浙江工业大学《通信光电子基础》课件 第六讲 有源器件

2025/8/181光电子技术6器件1有源器件EDFA,SOA,DFB-LD,VCSEL2光电新器件TW-PIN,EAM, EATransceiver, WavelengthConverter2025/8/182光电子技术6-1有源器件

光放大器EDFA,SOA半导体激光管LD,DFB-LD,QW-LD光电探测器PD,PIN,APD2025/8/183光纤放大器掺Er光纤放大器EDFA

掺Pr光纤放大器PDFA

双包层光纤放大器DCFA2025/8/184光纤通信系统的波段光纤谱损耗的研究形成早期通信三波段850nm石英光纤的损耗~3-5dB/km1310nm光纤的损耗~0.4dB/km(PDFA)1550nm光纤的损耗~0.2dB/km(EDFA)目前主要使用1310和1550nm两波段，在这两个波段不但损耗小，而且色散也小。目前正在研究的是全波光纤。2025/8/185DWDM与OTDM的发展当前,每一信道具有40Gb/s的高码率。提高单纤容量的途径：采用(OTDM)技术提高单个信道的传输能力,目前已达640Gb/s。采用(DWDM)技术因为光纤是透明的，因此,在C、L两波段安排100ch.以上。提高光纤的透明性已开发全波段光纤,增加(DWDM)的可用信道。2025/8/186光纤通信波段及容量1300波段~3Tb/s (S)1290-1320nm,75ch.x40Gb/s~3Tb/s1550波段 ~10Tb/s (C)1530-1565nm,100ch.x40G~4Tb/s (L)1565-1620nm,140ch.x40G~6Tb/s2025/8/187全波段光纤的开发1999年美国Corning公司实验结果表明，已可将1390nm附近离子损耗去掉，从而实现了1310nm窗口与1550nm窗口的连通，形成约400nm的光纤传输带宽。理论上，在此传输带宽上的光纤传输能力将近400Tb/s。因而，积极开拓光纤的宽带传输能力研究正方兴未艾。2025/8/188光纤带宽的扩大全波光纤可开发出~400nm(~400THz)的带宽。划分为如下几个波段dB0.40.20.0S5thWINDOWCL

EDFA

PDFA

RAMANAMP.OH2025/8/1891,450nm1,490nm1,530nm1,570nm1,610nm1,650nmS+BandSBandCBandLBandL+BandRFATDFAEDTFAGS-EDFAEDFAErbiumDopedFiberAmplifierGain-ShiftedErbiumDopedFiberAmplifierTellurite-BasedErbiumDopedFiberAmplifierThuliumDopedFlouride-BasedFiberAmplifierRamanFiberAmplifierTotal~200nm:500~1,000waves?80nm:~200waves?40nm1,550nm1,580nmPotentialofOpticalFiber:perhaps250wavesx100Gb/s=25,000Gb/s=25Tb/s?2025/8/1810 掺杂光纤放大器C波段EDFA已经成熟，研究热点已转向S波段和L波段光纤放大器。S+波段（1450〜1510nm）TDFAS波段（1480〜1510nm）GS-TDFA掺铥Tm3+

氟化物光纤放大器C波段（1530〜1565nm）

EDFA掺铒Er3+光纤放大器L波段（1575〜1620nm）GS-EDFA，ELDF铒镧

Er3+/La3+共掺光纤放大器C+L波段（1530〜1620nm）宽带光纤放大器混合Raman/EDFA混合光纤放大器2025/8/1811EDTFA特点碲基掺铒光纤放大器的特点Te基光纤的掺Er浓度比Si基大~4000ppm.Te基光纤在L波段的发射截面是掺Er的两倍.放大带宽比较大1530—1620nm~80-90nm的放大带宽.一个放大器用的Te基光纤的长度比Er基的短得多.Te基Er光纤的发射光谱与Er基类似,在1534与1556nm有峰值点而尾巴拖得很长直到1620nm,所以对L波段工作有利.2025/8/1812

