CH32通信用光器件副本.ppt
第三章 通信用光器件,第二讲,内容提要,分布反馈式激光器（DFB）光电二极管主要内容回顾,1.分布反馈式激光器（DFB）,产生的背景工作原理,DFB产生的背景,随着技术的进步，高速率的光纤通信系统不断投入使用，对光源提出了更高的要求：（1）光源的谱线更窄；（2）高速调制下，能保持动态单纵模特性；（3）发射波长更稳定，且能够实现调谐；（4）阈值电流更低，输出功率更大。满足上述特性的激光器就是分布反馈式（Distributed Feedback）激光器,工作原理,普通的F-P谐振腔两端的反射镜对激活物质发出的辐射光进行反馈，而DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性（波纹状）衍射光栅实现光的反馈。因此，把这种利用衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿整个有源层的分布进行反馈的结构，称为分布反馈式结构。,图 3.13 分布反馈(DFB)激光器(a)结构；(b)光反馈,如图3.13所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果a和b能够匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光相互抵消。虽然，每个波纹反射的光不大，但是整个光栅有成百上千个波纹，反馈光的总量足以产生激光振荡。,ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为,(3.11),(3.10),DFB激光器的优点,单纵模激光器：FP激光器的发射光谱由增益谱和激光器的纵模特性共同决定。由于其谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模的增益差别小。因此，要得到单纵模振荡就很困难。DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期决定。光栅周期相当于FP激光器的腔长L，每一个光栅的周期都形成一个微型谐振腔。由于光栅周期很小，所以m阶和m+1阶模之间的波长比FP腔大很多，加上多个微型谐振腔的选模作用，就很容易设计成只有一个模式能够获得足够增益。于是，DFB激光器容易制成单纵模激光器。,DFB激光器的优点,谱线窄，波长稳定性好由于DFB激光器的每一个光栅周期相当于一个FP腔，所以光栅形成的布拉格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄。此外，由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，使得波长稳定性极好。,DFB激光器的优点,动态谱线好由于DFB激光器能够在高速调制时也能保持单模特性，因此，高速调制时的动态谱线特性比FP激光器能够改善一个数量级。,DFB激光器的优点,线性好DFB的线性非常好，广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统。,2.光检测器,光电二极管的工作原理PIN光电二极管的工作原理APD光电二极管的工作原理,2.1 光电二极管的工作原理,光电二极管（PD）的功能：光信号转换为电（流）信号。光电二极管的工作的物理基础：光的吸收（光电效应）光（生）电流=漂移电流+扩散电流入射光照射到光电二极管上时，不仅PN结会产生光电效应，而且P区或者N区也会产生光电效应。光电二极管工作于反向偏置状态。,漂移电流的产生,当入射光作用在PN结上，如果光子的能量大于或者等于带隙能量时，便发生光的吸收，价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带，形成光生电子空穴对。在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。,扩散电流的产生,当入射光照射在P区或者N区时，由于该区域没有内电场（中性区）。所以，生成的光生电子空穴对在热运动的作用下，向PN结结区扩散进入耗尽层。接着，在耗尽层内电场的作用下，电子和空穴分别向N区和P区运动（运动方向与漂移电流运动方向相同）形成扩散电流。,光电二极管工作于反向偏置状态,目的：提高响应速度！光电二极管通常工作于反向偏置状态。其目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散电流。由于载流子的扩散速度比漂移速度慢得多，所以，减小扩散电流，可以显著提高光电二极管的响应速度。但是，如果反向偏置电压升高，会导致耗尽层增宽，增加了漂移运动的时间，进而使得响应速度减慢。为了解决这个矛盾，必须改进PN结光电二极管的结构，于是就出现了PIN光电二极管。,2.2 PIN光电二极管,由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。,PIN光电二极管的结构和工作原理,中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用(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。I层很厚，吸收系数很小，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P+层和N+层很薄，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w，来改变器件的响应速度。,图3.21 PIN光电二极管结构,PIN光电二极管的工作特性,量子效率和光谱特性光电转换效率用量子效率或响应度表示。量子效率的定义为一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值：,式中，hf 为光子能量，e为电子电荷。,(3.13),(3.14),响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值,PIN光电二极管的工作特性,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或截止频率fc(带宽B)表示。主要由载流子在耗尽层的渡越时间和检测电路的时间常数决定。,PIN光电二极管的工作特性,噪声（噪声影响光接收机的灵敏度）噪声包括散粒噪声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生)热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。在一般的二极管中，此电流被称为反向电流。,均方散粒噪声电流,e为电子电荷，B为放大器带宽，Ip和Id分别为信号电流和暗电流。2eIpB 称为量子噪声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生，是不可克服的。它决定了光接收机的极限灵敏度。)2eIdB是暗电流产生的噪声。,均方热噪声电流,式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。,因此，光电二极管的总均方噪声电流为,2.3 雪崩光电二极管,随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。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UB。APD就是根据这种特性设计的器件。,图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系,碰撞电离,根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，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格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图3.25。,图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）,APD光电二极管的典型结构,2.4 光无源器件,一个完整的光纤通信系统，除了光纤、光源和光检测器之外，还需要许多其他光学器件，特别是无源器件。无源光器件的要求：插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命长、体积小、价格便宜、便于集成等。,连接器和接头,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。接头是实现光纤与光纤之间的永久性（固定）连接。其主要用于光纤线路的构成，通常在工程现场实施。,连接器,(1)FC型光纤连接器这种连接器最早是由日本NTT研制。FC是Ferrule Connector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早，FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面是平面接触方式(FC)。此类连接器结构简单，操作方便，制作容易，但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅尔反射，提高回波损耗性能较为困难。后来，对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球面的插针(PC)，而外部结构没有改变，使得插入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。,(2)ST(朗迅公司的一个品牌)光纤连接器广泛应用于数据网络，可能是最常见的光缆用光纤连接器。该连接器使用了尖刀型接口，类似于常见的尖刀-核耦合(BNC)型接口，但连接器的直径大约比BNC型的直径(0.38 英寸)小三分之一。ST 光纤连接器在物理构造上的特点可以保证两条连接的光纤更准确地对齐，而且可以防止光纤在配合时旋转。,(3)LC型连接器 LC型连接器是著名Bell研究所研究开发出来的，采用操作方便的模块化插孔(RJ)闩锁机理制成。其所采用的插针和套筒的尺寸是普通SC、FC等所用尺寸的一半，为1.25mm。这样可以提高光配线架中光纤连接器的密度。目前，在单模SFF方面，LC类型的连接器实际已经占据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。,光耦合器,耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。1.耦合器类型T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分复用器/解复用器,光耦合器的基本结构分类,光纤型微器件型波导型,光纤型光耦合器,把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作各种器件。,图 3.29光纤型耦合器(a)定向耦合器；(b)88星形耦合器；(c)由12个22耦合器组成的88星形耦合器,耦合长度,耦合长度,光功率,光功率,耦合臂,a,b,a,b,a,b,图3.30 光纤型波分复用解复用器工作原理,微器件型光耦合器,用自聚焦透镜和分光片(光部分透射，部分反射)、滤光片(一个波长的光透射，另一个波长的光反射)或光栅(不同波长的光有不同反射方向)等微光学器件构成，如图3.31所示。,图 3.31微器件型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)滤光式解复用器；(d)光栅式解复用器,衍射光栅型波分复用器结构示意图,光 纤,透 镜,光 栅,采用棒透镜的光栅型WDM,光 纤,棒 透 镜,光 栅,波导型光耦合器,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SiO2，横截面为矩形或半圆形。,图3.32 波导型耦合器(a)T形耦合器；(b)定向耦合器；(c)波分解复用器；,内容回顾,APD的工作原理光纤连接器的功能以及常见的类型光耦合器的功能和类型光纤型光波分复用/解复用器的工作原理微器件型光耦合器的工作原理,
