第 3 章 通信用光器
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
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 开关返回主目录第 3 章 通信用光器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 。
3.1 光源
3.1.1 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受激辐射和 粒子 数反转分布
PN结的能带 和 电子分布激光振荡和 光学 谐振腔二、半导体激光器 基本 结构
3.1.2 半导体激光器的主要特性一,发射波长和光谱特性二,激光束的空间分布三,转换效率和输出光功率特性四,频率特性五,温度特性
3.1.3 分布反馈激光器一,工作原理二,DFB激光器的优点
3.1.4 发光二极管一,工作原理二,工作特性
3.1.5 半导体光源一般性能和应用
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 。
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)。
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 。
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本方式,受激吸收 自发辐射 受激辐射 (见图 3.1)
hf12
初态E2
E1
终态E2
E1
(a) 受激吸收；
能级和电子跃迁
(b) 自发辐射；
hf12
初态E2
E1
终态E2
E1
hf12
初态E2
E1
终态E2
E1
(c) 受激辐射
(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 3.1(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)。
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 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,即
E2-E1=hf12 (3.1)
式中,h=6.628× 10-34J·s,为 普朗克常数,f12为吸收或辐射的光子频率 。
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 。
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 E1和处于高能级 E2(E2>E1)的原子数分别为 N1和 N2。
当系统处于 热平衡状态 时,
)e x p ( 12
1
2
kT
EE
N
N (3.2)
式中,k=1.381× 10-23J/K,为波尔兹曼常数,T为热力学温度 。
由于 (E2-E1)>0,T>0,所以在这种状态下,总是 N1>N2。 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 N1>N2,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 。
如果 N2>N1,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 。
N2>N1的分布,和正常状态 (N1>N2)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? 这个问题将在下面加以叙述 。
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
E
g
/2
E
g
/2
E
f
E
c
E
v
E
g
导带价带能量
E
c
E
f
E
g
E
v
E
g
E
c
E
f
E
v
( a ) ( b ) ( c )
2,PN
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 Ec 和价带顶的能量 Ev 之间的能量差 Ec-
Ev=Eg称为 禁带宽度 或 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 。
)e x p (1
1)(
kT
EEEp f?
(3.3)
一般状态下,本征半导体的电子和空穴是成对出现的,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,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)。
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)。
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 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 区内部电场扩散漂移
P - N结内载流子运动；
图 3.3 PN
势垒能量
E pc
P 区
E nc
E f
E pv
N 区
E nv
零偏压时 P - N结的能带倾斜图；
h f
h f E f
E pc
E pf
E pv
E nc
n
E nv
电子,空穴内部电场外加电场正向偏压下 P- N结能带图获得粒子数反转分布增益区的产生：
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)。
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 。
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 （ 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 R1和 R2的平行反射镜
(如图 3.4所示 ),并被称为法布里 - 珀罗 (Fabry Perot,FP)
谐振腔 。
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
(a) 激光振荡； (b) 光反馈
2 n
反射镜光的振幅反射镜
L
( a )
初始位置光光强输出
O X L
( b )
式中,γth 为阈值增益系数,α为谐振腔内激活物质的损耗系数,L为谐振腔的长度,R1,R2<1为两个反射镜的反射率激光振荡的相位条件为式中,λ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 。
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的 阈值条件为
γth =α+
21
1ln
2
1
RRL
(3.4)
L= q
q
nL
n
2
2
或 (3.5)
4.
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 0.1~0.3
μm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。
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 。
这样,注入到有源层的电子和空穴被限制在厚 0.1~0.3 μm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 。
图 3.6 DH
(a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
P
G a
1 － x
Al
x
A s
P
G a A s
N
Ga
1 － y
Al
y
A s
复合空穴异质势垒
E
能量
( a )
( b )
( c )
n
折射率
～ 5%
( d )
P
光
＋ －
电子
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
h f =Eg
gg EE
hc 24.1 (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 λ。
镓铝砷 -镓砷 (GaAlAs-GaAs)材料适用于 0.85 μm波段铟镓砷磷 - 铟磷 (InGaAsP-InP)材料适用于 1.3~1.55 μm波段式中,f=c/λ,f (Hz)和 λ(μm)分别为发射光的频率和波长,
c=3× 108 m/s 为光速,h=6.628× 10-34J·S 为 普 朗 克 常 数,
1eV=1.6× 10-19 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 。
图 3.7 GaAlAs-DH
(a) 直流驱动 ; (b) 300 Mb/s数字调制
0
799 800 801 802
Im/mA
40
35
30
25
I=100mA
Po=10mW
I=85mA
Po=6mW
I= 8 0mA
Po=4mW
I=75mA
Po=2.3mW
L=250μm
W=12 μm
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)
2.
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 。
图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样
W ＝ 1 0? m
2 0? m
2 0? m
3 0? m
3 0? m
5 0? m
1 0? m
近场图样
0,1 r a d
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
⊥
∥
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
80 60 40 20 0 20 40 60 80
T ＝ 3 0 0 K
辐射 角? ( 度 )
相对光强
( a )
⊥
∥
( b )
图 3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性,图中 θ‖ 和 θ⊥ 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,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 ηd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
hf
e
I
p
eII
hfpp
th
th
d?
/)(
/)(? (3.7a)
由此得到
)(e thdth IIhfpp
(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 。
图 3.10是典型激光器的光功率特性曲线。
当 I<Ith 时激光器发出的是 自发辐射光 ；
当 I>Ith 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
(a) 短波长 AlGaAs/GaAs (b) 长波长 InGaAsP/InP
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0 20 40 60 80
1 ¤ × ÷ μ? á ÷ I / m A
μ
￥
ê
3
1
|
ê
P
/
m
W
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
0 50 100 150I
th
1 ¤ × ÷ μ? á ÷ I / m A
ê
3
1
|
ê
P
/
m
W
( a ) ( b )
4.
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)=
2222 )/(4])/(1[
)0(
rr ffff
p
(3.8a)
)1(1
2
1 0?
II
IIf
thphsp
r
(3.8b)
式中,和 ξ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′=(0.7~0.8)Ith； τsp为有源区内的电子寿命,τph为谐振腔内的光子寿命 。
rf
图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性
0,0 1 0,1 1 10
0,1
1
10
1 0 0
fr
调制频率 f / G H z
相对光功率图 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 1~2 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 。
)(
0T
T
Ith=I0 exp (3.9)
5.
