光纤通信课件刘增基-第3章

1、第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 第第3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1 光源光源 3.2 光检测器光检测器3.3 光无源器件光无源器件 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1 光源光源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第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 一、激光产生的物理基础一、激光产生的物理基础1.原子的能级原子的能级微观粒子的能量只能处于微观粒子的能量只能处于分立分立的的能量状态能量状态，称为，称为能级能级。粒子处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，粒子处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态。称

2、为激发态。在在热平衡热平衡条件条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布（正态分布）统计分布（正态分布）210()/21EEk TNeN第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 0EE1E2E3N3N2N1N 玻尔兹曼分布曲线玻尔兹曼分布曲线 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 2 、光与物质相互作用、光与物质相互作用(a)(a)自发辐射；自发辐射； (b)(b)受激吸收；受激吸收； (c)(c)受激辐射受激辐射自发辐射光hf E2 E1E2(a)入射光(b)入射光(c)E1E2E1E2E1hf E2 E1E2E1E2E1hf E2 E1E2E1

3、受激辐射光 hf E2 E1入射光 hf E2 E1第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光与物质相互作用（续）光与物质相互作用（续）电子在基态和激发态之间的三种跃迁电子在基态和激发态之间的三种跃迁 自发辐射，产生非相干光，发光二级管的工作原理自发辐射，产生非相干光，发光二级管的工作原理 在入射光作用下，受激吸收，光接受器件的工作原理在入射光作用下，受激吸收，光接受器件的工作原理 在入射光作用下，受激辐射在入射光作用下，受激辐射 ，产生相干光，激光器的工作原理，产生相干光，激光器的工作原理 均满足玻尔条件均满足玻尔条件1212hfEE入射光作用下入射光作用下 原子数正态分布时，一般为受激吸

4、收原子数正态分布时，一般为受激吸收 当当N2N1时，即粒子数反转，受激辐射大于受激吸收时，即粒子数反转，受激辐射大于受激吸收第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 半导体能级结构半导体能级结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体相邻原子的作用造成电子能级扩展成连续分布的能带相邻原子的作用造成电子能级扩展成连续分布的能带 能量低的价带能量低的价带,被空穴占用（束缚电子）被空穴占用（束缚电子） 能量高的导带能量高的导带,被电子占用（自由电子）被电子占用（自由电子） 导带底导带底Ec与价带顶与价带顶Ev的能量差的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带

5、宽度或带隙称为禁带宽度或带隙 Ef为费米能级，该能级被电子和空穴占用的几率相等为费米能级，该能级被电子和空穴占用的几率相等能量价带导带EgEfEvEc()1( )1fE EkTf Ee第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 半导体中载流子分布半导体中载流子分布本征半导体电子和空穴成对出现，电子在导带，空穴在价带本征半导体电子和空穴成对出现，电子在导带，空穴在价带费米能级位于禁带中央费米能级位于禁带中央N型半导体中导带的电子增多，价带的空穴减少型半导体中导带的电子增多，价带的空穴减少费米能级增大，向导带移费米能级增大，向导带移P型半导体中导带的电子减少，价带的空穴增加型半导体中导带的电子减少，

6、价带的空穴增加费米能级减小，向价带移费米能级减小，向价带移在在PN结界面上，载流子的梯度产生了扩散运动，从而形成内部电场结界面上，载流子的梯度产生了扩散运动，从而形成内部电场内部电场产生与扩散运动相反的漂移运动，在内部电场产生与扩散运动相反的漂移运动，在P区和区和N区的费米能级相同时，达到平区的费米能级相同时，达到平衡状态，此时能带发生倾斜衡状态，此时能带发生倾斜Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 图图 3.33.3PNPN结的能带和电子分布结的能带和电子分布(a) P - N(a) P - N

