光纖通信第3章課件

第三章光源和光檢測器

3.1光電器件一般工作原理

3.2

半導體激光器3.3半導體發(fā)光二極管3.4

光電檢測器

主要內(nèi)容光電器件一般工作原理半導體激光器：原理、特性、結(jié)構(gòu)，典型的半導體激光器半導體發(fā)光二極管：原理、結(jié)構(gòu)、特性光電檢測器：PIN、APD半導體光源和光檢測器優(yōu)點體積小效率高可靠性高工作波長與光纖低損耗窗口相對應便于與光纖耦合工作速率高光輻射與光吸收

能級理論：

原子由原子核和核外沿固定軌道旋轉(zhuǎn)的電子組成；能級所對應的能量值是離散的。電子在特定的能級中運動，并通過與外界交換能量發(fā)生能級躍遷；3.1光電器件一般工作原理

光輻射與光吸收原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子躍遷，或稱能級的躍遷。若交換的能量是光能，則稱為光躍遷。光躍遷同時存在著光的自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收三種不同的基本過程。光輻射與光吸收自發(fā)輻射：處于高能態(tài)的電子按照一定的概率自發(fā)地躍遷到低能態(tài)上，并發(fā)射一個能量為E2-E1的光子；光子隨機地向各個方向發(fā)射，每次發(fā)射沒有確定的相位—非相干光。LED發(fā)光。光輻射與光吸收受激輻射

：處在高能態(tài)的電子在外界光場的感應下，發(fā)射一個和感應光子相同光子態(tài)的光子，躍遷到低能態(tài)。光輻射與光吸收受激吸收

：如果入射光子的能量h近似等于E2-E1，光子能量就會被吸收，同時基態(tài)上的電子躍遷到高能態(tài)。半導體光檢測器基于這種效應。光輻射與光吸收N2＜N1設媒質(zhì)中低能級E1上的電子密度為N1，高能級E2上的電子密度為N2，當N2＜N1時，受激吸收過程占主導地位，光波經(jīng)過媒質(zhì)時強度按指數(shù)規(guī)律衰減，光波被吸收N1＜N2若媒質(zhì)中N2＞N1，則受激輻射占主導地位，光波經(jīng)過媒質(zhì)時強度按指數(shù)規(guī)律增大，光波被放大。稱為激活物質(zhì)。

光輻射與光吸收當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時

式中，k=1.381×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。電子總是首先占據(jù)低能量的軌道。N2＞N1的情況是一種處于非熱平衡狀態(tài)下的反常情況，稱之為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，必須要有外界的泵浦才能實現(xiàn)能帶理論——針對半導體材料導帶

禁帶價帶N型半導體中過剩電子占據(jù)了導帶

P型半導體中過剩空穴占據(jù)了價帶PN結(jié)

在P型和N型半導體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子濃度梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成內(nèi)部電場內(nèi)部電場支持少數(shù)載流子的漂移運動，最終兩種運動處于平衡狀態(tài)P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)

擴散漂移PN結(jié)費米能級表征電子在導帶和價帶的占居幾率。在費米能級，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。處于熱平衡狀態(tài)時，PN結(jié)兩側(cè)的費米能級相等。內(nèi)建電場由N區(qū)指向P區(qū)PN結(jié)當正向電壓加大到某一值后，PN結(jié)里出現(xiàn)增益區(qū)（有源區(qū)）。在Efc和Efv之間價帶主要由空穴占據(jù)，導帶主要由電子占據(jù)，即實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。勢壘降低，費米能級分裂LD適合于作高速長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。優(yōu)點：輻射功率高；發(fā)散角窄；與單模光纖耦合效率高；輻射光譜窄；能進行高速直接調(diào)制。激光二極管LD通過受激輻射發(fā)光；LD可以發(fā)出單色性和定向性好、強度和相干性高的光3.2半導體激光器

自激振蕩原理放大器：有源區(qū)（又稱為增益區(qū)）是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布、有光增益的區(qū)域光反饋裝置

：

光學諧振腔提供必要的正反饋以促進激光振蕩半導體激光器中增益區(qū)的形成半導體激光器是一種PN結(jié)構(gòu)成的二極管結(jié)構(gòu)，通過注入正向電流進行泵浦，當注入電流達到一定的閾值后，在結(jié)區(qū)形成一個粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域，價帶主要由空穴占據(jù)，而導帶主要由電子占據(jù)。對于光子能量滿足Eg＜hv＜e0V的光子有光放大作用，這個區(qū)域被稱為有源區(qū)，半導體激光器的光激射就發(fā)生在這個區(qū)域法布里—珀羅（F-P）諧振腔

