光纖通信第3章

1、一般工作原理一般工作原理 體激光器體激光器 3.3 3.3 半導半導 光電器件一般工作原理光電器件一般工作原理半導體激光器半導體激光器 ：原理、特性、結構，典型：原理、特性、結構，典型的半導體激光器的半導體激光器半導體發(fā)光二極管半導體發(fā)光二極管 ：原理、結構、特性：原理、結構、特性光電檢測器光電檢測器 ：PIN 、APD體積小體積小效率高效率高可靠性高可靠性高工作波長與光纖低損耗窗口相對應工作波長與光纖低損耗窗口相對應便于與光纖耦合便于與光纖耦合工作速率高工作速率高光輻射與光吸收光輻射與光吸收 能級理論：能級理論： 原子由原子核和核外沿固定軌道旋轉的電子組原子由原子核和核外沿固定軌道旋轉的電子

2、組成；成； 能級所對應的能量值是離散的。能級所對應的能量值是離散的。 電子在特定的能級中運動，并通過與外界交換能電子在特定的能級中運動，并通過與外界交換能量發(fā)生能級躍遷；量發(fā)生能級躍遷； 原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子躍遷，或稱能級的躍遷。若交換的能量是發(fā)生量子躍遷，或稱能級的躍遷。若交換的能量是光能，則稱為光躍遷。光躍遷同時存在著光的自發(fā)光能，則稱為光躍遷。光躍遷同時存在著光的自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收三種不同的基本過程。輻射、受激輻射和受激吸收三種不同的基本過程。自發(fā)輻射：自發(fā)輻射： 處于高能態(tài)的電子按照處于高能態(tài)的電子按照一定的

3、概率自發(fā)地躍遷到低一定的概率自發(fā)地躍遷到低能態(tài)上，并發(fā)射一個能量為能態(tài)上，并發(fā)射一個能量為E2-E1的光子；的光子； 光子隨機光子隨機地向各個方向地向各個方向發(fā)射，每次發(fā)發(fā)射，每次發(fā)射沒有確定的射沒有確定的相位相位非相干非相干光。光。LEDLED發(fā)光。發(fā)光。受激輻射受激輻射 ： 處在高能態(tài)的電子在外界處在高能態(tài)的電子在外界光場的感應下，發(fā)射一個和感光場的感應下，發(fā)射一個和感應光子相同光子態(tài)的光子，躍應光子相同光子態(tài)的光子，躍遷到低能態(tài)。遷到低能態(tài)。受激吸收受激吸收 ： 如果入射光子的能量如果入射光子的能量h 近似等于近似等于E2-E1，光子能量就，光子能量就會被吸收，同時基態(tài)上的電會被吸收，同

4、時基態(tài)上的電子躍遷到高能態(tài)。半導體光子躍遷到高能態(tài)。半導體光檢測器基于這種效應。檢測器基于這種效應。稱為激活物質。激活物質。 )exp(1212kTEENN式中，式中， k=1.38110-23J/K為波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。為熱力學溫度。由于由于(E2-E1)0，T0，所以在這種狀態(tài)下，總是，所以在這種狀態(tài)下，總是N1N2。 電子電子總是首先占據(jù)低能量的軌道。總是首先占據(jù)低能量的軌道。能帶理論能帶理論針對半導體材料針對半導體材料 導帶導帶 禁帶禁帶 價帶價帶 N型半導體中過剩電子占據(jù)了導帶型半導體中過剩電子占據(jù)了導帶 P型半導體中過?？昭ㄕ紦?jù)了價帶型半導體中過剩空穴占據(jù)

5、了價帶PN結結 在在P型和型和N型半導體組成的型半導體組成的PN結界面上，由于存結界面上，由于存在多數(shù)載流子濃度梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成在多數(shù)載流子濃度梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成內內部電場部電場 內部電場支持少數(shù)載流子的漂移運動，最終兩種內部電場支持少數(shù)載流子的漂移運動，最終兩種運動處于平衡狀態(tài)運動處于平衡狀態(tài)P 區(qū)PN結空間電荷區(qū)N 區(qū) 擴散 漂移PN結結費米能級表征電子在導帶和價帶的占居幾率。費米能級表征電子在導帶和價帶的占居幾率。在費米能級，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。處于熱平衡狀態(tài)時，處于熱平衡狀態(tài)時， PN結兩側的費米能級相等。結兩側的費米能級相等。內建電內建電場由場由N區(qū)