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 Ith 随 温度 升高而 增大 （ 2） 外微分 量子效率 ηd随 温度 升高而减小 。
温度升高时,Ith 增大,ηd减小,输出光功率明显下降,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=100~150 K
InGaAsP-InP 激光器 T0=40~70 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 。
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
22
℃
30
℃
40
℃
50
℃
60
℃
70
℃
80
℃
P / m W
5
4
3
2
1
0
50 1 0 0
I / m A
不激 射
3.1.3
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
（ 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 更大图 3.13 分布反馈 (DFB)
(a) 结构； (b) 光反馈衍射 光栅有源 层
N 层
P 层输出 光光栅有源 层
b a
∧
( a ) ( b )
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
Λ=m
e
B
n2
(3.10)
ne 为材料有效折射率,λB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
)221(
2
2,1 Ln
e
B
B
(3.11)
DFB激光器与 F-P激光器相比,具有以下 优点：
① 单纵模激光器
② 谱线窄,波长稳定性好
③ 动态谱线好
④ 线性好
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 。
图 3.14两类发光二极管 (LED)
(a) 正面发光型； (b) 侧面发光型球透镜环氧树脂
P 层
n 层有源层发光区微透镜
P 型限制层
n 型限制层有源层波导层发光二极管的类型,正面发光型 LED和 侧面发光型 LED
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。
图 3.15 LED光谱特性
1300 2 ¨ 3 ¤ / nm
÷? ￡? 70 nm
à
1
a
(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(θ)=P0 cosθ,半功率点辐射角 θ≈120° 。
侧面发光型 LED,θ‖ ≈120°,θ⊥ ≈25° ~35° 。 由于 θ大,
LED与光纤的耦合效率一般小于 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 ηd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 。
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
0℃
25℃
70℃
电流 /mA
输出功率/ m
W
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,
τe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/(2πτe)时,|H(fc)|=,最高调制频率应低于截止频率 。 2
1
(4) 频率特性 。
发光二极管的频率响应可以表示为
|H(f)|=
2)2(1
1
)0(
)(
efP
fp
(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 τe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 。
图 3.17 发光二极管 (LED)的频率响应
e
￡? 1,1 ns
e
￡? 2,1 ns
e
￡? 6,4
ns
100 100010
0,1
10
μ ÷ μ? ê f / M H z
μ
ê
ì
ó
|
H
(
f
)
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 μm(或 0.85 μm)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 μm或
1.55 μm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 。
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
50~150 30~100500~2000 500~1000调制带宽 B/MHz
0.1~0.3 0.1~0.21~3 1~3入纤功率 P/mW
1~5 1~35~10 5~10输出功率 P/mW
100~150 100~150工作电流 I/mA
20~30 30~60阀值电流 Ith/mA
50~100 60~1201~2 1~3谱线宽度
1.3 1.551.3 1.55工作波长
LEDLD
/μμ?
nm/
)/(
76 10~10 65 10~10 810 710
表 3.2 分布反馈激光器 (DFB - LD)一般性能
/nm
20~40 15~30输出功率 P/mW (连续单纵模,25oC)
20 15外量子效率 /%
15~20 20~30阀值电流 Ith/mA
<0.08频谱漂移 /(nm/oC)
30~35边模抑制比 /dB
0.04~0.5(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 μm/
d?
34 10~10
光源组件实例
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
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电二极管 (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 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 发生受激吸收在耗尽层两侧是没有电场的中性区,由于热运动,部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层,然后在电场作用下,
形成和 漂移电流 相同方向 的 扩散电流 。
漂移电流 分量和 扩散电流 分量的总和即为 光生电流 。 当与 P
层和 N层连接的电路开路时,便在两端产生电动势,这种效应称为 光电效应 。
当连接的电路闭合时,N区过剩的电子通过外部电路流向 P
区 。 同样,P区的空穴流向 N区,便形成了 光生电流 。
当入射光变化时,光生电流随之作 线性变化,从而把 光信号转换成 电信号 。
这种由 PN结构成,在入射光作用下,由于受激吸收过程产生的电子 - 空穴对的运动,在闭合电路中形成光生电流的器件,
就是简单的 光电二极管 (PD)。
如图 3.19(b)所示,光电二极管通常要 施加 适当的 反向偏压,
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 扩散分量 。
由于载流子 扩散运动 比 漂移运动 慢得多,所以减小扩散分量的比例便可显著提高 响应速度 。 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,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
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),这种结构便是常用的 PIN光电二极管 。
PIN光电二极管 的工作原理和结构见图 3.20和图 3.21。
中间的 I层是 N型掺杂浓度很低的 本征半导体,用 Π(N)表示；
两侧是 掺杂浓度 很高 的 P型和 N型半导体，用 P+和 N+表示。
I层很厚,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 - 空穴对,因而大幅度提高了 光电转换效率 。
两侧 P+层和 N+层很薄，吸收入射光的比例很小,I层几乎占据整个 耗尽层,因而光生电流中 漂移分量 占支配地位，从而大大提高了 响应速度 。
另外，可通过控制 耗尽层的宽度 w，来改变器件的 响应速度 。
图 3,21 PIN光电二极管结构抗反射膜光电极
( n )
P
＋
N
＋
E
电极式中,hf 为 光子能量,e为 电子电荷 。
e
hf
P
I
hfP
eI PP
00 /
/
入射光子数空穴对光生电子对? (3.13)
)/(
0
WAhf ePI P
(3.14)
PIN光电二极管具有如下主要特性：
(一 ) 量子效率和光谱特性 。
光电转换效率 用 量子效率 η或 响应度 ρ表示 。 量子效率
η的定义为一次 光 生电子 -空穴对 和 入射光子数 的比值响应度 的定义为一次 光生电流 IP和 入射光功率 P0的比值式中,α(λ)和 w分别为 I层的吸收系数和厚度 。 由式 (3.15)可以看到,当 α(λ)w>>1时,η→ 1,所以为提高量子效率 η,I 层的厚度 w要足够大 。
（ 1） 量子效率 和 响应度 取决于材料的特性和器件的结构 。
假设器件表面反射率为零,P层和 N层对量子效率的贡献可以忽略,在工作电压下,I层全部耗尽,那么 PIN光电二极管的 量子效率 可以近似表示为
])(e x p [1 w
(3.15)
（ 2） 量子效率 的光谱特性取决于半导体材料的 吸收光谱 α(λ)，
对长波长的限制由式 (3.6)确定，即 λc= hc /Eg。
图 3.22示出 量子效率 η和 响应度 ρ的光谱特性，由图可见,Si
适用于 0.8~0.9μm波段,Ge 和 InGaAs 适用于 1.3~1.6 μm波段。响应度一般为 0.5~0.6 (A/W)。
图 3-22 PIN光电二极管响应度,量子效应率 与波长 的关系
10￡ ￥
30￡ ￥
50￡ ￥
70￡ ￥
￡? 90￡ ￥
Ge
I nG a A s
0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
m
(
¤
W
￡
1
)
Si
(二 ) 响应时间和频率特性 。
光电二极管对高速调制光信号的 响应能力 用 脉冲响应时间 τ或截止频率 fc(带宽 B)表示 。
对于数字脉冲调制信号,把光生电流脉冲前沿由最大幅度的
10%上升到 90%,或后沿由 90%下降到 10%的时间,分别定义为 脉冲上升时间 τr和 脉冲下降时间 τf。
当光电二极管具有单一时间常数 τ0时,其脉冲前沿和脉冲后沿相同,且接近指数函数 exp(t/τ0)和 exp(-t/τ0),由此得到 脉冲响应时间
τ=τr=τf=2.2τ0 (3.16)
对于幅度一定,频率为 ω=2πf 的正弦调制信号,用光生电流 I(ω)下降 3dB的频率定义为 截止频率 fc。 当光电二极管具有单一时间常数 τ0时,
r
cf
35.0
2
1
0
（ 3.17）
PIN光电二极管 响应时间 或 频率特性 主要由 光生载流子在耗尽层的 渡越时间 τd和包括光电二极管在内的检测电路 RC常数所 确定 。
当调制频率 ω与渡越时间 τd的倒数可以相比时,耗尽层 (I
层 )对量子效率 η(ω)的贡献可以表示为
(3.18)
2/
)2/s in ()0()(
d
d
w
w
由 η(ω)/η(0)= 得到由渡越时间 τd限制的截止频率
21
w
vf s
d
c 42.0
42.0
（ 3.19）
式中,渡越时间 τd=w/vs,w为耗尽层宽度,vs为载流子渡越速度,比例于电场强度 。
由式 (3.19)和式 (3.18)可以看出,减小 耗尽层宽度 w,可以 减小 渡越时间 τd,从而 提高 截止频率 fc,但是同时要 降低 量子效率 η。
10 100
1000 10000
1000 600
200 100 60 40 20 10
6 4 2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
￡? 1,06? m
S i - P I N
0.
