光纤通信通信用器课件

光纤通信通信用器课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第 3 章 通信用光器件,3.1 光源,3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构,3.1.2 半导体激光器的主要特性,3.1.3 分布反馈激光器,3.1.4 发光二极管,3.1.5 半导体光源一般性能和应用,3.2 光检测器,3.2.1 光,电二极管工作原理,光纤通信通信用器课件,3.2.2 PIN 光电二极管,3.2.3 雪崩光电二极管(APD),3.2.4 光电二极管一般性能和应用,3.3 光无源器件,3.3.1 连接器和接头,3.3.2 光耦合器,3.3.3 光隔离器与光环行器,3.3.4 光调制器,3.3.5 光开关,光纤通信通信用器课件,通信用光器件可以分为,有源器件,和,无源器件,两种类型。,有源器件：,包括,光源、光检测器和光放大器,。,这些器件是光发射机、光接收机和光,中继器的关键器件，和光纤一起决定基本光纤传输系统的水平。,光纤通信通信用器课件,通信用光器件可以分为,有源器件,和,无源器件,两种类型。,有源器件：,包括,光源、光检测器和光放大器,。,光纤通信通信用器课件,光无源器件：,主要有,连接器、耦合器,波分复用器、调制器、光开关和隔离器,等。,这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩,展和性能的提高都是不可缺少的。,返回主目录,光纤通信通信用器课件,3.1 光源,光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。,目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)， 有些场合也使用固体激光器。 ,光纤通信通信用器课件,本节首先介绍,半导体激光器(LD),的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的,分布反馈激光器(DFB - LD),，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的,发光管(LED,)。 ,返回主目录,光纤通信通信用器课件,3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构,半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。,激光,：LASER(Light Amplification by stimulated Emission),即受激辐射的光放大。,光纤通信通信用器课件,受激辐射和粒子数反转分布,有源器件,的物理基础是,光和物质相互作,用的效应,。,在物质的原子中，存在许多能级，最低,能级,E,1,称为基态，能量比基态大的能级,E,i,(i=2, 3, 4 ),称为激发态。,光纤通信通信用器课件,电子在低能级E,1,的基态和高能级E,2,的激发,态之间的跃迁有三种基本方式：,受激吸收,自发辐射,受激辐射,受激辐射,和,受激吸收,的区别与联系,受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在,E,1,和,E,2,两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即,光纤通信通信用器课件,受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。,受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。,E,2,-E,1,=hf,12,(3.1),式中，h=6.62810,-34,Js，为普朗克常数，f,12,为吸收或辐射的光子频率。 ,光纤通信通信用器课件,自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。 ,产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 设在单位物质中，处于低能级E,1,和处于高能级E,2,(E,2,E,1,)的原子数分别为N,1,和N,2,。,当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布,(3.2),光纤通信通信用器课件,数，T为热力学温度。由于(E,2,-E,1,)0，T0，所以在这种状态下，总是N,1,N,2,。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。,受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。,如果,N1N2,，即,受激吸收大于受激辐射,。当光通过这种物质时，光强按指数衰,减， 这种物质称为,吸收物质,。,式中， k=1.38110,-23,J/K，为波尔兹曼常,光纤通信通信用器课件,如果,N,2,N,1,，即,受激辐射,大于,受激吸收,，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为,激活物质,。,N,2,N,1,的分布，和正常状态(N,1,N,2,)的分布相反，所以称为,粒子(电子)数反转分布,。,问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?,光纤通信通信用器课件,2. PN结的能带和电子分布,在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为,价带,，能量高的能带称为,导带,，导带底的能量E,c,和价带顶的能量E,v,之间的能量差E,c,-E,v,=E,g,称为,禁带宽度,或,带隙,。电子不可能占据禁带。,光纤通信通信用器课件,图 3.2 半导体的能带和电子分布,(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体,图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，,光纤通信通信用器课件,能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布,(3.3),式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。E,f,称为,费米能级,，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。