光網(wǎng)絡(luò)與技術(shù) 張新社 于友成 02

第2章光纖、光器件及光系統(tǒng)2.1光纖及光纜2.2光源器件2.3光檢測(cè)器2.4無(wú)源光器件2.5光通信系統(tǒng)

光網(wǎng)絡(luò)主要由光纖、光源、光檢測(cè)器及相關(guān)的光無(wú)源器件等組成。

本章主要介紹這些組成部分的工作原理、分類(lèi)、特性指標(biāo)及應(yīng)用等。

2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)及分類(lèi)

1.光纖的結(jié)構(gòu)

光纖是光纖通信系統(tǒng)中的重要組成部件，是光信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)。

光纖的結(jié)構(gòu)取決于它的應(yīng)用和傳輸特性，通信系統(tǒng)中使用的光纖一般為圓柱形。

2.1光纖及光纜圖2-1光纖的基本結(jié)構(gòu)示意圖

纖芯的折射率n1>包層的折射率n2

1)光纖的基本結(jié)構(gòu)

光纖通信系統(tǒng)中的光纖一般由纖芯、包層和涂覆層三個(gè)部分組成。

(1)纖芯。纖芯位于光纖的中心部位，直徑d1為4μm～50μm，其中單模光纖的纖芯直徑為4μm～10μm，多模光纖的纖芯直徑為50μm。

纖芯的主要成分是高純度SiO2，其中摻有極少量的摻雜劑(如GeO2，P2O5)。摻雜劑的作用是提高纖芯對(duì)光的折射率(n1)，更好地傳輸光信號(hào)。

(2)包層。包層位于纖芯的周?chē)?，直徑d2＝125μm，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度SiO2,而摻雜劑(如B2O3)的作用是適當(dāng)?shù)亟档桶鼘訉?duì)光的折射率(n2)，使n1＞n2。

(3)涂覆層。光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層、緩沖層和二次涂覆層。

涂覆的作用延長(zhǎng)光纖的使用壽命。涂覆后的光纖其外徑約為1.5mm。

2)光纖的折射率分布與光線(xiàn)的傳播

在光纖中，光線(xiàn)的傳播路徑與光纖的纖芯及其包層折射率的分布有關(guān)。圖示為兩種典型光纖的折射率分布情況。圖2-2光纖的折射率分布光在階躍折射率光纖中和漸變折射率光纖中的傳播軌跡

光在階躍折射率多模光纖中的傳播示意圖光在漸變折射率多模光纖中的傳播示意圖

2.光纖的分類(lèi)

若按光纖傳輸模的數(shù)量分類(lèi)：多模光纖和單模光纖；

若按光纖傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)分類(lèi)：短波長(zhǎng)光纖和長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖；

若按光纖套塑結(jié)構(gòu)分類(lèi)：緊套光纖和松套光纖。

若按光纖成分分類(lèi)：塑料光纖（POF）、石英光纖

傳播模式的概念：當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，如果光纖纖芯的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，那么光在光纖中會(huì)以幾十種乃至幾百種的傳播模式進(jìn)行傳播。

1）多模光纖和單模光纖

(1)多模光纖。當(dāng)光纖的幾何尺寸(主要是纖芯直徑d1)遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)(約1μm)時(shí)，在光纖傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)存在著幾十種乃至幾百種的傳輸模式。光在階躍折射率光纖中的傳播示意圖

(2)單模光纖。當(dāng)光纖的幾何尺寸(主要是纖芯直徑d1)較小，且與光波波長(zhǎng)處在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，如纖芯直徑d1在4μm～10μm的范圍內(nèi)。

光纖只允許一種模式(基模)在其中傳播，其余的高次模全部截止。

圖2-6光在單模光纖中的傳播示意圖由于單模光纖具有大容量長(zhǎng)距離的傳輸特性，因此在光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。ITU-T建議規(guī)范了四種單模光纖

G.652、G.653、G.654和G.655光纖。

①G.652光纖。G.652光纖也稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)，是指色散零點(diǎn)(即色散為零的波長(zhǎng))在1310nm附近的光纖。

②G.653光纖。G.653光纖也稱(chēng)色散位移光纖(DSF)，是指色散零點(diǎn)在1550nm附近的光纖。它相對(duì)于G.652光纖，其色散零點(diǎn)發(fā)生了移動(dòng)，所以叫色散位移光纖。

③G.654光纖。G.654光纖是截止波長(zhǎng)移位的單模光纖，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低1550nm的衰減。G.654光纖主要應(yīng)用于海底光纖通信。

④G.655光纖。由于G.653光纖的色散零點(diǎn)在1550nm附近，因此DWDM系統(tǒng)在零色散波長(zhǎng)處工作易引起四波混頻效應(yīng)。為了避免引起該效應(yīng)，可將色散零點(diǎn)的位置從1550nm附近移開(kāi)一定的波長(zhǎng)數(shù)，使色散零點(diǎn)不在1550nm附近的DWDM工作波長(zhǎng)的范圍內(nèi)。這種光纖就是非零色散位移光纖(NDSF)。以上這四種單模光纖的主要性能指標(biāo)是衰減、色散、偏振模色散(PMD)和模場(chǎng)直徑。

由于G.654光纖和G.655光纖的截止波長(zhǎng)都大于1310nm，因此G.654光纖和G.655光纖不能用于131nm窗口。

2)短波長(zhǎng)光纖和長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖

按傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)不同可將光纖分為

短波長(zhǎng)光纖的波長(zhǎng)為0.85μm(0.8μm～0.9μm)；

長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖的波長(zhǎng)為1.3μm～1.6μm，主要有波長(zhǎng)分別為1.31μm和1.55μm的兩個(gè)窗口。

3)緊套光纖和松套光纖

緊套光纖是在做了一次涂覆層的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，使光纖在套管內(nèi)不能自由活動(dòng)。

松套光纖是在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，這樣光纖可以在套管中自由活動(dòng)。圖2-8套塑光纖結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2光纖傳輸原理

光具有波粒二象性。

幾何光學(xué)：空間尺寸遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)；

多模光纖

波動(dòng)光學(xué)：空間尺寸與光波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)；

單模光纖

粒子光學(xué)：適用于光與物質(zhì)的相互作用。

光源與光檢測(cè)器

幾何光學(xué)方法分析光纖傳輸原理——近似

（關(guān)注的問(wèn)題主要是光束在光纖中傳播的空間分布和時(shí)間分布，并由此得到數(shù)值孔徑和時(shí)間延遲的概念）

波動(dòng)方程分析光纖的傳輸特性——準(zhǔn)確

（求解麥克斯韋方程組——波動(dòng)方程——分析電磁場(chǎng)分布(傳輸模式)，才能更準(zhǔn)確地獲得光纖的傳輸特性）

圖2.6光在兩種介質(zhì)界面上的反射和折射1.幾何光學(xué)方法反射定律折射定律

圖2-9突變型多模光纖的光線(xiàn)傳播原理1)突變型多模光纖斯奈爾(Snell)定律得到：

n0

sinθ＝

n1

sinθ1＝

n1

cosψ1

通過(guò)光纖軸線(xiàn)的平面——子午面，位于子午面內(nèi)的光線(xiàn)——子午光線(xiàn)當(dāng)θ＝θc時(shí)，其相對(duì)應(yīng)的光線(xiàn)將以ψc

入射到交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為90°)，

當(dāng)θ>θc時(shí)，其相對(duì)應(yīng)的光線(xiàn)將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，

由此可見(jiàn)，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)入射的光束

才能在光纖中傳播。

數(shù)值孔徑NA

(NumericalAperture)的定義：

臨界角θc

的正弦函數(shù)乘以n0

其中，Δ＝(n1－n2)/n1

為纖芯與包層間的相對(duì)折射率差。例如，設(shè)Δ＝0.01，n1＝1.5，可得到NA＝0.21或θc＝12.2°。

數(shù)值孔徑NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或θc)的值越大，光纖接收光的能力就越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率也就越高。

對(duì)于無(wú)損耗光纖，在臨界角θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA的值越大，纖芯對(duì)光能量的束縛就越強(qiáng)，光纖抗彎曲的性能就越好。

但是NA的值越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變就越大，從而限制了信息的傳輸容量，所以要根據(jù)實(shí)際的使用場(chǎng)合來(lái)選擇適當(dāng)?shù)腘A值。

時(shí)間延遲

入射角為θ的光線(xiàn)在長(zhǎng)度為L(zhǎng)(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(oy)，在θ的值很小的條件下，其傳播時(shí)間為

