1、第3章通信用光器件第3章通信用光器件3.1光源3.2光檢測器3.3光無源器件第3章通信用光器件3.1光源光源光源是光發射機的關鍵器件，其功能是把電信號轉換為光信號。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導體激光二極管或稱激光器(LD)和發光二極管或稱發光管(LED)，有些場合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。本節首先介紹半導體激光器(LD)的工作原理、 基本結構和主要特性，然后進一步介紹性能更優良的分布反饋激光器(DFB-LD)，最后介紹可靠性高、 壽命長和價格便宜的發光管(LED)。 第3章通信用光器件3.1.1半導體激光器工作原理和基本結構半導體激光器工作原理和基本結

2、構半導體激光器是向半導體PN結注入電流，實現粒子數反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現光放大而產生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激輻射的光放大)的縮寫。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。第3章通信用光器件1. 受激輻射和粒子數反轉分布受激輻射和粒子數反轉分布有源器件的物理基礎是光和物質相互作用的效應。在物質的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態，能量比基態大的能級Ei(i=2, 3, 4 )稱為激發態。電子在低能級E1的基態和高能級E2的激發態之間

3、的躍遷有三種基本方式(見圖3.1)：(1) 在正常狀態下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數目的空穴，見圖3.1(a)。 第3章通信用光器件(2) 在高能級E2的電子是不穩定的，即使沒有外界的作用，也會自動地躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量轉換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發輻射，見圖3.1(b)。(3) 在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量產生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射，見圖3.1(c)。 第3章通信用光器件圖 3.1能級和電子躍遷(a) 受激吸

4、收；(b) 自發輻射；(c) 受激輻射 第3章通信用光器件受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即E2E1=hf12(3.1) 式中，h=6.6281034 Js，為普朗克常數，f12為吸收或輻射的光子頻率。受激輻射和自發輻射產生的光的特點很不相同。受激輻射光的頻率、 相位、 偏振態和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自發輻射光是由大量不同激發態的電子自發躍遷產生的，其頻率和方向分布在一定范圍內，相位和偏振態是混亂的，這種光稱為非相干光。第3章通信用光器件產生受激輻射和產生受激吸收的物質是不同的。設在單位物質中，處于

5、低能級E1和處于高能級E2(E2E1)的原子數分別為N1和N2。當系統處于熱平衡狀態時，存在下面的分布 式中，k=1.3811023 J/K，為波爾茲曼常數，T為熱力學溫度。由于(E2E1)0，T0，所以在這種狀態下，總是N1N2。這是因為電子總是首先占據低能量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(吸收和輻射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質時，光強按指數衰減，這種物質稱為吸收物質。 kTEENN1212exp(3.2)第3章通信用光器件如果N2N1，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質時，會產生放大作用，這種物質稱為激活物質。

6、N2N1的分布和正常狀態(N1N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數反轉分布。問題是如何得到粒子數反轉分布的狀態呢? 這個問題將在下面加以敘述。2. PN結的能帶和電子分布結的能帶和電子分布半導體是由大量原子周期性有序排列構成的共價晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態擴展成能級連續分布的能帶，如圖3.2。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量Ec和價帶頂的能量Ev之間的能量差EcEv=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據禁帶。 第3章通信用光器件圖 3.2半導體的能帶和電子分布(a) 本征半導體；(b) N型半導體；(c) P型半導體 第3章通信用光器件

7、圖3.2示出不同半導體的能帶和電子分布圖。根據量子統計理論，在熱平衡狀態下，能量為E的能級被電子占據的概率為費米分布式中，k為波爾茲曼常數，T為熱力學溫度。當T0時，P(E)0，這時導帶上幾乎沒有電子，價帶上填滿電子。Ef稱為費米能級，用來描述半導體中各能級被電子占據的狀態。在費米能級，被電子占據和空穴占據的概率相同。 )exp(11)(fkTEEEP(3.3)第3章通信用光器件一般狀態下，本征半導體的電子和空穴是成對出現的，用Ef位于禁帶中央來表示，見圖3.2(a)。在本征半導體中摻入施主雜質，稱為N型半導體。在N型半導體中，Ef增大，導帶的電子增多，價帶的空穴相對減少，見圖3.2(b)。在

8、本征半導體中，摻入受主雜質，稱為P型半導體。在P型半導體中，Ef減小，導帶的電子減少，價帶的空穴相對增多，見圖3.3(c)。 第3章通信用光器件圖 3.3PN結的能帶和電子分布P-N結內載流子運動； (b) 零偏壓時P-N結的能帶圖；(a) (c) 正向偏壓下P-N結能帶圖 第3章通信用光器件在P型和N型半導體組成的PN結界面上，由于存在多數載流子(電子或空穴)的梯度，因而產生擴散運動，形成內部電場，見圖3.3(a)。內部電場產生與擴散相反方向的漂移運動，直到P區和N區的Ef相同，兩種運動處于平衡狀態為止，結果能帶發生傾斜，見圖3.3(b)。這時在PN結上施加正向電壓，產生與內部電場相反方向的