7、结内载流子运动；结内载流子运动；(b) (b) 零偏压时零偏压时P - NP - N结的能带图；结的能带图； (c) (c) 正向偏压下正向偏压下P - NP - N结能带图结能带图 势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env(b)hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(c)P区PN结空间电荷区N区内部电场 扩散 漂移(a )在在P P型和型和N N型半导体组成的型半导体组成的PNPN结界面上，结界面上， 由于存在多数载流子由于存在多数载流子( (电子或空穴电子或空穴) )的梯度，的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场因而产生扩散运动，形成内部电场内部电场产生

8、与扩散相反方向的漂移运内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到动，直到P P区和区和N N区的区的EfEf相同，两种运动相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜这时在这时在PNPN结上施加正向电压，产生结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。结果能带倾斜减小，扩散增强。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 在在PN结形成一个特殊的增益区，获得了粒子数反转结形成一个特殊的增益区，获得了粒子数反转N区电子向区电子向P区运动，形成增益区的导带多为电子区运动，形成增益区的导带多为电子

9、P区空穴向区空穴向N区运动，形成增益区的价带多为空穴区运动，形成增益区的价带多为空穴在电子和空穴运动过程中，产生自发辐射光在电子和空穴运动过程中，产生自发辐射光导带的电子跃迁到价带和空穴复合导带的电子跃迁到价带和空穴复合在在PN结上施加与内部电场反向的结上施加与内部电场反向的正向电场正向电场 能带倾斜减小，扩散增强能带倾斜减小，扩散增强hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(c)pN第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 激光的产生激光的产生激光产生的条件激光产生的条件 - -激活物质：激活物质：具有合适的能级分布，可以产生合适波长的辐射光具有合适的能级分布，

10、可以产生合适波长的辐射光 - -泵浦源使激活物质粒子数反转：半导体泵浦源使激活物质粒子数反转：半导体PNPN节施加正向电压获得节施加正向电压获得 - -入射光：激活物质的自发辐射光作为入射光入射光：激活物质的自发辐射光作为入射光 - -光学谐振腔：对光的频率和光学谐振腔：对光的频率和 方向进行选择，并通过多次反馈，使得较方向进行选择，并通过多次反馈，使得较强相干光输出强相干光输出反 射 镜工 作 物 质部 分 反 射 镜激 光 输 出z第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 光学谐振腔：两个平行反射镜构成法布里珀罗光学谐振腔：两个平行反射镜构成法布里珀罗(F-P)谐振腔谐振腔 腔内是处于粒子

11、数反转的激活物质，产生自发辐射光和受激辐射光腔内是处于粒子数反转的激活物质，产生自发辐射光和受激辐射光 自发辐射的入射光沿轴线方向被反射和放大，传播方向不断改善自发辐射的入射光沿轴线方向被反射和放大，传播方向不断改善 成为相干光，激光产生了成为相干光，激光产生了腔内产生的激光的波长由激光振荡的相位条件决定，即驻波的条件腔内产生的激光的波长由激光振荡的相位条件决定，即驻波的条件称为纵模模数.3 ,2, 1,2qqnL谐振腔内存在吸收、散射和透射，建立稳定激光振荡需要阈值条件谐振腔内存在吸收、散射和透射，建立稳定激光振荡需要阈值条件增益和损耗相当增益和损耗相当为损耗系数为阈值增益系数，ththRR

12、L211ln21R1R22n反射镜光的振幅反射镜L(a)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 二、半导体激光器（二、半导体激光器（LD）结构）结构双异质结（双异质结（DH）平面条形结构）平面条形结构 三层不同类型材料三层不同类型材料 中间一层窄带隙中间一层窄带隙P型半导体，称为有型半导体，称为有源源 两侧分别为宽带隙两侧分别为宽带隙P型和型和N型半导体，型半导体，称为限制层称为限制层 前后两个晶体理解面作为反射镜构成前后两个晶体理解面作为反射镜构成法布里法布里-珀罗谐振腔珀罗谐振腔第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 图 3.6 DH激光器工作原理 (a) 双异质结构； (b) 能带；

