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1、第第 3 章章 通信用光器通信用光器 3.1 光源光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构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半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用 3.2 光检测器光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管光电二极管 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)3.2.4 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用 3.3 光无源器件光无源器件 3.3.1 连
2、接器和接头连接器和接头 3.3.2 光耦合器光耦合器 3.3.3 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器光调制器 3.3.5 光开关光开关返回主目录第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件 通信用光器件可以分为有源器件有源器件和无源器件无源器件两种类型。有源器件有源器件包括光源、光检测器和光放大器光源、光检测器和光放大器。光光无无源源器器件件主要有连连接接器器、耦耦合合器器、波波分分复复用用器器、调调制制器、光开关和隔离器器、光开关和隔离器等。3.1 光源光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理一、半导体激光
3、器的工作原理 受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构二、半导体激光器基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性三、转换效率和输出光功率特性 四、四、频率特性频率特性 五、五、温度特性温度特性 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 一、一、工作原理工作原理 二、二、DFB激光器的优点激光器的优点 3.1.4 发光二极管发光二极管 一、
4、工作原理一、工作原理 二、二、工作特性工作特性 3.1.5 半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用3.1 光源光源 光光源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半导导体体激激光光二二极极管管或或称称激激光光器器(LD)和和发发光光二二极极管管或或称称发发光光管管(LED)，有些场合也使用固体激光器固体激光器。本节首先介绍半半导导体体激激光光器器(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分布布反反馈馈激激光光器器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管发光管(LED)。3.1.1 半导体激光
5、器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 半半导导体体激激光光器器是是向向半半导导体体PN结结注注入入电电流流，实实现现粒粒子子数数反反转转分分布布，产产生生受受激激辐辐射射，再再利利用用谐谐振振腔腔的的正正反反馈馈，实实现现光光放放大大而产生而产生激光振荡激光振荡的。的。按工作物质分：气体激光器（按工作物质分：气体激光器（He-Ne,Ar离子离子,CO2）固体激光器固体激光器 染料激光器染料激光器 半导体激光器半导体激光器1.受激辐射受激辐射和粒子数反转分布和粒子数反转分布2.有源器件有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应光和物质相互作用的效应p98。3.在物质的原子中，存在许
6、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。4.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本方式：受激吸收、自发辐射、受激辐射受激吸收、自发辐射、受激辐射受激吸收、自发辐射、受激辐射受激吸收、自发辐射、受激辐射(见图3.1)(3.1 a)受激吸收受激吸收 hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1如果有能量为如果有能量为 的入射光子能量被吸收后，的入射光子能量被吸收后，就有一个电子从低能级就有一个电子从低能级E1跃迁到高能级跃迁到高能级E2，就称为受激，就称为受激吸收过程。受激吸收速率为：吸收过程。受激吸收速率为：N1为E1
7、能级上的电子数密度B12为受激吸收系数 为入射光能量密度,它表示在频率v附近一个单位体积、单位频率间隔内的光能量 (3.1b)自发辐射；hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1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，这种跃迁称为自发自发辐射辐射。自发辐射速率为：E2能级上的电子数密度为N2 rsp为从E2跃迁到E1的自发发射几率hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1(3.1c)受激辐射 在高能级E2的电子，受到能量为hv的入射光子的作用，在他的诱导下跃迁到低能级E1上与空穴复合，释
8、放出一个和入射光子频率、相位、偏振态一样的光子，这种跃迁称为受激辐射受激辐射。受激辐射速率为：受激发射光和入射光的能量、相位、偏振以及传播方向都一样，因此称为相干光相干光。受激发射是激光器和光放大器工作的共同基础受激发射是激光器和光放大器工作的共同基础受激辐射受激辐射和受激吸收受激吸收的区别与联系 受受激激辐辐射射是受受激激吸吸收收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件波尔条件，即 E2-E1=hf12 (3.1)式中，h=6.62810-34Js，为普普朗朗克克常常数数，f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射受激辐射和自发辐射自发辐射产生的