6、指向區(qū)指向P區(qū)區(qū)PN結結當正向電壓加大到某一值后，當正向電壓加大到某一值后， PN結里出現(xiàn)增益區(qū)（有結里出現(xiàn)增益區(qū)（有源區(qū)）。源區(qū)）。 在在Efc和和Efv之間價帶主要由空穴占據(jù)，導帶主要由電子之間價帶主要由空穴占據(jù)，導帶主要由電子占據(jù)，即實現(xiàn)了占據(jù)，即實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉分布粒子數(shù)反轉分布。 勢壘降低，費米能勢壘降低，費米能級分裂級分裂 LD 適合于作高速長距離光纖通信系統(tǒng)的光適合于作高速長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。源。優(yōu)點：輻射功率高；發(fā)散角窄；與單模光纖耦合優(yōu)點：輻射功率高；發(fā)散角窄；與單模光纖耦合效率高；輻射光譜窄；能進行高速直接調制。效率高；輻射光譜窄；能進行高速直接調制。激光二極管激光二

7、極管LD通過受激輻射發(fā)光；通過受激輻射發(fā)光；LD可以發(fā)出可以發(fā)出單色性和定向性好、強度和相干性高單色性和定向性好、強度和相干性高的光的光放大器：放大器：有源區(qū)（又稱為增益有源區(qū)（又稱為增益區(qū)）是實現(xiàn)粒子數(shù)反區(qū)）是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布、有光增益的轉分布、有光增益的區(qū)域區(qū)域光反饋裝置光反饋裝置 ： 光學諧振腔提供必要光學諧振腔提供必要的正反饋以促進激光的正反饋以促進激光振蕩振蕩 半導體激光器是一種半導體激光器是一種PN結構成的二極結構成的二極管結構，通過注入正向電流進行泵浦，當管結構，通過注入正向電流進行泵浦，當注入電流達到一定的閾值后，在結區(qū)形成注入電流達到一定的閾值后，在結區(qū)形成一個一個粒子數(shù)反

8、轉分布的區(qū)域粒子數(shù)反轉分布的區(qū)域，價帶主要由，價帶主要由空穴占據(jù)，而導帶主要由電子占據(jù)。對于空穴占據(jù)，而導帶主要由電子占據(jù)。對于光子能量滿足光子能量滿足Eghve0V 的光子有的光子有光放光放大大作用，這個區(qū)域被稱為有源區(qū)，半導體作用，這個區(qū)域被稱為有源區(qū)，半導體激光器的激光器的光激射光激射就發(fā)生在這個區(qū)域就發(fā)生在這個區(qū)域 F-P諧振腔是一種最簡單的光學反饋裝置，它諧振腔是一種最簡單的光學反饋裝置，它由一對平行放置的平面反射鏡（通常直接利用半導由一對平行放置的平面反射鏡（通常直接利用半導體晶體材料的天然解理面）組成體晶體材料的天然解理面）組成 。往返反射構成往返反射構成正反饋正反饋。 實現(xiàn)穩(wěn)定

9、振蕩必須滿足的實現(xiàn)穩(wěn)定振蕩必須滿足的振幅條件振幅條件 相位條件相位條件 m為整數(shù)為整數(shù) G和和F分別為基本放大器和反饋網(wǎng)絡的正分別為基本放大器和反饋網(wǎng)絡的正向傳輸函數(shù)向傳輸函數(shù)振幅條件振幅條件 光在F-P諧振腔內的傳播同時受到增益和衰減兩大相互矛盾因素的共同作用1GF 2GFm 一方面，在外部激勵源的作用下，激光一方面，在外部激勵源的作用下，激光器內部形成粒子數(shù)反轉的有源區(qū)，器內部形成粒子數(shù)反轉的有源區(qū)，往返傳輸往返傳輸?shù)墓庾硬粩嗾T發(fā)受激輻射的光子不斷誘發(fā)受激輻射，使得光信號不斷，使得光信號不斷增強。增強。 另一方面，腔內也存在著衰減，例如鏡另一方面，腔內也存在著衰減，例如鏡面的反射衰減（鏡面

