1、3.2光光-檢測器檢測器 3.2.1光電二極管工作原理光電二極管工作原理 光電二極管(PD)把光信號轉換為電信號的功能，是由半導體PN結的光電效應實現的。 如圖如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當的所示，光電二極管通常要施加適當的反向反向偏壓偏壓。 3.2.2PIN光電二極管光電二極管 由于由于PN結耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中結耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區吸收，性區吸收， 因而光電轉換效率低，響應速度慢。為因而光電轉換效率低，響應速度慢。為改善器件的特性，改善器件的特性，在在PN結中間設置一層摻雜濃度很結中間設置一層摻雜濃度很低的本征半導體低的本征半導體(稱為稱為

2、I)，這種結構便是常用的，這種結構便是常用的PIN光光電二極管。電二極管。 圖3. 21 PIN光電二極管結構抗反射膜光電極(n)PNE電極 PIN光電二極管具有如下主要特性：光電二極管具有如下主要特性： (1) 量子效率和光譜特性。量子效率和光譜特性。 光電轉換效率用量子效率光電轉換效率用量子效率或響應度或響應度表示表示。量子效率量子效率的的定義為一次光生電子定義為一次光生電子 -空穴對和入射光子數的比值空穴對和入射光子數的比值ehfPIhfPeIpP00/響應度響應度的定義為一次光生電流的定義為一次光生電流IP和入射光功率和入射光功率P0的比值的比值 式中，式中， hf為光子能量，為光子能

3、量， e為電子電荷。為電子電荷。 量子效率和響應度取決于材料的特性和器件的結構。量子效率和響應度取決于材料的特性和器件的結構。)/(0WAhfePIP圖圖3.22示出量子效率示出量子效率和響應度和響應度的光譜特性，由圖可見，的光譜特性，由圖可見，Si適用于適用于0.80.9m波段，波段，Ge和和InGaAs適用于適用于1.31.6 m波段。波段。響應度一般為響應度一般為0.50.6 (A/W)。 圖圖3-22 PIN光電二極管響應度、光電二極管響應度、 量子效應率與波長的關系量子效應率與波長的關系1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.8

4、1.0m (W1)Si (2) 響應時間和頻率特性。響應時間和頻率特性。l光電二極管對高速調制光信號的光電二極管對高速調制光信號的響應能力用脈沖響響應能力用脈沖響應時間應時間。l對于數字脈沖調制信號，把光生電流脈沖前沿由最對于數字脈沖調制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的大幅度的10%上升到上升到90%，或后沿由，或后沿由90%下降到下降到10%的時間，分別定義為的時間，分別定義為脈沖上升時間脈沖上升時間r和脈沖下降時間和脈沖下降時間f。l PIN光電二極管光電二極管響應時間主要由響應時間主要由光生載流子在耗盡光生載流子在耗盡層的層的渡越時間渡越時間d和包括光電二極管在內的和包括光電二極管在

5、內的檢測電路檢測電路RC常數常數所確定。所確定。 (3) 噪聲。噪聲。 l 噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數，它直噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數，它直接影響光接收機的靈敏度。接影響光接收機的靈敏度。l光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產生的光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產生的散粒噪聲散粒噪聲(Shot Noise)和由負載電阻和后繼放大器輸和由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產生的熱噪聲。入電阻產生的熱噪聲。 3.2.3雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD) 光電二極管輸出電流光電二極管輸出電流I和反偏壓和反偏壓U的關系示于圖的關系示于圖3.24。 隨著反向偏壓的增加，開

6、始光電流基本保持隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當反向偏壓增加到一定數值時，光電流急劇不變。當反向偏壓增加到一定數值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據這種特性設計的器件。就是根據這種特性設計的器件。 圖圖 3.24 光電二極管輸出電流光電二極管輸出電流I和反向偏壓和反向偏壓U的關系的關系 反 向 偏 壓U光 電 流暗 電流輸 出 光 電 流I00UBl根據光電效應，當根據光電效應，當光入射到光入射到PN結時，結時， 光子被吸收光子被吸收而產生電子而產生電子 - 空穴對空穴對。l如果電壓增加到使電場達