9、外加電場，結果能帶傾斜減小，擴散增強。電子運動方向與電場方向相反，便使N區的電子向P區運動，P區的空穴向N區運動，最后在PN結形成一個特殊的增益區。增益區的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結果獲得粒子數反轉分布，見圖3.3(c)。在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產生自發輻射光。 第3章通信用光器件3. 激光振蕩和光學諧振腔激光振蕩和光學諧振腔粒子數反轉分布是產生受激輻射的必要條件，但還不能產生激光。只有把激活物質置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續的光放大和激光振蕩輸出。基本的光學諧振腔由兩個反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構成(如圖3.4所示

10、)，并被稱為法布里-珀羅(F-P，Fabry Perot)諧振腔。由于諧振腔內的激活物質具有粒子數反轉分布，可以用它產生的自發輻射光作為入射光。入射光經反射鏡反射，沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向的光被減弱。反射光經多次反饋，不斷得到放大，方向性得到不斷改善，結果增益大幅度得到提高。 第3章通信用光器件圖 3.4激光器的構成和工作原理(a) 激光振蕩；(b) 光反饋 第3章通信用光器件另一方面，由于諧振腔內激活物質存在吸收，反射鏡存在透射和散射，因此光受到一定損耗。當增益和損耗相等(滿足振幅平衡條件)時，在諧振腔內就會建立穩定的激光振蕩，其閾值條件為 式中，th為閾值增益系數，為諧振腔內

11、激活物質的損耗系數，L為諧振腔的長度，R1、R21為兩個反射鏡的反射率。激光振蕩的相位條件為 21th1ln21RRL(3.4)第3章通信用光器件(3.5)qnLnqL22或式中，為激光在真空中傳播的波長，n為激活物質的折射率，/n為激光在介質中傳播的波長，q=1, 2, 3，稱為縱模模數。式(3.5)意味著，L應為介質中激光傳播波長的1/2的整數倍。 第3章通信用光器件4. 半導體激光器基本結構半導體激光器基本結構半導體激光器的結構多種多樣，基本結構如圖3.5示出的雙異質結(DH)平面條形結構。這種結構由三層不同類型半導體材料構成，不同材料發射不同的光波長。圖中標出所用材料和近似尺寸。結構中

12、間有一層厚0.10.3 m的窄禁帶P型半導體，稱為有源層；兩側分別為寬禁帶的P型和N型半導體，稱為限制層。三層半導體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體介質里面作為反射鏡構成法布里-珀羅(F-P)諧振腔。 第3章通信用光器件圖 3.5雙異質結(DH)平面條形激光器的基本結構(a) 短波長；(b) 長波長第3章通信用光器件圖3.6示出DH激光器工作原理。由于限制層的禁帶寬度比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。P層禁帶寬，導帶的能態比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被

13、限制在厚0.10.3 m的有源層內形成粒子數反轉分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產生的激光被限制在有源區內，因而電/光轉換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續工作。 第3章通信用光器件圖 3.6DH激光器工作原理(a) 雙異質結構；(b) 能帶；(c) 折射率分布；(d) 光功率分布 第3章通信用光器件3.1.2半導體激光器的主要特性半導體激光器的主要特性1. 發射波長和光譜特性發射波長和光譜特性半導體激光器的發射波長取決于導帶的電子躍遷到價帶時所釋放的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，

14、由式(3.1)得到h f=Eg式中，f=c/，f (Hz)和(m)分別為發射光的頻率和波長，c=3108 m/s為光速，h=6.6281034 Js為普朗克常數，1 eV=1.61019 J，代入上式得到 (3.6)ggEEhc24. 1第3章通信用光器件不同半導體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發射波長。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85 m波段，銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.31.55 m 波段。參看圖3.5(b)。圖3.7是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。 第3章通信用光器件圖 3.7GaAlAs-DH激光器的光譜特性(a) 直流驅

15、動; (b) 300 Mb/s數字調制 第3章通信用光器件在直流驅動下，發射光波長有一定分布，光譜具有明顯的模式結構。這種結構的產生是因為導帶和價帶都是由許多連續能級組成的有一定寬度的能帶，兩個能帶中不同能級之間電子的躍遷會產生連續波長的輻射光。其中只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長存在。這些波長取決于激光器縱向長度L，并稱為激光器的縱模。由圖3.7(a)可見，隨著驅動電流的增加，縱模模數逐漸減少，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產生的。當驅動電流足夠大時，多縱模變為單縱模，這種激光器稱為靜態單縱模激光器。第3章通信用光器件圖3.7

