第三章-有源光器件和无源光器件.pdf

《第三章-有源光器件和无源光器件.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章-有源光器件和无源光器件.pdf（21页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1第三章 有源光器件和无源光器件第三章 有源光器件和无源光器件北京交通大学光波技术研究所李唐军光有源器件光有源器件光有源器件光有源器件定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件 半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半导体光探测器(PD,PIN,APD）半导体光探测器(PD,PIN,APD）光纤激光器（OFL:单波长、多波长）光纤激光器（OFL:单波长、多波长）光放大器(SOA,EDFA)光放大器(SOA,EDFA)光波长转换器(XGM,XPM,FWM)光波长转换器(XGM,XP

2、M,FWM)光调制器（EA）光调制器（EA）光开关/路由器光开关/路由器光无源器件光无源器件光无源器件光无源器件定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器/分支器光纤定向耦合器/分支器 光分插复用器（OADM)光分插复用器（OADM)光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）光衰减器（固定、连续）光滤波器（带通、带阻）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光纤

3、隔离器与环行器（偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光器件与电器件的类比光器件与电器件的类比光器件与电器件的类比光器件与电器件的类比电线光纤调制器光调制器电阻光衰减器三通（多通）光耦合器二极管光隔离器混频器光波分复用器放大器光放大器频率转换器光波长转换器滤波器光滤波器电源光源电接插件光连接器探头光探测器开关光开关集成电路集成光路多波长光源多波长光源DWDM光调制器光隔离器光耦合器光波长转换光放大光调制器光隔离器光耦合器光波长转换光放大DWDM光色散补偿光隔离器光环行器光波长转换光色散补偿光隔离器光环行器光波长转换OADMDWDM光隔离器光环行

4、器光开关可调谐滤波光隔离器光环行器光开关可调谐滤波DWDMOXC光耦合器光调制解调光耦合器光调制解调光器件的应用光器件的应用光器件的应用光器件的应用光器件的分类光器件的分类光器件的分类光器件的分类 光电变换器件 光开关与调制器件 光放大器件 光色散补偿器件 光网络器件2光电变换器件光电变换器件光电变换器件光电变换器件 F-P腔激光二极管(LD)分布反馈布拉格激光器(DFB)分布布拉格反射激光器(DBR)外腔激光器与Q开关激光器 发光二极管(LED)光纤激光器(OFL)垂直腔表面发射激光器(ECSEL)多波长光源与波长可调谐激光器多波长光源与波长可调谐激光器 光电探测器(PD、PIN、APD)光

5、调制器件光调制器件光调制器件光调制器件 幅度调制 机械调制 电光调制 直接调制 电吸收光调制(EA)相位调制 偏振调制 光电集成芯片(OEIC)光子集成芯片(PIC)光色散补偿器件光色散补偿器件光色散补偿器件光色散补偿器件 色散控制 色散位移单模光纤 非零色散位移单模光纤 大有效截面单模光纤 色散平坦单模光纤 色散补偿 色散补偿光纤模块 SOA色散补偿 光纤光栅色散补偿 色散管理光网络器件光网络器件光网络器件光网络器件 光耦合透镜（自聚焦透镜、玻璃球透镜）光连接器与光耦合器 光隔离器与光环行器 光滤波与光波分复用器件 光起偏器与偏振控制器 光波长转换与光波长路由器件 光调制解调器（Modem）

6、光衰减器与光延时器件 光开关与光交叉连接器件 微光电机械芯片光放大器件光放大器件光放大器件光放大器件 掺铒光纤放大(EDFA)掺镨光纤放大(PDFA)掺钕光纤放大(NDFA)分布式光纤放大 喇曼光纤放大(SRFA)布里渊光纤放大(SBFA)半导体光放大(SOA)元件：元件：元件：元件：ComponentsComponents器件：器件：器件：器件：DevicesDevices模块：模块：模块：模块：ModulesModules系统：系统：系统：系统：SystemsSystems3第三章 有源光器件和无源光器件第三章 有源光器件和无源光器件3.1 激光原理的基础知识3.1 激光原理的基础知识3.

