光纤通信系统与网络第3章

第3章光通信器件1第3章光通信器件3.1LD和LED光源3.2PIN和APD光检测器3.3EDFA光纤放大器3.4无源光器件第3章光通信器件23.1LD和LED光源光源是光发送机的核心器件，作用是把电信号转变成光信号，以便在光纤中传输。光源性能的好坏是保证光纤通信系统稳定可靠工作的关键。半导体光源主要有半导体发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)两种。纤通信系统对光源的基本要求有以下几个方面：（1）光源的发光波长必须和光纤的低损耗波长1.31μm、1.55μm相一致。（2）光源的输出功率必须足够大，入纤功率为数十微瓦到数毫瓦才能满足一定通信距离的需要。第3章光通信器件3（3）光源应具有高度的可靠性，其寿命要在105h以上。否则会因频繁更换器件而降低系统的可靠性。（4）光源的谱线宽度要窄，这有利于减少光纤的材料色散，增大系统的传输容量。（5）光电转换效率要高，否则会因效率太低而导致器件发热严重，不仅增加损耗，还会缩短光源的寿命。（6）光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。（7）光源应体积小，重量轻，便于安装和使用。第3章光通信器件43.1.1半导体中光的发射与激射1.半导体价带、导带、带隙与发光单晶体中各个原子的最外层轨道是互相重叠的，这样就使分立的能级变成了能带。◆价带：低能带，价带顶的能量记作Ev。◆导带：高能级。导带底的能量记作Ec。◆禁带：Eg=Ec-Ev——禁带宽度或带隙，在Ec和Ev之间是不可能有电子的。正常情况下，电子处于低能级，要想使半导体导电，则高低能级之间因该有电子的移动，所以在价带和导带之间，应该有电子越过禁带进行移动。第3章光通信器件5hEvg(3－1)h=6.625×10-34J·s，是普朗克常数，形成半导体发光。不同的半导体单晶体材料的Eg值不同，发光波长也会不同。如果Eg较大，则需要较大的激励能量把价带中的电子激发到导带中去。导带中的一个电子也可以跃迁到价带中去，电子把大约等于禁带宽度Eg的能量释放出来。在辐射跃迁的情况下，释放出一个光子，其频率为第3章光通信器件62.半导体掺杂、P型半导体和N型半导体本征半导体：又叫做Ⅰ型半导体，含杂质和缺陷极少的纯净、完整的半导体。特点：在半导体材料中，导带电子的数目和价带空穴的数目相等。第3章光通信器件7按照掺杂的不同，可以得到电子型半导体和空穴型半导体材料。◆电子型半导体(N)：通过故意掺杂使导带的电子数目比价带空穴的数目大得多的半导体。◆空穴型半导体(P)：通过故意掺杂使价带空穴的数目比导带电子数目大得多的半导体。把不同的类型的半导体结合起来，就可以制作成各种半导体器件，当然也包括激光二极管和发光二极管。第3章光通信器件83.半导体P－N结和P－N结光源P型半导体和N型半导体结合的界面称为P－N结，许多半导体器件（包括半导体激光器件）的核心就是这个P－N结。在P型半导体内有多余的空穴，在N型半导体内有多余的电子，当这两种半导体结合在一起的时候，P区内的空穴向N区扩散，在靠近界面的地方剩下了带负电的离子，N区内的电子向P区扩散，在靠近界面的地方剩下了带正电的离子，这样一来，在界面两侧就形成了带相反电荷的区域，叫做空间电荷区。由这些相反电荷形成一个自建电场，其方向由N区指向P区。由于自建电场的存在，在界面两侧产生了一个电势差VD，这个电势差阻碍空穴和电子进一步扩散，使之最后达到了平衡状态。第3章光通信器件9图3.1P－N结能带图第3章光通信器件10图3.1（a）所示的是半导体能带图。半导体P－N结光源包括半导体发光二极管与半导体激光器。它们都是正向工作器件。当把正向工作电压V加在P－N结上时，抵消了一部分势垒，势垒高度就只剩下了（VD-V）的数值，如图3.1（b）所示。当把足够大的正向电压加在P－N结上时，P区内的空穴大量地注入N区，N区内的电子大量注入P区，这样一来，在P区和N区靠近界面的地方就产生了复合发光。