16、(b)是300 Mb/s數字調制的光譜特性，由圖可見，隨著調制電流增大，縱模模數增多，光譜寬度變寬。用F-P諧振腔可以得到的是直流驅動的靜態單縱模激光器，要得到高速數字調制的動態單縱模激光器，必須改變激光器的結構，例如采用分布反饋激光器。第3章通信用光器件2. 激光束的空間分布激光束的空間分布激光束的空間分布用近場和遠場來描述。近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布，遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。圖3.8是GaAlAs-DH激光器的近場圖和遠場圖，近場和遠場是由諧振腔(有源區)的橫向尺寸，即平行于PN結平面的寬度w和垂直于結平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模。由圖3.8可以看出，

17、平行于結平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現出由多橫模變為單橫模；垂直于結平面的諧振腔厚度t很薄，這個方向的場圖總是單橫模。第3章通信用光器件圖 3.8GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣第3章通信用光器件圖3.9為典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中和分別為平行于結平面和垂直于結平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。第3章通信用光器件圖 3.9典型半導體激光器的遠場輻射特性(a) 光強的角分布；(b) 輻射光束第3章通信用光器件3. 轉換效率和輸出光功率特性轉換效率和輸出光功率特性激光器的電/光轉換效率用外微分量子效率d表示，其定義是在閾值電流以上，每對復合載流子產生的光子數(3.

18、7a)(thdthIIehfPPhfeIPeIIhfPP/ )(/ )(ththd(3.7b)由此得到第3章通信用光器件式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅動電流，Pth和Ith分別為相應的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。激光器的光功率特性通常用P-I曲線表示，圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。當IIth時，發出的是受激輻射光，光功率隨驅動電流的增加而增加。 第3章通信用光器件圖 3.10典型半導體激光器的光功率特性(a) 短波長GaAlAs-GaAs; (b) 長波長InGaAsP-InP 第3章通信用光器件4. 頻率特性頻率特性在直接光強調制下，激光器輸出光功率P和調制信

19、號頻率f的關系為 2r222r)/(4)/(1 )0()(ffffPfP(3.8a)(3.8b) 1(121th0hpsprIIIIf第3章通信用光器件式中，fr和分別稱為弛張頻率和阻尼因子，Ith和I0分別為閾值電流和偏置電流；I是零增益電流，高摻雜濃度的LD，I=0，低摻雜濃度的LD，I=(0.70.8)Ith；sp為有源區內的電子壽命，ph為諧振腔內的光子壽命。圖3.11示出半導體激光器的直接調制頻率特性。弛張頻率fr是調制頻率的上限，一般激光器的fr為12 GHz。在接近fr處，數字調制要產生弛張振蕩，模擬調制要產生非線性失真。 第3章通信用光器件圖 3.11半導體激光器的直接調制頻率

20、特性第3章通信用光器件5. 溫度特性溫度特性對于線性良好的激光器，輸出光功率特性如式(3.7b)和圖3.10所示。 激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因： 一是激光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率d隨溫度升高而減小。溫度升高時，Ith增大，d減小，輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不激射了。當以直流電流驅動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴重。當對激光器進行脈沖調制時，閾值電流隨溫度呈指數變化，在一定溫度范圍內，可以表示為 第3章通信用光器件式中，I0為常數，T為結區的熱力學溫度，T0為激光器材料的特征溫度。GaAlAs-GaAs激光器T0=100150 K

21、、InGaAsP-InP激光器T0=4070 K，所以長波長InGaAsP-InP激光器輸出光功率對溫度的變化更加敏感。外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感，例如，GaAlAs-GaAs激光器在77 K時d50%，在300 K時，d30%。圖3.12示出脈沖調制的激光器，由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P-I曲線的變化。 (3.9)exp(00thTTII 第3章通信用光器件圖 3.12P-I曲線隨溫度的變化第3章通信用光器件3.1.3分布反饋激光器分布反饋激光器隨著技術的進步，高速率光纖通信系統的發展和新型光纖通信系統(例如波分復用系統)的出現，都對激光

22、器提出更高的要求。和由F-P諧振腔構成的DH激光器相比，要求新型半導體激光器的光譜寬度更窄，并在高速率脈沖調制下保持動態單縱模特性；發射光波長更加穩定，并能實現調諧；閾值電流更低，而輸出光功率更大。具有這些特性的動態單縱模激光器有多種類型，其中性能優良并得到廣泛應用的是分布反饋(DFB，Distributed Feed-Back)激光器。 第3章通信用光器件普通激光器用F-P諧振腔兩端的反射鏡，對激活物質發出的輻射光進行反饋，DFB激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結構(波紋狀)衍射光柵實現光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱為分布反饋激光器。如圖3.1

23、3所示，由有源層發射的光，從一個方向向另一個方向傳播時，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產生更強的反饋，而其他波長的光將相互抵消。雖然每個波紋峰反射的光不大，但整個光柵有成百上千個波紋峰，反饋光的總量足以產生激光振蕩。第3章通信用光器件圖 3.13分布反饋(DFB)激光器(a) 結構；(b) 光反饋 第3章通信用光器件光柵周期由下式確定式中，ne為材料有效折射率，B為布喇格波長，m為衍射級數(取正整數)。在普通光柵的DFB激光器中，發生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為 (3.10)e