,在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 ,光纤通信通信用器课件,一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用E,f,位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。,在本征半导体中掺,入施主杂质，称为,N型半,导体,，见图3.2(b)。,在本征半导体中，掺入受主杂质，称为,P型半导体,，见图3.2(c)。,光纤通信通信用器课件,在P型和N型半导体组成的PN结界面,上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成,内部电场,， 见图3.3(a)。,(a) P - N结内载流子运动,P,区,PN,结空,间电,荷区,N,区,内部电场,扩散,漂移,光纤通信通信用器课件,内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的,E,f,相同,，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图3.3(b)。,(b) 零偏压时P - N结的能带倾斜图,势垒,能量,E,p,c,P,区,E,n,c,E,f,E,p,v,N,区,E,n,v,光纤通信通信用器课件,增益区的产生：,在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后,在PN结形成一个,特殊的,增益区,。,P - N结加正向电压,P,区,PN,结,N,区,内部电场,光纤通信通信用器课件,增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果,获得,粒子数反转分布,，见图3.3(c)。,h,f,h,f,E,f,E,p,c,E,p,f,E,p,v,E,n,c,n,E,n,v,电子，,空穴,内部电场,外加电场,(c) 正向偏压下P - N结能带图,图 3.3PN结的能带和电子分布,在电子和空,穴扩散过程中，,导带的电子可以,跃迁到价带和空,穴复合，产生,自,发辐射光,。,光纤通信通信用器课件,3. 激光振荡和光学谐振腔,激光振荡的产生：,粒子数反转分布,（产生受激辐射的必要条件),激活物质,置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择,=,连续的光放大和激光振荡输出。,基本的,光学谐振腔,由两个反射率分别为R,1,和R,2,的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为法布里 - 珀罗(Fabry Perot, FP)谐振腔。,光纤通信通信用器课件,由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的,自发辐射光,作为入射光。,图 3.4 激光器的构成和工作原理,(a) 激光振荡； (b) 光反馈,入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的,光被放大，沿非轴线方向的光被减弱,。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度提高。,光纤通信通信用器课件,在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的,阈值条件为,th,=+,(3.4),式中，,th,为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R,1,，R,2,1为两个反射镜的反射率,激光振荡的相位条件为,光纤通信通信用器课件,L= q,(3.5),式中，为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1, 2, 3 称为纵模模数。 ,光纤通信通信用器课件,4. 半导体激光器基本结构,半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图3.5示出的双异质结(DH)平面条形结构。,这种结构由,三层,不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。,图中标出所用材料和近似尺寸。结构,中间,有一层厚0.10.3 m的窄带隙P型半导体，称,光纤通信通信用器课件,为,有源层,；,两侧,分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为,限制层,。三层半导体置于,基片,(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。,光纤通信通信用器课件,光纤通信通信用器课件,DH,激光器工作原理,由于限制层的带隙比有源层宽，施加,正向,偏压,后，,P,层的,空穴,和,N,层的,电子,注入,有源层,。,P,层带隙宽，导带的能态比有源层高，对,注入,电子,形成了势垒，注入到有源层的电子不,可能扩散到,P,层。,同理， 注入到有源层的,空穴,也不可能扩,散到,N,层。,光纤通信通信用器课件,这样，注入到有源层的电子和空穴被限,制在厚0.10.3 m的有源层内形成,粒子数反,转分布,，这时只要很小的外加电流，就可以使,电子和空穴浓度增大而提高效益。,另一方面，有源层的折射率比限制层高，,产生的激光被限制在,有源区,内，因而电/光转,换效率很高，输出激光的,阈值电流,很低，很小,的散热体就可以在室温连续工作。 ,光纤通信通信用器课件,图 3.6 DH激光器工作原理,(a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布,返回主目录,光纤通信通信用器课件,3.1.2 半导体激光器的主要特性,1. 发射波长和光谱特性,半导体激光器的,发射波长,等于,禁带宽度E,g,(eV),，由式(3.1)得到,h,f,=E,g,式中,f,=c/,f,(Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长,c=310,8,m/s为光速, h=6.62810,-34,JS为普朗克常数， 1eV=1.610,-19,J，代入上式得到,光纤通信通信用器课件,(3.6),不同半导体材料有不同的,禁带宽度E,g,，因而有不同的,发射波长,。,镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 m波段,铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.31.55 m波段,光纤通信通信用器课件,图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。,在直流驱动下，,发射光波长,只有符合激光振荡的,相位条件,式(3.5)的波长存在。 这些波长取决于,激光器纵向长度L,，并称为激光器的,纵模,。,驱动电流变大,，,纵模模数变小 ，谱线宽度变窄,。