第3章光通信器件113.1.2半导体激光器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。1.三种光与物质的作用形式(1)自发辐射处于高能级的电子是不稳定的，它将自发的向低能级跃迁，发射出一定能量的光子。光子的能量满足hf=E2-E1特点：各个能级上的电子都是自发的、独立的进行跃迁，辐射的光子的频率或相位、方向不同，所以是非相干光。E电子光子E2E1h=6.628×10-34J·s第3章光通信器件12(2)受激吸收在光子的激励条件下，电子吸收光子的能量从低能级跃迁到高能级。特点：这个过程不是自发的，必须有外来的光子的激励。E电子光子E2E1第3章光通信器件13(3)受激辐射在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级，同时发出一个能量为hf=E2-E1的光子。特点：受激辐射必须在外来光子的能量等于跃迁时的能级差时发生，产生的光子与原光子的频率、相位、偏振方向相同，称为全同光子，将使光的能量放大。E电子光子光子光子E2E1LASER------LightAmplificationbyStimulateEmissionofRadiation第3章光通信器件142.吸收物质与激活物质受激吸收受激辐射外来光子吸收光能放大光能热平衡状态：N1/N2=exp〔－(E1－E2)/kT〕N1N2低能级上的电子数大于高能级上的电子数，受激辐射的电子数小于受激吸收的电子数，光通过物质被吸收——吸收物质当N1N2时，受激吸收小于受激辐射光通过这种物质被放大——激活物质对激活物质而言，它的粒子数分布是N2N1，叫做粒子数反转分布。对激光而言，粒子数反转是产生激光的前提。高低N2N1E1E2受激辐射受激吸收第3章光通信器件15粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。3.激光振荡和光学谐振腔组成：两个反射率为R1，R2的反射镜——法布里－珀罗（F-P）谐振腔作用：方向选择，能量反馈放大，频率选择。R1R2激活物质第3章光通信器件16入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。与中轴平行的光线R1R2不断在同一直线上反射，反射光叠加，强度加强与中轴不平行的光R1R2多次反射后离开谐振腔第3章光通信器件17内部衰减:谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。内部增益：激励物质源源不断向工作物质提供粒子数反转分布以发出光子。当增益和损耗相当时，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡。阈值条件为21thRR1lnL21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，R21为两个反射镜的反射率。结论：只有满足闸值条件时，才有功率稳定的光存在。第3章光通信器件18激光振荡的相位条件为qnL2n2qL或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。2n反射镜光的振幅反射镜L结论：只有满足相位条件的波长的光才会被加强产生激光，否则会被减弱。含义：满足相位条件的波长经过反射镜后相位差为2π，由于干涉相互叠加得到加强，因而产生不同分离波长的纵模。第3章光通信器件194.激励物质：泵浦源。激活工作物质，使其能级中的电子形成粒子数反转分布，受激辐射大于受激吸收。工作物质：有源层。提供确定的能级系统，在需要的频率内辐射光子。光学谐振腔：完成光子频率的选择，方向选择及能量反馈。外在激励粒子数反转分布自发辐射方向选择受激辐射全同光子闸值条件相位条件方向性好、功率稳定、频率窄的激光第3章光通信器件201.P-Ⅰ特性P-Ⅰ特性反映了注入(驱动)电流和输出光功率的关系。ⅠⅠth自发辐射的荧光ⅠⅠth受激辐射的激光ⅠPⅠth（闸值电流）半导体激光器的主要特性第3章光通信器件212.