第五章 光有源器件

1、l 第五章第五章 光有源器件光有源器件 Active Optical components n5.1 光调制器 n5.2 光放大器 n5.3 可调谐光滤波器 n5.4 偏振控制器 n5.5 光电探测器件 光有源器件定义光有源器件定义：需要外加能源驱动工作的光电需要外加能源驱动工作的光电 子器件子器件 光有源器件光有源器件 n光有源器件在光通信系统和光纤技术中占有 重要地位。光通信系统的实用和发展是和光 有源器件的发展密切相关的,其中掺铒光纤放 大器的实用化是光通信系统中的一个里程碑。 n常见的光有源器件:光调制器、光放大器、可 变光衰减器、可调光滤波器、光分差复用器、 偏振控制器等。 5.1

2、5.1 光调制器光调制器 光调制器光调制器 n光发射机的功能是把输入电信号转换为光信 号, 并用耦合技术把光信号最大限度地注入 光纤线路。 n其中把电信号转换为光信号的过程就是光调 制。 n调制后的光波经过光纤信道送到接收端, 由 光接收机鉴别出它的变化, 再恢复原来的信 息, 这个过程称为光解调。 n调制和解调是光纤通信系统的重要内容。 一、光信号的调制 直接调制：用电信号直接调制半导体激光器或发 光二级管的驱动电流，是输出光信号发生变化。 间接调制：在这种光纤链路中，调制信号不是直接 施加在激光二极管上，而是施加在光调制器上。 尽管增加了插入损耗，但却甚好的解决了直接调制 存在的啁啾现象。

3、 二、光纤通信系统中的外调制器 n根据物理机制，外部调制器主要分为四类： 。 声光调制器：是由声光介质、电声换能器、 吸声（或反射）装置及驱动电源组成。 声光调制器的工作原理 声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载 波上的一种物理过程。 调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声 换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化 的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用， 使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制 波。 磁光调制 磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线 偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方 向发生旋转 ： VHL 式中V为韦尔德系数，H 为沿光束传播方向的

4、磁场 强度，L为光在介质中的传播长度。 n电光调制是利用某些电光晶体，如铌酸锂 （LiNbO3）、砷化镓（GaAs）等的电光效应制 成。 n电光效应是指外电场加到晶体上引起晶体折射率 变化的效应，从而影响光波在晶体中春传播特性 的变化，实质上是电场作用引起晶体的非线性电 极化。 电光调制 n电吸收调制是利用材料的电吸收效应对光进行调 制的光调制器。 n电吸收调制器是一种损耗调制器，它利用弗朗兹- 凯尔迪什效应和量子约束斯塔克效应，工作在调 制器材料吸收边界波长处。 n具有调制带宽大、插入损耗低、消光比高、调制 效率高等特点。 电吸收调制 5.2 5.2 光放大器光放大器 光放大器光放大器 n在

5、光纤通信系统中, 随着传输速率的增加, 传 统的光电光中继方式的成本迅速增加。 n长时间以来, 人们一直在寻找用光放大的方 法来替代传统中继方式, 以延长传输距离。 n光放大器能直接放大光信号, 对信号的格式 和速率具有高度的透明性, 使得整个系统更 加简单和灵活。 n它的出现和实用化, 是光纤通信发展中的一 个里程碑。 n在光纤通信系统的设计中在光纤通信系统的设计中, 光放大器有四种光放大器有四种 用途用途, 如图：如图： 线路放大线路放大(In-line)：周期：周期 性补偿各段光纤损耗性补偿各段光纤损耗 功率放大功率放大(Boost)：增加：增加 入纤功率入纤功率,延长传输距离延长传输距

6、离 前置放大前置放大(Pre-Amplify): 提高接收灵敏度提高接收灵敏度 局域网的功率放大器局域网的功率放大器： 补偿分配损耗，增大网补偿分配损耗，增大网 络节点数络节点数 n光纤的光纤的损耗损耗和和色散色散限制了通信距离。限制了通信距离。 时间时间 色散色散 脉冲展宽脉冲展宽 频率频率 非线性非线性新频率新频率 衰减衰减损耗损耗 输入信号输入信号输出信号输出信号 时间时间 n光纤的损耗将使光信号传输时按指数衰减，限制 了通信距离，应在长途通信线路上设置中继放大 器。以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形， 然后继续向终端传送。 光电光混合中继器 n采用光-电-光转换方式，结构复杂，价格

