光纖通信第03章

第3章通信用光器件

3.1光源

3.2光檢測(cè)器

3.3光無(wú)源器件3.1光源

一、光源的作用

將電流形式的電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，產(chǎn)生光載波，并把光耦合進(jìn)光纖。二、光源的分類半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二極管、非半導(dǎo)體激光器3.1.1概述三、對(duì)光源的技術(shù)要求

（1）合適的發(fā)光波長(zhǎng)

（2）足夠的輸出功率

（3）輸出效率高

（4）光譜寬度窄（5）聚光性好四、作為光源的物質(zhì)的發(fā)光機(jī)理

光與物質(zhì)之間存在三種不同的作用過程，分別是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。

1.自發(fā)輻射（1）沒有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，屬于自發(fā)躍遷；（2）發(fā)射出的光子頻率不同；（3）自發(fā)輻射光為非相干光。2.受激輻射（1）外來(lái)光子能量等于躍遷能級(jí)差；（2）受激輻射出來(lái)的光子和外來(lái)光子是全同光子；（3）入射光得到放大。3.受激吸收（1）必須有外界光子，是受激躍遷；（2）外來(lái)光子能量等于電子躍遷的能級(jí)之差；（3）不放出能量，而是消耗外來(lái)光能。

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3.1.2

半導(dǎo)體激光二極管

激光（LASER），就是英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

（受激輻射的光放大）的縮寫。因此所謂激光就是受激輻射發(fā)出的光。一、半導(dǎo)體激光器的工作原理1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（集居數(shù)反轉(zhuǎn)）由于電子總是搶先占據(jù)低能級(jí)，因此在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上的電子數(shù)要少于低能級(jí)上電子數(shù)。

所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就是指高能級(jí)的電子數(shù)多于低能級(jí)上的電子數(shù)。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。能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(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

PN結(jié)的形成

一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)(負(fù)價(jià)離子），稱為N型半導(dǎo)體；若摻入受主雜質(zhì)（正價(jià)離子），則稱為P型半導(dǎo)體。在PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。這時(shí)在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。圖3.3PN結(jié)的能帶和電子分布(a)P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)；(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

電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，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。3.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(duì)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。

由于諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)存在吸收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)，在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩，其閾值條件為

式中，λ為激光波長(zhǎng)，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1,2,3…稱為縱模模數(shù)。

并不是所有的光都能形成振蕩，必須是那些輻射方向與鏡面垂直，并且在腔中往返一次的相位差正好是2π的整數(shù)倍的光才能形成振蕩。即腔長(zhǎng)滿足：4.半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體激光器從結(jié)構(gòu)上可以分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)激光器三種。

同質(zhì)結(jié)激光器是由同一種半導(dǎo)體材料制成的激光器。

單異質(zhì)結(jié)激光器的PN結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)體材料制成的。

雙異質(zhì)結(jié)激光器是指在同一塊單晶上形成兩個(gè)雙異質(zhì)結(jié)，即中間的半導(dǎo)體材料和兩側(cè)都不相同。

二、半導(dǎo)體激光器的主要特性

1.發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性

半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)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)，

因?yàn)閔f=Eg，f=c/λ，得到發(fā)射波長(zhǎng)

由于不同的半導(dǎo)體具有不同的禁帶寬度，因而不同的半導(dǎo)體有不同的發(fā)射波長(zhǎng)。激光器的光譜特性：

縱模的數(shù)量隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大而減少。

2.激光束的空間分布

激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)描述。

近場(chǎng)是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是由諧振腔的橫向尺寸，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。圖3.8GaAlAsDH條形激光器的光束空間分布圖

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(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)由此得到激光器的輸出光功率為

激光器的光功率特性通常用P-I曲線表示，圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。當(dāng)I<Ith時(shí)激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當(dāng)I>Ith時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。

4.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

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。

5.溫度特性激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因：一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。圖3.12示出脈沖調(diào)制的激光器，由于溫度升高引起閾電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P-I曲線的變化。圖3.12PI曲線隨溫度的變化

3.1.3

半導(dǎo)體發(fā)光二極管一、半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

主要有面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管、超發(fā)光二極管、平面二極管和圓頂型二極管五種。二、半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作特性

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(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線較寬，隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，譜線加寬，且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。2.光束空間分布特性發(fā)光二極管輸出光束的發(fā)散角比較大。在平行于PN結(jié)方向，發(fā)散角約為1200，而垂直PN結(jié)方向面發(fā)光二極管為1200，邊發(fā)光二極管為300。由于發(fā)散角大，它與光纖的耦合效率低，故一般只用于短距離的通信。

3.輸出光功率特性

由于發(fā)光二極管為無(wú)閾值器件，隨著注入電流的增加，輸出光功率近似呈線性增加。但當(dāng)注入電流增大到一定程度時(shí)，由于PN結(jié)過熱，曲線呈飽和趨勢(shì)。

4.頻率特性

發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為

式中，f為調(diào)制頻率，P(f)為對(duì)應(yīng)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(dāng)f=fc=1/(2πτe)時(shí)|H(fc)|=，最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。

