光纖通信-第3章 光源與光檢測器

第3章光源與光檢測器3.1半導(dǎo)體LD的工作原理3.2輸出光功率及光源與光纖的耦合3.3LD的溫度特性與自動溫度控制3.4LD的輸出光功率穩(wěn)定性與自動功率控制3.5半導(dǎo)體LED3.6光檢測器3.7PIN3.8APD習題三

3.1半導(dǎo)體LD的工作原理

3.1.1光放大

1.受激輻射的概念大家已經(jīng)知道，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。

考慮一個具有二能級的原子系統(tǒng)，能級為E1和E2，且E2>E1，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)，則引起原子在不同的能級E1和E2之間的躍遷，E1→E2

和E2→E1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，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、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E2→E1之間的躍遷多于E1→E2

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，如圖3.1所示；否則，光信號將被衰減。圖3.1二能級原子系統(tǒng)的受激輻射與吸收根據(jù)物理學原理可知，每個原子的E1→E2的躍遷速率和E2→E1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）hfc。顯然，如果要實現(xiàn)信號放大，該值必為正,即（N2-N1）>0,

N2>N1。這一條件稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。之所以稱為粒子數(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。

2.半導(dǎo)體光放大（器）盡管半導(dǎo)體光放大器用來放大光信號時的性能不如EDFA放大器，但實際上對它的研究比EDFA還早。人們發(fā)現(xiàn)它除了用于光放大之外還可用于光開關(guān)、波長變換器,所以學習它也是理解半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)。

圖3.2給出了半導(dǎo)體光放大器SOA的框圖。SOA實際上是一個PN結(jié)，由下面的分析可知，中間的耗盡層實際上充當了有源區(qū)，當光通過有源區(qū)時，光由于受激輻射而得到了放大。由于放大器的增益是波長的函數(shù)。圖3.2半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)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，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。圖3.3P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)圖3.4用作放大器的正向偏置的ＰＮ結(jié)

(a)ＰＮ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

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型半導(dǎo)體是在半導(dǎo)體中摻入合適的原子，如III族的磷P，使它有多余的空穴。相反，N型半導(dǎo)體中摻入合適的原子，如VI族的銦In，使其有多余的電子。當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，ＰＮ結(jié)可用作光放大器。實際中很少使用簡單的ＰＮ結(jié)。在ＰＮ結(jié)之間有一很薄的半導(dǎo)體材料，它與ＰＮ結(jié)的半導(dǎo)體材料相異，這種結(jié)構(gòu)稱為異質(zhì)結(jié)。中間一層半導(dǎo)體形成了一個有源區(qū)或?qū)?，它與Ｐ型或Ｎ型半導(dǎo)體材料相比，其禁帶寬度較小，而折射率較高。高的折射率使這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個電介質(zhì)波導(dǎo)，在放大時有利于將光限制在有源區(qū)內(nèi)。

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hfc>Eg(Eg為半導(dǎo)體的禁帶寬度)。如果與Eg對應(yīng)的最低光頻即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Ｐ型半導(dǎo)體的高能級，這時短波長的信號開始放大。實際上半導(dǎo)體SOA的放大帶寬可達100nm，可以同時放大1.30μm、1.55μm窗口的信號。

3.1.2F-P腔半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是光纖通信最主要的光源，它實際上是置于一個反射腔之內(nèi)的光放大器。反射腔通過正反饋使放大器產(chǎn)生振蕩。半導(dǎo)體激光器的增益介質(zhì)是正向偏置的PN

結(jié)。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。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)。圖3.5F-P光學諧振腔如果增益介質(zhì)的增益和鏡面的反射率足夠高的話，光放大器將形成振蕩，即使在沒有輸入光信號的情況下也將有光信號輸出。對于給定的器件，產(chǎn)生激光輸出的條件稱為閾值條件。輸入在閾值以上，器件已不是放大器，而是一個振蕩器或激光器。這主要是因為放大器帶寬內(nèi)存在所有波長的自發(fā)輻射光信號，即使在沒有光信號輸入時，由于腔的選擇性而有相應(yīng)波長的光信號輸出。