RAMAN光纤放大器工作原理

Raman散射是入射的光子与介质分子振动的声子相互作用。当入射光子能量经过散射作用转移给声子而输出频率较低的光波—被称为斯托克斯stokes波。也可能将声子能量转移给光子而产生频率较高的反斯托克斯anti-stokes波。Raman散射可以用于放大光信号。将泵浦光和信号光(stokes谱线)同时输入介质，获得与泵浦功率成正比的增益(单位长度的)以放大stokes谱线的信号光。当增强泵浦功率或增大相互作用距离，可能做到自发辐射的Raman光被放大到与泵浦强度相接近的程度，这种状态称为受激Raman散射。Anti-stokes线被吸收，不可能得到放大。2025/8/1813RAMAN光纤放大器工作原理对于SiO2玻璃材料stokes谱线的频移,按能量守恒原理式中为信号光stokes波长，为泵浦光波长,a为声子振动的波数(a=440cm-1)。当信号光工作在1550nm时，泵浦波段正好落下1480nm附近。这就是说Raman放大器的泵浦波长大约比信号波长短100nm左右。Raman放大器的增益带宽取决于泵浦波长的带宽，因此,要获得适合DWDM要需的宽带宽就比EDFA来得容易些，只要用多个激光器进行多重泵浦。这要比研究L波段(1565-1615nm)的EDFA容易许多。它可能实现带宽达到200—400nm，以支持码率为50Gb/s的1000个通道。2025/8/1814基本单级单元框图基本单级单元框图单元框图2025/8/1815技术问题泵浦光源的解决增益光纤的决定

放大器结构的实现（前泵、后泵、级联、并联、环型等 光纤结构）增益均衡的实现（泵浦光源的优化配置、增益均衡器）

瑞利散射的抑制在增益均衡滤波中考虑）

其他非线性的抑制（SBS的抑制）整体噪声系数的提高（泵浦光源、增益光纤特性同时考虑

数模模拟设计）整机的实现2025/8/1816SIGNALIINPUT

SIGNALOUTPUTPUMPINRESIDUALPUMPOUT环行器光纤线路RAMAN光纤放大器原理图2025/8/1817RAMAN分布放大与泵浦红带表示32ch.的增益分布曲线。蓝线表双泵浦的功率分布。EDFAEDFAPUMP020406080100120kmdBm100-10Span120km01202025/8/1818半导体激光放大器SOA半导体激光放大器SOA基本结构与LD相似最大差别在于两端面镀以减反膜(AR<10-4)。INPUTOUTPUTARAR膜单次通过有源区当R=0时，构成行波放大器(TW-SOA)2025/8/1819两次通过有源区SOAHRARINPUTINPUTOUTPUTOUOUTPUT2025/8/1820SOA的应用传输信号放大功放、线路放大、前放中途谱反转(色散补偿)全光中继OTDM信息交换波长路由光开关矩阵NOLM时钟恢复、脉冲整形光时分解复用器2025/8/1821SOA与EDFA的比较SOAEDFA波长范围850,1250~1650nm1530~1610nmGaim(dB)>25>35增益谱宽(nm)>45~35饱和输出(dBm)13~1615~16噪声系数(dB)6~75~6偏振无关增益dB~0.50.5泵浦电注人LDpump与其他器件集成方便No价格(比值)1/2~1/312025/8/1822LED的主要特性与种类工作波长与带宽850nm GaAlAs1300,1550nm InGaAsP(920-1650nm)LED的工作带宽Δλ=30~40nm输出光功率 ~10μW调制频率 <100mHz2025/8/1823高速LED与SLD高速LED调制速率可达600mHz或2GHz.输出功率 30~50μWSLD(超辐射LED)输出功率 300~350μWΔλ 30~100nm常用作光纤陀螺的光源.2025/8/1824SLD的类型光源面发射(SLED)边发射(ELED)SLDLD单模输出(uW)0.5~15~50100~350200~1500Δλ（nm)15090~5030~1005功率变化(%/C)0.4242025/8/1825LED发送机的电路LED电路数字调制模拟调制IPPI2025/8/182600C20406080LEDLD阈值随温度与时间变化斜率不随温度与时间变化LED与LD特性的差异PPII2025/8/1827F-PLD主要特性LD的材料与LED相同F-P谐振腔一般为基横模多纵模输出. 模式控制之后可以形成基横模单纵模.