在光纖中分別以最大入射角(θ＝θc)和最小入射角(θ＝0)入射的光線(xiàn)之間的時(shí)間延遲近似為

時(shí)間延遲在時(shí)域中產(chǎn)生脈沖展寬——信號(hào)畸變。

突變型多模光纖的信號(hào)畸變是由以不同的入射角進(jìn)入光纖的光線(xiàn)經(jīng)光纖傳輸后，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。

若光纖中NA＝0.20，n1＝1.5，L＝1km，

得到Δτ＝44ns，相當(dāng)于10MHz·km左右的傳輸帶寬。漸變光纖的折射率分布可以表示為其中,g是折射率變化的參數(shù)，a是纖芯半徑，r是光纖中任意一點(diǎn)到中心的距離，Δ是漸變折射率光纖的相對(duì)折射率差，即當(dāng)g=2時(shí)，折射率分布為拋物線(xiàn)分布;

當(dāng)g=∞時(shí)，漸變光纖演變?yōu)殡A躍光纖。2)漸變型多模光纖具有能減小脈沖展寬、增加帶寬的優(yōu)點(diǎn)

(1)數(shù)值孔徑。由于漸變型多模光纖折射率分布是徑向坐標(biāo)r的函數(shù)，纖芯中各點(diǎn)數(shù)值孔徑又不相同，因此要定義局部數(shù)值孔徑NA(r)和最大數(shù)值孔徑NAmax

(2)漸變型多模光纖的光線(xiàn)傳播軌跡。用幾何光學(xué)的方法分析漸變型多模光纖中光線(xiàn)的傳播需要求解射線(xiàn)方程。射線(xiàn)方程的一般形式為

其中，ρ為特定光線(xiàn)的位置矢量，s為以某一固定參考點(diǎn)為起點(diǎn)的光線(xiàn)長(zhǎng)度。選用圓柱坐標(biāo)(r,φ，z)。圖2-10漸變型多模光纖的光線(xiàn)傳播原理自聚焦效應(yīng)由射出光線(xiàn)得到

，將這個(gè)近似關(guān)系式和對(duì)式(2.10)求微分得到

θ*＝－An(r)risin(Az)＋θ0cos(Az)

取n(r)≈n(0)，由式(2.12)得到光線(xiàn)軌跡的普遍公式為

這個(gè)公式就是自聚焦效應(yīng)的理論依據(jù)。

自聚焦效應(yīng)為方便觀(guān)察光線(xiàn)的傳播軌跡，把光線(xiàn)的入射點(diǎn)移到中心軸線(xiàn)(z＝0,ri＝0)上，得到

漸變型多模光纖的光線(xiàn)軌跡是傳輸距離z的正弦函數(shù)。

確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角θ0，

其周期

取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a,Δ)，而與入射角θ0無(wú)關(guān)。

則有：不同的入射角相對(duì)應(yīng)的光線(xiàn)，雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最終都會(huì)聚在點(diǎn)P上——自聚焦(SelfFocusing)效應(yīng)。

(3)漸變型多模光纖的時(shí)延特性

自聚焦效應(yīng)；時(shí)間延遲也近似相等

解釋?zhuān)阂罁?jù)——光線(xiàn)的傳播速度v(r)＝c/n(r)(c為光速)

入射角度大的光線(xiàn)經(jīng)歷的路程較長(zhǎng)，但大部分光線(xiàn)的路程遠(yuǎn)離中心軸線(xiàn)，n(r)的值較小，且傳播速度較快，因而補(bǔ)償了較長(zhǎng)的光線(xiàn)路程。

入射角度小的光線(xiàn)情況正相反，其路程較短，但速度較慢，所以這些光線(xiàn)的時(shí)間延遲近似相等。與突變型多模光纖的處理相似，對(duì)于漸變型多模光纖可取θ0＝θc

(rm＝a)

和θ0＝0

(rm＝0)

的時(shí)間延遲差為Δτ

設(shè)a＝25μm，n(0)＝1.5,Δ＝0.01，由式(2.19)計(jì)算得到的

Δτ≈0.03ps。

2.光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論

幾何光學(xué)的方法————直觀(guān)的圖像——近似的結(jié)果

光波是電磁波，——求解由麥克斯韋方程組——導(dǎo)出的波動(dòng)方程——電磁場(chǎng)分布(傳輸模式)的性質(zhì)——更準(zhǔn)確地獲得光纖的傳輸特性。

1)波動(dòng)方程和電磁場(chǎng)表達(dá)式

設(shè)光纖沒(méi)有損耗，折射率n的變化很小，在光纖中傳播的是角頻率為ω的單色光，電磁場(chǎng)與時(shí)間t的關(guān)系為ejωt，

則標(biāo)量波動(dòng)方程光纖中的圓柱坐標(biāo)

選用圓柱坐標(biāo)(r,φ，z)，使z軸與光纖中心軸線(xiàn)一致，將式在圓柱坐標(biāo)中展開(kāi)，得到電場(chǎng)的z分量Ez的波動(dòng)方程為

Ez(r,φ,z)＝Ez(r)ej(vj－βz)

得到

其中，k=2π/λ=2πf/c=ω/c

，λ和f分別為光的波長(zhǎng)和頻率。這樣就把分析光纖中的電磁場(chǎng)分布，歸結(jié)為求解貝塞爾(Bessel)方程式。需要引入無(wú)量綱參數(shù)u、w和V，其中：

分解為以下兩個(gè)貝塞爾微分方程：

光能量要在纖芯(0≤r≤a)中傳輸，

在r＝0處電磁場(chǎng)應(yīng)為有限實(shí)數(shù)；

在包層(r≥a)內(nèi)光能量沿徑向r迅速衰減，

當(dāng)r→∞時(shí)，電磁場(chǎng)應(yīng)消逝為0。

因此，在纖芯和包層中的電場(chǎng)Ez(r,φ,z)和磁場(chǎng)Hz(r,φ,z)的表達(dá)式為

其中,k0＝2π/λ＝2πf/c＝ω/c，λ和f分別為光的波長(zhǎng)和頻率；z0＝(μ/ε)1/2為電磁阻抗，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；A為待定常數(shù)，由激勵(lì)條件確定。

光纖傳輸模式的電磁場(chǎng)分布和性質(zhì)取決于特征參數(shù)u、w和β的值。

其中u和w決定了纖芯和包層橫向(r)電磁場(chǎng)的分布，稱(chēng)為橫向傳輸常數(shù)；β決定了縱向(z)電磁場(chǎng)的分布和傳輸性質(zhì)，所以稱(chēng)為(縱向)傳輸常數(shù)。

2)本征方程

通常波動(dòng)方程式和特征方程式的精確求解都非常繁雜，一般需要進(jìn)行簡(jiǎn)化。大多數(shù)通信光纖的纖芯與包層的相對(duì)折射率差Δ都很小(如Δ<0.01)，因此有n1≈n2≈n和β＝nk的近似條件，這種光纖稱(chēng)為弱導(dǎo)光纖。

對(duì)于弱導(dǎo)光纖，β滿(mǎn)足的本征方程式可以簡(jiǎn)化為

3)LPmn模的截止條件

我們首先引入一個(gè)有用的參量——?dú)w一化頻率，其定義為

(2.29)

可以證明，在ω＝ωc＝0時(shí)，Vc＝uc，分別稱(chēng)為歸一化截止頻率和歸一化截止相位常數(shù)。

在截止條件下得到的特征函數(shù)的解uc就是所對(duì)應(yīng)模式的截止條件Vc,特征方程式(2.28)的右端此時(shí)為0,于是有當(dāng)uc不為0時(shí)，有

(2.30)這就是截止情況下的特征方程式，由式(2.30)可以解出uc的值來(lái)確定截止條件。uc是m－1階貝塞爾函數(shù)的根。

當(dāng)m＝0時(shí)，J－1(uc)＝J1(uc)＝0，可解出uc＝μ1,n－1＝0，3.83171，7.01559，…，而μ1,n－1是一階貝塞爾函數(shù)的第n－1個(gè)根，其中n＝1,2,3,…。顯然，LP01模的截止頻率為0，LP02模的截止頻率為3.83171，這意味著當(dāng)歸一化頻率V小于3.83171時(shí)，LP02模是不能在光纖中傳輸?shù)?，而LP01模卻總是可以在光纖中傳輸。當(dāng)m≠0時(shí)，Jm－1(uc)＝0，可解出uc＝μm－1，n，它是m－1階貝塞爾函數(shù)的第n個(gè)根，其中n＝1,2,3,…。對(duì)于m＝1，uc＝μ0,n＝2.40483，5.52008，8.65373，…。表2-1列出了截止時(shí)低階LPmn模的uc值。表2-1截止時(shí)低階LPmn模的uc值根據(jù)前面的分析，當(dāng)光纖的歸一化頻率小于LP11模的截止頻率時(shí)，光纖中將只有LP01模能夠運(yùn)行，我們將