10、反射率總是小于面的反射衰減（鏡面反射率總是小于1）、）、工作物質的吸收和散射衰減等工作物質的吸收和散射衰減等 當光信號往返傳輸一周幅度不發(fā)生變化當光信號往返傳輸一周幅度不發(fā)生變化時稱為達到閾值狀態(tài)。時稱為達到閾值狀態(tài)。l相位條件相位條件 沿軸向發(fā)射的光在諧振腔中往返一周的光程差為2nL（L為腔長，n為介質的折射率），對應的相位延遲為2(2nL/) 則發(fā)生相長干涉相長干涉的條件： 2(2nL/)q 2 q為整數(shù)即： 2nL/q 又： =c/ 則諧振腔的選頻特性諧振腔的選頻特性nLcqq2nLcq2諧振腔的選方向性諧振腔的選方向性 在軸向自發(fā)輻射的誘發(fā)下，在軸向產(chǎn)生光的在軸向自發(fā)輻射的誘發(fā)下，在軸

11、向產(chǎn)生光的受激發(fā)射，從而獲得光的受激放大。被受激放大受激發(fā)射，從而獲得光的受激放大。被受激放大的光在腔鏡處反射后，又繼續(xù)在軸向獲得受激放的光在腔鏡處反射后，又繼續(xù)在軸向獲得受激放大。大。 非軸向的自發(fā)輻射經(jīng)有限次往返反射后，逃非軸向的自發(fā)輻射經(jīng)有限次往返反射后，逃逸出腔外。逸出腔外。 F-P腔中滿足諧腔中滿足諧振條件的縱模是均振條件的縱模是均勻分布的：勻分布的： l縱模數(shù)隨注入電流變化縱模數(shù)隨注入電流變化 (電流增加縱模數(shù)減?。╇娏髟黾涌v模數(shù)減小） l峰值波長隨溫度變化峰值波長隨溫度變化 (電流增大，結溫升高，禁帶電流增大，結溫升高，禁帶變窄，波長變長變窄，波長變長) l動態(tài)譜線展寬動態(tài)譜線展

12、寬 （脈沖調制，電流變，有源區(qū)載（脈沖調制，電流變，有源區(qū)載流子濃度變，折射率變，激光器的諧振頻率變，動態(tài)譜線流子濃度變，折射率變，激光器的諧振頻率變，動態(tài)譜線展寬）展寬）僅有主模能夠產(chǎn)生振蕩。僅有主模能夠產(chǎn)生振蕩。絕大部分功率都集中在絕大部分功率都集中在一個縱模上一個縱模上; 譜寬較窄，譜寬較窄，單色性較單色性較當驅動電流足夠大時，主當驅動電流足夠大時，主模的增益增加，邊模的增模的增益增加，邊模的增益減小，益減小，多縱模多縱模變?yōu)樽優(yōu)閱慰v單縱模模，這種激光器稱為，這種激光器稱為靜態(tài)靜態(tài)單縱模激光器單縱模激光器。LD的橫模是一種穩(wěn)定的電磁場分布；是一種穩(wěn)定的電磁場分布；表現(xiàn)為激光器輸出能量在空

13、間上的穩(wěn)定分布表現(xiàn)為激光器輸出能量在空間上的穩(wěn)定分布近場近場是指激光器輸出是指激光器輸出 遠場遠場是指離反是指離反反射鏡面上的光強分布反射鏡面上的光強分布 射射鏡面一定距鏡面一定距離離 處的光強分布。處的光強分布。（1）閾值電流（閾值電流（Ith） 在在P-I曲線中，激光器由自發(fā)輻射到開始受激振蕩曲線中，激光器由自發(fā)輻射到開始受激振蕩時的臨界注入電流，稱為時的臨界注入電流，稱為閾值電流閾值電流。它是一個正向電。它是一個正向電流值，用符號流值，用符號Ith表示表示下圖為利用下圖為利用P-I曲線求解曲線求解Ith的三種做法（雙斜率法的三種做法（雙斜率法 ）、）、 （反向延長法（反向延長法 ）、（二

14、階求導法）、（二階求導法 ）（2）功率線性度功率線性度 理論偏離程度理論偏離程度 （3）光輸出飽和度光輸出飽和度 光輸出跌落光輸出跌落（4）激光器效率激光器效率 采用功率效率和各類量子效率指標來衡量激光采用功率效率和各類量子效率指標來衡量激光器的換能效率器的換能效率 功率效率功率效率定義為定義為 Pex為激光器發(fā)射的光功率，為激光器發(fā)射的光功率，Vj為激光器的結電為激光器的結電壓，壓，Rs為激光器的串聯(lián)電阻，為激光器的串聯(lián)電阻，I為注入電流為注入電流exp2jsPVII R激光器輻射的光功率激光器消耗的電功率 量子效率量子效率分為內量子效率、外量子效率和外分為內量子效率、外量子效率和外微分量子

