第三章通信用光器件第二講內容提要分布反饋式激光器（DFB）光電二極管主要內容回顧1.分布反饋式激光器（DFB）產生的背景工作原理工作原理普通的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，而DFB激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性（波紋狀）衍射光柵實現光的反饋。因此，把這種利用衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿整個有源層的分布進行反饋的結構，稱為分布反饋式結構。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)。如果a和b能夠匹配，相互疊加，則產生更強的反饋，而其他波長的光相互抵消。雖然，每個波紋反射的光不大，但是整個光柵有成百上千個波紋，反饋光的總量足以產生激光振蕩。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)(3.10)DFB激光器的優點譜線窄，波長穩定性好由于DFB激光器的每一個光柵周期相當于一個FP腔，所以光柵形成的布拉格反射可以看作多級調諧，使得諧振波長的選擇性大大提高，譜線明顯變窄。此外，由于光柵的作用有助于使發射波長鎖定在諧振波長上，使得波長穩定性極好。DFB激光器的優點動態譜線好由于DFB激光器能夠在高速調制時也能保持單模特性，因此，高速調制時的動態譜線特性比FP激光器能夠改善一個數量級。DFB激光器的優點線性好DFB的線性非常好，廣泛用于模擬調制的有線電視光纖傳輸系統。2.1光電二極管的工作原理光電二極管（PD）的功能：光信號轉換為電（流）信號。光電二極管的工作的物理基礎：光的吸收（光電效應）光（生）電流=漂移電流+擴散電流入射光照射到光電二極管上時，不僅PN結會產生光電效應，而且P區或者N區也會產生光電效應。光電二極管工作于反向偏置狀態。漂移電流的產生當入射光作用在PN結上，如果光子的能量大于或者等于帶隙能量時，便發生光的吸收，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，形成漂移電流。光電二極管工作于反向偏置狀態目的：提高響應速度！光電二極管通常工作于反向偏置狀態。其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電流。由于載流子的擴散速度比漂移速度慢得多，所以，減小擴散電流，可以顯著提高光電二極管的響應速度。但是，如果反向偏置電壓升高，會導致耗盡層增寬，增加了漂移運動的時間，進而使得響應速度減慢。為了解決這個矛盾，必須改進PN結光電二極管的結構，于是就出現了PIN光電二極管。2.2PIN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。圖3.21PIN光電二極管結構PIN光電二極管的工作特性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：式中，hf為光子能量，e為電子電荷。(3.13)(3.14)響應度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值PIN光電二極管的工作特性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。主要由載流子在耗盡層的渡越時間和檢測電路的時間常數決定。均方散粒噪聲電流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，是不可克服的。它決定了光接收機的極限靈敏度。)2eIdB是暗電流產生的噪聲。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。(3.23)〈i2T〉=〈i2〉=2e(IP+Id)B+(3.24)因此，光電二極管的總均方噪聲電流為2.3雪崩光電二極管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

圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）APD光電二極管的典型結構2.4光無源器件一個完整的光纖通信系統，除了光纖、光源和光檢測器之外，還需要許多其他光學器件，特別是無源器件。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。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。接頭是實現光纖與光纖之間的永久性（固定）連接。其主要用于光纖線路的構成，通常在工程現場實施。連接器

表3.5光纖連接器一般性能40~50PC型陶瓷-40~+80陶瓷-20~+70不銹鋼工作溫度/oC不銹鋼壽命（插拔次數）35~40FC型反射損耗/dB互換性/dB重復性/dB0.2~0.3插入損耗/dB性能型號或材料項目(1)FC型光纖連接器

這種連接器最早是由日本NTT研制。FC是FerruleConnector的縮寫，表明其外部加強方式是采用金屬套，緊固方式為螺絲扣。最早，FC類型的連接器，采用的陶瓷插針的對接端面是平面接觸方式(FC)。此類連接器結構簡單，操作方便，制作容易，但光纖端面對微塵較為敏感，且容易產生菲涅爾反射，提高回波損耗性能較為困難。后來，對該類型連接器做了改進，采用對接端面呈球面的插針(PC)，而外部結構沒有改變，使得插入損耗和回波損耗性能有了較大幅度的提高。

(2)ST(朗迅公司的一個品牌)光纖連接器廣泛應用于數據網絡，可能是最常見的光纜用光纖連接器。該連接器使用了尖刀型接口，類似于常見的尖刀-核耦合(BNC)型接口，但連接器的直徑大約比BNC型的直徑(0.38英寸)小三分之一。ST光纖連接器在物理構造上的特點可以保證兩條連接的光纖更準確地對齊，而且可以防止光纖在配合時旋轉。(3)LC型連接器LC型連接器是著名Bell研究所研究開發出來的，采用操作方便的模塊化插孔(RJ)閂鎖機理制成。其所采用的插針和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，為1.25mm。這樣可以提高光配線架中光纖連接器的密度。目前，在單模SFF方面，LC類型的連接器實際已經占據了主導地位，在多模方面的應用也增長迅速。

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)波分光耦合器的基本結構分類光纖型微器件型波導型光纖型光耦合器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星形耦合器耦合長度耦合長度光功率光功率耦合臂ababab圖3.30光纖型波分復用解復用器工作原理微器件型光耦合器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。

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