第3章通信用光器件2.ppt

3.2 光检测器,3.2.1 光电二极管工作原理 光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。,在耗尽层 形成漂移电流。,在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。,当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。,如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，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分量。,由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构。,3.2.2 PIN 光电二极管 PIN光电二极管的产生 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光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21。,图3.21 PIN光电二极管结构,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。,PIN光电二极管具有如下主要特性：(一)量子效率和光谱特性。(1)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,(3.13),响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值,(3.14),式中，hf 为光子能量，e为电子电荷。,（2）量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱()，对长波长的限制由式(3.6)确定，即c=hc/Eg。图3.22示出量子效率和响应度的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.80.9m波段，Ge 和InGaAs 适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.6(A/W)。,图3-22 PIN光电二极管响应度、量子效应率 与波长 的关系,(二)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。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f。,当光电二极管具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脉冲响应时间=r=f=2.20(3.16),对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，用光生电流I()下降3dB的频率定义为截止频率fc。当光电二极管具有单一时间常数0时，,（3.17）,PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间d和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定。,当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时，耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表示为,(3.18),（3.19）,式中，渡越时间d=w/vs，w为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速度，比例于电场强度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，减小耗尽层宽度w，可以减小渡越时间d，从而提高截止频率fc，但是同时要降低量子效率。,图3.23 内量子效率和带宽的关系,(3.20),式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。,(3.21),式中，为材料介电常数，A为结面积，w为耗尽层宽度。,(三)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)（1）均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B(3.22)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)2eIdB是暗电流产生的噪声。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。,（1）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,3.2.3 雪崩光电二极管(APD)光电二极管输出电流 I和反偏压U的关系示于图3.24。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。,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。,APD就是根据这种特性设计的器件。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。,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。所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。,图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系,图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）,对APD特性新引入的参数是倍增因子和附加噪声指数 1.倍增因子 倍增因子g(一次光生电流产生的平均增益的倍数)定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。,(3.25),APD的响应度比PIN增加了g倍。,(3.26),U为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻。当UUB时，RIo/UB1，上式可简化为,(3.27),2.过剩噪声因子 APD的均方量子噪声电流为 i2q=2eIPBg2(3.26a)引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子F。F(1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为i2q=2eIPBg2+x(3.26b)式中，x为附加噪声指数。,同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为 i2d=2eIdBg2+x(3.27)附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关 Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同。,3.2.4 光电二极管一般性能和应用 表3.3和表3.4列出半导体光电二极管(PIN和APD)的一般性能。APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。,3.3 光 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。,无源光器件作用：构成光纤通信系统，扩展功能，提高性能。,3.3.1 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。,连接器的分类：单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。其特性主要取决于机构设计、加工精度和所用材料。单纤连接器中，精密套管结构设计合理，效果良好，适于大规模生产，因而得到广泛的应用。,图 3.27 精密套管结构连接器简图,光纤固定在插针的微孔内，两支带光纤的插针用套管对中实现连接。要求：光纤与微孔、插针与套管精密结合。套管和插针的材料一般可以用或者不锈钢。插针材料用ZrO2陶瓷最理想。因为ZrO2陶瓷机械性能好、耐磨、热膨胀系数和光纤相近，使连接器的寿命（插拔次数）和工作温度范围大大改善。,对于实现固定连接的接头，有三种连接方法：熔接法、V型槽连接法、套管法。熔接法式通过光纤焊接机将对接的两光纤端面加热并熔接在一起。V型槽连接法是利用V型槽或几根平行棒之间的间隙使光纤准直连接。套管法是采用弹性紧套管、精密孔套管或松套管使光纤准直连接。,3.3.2 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,2.