24、B2nm(3.11)Lne2BB2, 1221式中L為光柵長度，其他符號和式(3.10)意義相同。在普通均勻光柵中，引入一個/4相移變換，使原來的波峰變波谷，波谷變波峰，可以有效地提高模式選擇性和穩定性，實現動態單縱模激光器的要求。 第3章通信用光器件DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優點： 單縱模激光器。F-P激光器的發射光譜是由增益譜和激光器縱模特性共同決定的，由于諧振腔的長度較長，導致縱模間隔小，相鄰縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難。DFB激光器的發射光譜主要由光柵周期決定。相當于F-P激光器的腔長L，每一個形成一個微型諧振腔。由于的長度很小，所以m階和(m+1)階

25、模之間的波長間隔比F-P腔大得多，加之多個微型腔的選模作用，很容易設計成只有一個模式能獲得足夠的增益。于是DFB激光器容易設計成單縱模振蕩器。 第3章通信用光器件 光譜寬度窄，波長穩定性好。由于DFB激光器的每一個柵距相當于一個F-P腔，所以布喇格反射可以看做是多級調諧，使得諧振波長的選擇性大大提高，光譜明顯變窄，可以窄到幾個吉赫茲。由于光柵的作用有助于使發射波長鎖定在諧振波長上，因而波長的穩定性得以改善。 第3章通信用光器件 動態譜特性好。DFB激光器在高速調制時也能保持單模特性，這是F-P激光器無法比擬的。盡管DFB激光器在高速調制時存在啁啾，光譜有一定展寬，但比F-P激光器的動態光譜的展

26、寬要改善一個數量級左右。 線性好。DFB激光器的線性非常好，因此廣泛用于模擬調制的有線電視光纖傳輸系統中。第3章通信用光器件3.1.4發光二極管發光二極管發光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同，LD發射的是受激輻射光，LED發射的是自發輻射光。LED的結構和LD相似，大多是采用雙異質結(DH)結構，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔，沒有閾值。發光二極管有兩種類型：一類是正面發光型LED，另一類是側面發光型LED，其結構示于圖3.14。和正面發光型LED相比，側面發光型LED驅動電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，

27、因而入纖光功率比正面發光型LED大。 第3章通信用光器件圖 3.14兩類發光二極管(LED)(a) 正面發光型；(b) 側面發光型 第3章通信用光器件和激光器相比，發光二極管輸出光功率較小，光譜寬度較寬，調制頻率較低。但發光二極管性能穩定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。因此，這種器件在小容量短距離系統中發揮了重要作用。發光二極管具有如下工作特性： 第3章通信用光器件(1) 光譜特性。發光二極管發射的是自發輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇作用，光譜較寬，如圖3.15。一般短波長GaAlAs-GaAs LED光譜寬度為3050 nm，長波InGaAsP-InP LED 光

28、譜寬度為60120 nm。隨著溫度升高或驅動電流增大，光譜加寬，且峰值波長向長波長方向移動，短波長和長波長LED的移動分別為0.20.3 nm/和0.30.5 nm/。 (2) 光束的空間分布。在垂直于發光平面上，正面發光型LED輻射圖呈朗伯分布，即P()=P0cos，半功率點輻射角120。側面發光型LED，120，2535。由于大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。 第3章通信用光器件圖 3.15LED光譜特性第3章通信用光器件(3) 輸出光功率特性。發光二極管實際輸出的光子數遠遠小于有源區產生的光子數，一般外微分量子效率d小于10%。兩種類型發光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。驅

29、動電流I較小時，P-I曲線的線性較好；I過大時，由于PN結發熱產生飽和現象，使P-I曲線的斜率減小。在通常工作條件下，LED工作電流為50100 mA，輸出光功率為幾毫瓦，由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百微瓦。 第3章通信用光器件圖 3.16發光二極管(LED)的P-I特性第3章通信用光器件(4) 頻率特性。發光二極管的頻率響應可以表示為式中，f 為調制頻率，P(f)為對應于調制頻率f的輸出光功率，e為少數載流子(電子)的壽命。定義fc為發光二極管的截止頻率，當f=fc=1/(2e)時，|H(fc)|=1/，最高調制頻率應低于截止頻率。 2e)2(11)0()(| )(|fPfPfH(3.