7、昂贵，且 不能用于波分复用系统中。 全光中继器 n采用光放大器对光信号进行直接放大的中继器，多 波长放大、低成本。 n在混合中继器中先将从光纤接收到的脉冲光 信号用PD转换为光电流。 n经前置放大器、主放大器、判决再生电路在 电域实现脉冲信号放大与整形。 n驱动光源产生光脉冲信号沿光纤继续传输 1988年安装的年安装的 TAT-8使用了使用了 103个中继器个中继器 （每隔（每隔35km- 40km ） 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA nEDFA 主要由合波器WDM、泵浦激光器(大 功率LD)、光隔离器和掺铒光纤构成。 nEDFA 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在 泵浦光源(波长 980

8、nm 或 1480nm)的作用 下, 形成粒子数反转, 产生受激辐射, 辐射光 随入射光的变化而变化, 进而对入射光信号 提供光增益。 n当泵浦光射到掺铒光纤中时, 基态铒离子吸收泵浦 光能量, 向高能级跃迁。 n泵浦光的波长不同, 粒子所跃迁到的高能级也不同。 由于Stark(斯塔克)效应, 原子能级产生分裂, 铒离子 的能级展宽为带状。 n粒子跃迁时, 先跃迁到上能级, 并迅速以非辐射跃迁 的形式由泵浦态变至亚稳态。在亚稳态, 粒子有较 长的存活时间, 由于源源不断地进行泵浦, 粒子数不 断增加, 从而实现了粒子数反转，产生受激辐射。 EDFA工作原理 n根据泵浦光和信号光传播方向的相对关

9、系, EDFA 的结构可分为正向泵浦、反向泵浦和 双向泵浦, 其结构如下图所示。 正向泵浦 反向泵浦 双向泵浦 n在石英光纤中掺入一些三价稀土金属元素, 如Er(铒)、 Pr(镨)、Nd(钕) 等, 形成一种在泵浦光的激励下可以 放大光信号的特殊光纤, 因此可以用于制作光纤放大 器, 其中EDFA目前应用最为广泛。掺铒光纤的能级 图及部分吸收谱和发射谱如下图所示。 掺杂光纤放大器优点掺杂光纤放大器优点 n掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、 噪声低、频带宽、输出功率高等优 点，具有广泛的应用前景。 n光放大器的类型 半导体激光放大器（SLA） 光纤型光放大器 n光纤喇曼放大器（FRA） n光纤布里

10、渊放大器（FBA） n光纤参量放大器（FPA） n掺杂光纤放大器（eg. EDFA） 放大器类放大器类 型型 掺稀土光掺稀土光 纤放大器纤放大器 粒子数粒子数 反转反转 光光数米到数米到 数十米数十米 好好容易容易无无好好 半导体光 放大器 粒子数 反转 电100m 1mm 差很难大差 5.3 5.3 可调谐光滤波器可调谐光滤波器 n可调谐光滤波器（Tunable Optical Filters） 是一种光波长选择器件，它是密集波分复 用（DWDM）系统不可缺少的重要原器件 之一。 nTOF不仅可以用于DWDM系统的波长上下， 还可以用于光谱扫描，TOF除了应用在光 纤通信领域外，还广泛应用在

11、光纤传感领 域。 n可调谐光滤波器主要是基于光的干涉和衍 射原理。 n基于干涉原理的滤波器有：Mach-Zehnder 滤波器、Fabry-Perot 滤波器、介质膜滤波 器、波导微环形腔滤波器、光纤Sagnac 滤 波器。 n基于衍射原理的滤波器有：阵列波导光栅 滤波器、光纤光栅滤波器及声光滤波器等。 nMach-Zehnder(简称M-Z)滤波器结构包括三个部分： 对输入信号进行分路的3dB 耦合器C1、两路波导 (其中一路设有相位延迟控制器)、输出端将信号 复合的3dB 耦合器C2，结构图如图所示。 Mach-Zehnder可调谐滤波器 输入信号 M-Z 滤波器输出的光功率主要由分光比和

