光纤通信第03章

第3章通信用光器件3.1光源3.2光检测器3.3光无源器件3.1光源一、光源的作用将电流形式的电能转变为光能，产生光载波，并把光耦合进光纤。二、光源的分类半导体激光器、半导体发光二极管、非半导体激光器3.1.1概述三、对光源的技术要求（1）合适的发光波长（2）足够的输出功率（3）输出效率高（4）光谱宽度窄（5）聚光性好四、作为光源的物质的发光机理光与物质之间存在三种不同的作用过程，分别是自发辐射、受激辐射和受激吸收。1.自发辐射（1）没有外界作用的条件下自发产生的，属于自发跃迁；（2）发射出的光子频率不同；（3）自发辐射光为非相干光。2.受激辐射（1）外来光子能量等于跃迁能级差；（2）受激辐射出来的光子和外来光子是全同光子；（3）入射光得到放大。3.受激吸收（1）必须有外界光子，是受激跃迁；（2）外来光子能量等于电子跃迁的能级之差；（3）不放出能量，而是消耗外来光能。图3.1能级和电子跃迁(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射hf12初态E2E1终态E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf123.1.2半导体激光二极管激光（LASER），就是英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（受激辐射的光放大）的缩写。因此所谓激光就是受激辐射发出的光。一、半导体激光器的工作原理1.粒子数反转（集居数反转）由于电子总是抢先占据低能级，因此在热平衡状态下，高能级上的电子数要少于低能级上电子数。所谓粒子数反转就是指高能级的电子数多于低能级上的电子数。2.PN结的能带和电子分布半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在这种晶体中，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，如图3.2。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。图3.2半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)PN结的形成一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，在本征半导体中掺入施主杂质(负价离子），称为N型半导体；若掺入受主杂质（正价离子），则称为P型半导体。在PN结界面上，由于存在多数载流子的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场。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。这时在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。图3.3PN(a)P-N结内载流子运动；(b)零偏压时P-N结的能带图；(c)正向偏压下P-N结能带图hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(c)势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env(b)P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移(a)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。3.激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡，其阈值条件为211ln21RRLth式中，λ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。nqL2并不是所有的光都能形成振荡，必须是那些辐射方向与镜面垂直，并且在腔中往返一次的相位差正好是2π的整数倍的光才能形成振荡。即腔长满足：4.半导体激光器的基本结构半导体激光器从结构上可以分为同质结、单异质结和双异质结激光器三种。同质结激光器是由同一种半导体材料制成的激光器。单异质结激光器的PN结是由两种不同的半导体材料制成的。双异质结激光器是指在同一块单晶上形成两个双异质结，即中间的半导体材料和两侧都不相同。二、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取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，因为hf=Eg，f=c/λ，得到发射波长ggEEhc24.1由于不同的半导体具有不同的禁带宽度，因而不同的半导体有不同的发射波长。激光器的光谱特性：纵模的数量随着驱动电流的增大而减少。2.激光束的空间分布激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。近场和远场是由谐振腔的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。图3.8GaAlAsDH条形激光器的光束空间分布图W＝10m20m20m30m30m50m10m近场图样0.1rad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ηd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)(edhfththIIpphfeIpeIIhfppththd/)(/)(由此得到激光器的输出光功率为激光器的光功率特性通常用P-I曲线表示，图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth时激光器发出的是自发辐射光；当IIth时，发出的是受激辐射光，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2222)/(4])/(1[)0()(ffffpfp)1(1210IIIIfthhpsp式中，fr和ξ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，LD,I′=(0.7~0.8)Ith；τsp为有源区内的电子寿命，τph为谐振腔内的光子寿命。