V<Vc＝2.40483 (2.31)

稱(chēng)為光纖的單模傳輸條件。因?yàn)楣饫w歸一化頻率是工作波長(zhǎng)和折射率分布的函數(shù)，所以當(dāng)光纖參數(shù)確定后，只有工作波長(zhǎng)大于某一特定波長(zhǎng)時(shí)，光纖才能實(shí)現(xiàn)單模傳輸，我們稱(chēng)這個(gè)特定波長(zhǎng)為光纖的截止波長(zhǎng)，表示為

(2.32)4)LPmn模遠(yuǎn)離截止時(shí)的解及其物理意義

從上面對(duì)模式截止條件的分析可以看出，在光纖中隨著歸一化頻率V的增大，它所截止的模式的階數(shù)也相應(yīng)增加，即傳播的模式增加。現(xiàn)在我們將分析另一種極端情況：遠(yuǎn)離截止時(shí)的情況。隨著光纖歸一化頻率的增加，導(dǎo)波的徑向歸一化衰減常數(shù)w越來(lái)越大，這意味著導(dǎo)波在包層中徑向的衰減加快，導(dǎo)波能量向光纖纖芯中集中。當(dāng)V和w足夠大時(shí)，除靠近V的幾個(gè)高階模外，導(dǎo)波能量基本上都集中在光纖纖芯之中，我們把這種狀態(tài)稱(chēng)為遠(yuǎn)離截止的情況。用分析截止情況同樣的方法，我們可得到遠(yuǎn)離截止時(shí)的特征方程式并簡(jiǎn)化為

Jm(u)＝0 (2.33)

可見(jiàn)遠(yuǎn)離截止時(shí)的特征值是m階貝塞爾函數(shù)的根umn(n＝1,2,3,…)。表2-2中列出遠(yuǎn)離截止時(shí)LPmn模的u值。表2-2遠(yuǎn)離截止時(shí)LPmn模的u值綜上所述，LPmn模的u值在截止時(shí)為m－1階貝塞爾函數(shù)的第n個(gè)根，在遠(yuǎn)離截止時(shí)為m階貝塞爾函數(shù)的第n個(gè)根，在一般情況下該值應(yīng)在這兩者之間變化。2.1.3光纖傳輸特性

1.光纖的幾何特性

(ITU-T規(guī)定

)

1)芯直徑

芯直徑主要是對(duì)多模光纖要求的。ITU-T規(guī)定，多模光纖的芯直徑為50μm±3μm。

2)包層直徑

包層直徑指光纖的外徑。ITU-T規(guī)定，多模光纖及單模光纖的包層直徑均為125μm±3μm。目前，光纖生產(chǎn)制造商已將光纖外徑的規(guī)格從125.0μm±3μm提高到125.0μm±1μm。

3)纖芯/包層同心度

纖芯/包層同心度是指纖芯在光纖內(nèi)所處的中心程度。ITU-T規(guī)定，纖芯/包層同心度誤差不大于6%(單模光纖纖芯/包層同心度小于1.0μm)。目前,光纖制造商已將纖芯/包層同心度從不大于0.8μm的規(guī)格提高到不大于0.5μm的規(guī)格。

4)不圓度

不圓度包括芯徑的不圓度和包層的不圓度。ITU-T規(guī)定，芯徑不圓度不大于6%，包層不圓度(包括單模)小于2%。

5)光纖翹曲度

光纖翹曲度是指在特定長(zhǎng)度的光纖上測(cè)量到的彎曲度，可用曲率半徑來(lái)表示彎曲度。翹曲度(即曲率半徑)數(shù)值越大，意味著光纖越直。

注：纖芯/包層同心度對(duì)接續(xù)損耗的影響最大，翹曲度對(duì)其的影響次之。

2.光纖的光學(xué)特性

光纖的光學(xué)特性有折射率分布、最大理論數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑及截止波長(zhǎng)等。

1)折射率分布

光纖折射率的分布可用下式表示：

多模光纖的折射率分布決定光纖的帶寬和連接損耗，

單模光纖的折射率分布決定工作波長(zhǎng)的選擇。

2)最大理論數(shù)值孔徑

最大理論數(shù)值孔徑的定義為

其中，n1為階躍光纖均勻纖芯的折射率(梯度光纖為纖芯中心的最大折射率);

n2為均勻包層的折射率。

光纖的數(shù)值孔徑(NA)與光源的耦合效率、光纖損耗、彎曲的敏感性以及帶寬都有著密切的關(guān)系，數(shù)值孔徑大則容易耦合，微彎敏感小則帶寬較窄。

3)模場(chǎng)直徑和有效面積

模場(chǎng)直徑(MFD)是指描述單模光纖中光能集中程度的參量。有效面積與模場(chǎng)直徑的物理意義相同，通過(guò)模場(chǎng)直徑可以利用圓面積計(jì)算公式求出有效面積。

模場(chǎng)直徑越小，通過(guò)光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)通過(guò)光纖的能量密度過(guò)大時(shí)，會(huì)引起光纖的非線(xiàn)性效應(yīng)，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低而影響系統(tǒng)的性能。因此，對(duì)于傳輸光纖而言，模場(chǎng)直徑(或有效面積)越大越好。

圖2-13模場(chǎng)直徑示意圖

4)截止波長(zhǎng)

理論上的截止波長(zhǎng)是單模光纖中光信號(hào)能以單模方式傳播的最小波長(zhǎng)。截止波長(zhǎng)條件可以保證在最短的光纜長(zhǎng)度上以單模方式傳輸，并且可以抑制高次模的產(chǎn)生或可以將產(chǎn)生的高次模噪聲功率代價(jià)減小到完全可以忽略的地步。

3.光纖的傳輸特性

光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和色散特性。

1)光纖的損耗特性

光波在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加，光功率的強(qiáng)度逐漸減弱，光纖對(duì)光波產(chǎn)生衰減作用，稱(chēng)為光纖的損耗(或衰減)。

光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗這三種損耗。

(1)吸收損耗。光纖的吸收損耗是由制造光纖的材料本身造成的損耗，包括紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收。

(2)散射損耗。由于光纖材料的不均勻而使光信號(hào)向四面八方散射所引起的損耗稱(chēng)為瑞利散射損耗。

在光纖的制造中，其結(jié)構(gòu)上的缺陷會(huì)引起與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的散射損耗。

(3)彎曲損耗。光纖的彎曲會(huì)引起輻射損耗。在實(shí)際應(yīng)用中，有兩種彎曲：一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲；另一種是微彎曲。

(4)衰減系數(shù)。光纖的衰減系數(shù)是指光在單位長(zhǎng)度的光纖中傳輸時(shí)的衰耗量，單位一般用dB/km表示。它是描述光纖損耗的主要參數(shù),決定光纖衰減系數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射損耗，彎曲損耗對(duì)光纖衰減系數(shù)的影響不大。

圖2-14光纖的特性在單模光纖中有兩個(gè)低損耗區(qū)域，分別在1310nm和1550nm附近，即通常所說(shuō)的1310nm窗口和1550nm窗口，而1550nm窗口分為C

band(1525nm～1562nm)和

Lband(1565nm～1610nm)

2)光纖的色散特性

色散——光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度也不同，這些頻率成分和模式到達(dá)光纖終端有先有后，使得光脈沖展寬。

色散一般用時(shí)延差來(lái)表示，是指不同頻率的信號(hào)成分傳輸同樣的距離所需要的時(shí)間之差。

色散可分為模式色散、色度色散、偏振模色散。

(1)模式色散。多模光纖中不同模式的光束有不同的群速度。在傳輸過(guò)程中，由不同模式光束的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的色散稱(chēng)為模式色散。圖2-15色散引起的脈沖展寬示意

(2)色度色散。光源中的不同頻率(或波長(zhǎng))成分具有不同的群速度。在光信號(hào)的傳輸過(guò)程中，由不同頻率光束的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的色散稱(chēng)為色度色散。

色度色散包括材料色散和波導(dǎo)色散。

①材料色散。光纖材料折射率隨光信號(hào)頻率的變化而不同，光信號(hào)不同頻率的成分所對(duì)應(yīng)的群速度也不相同，由此引起的色散稱(chēng)為材料色散。

②波導(dǎo)色散。由光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散。波導(dǎo)色散的大小可以和材料色散相比擬，如普通單模光纖在波長(zhǎng)為1.31μm處的這兩個(gè)值基本上可相互抵消。注：模式色散主要存在于多模光纖之中，單模光纖中無(wú)模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。光信號(hào)的波長(zhǎng)在1.31μm附近的色散接近0。

色散系數(shù)就是在單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)光波長(zhǎng)信號(hào)通過(guò)單位長(zhǎng)度的光纖所產(chǎn)生的時(shí)延差，用D表示，其單位是ps/(nm·km)。

(3)偏振模色散。由光信號(hào)的兩個(gè)正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱(chēng)偏振模色散(PMD)。

圖2-16偏振模色散示意圖

3)碼間干擾

色散將導(dǎo)致碼間干擾(ISI)，由于光信號(hào)在傳輸中各波長(zhǎng)成分到達(dá)的時(shí)間先后不一致，因而使得光脈沖加長(zhǎng)了T＋ΔT，這就叫做脈沖展寬，如圖2-17所示。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊而形成碼間干擾，碼間干擾將引起誤碼，從而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。

圖2-17碼間干擾示意圖4.光纖的機(jī)械特性

光纖的機(jī)械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強(qiáng)度、彎曲以及扭絞性能等，而使用者最關(guān)心的是抗拉強(qiáng)度。

光纖的抗拉強(qiáng)度在很大程度上反映了光纖的制造工藝水平。影響光纖抗拉強(qiáng)度的主要因素是光纖制造材料和制造工藝，包括：①預(yù)制棒的質(zhì)量；②拉絲爐的加溫質(zhì)量和環(huán)境污染；③涂覆技術(shù)對(duì)質(zhì)量的影響;④機(jī)械損傷。

圖2-18光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖存在氣泡和雜物的光纖會(huì)在一定的張力作用下發(fā)生斷裂。習(xí)慣上將光纖的壽命稱(chēng)為使用壽命。從機(jī)械性能上講，光纖的壽命是指其斷裂壽命。

一般來(lái)說(shuō)，二氧化硅包層光纖的機(jī)械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。為了提高光纖的機(jī)械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦可增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。

5.光纖的溫度特性

光纖的溫度特性是指在高溫和低溫條件下對(duì)光纖損耗的影響。光纖低溫特性曲線(xiàn)如圖。圖2-19光纖低溫特性曲線(xiàn)2.1.4光纜的結(jié)構(gòu)及分類(lèi)

1.光纜的結(jié)構(gòu)

光纜由纜芯、護(hù)層和加強(qiáng)芯組成。

(1)纜芯。纜芯由光纖的芯數(shù)決定，可分為單芯型和多芯型兩種。

(2)護(hù)層。護(hù)層主要是對(duì)已成纜的光纖芯線(xiàn)起保護(hù)作用的，以避免受外界機(jī)械力作用以及環(huán)境等因素的影響而損壞。護(hù)層可分為內(nèi)護(hù)層(多用聚乙烯或聚氯乙烯等)和外護(hù)層(多用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護(hù)套加鋼絲鎧裝等)。

(3)加強(qiáng)芯。加強(qiáng)芯主要承受敷設(shè)安裝時(shí)所加的外力。

2.各種典型結(jié)構(gòu)的光纜

1)層絞式結(jié)構(gòu)光纜

層絞式結(jié)構(gòu)光纜是指把經(jīng)過(guò)套塑的光纖繞在加強(qiáng)芯周?chē)g合而構(gòu)成的光纜。層絞式結(jié)構(gòu)光纜類(lèi)似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)，故又稱(chēng)為古典光纜。

目前，在市話(huà)中繼和長(zhǎng)途線(xiàn)路上采用的幾種層絞式結(jié)構(gòu)光纜的示意圖(截面)如圖2-20和圖2-21所示。圖2-206芯緊套層絞式光纜

圖2-2112芯松套層絞式直埋光纜

2)骨架式結(jié)構(gòu)光纜

骨架式結(jié)構(gòu)光纜是指把緊套光纖或一次涂覆光纖放入加強(qiáng)芯周?chē)穆菪嗡芰瞎羌馨疾蹆?nèi)而構(gòu)成的光纜。

骨架式結(jié)構(gòu)光纜有中心增加螺旋型、正反螺旋型和分散增強(qiáng)基本單元型三種，圖為中心增加螺旋型結(jié)構(gòu)。目前，我國(guó)采用的骨架式結(jié)構(gòu)光纜都是如圖2-22所示的結(jié)構(gòu)。

圖2-2212芯骨架式結(jié)構(gòu)光纜

3)帶狀結(jié)構(gòu)光纜

可以把帶狀光纖單元放入大套管中形成中心束管式結(jié)構(gòu),也可以把帶狀光纖單元放入凹槽或松套管內(nèi)形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。

圖2-23中心束管式帶狀光纜圖2-24層絞式帶狀光纜

圖2-25單芯軟光纜4)單芯結(jié)構(gòu)光纜

單芯結(jié)構(gòu)光纜簡(jiǎn)稱(chēng)為單芯軟光纜。主要用于局內(nèi)(或站內(nèi))或用來(lái)制作儀表測(cè)試軟線(xiàn)和特殊通信場(chǎng)所的特種光纜，以及制作單芯軟光纜的光纖。3.光纜的種類(lèi)

(1)按傳輸性能、距離和用途分，光纜可分為市話(huà)光纜、長(zhǎng)途光纜、海底光纜和用戶(hù)光纜。

(2)按光纖的種類(lèi)分，光纜可分為多模光纜、單模光纜。

(3)按光纖套塑方法分,光纜可分為緊套光纜、松套光纜、束管式光纜和帶狀多芯單元光纜。

(4)按光纖芯數(shù)多少分，光纜可分為單芯光纜、雙芯光纜、4芯光纜、6芯光纜、8芯光纜、12芯光纜和24芯光纜等。

(5)按加強(qiáng)件配置方法分，光纜可分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如束管兩側(cè)加強(qiáng)光纜和扁平光纜)、護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如束管鋼絲鎧裝光纜)和PE外護(hù)層加一定數(shù)量的細(xì)鋼絲的PE細(xì)鋼絲綜合外護(hù)層光纜。

(6)按敷設(shè)方式分，光纜可分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜。

(7)按護(hù)層材料性質(zhì)分，光纜可分為聚乙烯護(hù)層普通光纜、聚氯乙烯護(hù)層阻燃光纜和尼龍防蟻防鼠光纜。

(8)按傳輸導(dǎo)體和介質(zhì)狀況分，光纜可分為無(wú)金屬光纜、普通光纜和綜合光纜。

(9)按結(jié)構(gòu)方式分，光纜可分為扁平結(jié)構(gòu)光纜、層絞式結(jié)構(gòu)光纜、骨架式結(jié)構(gòu)光纜、鎧裝結(jié)構(gòu)光纜(包括單層和雙層鎧裝)和高密度用戶(hù)光纜等。

4.光纜的標(biāo)識(shí)

1)光纜的分類(lèi)

目前通信用光纜可分為：

(1)室(野)外光纜：用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷設(shè)的光纜。

(2)軟光纜：具有優(yōu)良的曲撓性能的可移動(dòng)光纜。

(3)室(局)內(nèi)光纜：適用于室內(nèi)布放的光纜。

(4)設(shè)備內(nèi)光纜：用于設(shè)備內(nèi)布放的光纜。

(5)海底光纜：用于跨海洋敷設(shè)的光纜。

(6)特種光纜：除上述幾類(lèi)之外，作為特殊用途的光纜。

2)光纜型號(hào)的標(biāo)識(shí)

光纜型號(hào)的標(biāo)識(shí)是由它的型式代號(hào)和規(guī)格代號(hào)構(gòu)成的，中間用一短橫線(xiàn)分開(kāi)。光纜型式由五部分構(gòu)成圖2-26光纜型式的組成部分在圖2-26中：

·Ⅰ表示分類(lèi)代號(hào)，其意義如下：

GY——通信用室(野)外光纜；

GR——通信用軟光纜；

GJ——通信用室(局)內(nèi)光纜；

GS——通信用設(shè)備內(nèi)光纜；

GH——通信用海底光纜；

GT——通信用特殊光纜。

·Ⅱ表示加強(qiáng)構(gòu)件代號(hào)，其意義如下：

無(wú)符號(hào)——金屬加強(qiáng)構(gòu)件；

F——非金屬加強(qiáng)構(gòu)件；

G——金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件；

H——非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件。

·Ⅲ表示派生特征代號(hào),其意義如下：

D——光纖帶狀結(jié)構(gòu)；

G——骨架槽結(jié)構(gòu)；

B——扁平式結(jié)構(gòu)；

Z——自承式結(jié)構(gòu)；

T——填充式結(jié)構(gòu)。

·Ⅳ表示護(hù)層代號(hào)，其意義如下：

Y——聚乙烯護(hù)層；

V——聚氯乙烯護(hù)層；

U——聚氨酯護(hù)層；

A——鋁-聚乙烯粘結(jié)護(hù)層；

L——鋁護(hù)套；

G——鋼護(hù)套；

Q——鉛護(hù)套；

S——鋼-鋁-聚乙烯綜合護(hù)套。

·Ⅴ表示外護(hù)層代號(hào)。外護(hù)層是指鎧裝層及鎧裝外邊的外護(hù)層。外護(hù)層的代號(hào)及其意義如表2-3所示。表2-3外護(hù)層的代號(hào)及其意義

圖2-27光纜規(guī)格的組成部分在圖2-27中：

·Ⅰ表示光纖數(shù)目,用1、2、…表示光纜內(nèi)光纖的實(shí)際數(shù)目。

·Ⅱ表示光纖類(lèi)別的代號(hào),其意義如下：

J——二氧化硅系多模漸變型光纖；

T——二氧化硅系多模突變型光纖；

Z——二氧化硅系多模準(zhǔn)突變型光纖；

D——二氧化硅系單模光纖；

X——二氧化硅纖芯塑料包層光纖；

S——塑料光纖。

·Ⅲ表示光纖的主要尺寸參數(shù)，用阿拉伯?dāng)?shù)(含小數(shù))且以μm為單位來(lái)表示多模光纖的芯徑和包層直徑，以及單模光纖的模場(chǎng)直徑和包層直徑。

·Ⅳ表示光纖傳輸特性的代號(hào)由a、bb和cc三組數(shù)字代號(hào)構(gòu)成，其中：

a表示使用波長(zhǎng)的代號(hào)，其數(shù)字代號(hào)規(guī)定如下：

1——波長(zhǎng)在0.85μm區(qū)域；

2——波長(zhǎng)在1.31μm區(qū)域；

3——波長(zhǎng)在1.55μm區(qū)域。注意：同一光纜適用于兩種及其以上波長(zhǎng)，并且在具有不同的傳輸特性時(shí)，應(yīng)同時(shí)列出各波長(zhǎng)上的規(guī)格代號(hào)，并用“/”劃開(kāi)。

bb表示損耗常數(shù)的代號(hào),用兩位數(shù)字來(lái)表示，它們依次為光纜中光纖損耗常數(shù)值(dB/km)的個(gè)位和十位數(shù)字。

cc表示模式帶寬的代號(hào)，用兩位數(shù)字來(lái)表示，它們依次為光纜中光纖模式帶寬分類(lèi)數(shù)值(MHz·km)的千位和百位數(shù)字。在單模光纖中無(wú)此項(xiàng)。

·Ⅴ表示適用溫度代號(hào),其意義如下：

A——適用于－40℃～＋40℃;

B——適用于－30℃～＋50℃;

C——適用于－20℃～＋60℃;

D——適用于－5℃～＋60℃。

2.2.1發(fā)光原理

1.原子的能級(jí)

激光的產(chǎn)生與光源內(nèi)部原子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。近代物理實(shí)驗(yàn)證明，原子中的電子只能以一定的量子狀態(tài)存在，即只能在特定的軌道上運(yùn)動(dòng)，電子的能量只能是具有一系列的不連續(xù)的分立值。2.2光源器件

粒子處于最低能級(jí)時(shí)稱(chēng)為基態(tài)；處于比基態(tài)高的能級(jí)時(shí)稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。

在通常情況下，大多數(shù)的粒子處于基態(tài)，只有少數(shù)粒子被激發(fā)至高能級(jí)，且能級(jí)越高，處于該能級(jí)的粒子數(shù)越少。

在熱平衡條件下，各能級(jí)上的粒子數(shù)分布滿(mǎn)足玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布，其分布曲線(xiàn)

(2.36)

其中，N1、N2為處于能級(jí)E1、E2上的粒子數(shù);k0＝1.381×10－23J/K，為玻爾茲曼常數(shù);

T為絕對(duì)溫度。圖2-28所示為玻爾茲曼分布曲線(xiàn)

2.光與物質(zhì)的相互作用

研究指出，光與物質(zhì)間存在以下三種相互作用關(guān)系：

自發(fā)輻射

受激吸收

受激輻射

1)自發(fā)輻射

在沒(méi)有外界激發(fā)的情況下，處于高能級(jí)E2上的粒子因不穩(wěn)定而將自發(fā)地向低能級(jí)E1躍遷，發(fā)射出能量為hf的光子，f為光子的頻率，有

(2.37)

圖2-29自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射示意圖2.光與物質(zhì)的相互作用

自發(fā)輻射

受激吸收

受激輻射1)自發(fā)輻射

沒(méi)有外界激發(fā)——處于高能級(jí)E2上的粒子——自發(fā)地向低能級(jí)E1躍遷，發(fā)射出能量為hf的光子，f為光子的頻率，有

對(duì)于處在高能級(jí)E2上的粒子來(lái)說(shuō)，它們各自獨(dú)立地、隨機(jī)地分別躍遷到低能級(jí)E1上，發(fā)射出一個(gè)一個(gè)的光子，

這些光子的能量相同，但彼此間沒(méi)有關(guān)系，且具有不同的相位及偏振方向，因此自發(fā)輻射發(fā)出的光是非相干光。

2)受激吸收

外來(lái)光子的作用——低能級(jí)E1上的粒子吸收光子的能量——較高能級(jí)E2上。

3)受激輻射

高能級(jí)E2上的粒子——受到頻率為f＝(E2－E1)/h的光子作用——受激躍遷到低能級(jí)E1上、發(fā)出頻率為f

的光子

受激輻射的過(guò)程不是自發(fā)的，而是受到外來(lái)入射光子的激發(fā)引起的，并且受激輻射所發(fā)射的光子具有與入射光子相同的能量、頻率以及相同的相位、偏振方向、傳播方向等，這種光子稱(chēng)為全同光子。因此受激輻射產(chǎn)生的光是相干光。

3.粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布及光放大

通常情況下(即熱平衡條件下)，處于低能級(jí)的粒子數(shù)較高能級(jí)的粒子數(shù)要多，稱(chēng)為粒子數(shù)的正常分布。粒子在各能級(jí)之間的分布符合費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律:

f(E)是能量為E的能級(jí)被粒子占據(jù)的概率，稱(chēng)為費(fèi)米分布函數(shù);Ef為費(fèi)米能級(jí)，與物質(zhì)的特性有關(guān)，不一定是一個(gè)為粒子占據(jù)的實(shí)際能級(jí)，只是一個(gè)表明粒子占據(jù)能級(jí)狀況的標(biāo)志。能級(jí)E<Ef、f(E)>0.5，能級(jí)被粒子占據(jù)的概率大于50%；

能級(jí)E>Ef、f(E)<0.5時(shí)，能級(jí)被粒子占據(jù)的概率小于50%。

低于費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)被粒子占據(jù)的概率大，高于費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)被粒子占據(jù)的概率小。

在外界能量作用下，處于低能級(jí)的粒子將不斷地被激發(fā)到高能級(jí)上去，從而使高能級(jí)上的粒子數(shù)大于低能級(jí)上的粒子數(shù)，這種分布狀態(tài)稱(chēng)為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。

在外界入射光的激發(fā)下，高能級(jí)上的粒子產(chǎn)生大量的全同光子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的放大作用。

把處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)稱(chēng)為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。這種物質(zhì)可以是固體、液體或氣體，還可以是半導(dǎo)體材料。

把利用光激勵(lì)、放電激勵(lì)或化學(xué)激勵(lì)等方法達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的方法稱(chēng)為泵浦（或抽運(yùn)）。

4.激光器的一般工作原理

激光器(Laser,LightAmplificationbySimulatedEmissionofRadiation)是具有極好單色性、方向性和光強(qiáng)的一種光源。世界上第一臺(tái)激光器是1960年美國(guó)人梅曼發(fā)明的紅寶石激光器。實(shí)現(xiàn)一個(gè)激光器必須滿(mǎn)足的三個(gè)基本條件是：

(1)需要有合適的工作物質(zhì)(發(fā)光介質(zhì))，具有合適的能級(jí)分布，可以產(chǎn)生合適波長(zhǎng)的光輻射；

(2)需要可以實(shí)現(xiàn)工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激勵(lì)能源——泵浦源；

(3)需要可以進(jìn)行方向和頻率選擇的光學(xué)諧振腔。

圖2-30激光器構(gòu)成原理示意如圖激光器構(gòu)成原理示意圖所示，將反射率為100%的全反射鏡與反射率為90%~95%的部分反射鏡平行放置在工作物質(zhì)的兩端以構(gòu)成諧振腔。諧振腔中的工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，處在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子因受激輻射而不斷放大，產(chǎn)生的光子在諧振腔中經(jīng)過(guò)反射鏡多次反射后，在諧振腔中沿非軸線(xiàn)方向的光子很快逸出了腔外，而沿軸線(xiàn)方向的光子往復(fù)傳輸不斷地被放大，且方向性、增益不斷改善，最后從反射鏡輸出即為激光。圖激光器除了滿(mǎn)足上述三個(gè)基本條件，要產(chǎn)生激光還必須滿(mǎn)足閾值條件及相位條件。

