光纤第三章-1

1、光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成(单向传输单向传输) 信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出13.1 3.1 光源光源23.2 3.2 光检测器光检测器33.3 3.3 光无源光无源器件器件v 光源是光发射机的核心器件，其功能是把电信号转换为光光源是光发射机的核心器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器极管或称激光器(LD)(LD)和发光二极管或称发光管和发光二极管或称发光管(LED)(LED)，有

2、，有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)(Nd:YAG)激光器。激光器。v 光源是光纤通信及传感系统中的一个重要元件，光纤通信光源是光纤通信及传感系统中的一个重要元件，光纤通信对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，光对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，光谱（谱线）宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长谱（谱线）宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定（单色），光强稳定（时间、温度变化时），器件寿稳定（单色），光强稳定（时间、温度变化时），器件寿命长，小型化。命长，小型化。半导体激光器工作原理和基本结构半

3、导体激光器工作原理和基本结构3.1.1半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性3.1.2发光二极管发光二极管3.1.3半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用3.1.4v 异质结结构的半导体激光器异质结结构的半导体激光器(Laser Diode, LD)(Laser Diode, LD)，又称为，又称为注入式激光器，是光纤应用系统中最常用的器件之一。注入式激光器，是光纤应用系统中最常用的器件之一。v 和其他激光器相比，和其他激光器相比，LDLD具有体积小，重量轻，驱动功率低，具有体积小，重量轻，驱动功率低，输出效率高，调制方便（直接调制），寿命长和易于集成输出效率高，调制方便（直接

4、调制），寿命长和易于集成等一系列优点而得到了广泛的应用。等一系列优点而得到了广泛的应用。vLDLD在光纤通信中的应用主要包括：在光纤通信中的应用主要包括： (1) (1) 各种数据、图像等传输系统的发射光源；各种数据、图像等传输系统的发射光源；3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构v (2) 光纤光纤 CATV 系统的光源；系统的光源；v (3) 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 (EDFA) 和拉曼光纤放大器和拉曼光纤放大器 (RFA) 的的泵浦光源；泵浦光源；v (4) 未来全光通信网络中

5、光交换、光路由、光转发等关键未来全光通信网络中光交换、光路由、光转发等关键设备的光源。设备的光源。v半导体激光器按结构可分为半导体激光器按结构可分为: 法布里法布里-珀罗珀罗(F-P)型型LD、分布反馈分布反馈(DFB) LD、分布、分布 Bragg 反射器反射器(DBR)LD、量子、量子阱阱(QW) LD 和垂直腔面发射激光器和垂直腔面发射激光器(VCSEL)等。等。一、一、 半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构v 半导体激光器的基本结构是双异质结半导体激光器的基本结构是双异质结(DH)平面条形结构，平面条形结构，其示意图如图其示意图如图3.1.1所示。所示。v 所谓异质结，是指由两

6、种带隙宽度不同的半导体材料组所谓异质结，是指由两种带隙宽度不同的半导体材料组成的成的p-n结（也可能是结（也可能是p-p或或n-n结）。普通结）。普通p-n结也称为同结也称为同质结。质结。 图图3.1.1 双异质结平面条形双异质结平面条形LD的基本结构的基本结构v 与其他激光器一样，要产生激光必须有增益介质、谐振腔与其他激光器一样，要产生激光必须有增益介质、谐振腔和泵浦源，在一定条件下就可以产生激光。同质结和泵浦源，在一定条件下就可以产生激光。同质结LDLD对半对半导体材料的要求是重掺杂而且必须是导体材料的要求是重掺杂而且必须是“直接带隙直接带隙”的半导的半导体材料。同质结简并能带图如图体材料

