第3章 光源與光檢測器

1、第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 第第3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.1 半導(dǎo)體半導(dǎo)體LD的工作原理的工作原理 3.2 輸出光功率及光源與光纖的耦合輸出光功率及光源與光纖的耦合 3.3 LD的輸出光譜的輸出光譜 3.4 LD的調(diào)制響應(yīng)的調(diào)制響應(yīng) 3.5 LD的溫度特性與自動溫度控制（的溫度特性與自動溫度控制（ATC）3.6 LD的輸出光功率穩(wěn)定性與自動功率控制（的輸出光功率穩(wěn)定性與自動功率控制（APC） 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.7 DFB和和DBR激光器激光器 3.8 調(diào)諧激光器調(diào)諧激光器 3.9 其他類型的激光器其他類型的激光器 3.10 激光

2、器組件激光器組件3.11 半導(dǎo)體半導(dǎo)體LED 3.12 光檢測器光檢測器 3.13 PIN 3.14 APD 習(xí)題三習(xí)題三第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.1 半導(dǎo)體半導(dǎo)體LD的工作原理的工作原理 3.1.1 光放大 1. 受激輻射的概念 任何一個物理系統(tǒng)如原子內(nèi)部的電子是處于不同的能量軌道上的， 電子在每一個這樣的軌道上運動時具有確定的能量， 稱為原子的一個能級。 能級圖就是用一系列的水平橫線來表示原子內(nèi)部的能量關(guān)系的。 當(dāng)原子中的電子與外界有能量交換時， 電子就在不同的能級之間躍遷， 并伴隨有能量如光能、 熱能等的吸收與釋放。 3E2E1E第第3 3章章 光源與光檢測器光源

3、與光檢測器 考慮一個具有二能級的原子系統(tǒng)， 能級為E1和E2， 且E2E1， 如果照在其上的光波頻率為fc， 且光子的能量hfc滿足hfc=E2-E1, h為普郎克常數(shù), h6.6310-9(Js)， 則引起原子在不同的能級E1和E2之間的躍遷， E1E2 和E2E1之間的躍遷是同時發(fā)生的。 原子吸收了光子的能量從E1躍遷到E2， 原子從E2躍遷到 E1放出一個光子， E2E1受激輻射受激吸收受激輻射第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 其能量與入射光子的能量hfc一樣， 前者稱為受激吸收， 后者稱為受激輻射， 它與自發(fā)輻射是不同的， 它們合稱為光與物質(zhì)之間的三種相互作用, 即自發(fā)輻射

4、、 受激吸收、 受激輻射。 如果受激輻射超過受激吸收而占主導(dǎo)地位， 則入射的光信號會引起 E2E1之間的躍遷多于E1E2 之間的躍遷， 導(dǎo)致了能量為hfc的光子數(shù)的凈增加， 入射的光信號得到了放大;否則， 光信號將被衰減。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 根據(jù)物理學(xué)原理可知， 每個原子的E1E2的躍遷速率和E2E1的躍遷速率是一樣的， 可以用r表示。 如果假設(shè)能級E1和E2上的粒子數(shù)（電子的數(shù)目）分別為N1和N2， 則功率凈增益（單位時間的能量）為（N2-N1）rhfc。 顯然， 如果要實現(xiàn)信號放大， 該值必為正, 即（N2-N1）0,N2N1。 這一條件稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 之

5、所以稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，是因為在正常熱平衡狀態(tài)下， 低能級E1上的粒子數(shù)N1是大于高能級E2上的粒子數(shù)N2的,入射的光信號總是被吸收。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 練習(xí)練習(xí) 1. 計算一個波長為=1 m的光子能量， 分別對1 MHz和100 MHz的無線電波做同樣的計算。 2. 太陽向地球輻射光波， 設(shè)其平均波長=0.7 m， 射到地球外面大氣層的光強大約為I=0.14 W/cm2。 如果恰好在大氣層外放一個太陽能電池， 試計算每秒鐘到達太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)。 3. 如果激光器在=0.5 m上工作， 輸出1 W的連續(xù)功

6、率， 試計算每秒從激活物質(zhì)的高能級躍遷到低能級的粒子數(shù)。 4. 光與物質(zhì)間的互作用過程有哪些？ 5. 什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？ 什么情況下能實現(xiàn)光放大？ 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 2. 半導(dǎo)體光放大（器） 防反射膜輸出光輸入光有源區(qū)P 型N 型 半導(dǎo)體光放大器SOA的框圖。 SOA實際上是一個PN結(jié)， 中間的耗盡層實際上充當(dāng)了有源區(qū)， 當(dāng)光通過有源區(qū)時， 光由于受激輻射而得到了放大。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.3 P型半導(dǎo)體的能帶和電子數(shù) (a) 熱平衡; (b) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電子能量導(dǎo)帶電子價帶電子(a)(b) 半導(dǎo)體有兩個由電子能級構(gòu)成的能帶： 一個是

7、由許多能級構(gòu)成的能量低的價帶; 另一個是由許多能級構(gòu)成的能量高的導(dǎo)帶。 電子或空穴可以處在不同的能級上。 導(dǎo)帶與價帶之間稱為禁帶， 能量差為Eg， 中間不存在能級。對于一個P型半導(dǎo)體， 在熱平衡狀態(tài)下只有很少的電子位于導(dǎo)帶中， 如圖3.3 (a)所示。 將導(dǎo)帶看作能量高的E2能級， 將價帶看作能量低的E1能級， 這里的高低是指電子在能帶上的能量。在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布情況下， 導(dǎo)帶中的電子數(shù)是很多的， 如圖3.3(b)所示。 這時如有光照射， 將有更多的電子通過受激輻射從導(dǎo)帶躍遷到價帶（當(dāng)然是與通過受激吸收從價帶躍遷到導(dǎo)帶的電子數(shù)相比）， 實際上這就是半導(dǎo)體光放大器產(chǎn)生光增益或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件。 第

8、第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 半導(dǎo)體的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布可以通過對PN結(jié)加正向偏壓來實現(xiàn)。 PN結(jié)由P型和N型半導(dǎo)體組成。 P/N型半導(dǎo)體是在半導(dǎo)體中摻入合適的原子， 如硅中摻雜V族的磷P， 使它有多余的電子, 為N型半導(dǎo)體；若硅中摻入III族的硼B(yǎng)， 使其有多余的空穴，為P型半導(dǎo)體。 為了理解PN結(jié)， 可以將空穴理解為與電子一樣的電荷載流子， 只是極性與電子相反。施主 donor 受主 acceptor第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 當(dāng)P型和型半導(dǎo)體并行放置時， 如圖3.4(a)所示， 則型半導(dǎo)體中的空穴將向型半導(dǎo)體擴散， 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器

9、 圖3.4 用作放大器的正向偏置的結(jié) (a) 結(jié)； (b) 沒有正向偏置電壓時的少數(shù)載流子和耗盡層； (c) 施加正向偏置電壓Uf時的少數(shù)載流子和耗盡層Uf(c)(b)耗盡層(a)P 型N 型第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 型半導(dǎo)體中的電子將向型半導(dǎo)體擴散， 將形成如圖3.4(b)所示的在型半導(dǎo)體中有凈負電荷, 在型半導(dǎo)體中有凈正電荷的狀態(tài)。 它們組成了結(jié)的空間電荷區(qū)， 也稱為耗盡層。 沒有外加偏置電壓時， 少數(shù)載流子即型半導(dǎo)體中的電子和型半導(dǎo)體中的空穴將保持原有的熱平衡。 當(dāng)有正向偏置電壓施加在結(jié)上時(如圖3.4(c)所示), 耗盡層的厚度將減小， 型半導(dǎo)體中的電子將向型半導(dǎo)體

10、漂移， 漂移運動的結(jié)果使型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中有了電子； 同樣， 型半導(dǎo)體中的空穴將向型半導(dǎo)體漂移， 漂移運動的結(jié)果使型半導(dǎo)體的價帶中有了空穴。 當(dāng)正向偏置電壓足夠大時， 增加的少數(shù)載流子引起了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 因此， 結(jié)可用作光放大器。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 半導(dǎo)體光放大器中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件（受激輻射超過吸收）是波長或頻率的函數(shù)， 如入射光波的頻率為fc， 則滿足hfcEg(Eg為半導(dǎo)體的禁帶寬度)。 如果與Eg對應(yīng)的最低光頻或最長光波長能夠放大， 則隨著正向偏壓的加大， 該波長的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件首先滿足， 隨著正向偏置電壓的加大, 注入的電子占據(jù)了型半導(dǎo)體的高能級， 這

11、時短波長的信號開始放大。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.1.2 F-P腔半導(dǎo)體激光器 圖3.5 F-P光學(xué)諧振腔增益介質(zhì)反射鏡面有源區(qū) PN注入電流 如果將放大器置于如圖3.5所示的F-P腔內(nèi)， 就構(gòu)成了一個F-P腔放大器。第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 如果將放大器置于如圖3.5所示的F-P腔內(nèi)， 就構(gòu)成了一個F-P腔放大器。 F-P腔實際上是由兩個平行的平面反射鏡構(gòu)成的， 它使得只有與腔內(nèi)諧振波長相對應(yīng)的波的增益增高。 換句話說, F-P腔具有波長選擇性。 圖3.5所示的F-P腔， 其右端面將一部分光透射過去， 另一部分光被反射回來后在其左端面又反射回來。

12、 與腔內(nèi)諧振波長相對應(yīng)， 通過右端面發(fā)送出去的所有光波其相位相互疊加。 相位疊加的結(jié)果是發(fā)送出去的光波其幅度比其他波長的光波得到了很大的增強， 因而， 端面的部分反射作用使光放大器的增益變成了波長的函數(shù)。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 要有一個能使受激輻射和光放大過程持續(xù)的構(gòu)造：要有一個能使受激輻射和光放大過程持續(xù)的構(gòu)造：全反全反射鏡射鏡半反半反射鏡射鏡激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)全全反反射射鏡鏡半半反反射射鏡鏡工作原理：工作原理：out光放大原理光放大原理第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.2 輸

13、出光功率及光源與光纖的耦合輸出光功率及光源與光纖的耦合 LD的輸出光功率是隨著注入電流的不同而改變的。 注入電流常用毫安(mA)來表示， 光功率的單位為毫瓦(mW), 但實際工程應(yīng)用中常用分貝(dB)來表示。 其定義為mWmWPdBP1)(lg10)(（3.1） 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.2.1 閾值特性 半導(dǎo)體激光器是一閾值器件， 它的工作狀態(tài)， 隨注入電流的不同而不同。 當(dāng)注入電流較小時， 激活區(qū)不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)地位， 激光器發(fā)射普通的熒光。 隨注入電流量的增加， 激活區(qū)里實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 受激輻射占主導(dǎo)地位。 但當(dāng)注入電流小于閾值電流時， 諧

14、振腔內(nèi)的增益還不足以克服如介質(zhì)的吸收、 鏡面反射不完全（反射系統(tǒng)100%）等引起的諧振腔的損耗時， 不能在腔內(nèi)建立起振蕩， 激光器只發(fā)射較強熒光， 這種狀態(tài)稱為“超輻射”。 只有當(dāng)注入電流大于閾值電流時， 才能產(chǎn)生功率很強的激光。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.2.2 注入電流(I)與光功率(P)響應(yīng)特性 從光與物質(zhì)相互作用的角度看， 半導(dǎo)體激光器的特性是腔內(nèi)光場與電子空穴對相互作用的結(jié)果。 它與注入載流子密度和產(chǎn)生的光子密度變化有關(guān)。 這可用速率方程（形象地表述了物質(zhì)（電子數(shù)）與光場（光子數(shù)）之間的相互作用）來描述。 為了簡化， 設(shè)激光器的電流注入是均勻的， 光子被完全限

15、制在激活區(qū)內(nèi)， 光子和電子在腔內(nèi)均勻分布。 二能級系統(tǒng)的速率方程可寫為eepppepeepeeNNNNNAdtdNNNNNAedJdtdN)()(00（3.2） 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 在穩(wěn)態(tài)情況下， , 用Ne 和Np 分別表示電子密度和光子密度， 則速率方程變?yōu)?dtd0)()(00eepppeeepeNNNNNAedJNNNNA(3.3) 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 考慮閾值以下和剛達閾值時的情況， 這時受激復(fù)合項與自發(fā)復(fù)合項相比可忽略， 即Np =0, 則式(3.3)有)(theeJJNedJ (3.4) 在閾值時, 有 ethethNedJ)(

16、第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 在閾值以上， 受激輻射占主導(dǎo)地位， 通常很?。?0-310-5量級）， 可忽略自發(fā)輻射項， 則式(3.3)有)(thppJJedN (3.5) 根據(jù)以上分析可知， 理想激光器的輸出功率P（正比于光子濃度）與注入電流I的曲線如圖3.6所示。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.6 LD的P-I曲線102030閾值303P(光功率) / mWI(注入電流) / mA第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 要形成穩(wěn)定激光振蕩, 輸出的那些波長應(yīng)滿足兩個條件。 第一個條件是： 光波長應(yīng)在增益譜之內(nèi)， 如果是長波長激光器， 則波長應(yīng)位

17、于12251560 nm范圍內(nèi)。 第二個條件是： 諧振腔的長度應(yīng)為半波長的整數(shù)倍。 對于給定的激光器， 滿足第二個條件的波長稱為激光模式， 有一個波長對應(yīng)一個模式， 它與前面討論的光纖中的模是不一樣的， 前者為波導(dǎo)模式， 后者嚴格地說是空間模式， 為了區(qū)別開， 可以稱為縱模。 3.3 LD的輸出光譜的輸出光譜第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.3.1 多縱模和單縱模LD 根據(jù)激光器輸出的模式振蕩, 可分為多縱模激光器MLM（Multiple Longitudinal Mode）和單縱模激光器SLM(Single Longitudinal Mode) 。 MLM激光器通常有寬（大）

18、的光譜寬度， 典型值約為10 nm。 圖中， L為激光器的腔長， n為腔內(nèi)折射率， c/2nL為縱模間隔。 圖3.10 MLM和SLM的光譜 (a) MLM的光譜； (b) SLM的光譜幾個納米c/2nL:100200 GHz(a)ff(b)第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 單縱模LD 由前面的分析可知， 由于光纖中存在色散， 譜寬很寬對高速光通信系統(tǒng)是很不利的，因此光源的譜寬應(yīng)盡可能地窄， 即希望激光器僅僅工作在單縱模狀態(tài)。 SLM激光器可以利用濾波器原理來選擇所需的波長， 同時對不需要的波長提供損耗。 SLM的重要特性是其邊模抑制比SSR（Side mode Suppressi

19、on Ratio）, 它決定了相對于主模的其他縱模被抑制的程度。 典型的SSR的值為30 dB。 目前有分布反饋DFB、 外腔反饋等常用方法來實現(xiàn)單縱模。 具體原理在下面介紹。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.7 DFB和和DBR激光器激光器 前面討論的F-P腔激光器， 其光的反饋是由腔體兩端面的反射提供的， 其位置是確定的， 就在端面上。 光的反饋也可以是分布方式， 即由一系列靠得很近的反射端面的反射提供， 最通常的做法是將腔體的寬度設(shè)計成周期性變化的， 如圖3.16(a)和(b)所示。 圖3.16 DFB和DBR激光器的結(jié)構(gòu) (a) DFB激光器； (b) DBR激光器周

20、期性變化周期性變化周期性變化有源區(qū)(a)(b)第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 入射的光波在周期性變化的部分經(jīng)歷了一系列的反射， 這些反射光波的每一個對最終從腔體發(fā)出的光波的貢獻是相位疊加。 如果變化的周期是腔體中光波波長的整數(shù)倍， 那么就滿足腔體內(nèi)的駐波條件， 這一條件稱為布拉格條件。 雖然一系列波長滿足布拉格條件， 但是只有滿足變化周期為1/2波長的整數(shù)倍的那個波長才能對形成最強的反射光波有貢獻， 而其他的那些波長對形成最強的反射光波沒有貢獻， 也就是說與其他波長相比， 只有該波長得到優(yōu)先放大。 DFB（Distributed Feed Back）激光器僅指周期性出現(xiàn)在腔體的有

21、源增益區(qū)， 如圖3.16(a)所示。 如果周期性出現(xiàn)在有源增益區(qū)的外面, 如圖3.16(b)所示， 則稱為DBR(Distributed Brag Reflection)激光器。 DBR激光器的優(yōu)點是它的增益區(qū)和它的波長選擇是分開的， 因此可以對它們分別進行控制。 例如， 通過改變波長選擇區(qū)的折射率， 可以將激光器調(diào)諧到不同的工作波長而不改變其他的工作參數(shù)。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 另一種抑制其他縱模的方法是再采用一個腔， 常稱為外腔， 它緊接著提供增益的主腔， 如圖3.17所示。 和主腔有諧振波長一樣， 外腔也存在諧振波長。 同樣是在外腔中使用反射端面就可以達到此目的。

22、 使用外腔的最終結(jié)果是， 只有那些既是主腔的諧振波長又是外腔的諧振波長的波長才能形成振蕩。 通過合理設(shè)計兩種腔就可以使主腔增益帶寬內(nèi)的一個波長滿足該條件， 因而激光振蕩可以限制為一個單縱模。 圖3.17 外腔半導(dǎo)體激光器增益腔外腔第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.8 調(diào)調(diào) 諧諧 激激 光光 器器 3.8.1 外腔調(diào)諧激光器 外腔激光器只需改變光柵或其他波長選擇反射鏡的中心波長就可以調(diào)諧。 考慮如圖 3.18 所示的光柵外腔激光器， 由于光柵的選擇性反射回增益腔的波長是由光柵的刻痕間距和相對于增益腔端面的傾斜角決定的， 因此改變光柵到增益腔的距離及傾斜角， 就可改變激光的波長。這

23、種方法是采用機械調(diào)諧， 因而速度較慢， 但調(diào)諧的范圍較大。 對于半導(dǎo)體激光器, 調(diào)諧范圍大約有100 nm。 這種調(diào)諧光源可用于測試儀表, 但對于通信所要求的小型光源不適合。 圖3.18 光柵外腔半導(dǎo)體激光器激光增益腔防反射膜透鏡光柵第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.8.2 雙電極半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器的快速調(diào)諧方法是基于半導(dǎo)體的折射率隨注入電流改變這一事實的。在DBR激光器中， 通過增加注入電流引起的折射率的改變導(dǎo)致了光柵刻痕的改變， 因而波長發(fā)生了改變。 若注入兩個電流IB和Ig， IB注入到增益區(qū)， Ig注入到布拉格區(qū)域， 將會對功率和波長分別實現(xiàn)控制。 這種激光器稱

24、為雙電極DBR激光器， 它是用于光纖通信的很有發(fā)展前途的半導(dǎo)體調(diào)諧光源， 調(diào)諧寬度為8 nm。 能夠發(fā)射20個波長的這種激光器已研制成功。第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.9 其他類型的激光器其他類型的激光器 3 . 9 . 1 垂 直 腔 面 發(fā) 光 激 光 器（VCSELs） 多模激光器的縱模間隔為c/2nL， L為腔長， n為它的折射率。 如果使腔長特別短, 則縱模間隔就很大， 就可以使增益譜內(nèi)只有一個波長, 從而獲得單縱模。這是由在半導(dǎo)體基片的上下兩個端面的反射鏡構(gòu)成的垂直腔，激光也是從它的一個表面（常常為上端面）輸出的。 因此， 該激光器稱為垂直腔激光器或VCSELs

25、（Vertical Cavity Surface Emitting Lasers）。 圖3.19 垂直腔激光器VCSELs的結(jié)構(gòu) 輸 出 激 光上 面 的 反 射 鏡下 面 的 反 射 鏡增 益 區(qū)第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.9.2 鎖模激光器 鎖模激光器常用作產(chǎn)生超短（脈沖寬度很窄）光脈沖。 設(shè)一個F-P腔激光器其振蕩模式是N個相鄰的縱模， 這意味著如果縱模的波長分別為0、 1、 、 N-1， 則腔長L應(yīng)滿足L=(k+1)i/2， i=0,1,2,N-1, k為任意整數(shù)。這一條件等價于相應(yīng)的模的頻率分別為f0、 f1、 、 f N-1, 且滿足fi=f0+if， i=0

26、,1,2， N-1。 對應(yīng)于頻率fi的振蕩為ai cos(2fit+i), ai為模的振幅， i為模的相位（嚴格說來這是與縱模相關(guān)的電場的時間分布），則總的激光輸出為)2cos(10iiiNit fa第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 Concepts of Mode LockingOut of phaseRANDOMIrradiance vs. TimeIn phase第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.20 鎖模激光器的光強隨時間變化的波形 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.21 腔內(nèi)增益幅度調(diào)制鎖模激光器的波形 第第3 3章章 光源與光檢測器光

27、源與光檢測器 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.11 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 LED 3.11.1 LED的結(jié)構(gòu) LED主要有五種結(jié)構(gòu)類型， 但在光纖通信中獲得了廣泛應(yīng)用的只有兩種， 即面發(fā)光二極管(SLED)和邊發(fā)光二極管(ELED)。 另三種LED為平面LED、 圓頂形LED和超發(fā)光LED, 其中前兩種發(fā)光強度低， 在采用價廉的塑料封裝后， 可作為可見光及近紅外的顯示、 報警、 計算及其他工業(yè)應(yīng)用。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 超發(fā)光LED在結(jié)構(gòu)上介于ELED與LD之間， 其一端有光損耗， 以抑制激光發(fā)射， 沒有光反饋， 注入電流在受激發(fā)射值以下。 其優(yōu)點是輸出

28、功率比SLED或ELED高（=0.87 m時脈沖功率可達60 mW， =1.3 m時耦合入單模光纖的功率達1 mW）， 輸出光束的方向性好， 譜線較窄（1.3 m時FWHM寬30 nm), 調(diào)制帶寬大（-1.5 dB 時帶寬達350 MHz）， 因此超發(fā)光LED也非常適合于光纖通信應(yīng)用。 但與SLED及ELED相比， 其主要缺點是輸出特性的非線性較大,且輸出功率隨溫度的變化非常大, 使用時必須制冷。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.23為SLED的典型結(jié)構(gòu)。 雙異質(zhì)結(jié)生長在二極管頂部的N-GaAs襯底上， P-GaAs 有源層厚度僅為12 m， 與其兩邊的N-GaAlAs和

29、P-GaAlAs構(gòu)成兩個異質(zhì)結(jié)， 限制了有源層中的載流子及光場分布。 有源層中產(chǎn)生的光發(fā)射穿過襯底耦合入光纖， 由于襯底材料的光吸收很大， 用選擇腐蝕的辦法在正對有源區(qū)的部位形成一個凹坑， 使光纖能直接靠近有源區(qū)。在P-GaAs一側(cè)用Si2掩膜技術(shù)形成一個圓形的接觸電極， 從而限定了有源層中有源區(qū)的面積， 其大小與光纖纖芯面積相當(dāng)(直徑為4050 m)。 流過有源區(qū)的電流密度約為2000A/cm2。 這種圓形發(fā)光面發(fā)出的光輻射具有朗伯分布， 如圖3.24(a) 所示。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 它在方向的輻射強度為 I（）=I0 cos 其中， I0為沿=0方向的輻射強度。

