光纤及其应用精.ppt

光纤及其应用 辽宁科技大学电信学院通信系 第三章光源和光电检测器 在光纤通信技术领域中所用的光源只有微型半导体光源 发光二极管 LED 和激光二极管 LD 他们是光发送器的核心和灵魂 所以我们把主要精力集中于讨论他们的工作原理和关键特性 第三章光源和光电检测器 重难点 光源和光电检测器 教学内容 光源 光电检测器 半导体激光器的工作原理与特性 光检测器的工作原理 第三章光源和光电检测器 3 1半导体的能带理论3 2PN结的能带结构3 3发光二极管3 4半导体激光器3 5LD的工作特性3 6光电检测器的工作原理和主要要求3 7PIN和APD的工作原理3 8光电检测器的工作特性 3 1半导体的能带理论 1 晶体的能带晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组 每组中能级彼此靠得很近 组成有一定宽度的带 称为能带 锗 硅和CaAs等都是共价晶体 形成共价键的价电子所占据的能带称为价带 意味着较低的能量 价带下面的能带是被电子占满了 称为满带 满带中的电子不起导电作用 价带上面的能带称为导带 意味着较高的能量 价带和导带 价带和满带之间的宽度 不能被电子占据因此称为禁带 费米能级 导带和价带是通过禁带来分开的 在禁带的范围中不包括任何的能级 也就是说没有电子 换句话说 电子可以在价带或导带所对应的轨道上活动 决不能在它们之间 禁带上活动 当绝对温度是零度 同时又没有外加电场时 所有的电子都集中在价带而没有电子在导带 这是因为没有电子拥有足够的能量来越过禁带 但一旦有外加能量 使得价带的电子中的某些获得足够的能量来越过禁带 占据导带的能级 我们称这些电子是 受激的 光是如何辐射的 当一个受激的电子从一个高能带向一个低能带跃迁时 他释放出一量子的能量成之为光子 其中是两个能级之间差 是光子的能量 而是波长 2 光辐射与能带 同样的道理也适用于半导体 如果一个受激电子从导带向价带跃迁时 它释放的光子的能量是大于或等于禁带的能量的 这是因为在价带和导带之间不是一个而是多个能级参与辐射过程 所以有许多临近的波长可以被辐射 能量 导带 价带 波长 波长 波长 3 1半导体的能带理论 3 2PN结的能带结构 P N结内载流子运动 1 PN结的形成当P型半导体和N型半导体物理接触时 一个 结就形成了 在PN结的交界面 载流子的浓度差引起扩散运动 P区的空穴向N区扩散 剩下带负电的电离受主 从而在靠近PN结界面的区域形成一个带负电的区域 同样 N区的电子向P区扩散 剩下带正电的电离施主 从而造成一个带正电的区域 载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区 没有可以移动的电子或空穴 这些离子就产生了一个内部电场 内部电场 扩散 漂移 半导体 结发光过程 当PN结加上正向电压时 外加电压的电场方向消弱了自建场 结果能带倾斜减小 扩散增强 在电子和空穴扩散过程中 导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合 产生自发辐射光 为了得到持久的光辐射 必须出现以下的动态过程 区附近的移动电子被 的阳极所吸引 进入耗尽区 同时 区附近的空穴被 的阴极所吸引 也进入同一个耗尽区 在耗尽区中电子 空穴从而复合产生光 电荷通过偏压电路返回 耗尽区和耗尽电压 光辐射作为电子 空穴复合的结果 3 3发光二极管 发光二极管 LED 是低速 短距离光通信系统中常用光源 由于发光二极管 LED 是一种由 结构成的半导体二极管 因此它的工作原理和我们刚才讲过的持久的光辐射的实现方法相同 正向电压 促使电子和空穴进入耗尽区并发生复合 扩散过程中发光 LED是非相干光源 它的发光过程是自发辐射过程 发出的是荧光 它没有光学谐振腔 是无阈值器件 大功率LED 彩色LED 食人鱼 3 3发光二极管 应用要求 适用于要求亮度高 一致性好 寿命长的产品应用 汽车灯饰 灯饰 消费性电子产品 LED地砖灯LED灯杯七彩LEDLED星星灯串食人鱼LED发光字LED模组LED地埋灯LED彩虹管大功率LEDLED护栏灯普通LEDLED幕墙灯LED七彩球炮 性能指标 1 亮度范围 500mcd 20000mcd 2 发光角度 2 度 度 度 度 3 颜色范围 红光 橙光 黄光 蓝光 绿光 白光 