9、光的特点很不相同。受受激激辐辐射射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光相干光。自自发发辐辐射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非相干光。产生受受激激辐辐射射和产生受受激激吸吸收收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布 (3.2)式中，k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低
10、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，即受受激激吸吸收收大大于于受受激激辐辐射射。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吸收物质。如果N2N1，即受受激激辐辐射射大于受受激激吸吸收收，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激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子粒子(电子电子)数反转分布数反转分布。问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?这个问题将在下面加以叙述。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 2.PN结
11、的能带和电子分布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价带带，能量高的能带称为导导带带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度禁带宽度或带隙带隙。电子不可能占据禁带。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，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费费米米能能级级，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。(3.3)一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现
12、的，用Ef 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型半导体型半导体，见图3.2(c)。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，形成自自建建电电场场，见图3.3(a)。自建电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef 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)。P区PN结空间电荷区N区自建电场 扩散 漂移 P-N结内载流子运动；图 3.3aPN结的能带和电子分布 P区空穴多，向N区扩散势垒能量EpcP区
13、EncEfEpvN区Env零偏压时P-N结的能带倾斜 图 3.3bN区费米能级靠近导带 增益区的产生：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增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒粒子数反转分布子数反转分布，见图3.3(c)。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，产生自发辐射光自发辐射光。h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场3.3.c正向偏压下P-N
14、结能带图获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布 3.激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔激光振荡的产生：激光振荡的产生：粒粒子子数数反反转转分分布布（必必要要条条件件)+激激活活物物质质置置于于光光学学谐谐振振腔腔中中，对光的频率和方向进行选择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。连续的光放大和激光振荡输出。基基本本的的光光学学谐谐振振腔腔由由两两个个反反射射率率分分别别为为R1和和R2的的平平行行反反射射镜镜 构构 成成(如如 图图 3.4所所 示示)，并并 被被 称称 为为 法法 布布 里里 -珀珀 罗罗(FabryPerot,FP)谐
15、振腔。谐振腔。由由于于谐谐振振腔腔内内的的激激活活物物质质具具有有粒粒子子数数反反转转分分布布，可可以以用用它它产产生的生的自发辐射光自发辐射光作为入射光。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 式中，gt 为阈值增益系数，ai为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，r1，r21为两个反射镜的反射率 电磁场在谐振腔内呈驻波，根据他在纵向和横向的分布特点将F-P腔中的模式分为纵模和横模。在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 gt=+(3.4)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，L为腔长。（1）纵纵模