95
0.
90
0.
85
0.
80
0.
6328
′ í / M H z
ú
á
×
ó
D
§
ê
o í? è /? m
400
图 3.23 内量子效率和带宽的关系由电路 RC时间常数限制的 截止频率式中,Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和,Cd
为结电容 Cj和管壳分布电容的总和 。
式中,ε为 材料介电常数,A为 结面积,w为 耗尽层 宽度。
dt
c cRf?2
1? (3.20)
w
AC
j
(3.21)
(三 ) 噪声 。
噪声 影响光接收机的 灵敏度 。
噪声 包括 散粒噪声 (Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生 ) 热噪声 (由负载电阻和后继放大器输入电阻产生 )
（ 1 ） 均方散粒噪声电流
〈 i2sh〉 =2e(IP+Id)B (3.22)
e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。
2eIPB 称为 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 )
2eIdB是 暗电流 产生的噪声 。
暗电流 是器件在 反 偏压 条件下,没有入射光时产生的 反向直流电流 。
（ 1） 均方热噪声电流式中,k=1.38× 10-23J/K为 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 。
因此,光电二极管的 总均方噪声电流 为
〈 i2〉 =2e(IP+Id)B+
R
KTB4 (3.24)
R
KTB4
(3.23)〈 i2
T〉 =
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 。
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。
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 - 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)。
图 3.24 光电二极管输出电流 I和反向偏压 U的关系
·′? ò 1 U
1 a μ? á ÷
暗电流
ê
3
1
a
μ
á
÷
I
0
0 U
B
图 3.25 APD (只画出电子 ）
＋－
I
0
NP P ( N )
光图 3.26 APD结构图电极电极光抗反 射膜
N
＋
P
P
＋
( P )
E
图 3.26示出的 N+PΠP+结构被称为 拉通型 APD。
APD的 响应度 比 PIN增加了 g倍 。
U为 反向偏压,UB为 击穿电压,n为与材料特性和入射光波长有关的常数,R为 体电阻 。
当 U≈UB时,RIo/UB<<1,上式可简化为对 APD特性新引入的参数是 倍增因子 和 附加噪声指数
1.
倍增因子 g(一次光生电流产生的平均增益的倍数 )定义为
APD输出 光电流 Io和一次 光生电流 IP的比值 。
PI
Ig 0?
(3.25)
n
B
n
B URIUUU
Ig
]/)[(1
1
)/(1 0
0
(3.26)
21
0
)(
P
BB
n R I
U
n R I
Ug (3.27)
2.
APD的 均方量子噪声电流 为
〈 i2q〉 =2eIPBg2 (3.26a)
引入新的噪声成分,并表示为 附加噪声因子 F。
F(>1)是 雪崩效应 的随机性引起噪声增加的倍数,设 F=gx，
APD的 均方量子噪声电流 应为
〈 i2q〉 =2eIPBg2+x (3.26b)
式中,x为附加噪声指数 。
同理,APD暗电流 产生的均方噪声电流应为
〈 i2d〉 =2eIdBg2+x (3.27)
附加噪声指数 x与器件所用材料和制造工艺有关
Si-APD的 x=0.3~0.5,Ge-APD的 x=0.8~1.0,InGaAs-APD的
x=0.5~0.7。
当式 (3.26)和式 (3.27)的 g=1时,得到的结果和 PIN相同 。
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 (PIN和 APD)的一般性能 。
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 APD有利于延长系统的传输距离 。
灵敏度 要求不高的场合,一般采用 PIN-PD。
-5~-15-5~-15工作电压 /V
1~20.5~1结电容 Cj/pF
0.2~12~10响应时间
2~50.1~1暗电流 Id/nA
0.6(1.3 )0.4(0.85 )响应度
1.0~1.60.4~1.0波长响应
InGaAs-PINSi-PIN
μm/
)W/( A 1
ns/?
μm μm
表 3.3 PIN光电二极管一般特性
ns/?
0.5~0.70.3~0.4附加噪声指数 x
20~3030~100倍增因子 g
40~6050~100工作电压 /V
<0.51~2结电容 Cj/pF
0.1~0.30.2~0.5响应时间
10~200.1~1暗电流 Id/nA
05~0.70.5响应度
1~1.650.4~1.0波长响应
InGaAs-APDSi-APD
)W/( A 1
μm/
表 3.4 雪崩光电二极管（ APD）一般性能
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
3.3 光 无 源 器无源光器件的要求：
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 。
3.3.1
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 之间的连接 。
表 3.5 光纤连接器一般性能
1.0
40~50PC型陶瓷
-40~+80陶瓷
-20~+70不锈钢工作温度 /oC
不锈钢寿命（插拔次数）
35~40FC型反射损耗 /dB
互换性 /dB
重复性 /dB
0.2~0.3插入损耗 /dB
性能型号或材料项目
310
1.0
410
图 3.27 精密套管结构连接器简图光纤 套管 插针 粘结剂连接器的分类：
单纤 (芯 )连接器 和 多纤 (芯 )连接器 。
3.3.2
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 /解复用器图 3.28 常用耦合器的类型
T形
(a)
… …
星 形
(b)
定向
(c)
2
3
1
4
…
1
2
N
1＋?2＋?N
(d)
波分
2.
光纤型微器件型波导型光纤型把两根或多根光纤排列,用 熔拉双锥技术 制作各种器件 。
图 3.29(a)所示定向耦合器可以制成 波分复用 /解复用器 。
如图 3.30,光纤 a(直通臂 )传输的输出光功率为 Pa,光纤 b(耦合臂 )的输出光功率为 Pb,根据 耦合理论
Pa=cos2(CλL) (3.28a)
Pb=sin2(CλL) (3.28b)
式中,L为 耦合器有效作用长度,Cλ为取决于光纤参数和光波长的 耦合系数 。
设特定波长为 λ1和 λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度，
使得当光纤 a的输出 Pa(λ1)最大时，光纤 b的输出 Pb(λ1)=0；
当 Pa(λ2)=0时,Pb(λ2)最大。
对于 λ1和 λ2分别为 1.3μm和 1.55 μm的 光纤型解复用器,可以做到 附加损耗 为 0.5 dB,波长隔离度 大于 20 dB。
图 3.29
(a)定向耦合器； (b) 8× 8星形耦合器； (c) 由 12个 2× 2耦合器组成的
8× 8星形耦合器输入 光光强 度光纤 a
光纤 b
输出 光
2
34
1
( a )
( b )
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
( c )
1?2
P
0
P1 P2
熔锥光纤型波分复用器结构和特性图 3.31
(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 滤光式解复用器； (d) 光栅式解复用器光纤自聚 焦透镜自聚 焦透镜光纤滤光 片
1
,?
2
1
2
1
2
3
1
＋?
2
＋?
3
光纤自聚 焦透镜硅光 栅光纤自聚 焦透镜 分光 片
1
3
4
2
( b )( a )
( c )
( d)
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 。
衍射光栅型波分复用器结构示意图光 纤 透 镜 光 栅
1
2
3
1+?2+?3
采用棒透镜的光栅型 WDM
光 纤 棒 透 镜光 栅
1+?2+?3
1
2
3
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；
光波 导开角
( a )
( b )
( c )
多模 波导多层 膜滤光 片单模 波导
1,5 5? m
1,5 5? m
1,3? m
1
,3
m
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 。
3.
说明耦合器参数的模型如图 3.33所示,主要参数定义如下。
耦合比 CR 是一个指定 输出端的光功率 Poc和 全部输出端的光功率总和 Pot的比值，用 %表示
N
n
on
oc
Ot
OC
P
P
P
P
CR
1
(3.29)
由此可定义功率分路损耗 Ls：
Ls=10lg )1(
CR
(3.30)
附加损耗 Le 由散射,吸收和器件缺陷产生的损耗,是全部输入端的 光功率总和 Pit和 全部输出端的光功率总和 Pot
的比值,
插入损耗 Lt 是一个指定 输入端的光功率 Pit和一个指定输出端的光功率 Poc的比值,用分贝表示
N
n
on
N
n
in
ot
it
e
P
P
p
P
L
1
1lg10lg10 (3.31)
oc
ic
t p
pL lg10? (3.32)
方向性 DIR(隔离度 ) 是一个输入端的光功率 Pic和由耦合器反射到其它端的光功率 Pr的比值,用分贝表示一致性 U 是不同输入端得到的耦合比的均匀性,或者不同输出端耦合比的等同性 。
r
ic
p
pD I R lg10? (3.33)
μm
-40~+70-40~+70工作温度 /oC
1~1.250.8~2.0稳定性 /dB
40~55方向性 /dB
0
4× 4 7~8
8× 8 11~12
32 × 32
17~19
3.4
5.6/1.8
10.8/0.7
插入损耗 /dB
分路比 0.5/0.5
0.3/0.7
0.1/0.9
1.31或 1.551.31或 1.55工作波长 /
n× n星型2× 2型耦合器表 3.6 耦合器的一般特性
2555（滤波）隔离度 /dB
2~30.5~1附加损耗 /dB
20~30200波长间隔 /nm
1.31和 1.551.31和 1.55工作波长 /
6端2端波分复用器
μm
表 3.7 波分复用器的一般性能
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 。
插入损耗 和 隔离度 是 隔离器 。
隔离器 工作原理如图 3.34所示。
这里假设入射光只是 垂直偏振光,第一个偏振器的透振方向也在垂直方向,因此输入光能够通过第一个偏振器。
紧接第一个偏振器的是 法拉弟旋转器,法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如 45°,并且其旋转方向与光传播方向无关。
光偏振 (极化 )
单模光纤中传输的光的 偏振态 (SOP,State of Polarization)
是在垂直于光传输方向的平面上 电场矢量 的振动方向 。
在任何时刻,电场矢量 都可以分解为两个正交分量,这两个正交分量分别称为 水平模 和 垂直模 。
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
法拉弟旋转器 后面跟着的是第二个偏振器,这个偏振器的透振方向在 45° 方向上,因此经过法拉弟旋转器旋转 45° 后的光能够顺利地通过第二个偏振器,也就是说光信号从左到右通过这些器件 (即正方向传输 )是没有损耗的 (插入损耗除外 )。
另一方面,假定在右边存在某种反射 (比如接头的反射 ),反射光的偏振态也在 45° 方向上,当反射光通过 法拉弟旋转器 时再继续旋转 45°,此时就变成了 水平偏振光 。 水平偏振光 不能通过左面偏振器 (第一个偏振器 ),于是就达到隔离效果 。
然而在实际应用中,入射光的偏振态 (偏振方向 )是任意的,
并且随时间变化,因此必须要求 隔离器 的工作与入射光的 偏振态无关,于是 隔离器 的结构就变复杂了 。 一种小型的与入射光的偏振态无关的 隔离器 结构如图 3.35所示 。
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SWP
SOP
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)
具有任意 偏振态 的入射光首先通过一个 空间分离偏振器
(SWP,Spatial Walk off Polarizer)。
这个 SWP的作用是将入射光分解为两个 正交偏振分量,让垂直分量直线通过,水平分量偏折通过 。
这个半波片的作用是将从左向右传播的光的 偏振态 顺时针旋转 45°,将从右向左传播的光的 偏振态 逆时针旋转 45° 。
因而 法拉弟旋转器 与半波片的组合可以使 垂直偏振光 变为 水平偏振光,反之亦然 。
最后两个分量的光在输出端由另一个 SWP合在一起输出,
如图 3.35(a)所示 。
两个分量都要通过 法拉弟旋转器,其偏振态都要旋转 45° 。
法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片 ( plate或 half wave
plate)。 2
另一方面,如果存在反射光在反方向上传输,半波片和 法拉弟旋转器 的旋转方向正好相反,当两个分量的光通过这两个器件时,其旋转效果相互抵消,偏振态 维持不变,在输入端不能被
SWP再组合在一起,如图 3.35(b)所示,于是就起到隔离作用 。
环行器除了有多个端口外,其工作原理与 隔离器 类似 。 如图
3.36所示,典型的 环行器 一般有三个或四个端口 。
在三端口环行器中,端口 1输入的光信号在端口 2输出,端口 2
输入的光信号在端口 3输出,端口 3输入的光信号由端口 1输出 。
光环行器 主要用于 光分插复用器 中 。
图 3.36
(a) 三端口； (b) 四端口
1
3
2
(a) (b)
1 3
2
4
3.3.4 光调制器调制器 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 。
这种晶体的 折射率 n和 外加电场 E
n=n0+αE+βE2 (3.34)
式中,n0为 E=0时 晶体的折射率 。 α和 β是张量,称为 电光系数 。
根据不同取向,当 β=0时,n随 E按比例变化,称为 线性电光效应或普克尔 (Pockel)效应 。
当 α=0时,n随 E2按比例变化,称为 二次电光效应 或 克尔 (Kerr)
效应 。
调制器是利用 线性电光效应 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 。
图 3.37是 马赫 - 曾德尔 (MZ)干涉型 调制器的简图 。
在 LiNbO3晶体衬底上,制作两条光程相同的单模光波导,其中一条波导的两侧施加可变电压 。 设输入调制信号按余弦变化,
则输出信号的光功率
U UUP bSc o s1 (3.35)
式中 Us和 Ub 分别为信号电压和偏置电压,Uπ为光功率变化半个周期 (相位为 0~π)所需的外加电压,并称为 半波电压 。
由式 (3.35)可以看到，
当 Us+Ub=0时,P=2为最大；
当 Us+Ub=Uπ时,P=0。
图 3.37 马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器信号电压电极输出光电光晶体光波导输入光图 3.38 马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器特性
2
1
0
2
π
输出 波形输入 波形相位 差?