7、2 半导体光源3.3 光电探测器3.4 无源光器件3.2 半导体光源3.3 光电探测器3.4 无源光器件3.1 激光原理的基础知识3.1 激光原理的基础知识3.1.1 玻尔的玻尔的能级假说能级假说3.1.2 粒子数反转粒子数反转3.1.3 光子光子3.1.4 自发辐射 受激辐射和受激吸收自发辐射 受激辐射和受激吸收3.1.5 半导体中的能带结构半导体中的能带结构3.1.6 光辐射与能带光辐射与能带3.1.7 光辐射光辐射-p-n结结3.1.8 同质结与异质结同质结与异质结1913年玻尔在普朗克、爱因斯坦和卢瑟福等人工作的基础上提出了原子能级假说，即1）单个原子存在某些定态，处于这些定态的原子能

8、量只能取一些分立的值，这些定态称为原子能级。2）当原子从一个能级跃迁到另一个能级时，则发出或吸收电磁辐射。跃迁过程满足下述方程mnhEE=其中En和Em分别为跃迁前、后的原子能级能量，为普朗克常数，为电磁辐射的频率。3.1.1 玻尔的玻尔的能级假说能级假说能量最低的原子能级称为基态能级，其它能量较高的原子能级称为激发态能级。在热平衡时，各能级的粒子数目服从玻耳兹曼正则分布，即若若 E2 E1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的原子数目之比11212=kTEEeNN其中：N1和N2分别是能量为E1和E2的能级上的原子数目，T为体系热平衡时的绝对温度，为玻耳兹曼常数。当：T 103 K；kT1

9、.3810-20 J 0.086 eV;E2-E11eV;10860112=N2，此时 受激辐射概率受激吸收概率，不能产生光发射。只有在非平衡态下，达到粒子数反转分布，即N1 N2时，才能实现光发射。所以，粒子数反转是实现激光发射的必要条件。为了实现粒子数反转，就需要大量电子跃迁到导带，为此，需要泵浦为跃迁提供能量。此外，还需要亚稳态能级使激发的电子保持一段时间，形成粒子数反转。3.1.2 粒子数反转粒子数反转43.1.3 光子光子若原子从E2 E1，E=Ep=E2E1，这个差E将以一个量子的能量形式释放，一个量子的能量被称为光子（光子（photon）。）。一个光子的能量Ep由下面的公式定义E

10、p=hf（3.1.3-1）H是普朗克常数(h=6.626 10-34J S)，而f是光子的频率。光的波粒二象性光的波粒二象性例题1、假设一个激光二极管发出的红光的波长=650nm,那么单个光子的能量是多少？解：Ep=h f=hc/=6.6 10-34J S 3 108m/s/650 10-9m=3.04 10-19J 2、LD波长=650nm,光能量P=1mW,这个光源每秒发射多少光子？解：总能量E=P 1s=1 10-3W 1s=1 10-3J这个能量等于E=Ep N,其中N是光子的数量。所以N=E/Ep =1 10-3J/3.04 10-19J=3.3 1015J，也就是3.3千万亿。千万

11、亿。处于高能级的原子自发的辐射一个光子，跃迁到低能级，这一过程称为自发辐射。处于高能级的原子自发的辐射一个光子，跃迁到低能级，这一过程称为自发辐射。E2E1N2N1h 3.1.4 自发辐射 受激辐射和受激吸收自发辐射 受激辐射和受激吸收3.1.4.1 自发辐射3.1.4.1 自发辐射(spontaneous radiation)原子从高能级低能级，对应于光子的辐射；原子从低能级高能级，对应于光子的吸收。E2E1N2N1全同光子全同光子h 3.1.4.2 受激辐射3.1.4.2 受激辐射(stimulated radiation)在入射光子的激励下，原子从高能级向低能级跃迁，同时发射一个与入射光

12、子频率、相位、偏振方向和传播方向都相同的另一个光子，这一过程称为受激辐射。在入射光子的激励下，原子从高能级向低能级跃迁，同时发射一个与入射光子频率、相位、偏振方向和传播方向都相同的另一个光子，这一过程称为受激辐射。E2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收，使原子从上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。在入射光子的激励下，原子从低能级向高能级跃迁，称为原子从低能级向高能级跃迁，称为受激受激吸收吸收。3.1.4.3 受激吸收3.1.4.3 受激吸收(stimulated absorption)3.1.5 半导体中的能带结构半导体中的能带结构半导体是由紧密排列的原子组成的一种固态物质。其能

13、级排列紧密，可描述为能带而不是分立的能级。能量导带价带禁带，Eg当绝对温度是零度，没有外加电场时，电子集中在价带。外加能量，某些电子将跃过禁带，占据导带能级。称这些电子是“受激的”。空穴53.1.6 光辐射与能带光辐射与能带光辐射理论：E=Ep=h f=hc/，也适用于半导体。如果一个受激电子从导带向价带跃迁时，它释放的光子能量Ep大于等于禁带能量。能量导带价带123标准功率标准功率c1.00.50 3.1.7 光辐射光辐射-p-n结结n型、p型半导体都是在本征半导体（由一种物质组成的纯正半导体）材料中掺杂形成的。当一个n型半导体与一个p型半导体物理接触时，一个p-n结就形成了。+-。耗尽区V

14、Dn型（正离子和活动电子）p型（负离子和活动空穴）-+p-n结a)耗尽区和耗尽电压VDVb)光辐射作为电子-空穴复合的结果。p-n结+-。-+。p型n型3.1.8 同质结与异质结同质结与异质结同质结：同质结：n型和 p型半导体都仅由一种物质构成。这两种半导体都拥有相同的禁带。异质结：异质结：是由两种不同的半导体材料相互接触构成的结。这两种半导体的禁带宽度和电子亲和力不同。折射率3.663.2双异质结3.2 半导体光源3.2 半导体光源3.2.1 发光二极管（发光二极管（LED）3.2.2 半导体激光器（半导体激光器（LD）FP-LD-法不里法不里-泊罗激光器泊罗激光器DFB-LD分布反馈激光器

15、分布反馈激光器DBR-LD-分布反射激光器分布反射激光器量子阱激光器量子阱激光器3.2.1 发光二极管3.2.1 发光二极管Light-emitting Diode(LED)Light-emitting Diode(LED)P-3 dBP peakBW?通过空气或多模光纤进行数据通信通过空气或多模光纤进行数据通信*价格非常便宜价格非常便宜(用于掌上电脑用于掌上电脑,飞机飞机,局域网局域网)?主要性能指标主要性能指标*波长通常为：波长通常为：780,850,1300 nm*总输出功率大于几 总输出功率大于几 W mW*光谱宽度光谱宽度 30 100 nm*相干长度约为相干长度约为 0.01 0.

16、1 mm*偏振较小或不偏振偏振较小或不偏振*大的大的 NA(难于将光耦合进光纤难于将光耦合进光纤)?LED的结构的结构光纤通信用的发光二极管（LED）通常是采用GaAs为衬底的GaAs或AlGaAs和InP为衬底的InGaAs或InGaAsP材料制成。用AlGaAs/GaAs制作的LED其峰值发射波长在 0.8 0.95 m范围内，用InGaAsP/InP制作的LED其峰值发射波长为1.31 m和1.55 m。光纤通信用的LED一般为高功率LED，多采用侧面发光型LED。因为侧面发光型LED有与激光管相似的结构，与光纤耦合效率较高，带宽较宽，线宽较窄。图3.2.1 图3.2.1 1 1分别为A

17、lGaAs/GaAs LED和InGaAsP/InP LED的结构截面图。要使LED发光，有源层的半导体材料必须是直接带隙材料，越过带隙的电子和空穴能够直接复合而发射出光子。为了使器件有好的光和载流子限制，大多采用双异质结（DH）结构。6LED结构截面图LED结构截面图面发射同质结边发射双异质结面发射同质结边发射双异质结1.31 m和1.55 m边发射双异质结边发射双异质结0.8 0.95 ma)面发射LED（朗伯源）b)边发射LEDc)双异质结LEDLED的辐射模式的辐射模式当p-n结处于平衡态，p-n 结处形成了势垒。在p-n结上施加正向偏压时，势垒下降，多数载流子向相对区域扩散形成正向电

18、流。多数载流子扩散到相对区域后，与该区域的异性载流子复合，产生自发辐射光。?LED的工作原理的工作原理值得注意的是，对于大量处于高能级的粒子各自分别自发发射一列一列角频率为=/的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，并且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传播，这个过程称之为自发发射。其发射波长可用下式来表示=1.2396/EgGaAs的Eg=1.435eV,故可用它来制作0.85 m波长的红外LED，InGaAsP的Eg=0.75 1.35eV，对应的发射波长为1.65 0.92 m，考虑到光纤的低损耗窗口，InGaAsPLED的发射波长选为1.31 m和1.55 m。

19、光功率P=N光光E/t，而光子数目N光光=N电电 （N电电：受激电子数目；：量子效率；E：能量；t：时间。=电电/电电=/=/P=N电电 E/t=/E/t=E/其中：E 的单位是焦耳，如果用电子伏特V来度量E，的单位是mA,则：P(mW)=()()E(eV)图3.2.1图3.2.12LED的调制2LED的调制?LED的调制特性的调制特性LED有两种调制方式：数字和模拟调制。如图3.2.1如图3.2.12 2所示所示。调制速率和调制带宽是光通信用LED的重要参数。LED因复合寿命寿命的限制，其最高调制速率通常为几十兆赫兹，从而限制了其在高速长距离系统的应用。调制带宽是在调制度不变情况下，输出交流

20、光功率下降到-3dB时的频带宽度。LED的频响受复合寿命的影响，其关系为：3dB=1/3.2.2 半导体激光器3.2.2 半导体激光器半导体激光器是通过受激辐射产生光的器件。半导体激光器是通过受激辐射产生光的器件。受激辐射的特征：一个外来光子迫使一个带有类似能量E的光子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们的光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐射受激辐射的特征：一个外来光子迫使一个带有类似能量E的光子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们的光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐射同步的。同步的。形成正反馈的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。形成正反馈的方法：用

21、两个镜面、光栅形成谐振器。受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这个动态过程。因此需要比受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这个动态过程。因此需要比LED快得多的速度来激活电子，需要粒子数反转。为了实现粒子数反转，需要在激活区加大的正向电流。快得多的速度来激活电子，需要粒子数反转。为了实现粒子数反转，需要在激活区加大的正向电流。为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。7综上所述，半导体激光器的激射条件为：综上所述，半导体激光器的激射条件为：粒子数反转粒子数反转受激辐射受激辐射正反馈正反馈?法不里-泊罗激光器法不里-泊罗激光器Fabr

22、y-Perot(FP)LaserFabry-Perot(FP)LaserP peakIP阈值n为整数为整数?多纵模多纵模(MLM)光谱光谱?“著名著名”的半导体激光器的半导体激光器?最早用于光纤链路最早用于光纤链路(850 or 1300 nm)?今天今天:用于短或中等长度的光纤链路用于短或中等长度的光纤链路?主要性能指标主要性能指标*主要用于波长主要用于波长 850 or 1310 nm*总输出功率大于几总输出功率大于几 mw*光谱宽度光谱宽度 3 to 20 nm*Mode spacing 0.7 to 2 nm*高偏振高偏振*相干长度约为相干长度约为 1 to 100 mm*小的小的 N

23、A(光易于耦合进光纤 光易于耦合进光纤)?FP-LD的结构的结构是最常见最普通的LD，由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。光纤通信用的FP-LD通常为双异质结（DH），有源层可以是N型，也可以是P型。当给DH结构LD施加正向偏压时，电子从N型限制层，空穴从P N型限制层注入到有源层。由于带隙差产生的异质结势垒的存在，注入到有源层的电子和空穴不能扩散而被限制在薄的有源层中，因此容易实现粒子数反转，即使只有很小的电流流过，薄有源层（0.05 0.2 m厚）的电子和空穴浓度会很高。而且激光振产生的光增益正比于所注入的电子和空穴浓度，所以有源层越薄时，用很小的电流

24、就可获得很大的增益。窄带隙有源层的折射率比限制层的大，光向折射率大的区域集中，所以光也被限制在有源层中。当有源层中形成反转分布的电子从导带跃迁到价带，与空穴复合释放出光子，这些光子再由两个解理面形成的谐振腔来回反射获得光增益，当光增益大于谐振腔的损耗时，形成激光激射。如图图3.2.1 图3.2.1 1 所示。1 所示。图3.2.1图3.2.11 FP-LD管芯示意图1 FP-LD管芯示意图?FP-LD的工作原理的工作原理要实现FP-LD激射，必须满足四个基本条件：要有能实现电子和光场相互作用的物质；要有注入能量的泵浦源；要有一个F-P谐振腔；要满足振荡条件。a)任意波注入时的FP-LDb)驻波

25、输入使时的FP-LDc)增益损耗曲线和可能的纵模d)实际的多模辐射振荡条件：振荡条件：8图a)、图 b)唯一的区别就是他们的波长。因此一个谐振器只能支持具有特定波长的波，这种波构成了一种注波模式。这个物理要求可以用下式来表述：2/=2/=其中 是镜间距，是一个整数，例如，如果=0.4 =400=0.4 =400 m而=1300=1300 nm=1.3m则=615=615谐振器支持的波长为但其也支持1300 1300 nm=2/=2/2L(N 1),2L(N 2),等等波长。这些谐振器选择的波长叫纵模。当谐振器的长度增加或减少时，激光器就从一个纵模转向另一个，被称之为跳模。活性介质只能在很小的波

26、长范围内提供增益（50 dB*相干长度约为相干长度约为 1 to 100 m*小的小的 NA(光易于耦合进光纤光易于耦合进光纤)为了减少线宽，需要激光管只发射一个纵模。分布反馈激光器实现这个功能。其在激活区附近的异质结中合并了光纤光栅，其工作原理与镜子类似，但他仅选择性的反射波长为为了减少线宽，需要激光管只发射一个纵模。分布反馈激光器实现这个功能。其在激活区附近的异质结中合并了光纤光栅，其工作原理与镜子类似，但他仅选择性的反射波长为B B 的光。的光。2neff=B B“反馈反馈”是指；使受激光子返回活性介质；是指；使受激光子返回活性介质；“分布分布”是指；反射并不仅仅发生在一个点上。二十世纪

27、六十年代提出，二十世纪八十年代商品化。是指；反射并不仅仅发生在一个点上。二十世纪六十年代提出，二十世纪八十年代商品化。改进方案：改进方案：DBRa)分布反馈激光器b)分布反馈工作原理c)实际单模辐射activen-DBRp-DBR?分布布拉格反射分布布拉格反射(DBR)镜镜*交替的半导体材料层交替的半导体材料层*40到到60层层,每层厚度 每层厚度 /4*光束的匹配与光纤更接近光束的匹配与光纤更接近?主要性能指标主要性能指标*波长范围波长范围780 to 980 nm(gigabit ethernet)*谱线宽度谱线宽度-10 dBm*相干长度相干长度10 cm to10 m*NA 0.2 t

28、o 0.39量子阱激光器量子阱激光器为了提高发射效率，使用特殊制造技术来得到特别薄的激活区（4nm20nm），称为量子阱（QW）激光器。a)单量子阱激光器b)多量子阱激光器c)渐变折射率分离限制异质结结构?白光源白光源*卤钨灯卤钨灯*波长范围从可见光 到波长范围从可见光 到1700 nm,*功率密度功率密度 0.1 到到 0.4 nw/nm(SM),10到到 25 nw/nm(MM)?放大器自发辐射噪声放大器自发辐射噪声(ASE)光源光源*没有输入信号时，光放大器的输出没有输入信号时，光放大器的输出“噪声噪声”*波长范围波长范围 1525 到到 1570 nm*功率密度功率密度 10 到到 1

29、00 w/nm?外腔激光器外腔激光器*主要用在主要用在1550 nm 波长范围波长范围(有时有时 1310 nm)*可调谐范围达可调谐范围达 100 nm,输出功率大于输出功率大于 10 mw*光谱与光谱与DFB激光器类似激光器类似,带宽带宽 10 kHz到到 1 MHz复习题 3.1.1 复习题 3.1.1 1.当量子效率为1%，峰值波长是850nm时，LED发射出的功率为多少？2.谐振器间长度0.3mm,工作为1550 nm 1550 nm，增益曲线的线宽等于9nm，nm，则法不里-珀罗激光器能产生多少纵模？3.分布反馈激光器的工作原理是什么?DFB代表什么？这种激光器与其它激光器的区别是

30、什么？4.你怎么确定激光器的域值电流？3.3 光电探测器3.3 光电探测器 P-N光电二极管光电二极管，能够运动。即在光能作用下,单位时间内的光子数目乘上单个光子的能量转化为电流。图3.3-1 p-n光电二极管的工作原理与半导体光源正向偏置相反,PN光电二极管反向偏置,PN结形成耗尽区.一个能量为Ep=hf=hc/Eg的光子射入光电二极管时，吸收的光子能量被电子获得。于是，导带中的电子被激活3.3 光电探测器3.3 光电探测器 P-N光电二极管光电二极管一个能量为Ep=hf=hc/Eg的光子射入光电二极管时，被吸收的光子能量被电子获得。于是，导带中的电子被激活，被能够运动。光能单位时间内的光子

31、数目乘上单个光子的能量转化为电流。图3.3-1 p-n光电二极管的工作原理a)能带图b)p-n结c)电路10输入输出特性：输入输出特性：输入光功率P，输出光电流I，射入光电二极管激活区的光子越多，产生的载流子越多，光电流越大。I=RP （3.3-1）R是常量（响应度）。其关系如下图所示：图3.3-2光电二极管的响应度a)输入输出特性b)响应度和波长的关系c)暗电流例题：例题：光电二极管的响应度是0.85A/W，饱和输入光功率是1.5mW，当入射光功率是1mW和2mW时，光电流分别是多少？I=RP=0.85A/W 1.5mW=0.85mA当输入光功率是2mW时，公式I=RP不适用，因此我们无法得

32、到光电流的值。解：当输入光功率是1mW时，由I=RP，可得，R=I/P I=Ne/tP=NPEP/t EP=hc/R=I/P=(Ne/NP)(/hc)（3.3-2）其中：Ne是单位时间流过的电子数量，NP入射光子数量，EP是每个光子的能量。=Ne/NP 称为光电二极管的量子效率（3.3-3）因为因为hc是个常数，是个常数，hc=1248(eV nm)，所以：，所以：R(A/W)=(/1248)(nm)（3.3-4）所以，波长与响应度成正比。波长越长，相同数量的光能产生的电流就越大。所以，波长与响应度成正比。波长越长，相同数量的光能产生的电流就越大。但由图图3.3-2 b)的实线可知，对于特定的

