大学本科课件---光纤通信原理第6章 光有源器件_2光探测器放大器2010.ppt

1、第6章 光通信系统中的 光有源器件,6.1 光纤通信中的光源 6.2 光检测器 6.3 光放大器,6.2 光检测器,光信号经光纤传输后，不仅幅度衰减了，而且脉冲波形也会展宽。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。 光接收机的主要器件是，利用光电效应把光信号转变为电信号的光电检测器。 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。 半导体材料制成的光电检测器可以满足这些要求。,6.2.1 光检测原理（物理基础）,发生受激吸收产生一个电子空穴对; 在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子空穴

2、对，在电场的作用下，在外电路形成光生电流； 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。,光检测原理受激吸收,假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。,光检测原理光生电流,在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子空穴对在电场的作用下, 分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。,半导体光电检测器的核心是PN结的光电效应。,有光(h Eg

3、)照射时，光吸收过程产生的光生载流子在结区内电场作用下漂移，结果在P区形成过剩空穴积累、在N区形成过剩电子积累，即在PN结产生图(a)所示的光生电动势光伏效应。 在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子空穴对在电场的作用下, 分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。,6.2.2 光电二极管,光纤通信中最常用的光电检测器有： PIN 光电二极管 雪崩光电二极管(APD),一、PN光电二极管,简单 PN 结光电二极管的两

4、个主要缺点： 其结电容或耗尽区电容较大，RC 时间常数较大，不利于高频调制。 其耗尽层宽度最大也只有几微米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽度W还大，大多数光子没有被耗尽层吸收，因此长波长的量子效率很低。,二、PIN光电二极管,PN结中间加一层本征或轻掺杂半导体材料形成I区，作为耗尽层。I区(Intrinsic Region)的宽度较宽，典型值20 50m，可吸收绝大多数光子，使光生电流增加，并获得高响应度。适当选择I 区厚度可同时兼顾响应度和响应速度。,为了克服 PN 管存在的问题，可采用 PIN 光电二极管,采用双异质结的PIN光电二极管,通过对材料带隙能级的选取，使光吸收仅发生在本征层，大

5、大提高了光电转换效率和响应速度。 例如：P+区和N+区采用InP，其带隙为1.35eV，对波长0.9m的光透明；中间层采用InGaAs材料，其带隙为0.75eV(对应截止波长1.65m)。因此，本征层对波长1.31.6m的光吸收能力很强。几m厚的InGaAs就可以使光子吸收完全发生在耗尽层内，量子效率接近100%。,光电二极管的性能参数,(1) 响应度,式中, P0为入射在光检测器上的稳态平均光功率，Ip为相应产生的光电流，单位是A/W。,(2) 量子效率,式中，e为电子电量，h 为普朗克常数，c为真空中光速，为光波长。,(6.2.1),(6.2.3),(3) 光电二极管的响应波长,由光电效应

6、发生的条件h Eg可知，对任何一种材料制作的光电二极管都有上截止波长，定义为,其中，禁带宽度Eg用电子伏特表示。,对硅(Si)材料制作的光电二极管c=1.06m；对锗(Ge)和InGaAs材料制作的光电二极管c=1. 6m。,（6.2.4),a. 上截止波长,b. 响应波长的下限,存在下限波长主要原因是：由于入射光波长太短时，光子吸收增强（光子穿透深度减小），使得大量入射光子在检测器PN结的表面层（零电场的中性区）被吸收，所生成的光电载流子集中在器件表面很窄的区域，导致它们在被外电路收集前就发生了复合，因此无法产生光电流，即光电转换效率大大下降（量子效率减低）。 该过程是一种缓变过程。,Si光

7、电二极管的波长响应范围为0.5m 1.0m ， Ge和InGaAs光电二极管的波长响应范围为1.1 m 1.6m。,PIN光电二极管的波长响应曲线,PIN光电二极管的性能参数,量子效率 响应度 R 暗电流, 表示无光照时出现的反向电流，它影响接收机的信噪比; 响应速度, 它表示对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示; 结电容 (pF), 它影响响应速度。,三、雪崩光电二极管,雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器； APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在 PN 结内部形成一个高电场区； APD能提供内部增益； 工作速度高； 广泛应用

