CH32通信用光器件副本.ppt

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1、第三章 通信用光器件第二讲内容提要n分布反馈式激光器（DFB）n光电二极管n主要内容回顾1.分布反馈式激光器（DFB）n产生的背景n工作原理DFB产生的背景n随着技术的进步，高速率的光纤通信系统不断投入使用，对光源提出了更高的要求：（1）光源的谱线更窄；（2）高速调制下，能保持动态单纵模特性；（3）发射波长更稳定，且能够实现调谐；（4）阈值电流更低，输出功率更大。满足上述特性的激光器就是分布反馈式（Distributed Feedback）激光器工作原理n普通的F-P谐振腔两端的反射镜对激活物质发出的辐射光进行反馈，而DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性（波纹状）衍射光栅实现光的反馈

2、。n因此，把这种利用衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿整个有源层的分布进行反馈的结构，称为分布反馈式结构。图 3.13 分布反馈(DFB)激光器 (a)结构；(b)光反馈 如图3.13所示，由有源层有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如光线b)。如果a和b能够匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光相互抵消。虽然，每个波纹反射的光不大，但是整个光栅有成百上千个波纹，反馈光的总量足以产生激光振荡。ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激激光光振振荡荡的有两个阈

3、阈值值最低、增益相同的纵模纵模，其波长为(3.11)(3.10)DFB激光器的优点n单纵模激光器：nFP激光器的发射光谱由增益谱和激光器的纵模特性共同决定。由于其谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模的增益差别小。因此，要得到单纵模振荡就很困难。nDFB激光器的发射光谱主要由光栅周期决定。光栅周期相当于FP激光器的腔长L，每一个光栅的周期都形成一个微型谐振腔。由于光栅周期很小，所以m阶和m+1阶模之间的波长比FP腔大很多，加上多个微型谐振腔的选模作用，就很容易设计成只有一个模式能够获得足够增益。于是，DFB激光器容易制成单纵模激光器。DFB激光器的优点n谱线窄，波长稳定性好n由于DFB激光

4、器的每一个光栅周期相当于一个FP腔，所以光栅形成的布拉格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄。此外，由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，使得波长稳定性极好。DFB激光器的优点n动态谱线好n由于DFB激光器能够在高速调制时也能保持单模特性，因此，高速调制时的动态谱线特性比FP激光器能够改善一个数量级。DFB激光器的优点n线性好nDFB的线性非常好，广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统。2.光检测器n光电二极管的工作原理nPIN光电二极管的工作原理nAPD光电二极管的工作原理2.1 光电二极管的工作原理n光电二极管（PD）的功能：光信号转换为电（流）信号。

5、n光电二极管的工作的物理基础：光的吸收（光电效应）n光（生）电流=漂移电流+扩散电流n入射光照射到光电二极管上时，不仅PN结会产生光电效应，而且P区或者N区也会产生光电效应。n光电二极管工作于反向偏置状态。漂移电流的产生n当入射光作用在PN结上，如果光子的能量大于或者等于带隙能量时，便发生光的吸收，价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带，形成光生电子空穴对。n在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。扩散电流的产生n当入射光照射在P区或者N区时，由于该区域没有内电场（中性区）。所以，生成的光生电子空穴对在热运动的作用下，向PN结结区扩散进入耗尽层。接着，在耗尽层内

6、电场的作用下，电子和空穴分别向N区和P区运动（运动运动方向与漂移电流运动方向相同）形成扩散电流。方向与漂移电流运动方向相同）形成扩散电流。光电二极管工作于反向偏置状态n目的：提高响应速度！n光电二极管通常工作于反向偏置状态。其目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散电流。n由于载流子的扩散速度比漂移速度慢得多，所以，减小扩散电流，可以显著提高光电二极管的响应速度。n但是，如果反向偏置电压升高，会导致耗尽层增宽，增加了漂移运动的时间，进而使得响应速度减慢。为了解决这个矛盾，必须改进PN结光电二极管的结构，于是就出现了PIN光电二极管。2.2 PIN光电二极管n

7、由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率光电转换效率低低，响应响应速度速度慢慢。n为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管光电二极管。PIN光电二极管的结构和工作原理n中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体本征半导体，用(N)表示；两侧是掺杂浓度掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。nI层很厚，吸收系数吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子电子-空穴对空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率光电转换效率。n两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I

8、层几乎占据整个耗尽层耗尽层，因而光生电流中漂移分量漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度响应速度。n另外，可通过控制耗尽层的宽度耗尽层的宽度w，来改变器件的响响应速度应速度。图3.21 PIN光电二极管结构PIN光电二极管的工作特性n量子效率和光谱特性量子效率和光谱特性光光电电转转换换效效率率用量量子子效效率率或响响应应度度表示。量量子子效效率率的定义为一次光光生电子生电子-空穴对空穴对和入射光子数入射光子数的比值：式中，hf 为光子能量光子能量光子能量光子能量，e为电子电电子电电子电电子电荷荷荷荷。(3.13)(3.14)响应度响应度的定义为一次光生电流光生电流IP和入射光功率入射光功率

