光纤通信第三章

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1、第3章通信用光器件通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光放大器。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。第3章通信用光器3.1光源（理解）3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构3.1.2半导体激光器的主要特性3.1.3分布反馈激光器3.1.4发光二极管3.1.5半导体光源一般性能和应用3.2光检测器（理解）3.2.1光电二极管工作原理3.2.2PIN光电二极管3.2.3雪崩光电二极管(APD)3.2.4光电二极管一般性能和应用3.3光无源器件（了解）3.3.1连接器和接头3.3.2光耦合器3

2、.3.3光隔离器与光环行器3.3.4光调制器3.3.5光开关3.1光源光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)，有些场合也使用固体激光器。本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构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

3、光放大而产生激光振荡的。受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收自发辐射受激辐射(1)受激吸收在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1(a)。(2)自发辐射在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与

4、空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1(b)。(3)受激辐射在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图3.1(c)。受激辐射和受激吸收的区别与联系受激辐射是受激吸收的逆过程。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。图3.2半导体的能带和电子分布(a

5、)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体2.PN结的能带和电子分布在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，见图3.3(a)。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图3.3(b)。P区PN结空间电荷区N

6、区内部电场扩散漂移P-N结内载流子运动；图3.3PN结的能带和电子分布势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env零偏压时P-N结的能带倾斜图；hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P-N结能带图获得粒子数反转分布增益区的产生：在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。在电子和空穴扩散过

7、程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。（激活物质置于）（中对光的频率和方向进行选择）3.激光振荡和光学谐振腔激光振荡的产生：粒子数反转分布+光学谐振腔=连续的光放大和激光振荡输出图3.4激光器的构成和工作原理(a)激光振荡；(b)光反馈式中，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，R2<1为两个反射镜的反射率激光振荡的相位条件为式中，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。在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为γth=α+(3.4)L=q(3.5)4.半导体激光器基

8、本结构半