第四章 通信用光器件1要点
合集下载
通信用光器件PPT课件
第12页/共90页
1.0
£½90£¥
0.8
InGaAs
70£¥
0.6
Si
50£¥
Ge
0.4 30£¥
(¡¤W £-1)
0.பைடு நூலகம் 10£¥
0 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 m
图3-22 PIN光电二极管响应度、 量子效应率 与波长 的关系
第13页/共90页
(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。
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。
第33页/共90页
表3.3 PIN光电二极管一般特性
第31页/共90页
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。 第32页/共90页
第5页/共90页
PIN光电二极管的工作原理和结构见图 3.20和图3.21。
第6页/共90页
光 抗反 射膜
电极
P＋
(n)
N＋ E
电极
图3. 21 PIN光电二极管结构
第7页/共90页
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。
1.0
£½90£¥
0.8
InGaAs
70£¥
0.6
Si
50£¥
Ge
0.4 30£¥
(¡¤W £-1)
0.பைடு நூலகம் 10£¥
0 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 m
图3-22 PIN光电二极管响应度、 量子效应率 与波长 的关系
第13页/共90页
(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。
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。
第33页/共90页
表3.3 PIN光电二极管一般特性
第31页/共90页
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。 第32页/共90页
第5页/共90页
PIN光电二极管的工作原理和结构见图 3.20和图3.21。
第6页/共90页
光 抗反 射膜
电极
P＋
(n)
N＋ E
电极
图3. 21 PIN光电二极管结构
第7页/共90页
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。
光器件介绍京信通信系统
06 光器件的发展前景与挑战
新材料与新工艺
新材料
新型光子晶体、二维材料等具有优异光学性能的新材料，为光器件的研发提供了更多可 能性。
新工艺
纳米光刻、电子束蒸发等新工艺，提高了光器件的制造精度和效率，降低了生产成本。
集成化与小型化
集成化
将多个光器件集成在一个芯片上，实现 多功能、高性能的光子集成回路，提高 光通信系统的集成度和可靠性。
光网络设备
光网络设备是实现光信号传输的核心设备，包 括光交换机、光路由器、光调制解调器等。
光网络设备利用光器件实现光信号的处理和交 换，支持高速、大容量的数据传输，广泛应用 于数据中心、云计算、物联网等领域。
光网络设备的技术发展迅速，不断涌现出新的 技术成果，如光子集成电路、光子晶体等，为 未来的光通信技术发展提供了更多可能性。
移动通信系统
移动通信系统是现代通信的重要组成部分，利用无线 电波传输信息，具有移动性、便捷性等特点。
光器件在移动通信系统中也发挥着重要作用，如用于 基站的光模块、用于光回传的光收发器等。
随着5G、6G等新一代移动通信技术的发展，光器件 在移动通信系统中的应用将更加广泛，对系统的性能
和稳定性要求也更高。
调制器
总结词
调制器是用于将信息加载到光波上的器件，通过改变光波的某些参数（如幅度、频率或相位）来传递信息。
详细描述
调制器通常由电光材料制成，当电场施加到材料上时，会改变其折射率，从而改变通过调制器的光波参数。常见 的调制器有电吸收型调制器和马赫-曾德尔调制器等。
探测器
总结词
探测器是用于检测光信号并将其转换 为电信号的器件，在光通信和光检测 等领域应用广泛。
光器件介绍京信通信系统
通信用光器件
使N2 ＞ N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒
子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。
10
1.1 激光器的工作原理
2．激光器的工作原理
激光器包括以下3个部分： • 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； • 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源 （泵浦源）； • 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益 物质，它是产生激光的必要条件。
14
1.1 激光器的工作原理
图3-3 激光器示意图
15
1.1 激光器的工作原理
③ 光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为
2nL
q
（3-6）
或
f c cq
2nL
（3-7）
式中，c为光在真空中的速度，λ为激光波长，n为激活物质的折
射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3…称为纵模模数。
图3-6 GaAlAs-GaAs激光器的光谱
23
1.2 半导体激光器
随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。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。
普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模 谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图3-6（a）所示。而在高码 速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图3-6（b）所示。
式中，h为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。 当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量∆E =hf12的光照射时， 该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。
子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。
10
1.1 激光器的工作原理
2．激光器的工作原理
激光器包括以下3个部分： • 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； • 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源 （泵浦源）； • 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益 物质，它是产生激光的必要条件。
14
1.1 激光器的工作原理
图3-3 激光器示意图
15
1.1 激光器的工作原理
③ 光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为
2nL
q
（3-6）
或
f c cq
2nL
（3-7）
式中，c为光在真空中的速度，λ为激光波长，n为激活物质的折
射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3…称为纵模模数。
图3-6 GaAlAs-GaAs激光器的光谱
23
1.2 半导体激光器
随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。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。
普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模 谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图3-6（a）所示。而在高码 速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图3-6（b）所示。
式中，h为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。 当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量∆E =hf12的光照射时， 该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。
光纤通信复习（各章复习要点）
光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。
A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。
A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。
A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。
光通信知识-常用光器件
7.
