《光纤通信》CHP3

发光波长

半导体光源发射的光子的能量、波长取 决于半导体材料的带隙Eg，以电子伏特 （eV）表示的带隙Eg发射波长为
1.240 ( m) Eg (eV )
直接带隙和间接带隙材料


由于半导体内光子与电子之间的相互作 用所导致的电子的跃迁除需要满足能量 守恒条件之外，还必须满足动量守恒条 件。 光子的动量与电子的动量相比可以忽略， 因此，电子的跃迁前后应具有相同的动 量，也即有相同的波矢量。
调制特性


半导体激光器会出现许多复杂动态性质， 会对系统传输速率和通信质量带来影响。 电光延迟 张弛振荡 码型效应 自脉动 单纵模分裂为多纵模
电光延迟和张弛振荡



电光延迟：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存 在的时间延迟，一般为纳秒量级。 张弛振荡：当电流脉冲注入后，输出光脉冲表 现出的衰减式振荡。几百MHz～2Ghz的量级。 与有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子 寿命以及注入电流初始偏差量有关。
发光二极管的结构


实际中多采用异质结 根据发光面与PN结的结平面平行或 垂直可分为面发光二极管（SLED） 和边发光二极管（ELED）两种结构
面发光二极管（SLED）
边发光二极管（ELED）
工作特性




P-I特性 光谱特性 发光效率 调制特性
光谱特性



自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱 线较宽 半最大值处的全宽度（FWHM） =1.8kT(2/ch)nm 线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加 随着温度的升高线宽加宽

激光二极管的结构



也采用双异质结结构。 纵向的两个端面是晶体的解理面，相互平行 且垂直于结平面，一个端面镀反射膜，另一 个端面输出，构成了激光器的FP谐振腔。 采用条形结构，在垂直于结平面方向受到限 制，在平行于结平面的水平方向也有波导效 应，使光子及载流子局限在一个较窄及较薄 的条形区域内，提高光子及载流子浓度。称 为条形激光器，与光纤耦合效率较高。 两种结构：增益导引条形和折射率导引条形。



根据能带结构的能量与波矢量关系，半导体材 料可以分为光电性质完全不同的两类，即直接 带隙材料和间接带隙材料。 在直接带隙材料中，导带中的最低能量状态与 价带中的最高能量状态具有相同的波矢量，即 位于动量空间中的同一点上。 而在间接带隙材料中，导带中的最低能量状态 与价带中的最高能量状态处在不同的波矢量位 置上，即具有不同的动量。



半导体激光器的发光谱线较为复杂，会 随着工作条件的变化而发生变化。 当注入电流低于阈值电流时，激光器发 出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到 阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强， 出现激光；当注入电流进一步增大，主 模的增益增加，而边模的增益减小，振 荡模式减少，最后会出现单纵模。 温度升高时激光器的发射谱的峰值波长 向长波长方向移动
P( f ) 1 H( f ) P(0) 1 (2pft ) t为载流子的寿命

随着调制频率的提高，输出光功率下降。 要提高截止频率fc=1/(2pt)以增加调制带宽， 要缩短载流子的寿命，可以通过有源区重掺 杂以及高注入等方法来改进。
发光二极管的频率响应
三、导体激光二极管（LD）


半导体是由大量原子周期性有序排列构 成的共价晶体，其原子最外层电子轨道 互相重叠，从而使其分立的能级形成了 能级连续分布的能带。 根据能带能量的高低，有导带、禁带和 价带之分。

能量低的能带是价带，相对应于原子最 外层电子（价电子）所填充的能带，处 在价带的电子被原子束缚，不能参与导 电。价带中电子在外界能量作用下，可 以克服原子的束缚，被激发到能量更高 的导带之中去，成为自由电子，可以参 与导电。处在导带底Ec与价带顶Ev之间的 能带不能为电子所占据，称为禁带，其 能带宽度称为带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。
不同半导体材料的带隙及发光波长


合金化合物半导体AlxGa1-xAs （GaAs和 AlAs ） 经验公式 Eg=1.424+1.266x+0.266x2
同质结


上述发光原理的PN结是由同一种半导体材 料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接 近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化， 但很小），这种PN结称为同质结。同质结 导波作用很弱，光波在PN结两侧渗透较深， 从而致使损耗增大，发光区域较宽。 构成的光源有很大的缺点：发光不集中， 强度低，需要较大的注入电流。器件工作 时发热非常严重，必须在低温环境下工作， 不能在室温下连续工作。
P-I特性
调制特性

改变发光二极管的注入电流就可以改变 其输出光功率，即可以直接由信号电流 来调制光信号——直接调制或内调制
发光二极管的模拟调制原理图
发光二极管的数字调制原理图
发光二极管的频率响应