在激光器的工作過(guò)程中，光在諧振腔內(nèi)傳播，除了增益介質(zhì)的光放大作用外，還存在工作物質(zhì)的吸收、介質(zhì)不均勻引起的散射、反射鏡的非理想性引起的透射及散射等損耗，所以只有光波在諧振腔內(nèi)往復(fù)一次的放大增益大于各種損耗引起的衰減時(shí)，激光器才能建立穩(wěn)定的激光輸出

其閾值條件(臨界條件)為

相位條件為

q＝1，2，…。

自從1960年激光器問(wèn)世以來(lái)，人們已經(jīng)研制出了各種固體、氣體以及半導(dǎo)體激光器等。

由于半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng),以及調(diào)制方便、調(diào)制速度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在光纖通信等方面得到了廣泛的應(yīng)用。2.2.2LED光源

1.發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光面與PN結(jié)的結(jié)平面是平行的還是垂直的可分為：面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管。

（實(shí)際中多采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)）

圖2-31發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

面發(fā)光二極管輸出的功率較大，但光發(fā)散角度大，水平方向和垂直方向的發(fā)散角都可達(dá)到120°，與光纖的耦合效率低。

邊發(fā)光二極管利用SiO2掩膜技術(shù)，在P面形成垂直于端面的條形接觸電極(約40μm~50μm)，從而限定了有源區(qū)的寬度；同時(shí)，增加光波導(dǎo)層，進(jìn)一步提高光的限定能力，把有源區(qū)產(chǎn)生的光輻射導(dǎo)向發(fā)光面，以提高與光纖的耦合效率。

其有源區(qū)一端鍍高反射膜，另一端鍍?cè)鐾改?，以?shí)現(xiàn)單向出光。在垂直于結(jié)平面的方向，發(fā)散角約為30°，具有比面發(fā)光二極管高的輸出耦合效率。

2.發(fā)光二極管的工作特性

關(guān)注的發(fā)光二極管的特性包括光譜特性、P-I特性、發(fā)光效率、調(diào)制特性等。

1)光譜特性

由于發(fā)光二極管是自發(fā)輻射發(fā)光，并且沒(méi)有諧振腔實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的選擇，因此發(fā)光譜線(xiàn)較寬，半最大值處的全寬度(FWHM)Δλ＝1.8kT(λ2/ch)(nm)，并隨著輻射波長(zhǎng)λ的增加而按λ2增加。

一般短波長(zhǎng)GaAlAs-GaAs發(fā)光二極管的譜線(xiàn)寬度約為10nm~50nm，長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP-InP發(fā)光二極管的譜線(xiàn)寬度約為50nm~120nm。

圖2-32發(fā)光二極管的輸出譜線(xiàn)特性

發(fā)光二極管的譜線(xiàn)寬度(簡(jiǎn)稱(chēng)線(xiàn)寬)反映了有源區(qū)材料的導(dǎo)帶與價(jià)帶內(nèi)的載流子分布,并隨著有源區(qū)摻雜濃度的增加而增加。

面發(fā)光二極管一般是重?fù)诫s，而邊發(fā)光二極管為輕摻雜，因此面發(fā)光二極管的線(xiàn)寬就較寬,而且重?fù)诫s時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)還會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。

同時(shí)，溫度的變化會(huì)使發(fā)光二極管的線(xiàn)寬加寬，載流子的能量分布變化也會(huì)引起線(xiàn)寬的變化。

2)

P-I特性

當(dāng)注入電流較小時(shí)，P-I特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性度非常好；

當(dāng)注入電流比較大時(shí)，由于PN結(jié)的發(fā)熱，發(fā)光效率降低，出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。

在同樣的注入電流下，面發(fā)光二極管的輸出功率要比邊發(fā)光二極管的大2.5~3倍。

溫度對(duì)發(fā)光二極管的P-I特性也有影響，當(dāng)溫度升高時(shí)，同一注入電流下的發(fā)光二極管的發(fā)射功率要降低，如圖(b)，發(fā)光二極管的溫度特性相對(duì)較好，在實(shí)際應(yīng)用中一般可以不加溫度控制。

3)發(fā)光效率

發(fā)光效率——描述發(fā)光二極管電光能量轉(zhuǎn)換的重要參量。分為內(nèi)量子效率和外量子效率。

發(fā)光二極管是靠注入有源區(qū)的電子與空穴的復(fù)合輻射發(fā)光.

內(nèi)量子效率代表有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生光子數(shù)與注入的電子-空穴對(duì)數(shù)之比，即

發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率可以做得很高，有的甚至可以接近100%，

但實(shí)際的發(fā)光二極管輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)低于有源區(qū)中產(chǎn)生的光子數(shù)，這一方面是由于發(fā)光區(qū)產(chǎn)生的光子被其他部分的材料吸收，另一方面是由于PN結(jié)的波導(dǎo)效應(yīng)，光子能逸出界面的數(shù)目大大減少，

因此發(fā)光二極管的外量子效率即總效率為

4)調(diào)制特性從P-I特性可知，改變發(fā)光二極管的注入電流就可以改變其輸出光功率。

把這種直接改變光源注入電流實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方式稱(chēng)為直接調(diào)制或內(nèi)調(diào)制。

在圖示的模擬調(diào)制中，首先要給發(fā)光二極管直流偏置，以防止當(dāng)信號(hào)為負(fù)時(shí)，可能會(huì)因反偏而造成的損壞。

對(duì)于模擬調(diào)制P-I關(guān)系的非線(xiàn)性會(huì)使調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生失真，必要時(shí)可以利用線(xiàn)性補(bǔ)償電路來(lái)進(jìn)行改善。

圖2-34發(fā)光二極管的調(diào)制原理圖由于PN結(jié)的結(jié)電容以及雜散電容的存在，因此使得發(fā)光二極管的調(diào)制特性隨著調(diào)制的頻率提高而變化。發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可表示為

f

——調(diào)制頻率P(f)——對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率

f

的輸出光功率τ

——載流子的壽命

隨著調(diào)制頻率的提高，光功率輸出下降圖2-35發(fā)光二極管的調(diào)制響應(yīng)定義發(fā)光二極管的截止頻率

,則H(f)＝

。

載流子的壽命與摻雜濃度、注入電流密度及有源區(qū)厚度有關(guān)。

顯然，要提高截止頻率以增加調(diào)制帶寬，就要盡可能地縮短載流子的壽命，可以通過(guò)有源區(qū)重?fù)诫s以及高注入等方法來(lái)改進(jìn)。2.2.3半導(dǎo)體激光器

1.半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)

2.2.3半導(dǎo)體激光器

1.半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體激光器同發(fā)光二極管一樣，也采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所不同的是半導(dǎo)體激光器縱向的兩個(gè)端面是晶體的解理面，相互平行且垂直于結(jié)平面，一個(gè)端面鍍反射膜，另一個(gè)端面輸出，構(gòu)成了激光器的FP諧振腔。

同時(shí)，它采用條形結(jié)構(gòu)，使有源區(qū)光場(chǎng)不僅在垂直于結(jié)平面方向受到限制，并且在平行于結(jié)平面的水平方向也有波導(dǎo)效應(yīng)，使光子及載流子局限在一個(gè)較窄及較薄的條形區(qū)域內(nèi)，以提高光子及載流子的濃度。

條形激光器，它與光纖耦合的效率較高。

圖2-36半導(dǎo)體激光器的橫截面結(jié)構(gòu)

圖(a)為增益導(dǎo)引條形半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。利用Zn擴(kuò)散和氧化物隔離等技術(shù)在條形有源區(qū)兩邊形成高阻層，這樣只有在條形有源區(qū)內(nèi)有電流流過(guò)且具有光增益特性，條形區(qū)以外損耗較大，光信號(hào)被限制在條形區(qū)域內(nèi)。這種利用增益分布限制光子的激光器稱(chēng)為增益導(dǎo)引條形半導(dǎo)體激光器。

圖(b)為折射率導(dǎo)引條形半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，其條形有源區(qū)兩側(cè)為具有較低折射率的材料，從而形成光波導(dǎo)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的約束。

這種激光器具有輸出功率穩(wěn)定、線(xiàn)性特性好、調(diào)制速率高等優(yōu)點(diǎn)，但制作工藝較為復(fù)雜。

2.半導(dǎo)體激光器的工作特性

1)

P-I

特性

從圖知，半導(dǎo)體激光器存在閾值電流Ith。

當(dāng)注入電流

I<Ith

時(shí)，器件發(fā)出微弱的自發(fā)輻射光，類(lèi)似于發(fā)光二極管的發(fā)光情況;