33、半导体材料，光电二极管只能够检测到的波长若光电二极管的响应波长为，则：=/=1.24/这需要：=?当波长很短时，材料的吸收系数会变得很大，使大量的入射光子在光电二极管的表面层里被吸收。而表面层存在零电场区，导致光电转换效率降低。因此存在一个，有 光电压工作模式和光电导工作模式即使没有偏移电压，光电二极管仍然可以产生电流。因为外部光能激发电子跃迁到导带，而耗尽电压使其流动。这种工作模式称为光电压工作模式（太阳能电池）。如果施加了外部电压，光电二极管就以光电导的模式工作。反向偏压的优点其可以分离光生载流子，并很快将他们从耗尽区移走光电流。在耗尽区，光生载流子被快速有效地分离；而在p区或n区，由于电

34、压很小，这些分离缓慢而无效率。（在耗尽区产生的电流叫漂移电流；在在p区或n区产生的电流叫扩散电流）由反向偏压而产生的载流子分离时间远远小于他们的复合寿命。使二次复合产生光子的概率很低。暗电流是光电二极管在没有光的情况下生成的电流。反向偏压偏压可以减少暗电流。暗电流灵敏度灵敏度是指给定光电二极管所能检测到的最小光功率（w,W,dBm），如图3.3-2 c)所示。很容易计算当R=1A/W,暗电流Id=5nA时,暗电流灵敏度是5nW。功率吸收在光电二极管表面加防反射涂层，有角度的光纤端面，加宽耗尽区增加功率吸收。可以通过增加反向电压来加宽耗尽区，但必须考虑对带宽的影响。11带宽带宽：没有重大错误情况

35、下，光电二极管所能检测到的最大频率，或比特率。光电二极管对带宽的限制：1)收集光生载流子需要时间1；若载流子的最大漂移速度为v1,耗尽区宽度为w,则1=w/v1（3.3-5）2)p-n结可以看作两个被耗尽区分离的带电板，该内部电容Cin对带宽限制。是Cin=A/w（3.3-6）是半导体的介电常数，A是光电二极管的激活区面积。光电二极管等效电路如图3.3-3所示。图3.3-3光电二极管等效电路CinIPEP电容器时间常数RC符合：RC=（+）Cin Cin（3.3-7）耗尽区电阻负载电阻p-n区电阻Cin的典型值是1pF到2pF，因此当R=50时,RC的范围是50ps到100ps。于是光电二极管

36、的带宽就可以由下式得出：BWPD=1/2(1+RC)（3.3-8）例题一个P-N光电二极管，1=100ps，RC=100ps。1）它的带宽是多少？2）我们可以通过改变耗尽区的厚度来增加P-N光电二极管的带宽吗？3）我们可以通过改变它的负载电阻来增加P-N光电二极管的带宽吗？4）光电二极管的激活区的作用是什么？减小1（3.3-5），我们需要增加耗尽区的宽度w。由（3.3-6）、（3.3-7），要减小RC，就必须缩小w，将（3.3-8）写成w的显式：BWPD=1/2(w/v1)+R(A)/w)（3.3-9）求最佳厚度：当：BW/w=(v1/2)(-w2+v1 RA)/(w2+v1 RA)2=0有：

37、有：1optLwv RA=（3.3-10）解答解答：1）由（3.3-8）可以直接得到：BW=0.796Gbps2）由（3.3-8）可知，我们需要同时减小1和RC。为了增加带宽，但需要R比R大十倍以上，其次，为了降低噪声，我们需要增加负载电阻。（见光电二极管中的噪声源）4）光电二极管的激活区有两个作用。从功率的角度看，该区越大越好，因为它可以使光电二极管收集更多的光。除了R，其他参数都与半导体材料和制作过程有关。因此在P-N光电二极管中，我们只能施加反向偏压来控制耗尽区的宽度w。但是反向偏压由接收器封装决定。我们也不希望一个小小的接收器芯片有几个不同的电压。事实上，在提高光电二极管的带宽方面，我

38、们没有太多自由。3）如公式（3.3-7）所示，负载电阻（R）决定RC，也正因为如此，R出现在公式（3.3-10）中。似乎减小R可以上例表明：当耗尽区的宽度最佳时，带宽达到最大值。功率效率与耗尽区的宽度成正比。即：在P-N光电二极管中，我们必须在功率效率和带宽之间进行折中。从带宽角度看，激活区一定要小，如公式（3.3-9）所示。实际上，激活区越大，内部电容越大，RC时间常数就越大，见公式（3.3-6）（3.3-7）（3.3-8），为了制造带宽很大的光电二极管，必须减小激活区直径。50GHz带宽 10 m激活区直径.InGaAs PIN光电二极管激活区直径和二极管电容的关系：激活区直径DA(m)6

39、0 80 100 150 300二极管电容C(pF)0.2 0.75 1.5 2 712为了提高P-N光电二极管带宽效率，我们需要宽的扩散区以减小扩散电流，但RC将增加。产生了矛盾，解决这个难题的方法就是PIN光电二极管。存在着第三个约束P-N光电二极管带宽的因素。即：扩散电流载流子复合速度漂移电流载流子复合速度。见下图：图3.3-4光电二极管的输入脉冲和输出脉冲a)光输入脉冲b)电输出脉冲PIN光电二极管（Photodiodes）光电二极管（Photodiodes）高线性高线性,低暗电流低暗电流n+PIN光电二极管的结构如图3.3-5所示。其在P区和N区之间夹有一层厚的本征层。“本征”“天然

40、的”、“不掺杂的”。P-I-N的完整意思：正极-本征-负极。实际上，本征区是轻掺杂的（N型），所以电子浓度很高，大大提高了光电转换效率。PIN光电二极管是在反向偏压作用下使用的，一般为-5V左右。当光入射到PIN结时，由于光激发产生的光生载流子电子和空穴经过扩散和漂移，形成了通过PIN结的光电流。图3.3-5 PIN光电二极管光生载流子通过PIN结时间很短，这是因为虽然I层较厚，但它处于一个强的反向电场作用下，所以载流子以快的漂移速度通过I层。光生载流子通过两边P与N区时，是以比较慢的扩散速度前进的，但因P层和N层均较薄，这样总的来说就提高了PIN管的响应速度。目前PIN光电二极管带宽以达11

41、0GHzPIN光电二极管带宽以达110GHz。雪崩光电二极管雪崩光电二极管Avalanche photo diode(APD)内置放大，不引入外部电路相关噪声。增益提高x100，接收大于接收机电噪声的光信号增益提高x100，接收大于接收机电噪声的光信号是高速、高灵敏度的接收器是高速、高灵敏度的接收器极大的温度倚赖性极大的温度倚赖性主要性能主要性能增益带宽积增益带宽积暗电流暗电流响应响应Bias VoltageAPD Gain1、工作原理：在光电二极管上加相对较高的反向电压（20V左右），该电压使光生电子和空穴加速并获得高能量。这些高能电子和空穴射入中性原子中，分离出其它电子和空穴。而二级载流子

42、也获得足够能量去离化其它载流子，形成雪崩过程。这就意味着光电二极管在内部放大了光电流。（其量子效率10到100）产生二次载流子的过程称为冲击离化。图3.3-6雪崩光电二极管（APD）距离?简单归纳其工作原理为：高的反向偏置电压，碰撞电离，产生一次光生载流子、二次光生载流子?APD的平均雪崩增益G：是个复杂的随机过程?G是一个统计平均值其结构如图3.3-6所示。光子穿过重掺杂的p+区，进入本征区，在这里产生电子空穴对。反向电压分离这些光生电子空穴，并将其移向pn+结，这里存在一个105V/cm的高电场，这个电场聚集载流子，并冲击导致离化。132、功率响应：设平均倍增系数M，则其响应为（参考（3.

43、3-4）式）：RAPD=MPp-I-n=M(/1248)（3.3-11）3、带宽与p-I-n 型不同，由于APD引入放大，所以用增益带宽积衡量：MBW。计算公式如下：MBW=1/（2e）（3.3-12）其中M是零频率增益，e是有效传送时间，它等于：e=KA1 （3.3-13）其中1是公式（3.3-5）所定义的时间，KA是参与离化的空穴与电子的比，Si是0.03,Ge它是0.8，InGaAs是0.6。探测器材料探测器材料 Silicon(Si)Silicon(Si)最便宜最便宜 Germanium(Ge)Germanium(Ge)常用常用 Indium gallium arsenide(InGa

44、As)Indium gallium arsenide(InGaAs)高速高速SiliconWavelength nm50010001500GermaniumInGaAsQuantum Efficiency=10.10.51.0Responsivity(A/W)复习题3.3复习题3.31、光电二极管的主要功能是什么？2、InGaAs光电二极管的量子效率是70%，它的响应度是多少？3、响应度是如何依赖光信号的波长的？4、P-I-N代表什么意思？5、与P-N光电二极管相比P-I-N的优点是什么？6、与P-I-N光电二极管相比APD的优点是什么？7、APD的缺点是什么？四、光无源器件四、光无源器件1.

