电子科大第六章.ppt

光有源器件 调制器 光源 探测器 放大器 第一节 光调制器 光调制器：一种改变光束参量传输信息的器件，这些参量包括光波的振幅、频率、位相或偏振态。（教材中主要涉及振幅调制 ） 内调制与外调制 内调制 内调制： 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化。 光功率与电流呈线性变化 优点：简单、经济、容易实现 缺点：啁啾——除振幅外，光频率也随电流变化 内调制 外调制 外调制： 调制的电信号不是直接施加在激光二极管上，而是施加在光调制器上 优点：啁啾小、调制速率高 缺点：结构和技术复杂，成本较高，损耗大 分类：机械调制器、声光调制器、磁光调制器、电光调制器、电吸收调制器 外调制 声光调制器 声光调制器(AOM)是由声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源所组成。 调制电信号通过电声换能器转换为超声波，然后加到声光晶体上。超声波使声光介质的折射率沿声波传输方向交替地变化，当一平行光束通过它时，由于声致光衍射，其出射光束就具有随时间而周期变化的光程差，结果构成了各级闪烁变化的衍射光。 磁光调制器 利用光的法拉第电磁偏转效应 偏振面旋转的角度θ与磁场强度H、晶体的长度L有关 隔离器45°，调制器90°才能使消光比最高(教材有错) 电光调制器 电光效应 电光晶体：铌酸锂(LiNbO3)、砷化镓晶体(GaAs)和钽酸锂(LiTaO3) 电光调制器：基于线性电光效应（普克尔效应）即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应 单纯的相位调制不能调制光的强度 电吸收调制器 电吸收效应：在电场作用下半导体材料的吸收边向长波长方向移动的理论 弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Keldysh)效应和量子约束斯塔克〔Stark〕效应 各种调制器比较 调制频率：电光声光磁光内调制机械 消光比：声光电光 驱动电压：电光较高 成本：机械最低，内调制其次，外调制最高 第二节 光源 电信号转变为光信号 最常用的光源是半导体激光器(SL/DL)和发光二极管(LED) 体积小，耦合效率高，损耗低，直接调制，可靠性较高，响应速度快 激光原理 自发辐射 受激吸收 受激辐射：相干光——受激辐射光子与入射光子属于同一光子态——受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振 激光原理 激光原理 工作物质1 泵浦源2 谐振腔3、4 粒子数反转 半导体激光器的工作物质为半导体材料，反射镜有时为解理面。 发光二极管 发光二极管的发光原理 当PN结处于平衡状态时，PN结处形成了势垒。在PN结上施加正向偏置电压时，势垒下降，多数载流子向相对区域扩散形成正向电流。多数载流子扩散到相对区域后，与该区域带相反电荷的多数载流子复合，产生自发辐射光。 LED输出光为非相干光 LED的结构 同质结与异质结LED 半导体激光器 半导体激光器形成激光输出需具备两个基本条件： （1）在有源区产生足够的粒子数反转分布，使受激辐射占主导地位； （2）存在光学谐振腔机制，并在有源区内建立起稳定的振荡——形成相干激光 FP-LD的解理面作为反射镜面—损耗大—阈值电流大—发热量大—不稳定 Fabry-Perot半导体激光器(FP-LD) 半导体激光器的辐射光在Fabry-Perot谐振腔中产生。在Fabry-Perot腔中，使用一对平行放置的部分反射镜来构成谐振腔，可以减少腔内光的损失，以降低阈值电流 量子限制激光器 垂腔激光器VCSEL 单模激光器 色度色散引起的脉冲展宽： 短腔激光器：短腔—长FSR—增益谱宽可比 频率选择反馈： 耦合腔—边界条件限制—单模，稳定性和重复性不好 外部光栅：成本高，机械稳定性差 布喇格光栅：常用，优点：出光功率大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高，适合于长距离通信 DFB与DBR激光器 DFB:长期稳定性和可靠性高，单色性好 DBR: 由三个输入电流分别控制此三个区块，达到调整输出波长和功率的目的 LD工作特性—阈值特性 LD工作特性—温度特性 LD工作特性—发射波长 第三节 光电探测器 将接收到的光功率信号转换为电信号输出 光强越大，转换成的电信号也越大，正比 光电探测器的灵敏度对延长光纤通信的中继距离有着重要作用 光电探测器的工作原理 原理：光电效应 材料：半导体 结构：PN结 具体原理：施加反向偏压，使势垒加强，形成耗尽区。光子使价带电子跃迁至导带，产生光生载流子，扩散进入耗尽层并被反向电场加速，形成光生电流 缺点：响应慢 措施：改进PN结光电二极管结构 PIN光电二极管 结构：由中间被低掺杂的近似本征材料I层隔开的pn结构成 雪崩光电二极管（APD） 雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。光/电转换，内部放大