输出光功率 P
3.3.5 光开关光开关 的功能是 转换光路,实现 光交换,它是 光网络 的重要器件 。
光开关可分为两大类：
机械光开关固体光开关
μm 3040× 103开光时间 /
20~3025>60串扰 /dB
5~71.3~1.70.7~1.3插入损耗 /dB
8× 8电光1× 2磁光10× 10机械开关类型表 3.8 两类光开关一般性能
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
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 开关返回主目录第 3 章 通信用光器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 。
3.1 光源
3.1.1 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受激辐射和 粒子 数反转分布
PN结的能带 和 电子分布激光振荡和 光学 谐振腔二、半导体激光器 基本 结构
3.1.2 半导体激光器的主要特性一,发射波长和光谱特性二,激光束的空间分布三,转换效率和输出光功率特性四,频率特性五,温度特性
3.1.3 分布反馈激光器一,工作原理二,DFB激光器的优点
3.1.4 发光二极管一,工作原理二,工作特性
3.1.5 半导体光源一般性能和应用
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 。
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)。
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 。
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本方式,受激吸收 自发辐射 受激辐射 (见图 3.1)
hf12
初态E2
E1
终态E2
E1
(a) 受激吸收；
能级和电子跃迁
(b) 自发辐射；
hf12
初态E2
E1
终态E2
E1
hf12
初态E2
E1
终态E2
E1
(c) 受激辐射
(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 3.1(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)。
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 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,即
E2-E1=hf12 (3.1)
式中,h=6.628× 10-34J·s,为 普朗克常数,f12为吸收或辐射的光子频率 。
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 。
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 E1和处于高能级 E2(E2>E1)的原子数分别为 N1和 N2。
当系统处于 热平衡状态 时,
)e x p ( 12
1
2
kT
EE
N
N (3.2)
式中,k=1.381× 10-23J/K,为波尔兹曼常数,T为热力学温度 。
由于 (E2-E1)>0,T>0,所以在这种状态下,总是 N1>N2。 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 N1>N2,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 。
如果 N2>N1,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 。
N2>N1的分布,和正常状态 (N1>N2)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? 这个问题将在下面加以叙述 。
图 3.2
(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体
E
g
/2
E
g
/2
E
f
E
c
E
v
E
g
导带价带能量
E
c
E
f
E
g
E
v
E
g
E
c
E
f
E
v
( a ) ( b ) ( c )
2,PN
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 Ec 和价带顶的能量 Ev 之间的能量差 Ec-
Ev=Eg称为 禁带宽度 或 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 。
)e x p (1
1)(
kT
EEEp f?
(3.3)
一般状态下,本征半导体的电子和空穴是成对出现的,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,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)。
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)。
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 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 区内部电场扩散漂移
P - N结内载流子运动；
图 3.3 PN
势垒能量
E pc
P 区
E nc
E f
E pv
N 区
E nv
零偏压时 P - N结的能带倾斜图；
h f
h f E f
E pc
E pf
E pv
E nc
n
E nv
电子,空穴内部电场外加电场正向偏压下 P- N结能带图获得粒子数反转分布增益区的产生：
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)。
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 。
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 （ 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 R1和 R2的平行反射镜
(如图 3.4所示 ),并被称为法布里 - 珀罗 (Fabry Perot,FP)
谐振腔 。
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
(a) 激光振荡； (b) 光反馈
2 n
反射镜光的振幅反射镜
L
( a )
初始位置光光强输出
O X L
( b )
式中,γth 为阈值增益系数,α为谐振腔内激活物质的损耗系数,L为谐振腔的长度,R1,R2<1为两个反射镜的反射率激光振荡的相位条件为式中,λ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 。
在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的 阈值条件为
γth =α+
21
1ln
2
1
RRL
(3.4)
L= q
q
nL
n
2
2
或 (3.5)
4.
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 0.1~0.3
μm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。
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 。
这样,注入到有源层的电子和空穴被限制在厚 0.1~0.3 μm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 。
图 3.6 DH
(a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
P
G a
1 － x
Al
x
A s
P
G a A s
N
Ga
1 － y
Al
y
A s
复合空穴异质势垒
E
能量
( a )
( b )
( c )
n
折射率
～ 5%
( d )
P
光
＋ －
电子
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
h f =Eg
gg EE
hc 24.1 (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 λ。
镓铝砷 -镓砷 (GaAlAs-GaAs)材料适用于 0.85 μm波段铟镓砷磷 - 铟磷 (InGaAsP-InP)材料适用于 1.3~1.55 μm波段式中,f=c/λ,f (Hz)和 λ(μm)分别为发射光的频率和波长,
c=3× 108 m/s 为光速,h=6.628× 10-34J·S 为 普 朗 克 常 数,
1eV=1.6× 10-19 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 。
图 3.7 GaAlAs-DH
(a) 直流驱动 ; (b) 300 Mb/s数字调制
0
799 800 801 802
Im/mA
40
35
30
25
I=100mA
Po=10mW
I=85mA
Po=6mW
I= 8 0mA
Po=4mW
I=75mA
Po=2.3mW
L=250μm
W=12 μm
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)
2.
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 。
图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样
W ＝ 1 0? m
2 0? m
2 0? m
3 0? m
3 0? m
5 0? m
1 0? m
近场图样
0,1 r a d
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
⊥
∥
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
80 60 40 20 0 20 40 60 80
T ＝ 3 0 0 K
辐射 角? ( 度 )
相对光强
( a )
⊥
∥
( b )
图 3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性,图中 θ‖ 和 θ⊥ 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,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 ηd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
hf
e
I
p
eII
hfpp
th
th
d?
/)(
/)(? (3.7a)
由此得到
)(e thdth IIhfpp
(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 。
图 3.10是典型激光器的光功率特性曲线。
当 I<Ith 时激光器发出的是 自发辐射光 ；
当 I>Ith 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
(a) 短波长 AlGaAs/GaAs (b) 长波长 InGaAsP/InP
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0 20 40 60 80
1 ¤ × ÷ μ? á ÷ I / m A
μ
￥
ê
3
1
|
ê
P
/
m
W
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
0 50 100 150I
th
1 ¤ × ÷ μ? á ÷ I / m A
ê
3
1
|
ê
P
/
m
W
( a ) ( b )
4.
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)=
2222 )/(4])/(1[
)0(
rr ffff
p
(3.8a)
)1(1
2
1 0?
II
IIf
thphsp
r
(3.8b)
式中,和 ξ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′=(0.7~0.8)Ith； τsp为有源区内的电子寿命,τph为谐振腔内的光子寿命 。
rf
图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性
0,0 1 0,1 1 10
0,1
1
10
1 0 0
fr
调制频率 f / G H z
相对光功率图 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 1~2 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 。
)(
0T
T
Ith=I0 exp (3.9)
5.
