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1、光通信技术,第4章,第4章 光检测器与光放大器 【知识要点】 通信用光有源器件主要包括光源、光检测器、光放大器和光波长转换器等。光源是光发射机的主要器件，主要功能是实现信号的电光转换；光检测器位于光接收机内，主要功能是实现信号的光电转换；光放大器主要是对光信号直接进行放大，无需通过光电光转换过程，解决长距离传输时光功率不足的问题。本章重点介绍光检测器和光放大器的类型、应用时如何选择等。,光信号在光纤中传输，不可避免地存在着一定的损耗和色散，损耗导致光信号能量的降低，色散致使光脉冲展宽。因此隔一段距离就需要设置一个中继器，以便对信号进行放大和再生后继续传输。解决这一问题的方法有两种，一个是常规方
2、法采用光电中继器，一个是直接对光信号进行放大的光放大器，本章将重点介绍光放大器。光放大器的研制成功是光纤通信发展史上的一场革命，解决了全光通信的关键问题，影响深远。,4.1 光检测器的工作机理与类型 4.1.1光敏二极管 如图4.1所示，光敏二极管（PD）由半导体PN结组成，结上加反向偏压。当有光照射时，若光子能量（hf）大于或等于半导体禁带宽度（Eg），则占据低能级（价带）的电子吸收光子能量而跃迁到较高能级（导带），在耗尽区里产生许多电子空穴对，称为光生载流子。这些光生载流子受到结区内电场（自建场）的作用，电子漂移到N区，空穴漂,图4.1光敏二极管工作原理,移到P区，于是P区就有过剩的空穴积
3、累，N区则有过剩的电子积累，也就是在PN结两边产生了一个发光电动势，即光生伏特效应。如果把外电路接通，就会有光生电流Is流过负载。入射到PN结的光越强，光生电动势越大。如果将被调光信号照射到该连接了外电路的光敏二极管的PN结上，它就会将被调制的光信号还原成带有原信息的电信号。 这种光敏二极管由于响应速度低，不适用于光纤通信系统。,4.1.2 PIN光敏二极管,图4.2 PIN工作原理,PIN光敏二极管（如图4.2所示）是在光敏二极管的基础上改进而成的。用半导体本征材料（如Si或InGaAs）,作本体，分别在两侧掺杂而形成P区和N区，厚度均为数微米，本征材料夹在中间，厚度为10100m，称为I区
4、。在反向偏置电压下，形成较宽的耗尽区，当被光照射时，在P区和N区产生空穴和电子（载流子），载流子在耗尽区内进行高效率、高速度的漂移和扩散所形成光生电流。载流子通过PIN结时，虽然I区较厚，但是它处于强反向电场作用（反向偏置）下，载流子以极快速度通过。而在P区和N区，虽然没有反向电场作用，但它们很薄，渡越时间短，所以总速度提高了。而且，每一个光子入射到PIN器件所产生的电子数比光敏二极管高，也即PIN器件的量子效率比光敏二极管的高，所以PIN管广泛用于中短距离光纤通信。由于PIN器件本身无增益，使接收灵敏度受到限制，所以不能在长距离通信系统应用。通常，,将具有电流放大效应的场效应晶体管（FET）
5、与PIN管集成在一起。使用以Si作本体材料的短波长PIN管，称为Si-PIN；以InGaAs作本体材料的长波长PIN管，称为InGaAs-PIN。,4.1.3 雪崩光敏二极管 在很强反向电场（反向电压数十伏或数百伏）作用下，电子以极快的速度通过PN结。在行进途中碰撞半导体晶格上的原子离化而产生新的电子、空穴，即所谓二次电子和空穴，而且这种现象不断连锁反应，使结区内电流急剧倍增放大，产生“雪崩”现象。雪崩光敏二极管（APD）使用时，需要数十以至数百伏的高反向电压。雪崩电压对环境温度变化较敏感，使用有点不,不方便。但由于有内部电流放大作用，可以提高接收机灵敏度，因此广泛用于中、长距离的光纤通信系统
6、。APD工作原理如图4.3所示。,图4.3 APD工作原理,在光纤通信的短波长区（0.80.9m）雪崩光敏二极管用Si作本体，称为Si-APD。在长波长区（1.01.65m）用锗Ge或用InGaAs作本体，分别称为Ge-APD和InGaAsInP-APD。,4.1.4光电检测器的特性 1.PIN光敏二极管特性,（1）量子效率和光谱特性 光电转换效率用量子效率或响应度R表示。量子效率的定义为一次光生电子空穴对和入射光子数的比值,=(光生电子-空穴)/对入射光子数 =(Ip/e)/(P0/hf)=Ip/P0hf/e （4-1）,响应度R的定义为一次光生电流Ip和入射光功率P0的比值,R=Ip/P0
7、=e/hf,（4-2）,（2）响应时间和频率特性 光敏二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率fc（带宽B）表示。PIN光敏二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间d和包括光敏二极管在内的检测电路RC常数所确定。,由电路RC时间常数限制的截止频率 fc=1/(2RtCd) （ 4-3）,式中，Rt为光敏二极管的串联电阻和负载电阻的总和；Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。 Cj=(A)/w （4-4）,式中，为材料介电常数;A为结面积;w为耗尽层宽度。 （3） 噪声 噪声是反映光敏二极管特性的一个重要参数，直接影响光接收机的接收灵敏度。光敏二极管的噪声包括由
8、信号电流与暗电流产生的散粒噪声和由负载电阻与后继放大器输入电阻产生的热噪声。暗电流是没有光入射时流过光检测器的电流，它是由PN结的热激发产生的电子空穴对形成的。对于APD，这种载流子同样会得到高场区的加速而倍增。暗电流的均方值为,i2d=2eIdB （4-5）,i2d=2eIdB （4-5）,再加上信号电流的散粒噪声，总的均方散粒噪声值为 i2th=2e（Ip+Id）B （4-6）,式中，e为电子电荷;B为放大器带宽;Ip和Id分别为信号电流和暗电流。暗电流与光敏二极管的材料和结构有关，如Si-PIN，Id1nA，Ge-PIN，Id100nA。 均方热噪声电流,i2T=4kTB/R （4-7）