,这种变化是由于谐振腔对,光波频率,和,方,光纤通信通信用器课件,向,的选择，使,边模消失,、,主模增益,增加而产生的。,当驱动电流足够大时，,多纵模,变为,单纵模,，这种激光器称为,静态单纵模激光器,。,图3.7(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性， 由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。,光纤通信通信用器课件,图 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性,(a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制,0,799 800 801 802,I,m,/mA,40,35,30,25,I=100mA,Po=10mW,I=85mA,Po=6mW,I= 8 0mA,Po=4mW,I=75mA,Po=2.3mW,L=250,m,W=12,m,T=300K,830 828,832 830 828,832 830 828 826,832 830 828 826 824,836 834 832 830 828 826 824 822 820,(a),(b),光纤通信通信用器课件,2. 激光束的空间分布,激光束的空间分布用,近场,和,远场,来描述。,近场,是指激光器输出反射镜面上的光强分布；,远场,是指离反射镜面一定距离处的光强分布。,图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向,光纤通信通信用器课件,尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度,t,所决定，并称为激光器的,横模,。,由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度,t,很薄，这个方向的场图总是,单横模,。,光纤通信通信用器课件,图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样,光纤通信通信用器课件,图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中,和,分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形,。,3.9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样,(a) 光强的角分布； (b) 辐射光束,光纤通信通信用器课件,3. 转换效率和输出光功率特性,激光器的电/光转换效率用外微分量子效率,d,表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的,光子数,(3.7a),由此得到,(3.7b),光纤通信通信用器课件,式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，P,th,和I,th,分别为相应的阈值，h,f,和e分别为光子能量和电子电荷。,图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。,当II,th,时，发出的是,受激辐射光,，光功率随驱动电流的增加而增加。,光纤通信通信用器课件,图 3.10 典型半导体激光器的光功率特性,(a) 短波长AlGaAs/GaAs (b) 长波长InGaAsP/InP,光纤通信通信用器课件,4. 频率特性,在直接光强调制下， 激光器输出,光功率P,和,调制频率,f,的关系为,P(,f,)=,(3.8a),(3.8b),式中， 和,分别称为,弛豫频率,和,阻尼,光纤通信通信用器课件,因子,，,I,th,和,I,0,分别为阈值电流和偏置电流；,I,是零增益电流，高掺杂浓度的LD，,I,=0， 低掺杂浓度的LD,I,=(0.70.8)I,th,；,sp,为有源区内的电子寿命，,ph,为谐振腔内的光子寿命。,图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率,f,r,是调制频率的上限，一般激光器的,f,r,为12 GHz。在接近,f,r,处，数字调,光纤通信通信用器课件,制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。,图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性,光纤通信通信用器课件,5. 温度特性,对于线性良好的激光器，输出光功率特性如式(3.7b)和图3.10所示。,激光器输出光功率随温度而变化有两个原因 （1）激光器的,阈值电流I,th,随,温度,升高而,增大,（2）外微分,量子效率,d,随,温度,升高而,减小,。,温度升高时，,I,th,增大，,d减小， 输出,光纤通信通信用器课件,光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为,I,th,=,I,0,exp,(3.9),式中，,I,0,为常数，,T,为结区的热力学温度，,T,0,为激光器材料的特征温度。,光纤通信通信用器课件,GaAlAs GaAs 激光器,T,0,=100150 K,InGaAsP-InP 激光器,T,0,=4070 K,所以,长波长,InGaAsP-InP激光器输出,光功率,对,温度,的变化更加敏感。 ,外微分量子效率随温度的变化不十分敏感。 ,光纤通信通信用器课件,图3.12示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，造,成的输出,光功率特,性,P,-,I,曲线的,变化。,图 3.12,P,-,I,曲线随温度的变化,返回主目录,光纤通信通信用器课件,3.1.3 分布反馈激光器,分布反馈(DFB),激光器用靠近,有源层,沿长度方向制作的周期性结构(波纹状),衍射光栅,实现光反馈。这种,衍射光栅,的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。,分布反馈激光器,的要求：,（1）,谱线宽度,更窄,光纤通信通信用器课件,（2）高速率脉冲调制下保持,动态单纵模特性,（3）发射,光波长,更加稳定，并能实现调谐,（4）,阈值电流,更低,（5）输出,光功率,更大。,光纤通信通信用器课件,图 3.13 分布反馈(DFB)激光器,(a) 结构； (b) 光反馈,光纤通信通信用器课件,如图3.13所示，由,有源层,发射的光，一部分在,光栅波纹峰,反射(如光线a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的,光栅波纹峰,反射(如光线b)。,光栅周期,=m,(3.10),n,e,为材料有效折射率，,B,为布喇格波长，m为衍射级数。