5.温度特性激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。图3.12示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P-I曲线的变化。图3.12PI曲线随温度的变化22℃30℃40℃50℃60℃70℃80℃P/mW54321050100I/mA不激射3.1.3半导体发光二极管一、半导体发光二极管的结构主要有面发光二极管、边发光二极管、超发光二极管、平面二极管和圆顶型二极管五种。二、半导体发光二极管的工作特性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，随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移动。2.光束空间分布特性发光二极管输出光束的发散角比较大。在平行于PN结方向，发散角约为1200，而垂直PN结方向面发光二极管为1200，边发光二极管为300。由于发散角大，它与光纤的耦合效率低，故一般只用于短距离的通信。3.输出光功率特性由于发光二极管为无阈值器件，随着注入电流的增加，输出光功率近似呈线性增加。但当注入电流增大到一定程度时，由于PN结过热，曲线呈饱和趋势。4.频率特性发光二极管的频率响应可以表示为式中，f为调制频率，P(f)为对应于调制频率f的输出光功率，τe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=fc=1/(2πτe)时|H(fc)|=，最高调制频率应低于截止频率。212)2(11)0()()(efPfpfH图3.17发光二极管(LED)的频率响应e＝1.1nse＝2.1nse＝6.4ns1001000100.110调制频率f/MHz频率响应H(f)三、LD和LED的主要差别（1）发光原理不同（2）光的性质不同（3）适用范围不同3.2光检测器3.2.1概述一、光检测器的作用把光信号转变成电信号，即把原始的电信号重现。二、光检测器的分类按工作原理可以把光检测器分为热器件和光子器件两类。三、对光检测器的要求（1）响应度高（2）响应速度快（3）噪声小（4）功耗小（5）稳定可靠，体积小，使用简便3.2.2光检测器的工作原理一、光电效应由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，而耗尽层以外产生的光电子和空穴由于没有内部电场的加速，运动速度很慢，因而响应速度低。为了克服光电二极管的缺点，改善响应速度和转换效率，必须加大耗尽层的宽度。增大耗尽层宽度的措施只有两种：一是增大反向电压，一是减小PN结的掺杂浓度。二、PIN光电二极管PIN光电二极管就是通过减小掺杂浓度来增大耗尽层宽度的。PIN光电二极管是在P型材料和N型材料之间夹了一层轻掺杂的N型半导体材料，称为I层。由于是轻掺杂，故电子浓度很低，扩散后可以形成一个很宽的耗尽层。PIN光电二极管的缺陷：1.需要放大2.引入噪声三、雪崩效应＋－I0NPP(N)光四、雪崩二极管（APD）根据APD的结构形式可将其分为保护环形雪崩二极管(GAPD)和拉通型雪崩二极管(RAPD)两种。我们在光纤通信中使用的是RAPD。1.RAPD的结构原理2.APD的特点（1）优点：有增益的光检测器件（2）缺点：a.倍增噪声b.对温度变化敏感c.反向电压高d.成本高3.2.3光电检测器的特性ehfPIhfPeIPP00//一、光电转换效率1.量子效率：表示入射光子能够转换为光电流的概率。它定义为一次光生载流子和入射光子数的比值：其中：Ip为一次光生电流，P0为入射光功率，e为电子电量，hf为光子能量。2.响应度：表示单位入射光功率所产生的光电流。hfePIp0二、响应时间光电二极管产生光电流的响应时间主要取决于以下几个因素：（1）耗尽区光生载流子的渡越时间（2）耗尽区外光生载流子的扩散时间（3）光电二极管及其相关电路的RC时间常数三、响应波长入射光能量必须大于半导体材料的禁带宽度才能发生光电效应，对应于最小入射光能量的波长称为响应波长，即：gcEhc噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的灵敏度。光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声(ShotNoise)和由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。噪声通常用均方噪声电流(在1Ω负载上消耗的噪声功率)来描述。四、噪声均方散粒噪声电流均方热噪声电流BIIeidpsh22RkTBiT42总均方噪声电流：RkTBBIIeidp4)(22五、雪崩倍增因子倍增因子g定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。PIIg0APD的倍增因子与它两端所加的反向偏压有关，反向偏压越大，g就越大。它们的关系可以表示为：nBnBURIUUUIg]/)[(11)/(10'0当U→UB时，雪崩倍增因子g获得最大值：210pBBnRIUnRIUgI0=gIpAPD的倍增因子一般在40~100之间，PIN光电二极管没有雪崩倍增作用，因而倍增因子是1。六、倍增噪声和过剩噪声因子倍增噪声用过剩噪声因子F（雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数）来表示：xgFX为过剩噪声指数，一般在0.3~1范围内，对于硅APD，x=0.3~0.5，对于锗APD，x=0.8~1在选取APD时应尽量选择x比较小的管子如果不考虑别的因素，APD的均方噪声电流为〈i2q〉=2e（IP+Id）Bg2考虑了倍增噪声后，APD的均方噪声电流应为〈i2q〉=2e（IP+Id）Bg2+x式中，x为附加噪声指数。3.3光无源器件1.连接器和接头2.光耦合器3.光隔离器与光环形器4.光调制器5.光开关3.3.1连接器和接头连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