第3章 光纤通信的基本器件,光源与光器件 电子电气工程系电子信息技术教研室,1、掌握光与物质的作用过程 2、掌握半导体激光器的发光机理及其特性 3、掌握半导体二极管的发光机理及其特性 4、了解光纤通信系统的实用光源 5、掌握光电二极管和雪崩光电二极管的结构及原理 6、了解各种光无源器件的类型及其作用 7、掌握常用光纤连接器的特点,第3章 光纤通信的基本器件-,能力要求：,3.2 光检测器,3.3 光放大器,3.1 光源,3.4 光无源器件,对光源的要求： 性能好、寿命长、使用方便 1）发射光波长必须在光纤的低损耗窗口； 2）光源的输出功率要足够大 3）温度特性优良 4）光源的发光谱宽度要窄 5）光源应具有高度的可靠性 6）省电, 且体积小、 重量轻 7）光源器件应便于调制, 调制速率能适应系统要求。,3.1 光 源,常用的两种光源器件, 即半导体激光器和半导体发光二极管。,发光二极管用LED：荧光,激光二极管用LD：激光,半导体发光机理,电子以原子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围旋转，这些特定的电子层称为能级，对半导体材料，电子的能级重叠在一起形成能带。其中能量低的能带称为价带E1，能量高的能带称为导带E2，E2和E1之间的能量差称为禁带，电子不可能占据禁带。,一、半导体发光机理,半导体发光机理,电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式:自发辐射、受激吸收、受激辐射。,(a) 自发辐射（点击动画）,hf12,初态,3.1 光源,自发辐射是发光二极管的理论基础,hf12,初态,(b) 受激吸收（点击动画）,3.1 光源,受激吸收是光电检测器的基础,hf12,初态,(c) 受激辐射（点击动画）,受激辐射是半导体激光器的基础,半导体发光机理,半导体发光机理,1）外来光子能量等于跃迁的能级之差hE2E1 2）受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向度相同，称它们为全同光子。 3）过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果使光增强，使入射光得到放大。,受激辐射与受激吸收的特点：,受激辐射是半导体激光器发光的基础。 粒子数反转分布是物质产生光放大的必要条件。,二、半导体激光器（LD）,1、激光器的作用 激光器是利用受激辐射过程产生光和光放大的一种器件，从它发出的光具有极好的相干性、单色性、方向性和极高的亮度，便于人们控制它和利用它。因而这种光源被用作光纤通信系统的光源。 2. 激光器的基本结构 激光器的基本结构如图3-1所示，它是由三部分组成的，即：工作物质、谐振腔（半反镜和全反镜）和泵浦源（激励源-电源）。,图3-1 半导体激光器结构,激活物质,使工作物质处于粒子数反转分布状态,完成频率选择及反馈作用,（1）工作物质 要使受激辐射过程成为主导过程，必要条件是在介质中造成粒子数反转分布。 （2）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源 N2N1 , 受激辐射受激吸收 ，从而有光的放大作用。 工作物质已被激活，成为激活物质或称增益物质。 （3）光学谐振腔 提供必要的反馈以及进行频率选择，光学谐振腔是由两个反射镜组成，其一是全反（M1）的，另一个是部分透过（M2）的。,返回,图3-2谐振腔,谐振腔的光轴与工作物质的长轴相重合。这样沿谐振腔轴方向传播的光波将在腔的两反射镜之间来回反射，多次反复地通过激活介质，使光不断地被放大。而沿其他方向传播的光波很快地逸出腔外。这就使得只有沿腔轴传播的光波在腔内择优放大，因而谐振腔的作用可使输出光有良好的方向性。,全反射镜,部分反射镜,激光输出,3、 半导体激光器 用半导体材料作为工作物质的激光器, 称为半导体激光器(LD)。 常用的有F - P腔(法不里 - 泊罗腔)激光器和分布反馈型激光器(DFB)。 下面介绍F - P腔激光器中的同质结和双异质结半导体激光器。,1) 同质结砷化镓半导体激光器 在光纤通信中, F - P腔激光器采用的工作物质(半导体材料)一般是砷化镓(GaAs)或铟镓砷磷(InGaAsP)。 如图3 - 3所示为同质结砷化镓半导体激光器的结构。,图 3 3 同质结砷化镓半导体激光器,同质结砷化镓半导体激光器结构简单, 由PN结发光; 其阈值电流(激光器开始产生激光时的注入电流)较大; 在室温下工作发热严重, 无法做到连续的激光输出; 室温下只能工作在脉冲状态, 且脉冲的重复频率不高, 约为几十千赫兹, 脉冲的宽度很窄, 约为100 ns; 适合在小容量、 低速率光纤通信系统中使用。,2) 双异质结半导体激光器 双异质结半导体激光器结构如图3 - 4所示, (N)InGaAsP是发光的作用区(有源区), 其上、 下两层称为限制层, 它们和作用区构成光学谐振腔。 限制层和作用层之间形成异质结。 最下面一层N型InP是衬底, 顶层(P+)InGaAsP是接触层, 其作用是为了改善和金属电极的接触。,特点: 双异质结半导体激光器克服了同质结半导体激光器缺点, 有源区厚度加大, 阈值电流降低(30 mA80 mA), 波长范围为1.27 m1.33 m。,图 3 4 双异质结半导体激光器结构,图 3 5 DFB - LD激光器结构,5、半导体激光器的工作特性 1) 阈值特性 阈值电流(Ith)是指使LD输出光功率急剧增加, 产生激光振荡的激励电流。某半导体激光器P - I曲线如图3 - 6所示。,图 3 6 P - I曲线,当激励电流IIth时,有源区不仅有粒子数反转, 而且达到了谐振条件, 受激辐射为主, 输出功率急剧增加, 发出的是激光, 此时P - I曲线是线性变化的。 