隔离度是指某一光路对其他光路中的 信号的隔离能力。隔离度高，也就意味着 线路之间的“串话”小。其数学表达式为
式中：Pt是某一光路输出端测到的其他光 路信号的功率值；Pin是被检测光信号的输 入功率值。
4.3 波分复用/解复用器
4.3.1 波分复用/解复用器的原理与分类
1.
衍射光栅型波分复用器件是近年发展 起来的。衍射光栅是利用硅衬底单晶各向 异性腐蚀制作的光栅与棱镜分光相比具有 更大优势，常用来制作波分复用器的主要
4.
远端串扰是指光开关的接通端口的输 出光功率与串入另一端口的输出光功率的 比值。
5.
近端串扰是指当其他端口接终端匹配， 连接的端口与另一个名义上是隔离的端口 的光功率之比。
6.
消光比是两个端口处于导通和非导通 状态的插入损耗之差。
式中：ILnm为n，m端口导通时的插入 损耗；ILnm0为n，m端口非导通时的插入损
4.2.1 光纤耦合器的结构与原理
制作光耦合器可以有多种方法，大致 可分为分立光学元件组合型、全光纤型、 平面波导型等。
下面主要介绍熔融拉锥法的原理。
熔融拉锥法就是将两根(或两根以上) 除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在 高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终 在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构， 实现传输光功率耦合的一种方法。
回波损耗(也称反射损耗或反射率)是 指从输入端返回的光功率与输入光功率的 比值，以分贝表示：
式中：P0为进入输入端的光功率；P1为输 入端口接收到的返回光功率。回波损耗与 开关的状态有关。
3.
隔离度是指两个相隔离输出端口光功 率的比值，以分贝来表示。
式 中 ： n、m
(n≠m) ；Pin是光从i端口输入时n端口的输 出光功率，Pim是光从n端口输入时在m端 口测得的光功率。
光纤通信系统 第四讲 光器件(1)幻灯片PPT
…
…
T形
星形
(a)
(b)
1
2
1 2
1＋2＋N
…
4
3
N
定向
波分
(c)
(d)
常用耦合器的类型
2. 耦合器的结构有许多种类型，其中比较实用和有
发展前途的有光纤型、微器件型和波导型，图示 这三种类型的有代表性器件的基本结构
光纤型
(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
克尔(Kerr)效应：晶
体折射率与外加电场幅 度的平方成比例变化
电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.
晶体折射率随外加电场而 变化。具有非常好的消啁 啾特性，适合于高速系统 的超长距离传输。但调制 器的插入损耗大，需要较 高的驱动电压(典型值为 4V)，难以与光源集成， 而且对偏振敏感。
40Gb/s LiNbO3 Modulator
SOP Light in
Polarizer
Blocked
Faraday rotator
Light out Polarizer
Reflect light
与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理
光环形器
基本原理：工作原理等同于隔离器，
光传送顺序：12 3 4 （三端口，四端口，多端口）
主要特性： • 插入损耗
•作用: 实现光信号的连接、能量分路/合路、波长复用/解 复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、光-电-光转换、 光信号放大、光信号调制等功能。是构成光纤通信系统的 必备元件。光器件是具有上述一种功能的元器件的总称。
•类型：无源、有源 包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光
通信用光器件第四章 光源 PPT
B–
B容易抢夺周围Si原 子的电子成为负离 子并产生多余空穴
第III族元素 (如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA < Eg 就 可以让多余孔穴自由导电。
P型材料，受主能级
导带 EC
电子能量 电子浓度分布
受主能级
Ef
价带 EV
4.2.4 激光的特点
（1）单色性好； （2）相干性高； （3）方向性强。
4.3 半导体光源的工作原理
4.3.1 发光二极管的工作原理
1. 发光二极管(LED)的类型结构 LED 也 多 采 用 双 异 质 结 芯 片 ， 不 同 的 是 LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于 不是激光振荡，所以没有阈值。
在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导 体，见图4.4(c)。
本征半导体材料 Si
硅的晶格结构 (平面图)
硅的晶格结构
电子和空穴是成对出现的
受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对 出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。
本征半导体的能带图
