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光纤通信光纤通信 本章内容、重点和难点本章内容、重点和难点 本章内容 光源：半导体激光器和发光二极管。 光电检测器：pin和apd光电二极管。 无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。 本章重点 激光器的工作原理。 光源和光电检测器工作原理及其工作特性。 无源光器件的功能及主要性能。 本章难点 发光机理。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 1 光纤通信光纤通信 学习本章目的和要求学习本章目的和要求 了解半导体激光器的物理基础。 掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。 熟悉光源的驱动电路工作原理。 掌握光电检测器的工作原理及特性。 掌握无源光器件的功能及主要性能。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 2 光纤通信光纤通信 光有源器件 光源 光检测器 光无源器件 光连接器 光耦合器 光开关 光隔离器 光环形器 光调制器 光器件的分类 3 光纤通信光纤通信 实用光纤通信系统对光源有以下要求：实用光纤通信系统对光源有以下要求： 合适的发光波长 光源的发光波长应与光纤的工作窗口一致。 足够的输出功率 光源的输出功率必须足够大，一般光源的输出功率1mw。 可靠性高，寿命长 光源的寿命长，通信才可靠。目前通信工程要求光源平均 工作寿命为106小时。 输出效率高 要求输出效率尽量高，即耗电尽量省。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 4 光纤通信光纤通信 实用光纤通信系统对光源有以下要求：实用光纤通信系统对光源有以下要求： 光谱宽度窄 光谱宽度指光源的发光波长范围。光源的光谱宽度直接影 响系统的传输带宽。 聚光性好 要求光源发出的光尽量集中，尽可能多的把光送进光纤， 即耦合效率高。 调制方便 调制：把相关信息负载到光波上。 价格低廉 光源应价格低廉，能批量生产。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 5 光纤通信光纤通信 3.1 3.1 光源光源 光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换 成光信号送入光纤。 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光 二极管两种。 半导体激光器（ld）：适用于长距离、大容量的光纤通信 系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字 光纤通信系统中得到广泛应用。 发光二极管（led）：适用于短距离、低码速的数字光纤 通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本 低、可靠性好。 6 光纤通信光纤通信 3.1.1 激光器的工作原理 半导体激光器：是向半导体p-n结注入电流，实现粒子数 反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放 大而产生激光振荡输出激光。 1激光器的物理基础 （1）光子的概念 光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中 h=6.6281034 js（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。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或 发射。 7 光纤通信光纤通信 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 （2）原子能级 原子内能=所有电子的动能+位能 电子绕核运动时，只能处于某些特定的轨道上，原子的内能 是不能连续改变的，而是一级一级分开的，这样的级就成为原子的 能级。 8 光纤通信光纤通信 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 （2）原子能级 物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子 有不同稳定状态的能级。 最低的能级e1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级e i（ i=2，3，4，）都称为激发态。当电子从较高能级e2跃迁至较低 能级e1时，其能级间的能量差为e =e2e1，并以光子的形式释放 出来，这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式 式中，h为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。 当处于低能级e1 的电子受到一个光子能量e =hf12的光照射时 ，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级e2 上去。 光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。 9 光纤通信光纤通信 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 （3）光与物质的三种作用形式 光与物质的相互作用，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、受激辐射三种物理过程。如图3-1所示。 图3-1 能级和电子跃迁 10 光纤通信光纤通信 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）e1，在入射 光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）e2 ，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收光电检测器。 