30、 由圖3.24(b)可見， SLED的輸出有很寬的角向分布， 半功率點束寬=120。 因此， 它與光纖的直接耦合效率很低， 僅有約4%。 為了提高耦合效率， 可在發(fā)光面與光纖之間形成微透鏡， 從而使入纖功率提高23倍（見第3.2.3節(jié)）。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.23 GaAlAs-DH-SLED的結(jié)構(gòu) 50 m金屬電極凹坑光輸出光纖樹脂光輻射N-GaAs襯底N-AlGaAsP-GaAsP-AlGaAsP-GaAs金屬化層SiO2接觸電極光發(fā)射區(qū)第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.24 SLED的光輻射分布 I()I01.00.50904504590

31、(a)(b)第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.25 條形AlGaAs-DH-ELED的結(jié)構(gòu)條形接觸65 mP-AlGaAsSiO2N-AlGaAs有源層載流子約束層N-AlGaAsP-AlGaAs 30|120150 m光導(dǎo)層金屬化電極金屬化電極350 mN-GaAsN-GaAs襯底第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.11.2 LED的特性 1. P-I特性 LED的輸出光功率P與電流I的關(guān)系即P-I特性如圖3.26所示。 LED是非閾值器件， 其發(fā)光功率隨工作電流的增大而增大， 并在大電流時逐漸飽和。 LED的工作電流通常為50100 mA， 這時偏置電壓為1

32、.21.8 V， 輸出功率約為幾毫瓦。工作溫度提高時， 同樣工作電流下LED的輸出功率要下降。 例如當(dāng)溫度從20提高到70時， 輸出功率將下降約一半。 但相對LD而言， 溫度的影響較小。 151050SLEDELED20702070100200300 400 500電流 / mA發(fā)射功率 / mW圖3.26 LED的特性第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 2. 頻譜特性 如前所述， LED的工作基于半導(dǎo)體的自發(fā)輻射。 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶和價帶都有許多不同的能級（如圖3.27(a)所示）， 大多數(shù)的載流子復(fù)合發(fā)生在平均帶隙上， 但也有一些復(fù)合發(fā)生在最低及最高能級之間。 設(shè)平均帶隙為Eg，

33、 則偏移量Eg在kT2kT范圍內(nèi)（k為玻爾茲曼常數(shù)， T為結(jié)溫）。 因此， LED的發(fā)射波長在其中心值附近占據(jù)較大的范圍。定義光強下降一半的兩點間波長變化為輸出譜線寬度(半功率點全寬FWHM), 這就是光源的線寬, 如圖3.27(b)所示。 在室溫下， 短波長LED的線寬約為2540 nm， 長波長LED的線寬則可達75100 nm。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.27 導(dǎo)帶和價帶能級間的光發(fā)射和線寬 （a） 光發(fā)射; （b） 線寬導(dǎo)帶價帶10.5歸一化光功率g(a)(b)第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 LED的

34、線寬與許多因素有關(guān)。 首先， 線寬隨有源層摻雜濃度的增加而變寬。 通常， SLED為重摻雜， ELED為輕摻雜， 因此ELED的線寬稍窄。 其次, 載流子在高溫下有更寬的能量分布，因此， LED線寬隨溫度升高而加寬。 大電流時， 因結(jié)溫升高而線寬加大， 同時峰值波長向長波長移動， 移動速度為0.20.3 nm/（短波長器件）或0.30.5 nm/(長波長器件)， 因此， 光纖色散的影響較嚴重， 限制了傳輸距離和速率。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3. 調(diào)制特性 LED的光功率輸出可直接由信號電流來調(diào)制。 在數(shù)字調(diào)制時， 它可由電流源直接調(diào)制； 在模擬調(diào)制時， 則先要將LED直

35、流偏置。 LED的調(diào)制特性主要包括線性和帶寬兩個參量。 從LED的P-I特性可知， 當(dāng)注入電流小時， 其線性相當(dāng)好； 但當(dāng)注入電流較大時， 由于PN結(jié)發(fā)熱而逐漸出現(xiàn)飽和。 因此， 即使對于線性要求較高的模擬傳輸來說， LED工作在線性區(qū)時也是非常合適的光源。 但若是對線性要求特別高（如廣播電視傳輸）， 則常常需要進行線性補償。 衡量光源線性指標(biāo)的參數(shù)是總諧波失真（THD）， 它是指各次諧波總的電功率占總的基波電功率的比率。 在高質(zhì)量電視傳輸時, 要求光源的諧波失真小于-60-70 dB， 但一般LED的THD僅能達到-30-40 dB， 因此需要進行補償。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與

36、光檢測器 調(diào)制特性的另一個重要參量是它的調(diào)制帶寬。 在調(diào)制頻率較低時， 交流功率正比于調(diào)制電流; 但隨著調(diào)制頻率的提高， 交流功率會下降。 設(shè)LED受頻率的信號調(diào)制， 則它的輸出功率可以表示為21)0()(PP （3.17） 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 式中， P(0)為直流(=0)時的光輸出， 為LED及驅(qū)動電路的時間常數(shù)。 對于設(shè)計優(yōu)良的驅(qū)動電路， 主要取決于LED有源層中少數(shù)載流子的壽命。 在上式中， 當(dāng)=1/時， P（）=0.707P(0)。 在接收機中， 檢測電流正比于光功率， 光功率下降到0.707(-1.5 dB)時， 接收電功率下降到（0.707）2=0.5，

37、 即-3 dB。 因此， 1/就是LED的3 dB調(diào)制帶寬或 3 dB 電帶寬， 即213dBF（3.18） 顯然， 3 dB光帶寬要大于3 dB電帶寬。 為了提高調(diào)制帶寬， 縮短少數(shù)載流子壽命是惟一的方法。 但載流子壽命取決于輻射復(fù)合（產(chǎn)生光子）壽命r與無輻射復(fù)合（不產(chǎn)生光子， 能量轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式）壽命nr。 為了提高調(diào)制帶寬， 應(yīng)使r盡量小， 同時應(yīng)使rnr。 雖然減小有源層厚度d可以增大調(diào)制帶寬， 但也會使LED的發(fā)光效率下降。 因此在LED的調(diào)制帶寬和效率之間必須采取折衷。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 由于大多數(shù)LED是高摻雜的， 因此其內(nèi)量子效率一般在50%左

38、右， 即1/2。 LED的功率帶寬積可表示為rJehcP（3.19） 對一定的注入電流來說， 它是常數(shù)。 若增加有源層中的摻雜， 則r減小， 從而使增大， 但同時功率P按同樣比例減小， 這樣， 響應(yīng)速度快的LED的輸出功率不如響應(yīng)慢的LED的輸出功率大， 這已被許多實驗證實。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.2.3 光源與光纖的耦合 怎樣把光源發(fā)出的光有效地耦合進光纖是光發(fā)送機設(shè)計的一個重要問題。 光源和光纖耦合的好壞可以用耦合效率來衡量， 它的定義為SFPP（3.6） 式中， PF為耦合入光纖的功率， PS為光源發(fā)射的功率。 的大小取決于光源和光纖的類型， LED和單模光纖

39、的耦合效率較低， LD和單模光纖的耦合效率更低。 2118151296300.10.20.30.40.50.61.00.50.20.10.050.020.01光纖 NA耦合損耗 / dB耦合效率面發(fā)光LED邊發(fā)光LEDLD圖3.7 光源與光纖的耦合效率（耦合損耗）的比較第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 影響光源與光纖耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑（NA）。 發(fā)散角越大， 耦合效率越低； 數(shù)值孔徑NA越大， 耦合效率越高。 此外， 光源的發(fā)光面、 光纖端面尺寸、 形狀以及二者間距都會直接影響耦合效率。 針對不同的因素， 通常用兩種方法來實現(xiàn)光源與光纖的耦合， 即直接

40、耦合和透鏡耦合。光纖球端P 電極50 m0.7 m2 m20 m(a)(b)截頭透鏡(c)InP(集成微透鏡)N-InP襯底圖3.8 面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.9 光源與光纖的透鏡耦合光纖光纖光纖柱透鏡球面透鏡光源GRIN棒(a)(b)(c)第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.12 光光 檢檢 測測 器器 光檢測器的基本工作原理如圖3.28所示。 光檢測器由半導(dǎo)體材料制成， 當(dāng)光照射到其表面時， 價帶中的電子吸收光子， 獲得能量的電子躍遷到導(dǎo)帶， 同時在價帶中留下了空穴。 在外加偏置電壓的情況下， 電子空穴對的運動形成了電流

41、， 這個電流常稱為光生電流。 圖3.28 半導(dǎo)體光檢測器的原理光子電子導(dǎo)帶hfc /e價帶eU空穴Eg第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.12.1 波長響應(yīng) 根據(jù)量子力學(xué)原理可知， 每個在能級之間躍遷的電子只能吸收一個光子。 要產(chǎn)生光電流, 入射光子的能量必須至少等于禁帶寬度， 如圖3.28所示， 這導(dǎo)致了對光頻率fc或波長的限制。 設(shè)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度為Eg， 則gceEhchf 式中, c為光速， e為電子電荷。 滿足該限制條件的最大波長稱為截止波長截止。第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.12.2 光電轉(zhuǎn)換效率與響應(yīng)度 被光子吸收， 產(chǎn)生了光電流的那部分光信