电子
导带 EC
电子跃迁
带隙 Eg = 1.1 eV Ef
空穴浓度分布
受主能级
受主能级电离使导带 空穴浓度增加
第III族元素容易抢夺Si的电子而被称为受主杂质。被它束缚的
空穴所处的能级称为受主能级EA。当空穴获得较小的能量DEA 之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为导电空穴。因此，受
主能级位于靠近价带EV的禁带中。
PN结Biblioteka 耗尽层在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4.5(a)。
B容易抢夺周围Si原 子的电子成为负离 子并产生多余空穴
第III族元素 (如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA < Eg 就 可以让多余孔穴自由导电。
P型材料，受主能级
导带 EC
电子能量 电子浓度分布
受主能级
Ef
价带 EV
4.2.4 激光的特点
（1）单色性好； （2）相干性高； （3）方向性强。
4.3 半导体光源的工作原理
4.3.1 发光二极管的工作原理
1. 发光二极管(LED)的类型结构 LED 也 多 采 用 双 异 质 结 芯 片 ， 不 同 的 是 LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于 不是激光振荡，所以没有阈值。
在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导 体，见图4.4(c)。
本征半导体材料 Si
硅的晶格结构 (平面图)
硅的晶格结构
电子和空穴是成对出现的
受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对 出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。
本征半导体的能带图
电子
导带 EC
电子跃迁
带隙 Eg = 1.1 eV Ef
空穴浓度分布
受主能级
受主能级电离使导带 空穴浓度增加
第III族元素容易抢夺Si的电子而被称为受主杂质。被它束缚的
空穴所处的能级称为受主能级EA。当空穴获得较小的能量DEA 之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为导电空穴。因此，受
主能级位于靠近价带EV的禁带中。
PN结Biblioteka 耗尽层在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4.5(a)。
光纤通信系统第四讲光器件
拉曼光纤放大器（RFA）
RFA是一种利用拉曼散射效应进行光放大的器件。RFA具有放大带宽宽、增益高、对偏振不敏感等优点，常用于 长距离、大容量光纤通信系统中的光放大。
03 光器件的性能参数与测试 技术
光器件的性能参数
插入损耗
衡量光器件将输入光信号转换 为输出光信号时的能量损失。
带宽
描述光器件传输光信号的能力 ，即光信号的频率范围。
雪崩光电二极管（APD）
APD是一种高灵敏度的光探测器，其工作原理与PD类似，但通过内部雪崩倍增 效应提高灵敏度。APD常用于高速光纤通信系统中的光接收机。
光调制器
电光调制器（EOM）
EOM是一种利用电场作用改变光波性质的光调制器。EOM具 有调制速度快、调制效率高等优点，常用于高速光纤通信系 统中的信号调制。
利用光谱分析仪测量光器件的传输光谱，确 定其带宽。
消光比测试
通过测量高功率状态和低功率状态下的光功 率，计算出光器件的消光比。
04 光器件的应用与发展前景
光器件在光纤通信系统中的应用
光放大器
用于放大光信号，提高传输距离和稳 定性。
光调制器
用于将电信号转换为光信号，实现高 速数据传输。
光开关
用于实现光路的切换和选择，提高网 络的灵活性和可靠性。
光器件在光纤通信系统中的作用
信号产生
信号调制
光器件可以用于产生原 始的光信号，如激光器。
光器件可以用于对原始 光信号进行调制，如调
制器。
信号传输
光器件可以用于传输光 信号，如光纤。
信号检测
光器件可以用于检测接 收到的光信号，如光电
探测器。
光器件的发展历程与趋势
发展历程
光器件的发展经历了从早期简单的光 学元件到现代高度集成化的光子集成 电路的过程。
光纤通信技术第4章光器件
• 如果N1和N2分别是基态和激发态的原子密度， ρ(v)为电磁场能量的光谱密度，那么自发辐射、 受激辐射与吸收辐射的速率可以分别写成(4-2)形 式： 式中，A，B和C分别为常数。在热平衡中，原子 密度呈波尔兹曼统计分布形式，如式(4-3)所示：
• 式中kB 为波尔兹曼常量，T是绝对温度。在热平 衡中，由于N1和N2不随时间而变化，电子向上和 向下跃迁的速率应该是相等，如式(4-3)所示：
4 PN结 研究PN结的材料和结构目的是为了深入了 解各种半导体光源的不同工作原理和工作特性。 众所周知，半导体光源的核心，即复合发光区 （有源区）是由一个或多个垂直方向的PN结 构成。PN结是由P型半导体和N型半导体共同 形成的结。P型半导体和N型半导体是通过掺 以过多电子或缺少电子的杂质方法而使制得的。 通常，根据PN结的性质不同，可以分为同质 结、双异质结和量子阱结构。光纤通信中常用 的激光器采用的就是异质结和量子阱结构。