处于高能级e2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自发地跃迁到低能级e1 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发光二极管。 在高能级e2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使 电子被迫跃迁到低能级e1 上与空穴复合，同时释放出一个与激光 发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个 过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射 激光器。 注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。 11 光纤通信光纤通信 （4）吸收物质与激活物质 受激吸收 受激辐射 外来光子 吸收光能？ 放大光能？ 高 低 n2 n1e1 e2 热平衡状态： n1/n2=exp (e1e2) / kt 低能级上的电子数大于高能级上的电子数 ， 受激辐射的电子数小于受激吸收的电 子数，光通过物质被吸收吸收物质 当n1n1，叫做粒子数反转分布。 12 光纤通信光纤通信 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 （5）粒子数反转分布与光的放大 将n2 n1 （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。要想物质 产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收。 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。 对激光而言，粒子数反转是产生激光的前提。 受激辐射是产生激光的关键。 13 光纤通信光纤通信 （6）能带 半导体是由大量原子周期有序的排列构成的共价晶体， 相邻原子之间的相互作用使得电子在整个半导体中进行共有 化运动，所处的离散能级扩展成连续分布的能带。 e 孤立电子的能级 半导体电子的能带 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 14 光纤通信光纤通信 能量低的叫价带 能量高的叫导带 能带之间不允许电子的存在，称为禁 带 e 价 带（ev） 导 带（ec） 禁带（eg） 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 15 光纤通信光纤通信 （7）半导体的能带和电子分布 ef : 费米能级，表征半导体中各能级的电子被占居的状态。相当于物体重心。 本征半导体：电子和空 穴是成对出现的， ef位于禁带中央。 导带 价带 ef 导带ec 价带ev ef ec ev n型半导体：导带电子多， 价带空穴少，ef抬高。 导带ec 价带 ev ef p型半导体：导带电子 变少，价带空穴增多 。ef 降低。 16 光纤通信光纤通信 p - n结内载流子运动； pn结的能带和电子分布图 p区 pn 结空 间电 荷区 n区 内部电场 扩散 漂移 17 光纤通信光纤通信 势垒 能量 e p c p区 e n c e f e p v n区 e n v 零偏压时p - n结的能带倾斜图； 18 光纤通信光纤通信 h f h f e f e p c e p f e p v e n c n e n v 电子，空穴 内部电场 外加电场 正向偏压下p - n结能带图 获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布 19 光纤通信光纤通信 产生激光的5个条件： n受激辐射是产生激光的首要条件，也是必要条件 。 n如果让这些受激光子一个一个地发射出来，是不 能形成强大的能量的。一般的，电子被激发到高 能级后，在高能级上停留的时间是短暂的。而有 些物质的电子处于第二能级的时间较长，仅次于 基态能级。这个能级叫做亚稳态能级。工作物质 必须具有亚稳态能级，这是产生激光的第二个条 件。 20 光纤通信光纤通信 产生激光的5个条件： n外来光子能激发出光子，产生受激辐射，但也可 能被低能级所吸收。在激光工作物质中，受激辐 射和受激吸收这2个过程同时存在。在常温下，吸 收多于发射。选择适当的物质，使其在亚能级上 的电子比低能级上的电子多，即形成粒子数反转 ，使受激发射多于吸收。 这是激光产生的第三个条件。 21 光纤通信光纤通信 产生激光的5个条件： n激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其 频率和方向杂乱无章，要是频率单纯、方向集中 ，就必须有一个振荡腔。 这是激光产生的第四个条件。 通信用的半导体激光器就是利用半导体前后两 个端面与空气之间的折射率不同，形成反射镜而 组成振荡腔的。 22 光纤通信光纤通信 产生激光的5个条件： n晶体和振荡腔都会使光子产生损耗。只有使光子 在腔中振荡一次产生的光子数远大于损耗掉的光 子数时，才能有放大作用。 这是激光产生的第五个条件。 23 光纤通信光纤通信 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 2激光器的工作原理 激光器包括以下3个部分： 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（ 泵浦源）； 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （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。 24 光纤通信光纤通信 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 （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。 