42、號能量稱為光檢測器的量子效率。 對于高速率、長距離的系統(tǒng)， 光能量是很重要的, 因而在設(shè)計光檢測器時應(yīng)使其量子效率盡可能地接近1。 為了獲得如此高的量子效率， 常采用具有一定厚度的半導(dǎo)體平板。 對于厚度為L（ m）的半導(dǎo)體平板， 其吸收的光功率吸收的光功率為 P吸收=(1-e-L)Pin （3.20） 式中， Pin為輸入的光功率， 為材料的吸收系數(shù)。 因此， 量量子效率子效率為LinePP1吸收(3.21) 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 光檢測器常用另一個參數(shù)響應(yīng)度響應(yīng)度R來衡量， 其定義為光生電流Ip(A)與輸入光功率Pin（W）之比， 即)/(WAPIRinp（3.22）

43、 因為入射光功率Pin對應(yīng)于單位時間（秒）內(nèi)平均入射的光子數(shù)Pin/(hfc)， 而入射光子的量子效率部分被吸收， 并在外電路中產(chǎn)生光電流， 則有)/(WAhfeRc（3.23）響應(yīng)度用波長表示為 )/(24. 1WAhceR（3.24）第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 圖3.29 采用反向偏置的結(jié)制作光檢測器 (a) PN結(jié)； (b) 沒有偏置電壓時的耗盡層; (c) 反向偏置Va時的耗盡層; (d) 反向偏置時的內(nèi)建電場Ua(c)(b)耗盡層(a)P 型N 型耗盡層光信號(d)第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.12.

44、3 響應(yīng)速度 響應(yīng)速度是光電二極管的一個重要參數(shù)， 除了與上面提到的漂移運動和擴散運動速度有關(guān)外， 它還與負載電路RC參數(shù)有關(guān)。 R為其負載電阻， 一般較小， 可以忽略。 C為其結(jié)電容， 是限制其響應(yīng)速度的主要因素。 當(dāng)光信號的速率進一步提高時， 寄生電感成為主要因素并引起散粒(散彈)噪聲， 該噪聲可由下式估計： 2e(Is+I暗電流) （3.25） 式中, Is為光信號電流， I暗電流是沒有光信號時產(chǎn)生的電流。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.12.4 噪聲 光檢測器的噪聲主要包括： 熱噪聲、 暗電流噪聲和漏電流噪聲、 散彈噪聲等。 1. 熱噪聲 熱噪聲來源于電阻內(nèi)部自由電

45、子或電荷載流子的不規(guī)則熱運動。 檢測器具有內(nèi)阻， 所以也有熱噪聲， 其熱噪聲的均方電壓和電流值為RkTBiT42（3.26） 因為熱噪聲是一種白噪聲， 所以在檢測器前面可以用光濾波器去除信號帶寬以外的熱噪聲。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 2. 暗電流噪聲和漏電流噪聲 暗電流是沒有光入射時流過光檢測器的電流， 它是由PN結(jié)的熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對形成的。 對于APD， 這種載流子同樣會得到高場區(qū)的加速而倍增。 暗電流的均方值為（3.27）BeIidd22第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3. 散彈噪聲 光檢測器的散彈噪聲源于光子的吸收或者光生載流子的產(chǎn)生， 具有隨

46、機起伏的特性。 這種噪聲是由光的本質(zhì)（粒子性）決定的， 其他的噪聲可以進行限制甚至消除， 而這種噪聲總是存在的， 并成為接收機的極限靈敏度的限制。 222BGeIips（3.31） 對于PIN， G=1。 所以APD的散彈噪聲比PIN的散彈噪聲大G2倍。 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.13 PIN 為了進一步提高光檢測器的量子效率和響應(yīng)速度， 在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間加入一種輕微摻雜的本征半導(dǎo)體， 這樣的光電二極管稱為PIN光電二極管。 I的含義是指中間這一層是本征半導(dǎo)體。 PIN光電二極管的耗盡層很寬, 幾乎是整個本征半導(dǎo)體的寬度， 而P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的寬度與之相比是很小的， 因而大部分光均在此區(qū)域被吸收， 從而提高了量子效率和響應(yīng)速度。 圖3.30 基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管 InPPIInGaAsInPN第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 第第3 3章章 光源與光檢測器光源與光檢測器 3.14 APD 3.14.1 APD的結(jié)構(gòu) 雪崩光電二極管（APD）可以對尚未進入后面放大器的輸入電路的初級光電流進行內(nèi)部放大。 這樣可以顯著地增加接收機的靈敏度， 因為在還沒有遇到接收機電路的熱噪聲之前就已放大了光電流。 為了達到載流子的倍增， 光生載流子必須穿過一個具有非常高的電場的高場區(qū)。