第3章通信用光器

3.1光源

3.1.1半導體激光器工作原理和基本結構

3.1.2半導體激光器的主要特性

3.1.3分布反饋激光器

3.1.4發光二極管

3.1.5半導體光源一般性能和應用

3.2光檢測器

3.2.1光電二極管工作原理

3.2.2PIN光電二極管

3.2.3雪崩光電二極管(APD)

3.2.4光電二極管一般性能和應用

3.3光無源器件

3.3.1連接器和接頭

3.3.2光耦合器

3.3.3光隔離器與光環行器

3.3.4光調制器

3.3.5光開關返回主目錄第3章通信用光器件

通信用光器件可以分為有源器件和無源器件兩種類型。

有源器件包括光源、光檢測器和光放大器。

光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復用器、調制器、光開關和隔離器等。

3.1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。

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)。

3.1.1半導體激光器工作原理和基本結構

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。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的激發態之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收自發輻射受激輻射

(見圖3.1)雙能級原子系統的三種躍遷hE2E1自發發射躍遷E2E1受激吸收躍遷hhE2E1受激發射躍遷hh受激發射的光子與原光子具有相同的波長、相位和傳播方向受激輻射和受激吸收的區別與聯系

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

E2-E1=hf12(3.1)式中，h=6.628×10-34J·s，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。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，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)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(3.2)式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數，T為熱力學溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態下，總是N1>N2。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N1>N2，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。如果N2>N1，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。

N2>N1的分布，和正常狀態(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數反轉分布。

問題：如何得到粒子數反轉分布的狀態呢?

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2.PN結的能帶和電子分布

在半導體中，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。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Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據禁帶。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為波茲曼常數，T為熱力學溫度。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。(3.3)P區PN結空間電荷區N區內部電場擴散漂移

P-N結內載流子運動；圖3.3PN結的能帶和電子分布勢壘能量EpcP區EncEfEpvN區Env零偏壓時P-N結的能帶傾斜圖hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內部電場外加電場正向偏壓下P-N結能帶圖獲得粒子數反轉分布

增益區的產生：在PN結上施加正向電壓，產生與內部電場相反方向的外加電場，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。

3.激光振蕩和光學諧振腔激光振蕩的產生：

粒子數反轉分布（必要條件)+激活物質置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇=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)，并被稱為法布里-珀羅(FabryPerot,FP)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。

圖3.4激光器的構成和工作原理

(a)激光振蕩；(b)光反饋式中，γth為閾值增益系數，α為諧振腔內激活物質的損耗系數，L為諧振腔的長度，R1，R2<1為兩個反射鏡的反射率

激光振蕩的相位條件為式中，λ為激光波長，n為激活物質的折射率，q=1,2,3…稱為縱模模數。在諧振腔內開始建立穩定的激光振蕩的閾值條件為γth=α+(3.4)L=q(3.5)增益和損耗相等產生穩定激光

4.半導體激光器基本結構

DH激光器

DH激光器工作原理由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。

P層帶隙寬，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限制在厚0.1~0.3μm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。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

3.1.2半導體激光器的主要特性

1.發射波長和光譜特性半導體激光器的發射波長取決于禁帶寬度Eg(eV)，由式(3.1)得到

hf=Eg(3.6)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λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85μm波段銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3~1.55μm波段式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分別為發射光的頻率和波長，c=3×108m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到圖3.7是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。在直流驅動下，發射光波長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。

驅動電流變大，縱模模數變小，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。圖3.7(b)是300Mb/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，譜線寬度變寬。

圖3.7GaAlAs-DH激光器的光譜特性

(a)直流驅動;(b)300Mb/s數字調制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)激光器縱模的概念：