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。 25 光纤通信光纤通信 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 图3-2 光学谐振腔的结构 光学谐振腔的结构 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1 和r2的平行反射镜m1和m2，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜， 则称为球面腔，如图3-2所示。对于两个反射镜，要求其中一个 能全反射，另一个为部分反射。 26 光纤通信光纤通信 光方向选择： r1r2 与中轴平行的光线 不断在同一直线上反射，反射光叠加，强度加强 r1r2 与中轴不平行的光线 多次反射后离开谐振腔 结论： 只有与中轴平行的光才存在，否则将在多次反射后消失 光学谐振腔的作用 27 光纤通信光纤通信 光的能量的反馈放大： 谐振腔的衰减：光方向性衰减，工作物质的吸收，反射镜的吸收和透射等。 谐振腔的增益：激励物质源源不断向工作物质提供粒子数反转分布以发出光子， 增益系数表示为。 当增益与损耗相当时，将建立稳定的激光震荡，增益的阈值条件为： th =a+1/2 ln(1/r1r2) (a为工作物质的吸收，r1,r2为反射镜的反射率) 结论： 只有满足阈值条件时，才有功率稳定的光存在 28 光纤通信光纤通信 工作物质辐射的光的波长有一定谱线宽度，如 图： 光频率的选择： g 当反射光与入射光的相位相等或相差2的整数倍时 ，发生相强的干涉，光的能量加强。 反之则发生相消干涉，光的能量逐渐减弱。 干涉加强干涉减弱 相位条件：2l=q/n(q=1、2、3.) 结论：只有满足相位条件的波长的光才会被加强，否则会被减弱。 29 光纤通信光纤通信 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 谐振腔产生激光振荡过程 如图3-3所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反 转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔 轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射 才能存在，继续前进。 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁， 在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是 2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强， 产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜m2透射出来，形成 一束笔直的激光。 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的 能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。 30 光纤通信光纤通信 3.1.1 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理 图3-3 激光器示意图 31 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（ld ），对ld的要求如下。 光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即 0.85m、1.31m和1.55m）。 能够在室温下长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率 。目前ld的尾纤输出功率可达500w2mw；led的尾纤输出功 率可达10w左右。 与光纤耦合效率高。 光源的谱线宽度要窄。较好的ld的谱线宽度可达到0.1nm。 寿命长，工作稳定。 32 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 1半导体激光器的基本结构和工作原理 有两种方式构成的激光器：f-p腔激光器和分布反馈型（dfb） 激光器。f-p腔激光器从结构上可分为3种，如图3-4所示。 图3-4 半导体激光器的结构示意图 33 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 （1）同质结半导体激光器。 其核心部分是一个p-n结，由结区发出激光。 缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。 （2）异质半导体激光器 异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种。 异质半导体激光器的“结”是由不同的半导体材料制成的，目的 是降低阈值电流，提高效率。 特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了 发光强度。 目前，光纤通信用的激光器大多采用如图3-5所示的铟镓砷磷（ ingaasp）双异质结条形激光器。 34 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 图3-5 ingaasp双异质结条形激光器的基本结构 ningaasp是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它 们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。 最下面一层ninp是衬底，顶层p+ingaasp是接触层，其作用是 为了改善和金属电极的接触。 