光发射机

半导体材料 硅（Si） 砷化镓（GaAs） 锗（Ge）
带隙能量/eV 1.12 1.43 0.67
磷化铟（InP） Ga0.93Al0.03As
1.35 1.51
x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发 光波长(x，y是掺杂比率)
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LED的输出光谱
特点：
1. LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比 边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源 宽
不连续分布的折射率 加强对产生光子的约束
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LED的结构设计
光纤 载流子注入
载流子注入 50~70 mm
30º 120º
有源区
25 mm 2.5 mm
100~150 mm
水平PN结：朗伯光 垂直PN结：方向性较好
面发光二极管：有源发光面与光纤轴垂直 输出朗伯光束，半功率光束宽度120˚ ������ ������ = ������0 ������������������������ ������为观察方向与发光面法线之间的夹角
L
尺度：几微米 几百微米 工作波长：0.8 ~ 1.6 微米
谐振、激射条件： （1）增益介质的谱和带宽（） （2）谐振腔相位条件
纵模数： 横模数：
LN l n

2
N 1 n 1

2
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激光器的输出模式
谐振、激射条件： （1）增益介质的谱和带宽（） （2）谐振腔相位条件
LED
������ ������
PD
������ ������
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半导体激光器
E
E2
E2
E
h
E1
E1
处于高能级E2上的电子按照一定的概率自发 地跃迁到低能级E1上，并发射光子，频率为 ������。这个过程称为自发辐射，自发辐射的光 是非相干光，对应的光电器件是LED, 即发 光二极管。
E
E2
E2
（VCSEL）《光纤通信》-p152 图4.27
• 多模激光器，谱线宽； • 输出光斑适合与光纤耦合； • 价格便宜（$5-15），适用于低速、短 距离光纤通讯系统。
短圆柱腔
光输出 n型接触面 Si/SiO2 反射镜 InP衬底 InGaAsP多量 子阱有源区 限流区 p型接触面 ~ 10 nm Si/Al2O3反射镜 金质热沉
(2) 工作波长
0.85 mm
制备技术简单
1.3 mm
石英系光纤零色散
1.5 mm
瑞利散射损耗小
(3) 工作模式
荧光 多模 成本低、种类多 多纵模 单纵模 高速、大容量
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Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser 垂直腔-面发射激光器
垂直腔-面发射激光器（VCSEL）
i
LED
增加偏置 调制信号 线性工作区 输出光功率P
0 t
t
输入电流信号
Pdc t
0
Idc t
输入电流信号
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LED的带宽
LED的频率响应：
H ( )
P( ) P(0)
1 1 ( i )2
������������ ：复合区的注入载流子寿命 当������������ = ������/������������ 时，P(������������ ) = 0.707P(0)。 在接收机中，检测电流正比于光功率：������ ������ = ������������ ������ /������ 光功率下降到 0.707 时，接收电功率下降到1/2，即下降了3 dB。因此������������ 定义为截止频率。
载流子产生的 原因：电子的 能级跃迁
价带
Eg n p ni exp 本征载流子浓度： 2 k T B 本征半导体材料能级图
本征半导体中，电子和空穴具有相同的浓度
5
本征载流子浓度
电子或空穴的浓度为:
n p ni exp(
其中 2(2k BT / h 2 )3 / 2 (me mh )3 / 4 kB 为玻耳兹曼常数 me 电子的有效质量 mh 空穴的有效质量
- 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽（FWHM）30~50 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽（FWHM） 70~180 nm LED类型 SLED ELED SLED 材料 GaAlAs InGaAsP InGaAsP 波长/nm 850 1310 1310 工作电流 /mA 110 100 110 光纤耦合能 量/������������ 40 15 30 标准 FWHM/nm 35 80 150