13、 (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 PGa1xAlxAsPGaAsNGa1yAlyAs复合空穴异质势垒E能量(a)(b)(c)n折射率5%(d)P光电子限制层带隙较有源层宽，施加正向电压，限制层带隙较有源层宽，施加正向电压，易形成粒子数反转，且转换效率较高易形成粒子数反转，且转换效率较高 P P层的空穴和层的空穴和N N层的电子注入有源层层的电子注入有源层 P P层带隙宽，导带的能态比有源层高，层带隙宽，导带的能态比有源层高， 对注入电子形成势垒对注入电子形成势垒 N N层带隙宽，价带的能态比有源层低，层带隙宽，价带的能态比有源层低，对注入空穴形成势垒对注入空穴形成势垒 有源层的折射率

14、比限制层高，产生的有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内激光被限制在有源区内第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 半导体激光器的发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长和光谱特性长波长发射波长决定于带隙长波长发射波长决定于带隙ggEevhcE)(24. 1激光器输出满足激光振荡相位条件的一些波长的光，即为激光器的纵模激光器输出满足激光振荡相位条件的一些波长的光，即为激光器的纵模导带和价带由许多连续能级组成，有一定的带宽导带和价带由许多连续能级组成，有一定的带宽两个能带中不同能级之间的电子跃迁会产生连续波长的辐射光两个能带中不同能级之间的电子跃迁会产生连续波长的辐射光谐振腔的作

15、用使得满足激光振荡相位条件的波长输出谐振腔的作用使得满足激光振荡相位条件的波长输出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EgEg，因而有不同的发射波长，因而有不同的发射波长。镓铝砷镓铝砷 - -镓砷镓砷(GaAlAs(GaAlAsGaAs)GaAs)材料适用于材料适用于0.85 m0.85 m波段波段铟镓砷磷铟镓砷磷 - - 铟磷铟磷(InGaAsP(InGaAsPInP)InP)材料适用于材料适用于1.31.31.55 m1.55 m波段。波段。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 图图 3.7GaAlAs3.7GaAlAsDHDH激光器的光谱特性激光器的光谱特性

16、(a) (a) 直流驱动直流驱动; (b) 300 Mb/s; (b) 300 Mb/s数字调制数字调制 I（a)随着驱动直流电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄最终产生静态单纵模激光(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性， 随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。 无法调制高速数字信号*用FP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，例如采用分布反馈激光器。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 激光器输出的光束横模分别激光器输出的光束横模分别取决于有源区的宽度和厚度取决于有源区的宽度和厚度宽度和厚度足够小，多

17、宽度和厚度足够小，多横模分布变成单横模横模分布变成单横模图 3.8 GaAlAsDH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w_第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1.2 半导体激光器的特性半导体激光器的特性当电流小于阈值电流当电流小于阈值电流Ith时，时，激光器输出为自发辐射光激光器输出为自发辐射光当电流大于阈值电流时，激当电流大于阈值电流时，激光器输出受激辐射光光器输出受激辐射光光功率随驱动电流的增加而光功率随驱动电流的增加而增加增加)(,thdthththdIIehfPPhfeIPeIIhfPP或1.转换效率转换

18、效率 d：在阈值电流之上，每对复合载流子产生的光子数：在阈值电流之上，每对复合载流子产生的光子数 图图 3.103.10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短波长短波长AlGaAs/GaAs;AlGaAs/GaAs;长波长长波长InGaAsP/InP InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80工作电流I / mA单面输出功率P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工作电流I / mA输出功率P / mW(a)(b)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 温度升高，输出光功温度升高，输出光功率下降率下降

19、 激光器的阈值电流激光器的阈值电流随温度升高而增大随温度升高而增大 转换效率随着温度转换效率随着温度升高而变小升高而变小图图 3.12 P-I3.12 P-I曲线随温度的变化曲线随温度的变化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射2.温度特性：温度特性：第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3. 3. 频率特性频率特性在直接光强调制下，在直接光强调制下， 激光器输出光功率激光器输出光功率P P和调制频率和调制频率f f的关系为的关系为: : 2222)/(4)/(1 )0()(ffffpfP) 1(1210IIIIfthhpsp驰豫频率：-f-f和