30、12)第3章通信用光器件圖3.17示出發光二極管的頻率響應，圖中顯示出少數載流子的壽命e和截止頻率fc的關系。對有源區為低摻雜濃度的LED，適當增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。在一般工作條件下，正面發光型LED截止頻率為2030 MHz，側面發光型LED截止頻率為100150 MHz。 第3章通信用光器件圖 3.17發光二極管(LED)的頻率響應第3章通信用光器件3.1.5半導體光源一般性能和應用半導體光源一般性能和應用表3.1和表3.2列出半導體激光器(LD)和發光二極管(LED)的一般性能。LED通常和多模光纖耦合，用于1.3 m(或0.85 m)波長的小容量短距離系統。因為

31、LED發光面積和光束輻射角較大，而多模SIF光纖或G651規范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。LD通常和G.652或G.653規范的單模光纖耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量長距離系統，這種系統在國內外都得到最廣泛的應用。分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統，這是目前光纖通信發展的主要趨勢。 第3章通信用光器件第3章通信用光器件第3章通信用光器件在實際應用中，通常把光源做成組件，圖3.18示出LD組件構成的實例。偏置電流和信號電流經驅動電路作用于LD，LD正

32、向發射的光經隔離器和透鏡耦合進入光纖，反向發射的光經PIN光電二極管轉換進入光功率監控器，同時利用熱敏電阻和冷卻元件進行溫度監測和自動溫度控制(ATC)。 第3章通信用光器件圖 3.18LD組件的構成實例第3章通信用光器件3.2光檢測器光檢測器光檢測器是光接收機的關鍵器件，它的功能是把光信號轉換為電信號。目前常用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。本節介紹這些光電二極管的工作原理、基本結構和主要特性。3.2.1光電二極管工作原理光電二極管工作原理光電二極管(PD)把光信號轉換為電信號的功能，是由半導體PN結的光電效應實現的。 第3章通信用光器件如3.1節所述，在PN結界面上

33、，由于電子和空穴的擴散運動，形成內部電場。內部電場使電子和空穴產生與擴散運動方向相反的漂移運動，最終使能帶發生傾斜，在PN結界面附近形成耗盡層，如圖3.19(a)所示。當入射光作用在PN結時，如果光子的能量大于或等于帶隙(hfEg)，便發生受激吸收，即價帶的電子吸收光子的能量躍遷到導帶形成光生電子-空穴對。在耗盡層，由于內部電場的作用，電子向N區運動，空穴向P區運動，形成光生漂移電流。在耗盡層兩側是沒有電場的中性區，由于熱運動，部分光生電子和空穴通過擴散運動可能進入耗盡層，然后在電場作用下，形成和漂移電流相同方向的光生擴散電流。第3章通信用光器件光生漂移電流分量和光生擴散電流分量的總和即為光生

34、電流。當與P層和N層連接的電路開路時，便在兩端產生電動勢，這種效應稱為光電效應。當連接的電路閉合時，N區過剩的電子通過外部電路流向P區。同樣，P區的空穴流向N區，便形成了光生電流。當入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉換成電信號。這種由PN結構成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產生的電子- 空穴對的運動，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。第3章通信用光器件如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當的反向偏壓，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側中性區的寬度，從而減小光生電流中的擴散分量。由于載流子擴散運動比漂移運動慢得多，所以減小擴散分量的

35、比例便可顯著提高響應速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡越時間，使響應速度減慢。為了解決這一矛盾， 就需要改進PN結光電二極管的結構。 第3章通信用光器件圖 3.19光電二極管工作原理 (a) 光電效應；(b) 加反向偏壓后的能帶 第3章通信用光器件3.2.2PIN光電二極管光電二極管由于PN結耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區吸收，因而光電轉換效率低，響應速度慢。為改善器件的特性，在PN結中間設置一層摻雜濃度很低的本征半導體(稱為I)，這種結構便是常用的PIN光電二極管。PIN光電二極管的工作原理和結構見圖3.20和圖3.21。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導

36、體，用(n)表示；兩側是摻雜濃度很高的P型和N型半導體，用P和N表示。I層很厚，吸收系數很小，入射光很容易進入材料內部而產生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉換效率。兩側P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據整個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應速度。 第3章通信用光器件圖 3.20PIN光電二極管工作原理第3章通信用光器件圖 3.21PIN光電二極管結構第3章通信用光器件PIN光電二極管具有如下主要特性： (1) 量子效率和光譜特性。光電轉換效率用量子效率或響應度表示。量子效率定義為相同時間內一

37、次光生電子-空穴對和入射光子數的比值 響應度的定義為一次光生電流Ip和入射光功率P0的比值式中，hf為光子能量，e為電子電荷。 ehfPIhfPeI0p0p/每秒入射光子數每秒光生電子空穴對(3.13)(A/W) 0phfePI(3.14)第3章通信用光器件量子效率和響應度取決于材料的特性和器件的結構。假設器件表面反射率為零，P層和N層對量子效率的貢獻可以忽略，在工作電壓下，I層全部耗盡，那么PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為=1exp()w)(3.15) 式中，()和w分別為I層的吸收系數和寬度。由式(3.15)可以看到，當()w1時， 1，所以為提高量子效率，I層的寬度w要足夠大。

38、第3章通信用光器件量子效率的光譜特性取決于半導體材料的吸收光譜()，對長波長的限制由式(3.6)確定，即c=1.24/Eg。圖3.22示出量子效率和響應度的光譜特性，由圖可見，Si適用于0.80.9 m 波段，Ge和InGaAs適用于1.31.6 m波段。響應度一般為0.50.6 (A/W)。 第3章通信用光器件圖 3.22PIN光電二極管響應度、量子效率波長的關系第3章通信用光器件(2) 響應時間和頻率特性。光電二極管對高速調制光信號的響應能力用脈沖響應時間或截止頻率fc(帶寬B)表示。對于數字脈沖調制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時間，

39、分別定義為脈沖上升時間r和脈沖下降時間f。當光電二極管具有單一時間常數0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數函數exp(t/0)和exp(t/0)，由此得到脈沖響應時間=r=f=2.20(3.16) 對于幅度一定，頻率為=2f 的正弦調制信號，截止頻率fc定義為光生電流I()下降3 dB的頻率。當光電二極管具有單一時間常數0時， 第3章通信用光器件PIN光電二極管響應時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層(這里是I層)的渡越時間d和包括光電二極管在內的檢測電路RC常數所確定。當調制頻率與渡越時間d的倒數可以相比時，耗盡層(I層)對量子效率()的貢獻可以表示為由()/(0)=1/得到由渡越時

40、間d限制的截止頻率(3.17)r0c35. 021f2/)2/sin()0()(dd(3.18)2第3章通信用光器件式中，渡越時間d=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度， 比例于電場強度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時間d，從而提高截止頻率fc，但是同時要降低量子效率。圖3.23示出Si-PIN光電二極管的量子效率與由渡越時間限制的截止頻率fc(帶寬)和耗盡層寬度w的關系。 (3.19)wvfsdc42. 042. 0第3章通信用光器件圖 3.23內量子效率和帶寬的關系第3章通信用光器件由電路RC時間常數限制的截止頻率式中，Rt為光電二極

41、管的串聯電阻和負載電阻的總和，Cd為結電容Cj和管殼分布電容的總和。式中，為材料的介電常數，A為結面積，w為耗盡層寬度。 dtc21CRf (3.20)AC j(3.21)第3章通信用光器件(3) 噪聲。噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數，它直接影響光接收機的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產生的散粒噪聲(Shot Noise)和由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1 電阻負載上的噪聲功率)來描述。均方散粒噪聲電流i2sh=2e(Ip+Id)B(3.22)式中，e為電子電荷，B為光電二極管及后繼放大器的等效噪聲帶寬，Ip和Id分別為信號電流和

42、暗電流的強度。 第3章通信用光器件式(3.21)第一項2eIpB稱為量子噪聲，是由于入射光子和所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機性而產生的。只要有光信號輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲，它決定光接收機靈敏度的極限。式(3.22)第二項2eIdB是暗電流產生的噪聲。暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產生的反向直流電流，它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴散形成的本征暗電流。暗電流與光電二極管的材料和結構有關，例如Si-PIN，Id100 nA。 均方熱噪聲電流第3章通信用光器件式中，k=1.381023 J/K為波爾茲曼常數，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負

43、載電阻和放大器輸入電阻并聯的結果。因此，光電二極管輸出的總均方噪聲電流為 (3.23)RkTBi42TRkTBBIIei4)(2dp2n(3.24)第3章通信用光器件3.2.3雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關系示于圖3.24。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當反向偏壓增加到一定數值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據這種特性設計的器件。根據光電效應，當光入射到PN結時，光子被吸收而產生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區獲得足夠能量而加速運動。高速

44、運動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產生新的電子-空穴對。新產生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增，見圖3.25。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。 第3章通信用光器件圖 3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關系第3章通信用光器件圖 3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖第3章通信用光器件APD的結構有多種類型，如圖3.26示出的NPP結構被稱為拉通型APD。在這種類型的結構中，當偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到(p)層，一直抵達P接觸層，是一種全耗盡型結構。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉換效率高、響應速度快和附加噪聲低

45、等優點。 對APD特性新引入的參數是倍增因子和附加噪聲指數。第3章通信用光器件圖 3.26APD結構圖第3章通信用光器件1. 倍增因子倍增因子由于雪崩倍增效應是一個復雜的隨機過程，所以用這種效應對一次光生電流產生的平均增益的倍數來描述它的放大作用，并把倍增因子g定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。顯然，APD的響應度比PIN增加了g倍。根據經驗，并考慮到器件體電阻的影響，g可以表示為 (3.25)poIIg 第3章通信用光器件式中，U為APD工作電壓，U為外加反向總偏壓，UB為APD擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關的常數，R為APD體電阻。當UUB時，RIo /UB1)

46、是雪崩效應的隨機性引起噪聲增加的倍數，設F=gx，APD的均方量子噪聲電流應為i2q=2eIpBg2x(3.26b)第3章通信用光器件式中，x為附加噪聲指數。同理，APD暗電流產生的均方噪聲電流應為i2d=2eIdBg2x (3.27)附加噪聲指數x與器件所用材料和制造工藝有關，Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。當式(3.26)和式(3.27)的g=1時，得到的結果和PIN相同。3.2.4光電二極管一般性能和應用光電二極管一般性能和應用表3.3和表3.4列出半導體光電二極管(PIN和APD)的一般性能。 第3章通信用光器件第

