第四章-通信用光器件

第四章通信用光器件4.1光器件简介4.2光检测器4.3无源光器件4.1光器件简介在光纤通信系统中，光器件可分为有源光器件和无源光器件两类，其中有源光器件包括前章介绍的光源器件，还有本章要介绍的光检测器等器件。返回下一页光检测器，又称光探测器或光检波器，有热器件和光子器件两大类。前者是吸收光子使器件升温，达到探知入射光能的大小；后者是将入射光转化为电流或电压，是以光子一电子的量子转换形式完成光的检测目的，如光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。4.1光器件简介由于光纤具有三个低损耗窗口，即850nm、1310nm和1550nm。相应的，用于850nm波长的称为短波长光检测器，用于1310nm和1550nm波长的则称为长波长光检测器。4.1光器件简介4.1光器件简介在光纤通信系统中，一般使用的都是光子类型的光检测器。光检测器位于光接收机中。一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些不用电源的无源光器件（即无光电能量转换，是能量消耗型光学器件），对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不可缺少的，是构成光纤传输系统的重要部分。返回上一页无源光器件种类繁多，功能各异，是一类实用性很强的器件，主要产品有光纤连接器、光纤耦合器、光衰减器、光隔离器与光环形器、光调制器、光开关、光波分复用器、光纤放大器等。无源光器件的作用是：连接光路，控制光的传输方向，控制光功率的分配，实现器件与器件之间、器件与光纤之间的光耦合、合波及分波。4.1光器件简介光检测器作用及要求1.光检测器作用及要求（1）作用将光纤输出的光信号变换为电信号，其性能的好坏将对光接收机的灵敏度产生重要影响。返回下一页（2）对光检测器的基本要求a.在系统的工作波长上具有足够高的响应度，具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统。b.具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；c.具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；d.具有较小的体积、较长的工作寿命；e.工作电压尽量低，使用简便。光检测器作用及要求PN结的光电效应2.半导体PN结的光电效应如图4-1所示，是一个未加电压的半导体PN结。在半导体材料的PN结区，发生载流子相互扩散的运动，即P型半导体中的空穴远比N型半导体的多，空穴将从P区扩散到N区；同样N型半导体中的电子远比P型半导体的多，也要扩散到P区。这种扩散运动的结果是在PN结内形成了一个内电场，在内电场的作用下，使电子和空穴产生了与扩散运动方向相反的漂移运动。当扩散与漂移达到动态平衡时，便在PN结中形成了一个空间电荷区，即耗尽层。返回下一页上一页返回图4-1光电效应PN结的光电效应如果PN结接收到相当能量的光照射，进入耗尽层的光子就会产生电子--空穴对，在内电场的加速下，空穴向P区漂移，电子则向N区漂移。很显然，光照的结果打破了原有结区的平衡状态。这种光生载流子的运动，在一定条件下，就会产生光电流。这就是半导体PN的光电效应。返回下一页上一页PN结的光电效应当入射光子能量小于禁带宽度时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，因此产生光电效应的条件是（4-1）式（4-1）表明，只有波长的入射光，才能产生光生载流子，这里的就是截止波长，相应的就是截止频率。gEhfcPN结的光电效应PIN的结构3.光电二极管（PIN）（1）PIN的结构及其原理PIN的结构。PIN的结构如图4-2所示，是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I层（本征层）。I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子--空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。返回下一页上一页两侧的P和N型半导体很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度，来改变器件的响应速度。PIN的结构返回图4-2PIN结构PIN的结构PIN的工作原理。当PN结加上反向电压后（如图4-3所示），入射光主要在耗尽区被吸收，在耗尽区产生光生载流子(电子--空穴对)。在耗尽区电场作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，产生光生电动势。在远离PN结的地方，因没有电场的作用，电子空穴作扩散运动，产生扩散电流。返回下一页上一页PIN的原理因I层宽，又加了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，绝大多数光生载流子在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生漂移电流。这个漂移电流远远大干扩散电流，所以PIN光电二极管的灵敏度高。在回路的负载上出现电流，就将光信号转变为了电信号。PIN的原理返回图4-3PIN的工作原理PIN的原理返回PIN的特性参数cEgc（2）PIN的特性参数--截止波长与材料的禁带宽度有关，它决定了PIN工作波长的上限。截止波长可用下式计算)(24.1mEgc（4-2）①截止波长②量子效率是指单位时间内输出电子数与输入光子数之比，即输入的光子数输出的电子数输入的光子数空穴对数生成光电流的电子（4-3）PIN的特性参数③响应度PINR响应度被定义为单位光功率所产生的电流，即平均光功率电流PINR（4-4）可推导出量子效率与响应度的关系，即24.1chehfeRPIN（4-5）PIN的特性参数式（4-5）表明，响应度和量子效率与光功率无关，与负载也无关，但与光波长（频率）有关。响应度的典型值为：nm800WARPIN/65.0SI在nm1300WARPIN/45.0Ge在PIN的特性参数（3）PIN存在的问题仅能将光信号转化成电信号，但不能对电信号产生增益；转换后的电流信号，很微弱，这种微弱信号，经放大器放大后，淹没在放大器自身产生的噪声中，以致难以辨认。返回下一页上一页PIN存在的问题4.雪崩光电二极管(APD)（1）APD的结构对于光电二极管（PIN），其输出电流I和反向偏压U的关系，如图4-4所示。