7、。同质结简并能带图如图3.1.23.1.2所示。所示。 图图3.1.2 3.1.2 同质结简并能带图同质结简并能带图一、一、 半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构v 从图从图4.64.6中可以看出，当注入电流密度加大到一定值后，准中可以看出，当注入电流密度加大到一定值后，准费米能级费米能级 和和 的能量间隔大于禁带宽度的能量间隔大于禁带宽度 时，时，即即 （伯拉德（伯拉德- -杜拉福格条件）时，杜拉福格条件）时，PN PN 结结中出现一个增益区（有源区），在这个区域内，价带主要中出现一个增益区（有源区），在这个区域内，价带主要由空穴占据，而导带则主要由电子占据，即实现了由空穴占据，而导

8、带则主要由电子占据，即实现了粒子数粒子数反转。反转。 F()EF()EFFg()() EEEgE一、一、 半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构v 电子由导带跃迁至价带，受激辐射将起主导作用，发出的电子由导带跃迁至价带，受激辐射将起主导作用，发出的光是激光。光是激光。v 由于重掺杂，简并半导体的有源区束缚电子和空穴的能力由于重掺杂，简并半导体的有源区束缚电子和空穴的能力较弱，需要很大的注入电流密度才能实现粒子数反转，所较弱，需要很大的注入电流密度才能实现粒子数反转，所以难以实现室温下连续工作，只能在低温下工作。以难以实现室温下连续工作，只能在低温下工作。v 为了降低电流密度阈值，人们研究

9、了为了降低电流密度阈值，人们研究了单异质结和双异质结单异质结和双异质结半导体激光器。半导体激光器。 二、二、 半导体激光器的基本工作原理半导体激光器的基本工作原理 图图3.1.3 3.1.3 异质结激光器能带示意图异质结激光器能带示意图二、二、 半导体激光器的基本工作原理半导体激光器的基本工作原理v 图图3.1.33.1.3是单异质结和双异质结半导体激光器的能带示意图，是单异质结和双异质结半导体激光器的能带示意图，利用异质结特别是双异质结可以将电子和空穴更好地束缚利用异质结特别是双异质结可以将电子和空穴更好地束缚在有源区的势阱中。在有源区的势阱中。v 不同半导体材料的带隙差也使有源区的折射率高

10、于邻近的不同半导体材料的带隙差也使有源区的折射率高于邻近的介质，这样使光子也限制在有源区内，载流子和光子的束介质，这样使光子也限制在有源区内，载流子和光子的束缚使得激光器的阈值电流密度大幅度下降，从而实现了室缚使得激光器的阈值电流密度大幅度下降，从而实现了室温连续工作。温连续工作。二、二、 半导体激光器的基本工作原理半导体激光器的基本工作原理v 激光发射中心波长可由激光发射中心波长可由 得到得到 (3.1)(3.1) 法布里法布里- -珀罗谐振腔的作用是使光的方向性得到选择珀罗谐振腔的作用是使光的方向性得到选择，要，要使光在谐振腔内建立稳定的振荡，必须满足一定的相位条使光在谐振腔内建立稳定的振

11、荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件。件和振幅条件。 相位条件使发射光谱波长得到选择，振幅条件决定了半导相位条件使发射光谱波长得到选择，振幅条件决定了半导体激光器的电流阈值。体激光器的电流阈值。 ghEpg/hc E二、二、 半导体激光器的基本工作原理半导体激光器的基本工作原理v 相位条件是：相位条件是： m = 1, 2, 3, 4, v 式中，式中， 为光传输常数为光传输常数；L 为谐振腔长度。所以满足相位为谐振腔长度。所以满足相位条件的波长为条件的波长为 (3.2)(3.2)v 式中，式中，n 是有源区介质的折射率；是有源区介质的折射率；m = 1, 2, 3, 4, 是纵模是纵模模数。

12、模数。22Lm2/nL m二、二、 半导体激光器的基本工作原理半导体激光器的基本工作原理v 由于腔内介质有损耗，镜面反射也有损耗，因此谐振腔由于腔内介质有损耗，镜面反射也有损耗，因此谐振腔内建立稳定振荡的幅度条件是内建立稳定振荡的幅度条件是 (3.3)(3.3)v 式中，式中， 为增益系数阈值；为增益系数阈值； 为有源区的损耗系数；为有源区的损耗系数； , , 是两个镜面的反射率。是两个镜面的反射率。 v 由此可知由此可知 ，而增益系数大致与注入，而增益系数大致与注入 电流密度成正比，因此半导体激光器是阈值器件。电流密度成正比，因此半导体激光器是阈值器件。th()12e1g2LR Rthg1R

