光通信技术第三章精.ppt

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1、光通信技术第三章第1 页，本讲稿共59 页第 3 章 通信用光器 3.1 光源（理解）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（理解）3.2.1 光电二极管工作原理 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（了解）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 光开关第2 页，本讲稿共59 页3.1 光

2、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。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)。第3 页，本

3、讲稿共59 页 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。第4 页，本讲稿共59 页1.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E1称 为 基 态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4)称为激发态。电 子 在 低 能 级E1的 基 态 和 高 能 级E2的 激 发 态 之 间 的 跃 迁 有三种基

4、本方式：受激吸收 受激吸收 自发辐射 自发辐射 受激辐射 受激辐射第5 页，本讲稿共59 页(1)受激吸收 在 正 常 状 态 下，电 子 处 于 低 能 级E1，在 入 射 光 作 用 下，它 会吸 收 光 子 的 能 量 跃 迁 到 高 能 级E2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)。(2)自发辐射 在 高 能 级E2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E1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

5、.1(b)。(3)受激辐射 在 高 能 级E2的 电 子，受 到 入 射 光 的 作 用，被 迫 跃 迁 到 低 能 级E1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)。第6 页，本讲稿共59 页（激活物质置于）（中对光的频率和方向进行选择）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+光学谐振腔=连续的光放大和激光振荡输出第7 页，本讲稿共59 页 图 3.4 激光器的构成和工作原理(a)激光振荡；(b)光反馈 第8 页，本讲稿共59 页 4.半导体激光器基本结构 半 导 体 激 光 器 的 结 构 多 种

6、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。第9 页，本讲稿共59 页第10 页，本讲稿共59 页 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Eg(eV)，由 式(3.1)得到

7、h f=Eg(3.6)不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，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 波段式 中，f=c/，f(Hz)和(m)分 别 为 发 射 光 的 频 率 和 波 长，c=3108 m/s为 光 速，h=6.62810-34JS 为 普 朗 克 常 数，1eV=1.610-19 J，代入上式得到第11 页，本讲稿共59 页 图3.7是GaAlAs-DH 激光器的光谱特性。图 3.7 GaAlAs-DH 激光器的光谱特性(a)直流驱动;(b)300 Mb/s

8、数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)第12 页，本讲稿共59 页 2.激光束的空间分布 图 3.8 GaAlAs-DH 条形激光器的近场和远场图样 第13 页，本讲稿共59 页3.转换效率和输出光功率特性 激 光 器 的 电/光 转 换

9、 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)式 中，P 和I 分 别 为 激 光 器 的 输 出 光 功 率 和 驱 动 电 流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，h f 和e 分别为光子能量和电子电荷。第14 页，本讲稿共59 页图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。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 第15 页，本讲稿共59 页4.频率特性 在直接光强调制

10、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 因 子，Ith 和I0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)Ith；sp为 有 源 区 内 的 电 子 寿 命，ph为 谐振腔内的光子寿命。第16 页，本讲稿共59 页图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性 图3.11 示 出 半 导 体 激 光 器 的 直 接 调 制 频 率 特 性。弛 豫 频 率fr 是 调 制 频 率 的 上 限

11、，一 般 激 光 器 的fr 为12 GHz。在 接 近fr 处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。第17 页，本讲稿共59 页 5.温度特性 图 3.12 P-I 曲线随温度的变化 第18 页，本讲稿共59 页 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。图 3.13 分 布 反 馈(DFB)激 光 器(a)结构；(b)光反馈 第19 页，本讲稿共59 页 如

12、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)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 光 振 荡 的 有 两 个 阈 值 最低、增益相同的纵模，其波长为(3.11)第20 页，本讲稿共59 页 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 线性好第21 页，本讲稿共59 页 3.1.4 发光二极管LD LD 和 和LED LED 的区别 的区别 LD 发射的是受激辐射光

13、 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。第22 页，本讲稿共59 页 图 3.14 两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型 发光二极管的类型 发光二极管的类型：正面发光型LED 和侧面发光型LED 第23 页，本讲稿共59 页发光二极管的特点 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