35 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 （3）工作原理 用半导体材料做成的激光器，当激光器的p-n结上外加的正向 偏压足够大时，将使得p-n结的结区出现了高能级粒子多、低能级 粒子少的分布状态，这即是粒子数反转分布状态，这种状态将出现 受激辐射大于受激吸收的情况，可产生光的放大作用。 被放大的光在由p-n结构成的f-p光学谐振腔（谐振腔的两个反 射镜是由半导体材料的天然解理面形成的）中来回反射，不断增强 ，当满足阈值条件后，即可发出激光。 36 光纤通信光纤通信 外在激励粒子数反转分布自发辐射 方向选择 受激辐射 全同光子 阈值条件 相位条件 方向性好、功率稳 定、频率窄的激光 37 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 2半导体激光器的工作特性 （1）发射波长 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 放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度eg(ev)，由式（3-1）得 hf = eg （3-5） 式中， ，f (hz)和(m)分别为发射光的频率和波长， c=3108m/s， h=6.6281034 js，lev=1.601019 j为电子伏特 ，代入式（3-5）得 (m) （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 ，根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。 38 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 （2）阈值特性 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。如图3-6所示。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 39 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 （3）光谱特性 ld的光谱随着激励电流的变化而变化。当iith时，发出的是荧 光，光谱很宽，如图3-7（a）所示。当i ith后，发射光谱突然变 窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图3-7（b）所示。 图3-7 gaalas-gaas激光器的光谱 40 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。当 驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵 模激光器。 普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模 谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图3-8（a）所示。而在高码 速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图3-8（b）所示。 一般，用f-p谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器 ，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结 构，例如分布反馈半导体激光器（dfb-ld）。 41 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 图3-8 gaalas-gaas激光器的输出光谱 42 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 （4）转换效率 半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率d表示， 其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增 量之比，其表达式为 （3-7） 由此得 （3-8 ） 式中，p为激光器的输出光功率；i为激光器的输出驱动电流， pth为激光器的阈值功率；ith为激光器的阈值电流；hf 为光子能量 ；e为电子电荷。 43 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 （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 。阈值电流随温度的升高而加大，其变化情况如图3-9所示。 图3-9 激光器阈值电流随温度变化的曲线 44 光纤通信光纤通信 3.1.2 3.1.2 半导体激光器半导体激光器 3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，如图3-10所示。 图3-10 dfb-ld结构示意图 45 光纤通信光纤通信 3.1.3 3.1.3 发光二极管发光二极管 1led的工作原理 发光二极管（led）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本 工作原理是自发辐射。 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，所发出的是荧光，是非相干 光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。 46 光纤通信光纤通信 47 光纤通信光纤通信 3.1.3 3.1.3 发光二极管发光二极管 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 ，其结构示意图如图3-12所示。 图3-12 常用的两类发光二极管（led） 48 光纤通信光纤通信 3.1.3 3.1.3 发光二极管发光二极管 3led的工作特性 （1）光谱特性 led谱线宽度比激光器宽得多。图3-13是ingaasp led的输出 光谱。 