當(dāng)注入電流

I>Ith

，器件進(jìn)入受激輻射狀態(tài)時(shí)，光功率輸出迅速增加，輸出功率與注入電流基本上保持線(xiàn)性關(guān)系。

圖2-37半導(dǎo)體激光器P-I曲線(xiàn)半導(dǎo)體激光器的P-I特性對(duì)溫度很敏感。隨著溫度的升高，閾值電流增大，發(fā)光功率降低。閾值電流與溫度的關(guān)系可以表示為

其中,T為器件的絕對(duì)溫度；T0為激光器的特征溫度；I0為常數(shù)。

圖2-38半導(dǎo)體激光器P-I曲線(xiàn)隨溫度的變化為解決半導(dǎo)體激光器溫度敏感的問(wèn)題，可以在驅(qū)動(dòng)電路中進(jìn)行溫度補(bǔ)償，或是采用制冷器來(lái)保持器件的溫度穩(wěn)定。

措施：

通常將半導(dǎo)體激光器與熱敏電阻、半導(dǎo)體制冷器等封裝在一起構(gòu)成組件，熱敏電阻用來(lái)檢測(cè)器件溫度以及控制制冷器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)恒溫控制。

2)光譜特性

半導(dǎo)體激光器的光譜特性主要由其縱模決定。

峰值波長(zhǎng)λp——具有最大輻射功率的縱模的峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng);光譜輻射帶寬Δλ——包括發(fā)射功率不小于峰值波長(zhǎng)功率50%的所有波長(zhǎng)，也稱(chēng)半高全寬光譜寬度；

ΔλL——一個(gè)縱模中光譜輻射功率為其最大值一半的譜線(xiàn)兩點(diǎn)間的波長(zhǎng)間隔。圖2-39半導(dǎo)體激光器的光譜多縱模半導(dǎo)體激光器的典型譜線(xiàn)定義邊模抑制比SMSR為主模功率P主與最強(qiáng)邊模功率P邊之比，它是半導(dǎo)體激光器頻譜純度的一種度量。

(2.46)與發(fā)光二極管的譜線(xiàn)特性相比，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光譜線(xiàn)較為復(fù)雜，它會(huì)隨著工作條件的變化而發(fā)生變化。

當(dāng)注入電流

I<Ith

時(shí)，激光器發(fā)出的是熒光，光譜較寬；

當(dāng)注入電流

I>Ith

時(shí)，光譜突然變窄，強(qiáng)度增強(qiáng)，出現(xiàn)激光；

當(dāng)注入電流進(jìn)一步增大，主模的增益增加，而邊模的增益減小，振蕩模式減少，最后會(huì)出現(xiàn)單縱模，如圖。

圖2-40半導(dǎo)體激光器輸出譜線(xiàn)與注入電流之間的變化

3)調(diào)制特性

與發(fā)光二極管的調(diào)制不同的是，由于存在閾值電流，因此在實(shí)際的調(diào)制電路中，為提高其響應(yīng)速度及不失真，需要進(jìn)行直流偏置處理。

在高速調(diào)制的情況下，半導(dǎo)體激光器會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，如出現(xiàn)電光延遲、張弛振蕩和自脈動(dòng)等現(xiàn)象，這些特性會(huì)影響系統(tǒng)的傳輸速率和通信質(zhì)量。

圖2-41半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制原理圖

圖2-42光脈沖的電光延遲和張弛振蕩示意圖

(1)電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象。半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖的瞬態(tài)響應(yīng)波形，輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)時(shí)間延遲——電光延遲時(shí)間，一般為ns量級(jí)。

當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式的振蕩——張弛振蕩，一般為幾百M(fèi)Hz到2GHz的量級(jí)。

當(dāng)信號(hào)的調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時(shí)，將會(huì)使輸出光信號(hào)的波形嚴(yán)重失真，勢(shì)必會(huì)增加接收機(jī)的誤碼率，所以，半導(dǎo)體激光器的張弛振蕩和電光延遲的存在限制了信號(hào)的調(diào)制頻率，應(yīng)低于張弛振蕩頻率，這樣才能保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

措施：

可以通過(guò)在半導(dǎo)體激光器脈沖調(diào)制時(shí)加直流預(yù)偏置的方法，在脈沖到來(lái)之前將有源區(qū)內(nèi)的提高電子密度，從而使脈沖到來(lái)時(shí)減小電光延遲時(shí)間，而且一定程度抑制張馳振蕩現(xiàn)象。隨著直流預(yù)偏置電流的增大，電光延遲時(shí)間會(huì)逐漸減小，增加直流預(yù)偏置電流也有利于抑制張馳振蕩。

電光延遲還會(huì)產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時(shí)間與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使后一個(gè)光脈沖的幅度受到前一個(gè)脈沖的影響，這種影響現(xiàn)象稱(chēng)為碼型效應(yīng)，如圖(a)和(b)考慮在兩個(gè)接連出現(xiàn)的“1”碼脈沖調(diào)制時(shí)，第一個(gè)脈沖過(guò)后存儲(chǔ)在有源區(qū)的電子以指數(shù)的形式衰減，如果調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于其衰減周期，那么就會(huì)使第二個(gè)脈沖到來(lái)之時(shí)，前一個(gè)電流脈沖注入的電子并沒(méi)有完全復(fù)合消失，此時(shí)有源區(qū)電子密度較高，因此電光延遲時(shí)間短，輸出光脈沖幅度和寬度就會(huì)增大。

碼型效應(yīng)的特點(diǎn)是在脈沖序列中較長(zhǎng)的連“0”碼后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變小，而且連“0”碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯。消除碼型效應(yīng)最簡(jiǎn)單的方法就是增加直流偏置電流。當(dāng)激光器偏置電流在閾值附近時(shí)，脈沖持續(xù)時(shí)間和脈沖過(guò)后有源區(qū)內(nèi)電子密度變化不大，使得電子存儲(chǔ)的時(shí)間大大減小，碼型效應(yīng)就可得到抑制。另外，還可以采用在每一個(gè)正脈沖后跟一個(gè)負(fù)脈沖的雙脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的方法，如圖2-43(c)所示，用正脈沖產(chǎn)生光脈沖，用負(fù)脈沖來(lái)消除有源區(qū)內(nèi)的存儲(chǔ)電子。但負(fù)脈沖的幅度不能過(guò)大，以免激光器PN結(jié)被反向擊穿。

圖2-43碼型效應(yīng)示例圖2-44輸出光脈沖的自脈動(dòng)

(2)自脈動(dòng)現(xiàn)象。

某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流電流驅(qū)動(dòng)下，輸出的光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的振蕩，振蕩頻率在幾百M(fèi)Hz到2GHz，把這種脈沖波形的畸變——自脈動(dòng)現(xiàn)象。和張馳振蕩一樣，它對(duì)激光器的高速脈沖調(diào)制性能也能產(chǎn)生影響。

自脈動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)是激光器在某些注入電流情況下發(fā)生的，它的出現(xiàn)及振蕩頻率與外加調(diào)制速率無(wú)關(guān)，僅與注入的總電流有關(guān)。其產(chǎn)生的機(jī)理很復(fù)雜，主要是由于激光器內(nèi)部存在非線(xiàn)性增益而造成的，往往和激光器P-I特性的非線(xiàn)性有關(guān)。2.2.4新型激光器

在光纖通信中，為了降低光纖色散，希望光源的線(xiàn)寬盡可能地窄，因此要求激光器工作在單縱模狀態(tài)。

（隨著調(diào)制頻率的提高和調(diào)制深度的加大，會(huì)使主模的強(qiáng)度下降，鄰近邊模的強(qiáng)度增強(qiáng)，單縱模分裂為多縱模，而且線(xiàn)寬也相應(yīng)地增大，因此調(diào)制速率越高，調(diào)制深度越大，譜線(xiàn)展寬得越多。）

圖2-45高速調(diào)制時(shí)激光器的輸出譜線(xiàn)

在高速調(diào)制下仍然可以工作在單縱模狀態(tài)的半導(dǎo)體激光器稱(chēng)為動(dòng)態(tài)單縱模激光器。應(yīng)用最為廣泛的是分布反饋式激光器。

分布反饋式激光器的結(jié)構(gòu)與普通的FP激光器的結(jié)構(gòu)不同，它不是靠解理面形成的諧振腔工作，而是依賴(lài)于沿縱向等間隔分布反射的光柵工作。

分布反饋式半導(dǎo)體激光器分為分布反饋激光器(DFB-LD)和分布布拉格反射激光器(DBR-LD).圖2-46DFB激光器的結(jié)構(gòu)

圖2-47DBR激光器的結(jié)構(gòu)