为了能够了解不同的LED实际的输出光功率P 与驱动电流I的关系，图6-8绘制出了SLED 、 ELED和S-LED的P-I的曲线关系。在驱动电流较 小时，它们的P-I的曲线基本是线性的。但是 SLED的复合发光的量子效率会随着电流的增大 而降低，其输出光功率逐渐趋向饱和，使得P-I的 曲线呈现准线性。由图4-8可以看出，ELED的PI的曲线接近于线性，虽然其发光面积比SLED小 得多，但是在较大的驱动电流作用下，它仍然可 以获得比较大的输出光功率。面发光关系。SLED的P-I的曲线呈现出超线性关系。其输出光功 率随驱动电流的增加而呈超线性地增大。S-LED 是利用高注入电流对自发辐射进行放大，故它可 以获得较大的商场光功率。
人们选择半导体材料制造光源的理由是，1.充 分利用了展现半导体本征特点，即尺寸小、效率 高和高可靠性等；2.具有光纤通信必需的一些特 性，如宽的工作波长范围、窄的光谱宽度、易于 光纤耦合（发光面积与纤芯尺寸相匹配）和光强 调制方便等。表4-1列出了光纤通信系统对光源选 择的基本要求。
光通信用光发射器件培训(1)
38
可整理ppt
39
可整理ppt
40
美国专利----分布反馈激光器
光发射器件在核心网和广域网通信系统光端机和光中继器的 光发射部分，都是必不可少的关键光电子器件。
可整理ppt
5
1.4 光发射器件在光纤用户接入网
光发射器件在光纤用户接入网（包括三网合一）E-PON、 G-PON光模块和CATV光模块的光发射部分中也是必不可少 的关键光电子器件。
可整理ppt
6
1.5 光发射器件在移动通信光纤分布式直放站
其中，比较成熟的F-P LD主要有脊形波导激光器和掩
埋异质结构激光器。
可整理ppt
11
d) 按有源层(发光层)材料特点,激光器可分为: 半导体化合物体材料（厚度大于20nm)激光器； 量子阱结构材料(每层厚度小于15nm)激光器(QWLD);
量子阱结构材料如下图：
可整理ppt
12
可整理ppt
13
h) 按发射功率,激光器可分为:
超大功率激光器（如980nm 500mW激光器）; 大功率激光器（10mW以上） 中小功率激光器（0.2-5.0mW范围）
可整理ppt
18
I) 按封装方式,激光器可分为: 单管同轴、双列直插、小型化DIL、 高速蝶形激光器。
可整理ppt
19
j) 按激光器集成方式，可分为单管式和集成式激光器。
可整理ppt
20
集成方式中，主要有：激光器阵列和光调制器-分布反馈激光 器单片集成等。
可整理ppt
21
可整理ppt
22
可整理ppt
23
可整理ppt
24
4 半导体光发射原理
半导体光发射基于激光器有源层材料导带和价带间电子、 空穴的复合辐射。
光器件基础知识概要
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，光纤b(耦合臂)的输出光功率为，
2(CλL) (3.28a)
2(CλL)
1、 2
a b
a
光功
b
率
a
b
图 3.30 光纤型波分解复用器原理
1 2 1 2 耦合长度
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。
光纤
自 聚焦 透 镜
光纤 1
自 聚焦 透 镜分 光片 4
3
2
(a)
(b)
光纤 1、2
自 聚焦 透 镜
2 滤 光片
1
1
23
自聚焦透镜 硅光栅 光纤
1＋2＋3
(c)
(d)
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
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2，横截面为矩形或半圆形。图3.32示出波导型T型耦合器、定向耦 合器和用滤光片作为波长选择元件的波分解复用器。
(1) 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.
(2) 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。
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给出光纤连接器的一般性能。 接头是
2(CλL) (3.28a)
2(CλL)
1、 2
a b
a
光功
b
率
a
b
图 3.30 光纤型波分解复用器原理
1 2 1 2 耦合长度
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。
光纤
自 聚焦 透 镜
光纤 1
自 聚焦 透 镜分 光片 4
3
2
(a)
(b)
光纤 1、2
自 聚焦 透 镜
2 滤 光片
1
1
23
自聚焦透镜 硅光栅 光纤
1＋2＋3
(c)
(d)
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
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2，横截面为矩形或半圆形。图3.32示出波导型T型耦合器、定向耦 合器和用滤光片作为波长选择元件的波分解复用器。
(1) 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.