13、2Rth1211ln2gR RL二、二、 半导体激光器的基本工作原理半导体激光器的基本工作原理3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性1 1激光发射波长和光谱特性激光发射波长和光谱特性 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的能量，这个能量近似等于禁带宽度所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，即，即 hf=Eg 式中，式中，f=c/，f(Hz)和和(m)分别为发射光的频率和波长，分别为发射光的频率和波长， c=3108 m/s为光速，为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数，为普朗克常数，

14、1 eV=1.610-19 J，代入上式得到，代入上式得到ggEEhc24. 1 不同半导体材料有不同的禁带宽度不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射，因而有不同的发射波长波长。镓铝砷。镓铝砷-镓砷镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于材料适用于0.85m波段，波段，铟镓砷磷铟镓砷磷-铟磷铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于材料适用于1.31.55m波段。波段。 图图3.7是是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。在直流驱动下，激光器的光谱特性。在直流驱动下， 发射光波长有一定分布，谱线具有明显的模式结构。这种结发射光波长有一定分布，谱线具有明显的模式结构。这种结构的产生是因

15、为导带和价带都是由许多连续能级组成的有一构的产生是因为导带和价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光。连续波长的辐射光。 图图 3.7 GaAlAs-DH激光器激光器的光谱特性的光谱特性 (a) 直流驱动直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制数字调制 （a）（b）I=75mAI=85mAI=80mAI=100mA826824828830030352540波长波长/nm 其中只有符合激光振荡的相位条件的波长存在。这些波长其中只有符合激光振荡的相位条件的波长存在。这些波长取决于激光

16、器纵向长度取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。由图，并称为激光器的纵模。由图3.7(a)可见，随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变可见，随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模消失、主模增益增加而产生的。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。变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。 图图3.7(b)是是300Mb/s数字调制的光谱特性，由图可见，随着数字调制的光谱特性，由

17、图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。用调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。用FP谐振腔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，例如采用调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用分布反馈激光器就可达到目的。分布反馈激光器就可达到目的。 激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布

18、。图定距离处的光强分布。图3.8是是GaAlAs-DH激光器的近场图激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区有源区)的横向尺寸，即的横向尺寸，即平行于平行于PN结平面的宽度结平面的宽度和垂直于结平面的厚度和垂直于结平面的厚度t所决定，所决定，并称为激光器的横模。由图并称为激光器的横模。由图3.8可以看出，平行于结平面的可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度谐振腔宽度由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单很薄，这个方向的场图总是单横模。横模。

19、 2激光束的空间分布激光束的空间分布图图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场图条形激光器的近场图 W10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近场图样0.1rad远场图样图图3. 9 典型半导体激光器的远典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样场辐射特性和远场图样 光强的角分布光强的角分布(a)辐射光束辐射光束 1.00.80.60.40.2080604020020406080T300 K辐射角(度)相对光强(a)(b) 图图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和和分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横分别为平

20、行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。截面呈椭圆形。 3. 转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 激光器的电激光器的电/光转换效率用外微分量子效率光转换效率用外微分量子效率d表示，其定义表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数)(edththIIhfpphfeIpeIIhfppththd/ )(/ )(由此得到由此得到 式中，式中，P和和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth和和Ith分别为相应的阈值，分别为相应的阈值，hf和和e分别为光子能量和电子电荷。分别

21、为光子能量和电子电荷。激光器的光功率特性通常用激光器的光功率特性通常用P-I曲线表示，图曲线表示，图3.10是典型激光是典型激光器的光功率特性曲线。当器的光功率特性曲线。当IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。增加。 )(edhfththIIpp图图 3.10 典型半导体激光器的光功率特性典型半导体激光器的光功率特性(a) 短波长短波长AlGaAs/GaAs; (b) 长波长长波长InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80工作电流I / mA单面输出功率P / mW3.53.02.52.01