47、3章通信用光器件第3章通信用光器件APD是有增益的光電二極管，采用APD的光接收機具有較高的靈敏度，有利于延長系統的傳輸距離。但是采用APD要求有較高的偏置電壓和復雜的溫度補償電路，結果增加了成本。因此在靈敏度要求不高的場合，一般都采用PIN。Si-PIN和Si-APD用于短波長(0.85 m)光纖通信系統。InGaAs-PIN用于長波長(1.31 m和1.55 m)系統，性能非常穩定，通常把它和使用場效應管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，構成PIN-FET接收組件，以進一步提高靈敏度，改善器件的性能。這種組件已經得到廣泛應用。InGaAs-APD的特點是響應速度快，傳輸速率可達幾到十

48、幾Gb/s，適用于高速光纖通信系統。由于Ge-APD的暗電流和附加噪聲指數較大，很少用于實際通信系統。 第3章通信用光器件3.3光光 無無 源源 器器 件件3.3.1連接器和接頭連接器和接頭連接器是實現光纖與光纖之間可拆卸(活動)連接的器件，主要用于光纖線路與光發射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。表3.5給出了光纖連接器的一般性能。接頭是實現光纖與光纖之間的永久性(固定)連接，主要用于光纖線路的構成，通常在工程現場實施。連接器件是光纖通信領域最基本、應用最廣泛的無源器件。 第3章通信用光器件表表 3.5光纖連接器的一般性能光纖連接器的一般性能 第3章通信用光器件

49、連接器有單纖(芯)連接器和多纖(芯)連接器，其特性主要取決于結構設計、加工精度和所用材料。單纖連接器結構有許多種類型，其中精密套管結構設計合理、效果良好，適宜大規模生產，因而得到很廣泛的應用。圖3.27示出精密套管結構的連接器簡圖，包括用于對中的套管、帶有微孔的插針和端面的形狀(圖中畫出平面的端面)。光纖固定在插針的微孔內，兩支帶光纖的插針用套管對中實現連接。要求光纖與微孔、插針與套管精密配合。對低插入損耗的連接器，要求兩根光纖之間的橫向偏移在1 m以內，軸線傾角小于0.5。第3章通信用光器件圖 3.27套管結構連接器簡圖第3章通信用光器件普通的FC型連接器，光纖端面為平面。對于高反射損耗的連

50、接器，要求光纖端面為球面或斜面，實現物理接觸(PC型)。套管和插針的材料一般可以用銅或不銹鋼，但插針材料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷機械性能好、耐磨，熱膨脹系數和光纖相近，使連接器的壽命(插拔次數)和工作溫度范圍(插入損耗變化0.1 dB)大大改善。第3章通信用光器件一種常用的多纖連接器是用壓模塑料形成的高精度套管和矩形外殼，配合陶瓷插針構成的，這種方法可以做成2纖或4纖連接器。另一種多纖連接器是把光纖固定在用硅晶片制成的精密V形槽內，然后多片疊加并配合適當外殼。這種多纖連接器配合高密度帶狀光纜，適用于接入網或局域網的連接。對于實現固定連接的接頭，國內外大多借助專用自動熔接機在現場進行熱

51、熔接，也可以用V形槽連接。熱熔接的接頭平均損耗約為0.05 dB/個。第3章通信用光器件3.3.2光耦合器光耦合器耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出，或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。這種器件對光纖線路的影響主要是附加插入損耗，還有一定的反射和串擾。耦合器大多與波長無關，與波長相關的耦合器專稱為波分復用器/解復用器。1. 耦合器類型耦合器類型圖3.28示出常用耦合器的類型，它們各具不同的功能和用途。第3章通信用光器件圖 3.28常用耦合器的類型第3章通信用光器件T形耦合器這是一種22的3端耦合器，見圖3.28(a)，其功能是把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖，或把兩根

52、光纖輸入的光信號組合在一起，輸入一根光纖。這種耦合器主要用作不同分路比的功率分配器或功率組合器。星形耦合器這是一種nm耦合器，見圖3.28(b)，其功能是把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給m根光纖，m和n不一定相等。這種耦合器通常用作多端功率分配器。 第3章通信用光器件定向耦合器這是一種22的3端或4端耦合器，其功能是分別取出光纖中向不同方向傳輸的光信號。見圖3.28(c)，光信號從端1傳輸到端2，一部分由端3輸出，端4無輸出；光信號從端2傳輸到端1，一部分由端4輸出，端3無輸出。定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。波分復用器/解復用器這是一種與波長有關的耦合器(也稱合波器/分

