【光纤通信】第3章 通信用光器件04级

_
W＝ 10m
20 m
20 m
30 m
激光器输出的光束横模分别 取决于有源区的宽度和厚度 宽度和厚度足够小，多横模 分布变成单横模
30 m
50 m
w
10 m
近 场 图样
0.1 rad 远 场 图样
图 3.8 GaAlAs DH条形激光器的近场图
3.1.2 半导体激光器的特性
1.转换效率 d：在阈值电流之上，每对复合载流子产生的光子数
由于PN结界面存在耗尽层和没有电场的中性层，因此在存在由于光 电效应由耗尽层产生的漂移电流情况，还存在中性层热运动产生 的扩散电流，这两种电流的总量构成光生电流
为了提高耗尽层光电效应产生的电流分量，减少热运动 产生的扩散电流分量对光电二极管施加反向偏压，增大 耗尽层的宽度，减小中性区的宽度。 漂移运动比扩散运动快得多，可以提高响应速度. 为了提高转换效率和响应速度，设计新的光检测器 PIN光电二极管 雪崩光电二极管（APD）
d
P Pth I Ith
hf e
P e I hf
, 或P
Pth
d hf
e
(I Ith )
－当电流小于阈值电流Ith时， 激光器输出为自发辐射光
－当电流大于阈值电流时，激 光器输出受激辐射光
－光功率随驱动电流的增加而
输 出 功P /率mW 单 面 输 出P功/ m率W
3.5
10
3.0
9
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.5
限制层带隙较有源层宽，施加正向电压， 易形成粒子数反转，且转换效率较高 －P层的空穴和N层的电子注入有源层 －P层带隙宽，导带的能态比有源层高，
对注入电子形成势垒 －N层带隙宽，价带的能态比有源层低， 对注入空穴形成势垒 －有源层的折射率比限制层高，产生的 激光被限制在有源区内
＋
P
(a)
Ga1－ xAlxAs
N e 2
( E2 E1 ) / k0T
N1
E
E1
E2 E3
0 N1 N2 N3
N
玻尔兹曼分布曲线
2 、光与物质相互作用
E2
E2
自 发 辐射 光
hf＝E2－E1
E1
E1
(a)
E2
入射光
E2
E1
hf＝E2－E1
E1
(c)
E2
入射光
E2
hf＝E2－E1
E1
E1
(b )
受 激 辐 射hf＝光E2－E1 入 射 h光f＝E2－E1
光栅周期满足
m
B
2ne
，ne为材料有效折射率，
B为布拉格波长，
m为衍射级数
–DFB激光器单个谐振腔长度较小，多个谐振腔存在，易设计成单纵模激光器
–多级谐振腔谐振使得谱线窄、波长稳定性高
–动态谱线好，可调制高速信号
3.1.4 发光二极管（LED)
LED与LD结构上的异同： 同：均是双异质结（DH)条形平面结构 异：LD有谐振腔
3.2.2 PIN光电二极管
PIN光电二极管是在P型材料和N型材料之间加一层 轻掺杂的N型材料，一般称为本征半导体层，即 I层
由于I层是轻掺杂，故电子浓度很低，经扩散作用 后可形成一个很宽的耗尽区
在反向偏压的作用下，可大大提高PIN光电二极管 的光电转换效率 及响应速度
光 抗 反 射膜
电极
P＋
能量
导带
Ec
f
(E)
1
1 e( E E f
) kT
Eg Ev
Ef
价带
半导体中载流子分布
本征半导体电子和空穴成对出现，电子在导带，空穴在价带 费米能级位于禁带中央 N型半导体中导带的电子增多，价带的空穴减少 费米能级增大，向导带移 P型半导体中导带的电子减少，价带的空穴增加 费米能级减小，向价带移 在PN结界面上，载流子的梯度产生了扩散运动，从而形成内部电场 内部电场产生与扩散运动相反的漂移运动，在P区和N区的费米能级相同时，达到平衡状态，
(c) 正向偏压下P - N结能带图
E
p c
p
hf
p
Ef
p
Ev
n
Ec
hf
E
n f
N (c)
E
n v
内部电场 外加电场
电子，
空穴
在PN结上施加与内部电场反向的 正向电场
－能带倾斜减小，扩散增强
－在PN结形成一个特殊的增益区，获得了粒子数反转 N区电子向P区运动，形成增益区的导带多为电子 P区空穴向N区运动，形成增益区的价带多为空穴 在电子和空穴运动过程中，产生自发辐射光 导带的电子跃迁到价带和空穴复合
(n )
N＋ E
电极
PIN光电二极管的主要特性
光电转换量子效率：一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值
光生电子-空穴对＝ I p
入射光子数
P0
e hf
Ip P0
hf e
也可以用一次光生电流和入射功率的比值:响应度来表示
I p e
P0 hf
噪声：包括散粒噪声和热噪声，用均方噪声电流来描述