PN结存在结电容及杂散电容，发光二极管的 调制特性随着调制的频率提高而变化。频率 响应可表示为


（1）合适的发射波长，光纤的低损耗窗口； （2）足够大的输出功率，较长的传输距离； （3）较窄的发光谱线，减少光纤色散的影 响； （4）易于与光纤耦合，提高耦合效率，确 保更多的光功率进入光纤； （5）易于调制，响应速度要快，调制失真 小，带宽大； （6）要求在室温下能连续工作，可靠性高， 寿命至少在10万小时以上。
光纤通信
Fiber-Optic Communication Technology
2009/2010学年第二学期
第三章光源与光发射机
主要内容



一、半导体中光的发射和激射原理 二、半导体发光二极管(LED) 三、半导体激光二极管(LD) 四、数字光发射机
光纤通信系统对光源的要求





（1）硅（Si）、锗（Ge）等Ⅳ族半导体材料， 属于间接带隙材料，不能用来制作半导体激光 器，主要用于集成电路和光电检测器的制作。 （2）碲化镉（GdTe）、 碲化锌（ZnTe）等 Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料均为直接带隙材料， 主要用于可见光和红外光电子器件的制作。 （3）砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷磷 化铟镓（InGaAsP）等绝大多数的Ⅲ—Ⅳ族化 合物半导体材料均为直接带隙材料，主要用于 集成电路和光纤通信用半导体发光二极管、激 光器、光电检测器的制作。
Laser Diode，半导体激光器 结构： 谐振腔，条形结构 工作特性： 光谱特性、P-I特性、调制特性等

激光器的一般工作原理




激光器的三个基本条件是 （1）需要有合适的工作物质（发光介质）， 具有合适的能级分布，可以产生合适波长的光 辐射； （2）需要可以实现工作物质粒子数反转分布 的激励能源——泵浦源。 （3）需要可以进行方向和频率选择的光学谐 振腔。 产生激光还必须满足阈值条件及相位条件
阈值条件

存在工作物质的吸收、介质不均匀引起的 散射、反射镜的非理想性引起的透射及散 射等损耗情况，只有光在谐振腔内往复一 次的放大增益大于各种损耗引起的衰减， 激光器才能建立起稳定的激光输出，其阈 值条件（临界条件）为
R1 1 th ln 2 L R2
相位条件

谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往 复传播的，只有在满足特定相位关系的 光波才能得到彼此加强，这种条件称为 相位条件，有 cq fq 2nL q=1，2，… 激光器中振荡光频率只能取某些分立值， 不同q的一系列取值对应于沿谐振腔轴向 一系列不同的电磁场分布状态，一种分 布就是一个激光器的纵模。
电子
导带
Ec
eV Eg=1 . 4
Ec 2 eV Ev 价带 空穴
有源区
n
5%
在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、 折射率较低的介质材料包围。
二、半导体发光二极管(LED)



Light Emitting Diode 结构： 面发光、边发光 工作特性： 光谱特性、P-I特性、发光效率、调 制特性等
光与物质的相互作用



自发辐射——电子无外界激励而从高能 级自发跃迁到低能级，同时释放出光子。 受激辐射——高能级电子受到外来光子 作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出 光子，且产生的新光子与外来激励光子 同频同方向，为相干光。 受激吸收——低能级电子在外来光子作 用下吸收光能量而跃迁到高能级。
半导体材料的能带结构
异质结



由带隙及折射率都不同的两种半导体材 料构成 。 利用不同折射率的材料来对光波进行限 制，利用不同带隙的材料对载流子进行 限制。加强结区的光波导作用及对载流 子的限定作用 ，改善同质结发光不集 中、强度低的不足。 单异质结（SH）和双异质结（DH）
同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的 比较
光谱特性



主要由其纵模决定 峰值波长 谱宽：功率等于大于峰值波长功率50%的所 有波长范围 线宽：某一纵模中功率等于大于最大功率一 半的所有波长范围 边模抑制比(SMSR)：主模功率与最强边模 功率之比 (Side Mode Suppression Ratio)
SMSR 10lg( P / P边 ) 主
GaAs GaAs N 激光 hv 能 量 Ec Eg Ev 折 射 率 光 子 密 度 同 (a) 质 结 (0.1~1)% 折 射 率 光 子 密 度 双 (b) 异 质 结 2 eV E = 2 eV 有源区
’ g
+ GaAlAs P+ GaAs P+
P
GaAs N+
GaAlAs N
GaAs P d ~ 0.1 m
半导体PN结光源

PN结在正向偏置时，N区的电子及P区的 空穴会克服内建电场的阻挡作用，穿过 结区(扩散运动超过漂移运动)，从P区到 N区产生净电流。电子与空穴在扩散运动 中产生复合作用，释放出光能，实现发 光。这种发光是一种自发辐射，所以发 出的是荧光。由于这种发光是正向偏置 把电子注入到结区的，又称为电致发光。 这就是发光二极管的工作原理。