14、 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 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。第24 页，本讲稿共59 页 图 3.15 LED 光谱特性 第25 页，本讲稿共59 页(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()=P0 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

15、一般小于 10%。(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。第26 页，本讲稿共59 页LED 的P_I特性曲线原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流/mA输出功率/mW第27 页，本讲稿共

16、59 页(4)频率特性。发光二极管的频率响应可以表示为|H(f)|=(3.12)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 fc 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。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 fc 为 发 光 二 极 管 的 截 止 频 率，当 f=f c=1/(2e)时，|H(fc)|=，最 高 调 制

17、频 率 应 低 于 截 止频率。第28 页，本讲稿共59 页图 3.17 发光二极管(LED)的频率响应 第29 页，本讲稿共59 页 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 大 的 芯 径 和 数 值 孔

18、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。第30 页，本讲稿共59 页表3.1 半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能-2050-2050-2050-2050 工作温度/C寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角50150 30100 5002000 5001000调制带宽 B/MHz

19、0.10.3 0.10.2 13 13 入纤功率 P/mW15 13 510 510 输出功率 P/mW100150 100150工作电流 I/mA2030 3060 阀值电流 Ith/mA50100 60120 12 13谱线宽度1.3 1.55 1.3 1.55工作波长LED LD第31 页，本讲稿共59 页表 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,25C)20 15 外量子效率/%1520 2030 阀值电流 Ith/mA0.08 频谱漂移/(nm/C)3035 边模抑制比/dB0.040.5(Gb/s,RZ)直接调制单纵模连

20、续波单纵模谱线宽度 1.3 1.55工作波长第32 页，本讲稿共59 页光源组件实例第33 页，本讲稿共59 页3.2 光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管 一、工作原理和结构 二、PIN 光电二极管主要特性(1)量子效率和光谱特性(2)响应时间和频率特性(3)噪声 3.2.3 雪崩光电二极管(APD)一、工作原理和结构 二、APD 特性参数 3.2.4 光电二极管一般性能和应用第34 页，本讲稿共59 页3.2 光检测器 在耗尽层 形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N 区运动，空穴向P 区运动3.2.1 光电二极管工作原理 光 光 电 电 二 二 极 极

21、 管 管(PD)(PD)把 光 信 号 转 换 为 电 信 号 的 功 能，是 由 半导体PN 结的 光电效应 光电效应实现的。电子和空穴的扩散运动PN 结界面 内部电场 漂移运动 能带倾斜 如果光子的能量大于或等于带隙(hf Eg)当入射光作用在PN 结时 发生受激吸收第35 页，本讲稿共59 页 3.2.2 PIN 光电二极管 PIN 光电二极管的产生 由 于PN 结 耗 尽 层 只 有 几 微 米，大 部 分 入 射 光 被 中 性 区 吸 收，因而光电转换效率低，响应速度慢。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(称为I

22、)，这种结构便是常用的PIN 光电二极管。第36 页，本讲稿共59 页 3.2.3 雪崩光电二极管(APD)光电二极管输出电流 I 和反偏压U 的关系示于图3.24。随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当 反 向 偏 压 增 加 到 一 定 数 值 时，光 电 流 急 剧 增 加，最 后 器 件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。APD APD 就是根据这种特性设计的器件。根 据 光 电 效 应，当 光 入 射 到PN 结 时，光 子 被 吸 收 而 产 生 电子-空穴对。第37 页，本讲稿共59 页 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

23、够能量而加速运动。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。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，致使载流子雪崩式倍增，见图3.25。所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。第38 页，本讲稿共59 页 图 3.25 APD 载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）第39 页，本讲稿共59 页 3.2.4 光电二极管一般性能和应用 表3.3和表3.4列出半导体 光电二极管 光电二极管(PIN 和APD)的一般性能。APD APD 是 有 增 益 的 光 电 二 极 管，在 光 接 收 机 灵 敏 度 要 求 较 高 的场合，采用