(2) 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。
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给出光纤连接器的一般性能。 接头是
第4讲光器件1
2019/9/20
13
三、激光器的参量
1．发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到
价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度 Eg(eV)，得到
hf= Eg
式中，f=c/λ ，f(Hz)和λ (um)分别为发射光的频 率和波长，c=3×108m/s为光速，h=6.628×10-34J·s 为普朗克常数，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到
2019/9/20
4
第一节 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。
激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光 放大)的缩写。
stimulated transition
E
2. 光的自发辐射：
spontaneous emission
Eg Eg
Ec
留下空穴
Ev
Ec 光子 hf
Ev 空穴复合
E
3. 光的受激辐射: 光子 hf
stimulated emission of radiation
Ec
Eg
光子 hf
Ev
2019/9/20
7
2019/9/20
16
三、激光器的参量
2、平均衰减系数a 在光学谐振腔内产生振荡的先决条件，是放大 的光能要足以抵消腔内的损耗，而谐振腔内损 耗的大小，我们用平均衰减系数a表示。为 a=ai+ar=ai+(1/2l)*㏑(1/r1*r2)
其中： ai 是除反射镜透射损耗以外的其 他所有损耗所引起的衰减系数； ar 是谐振腔 反射镜的透射损耗引起的衰减系数；l是谐振 腔两个反射镜之间的距离； r1、r2 是腔的两 个反射镜的功率反射系数。
光通信原理及光器件介绍
1400
光波长（nm）
全波光纤
1600
1800
9
光纤通讯系统知识介绍－光纤结构
光纤
光纤的结构
涂敷层
包层 纤芯
10
光纤结构
光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴 组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量 主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机 械保护作用。
突变型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF） 渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF） 单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF） 相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径 都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤。
13
横截 面
偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统， 这种系统 最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。
17
光纤传输优点
1、通信容量大 从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000 亿个话路 2、中继距离长 3、保密性能好 光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因 此其保密性能极好 4、适应能力强 适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强 5、体积小、重量轻、便于施工维护 光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空 6、原材料来源丰富，潜在价格低廉 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中 几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的
DFB LD module
Dual-baalog)
DFB LD module
1x4 Splitter
第4章光通信器件PPT课件
Eg Eg
不同的半导体材料有不同的禁带宽度，因而有不同的发射波长
镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)----0.85 μm 铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)----1.3~1.55 μm
It称为阈值电流
32
F-P谐振腔
谐振腔中的电磁场呈驻波分布，谐振腔中的谐振模式分 为纵模和横模
纵模
光波在两个镜面之间来回反射，入射波和反射波叠加会 形成稳定的驻波分布。
轴向形成稳定驻波的条件是两个反射镜之间的距离即腔 体的长度L是腔体中电磁波半波长的整数倍
33
F-P谐振腔
激光振荡的相L位 q条 件 q c：
➢ q：纵模序数（一般不写） ➢ m和n：横模序数
基横模状态TEM00q ，对于一个确定的纵模序数q，谐振 频率是确定的，即每一个纵模序数q对应一条谱线。
多横模条件下，对应确定的纵模序数，谱线将被展宽。
35
F-P谐振腔的损耗
腔内的光强在 数轴 衰向 减 Iz呈 ： I0e指 az
腔内能量按指W 数 t衰 W0减 et/： Q
8
半导体晶体的能带
在热平衡状态，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布
PE
1
1exp
EEf kT
材料的费米能级 Ef 是一个参考能级，E>Ef 的能级，被电子占据
的可能性小于1/2，而对于 E<Ef 的能级，被电子占据的可能性
大于1/2。
能量
导带
Ec Eg/2
Eg
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
益大于损耗，此时才能产生激光。因此，LD是一种阈值器件
26
4.4.1 LD的结构
27
不同的半导体材料有不同的禁带宽度，因而有不同的发射波长
镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)----0.85 μm 铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)----1.3~1.55 μm
It称为阈值电流
32
F-P谐振腔
谐振腔中的电磁场呈驻波分布，谐振腔中的谐振模式分 为纵模和横模
纵模
光波在两个镜面之间来回反射，入射波和反射波叠加会 形成稳定的驻波分布。
轴向形成稳定驻波的条件是两个反射镜之间的距离即腔 体的长度L是腔体中电磁波半波长的整数倍
33
F-P谐振腔
激光振荡的相L位 q条 件 q c：
➢ q：纵模序数（一般不写） ➢ m和n：横模序数
基横模状态TEM00q ，对于一个确定的纵模序数q，谐振 频率是确定的，即每一个纵模序数q对应一条谱线。
多横模条件下，对应确定的纵模序数，谱线将被展宽。
35
F-P谐振腔的损耗
腔内的光强在 数轴 衰向 减 Iz呈 ： I0e指 az
腔内能量按指W 数 t衰 W0减 et/： Q
8
半导体晶体的能带
在热平衡状态，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布
PE
1
1exp
EEf kT
材料的费米能级 Ef 是一个参考能级，E>Ef 的能级，被电子占据
的可能性小于1/2，而对于 E<Ef 的能级，被电子占据的可能性
大于1/2。
能量
导带
Ec Eg/2
Eg
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
益大于损耗，此时才能产生激光。因此，LD是一种阈值器件
26
4.4.1 LD的结构
27
《通信用光器》课件
电吸收调制器
通过改变光在半导体材料中的吸收特性， 实现光强度的调制。
电光调制器
利用外加电压改变光的折射率，实现光强 度、相位或频率的调制。
光放大器的作用和种类
光纤放大器
通过在光纤中注入能量，增强光信号的强度。
半导体光放大器
利用半导体材料中的电子和空穴的复合来放大光信号。
光衰减器和尾纤的作用
1 光衰减器
2 误码率
用于衡量信号传输中出现的错误比例，通常以十的负幂（如10^-9）来表示。
3 灵敏度
用于评估系统接收器对光信号强度的识别能力，通常以分贝（dBm）为单位。
光纤通信系统中的光器件驱动 电路
光器件驱动电路用于提供适当的电信号，以控制光器件的工作和性能。它们 需要高速、稳定和精确的控制。
通信用光器的性能要求与测试
1 光纤光栅
通过在光纤中引入周期性的折射率变化，实现光信号的频率选择和波长调制。
光波长复用技术
光波长复用技术是一种基于光的特性将多个信号进行并行传输的技术，能够大幅提高光纤通信系 统的传输容量。
光通信系统性能评估参数
1 带宽
用于衡量系统传输信号的能力，通常以兆赫兹（MHz）或千兆赫兹（GHz）为单位。
《通信用光器》PPT课件
我们将一起探索通信用光器的基本知识，了解其分类、工作原理以及在光纤 通信系统中的作用。我们还将探讨光通信系统的发展趋势和市场前景。
什么是通信用光器
通信用光器是在光纤通信系统中使用的设备，用于传输和处理光信号。它们可以起到调制、放大、 衰减、分路和耦合等功能。
通信用光器的分类
光纤通信系统的基本组成
光纤通信系统由光源、光传输介质（光纤）、光器件（通信用光器）、光探 测器和信号处理器等组成。各部分协同工作，实现高速、高带宽的通信。
第四章 通信用光器件1
1300 nm
RPIN 0.65A / W
RPIN 0.45回
响应时间
• 描述光电二极管光电转换速度，光电转换所用 的总的时间有： • 从光入射光敏面到发生受激吸收的时间 • 在耗尽区内发生载流子漂移的时间 • 在耗尽区外发生载流子扩散的时间 • 光电二极管及负载的时间常数RC • APD雪崩倍增建立的时间（APD特有的）
第四章 通信用光器件
4.1 光器件简介 4.2 光检测器 4.3 无源光器件
4.1 光器件简介
• 在光纤通信系统中，光器件可分为有源光器件和 无源光器件两类，其中有源光器件包括前章介绍 的光源器件，还有本章要介绍的光电检测器等器 件。 • 光电检测器，是将入射光转化为电流或电压，是 以光子一电子的量子转换形式完成光的检测目的， 如光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管 （APD）。 • 由于光纤具有三个低损耗窗口，即850nm、 1310nm和1550nm。相应的，用于850nm 波长的称为短波长光电检测器，用于1310nm 和1550nm波长的则称为长波长光电检测器。
hf Eg
上一页 下一页 返回
4.2 光电检测器
• 3. 光电二极管（PIN） • （1）PIN的结构及其原理 • PIN的结构。PIN的结构如图4-2所示，是在掺杂 浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的 N型材料，称为I层（本征层）。I层很厚，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。两侧的 P和N型半导体很薄，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，来改变器件的响应速度。
图4-8 反向偏压与倍增系数的关系
RPIN 0.65A / W
RPIN 0.45回
响应时间
• 描述光电二极管光电转换速度，光电转换所用 的总的时间有： • 从光入射光敏面到发生受激吸收的时间 • 在耗尽区内发生载流子漂移的时间 • 在耗尽区外发生载流子扩散的时间 • 光电二极管及负载的时间常数RC • APD雪崩倍增建立的时间（APD特有的）
第四章 通信用光器件
4.1 光器件简介 4.2 光检测器 4.3 无源光器件
4.1 光器件简介
• 在光纤通信系统中，光器件可分为有源光器件和 无源光器件两类，其中有源光器件包括前章介绍 的光源器件，还有本章要介绍的光电检测器等器 件。 • 光电检测器，是将入射光转化为电流或电压，是 以光子一电子的量子转换形式完成光的检测目的， 如光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管 （APD）。 • 由于光纤具有三个低损耗窗口，即850nm、 1310nm和1550nm。相应的，用于850nm 波长的称为短波长光电检测器，用于1310nm 和1550nm波长的则称为长波长光电检测器。
hf Eg
上一页 下一页 返回
4.2 光电检测器
• 3. 光电二极管（PIN） • （1）PIN的结构及其原理 • PIN的结构。PIN的结构如图4-2所示，是在掺杂 浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的 N型材料，称为I层（本征层）。I层很厚，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。两侧的 P和N型半导体很薄，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，来改变器件的响应速度。