光谱宽度（20dB）： 4 nm左右 工作波长 850，1310，1550nm
VCSEL基本结构
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波导腔-边发射激光器（FP、DFB、DBR）
l
激光器有源区
• • • •
长矩形腔 （选频单纵 模输出）
波导腔-边发射激光器 《光纤通信》-p152图4.28 PF，DFB，DBR； 谱线宽度：kHz ~ 数百 GHz； 输出光斑不适合与光纤耦合； 数百 ~ 数千美元 。
光谱
窄线宽 （几个nm以 内）
发光二极管 （LED）
PN结（35族半导体 材料）
非相干
大发散角
多模
大线宽 （200nm以 内）
3
光发射机
半导体材料基础——PN结&发光 LED输出特性和工作特性+调制 半导体激光器输出特性和工作特性+调制
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本征半导体材料
元素周期表第四族，介于金属和绝缘体之间， 例如Si材料 导带
受主能级
价带
掺入第III族元素(如硼B,铟In, 镓Ga,铝Al)，晶体只需要很 少的能量∆EA < Eg 就可以产 生自由空穴
被受主杂质束缚的空穴所处的能级称为受主能级 受主能级位于靠近价带很近的禁带中 空穴获得较小的能量∆EA后就能反向跃迁到价带成为导电空穴
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PN结
势垒 浓度的差别导致载流子的扩 散运动,平衡时，中间形成一 个特殊的区域-PN结，它阻 挡了载流子的扩散运动，因 此也称为耗尽区。
通信方面的应用：可见光通信，车载光通信等低 速通信（搭配塑料光纤带来的一系列好处：便宜 、轻便、抗弯折。。。）
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LED的结构设计
用于光纤通信的特点：
调制带宽低（信息比特速率100-200Mbps） 微瓦量级的输入光功率 驱动电路简单，不需要热稳定和光稳定电路，制作成本低、产量高
LED的结构设计原则：
光发射机
《光纤通信（第五版）》
第 4 章 光源 第 5 章 光功率发射和耦合 5.1 5.3 （5.3.1 5.3.2） 5.5 5.6（5.6.1）
来自百度文库
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光发射机
光纤 激光源 光调制 光电检测
光发射机
驱动器
码形发生器 （信源）
信号处理
误码检测 （用户）
通信系统的最基本结构：光发射，光传输，光接收
调制电信号转变为光信号的装置----光发射机。
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LED的量子效率和功率
有源区的内量子效率 int：辐射性复合电子-空穴对所占的比例。 双异质结结构的LED的内量子效率：60%~80% 内部发光功率： I Ihc Pint int h int q q
I :注入LED中的电流（单位面积流过的电荷），q :电子电荷
外量子效率 int：LED中发射出的光子数目和内部产生的光子数目之比 输出光功率：
间接带隙：导带的最低位置不位于价 带最高位置的正上方；电子空穴复合 需要声子的参与，声子振动导致热能 ，降低了发光量子效率。
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LED
日本明城大学教授赤崎勇、名古屋 大学教授天野浩和加利福尼亚大学 圣巴巴拉分校教授中村修二因发现 蓝色发光二极管(LED)获得2014年 度诺贝尔物理学奖，帮助人们以更 节能的方式获得白色。 （红光LED和绿光LED早已发明， 缺少了三原色中的蓝色，无法获得 可用于照明、且让消费者感受舒适 的白色LED光源。）
Eg 2 k BT
)
为材料的特征常数
6
非本征半导体材料
通过向晶体中掺微量的3、5组元素杂志，可使晶体的导电性能大为增加 ，被掺杂后的半导体成为非本征半导体材料。
Si---V n型材料
导带
施主 杂质
+5 As+4
施主能级
掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很 弱的束缚，只要很少的能量 ∆ED (0.04~0.05eV)就能让 它成为自由电子。这个电离 过程称为杂质电离。
价带
被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级 施主能级位于离导带很近的禁带 施主能级上的电子吸收少量的能量∆ED后可以跃迁到导带
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非本征半导体材料
通过向晶体中掺微量的3、5组元素杂志，可使晶体的导电性能大为增加 ，被掺杂后的半导体成为非本征半导体材料。
Si---III p型材料
导带
B
施主 杂质
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分布反馈式 (DFB) 激光器
内置布拉格光栅FBG： 只有符合反射条件的 光会得到强烈反射经 历放大过程选频
LN l n

2
N 1 n 1

2
（3）∆������由腔体结构和材料一起决定（������由材料决定）。
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622 Mb/s FP 腔激光器（工作波长 1310nm）
激光器有源区
价格中等（ ~ ￥1000）， 适用于 中、低速，中、短距离光纤通 讯系统。 光谱宽度（20dB）：5 ~ 10 nm 线宽（3dB） ：/ 旁模抑制比：/
E
h
E1
E1
h h
处于高能级E2上的电子在光场的感应下发射 一个和感应光子一摸一样的光子（同相位） ，进而跃迁到低能级E1上。这个过程称为受 激辐射，受激辐射的光是相干光，对应的光 电器件是半导体激光器。
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光纤通信常用激光器
(1) 结构、工作原理
FP 腔激光器 DBR 激光器 垂直腔面发射激 光器（VCSEL） DFB 激光器
提供一种约束机制以便将载流子和辐射光限制在PN结的有源区: 让尽可能多的载流子在有源区内发生辐射性复合 + 阻止PN结周围材料对辐射光产生吸收 高的量子效率（注入电子-空穴对中辐射性复合比例）+高的辐射强度（亮度）
最有效的PN结结构双异质结结构
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双异质结构
不连续的带隙结构 加强对载流子的束缚
n型 耗尽层 p型 U
势垒升高
n型 耗尽层 p型 U
势垒降低
正向偏压使耗尽区变窄, 反向偏压使耗尽区加宽扩散 使得多数载流子在结区扩散 运动被抑制，只存在少数载 外加电极实现连续注入 流子的漂移运动 势垒的降低导致n、p型的导带电子子和价带空穴在结区内扩散，并穿越结区导致p型、n 型内的少数载流子浓度大大增加。少数载流子与多数载流子的复合是产生光辐射的机理。9
PN结发光
势垒的降低导致n、p型的导带电子子和价带空穴在结区内扩散，并穿越结区导 致p型、n型内的少数载流子浓度大大增加。少数载流子与多数载流子的复合是 产生光辐射的机理。 复合的 过程就 是导带 电子能 级跃迁 的过程 直接带隙：导带的最低位置位于价带 最高位置的正上方；电子空穴复合伴 随光子的发射。III-V族元素的合金， 典型的如GaAs等。
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最常用的光源
光纤通信中最常用的光源是:
半导体激光器（LD Laser Diode ） 发光二极管（LED Light Emitting Diode） 特性差异一览
光源类型
半导体激光器 （LD）
有源区 输出光 （发光区）
PN结（35族半导体 材料） 相干 很好的単 色性和输 出方向性
对光纤要求
单模/多模
边发光二极管：辐射光的出射方向朝向 光纤的纤芯。
优点：LED到光纤的耦合效率高
优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低
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LED的光源材料
光源的材料决定LED的出射波长 有源层的半导体材料必须具有直接带隙，这样电子和空穴就能在带隙中直接复 合，才能有足够高的辐射性复合来产生足够的出射光功率 ℎ������ ℎ = 6.626 × 10−34 ������ ⋅ ������ 带隙能 ������dir = ℎ������ = ������ 量 1.240 ������ ������������ = ������dir (������������) LED基本材料： - Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝)：800~850 nm 短波长光源 - In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓)： 1000~1700 nm长波长光源
P ext Pint n n 1 Pint
2
n：LED材料典型折射率
例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，即光功 率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。
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LED的调制
LED的调制原理：光源的输出光功率与输入电流呈线性关系
i
LED
Idc
输出光功率P
is