第2

章接入網器件(1)

返回主目錄3.1光源3.2光檢測器3.3光無源器件

器件分類接入網器件與一般光通器件相同,可分為有源器件和無源器件兩種類型。有源器件包括光源、光檢測器和光放大器。光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復用器、調制器、光開關和隔離器等。

3.1光源光源的功能是把電信號轉換為光信號。目前的光源主要有半導體激光二極管或稱半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)。

3.1.1半導體激光器工作原理和基本結構

半導體激光器是向半導體PN結注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產生激光振蕩的。1.受激輻射和粒子數(shù)反轉分布電子在低能級E1的基態(tài)和高能級E2的激發(fā)態(tài)之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收自發(fā)輻射受激輻射(如下圖）hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1

(a)受激吸收；能級和電子躍遷(b)自發(fā)輻射；hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激輻射

(1)受激吸收在正常狀態(tài)下，電子處于低能級E1，在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。電子躍遷后，在低能級留下相同數(shù)目的空穴。(2)自發(fā)輻射

在高能級E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自動地躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量轉換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。

(3)受激輻射

在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量產生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。受激輻射和自發(fā)輻射產生的光的特點很不相同。

受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。

自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產生的，其頻率和方向分布在一定范圍內，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。

圖3.2半導體的能帶和電子分布(a)本征半導體；(b)N型半導體；(c)P型半導體2.PN結的能帶和電子分布

在半導體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量Ec和價帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。P區(qū)PN結空間電荷區(qū)N區(qū)內部電場擴散漂移

P-N結內載流子運動；圖3.3PN結的能帶和電子分布勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env零偏壓時P-N結的能帶傾斜圖；

增益區(qū)的產生：在PN結上施加正向電壓，產生與內部電場相反方向的外加電場，結果能帶傾斜減小，擴散增強。電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在PN結形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結果獲得粒子數(shù)反轉分布，見圖3.3(c)。在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產生自發(fā)輻射光。

hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內部電場外加電場正向偏壓下P-N結能帶圖獲得粒子數(shù)反轉分布

3.激光振蕩和光學諧振腔激光振蕩的產生：

粒子數(shù)反轉分布（必要條件)+激活物質置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇=連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。基本的光學諧振腔由兩個反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構成(如圖3.4所示)，并被稱為法布里-珀羅(FP)諧振腔。由于諧振腔內的激活物質具有粒子數(shù)反轉分布，可以用它產生的自發(fā)輻射光作為入射光。

圖3.4激光器的構成和工作原理

(a)激光振蕩；(b)光反饋

3.1.2半導體激光器的主要特性

1.發(fā)射波長和光譜特性半導體激光器的發(fā)射波長等于禁帶寬度Eg(eV)，由式(3.1)得到

hf=Eg(3.6)不同半導體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85μm波段銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3~1.55μm波段圖3.8GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣

2.激光束的空間分布

圖3.10典型半導體激光器的光功率特性

(a)短波長AlGaAs/GaAs(b)長波長InGaAsP/InP3.轉換效率和輸出光功率特性圖3.11半導體激光器的直接調制頻率特性

4.頻率特性圖3.11示出半導體激光器的直接調制頻率特性。弛豫頻率fr

是調制頻率的上限，在接近fr處，數(shù)字調制要產生弛豫振蕩，模擬調制要產生非線性失真。

圖3.12P-I曲線隨溫度的變化5.溫度特性激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因（1）激光器的閾值電流Ith

隨溫度升高而增大（2）外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。

3.1.3分布反饋激光器

分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結構(波紋狀)衍射光柵實現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。

分布反饋激光器的要求：

（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調制下保持動態(tài)單縱模特性（3）發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實現(xiàn)調諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大圖3.13分布反饋(DFB)激光器

(a)結構；(b)光反饋

DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點：①單縱模激光器②譜線窄，波長穩(wěn)定性好③動態(tài)譜線好④線性好

3.1.4發(fā)光二極管LD和LED的區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光

LED的結構和LD相似，大多是采用雙異質結(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔，沒有閾值。

圖3.14兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側面發(fā)光型發(fā)光二極管的類型：正面發(fā)光型LED和側面發(fā)光型LED

發(fā)光二極管的特點：輸出光功率較?。蛔V線寬度較寬；調制頻率較低；性能穩(wěn)定，壽命長；輸出光功率線性范圍寬；制造工藝簡單，價格低廉；適用于小容量短距離系統(tǒng)發(fā)光二極管的主要工作特性：

(1)光譜特性。發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬，如圖3.15。圖3.15LED光譜特性表3.1半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-20×50-20×50-20×50-20×50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流Ith/mA50~10060~1201~21~3譜線寬度1.31.551.31.55工作波長LEDLD表3.2分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能20~4015~30輸出功率P/mW