图3-13 ingaasp led的发光光谱 49 光纤通信光纤通信 3.1.3 3.1.3 发光二极管发光二极管 （2）输出光功率特性 两种类型的led输出光功率特性如图3-14所示。驱动电流i 较小 时，p i 曲线的线性较好；当i 过大时，由于p-n结发热而产生饱 和现象，使p i 曲线的斜率减小。 图3-14 发光二极管（led）的p i 特性 50 光纤通信光纤通信 3.1.3 3.1.3 发光二极管发光二极管 （3）温度特性 由于led是无阈值器件，因此温度特性较好。 （4）耦合效率 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。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 20mhz30mhz，边发光型led截止频率为100mhz150mhz。 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。 51 光纤通信光纤通信 3.1.4 3.1.4 半导体光源的应用半导体光源的应用 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。 52 光纤通信光纤通信 3.2 3.2 光电检测器光电检测器 光电检测器完成光/电信号的转换。 对光检测器的基本要求是： 灵敏度高：在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对 一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流； 响应速度快：具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽 带系统； 响应速度快指：射入光信号后，马上就有电信号输出； 光信号一停，电信号也停止输出，没有延迟。 这样才能重现入射信号。 53 光纤通信光纤通信 3.2 3.2 光电检测器光电检测器 对光检测器的基本要求是： 噪声小：具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； 具有较小的体积、较长的工作寿命等。 稳定可靠：要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变 化和环境变化的影响， 目前常用的半导体光电检测器有两种，pin光电二极管和apd雪崩光 电二极管。 54 光纤通信光纤通信3.2.1 3.2.1 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 光电检测器是根据受激吸收的原理利用半导体材料的光电效应实 现光电转换的。 当入射光子能量hf 小于禁带宽度eg时，不论入射光有多强，光电 效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件 hf eg （3-9） 即光频fc 的入射光是不能产生光电效应的。将fc 转换为 波长，则 c= 。即只有波长 c 的入射光，才能使这种材 料产生光生载流子，故c 为产生光电效应的入射光的最大波长，又 称为截至波长，相应的fc 称为截至频率。 55 光纤通信光纤通信 最简单的光检测器，利用半导体pn结的光电效应实现。 p n ec evev ec 内电场 扩散 扩散 漂移 漂移 势 垒 耗尽层 pn 由于光的受激吸收将价带的电子激发到导带 产生光生载流子，受内建电场的作用，光生 载流子的电子向 n区漂移，空穴向p区漂移， 在pn结两边形成电动势。 56 光纤通信光纤通信 势 垒 耗尽层 h=eg 受激吸收 势 垒 内电场 势 垒 内电场 光生电流 + 57 光纤通信光纤通信 光生电流包括：耗尽区的光生载流子形成的电流速度快 p区的光生载流子形成的电流 n区的光生载流子形成的电流 速度慢 pn结的反偏作用： 耗尽层 加偏置电压的好处：加大耗尽区的宽度， 加强漂移电流的影响 ， 减少扩散电流的比例， 提高响应速度。同时， 提高了光电转换效率。 另一种加大耗尽层的方法是 引入本征半导体（i型半导体） 58 光纤通信光纤通信 3.2.2 pin3.2.2 pin光电二极管光电二极管 pin光电二极管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（intrinsic，本征的）层。由于 是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图 3-16（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意 图如图3-16（b）所示。 图3-16 pin光电二极管 59 光纤通信光纤通信 pin光电二极管的特性 pin管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。 （1）响应度和量子效率 响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。 响应度 响应度定义 （a/w）（3-10） 其中，ip为光电检测器的平均输出电流，pin为入射到光电二极 管上的平均光功率。 3.2.2 pin3.2.2 pin光电二极管光电二极管 60 光纤通信光纤通信 3.2.4 3.2.4 光电检测器的特性光电检测器的特性 量子效率 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时 间内产生的光电子数与入射光子数之比，即 （3-11） 其中，e为电子电荷，hf 为一个光子的能量， （3-12） 式中 m/s为光速， s为普朗克常数。 也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波 长）有关。 61 光纤通信光纤通信 3.2.4 3.2.4 光电检测器的特性光电检测器的特性 （2）响应时间 响应速度是指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（上升时间和下降时间）来表示 。显然响应时间越短越好。 