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 Ith 随 温度 升高而 增大 （ 2） 外微分 量子效率 ηd随 温度 升高而减小 。
温度升高时,Ith 增大,ηd减小,输出光功率明显下降,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=100~150 K
InGaAsP-InP 激光器 T0=40~70 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 。
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
22
℃
30
℃
40
℃
50
℃
60
℃
70
℃
80
℃
P / m W
5
4
3
2
1
0
50 1 0 0
I / m A
不激 射
3.1.3
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
（ 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 更大图 3.13 分布反馈 (DFB)
(a) 结构； (b) 光反馈衍射 光栅有源 层
N 层
P 层输出 光光栅有源 层
b a
∧
( a ) ( b )
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
Λ=m
e
B
n2
(3.10)
ne 为材料有效折射率,λB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
)221(
2
2,1 Ln
e
B
B
(3.11)
DFB激光器与 F-P激光器相比,具有以下 优点：
① 单纵模激光器
② 谱线窄,波长稳定性好
③ 动态谱线好
④ 线性好
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 。
图 3.14两类发光二极管 (LED)
(a) 正面发光型； (b) 侧面发光型球透镜环氧树脂
P 层
n 层有源层发光区微透镜
P 型限制层
n 型限制层有源层波导层发光二极管的类型,正面发光型 LED和 侧面发光型 LED
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。
图 3.15 LED光谱特性
1300 2 ¨ 3 ¤ / nm
÷? ￡? 70 nm
à
1
a
(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(θ)=P0 cosθ,半功率点辐射角 θ≈120° 。
侧面发光型 LED,θ‖ ≈120°,θ⊥ ≈25° ~35° 。 由于 θ大,
LED与光纤的耦合效率一般小于 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 ηd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 。
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
0℃
25℃
70℃
电流 /mA
输出功率/ m
W
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,
τe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/(2πτe)时,|H(fc)|=,最高调制频率应低于截止频率 。 2
1
(4) 频率特性 。
发光二极管的频率响应可以表示为
|H(f)|=
2)2(1
1
)0(
)(
efP
fp
(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 τe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 。
图 3.17 发光二极管 (LED)的频率响应
e
￡? 1,1 ns
e
￡? 2,1 ns
e
￡? 6,4
ns
100 100010
0,1
10
μ ÷ μ? ê f / M H z
μ
ê
ì
ó
|
H
(
f
)
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 μm(或 0.85 μm)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 μm或
1.55 μm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 。
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
50~150 30~100500~2000 500~1000调制带宽 B/MHz
0.1~0.3 0.1~0.21~3 1~3入纤功率 P/mW
1~5 1~35~10 5~10输出功率 P/mW
100~150 100~150工作电流 I/mA
20~30 30~60阀值电流 Ith/mA
50~100 60~1201~2 1~3谱线宽度
1.3 1.551.3 1.55工作波长
LEDLD
/μμ?
nm/
)/(
76 10~10 65 10~10 810 710
表 3.2 分布反馈激光器 (DFB - LD)一般性能
/nm
20~40 15~30输出功率 P/mW (连续单纵模,25oC)
20 15外量子效率 /%
15~20 20~30阀值电流 Ith/mA
<0.08频谱漂移 /(nm/oC)
30~35边模抑制比 /dB
0.04~0.5(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 μm/
d?
34 10~10
光源组件实例
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
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电二极管 (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 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 发生受激吸收在耗尽层两侧是没有电场的中性区,由于热运动,部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层,然后在电场作用下,
形成和 漂移电流 相同方向 的 扩散电流 。
漂移电流 分量和 扩散电流 分量的总和即为 光生电流 。 当与 P
层和 N层连接的电路开路时,便在两端产生电动势,这种效应称为 光电效应 。
当连接的电路闭合时,N区过剩的电子通过外部电路流向 P
区 。 同样,P区的空穴流向 N区,便形成了 光生电流 。
当入射光变化时,光生电流随之作 线性变化,从而把 光信号转换成 电信号 。
这种由 PN结构成,在入射光作用下,由于受激吸收过程产生的电子 - 空穴对的运动,在闭合电路中形成光生电流的器件,
就是简单的 光电二极管 (PD)。
如图 3.19(b)所示,光电二极管通常要 施加 适当的 反向偏压,
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 扩散分量 。
由于载流子 扩散运动 比 漂移运动 慢得多,所以减小扩散分量的比例便可显著提高 响应速度 。 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,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
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),这种结构便是常用的 PIN光电二极管 。
PIN光电二极管 的工作原理和结构见图 3.20和图 3.21。
中间的 I层是 N型掺杂浓度很低的 本征半导体,用 Π(N)表示；
两侧是 掺杂浓度 很高 的 P型和 N型半导体，用 P+和 N+表示。
I层很厚,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 - 空穴对,因而大幅度提高了 光电转换效率 。
两侧 P+层和 N+层很薄，吸收入射光的比例很小,I层几乎占据整个 耗尽层,因而光生电流中 漂移分量 占支配地位，从而大大提高了 响应速度 。
另外，可通过控制 耗尽层的宽度 w，来改变器件的 响应速度 。
图 3,21 PIN光电二极管结构抗反射膜光电极
( n )
P
＋
N
＋
E
电极式中,hf 为 光子能量,e为 电子电荷 。
e
hf
P
I
hfP
eI PP
00 /
/
入射光子数空穴对光生电子对? (3.13)
)/(
0
WAhf ePI P
(3.14)
PIN光电二极管具有如下主要特性：
(一 ) 量子效率和光谱特性 。
光电转换效率 用 量子效率 η或 响应度 ρ表示 。 量子效率
η的定义为一次 光 生电子 -空穴对 和 入射光子数 的比值响应度 的定义为一次 光生电流 IP和 入射光功率 P0的比值式中,α(λ)和 w分别为 I层的吸收系数和厚度 。 由式 (3.15)可以看到,当 α(λ)w>>1时,η→ 1,所以为提高量子效率 η,I 层的厚度 w要足够大 。
（ 1） 量子效率 和 响应度 取决于材料的特性和器件的结构 。
假设器件表面反射率为零,P层和 N层对量子效率的贡献可以忽略,在工作电压下,I层全部耗尽,那么 PIN光电二极管的 量子效率 可以近似表示为
])(e x p [1 w
(3.15)
（ 2） 量子效率 的光谱特性取决于半导体材料的 吸收光谱 α(λ)，
对长波长的限制由式 (3.6)确定，即 λc= hc /Eg。
图 3.22示出 量子效率 η和 响应度 ρ的光谱特性，由图可见,Si
适用于 0.8~0.9μm波段,Ge 和 InGaAs 适用于 1.3~1.6 μm波段。响应度一般为 0.5~0.6 (A/W)。
图 3-22 PIN光电二极管响应度,量子效应率 与波长 的关系
10￡ ￥
30￡ ￥
50￡ ￥
70￡ ￥
￡? 90￡ ￥
Ge
I nG a A s
0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
m
(
¤
W
￡
1
)
Si
(二 ) 响应时间和频率特性 。
光电二极管对高速调制光信号的 响应能力 用 脉冲响应时间 τ或截止频率 fc(带宽 B)表示 。
对于数字脉冲调制信号,把光生电流脉冲前沿由最大幅度的
10%上升到 90%,或后沿由 90%下降到 10%的时间,分别定义为 脉冲上升时间 τr和 脉冲下降时间 τf。
当光电二极管具有单一时间常数 τ0时,其脉冲前沿和脉冲后沿相同,且接近指数函数 exp(t/τ0)和 exp(-t/τ0),由此得到 脉冲响应时间
τ=τr=τf=2.2τ0 (3.16)
对于幅度一定,频率为 ω=2πf 的正弦调制信号,用光生电流 I(ω)下降 3dB的频率定义为 截止频率 fc。 当光电二极管具有单一时间常数 τ0时,
r
cf
35.0
2
1
0
（ 3.17）
PIN光电二极管 响应时间 或 频率特性 主要由 光生载流子在耗尽层的 渡越时间 τd和包括光电二极管在内的检测电路 RC常数所 确定 。
当调制频率 ω与渡越时间 τd的倒数可以相比时,耗尽层 (I
层 )对量子效率 η(ω)的贡献可以表示为
(3.18)
2/
)2/s in ()0()(
d
d
w
w
由 η(ω)/η(0)= 得到由渡越时间 τd限制的截止频率
21
w
vf s
d
c 42.0
42.0
（ 3.19）
式中,渡越时间 τd=w/vs,w为耗尽层宽度,vs为载流子渡越速度,比例于电场强度 。
由式 (3.19)和式 (3.18)可以看出,减小 耗尽层宽度 w,可以 减小 渡越时间 τd,从而 提高 截止频率 fc,但是同时要 降低 量子效率 η。
10 100
1000 10000
1000 600
200 100 60 40 20 10
6 4 2
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
￡? 1,06? m
S i - P I N
0.