9、,式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数;T为等效噪声温度;R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。 因此，光敏二极管的总均方噪声电流为 i2=2e（Ip+Id）B+4kTB/R （4-8）,2. 雪崩光敏二极管（APD）特性 （1）倍增因子 由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，并把倍增因子定义为APD输出光电流I0和一次光生电流Ip的比值。,g=I0/Ip （4-9）,这是对噪声电流直接放大产生的，并未引入新的噪声成分。事实上，雪崩效应产生的载流子也是随机的，所以引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子
10、F。F（1）是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为 i2q=2eIpBg2+x （4-12）,式中，x为附加噪声指数。 同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为 i2q=2eIdBg2+x （4-13）,3. 光检测器的性能和应用 表4.1和表4.2列出了半导体光敏二极管（PIN和APD）的一般性能。,表4.1 PIN光敏二极管的一般性能,表4.2 雪崩光敏二极管（APD）的一般性能,APD是有增益的光敏二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。但是采用APD要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了成本。因此
11、在灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。Si-PIN和APD用于短波长（0.85m）光纤通信系统。InGaAs-PIN用于长波长（1.31m和1.55m）系统，性能非常稳定，通常把它和使用场效应管（FET）的前置放大器集成在同一基片上，构成FET-PIN接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的性能，这种组件已经得到广泛应用。InGaAs-APD的特点是响应速度快，传输速率可达几到十几Gbit/s，适用于超高速光纤通信系统。由于Ge-APD的暗电流和附加噪声指数较大，在实际通信系统中很少应用。,4.2 光放大器的分类与指标 4.2.1 光放大器的分类 光放大器有半导体光放大器（SOA）和光
12、纤放大器（OFA）两种类型。半导体光放大器的优点是小型化，容易与其他半导体器件集成；缺点是性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。OFA的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小，因而得到广泛应用。OFA实际上是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器。,根据放大机制不同，OFA可分为掺稀土光纤放大器和非线性光纤放大器两大类。掺稀土光纤放大器是在制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的
13、相干放大。这种OFA实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：1.55m波段和1.31m波段。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。,1.掺铒光纤放大器 掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）工作在1.55m窗口的损耗系数较1.31m窗口的低，仅0.2dB/km。已商用的EDFA噪声低、增益曲线好、放大器带宽大，与波分复用（WDM）系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复
14、用（DWDM）+非零色散光纤（NZDF）+光子集成（PIC）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。,2.掺镨光纤放大器 掺镨光纤放大器（Praseodymium Doped Fiber Amplifier，PDFA）工作在1.31m波段，已敷设的光纤90%都工作在这一窗口。PDFA对现有通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的PDFA，但它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。,3.非线性OFA 非线性OFA是利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射（SRS）或受激布
15、里渊散射（SBS），形成对信号光的相干放大。非线性OFA可相应分为拉曼光纤放大器（RFA）和布里渊光纤放大器（BFA）。目前研制出的RFA尚未商用化。,4.半导体激光放大器 其结构大体上与激光二极管相同。如果在法布里-珀罗腔两个端面镀发射率较低的介质膜就形成了F-P型LD光放大，又叫驻波型光放大；如果在两端面根本不镀介质膜或者增透膜则形成行波型光放大。半导体激光器指的是前者，而半导体光放大器指的是后者。,4.2.2 光放大器的重要指标 1. 光放大器的增益 （1）增益G与增益系数g 放大器的增益定义为 G=Pout/Pin （4-14） 式中，Pout、Pin分别为放大器输出端与输入端的连接信号功率。放大器增益与增益系数g有关，在沿光纤方向上，增益系数和光纤中掺杂的浓度有关，它还与该处信号光和泵浦光的功率有关，所以它应该是长度的函数 dPg（z）P（z）dz （4-15）,将g（z）在光纤长度上进行积分并令始端功率为Pin，则得到 P（z）=PinexpL0g（z）dz （4-16） 对于给定光纤长度L，则光纤放大器的输出功率为 Pout=PinexpL0g（z）dz （4-17） 将式（4-17）代入式（4-14），可得 G=expL0g（z）dz