15、效率微分量子效率 內量子效率內量子效率定義為定義為 用用Rr和和Rnr分別表示輻射復合和非輻射復合分別表示輻射復合和非輻射復合（能量差，釋放聲子，變?yōu)榫Ц裾駝樱芰坎?，釋放聲子，變?yōu)榫Ц裾駝樱┑乃俾?，內量子的速率，內量子效率效?i可以表示為可以表示為i有源區(qū)里每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù)有源區(qū)里每秒鐘注入的電子空穴對數(shù)rinrrRRR 外量子效率外量子效率 ex定義為定義為 由于由于 所以所以 I是激光器的注入電流，是激光器的注入電流，V是是PN結上的外加電壓結上的外加電壓 定義定義外微分量子效率外微分量子效率 D為為由于由于 , 所以所以 ex激光器每秒鐘發(fā)射的光子數(shù)激光器每秒鐘注入的電子空穴對數(shù)

16、g0hEe VexexPIVexthDth0() /PPhIIeexthPPexDth0/PhIIeex0/PhI e（5）熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 激光器的變溫激光器的變溫P-I曲線曲線 外微分外微分量子效量子效率率隨溫度的升隨溫度的升高而下降高而下降 閾值電流閾值電流隨溫隨溫度的升高而加度的升高而加大大 （1）峰值波長（）峰值波長（ p）：強度最大的光譜波長）：強度最大的光譜波長（2）中心波長（）中心波長（ c）：峰值半功率點所限定的波譜范圍）：峰值半功率點所限定的波譜范圍中點對中點對 應的波長應的波長（4）邊模抑制）邊模抑制比（比（SSR）（5）模式跳躍）模式跳躍 （3）譜寬與線寬）譜寬與線寬

17、： 包含所有振蕩模式在內的發(fā)射譜總寬度包含所有振蕩模式在內的發(fā)射譜總寬度-譜寬譜寬單獨模式的寬度稱為單獨模式的寬度稱為線寬線寬。單頻激光器的譜寬等于線寬單頻激光器的譜寬等于線寬有源區(qū)的結構有源區(qū)的結構 半導體激光器的復合發(fā)光區(qū)域是有源區(qū)。有源區(qū)通半導體激光器的復合發(fā)光區(qū)域是有源區(qū)。有源區(qū)通常由一個或多個垂直方向的常由一個或多個垂直方向的PN結構成。結構成。根據(jù)根據(jù)PN結的性質不同，分為結的性質不同，分為同質結：同質結： PN結的兩邊使用相同的半導體材料。結的兩邊使用相同的半導體材料。雙異質結：雙異質結：在寬帶隙的在寬帶隙的P 型和型和N型半導體材料之間插型半導體材料之間插進一薄層窄帶隙的材料。

18、進一薄層窄帶隙的材料。異質結：異質結：帶隙差形成的勢壘將電子和空穴限制在有源區(qū)復合發(fā)光；折射率使光場（光子）有效地限制在有源區(qū)。LD的結構依據(jù)光波導的實現(xiàn)大面積激光器大面積激光器 使用較少使用較少 增益導引半導體激光器增益導引半導體激光器使用較少使用較少折射率導引半導體激光器折射率導引半導體激光器 廣泛使用廣泛使用 弱折射率導引脊形波導激光器弱折射率導引脊形波導激光器 強折射率導引強折射率導引掩埋異質結激光器掩埋異質結激光器 大面積激光器是結構最簡單的是結構最簡單的LD：一：一個薄的有源層夾在個薄的有源層夾在P型和型和N型限制層中間。型限制層中間。 正向電流在較大面積正向電流在較大面積注入，所

19、以稱為大面積注入，所以稱為大面積激光器激光器缺點：缺點：沿激光器整個寬沿激光器整個寬度上都存在光輻射，因度上都存在光輻射，因此損耗大，閾值電流高。此損耗大，閾值電流高。F-P腔激光腔激光器的構成器的構成 N、P：重：重摻雜摻雜掩埋異質結半導體激光器掩埋異質結半導體激光器強折射率導引：強折射率導引：結構特點：結構特點：有源區(qū)被若有源區(qū)被若干低折射率層從各個方向干低折射率層從各個方向掩埋。掩埋。優(yōu)點優(yōu)點:側向折射率差較大，側向折射率差較大，對光場限制作用強；光空對光場限制作用強；光空間分布穩(wěn)定性高，被大多間分布穩(wěn)定性高，被大多數(shù)光波系統(tǒng)采用。數(shù)光波系統(tǒng)采用。 橫截面示意圖橫截面示意圖最早商用最早商

20、用結構簡單、容易制造結構簡單、容易制造基本為多縱模工作方式基本為多縱模工作方式直接調制時動態(tài)譜線展寬明顯直接調制時動態(tài)譜線展寬明顯不適合現(xiàn)代大容量長距離光纖傳輸和波不適合現(xiàn)代大容量長距離光纖傳輸和波分復用系統(tǒng)分復用系統(tǒng)DFB激光器的基本原理激光器的基本原理 無集總式的無集總式的諧振腔反射鏡裝諧振腔反射鏡裝置，光柵反饋、置，光柵反饋、選頻改善單色性，選頻改善單色性，不使用晶體解理不使用晶體解理面，易集成（如面，易集成（如多頻多頻DFB激光器激光器陣列）陣列） DFB和和DBR激光器的構成激光器的構成波導分區(qū)設計，避免晶格損傷DFB的優(yōu)點的優(yōu)點l波長選擇性波長選擇性 縱模間隔遠大于增益譜寬，易實現(xiàn)

21、單縱模工縱模間隔遠大于增益譜寬，易實現(xiàn)單縱模工作，改變作，改變 可選波長可選波長l線寬窄，波長穩(wěn)定性好線寬窄，波長穩(wěn)定性好 光柵波長選擇性比光柵波長選擇性比F-P反射面好；反射面好；鎖定在給定波長鎖定在給定波長 l動態(tài)單縱模動態(tài)單縱模 調制時譜展寬（啁啾）比調制時譜展寬（啁啾）比F-P腔小一個量級左腔小一個量級左右右l高線性度高線性度 適合模擬調制，廣泛用于有線電視（適合模擬調制，廣泛用于有線電視（CATV ）光纖傳輸系統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng) 基于波紋光柵的光學諧振器，材料折射率在空間某方基于波紋光柵的光學諧振器，材料折射率在空間某方向上呈現(xiàn)周期變化（正弦或三角波、方波），為受激輻射向上呈現(xiàn)周期變化（

22、正弦或三角波、方波），為受激輻射光子提供周期性反射點。光子提供周期性反射點。圖中圖中I，I ，I 等光束滿足同相位相加的條件為等光束滿足同相位相加的條件為 是波紋光柵的周期，也稱為是波紋光柵的周期，也稱為柵距柵距；m為整數(shù)；為整數(shù)；n為材料為材料等效折射率；等效折射率； 為波長為波長由圖中所示由圖中所示B， ， 的幾何關系，上式也可表示為的幾何關系，上式也可表示為上式即為上式即為布喇格反射條件。形成該方向上的主極強布喇格反射條件。形成該方向上的主極強 當當 時時布喇格布喇格條件簡化為條件簡化為有源區(qū)的光在柵條間來回振蕩，每有源區(qū)的光在柵條間來回振蕩，每 相對于微相對于微F-P腔腔2 /Bmn1

23、sinnmmn2與與F-P腔相比，采用布喇格反射器作為激光器的光腔相比，采用布喇格反射器作為激光器的光學諧振裝置存在如下學諧振裝置存在如下優(yōu)點優(yōu)點l發(fā)射光譜主要由光柵周期發(fā)射光譜主要由光柵周期 決定決定， 對應對應F-P腔腔LD的腔長的腔長L，每一個，每一個 形成一個微型諧振腔。由于形成一個微型諧振腔。由于 的的長度很小，所以長度很小，所以m階和（階和（m + 1）階模之間的）階模之間的波長波長間隔比間隔比F-P腔大得多腔大得多，加之，加之多個微型諧振腔的選模多個微型諧振腔的選模作用作用，很容易設計成單縱模（單頻）振蕩，很容易設計成單縱模（單頻）振蕩 l布喇格反射可比作布喇格反射可比作多級調諧

24、多級調諧，使諧振波長的選擇使諧振波長的選擇性大大提高，譜線明顯變窄性大大提高，譜線明顯變窄。并且光柵的作用有助。并且光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，使波長的穩(wěn)定性于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，使波長的穩(wěn)定性改善。改善。 實現(xiàn)光反饋，提供精細的頻率選擇實現(xiàn)光反饋，提供精細的頻率選擇 量子阱方案的能帶示意圖量子阱方案的能帶示意圖 與與DH LD比較，超晶格結構給量子阱激光器比較，超晶格結構給量子阱激光器 帶帶來的優(yōu)越特性：來的優(yōu)越特性：l閾值電流低閾值電流低 阱結構中態(tài)密度阱結構中態(tài)密度“浴盆浴盆”底部平坦，底部平坦，小電流也能獲得大增益，小電流也能獲得大增益，Ith低至亞毫安，易于驅

25、動低至亞毫安，易于驅動或輸出大更大功率或輸出大更大功率l波長可調諧波長可調諧 導帶和價帶中的基態(tài)間的能級差隨勢導帶和價帶中的基態(tài)間的能級差隨勢阱寬度而變化，調勢阱寬度可調波長阱寬度而變化，調勢阱寬度可調波長l線寬窄，頻率啁啾低線寬窄，頻率啁啾低 直接調制時，注入電流變化直接調制時，注入電流變化 載流子濃度變化，折射率變化，激射譜展寬，啁啾載流子濃度變化，折射率變化，激射譜展寬，啁啾和線寬增強因子相關，而其和有源區(qū)厚度有關。一和線寬增強因子相關，而其和有源區(qū)厚度有關。一般般FPLD的的60%l調制速率高調制速率高 QW結構提高微分增益，提高張弛振結構提高微分增益，提高張弛振蕩頻率，改善頻響特性，

26、適合高速系統(tǒng)蕩頻率，改善頻響特性，適合高速系統(tǒng)l溫度穩(wěn)定性強溫度穩(wěn)定性強 子能帶間存在禁帶，溫度變化不會子能帶間存在禁帶，溫度變化不會引起載流子分布的擴展引起載流子分布的擴展lMQW-DFB MQW-DBR 多量子阱有源層上制作多量子阱有源層上制作光柵，單頻、窄線寬、小啁啾、無跳模的工作特性光柵，單頻、窄線寬、小啁啾、無跳模的工作特性VCSEL激光器的結構 前面是邊發(fā)光器件，前面是邊發(fā)光器件，發(fā)射方向平行于發(fā)射方向平行于PN結的結平面，結的結平面，面積大，不利于二面積大，不利于二維或三維集成。維或三維集成。VCSEL：電流和發(fā)：電流和發(fā)射光束方向都與芯射光束方向都與芯片表面垂直片表面垂直VCS

27、EL的主要優(yōu)點的主要優(yōu)點 l激射性能：激射性能：閾值低、發(fā)光效率高、波長可選閾值低、發(fā)光效率高、波長可選易于動態(tài)單模工作易于動態(tài)單模工作 l耦合性能：耦合性能：窄圓柱形高斯光束，和光纖最佳窄圓柱形高斯光束，和光纖最佳耦合耦合l封裝性能：封裝性能：體積小，易于制成陣列體積小，易于制成陣列l(wèi)調制性能：調制性能：速度快，到吉比特速度快，到吉比特/秒，溫度穩(wěn)定秒，溫度穩(wěn)定性好性好 l制作性能：制作性能：模塊化強、工藝簡單，易于集成模塊化強、工藝簡單，易于集成 發(fā)光二極管發(fā)光二極管是非相干光源是非相干光源，它的發(fā)射過程，它的發(fā)射過程主要對應光的主要對應光的自發(fā)輻射自發(fā)輻射過程。在發(fā)光二極管的結過程。在發(fā)

28、光二極管的結構中不存在諧振腔，發(fā)光過程中構中不存在諧振腔，發(fā)光過程中PN結也不一定結也不一定需要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。當注入正向電流時，需要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。當注入正向電流時，注入注入的非平衡載流子的非平衡載流子在擴散過程中復合發(fā)光。在擴散過程中復合發(fā)光。發(fā) 光 二 極發(fā) 光 二 極管 可 分 為管 可 分 為邊 發(fā) 射 型邊 發(fā) 射 型和 面 發(fā) 射和 面 發(fā) 射型型 面發(fā)光面發(fā)光LED：從平行于結平面的表面發(fā)光。從平行于結平面的表面發(fā)光。工藝簡單、發(fā)散角大、效率低、調制帶寬較窄工藝簡單、發(fā)散角大、效率低、調制帶寬較窄為提高面發(fā)光為提高面發(fā)光LED與光纖的耦合效率：與光纖的耦合效率：在井中放置一個截

29、球透鏡；在井中放置一個截球透鏡；或者將光纖末端形成球透鏡?；蛘邔⒐饫w末端形成球透鏡。邊發(fā)光 LED：從結區(qū)的邊緣發(fā)光發(fā)散角、耦合發(fā)散角、耦合效率和調制帶發(fā)散角、耦合發(fā)散角、耦合效率和調制帶效率和調制帶寬均比面發(fā)光效率和調制帶寬均比面發(fā)光LED有改善有改善l發(fā)射譜線和發(fā)散角發(fā)射譜線和發(fā)散角 邊邊: =1200， =300,面面: 1200;自發(fā)自發(fā)輻射譜線：導帶和價帶包含許多能級，輻射譜線：導帶和價帶包含許多能級，GaAlAs的的LED譜寬譜寬30-50 nm, InGaAsPLED 譜寬譜寬60-120 nm，耦合效率低、光纖傳輸色散嚴重，耦合效率低、光纖傳輸色散嚴重l響應速度響應速度 受載流

30、子自發(fā)輻射壽命時間限制受載流子自發(fā)輻射壽命時間限制,高摻高摻雜或高注入電流減小自發(fā)輻射壽命時間。雜或高注入電流減小自發(fā)輻射壽命時間。LD吉赫吉赫茲、茲、LED數(shù)百兆數(shù)百兆l熱特性熱特性 LED不是閾值器件，不是閾值器件，GaAlAs LED輸出功輸出功率變化率率變化率 小，可不溫控小，可不溫控 l優(yōu)點優(yōu)點 壽命長，可靠性高，調制電路簡單，成本低壽命長，可靠性高，調制電路簡單，成本低半導體光源一般性能和應用半導體光源一般性能和應用 LED通常和通常和多模光纖多模光纖耦合，用于耦合，用于1.3 m(或或0.85 m)波長的小容量短距離系統(tǒng)。因為波長的小容量短距離系統(tǒng)。因為LED發(fā)光面積發(fā)光面積和和

31、光束輻射角光束輻射角較大，而多模較大，而多模SIF光纖或光纖或G.651規(guī)范的規(guī)范的多模多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高提高耦合效率耦合效率，增加，增加入纖功率入纖功率。 LD通常和通常和G.652或或G.653規(guī)范的規(guī)范的單模光纖單模光纖耦合，耦合，用于用于1.3 m或或1.55 m大容量長距離系統(tǒng)。大容量長距離系統(tǒng)。 分布反饋激光器分布反饋激光器(DFB-LD)主要和主要和G.653或或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，規(guī)范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。 半導

32、體激光器和發(fā)光二極管的一般性能半導體激光器和發(fā)光二極管的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作溫度 /C壽命 t/h30120 30120 2050 2050輻射角50150 301005002000 5001000調制帶寬 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纖功率 P/mW15 13510 510輸出功率 P/mW100150 100150工作電流 I/mA2030 3060閥值電流 Ith/mA50100 6012012 13譜線寬度1.3 1.551.3 1.55工作波長LEDLD/nm/)/(761010651010810710 / m分布反饋激光器一般

33、性能分布反饋激光器一般性能 /nm 2040 1530輸出功率 P/mW (連續(xù)單縱模,25C) 20 15外量子效率 /% 1520 2030閥值電流 Ith/mA0.08頻譜漂移 /(nm/C)3035邊模抑制比 /dB0.040.5(Gb/s,RZ)直接調制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度 1.3 1.55工作波長m/d341010/m1光與物質間的作用有哪三種基本過程？它們各自的光與物質間的作用有哪三種基本過程？它們各自的特點是什么？特點是什么？2什么是粒子數(shù)反轉分布？什么是粒子數(shù)反轉分布？3構成激光器必須具備哪些功能部件？構成激光器必須具備哪些功能部件？4什么是激光器的閾值條件？什么是激光

34、器的閾值條件？5異質結激光器是怎樣降低閥值電流的？異質結激光器是怎樣降低閥值電流的？6半導體激光器發(fā)射光子的能量近似等于材料的禁帶半導體激光器發(fā)射光子的能量近似等于材料的禁帶寬度，已知寬度，已知GaAs材料的材料的Eg=1.43 eV,某一某一InGaAsP材料材料的的Eg=0.96 eV，求它們的發(fā)射波長。（，求它們的發(fā)射波長。（eV是能量單位，是能量單位，表示一個電子在表示一個電子在1伏特電壓差下所具有的能量）伏特電壓差下所具有的能量） 光纖通信中對光電檢測器最重要的幾點要求如光纖通信中對光電檢測器最重要的幾點要求如下：下：l l 在所用光源的波長范圍內有較高的響應度；在所用光源的波長范圍