95
0.
90
0.
85
0.
80
0.
6328
′ í / M H z
ú
á
×
ó
D
§
ê
o í? è /? m
400
图 3.23 内量子效率和带宽的关系由电路 RC时间常数限制的 截止频率式中,Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和,Cd
为结电容 Cj和管壳分布电容的总和 。
式中,ε为 材料介电常数,A为 结面积,w为 耗尽层 宽度。
dt
c cRf?2
1? (3.20)
w
AC
j
(3.21)
(三 ) 噪声 。
噪声 影响光接收机的 灵敏度 。
噪声 包括 散粒噪声 (Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生 ) 热噪声 (由负载电阻和后继放大器输入电阻产生 )
（ 1 ） 均方散粒噪声电流
〈 i2sh〉 =2e(IP+Id)B (3.22)
e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。
2eIPB 称为 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 )
2eIdB是 暗电流 产生的噪声 。
暗电流 是器件在 反 偏压 条件下,没有入射光时产生的 反向直流电流 。
（ 1） 均方热噪声电流式中,k=1.38× 10-23J/K为 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 。
因此,光电二极管的 总均方噪声电流 为
〈 i2〉 =2e(IP+Id)B+
R
KTB4 (3.24)
R
KTB4
(3.23)〈 i2
T〉 =
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 。
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。
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 - 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)。
图 3.24 光电二极管输出电流 I和反向偏压 U的关系
·′? ò 1 U
1 a μ? á ÷
暗电流
ê
3
1
a
μ
á
÷
I
0
0 U
B
图 3.25 APD (只画出电子 ）
＋－
I
0
NP P ( N )
光图 3.26 APD结构图电极电极光抗反 射膜
N
＋
P
P
＋
( P )
E
图 3.26示出的 N+PΠP+结构被称为 拉通型 APD。
APD的 响应度 比 PIN增加了 g倍 。
U为 反向偏压,UB为 击穿电压,n为与材料特性和入射光波长有关的常数,R为 体电阻 。
当 U≈UB时,RIo/UB<<1,上式可简化为对 APD特性新引入的参数是 倍增因子 和 附加噪声指数
1.
倍增因子 g(一次光生电流产生的平均增益的倍数 )定义为
APD输出 光电流 Io和一次 光生电流 IP的比值 。
PI
Ig 0?
(3.25)
n
B
n
B URIUUU
Ig
]/)[(1
1
)/(1 0
0
(3.26)
21
0
)(
P
BB
n R I
U
n R I
Ug (3.27)
2.
APD的 均方量子噪声电流 为
〈 i2q〉 =2eIPBg2 (3.26a)
引入新的噪声成分,并表示为 附加噪声因子 F。
F(>1)是 雪崩效应 的随机性引起噪声增加的倍数,设 F=gx，
APD的 均方量子噪声电流 应为
〈 i2q〉 =2eIPBg2+x (3.26b)
式中,x为附加噪声指数 。
同理,APD暗电流 产生的均方噪声电流应为
〈 i2d〉 =2eIdBg2+x (3.27)
附加噪声指数 x与器件所用材料和制造工艺有关
Si-APD的 x=0.3~0.5,Ge-APD的 x=0.8~1.0,InGaAs-APD的
x=0.5~0.7。
当式 (3.26)和式 (3.27)的 g=1时,得到的结果和 PIN相同 。
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 (PIN和 APD)的一般性能 。
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 APD有利于延长系统的传输距离 。
灵敏度 要求不高的场合,一般采用 PIN-PD。
-5~-15-5~-15工作电压 /V
1~20.5~1结电容 Cj/pF
0.2~12~10响应时间
2~50.1~1暗电流 Id/nA
0.6(1.3 )0.4(0.85 )响应度
1.0~1.60.4~1.0波长响应
InGaAs-PINSi-PIN
μm/
)W/( A 1
ns/?
μm μm
表 3.3 PIN光电二极管一般特性
ns/?
0.5~0.70.3~0.4附加噪声指数 x
20~3030~100倍增因子 g
40~6050~100工作电压 /V
<0.51~2结电容 Cj/pF
0.1~0.30.2~0.5响应时间
10~200.1~1暗电流 Id/nA
05~0.70.5响应度
1~1.650.4~1.0波长响应
InGaAs-APDSi-APD
)W/( A 1
μm/
表 3.4 雪崩光电二极管（ APD）一般性能
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
3.3 光 无 源 器无源光器件的要求：
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 。
3.3.1
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 之间的连接 。
表 3.5 光纤连接器一般性能
1.0
40~50PC型陶瓷
-40~+80陶瓷
-20~+70不锈钢工作温度 /oC
不锈钢寿命（插拔次数）
35~40FC型反射损耗 /dB
互换性 /dB
重复性 /dB
0.2~0.3插入损耗 /dB
性能型号或材料项目
310
1.0
410
图 3.27 精密套管结构连接器简图光纤 套管 插针 粘结剂连接器的分类：
单纤 (芯 )连接器 和 多纤 (芯 )连接器 。
3.3.2
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 /解复用器图 3.28 常用耦合器的类型
T形
(a)
… …
星 形
(b)
定向
(c)
2
3
1
4
…
1
2
N
1＋?2＋?N
(d)
波分
2.
光纤型微器件型波导型光纤型把两根或多根光纤排列,用 熔拉双锥技术 制作各种器件 。
图 3.29(a)所示定向耦合器可以制成 波分复用 /解复用器 。
如图 3.30,光纤 a(直通臂 )传输的输出光功率为 Pa,光纤 b(耦合臂 )的输出光功率为 Pb,根据 耦合理论
Pa=cos2(CλL) (3.28a)
Pb=sin2(CλL) (3.28b)
式中,L为 耦合器有效作用长度,Cλ为取决于光纤参数和光波长的 耦合系数 。
设特定波长为 λ1和 λ2，选择光纤参数，调整有效作用长度，
使得当光纤 a的输出 Pa(λ1)最大时，光纤 b的输出 Pb(λ1)=0；
当 Pa(λ2)=0时,Pb(λ2)最大。
对于 λ1和 λ2分别为 1.3μm和 1.55 μm的 光纤型解复用器,可以做到 附加损耗 为 0.5 dB,波长隔离度 大于 20 dB。
图 3.29
(a)定向耦合器； (b) 8× 8星形耦合器； (c) 由 12个 2× 2耦合器组成的
8× 8星形耦合器输入 光光强 度光纤 a
光纤 b
输出 光
2
34
1
( a )
( b )
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
( c )
1?2
P
0
P1 P2
熔锥光纤型波分复用器结构和特性图 3.31
(a) T形耦合器； (b) 定向耦合器； (c) 滤光式解复用器； (d) 光栅式解复用器光纤自聚 焦透镜自聚 焦透镜光纤滤光 片
1
,?
2
1
2
1
2
3
1
＋?
2
＋?