图4-8 反向偏压与倍增系数的关系
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
上一页 下一页 返回
图4-1 光电效应
图4-1 光电效应
返回
4.2 光电检测器
• 如果PN结接收到相当能量的光照射，进入耗尽层的 光子就会产生电子--空穴对，在内电场的加速下，空 穴向P区漂移，电子则向N区漂移。很显然，光照的 结果打破了原有结区的平衡状态。这种光生载流子 的运动，在一定条件下，就会产生光电流。这就是 半导体PN的光电效应。 • 当入射光子能量小于禁带宽度时，不论入射光有多 强，光电效应也不会发生，因此产生光电效应的条 件是 （4-1）
上一页 下一页 返回
图4-4 输出电流I和反向偏压U的关系
图4-4 输出电流I和反向偏压U的关系
返回
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ通型（RAPD）结构
4.2 光电检测器
• （2）APD工作原理 • 根据光电效应，雪崩光电二极管的光敏面上被光子 照射之后，光子被吸收而产生电子-空穴对。这些电 子空穴对经过高速电场（可达200kV/cm）之后 被加速，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体原子相碰 撞，使晶体原子电离，产生新的电子-空穴对，这个 过程称为碰撞电离如此多次碰撞，产生连锁反应， 使载流子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成 雪崩倍增效果，所以这种器件就称为雪崩光电二极 管(APD)，其原理如图4-6所示。 • APD中电场强度随位置变化，如图4-7所示。
上一页 下一页 返回
图4-7 电场强度分布
图4-7 电场强度分布
返回
PIN的特性参 数
量子效率
4.2 光电检测器
是指单位时间内输出电子数与输入光子数之比，即
生成光电流的电子 空穴对数 输入的光子数 输出的电子数 输入的光子数
上一页 下一页 返回
4.2 光电检测器
响应度
RPIN
--响应度被定义为单位光功率所产生的电流，即
R PIN
RPIN
电流 平均光功率
可推导出量子效率与响应度的关系，即
hf Eg
上一页 下一页 返回
4.2 光电检测器
• 3. 光电二极管（PIN） • （1）PIN的结构及其原理 • PIN的结构。PIN的结构如图4-2所示，是在掺杂 浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的 N型材料，称为I层（本征层）。I层很厚，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。两侧的 P和N型半导体很薄，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，来改变器件的响应速度。
第四章 通信用光器件
4.1 光器件简介 4.2 光检测器 4.3 无源光器件
4.1 光器件简介
• 在光纤通信系统中，光器件可分为有源光器件和 无源光器件两类，其中有源光器件包括前章介绍 的光源器件，还有本章要介绍的光电检测器等器 件。 • 光电检测器，是将入射光转化为电流或电压，是 以光子一电子的量子转换形式完成光的检测目的， 如光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管 （APD）。 • 由于光纤具有三个低损耗窗口，即850nm、 1310nm和1550nm。相应的，用于850nm 波长的称为短波长光电检测器，用于1310nm 和1550nm波长的则称为长波长光电检测器。
上一页 下一页 返回
图4-3 PIN的工作原理
4.2 光电检测器
• PIN存在的问题 • 仅能将光信号转化成电信号，但不能对电信号产生增益； • 转换后的电流信号，很微弱，这种微弱信号，经放大器放大 后，淹没在放大器自身产生的噪声中，以致难以辨认。 • 4. 雪崩光电二极管(APD) • （1）APD的结构 • 对于光电二极管（PIN），其输出电流I和反向偏压U的关 系，如图4-4所示。随着反向偏压的增加，光电流基本保持 不变。但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。APD就是根据 这种特性设计的器件，其结构如图4-5所示。
上一页 下一页 返回
图4-2 PIN结构
图4-2 PIN结构
返回
图4-2 PIN结构
4.2 光电检测器
• PIN的工作原理。当PN结加上反向电压后（如图43所示），入射光主要在耗尽区被吸收，在耗尽区产 生光生载流子(电子--空穴对)。在耗尽区电场作用 下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，产生光生电 动势。在远离PN结的地方，因没有电场的作用，电 子空穴作扩散运动，产生扩散电流。因I层宽，又加 了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，绝大多数 光生载流子在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生 漂移电流。这个漂移电流远远大干扩散电流，所以 PIN光电二极管的灵敏度高。在回路的负载上出现 电流，就将光信号转变为了电信号。
下一页 返回
4.2 光电检测器
• 1. 光电检测器作用及要求 • （1）作用 • 在光纤通信系统中，光电检测器的作用是；将光纤输出的光 信号变换为电信号，其性能的好坏将对光接收机的灵敏度产 生重要影响。 • （2）对光电检测器的基本要求 • 由于从光纤中传过来的光信号一般是非常微弱的，因此对光 电检测器提出非常高的要求。对光检测器的基本要求如下： • 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，具有足够快的响 应速度，能够适用于高速或宽带系统； • 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； • 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； • 具有较小的体积、较长的工作寿命； • 工作电压尽量低，使用简便。 下一页 返回
4.2 光电检测器
• 2. 半导体PN结的光电效应 • 如图4-1所示，是一个未加电压的半导体PN结。 在半导体材料的PN结区，发生载流子相互扩散 的运动，即P型半导体中的空穴远比N型半导体 的多，空穴将从P区扩散到N区；同样N型半导 体中的电子远比P型半导体的多，也要扩散到P 区。这种扩散运动的结果是在PN结内形成了一 个内电场，在内电场的作用下，使电子和空穴产 生了与扩散运动方向相反的漂移运动。当扩散与 漂移达到动态平衡时，便在PN结中形成了一个 空间电荷区，即耗尽层。
