光有源器件
定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件。
◇半导体光源（LD、LED、DFB、QW、SQW、VCSEL）
◇半导体光探测器（PD、PIN、APD）
◇光纤激光器（OFL：单波长、多波长）
◇光放大器（SOA、EDFA）
◇光波长转换器（XGM、XPM、FWM）
◇光调制器（EA）
◇光开关/路由器
光无源器件
定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件。
◇光纤连接器（固定、活动，FC/PC，FC/APC）
◇光纤定向耦合器/分支器
◇光分插复用器（OADM）
◇光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM）
◇光衰减器（固定、连续）
◇光滤波器（带通、带阻）
◇光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）
◇光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
光器件的分类
◇光电变换器件
◇光开关与调制器件
◇光放大器件
◇光色散补偿器件
◇光网络器件
光电变换器件
◇F-P腔激光二极管（LD）
◇分布反馈布拉格激光器（DFB）
◇分布布拉格反射激光器（DBR）
◇外腔激光器与Q开关激光器
◇发光二极管（LED）
◇光纤激光器（OFL）
◇垂直腔表面发射激光器（ECSEL）
◇多波长光源与波长可调谐激光器
◇光电探测器（PD、PIN、APD）
光调制器件
①幅度调制
◇机械调制
◇电光调制
◇直接调制
◇电吸收光调制（EA）
②相位调制
③偏振调制
④光电集成芯片（OEIC）
⑤光子集成芯片（PIC）
光色散补偿器件
①色散控制
◇色散位移单模光纤
◇非零色散位移单模光纤
◇大有效截面单模光纤
◇色散平坦单模光纤
②色散补偿
◇色散补偿光纤模块
◇SOA色散补偿
◇光纤光栅色散补偿
③色散管理
光网络器件
◇光耦合透镜（自聚焦透镜、玻璃球透镜）
◇光连接器与光耦合器
◇光隔离器与光环行器
◇光滤波与光波分复用器件
◇光起偏器与偏振控制器
◇光波长转换与光波长路由器件
◇光调制解调器（Modem）
◇光衰减器与光延时器件
◇光开关与光交叉连接器件
◇微光电机械芯片
光放大器件
①掺铒光纤放大（EDFA）
②掺镨光纤放大（PDFA）
③掺钕光纤放大（NDFA）
④分布式光纤放大
◇喇曼光纤放大（SRFA）
◇布里渊光纤放大（SBFA）
⑤半导体光放大（SOA）
1.1 玻尔的能级假说
1.2 光子
1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收
1.4 粒子数反转
1.1 玻尔的能级假说
能量最低的原子能级称为基态能级，其它能量较高的原子能级称为激发态能级。
h=6.6261×10-34Js
其中E2和E1分别为跃迁前、后的原子能级能量，h为普朗克常数，ν为电磁辐射的频率。
1.2 光子
若原子从E2→E1，△E=E2–E1，这个差△E将以一个量子的能量形式释放，一个量子的能量被称为光子（photon）。
一个光子的能量Ep由下面的公式定义
Ep=hν（3.1.3-1）
h是普朗克常数（h=6.626×10-34J•S），而ν是光子的频率。
原子从高能级→低能级，对应于光子的辐射；原子从低能级→高能级，对应于光子的吸收。
自发辐射和受激辐射、吸收的区别：
◇自发辐射是单向性的；
◇受激跃迁是双向的；
◇自发辐射概率与光强无关；
◇受激跃迁概率正比于光强。
1.4 粒子数反转
例题
（1）假设一个激光二极管发出的红光的波长λ=650nm，那么单个光子的能量是多少？