16、模：在在轴轴向向形形成成驻驻波波的的条条件件为为两两个个反反射射镜镜之之间间的的距距离离长长度度L是腔体中电磁波半波长的整数倍，即：是腔体中电磁波半波长的整数倍，即：(3.5)例如，某半导体激光器腔长L=300 m，n=3.5，=1.31 um，则由(3.5)式可求出q=1603。q的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。腔内的纵模很多只有那些有增益且增益大于损耗的模式才能在激光的输出光谱中存在。若只剩下一个模称为单纵模激光器，否则称为多纵模激光器。相邻两纵模之间的频率之差:（可见纵模在频率轴上是均匀分布的p109）（2 2）横模：谐振腔在横截面
17、内的电磁场结构）横模：谐振腔在横截面内的电磁场结构可以用TEMmnq代表谐振腔内的谐振模式，q为纵模序数，m和n是横模序数决定横截面内场分布的驻波波节点数。一般希望工作在基横模状态，即仅有TEM00q起振，对于一个纵模序数q对应一条谱线；如果有多个横模可以工作则对于纵模序数q对应的是一组频率差很小的谱线。p110 4.半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 半半导导体体激激光光器器的的结结构构多多种种多多样样，基基本本结结构构是是图图3.5示示出出的的双双异异质结质结(DH)平面条形结构。平面条形结构。这种结构由这种结构由三层三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同类型半导体材料构成，不
18、同材料发射不同的光波长。不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。结构图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间中间有一层厚有一层厚0.10.3 m的窄带隙的窄带隙P型半导体，称为型半导体，称为有源层有源层；两侧两侧分别为宽带隙的分别为宽带隙的P型型和和N型半导体，称为型半导体，称为限制层限制层。三层半导体置于。三层半导体置于基片基片(衬底衬底)上，前上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗珀罗(FP)谐振腔。谐振腔。DH激光器工作原理激光器工作原理 由由于于限限制制层层的的带带隙隙比比有有源源层层宽宽，施施加加正正向向偏偏压压后后，P层层的的空穴和空穴和
19、N层的层的电子电子注入注入有源层有源层。P层层带带隙隙宽宽，导导带带的的能能态态比比有有源源层层高高，对对注注入入电电子子形形成成了了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。层。同理，同理，注入到有源层的注入到有源层的空穴空穴也不可能扩散到也不可能扩散到N层。层。这这样样，注注入入到到有有源源层层的的电电子子和和空空穴穴被被限限制制在在厚厚0.10.3 m的的有有源源层层内内形形成成粒粒子子数数反反转转分分布布，这这时时只只要要很很小小的的外外加加电电流流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另另一一方方面面，有有源
20、源层层的的折折射射率率比比限限制制层层高高，产产生生的的激激光光被被限限制制在在有有源源区区内内，因因而而电电/光光转转换换效效率率很很高高，输输出出激激光光的的阈阈值值电电流流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。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 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 1.LD的的 P-I特性特性 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 2.发射波长和光谱特性（发射波长和光谱特性（p115）半导体激光器的发发射射波波长长等于禁禁带带宽宽
21、度度Eg(eV)，由式(3.1)得到 h f=Eg(3.6)不同半导体材料有不同的禁带宽度禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长发射波长。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 图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。在直流驱动下，发发射射光光波波长长只有符合激光振荡的相相位位条条件件式(3.5)的波长存在。这
22、些波长取决于激激光光器器纵纵向向长长度度L，并称为激光器的纵模纵模。驱动电流变大驱动电流变大，纵模模数变小纵模模数变小，谱线宽度变窄，谱线宽度变窄。当驱动电流足够大时，多多纵纵模模变为单单纵纵模模，这种激光器称为静态单纵模激光器静态单纵模激光器。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。当纵模激光器在高速调制时，注入有源区的电子密度不断变化，大致折射率变化，使得激光器的输出波长变化，在调制脉冲上升沿向短波长漂移下降沿向长波长漂移，使输出谱线加宽，此现象称为频率啁啾。频率啁啾。图 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a)
23、直流驱动;(b)300 Mb/s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)3.激光束的空间分布激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场近场和远场远场来描述。近场近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布
24、。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)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度d所决定，并称为激光器的横模横模。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单横模。图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样 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 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。它们与波导结构