图4-1 光电效应
图4-1 光电效应
返回
4.2 光电检测器
• 如果PN结接收到相当能量的光照射，进入耗尽层的 光子就会产生电子--空穴对，在内电场的加速下，空 穴向P区漂移，电子则向N区漂移。很显然，光照的 结果打破了原有结区的平衡状态。这种光生载流子 的运动，在一定条件下，就会产生光电流。这就是 半导体PN的光电效应。 • 当入射光子能量小于禁带宽度时，不论入射光有多 强，光电效应也不会发生，因此产生光电效应的条 件是 （4-1）
上一页 下一页 返回
图4-4 输出电流I和反向偏压U的关系
图4-4 输出电流I和反向偏压U的关系
返回
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ通型（RAPD）结构
4.2 光电检测器
• （2）APD工作原理 • 根据光电效应，雪崩光电二极管的光敏面上被光子 照射之后，光子被吸收而产生电子-空穴对。这些电 子空穴对经过高速电场（可达200kV/cm）之后 被加速，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体原子相碰 撞，使晶体原子电离，产生新的电子-空穴对，这个 过程称为碰撞电离如此多次碰撞，产生连锁反应， 使载流子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成 雪崩倍增效果，所以这种器件就称为雪崩光电二极 管(APD)，其原理如图4-6所示。 • APD中电场强度随位置变化，如图4-7所示。
上一页 下一页 返回
图4-7 电场强度分布
图4-7 电场强度分布
返回
PIN的特性参 数
量子效率
4.2 光电检测器
是指单位时间内输出电子数与输入光子数之比，即
生成光电流的电子 空穴对数 输入的光子数 输出的电子数 输入的光子数
上一页 下一页 返回
4.2 光电检测器
响应度
RPIN
--响应度被定义为单位光功率所产生的电流，即
R PIN
RPIN
电流 平均光功率
可推导出量子效率与响应度的关系，即
hf Eg
上一页 下一页 返回
4.2 光电检测器
• 3. 光电二极管（PIN） • （1）PIN的结构及其原理 • PIN的结构。PIN的结构如图4-2所示，是在掺杂 浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的 N型材料，称为I层（本征层）。I层很厚，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。两侧的 P和N型半导体很薄，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，来改变器件的响应速度。
第四章 通信用光器件
4.1 光器件简介 4.2 光检测器 4.3 无源光器件
4.1 光器件简介
• 在光纤通信系统中，光器件可分为有源光器件和 无源光器件两类，其中有源光器件包括前章介绍 的光源器件，还有本章要介绍的光电检测器等器 件。 • 光电检测器，是将入射光转化为电流或电压，是 以光子一电子的量子转换形式完成光的检测目的， 如光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管 （APD）。 • 由于光纤具有三个低损耗窗口，即850nm、 1310nm和1550nm。相应的，用于850nm 波长的称为短波长光电检测器，用于1310nm 和1550nm波长的则称为长波长光电检测器。
上一页 下一页 返回
图4-3 PIN的工作原理
4.2 光电检测器
• PIN存在的问题 • 仅能将光信号转化成电信号，但不能对电信号产生增益； • 转换后的电流信号，很微弱，这种微弱信号，经放大器放大 后，淹没在放大器自身产生的噪声中，以致难以辨认。 • 4. 雪崩光电二极管(APD) • （1）APD的结构 • 对于光电二极管（PIN），其输出电流I和反向偏压U的关 系，如图4-4所示。随着反向偏压的增加，光电流基本保持 不变。但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。APD就是根据 这种特性设计的器件，其结构如图4-5所示。
上一页 下一页 返回
图4-2 PIN结构
图4-2 PIN结构
返回
图4-2 PIN结构
4.2 光电检测器
• PIN的工作原理。当PN结加上反向电压后（如图43所示），入射光主要在耗尽区被吸收，在耗尽区产 生光生载流子(电子--空穴对)。在耗尽区电场作用 下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，产生光生电 动势。在远离PN结的地方，因没有电场的作用，电 子空穴作扩散运动，产生扩散电流。因I层宽，又加 了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，绝大多数 光生载流子在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生 漂移电流。这个漂移电流远远大干扩散电流，所以 PIN光电二极管的灵敏度高。在回路的负载上出现 电流，就将光信号转变为了电信号。
下一页 返回
4.2 光电检测器
• 1. 光电检测器作用及要求 • （1）作用 • 在光纤通信系统中，光电检测器的作用是；将光纤输出的光 信号变换为电信号，其性能的好坏将对光接收机的灵敏度产 生重要影响。 • （2）对光电检测器的基本要求 • 由于从光纤中传过来的光信号一般是非常微弱的，因此对光 电检测器提出非常高的要求。对光检测器的基本要求如下： • 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，具有足够快的响 应速度，能够适用于高速或宽带系统； • 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； • 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； • 具有较小的体积、较长的工作寿命； • 工作电压尽量低，使用简便。 下一页 返回
4.2 光电检测器
• 2. 半导体PN结的光电效应 • 如图4-1所示，是一个未加电压的半导体PN结。 在半导体材料的PN结区，发生载流子相互扩散 的运动，即P型半导体中的空穴远比N型半导体 的多，空穴将从P区扩散到N区；同样N型半导 体中的电子远比P型半导体的多，也要扩散到P 区。这种扩散运动的结果是在PN结内形成了一 个内电场，在内电场的作用下，使电子和空穴产 生了与扩散运动方向相反的漂移运动。当扩散与 漂移达到动态平衡时，便在PN结中形成了一个 空间电荷区，即耗尽层。