12、相位 差所决定，而实际系统中，两耦合器的分光比均为 1/2。以P4 为例，当 (m 为正 整数)，L为两臂之间的长度差， 输出对应的峰 值频率为f=mc/nL,取定c 值，则通过改变n 和 L 这两个参量就可达到光调谐的目的。 m c Lnf Fabry-Perot可调谐滤波器 n Fabry-Perot(简称F-P)可调谐滤波器是一种基 于F-P 干涉仪的光学滤波器，它由谐振腔及光纤组 成，谐振腔是F-P 腔滤波器的核心器件。F-P 腔由 镀有部分高反射膜的两块平行板构成。光线由光纤 输入进入腔中并在两镜面间多次反射，到达界面同 相则高效输出。下图 为F-P 腔多光束干涉示意图。 n当相邻透

13、射光束的相位差=2m(m 为正整数)时 有极大透过峰。m 值取定后，影响满足相位条件 的具有峰值透过率波长的因素为：n2、h、1。因 此调节这三个参量就可以达到波长调谐的目的。 n目前对F-P 干涉滤波器的研究主要包括微型电动 机械（MEMS）系统F-P 滤波器、光纤光栅F-P 滤波器、液晶F-P 滤波器及光纤F-P 滤波器等。 n微型驱动F-P 滤波器是利用步进电机的微步功能 去调节转角而实现调谐。该系统波长定位精度达 到0.1nm，温度稳定性高，但由于使用机械的调 谐方式，其调谐速度只达到毫秒级。 声光可调谐滤波器 声光可调谐滤波器的物理基础是基于光弹性 效应，即通过声光材料传输的声波或超

14、声波信号 产生随声波幅度周期性变化的应力，使该材料的 分子结构产生局部的密集和疏松，相当于使折射 率产生周期性的变化， 其结果是声波产生了可以 对光束衍射的光栅。 晶体按特定方向取向，由于声波感应的双折 射变化，宽带光输入光束中特定波长的光束被转 换到它的垂直偏振态。当改变超声频率时，稍后 的光波长也随之发生变化，因而声光滤波器对衍 射光波长的调谐极为方便。 声光可调谐滤波器 5.4 5.4 偏振控制器偏振控制器 偏振控制器(Polarization controller, PC),是指 能将任意输入的偏振态转变为任意期望输出偏振态 的器件。 常见的偏振控制器有方位角控制型偏振控制器、 延迟量

15、控制型偏振控制器和方位角-延迟量控制型偏 振控制器三类。下面分别以波片型偏振制器、挤压 光纤型偏振控制器为例,来说明方位角控制型和延迟 量控制型偏振控制器的控制原理。 波片型控制器 下图所示的是方位角控制型偏振控制器典型 结构图, 其中各波片的延迟量固定,相对角度是可变 的。控制原理是:第一个四分之一波片把任意的输 入偏振光转变为线偏振光,二分之一波片把此线偏 振光转到任一期望得到的偏振方向,最终第二个四 分之一波片再将该偏振光转变成任何希望得到的输 出偏振态 延迟量控制型偏振控制器 延迟量控制型偏振控制器多由三个或四个取向成 45角的自由空间波片来实现。每个波片的取向是 固定的,延迟量随加载

16、的电压而变化。 三环型偏振控制器 三环型机械式偏振控制器采用了三个固定延迟的波片，通 过调节波片的角度可使输出光偏振态，完全覆盖Poincare 球表面。灵活的结构设计便于安装不同工作波长的多种类 型光纤。 光纤挤压式偏振控制器 它由4个压电陶瓷光纤挤压器(称为挤压器F1， F2，F3，F4)组成，其方位角分别为0，45， O，45，各挤压器对应的驱动电压为V1，V2， V3，V4。分别在4个挤压器上加电压信号驱动，产 生相应的压力挤压光纤，形成线性双折射，改变入 射光波的相位差，从而实现任意偏振态转换。 光纤挤压式偏振控制器内部结构图 5.5 5.5 光电探测器件光电探测器件 真空光电管真空