22、.51.00.50050100150Ith工作电流I / mA输出功率P / mW(a)(b) 在直接光强调制下，激光器输出光功率在直接光强调制下，激光器输出光功率P和调制频率和调制频率f的关的关系为系为 2222)/(4)/(1 )0()(ffffpfP4频率特性频率特性) 1(1210IIIIfthhpsp 式中，式中，f和和分别称为弛豫频率和阻尼因子，分别称为弛豫频率和阻尼因子，Ith和和I0分别分别为阈值电流和偏置电流；为阈值电流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的是零增益电流，高掺杂浓度的LD，I=0， 低掺杂浓度的低掺杂浓度的LD, I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的

23、电子为有源区内的电子寿命，寿命，ph为谐振腔内的光子寿命。为谐振腔内的光子寿命。 图图3.11示出半导体激示出半导体激光器的直接调制频率光器的直接调制频率特性。弛豫频率特性。弛豫频率f是是调制频率的上限，一调制频率的上限，一般激光器的般激光器的f为为12 GHz。在接近。在接近f处，处，数字调制要产生弛豫数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产振荡，模拟调制要产生非线性失真。生非线性失真。 图图 3.11 半导体激光器半导体激光器的直接调制频率特性的直接调制频率特性 0.010.11100.1110100fr调制频率f / GHz相对光功率 对于线性良好的激光器，输出光功率特性如上式和对于线性良好

24、的激光器，输出光功率特性如上式和图图3.10所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而增大，二是外微分量子效率d随温度升高而减小。温度升高时，随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，增大，d减小，输出光减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。 当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随

25、温度呈指数严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为变化，在一定温度范围内，可以表示为)exp(00TTIIth5温度特性温度特性)(ththIIhfpped 式中，式中，I0为常数，为常数，T为结区的热力学温度，为结区的热力学温度，T0为激光器材为激光器材料的特征温度。料的特征温度。GaAlAs-GaAs激光器激光器T0=100150K、InGaAsP-InP激光器激光器T0=4070 K，所以长波长，所以长波长InGaAsP-InP激激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。光器输出光功率对温度的变化更加敏感。 外微分量子效率随温度的变化不十分敏感，

26、例如，外微分量子效率随温度的变化不十分敏感，例如， GaAlAs-GaAs激光器在激光器在77 K时时d50%，在，在300K时，时，d30%。 )exp(00TTIIth图图3.12示出脉冲示出脉冲调制的激光器，调制的激光器，由于温度升高引由于温度升高引起阈值电流增加起阈值电流增加和外微分量子效和外微分量子效率减小，造成的率减小，造成的输出光功率特性输出光功率特性P-I曲线的变化。曲线的变化。 图图 3.12 P-I曲线随温度的变化曲线随温度的变化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 随着技术的进步，高速率

27、光纤通信系统的发展和新型光纤随着技术的进步，高速率光纤通信系统的发展和新型光纤通信系统例如波分复用系统的出现，都对激光器提出更高的要通信系统例如波分复用系统的出现，都对激光器提出更高的要求。和由求。和由F-P谐振腔构成的谐振腔构成的DH激光器相比，要求新型半导体激激光器相比，要求新型半导体激光器的谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模光器的谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性；发射光波长更加稳定，并能实现调谐；阈值电流更低，特性；发射光波长更加稳定，并能实现调谐；阈值电流更低，而输出光功率更大。具有这些特性的动态单纵模激光器有多种而输出光功率更大。具有这些特性的动态单

28、纵模激光器有多种类型，其中性能优良并得到广泛应用的是分布反馈类型，其中性能优良并得到广泛应用的是分布反馈(Distributed Feed Back, DFB)激光器。激光器。 普通激光器用普通激光器用F-P谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进行反馈，辐射光进行反馈，DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构周期性结构(波纹状波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布

29、反馈激光器。馈激光器。 图图3.13 分布反馈分布反馈(DFB)激光器激光器 (a) 结构；结构； (b) 光反馈光反馈 衍 射 光 栅有 源 层N层P层输 出 光光 栅有 源 层ba(a)(b) 如图如图3.13所示，由有源层发射的光，从一个方向向另一个所示，由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射(如光线如光线a)，另一部分继，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线如光线b)。如果光线。如果光线a和和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将匹配，相互叠加，则产生更强的

30、反馈，而其他波长的光将相互抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百相互抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百上千个波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。上千个波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。 光栅周期光栅周期由下式确定由下式确定eBnm2 式中，式中，ne为材料有效折射率，为材料有效折射率，B为布喇格波长，为布喇格波长，m为衍射级为衍射级数。数。 式中式中L为光栅长度，其他符号与光栅周期表达式意义相同。为光栅长度，其他符号与光栅周期表达式意义相同。在普通均匀光栅中，引入一个在普通均匀光栅中，引入一个/4相移变换，使原来的波峰变相移变换，使原来的波峰变波谷，波谷， 波

31、谷变波峰，可以有效地提高模式选择性和稳定性，实波谷变波峰，可以有效地提高模式选择性和稳定性，实现动态单纵模激光器的要求。现动态单纵模激光器的要求。 在普通光栅的在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为最低、增益相同的纵模，其波长为 )221(22, 1LneBB DFB激光器与激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：激光器相比，具有以下优点： 单纵模激光器。单纵模激光器。 FP激光器的发射光谱是由增益谱和激光器纵模特性共同激光器的发射光谱是由增益谱和激光器纵模特性共同决定的，由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵

32、模决定的，由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。DFB激光激光器的发射光谱主要由光栅周期器的发射光谱主要由光栅周期决定。决定。相当于相当于FP激光器的激光器的腔长腔长L，每一个，每一个形成一个微型谐振腔。由于形成一个微型谐振腔。由于的长度很小，的长度很小，所以所以m阶和阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比阶模之间的波长间隔比FP腔大得多，加之多腔大得多，加之多个微型腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式就能获得足个微型腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式就能获得足够的增益。于是够的增益。于是DF

33、B激光器容易设计成单纵模振荡。激光器容易设计成单纵模振荡。 谱线窄，谱线窄， 波长稳定性好。波长稳定性好。 由于由于DFB激光器的每一个栅距激光器的每一个栅距相当于一个相当于一个FP腔，所以布腔，所以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高， 谱线明显变窄，可以窄到几个谱线明显变窄，可以窄到几个GHz。由于光栅的作用有助于使。由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善。发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善。 动态谱线好。动态谱线好。 DFB激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是

34、激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是FP激光激光器无法比拟的。尽管器无法比拟的。尽管DFB激光器在高速调制时存在啁啾，谱线激光器在高速调制时存在啁啾，谱线有一定展宽，但比有一定展宽，但比F-P激光器的动态谱线的展宽要改善一个数激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。量级左右。 线性好线性好 DFB激光器的线性非常好，激光器的线性非常好， 因此广泛用于模拟调制的有线因此广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。电视光纤传输系统中。 发光二极管发光二极管(LED)的工作原理与激光器的工作原理与激光器(LD)有所不同，有所不同，LD发射的是受激辐射光，发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐

35、射光。发射的是自发辐射光。LED的的结构和结构和LD相似，大多是采用双异质结相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹芯片，把有源层夹在在P型和型和N型限制层中间，不同的是型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，不需要光学谐振腔，没有阈值。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型没有阈值。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型另一类是侧面发光型LED，和正面发光型，和正面发光型LED相比，侧面发相比，侧面发光型光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发

36、光角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型型LED大。大。 3.1.4 发光二极管发光二极管图图 3.14两类发光二极管两类发光二极管(LED)(a) 正面发光型；正面发光型； (b) 侧面发光型侧面发光型 球 透 镜环 氧 树 脂P层n层有 源 层发 光 区微 透 镜P型 限 制 层n型 限 制 层有 源 层波 导 层 和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽光功率线性范围宽，而且，而且制造工艺简单

37、，价格低廉制造工艺简单，价格低廉。因此，。因此， 这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。 发光二极管工作特性发光二极管工作特性 (1) 光谱特性。光谱特性。 发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽。一般短波长选择，谱线较宽。一般短波长GaAlAs-GaAsLED谱线宽度为谱线宽度为3050nm，长波，长波InGaAsP-InPLED谱线宽度为谱线宽度为60120nm。随。随着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波着温度升高或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长

38、波长方向移动，短波长和长波长长方向移动，短波长和长波长LED的移动分别为的移动分别为0.20.3 nm/和和0.30.5 nm/。 图图 3.15LED光谱特性光谱特性 1300波长 / nm70 nm相对光强 (2) 光束的空间分布。光束的空间分布。 在垂直于发光平面上，正面发光型在垂直于发光平面上，正面发光型LED辐射图呈朗伯分辐射图呈朗伯分布，布， 即即P()=P0 cos，半功率点辐射角，半功率点辐射角120。侧面发光型。侧面发光型LED，120，2535。由于。由于大，大，LED与光纤的与光纤的耦合效率一般小于耦合效率一般小于10%。 (3) 输出光功率特性。输出光功率特性。 发光二

39、极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率数，一般外微分量子效率d小于小于10%。两种类型发光二极管的。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图输出光功率特性示于图3.16。驱动电流。驱动电流I较小时，较小时， P-I曲线的线曲线的线性较好；性较好；I过大时，由于过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使结发热产生饱和现象，使P-I曲线的曲线的斜率减小。在通常工作条件下，斜率减小。在通常工作条件下，LED工作电流为工作电流为50100mA， 输出光功率为几输出光功率为几mW，由于光束辐射角大，入纤光功率只有几，由于光束辐射角

40、大，入纤光功率只有几百百W。 图图 3.16 发光二极管发光二极管(LED)的的P-I特性特性 0100200300400500051015正面发光侧面发光电流 I / mA发射功率P / mW (4) 频率特性。频率特性。 发光二极管的频率响应可以表示为发光二极管的频率响应可以表示为2)2(11)0()()(efPfpfH 式中，式中，f为调制频率，为调制频率，P(f)为对应于调制频率为对应于调制频率f的输出光功的输出光功率，率，e为少数载流子为少数载流子(电子电子)的寿命。定义的寿命。定义fc为发光二极管的截为发光二极管的截止频率，当止频率，当f=fc=1/(2e)时，时，|H(fc)|=

41、 ，最高调制频率应，最高调制频率应低于截止频率。低于截止频率。 21 图图3.17示出发光二极管的频率响应，图中显示出少数载流示出发光二极管的频率响应，图中显示出少数载流子的寿命子的寿命e和截止频率和截止频率fc的关系。对有源区为低掺杂浓度的的关系。对有源区为低掺杂浓度的LED， 适当增加工作电流可以缩短载流子寿命，提高截止频适当增加工作电流可以缩短载流子寿命，提高截止频率。在一般工作条件下，正面发光型率。在一般工作条件下，正面发光型LED截止频率为截止频率为2030 MHz，侧面发光型，侧面发光型LED截止频率为截止频率为100150 MHz。 图图 3.17 发光发光二极管二极管(LED)

42、的频率响应的频率响应 e 1.1 nse 2.1 nse 6.4 ns1001000100.110调 制 频 率 f / MHz频 率 响 应 H( f )3.1.5 半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用表表 3.2分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB - LD)一般性能一般性能 LED通常和多模光纤耦合，用于通常和多模光纤耦合，用于1.3m(或或0.85m)波长的波长的小容量短距离系统。因为小容量短距离系统。因为LED发光面积和光束辐射角较大，发光面积和光束辐射角较大，而多模而多模SIF光纤或光纤或G651规范的多模规范的多模GIF光纤具有较大的芯径光纤具有较大的芯径和数值孔径，

43、有利于提高耦合效率，增加入纤功率。和数值孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。LD通通常和常和G.652或或G.653规范的单模光纤耦合，用于规范的单模光纤耦合，用于1.3m或或1.55m大容量长距离系统，这种系统在国内外都得到最广泛大容量长距离系统，这种系统在国内外都得到最广泛的应用。分布反馈激光器的应用。分布反馈激光器(DFB-LD)主要和主要和G.653或或G.654规规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于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。新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。 在实际应用中，通常把

44、光源做成组件，图在实际应用中，通常把光源做成组件，图3.18示出示出LD组组件构成的实例。偏置电流和信号电流经驱动电路作用于件构成的实例。偏置电流和信号电流经驱动电路作用于LD， LD正向发射的光正向发射的光经隔离器和透镜经隔离器和透镜耦合进入光纤，耦合进入光纤，反向发射的光经反向发射的光经PIN光电二极管光电二极管转换进入光功率转换进入光功率监控器，同时利监控器，同时利用热敏电阻和冷用热敏电阻和冷却元件进行温度却元件进行温度监测和自动温度监测和自动温度控制控制(ATC)。 v在光纤传输线路的输出端，必须有一个能够转换在光纤传输线路的输出端，必须有一个能够转换光信号的接收装置即光接收机。接收机

45、的核心部光信号的接收装置即光接收机。接收机的核心部件就是光探测器（光检测器）。件就是光探测器（光检测器）。v光探测器能检测出入射在其面上的光功率，并把光探测器能检测出入射在其面上的光功率，并把这个光功率的变化转换为相应的电流。由于光信这个光功率的变化转换为相应的电流。由于光信号在光纤中传输时会有损耗和失真，所以对光检号在光纤中传输时会有损耗和失真，所以对光检测器的性能要求很高。测器的性能要求很高。v对光检测器的要求是响应度高，噪声低和响应速对光检测器的要求是响应度高，噪声低和响应速度快。度快。v光探测器主要有以下几种不同的类型：光探测器主要有以下几种不同的类型：光电倍增光电倍增管、热电探测器、

46、半导体光探测器等。管、热电探测器、半导体光探测器等。v在半导体光探测器中，光电二极管体积小，灵活在半导体光探测器中，光电二极管体积小，灵活度高，响应速度快，在光纤通信系统中得到了广度高，响应速度快，在光纤通信系统中得到了广泛的应用。常用的光电二极管有两种类型，即泛的应用。常用的光电二极管有两种类型，即 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管光电二极管和雪崩光电二极管( (APD) )。光电二极管工作原理光电二极管工作原理3.2.1PINPIN光电二极管光电二极管3.2.2雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD）3.2.3光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用3.1.4 光电二极管光

47、电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，把光信号转换为电信号的功能， 是由半导是由半导体体PN结的光电效应实现的。结的光电效应实现的。 如如3.1节所述，在节所述，在PN结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，结界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形成内部电场。内部电场使电子和空穴产生与扩散运动方向相形成内部电场。内部电场使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在PN结界面附近形成结界面附近形成耗尽层如图耗尽层如图3.19(a)。当入射光作用在。当入射光作用在PN结时，如果光子的能结时，如果光子的能量大于或等于带隙量大于或等于带隙(h

48、fEg)， 便发生受激吸收，即价带的电子便发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子-空穴对。在耗尽层，空穴对。在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向区运动，空穴向P区运动，区运动， 形形成漂移电流。成漂移电流。 3.2.1 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流

49、。漂移电流分作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和层和N层连接层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，区。同样，P区的空穴流向区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由

50、成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。 如图如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩

51、散分量的比例便可显著提高比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾， 就需要改进就需要改进PN结光电二极管的结构。结光电二极管的结构。 由于由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导

52、体结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为称为I)，这，这种结构便是常用的种结构便是常用的PIN光电二极管。光电二极管。 PIN光电二极管的工作原理和结构见图光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图和图3.21。中。中间的间的I层是层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用型掺杂浓度很低的本征半导体，用(n)表示；两表示；两侧是掺杂浓度很高的侧是掺杂浓度很高的P型和型和N型半导体，用型半导体，用P+和和N+表示。表示。I层很层很厚，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产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效