35、內有較高的響應度；l l 較小的噪聲；較小的噪聲；l l 響應速度快；響應速度快；l l 對溫度變化不敏感；對溫度變化不敏感；l l 與光纖尺寸匹配；與光纖尺寸匹配；l l 工作壽命長工作壽命長 l光電檢測的原理光電檢測的原理lPIN光電二極管：原理、結構和工作特性光電二極管：原理、結構和工作特性l雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）：原理、結構）：原理、結構l光電檢測器的噪聲光電檢測器的噪聲 在 光 的 照 射在 光 的 照 射下，材料的電學性下，材料的電學性質發(fā)生變化的現(xiàn)象質發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做叫做光電效應光電效應。半。半導體材料零偏導體材料零偏PN結產(chǎn)生光生電動勢結產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象

36、稱為的現(xiàn)象稱為光伏效光伏效應應。受激吸收受激吸收光電檢測的原理光電檢測的原理無光照時，同一無光照時，同一般的二極管；般的二極管；光照射時，零偏光照射時，零偏或反偏時，內建或反偏時，內建場作用下少子的場作用下少子的漂移運動產(chǎn)生光漂移運動產(chǎn)生光電流，光電流方電流，光電流方向在向在p-n結內由結內由p區(qū)指向區(qū)指向n區(qū)，為區(qū)，為反向電流，因此反向電流，因此曲線向下平移。曲線向下平移。V(V)I(A)VocIsc反向偏壓反向偏壓Vb反向電流反向電流E E增增大大Ip=SEEE=0E1E2光伏效應器件伏安特性光伏效應器件伏安特性曲線曲線光伏效應加反向偏壓后光電二極管及其能帶結構加反向偏壓后光電二極管及其能

37、帶結構 PIN光電二極管的原理和結構光電二極管的原理和結構 （1）上截止波長）上截止波長 光電效應必須滿足條件光電效應必須滿足條件 hvEg 或或 c是真空中的光速，是真空中的光速， 是入射光的波長，是入射光的波長，h是普朗克常量是普朗克常量 入射光的波長必須小于某個臨界值，才會發(fā)生光電效入射光的波長必須小于某個臨界值，才會發(fā)生光電效應，這個臨界值就叫做應，這個臨界值就叫做上截止波長上截止波長，定義為，定義為ghcEgg1 .2 4ch cEE（2）響應波長的下限）響應波長的下限 設設x = 0時，光功率為時，光功率為p(0)，材料吸收系數(shù)為，材料吸收系數(shù)為 ( )經(jīng)過經(jīng)過 x 距離后吸收的光

38、功率可以表示為距離后吸收的光功率可以表示為 下降，材料表面層的吸收嚴重，電子下降，材料表面層的吸收嚴重，電子-孔穴對在中孔穴對在中性區(qū)被復合。性區(qū)被復合。 0e xp xp1 常用常用量子效率量子效率和和響應度響應度衡量衡量光電轉換效率光電轉換效率當入射功率為當入射功率為P0時，時，光生電流光生電流可以表示為可以表示為r是入射表面的反射率，是入射表面的反射率，w1是零電場的表面層的厚度，是零電場的表面層的厚度，w是耗盡區(qū)的厚度是耗盡區(qū)的厚度量子效率量子效率表示入射光子能夠轉換成光電流的概率表示入射光子能夠轉換成光電流的概率 0011exp1 exp peIr pwwh0101exp1-expp

39、I / e=-r-w-wp / h 要要提高量子效率提高量子效率，必須采取如下措施：，必須采取如下措施： 盡量減小光子在表面層的反射率，增加入射到盡量減小光子在表面層的反射率，增加入射到光電二極管中的光子數(shù)；光電二極管中的光子數(shù)； 盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，盡量減小中性區(qū)的厚度，增加耗盡區(qū)的寬度，使光子在耗盡區(qū)被充分地吸收使光子在耗盡區(qū)被充分地吸收 光電轉換效率也可以直接用光生電流光電轉換效率也可以直接用光生電流Ip和入射和入射光功率光功率p0的比值來表示的比值來表示,稱其為稱其為響應度響應度 00pIeRph 響應速度常用響應時間（上升時間和下降時響應速度常用響應時間（上升時間和下降時間）（間）（1090）來表示。）來表示。 影響響應速度的主要因素有影響響應速度的主要因素有