光纤通信技术与设备 教学课件 ppt 作者 段智文 光纤通信-3

第3章 通信光器件,3.1 光源 3.2 光电检测器 3.3 光放大器 3.4 无源光器件 思考题,第3章 通信光器件,目标 掌握光与物质的三种作用方式 了解激光器的结构 掌握激光器的原理 了解激光器的性能 了解发光二极管的原理、结构和性能 掌握激光器与发光二极管性能上的异同 了解光电检测起的结构 掌握光电检测器的原理和应用 了解光放大器的知识 掌握掺铒光纤放大器的原理、组成和应用 了解光无源器件的种类 掌握常用光无源器件的性能,3.1 光源,光源可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。本节主要对半导体激光二极管（LD）和半导体发光二极管（LED）和这两种光源的结构、工作原理以及相关的特性进行介绍，并给出了它们的技术指标。,3.1.1 与激光器相关的几个物理概念,1光子的概念 爱因斯坦的光量子学说认为，光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.628×1034J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，f是光波频率，人们将这些光量子称为光子。 2原子能级 半导体晶体，原子核外的电子运动轨道因相邻原子的共有化运动要发生不同程度的重叠，晶体中的能级如图3-1所示，电子已经不属于某个原子所有，它可以更大范围内甚至在整个晶体中运动，也就是说，原来的能级已经转变成能带。对应于最外层能级所组成的能带称为导带，次外层的能带称为价带，它们之间的间隔内没有电子存在，这个区间称为禁带。,图3-1 晶体中的能级,3光与物质的三种作用形式 与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射和受激辐射三种物理过程。能级和电子跃迁如图3-2所示。,图3-2 能级和电子跃迁,4粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正常状态下，N1N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2N1（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。,5直接带隙和间接带隙半导体 在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守恒。禁带形状是与动量有关的，依照禁带的形状，可将半导体分成直接带隙和间接带隙如图3-3所示。直接带隙材料中，导带最小能级和价带最大能级有相同的动量，电子是垂直跃迁的，发光效率高，如图3-3a所示；间接带隙材料中，要完成电子的跃迁，必须有其它粒子的参与以保持动量守恒，如图3-3b所示，只有直接带隙半导体材料才能制作发光器件，这类材料有GaAs、AlGaAs、InP和InGaAsP等。,图3-3 直接带隙和间接带隙,3.1.2 激光器的原理,半导体激光器要实现激光发射工作，必需满足以下三个条件： （1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。 （2）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。 （3）光学谐振腔 激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及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。,1）光学谐振腔的结构。,图3-4 光学谐振腔的结构,2）谐振腔产生激光振荡过程。,图3-5 激光器示意图,3）光学谐振腔的谐振条件与谐振频率。,设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为 （3-1） 或 （3-2） 式中，c为光在真空中的速度；为激光波长；n为激活物质的折射率；L为光学谐振腔的腔长；q=1，2，3，称为纵模模数。,4）起振的阈值条件。,如以Gth表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是 （3-3） 式中，为光学谐振腔内激活物质的损耗系数；L为光学谐振腔的腔长；，为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。,3.1.3 激光器的特性,1发射波长 由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。,2阈值特性（P-I特性） 对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith表示。典型半导体激光器的输出特性曲线如图3-6所示。为了稳定可靠的工作，阈值电流越小越好。,图3-6 典型半导体激光器的输出特性曲线,3光谱特性 激光器的光谱特性主要由其纵模决定。 图3-7 激光器的光谱特性,对于单纵模激光器，定义边模抑制比MSR为主模功率P主与次边模功率P边之比，它是半导体激光器频谱纯度的一种度量。 （3-6） 谱宽也可以用频率为单位来表示，根据频率与波长的关系，可以得到： （3-7）,图3-8 激光器输出谱线注入电流的变化,4光电效率,（1）内量子效率 激光器的发光是靠注入有源层的电子与空穴的复合辐射发光的，但是并非所有的注入电子与空穴都能够产生辐射复合。内量子效率代表有源层内产生光子数与注入的电子空穴对数之比 。 （2）外量子效率 激光器的内量子效率可以做得很高，有的甚至可以接近100，但实际的激光器发射输出的光子数远低于有源层中产生的光子数，这一方面是由于发光区产生的光子被其它部分材料吸收，另一方面由于PN结的波导效应。,5温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。从激光器阈值电流随温度变化的曲线如图3-9所示，阈值电流随温度的升高而加大。 图3-9 激光器阈值电流随温度变化的曲线,3.1.4 分布反馈半导体激光器（DFB-LD）,DFB-LD是一种可以产生动态控制的单纵模激光器（称为动态单纵模激光器），即在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器。