解：Ep=hν=h•c/λ={[6.6×10-34J•S]×[3×108m/s]}/650×10-9m=3.04×10-19J
（2）LD波长λ=650nm，光能量P=1mW，这个光源每秒发射多少光子？
解：总能量E=P×1s=1×10-3W×1s=1×10-3J
这个能量等于E=Ep×N，其中N是光子的数量。
所以N=E/Ep={1×10-3J}/{3.04×10-19J}=3.3×1015，也就是3.3千万亿。
2.1 半导体激光器的特点和应用
2.2 半导体激光器（LD）
2.2 发光二极管（LED）
半导体激光器是通过受激辐射产生光的器件。
◇受激辐射的特征：一个外来光子迫使一个带有类似能量E的光子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们的光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐射→同步的。
◇形成正反馈的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。
◇受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这个动态过程。因此需要比LED快得多的速度来激活电子，需要粒子数反转。为了实现粒子数反转，需要在激活区加大的正向电流。
◇为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。
综上所述，半导体激光器的激射条件为：
◇粒子数反转
◇受激辐射
◇正反馈
半导体激光器（LD）的特点：
输出功率大（kW），光谱宽度窄（0.01pm），高偏振，相干长度长，输出NA小（→光易于耦合进光纤）。
半导体激光器（LD）的应用：
光纤通信、医学、测量、加工和军事等。
FP-LD——法不里-泊罗激光器
DFB-LD——分布反馈激光器
DBR-LD——分布反射激光器
QW-LD——量子阱激光器
（5）FP-LD的工作原理
要实现FP-LD激射，必须满足几个基本条件：
①要有能实现电子和光场相互作用的物质；
②要有注入能量的泵浦源；
③要有一个F-P谐振腔；
④必须增益大于损耗；
⑤要满足振荡条件：λ=2nL/N。
例如：
如果L=0.4mm=400μm，n=1
而λ=1300nm=1.3μm，则N=615
谐振器支持的波长为1300nm=2nL/N，但其也支持：2L（N±1），2L（N±2）等等波长。这些谐振器选择的波长叫纵模。当谐振器的长度增加或减少时，激光器就从一个纵模转向另一个，被称之为跳模。
因为λ=2nL/N，所以相邻两个纵模的间隔λN–λN+1≈2nL/N2=λ2/2nL
（6）激光出射条件
◇必须增益大于损耗：
◇活性介质只能在很小的波长范围内提供增益（λ＜hc/E）。谐振器和活性介质共同作用的结果，只有几个落在增益曲线内的谐振波长才能被激射。
2.2.2 分布反馈激光器Distributed Feedback（DFB）Laser
（1）单纵模（SLM）光谱
（2）高性能的通信激光器
◇价格贵（难于制造）
◇长距离干线 或DWDM系统
（3）主要性能指标
◇主要用于1550nm
◇总输出功率3 to 50mw
◇谱线宽度10 to 100MHz（0.08 to 0.8pm）
◇边模抑制比（SMSR）：>50dB
◇相干长度约为1 to 100m
◇小的NA（→光易于耦合进光纤）
为了减少线宽，需要激光管只发射一个纵模。分布反馈激光器实现这个功能。
其在激活区附近的异质结中合并了光栅，其工作原理与镜子类似，但他仅选择反射波长为λB的光。
2∧neff= λB
“反馈”是指：使受激光子返回活性介质；