(a)自发辐射； (b)受激吸收； (c)受激辐射
光与物质相互作用（续）
电子在基态和激发态之间的三种跃迁 －自发辐射，产生非相干光，发光二级管的工作原理 －在入射光作用下，受激吸收，光接受器件的工作原理 －在入射光作用下，受激辐射 ，产生相干光，激光器的工作原理 －均满足玻尔条件
E2 E1 hf12
Ef N区
(b) 动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动
E
p v
n
Ev
处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜
E
p c
hf
p
Ef
p
Ev
n
Ec
这时在PN结上施加正向电压，产生
hf
E
n f
与内部电场相反方向的外加电场，
(c)
E
n v
结果能带倾斜减小，扩散增强。
内部电场 外加电场
电子， 图空穴3.3
PN
(a) P - N结内载流子运动；(b) 零偏压时P - N结的能带图；
驰豫频率：f
1
2
1 ( I0 I 1)
sp hp I th I
-fτ和ξ分别称为弛豫频率和阻尼因子 -Ith和I0分别为阈值电流和偏置电流 -I′是零增益电流:
高掺杂浓度的LD： I′=0 低掺杂浓度的LD： I′=(0.7-0.8)Ith -τsp为有源区内的电子寿命 -τph为谐振腔内的光子寿命
LED无谐振腔 结构的不同造成了性能的不同
LED与LD性能的不同:
LD:有谐振腔，输出的是方向性很好、强度大的相干光 有阈值电流。 LED:无谐振腔。有源区是自发辐射，输出 光斑大，强度
低，谱线宽度大的自发辐射光，无阈值电流。 由于结构简单:造价低、性能稳定、寿命长 在小容量、短距离系统中发挥了重要作用
E (b) 能
量
n 折
(c) 射 率
空穴
P (d) 光
P GaAs
N
－
Ga1－ yAlyAs
电子
复合 异质 势垒
～ 5%
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布
半导体激光器的发射波长和光谱特性
长波长发射波长决定于带隙
Eg
hc
1.24(ev) Eg
－不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。 镓铝砷 -镓砷(GaAlAs GaAs)材料适用于0.85 μm波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP InP)材料适用于1.3－1.55 μm波段。
激光器输出满足激光振荡相位条件的一些波长的光，即为激光器的纵模 －导带和价带由许多连续能级组成，有一定的带宽 －两个能带中不同能级之间的电子跃迁会产生连续波长的辐射光 －谐振腔的作用使得满足激光振荡相位条件的波长输出
8
7 2.0
6
1.5
5
4
1.0
3
0.5
2
1
0
0
0
50 Ith 10 0
15 0
工 作 电I /流mA
0 20 40 60 80 工 作 电I /流mA
(a)
(b)
增加
图 3.10典型半导体激光器的光功率 特性
AlGaAs/GaAs; 长 波 长
2.温度特性：
P / mW 5 4 3 2 1
22℃ 30℃ 40℃ 50℃ 60℃
激光的产生
激光产生的条件 -激活物质：具有合适的能级分布，可以产生合适波长的辐射光 -泵浦源使激活物质粒子数反转：半导体PN节施加正向电压获得 -入射光：激活物质的自发辐射光作为入射光 -光学谐振腔：对光的频率和 方向进行选择，并通过多次反馈，使得较强 相干光输出
反射镜
激 光 输出
工 作 物质
z 部 分 反射 镜
70℃
80℃ 不激射
0
50
10 0
I / mA
图 3.12 P-I曲线随温度的变化
温度升高，输出光功 率下降 －激光器的阈值电流 随温度升高而增大 －转换效率随着温度 升高而变小
3. 频率特性
在直接光强调制下， 激光器输出光功率P和调制频率f的关系为:
P( f )
p(0)
[1 ( f / f )2 ]2 4 2 ( f / f )2
3.1.3 分布式反馈激光器
新型激光器的要求 －谱线宽度更窄 －高速脉冲调制下保持单纵模特性 －发射光波长稳定 －阈值电流低，输出光功率大
分布式反馈激光器
分布式反馈激光器
衍 射光 栅 N层
∧ 光栅
b
a
P层
输 出光
有 源层 (a)
有 源层 (b)
–用靠近有源层沿长度方向折射率周期性变化的衍射光栅实现光反馈
（a)随着驱动直流电流的增加，纵
模模数逐渐减少，谱线宽度变窄
＋
最终产生静态单纵模激光