25、和折射率分布有关，发散角越小方向性越好，和光纤的耦合效率越高，一般垂直发散角为3040度，水平发散角为1020度4.转换效率和输出光功率特性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。就是P-I 特性曲线阈值上线性部分的斜率。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
26、导体激光器的光功率特性 (a)短波长AlGaAs/GaAs (b)长波长InGaAsP/InP 5.调制特性调制特性 半导体激光器进行模拟调制时，应将工作点选在P_I曲线的线性部分中点，一般是在阈值以上20-40mA。数字调制时将直流偏置电流Idc选在阈值电流附近。激光器的上升时间在0.11ns,可实现几GHz的模拟调制和几Gb/s的数字调制，当系统速率超过10Gb/s时要采用间接调制。4.调制特性调制特性 在直接光强调制下，激光器输出光功率光功率P和调制频率调制频率f 的关系为 P(f)=(3.8a)(3.8b)式中，和分别称为弛弛豫豫频频率率和阻阻尼尼因因子子，Ith 和I0分别为阈值电流
27、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（与空穴复合前在有源区滞留的平均时间），ph为谐振腔内的光子寿命。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，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。输出光功率降为低频时的 0.707倍所对应的频率，即为激光器的3dB电带宽，输出光功率降为低频时的0.5倍时所对应的频率为激光器的3dB光带宽。Ith=I0 exp(3.9)6.温度特性
28、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激光器输出光功率随温度而变化有两个原因（1）激光器的）激光器的阈值电流阈值电流Ith 随随温度温度升高而升高而增大增大（2）外微分）外微分量子效率量子效率d随随温度温度升高而升高而减小减小。温温度度升升高高时时，Ith 增增大大，d减减小小，输输出出光光功功率率明明显显下下降降，达达到到一一定定温温度度时时，激激光光器器就就不不激激射射了了。当当以以直直流流电电流流驱驱动动激激光光器器时时，阈阈值值电电流流随随温温度度的的变变化化更更加加严严重重。当当对对激激光光器器进进行行脉
29、脉冲冲调调制制时时，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 式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。GaAlAs GaAs 激光器T0=100150 K InGaAsP-InP 激光器T0=4070 K 所所以以长长波波长长InGaAsP-InP激光器输出光光功功率率对温温度度的变化更加敏感。外微分量子效率随温度的变化不十分敏感。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 3.1.3
30、分布反馈激光器分布反馈激光器 虽虽然然F-P型型半半导导体体激激光光器器在在一一定定条条件件下下可可以以单单模模工工作作，有有较较窄窄的的输输出出谱谱线线，但但高高速速调调制制时时输输出出谱谱线线明明显显加加宽宽。在在高高速速调调制制下下通通常使用动态单纵模激光器即常使用动态单纵模激光器即 分布反馈式（分布反馈式（DFB）半导体激光器）半导体激光器 分布布拉格式（分布布拉格式（DBR）激光器）激光器 1、分分布布反反馈馈(DFB)激激光光器器用用靠靠近近有有源源层层沿沿长长度度方方向向制制作作的的周周期期性性结结构构(波波纹纹状状)衍衍射射光光栅栅实实现现光光反反馈馈。这这种种衍衍射射光光栅栅
31、的的折折射射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。分布反馈激光器分布反馈激光器的要求：的要求：（1）谱线宽度谱线宽度更窄（更窄（0.10.2nm）（2）高速率脉冲调制下保持）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性动态单纵模特性 （3）发射）发射光波长光波长更加稳定，并能实现调谐更加稳定，并能实现调谐(0.1nm/C)（4）阈值电流阈值电流更低更低 （5）输出）输出光功率光功率更大更大 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
32、邻近的光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如光线b)。光栅周期=(3.10)neff 为材料有效折射率，B为布喇格波长 例、InGaAsP DFB半导体激光器材料等效折射率为3.5，要求中心发射波长为1.55微米，则光栅周期为？DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优优点点：单纵模激光器单纵模激光器 谱线窄，谱线窄，波长稳定性好波长稳定性好 动态谱线好动态谱线好 线性好线性好 2、分布布拉格式（分布布拉格式（DBR）激光器）激光器Bragg光栅P区N区Bragg光栅有源区DBR-LD结构示意图两侧的光栅起到频率选择的作用，位于有源层外代替谐振腔两侧的反射镜面，只有波长与光栅布拉格波长相等的光可以形成振
33、荡，从而形成单纵模输出。DFB与DBR激光器的性能区别：DFB激光器有较宽的调制带宽，较小的频率和强度噪声，边模抑制比较高，谱线较窄。驱动电流变化时输出功率和频率都会变化，形成啁啾现象。DBR激光器因为反射区和有源区分开，可以通过改变通过有源区的电流控制激光器的输出功率，通过改变流过光栅区的电流控制输出波长，可以克服频率啁啾。实际产品参数列表F-P MQW LDDFB-MQW LD 3.1.4 发光二极管发光二极管LD LD 和和和和LEDLED的区别的区别的区别的区别 LD发射的是受激辐射光受激辐射光 LED发射的是自发辐射光自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双双异异质质结结(D
34、H)芯芯片片，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。LEDLED的结构与分类的结构与分类l 直接带隙材料、间接带隙材料直接带隙，是指导带最低点和价带最高点具有同样的波矢，在电子的跃迁中动量保持不变间接带隙的半导体导带最低点和价带最高点所对应的波矢是不同的，电子在跃迁的过程中动量发生变化，要想保证跃迁过程中动量守恒，就必须有一个声子参与此过程，这时产生非辐射复合不发光，电子能量转化为晶格振动能量。常见的硅就是间接带隙材料。电子跃迁导带禁带价带动量（a）直接带隙kp电子跃迁导带禁带价带动量（b）间接带隙Epl根据光输出位置不同可分为面发射型LED和边发射型LE
35、D电极光纤胶有源区限流区Cu热沉SiO2SiO2双异质结结构金属接触层面发射型LED双异质结结构衬底Cu热沉电极金属接触边发射型LED发光二极管的特点发光二极管的特点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自发发辐辐射射光光，没有谐振腔对波长的选择，谱谱线线较较宽宽，可用高斯函数描述，如图3.15。光源的光谱特性直接关系到光纤色散对系统传
36、输容量的影响。图 3.15LED光谱特性 (2)P-I特性 LED发光功率P和正向驱动电流 I之间呈现线性关系可见输出光功率和输入电流成正比发光二极管的输出光功率特性示于图3.16。驱驱动动电电流流I较较小小时时，P-I曲线的线线性性较较好好；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。LEDLED的的的的P_IP_I特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线原理：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电流电流/mA输输出出功功率率/mW 式中，f 为调制频率，P(f)为对
37、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，调制电流的变化必须比它慢。定义 fc 为发光二极管的截止频率。(3)调制特性。高频时发光二极管的频率响应可以表示为(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和截止频率截止频率 fc 的关系（寿命越短，截止频率越高）。对有源区为低掺杂浓度的LED，适当增增加加工工作作电电流流可以缩缩短短载流子寿命载流子寿命，提高提高截止频率截止频率。图 3.17 发光二极管(LED)的频率响应 3dB3dB电带宽：电带宽：电带宽：电带宽：角频率角频率角频率角频率 时，交流功率减少到低频时的时，交流功率减少到低频时的时
38、，交流功率减少到低频时的时，交流功率减少到低频时的0.7070.707倍，接收端光检测器产生的光生电流与接收光功率倍，接收端光检测器产生的光生电流与接收光功率成正比，因此当交流光功率减少到成正比，因此当交流光功率减少到0.707倍时，光检倍时，光检测器的交流电流也降低到原先的测器的交流电流也降低到原先的0.707倍，接收的电倍，接收的电功率减少到功率减少到0.7072=0.5倍，所以倍，所以3dB电带宽定义为：电带宽定义为：3dB光带宽光带宽：输出光功率降低到零频的：输出光功率降低到零频的0.5倍所对应倍所对应的调制频率。的调制频率。光源的上升时间光源的上升时间：当输入阶跃变换的电流时，其输：
39、当输入阶跃变换的电流时，其输出光功率从最初的出光功率从最初的10%上升到上升到90%的时间。的时间。（p107）半导体光源的一般性能表：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通常和多多模模光光纤纤耦合，用于1.3 m(或0.85 m)波长的小容量短距离系统。因为LED发发光光面面积积和光光束束辐辐射射角角较大，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径，有利于提高耦合效率耦合效率，增加入纤功率入纤功率。LD通常和G.652或或G.653规范的单单模模光光纤纤耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量长
40、距离系统。分分布布反反馈馈激激光光器器(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。表表3.1 半导体激光器半导体激光器(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)的一般性能的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C寿命寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角辐射角50150 301005002000 5001000调制带宽调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率输出功率 P/mW100150 10015
41、0工作电流工作电流 I/mA2030 3060阀值电流阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长工作波长LEDLDLED优缺点优缺点缺点：输出功率小，发射谱较宽，高频调制特性差。缺点：输出功率小，发射谱较宽，高频调制特性差。优点：寿命长、线性性好，稳定性好，驱动电路简单，优点：寿命长、线性性好，稳定性好，驱动电路简单，价格偏移。价格偏移。3.2光放大器光放大器：解决功率导致的传输距离限制问题，不解决带宽限制问题（不做信号的重构）通常分为两类：半导体激光放大器 光纤放大器3.2.1半导体激光放大器（SOA）原理：利用处于粒子反转
42、的半导体PN结对光的增益效应来实现对光信号的放大。如果反射受到抑制或r1=r2=0变成能适合不同波长的光放大器,称为行波放大器（TWA）如果存在反射或r1=r20，称为窄带的F-P型谐振放大器半导体激光放大器（半导体激光放大器（半导体激光放大器（半导体激光放大器（SOASOA）的几个参数）的几个参数）的几个参数）的几个参数1、增益G式子中：Pout，Pin分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率。半导体激光放大器（半导体激光放大器（半导体激光放大器（半导体激光放大器（SOASOA）的几个参数）的几个参数）的几个参数）的几个参数2、噪声系数，定义为(SNR)in是检测输入到光放大器上的光波时的电