光谱特性GaAlAs-GaAsInGaAsP-InPλ1310nm1550nm850nmP光源的谱线宽度是衡量光源单色性好坏的一个物理量，定义为输出光功率峰值下降3dB时的半功率点对应的宽度。第3章光通信器件22光谱随与注入电流的关系：(1)当注入电流阈值电流时，激光器发出的是“荧光”，荧光光谱范围很宽，宽度约为几十纳米，相干性很差；(2)当电流增大到阈值时，发射光谱突然变窄，宽度约为一两个纳米，谱线中心强度急剧增加，这表明出现了激光。光谱窄、单色性强是激光器的重要特点，利用它可以测定激光器的阈值电流。在工作电流由小变大的过程中，一旦观察到激光器的光谱突然变窄，就说明此时的工作电流即是阈值电流。第3章光通信器件23单纵模激光器和多纵模激光器：纵模：沿谐振腔轴向的光强分布。横模：垂直于该方向。单纵模激光器：光谱中只有单个纵模，光谱窄，适用于单模光纤系统。多纵模激光器：光谱中有多个纵模，光谱要宽许多，适用于多模光纤系统。第3章光通信器件24图3.10LD的光谱特性（a）荧光光谱；（b）单纵模光纤光谱；（c）多纵模光纤光谱第3章光通信器件25静态单纵模激光器：激光器在直流工作时为单频谱线，它在高速调制时振荡模数会增加，使光谱范围增宽，这对于高速率单模光纤通信是非常不利的，由光源谱宽增加引起的材料色散会在传输速率为Gb/s量级的系统中严重地限制中继距离。动态单纵模激光器：它的特点是采取各种措施增加了光反馈的选择性和稳定性，因而在高速调制下仍能维持单纵模振荡，谱宽较窄，频率也较稳定。第3章光通信器件263、温度与老化特性ⅠP20℃30℃40℃60℃80℃当温度升高到一定程度将不再产生激光。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。第3章光通信器件27图3.11LD温度老化特性（a）随温度变化；（b）随时间变化第3章光通信器件284.调制特性直接调制方式：把电信号直接加到激光器上。td是激光器连续发射两个光脉冲所需的延迟时间，这个时间越长，激光器的调制速率就越低，反之就越高。对激光器加偏置电流可以提高调制速度。当外加的偏置电流等于阈值电流时，延迟时间接近于零，因此，激光器工作时要加一个直流偏置电流在阈值电流附近，以期获得较高的调制速率。第3章光通信器件290.010.11100.1110100fr相对光功率调制频率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3章光通信器件30半导体激光器的伏安特性与一般二极管的伏安特性相似，如图3.13所示，但它有一个导通电压在1V左右。外加电压超过导通电压，注入电流才随之增大。一般要求激光器在阈值电流附近的正向偏压小于2V，激光器的串联电阻小于5Ω。5.伏安特性图3.13激光器的I－U曲线第3章光通信器件316.转换效率①外微分量子效率：在闸值电流以上产生的光子数与注入的电子数之比。反映了激光器本身的工作效率。②功率转换效率：输出光功率与注入电功率的比值。它包含来了外围电路的功率消耗。hfeIPeIIhfPPnnththeodVIPp第3章光通信器件327、方向性半导体激光器发出的激光与光纤或光器件进行耦合，要求激光器的方向性要强。15°5°第3章光通信器件33常用激光器应用：2.5G以上的1550nm第三代光纤通信系统,光纤CATV.2.分布式反馈激光器(DFB-LD)单纵模谱线窄，波长稳定动态谱线好，啁啾小，利于高速调制线性好，利于调制模拟信号。双异质结:两种不同材料构成的PN结。1.双异质结激光器（DH）阈值电流低长时间稳定工作第3章光通信器件343.量子阱激光器闸值电流低，输出功率大。单纵模，谱线窄，利于调制。温度要求低。无需温度控制，无需制冷仪器。第3章光通信器件35半导体激光器参数指标对于一个半导体激光器，主要应用了阈值电流、输出功率、波长范围等参数。表3.5和表3.6所示为两种半导体激光器的特性参数指标。第3章光通信器件36表3.5双异质结InGaAsP波长半导体激光器特性参数项目符号测试条件最