhuǎn)動，以確保連接器在多次插拔中具有較穩(wěn)定的插入損耗。

(2)BC(雙錐)型

這種連接器也是由AT＆T公司發(fā)明的，它采用最新的精密模塑技術(shù)，將光纖封裝在端部有一個(gè)精密錐體的插針內(nèi)，連接器轉(zhuǎn)接插座內(nèi)裝有精密的雙錐形套管，當(dāng)兩根光纖插針壓人雙錐形套管之小時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)光纖精密對接。(3)PC(物理接觸)型這種連接器由AMP公司提出，它利用光纖端面物理接觸來提高連接器的性能，其光纖拋光端面設(shè)計(jì)成圓弧狀，光纖纖芯端面接觸間隙小于λ／4，使得斯耐爾反射損耗大大降低。這樣就使得連接器的回波損耗由非接觸型的15dB提高到40dB.因此，這種連接器大大減小了反向傳輸光對系統(tǒng)的不良影響

(4)FC(面接觸)型由NTT公司開發(fā)的連接器，其插針端部貼有中間開孔的薄片，可使插接的兩光纖“面接觸”而又不造成光纖端面磨損。光纖端面可鍍制抗反膜以消除斯耐爾反射。若探測平穩(wěn)的連續(xù)信號，則圖中cl、c2、c3電容可不用。628×10-34J·s，為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。光纖端面可鍍制抗反膜以消除斯耐爾反射。hf=Eg由于θ大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；光電二極管(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。電子在E1和E2兩個(gè)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55μm的光纖型解復(fù)用器，可以做到附加損耗為0.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.(c)濾光式解復(fù)用器；2列出半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能。光電探測器：對各種光輻射進(jìn)行接收和探測的器件τe為少數(shù)載流子(電子)的壽命半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)(5)SC(直聯(lián))型也是NTT公司開發(fā)的一種最新的結(jié)構(gòu)。這是一種模塑連接器，采用矩形橫截面，連結(jié)設(shè)計(jì)成錐拉式，而不需要像上述連接器那樣用螺紋鎖定．因而體積減小，適合于多芯光纜安裝.

2.4.3光纖固定接頭1永久性光纖連接(又叫熱熔)：這種連接是用放電的方法將2根光纖的連接點(diǎn)熔化并連接在一起。一般用在長途接續(xù)、永久或半永久固定連接。其主要特點(diǎn)是連接衰減在所有的連接方法中最低，典型值為0.01~0.03dB/點(diǎn)。但連接時(shí)，需要專用設(shè)備(熔接機(jī))和專業(yè)人員進(jìn)行操作，而且連接點(diǎn)也需要專用容器保護(hù)起來。

圖2-29光纖焊接機(jī)構(gòu)

圖2-30兩報(bào)單模光纖的熔接2.應(yīng)急連接(又叫)冷熔：應(yīng)急連接主要是用機(jī)械和化學(xué)的方法,將兩根光纖固定并粘接在一起。這種方法的主要特點(diǎn)是連接迅速可靠,連接典型衰減為0.1~0.3dB/點(diǎn)。但連接點(diǎn)長期使用會不穩(wěn)定，衰減也會大幅度增加，所以只能短時(shí)間內(nèi)應(yīng)急用。

光耦合器耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號分配給多個(gè)輸出，或把多個(gè)輸入的光信號組合成一個(gè)輸出。這種器件對光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串?dāng)_噪聲耦合器大多與波長無關(guān)，與波長相關(guān)的耦合器專稱為波分復(fù)用器/解復(fù)用器。1.耦合器類型圖示出常用耦合器的類型，它們各具不同的功能和用途。

圖2—31耦合器類型(a)8×8的透射型耦合器；(b)1×8反射型耦合器；(c)2×8透反型耦合器常用耦合器的類型

光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個(gè)2×2耦合器組成的8×8星形耦合器光纖型波分解復(fù)用器原理

圖(a)所示定向耦合器可以制成波分復(fù)用/解復(fù)用器。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)Pb=sin2(CλL)

Pa=cos2(CλL)Pb=sin2(CλL)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)。設(shè)特定波長為λ1和λ2，選擇光纖參數(shù)，調(diào)整有效作用長度，使得當(dāng)光纖a的輸出Pa(λ1)最大時(shí)，光纖b的輸出Pb(λ1)=0；當(dāng)Pa(λ2)=0時(shí)，Pb(λ2)最大。對于λ1和λ2分別為1.3μm和1.55μm的光纖型解復(fù)用器，可以做到附加損耗為0.5dB，波長隔離度大于20dB。

Rv=Us/P激光束的空間分布用近場和遠(yuǎn)場來描述。3、雪崩光電二極管(APD)受激輻射是受激吸收的逆過程。噪聲通常用均方噪聲電流(在1Ω負(fù)載上消耗的噪聲功率)來描述。它是電流放大器件，具有很高的電流增益，特別適用于微弱光信號的探測。顯然，非對稱耦合器可用來將兩種被長λl和λ2的光信號耦合進(jìn)同一根光纖中傳輸。圖2-35浸蝕光纖耦合器的制備工序光纖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)Pb=sin2(CλL)如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見圖。(4)方向性DIR(隔離度)2半導(dǎo)體激光器的主要特性3半導(dǎo)體光電探測器1永久性光纖連接(又叫熱熔)：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(gè)波長的光透射，另一