随着反向偏压的增加，光电流基本保持不变。但当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压。APD就是根据这种特性设计的器件，其结构如图4-5所示。APD的结构返回图4-4输出电流I和反向偏压U的关系APD的结构返回图4-5APD结构APD的结构APD工作原理（2）APD工作原理根据光电效应，雪崩光电二极管的光敏面上被光子照射之后，光子被吸收而产生电子-空穴对。这些电子空穴对经过高速电场（可达200kV/cm）之后被加速，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶体原子相碰撞，使晶体原子电离，产生新的电子-空穴对，这个过程称为碰撞电离如此多次碰撞，产生连锁反应，使载流子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效果，所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)，其原理如图4-6所示。APD中电场强度随位置变化，如图4-7所示。返回下一页上一页返回图4-6APD雪崩示意图返回图4-7电场强度分布图4-7电场强度分布返回APD主要特性参数上一页（3）APD主要特性参数①APD的倍增系数。APD的倍增系数M定义为pMIIM（4-6）式中，MI为倍增后的总输出电流的平均值；pI为初始光电流（没有倍增时的光电流）。APD的倍增与雪崩有关，即与外加的电压有关，因此M是外加电压的函数，如图4-8所示。返回图4-8反向偏压与倍增系数的关系图4-8反向偏压与倍增系数的关系②APD的响应度。APD的响应度定义为MRRAPD0（4-7）③APD的量子效率与PIN的量子效率定义相同。量子效率与入射的光波长（频率）有关，如图4-9所示，为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。APDR返回图4-9量子效率与波长的关系图4-9量子效率与波长的关系4.3无源光器件返回下一页无源光器件是指除光源器件、光检测器件之外，不需要电源的光通路部件。无源光器件可分为连接用的部件和功能性部件两大类。连接用的部件是指各种光连接器，用做光纤与光纤之间、光纤与光器件（或设备）之间、或部件（设备）和部件（设备）之间的连接。功能性部件有光波分波器、光衰减器、光隔离器等，用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。1.光纤连接器光纤连接器又称为光纤活动连接器，俗称活接头，被定义为：能稳定地，但并不是永久地，连接两根或多根光纤的无源组件。可见光纤连接器是一种可拆卸使用的连接部件。4.3无源光器件①光纤连接器的用途。光纤连接器主要用于光端机、光测仪表等设备与光纤之间的连接以及光纤之间的相互连接，它是组成光纤通信线路不可缺少的重要器件之一。②光纤连接器的作用。光纤连接器的主要作用是将需要连接起来的单根或多根光纤纤芯端面相互对淮、贴紧，并能够多次使用。返回下一页上一页③对光纤连接的要求。a.连接损耗小；b.连接损耗的稳定性好，在-20-60℃范围c.温度变化时不应该有附加的损耗产生；d.具有足够的机械强度和使用寿命；e.接头体积小，密封性好；f.便于操作，易于放置和保护。4.3无源光器件（1）光纤连接器的结构及原理光纤连接器的结构。光线路的活动连接，须使被接光纤的纤芯严格对准并接触良好，为满足这一基本要求，有多种对中方式得到采用，如套筒式、圆锥式、V型槽式等。目前，工程上广泛应用的是套筒式对中结构，如图4-10所示。它是由三个部分组成的，有两个配合插头（插针体）和一个耦合管（珐琅盘）。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。返回下一页上一页返回图4-10光纤连接器结构4.3无源光器件（2）光纤连接器的类型按照不同的分类方法，光纤连接器可以分为不同的种类。(b)按传输媒介分：单模光纤连接器和多模光纤连接器；(c)按结构分：FC、SC、ST、MU、LC、MT等各种型式；返回下一页上一页按连接器的插针端面形式分：FC、PC（UPC）和APC；按光纤芯数分:单芯、多芯。如表4-1所示，是ITU-T建议的光纤连接器分类。返回表4-1光纤连接器类型单通道对接套筒/V型槽直套管螺丝多通道透镜锥型锥型套管销钉单/多通道其他其他其他弹簧销4.3无源光器件（3）光纤连接器特性光纤连接器的特性，首先是光学特性，还有光纤连接器的互换性、重复性、抗拉强度、温度和插拔次数等。互换性与重复性--光纤连接器是通用的无源光器件，对于同一类型的光纤连接器，一般都可以任意组合使用，并可以重复多次使用，由此而导入的附加损耗一般都在小于0.2dB的范围内。抗拉强度--对于光纤连接器，一般要求其抗拉强度应不低于90N。温度--一般要求，光纤连接器必须在-40℃～+70℃温度范围内能够正常使用。插拔次数--目前使用的光纤连接器一般都可以插拔l000次以上。返回下一页上一页4.3无源光器件（4）常见的光纤连接器FC型光纤连接器（如图4-11所示）--圆型带螺纹：FC连接器外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早，FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式(FC)。此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球面的插针(PC)，而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。返回下一页上一页返回图4-11FC型连接器图4-11FC型连接器4.3无源光器件SC型光纤连接器（如图4-12所示）--卡接式方型：其外壳呈矩形，所采用的插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全相同，其中插针的端面多采用PC或APC型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩式，不需旋转。此类连接器价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。返回下一页上一页返回图4-12SC型连接器图4-12SC型连接器4.3无源光器件LC型连接器（如图4-13所示）：LC型连接器采用操作方便的模块化插孔(RJ)闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1