17、光电管 充气光电管充气光电管 光电探测器件光电探测器件 外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应 非放大型非放大型放放 大大 型型 光电导探测器光电导探测器光磁电效应探测器光磁电效应探测器光生伏特探测器光生伏特探测器 本征型本征型掺杂型掺杂型非放大非放大放大型放大型 光电倍增管光电倍增管 变像管变像管 摄像管摄像管 像增强器像增强器 光敏电阻光敏电阻红外探测器红外探测器 光电池光电池 光电二极管光电二极管 光电三极管光电三极管 光电场效应管光电场效应管 雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管 光电探测器件分类光电探测器件分类 光导管或光敏电阻光导管或光敏电阻 光电池光电池 光电二极管光电二极管 雪崩

18、光电二极管雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管肖特基势垒光电二极管 光电磁探测器光电磁探测器 光子牵引探测器光子牵引探测器 1.1. 光电导光电导( (本征和非本征本征和非本征) ) 2.2. 光生伏特光生伏特 PNPN结和结和PINPIN结结( (零偏零偏) ) PN PN结和结和PINPIN结结( (反偏反偏) ) 雪崩雪崩 肖特基势垒肖特基势垒 异质结异质结 3.3.光电磁光电磁 光子牵引光子牵引 内光电效应内光电效应 光电管光电管 充气光电管充气光电管 光电倍增管光电倍增管 象增强管象增强管 1.1.光阴极发射光电子光阴极发射光电子 正电子亲和势光阴极正电子亲和势光阴极 负电子亲和势光

19、阴极负电子亲和势光阴极 2.2.光电子倍增光电子倍增 气体繁流倍增气体繁流倍增 打拿极倍增打拿极倍增 通道电子倍增通道电子倍增 外光电效应外光电效应 相应的探测器相应的探测器效效 应应 光子效应分类光子效应分类 PIN PIN硅光电二极管就是在硅光电二极管就是在P P区和区和N N区之间加上一区之间加上一 本征层（本征层（I I层）光电二极管。层）光电二极管。 PINPIN光电探测器光电探测器 结构结构 nPINPIN是为提高光电转换效率而在是为提高光电转换效率而在PNPN结内部设置一层掺杂浓度很结内部设置一层掺杂浓度很 低的低的本征半导体（本征半导体（I I层）以扩大耗尽层宽度层）以扩大耗尽

20、层宽度的光电二极管。从的光电二极管。从 而使而使PNPN结双电层的间距加宽，结电容变小。结双电层的间距加宽，结电容变小。 电极电极 P + N + I 入射光入射光 电极电极 抗反射膜抗反射膜 l 基于载流子雪崩效应，从而提供电流内增益的光基于载流子雪崩效应，从而提供电流内增益的光 电二极管称为雪崩二极管电二极管称为雪崩二极管(APD(APD：Avalanche Photo Avalanche Photo Diode)Diode)。 l 常见的雪崩光电二极管有：常见的雪崩光电二极管有：GeGe-ADP-ADP和和Si-ADPSi-ADP 两种光电二极管。两种光电二极管。 雪崩光电二极管（雪崩光

21、电二极管（APDAPD） 雪崩光电二极管工作原理示意图雪崩光电二极管工作原理示意图 工作原理：APD在PN结内部有一个高电场区（达到200 kV/cm以 上），能够承受高反向偏压。光生电子或空穴经过高场区时被 加速，从而获得足够能量，在高速运动中与晶格碰撞，使晶体 中的原子电离，激发出新的电子空穴对。新产生的电子空 穴对在高场区中运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样 多次碰撞的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速增大，形 成雪崩倍增效应。 光电倍增管光电倍增管 n利用利用外光电效应外光电效应和和二次电子发射二次电子发射相结合，即相结合，即 把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子 获得倍增获得倍增的一种光电探测器件。的一种光电探测器件。 n光电倍增管组成光电倍增管组成 n 光窗（光窗（Input window )Input window ) n 光电阴极光电阴极(Photo cathode)(Photo cathode) n 电子光学系统电子光学系统 n 电