光纖第三章-1

1、光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成(單向傳輸單向傳輸) 信息源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)電接收機(jī)信息宿基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖線路接 收發(fā) 射電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)輸入電信號(hào)輸出13.1 3.1 光源光源23.2 3.2 光檢測(cè)器光檢測(cè)器33.3 3.3 光無源光無源器件器件v 光源是光發(fā)射機(jī)的核心器件，其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光光源是光發(fā)射機(jī)的核心器件，其功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二信號(hào)。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二極管或稱激光器極管或稱激光器(LD)(LD)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)(LED)，有

2、，有些場(chǎng)合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石些場(chǎng)合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG(Nd:YAG) )激光器。激光器。v 光源是光纖通信及傳感系統(tǒng)中的一個(gè)重要元件，光纖通信光源是光纖通信及傳感系統(tǒng)中的一個(gè)重要元件，光纖通信對(duì)光源的要求是輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，光對(duì)光源的要求是輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，光譜（譜線）寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長(zhǎng)譜（譜線）寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定（單色），光強(qiáng)穩(wěn)定（時(shí)間、溫度變化時(shí)），器件壽穩(wěn)定（單色），光強(qiáng)穩(wěn)定（時(shí)間、溫度變化時(shí)），器件壽命長(zhǎng)，小型化。命長(zhǎng)，小型化。半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)

3、半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)3.1.1半導(dǎo)體激光器的主要特性半導(dǎo)體激光器的主要特性3.1.2發(fā)光二極管發(fā)光二極管3.1.3半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用3.1.4v 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器(Laser Diode, LD)(Laser Diode, LD)，又稱為，又稱為注入式激光器，是光纖應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的器件之一。注入式激光器，是光纖應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的器件之一。v 和其他激光器相比，和其他激光器相比，LDLD具有體積小，重量輕，驅(qū)動(dòng)功率低，具有體積小，重量輕，驅(qū)動(dòng)功率低，輸出效率高，調(diào)制方便（直接調(diào)制），壽命長(zhǎng)和易于集成輸出效率高，調(diào)制方便（直

4、接調(diào)制），壽命長(zhǎng)和易于集成等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。vLDLD在光纖通信中的應(yīng)用主要包括：在光纖通信中的應(yīng)用主要包括： (1) (1) 各種數(shù)據(jù)、圖像等傳輸系統(tǒng)的發(fā)射光源；各種數(shù)據(jù)、圖像等傳輸系統(tǒng)的發(fā)射光源；3.1.1 半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)3.1.1 半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器工作原理和基本結(jié)構(gòu)v (2) 光纖光纖 CATV 系統(tǒng)的光源；系統(tǒng)的光源；v (3) 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 (EDFA) 和拉曼光纖放大器和拉曼光纖放大器 (RFA) 的的泵浦光源；泵浦光源；v (4) 未來全光通信網(wǎng)絡(luò)

5、中光交換、光路由、光轉(zhuǎn)發(fā)等關(guān)鍵未來全光通信網(wǎng)絡(luò)中光交換、光路由、光轉(zhuǎn)發(fā)等關(guān)鍵設(shè)備的光源。設(shè)備的光源。v半導(dǎo)體激光器按結(jié)構(gòu)可分為半導(dǎo)體激光器按結(jié)構(gòu)可分為: 法布里法布里-珀羅珀羅(F-P)型型LD、分布反饋分布反饋(DFB) LD、分布、分布 Bragg 反射器反射器(DBR)LD、量子、量子阱阱(QW) LD 和垂直腔面發(fā)射激光器和垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)等。等。一、一、 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)v 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)是雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)是雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)，平面條形結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖其示意圖如圖3.1.1所示。所示。v 所謂異質(zhì)結(jié)，是指由

6、兩種帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料組所謂異質(zhì)結(jié)，是指由兩種帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料組成的成的p-n結(jié)（也可能是結(jié)（也可能是p-p或或n-n結(jié)）。普通結(jié)）。普通p-n結(jié)也稱為同結(jié)也稱為同質(zhì)結(jié)。質(zhì)結(jié)。 圖圖3.1.1 雙異質(zhì)結(jié)平面條形雙異質(zhì)結(jié)平面條形LD的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)v 與其他激光器一樣，要產(chǎn)生激光必須有增益介質(zhì)、諧振腔與其他激光器一樣，要產(chǎn)生激光必須有增益介質(zhì)、諧振腔和泵浦源，在一定條件下就可以產(chǎn)生激光。同質(zhì)結(jié)和泵浦源，在一定條件下就可以產(chǎn)生激光。同質(zhì)結(jié)LDLD對(duì)半對(duì)半導(dǎo)體材料的要求是重?fù)诫s而且必須是導(dǎo)體材料的要求是重?fù)诫s而且必須是“直接帶隙直接帶隙”的半導(dǎo)的半導(dǎo)體材料。同質(zhì)結(jié)簡(jiǎn)并能帶圖如圖體材

7、料。同質(zhì)結(jié)簡(jiǎn)并能帶圖如圖3.1.23.1.2所示。所示。 圖圖3.1.2 3.1.2 同質(zhì)結(jié)簡(jiǎn)并能帶圖同質(zhì)結(jié)簡(jiǎn)并能帶圖一、一、 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)v 從圖從圖4.64.6中可以看出，當(dāng)注入電流密度加大到一定值后，準(zhǔn)中可以看出，當(dāng)注入電流密度加大到一定值后，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí) 和和 的能量間隔大于禁帶寬度的能量間隔大于禁帶寬度 時(shí)，時(shí)，即即 （伯拉德（伯拉德- -杜拉福格條件）時(shí)，杜拉福格條件）時(shí)，PN PN 結(jié)結(jié)中出現(xiàn)一個(gè)增益區(qū)（有源區(qū)），在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，價(jià)帶主要中出現(xiàn)一個(gè)增益區(qū)（有源區(qū)），在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，價(jià)帶主要由空穴占據(jù)，而導(dǎo)帶則主要由電子占據(jù)，即實(shí)現(xiàn)了由空穴占據(jù)，而

8、導(dǎo)帶則主要由電子占據(jù)，即實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)。 F()EF()EFFg()() EEEgE一、一、 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)v 電子由導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶，受激輻射將起主導(dǎo)作用，發(fā)出的電子由導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶，受激輻射將起主導(dǎo)作用，發(fā)出的光是激光。光是激光。v 由于重?fù)诫s，簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的有源區(qū)束縛電子和空穴的能力由于重?fù)诫s，簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的有源區(qū)束縛電子和空穴的能力較弱，需要很大的注入電流密度才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所較弱，需要很大的注入電流密度才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所以難以實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)工作，只能在低溫下工作。以難以實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)工作，只能在低溫下工作。v 為了降低電流密度閾值，人們研

9、究了為了降低電流密度閾值，人們研究了單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器。 二、二、 半導(dǎo)體激光器的基本工作原理半導(dǎo)體激光器的基本工作原理 圖圖3.1.3 3.1.3 異質(zhì)結(jié)激光器能帶示意圖異質(zhì)結(jié)激光器能帶示意圖二、二、 半導(dǎo)體激光器的基本工作原理半導(dǎo)體激光器的基本工作原理v 圖圖3.1.33.1.3是單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的能帶示意圖，是單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的能帶示意圖，利用異質(zhì)結(jié)特別是雙異質(zhì)結(jié)可以將電子和空穴更好地束縛利用異質(zhì)結(jié)特別是雙異質(zhì)結(jié)可以將電子和空穴更好地束縛在有源區(qū)的勢(shì)阱中。在有源區(qū)的勢(shì)阱中。v 不同半導(dǎo)體材料的帶隙差也使有源區(qū)的折射率

10、高于鄰近的不同半導(dǎo)體材料的帶隙差也使有源區(qū)的折射率高于鄰近的介質(zhì)，這樣使光子也限制在有源區(qū)內(nèi)，載流子和光子的束介質(zhì)，這樣使光子也限制在有源區(qū)內(nèi)，載流子和光子的束縛使得激光器的閾值電流密度大幅度下降，從而實(shí)現(xiàn)了室縛使得激光器的閾值電流密度大幅度下降，從而實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)工作。溫連續(xù)工作。二、二、 半導(dǎo)體激光器的基本工作原理半導(dǎo)體激光器的基本工作原理v 激光發(fā)射中心波長(zhǎng)可由激光發(fā)射中心波長(zhǎng)可由 得到得到 (3.1)(3.1) 法布里法布里- -珀羅諧振腔的作用是使光的方向性得到選擇珀羅諧振腔的作用是使光的方向性得到選擇，要，要使光在諧振腔內(nèi)建立穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的相位條使光在諧振腔內(nèi)建立穩(wěn)定的

11、振蕩，必須滿足一定的相位條件和振幅條件。件和振幅條件。 相位條件使發(fā)射光譜波長(zhǎng)得到選擇，振幅條件決定了半導(dǎo)相位條件使發(fā)射光譜波長(zhǎng)得到選擇，振幅條件決定了半導(dǎo)體激光器的電流閾值。體激光器的電流閾值。 ghEpg/hc E二、二、 半導(dǎo)體激光器的基本工作原理半導(dǎo)體激光器的基本工作原理v 相位條件是：相位條件是： m = 1, 2, 3, 4, v 式中，式中， 為光傳輸常數(shù)為光傳輸常數(shù)；L 為諧振腔長(zhǎng)度。所以滿足相位為諧振腔長(zhǎng)度。所以滿足相位條件的波長(zhǎng)為條件的波長(zhǎng)為 (3.2)(3.2)v 式中，式中，n 是有源區(qū)介質(zhì)的折射率；是有源區(qū)介質(zhì)的折射率；m = 1, 2, 3, 4, 是縱模是縱模模數(shù)