输出模斑为椭圆形.光谱带宽Δλ=0.5–1nm左右.输出功率1mW阈值电流Ith~50–150nm2025/8/1828双异质结(DH)-FPLD双异质结半导体激光器的能级结构2025/8/1829DHF-PLD半导体激光发射的基本原理 采用电子注入的方式产生双简并态、当满足，从上图可以看到导带底的电子将跃迁到价带顶与空穴复合而发射出频率为ν1的光子，这是半导体激光发射的基本原理。2025/8/1830多纵模与单纵模+基横模(椭圆光斑)g(ν)F-P腔的梳状纵模2025/8/1831光的内调制技术光内调制系统图

LD激光器LD直流电源偏置T电路驱动电路电信号光输出RF

DC

LD

L

C

R2025/8/1832激光器发送机的电路模拟调制数字调制PP2025/8/1833内调制的缺点调制频率低<2.5Gb/s．直接注入电流调制形成信号强烈的啁啾，造成光谱线宽加宽．2025/8/1834内调制的缺点DFBLD器件注入电流引起频谱的变化率为假设注入电流为20mA，那么电流引起的调频为2025/8/1835光外调制系统图外调制器种类

1晶体电光调制器

2半导体电吸收调制器

LD外调制器直流电源电信号光纤光输出2025/8/1836外腔式半导体激光器(1)基本结构(FBG-ECL-LD)性能FBG–ECL线宽窄~0.1nm(3dB)光谱线温度稳定性好 ~0.013nm/0C边模抑制比 ~35dB光谱可调谐范围 ~20nmF-PLDARFBGAR的R<0.0012025/8/1837外腔式半导体激光器(2)体光栅外腔半导体激光器结构性能当腔长达10cm可实现单纵模振荡，纵模间隔~0.005nm体积大，稳定性差是该器件主要缺点F-PLD粗调细调ARAR2025/8/1838外腔式半导体激光器(3)有源波导阵列MAGIC(Multistripearraygrattingintegratedcavity)光栅半导体光栅阵列激光器不同的波长经光栅馈入不同的有源条波导形成激光输出。形成WDM光源2025/8/1839常规光源DFB-LDDFB-LD加AR膜消除激光F-P谐振腔；依靠/4相移的布拉格光栅实现单纵模振荡。(/4相移光栅消除空间烧孔现象形成单纵模振荡)特点有源层ARAR/4相移电流注入单纵模线宽MHZ量级光谱稳定0.08nm/0C频率啁啾~250MHz/mA输出光强大~100mW纵模抑制比>30dB2025/8/1840双极DFB-LD结构该器件有两个电极 分制控制器件的增 益(功率)与波长第一电极控制G并 完成电讯号的调制第二电极控制器件 的折射率n，完成 波长的调制。有源层ARAR/4相移电流注入控制增益电流注入控制波长2025/8/1841DBR-LD有源层AR在有源区的两端制备Bragg光栅反射器形成激光谐振腔。有源区分相位、增益、与电吸收调制三区其光电特性与DFB-LD相近。Bragg

GPEAMBraggAR电流注入Ib(G)

Ip(

)IS(mod.)2025/8/1842量子阱与超晶格超晶格指二种不同半导体材料相互交替生产的多层芯薄膜结构，因为膜层厚度远大可晶体晶格尺寸，故得名之。量子阱超晶格的间隔层足够簿即可以与德布洛意波长相比时，形成的周期性能级结构取名为量子阱。2025/8/1843多量子阱半导体激光器MQW把一个窄带隙的有源区夹在半导体的宽带隙的中间形成单量子(SQW)-LD，如果有多个应变的量子阱夹在半导体材料中形成MQW-LD。SQW2025/8/1844多量子阱半导体激光器QW器件的特点阈值电流低目前最小阈值电流仅0.55Ma，仅为双异质结LD的1/3~1/5。由于，阈值电流变小，功耗低，温度稳定性大为改善，并且可以在高温下工作。光谱线宽窄与双异质结LD相比线谱缩小一半左右。调制速度高，动态稳定性好，Chirping小，横模控制性变好。2025/8/1845DH-DFBLD与MQW-DFBLD比较DH-DFBLD在1Gb/s速率下不同驱动电流的光谱图MQW-DFBLD在1Gb/s速率下不同驱动电流的光谱图10ma20ma30ma40ma10ma20ma30ma40ma2025/8/1846DH-DFBLD与MQW-DFBLD比较MQW-DFBLD比DH-DFBLD具有更易集成、更低阈值电流、更高的单频性。在高频调制状态下不出现跳模和频移的形象。2025/8/1847作光泵浦用的大功率器件波长范围