7、到如果電壓增加到使電場達到200 kV/cm以上，初始以上，初始電子電子(一次電子一次電子)在高電場區獲得足夠能量而加速運動在高電場區獲得足夠能量而加速運動。l高速運動的電子和晶格原子相碰撞高速運動的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電使晶格原子電離，離，產生新的電子產生新的電子 - 空穴對空穴對。新產生的二次電子再次。新產生的二次電子再次和原子碰撞。和原子碰撞。l如此多次碰撞，產生連鎖反應，致使如此多次碰撞，產生連鎖反應，致使載流子雪崩式載流子雪崩式倍增倍增，見圖，見圖3.25。所以這種器件就稱為雪崩光電二極。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管管(APD)。 圖 3.25 APD載流子雪崩式倍

8、增示意圖I0NPP(N)光 APD的結構有多種類型，如圖的結構有多種類型，如圖3.26示出的示出的N+PP+結構被結構被稱為拉通型稱為拉通型APD。在這種類型的結構中，當偏壓加大到一定。在這種類型的結構中，當偏壓加大到一定值后，耗盡層拉通到值后，耗盡層拉通到(P)層，一直抵達層，一直抵達P+接觸層，是一種全接觸層，是一種全耗盡型結構。拉通型雪崩光電二極管耗盡型結構。拉通型雪崩光電二極管(RAPD)具有光電轉換效具有光電轉換效率高、響應速度快和附加噪聲低等優點。率高、響應速度快和附加噪聲低等優點。 圖3.26 APD結構圖電極電極光抗反射膜NPP(P)E1. 倍增因子倍增因子 由于雪崩倍增效應是

9、一個復雜的隨機過程，由于雪崩倍增效應是一個復雜的隨機過程，所以用這種效應對一次光生電流產生的平均增益所以用這種效應對一次光生電流產生的平均增益的倍數來描述它的放大作用，的倍數來描述它的放大作用， 并把并把倍增因子倍增因子g定定義為義為APD輸出光電流輸出光電流Io和一次光生電流和一次光生電流IP的比值的比值。PIIg0 2. 過剩噪聲因子過剩噪聲因子 雪崩倍增效應不僅對信號電流而且對噪聲電流同雪崩倍增效應不僅對信號電流而且對噪聲電流同樣起放大作用樣起放大作用. 3.2.4光電二極管一般性能和應用光電二極管一般性能和應用l 表表3.3和表和表3.4列出半導體光電二極管列出半導體光電二極管(PIN

10、和和APD)的的一般性能。一般性能。 lAPD是有增益的光電二極管，在是有增益的光電二極管，在光接收機靈敏度要光接收機靈敏度要求較高的場合求較高的場合，采用，采用APD有利于延長系統的傳輸距離。有利于延長系統的傳輸距離。l但是采用但是采用APD要求有較高的偏置電壓和復雜的溫度要求有較高的偏置電壓和復雜的溫度補償電路補償電路，結果增加了成本。，結果增加了成本。l因此在靈敏度要求不高的場合，一般采用因此在靈敏度要求不高的場合，一般采用PIN。 n Si-PIN和和Si-APD用于短波長用于短波長(0.85m)光纖通光纖通信系統。信系統。nInGaAs-PIN用于長波長用于長波長(1.31 m和和1

11、.55 m)系系統，性能非常穩定，統，性能非常穩定， 通常把它和使用場效應通常把它和使用場效應管管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，構的前置放大器集成在同一基片上，構成成FET PIN接收組件，以進一步提高靈敏度，接收組件，以進一步提高靈敏度，改善器件的性能。改善器件的性能。3.3光光 無無 源源 器器 件件l無源器件無源器件:在光纖傳輸線路中，有一類本身不發生在光纖傳輸線路中，有一類本身不發生光電或電光轉換的傳輸器件，稱之為無源器件，如光電或電光轉換的傳輸器件，稱之為無源器件，如光隔離器、光耦合器、光環行器等。光隔離器、光耦合器、光環行器等。l無源器件的無源器件的功能功能各異，概括起來

12、主要是：各異，概括起來主要是：連接、導連接、導向光路；分配、耦合光的能量；合波分波向光路；分配、耦合光的能量；合波分波等作用。等作用。l另一類本身會發生光電或電光轉換的器件，稱之為另一類本身會發生光電或電光轉換的器件，稱之為有源器件有源器件，如激光器、光電檢測器、光放大器等。，如激光器、光電檢測器、光放大器等。 3.3.1連接器和接頭連接器和接頭l連接器連接器是實現光纖與光纖之間是實現光纖與光纖之間可拆卸可拆卸(活動活動)連接連接的的器件器件。作用作用：光纖線路與光發射機輸出或光接收機光纖線路與光發射機輸出或光接收機輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連輸入之間，或光纖線路與其他光無源器