12、。模數(shù)。22Lm2/nL m二、二、 半導(dǎo)體激光器的基本工作原理半導(dǎo)體激光器的基本工作原理v 由于腔內(nèi)介質(zhì)有損耗，鏡面反射也有損耗，因此諧振腔由于腔內(nèi)介質(zhì)有損耗，鏡面反射也有損耗，因此諧振腔內(nèi)建立穩(wěn)定振蕩的幅度條件是內(nèi)建立穩(wěn)定振蕩的幅度條件是 (3.3)(3.3)v 式中，式中， 為增益系數(shù)閾值；為增益系數(shù)閾值； 為有源區(qū)的損耗系數(shù)；為有源區(qū)的損耗系數(shù)； , , 是兩個(gè)鏡面的反射率。是兩個(gè)鏡面的反射率。 v 由此可知由此可知 ，而增益系數(shù)大致與注入，而增益系數(shù)大致與注入 電流密度成正比，因此半導(dǎo)體激光器是閾值器件。電流密度成正比，因此半導(dǎo)體激光器是閾值器件。th()12e1g2LR Rthg1

13、R2Rth1211ln2gR RL二、二、 半導(dǎo)體激光器的基本工作原理半導(dǎo)體激光器的基本工作原理3.1.2 半導(dǎo)體激光器的主要特性半導(dǎo)體激光器的主要特性1 1激光發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性激光發(fā)射波長(zhǎng)和光譜特性 半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，即，即 hf=Eg 式中，式中，f=c/，f(Hz)和和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)， c=3108 m/s為光速，為光速，h=6.62810-34JS為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)

14、，1 eV=1.610-19 J，代入上式得到，代入上式得到ggEEhc24. 1 不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)波長(zhǎng)。鎵鋁砷。鎵鋁砷-鎵砷鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于材料適用于0.85m波段，波段，銦鎵砷磷銦鎵砷磷-銦磷銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于材料適用于1.31.55m波段。波段。 圖圖3.7是是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。在直流驅(qū)動(dòng)下，激光器的光譜特性。在直流驅(qū)動(dòng)下， 發(fā)射光波長(zhǎng)有一定分布，譜線具有明顯的模式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)發(fā)射光波長(zhǎng)有一定分布，譜線具有明顯的模式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是

15、因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶都是由許多連續(xù)能級(jí)組成的有一構(gòu)的產(chǎn)生是因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶都是由許多連續(xù)能級(jí)組成的有一定寬度的能帶，兩個(gè)能帶中不同能級(jí)之間電子的躍遷會(huì)產(chǎn)生定寬度的能帶，兩個(gè)能帶中不同能級(jí)之間電子的躍遷會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波長(zhǎng)的輻射光。連續(xù)波長(zhǎng)的輻射光。 圖圖 3.7 GaAlAs-DH激光器激光器的光譜特性的光譜特性 (a) 直流驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng); (b) 300 Mb/s數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 （a）（b）I=75mAI=85mAI=80mAI=100mA826824828830030352540波長(zhǎng)波長(zhǎng)/nm 其中只有符合激光振蕩的相位條件的波長(zhǎng)存在。這些波長(zhǎng)其中只有符合激光振蕩的相位條件的波長(zhǎng)存在。這些波長(zhǎng)取決于激

16、光器縱向長(zhǎng)度取決于激光器縱向長(zhǎng)度L，并稱為激光器的縱模。由圖，并稱為激光器的縱模。由圖3.7(a)可見，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變可見，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模窄。這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，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。變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。 圖圖3.7(b)是是300Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性，由圖可見，隨著數(shù)字調(diào)制的光譜特性，

17、由圖可見，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。用調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。用FP諧振腔諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如采用調(diào)制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如采用分布反饋激光器就可達(dá)到目的。分布反饋激光器就可達(dá)到目的。 激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來描述。近場(chǎng)是指激激光束的空間分布用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)來描述。近場(chǎng)是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布，遠(yuǎn)場(chǎng)是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分

18、布。圖定距離處的光強(qiáng)分布。圖3.8是是GaAlAs-DH激光器的近場(chǎng)圖激光器的近場(chǎng)圖和遠(yuǎn)場(chǎng)圖，近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是由諧振腔和遠(yuǎn)場(chǎng)圖，近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是由諧振腔(有源區(qū)有源區(qū))的橫向尺寸，即的橫向尺寸，即平行于平行于PN結(jié)平面的寬度結(jié)平面的寬度和垂直于結(jié)平面的厚度和垂直于結(jié)平面的厚度t所決定，所決定，并稱為激光器的橫模。由圖并稱為激光器的橫模。由圖3.8可以看出，平行于結(jié)平面的可以看出，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度諧振腔寬度由寬變窄，場(chǎng)圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；由寬變窄，場(chǎng)圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄，這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是單很薄，這個(gè)方向的場(chǎng)圖總是單橫模。橫模

19、。 2激光束的空間分布激光束的空間分布圖圖 3.8 GaAlAs-DH條形激光器的近場(chǎng)圖條形激光器的近場(chǎng)圖 W10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近場(chǎng)圖樣0.1rad遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣圖圖3. 9 典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性和遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣場(chǎng)輻射特性和遠(yuǎn)場(chǎng)圖樣(a)光強(qiáng)的角分布光強(qiáng)的角分布(b)輻射光束輻射光束 1.00.80.60.40.2080604020020406080T300 K輻射角(度)相對(duì)光強(qiáng)(a)(b) 圖圖3.9為典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，圖中為典型半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，圖中和和分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個(gè)光束的橫分