影响响应速度的主要因素： 光生载流子在耗尽层（i层）的渡越时间； 光电二极管在内的检测电路rc常数所确定； 耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟。 62 光纤通信光纤通信 3.2.4 3.2.4 光电检测器的特性光电检测器的特性 （3）暗电流 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。 但是实际上由于热激励等，在无光情况下，光电检测器仍有电流输 出，这种电流称为暗电流。 严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。暗电流会引起 接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。 63 光纤通信光纤通信 （4）噪声特性 反应了光电检测器的接收灵敏度. 暗电流噪声：pin在反偏情况下，没有外来的光时产生的电流 量子噪声：入射光子激发的电子空穴的一部分的随机运动产生 的电流（背景噪声） 热噪声：外围电路中的电阻和放大器产生的电热噪声 信号 输 出 电 流 信道噪声 背景噪声 暗电流噪声 热噪声 64 光纤通信光纤通信 通信用pin光电二极管 si-pin光电二极管短波段（0.8-0.9um） ge-pin光电二极管长波段(1.0-1.7um) 65 光纤通信光纤通信 基本工作原理： 当反向的偏置电压增加到一定的值后，光生电子将在高电场作 用下产生雪崩倍增效应，获得较大的光电流。 反向偏压 输出光电流 击穿电压 3.2.3 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 雪崩光电二极管，又称apd（avalanche photo diode）。 它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用 是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。 66 光纤通信光纤通信 雪崩倍增效应 高电场 光 一次电子 67 光纤通信光纤通信 3.2.3 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 1apd的雪崩效应 apd的雪崩倍增效应，是在二极管的p-n结上加高反向电压 ，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加 速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得 到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子空穴对；新产生 的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的 电子空穴对如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管 子内部获得了倍增。 apd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。 68 光纤通信光纤通信 3.2.3 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 2apd的结构 目前apd结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。 保护环型 （ gapd ）在制作时淀积一层环形n型材料，以防止 在高反压时使p-n结边缘产生雪崩击穿。 gapd具有高灵敏度，但其雪崩增益随偏压变化的非线性十分 突出。要想获得足够的增益，必须在接近击穿电压下使用，而击穿 电压对温度很敏感，当温度变化时，雪崩增益也随之发生较大变化 。 69 光纤通信光纤通信 3.2.3 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 2apd的结构 拉通型雪崩光电二极管（rapd）的结构示意图和电场分布如 图3-17所示。图3-17（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图3 -17（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90的示意图。图3-17（c ）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。 apd随使用的材料不同有几种：si-apd（工作在短波长区） ；ge-apd和ingaas-apd（工作在长波长区）等。 70 光纤通信光纤通信 3.2.3 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 图3-17 rapd的结构图和能带示意图 71 光纤通信光纤通信 3.2.3 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 2apd的结构 拉通型雪崩光电二极管（rapd）克服了击穿电压对温度敏感 这一缺点，具有高效、快速、低噪声的优点。 缺点：容易发生极间现象，从而使器件损坏。 但相比较下，rapd是理想的光检测器。 72 光纤通信光纤通信 3apd的特性 apd除了pin的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。 （1）倍增因子 倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响的条件下 ，它定义为 g=i0/ip （3-13） i0为有雪崩倍增时光电流平均值，ip为无倍增效应时光电流平 均值。pin管由于无雪崩倍增作用，所以g=1。 （2）温度特性 随着温度的升高，倍增增益将下降。 （3）噪声特性 pin管的噪声，主要为量子噪声和暗电流噪声，apd管还有倍 增噪声。 3.2.3 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 73 光纤通信光纤通信 4应用 apd ：用于灵敏度要求较高的地方，但造价高 pin：灵敏度要求不高的地方， 便宜 74 光纤通信光纤通信 要点总结： 1、 光电检测器主要完成光电的转换， 常用的有pin光电二极管和apd雪崩 光电二极管。 2、为提高光接收机的灵敏度，常将pin或apd与场效应管（fet） 组合成pin-fet或apd-fet，使之具有光电转换和放大作用。 3、光电二极管进行光电转换的基本物理原理是光电效应 由于光的受激吸收将价带的电子激发到导带 产生光生载流子，受内建电场的作用，光生 载流子两边漂移在载pn结两边形成电动势。 4、pin 光电二极管是在传统的pn 结 之间加了本征半导体i区， 增加了耗尽区的宽度，入射光很容易产生光生电子空穴对， 形成飘移电流；从而提高了响应速度。另外，i区的吸收系数 小，因而提高光电转化效率。 75 光纤通信光纤通信 5、apd主要应用物理学中的雪崩倍增效应来提高光电的转换放大倍数的。 光子照射产生的光生载流子经过高压区的电场被 加速，与晶体中的原子相碰撞，激发出新的电子 空穴对，并且继续发生这样的碰撞电离，使得光 生电流迅速加大。 6、pin用于灵敏度要求不高的地方，apd 用于灵敏度要求高的地方 76 光纤通信光纤通信 3.3 3.3 无源光器件无源光器件 有源器件：光信号产生、放大和接收，完成信号的光/电，电/光转 换和放大。 无源光器件:主要控制光信号流动的方向，通与断，光信号的整型。 无源光器件有： 分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光开关、光隔离器， 光交叉连接器（oxc），色散和色散斜率补偿器，偏振模色散补偿器 ，光放大器的增益平坦器等。 77 光纤通信光纤通信 3.3 3.3 无源光器件无源光器件 无源光器件是除光源器件、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。 连接用的部件有各种光连接器，用做光纤和光纤、部件（设备 ）和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。 功能性部件有分路器、耦合器、光波分波器、光衰减器、光开 关和光隔离器等，用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。 78 光纤通信光纤通信 光有源器件 光源 光放大器 光检测器 光无源器件 光连接器 光耦合器 光开关 光隔离器 光衰减器 光调制器 作用 参数 原理 类型 79 光纤通信光纤通信 一、功能： 用于光纤设备和光纤之间，光纤和光纤之间, 光纤与其它部 件之间，设备和设备之间的连接。又叫活接头。 光源 光中继 光检测器 尾纤 光耦合器 光测试仪器 光跳线 3.3.1 3.3.1 光纤连接器光纤连接器 80 光纤通信光纤通信 二、光纤连接器的典型类型及工作原理 1、平面对接型光纤连接器 （fc型face connect） 结构： 套筒插针体 插针体粘合剂 光纤 固定盘 光纤 81 光纤通信光纤通信 fc 型光纤连接器 82 光纤通信光纤通信 使用方法： 将带有接收光纤和发射光纤的插针体分别插入 套筒中，将螺旋拧紧，就实现了光纤的耦合。 套筒插针体 插针体粘合剂 光纤 固定盘 光纤 材料：合金 螺旋式连接 83 光纤通信光纤通信 菲涅耳反射：光在不同折射 率的介质平面的交界面上会 发生入射光的部分反射 。 问题所在：fc 型光纤连接器的接头是平面型，产生菲涅尔反射， 形成损耗和引入噪声 。 84 光纤通信光纤通信2、直接接触型光纤连接器（pc型physical connect） 插针体（包括光纤）的端面研磨成凸面球，使得被连接的 光纤的端面可以直接接触，实现 物理结构的直接连接。 特点： 优点： 减少了光的菲涅尔反射，避免了回波噪声。 材料：陶瓷 85 光纤通信光纤通信 端面的制备： 86 光纤通信光纤通信 3、矩形光连接器（sc） fc型 pc型 预留空间以便耦合部分旋转，不 能满足高密度安装要求。 卡口式，能自锁和开启 87 光纤通信光纤通信 sc 型光纤连接器 88 光纤通信光纤通信 4、st型连接器 插销锁定式连接方式 89 光纤通信光纤通信 5、fo 型光纤连接器 结构图： 作用：将带状光纤的光纤一根根分开，与单芯光纤连接。 90 光纤通信光纤通信6、mf型光纤连接器 结构图： 作用：多模带状光缆的光纤的一次连接 7、mt 型光纤连接器 作用： 单模光缆中的一个带内的多根光纤的连接 91 光纤通信光纤通信三、 光纤连接器的参数 1、插 入衰减 意义：表征光连接器插入后引起的光路中的光信号 衰减的程度。 定义： ac=10 lg(pin / pout) (db) 影响光纤连接器衰减的因素： 参数不匹配：折射率、纤径 耦合缺陷： 间隙 横向偏移倾斜角端面不平 该值越小越好。平均损耗值应不大于0.5db。 92 光纤通信光纤通信 2、重复性 意义：在使用寿命期间允许实际插入损耗值偏离标称值 的最大变化量。即每次插拔时连接损耗变化量要 小。 ac =ac-acimax 3、互换性 描述同一种光纤连接器在相互代换时允许插 入损耗的最大差值。每次互换后，其连接损 耗变化量越小越好。 a =ac1-ac2 max 意义： 定义： 3.3.1 光纤连接器 93 光纤通信光纤通信 3.3.1 光纤连接器 4、回波损耗（或称反射损耗、回损、回程损耗） 是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量 的一个度量值，该值越大越好。其典型值应不小于25db。 5、 插拔寿命（最大可插拔次数） 光纤连接器的插拔寿命一般由元件的机械磨损情况决定。 四、固定连接 光纤与光纤的连接有两种，活动连接和永久性连接。以上介绍 了活动连接。永久性连接有粘接法和熔接法，目前多用熔接法。 94 光纤通信光纤通信 一 、光方向耦合器 对光信号实现分路、合路、插入、分配的一种无源器件。 实现光功率的分配，对光的波长没有影响。 功能： 分路 插入 合路 分配 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 95 光纤通信光纤通信 二、光纤耦合器的分类 1、t型耦合器 功能：将一个光纤的输入光功率按照一定的比例 分配给两根光纤，或者将两根光纤的输入光信号 合在一起送入一根 光纤。 