圖3.17發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng)三、LD和LED的主要差別（1）發(fā)光原理不同（2）光的性質(zhì)不同（3）適用范圍不同3.2光檢測(cè)器3.2.1概述一、光檢測(cè)器的作用

把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，即把原始的電信號(hào)重現(xiàn)。二、光檢測(cè)器的分類

按工作原理可以把光檢測(cè)器分為熱器件和光子器件兩類。三、對(duì)光檢測(cè)器的要求（1）響應(yīng)度高（2）響應(yīng)速度快（3）噪聲小（4）功耗?。?）穩(wěn)定可靠，體積小，使用簡(jiǎn)便

3.2.2光檢測(cè)器的工作原理

一、光電效應(yīng)

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，而耗盡層以外產(chǎn)生的光電子和空穴由于沒有內(nèi)部電場(chǎng)的加速，運(yùn)動(dòng)速度很慢，因而響應(yīng)速度低。

為了克服光電二極管的缺點(diǎn)，改善響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，必須加大耗盡層的寬度。

增大耗盡層寬度的措施只有兩種：一是增大反向電壓，一是減小PN結(jié)的摻雜濃度。二、PIN光電二極管

PIN光電二極管就是通過減小摻雜濃度來(lái)增大耗盡層寬度的。

PIN光電二極管是在P型材料和N型材料之間夾了一層輕摻雜的N型半導(dǎo)體材料，稱為I層。由于是輕摻雜，故電子濃度很低，擴(kuò)散后可以形成一個(gè)很寬的耗盡層。

PIN光電二極管的缺陷：

1.需要放大2.引入噪聲三、雪崩效應(yīng)

四、雪崩二極管（APD）

根據(jù)APD的結(jié)構(gòu)形式可將其分為保護(hù)環(huán)形雪崩二極管(GAPD)和拉通型雪崩二極管(RAPD)兩種。我們?cè)诠饫w通信中使用的是RAPD。RAPD的結(jié)構(gòu)原理

APD的特點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)：有增益的光檢測(cè)器件

（2）缺點(diǎn)：a.倍增噪聲b.對(duì)溫度變化敏感

c.反向電壓高

d.成本高

3.2.3光電檢測(cè)器的特性一、光電轉(zhuǎn)換效率

1.量子效率：表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換為光電流的概率。它定義為一次光生載流子和入射光子數(shù)的比值：其中：Ip為一次光生電流，P0為入射光功率，e為電子電量，hf為光子能量。2.響應(yīng)度：表示單位入射光功率所產(chǎn)生的光電流。二、響應(yīng)時(shí)間

光電二極管產(chǎn)生光電流的響應(yīng)時(shí)間主要取決于以下幾個(gè)因素：

（1）耗盡區(qū)光生載流子的渡越時(shí)間（2）耗盡區(qū)外光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間

（3）光電二極管及其相關(guān)電路的RC時(shí)間常數(shù)三、響應(yīng)波長(zhǎng)

入射光能量必須大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度才能發(fā)生光電效應(yīng)，對(duì)應(yīng)于最小入射光能量的波長(zhǎng)稱為響應(yīng)波長(zhǎng)，即：

噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號(hào)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(lái)描述。

四、噪聲均方散粒噪聲電流均方熱噪聲電流總均方噪聲電流：五、雪崩倍增因子倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。

APD的倍增因子與它兩端所加的反向偏壓有關(guān)，反向偏壓越大，g就越大。它們的關(guān)系可以表示為：當(dāng)U→UB時(shí)，雪崩倍增因子g獲得最大值：I0=gIpAPD的倍增因子一般在40~100之間，PIN光電二極管沒有雪崩倍增作用，因而倍增因子是1。六、

倍增噪聲和過剩噪聲因子倍增噪聲用過剩噪聲因子F（雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)）來(lái)表示：

X為過剩噪聲指數(shù)，一般在0.3~1范圍內(nèi)，對(duì)于硅APD，x=0.3~0.5，對(duì)于鍺APD，x=0.8~1在選取APD時(shí)應(yīng)盡量選擇x比較小的管子

如果不考慮別的因素，APD的均方噪聲電流為

〈i2q〉=2e（IP+Id）Bg2

考慮了倍增噪聲后，APD的均方噪聲電流應(yīng)為〈i2q〉=2e（IP+Id

）Bg2+x

式中，x為附加噪聲指數(shù)。3.3

光無(wú)源器件

1.連接器和接頭

2.光耦合器

3.光隔離器與光環(huán)形器

4.光調(diào)制器

5.光開關(guān)

3.3.1連接器和接頭

連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸(活動(dòng))連接的器件，主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無(wú)源器件之間的連接。接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構(gòu)成，通常在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。光纖的連接方法主要有光纖熔接法、V型槽機(jī)械連接和彈性管連接三種。

3.3.2光耦合器

耦合器的功能是把一個(gè)輸入的光信號(hào)分配給多個(gè)輸出端口，或把多個(gè)輸入端口的光信號(hào)組合成一個(gè)輸出信號(hào)。

1.耦合器類型

T形耦合器

定向耦合器星形耦合器

波分復(fù)用器/解復(fù)用器(也稱合波器/分波器)圖3