七彩等 4 封装 有圆头 子弹头 草帽形 圆柱平头 方形 椭圆形 墓碑形 四脚方形 3 3发光二极管 LED工作特性 1 光谱特性 2 电光转换特性 耦合特性 4 温度特性 1 光谱特性 它的谱线宽度较宽 对高速率调制是不利的 2 LED的电光转换特性 光输出功率P与注入电流I的关系 一般称为P I曲线 LED的P I曲线线性范围较大 在进行调制时 动态范围大 信号失真小 耦合特性 LED发出的光束的发散角较大 范围为40 120 耦合效率低 4 温度特性 LED输出功率对温度的依赖性在 20 60 范围内 变化不大 所以温度特性较好 一般不需加温控电路 由以上特性可以看出 LED输出功率较低 光谱较宽 但由于使用简单 寿命长等特点 在中短距离光纤数字通信系统和模拟信号传输系统 应用还是比较广泛的 3 4半导体激光器 器件 半导体激光器自从20世纪70年代发展起来后 现在已被广泛应用 随着商用光纤的出现 这种激光二极管的特性如亮度 定向性 窄光谱宽度以及相干特性等 使其成为长距离光纤链路的最佳光源 激光二极管 3 4半导体激光器 器件 医疗用激光器 激光模组 1 光纤通信对半导体激光器的主要要求 3 4半导体激光器 工作原理 光源应在光纤的三个低损耗窗口工作 0 85 m 1 31 m或1 55 m 光源的谱线宽度较窄 0 1 1 0nm 能够提供足够的输出功率 可达到10mW以上 能长时间连续工作 工作稳定 与光纤耦合效率高 30 50 对半导体激光器的基本要求 2 辐射分为两类 自发辐射和受激辐射 自发辐射 处于高能级的原子是不稳定的 在没有外界的影响下 会自发的从高能级向低能级跃迁 并伴随着发射光子 自发辐射的光频率相同 相位随机 是非相干光 受激辐射 如果让一个外来的光子激发一个受激的原子 一个不同的过程将会发生 如下图 在外来光子的激励作用下 产生了一个和外来光子完全相同的光子 受激辐射得到的是相干光 3 4半导体激光器 工作原理 hf12 初态 hf12 初态 自发辐射 受激辐射 3 LD的工作原理 3 4半导体激光器 工作原理 产生激光应满足三个基本条件 基本条件 光反馈 粒子数反转 振荡的阈值条件 1 光反馈 能量 光放大 正反馈 为了得到所需要的受激光 我们需要的不是一个而是数百万个光子 如何才能激发这样的辐射 采用的方法是在激活层的一端放上一面镜子 如下左图 两个光子一个是原始的 一个是受激的 于是被反射回来 重新进入激活层 这两个光子又作为外来光子 通过激活层的时候又激发出两个新光子 这四个光子然后又被放在激活层另一端的镜子反射 当这四个光子再次通过激活层的时候激发出另四个光子 这八个光子接着在被第一面镜子反射回激活层 这样的过程将无限进行下去 就这样两面镜子实现了光的正反馈 反馈将输出光子又加到输入 两面镜子组成一个谐振腔 3 4半导体激光器 工作原理 2 粒子数反转 从右图可以看出 受激光子的数量增加是很快的 为此 我们需要在导带中有无数的受激电子来维持这个动态过程 事实上 在激光发射过程中 我们在高能级的导带需要的电子比在低能级的价带需要的多 这种情况被称为粒子数反转 3 4半导体激光器 工作原理 获得粒子数反转分布 正向偏压下P N结能带图 3 激光振荡的阈值条件 光学谐振腔实际上存在两个相反的过程 光增益和光损耗 只有当光增益大于损耗时 才能建立稳定的激光振荡输出激光 这个条件称为激光器的阈值条件 G 光增益系数GT 阈值增益系数 幸运的是 损耗系数是固定的 增益系数可以改变 如下图 损耗 d 激活层尺寸 3 4半导体激光器 工作原理 3 5LD的工作特性 LD的工作特性可以用一些特性曲线和特性参量来描述 1 P I曲线 I mA P mW Ith LD半导体激光器P I曲线示意图 2 光谱特性 GaAsLD的光谱特性曲线如下图所示 3 5LD的工作特性 阈值电流随温度的升高而加大 为了使光纤通信系统稳定 可靠地工作 一般都要采用自动温度控制电路 来稳定激光器的阈值电流和输出光功率 3 温度特性 1 It的温度特性 2 激光二级管的中心波长 随温度升高而增加 3 5LD的工作特性 3 6光电检测器工作原理和主要要求 1 半导体的光电效应 光电检测器是利用半导体的光电效应制成 半导体的光电效应是指 光照射到外加反向偏压半导体的P N结上 若光子能量足够大 