(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特 性， 随着调制电流增大，纵模模数 增多，谱线宽度变宽。
－无法调制高速数字信号
*用FP谐振腔可以得到的是直流驱动
的静态单纵模激光器。
I
要得到高速数字调制的动态单纵模 图 3.7GaAlAs DH激光器的光谱特性 激光器，必须改变激光器的结构， (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制 例如采用分布反馈激光器。
光学谐振腔：两个平行反射镜构成法布里－珀罗(F-P)谐振腔 －腔内是处于粒子数反转的激活物质，产生自发辐射光和受激辐射光 －自发辐射的入射光沿轴线方向被反射和放大，传播方向不断改善
成为相干光，激光产生了 －腔内产生的激光的波长由激光振荡的相位条件决定，即驻波的条件
2nL q , q 1,2,3...称为纵模模数
–谐振腔内存在吸收、散射和透射，建立稳定激光振荡需要阈值条件
–增益和损耗相当
th
1 2L
ln
1 R1R2
反射镜
th为阈值增益系数，为损耗系数
光的振幅
反射镜
R1
R2
2n
L
(a)
二、半导体激光器（LD）结构
双异质结（DH）平面条形结构 －三层不同类型材料 中间一层窄带隙P型半导体，称为有 源 两侧分别为宽带隙P型和N型半导体， 称为限制层 －前后两个晶体理解面作为反射镜构成 法布里-珀罗谐振腔
半导体激光器的直接调制频
100
率特性。
相 对 光功 率
10
弛豫频率fτ是调制频率的上限
－一般激光器的fτ为1－2 GHz
1
－在接近fτ处：数字调制要产生弛 0.1
豫振荡，模拟调制要产生非线性失
0.01 0.1
1 fr 10
调 制 频 率 f / G Hz
真。
图 3.11 半导体激光器的直接调 制频率特性
第3章 通信用光器件
3.1 光源 3.2 光检测器 3.3 光无源器件
3.1 光源
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
一、激光产生的物理基础
1.原子的能级
微观粒子的能量只能处于分立的能量状态，称为能级。
粒子处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时， 称为激发态。
在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼 统计分布（正态分布）
入射光作用下 －原子数正态分布时，一般为受激吸收 －当N2>N1时，即粒子数反转，受激辐射大于受激吸收
半导体能级结构
半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体 相邻原子的作用造成电子能级扩展成连续分布的能带
－能量低的价带,被空穴占用（束缚电子） －能量高的导带,被电子占用（自由电子） －导带底Ec与价带顶Ev的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙 －Ef为费米能级，该能级被电子和空穴占用的几率相等
3.2.1 光电二极管（PD)
光电二极管是利用半导体PN结的光电效应实现光信号转换为电信号 的光检测器器件
光电效应就是指一定波长的光照射到半导体的PN结时，价带上的电 子吸收光子能量而跃迁到导带，使导带中有了电子，价带中有了 空穴，从而使PN结中产生光生载流子的一种现象。这些载流子在 内部电场的作用下在闭环电路中形成光生电流。在开环电路中形 成电动势
此时能带发生倾斜
能量 Eg
导带
Ec Eg/2
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
内部电场
PN
P区
结空 间电
N区
荷区
扩散 漂移
在P型和N型半导体组成的PN结界面上， 由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，
( a)
因而产生扩散运动，形成内部电场
能量
E
p c
E
n c
P区
势垒 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运
两类发光二极管(LED)
球 透镜 环 氧树 脂
P层 有 源层 n层 发 光区
微 透镜
P型 限 制 层
有 源层 波 导层 n型 限 制 层
(a) 正面发光型；
(b) 侧面发光型
3.2 光电检测器
光接收机的关键器件 其功能是把光信号转变为电信号 常用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD)