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半导体激光器基本结构

发布时间:2020-11-06 22:27 来源:admin 作者:admin 点击:

  第3章 通信用光器件 第3章 通信用光器件 光 源 光检测器 光无源器件 小 结 第3章 通信用光器件 3.1 光 源 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,实现光 放大而产生激光振荡的。激光,其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的 光放大)的缩写•。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开 始•。 第3章 通信用光器件 1. 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(见图 3•.1): (1) 受激吸收。 (2) 自发辐射••。 (3) 受激辐射。 第3章 通信用光器件 产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位 物质中,处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为 N1和N2。当系统处于热平衡状态时,存在下面的分布 N2 ? E2-E1 ? =exp?- ? N1 kT ? ? (3.2) 式中,k=1.381×10-23 J/K,为玻尔兹曼常数,T为热力学温度。 由于(E2-E1)0,T0,所以在这种状态下,总是N1N2。这是因 为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速 率分别比例于N1和N2,且比例系数(吸收和辐射的概率)相等•。如 果N1N2,即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时•,光 强按指数衰减,这种物质称为吸收物质。 第3章 通信用光器件 如果N2N1,即受激辐射大于受激吸收,当光通过这 种物质时,会产生放大作用,这种物质称为激活物质。 N2N1的分布和正常状态(N1N2)的分布相反,所以称为粒 子(电子)数反转分布。 例:以氢原子为例,它的第一激发态能量为E2=-3.40eV, 基态能量为E1=-13.6eV,则 E2-E1 =10.20eV 令g2=g1 =1•,在室温T=300K时(kT近似为0.026eV),可以 计算出 10.20 ? n2 ? e 0.026 ••? e?392 ? 10?170 n1 第3章 通信用光器件 2. PN结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体•。 在这种晶体中,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。晶体的能级谱在原子能级的基础上 按共有化运动的不同分裂成若干组,每组中能级彼此靠近, 组成有一定宽度的带•,称为能带。形成共价键的价电子所占 据的能带称为价带(低能带),而价带上面临近的空带(自 由电子占据的能带)称为导带(高能带)。二者之间的区域 称为禁带。 第3章 通信用光器件 3. 激光振荡和光学谐振腔 粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件,但还不能产 生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中,对光的频率和方 向进行选择,才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射 镜构成,并被称为法布里-珀罗(F-P,Fabry Perot)谐振腔。由于 谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布,可以用它产生的自 发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射,沿轴线方向传播 的光被放大,沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈, 不断得到放大•,方向性得到不断改善,结果增益大幅度得到提 高。 第3章 通信用光器件 另一方面,由于谐振腔内激活物质存在吸收•,反射镜存 在透射和散射,因此光受到一定损耗。当增益和损耗相等 (满足振幅平衡条件)时,在谐振腔内就会建立稳定的激光振 荡,其阈值条件为 1 1 ? th=?+ ln 2 L R1 R2 (3.4) 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•、R21为两个反射镜的反射率。 第3章 通信用光器件 激光振荡的相位条件为 2nL L?q 或? ? 2n q ? (3.5) 式中,λ为激光在真空中传播的波长,n为激活物质的折射率, λ/n为激光在介质中传播的波长,q=1, 2, 3,…称为纵模模数。 式(3.5)意味着,L应为介质中激光传播波长的1/2的整数倍。 第3章 通信用光器件 4. 半导体激光器基本结构 半导体激光器的结构多种多样,基本结构如图3•.5示出 的双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型 半导体材料构成,不同材料发射不同的光波长。图中标出所 用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄禁带 P型半导体,称为有源层;两侧分别为宽禁带的P型和N型半 导体,称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上,前后两 个晶体介质里面作为反射镜构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔。 第3章 通信用光器件 3.1.2 半导体激光器的主要特性 1•. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带 时所释放的能量,这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV),由式 (3.1)得到 h f=Eg 式中•,f=c/λ,f (Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长•, c=3×108 m/s为光速•,h=6.628×10-34 J· s为普朗克常数,1 eV=1.6×10-19 J•,代入上式得到 hc 1.24 ?? ? (? m) Eg Eg (3.6) 第3章 通信用光器件 2. 激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光 器输出反射镜面上的光强分布,远场是指离反射镜面一定距 离处的光强分布。图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远 场图,近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸•,即平行 于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定,并称 为激光器的横模。由图3.8可以看出•,平行于结平面的谐振 腔宽度w由宽变窄,场图呈现出由多横模变为单横模•;垂直 于结平面的谐振腔厚度t很薄,这个方向的场图总是单横模。 第3章 通信用光器件 3. 转换效率和输出光功率特性 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd表示•,其 定义是在阈值电流以上,每对复合载流子产生的光子数 ( P ? Pth ) / hf ΔP e ?d ? ? ( I ? I th ) / e ΔI hf 由此得到 (3.7a) P ? Pth ? ? d hf e ( I ? I th ) (3.7b) 第3章 通信用光器件 4. 频率特性 在直接光强调制下,激光器输出光功率P和调制信号频 率f的关系为 P( f ) ? P(0) [1 ? ( f / f r ) ] ? 4? ( f / f r ) 2 2 2 2 (3.8a) I0 ? I ? 1 1 fr ? ( ? 1) 2π ? sp•? hp I th ? I •? (3.8b) 第3章 通信用光器件 5. 温度特性 对于线性良好的激光器•,输出光功率特性如式(3•.7b)和 图3.10所示。 激光器输出光功率随温度而变化有两个原因•: 一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大,二是外微分量 子效率ηd随温度升高而减小•。温度升高时,Ith增大,ηd减小, 输出光功率明显下降,达到一定温度时,激光器就不激射了。 当以直流电流驱动激光器时,阈值电流随温度的变化更 加严重。当对激光器进行脉冲调制时,阈值电流随温度呈指 数变化,在一定温度范围内,可以表示为 第3章 通信用光器件 T I th=I 0 exp( ) T0 (3•.9) 式中,I0为常数,T为结区的热力学温度,T0为激光器材料的特 征温度。GaAlAs-GaAs激光器T0=100~150 K、InGaAsP-InP激光 器T0=40~70 K,所以长波长InGaAsP-InP激光器输出光功率对温 度的变化更加敏感。 外微分量子效率随温度的变化不十分敏感,例如,GaAlAsGaAs激光器在77 K时ηd≈50%,在300 K时,ηd≈30%。 第3章 通信用光器件 3.1•.3 分布反馈激光器 随着技术的进步,高速率光纤通信系统的发展和新型光 纤通信系统(例如波分复用系统)的出现,都对激光器提出更 高的要求。和由F-P谐振腔构成的DH激光器相比,要求新型 半导体激光器的光谱宽度更窄,并在高速率脉冲调制下保持 动态单纵模特性;发射光波长更加稳定,并能实现调谐;阈 值电流更低,而输出光功率更大。具有这些特性的动态单纵 模激光器有多种类型•,其中性能优良并得到广泛应用的是分 布反馈(DFB,Distributed Feed-Back)激光器•。 第3章 通信用光器件 普通激光器用F-P谐振腔两端的反射镜,对激活物质发出的 辐射光进行反馈,DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的 周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折 射率周期性变化,使光沿有源层分布式反馈•,所以称为分布反 馈激光器。 如图3.13所示,由有源层发射的光,从一个方向向另一个 方向传播时,一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)•,另一部分继 续向前传播,在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果光线a 和b匹配,相互叠加,则产生更强的反馈,而其他波长的光将相 互抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大•,但整个光栅有成百上 千个波纹峰,反馈光的总量足以产生激光振荡。 第3章 通信用光器件 3.1.4 发光二极管 发光二极管(LED)是低速、短距离光波系统中常用的 光源,结构简单,是由GaAsAl类的P型材料和N型材料制 成的一个正向偏置的PN结,电子-空穴对在耗尽区辐射复 合发光,称为电致发光,属自发辐射发光•。它所发的光 是非相干光•,具有较宽的谱宽(30-60nm)和较大的发射角 (100°)。 第3章 通信用光器件 发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同, LD发射的是受激辐射光,LED发射的是自发辐射光。LED 的结构和LD相似,大多是采用双异质结(DH)结构,把有源 层夹在P型和N型限制层中间,不同的是LED不需要光学谐 振腔,没有阈值。发光二极管有两种类型:一类是正面发光 型LED,另一类是侧面发光型LED,其结构示于图3•.14。和 正面发光型LED相比,侧面发光型LED驱动电流较大,输出 光功率较小,但由于光束辐射角较小•,与光纤的耦合效率较 高,因而入纤光功率比正面发光型LED大。 第3章 通信用光器件 发光二极管工作特性 (1) 光谱特性•。发光二极管发射的是自发 辐射光,没有谐振腔对波长的选择作用•,光 谱较宽。 (2) 光束的空间分布。 (3) 输出光功率特性•。 (4) 频率特性。 第3章 通信用光器件 3.1.5 半导体光源一般性能和应用 LED通常和多模光纤耦合,用于1.3 μm(或0.85 μm)波长的小 容量短距离系统。因为LED发光面积和光束辐射角较大,而多模 SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值孔径, 有利于提高耦合效率,增加入纤功率•。LD通常和G.652或G.653 规范的单模光纤耦合,用于1.3 μm或1.55 μm大容量长距离系统, 这种系统在国内外都得到最广泛的应用。分布反馈激光器(DFBLD)主要和G•.653或G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤 耦合,用于超大容量的新型光纤系统,这是目前光纤通信发展 的主要趋势。 