3.2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(dBm)來表示。其定義為

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。注入電流小于閾值電流時，諧振腔內(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。

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。當注入電流大于閾值電流時，才能產(chǎn)生功率很強的激光。

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)。理想的激光器的輸出光功率(P)和注入電流(I)之間的關(guān)系曲線如圖所示圖3.6LD的P-I曲線

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η來衡量，它的定義為式中，PF為耦合入光纖的功率，PS為光源發(fā)射的功率。η的大小取決于光源和光纖的類型，LED和單模光纖的耦合效率較低，LED和單模光纖的耦合效率更低。光源和一小段（約長1m）光纖耦合時，耦合區(qū)封裝在光發(fā)送機里，另一端為自由端，稱為尾纖，使用時將尾纖與系統(tǒng)（光纜）對接或用活動連接器將尾纖與系統(tǒng)光纖連接。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，即直接耦合和透鏡耦合。直接耦合就是將光纖端面直接對準光源發(fā)光面。其結(jié)構(gòu)簡單但耦合效率較低。面發(fā)光二極管與光纖的耦合效率只有2%～4%。半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散角比面發(fā)光二極管小得多，與光纖的直接耦合效率約為10%。當光源的發(fā)光面積大于纖芯面積時，可在光源與光纖之間放置聚焦透鏡，使更多的發(fā)散光線會聚進入光纖來提高耦合效率。單模光纖的纖芯較細，模斑尺寸小，所以半導(dǎo)體激光器與單模光纖的耦合更困難。為了提高耦合效率，可以利用透鏡來改變光源的光斑尺寸，使之與光纖的光斑尺寸一致?？梢圆捎酶哳l電弧放電或化學腐蝕方法在光纖端面形成一個半球透鏡。這種方法可以使耦合效率達到50%～60%。

3.3LD的溫度特性與自動溫度控制（ATC）我們知道,LD的P-I特性曲線是選擇半導(dǎo)體激光器的重要依據(jù)。圖3.12是激光器輸出功率與注入電流的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，溫度對半導(dǎo)體激光器的閾值電流Ith和輸出功率都有影響。圖3.121.3μm激光器輸出功率與注入電流的關(guān)系曲線可以用下面的經(jīng)驗公式表示Ith隨溫度的變化：

其中,I0為常數(shù)，T0為特征溫度，表示激光器對溫度的敏感程度。對于長波長InGaAsP激光器，T0的典型值為50～70K；對于短波長的GaAs激光器，T0>120K?？梢奍nGaAsP激光器對溫度較敏感。

LD在高溫環(huán)境下工作也會影響它的壽命，而且LD的發(fā)射波長也會產(chǎn)生變化，以至影響數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的正常工作，所以在光發(fā)送機電路中需要對LD的溫度進行控制。一般采用兩種方法來進行溫度控制：一種是環(huán)境溫度控制法，另一種是對LD進行自動溫度控制（ATC）。環(huán)境溫度控制主要對通信機房的溫度進行調(diào)控，這種方法對環(huán)境溫度要求過高，顯然不合適。目前在數(shù)字光纖通信中對LD進行自動溫度控制一般采取半導(dǎo)體制冷器控制方式。半導(dǎo)體制冷的制冷器由特殊的半導(dǎo)體材料制成，當其通過直流電流時，一端制冷（吸熱），另一端放熱。在LD的組件中，將制冷器的冷端貼在LD的熱沉上，測試用的熱敏電阻也貼在熱沉上，通過溫度自動控制電路控制通過制冷器的電流，就可以控制LD的工作溫度，從而達到自動溫度控制的預(yù)期效果。