“分布”是指：反射并不仅仅发生在一个点上。
二十世纪六十年代提出，二十世纪八十年代商品化。
改进方案：DBR
多量子阱激光器MQW-LD
MQW激光器是用超薄膜（厚度＜20nm）形成有源层，能呈现量子效应的异质结半导体激光器，普通半导体激光器的有源层厚度为几百纳米到几千纳米。电子在有源层的运动是三维的，当有源层的厚度减小到20nm而与电子的自由程接近时，电子就不能在层厚方向做自由运动，只能在层面内作横向运动，电子能量变成一个个离散值，即呈现量子效应，有源层由多个薄层构成，由于载流子和光子被限制在薄层之内，从直观来看就是载流子和光子都很集中，因此容易发生激射。
MQW激光器的优点：
（1）阈值电流小，由于其结构中“阱”的作用，使电子和空穴被限制在很薄的有源区内，造成有源层内粒子数反转浓度很高，因而大大降低了阈值电流，由于阈值电流的降低，还带来了功耗低，温度特性好的优点。
（2）线宽变窄。由于量子阱中带间复合的特点，造成线宽增大系数a变小，从而减小了光谱中的线宽，同双异质结激光器相比，缩小了近一倍。
（3）器件的微分增益高，注入电流的微小变化能够引起光功率的较大变化。
（4）调制速度高。工作频段可达30GHZ。
（5）频率啁啾小，动态单纵模特性好，纵模控制能力强。
◇面发射发光二极管SELED
◇边发光发光二极管EELED
◇超辐射发光二极管SLD
◇LED的主要性能指标
（2）LED的结构
光纤通信用的发光二极管（LED）通常是采用GaAs为衬底的GaAs或AlGaAs和InP为衬底的InGaAs或InGaAsP材料制成。用AlGaAs/GaAs制作的LED其峰值发射波长在0.8～0.95μm范围内，用InGaAsP/InP制作的LED其峰值发射波长为1.31μm和1.55μm。
要使LED发光，有源层的半导体材料必须是直接带隙材料，越过带隙的电子和空穴能够直接复合而发射出光子。为了使器件有好的光和载流子限制，大多采用双异质结（DH）结构。
（3）发光二极管的基本类型
分为：
面发射SELED、边发射EELED和超辐射SLD。这里介绍前两种。
①面发射LED（SELED）
出光条件：产生光子的地方（有源区）；谐振腔（上、下面），限制载流子和光子的路径。
特点：驱动电流大、出光功率高、温度特性较好；带宽较小。
②边发光LED（EELED-edge-emitting LED）
出光条件：产生光子的地方（有源区）；谐振腔侧边限制载流子和光子的路径。
光纤通信用的LED多采用边发光型LED。因为边发光型LED有与激光管相似的结构，与光纤耦合效率较高，带宽较宽，线宽较窄。
③超辐射发光二极管SLD（Super-luminescent Diodes）
介于LED和LD之间的光源。
在高电流强度下，用双异质结结构构成有源区。但SLD没有正反馈，仅能自发辐射光。所以SLD比通常的LED功率更强，限定性更好，但是，在单色性、定向性和相干性方面，不如LD。SLD在光通信中较少使用，多用于宽带测量光源。
（4）LED的工作原理
半导体发光二极管（LED）是在正向偏置时p-n结内的电子和空穴复合产生光子的电致发光器件。
值得注意的是，对于大量处于高能级的粒子各自分别自发发射一列一列角频率为ν=Eg/h的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，并且每个粒子所发射的光沿所有可能的方向传播，这个过程称之为自发发射。其发射波长λ可用下式来表示：λ=1.2396/Eg
GaAs的Eg=1.435eV，故可用它来制作0.85μm波长的红外LED，InGaAsP的Eg= 0.75～1.35eV，对应的发射波长为1.65～0.92μm，考虑到光纤的低损耗窗口，InGaAsP。
LED的发射波长选为1.31μm和1.55μm。
光功率P=N光×E/t，而光子数目N光=N电×η（N电：受激电子数目；η：量子效率；E：能量；t：时间）。
I=N电×e/t→N电=It/e→P=N电×η×E/t=It/e×η×E/t=I×η×E/e
其中：E的单位是焦耳，如果用电子伏特eV来度量E，I的单位是mA，则：
P（mW）=I（mA）×η×E（eV）∝I
（5）LED的主要性能指标
主要性能指标
◇波长通常为：780，850，1300nm
◇总输出功率大于几μW～mW
◇光谱宽度30～100nm
◇相干长度约为0.01～0.1mm
◇偏振较小或不偏振
◇大的NA（→难于将光耦合进光纤）
①LED的P-I特性
LED的P-I特性是指输出功率随注入电流的关系。
LED的输出功率P与注入电流I的关系为：p=aI，表明LED的P-I曲线应该具有线性关系。但实际上只有在注入电流I较小时，它们才具有近似的线性关系，当注入电流I较大时，P-I曲线会出现饱和现象。
③LED的温度特性
当温度上升时，功率下降。下降2dB/65℃。
⑤LED的电特性
包括：正向电压、电容和漏泻电流。
◇制作商通常给出U-I关系：
LED的U-I特性是指正向压降随注入电流的关系。
当I=100mA时，正向压降通常小于2V，反向击穿电压2-4V，串联电阻1-4Ω。LED的伏安特性如图所示。
◇电容C
电容C是LED的固有特性。来源：电荷电容（与p-n结有关）；扩散电容（与有源区载流子寿命有关）。
电容C限制了其调制带宽。
例如：一个SLED的电容为20pF，带宽为200MHz（当λp=865nm），而SLED的电容为200pF，带宽为125MHz（当λp=1320nm）。这也是LED电容的典型值。
◇漏泻电流
漏泻电流是由少数载流子（p区中的电子和n区中的空穴）的流动引起的。
载流子流动由热能引起。漏泻电流可以用反偏电压来度量。
⑥载流子寿命上升/下降时间和带宽
◇载流子寿命τ是指其从被激活（即到达耗尽区）到被复合之间的这段时间（一般为几ns～几ms）。
◇上升/下降时间
是根据脉冲最大值的10%到90%的时间来定义的。如右上图。理想的阶跃型脉冲响应如图虚线所示；实线为由于上升/下降时间造成的脉冲失真。
◇调制带宽BW
电调制带宽BW是指当电功率衰减到0.707时的调制频率范围。在电子学中有其与上升时间关系式：
BW=0.35/t1
LED调制带宽是在输出光功率下降到-3dB时的频带宽度。LED的频响受复合寿命τ的影响，其关系为：
BW=Δω3dB=1/τ
功率带宽积
即：增加LED的带宽是以输出功率为代价。
光通信用光电探测器：
◇P-N光电二极管
◇PIN光电二极管
◇雪崩光电二极管
例题：
光电二极管的响应度是0.85A/W，饱和输入光功率是1.5mW，当入射光功率是1mW和2mW时，光电流分别是多少？
解：当输入光功率是1mW时，由I=RP，可得，
I=RP=[0.85A/W]×[1.5mW]=0.85mA
当输入光功率是2mW时，公式I=RP不适用，因此我们无法得到光电流的值。
高线性，低暗电流
PIN光电二极管的结构如图3-5所示。其在P区和N区之间夹有一层厚的本征层。“本征”→“天然的”、“不掺杂的”。
P-I-N的完整意思：正极-本征-负极。实际上，本征区是轻掺杂的（N型），所以电子浓度很高，大大提高了光电转换效率。
PIN光电二极管是在反向偏压作用下使用的，一般为-5V左右。
当光入射到PIN结时，由于光激发产生的光生载流子——电子和空穴经过扩散和漂移，形成了通过PIN结的光电流。
光生载流子通过PIN结时间很短，这是因为虽然I层较厚，但它处于一个强的反向电场作用下，所以载流子以快的漂移速度通过I层。光生载流子通过两边P与N区时，是以比较慢的扩散速度前进的，但因P层和N层均较薄，这样总的来说就提高了PIN管的响应速度。
目前PIN光电二极管带宽已达110GHz。
内置放大，不引入外部电路相关噪声。
增益提高x100，接收大于接收机电噪声的光信号
◇是高速、高灵敏度的接收器
◇极大的温度倚赖性
主要性能
◇增益带宽积
◇暗电流
◇响应
其结构如图3-6所示。光子穿过重掺杂的p+区，进入本征区，在这里产生电子空穴对。反向电压分离这些光生电子空穴，并将其移向pn+结，这里存在一个105V/cm的高电场，这个电场聚集载流子，并冲击导致离化。
◇简单归纳其工作原理为：高的反向偏置电压，碰撞电离，产生一次光生载流子、二次光生载流子
◇APD的平均雪崩增益G：是个复杂的随机过程
◇G是一个统计平均值
◇光纤的连接、光纤连接器
◇光衰减器
◇光纤定向耦合器
◇波分复用器
◇光隔离器
◇光环形器
◇光滤波器
◇光开关
◇光调制器
4.1 光纤的连接、光纤连接器
分为：固定连接和活动连接。
活动连接器典型的：插入损耗0.25dB，回波损耗-50dB。
“跳线”连接光器件和光仪器，通过“法兰盘”连接同类“跳线”。
FC/PC 光纤连接器
SC 光纤连接器
ST 光纤连接器
SMA 光纤连接器
CATV 光纤连接器
4.2 光衰减器
光衰减器是减少传输光功率的装置。
（1）分类：
◇固定衰减器（绕线、拉锥等）
◇可变衰减器（光-机械装置）
（2）可变衰减器原理
典型的：衰减范围0-60dB，分辨率0.5dB，插入损耗2dB。
4.3 光纤定向耦合器
耦合器是实现光的分路、合路的器件。主要指标：附加损耗、耦合比。
（1）分类
◇标准耦合器
◇宽带耦合器
◇双窗口宽带耦合器
（2）原理
◇熔锥型
◇磨抛型
A、分类
◇熔锥型（粗WDM）
◇多层干涉滤光膜型（细WDM→DWDM）
◇棱镜分光型（粗WDM）
◇光栅型——体光栅、光纤光栅（粗WDM，细WDM ）
◇阵列波导光栅（细WDM →DWDM）
B、原理
Multiplexers（MUX）/Demultiplexers（DEMUX）
◇DWDM的关键器件
◇技术分类：串联介质滤光器、Cascaded FBGs、Phased arrays（see later）
◇低串扰，有利于解复用
光栅型波分复用器——体光栅
主最大强度的方向由下式给出：dsinθ=mλ
Δθ/Δλ=m/dcosθ
其中d为光栅周期，θ为衍射角，m=0，±1，±2，等等，Δθ为角分离，Δλ为波长间隔。
◇光纤光栅型波分复用器
其反射波长成为布拉格波长（λB）由下面的布拉格条件确定：2Λneff=λB
其中Λ为光栅周期，neff为有效纤芯折射率。
4.5 光隔离器Isolators
（1）主要应用：单向传输，阻挡背向光，保护激光器、光纤放大器。
（2）插入损耗：前进方向，低插入损耗（0.2 to 2dB）；高隔离度：背向损耗，20到40dB单级，40到80dB双级）。
Return loss：带连接器的回波损耗60dB。
设计隔离器中的问题：偏振敏感、波长依赖、法拉第旋光器的温度依赖。
（3）光隔离器原理
◇Faraday效应：在外磁场作用下，使通过它的偏振光的偏振面发生旋转。具有这种效应的材料叫磁光材料。
◇磁光材料引起的光偏振面旋转方向取决于外加磁场，与光的传播方向无关（非互易）。
◇这种效应与材料的固有旋光效应不同，在固有旋光效应材料中，旋转方向取决于光的传播方向，与外加磁场无关（互易）。
◇磁光材料的光偏转角：Φ=ρHL
ρ（rad/（A/m）/m ）——材料的维尔德常数（度/奥斯忒·毫米）
H（A/m=T）——沿光传播方向的磁场强度（奥斯忒）
L（m）——光和磁场相互作用区的长度（毫米）
偏振无关光隔离器的工艺结构
4.6 光环行器——Circulators
◇光纤环形器是一种非可逆装置，如下图所示，技术类似于光隔离器。
插入损耗0.3到1.5dB，隔离度20到40dB，带宽±20nm。
◇典型结构：3端口器件
光环行器的原理
光环形器+CFBG的色散补偿原理
4.7 光滤波器
光滤波器是允许特定波长范围通过的器件。
分为：固定、可调光滤波器。
固定光滤波器：熔锥、马赫-陈德尔干涉仪、法步里-珀罗滤波器、衍射光栅、薄膜干涉滤波器、光纤光栅等。
可调光滤波器：熔锥、法步里-珀罗滤波器、衍射光栅、马赫-陈德尔滤波器、声光可调滤波器、光电可调滤波器等等。
固定滤波器：
①介质滤波器——Dielectric Filters（薄膜干涉滤波器）
利用多层膜干涉效应。
若每层厚度是λ/4，那么当入射角θ=0时，波长为λ的光通过每层后相移π，见下图，反射波与入射波相位相反，相消干涉，波长为λ的光将不被反射。这就是滤波。
若采用每层厚度是λ/2，那么反射将为相长干涉。
特点：
◇具有交替不同折射率介质的薄膜层；
◇多光束干涉导致相干迭加和相消；
◇滤波器种类和带宽（0.1 to 10nm）；
◇插入损耗（Insertion loss）0.2 to 2dB， 隔离度30 to 50dB。
②光纤光栅Fiber Bragg Gratings（FBG）
◇被折射率“调制”的单模光纤
用高功率UV光照射实现折射率的变化
◇周期间隔的条纹：在一个波长反射
带阻滤波器，add/drop multiplexer（见后面叙述）
◇渐变周期：“chirped”FBG
Compensation for chromatic dispersion
光纤光栅的制作
可调谐法-泊滤波器Tunable Fabry-Perot Filters
仅支持在谐振腔内总相移为零的那些波长，即：2L/N=λN
其中L是谐振腔长度，N是整数。两相邻谐振波长之间的间隔为：λN–λN+1=λ2/2L
◇多重通带，Lorentzian线型
◇自由谱宽（Free Spectral Range）
FSR=c/2•n•l（l：腔长）
◇细度（Finesss）
F=FSR/BW （BW：3dB带宽）
在1550nm使用的性能指标：
◇FSR：4THz到10THz，细度：100到200，BW：20到100GHz
◇Insertion loss：0.5to35dB
4.8 光开关
分类：
（1）机械式光开关
（2）磁光、电光效应式光开关
（3）集成光学光开关半导体
（1）机械式光开关
（2）磁光、电光效应式光开关
（3）集成光学光开关（电光、热光）
MEMS
用DWDM+光开关可构成OADM、OXC等光交换系统
4.9 光调制器
主要两种：Mach-Zehnder调制器和电吸收调制器。
1）Mach-Zehnder 调制器
其结构如下图所示。工作原理为：当在铌酸锂两端施以电压后，它的折射率会发生变化。来自激光器的直流光被一分为二。若不加电压，两臂入射光波相位没有变化，所以他们相长干涉，当加了电压，一半入射波的相位移动了+90º（ 因为这部分波导的折射率减小）。而另一半入射波的相位移动了–90º，（ 因为这部分波导的折射率增大）。两部分光波叠加后相消。
2）电吸收调制器electro-absorption
Mach-Zehnder 调制器的主要缺点是过大的插入损耗（大于5dB）和相对较高的调制电压（约5～10V）。另外其与光源独立，而电吸收调制器克服了这一缺点，易于与激光器集成。
电吸收调制器的工作原理为，由激光器发射的连续光穿过半导体波导管。 当不加电压时，光直接穿过，因为它的截止波长λC小于入射光的波长；当加上了调制电压后，波导材料的禁带Eg变窄了。这称为弗朗兹-科尔迪希效应，它是理解EA调制器工作原理的关键。由于禁带Eg变窄，因而截止波长增大（记住：λC=1024/Eg），波导材料开始吸收入射光。因此，通过对半导体波导管施加调制电压，可以改变其吸收特性。