它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的。DFB-LD结构示意图如图3-10所示。,图3-10 DFB-LD结构示意图,3.1.5 发光二极管,1LED的工作原理 发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。,2LED的结构 LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED。面发光二极管的结构如图3-11所示，边发光二极管的结构如图3-12所示。,图3-11 面发光二极管的结构,图3-12 边发光二极管的结构,3.LED的工作特性 （1）光谱特性 LED谱线宽度比激光器宽得多。InGaAsP LED的发光光谱如图3-13所示。 图3-13 InGaAsP LED的发光光谱,（2）输出光功率特性 发光二极管的P-I特性是指输出的光功率随注入电流的变化关系，如图3-14所示。 图3-14 发光二极管的P-I特性,（3）温度特性 由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好。可以不加温度控制电路。 （4）耦合效率 在通常应用条件下，LED的工作电流为50150mA，输出功率为几个毫瓦。由于LED发射出的光束的发散角较大，因此与光纤的耦合效率较低，入纤功率要小得多。一般只适于短距离传输。 （5）调制特性 调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为2030MHz，边发光型LED截止频率为100150MHz。主要是受载流子寿命的限制。,4LD和LED的比较 LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。 LED通常和多模光纤耦合，用于1.31m或0.85m波长的小容量、短距离的光通信系统。 LD通常和单模光纤耦合，用于1.31m或1.55m大容量、长距离光通信系统。 分布反馈半导体激光器（DFB-LD）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55m超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。,3.2 光电检测器,3.2.1 光电检测器的原理 光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换的。半导体材料的光电效应如图3-15所示。 图3-15 半导体材料的光电效应,3.2.2 光检测器的特性,1量子效率 入射光（功率为Pin）中含有大量光子，能转换为光生电流的光子数和入射的总光子数之比称为量子效率，它的计算由下式给出，即 （3-12） 式中，q为电子电荷（1.6×1019C）；IP为产生的光电流；h为普朗克常数；为光子的频率。量子效率的范围在5090%之间。,2响应度 光检测器的光电流与入射光功率之比称为响应度，有 响应度的单位是A/W。该特性表明光检测器将光信号转换为电信号的效率。,为了产生光生载流子，入射光子的能量必须大于光检测器材料的禁带宽度，满足的条件可以表示成： 式中，c称为截止波长。,4.响应时间 响应速度：半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间来表示，即响应时间是用来反映光检测器对瞬变或高速调制光信号响应能力的参数。如前所述，它主要受以下三个因素的影响： 1）耗尽区的光载流子的渡越时间。 2）耗尽区外产生的光载流子的扩散时间。 3）光电二极管及与其相关的电路的RC时间常数。,5暗电流 暗电流是指光检测器上无光入射时的电流。虽然没有入射光，但是在一定温度下，外部的热能可以在耗尽区内产生一些自由电荷，这些电荷在反向偏置电压的作用下流动，形成了暗电流。显然，温度越高，受温度激发的电子数量越多，暗电流越大。,3.2.3 PIN光电二极管,PIN的意义是P+和N型半导体材料之间插入了一层掺杂浓度很低的半导体材料（如Si），记为I（Intrinsic），称为本征区，PIN光电二极管如图3-17所示。 图3-17 PIN光电二极管,3.2.4 APD光电二极管,雪崩倍增效应：入射信号光在光电二极管中产生最初的电子-空穴对，由于光电二极管上加了较高的反向偏置电压，电子-空穴对在该电场作用下加速运动，获得很大动能，当它们与中性原子碰撞时，会使中性原子价带上的电子获得能量后跃迁到导带上去，于是就产生新的电子-空穴对，新产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。这些二次载流子同样能在强电场作用下，碰撞别的中性原子进而产生新的电子-空穴对，这样就引起了产生新载流子的雪崩过程。也就是说，一个光子最终产生了许多的载流子，使得光信号在光电二极管内部就获得了放大。APD即雪崩光电二极管就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。 从结构来看，APD与PIN的不同在于增加了一个附加层P，APD光电二极管如图3-18所示。在反向偏置时，夹在I层与N+层间的PN+结中存在着强电场，一旦入射信号光从左侧P+区进入I区后，在I区被吸收产生电子-空穴对，其中的电子迅速漂移到PN+结区，PN+结中的强电场便使得电子产生雪崩效应。,图3-18 APD光电二极管,3.3 光放大器,光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进行放大的，其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下产生粒子数反转时就获得了光增益，即可实现光放大。本节介绍常用光放大器的类型，并重点阐述掺铒光纤放大器的原理和应用。,3.3.1 光放大器的分类,光放大器按原理不同大体上有三种类型： 1）掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。 2）传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）光纤放大器、受激布里渊散射（Sti