13、件之間的連接。接。l 接頭接頭是實現光纖與光纖之間的是實現光纖與光纖之間的永久性永久性(固定固定)連接連接，主要用于光纖線路的構成，通常在工程現場實施。主要用于光纖線路的構成，通常在工程現場實施。l連接器件是光纖通信領域連接器件是光纖通信領域最基本、應用最廣泛最基本、應用最廣泛的的無源器件。無源器件。n 光纖活動連接器可分為單芯型和多芯型。光纖活動連接器可分為單芯型和多芯型。n 光纖活動連接器也有多模和單模之分。光纖活動連接器也有多模和單模之分。 n 對于單芯型的光纖活動連接器，其結構可分為對于單芯型的光纖活動連接器，其結構可分為調調心型和非調心型心型和非調心型。n調心型調心型是指光纖活動連接

14、器內部裝是指光纖活動連接器內部裝有調心機構有調心機構,它它可調整光纖纖芯的位置可調整光纖纖芯的位置,使之達到最佳耦合使之達到最佳耦合。n非調心型非調心型光纖活動連接器內部沒有調心機構光纖活動連接器內部沒有調心機構,它靠它靠光纖活動連接器光纖活動連接器結構組件之間的精密配合結構組件之間的精密配合來達到來達到最佳耦合。最佳耦合。 表表3.1 光纖活動連接器光纖活動連接器 (1) 內裝調心機構(2) 把固定在管C上的光纖纖 芯與B組合旋轉,使它與 A外周的中心O重合纖芯偏心管C偏心管A偏心管B種類圖 示說 明調心型纖芯內插頭外插頭套筒插針光纖光纖(1) 柱形套筒結構(2) 加工精度要求高(3) 不易

15、對準(1) 外裝調心機構(2) 將光纖纖芯與外插頭的中 心重合之后固定內插頭單芯型無調心型透 鏡光 纖光 纖套 筒插 針錐 形 插針雙 錐 套 筒光 纖光 纖自 聚焦 棒光 纖插 針套 筒光 纖(1) 錐形套筒結構(2) 加工精度要求高(3)不易對準(1) 自聚焦棒形套筒結構(2) 加工精度要求不高(3) 易對準(1) 透鏡形套筒結構(2) 加工精度要求不高(3) 易對準多芯型(1) V形 槽 結 構(2) 加 工 精 度 要 求 高(3) 不 易 對 準壓 蓋光 纖插 針V形 槽光 纖(1) V形 槽 結 構(2) 加 工 精 度 要 求 高(3) 不 易 對 準V形 槽n 常用的套筒結構主

16、要由兩部分組成，常用的套筒結構主要由兩部分組成，一是套筒，一是套筒，二是插針二是插針。n連接器的插針和套筒可用連接器的插針和套筒可用不銹鋼、硬質合金不銹鋼、硬質合金和和陶瓷材料陶瓷材料制作。制作。光纖活動連接器的光纖活動連接器的主要性能指標主要性能指標有：有： (1)插入損耗插入損耗：因接入光纖活動連接器對光信號：因接入光纖活動連接器對光信號帶來的附加損耗，一般在帶來的附加損耗，一般在0.5dB以下。以下。 (2)重復性重復性：即每次插拔后其損耗的變化范圍，：即每次插拔后其損耗的變化范圍，一般應小于一般應小于0.1dB。 (3)互換性互換性：是指同一種連接器不同插針替換時：是指同一種連接器不同

17、插針替換時損耗的變化范圍，一般應小于損耗的變化范圍，一般應小于0.1dB。 (4)插拔次數插拔次數：連接器具有上述損耗參數范圍內：連接器具有上述損耗參數范圍內插拔的次數，一般應在千次以上。插拔的次數，一般應在千次以上。 3.3.2光耦合器光耦合器 耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多耦合器的功能是把一個輸入的光信號分配給多個輸出，個輸出， 或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。或把多個輸入的光信號組合成一個輸出。 1. 耦合器類型耦合器類型 圖圖3.28示出常用耦合器的類型，示出常用耦合器的類型， 它們各具不同它們各具不同的功能和用途。的功能和用途。 圖 3.28 常用耦合器的類型 T形(a

18、)星 形(b)定 向(c)231412N12N(d)波 分n T形耦合器形耦合器q功能功能:把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根把一根光纖輸入的光信號按一定比例分配給兩根光纖光纖，或把兩根光纖組合在一起，或把兩根光纖組合在一起。q用途用途：不同分路比的功率分配器不同分路比的功率分配器或功率組合器或功率組合器n星形耦合器星形耦合器q功能功能:把把n根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配根光纖輸入的光功率組合在一起，均勻地分配給給m根光纖，根光纖， m和和n不一定相等。不一定相等。q用途：用途：多端功率分配器。多端功率分配器。 n 定向耦合器定向耦合器q功能功能:取出光纖中向不同方向傳輸的

19、光信號。取出光纖中向不同方向傳輸的光信號。q用途用途:可用作分路器，不能用作合路器?？捎米鞣致菲?，不能用作合路器。 n波分復用器波分復用器/解復用器解復用器(也稱合波器也稱合波器/分波器分波器)這是一這是一種與波長有關的耦合器，種與波長有關的耦合器， 2. 基本結構基本結構 耦合器的結構有耦合器的結構有許多種類型，其中比較實用和許多種類型，其中比較實用和有發展前途的有有發展前途的有光纖型光纖型、微器件型微器件型和和波導型波導型。 光纖型光纖型是是把兩根或多根光纖排列，用把兩根或多根光纖排列，用熔拉雙錐技術熔拉雙錐技術制作各種器件。制作各種器件。 圖圖 3.29光纖型耦合器光纖型耦合器 (a)定

20、向耦合器；定向耦合器； (b) 88星形耦合器；星形耦合器； (c) 由由12個個22耦合耦合器組成的器組成的88星形耦合器星形耦合器 輸 入 光光 強 度光 纖 a光 纖 b 輸 出 光2341(a)(b)123456789101112(c)圖 3.30 光纖型波分解復用器原理 1、 21212耦合長度光功率ababba圖圖3.29(a)所示定向耦合器可以制成波分復用所示定向耦合器可以制成波分復用/解復用器。解復用器。 圖圖3.30中中光纖光纖a(直通臂直通臂)傳輸的輸出光功率為傳輸的輸出光功率為Pa，光，光纖纖b(耦合臂耦合臂)的輸出光功率為的輸出光功率為Pb，根據耦合理論得到，根據耦合理

21、論得到 Pa=cos2(CL) (3.28a) Pb=sin2(CL) 式中，式中，L為耦合器有效作用長度，為耦合器有效作用長度，C為取決于光纖為取決于光纖參數和光波長的耦合系數。參數和光波長的耦合系數。 n微器件型微器件型用用自聚焦透鏡自聚焦透鏡和和分光片分光片(光部分透射，光部分透射， 部分反射部分反射)、濾光片濾光片(一個波長的光透射，另一個一個波長的光透射，另一個波長的光反射波長的光反射)或或光柵光柵(不同波長的光有不同反射不同波長的光有不同反射方向方向)等微光學器件可以構成等微光學器件可以構成T型耦合器、定向耦型耦合器、定向耦合器和波分解復用器，如圖合器和波分解復用器，如圖3.31所

22、示。所示。 圖圖 3.31微器件型耦合器微器件型耦合器(a) T形耦合器形耦合器 (b) 定向耦合器定向耦合器 (c) 濾光式解復用器濾光式解復用器 (d) 光柵式解復光柵式解復光纖自聚焦透鏡自聚焦透鏡光纖濾光片1、 2121231 2 3光纖自聚焦透鏡硅光柵光纖自聚焦透鏡分光片1342(b)(a)(c)(d)n 波導型波導型在一片平板襯底上制作所需形狀的光波在一片平板襯底上制作所需形狀的光波導，襯底作支撐體，又作波導包層。波導的材料導，襯底作支撐體，又作波導包層。波導的材料根據器件的功能來選擇，一般是根據器件的功能來選擇，一般是SiO2，橫截面為，橫截面為矩形或半圓形。矩形或半圓形。圖圖3.

23、32 波導型藕合器波導型藕合器光波導開角(a)(b)(c)多模波導多層膜濾光片單模波導1.55 m1.55 m1.3 m1.3 m3. 主要特性主要特性 耦合比耦合比CR是一個指定輸出端的光功率是一個指定輸出端的光功率Poc和全部輸出端的功率總和和全部輸出端的功率總和Pot的比值的比值NnonocOtOCppPPCR1l附加損耗附加損耗Le 全部輸入端的光功率總和全部輸入端的光功率總和Pit和全部和全部輸出端的光功率總和輸出端的光功率總和Pot的比值，用分貝表示的比值，用分貝表示 Le=10 lg NnNnotitPonPinpP11lg10l 插入損耗插入損耗Lt 是一個指定輸入端的光功率是

24、一個指定輸入端的光功率Pic和和一個指定輸出端的光功率一個指定輸出端的光功率Poc的比值，用分貝表示的比值，用分貝表示 Lt=10lg ocicppl 方向性方向性DIR(隔離度隔離度)是一個輸入端的光功率是一個輸入端的光功率Pic和由和由耦合器反射到其它端的光功率耦合器反射到其它端的光功率Pr的比值，用分貝表的比值，用分貝表示示 DIR=10lg ocicpp 3.3.3光隔離器與光環行器光隔離器與光環行器l 輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件輸入端和輸出端是可以互換的，稱之為互易器件。l 隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允隔離器就是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一

25、個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。別是反方向傳輸。l隔離器主要用在激光器或光放大器的后面隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。反射光返回到該器件致使器件性能變壞。l 插入損耗和隔離度插入損耗和隔離度是隔離器的兩個主要參數，對是隔離器的兩個主要參數，對正向入射光的插入損耗其值越小越好，對反向反射正向入射光的插入損耗其值越小越好，對反向反射光的隔離度其值越大越好。光的隔離度其值越大越好。 l首先介紹一下光偏振首先介紹一下光偏振(極化極化)的概念。單模光纖中傳的概念。單模光纖中傳輸的光的偏振

26、態是在垂直于光傳輸方向的平面上電輸的光的偏振態是在垂直于光傳輸方向的平面上電場矢量的振動方向。在任何時刻，電場矢量都可以場矢量的振動方向。在任何時刻，電場矢量都可以分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水分解為兩個正交分量，這兩個正交分量分別稱為水平模和垂直模。平模和垂直模。 n法拉第旋轉器：法拉第旋轉器：由旋光材料組成，能使光的偏振由旋光材料組成，能使光的偏振態旋轉一定角度，并且其旋轉方向與光傳播方向態旋轉一定角度，并且其旋轉方向與光傳播方向無關。無關。圖圖 3.34 隔離器的工作原理隔離器的工作原理 法拉弟旋轉器偏振器反射光阻塞入射光偏振器SOP 偏振相關型偏振相關型 l空間分離偏振器

27、空間分離偏振器(SWP)：作用是將入射光分解為兩作用是將入射光分解為兩個正交偏振分量，讓個正交偏振分量，讓垂直分量直線通過，垂直分量直線通過， 水平分量水平分量偏折通過偏折通過。l半波片半波片的作用是將從左向右傳播的光的偏振態的作用是將從左向右傳播的光的偏振態順順時針旋轉時針旋轉45，將從右向左傳播的光的偏振態，將從右向左傳播的光的偏振態逆時逆時針旋轉針旋轉45。圖圖 3.35 一種與輸入光的偏振態無關的隔離器一種與輸入光的偏振態無關的隔離器 光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉器SWP光纖輸入(b)偏振態無關型隔離器偏振態無關型隔離器環行器

28、環行器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器除了有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。類似。 光環行器主要用于光分插復用器中。光環行器主要用于光分插復用器中。 圖圖 3.36光環行器光環行器 (a) 三端口；三端口； (b) 四端口四端口 132(a)(b)1324 3.3.4光調制器光調制器l為提高光纖通信系統的質量，為提高光纖通信系統的質量，避免直接調制激光器時產生線避免直接調制激光器時產生線性調頻的限制，要采用外調制方式，把激光的產生和調制分性調頻的限制，要采用外調制方式，把激光的產生和調制分開。開。 l 調制器可以用調制器可以用電光效應、電光效應、 磁光效應或聲光效應磁光效應或聲光效應來實現。來實現。l最有用的調制器是利用具有最有用的調制器是利用具有強電光效應的鈮酸鋰強電光效應的鈮酸鋰(LiNbO3)晶晶