则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量从价带越过禁带到达导带 在导带中出现光电子 在价带中出现光空穴 这些电子 空穴对在耗尽层内建电场作用下形成漂移电流 同时在耗尽层两侧部分电子 空穴对由于扩散运动进入耗尽层 在电场作用下形成扩散电流 这两部分电流之和为光生电流 3 6光电检测器工作原理和主要要求 3 响应速度快 线性好及频带宽 4 高可靠性 长寿命 尺寸与光纤直径相配 工作电压低等 1 光电转换效率高 2 所带附加噪声尽可能小 在光纤通信中 满足上述要求的光电检测器有两种半导体光电二极管 PIN光电二极管和雪崩光电二极管 APD 3 7PIN和APD的工作原理 1 PIN光电二极管的原理 利用光电效应可以制造出简单的PN结构光电二极管 但是这样的光电二极管的响应速度低 光电转换效率低 为了改善光电检测器的响应速度和转换效率 在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料I层 由于掺杂浓度较轻 电子浓度很低 经扩散可以形成一个很宽的耗尽层 PIN光电二极管光纤通信应用广泛的器件 目前国产PIN光电二极管有 1 Si PIN管 用于0 8 0 9 m光纤通信系统 2 Ge PIN管 用于1 31 m光通信系统 3 InGaAsP PIN管 用于1 31 m和1 55 m系统 2 PIN光电二极管 3 7PIN和APD的工作原理 3 雪崩光电二极管的原理 APD是利用半导体材料的雪崩倍增效应制成的 雪崩光电二极管的雪崩倍增效应 是在二极管的P N结上加高反向电压 一般为几十伏或几百伏 形成的 此时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 像雪崩一样的发展 从而使光电流在管子内部即获得了倍增 3 7PIN和APD的工作原理 目前光纤通信系统中使用的雪崩光电二极管结构形式有保护环型和拉通型 雪崩光电二极管的结构见下图 3 7PIN和APD的工作原理 雪崩光电二极管随使用的材料不同有 Si APD 工作在短波长区 Ge APD InGaAs APD等 工作在长波长区 Si APD性能较好 它工作在0 85 m附近 倍增增益高达100 1000 暗电流很小 Ge APD工作在长波长区 它的倍增增益一般不超过15 过剩噪声大 暗电流也很大 限制了倍增增益及检测灵敏度 3 7PIN和APD的工作原理 它是带内增益的半导体管 采用APD优点是 当一个接收系统的噪声主要来自于前置放大器和负载电阻的势噪声时 雪崩光电二极管内部增益提供了一种增益信号 但在一定增益范围内不增加总噪声功率的方法 从而提高了系统的信噪比 雪崩光电二极管结构种类 1 保护环结构 2 台型结构 3 拉通型结构 3 雪崩光电二极管优点 3 7PIN和APD的工作原理 用于光纤通信的雪崩光电二极管 1 硅雪崩光电二极管 Si APD 响应光谱范围 0 6 1 1 m 第一窗口 0 85 m 2 锗雪崩光电二极管 Ge APD 第二窗口1 31 m 响应光谱0 8 1 65 m 4 雪崩光电二极管应用 3 7PIN和APD的工作原理 3 8光电检测器的工作特性 1 响应度和量子效率 响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的物理量 2 响应时间表征光检测器对光信号变化响应速度快慢的是它的响应时间 通过用光检测器受阶跃光脉冲照射时 输出脉冲前沿的10 点到90 点之间的时间间隔 即上升时间 来衡量 光电检测器的响应时间受三个因素影响 1 渡越时间 2 扩散时间的影响 3 电路的影响 3 8光电检测器的工作特性 3 暗电流Id暗电流是指在PIN规定的反向电压或者APD的90 击穿电压时 在无入射光情况下器件内部的反向电流 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 宇宙射线或放射性物质的激励 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 严格说暗电流还包括器件表面的漏电流 据理论研究 暗电流将引起光接收机噪声增大 因此 人们总是希望器件的暗电流越小越好 3 8光电检测器的工作特性 APD的雪崩倍增因子用G表示PIN无倍增效应 所以G 1 APD的倍增因子G随反向电压V的升