3.4LD的輸出光功率穩(wěn)定性與

自動功率控制

LD穩(wěn)定的輸出功率對光發(fā)送機來說非常重要，所以要通過自動功率控制（APC）來實現(xiàn)光功率的穩(wěn)定輸出。

APC的主要功能是自動補償LD由于環(huán)境溫度變化和老化效應(yīng)而引起的輸出光功率的變化，保持其輸出光功率不變，或保持其變化幅度不超過數(shù)字光纖通信工程設(shè)計要求的指標范圍。另外，自動控制光發(fā)送機的輸入信號碼流中長連“0”序列或無信號輸入時使LD不發(fā)激光而發(fā)熒光。這樣就有效地保護了LD不致因為過高的直流光而受到損害，這對延長LD的工作壽命也十分有益。采用APC，可以在10～50°C的溫度變化范圍內(nèi)，可控制輸出光功率變化小于5%。3.5半導(dǎo)體LED

3.5.1LED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。

面發(fā)光二極管大小與光纖纖芯面積相當(直徑為40～50μm)。有很寬的角向分布，半功率點束寬θ‖=θ⊥≈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2～3倍。

3.5.2LED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50～100mA，這時偏置電壓為1.2～1.8V，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。圖3.26LED的特性

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。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,在室溫下，短波長LED的線寬約為25～40nm，長波長LED的線寬則可達75～100nm。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

LED的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0.2～0.3nm/℃（短波長器件）或0.3～0.5nm/℃(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。

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直流偏置。從LED的P-I特性可知，當注入電流小時，其線性相當好；當注入電流較大時，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，則常常需要進行線性補償。

3.6光檢測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，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

3.6.1波長響應(yīng)

根據(jù)量子力學原理可知，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λ的限制。設(shè)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度為Eg，則式中,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λ截止。不同半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和相應(yīng)的截止波長不同。目前，最重要的半導(dǎo)體材料Si和GaAs不能用作1.3μm和1.55μm波長的光檢測器。因而新的復(fù)合半導(dǎo)體材料銦鎵砷(InGaAs)和銦鎵砷磷(InGaAsP)被用作1.3μm和1.55μm波長的光檢測器，Si材料用作0.85μm波長的光檢測器。

3.6.2光電轉(zhuǎn)換效率與響應(yīng)度量子效率是能量為hf的每個入射光子所產(chǎn)生光電流的電子空穴對數(shù)的百分比稱為光檢測器的量子效率。

光檢測器常用另一個參數(shù)——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/(hf)，而入射光子部分被吸收，并在外電路中產(chǎn)生光電流，則有響應(yīng)度用波長表示為實際上，僅采用半導(dǎo)體平板制作光檢測器也不能實現(xiàn)較高的量子效率，這主要是因為價帶中產(chǎn)生的電子在運動到外電路之前和空穴產(chǎn)生了復(fù)合，所以必須快速地讓價帶電子離開半導(dǎo)體，這可以采用在電子產(chǎn)生的區(qū)域加足夠強的電場的方法來實現(xiàn)，當然最好的方法是采用反向偏置的PN結(jié)來代替均勻的半導(dǎo)體平板，這樣的光檢測器稱為光電二極管。

3.7PIN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，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。提高量子效率與響應(yīng)速度的更有效的方法是使半導(dǎo)體在工作波長上對光是透明的，因而工作波長應(yīng)遠遠大于半導(dǎo)體的截止波長，在此區(qū)域?qū)獠晃铡型和N型半導(dǎo)體采用InP半導(dǎo)體材料，本征半導(dǎo)體采用InGaAs材料，這樣的光檢測器稱為雙異質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)，因為它包含兩個完全不同的半導(dǎo)體材料組成的兩個PN結(jié)。InP的截止波長為0.92μm，

InGaAs的截止波長為1.3～1.6μm，因此采用InP半導(dǎo)體材料的P型和N型半導(dǎo)體在1.3～1.6μm波長是透明的，光電流的擴散部分完全減少了。圖3.30基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管

3.8APD

3.14.1APD的結(jié)構(gòu)