对于激光器来说, 要求阈值电流越小越好。,2) 光谱特性 半导体激光器输出光光谱特性曲线如图3 - 7所示, 从光谱特性曲线可以发现半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。,图 3 7 输出光光谱,当激励电流IIth时, 光谱突然变窄(几纳米), 谱线中心强度也急剧增加, 说明发出的是激光。 对于半导体激光器来说, 要求其输出光谱越窄越好。,3) 温度特性 半导体激光器对于温度很敏感, 其输出功率随温度变化而变化, 产生这种变化的主要原因是半导体激光器外微分量子效率和阈值电流受到温度的影响。,图 3 8 温度对阈值电流的影响,6、半导体发光二极管(LED) 半导体发光二极管是利用半导体PN 结进行自发辐射器件的统称。 如电子仪表等产品的指示灯使用的就是一般的半导体发光二极管。,一般的半导体发光二极管与光纤通信专用的半导体发光二极管的异同如下: 共同点都是使用PN结, 利用自发辐射的原理发光, 属于无阈值器件, 体积小巧、 重量轻。 不同点主要是制造工艺和价格有区别, 另外光纤通信专用的发光二极管亮度更高、 响应速度更快。,半导体发光二极管与半导体激光器的区别 发光二极管没有光学谐振腔, 采用自发辐射, 发出的是荧光(非相干光), 不是激光, 光谱的谱线宽, 发散角大。 而半导体激光器有光学谐振腔, 采用受激辐射, 发出的是激光(相干光), 光谱的谱线窄, 发散角很小。 虽然发光二极管无法发出激光, 但它还是有很多优点, 如： 使用寿命长, 理论推算可达1081010小时; 受温度影响小; 输出光功率与激励电流线性关系好; 驱动电路简单; 价格低等。 这些优点使发光二极管在中短距离、 中小容量的光纤通信系统中得到广泛应用。,1）. LED的结构 为了获得高辐射度, LED常采用双异质结芯片(但没有光学谐振腔), 构成材料主要有GaAs 、 InGaAsP、 AlGaAs等。 面发光型LED结构 图3 - 9所示是采用双异质结GaAs的面发光型LED结构。 发光区是呈圆柱形的有源区, 其直径约为50 m, 厚度约为2.5 m, 能够发出波长为0.8 m0.9 m的辐射光, 圆形光束反散角为120。,图 3 9 面发光型LED结构, 边发光型LED结构 图3 - 10所示是采用双异质结InGaAsP/InP的边发光型LED结构。 波长范围为1.3 m 左右, 光束的水平反散角为120, 垂直反散角为2535。 该型LED的方向性好, 亮度高, 耦合效率高, 但发光面积小。,图 3 10 边发光型LED结构,2） 发光原理 当激励电流注入时, 注入的载流子在扩散过程中进行复合, 发生自发辐射, 产生具有一定波长的自发辐射光, 发射光经透镜构成的聚焦系统发射出去, 直接射入光纤的端面, 然后在光纤中传输, 这就是发光二极管的基本工作原理。,3） LED的工作特性 光谱特性 LED的谱线如图3 - 11所示, 由于LED发光二极管没有谐振腔, 不具有选频特性, 因此谱线宽度比激光器的要宽得多。,图 3 11 LED的谱线, 输出光功率特性 LED输出光功率特性曲线如图3 - 12所示。 LED不存在阈值电流, 线性比LD好。 驱动电流I较小时, P-I曲线的线性较好; 当I过大时, 由于PN结发热而产生饱和现象, 使P-I 曲线的斜率减小。 一般情况下, LED工作电流为50 mA100 mA, 输出光功率为几毫瓦, 由于反散角大, 出纤功率(耦合到光纤中的功率)只有数百微瓦。,图 3 12 LED输出光功率,温度特性 LED的输出光功率也会随温度升高而减小, 然而LED是无阈值器件, 因此温度特性比LD要好(如短波长的GaAlAs LED, 其输出光功率随温度的变化率约为0.01/1K)。 一般使用时不需要温度控制电路。, 耦合效率 由于LED反散角大, 因此其耦合效率低。 所以LED适用于中短距离、 中小容量的光纤通信系统。,半导体激光器(LD)与发光二极管(LED)的比较 在光纤通信系统中, 最常用的光源器件便是半导体激光器(LD)和发光二极管(LED), 二者均是用半导体材料构成的, 能发出光波, 能通过调制技术携带数据信息, 实现光传输。 这两种光源器件的比较见表3 - 1。 通过比较, 读者会进一步掌握这两种光源的异同及其应用。,表3 1 LD与LED的比较,1、作用 光电检测器的作用：把光信号转换为电信号，光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换。,2、要求 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光 功率，能够输出尽可能大的光电流； 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、较长的工作寿命等； 工作电压尽量低，使用简便。,3、分类 光电二极管（PIN） 雪崩光电二极管（APD）,一、概述,3.2 光检测器,二、PIN光电二极管,图3-13 光电二极管结构,1、结构,2、工作原理画,雪崩光电二极管应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。,2、工作原理（点击动画）,APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子空穴对；新产生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。,三、雪崩光电二极管,1、特点,图 3 13 APD雪崩示意图,3、光电检测过程,用雪崩光电二极管(APD)将光信号转换为电信号的过程如图所示。光信号包括信号光和背景光；电信号输出包含信号、背景、咕电流和非倍增的暗电流;对三种电流即信号、背景和暗电流产生雪崩增益