0.85~0.94mnm0.98~1.48mnm单模输出 0.1~1.0W多模输出 1.0~1000W2025/8/1848WDM对光源器件的规定与要求ITU-TG.692建议DWDM的参考频率为193.1THz(1552.52nm)。不同波长的频率间隔为100GHz的整数倍(对应波长间隔为0.8NM)。标称中心频率茫围从192.1THz(1560.61nm)到196.1THz(1528.77nm)。(C波段)技术上将1525-1540nm称为蓝带区，1540~1565nm为红带区。2025/8/1849WDM对光源器件的规定与要求ITU建议容量小于40Gb/s时，先使用红带区。中心频率偏差的规定：偏离量小于信道间隔(

f0)的 10%。这对光源的单频与稳频特性提出了严格的要求。频率间隔也定为4002001005025GHz。2025/8/1850常用DWDM中心频率表光信道中心波长中心频率

11548.51193.6

21549.32193.5

31550.12194.4

41551.72193.3

51552.52193.2

61553.33193.1

71554.13193.0

81554.94192.92025/8/1851光源器件性能F-PLD的线宽约为 中心波长

0随温度的变化约为0.1nm/C0

中心波长

0随注入电流的变化为0.01nm/mADFB-LD要求单纵模，线宽约为1~2MHz

0随温度的变化约为0.01nm/C0

0随注入电流的变化为250-1000MHz/mA对DWDM技术而言，光源必须用DFB-LD并加恒温措施，边模抑制比>30dB，不跳模。2025/8/1852光源的研究方向高速率，低啁啾，动态单频稳频，光子集成的DFB-LD单片光子功能集成

LD的直接受限于<5Gb/S MQW-EAMD响应速率~100Gb/S DFB-LD+EAMD响应速率~40Gb/S不同波长LD的光阵列集成AWG+DFB-LD850nm和670nm低价的VCSEL(FTTH)2025/8/1853波长可选择的DFB-LDLD1LD2LD3LD4LD5LD6LD7LD8OUTPUT波长范围>12mm输出功率>2mW合波器2025/8/1854垂直面发射二极管VCSEL

(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser)VCSEL有三种型式。最常用的还是垂直腔型，如下页示。垂直腔的优点是它发射圆形单模光束，易于和光纤或其他无件相耦合(有最高耦合效率)2025/8/1855VCSEL的优点发光效率高850nm，10mA下输出1.5mW工作阈值低1mA~1muA，一般在5~15mA动态单频工作，温度稳定性好工作频率高1Gb/s低格低、产量高.2025/8/1856垂直面发射二极管VCSELBGRBGR该器件主要用方FTTH接入技术,它最有可能做到低价格2025/8/18576-2光电新器件光电探测器光电新器件EAMTW-PIN TRANSCEIVER WavelengthConverter2025/8/1858光电探测器现代光通信技术中用的光探测器都是半导体光电探测器材料：Si(0.94mnm)，Ge(1~1.7mnm)，GaAs，InGaAs，GaAsP，InGaAsP等(1~1.7mnm)类型在光照下在PN结上出现电动势—光电压型在光照下在PN结上出现内阻减少，形成光电流—光电导型2025/8/1859光电探测器当前的高速光电探测器是PD、PIN、APD。当前光电探测器的最高探测速率是PIN约~8PS (带宽50GHz)。APD的增益较大，但噪声较大正在研究的更高速的光电探测器是行波光电探测器(Travellingwavephotodetecor)。2025/8/1860PN结型光电二极管PD光电二极管的结构图(a)和管心截面图(b)如下所示：该PN结面积较小，结深较浅，以利于提高光电转换效率。2025/8/1861无光照射光照射2025/8/1862PN结型光电二极管图(a)表示在热平衡状态、无光照射时,PN结的能带图。 在PN结区(耗尽层),N区的电子向P区扩散形成内建电场,