F-P諧振腔是一種最簡單的光學反饋裝置，它由一對平行放置的平面反射鏡（通常直接利用半導體晶體材料的天然解理面）組成。往返反射構(gòu)成正反饋。實現(xiàn)穩(wěn)定振蕩必須滿足的振幅條件相位條件m為整數(shù)G和F分別為基本放大器和反饋網(wǎng)絡的正向傳輸函數(shù)振幅條件光在F-P諧振腔內(nèi)的傳播同時受到增益和衰減兩大相互矛盾因素的共同作用一方面，在外部激勵源的作用下，激光器內(nèi)部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有源區(qū)，往返傳輸?shù)墓庾硬粩嗾T發(fā)受激輻射，使得光信號不斷增強。另一方面，腔內(nèi)也存在著衰減，例如鏡面的反射衰減（鏡面反射率總是小于1）、工作物質(zhì)的吸收和散射衰減等當光信號往返傳輸一周幅度不發(fā)生變化時稱為達到閾值狀態(tài)。相位條件沿軸向發(fā)射的光在諧振腔中往返一周的光程差為2nL（L為腔長，n為介質(zhì)的折射率），對應的相位延遲為2π·(2nL/λ)則發(fā)生相長干涉的條件：2π·(2nL/λ)＝q·2π

q為整數(shù)即：2nL/λ＝q又：=c/λ

則諧振腔的選頻特性諧振腔的選方向性

在軸向自發(fā)輻射的誘發(fā)下，在軸向產(chǎn)生光的受激發(fā)射，從而獲得光的受激放大。被受激放大的光在腔鏡處反射后，又繼續(xù)在軸向獲得受激放大。非軸向的自發(fā)輻射經(jīng)有限次往返反射后，逃逸出腔外。

激光器的模式分析F-P腔激光器的模式類型

縱模的概念與性質(zhì)

對于半導體激光器，當注入電流大于閾值時，導帶和價帶自發(fā)輻射譜中那些既滿足駐波條件，同時增益又足以克服損耗的光頻率，能夠在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩并形成一系列強場，其它光則受到抑制，從而使輸出光譜發(fā)生明顯的模式分化，呈現(xiàn)出圍繞一個或多個模式振蕩的特點。這種受激振蕩的模式就稱為激光器的縱模。

半導體激光器的模式增益譜

F-P腔中滿足諧振條件的縱模是均勻分布的：縱模數(shù)隨注入電流變化

(電流增加縱模數(shù)減?。?/p>

峰值波長隨溫度變化(電流增大，結(jié)溫升高，禁帶變窄，波長變長)

動態(tài)譜線展寬（脈沖調(diào)制，電流變，有源區(qū)載流子濃度變，折射率變，激光器的諧振頻率變，動態(tài)譜線展寬）激光器的縱模性質(zhì)單縱模激光器僅有主模能夠產(chǎn)生振蕩。絕大部分功率都集中在一個縱模上;譜寬較窄，單色性較當驅(qū)動電流足夠大時，主模的增益增加，邊模的增益減小，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。LD的橫模是一種穩(wěn)定的電磁場分布；表現(xiàn)為激光器輸出能量在空間上的穩(wěn)定分布近場是指激光器輸出遠場是指離反反射鏡面上的光強分布射鏡面一定距離處的光強分布。激光器的橫模決定了輸出光束的空間分布。與縱模的意義不同，橫模反映的是由于邊界條件的存在對腔內(nèi)電磁場形態(tài)的橫向空間約束作用。激光器的橫模決定了激光光束的空間分布，它直接影響到器件與光纖的耦合效率

‖和⊥分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角基本性質(zhì)1．伏安特性對伏安特性曲線進行一次微商即可確定串聯(lián)電阻和工作電流的關(guān)系曲線

伏安特性描述的是半導體激光器的純電學性質(zhì)，通常用V-I曲線表示。結(jié)特性2．工作特性---P-I特性

典型的激光器P-I曲線－－電光轉(zhuǎn)換（1）閾值電流（Ith）在P-I曲線中，激光器由自發(fā)輻射到開始受激振蕩時的臨界注入電流，稱為閾值電流。它是一個正向電流值，用符號Ith表示下圖為利用P-I曲線求解Ith的三種做法（雙斜率法）、（反向延長法）、（二階求導法）（2）功率線性度理論偏離程度

（3）光輸出飽和度光輸出跌落（4）激光器效率采用功率效率和各類量子效率指標來衡量激光器的換能效率功率效率定義為

Pex為激光器發(fā)射的光功率，Vj為激光器的結(jié)電壓，Rs為激光器的串聯(lián)電阻，I為注入電流量子效率分為內(nèi)量子效率、外量子效率和外微分量子效率內(nèi)量子效率定義為用Rr和Rnr分別表示輻射復合和非輻射復合（能量差，釋放聲子，變?yōu)榫Ц裾駝樱┑乃俾?，?nèi)量子效率i可以表示為外量子效率ex定義為由于所以I是激光器的注入電流，V是PN結(jié)上的外加電壓定義外微分量子效率D為由于,所以

（5）熱穩(wěn)定性

激光器的變溫P-I曲線外微分量子效率隨溫度的升高而下降閾值電流隨溫度的升高而加大3．光譜特性激光器的輸出光功率隨波長的分布規(guī)律（1）峰值波長（p）：強度最大的光譜波長（2）中心波長（c）：峰值半功率點所限定的波譜范圍中點對應的波長（4）邊模抑制比（SSR）（5）模式跳躍（3）譜寬與線寬：包含所有振蕩模式在內(nèi)的發(fā)射譜總寬度---譜寬單獨模式的寬度稱為線寬。單頻激光器的譜寬等于線寬4．光束特性LD輸出端面的輻射束光功率強度分布稱為近場圖，遠離LD端面的輻射束光功率強度分布稱為遠場圖

近場與遠場的關(guān)系有源區(qū)的結(jié)構(gòu)

半導體激光器的復合發(fā)光區(qū)域是有源區(qū)。有源區(qū)通常由一個或多個垂直方向的PN結(jié)構(gòu)成。根據(jù)PN結(jié)的性質(zhì)不同，分為同質(zhì)結(jié)：

PN結(jié)的兩邊使用相同的半導體材料。雙異質(zhì)結(jié)：在寬帶隙的P型和N型半導體材料之間插進一薄層窄帶隙的材料。異質(zhì)結(jié)：帶隙差形成的勢壘將電子和空穴限制在有源區(qū)復合發(fā)光；折射率使光場（光子）有效地限制在有源區(qū)。

LD的結(jié)構(gòu)

依據(jù)光波導的實現(xiàn)

大面積激光器

——使用較少增益導引半導體激光器——使用較少折射率導引半導體激光器—廣泛使用

弱折射率導引－脊形波導激光器強折射率導引－掩埋異質(zhì)結(jié)激光器

LD的結(jié)構(gòu)大面積激光器是結(jié)構(gòu)最簡單的LD：一個薄的有源層夾在P型和N型限制層中間。正向電流在較大面積注入，所以稱為大面積激光器缺點：沿激光器整個寬度上都存在光輻射，因此損耗大，閾值電流高。F-P腔激光器的構(gòu)成N、P：重摻雜掩埋異質(zhì)結(jié)半導體激光器掩埋異質(zhì)結(jié)半導體激光器強折射率導引：結(jié)構(gòu)特點：有源區(qū)被若干低折射率層從各個方向掩埋。優(yōu)點:側(cè)向折射率差較大，對光場限制作用強；光空間分布穩(wěn)定性高，被大多數(shù)光波系統(tǒng)采用。橫截面示意圖F-P激光器特點最早商用結(jié)構(gòu)簡單、容易制造基本為多縱模工作方式直接調(diào)制時動態(tài)譜線展寬明顯不適合現(xiàn)代大容量長距離光纖傳輸和波分復用系統(tǒng)分布反饋（DFB）激光器和分布Bragg反射器（DBR）激光器DFB激光器的基本原理無集總式的諧振腔反射鏡裝置，光柵反饋、選頻改善單色性，不使用晶體解理面，易集成（如多頻DFB激光器陣列）

DFB和DBR激光器的構(gòu)成波導分區(qū)設計，避免晶格損傷DFB的優(yōu)點波長選擇性

縱模間隔遠大于增益譜寬，易實現(xiàn)單縱模工作，改變可選波長線寬窄，波長穩(wěn)定性好

光柵波長選擇性比F-P反射面好；鎖定在給定波長

動態(tài)單縱模調(diào)制時譜展寬（啁啾）比F-P腔小一個量級左右高線性度

適合模擬調(diào)制，廣泛用于有線電視（CATV）光纖傳輸系統(tǒng)布喇格（Bragg）反射器

基于波紋光柵的光學諧振器，材料折射率在空間某方向上呈現(xiàn)周期變化（正弦或三角波、方波），為受激輻射光子提供周期性反射點。圖中I，I，I等光束滿足同相位相加的條件為是波紋光柵的周期，也稱為柵距；m為整數(shù)；n為材料等效折射率；

為波長由圖中所示B，，

的幾何關(guān)系，上式也可表示為上式即為布喇格反射條件。形成該方向上的主極強當時布喇格條件簡化為有源區(qū)的光在柵條間來回振蕩，每相對于微F-P腔與F-P腔相比，采用布喇格反射器作為激光器的光學諧振裝置存在如下優(yōu)點發(fā)射光譜主要由光柵周期決定，對應F-P腔LD的腔長L，每一個形成一個微型諧振腔。由于的長度很小，所以m階和（m

+

1）階模之間的波長間隔比F-P腔大得多，加之多個微型諧振腔的選模作用，很容易設計成單縱模（單頻）振蕩布喇格反射可比作多級調(diào)諧，使諧振波長的選擇性大大提高，譜線明顯變窄。并且光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，使波長的穩(wěn)定性改善。實現(xiàn)光反饋，提供精細的頻率選擇

量子阱激光器量子阱方案的能帶示意圖與DHLD比較，超晶格結(jié)構(gòu)給量子阱激光器帶來的優(yōu)越特性：閾值電流低阱結(jié)構(gòu)中態(tài)密度“浴盆”底部平坦，小電流也能獲得大增益，Ith低至亞毫安，易于驅(qū)動或輸出大更大功率波長可調(diào)諧導帶和價帶中的基態(tài)間的能級差隨勢阱寬度而變化，調(diào)勢阱寬度可調(diào)波長線寬窄，頻率啁啾低直接調(diào)制時，注入電流變化載流子濃度變化，折射率變化，激射譜展寬，啁啾和線寬增強因子相關(guān)，而其和有源區(qū)厚度有關(guān)。一般FPLD的60%調(diào)制速率高

QW結(jié)構(gòu)提高微分增益，提高張弛振蕩頻率，改善頻響特性，適合高速系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性強子能帶間存在禁帶，溫度變化不會引起載流子分布的擴展MQW-DFBMQW-DBR多量子阱有源層上制作光柵，單頻、窄線寬、小啁啾、無跳模的工作特性垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）VCSEL激光器的結(jié)構(gòu)

前面是邊發(fā)光器件，發(fā)射方向平行于PN結(jié)的結(jié)平面，面積大，不利于二維或三維集成。VCSEL：電流和發(fā)射光束方向都與芯片表面垂直VCSEL的主要優(yōu)點

激射性能：閾值低、發(fā)光效率高、波長可選易于動態(tài)單模工作耦合性能：窄圓柱形高斯光束，和光纖最佳耦合封裝性能：體積小，易于制成陣列調(diào)制性能：速度快，到吉比特/秒，溫度穩(wěn)定性好

制作性能：模塊化強、工藝簡單，易于集成

1工作原理

發(fā)光二極管是非相干光源，它的發(fā)射過程主要對應光的自發(fā)輻射過程。在發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)中不存在諧振腔，發(fā)光過程中PN結(jié)也不一定需要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴散過程中復合發(fā)光。3.3半導體發(fā)光二極管

LED適用范圍：低速率、短距離光波系統(tǒng)。LED優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、壽命長、可靠性高、隨溫度變化較小。缺點輸出功率低；輸出光束發(fā)散角較大，耦合效率低；光源譜線較寬；響應速度較慢。

2結(jié)構(gòu)和分類

發(fā)光二極管可分為邊發(fā)射型和面發(fā)射型面發(fā)光LED：從平行于結(jié)平面的表面發(fā)光。工藝簡單、發(fā)散角大、效率低、調(diào)制帶寬較窄為提高面發(fā)光LED與光纖的耦合效率：在井中放置一個截球透鏡；或者將光纖末端形成球透鏡。邊發(fā)光LED：從結(jié)區(qū)的邊緣發(fā)光發(fā)散角、耦合發(fā)散角、耦合效率和調(diào)制帶效率和調(diào)制帶寬均比面發(fā)光LED有改善3主要性質(zhì)