20、別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個(gè)光束的橫截面呈橢圓形。截面呈橢圓形。 3. 轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性 激光器的電激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率d表示，其定義表示，其定義是在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)是在閾值電流以上，每對(duì)復(fù)合載流子產(chǎn)生的光子數(shù))(edththIIhfpphfeIpeIIhfppththd/ )(/ )(由此得到由此得到 式中，式中，P和和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，Pth和和Ith分別為相應(yīng)的閾值，分別為相應(yīng)的閾值，hf和和e分別為光子能量和電子電荷

21、。分別為光子能量和電子電荷。激光器的光功率特性通常用激光器的光功率特性通常用P-I曲線表示，圖曲線表示，圖3.10是典型激光是典型激光器的光功率特性曲線。當(dāng)器的光功率特性曲線。當(dāng)IIth時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。增加。 )(edhfththIIpp圖圖 3.10 典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性典型半導(dǎo)體激光器的光功率特性(a) 短波長(zhǎng)短波長(zhǎng)AlGaAs/GaAs; (b) 長(zhǎng)波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80工作電流I / mA單面輸出功率P / mW3.53.02.52

22、.01.51.00.50050100150Ith工作電流I / mA輸出功率P / mW(a)(b) 在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率和調(diào)制頻率f的關(guān)的關(guān)系為系為 2222)/(4)/(1 )0()(ffffpfP4頻率特性頻率特性) 1(1210IIIIfthhpsp 式中，式中，f和和分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，Ith和和I0分別分別為閾值電流和偏置電流；為閾值電流和偏置電流；I是零增益電流，高摻雜濃度的是零增益電流，高摻雜濃度的LD，I=0， 低摻雜濃度的低摻雜濃度的LD, I=(0.70.8)Ith；sp為有源

23、區(qū)內(nèi)的電子為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，壽命，ph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。為諧振腔內(nèi)的光子壽命。 圖圖3.11示出半導(dǎo)體激示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率特性。弛豫頻率f是是調(diào)制頻率的上限，一調(diào)制頻率的上限，一般激光器的般激光器的f為為12 GHz。在接近。在接近f處，處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。生非線性失真。 圖圖 3.11 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性的直接調(diào)制頻率特性 0.010.11100.1110100fr調(diào)制頻率f / GHz相對(duì)光功率 對(duì)于線性良好的激光器，輸出光功率特性如上式和對(duì)于線

24、性良好的激光器，輸出光功率特性如上式和圖圖3.10所示。激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因：一是激所示。激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個(gè)原因：一是激光器的閾值電流光器的閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率d隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，Ith增大，增大，d減小，輸出光減小，輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。 當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值

25、電流隨溫度呈指數(shù)嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為)exp(00TTIIth5溫度特性溫度特性)(ththIIhfpped 式中，式中，I0為常數(shù)，為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材為激光器材料的特征溫度。料的特征溫度。GaAlAs-GaAs激光器激光器T0=100150K、InGaAsP-InP激光器激光器T0=4070 K，所以長(zhǎng)波長(zhǎng)，所以長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP-InP激激光器輸出光功率對(duì)溫度的變化更加敏感。光器輸出光功率對(duì)溫度的變化更加敏感。 外微分量子效率隨溫度的變化不十分

26、敏感，例如，外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感，例如， GaAlAs-GaAs激光器在激光器在77 K時(shí)時(shí)d50%，在，在300K時(shí)，時(shí)，d30%。 )exp(00TTIIth圖圖3.12示出脈沖示出脈沖調(diào)制的激光器，調(diào)制的激光器，由于溫度升高引由于溫度升高引起閾值電流增加起閾值電流增加和外微分量子效和外微分量子效率減小，造成的率減小，造成的輸出光功率特性輸出光功率特性P-I曲線的變化。曲線的變化。 圖圖 3.12 P-I曲線隨溫度的變化曲線隨溫度的變化 22304050607080P / mW54321050100I / mA不激射3.1.3 分布反饋激光器分布反饋激光器 隨著技術(shù)的進(jìn)步，

27、高速率光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和新型光纖隨著技術(shù)的進(jìn)步，高速率光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和新型光纖通信系統(tǒng)例如波分復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)，都對(duì)激光器提出更高的要通信系統(tǒng)例如波分復(fù)用系統(tǒng)的出現(xiàn)，都對(duì)激光器提出更高的要求。和由求。和由F-P諧振腔構(gòu)成的諧振腔構(gòu)成的DH激光器相比，要求新型半導(dǎo)體激激光器相比，要求新型半導(dǎo)體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長(zhǎng)更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低，特性；發(fā)射光波長(zhǎng)更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低，而輸出光功率更大。具有這些特性的動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種而輸出光功率更大。具有這些特性的

28、動(dòng)態(tài)單縱模激光器有多種類型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反饋類型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應(yīng)用的是分布反饋(Distributed Feed Back, DFB)激光器。激光器。 普通激光器用普通激光器用F-P諧振腔兩端的反射鏡，對(duì)激活物質(zhì)發(fā)出的諧振腔兩端的反射鏡，對(duì)激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋，輻射光進(jìn)行反饋，DFB激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱為分布反射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱

29、為分布反饋激光器。饋激光器。 圖圖3.13 分布反饋分布反饋(DFB)激光器激光器 (a) 結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋光反饋 衍射光柵有源層N層P層輸出光光柵有源層ba(a)(b) 如圖如圖3.13所示，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)所示，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射(如光線如光線a)，另一部分繼，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線如光線b)。如果光線。如果光線a和和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長(zhǎng)的光將匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波

30、長(zhǎng)的光將相互抵消。雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大，但整個(gè)光柵有成百相互抵消。雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大，但整個(gè)光柵有成百上千個(gè)波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。上千個(gè)波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。 光柵周期光柵周期由下式確定由下式確定eBnm2 式中，式中，ne為材料有效折射率，為材料有效折射率，B為布喇格波長(zhǎng)，為布喇格波長(zhǎng)，m為衍射級(jí)為衍射級(jí)數(shù)。數(shù)。 式中式中L為光柵長(zhǎng)度，其他符號(hào)與光柵周期表達(dá)式意義相同。為光柵長(zhǎng)度，其他符號(hào)與光柵周期表達(dá)式意義相同。在普通均勻光柵中，引入一個(gè)在普通均勻光柵中，引入一個(gè)/4相移變換，使原來的波峰變相移變換，使原來的波峰變波谷，波谷， 波谷變波峰，可以

31、有效地提高模式選擇性和穩(wěn)定性，實(shí)波谷變波峰，可以有效地提高模式選擇性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模激光器的要求?，F(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模激光器的要求。 在普通光柵的在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個(gè)閾值激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個(gè)閾值最低、增益相同的縱模，其波長(zhǎng)為最低、增益相同的縱模，其波長(zhǎng)為 )221(22, 1LneBB DFB激光器與激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 單縱模激光器。單縱模激光器。 FP激光器的發(fā)射光譜是由增益譜和激光器縱模特性共同激光器的發(fā)射光譜是由增益譜和激光器縱模特性共同決定的，由于諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰縱模決定的，由于

32、諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難。間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難。DFB激光激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期器的發(fā)射光譜主要由光柵周期決定。決定。相當(dāng)于相當(dāng)于FP激光器的激光器的腔長(zhǎng)腔長(zhǎng)L，每一個(gè)，每一個(gè)形成一個(gè)微型諧振腔。由于形成一個(gè)微型諧振腔。由于的長(zhǎng)度很小，的長(zhǎng)度很小，所以所以m階和階和(m+1)階模之間的波長(zhǎng)間隔比階模之間的波長(zhǎng)間隔比FP腔大得多，加之多腔大得多，加之多個(gè)微型腔的選模作用，很容易設(shè)計(jì)成只有一個(gè)模式就能獲得足個(gè)微型腔的選模作用，很容易設(shè)計(jì)成只有一個(gè)模式就能獲得足夠的增益。于是夠的增益。于是DFB激光器容易設(shè)

33、計(jì)成單縱模振蕩。激光器容易設(shè)計(jì)成單縱模振蕩。 譜線窄，譜線窄， 波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。 由于由于DFB激光器的每一個(gè)柵距激光器的每一個(gè)柵距相當(dāng)于一個(gè)相當(dāng)于一個(gè)FP腔，所以布腔，所以布喇格反射可以看作多級(jí)調(diào)諧，使得諧振波長(zhǎng)的選擇性大大提高，喇格反射可以看作多級(jí)調(diào)諧，使得諧振波長(zhǎng)的選擇性大大提高， 譜線明顯變窄，可以窄到幾個(gè)譜線明顯變窄，可以窄到幾個(gè)GHz。由于光柵的作用有助于使。由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善。發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善。 動(dòng)態(tài)譜線好。動(dòng)態(tài)譜線好。 DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性，這是激光器在高速調(diào)

34、制時(shí)也能保持單模特性，這是FP激光激光器無法比擬的。盡管器無法比擬的。盡管DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)存在啁啾，譜線激光器在高速調(diào)制時(shí)存在啁啾，譜線有一定展寬，但比有一定展寬，但比F-P激光器的動(dòng)態(tài)譜線的展寬要改善一個(gè)數(shù)激光器的動(dòng)態(tài)譜線的展寬要改善一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。量級(jí)左右。 線性好線性好 DFB激光器的線性非常好，激光器的線性非常好， 因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。電視光纖傳輸系統(tǒng)中。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器的工作原理與激光器(LD)有所不同，有所不同，LD發(fā)射的是受激輻射光，發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。發(fā)射的是

35、自發(fā)輻射光。LED的的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾芯片，把有源層夾在在P型和型和N型限制層中間，不同的是型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型沒有閾值。發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型LED，另一類是側(cè)面發(fā)光型另一類是側(cè)面發(fā)光型LED，和正面發(fā)光型，和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)相比，側(cè)面發(fā)光型光型LED驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率較小，但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而入纖光功率比正面發(fā)光角較小，與光

36、纖的耦合效率較高，因而入纖光功率比正面發(fā)光型型LED大。大。 3.1.4 發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖圖 3.14兩類發(fā)光二極管兩類發(fā)光二極管(LED)(a) 正面發(fā)光型；正面發(fā)光型； (b) 側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型 球透鏡環(huán)氧樹脂P層n層有源層發(fā)光區(qū)微透鏡P型限制層n型限制層有源層波導(dǎo)層 和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線性范圍寬光功率線性范圍寬，而且，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。因此，。因此， 這種器

37、件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。 發(fā)光二極管工作特性發(fā)光二極管工作特性 (1) 光譜特性。光譜特性。 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線較寬。一般短波長(zhǎng)選擇，譜線較寬。一般短波長(zhǎng)GaAlAs-GaAsLED譜線寬度為譜線寬度為3050nm，長(zhǎng)波，長(zhǎng)波InGaAsP-InPLED譜線寬度為譜線寬度為60120nm。隨。隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，譜線加寬，且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，譜線加寬，且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)長(zhǎng)方向移動(dòng)，短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)L

38、ED的移動(dòng)分別為的移動(dòng)分別為0.20.3 nm/和和0.30.5 nm/。 圖圖 3.15LED光譜特性光譜特性 1300波長(zhǎng) / nm70 nm相對(duì)光強(qiáng) (2) 光束的空間分布。光束的空間分布。 在垂直于發(fā)光平面上，正面發(fā)光型在垂直于發(fā)光平面上，正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分輻射圖呈朗伯分布，布， 即即P()=P0 cos，半功率點(diǎn)輻射角，半功率點(diǎn)輻射角120。側(cè)面發(fā)光型。側(cè)面發(fā)光型LED，120，2535。由于。由于大，大，LED與光纖的與光纖的耦合效率一般小于耦合效率一般小于10%。 (3) 輸出光功率特性。輸出光功率特性。 發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子發(fā)光二極管實(shí)

39、際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率數(shù)，一般外微分量子效率d小于小于10%。兩種類型發(fā)光二極管的。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖輸出光功率特性示于圖3.16。驅(qū)動(dòng)電流。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)，較小時(shí)， P-I曲線的線曲線的線性較好；性較好；I過大時(shí)，由于過大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P-I曲線的曲線的斜率減小。在通常工作條件下，斜率減小。在通常工作條件下，LED工作電流為工作電流為50100mA， 輸出光功率為幾輸出光功率為幾mW，由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾，由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百百W。 圖圖 3.16 發(fā)光二極管

40、發(fā)光二極管(LED)的的P-I特性特性 0100200300400500051015正面發(fā)光側(cè)面發(fā)光電流 I / mA發(fā)射功率P / mW (4) 頻率特性。頻率特性。 發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為2)2(11)0()()(efPfpfH 式中，式中，f為調(diào)制頻率，為調(diào)制頻率，P(f)為對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率為對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功的輸出光功率，率，e為少數(shù)載流子為少數(shù)載流子(電子電子)的壽命。定義的壽命。定義fc為發(fā)光二極管的截為發(fā)光二極管的截止頻率，當(dāng)止頻率，當(dāng)f=fc=1/(2e)時(shí)，時(shí)，|H(fc)|= ，最高調(diào)制頻率應(yīng)，最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。低于截止

41、頻率。 21 圖圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)，圖中顯示出少數(shù)載流示出發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)，圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命子的壽命e和截止頻率和截止頻率fc的關(guān)系。對(duì)有源區(qū)為低摻雜濃度的的關(guān)系。對(duì)有源區(qū)為低摻雜濃度的LED， 適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。在一般工作條件下，正面發(fā)光型率。在一般工作條件下，正面發(fā)光型LED截止頻率為截止頻率為2030 MHz，側(cè)面發(fā)光型，側(cè)面發(fā)光型LED截止頻率為截止頻率為100150 MHz。 圖圖 3.17 發(fā)光發(fā)光二極管二極管(LED)的頻率響應(yīng)的頻率響應(yīng) e1.1 nse2.1 nse 6

42、.4 ns1001000100.110調(diào)制頻率f / MHz頻率響應(yīng) H( f )3.1.5 半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用表表 3.2分布反饋激光器分布反饋激光器(DFB - LD)一般性能一般性能 LED通常和多模光纖耦合，用于通常和多模光纖耦合，用于1.3m(或或0.85m)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)樾∪萘慷叹嚯x系統(tǒng)。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光面積和光束輻射角較大，發(fā)光面積和光束輻射角較大，而多模而多模SIF光纖或光纖或G651規(guī)范的多模規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑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。和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖

43、功率。LD通通常和常和G.652或或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3m或或1.55m大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外都得到最廣泛大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外都得到最廣泛的應(yīng)用。分布反饋激光器的應(yīng)用。分布反饋激光器(DFB-LD)主要和主要和G.653或或G.654規(guī)規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。 在實(shí)際應(yīng)用中，通常把光源做成組件，圖在實(shí)際應(yīng)用中，通常把光源做成組件，圖3.18示出示出LD組

44、組件構(gòu)成的實(shí)例。偏置電流和信號(hào)電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路作用于件構(gòu)成的實(shí)例。偏置電流和信號(hào)電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路作用于LD， LD正向發(fā)射的光正向發(fā)射的光經(jīng)隔離器和透鏡經(jīng)隔離器和透鏡耦合進(jìn)入光纖，耦合進(jìn)入光纖，反向發(fā)射的光經(jīng)反向發(fā)射的光經(jīng)PIN光電二極管光電二極管轉(zhuǎn)換進(jìn)入光功率轉(zhuǎn)換進(jìn)入光功率監(jiān)控器，同時(shí)利監(jiān)控器，同時(shí)利用熱敏電阻和冷用熱敏電阻和冷卻元件進(jìn)行溫度卻元件進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)溫度控制控制(ATC)。 v在光纖傳輸線路的輸出端，必須有一個(gè)能夠轉(zhuǎn)換在光纖傳輸線路的輸出端，必須有一個(gè)能夠轉(zhuǎn)換光信號(hào)的接收裝置即光接收機(jī)。接收機(jī)的核心部光信號(hào)的接收裝置即光接收機(jī)。接收機(jī)的核心部件就是光探測(cè)器（光檢測(cè)器

45、）。件就是光探測(cè)器（光檢測(cè)器）。v光探測(cè)器能檢測(cè)出入射在其面上的光功率，并把光探測(cè)器能檢測(cè)出入射在其面上的光功率，并把這個(gè)光功率的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流。由于光信這個(gè)光功率的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流。由于光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)有損耗和失真，所以對(duì)光檢號(hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)有損耗和失真，所以對(duì)光檢測(cè)器的性能要求很高。測(cè)器的性能要求很高。v對(duì)光檢測(cè)器的要求是響應(yīng)度高，噪聲低和響應(yīng)速對(duì)光檢測(cè)器的要求是響應(yīng)度高，噪聲低和響應(yīng)速度快。度快。v光探測(cè)器主要有以下幾種不同的類型：光探測(cè)器主要有以下幾種不同的類型：光電倍增光電倍增管、熱電探測(cè)器、半導(dǎo)體光探測(cè)器等。管、熱電探測(cè)器、半導(dǎo)體光探測(cè)器等。v在半導(dǎo)體光探測(cè)器中，

46、光電二極管體積小，靈活在半導(dǎo)體光探測(cè)器中，光電二極管體積小，靈活度高，響應(yīng)速度快，在光纖通信系統(tǒng)中得到了廣度高，響應(yīng)速度快，在光纖通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的光電二極管有兩種類型，即泛的應(yīng)用。常用的光電二極管有兩種類型，即 PIN 光電二極管和雪崩光電二極管光電二極管和雪崩光電二極管( (APD) )。光電二極管工作原理光電二極管工作原理3.2.1PINPIN光電二極管光電二極管3.2.2雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APDAPD）3.2.3光電二極管一般性能和應(yīng)用光電二極管一般性能和應(yīng)用3.1.4 光電二極管光電二極管(PD)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能，

47、是由半導(dǎo)是由半導(dǎo)體體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。 如如3.1節(jié)所述，在節(jié)所述，在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶發(fā)生傾斜，在反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶發(fā)生傾斜，在PN結(jié)界面附近形成結(jié)界面附近形成耗盡層如圖耗盡層如圖3.19(a)。當(dāng)入射光作用在。當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于或等于帶隙量大于或等于帶隙(hfEg)， 便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸收光

48、子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子-空穴對(duì)。在耗盡層，空穴對(duì)。在耗盡層，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，區(qū)運(yùn)動(dòng)， 形形成漂移電流。成漂移電流。 3.2.1 光電二極管工作原理光電二極管工作原理 在耗盡層兩側(cè)是沒有電場(chǎng)的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分在耗盡層兩側(cè)是沒有電場(chǎng)的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場(chǎng)光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場(chǎng)作用下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂移電流分作用下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂移電流分量和擴(kuò)散電

49、流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和層和N層連接層連接的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為光電效的電路開路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入?yún)^(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種由成電信號(hào)。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸結(jié)構(gòu)成，在入射光作用

50、下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子收過程產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡(jiǎn)單的光電二極管流的器件，就是簡(jiǎn)單的光電二極管(PD)。 如圖如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱?，光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘海康氖窃黾雍谋M層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬壓，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量。由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量。由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提

51、高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會(huì)增加載流響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會(huì)增加載流子漂移的渡越時(shí)間，使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾，子漂移的渡越時(shí)間，使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾， 就需要改進(jìn)就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。 由于由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為稱為I)，這，這種結(jié)構(gòu)便是常

52、用的種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。光電二極管。 PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖3.20和圖和圖3.21。中。中間的間的I層是層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用(n)表示；兩表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的側(cè)是摻雜濃度很高的P型和型和N型半導(dǎo)體，用型半導(dǎo)體，用P+和和N+表示。表示。I層很層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子產(chǎn)生大量電子-空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩空穴對(duì)，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)側(cè)P+層和層和N+層很薄，

53、吸收入射光的比例很小，層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提個(gè)耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度高了響應(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器，來改變器件的響應(yīng)速度。件的響應(yīng)速度。 3.2.2 PIN光電二極管光電二極管圖圖3. 21 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)光電二極管結(jié)構(gòu)抗反射膜光電極(n)PNE電極(1) 量子效率和光譜特性。量子效率和光譜特性。 光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度或響應(yīng)度表示。量子效率表示。量子效率的的定義為一次光生電子

54、定義為一次光生電子-空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值 響應(yīng)度的定義為一次光生電流響應(yīng)度的定義為一次光生電流IP和入射光功率和入射光功率P0的比值的比值 式中，式中， hf為光子能量，為光子能量， e為電子電荷。為電子電荷。 PIN光電二極管主要特性：光電二極管主要特性： ehfPIhfPeIpp00/hfePIp0 量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。假設(shè)量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu)。假設(shè)器件表面反射率為零，器件表面反射率為零，P層和層和N層對(duì)量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略，層對(duì)量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略，在工作電壓下，在工作電壓下，I層全部耗盡，那么層全部耗盡，

55、那么PIN光電二極管的量子效光電二極管的量子效率可以近似表示為率可以近似表示為PIN光電二極管主要特性：光電二極管主要特性： )(exp(1a式中，式中，()和和分別為分別為I層的吸收系數(shù)和厚度。由上式可以看到，層的吸收系數(shù)和厚度。由上式可以看到，當(dāng)當(dāng)()1時(shí)，時(shí)，1，所以為提高量子效率，所以為提高量子效率，I層的厚度層的厚度要足夠大。要足夠大。 量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜()，對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的限制由，對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的限制由 確定。圖確定。圖3.22示出量示出量子效率子效率和響應(yīng)度和響應(yīng)度的光譜特性，由圖可見，的光譜特性，由圖可見，Si適用于適

56、用于0.80.9m波段，波段，Ge和和InGaAs適用于適用于1.31.6m波段。響應(yīng)波段。響應(yīng)度一般為度一般為0.50.6 (A/W)。 ggEEhc24. 1圖圖3-22 PIN光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m (W1)Si (2) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性。 光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間或截止頻率fc(帶寬B)表示。對(duì)于數(shù)字脈沖調(diào)制信號(hào)，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時(shí)間，

57、分別定義為脈沖上升時(shí)間r和脈沖下降時(shí)間f。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脈沖響應(yīng)時(shí)間 =r=f=2.20 (3.16) 對(duì)于幅度一定，頻率為=2f的正弦調(diào)制信號(hào)，用光生電流I()下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù)0時(shí)， fc= (3.17) PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間d和包括光電二極管在內(nèi)的檢測(cè)電路RC常數(shù)所確定。當(dāng)調(diào)制頻率與渡越時(shí)間d的倒數(shù)可以相比時(shí)， 耗盡層(I層)對(duì)量子效率()的貢獻(xiàn)可以表示為()= (3.18) 由()/(0)

58、= 得到由渡越時(shí)間d限制的截止頻率r35. 02102/)2/sin()0(ddww21fc= wvs42. 042. 00 式中，渡越時(shí)間d=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度， 比例于電場(chǎng)強(qiáng)度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出， 減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時(shí)間d，從而提高截止頻率fc，但是同時(shí)要降低量子效率。圖3.23示出Si-PIN光電二極管的量子效率與由渡越時(shí)間限制的截止頻率fc(帶寬)和耗盡層寬度w的關(guān)系。 由電路RC時(shí)間常數(shù)限制的截止頻率fc= dtcR21 式中，Rt為光電二極管的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的總和，Cd為結(jié)電容Cj和管殼分布電容的總和。 10100

59、100010000100060020010060 40 20 1064200.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.06 mSi-PIN0.950.900.850.800.6328帶寬 / MHz內(nèi)量子效率耗盡區(qū)寬度 / m400圖3.23 內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系WAcj 式中，為材料介電常數(shù)，A為結(jié)面積，w為耗盡層寬度。 (3) 噪聲。 噪聲是反映光電二極管特性的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響光接收機(jī)的靈敏度。光電二極管的噪聲包括由信號(hào)電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(Shot Noise)和由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1負(fù)載上消耗的噪聲功

60、率)來描述。 均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B 式中，e為電子電荷，B為放大器帶寬，IP和Id分別為信號(hào)電流和暗電流。 式(3.21)第一項(xiàng)2eIPB稱為量子噪聲，是由于入射光子和所形成的電子 - 空穴對(duì)都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生的。只要有光信號(hào)輸入就有量子噪聲。這是一種不可克服的本征噪聲， 它決定光接收機(jī)靈敏度的極限。 式(3.22)第二項(xiàng)2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。 暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流，它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流。暗電流與光電二極管的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如SiPIN， Id100nA。 均方熱噪