3
光纤自聚 焦透镜硅光 栅光纤自聚 焦透镜 分光 片
1
3
4
2
( b )( a )
( c )
( d)
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 。
衍射光栅型波分复用器结构示意图光 纤 透 镜 光 栅
1
2
3
1+?2+?3
采用棒透镜的光栅型 WDM
光 纤 棒 透 镜光 栅
1+?2+?3
1
2
3
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；
光波 导开角
( a )
( b )
( c )
多模 波导多层 膜滤光 片单模 波导
1,5 5? m
1,5 5? m
1,3? m
1
,3
m
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 。
3.
说明耦合器参数的模型如图 3.33所示,主要参数定义如下。
耦合比 CR 是一个指定 输出端的光功率 Poc和 全部输出端的光功率总和 Pot的比值，用 %表示
N
n
on
oc
Ot
OC
P
P
P
P
CR
1
(3.29)
由此可定义功率分路损耗 Ls：
Ls=10lg )1(
CR
(3.30)
附加损耗 Le 由散射,吸收和器件缺陷产生的损耗,是全部输入端的 光功率总和 Pit和 全部输出端的光功率总和 Pot
的比值,
插入损耗 Lt 是一个指定 输入端的光功率 Pit和一个指定输出端的光功率 Poc的比值,用分贝表示
N
n
on
N
n
in
ot
it
e
P
P
p
P
L
1
1lg10lg10 (3.31)
oc
ic
t p
pL lg10? (3.32)
方向性 DIR(隔离度 ) 是一个输入端的光功率 Pic和由耦合器反射到其它端的光功率 Pr的比值,用分贝表示一致性 U 是不同输入端得到的耦合比的均匀性,或者不同输出端耦合比的等同性 。
r
ic
p
pD I R lg10? (3.33)
μm
-40~+70-40~+70工作温度 /oC
1~1.250.8~2.0稳定性 /dB
40~55方向性 /dB
0
4× 4 7~8
8× 8 11~12
32 × 32
17~19
3.4
5.6/1.8
10.8/0.7
插入损耗 /dB
分路比 0.5/0.5
0.3/0.7
0.1/0.9
1.31或 1.551.31或 1.55工作波长 /
n× n星型2× 2型耦合器表 3.6 耦合器的一般特性
2555（滤波）隔离度 /dB
2~30.5~1附加损耗 /dB
20~30200波长间隔 /nm
1.31和 1.551.31和 1.55工作波长 /
6端2端波分复用器
μm
表 3.7 波分复用器的一般性能
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 。
插入损耗 和 隔离度 是 隔离器 。
隔离器 工作原理如图 3.34所示。
这里假设入射光只是 垂直偏振光,第一个偏振器的透振方向也在垂直方向,因此输入光能够通过第一个偏振器。
紧接第一个偏振器的是 法拉弟旋转器,法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如 45°,并且其旋转方向与光传播方向无关。
光偏振 (极化 )
单模光纤中传输的光的 偏振态 (SOP,State of Polarization)
是在垂直于光传输方向的平面上 电场矢量 的振动方向 。
在任何时刻,电场矢量 都可以分解为两个正交分量,这两个正交分量分别称为 水平模 和 垂直模 。
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
法拉弟旋转器 后面跟着的是第二个偏振器,这个偏振器的透振方向在 45° 方向上,因此经过法拉弟旋转器旋转 45° 后的光能够顺利地通过第二个偏振器,也就是说光信号从左到右通过这些器件 (即正方向传输 )是没有损耗的 (插入损耗除外 )。
另一方面,假定在右边存在某种反射 (比如接头的反射 ),反射光的偏振态也在 45° 方向上,当反射光通过 法拉弟旋转器 时再继续旋转 45°,此时就变成了 水平偏振光 。 水平偏振光 不能通过左面偏振器 (第一个偏振器 ),于是就达到隔离效果 。
然而在实际应用中,入射光的偏振态 (偏振方向 )是任意的,
并且随时间变化,因此必须要求 隔离器 的工作与入射光的 偏振态无关,于是 隔离器 的结构就变复杂了 。 一种小型的与入射光的偏振态无关的 隔离器 结构如图 3.35所示 。
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SWP
SOP
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)
具有任意 偏振态 的入射光首先通过一个 空间分离偏振器
(SWP,Spatial Walk off Polarizer)。
这个 SWP的作用是将入射光分解为两个 正交偏振分量,让垂直分量直线通过,水平分量偏折通过 。
这个半波片的作用是将从左向右传播的光的 偏振态 顺时针旋转 45°,将从右向左传播的光的 偏振态 逆时针旋转 45° 。
因而 法拉弟旋转器 与半波片的组合可以使 垂直偏振光 变为 水平偏振光,反之亦然 。
最后两个分量的光在输出端由另一个 SWP合在一起输出,
如图 3.35(a)所示 。
两个分量都要通过 法拉弟旋转器,其偏振态都要旋转 45° 。
法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片 ( plate或 half wave
plate)。 2
另一方面,如果存在反射光在反方向上传输,半波片和 法拉弟旋转器 的旋转方向正好相反,当两个分量的光通过这两个器件时,其旋转效果相互抵消,偏振态 维持不变,在输入端不能被
SWP再组合在一起,如图 3.35(b)所示,于是就起到隔离作用 。
环行器除了有多个端口外,其工作原理与 隔离器 类似 。 如图
3.36所示,典型的 环行器 一般有三个或四个端口 。
在三端口环行器中,端口 1输入的光信号在端口 2输出,端口 2
输入的光信号在端口 3输出,端口 3输入的光信号由端口 1输出 。
光环行器 主要用于 光分插复用器 中 。
图 3.36
(a) 三端口； (b) 四端口
1
3
2
(a) (b)
1 3
2
4
3.3.4 光调制器调制器 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 。
这种晶体的 折射率 n和 外加电场 E
n=n0+αE+βE2 (3.34)
式中,n0为 E=0时 晶体的折射率 。 α和 β是张量,称为 电光系数 。
根据不同取向,当 β=0时,n随 E按比例变化,称为 线性电光效应或普克尔 (Pockel)效应 。
当 α=0时,n随 E2按比例变化,称为 二次电光效应 或 克尔 (Kerr)
效应 。
调制器是利用 线性电光效应 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 。
图 3.37是 马赫 - 曾德尔 (MZ)干涉型 调制器的简图 。
在 LiNbO3晶体衬底上,制作两条光程相同的单模光波导,其中一条波导的两侧施加可变电压 。 设输入调制信号按余弦变化,
则输出信号的光功率
U UUP bSc o s1 (3.35)
式中 Us和 Ub 分别为信号电压和偏置电压,Uπ为光功率变化半个周期 (相位为 0~π)所需的外加电压,并称为 半波电压 。
由式 (3.35)可以看到，
当 Us+Ub=0时,P=2为最大；
当 Us+Ub=Uπ时,P=0。
图 3.37 马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器信号电压电极输出光电光晶体光波导输入光图 3.38 马赫 - 曾德尔干涉仪型调制器特性
2
1
0
2
π
输出 波形输入 波形相位 差?
输出光功率 P
3.3.5 光开关光开关 的功能是 转换光路,实现 光交换,它是 光网络 的重要器件 。
光开关可分为两大类：
机械光开关固体光开关
μm 3040× 103开光时间 /
20~3025>60串扰 /dB
5~71.3~1.70.7~1.3插入损耗 /dB
8× 8电光1× 2磁光10× 10机械开关类型表 3.8 两类光开关一般性能