激光器的縱模反映激光器的光譜性質。對于半導體激光器，當注入電流低于閾值時，發射光譜是導帶和價帶的自發發射譜，譜線較寬；只有當激光器的注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益才大于損耗，自發發射譜線中滿足駐波條件的光頻率才能在諧振腔里振蕩并建立起場強，這個場強使粒子數反轉分布的能級間產生受激輻射，而其他頻率的光卻受到抑制，使激光器的輸出光譜呈現出以一個或幾個模式振蕩，這種振蕩稱之為激光器的縱模。I=67mAP=1.2mWI=75mAP=2.5mWI=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW隨著電流增加，主模的增益增加，而邊模的增益減小，縱模數減少，一個模式開始占優勢，直到出現單個窄線寬的光譜為止。縱模數隨注入電流而變：在眾多的縱模中，只有那些頻率落在增益介質的增益曲線范圍內，且增益大于損耗的那些腔模才能在LD的輸出中存在。譜線特性：

2.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，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。

圖3.8GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣

3.-9典型半導體激光器的遠場輻射特性和遠場圖樣

(a)光強的角分布；(b)輻射光束圖3.9為典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中θ‖和θ⊥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。表示激光器件把注入的電子－空穴對（注入電荷）轉換成從器件發射的光子（輸出光）的效率。是一個以百分數（％）度量的性能系數。一個把100％注入電流轉換成輸出光的理想假設器件(即器件沒有以熱形式消耗)，在理論上應具有100％的e。e可從P-I特性的斜率（閾值以上）dP/dI求得：（對GaALAs材料）3.外微分量子效率e：圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。當I<Ith時激光器發出的是自發輻射光；當I>Ith時，發出的是受激輻射光，光功率隨驅動電流的增加而增加。

圖3.10典型半導體激光器的光功率特性

(a)短波長AlGaAs/GaAs(b)長波長InGaAsP/InP內量子效率i是衡量激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉換成光子能力的一個參數。與e不同的的是，i與激光二極管的幾何尺寸無關，是評價激光二極管半導體晶片質量的主要參數。i和e既又關系又有差別。i是激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉換成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成為輸出光，有些光子由于各種內部損耗而被重新吸收。e是激光二極管把電子－空穴對（注入電流）轉換成輸出光的效率象征。e總是比i小。內量子效率i=有源區內每秒鐘產生的光子數有源區內每秒鐘注入的電子-空穴對數內量子效率i：4.頻率特性在直接光強調制下，激光器輸出光功率P和調制頻率f

的關系為P(f)=(3.8a)(3.8b)式中，和ξ分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，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′=(0.7~0.8)Ith；τsp為有源區內的電子壽命，τph為諧振腔內的光子壽命。圖3.11半導體激光器的直接調制頻率特性圖3.11示出半導體激光器的直接調制頻率特性。弛豫頻率fr

是調制頻率的上限，一般激光器的fr為1~2GHz。在接近fr處，數字調制要產生弛豫振蕩，模擬調制要產生非線性失真。

Ith=I0exp(3.9)

5.溫度特性激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因（1）激光器的閾值電流Ith

隨溫度升高而增大（2）外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時，Ith增大，ηd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

3.1.3分布反饋激光器

分布反饋(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。

分布反饋激光器的要求：

（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調制下保持動態單縱模特性（3）發射光波長更加穩定，并能實現調諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大圖3.13分布反饋(DFB)激光器

(a)結構；(b)光反饋如圖3.13所示，由有源層發射的光，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)。

光柵周期Λ=m(3.10)

ne為材料有效折射率，λB為布喇格波長，m為衍射級數。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(3.11)

DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優點：①單縱模激光器②譜線窄，波長穩定性好③動態譜線好④線性好DBR激光器

3.1.4發光二極管LD和LED的區別

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)芯片，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。

圖3.14兩類發光二極管(LED)(a)正面發光型；(b)側面發光型發光二極管的類型：表面發光型LED和側面發光型LED

表面發光二極管優點由于異質結對載流子的限制作用，可以提高電子注入效率；由于AlGaAs層的能帶間隙比復合區（p－GaAs）的能帶間隙大，因此，AlGaAs層基本不吸收由低能帶間隙之間躍遷所發射出的光子。因此異質結增加了光從器件內部穿透出來的透射率；異質結結構很容易改變發光器件的發光波長。它的熱傳導性能比同質結器件差。AlGaAs半導體能帶間隙比較大，能帶間隙大的材料一般熱傳導性能都比較差；異質結器件更容易退化。由于異質結器件是多層結構，晶格匹配比較困難，容易造成缺陷，因此加速了器件退化。

為了揚長避短，有人將表面發光二極管做成單異質結結構，介于同質結和雙異質結器件之間，即只在pn結出光的一側制作一個異質結，使其有一層能帶間隙較寬的材料層，以利于光透射，而在pn結的另一側仍為同質結，以利于熱傳導。這樣一來，兼顧了表面發光管的輸出功率和熱傳導性能，達到了較好的效果。表面發光二極管缺點側面發光二極管側面發光管發出的光束在垂直于pn結結平面方向上發散角較小，方向性好，有利于光源和光纖之間的耦合。側面發光管的另一個優點是在出光端面上光源的輻射率R非常高，這同樣是由于雙異質結的波導作用將光通道限制在非常小的區域內造成的。發光二極管的特點：輸出光功率較小；譜線寬度較寬；調制頻率較低；性能穩定，壽命長；輸出光功率線性范圍寬；制造工藝簡單，價格低廉；適用于小容量短距離系統。發光二極管的主要工作特性：

(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，譜線較寬，如圖3.15。圖3.15LED光譜特性

(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(θ)=P0

cosθ，半功率點輻射角θ≈120°。

側面發光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于θ‖大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。

43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW(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ηd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。

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，τe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/(2πτe)時，|H(fc)|=，最高調制頻率應低于截止頻率。(4)頻率特性。發光二極管的頻率響應可以表示為：|H(f)|=(3.12)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τe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。圖3.17發光二極管(LED)的頻率響應

3.1.5半導體光源一般性能和應用半導體光源的一般性能表：

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1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統。因為LED發光面積和光束輻射角較大，而多模SIF光纖或G.651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1.3μm或1.55μm大容量長距離系統。

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。表3.1半導體激光器(LD)和發光二極管(LED)的一般性能-20×50-20×50-20×50-20×50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流Ith/mA50~10060~1201~21~3譜線寬度1.31.551.31.55工作波長LEDLD表3.2分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能

20~4015~30輸出功率P/mW(連續單模,25oC)

2015外量子效率/%

15~2020~30閥值電流Ith/mA<0.08頻譜漂移/(nm/oC)30~35邊模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接調制單縱模連續波單縱模譜線寬度

1.31.55工作波長3.2光檢測器

3.2.1光電二極管工作原理

3.2.2PIN光電二極管

一、工作原理和結構

二、PIN光電二極管主要特性

(1)量子效率和光譜特性

(2)響應時間和頻率特性

(3)噪聲

3.2.3雪崩光電二極管(APD)

一、工作原理和結構

二、APD特性參數

3.2.4光電二極管一般性能和應用3.2光檢測器

在耗盡層形成漂移電流。內部電場的作用，電子向N區運動，空穴向P區運動3.2.1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。電子和空穴的擴散運動PN結界面內部電場漂移運動能帶傾斜如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當入射光作用在PN結時發生受激吸收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擴散電流。漂移電流分量和擴散電流分量的總和即為光生電流。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)。PN光電二極管缺點帶寬受限的主要因素:產生的光電流中存在擴散分量，它與耗盡區外的光吸收有關。載流子作擴散運動的時延將使檢測器輸出電流脈沖后沿的托尾加長，影響光電二極管的響應速度。解決方法：減小P,N區厚度，增加耗盡區的寬度，使大部分入射光功率在耗盡區吸收，減少P,N區吸收的光能--PIN考慮漂移和擴散運動時PN光電二極管對矩形脈沖的響應擴散分量的存在導致光電二極管瞬態響應失真

3.2.2PIN光電二極管

PIN光電二極管的產生

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體，用Π(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被充分吸收而產生大量電子-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。I層很厚，提高了光電轉換效率兩側P+層和N+層很薄，提高了響應速度。圖3.21PIN光電二極管結構式中，hf為光子能量，e為電子電荷。(3.13)(3.14)PIN光電二極管具有如下主要特性：

(一)量子效率和光譜特性。

光電轉換效率用量子效率η或響應度ρ表示。量子效率η的定義為一次光生電子-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，α(λ)和w分別為I層的吸收系數和厚度。由式(3.15)可以看到，當α(λ)w>>1時，η→1，所以為提高量子效率η，I層的厚度w要足夠大。（1）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(3.15)

（2）

量子效率的光譜特性取決于半導體材料的吸收光譜α(λ)，對長波長的限制由式(3.6)確定，即λc=hc

/Eg。

(二)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τ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，分別定義為脈沖上升時間τr和脈沖下降時間τf。當光電二極管具有單一時間常數τ0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數函數exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脈沖響應時間τ=τr=τf=2.2τ0

(3.16)對于幅度一定，頻率為ω=2πf的正弦調制信號，用光生電流I(ω)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當光電二極管具有單一時間常數τ0時，（3.17）

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的渡越時間τd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ω與渡越時間τd的倒數可以相比時，耗盡層(I層)對量子效率η(ω)的貢獻可以表示為(3.18)

由η(ω)/η(0)=得到由渡越時間τd限制的截止頻率（3.19）式中，渡越時間τd=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τd，從而提高截止頻率fc，但是同時要降低量子效率η。圖3.23內量子效率和帶寬的關系

由電路RC時間常數限制的截止頻率式中，Rt為光電二極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，ε為材料介電常數，A為結面積，w為耗盡層寬度。(3.20)(3.21)(三)噪聲

噪聲影響光接收機的靈敏度。

噪聲包括散粒噪聲(ShotNoise)(由信號電流和暗電流產生)熱噪聲(由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產生)

（1）均方散粒噪聲電流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B(3.22)e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號電流和暗電流。

2eIPB

稱為量子噪聲(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)

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。漏電流噪聲：當光檢測器表面物理狀態不完善和加有偏置電壓時，會引起很小的漏電流噪聲，但這種噪聲并非本征性噪聲，可通過光檢測器的合理設計，良好的結構和嚴格的工藝降低。（2）均方熱噪聲電流式中，k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電阻并聯的結果。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為〈i2〉=2e(IP+Id)B+(3.24)(3.23)〈i2T〉=

3.2.3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。

圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關系

如果電壓增加到使電場達到200kV/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)。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。

圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）圖3.26APD結構圖圖3.26示出的N+PΠP+結構被稱為拉通型APD。工作過程

APD的響應度比PIN增加了g倍。

U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關的常數，R為體電阻。當U≈UB時，RIo/UB<<1，上式可簡化為對APD特性新引入的參數是倍增因子和附加噪聲指數倍增因子

倍增因子g(一次光生電流產生的平均增益的倍數)定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。(3.25)(3.26)(3.27)

2.過剩噪聲因子

APD的均方量子噪聲電流為〈i2q〉=2eIPBg2(3.26a)

引入新的噪聲成分，并表示為附加噪聲因子F。

F(>1)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〉=2eIPBg2+x(3.26b)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〉=2eIdBg2+x(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=0.3~0.5，Ge-APD的x=0.8~1.0，InGaAs-APD的x=0.5~0.7。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。

APD是有增益的光電二極管，在光接收機靈敏度要求較高的場合，采用APD有利于延長系統的傳輸距離。

靈敏度要求不高的場合，一般采用PIN-PD。-5~-15-5~-15工作電壓/V1~20.5~1結電容Cj/pF0.2~12~10響應時間2~50.1~1暗電流Id/nA0.6(1.3)0.4(0.85)響應度1.0~1.60.4~1.0波長響應InGaAs-PINSi-PIN表3.3PIN光電二極管一般特性0.5~0.70.3~0.4附加噪聲指數x20~3030~100倍增因子g40~6050~100工作電壓/V<0.51~2結電容Cj/pF0.1~0.30.2~0.5響應時間10~200.1~1暗電流Id/nA0.5~0.70.5響應度1~1.650.4~1.0波長響應InGaAs-APDSi-APD表3.4雪崩光電二極管（APD）一般性能3.3光無源器件

3.3.1連接器和接頭

3.3.2光耦合器

一、耦合器類型

二、基本結構

三、主要特性

3.3.3光隔離器與光環行器

3.3.4光調制器

3.3.5光開關3.3光無源器件

無源光器件的要求：插入損耗小、反射損耗大、工作溫度范圍寬、性能穩定、壽命長、體積小、價格便宜、便于集成等。3.3.1光連接器—Connector技術指標：插入損耗：光信號通過連接器之后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數。回波損耗：反射損耗，光纖連接處，后向反射光相對輸入光的比率的分貝數。重復性和互換性損耗來源連接器方法：利用精密陶瓷套筒準直纖芯插入損耗目前水平0.2dB類型：FC、SC、ST其它：多芯光纜連接器、保偏光纖連接器、密封型光纖連接器FC型：螺紋連接。外部材料為金屬SC型：外殼采用工程塑料，矩形結構，便于密集安裝，不用螺紋連接，可以直接插拔。ST型：采用帶鍵的卡口式鎖緊機構，確保連接時準確對中。

3.3.2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。

1.耦合器類型

T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分復用器/解復用器圖3.28常用耦合器的類型

T形(a)……星形(b)定向(c)2314…l1l2lNl1＋l2＋lN(d)波分2.基本結構的分類

光纖型微器件型波導型

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。圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復用/解復用器。如圖3.30，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(CλL)(3.28a)

Pb=sin2(CλL)(3.28b)式中，L為耦合器有效作用長度，Cλ為取決于光纖參數和光波長的耦合系數。C--耦合系數22光纖耦合器P4P0輸入功率P1直通功率P3串擾P2耦合功率L錐形區域L錐形區域Z耦合區域1，221直通臂耦合臂12P0

P1P2熔錐光纖型波分復用器結構和特性1

21212121

21

21

21

2公共臂

圖3.29光纖型耦合器

(a)定向耦合器；(b)8×8星形耦合器；(c)由12個2×2耦合器組成的8×8星形耦合器

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)等微光學器件構成，如圖3.31所示。

衍射光柵型波分復用器結構示意圖光纖透鏡光柵1231231+2+31+2+31+2+3123采用棒透鏡的光柵型WDM光纖棒透鏡光柵1+2+31231+2+3123圖3.32波導型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解復用器；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。3.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(3.29)由此可定義功率分路損耗Ls：

Ls=10lg(3.30)分光比

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

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的比值，用分貝表示(3.31)(3.32)

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它端的光功率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。(3.33)-40~+70-40~+70工作溫度/oC1~1.250.8~2.0穩定性/dB40~55方向性/dB04×47~88×811~1232×3217~193.45.6/1.810.8/0.7插入損耗/dB分路比0.5/0.50.3/0.70.1/0.91.31或1.551.31或1.55工作波長/n×n星型2×2型耦合器表3.6耦合器的一般特性2555（濾波）隔離度/dB2~30.5~1附加損耗/dB20~30200波長間隔/nm1.31和1.551.31和1.55工作波長/6端2端波分復用器表3.7波分復用器的一般性能

3.3.3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和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。

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。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。緊接第一個偏振器的是法拉弟旋轉器，法拉弟旋轉器由旋光材料制成，能使光的偏振態旋轉一定角度，例如45°，并且其旋轉方向與光傳播方向無關。光偏振(極化)

單模光纖中傳輸的光的偏振態(SOP：StateofPolarization)是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的振動方向。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。

偏振器圖3.34隔離器的工作原理法拉弟旋轉器偏振器反射光阻塞入射光SOP圖3.35一種與輸入光的偏振態無關的隔離器光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉器SWP光纖輸入(b)另一方面，如果存在反射光在反方向上傳輸，半波片和法拉弟旋轉器的旋轉方向正好相反，當兩個分量的光通過這兩個器件時，其旋轉效果相互抵消，偏振態維持不變，在輸入端不能被SWP再組合在一起，如圖3.35(b)所示，于是就起到隔離作用。

環行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。如圖3.36所示，典型的環行器一般有三個或四個端口。在三端口環行器中，端口1輸入的光信號在端口2輸出，端口2輸入的光信號在端口3輸出，端口3輸入的光信號由端口1輸出。

光環行器主要用于光分插復用器中。

圖3.36光環行器

(a)三端口；(b)四端口132(a)(b)1324反射棱鏡光環行器原理示意圖光發射機1光接收機2光接收機1光發射機2123132光環行器用于雙向傳輸系統光調制器Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATA