第6章 光纤器件--有源器件2-y.ppt

UCB EE233 Prof. Chang-Hasnain 第六章 光纤有源器件 1). 概述 2). 发光机理 3). 器件结构 4). 半导体激光器的特性 1).概述 白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1 000 nm 以上的白色连续光谱。 发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，光的波长由能带差所决定发出频谱宽度在几百 nm 以下的光. 同质结构只有一个简单P-N结，且 P 区和 N 区都是同一物质。该LED阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工作。 除双异质结 LD 对载流子进行限制外， 还有另外一种完全不同的对载流子限制的方式。这就是对电子或空穴允许占据能量状态的限制，这种激光器叫做量子限制激光器。 它具有阈值低，线宽窄，微分增益高，以及对温度不敏感，调制速度快和增益曲线容易控制等许多优点。 VCSEL 激光器 半导体激光器的基本特性 光电检测器原理、性能和分类 直接检测接收机的构成、信噪比、灵敏度和比特误码率 前言 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。 半导体材料是制造光电检测器的最佳材料。 受激吸收产生一个电子空穴对; 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。 在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子?空穴对在电场的作用下，在外电路形成光生电流。 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。 光电二极管 雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在 PN 结内部形成一个高电场区，能提供内部增益。 工作速度高。 光电探测器的性能参数 工作波长范围和截止波长 光电探测器的性能参数 量子效率 和 响应度 1. 掺铒光纤放大器 1). 掺铒光纤结构 泵浦光功率转换为输出信号光功率的效率为 92.6 %. 对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小 2. 光纤喇曼放大器 EDFA是光纤通信系统中的重要组成部分，目前其单泵浦增益典型值为17dB，双泵浦的为35dB，噪声系数一般为5?7dB，带宽为30nm，在带宽内的增益偏差为1dB。但是EDFA只能工作在1530~1564nm之间的C波段，而光纤喇曼放大器(FRA)则是一种能够与全波光纤工作窗口相匹配的光放大器。 增益介质：系统传输光纤。 工作原理：基于非线性光学效应。 如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的喇曼增益带宽内，则强泵浦光的能量,通过受激喇曼散射,耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，获得喇曼增益。 2. 半导体光放大器 SOA 行波光放大器是一个没有反馈的激光器。 其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。 半导体激光器由于在解理面存在反射，当偏流低于阈值时是放大器。 减小腔体界面反射，也可使激光器变为放大器。 这种放大器称 F-P 放大器。 角度解理面或有源区倾斜结构。在解理面处的反射光束，因角度解理面的缘故已与前向光束分开。在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射率小于 0.1%） 有源区端面和解理面之间插入透明窗口区。光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散，经界面反射的光束进一步发散，只有极小部分光耦合进薄的有源层。 分布式喇曼放大器不但能够工作在EDFA常使用到的 C 波段（1530 ~ 1564 nm） 而且也能工作在波长较短的 S 波段（1350 ~ 1450 nm）和较长的 L 波段（1564 ~ 1620 nm），完全满足全波光纤对工作窗口的要求。 如果把光照射到占据低能带的电子上； 则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到较高的能带上。 在半导体结上外加电场后（反向电压），可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流。 由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W可吸收更多的光子，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速度变慢。载流子在W区的漂移时间为 式中Vd是漂移速度。为了减小漂移时间，可增加施加的电压。 响应时间 ttr=W/Vd 4. 光放大器 掺铒光纤放大器 光纤喇曼放大器 半导体光放大器 光纤系统传输距离受光纤损耗或色散限制 再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换，并在光信号转变为电信号时进行再生、整形和定时处理，恢复信号形状和幅度，然后再转换回光信号，沿