8、于光通信系统中。,光生的电子空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子空穴对，称为二次电子空穴对。 新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。,1. APD的工作原理,2. 平均雪崩增益,(6.2.5),式中，IP是初始的光电流，IM是倍增后的总输出电流的平均值。M也与结上所加的反向偏压有关。,3. APD的响应度,APD的响应度定义为:,(6.2.6),式中，R0是M=

9、1时的响应度，即无倍增时的响应度，与PIN的响应度相同。 倍增与雪崩有关，M是外加电压的函数。,例题：PIN光电二极管的灵敏度,例题：InGaAs APD灵敏度,6.3 光放大器,在光纤通信中的光-电-光再生中继,光电中继需要经历信号的光电和电光转换，过程和设备都复杂，系统的稳定性和可靠性不高，传输容量受到一定的限制。,再生中继器的缺点,任何光纤通信系统的传输距离都受光纤损耗或色散限制 因此，传统的长途光纤传输系统，需要每隔一定的距离，就增加一个再生中继器，以便保证信号的质量。这种再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换，并在光信号转变为电信号时进行再生、整形和定时处理，恢复信号形状和幅度，然

10、后再转换回光信号，沿光纤线路继续传输。 这种再生中继方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出，因为每个信道均需要进行波分解复用，然后光-电-光变换，经波分复用后，再送回光纤信道传输，所需设备更复杂，费用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。,光放大器应运而生,多年来，人们一直在探索能否去掉上述光-电-光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器。 经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤喇曼放大器（DRA）和半导体光放大器（S

11、OA）技术已经成熟，众多公司已有商品出售。本章对这几种放大器进行简要的介绍。,6.3.1 半导体光放大器,对于半导体光放大器(SOA, Semiconductor Optical Amplifiers)的研究，早在1962年发明半导体激光器不久就已开始； 在上世纪80年代，当认识到它在光波通信传输系统中具有广泛应用前景的驱使下，才对SOA进行了广泛的研究和开发。,半导体光放大器外形,一、半导体光放大器的工作原理,半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。 光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。该增益通常不仅与入射信号的

12、频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。,在半导体激光器两反射谐振面镀防反射膜，并使器件工作在接近阈值状态，器件便构成了行波光放大器。,行波光放大器是一个没有反馈的激光器。 其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。,1. 行波半导体光放大器,半导体激光器由于在解理面存在反射，当偏流低于阈值时作为放大器。 减小腔体界面反射，可使激光器变为放大器。 这种放大器就称为 F-P 放大器。,2. F-P 半导体光放大器,二、半导体光放大器的结构,放大器,3. 克服TE、TM模的增益差,半导体光放大器对偏振与波导(激活区)平行的

13、TE模和垂直的TM模的增益不同。为减小对偏振光放大的失真，可采取如右图的方法。,偏振分束器,三、半导体激光放大器（SOA）特性,增益：芯片 3035dB，除 810dB的耦合损耗外，还有2225dB的增益。 带宽很宽：5070nm，可以对窄至几个 ps 的超窄光脉冲进行放大。 工作波段：1.31.55m；尺寸小：0.11mm。 可与光发射机和接收机一起单片集成在一起。,6.3.2 掺铒光纤放大器,使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为掺铒光纤放大器(EDFA)。这些离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。 虽然掺杂光纤放大器早在1964年就有研究，但是直到

14、1985年才首次研制成功掺铒光纤。1988年低损耗掺铒光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供实际使用。 放大器特性，如工作波长、带宽由掺杂剂所决定。掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的1.55m波长区，它比其它光放大器更引人注意。,掺铒光纤放大器（EDFA）结构,EDFA各部分作用,(1) 掺铒光纤 光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及泵浦光功率等。 (2) 泵浦源 对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺

15、铒光纤。 最先使用1480 nm的 InGaAs 多量子阱(MQW)激光器，其输出功率可达 100 mW，泵浦增益系数较高。 随后采用980nm 波长泵浦，效率高, 噪声低，现已广泛使用。,(3) 波分复用器 其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的要求是插入损耗低，因而适用的WDM器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。 (4) 光隔离器 在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。,EDFA各部分作用,一、掺铒光纤结构,二、EDFA工作原理及其特性,在掺铒离子的能级图中，E1是基态， E2 是中间能级

16、，E3代表激发态。 若泵浦光的光子能量等于 E3 与 E1之差，铒离子吸收泵浦光后，从E1升至 E3。但是激活态是不稳定的，激发到E3 的铒离子很快返回到 E2。 若信号光的光子能量等于 E2 和 E1 之差，则当处于 E 2的铒离子返回E1 时则产生信号光子，这就是受激发射，结果使信号光得到放大。,泵浦光是如何将能量转移给信号的？,如何将泵浦光能量有效转移给信号？,为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到激发态能级 E3，能级寿命1s。 从以上分析可知，能级 E2（能级寿命10ms）和 E1 之差必须是需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态 E1 跃迁到

17、激活态 E3。 EDFA的增益特性与泵浦方式及其光纤掺杂剂有关。 可使用多种不同波长的光来泵浦 EDFA，但是 0.98 m 和 1.48 m的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵浦 EDFA 时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达 30 40 dB 的放大器增益。,图示出了输出信号功率与泵浦功率的关系。 能量从泵浦光转换成信号光的效率很高，因此EDFA很适合作功率放大器。 泵浦光功率转换为输出信号光功率的效率为 92.6%，60mW功率泵浦时，吸收效率为88%。(信号输出功率 信号输入功率) / 泵浦功率,三、 输出信号功率与泵浦功率的关系,图示：小信号增益与泵浦功率的关系,小信号增益和

18、泵浦功率的关系,对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小,对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快降低。 其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。,小信号增益和光纤长度的关系,小信号增益频谱,大信号增益频谱,图示：信号增益频谱,例题：计算 EDFA增益,EDFA 的增益特性小结,对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小。 对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳

19、值后很快降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。 选择适当的 L 值和 PP,，获得所需要的增益。当用1.48m 波长的激光泵浦时，如泵浦功率 5mW，放大器长度 30 m，则可获得 35dB 的光增益。,四、 放大器噪声,由于自发辐射噪声在信号放大期间叠加到了信号上，所以对于所有的放大器信号放大后的信噪比（SNR）均有所下降。与电子放大器类似，用放大器噪声指数Fn来量度SNR下降的程度,并定义为：,式中，SNR 指的是由光电探测器将光信号转变成电信号的信噪比，(SNR)in表示光放大前的光电流信噪比， (SNR)out表示放大后的光电流信噪比。通常Fn与探测器的参数

20、、如散粒噪声和热噪声有关，对于性能仅受限于散粒噪声的理想探测器，人们可以获得Fn的简单表达式。,(6.3.2),(6.3.1),自发辐射系数sp=N2/(N2-N1)是铒离子反转系数，它与处于基态和激活态的离子数，N1和N2有关。对于铒离子完全反转放大器（即所有铒离子均被泵浦光激发到激活态），sp=1；但是当离子数反转不完全时，总有一部分铒离子留在基态，此时sp1。于是EDFA的噪声指数要比理想值3dB大。放大器噪声指数：,在光通信系统中，光放大器应该具有尽可能低的Fn。放大器噪声是系统性能的最终限制因素。,(6.3.3),EDFA泵浦功率对噪声指数的影响,图示出泵浦功率对放大器噪声指数影响的模拟结果。 数值计算表明，强泵浦功率的高增益放大器可以得到接近3dB 的噪声指数。实验结果也验证了这个结论。 噪声指数就像放大器增益一样，与放大器长度和泵浦功率有关。,例题： 光放大器噪声指数,五、掺铒光纤放大器的优点,（1）工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区( 1500 nm )； （2）EDFA的主体也是一段光纤，它与线路光纤的耦合损耗很小，甚至可达到