53、波器)，見圖3.28(d)。波分復用器的功能是把多個不同波長的發射機輸出的光信號組合在一起，輸入到一根光纖；解復用器是把一根光纖輸出的多個不同波長的光信號，分配給不同的接收機。波分復用器/解復用器將在7.2節詳細介紹。 第3章通信用光器件2. 基本結構基本結構耦合器的結構有許多種類型，其中比較實用和有發展前途的有光纖型、微器件型和波導型，圖3.29圖 3.32示出這三種類型的有代表性器件的基本結構。光纖型把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術制作各種器件。這種方法可以構成T形耦合器、定向耦合器、星形耦合器和波分解復用器。圖3.29(a)和(b)分別示出單模22 定向耦合器和多模nn星形耦合器的結

54、構。單模星形耦合器的端數受到一定限制，通常可以用22耦合器組成，圖3.29(c)示出由12個單模22耦合器組成的88星形耦合器。 第3章通信用光器件圖 3.29光纖型耦合器(a)定向耦合器；(b) 88星形耦合器；(c) 由12個22耦合器組成的88星形耦合器 第3章通信用光器件圖3.29(a)所示的定向耦合器可以制成波分復用/解復用器。如圖3.30，設光纖a(直通臂)傳輸的輸出光功率為Pa，光纖b(耦合臂)的輸出光功率為Pb，根據耦合理論得到Pa=cos2(CL)(3.28a) Pb=sin2(CL)(3.28b) 式中，L為耦合器有效作用長度，C為取決于光纖參數和光波長的耦合系數。設特定波

55、長為1和2，選擇光纖參數，調整有效作用長度，使得當光纖a的輸出Pa(1)最大時，光纖b的輸出Pb(1)=0；當Pa(2)=0時，Pb(2)最大。對于1和2分別為1.3 m和1.55 m 的光纖型解復用器，可以做到附加損耗為0.5 dB，波長隔離度大于20 dB。 第3章通信用光器件圖 3.30光纖型波分解復用器原理第3章通信用光器件微器件型用自聚焦透鏡和分光片(光部分透射，部分反射)、濾光片(一個波長的光透射，另一個波長的光反射)或光柵(不同波長的光有不同反射方向)等微光學器件可以構成T形耦合器、定向耦合器和波分解復用器，如圖3.31所示。用22的耦合器作為基本單元同樣可以構成nn星形耦合器。

56、自聚焦透鏡在光無源器件中起著非常重要的作用，其工作原理可參考2.2節式(2.13)自聚焦效應。圖3.31中使用了A/4和A/2(A為周期)兩種透鏡。 第3章通信用光器件圖 3.31微器件型耦合器(a) T形耦合器；(b) 定向耦合器；(c) 濾光式解復用器；(d) 光柵式解復用器 第3章通信用光器件波導型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層。波導的材料根據器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為矩形或半圓形。圖3.32示出波導型T形耦合器、定向耦合器和用濾光片作為波長選擇元件的波分解復用器。 第3章通信用光器件圖 3.32波導型耦合器 (a) T形耦合器；(b)

57、定向耦合器；(c) 波分解復用器 第3章通信用光器件3. 主要特性主要特性說明耦合器參數的模型如圖3.33所示，主要參數定義如下。耦合比CR是一個指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用%表示由此可定義功率分路損耗Ls為NnonocOtOCppPPCR1)1lg( 10sCRL(3.30)(3.29)第3章通信用光器件圖 3.33說明耦合器參數的模型第3章通信用光器件附加損耗Le由散射、吸收和器件缺陷產生的損耗，是全部輸入端的光功率總和Pit和全部輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示如下：插入損耗Lt是一個指定輸入端的光功率Pic和一個指定輸出端的光功率Poc的比

58、值，用分貝表示 NnNnPPpPL1in1inotitelg10lg 10(3.31)(3.32)ocictlg 10PPL第3章通信用光器件方向性DIR(隔離度)是一個輸入端的光功率Pic和由耦合器反射到其他端的光功率Pr的比值，用分貝表示一致性U是不同輸入端得到的耦合比的均勻性，或者不同輸出端耦合比的等同性。表3.6、表3.7列出波長為1.31 m或(和)1.55 m單模光纖型耦合器和波分復用器/解復用器的一般性能。 (3.33)riclg 10DIRPP第3章通信用光器件第3章通信用光器件第3章通信用光器件3.3.3光隔離器與光環行器光隔離器與光環行器耦合器和其他大多數光無源器件的輸入端

59、和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。然而在許多實際光通信系統中通常也需要非互易器件。隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個主要參數，對正向入射光的插入損耗其值越小越好，對反向反射光的隔離度其值越大越好，目前插入損耗的典型值約為1 dB，隔離度的典型值的大致范圍為4050 dB。 第3章通信用光器件首先介紹一下光偏振(極化)的概念。單模光纖中傳輸的光的偏振態(SOP，State of Polarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的方向。在任何時刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模。隔離器工作原理如圖3.34所示。這里假設入射光只是垂直偏振光，第一個偏振器的透振方向也在垂直方向，因此輸入光能夠通過第一個偏振器。 第3章通信用光器件緊接第一個偏振器的是法拉第旋轉器，法拉第旋轉器由旋光材料制成，能使光的偏振態旋轉一定