分布反饋式激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)單縱模振蕩。利用光柵實(shí)現(xiàn)選頻，可以很容易地實(shí)現(xiàn)單縱模。

(2)譜線(xiàn)窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。由于光柵的作用，因此使分布反饋式激光器的譜線(xiàn)寬度窄到幾個(gè)GHz，并且改善了波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。

(3)動(dòng)態(tài)譜線(xiàn)好。在高速調(diào)制時(shí)分布反饋式激光器的譜線(xiàn)有所展寬，但比FP激光器的動(dòng)態(tài)譜線(xiàn)展寬小一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)其仍然保持單縱模特性。

(4)線(xiàn)性度好。

2.3.1光檢測(cè)器原理

半導(dǎo)體光檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料內(nèi)部的光電效應(yīng)制成的。

當(dāng)光入射在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度(帶隙)Eg，那么就會(huì)激發(fā)受激吸收，使價(jià)帶的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶出現(xiàn)光生電子，而在價(jià)帶中出現(xiàn)光生空穴，形成光生電子-空穴對(duì)。

半導(dǎo)體的光電效應(yīng):由入射光照射而在半導(dǎo)體材料內(nèi)產(chǎn)生光生載流子的現(xiàn)象。2.3光檢測(cè)器圖2-48半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)

PN結(jié)的光電效應(yīng)：

光電二極管(PD)是一個(gè)工作在反向偏壓下的PN結(jié)二極管，由管作成的光檢測(cè)器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)。

當(dāng)PN結(jié)上加反向偏壓時(shí)，外加電場(chǎng)方向與PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，勢(shì)壘加強(qiáng)，在PN結(jié)界面附近的載流子基本上耗盡而形成耗盡區(qū)(層)。

當(dāng)光束入射到PN結(jié)上，且光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶上，形成一個(gè)電子-空穴對(duì)。

在耗盡區(qū)(層)中，電子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向N區(qū)漂移，而空穴向P區(qū)漂移，如果PN結(jié)的外電路構(gòu)成回路，就會(huì)形成光電流,當(dāng)入射光功率變化時(shí)，光電流也隨之發(fā)生線(xiàn)性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

當(dāng)入射光子能量小于Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿(mǎn)足

hv

>

Eg

即存在

λc——產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，稱(chēng)為截止波長(zhǎng)。其中，以Si為材料的光電二極管的λc＝1.06μm,

以Ge為材料的光電二極管的λc＝1.60μm。

利用PN結(jié)的光電效應(yīng)可以制造出簡(jiǎn)單的PN結(jié)光電二極管,但這種光電二極管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)法降低暗電流和提高響應(yīng)度，其穩(wěn)定度也比較差，不適合做光纖通信的檢測(cè)器。2.3.2PIN光電二極管

1.PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)

如圖，PIN光電二極管是指在摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體之間生成一層摻雜極低的本征材料，稱(chēng)為Ⅰ層。

在外加反向偏置電壓的作用下，Ⅰ層中可形成很寬的耗盡層，由于Ⅰ層吸收系數(shù)很小，入射光可以很容易地進(jìn)入材料內(nèi)部并被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。

另外，Ⅰ層兩側(cè)的P層和N層很薄，使得光生載流子的漂移時(shí)間很短，這樣大大提高了該器件的響應(yīng)速度。

圖2-49PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)

2.PIN光電二極管的特性

波長(zhǎng)響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度、噪聲特性等

1)波長(zhǎng)響應(yīng)范圍

半導(dǎo)體光電檢測(cè)器只可以對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的光信號(hào)進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換。由于半導(dǎo)體材料吸收的光在材料中按指數(shù)率衰減，因此經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為d的材料的光功率為

P(d)＝P(0)

eαd

（α是材料對(duì)光的吸收系數(shù)，其單位為長(zhǎng)度單位的倒數(shù)。稱(chēng)1/α為光的穿透深度。）

半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)α與波長(zhǎng)有關(guān)，半導(dǎo)體材料的吸收作用隨波長(zhǎng)的減小而迅速增強(qiáng)，即α隨波長(zhǎng)的減小而變大。

圖2-50幾種導(dǎo)體材料吸收參數(shù)隨波長(zhǎng)的變化情況

從圖看出，當(dāng)波長(zhǎng)很短時(shí)，材料的吸收系數(shù)很大，光在半導(dǎo)體材料的表層即被吸收殆盡。因?yàn)樵诒韺赢a(chǎn)生的光生載流子要擴(kuò)散到耗盡層才能產(chǎn)生光生電流，而在表層為零電場(chǎng)擴(kuò)散區(qū)，使得擴(kuò)散速度很慢，在光生載流子還沒(méi)有到達(dá)耗盡層時(shí)就大量地被復(fù)合了，所以光電轉(zhuǎn)換效率在波長(zhǎng)很短時(shí)會(huì)大大下降。

綜上所述，選擇合適的材料作成的光檢測(cè)器。

首先，材料的帶隙決定了截止波長(zhǎng)要大于被檢測(cè)的光波波長(zhǎng)。其次，材料的吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。Si-PIN光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為0.5μm～1μm，Ge-PIN和InGaAs-PIN光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍約為1μm~1.7μm。

2)響應(yīng)度

響應(yīng)度是描述光檢測(cè)器能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)參量。

它定義為

其中，Pin

為入射到光電二極管上的光功率；

Ip

為所產(chǎn)生的光電流。響應(yīng)度的單位為A/W。

3)量子效率

量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即

其中,e為電子電荷，其值為1.6×10－19C。且有響應(yīng)度為

可見(jiàn)，光檢測(cè)器的響應(yīng)度隨波長(zhǎng)的增大而增大。

4)響應(yīng)速度

響應(yīng)速度是光檢測(cè)器的重要參數(shù)之一，通常用響應(yīng)時(shí)間(上升時(shí)間和下降時(shí)間)來(lái)表示。在接收機(jī)中使用光電二極管時(shí)通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測(cè)器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。

圖2-52所示為檢測(cè)器電路及其等效電路，其中:Cd、Rs、RL分別為檢測(cè)器的結(jié)電容、串聯(lián)電阻、負(fù)載電阻，CA、RA分別為放大器的輸入電容和電阻。圖2-52光電二極管電路影響響應(yīng)速度的主要因素有：

(1)檢測(cè)器及其負(fù)載的RC時(shí)間常數(shù)。要提高響應(yīng)速度，就要降低整個(gè)電路的時(shí)間常數(shù)。從檢測(cè)器本身來(lái)看，就要盡可能地降低結(jié)電容Cd的值。

(2.52)

其中，ε為材料的介電常數(shù)；A為結(jié)面積；W為耗盡區(qū)的厚度。

(2)載流子漂移通過(guò)耗盡區(qū)的渡越時(shí)間

光電二極管的響應(yīng)速度主要受到耗盡區(qū)內(nèi)的載流子在電場(chǎng)作用下的漂移通過(guò)所需時(shí)間(即渡越時(shí)間)的限制。漂移運(yùn)動(dòng)的速度與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，漂移速度正比于電場(chǎng)強(qiáng)度，而當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一值后，漂移速度就不再變化。

(3)耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴(kuò)散引起的延遲

耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復(fù)合，另一部分?jǐn)U散到耗盡區(qū)而被電路吸收。由于擴(kuò)散速度比漂移速度慢得多，因此，這部分載流子會(huì)帶來(lái)附加時(shí)延，會(huì)使輸出的電信號(hào)脈沖拖尾加長(zhǎng)，如圖。

圖2-53光脈沖及電流脈沖波形

5)噪聲特性

光電二極管的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲以及負(fù)載電阻的熱噪聲，除負(fù)載電阻的熱噪聲以外，其他的都為散彈噪聲。散彈噪聲是由帶電粒子產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性而引起的一種具有均勻頻譜的白噪聲。

量子噪聲是由光電子產(chǎn)生和收集的統(tǒng)計(jì)特性造成的，與平均光電流Ip成正比。來(lái)自噪聲電流的均方值可表示為

(2.53)

其中，Δf為噪聲的帶寬。暗電流噪聲是指當(dāng)沒(méi)有入射光時(shí)流過(guò)器件偏置電路的電流，它是由PN結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)形成的，是PIN的主要噪聲源。暗電流的均方值可表示為

其中，Id為暗電流的平均值。當(dāng)偏置電壓增大時(shí)，暗電流隨之增大，暗電流還會(huì)隨著器件溫度的升高而增加。暗電流的大小與光電二極管的結(jié)面積成正比，故常用單位面積上的暗電流即暗電流密度來(lái)衡量。

圖2-54暗電流密度與偏置電壓的關(guān)系

另外，光電二極管中還有表面漏電流。表面漏電流是由于器件表面物理特性的不完善，