43、等效信噪比。(SNR)out是放大器输出光波的电等效信噪比。粒子完全反转时nsp=1,不完全反转nsp1,可见理想放大器被放大的光信号信噪比也降低了3dB，大多数半导体光放大器的NF在8dB左右。3.2.2掺铒光纤放大器(EDFA)工作原理：在光纤中掺杂三价铒离子形成掺铒光纤，在未受激励时电子处在基态较多，经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级跃迁到高能级(一般通过另一辅助能级)，在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分布而具有光放大作用。图4.26:1、第一激发态与基态之间的能量差对应波长为1550nm的光子能量，同时会有部分粒子以自发辐射跃迁到基态，产生自发辐射噪声。2、吸收系数最大的是980n
44、m,其次是1480nm,这些频率的光可用来泵浦EDFA。EDFA结构光耦合器将待放大的信号光和泵浦光合路，送进掺铒光纤，光耦合器将待放大的信号光和泵浦光合路，送进掺铒光纤，信号光与泵浦光在掺铒光纤中同向传输。掺铒光纤为信号信号光与泵浦光在掺铒光纤中同向传输。掺铒光纤为信号光提供增益（其长度在几米到几十米）。末端的光滤波器光提供增益（其长度在几米到几十米）。末端的光滤波器将放大以后的信号光和衰减以后的泵浦光分开。将放大以后的信号光和衰减以后的泵浦光分开。光隔离器：减少反射光对输入的影响光隔离器：减少反射光对输入的影响 EDFA的增益EDFA的增益依赖于放大器的掺杂浓度、掺铒光纤长度、泵的增益依赖
45、于放大器的掺杂浓度、掺铒光纤长度、泵浦功率、泵浦波长。（浦功率、泵浦波长。（p122）掺杂浓度越高，单位长度的增益越大掺杂浓度越高，单位长度的增益越大泵浦光功率愈大，功率增益愈大泵浦光功率愈大，功率增益愈大光纤越长功率增益愈大光纤越长功率增益愈大.信号愈大，功率增益越小，直到饱和信号愈大，功率增益越小，直到饱和EDFA的噪声特性理想情况，放大器噪声系数为理想情况，放大器噪声系数为3dB980nm泵浦的泵浦的EDFA，在泵浦功率足够大时，噪声，在泵浦功率足够大时，噪声系数接近系数接近3dB1480nm泵浦的泵浦的EDFA，在泵浦功率足够大时，噪声，在泵浦功率足够大时，噪声系数接近系数接近4dBE
46、DFA在系统中的应用（1）用于宽带光波分配系统，补偿由分路带来的损耗）用于宽带光波分配系统，补偿由分路带来的损耗（2）用作前置放大，因为它具有前置放大的特性）用作前置放大，因为它具有前置放大的特性NF小，灵敏度高，在它后面要接光滤波器。小，灵敏度高，在它后面要接光滤波器。（3）用作功率放大，可将传输距离延长）用作功率放大，可将传输距离延长10-20km（4）用作线路放大器，代替光）用作线路放大器，代替光-电电-光的中继，适合海光的中继，适合海底光缆。最大的吸引力在底光缆。最大的吸引力在WDM3.2 光检测器光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极
47、管光电二极管 一、工作原理和结构一、工作原理和结构 二、二、PIN光电二极管主要特性光电二极管主要特性 (1)量子效率和光谱特性量子效率和光谱特性 (2)响应时间和频率特性响应时间和频率特性 (3)噪声噪声 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)一、工作原理和结构一、工作原理和结构 二、二、APD特性参数特性参数 3.2.4 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用3.2 光检测器光检测器 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电二极管工作原理 光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管(PD)(PD)把光信号转
48、换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应光电效应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 在在耗耗尽尽层层两两侧侧是是没没有有电电场场的的中中性性区区，由由于于热热运运动动，部部分分光光生生电电子子和和空空穴穴通通过过扩扩散散运运动动可可能能进进入入耗耗尽尽层层，然然后后在在电电场场作作用用下下，形成和形成和漂移电流漂移电流相同方向相同方向的的扩散电流扩散电流。漂漂移移电电流流分分量量和和扩扩散散电电流流分分量量的的总总和和即即为为光光生生电电流流。当当与与P层层和和
49、N层层连连接接的的电电路路开开路路时时，便便在在两两端端产产生生电电动动势势，这这种种效效应应称称为为光电效应光电效应。当当连连接接的的电电路路闭闭合合时时，N区区过过剩剩的的电电子子通通过过外外部部电电路路流流向向P区。同样，区。同样，P区的空穴流向区的空穴流向N区，区，便形成了便形成了光生电流光生电流。当当入入射射光光变变化化时时，光光生生电电流流随随之之作作线线性性变变化化，从从而而把把光光信信号号转换成转换成电信号电信号。这这种种由由PN结结构构成成，在在入入射射光光作作用用下下，由由于于受受激激吸吸收收过过程程产产生生的的电电子子-空空穴穴对对的的运运动动，在在闭闭合合电电路路中中形
50、形成成光光生生电电流流的的器器件件，就是简单的就是简单的光电二极管光电二极管(PD)。如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施施加加适当的反反向向偏偏压压，目的是增增加加耗耗尽尽层层的的宽宽度度，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分量扩散分量。由于载流子扩扩散散运运动动比漂漂移移运运动动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响响应应速速度度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构。3.2.2 PIN 光电二极管光电二极管 PIN光电二极管的产生光电二极管的产生 由于PN结耗尽