9、P0的比值 PIN光电二极管的工作特性n响应时间和频率特性响应时间和频率特性n光电二极管对高速调制光信号的响应能力响应能力用脉脉冲响应时间冲响应时间或截止频率截止频率fc(带宽B)表示。主要由载流子在耗尽层的渡越时间和检测电路的时间常数决定。PIN光电二极管的工作特性n噪声（噪声（噪声噪声影响光接收机的灵敏度）灵敏度）n噪声噪声包括散粒噪声散粒噪声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生)热噪声热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)n暗电流暗电流是器件在反反偏压偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流反向直流电流。在一般的二极管中，此电流被称为反向电流。均方散粒噪声电流均方散粒噪声

10、电流ne为电子电荷，B为放大器带宽，Ip和Id分别为信号电流和暗电流。n n2eIpB2eIpB 称为量子噪声量子噪声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生，是不可克服的。它决定了光接收机的极限灵敏度。)n n2eIdB2eIdB是暗电流暗电流产生的噪声。均方热噪声电流均方热噪声电流n式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。(3.23)i2T=i2=2e(IP+Id)B+(3.24)因此，光电二极管的总均方噪声电流总均方噪声电流为2.3 雪崩光电二极管n随着反向偏压反向偏压的增加

11、，开始光电流光电流基本保持不变。n当反向偏压反向偏压增加到一定数值时，光电流光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压击穿电压UB。n nAPDAPD就是根据这种特性设计的器件。图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 碰撞电离n根据光电效应光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子电子-空穴对空穴对。n如果如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。n高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子电子-空穴对空穴对。n新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子载流

12、子雪崩式倍增雪崩式倍增，见图3.25。图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）APD光电二极管的典型结构2.4 光无源器件n一个完整的光纤通信系统，除了光纤、光源和光检测器之外，还需要许多其他光学器件，特别是无源器件。n n无源光器件的要求：无源光器件的要求：n插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成等。连接器和接头n连接器连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光光无源器件无源器件之间的连接。n接头接头是实现光纤与光纤之间的永久性永久性（固定）连接。其主要

13、用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。连接器 表表 3.5 光纤连接器一般性能光纤连接器一般性能 4050PC型型陶瓷陶瓷-40+80陶瓷陶瓷-20+70不锈钢不锈钢工作温度工作温度/C不锈钢不锈钢寿命（插拔次数）寿命（插拔次数）3540FC型型反射损耗反射损耗/dB互换性互换性/dB重复性重复性/dB0.20.3插入损耗插入损耗/dB性能性能型号或材料型号或材料项目项目(1)FC型光纤连接器这种连接器最早是由日本NTT研制。FC是Ferrule Connector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早，FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式(FC)

14、。此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球面的插针(PC)，而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。(2)ST(朗迅公司的一个品牌)光纤连接器广泛应用于数据网络，可能是最常见的光缆用光纤连接器。该连接器使用了尖刀型接口，类似于常见的尖刀-核耦合(BNC)型接口，但连接器的直径大约比BNC型的直径(0.38 英寸)小三分之一。ST 光纤连接器在物理构造上的特点可以保证两条连接的光纤更准确地对齐，而且可以防止光纤在配合时旋转。(3)LC型连接器 LC型连

15、接器是著名Bell研究所研究开发出来的，采用操作方便的模块化插孔(RJ)闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm。这样可以提高光配线架中光纤连接器的密度。目前，在单模SFF方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。光耦合器n 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。n1.耦合器类型耦合器类型nT形耦合器形耦合器n星形耦合器星形耦合器n定向耦合器定向耦合器n波分复用器波分复用器/解复用器解复用器图 3.28 常用耦合器的类型 T形(a)星 形(b)定向(c)2314l1l2

16、lNl1l2lN(d)波分光耦合器的基本结构分类n光纤型光纤型n微器件型微器件型n波导型波导型光纤型光耦合器光纤型光耦合器n把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术熔拉双锥技术制作各种器件。图 3.29光纤型耦合器 (a)定向耦合器；(b)88星形耦合器；(c)由12个22耦合器组成的88星形耦合器 耦合长度耦合长度光功率光功率耦合臂ababab图图3.30 光纤型波分复用解复用器工作原理光纤型波分复用解复用器工作原理微器件型光耦合器微器件型光耦合器n用自聚焦透镜和分光片(光部分透射，部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成，如

17、图3.31所示。图 3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)滤光式解复用器；(d)光栅式解复用器衍射光栅型波分复用器结构示意图衍射光栅型波分复用器结构示意图光光 纤纤透透 镜镜光光 栅栅 1 2 3 1 2 3 1+2+3 1+2+3 1+1+2+2+3 3 1 1 2 2 3 3采用棒透镜的光栅型采用棒透镜的光栅型WDM光光 纤纤棒棒 透透 镜镜光光 栅栅 1+2+3 1 2 3 1 1+2 2+3 1 2 3波导型光耦合器n在一片平板衬底上制作所需形状的光波导，衬底作支撑体，又作波导包层。波导的材料根据器件的功能来选择，一般是SiO2，横截面为矩形或半圆形。图3.32 波导型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解复用器；内容回顾nAPD的工作原理n光纤连接器的功能以及常见的类型n光耦合器的功能和类型n光纤型光波分复用/解复用器的工作原理n微器件型光耦合器的工作原理