第5章 光源与光发送机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 半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) 半导体光探测器(PD,PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长转换器(XGM,XPM,FWM) 光调制器（EA） 光开关/路由器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 光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） 光纤定向耦合器/分支器 光分插复用器（OADM) 光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) 光衰减器（固定、连续） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光器件与电器件的类比光器件与电器件的类比多波长光源 DWDM 光调制器 光隔离器 光耦合器 光波长转换光放大 DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器光波长转换 OADM DWDM 光隔离器 光环行器 光开关 可调谐滤波 DWDM OXC 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 光电探测器(PD、PIN、APD)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 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） 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 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：ComponentsComponents器件：器件：DevicesDevices模块：模块：ModulesModules系统：系统：SystemsSystems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3.2 半导体光源3.3 光电探测器3.4 无源光器件5.1 激光的基础知识5.1.1 玻尔的能级假说 5.1.2 光子 5.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收 5.1.4 粒子数反转其中E2和E1分别为跃迁前、后的原子能级能量，h为普朗克常 数，为电磁辐射的频率。5.1.1 玻尔的能级假说h =6.626110-34 Js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。5.1.2 光子若原子从E2 E 1 ， E=E2 E 1 ，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（photon）。一个光子的能量Ep由下面的公式定义Ep =h（ 3.1.3-1 ）h是普朗克常数(h=6.626 10-34 J S)，而是光子的频率。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。处于高能级的原子自发的辐射一个频率为、能量 为E的光子，跃迁到低能级，这一过程称为自发辐 射。是相位、偏振方向不同的非相干光。E2E1N2N1h5.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收1 自发辐射(spontaneous radiation)E2E1N2N1全同光子h2 受激辐射 (stimulated radiation)在能量为E的入射光子的激励下，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低能级吸收，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 ，称为受激吸收。3 受激吸收 (stimulated absorption)自发辐射是单向性的； 受激跃迁是双向的; 自发辐射概率与光强无关； 受激跃迁概率正比于光强。自发辐射和受激辐射、吸收的区别：5.1.4 粒子数反转在热平衡时，各能级的粒子数目服从玻耳兹曼统计分布 :即若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比k=1.3810-23J/K为玻耳兹曼常量N2N1N2N1粒子数反转（N2 N1）是实现激光放大的必要条件 。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。例如：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 11eV;说明基态上粒子数最多。此时 受激辐射概率 50 dB *相干长度约为 1 to 100 m *小的 NA (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栅，其工作原理与镜 子类似，但他仅选择反射波长为B 的光。2 neff= B “反馈”是指；使受激光子返回活性介质；“分布”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：DBRa) 分布反馈激光器b) 分布反馈工作原理c) 实际单模辐射active n-DBRp-DBR*分布布拉格反射 (DBR) 镜 *交替的半导体材料层 *40到60层,每层厚度 l / 4 *光束的匹配与光纤更接近*主要性能指标 *波长范围780 to 980 nm (gigabit ethernet) *谱线宽度 -10 dBm *相干长度10 cm to10 m *NA 0.2 to 0.3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MQW激光器是用超薄膜（厚度20nm形成有源层，能呈现 量子效应的异质结半导体激光器，普通半导体激光器的有源层 厚度为几百纳米到几千纳米。电子在有源层的运动是三维的 ，当有源层的厚度减小到20nm而与电子的自由程接近时，电 子就不能在层厚方向做自由运动，只能在层面内作横向运动， 电子能量变成一个个离散值，即呈现量子效应，有源层由多个 薄层构成，由于载流子和光子被限制在薄层之内，从直观来看 就是载流子和光子都很集中，因此容易发生激射。多量子阱激光器MQW-LDMQW激光器的优点：（1）阈值电 流小，由于其结构中“阱“的作用，使电 子和空穴被限制在很薄的有源区内，造成有源层内粒子 数反转浓度很高，因而大大降低了阈值电 流，由于阈 值电流的降低，还带来了功耗低，温度特性好的优点。（2）线宽变 窄。由于量子阱中带间复合的特点，造 成线宽增大系数a变小，从而减小了光谱中的线宽，同 双异质结激光器相比，缩小了近一倍。（3）器件的微分增益高，注入电流的微小变化能够 引起光功率的较大变化。（4）调制速度高。工作频段可达30GHZ。（5）频率啁啾小，动态单纵 模特性好，纵模控制能 力强。5.2.3 发光二极管（LED） 面发射发光二极管SELED 边发光发光二极管EELED 超辐射发光二极管SLD LED的主要性能指标5.2.2 发光二极管 Light-emitting Diode (LED)P -3 dBP peakBW具有体积小,机械强度高,寿命长, 电压低,电流小(数毫安或数十毫安 ),耗电省,响应速度快,易用电流调 制光通量和使用方便等优点.由于 它所需要的电压低,能与集成电路 或晶体管共用电源,或用晶体直接 控制它发光,能方便的与光纤进行 耦合,因此,LED在光纤通信领域获 得广泛应用. LED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。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。面发射同质结发光二极管的基本类型图3.2.2 1 LED结构截面图分为：面发射SELED、边发射EELED和超辐射SLD。这里介绍前 两种。1、面发射LED（SELED）出光条件：产生光子的地方（有源 区）；谐振腔（上、下面），限制 载流子和光子的路径。特点：驱动电流大、出光功率高、温度特 性较好；带宽较小。LED结构截面图边发射双异质结出光条件：产生光子的地方 （有源区）；谐振腔侧边限 制载流子和光子的路径。光纤通信用的LED多采用边 发光型LED。因为边发光型 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。2、边发光LED（EELED-edge-emitting LED）介于LED和LD之间的光源。在高电流强度下，用双异质结结构构成有源区。但SLD没有 正反馈，仅能自发辐射光。所以SLD比通常的LED功率更强 ，限定性更好，但是，在单色性、定向性和相干性方面， 不如LD。SLD在光通信中较少使用，多用于宽带测量光源 。2、超辐射发光二极管SLD （Super-luminescent Diodes） LED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=Eg/h 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/Eg半导体发光二极管(LED)是在正向偏置时p-n结内 的电子和空穴复合产生光子的电致发光器件. GaAs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。 光功率P=N光 E/t，而光子数目N光=N电 （N电：受激电 子数目； ：量子效率；E：能量； t：时间。 I=N电 e/t N电= It/e P= N电 E /t= It/e E /t= I E /e 其中：E 的单位是焦耳，如果用电子伏特eV来度量E ，I的 单位是mA,则： P(mW)= I(mA) E(eV) I主要性能指标 *波长通常为： 780, 850, 1300 nm*总输出功率大于几 W mW*光谱宽度 30 100 nm*相干长度约为 0.01 0.1 mm *偏振较小或不偏振 *大的 NA (难于将光耦合进