,光纤通信通信用器课件,在普通光栅的DFB激光器中，发生,激光振荡,的有两个,阈值,最低、增益相同的,纵模,，其波长为,(3.11),光纤通信通信用器课件,DFB激光器与F-P激光器相比， 具有以下,优点：,单纵模激光器,谱线窄， 波长稳定性好,动态谱线好,线性好,返回主目录,光纤通信通信用器课件,3.1.4 发光二极管,LD,和,LED,的区别,LD,发射的是,受激辐射光,LED,发射的是,自发辐射光,LED,的结构和,LD,相似，大多是采用,双异质结,(DH),芯片,，把有源层夹在,P,型和,N,型限制层中间，不同的是,LED,不需要光学谐振腔， 没有阈值。,光纤通信通信用器课件,(a) 正面发光型； (b) 侧面发光型,图 3.14两类发光二极管(LED),发光二极管的类型,：,正面发光型LED,和,侧面发光型LED,光纤通信通信用器课件,发光二极管的特点,：,输出光功率较小；谱线宽度较宽；调制频率较低；性能稳定，寿命长；输出光功率线性范围宽；制造工艺简单，价格低廉；适用于小容量短距离系统 。,发光二极管的主要工作特性,： ,(1) 光谱特性。,发光二极管发射的是,自发辐射光,， 没有谐振腔对波长的选择，,谱线较宽,，如图3.15。,光纤通信通信用器课件,图 3.15LED光谱特性,光纤通信通信用器课件,(2) 光束的空间分布。,在垂直于发光平面上，,正面发光型,LED辐射图呈,朗伯分布,， 即P()=P,0,cos，半功率点辐射角120。,侧面发光型,LED，,120，,2535。由于大，LED与光纤的耦合效率一般小于 10%。,光纤通信通信用器课件,(3) 输出光功率特性。,发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率,d,小于10%。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图3.16。,驱动电流I较小时,，,P,-,I,曲线的,线性较好,；,I,过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使,P,-,I,曲线的斜率减小。,光纤通信通信用器课件,LED的P_I特性曲线,4 3 2 1 0,50 100 150,0,25,70,电流/mA,输出功率/ mW,光纤通信通信用器课件,(4) 频率特性。,发光二极管的频率响应可以表示为,|H(f)|=,(3.12),式中，,f,为调制频率，P(,f,)为对应于调制频率,f,的输出光功率，,e,为少数载流子(电子)的寿命。定义,f,c,为发光二极管的截止频率，当,f,=,f,c,=1/(2,e,)时，|H(,f,c,)|= ， 最高调制频率应低于截止频率。 ,光纤通信通信用器课件,图3.17示出发光二极管的频率响应， 图中显示出少数载流子的寿命,e,和,截止频率,f,c,的关系。,对有源区为低掺杂浓度的LED， 适当,增加,工作电流,可以,缩短,载流子寿命,，,提高,截止频率,。,光纤通信通信用器课件,图 3.17 发光二极管(LED)的频率响应,返回主目录,光纤通信通信用器课件,3.1.5 半导体光源一般性能和应用,半导体光源的一般性能表：,3.1和表3.2列出半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能。 ,LED,通常和,多模光纤,耦合，用于1.3 m(或0.85 m)波长的小容量短距离系统。因为LED,发光面积,和,光束辐射角,较大， 而多模SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较,光纤通信通信用器课件,大的芯径和数值孔径，有利于提高,耦合效率,，增加,入纤功率,。,LD,通常和,G.652,或,G.653,规范的,单模光纤,耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量长距离系统。,分布反馈激光器,(DFB - LD)主要和G.653或G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。,光纤通信通信用器课件,表3.1 半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能,-20,-,50 -20,-,50,-20,-,50 -20,-,50,工作温度 /,C,寿命,t,/h,30,120 30,120,20,50 20,50,辐射角,50150 30100,5002000 5001000,调制带宽,B,/MHz,0.10.3 0.10.2,13 13,入纤功率,P,/mW,15 13,510 510,输出功率,P,/mW,100150 100150,工作电流,I,/mA,2030 3060,阀值电流,I,th,/mA,50100 60120,12 13,谱线宽度,1.3 1.55,1.3 1.55,工作波长,LED,LD,光纤通信通信用器课件,表 3.2 分布反馈激光器(DFB - LD)一般性能,2040 1530,输出功率,P,/mW,(连续单纵模,25,C),20 15,外量子效率 /%,1520 2030,阀值电流,I,th,/mA,0.08,频谱漂移 /(nm/,C),3035,边模抑制比 /dB,0.040.5(Gb/s,RZ),直接调制单纵模,连续波单纵模,谱线宽度,1.3 1.55,工作波长,光纤通信通信用器课件,光源组件实例,结 束,光纤通信通信用器课件,(1),受激吸收,：,在正常状态下，电子处于低能级E,1,，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E,2,上，这种跃迁称为,受激吸收,。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1(a)。,hf,12,初态,E,2,E,1,终态,E,2,E,1,(a) 受激吸收；,能级和电子跃迁,光纤通信通信用器课件,(2),自发辐射：,在高能级E,2,的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自动地跃迁到低能级E,1,上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为,自发辐射,，见图3.1(b)。 ,(b) 自发辐射,hf,12,初态,E,2,E,1,终态,E,2,E,1,光纤通信通信用器课件,(3),受激辐射：,在高能级E,2,的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E,1,上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为,受激辐射,，见图3.1(c)。 ,hf,12,初态,E,2,E,1,终态,E,2,E,1,(c) 受激辐射,光纤通信通信用器课件,