光纤通信第三章

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1、第 3 章 通信用光器件,通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。 有源器件包括光源、光检测器和光放大器。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。 ,第 3 章 通信用光器3.1 光源 （理解）3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构3.1.2 半导体激光器的主要特性3.1.3 分布反馈激光器3.1.4 发光二极管3.1.5 半导体光源一般性能和应用3.2 光检测器 （理解）3.2.1 光电二极管工作原理3.2.2 PIN 光电二极管3.2.3 雪崩光电二极管(APD)3.2.4 光电二极管一般性能和应用3.3 光无源器件 （了解）3.3.1 连接器和接

2、头 3.3.2 光耦合器3.3.3 光隔离器与光环行器3.3.4 光调制器3.3.5 光开关,3.1 光源,光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)， 有些场合也使用固体激光器。 本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器(DFB - LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。 ,3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用

3、谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。,受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 )称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收 自发辐射 受激辐射,(1)受激吸收在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1(a)。 (2)自发辐射在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自动地跃迁到低能级E1

4、上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1(b)。 (3)受激辐射在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图3.1(c)。 ,受激辐射和受激吸收的区别与联系受激辐射是受激吸收的逆过程。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。 ,图 3.2 半导体的能带和电子分布 (a) 本征半导体； (b)

5、 N型半导体； (c) P型半导体,2. PN结的能带和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。,在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场， 见图3.3(a)。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图3.3(b)。,内部电场,扩散,漂移,P - N结内载流子运动；图

6、 3.3PN结的能带和电子分布,势垒,能量,E,n,c,N,区,零偏压时P - N结的能带倾斜图；,正向偏压下P - N结能带图,获得粒子数反转分布,增益区的产生：在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。,3. 激光振荡和光学谐振腔 激光振荡的产生：,粒子数反转分布 + 光学谐振腔=

7、连续的光放大和激光振荡输出,图 3.4 激光器的构成和工作原理(a) 激光振荡； (b) 光反馈,式中，th 为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率激光振荡的相位条件为,式中，为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1, 2, 3 称为纵模模数。 ,在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为,4. 半导体激光器基本结构半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图3.5示出的双异质结(DH)平面条形结构。,这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。 图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙P型

8、半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。,DH激光器工作原理由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注入有源层。 P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。 同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被

9、限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。 ,图 3.6 DH激光器工作原理 (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布,3.1.2 半导体激光器的主要特性1. 发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)得到h f =Eg,(3.6),不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 m波段铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.31.55 m波段,式中，f=c/，f (Hz)和(m

10、)分别为发射光的频率和波长， c=3108 m/s为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数， 1eV=1.610-19 J，代入上式得到,图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。,2. 激光束的空间分布,图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样,3. 转换效率和输出光功率特性激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数,(3.7a),式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，h f 和e分别为光子能量和电子电荷。,图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth 时，发

11、出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。,4. 频率特性在直接光强调制下， 激光器输出光功率P和调制频率f 的关系为,(3.8b),式中， 和分别称为弛豫频率和阻尼因子，Ith 和I0分别为阈值电流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的LD， I=0， 低掺杂浓度的LD, I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的电子寿命，ph为谐振腔内的光子寿命。,图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性,图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr 是调制频率的上限，一般激光器的fr 为12 GHz。在接近fr 处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。,5. 温

12、度特性,图 3.12 P - I曲线随温度的变化,3.1.3 分布反馈激光器分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。,图 3.13 分布反馈(DFB)激光器(a) 结构； (b) 光反馈,如图3.13所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。,ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为,(3.11),DFB激光器与F-

13、P激光器相比， 具有以下优点： 单纵模激光器 谱线窄， 波长稳定性好 动态谱线好 线性好,3.1.4 发光二极管 LD 和LED的区别 LD发射的是受激辐射光LED发射的是自发辐射光LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。,图 3.14两类发光二极管(LED)(a) 正面发光型； (b) 侧面发光型,发光二极管的类型：正面发光型LED和侧面发光型LED,发光二极管的特点：输出光功率较小；谱线宽度较宽；调制频率较低；性能稳定，寿命长；输出光功率线性范围宽；制造工艺简单，价格低廉；适用于小容量短距离系统

14、发光二极管的主要工作特性： (1) 光谱特性。 发光二极管发射的是自发辐射光， 没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图3.15。,图 3.15LED光谱特性,(2) 光束的空间分布。 在垂直于发光平面上， 正面发光型LED辐射图呈朗伯分布， 即P()=P0 cos，半功率点辐射角120。侧面发光型LED，120，2535。由于大，LED与光纤的耦合效率一般小于 10%。(3) 输出光功率特性。 发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率d小于10%。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图3.16。驱动电流I较小时， P - I曲线的线性较好；I过大时，由于PN结

15、发热产生饱和现象，使P -I 曲线的斜率减小。,LED的P_I特性曲线,原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光,4 3 2 1 0,50 100 150,02570,电流/mA,输出功率/ mW,(4) 频率特性。 发光二极管的频率响应可以表示为,图3.17示出发光二极管的频率响应， 图中显示出少数载流子的寿命e和截止频率 fc 的关系。对有源区为低掺杂浓度的LED， 适当增加工作电流可以缩短载流子寿命，提高截止频率。,式中，f 为调制频率，P( f )为对应于调制频率 f 的输出光功率，e为少数载流子(电子)的寿命。定义 fc 为发光二极管的截止频率，当 f = f c =1/

16、(2e)时，|H(fc)|= ， 最高调制频率应低于截止频率。 ,图 3.17 发光二极管(LED)的频率响应,3.1.5 半导体光源一般性能和应用 半导体光源的一般性能表：3.1和表3.2列出半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能。 LED通常和多模光纤耦合，用于1.3 m(或0.85 m)波长的小容量短距离系统。因为LED发光面积和光束辐射角较大， 而多模SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量长距离系统。 分布反馈激光器(DFB - LD)主要和G.653或G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。,