第3章 通信用光器件 3.2 光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理 实际上,仅采用半导体平板制作光检测器也不能实现较 高的量子效率,这主要是因为价带中产生的电子在运动到外 电路之前和空穴产生了复合,所以必须快速地让价带电子离 开半导体,这可以采用在电子产生的区域加足够强的电场的 方法来实现•,当然最好的方法是采用反向偏置的PN结来代替 均匀的半导体平板,这样的光检测器称为光电二极管。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。 第3章 通信用光器件 3.2.2 PIN光电二极管 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:中间的I层是N型掺杂浓 度很低的本征半导体,用Π(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而产生大量电子-空穴对•,因而大幅度 提高了光电转换效率。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。 第3章 通信用光器件 PIN光电二极管具有如下主要特性: (1) 量子效率和光谱特性。光电转换效率用量子效率η 或响应度ρ表示。量子效率η定义为相同时间内一次光生电子 -空穴对和入射光子数的比值 Ip / e I p hf 每秒光生电子-空穴对 ?= = = 每秒入射光子数 P0 / hf P0 e (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 P0 hf 式中,hf为光子能量,e为电子电荷。 •?= Ip = ?e (A/W) (3.14) 第3章 通信用光器件 量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假 设器件表面反射率为零,P层和N层对量子效率的贡献可以 忽略,在工作电压下,I层全部耗尽,那么PIN光电二极管的 量子效率可以近似表示为 η=1-exp(-α(λ)w) (3.15) 式中,α(λ)和w分别为I层的吸收系数和宽度。由式(3•.15)可 以看到,当α(λ)w1时,η →1•,所以为提高量子效率η,I 层的宽度w要足够大。 第3章 通信用光器件 (2) 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τ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τr和脉冲下降时间τf。当光电二极管具有 单一时间常数τ0时,其脉冲前沿和脉冲后沿相同,且接近指 数函数exp(t/τ0)和exp(-t/τ0),由此得到脉冲响应时间 τ=τr=τf=2.2τ0 定义为光生电流I(ω)下降3 dB的频率•。 (3.16) 对于幅度一定,频率为ω=2πf 的正弦调制信号,截止频率fc 第3章 通信用光器件 (3) 噪声。噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数, 它直接影响光接收机的灵敏度。光电二极管的噪声包括由信 号电流和暗电流产生的散粒噪声(Shot Noise)和由负载电阻 和后继放大器输入电阻产生的热噪声。噪声通常用均方噪声 电流(在1 Ω电阻负载上的噪声功率)来描述。 均方散粒噪声电流 〈i2sh〉=2e(Ip+Id)B 噪声带宽•,Ip和Id分别为信号电流和暗电流的强度。 (3•.22) 式中,e为电子电荷,B为光电二极管及后继放大器的等效 第3章 通信用光器件 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•。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。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。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)。 第3章 通信用光器件 1•. 倍增因子 由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程,所以用这种 效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大 作用,并把倍增因子g定义为APD输出光电流Io和一次光生 电流IP的比值。 Io g•? Ip (3.25) 显然,APD的响应度比PIN增加了g倍•。根据经验,并考虑 到器件体电阻的影响,g可以表示为 第3章 通信用光器件 2. 过剩噪声因子 雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流同样起放 大作用,所以如果不考虑别的因素,APD的均方量子噪声电 流为 〈i2q〉=2eIpBg2 (3.26a) 这是对噪声电流直接放大产生的,并未引入新的噪声成分。 事实上,雪崩效应产生的载流子也是随机的,所以引入新的 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) 第3章 通信用光器件 3.3 光 无 源 器 件 3.3.1 光纤连接器 ?光纤连接器( optical connector ):俗称活接头•, ITU将其定义为“用以稳定地但并不是永久地连接两根或 多根光纤的无源组件”。 纤间以及光纤与光纤间的非永久性固定连接,是光纤通信 系统中不可缺少的无源器件。 •?主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备与光 第3章 通信用光器件 连接器有单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器,其特性主 要取决于结构设计、加工精度和所用材料。单纤连接器结构 有许多种类型•,其中精密套管结构设计合理、效果良好,适 宜大规模生产,因而得到很广泛的应用。图3.27示出精密套 管结构的连接器简图,包括用于对中的套管、带有微孔的插 针和端面的形状(图中画出平面的端面)。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、插针与套管精密配合。对低插入损耗的连接器,要 求两根光纤之间的横向偏移在1 μm以内,轴线章 通信用光器件 普通的FC型连接器,光纤端面为平面。对于高反射损 耗的连接器,要求光纤端面为球面或斜面,实现物理接触 (PC型)。套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢,但插针 材料用ZrO2陶瓷最理想。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(插入损耗变化±0.1 dB)大大改善。 第3章 通信用光器件 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。这种器件对光纤线 路的影响主要是附加插入损耗,还有一定的反射和串扰。耦 合器大多与波长无关,与波长相关的耦合器专称为波分复用 器/解复用器。 第3章 通信用光器件 1. 耦合器类型 T形耦合器 这种耦合器通常用作多端功率分配器。 定向耦合器 定向耦合器可用作分路器,不能用作合路器。 波分复用器/解复用器 这是一种与波长有关的耦合器 (也称合波器/分波器) 第3章 通信用光器件 2. 基本结构 比较实用和有发展前途的有光纤型、微器件型和波导 型。 3. 主要特性 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 POC CR ? ••? POt poc ?p n •?1 N (3.29) on 由此可定义功率分路损耗Ls为 1 Ls=10 lg( ) CR (3.30) 第3章 通信用光器件 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,用分贝表示如下: ? Pit ? Le= 10 lg ? 10lg? pot ? ? 插入损耗Lt ?P ?P n?1 n?1 N N in in ? ? ? ? ? (3.31) 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 Pic Lt=10 lg Poc (3.32) 第3章 通信用光器件 方向性DIR(隔离度) 是一个输入端的光功率Pic和由耦 合器反射到其他端的光功率Pr的比值,用分贝表示 Pic DIR =10 lg Pr 不同输出端耦合比的等同性。 (3•.33) 一致性U 是不同输入端得到的耦合比的均匀性,或者 第3章 通信用光器件 3.3.3 光隔离器与光环行器 在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件•。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。插入损耗和隔离度是隔离器的两个 主要参数,对正向入射光的插入损耗其值越小越好•,对反向 反射光的隔离度其值越大越好,目前插入损耗的典型值约为 1 dB,隔离度的典型值的大致范围为40~50 dB。 第3章 通信用光器件 首先介绍一下光偏振(极化)的概念。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: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。 第3章 通信用光器件 紧接第一个偏振器的是法拉第旋转器,法拉第旋转器由 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。法拉第旋转器后面跟着 的是第二个偏振器,这个偏振器的透振方向在45°方向上•, 因此经过法拉第旋转器旋转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,当反射光通过法拉第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。 第3章 通信用光器件 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。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第旋转器,其偏振态都要旋转45°。 法拉第旋转器后面跟随的是一块半波片( •? plate或half2 wave plate)。 第3章 通信用光器件 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°。 因而法拉第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•,半波片和法拉第旋转器的旋转方向 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。 第3章 通信用光器件 3•.3.4 光调制器 为提高光纤通信系统的质量••,避免直接调制激光器时产 生附加线性调频的问题,要采用外调制方式,把激光的产生 和调制分开。所以在高速率系统、波分复用系统和相干光系 统中都要用调制器。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+αE+βE2 (3.34) 第3章 通信用光器件 式中•,n0为E=0时晶体的折射率。α和β是张量,称为电光系 数,其值和偏振面与晶体轴线的取向有关。根据不同取向, 当β=0时,n随E线性变化,称为线性电光效应或普克尔 (Pockel)效应。当α=0时,n随E2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 第3章 通信用光器件 ? US •? U b P=1+ cos? ?π U π ? ? ? ? •? (3.35) 式中,Us和Ub分别为信号电压和偏置电压,Uπ为光功率变 化半个周期(相位为0~π)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=Uπ时,P=0。图3.38给出这种调制器的工作原理。 用于幅度调制(AM)的MZ型调制器可以达到如下性能: 外加电压11 V,带宽为3 GHz 时插入损耗约6 dB,消光比 (最小输出和最大输出的比值)为0.006。 第3章 通信用光器件 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: 一类是机械光开关•,利用电磁 铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路 转换•;另一类是固体光开关,利用磁光效应、电光效应或声 光效应实现光路转换。机械光开关的优点是插入损耗小,串 扰小,适合各种光纤,技术成熟;缺点是开关速度慢•。固体 光开关正相反•,优点是开关速度快;缺点是插入损耗大,串 扰大,只适合单模光纤。两类光开关的一般性能如表3.8所 示。

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