發(fā)射譜線和發(fā)散角邊:=1200，=300,面:1200;自發(fā)輻射譜線：導帶和價帶包含許多能級，GaAlAs的LED譜寬30-50nm,InGaAsPLED

譜寬60-120nm，耦合效率低、光纖傳輸色散嚴重響應速度

受載流子自發(fā)輻射壽命時間限制,高摻雜或高注入電流減小自發(fā)輻射壽命時間。LD—吉赫茲、LED—數(shù)百兆熱特性

LED不是閾值器件，GaAlAsLED輸出功率變化率小，可不溫控

優(yōu)點

壽命長，可靠性高，調(diào)制電路簡單，成本低半導體光源一般性能和應用LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統(tǒng)。因為LED發(fā)光面積和光束輻射角較大，而多模SIF光纖或G.651規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。

LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長距離系統(tǒng)。

分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。半導體激光器和發(fā)光二極管的一般性能-20×50-20×50-20×50-20×50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×120

20×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調(diào)制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流Ith/mA50~10060~1201~21~3譜線寬度1.31.551.31.55工作波長LEDLD/m分布反饋激光器一般性能

20~4015~30輸出功率P/mW(連續(xù)單縱模,25oC)

2015外量子效率/%

15~2020~30閥值電流Ith/mA<0.08頻譜漂移/(nm/oC)30~35邊模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度

1.31.55工作波長/m1．光與物質(zhì)間的作用有哪三種基本過程？它們各自的特點是什么？2．什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？3．構(gòu)成激光器必須具備哪些功能部件？4．什么是激光器的閾值條件？5．異質(zhì)結(jié)激光器是怎樣降低閥值電流的？6．半導體激光器發(fā)射光子的能量近似等于材料的禁帶寬度，已知GaAs材料的Eg=1.43eV,某一InGaAsP材料的Eg=0.96eV，求它們的發(fā)射波長。（eV是能量單位，表示一個電子在1伏特電壓差下所具有的能量）光纖通信中對光電檢測器最重要的幾點要求如下：在所用光源的波長范圍內(nèi)有較高的響應度；較小的噪聲；響應速度快；對溫度變化不敏感；與光纖尺寸匹配；工作壽命長3.4光電檢測器

主要內(nèi)容光電檢測的原理PIN光電二極管：原理、結(jié)構(gòu)和工作特性雪崩光電二極管（APD）：原理、結(jié)構(gòu)光電檢測器的噪聲在光的照射下，材料的電學性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做光電效應。半導體材料零偏PN結(jié)產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱為光伏效應。受激吸收光電檢測的原理－PN結(jié)的光電效應

無光照時，同一般的二極管；光照射時，零偏或反偏時，內(nèi)建場作用下少子的漂移運動產(chǎn)生光電流，光電流方向在p-n結(jié)內(nèi)由p區(qū)指向n區(qū)，為反向電流，因此曲線向下平移。V(V)I(μA)VocIsc反向偏壓Vb反向電流E增大Ip=SEEE=0E1E2光伏效應器件伏安特性曲線光伏效應加反向偏壓后光電二極管及其能帶結(jié)構(gòu)PIN光電二極管

1．原理與結(jié)構(gòu)

PIN光電二極管的原理和結(jié)構(gòu)2．光電二極管的波長響應（光譜特性）

（1）上截止波長光電效應必須滿足條件

hv＞Eg

或＜c是真空中的光速，是入射光的波長，h是普朗克常量入射光的波長必須小于某個臨界值，才會發(fā)生光電效應，這個臨界值就叫做上截止波長，定義為（2）響應波長的下限

設x=0時，光功率為p(0)，材料吸收系數(shù)為

()經(jīng)過x距離后吸收的光功率可以表示為

下降，材料表面層的吸收嚴重，電子-孔穴對在中性區(qū)被復合。3．光電轉(zhuǎn)換效率常用量子效率和響應度衡量光電轉(zhuǎn)換效率當入射功率為P0時，光生電流可以表示為r是入射表面的反射率，w1是零電場的表面層的厚度，w是耗盡區(qū)的厚度量子效率表示入射光子能夠轉(zhuǎn)換成光電流的概率要提高量子效率，必須采取如下措施：①盡量減小光子在表面層的反射率，增加入射到光電二極管中的光子數(shù)；②盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)被充分地吸收光電轉(zhuǎn)換效率也可以直接用光生電流Ip和入射光功率p0的比值來表示,稱其為響應度

4．響應速度

響應速度常用響應時間（上升時間和下降時間）（10％－90％）來表示。