53、率。两空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧侧P+层和层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整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高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器，来改变器件的响应速度。件的响应速度。 3.2.2 PIN光电二极管光电二极管图图3. 21 PIN光电二极管结构光电二极管结构抗反射膜光电极(n)PNE电极(1) 量子效率和光谱特性。量子效率和光谱特性。 光电转换效率用量子效率光电转换效率用

54、量子效率或响应度或响应度表示。量子效率表示。量子效率的的定义为一次光生电子定义为一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值空穴对和入射光子数的比值 响应度的定义为一次光生电流响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率和入射光功率P0的比值的比值 式中，式中， hf为光子能量，为光子能量， e为电子电荷。为电子电荷。 PIN光电二极管主要特性：光电二极管主要特性： ehfPIhfPeIpp00/hfePIp0 量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表面反射率为零，器件表面反射率为零，P层和层和N层对量子效率的贡献可以忽略，层对量子效率

55、的贡献可以忽略，在工作电压下，在工作电压下，I层全部耗尽，那么层全部耗尽，那么PIN光电二极管的量子效光电二极管的量子效率可以近似表示为率可以近似表示为PIN光电二极管主要特性：光电二极管主要特性： )(exp(1a式中，式中，()和和分别为分别为I层的吸收系数和厚度。由上式可以看到，层的吸收系数和厚度。由上式可以看到，当当()1时，时，1，所以为提高量子效率，所以为提高量子效率，I层的厚度层的厚度要足够大。要足够大。 量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱()，对长波长的限制由，对长波长的限制由 确定。图确定。图3.22示出量示出量子效率子效

56、率和响应度和响应度的光谱特性，由图可见，的光谱特性，由图可见，Si适用于适用于0.80.9m波段，波段，Ge和和InGaAs适用于适用于1.31.6m波段。响应波段。响应度一般为度一般为0.50.6 (A/W)。 ggEEhc24. 1图图3-22 PIN光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m (W1)Si (2) 响应时间和频率特性。 光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率fc(带宽B)表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流

57、脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f。当光电二极管具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脉冲响应时间 =r=f=2.20 (3.16) 对于幅度一定，频率为=2f的正弦调制信号，用光生电流I()下降3dB的频率定义为截止频率fc。当光电二极管具有单一时间常数0时， fc= (3.17) PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间d和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定。当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时， 耗尽层

58、(I层)对量子效率()的贡献可以表示为()= (3.18) 由()/(0)= 得到由渡越时间d限制的截止频率r35. 02102/)2/sin()0(ddww21fc= wvs42. 042. 00 式中，渡越时间d=w/vs，w为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速度， 比例于电场强度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 减小耗尽层宽度w，可以减小渡越时间d，从而提高截止频率fc，但是同时要降低量子效率。图3.23示出Si-PIN光电二极管的量子效率与由渡越时间限制的截止频率fc(带宽)和耗尽层宽度w的关系。 由电路RC时间常数限制的截止频率fc= dtcR21 式中，Rt为光电二极管的串

59、联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。 10100100010000100060020010060 40 20 1064200.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.06 mSi-PIN0.950.900.850.800.6328带宽 / MHz内量子效率耗尽区宽度 / m400图3.23 内量子效率和带宽的关系WAcj 式中，为材料介电常数，A为结面积，w为耗尽层宽度。 (3) 噪声。 噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的灵敏度。光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声(Shot Noise)和由负载电阻和后继

60、放大器输入电阻产生的热噪声。噪声通常用均方噪声电流(在1负载上消耗的噪声功率)来描述。 均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B 式中，e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。 式(3.21)第一项2eIPB称为量子噪声，是由于入射光子和所形成的电子 - 空穴对都具有离散性和随机性而产生的。只要有光信号输入就有量子噪声。这是一种不可克服的本征噪声， 它决定光接收机灵敏度的极限。 式(3.22)第二项2eIdB是暗电流产生的噪声。 暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流，它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。暗电流