45、光纤的连接、光纤连接器2.光衰减器3.光纤定向耦合器4.波分复用器5.光隔离器6.光环形器7.光滤波器8.光开关1.光纤的连接、光纤连接器2.光衰减器3.光纤定向耦合器4.波分复用器5.光隔离器6.光环形器7.光滤波器8.光开关9.光调制器光调制器1、光纤的连接、光纤连接器、光纤的连接、光纤连接器“跳线”是连接光器件和光仪器“法兰盘”连接同类“跳线”FC/PC 光纤连接器SC光纤连接器ST 光纤连接器SMA 光纤连接器CATV 光纤连接器分为：固定连接和活动连接，活动连接器典型的：插入损耗0.25dB,回波损耗-50dB2.光衰减器2.光衰减器一、分类：固定衰减器（绕线、拉锥等）可变衰减器（光

46、-机械装置）二、可变衰减器原理典型的：衰减范围0-60dB,分辨率0.5dB，插入损耗2dB光衰减器是减少传输光功率的装置。14自聚焦透镜衰减片自聚焦透镜光衰减器原理示意图光可变衰减器原理图输入光输出光棱镜圆盘式衰减片3.光纤定向耦合器3.光纤定向耦合器分类：分类：标准耦合器 宽带耦合器 双窗口宽带耦合器原理原理 熔锥型 磨抛型耦合器是实现光的分路、合路的器件。主要指标：附加损耗、耦合比研磨法光纤22耦合器原理示意图熔锥光纤22耦合器示意图 任何一臂的入射光，可以耦合到任何一个出射臂。50%/50%(3 dB)是最常用的 4 端口形式。1%,5%or 10%taps(often 3 port

47、devices)附加损耗-Excess Loss(EL):耦合比：CR(dB)=-10log10P1/(P1+P2)EL=-10 log10 PoutPin直通臂(P1)耦合臂(P2)P011NM星形耦合器15光时分复用器件10Gb/ssignal input410Gb/ssignal output410Gb/s multiplexer with six fiber 12 couplers410Gb/s multiplexer with two fiber 14 couplersFiberCouplerFiberCoupler4.波分复用器4.波分复用器Wavelength-division

48、multiplexers(WDM)-波分复用器-的形式:3 端口器件(第4端口不用)1310/1550 nm(“经典”WDM技术)1480/1550 nm 和 980/1550 nm 用于光放大器(后面章节详述)1550/1625 nm 用于网络监控 插入损耗和隔离度:对传输通道的波长，具有低插入损耗(1 dB)传输通道波长对另一波长有高损耗(20 to 50 dB):I10=-10log10P1(1)/P0(1),I20=-10log10P2(1)/P0(1)Common 1 2A、分类、分类熔锥型(粗WDM)多层干涉滤光膜型(细WDM DWDM)棱镜分光型(粗WDM)光栅型-体光栅、光纤光

49、栅(粗WDM，细WDM)阵列波导光栅(细WDM DWDM)B、原理、原理直通臂(P1)耦合臂(P2)P0熔锥型波分复用器波分复用器P1=Pincos2K()zP2=Pinsin2K()z其中z是耦合区的长度，K()为耦合系数，当K()z=/2，P1=0，P2=Pin棱镜分光型波分复用器波分复用器16Multiplexers(MUX)/Demultiplexers(DEMUX)DWDM的关键器件 技术分类：串联介质滤光器 Cascaded FBGs Phased arrays(see later)低串扰，有利于解复用干涉滤光片型波分复用器波分复用器 1 16 1 15 16 1 14 15输入光

50、纤14320(监管信道)干涉滤光膜光栅型波分复用器波分复用器-体光栅主最大强度的方向由下式给出：d sin=m/=m/d cos其中d为光栅周期，为衍射角，m=0，1，2，等等，为角分离，为波长间隔。输入光输入光 1 4 3 21.体光栅型体光栅型布拉格光栅布拉格光栅1 16 1 15 16 16 16 1 15、16 1 15、16FBG环形器环形器光纤光栅型波分复用器波分复用器其反射波长成为布拉格波长（B）由下面的布拉格条件确定：2neff=B其中为光栅周期，neff为有效纤芯折射率。Array Waveguide Grating(AWG)1a 3a 2a 4a 1b 3b 2b 4b 1