第三章 光电器件

第三章光电器件

光电器件是光纤通信中的关键器件。它包括光源、光电检测器及各种光无源器件等。

光源是把电信号变成光信号的器件，它在光纤通信中占有重要的地位。性能好、寿命长、使用方便的光源是光纤通信可靠工作的保证。光电检测器则将入射光转化为电流或者电压，达到光子——电子的量子转换形式，完成光的检测目的。光无源器件指一些不用电源的光通路元器件，它们也是构成光纤传输系统的重要组成部分。

第一节光源

一、光源的分类及构成

光纤通信中的光源分为半导激光器和半导发光二极管。半导体激光器（LD）主要应用在长距离、大容量的光纤通信系统中。

激励源的作用是激活工作物质，使其能级中电子的受激辐射优于受激吸收。即使高能级电子数多于低能级数目（常称为粒子数反转分布），从而对光具有放大作用。光学谐振腔的作用是完成频率选择及光的反馈。它实际是两个平行的反射镜构成的。工作物质作用是提供确定的能级系统，使激光器在需要的光波范围内辐射光子。

半导体发光二级管（LED）主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中，它和半导体激光器结构的主要区别是没有谐振腔。

光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。第三，

光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制的速率应能适应系统的要求。第六，电——光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。

二、光源的工作原理

1、半导体能带。当大量原子相互靠近形成半导体晶体时，不同原子的内外各电子运动轨道就有一定的交叠。相邻原子的最外运动轨道交叠最多，而内运动轨道交叠最少。由于电子运动轨道的交叠，电子不再局限于某一原子上，而可以从一个原子转移到相邻的原子上去，因而电子可以在整个半导体晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。由于电子的共有化运动，使原来孤立原子中的离散能级变成了能带，低能级电子上的共有化运动很弱，其能级分裂得到能带较窄；高能级上的电子的共有化运动显著，所以能级分裂形成的能带很宽。严格地说，在绝对温度为零时，价电子占据的能带称为价带。晶体中的电子在受到激励时，会跳到（称为跃迁）更高的能带去，变成自由电子，从而使晶体的导电性增强。这个更高的能带（即自由电子占据的能带）称为导带。能带与能带之间不允许电子存在，一般称为禁带。

2、光与物质作用的三种形式。在研究原子与光子间相互作用时，可以发现有三种不同的基本过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。

3、半导体激光器粒子数反转分布。实际上，光的自发辐射、受激吸收和受激辐射是同时存在的。在通常情况下（即热平衡条件下，电

子具有正常能级分布时），由于低能级上的电子数较多，所以总是光的受激吸收占优势，也就是光总是受到衰减。要获得光的放大，必须设法使光的受激辐射占优势。也就是说，要使电子在能级上的分布反常态，使处于高能级的电子数目远远多于低能级的电子数目。通常把这种分布叫做“粒子数反转分布”。

4、谐振腔。实现光的放大，必须有“粒子数反转分布”的条件，但经历一次光放大，远不能产生大功率、频率单一的激光来。于是人们利用两个平行的平面反射镜M1和M2来实现光的反馈放大，而把激光物质放在两个反射镜之间，产生受激辐射的光子流，射到谐振腔一端的部分反射镜M2上，再被反射回腔中，又继续沿轴线方向，向反射镜M1运动。在运动过程中，继续产生上述链锁反应，激发出许多光子，遇到么射镜M1又折回来朝M2运动，光子流就这样在谐振腔的两个反射镜之间来回反射，并不断加强。这相当于光在谐振腔等到了反馈放大，形成光振荡。被放大的光可以部分地通过透射镜M2，于是射出一束笔直的强光，这就是激光。谐振腔除了正反馈外，还有对激光频率、相位、方向进行选择的功能。

5、光源的工作原理。半导体激光器是向高掺杂的半导体材料的PN结注入电流，实现结区的粒子数反转分布，产生受激辐射，利用谐振腔的正反馈产生光波振荡，从而输出激光。

要产生激光，必须满足两个条件：

（1）产生足够的粒子数反转分布，使受激辐射大于受激吸收，并足以补偿光损耗。

（2）有产生正反馈作用的谐振腔。半导体发光二极管与激光器的根本区别是它没有光学谐振腔，这就决定了它不能产生激光，主要是由自发辐射作用发光，因而发出的是荧光。

三、光源的特性

1、P-I特性

激光器的几个主要特性参数都可以用P-I特性来确定，P表示激光器的输出功率，I表示激光器的注入电流。激光器注入电流逐渐增加，输出功率也逐渐增加，但不是直线关系。当注入电流增大到某一值时，输出功率急剧增加，并且发光特性也会发生很大的变化，产生激光振荡，我们称这个电流为阈值电流，常用Ith表示，它是P-I曲线拐点所对应的电流。不同的激光器，有不同的阈值电流。为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，希望阈值电流越小越好。

2、光谱特性

（1）激光器的光谱特性。当注入电流大于或等于阈值时，半导体激光器的输出光强迅速增加，谱线宽度显著变窄。

（2）发光二极管的光谱特性。

3、光源的温度特性。

（1）半导体激光器的温度特性。半导体激光器的阈值电流、输出功率和发光波长随温度变化的特性称为温度特性。在长波长激光器中，温度变化对激光器特性的影响比短波长大。

（2）发光二极管的温度特性。发光二级管的工作状态对温度的依赖性要小于激光二极管。对于任何一种发光二极管在工作电流保持不

变的情况下，输出功率总是随着温度的升高而下降的。

4、调制特性。半导体激光器的光输出可以直接由输入信号电流来调制，这就是所谓的直接强度调制方式。这种方式下，半导体激光器的调制频率可达十几GHZ。如果使用外部调制方式，调制带宽会更高。

5、半导体发光器件的简单测试。半导体发光器件的全面测试，需要一套较复杂的测试系统或仪表。但从运用的角度来说，一般只要能初步判断P-N结的好坏，有条件再测一下P-I特性，附带也可测I-V 特性，即可放心使用。

第二节光电检测器

一、光电检测器的构成及分类

光纤通信中的光电检测器分为PIN光电检测器和APD。PIN光电检测器主要应用于短距离、小容量的光纤通信系统中；APD主要应用于长距离、大容量的光纤通信系统中。最简单的光检测器就是P-N 结，但它存在许多缺点。光纤通信系统中采用较多的是PIN光电二级管（PIN-PD）及雪崩光电二级管（APD）。

二、光电器件的工作原理

1、PIN光电检测器

PN结光电二级管的核心是一个PN结。当PN结被光照射时，就产生了许多电子、空穴对。这些光在载流扩散到结区时，受到结区内建场的作用，电子漂移到N区，空穴飘移到P区。于是，在P区就有过剩空穴（正电荷）的积累，N区就有过剩电子（负电荷）的积累。