20、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-I-Ithth和和I I0 0分别为阈值电流和偏置电流分别为阈值电流和偏置电流-I-I是零增益电流是零增益电流: : 高掺杂浓度的高掺杂浓度的LDLD： I=0 I=0 低掺杂浓度的低掺杂浓度的LDLD： I=(0.7-0.8)I I=(0.7-0.8)Ithth-spsp为有源区内的电子寿命为有源区内的电子寿命-phph为谐振腔内的光子寿命为谐振腔内的光子寿命第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性 0.010.11100.1110100fr调 制 频 率 f / GHz相 对 光 功 率半

21、导体激光器的直接调制频半导体激光器的直接调制频率特性。率特性。弛豫频率弛豫频率f f是调制频率的上限是调制频率的上限 一般激光器的一般激光器的ff为为1 12 GHz2 GHz 在接近在接近f f处：数字调制要产生处：数字调制要产生弛豫振荡，模弛豫振荡，模拟调制要产生非线性拟调制要产生非线性失真。失真。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1.3 分布式反馈激光器分布式反馈激光器新型激光器的要求新型激光器的要求 谱线宽度更窄谱线宽度更窄 高速脉冲调制下保持单纵模特性高速脉冲调制下保持单纵模特性 发射光波长稳定发射光波长稳定 阈值电流低，输出光功率大阈值电流低，输出光功率大分布式反馈激

22、光器分布式反馈激光器第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 衍 射 光 栅有 源 层N层P层输 出 光光 栅有 源 层ba(a)(b)分布式反馈激光器分布式反馈激光器用靠近有源层沿长度方向折射率周期性变化的衍射光栅实现光反馈用靠近有源层沿长度方向折射率周期性变化的衍射光栅实现光反馈光栅周期满足光栅周期满足为衍射级数为布拉格波长，为材料有效折射率，m2BeeBnnmDFB激光器单个谐振腔长度较小，多个谐振腔存在，易设计成单纵模激光器激光器单个谐振腔长度较小，多个谐振腔存在，易设计成单纵模激光器多级谐振腔谐振使得谱线窄、波长稳定性高多级谐振腔谐振使得谱线窄、波长稳定性高动态谱线好，可调制高速信号

23、动态谱线好，可调制高速信号第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.1.4 发光二极管（发光二极管（LED)LED与与LD结构上的异同：结构上的异同：同：均是双异质结（同：均是双异质结（DH)条形平面结构条形平面结构异：异：LD有谐振腔有谐振腔 LED无谐振腔无谐振腔结构的不同造成了性能的不同结构的不同造成了性能的不同第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 LED与与LD性能的不同性能的不同:LD:有谐振腔，输出的是方向性很好、强度大的相干光有谐振腔，输出的是方向性很好、强度大的相干光有阈值电流。有阈值电流。LED:无谐振腔。有源区是自发辐射，输出无谐振腔。有源区是自发辐射，输出 光斑大

24、，强度光斑大，强度低，谱线宽度大的自发辐射光，无阈值电流。低，谱线宽度大的自发辐射光，无阈值电流。 由于结构简单由于结构简单:造价低、性能稳定、寿命长造价低、性能稳定、寿命长 在小容量、短距离系统中发挥了重要作用在小容量、短距离系统中发挥了重要作用第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 (a) 正面发光型； (b) 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两类发光二极管两类发光二极管(LED)(LED)：第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2 光电检测器光电检测器光接收机的关键器件光接收机的关键器件其功能是把光信号转变为电信号其功能是把光

25、信号转变为电信号常用的光检测器有常用的光检测器有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)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2.1 光电二极管（光电二极管（PD)光电二极管是利用半导体光电二极管是利用半导体PN结的光电效应实现光信号转换为电信号结的光电效应实现光信号转换为电信号的光检测器器件的光检测器器件光电效应就是指一定波长的光照射到半导体的光电效应就是指一定波长的光照射到半导体的PN结时，价带结时，价带上的电子吸收光子能量而跃迁到导带，使导带中有了电子，上的电子吸收光子能量而跃迁到导带，使导带中有了电子，价带中有了空穴，从而使价带中有了空穴，从而使P

26、N结中产生光生载流子的一种现象。结中产生光生载流子的一种现象。这些载流子在内部电场的作用下在闭环电路中形成光生电流。这些载流子在内部电场的作用下在闭环电路中形成光生电流。在开环电路中形成电动势在开环电路中形成电动势 由于由于PN结界面存在耗尽层和没有电场的中性层，因此在存在结界面存在耗尽层和没有电场的中性层，因此在存在由于光电效应由耗尽层产生的漂移电流情况，还存在中性层由于光电效应由耗尽层产生的漂移电流情况，还存在中性层热运动产生的扩散电流，这两种电流的总量构成光生电流热运动产生的扩散电流，这两种电流的总量构成光生电流第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 为了提高耗尽层光电效应产生的电流分

27、量，减少热运动为了提高耗尽层光电效应产生的电流分量，减少热运动产生的扩散电流分量对光电二极管施加反向偏压，增大产生的扩散电流分量对光电二极管施加反向偏压，增大耗尽层的宽度，减小中性区的宽度。耗尽层的宽度，减小中性区的宽度。漂移运动比扩散运动快得多，可以提高响应速度漂移运动比扩散运动快得多，可以提高响应速度.为了提高转换效率和响应速度，设计新的光检测器为了提高转换效率和响应速度，设计新的光检测器PIN光电二极管光电二极管雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2.2 PIN光电二极管光电二极管PIN光电二极管

28、是在光电二极管是在P型材料和型材料和N型材料之间加一层型材料之间加一层轻掺杂的轻掺杂的N型材料，一般称为本征半导体层，即型材料，一般称为本征半导体层，即I层层由于由于I层是轻掺杂，故电子浓度很低，经扩散作用层是轻掺杂，故电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽区后可形成一个很宽的耗尽区在反向偏压的作用下，可大大提高在反向偏压的作用下，可大大提高PIN光电二极管光电二极管的光电转换效率的光电转换效率 及响应速度及响应速度第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 抗反射膜光电极(n)PNE电极第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 PIN光电二极管

29、的主要特性光电二极管的主要特性光电转换量子效率：一次光生电子光电转换量子效率：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也可以用一次光生电流和入射功率的比值也可以用一次光生电流和入射功率的比值:响应度来表示响应度来表示噪声：包括散粒噪声和热噪声，用均方噪声电流来描述噪声：包括散粒噪声和热噪声，用均方噪声电流来描述ehfPIhfPeIpp00-入射光子数空穴对光生电子hfePIp0电流与温度有关的是热噪声的反向直流电流有关的是没有入射光时本征噪声；与有关的是量子噪声，是与为等效电阻为等效噪声温度，为暗电流，为信号电流，为放大器带宽，dPdPdPIIIIBRkTBBIIeiRT

30、4)(22第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。在一定条件下：器件表面的反射率为零;P层和N层的量子效率可以忽略；I层耗尽，则PIN光电管的量子效率近似为：)(exp1其中：)(及w为I层的吸收系数及宽度所以：w越大，越大量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱()对长波长的限制由式c=hc/Eg。图3.22示出量子效率和响应度的光谱特性。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m (W1)Si由图可见，Si适用于0.80.9m波段，G

31、e和InGaAs适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.6 (A/W)第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 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和由负载电阻和后继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 (3.22)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第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 式(3.22)第一项2eIpB称为量子噪声，是由于入射光子和所形成的电子 -

32、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。暗电流与光电二极管的材料和结构有关，例如Si-PIN， Id100nA。 第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 均方热噪声电流: i2T= (3.23) 式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。 因此， 光电二

33、极管的总均方噪声电流为RKTB4i2=2e(IP+Id)B+ RKTB4第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.2.3 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）雪崩光电二极管是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应，从而产生光电流的倍增作雪崩光电二极管是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应，从而产生光电流的倍增作用用 所谓雪崩倍增效应是指所谓雪崩倍增效应是指PN结外加高反向偏压后，在耗尽区内形成一个强电场。当结外加高反向偏压后，在耗尽区内形成一个强电场。当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子被强电场加速，以极高的速度与耗尽区耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子被强电场加速，以极高的

34、速度与耗尽区的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子，并形成链锁反应，从而使光电流在光电二的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子，并形成链锁反应，从而使光电流在光电二极管内部获得倍增极管内部获得倍增 存在一个击穿电压存在一个击穿电压U UB B APD具有转换效率高、响应速度快和附加噪声低等特点具有转换效率高、响应速度快和附加噪声低等特点倍增因子：倍增因子：APD输出光电流和一次光电流的比值输出光电流和一次光电流的比值APD的转换效率是的转换效率是PIN的的g倍，可表示为倍，可表示为噪声噪声APD对量子噪声直接放大之外，还产生新的噪声，表示为过剩噪声因子对量子噪声直接放大之外，还产生新的噪声，表示为过剩

35、噪声因子F。F是倍是倍增因子的倍数。因此量子噪声为增因子的倍数。因此量子噪声为暗电流噪声为暗电流噪声为PoIIg nBonBURIUUUg1111为附加噪声指数，x222xPqBgeIixddBgeIi222第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.3 光无源器件光无源器件连接器和接头连接器和接头光耦合器光耦合器光隔离器与光环形器光隔离器与光环形器光调制器光调制器光开关光开关第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.3.1 连接器与接头连接器与接头连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动活动)连接的器件。连接的器件。主要用于光纤线路中光纤与其他器件的活动连

36、接。主要用于光纤线路中光纤与其他器件的活动连接。接头：光纤与光纤之间的固定连接。接头：光纤与光纤之间的固定连接。第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 连接器连接器单芯连接器结构如图单芯连接器结构如图套管和插针保证光纤对中连接套管和插针保证光纤对中连接低插入损耗要求：低插入损耗要求：端面适配、直线连接端面适配、直线连接球端面或斜面球端面或斜面光纤套管插针 粘结剂第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 3.3.2 光耦合器光耦合器功能：把一路光信号分配给多路输出或将多路光信号组合成一路输功能：把一路光信号分配给多路输出或将多路光信号组合成一路输出出对光路影响：对光路影响：插入损耗插入损耗反射

37、及串扰噪声反射及串扰噪声耦合器类型：耦合器类型：T型耦合器型耦合器星型耦合器星型耦合器定向耦合器定向耦合器波分复用波分复用/解复用器解复用器第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 图 3.28 常用耦合器的类型 T形(a)星 形(b)定向(c)231412N12N(d)波分第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 耦合器基本结构耦合器基本结构光纤型光纤型微器件型微器件型波导型波导型第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 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 输入光光强度光纤a光纤b 输出光2341(a)(b)123456789101112(c)光纤型耦合器结构第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 定向耦合器定向耦合器由耦合理论：由耦合理论：调节调节a、b的有效长度使：的有效长度使：当当Pa(1)最大时最大时,Pa(2)=0当当Pb(2)最大时最大时,Pb(1)=0图 3.30 光纤型波分解复用器原理 1、 21212耦合长度光功率ababba)(cos)()(cos)(22212121LCPLCPba第第3 3章章 通信用光器件通信用光器件 主要特性主要特性耦合比：耦合比：附加损耗：附加损耗：插入损耗插入损耗方向性（隔离度）方向性（隔离度）一致性：一致性：耦合比