用途： 光功率分配器或光功率组合器 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 96 光纤通信光纤通信 2、星型耦合器 功能：将n根光纤的输入光功率合 在一起，均匀的分 给m 根光纤。 用途：多端口功率分配器 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 97 光纤通信光纤通信 3、 定向耦合器 功能： 取出光纤中向不同方向传送的光信号 1 2 3 4 1 2 3 4 用途：只能用于功率分路器。 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 98 光纤通信光纤通信 4、 波分复用器/解复用器 波分复用器： 把多个不同波长的发射机输出的光信号 组合在一起，输入到一根光纤中。 解复用器：把一根光纤输出的多个不同波长的光信号，分 配给不同的接收机。 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 技术实现手段： 1、 干涉介质滤波片 2、平面陈列光波导 3、光栅 99 光纤通信光纤通信 三、基本结构 1、 光纤型 将几根光纤去涂覆后排列在一起，用熔拉双锥技术制作 成光耦合器。 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 100 光纤通信光纤通信 工作原理： 光功率的比例分配与锥形的长度和包层的厚度有关 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 定向耦合器可以制成波分复用/解复用器 101 光纤通信光纤通信 图 3.29光纤型耦合器 (a)定向耦合器； (b) 88星形耦合器； (c) 由12个22耦合器组成的88星形耦 合器 102 光纤通信光纤通信 1 1， 2 2 2 2 1 1 直通臂 耦合臂 工作原理： 光纤a(直通臂)传输的输出光功率为pa，光纤b(耦合 臂)的输出光功率为pb，根据耦合理论耦合理论得到 pa=cos2(cl) pb=sin2(cl) 式中，l为耦合器有效作用长度耦合器有效作用长度， c为取决于光纤参数和光波长的耦合系数耦合系数。 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 公共臂 103 光纤通信光纤通信 2、 微光器件型 主要采用自聚焦渐变透镜 半透镜 a b grin圆柱透镜grin圆柱透镜 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 104 光纤通信光纤通信 衍射光栅型波分复用器结构示意图 光 纤 透 镜光 栅 1 2 3 1 2 3 1+ 2+ 31+ 2+ 3 1+ 1+ 2+ 2+ 3 3 1 1 2 2 3 3 105 光纤通信光纤通信 3、波导型 在一个平面板的衬底上制作 需要形状的光波导，衬底既 可以做支撑体也可以做波导的包层。 玻璃 衬底 嵌 入波导 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 106 光纤通信光纤通信 二、主要 参数 （1）耦合比cr cr= poc/pot 定义： 一个指定输出端的光功率和全部输出端的光功率 总和的比值，用表示。 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 107 光纤通信光纤通信 （2）附加损耗le 定义： 由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入 端的光功率总和和全部输出端的光功率总和的比值 ，用分贝表示。 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 le=10lg(pit/pot) (db) 108 光纤通信光纤通信 （3）插入损耗 合路器： n lt=10lg( ) i=1 pic/poc(db) 分路器： lt=10lg(pic / poc ) i=1 n (db) 意义： 表征插入光方向耦合器后对链路的光信号的衰减。 定义： 一个指定输入端的光功率和一个指定输出端的光 功率的比值，用分贝表示。 一般要求lt20db 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 110 光纤通信光纤通信 例： 22光纤耦合器的输入功率pin=200w，另外 三个端口的输输出功率分别为别为 p1=90 w ，p2=85 w ，p3=63nw。 试计试计 算光纤纤耦合器的主要性能参数。 3.3.2 3.3.2 光耦合器光耦合器 111 光纤通信光纤通信 3.3.3 3.3.3 光隔离器光隔离器 1光隔离器 光隔离器是保证光波只能正向传输，避免线路中由于各种因素 而产生的反射光再次进入激光器而影响激光器的工作稳定性。 光隔离器主要用在激光器或光放大器的后面。 112 光纤通信光纤通信 3.3.3 3.3.3 光隔离器光隔离器 113 光纤通信光纤通信 2、光隔离器的工作原理 基于法拉第效应 在偏振光的传播方向外加电磁场时，其偏振 方向会旋转一定的角度。 =vbl (v费尔德常数、l材料厚度、 b磁场 强度) 无论光的传播方向如何，顺着外加磁场的传 播方向观察，偏振光按顺时针的方向旋转. 3.3.3 3.3.3 光隔离器光隔离器 114 光纤通信光纤通信 b b 光的不可逆 性 3.3.3 3.3.3 光隔离器光隔离器 115 光纤通信光纤通信 偏振器 法拉第旋转器 b 偏振器 4545 45 90 no pass 45 3.3.3 3.3.3 光隔离器光隔离器 116 光纤通信光纤通信 3.3.3 3.3.3 光隔离器光隔离器 3光隔离器的性能指标 插入损耗和隔离度是光隔离器的两个主要性能参数，另还有回波 损耗，偏振相关损耗和偏振模色散。 （1）插入损耗 插入损耗是指在光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光 隔离器而产生的附加损耗。如果输入的光信号功率为pi，经过光隔 离器后的功率为po，则插入损耗