上图表示接触电势的分布,下图表示能带图，平衡态时 费米能级是共同的。图(b)表示在光照射下,开路时，PN结区厚度变薄与费米能级分裂。费米能级之差(EFC-EFV)等于PN结的能量位垒。这个位垒约束多数载流子进入耗尽层。当PN结受到能量大于禁带宽度Eg的光照射时，其价带中的电子在吸收光能后将跃迁到导带成为自由电子，同时在价带中留下自由空穴。这些由光照产生的自由电子和自由空穴统称为光生载流子。2025/8/1863APD型光电二极管为何要研制APD型光电二极管(avalanchephotodiode)

普通光电二极管产生的电流很微弱，必须进行放大和处理。但用前置电子放大器进行放大时，又会引入放大器的噪声。为了克服这种缺点，采用具有内部光增益的光电二极管来增大输出电流，于是发明了雪崩型光电二极管。APD型光电二极管的管芯构造如下图所示：

2025/8/1864APD型光电二极管APD型光电二极管的工作原理： 当在光电二极管上加高的反向电压，使其耗尽区内的电场强度大于105V/cm时，电子经过高场区的漂移之后形成高能电子,它在导带n耗尽区碰撞形成二次电子,同时在价带形成空穴---二级的电子—空穴对。 这些新的电子—空穴对又由于碰撞游离而产生更多新的电子—空穴对，形成雪崩现象，从而使流过二极管的光电流成十倍地增加。当外加反向电压接近击穿电压时,雪崩增益可达100左右。2025/8/1865波导电吸收EA

调制器、探测器和转发器EA材料特性曲线E

det

mod

在半导体的PN结中既有可能作为光的探测器，也可以二施加电场改变器件的光吸收系数作为光调制器件。光吸收2025/8/1866Electro-absorptionmodulatorP-InP包层N-InP包层P电极(TiPtAu)N电极(GePtAu)InP基质InGaAs/InGaAsP-MQW波导层2025/8/1867EAM作探测器与电吸收调制器偏置电压V0-1-2-3-40-10-20-301.20.80.40-2-4-6-8透过率dB1550nm1510nm偏置电压VEAMPD灵敏度A/W2025/8/1868已调光输入CW光输入已调制光输出MODEoutputEinputEAM+RFCirculator=EAT

1+f1

2

2+f2f1f22025/8/1869EAT结构

Electro-absorptionTransceiverN+InPcladdingInGaAs(P)/InGaAsP-MQWP+InPcladdingWdW8mL300-600mD400nm2025/8/1870EAT作频率变换器IF+dataLD1LD2光混频电混频2025/8/1871EATransceiver利用行波光探测器和电吸收调制器集成在同一芯片中可以构成一个新器件。TWD+EAM=EAT(Transceiver)2025/8/1872两节的EATPD已调光输入CW光输入已调制光输出电输入电输出MOD2025/8/1873宽带光纤--无线环网1OADMOADM2NOADMC-bandL-bandC-bandL-band12n12n有信号信道空信道2025/8/1874EAT用于OADMFBG1FBG2EATF1，F2F0+F1F0+F2F22025/8/1875OADM+EAT可构成WDM的ROFOADMEATWDMD-WDM2025/8/1876波长变换器波长变换器O/E-E/O全光SOA波导LDXGMXPMFWM光纤LiNb03DFB-LD锁模-LD双稳-LD2025/8/1877Wavelengthconversion

基本要求比特率透明(>10Gb/s)无消光比劣化高S/N比大的波长转换范围低chirping对输入信号偏振不敏感2025/8/1878SOA-WavelengthconvertersSOA

1

2cw

2Tunablefilter同向XGM-SOA波长变换器SOA

1

2cw

2背向XGM-SOA波长变换器2025/8/1879XGM-SOA工作原理交义增益调制波长转换的机理是IM调制信号使SOA增益饱和，从而调制了SOA的增益。当连续cw波探测光注入SOA后cw波将被此增益变化的调制。因此将携带与input相同的IM信号。背向传输的优点是可省去光滤波器,结构简单，并且可实现相同波长变换，转换效率高响应速度快。缺点是转换信号的chirp较大，消光比变差。为此提出同时使用XGM和有源层双折射效应。2025/8/1880XGM-SOAWavelengthconverters采用DFB/SOA-XGM可达100Gb/s,(OTDM)WQM有源区2x(

2/8)相移光栅DFB-LDSOA80