基本结构的分类 光纤型 微器件型 波导型,光纤型 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(a)所示定向耦合器可以制成波分复用/解复用器。如图3.30，光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb，根据耦合理论得到 Pa=cos2(CL)(3.28a)Pb=sin2(CL)(3.28b),设特定波长为1和2，选择光纤参数，调整有效作用长度，使得 当光纤a的输出Pa(1)最大时，光纤b的输出Pb(1)=0；当Pa(2)=0时，Pb(2)最大。,式中，L为耦合器有效作用长度，C为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。,对于1和2分别为1.3m和1.55 m的光纤型解复用器，可以做到附加损耗为0.5 dB，波长隔离度大于20 dB。,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,熔锥光纤型波分复用器结构和特性,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,公共臂,微器件型 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波分复用器（WDM）,光 纤,棒 透 镜,光 栅,波导型 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；,3.主要特性 说明耦合器参数的模型如图3.33所示，主要参数定义如下。,耦合比CR 是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用%表示,(3.29),附加损耗Le 由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分贝表示,插入损耗Lt 是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示,(3.31),(3.32),方向性DIR(隔离度)是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分贝表示,一致性U 是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。,(3.33),3.3.3 光隔离器与光环行器 耦合器和其他大多数光无源器件的输入端和输出端是可以互换的，称之为互易器件。隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。,光偏振(极化)单模光纤中传输的光的偏振态(SOP：State of Polarization)是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的振动方向。在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。,隔离器工作原理如图3.34所示。这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。紧接第一个偏振器的是法拉弟旋转器，法拉弟旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45，并且其旋转方向与光传播方向无关。,法拉弟旋转器后面跟着的是第二个偏振器，这个偏振器的透振方向在45方向上，因此经过法拉弟旋转器旋转45后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件(即正方向传输)是没有损耗的(插入损耗除外)。,另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射)，反射光的偏振态也在45方向上，当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。,然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。一种小型的与入射光的偏振态无关的隔离器结构如图3.35所示。,具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP:Spatial Walk off Polarizer)。这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。,两个分量都要通过法拉弟旋转器，其偏振态都要旋转45。法拉弟旋转器后面跟随的是一块半波片(plate或halfwave plate)。,这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45。因而法拉弟旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出，如图3.35(a)所示。,另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉弟旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起，如图3.35(b)所示，于是就起到隔离作用。,环行器除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。如图3.36所示，典型的环行器一般有三个或四个端口。在三端口环行器中，端口1输入的光信号在端口2输出，端口2输入的光信号在端口3输出，端口3输入的光信号由端口1输出。,图 3.36 光环行器(a)三端口；(b)四端口,1,3,2,(a),(b),1,3,2,4,环行器又叫隔离器的突出特点是：单向传输高频信号能量。它控制电磁波沿某一环行方向传输。环行器单向传输的原理：是由于采用了铁氧体旋磁材料。这种材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性（又称张量磁导率特性）。正是这种旋磁特性，使在铁氧体中传播的电磁波发生极化的,旋转（法拉第效应），以及电磁波能量强烈吸收（铁磁共振），正是利用这个旋磁现象，制做出结型隔离器、环行器。它具有体积小、频带宽、插损小等特点，因而应用十分广泛。下图是环行器的结构图，它采用结型带线结构，双Y形中心导体置于两片旋磁铁氧体样品之间，组成样品结，在样品结周围各置三,片磁石，使整个样品结产生一均匀恒定的磁场。隔离器、环行器端口由带线转为同轴线，通过正确的设计，可使样品结与同轴线有良好的匹配，满足隔离器、环行器各种性能的要求，当在负载失配的情况下，反射能量将沿着蓝线所标的方向流到外接的吸收电阻上，能量被电阻所吸收。光环行器主要用于光分插复用器中。,3.3.4 光调制器 光调制器是将电信号加载到光载波上的器件。光源调制有两种方式：一种是将调制信号直接注入激光器，调制激光输出参数，称为内调制；另一种是将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的参数随信号而变。,调制器可以用电光效应、磁光效应或声光效应来实现。最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的。这种晶体的折射率n和外加电场E的关系为 n=n0+E+E2(3.34)式中，n0为E=0时晶体的折射率。和是张量，称为电光系数。,根据不同取向，当=0时，n随E按比例变化，称为线性电光效应或普克尔(Pockel)效应。当=0时，n随E2按比例变化，称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。调制器是利用线性电光效应实现的，因为折射率n随外加电场E(电压U)而变化，改变了入射光的相位和输出光功率。,图3.37是马赫-曾德尔(MZ)干涉型调制器的简图。在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压。设输入调制信号按余弦变化，则输出信号的光功率,(3.35),式中Us和Ub 分别为信号电压和偏置电压，U为光功率变化半个周期(相位为0)所需的外加电压，并称为半波电压。由式(3.35)可以看到，当Us+Ub=0时，P=2为最大；当Us+Ub=U时，P=0。,图 3.37 马赫-曾德尔干涉仪型调制器,图 3.38 马赫-曾德尔干涉仪型调制器特性,3.3.5 光开关 光开关的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件。光开关可分为两大类：机械光开关和固体光开关。机械光开关是利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学器件实现光路转换。,优点：插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟。缺点：开关速度慢。固体光开关是利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换。优点：开关速度快。缺点：插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。,