24、APD APD 有利于延长系统的传输距离。灵敏度 灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。第40 页，本讲稿共59 页-5-15-5-15 工作电压/V12 0.51 结电容 Cj/pF0.21 210响应时间25 0.11 暗电流 Id/nA0.6(1.3)0.4(0.85)响应度1.01.6 0.41.0波长响应InGaAs-PIN Si-PIN表3.3 PIN 光电二极管一般特性第41 页，本讲稿共59 页0.50.7 0.30.4 附加噪声指数 x2030 30100 倍增因子 g4060 50100 工作电压/V0.5 12 结电容 Cj/pF0.10.3 0.20.5响应时间1

25、020 0.11 暗电流 Id/nA050.7 0.5响应度11.65 0.41.0波长响应InGaAs-APD Si-APD表3.4 雪崩光电二极管（APD）一般性能第42 页，本讲稿共59 页3.3 光无源器件 3.3.1 连接器和接头 3.3.2 光耦合器 一、耦合器类型 二、基本结构 三、主要特性 3.3.3 光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器 3.3.5 光开关第43 页，本讲稿共59 页3.3 光 无 源 器 件 无源光器件的要求：无源光器件的要求：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。第44

26、页，本讲稿共59 页 3.3.1 连接器和接头 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 光无源器件 光无源器件之间的连接。表 3.5 光纤连接器一般性能 4050 PC 型陶瓷-40+80陶瓷-20+70不锈钢工作温度/C不锈钢 寿命（插拔次数）3540 FC 型 反射损耗/dB互换性/dB重复性/dB0.20.3 插入损耗/dB性能 型号或材料 项目第45 页，本讲稿共59 页图 3.27 精密套管结构连接器简图 连接器的分

27、类：单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。第46 页，本讲稿共59 页 3.3.2 光耦合器 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。1.耦合器类型 T 形耦合器 星形耦合器 定向耦合器 波分复用器/解复用器第47 页，本讲稿共59 页图 3.28 常用耦合器的类型 T形(a)星形(b)定向(c)2314l1l2lNl1l2lN(d)波分第48 页，本讲稿共59 页2.基本结构的分类 光纤型 微器件型 波导型第49 页，本讲稿共59 页 图 3.29光纤型耦合器(a)定 向 耦 合 器；(b)88 星 形 耦

28、 合 器；(c)由12个22 耦 合 器 组 成 的88 星形耦合器 第50 页，本讲稿共59 页 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 用器微 器 件 型 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，如图3.31所示。第51 页，本讲稿共59 页 图3.32 波导型耦合器(a)T 形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分

29、解复用器；波 导 型 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。第52 页，本讲稿共59 页 3.3.3 光隔离器与光环行器 耦 合 器 和 其 他 大 多 数 光 无 源 器 件 的 输 入 端 和 输 出 端 是 可 以互换的，称之为互易器件。隔 离 器 就 是 一 种 非 互 易 器 件，其 主 要 作 用 是 只 允 许 光 波 往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔 离 器 主 要 用 在

30、 激 光 器 或 光 放 大 器 的 后 面，以 避 免 反 射 光返回到该器件致使器件性能变坏。第53 页，本讲稿共59 页偏振器图 3.34 隔离器的工作原理 法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光SOP第54 页，本讲稿共59 页图 3.35 一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出SWP半波片 法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器 SWP光纤输入(b)第55 页，本讲稿共59 页 图 3.36 光环行器(a)三端口；(b)四端口 132(a)(b)1324第56 页，本讲稿共59 页 3.3.4 光调制器 光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件。调

31、 制 器 可 以 用 电 光 效 应、磁 光 效 应 或 声 光 效 应 来 实 现。最 有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的。调 制 器 是 利 用 线 线 性 性 电 电 光 光 效 效 应 应 实 现 的，因 为 折 射 率n随 外 加 电 场E(电压U)而变化，改变了入射光的相位和输出光功率。第57 页，本讲稿共59 页 3.3.5 光开关 光 光 开 开 关 关 的 功 能 是 转 换 光 路，实 现 光 交 换，它 是 光 光 网 网 络 络 的重要器件。光开关可分为两大类：机械光开关 固体光开关第58 页，本讲稿共59 页1XN 微光机械光开关 安捷伦公司喷墨气泡光开关示意第59 页，本讲稿共59 页