通信用光器件51課件

通信用光器件

通信用光器件可以分為和無源器件兩種類型。

———光纖通信中，需要有光源發(fā)光，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，還要有光接收器件，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。這種發(fā)光器件和光接收器件統(tǒng)稱為光電器件，或有源器件。

——

對光信號進(jìn)行處理的器件稱為無源器件。

通信用光器件

有源器件包括光源、光檢測器和光放大器。光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等。光源——光纖通信的“心臟”第四章光源4.1光源的物理基礎(chǔ)4.2光通信光源基本要求4.3半導(dǎo)體光源的工作原理4.4光源的工作特性原子核電子高能級低能級1.孤立原子的能級

原子是由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成。圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化。E2.半導(dǎo)體的能帶 在大量原子相互靠近形成半導(dǎo)體晶體時，由于半導(dǎo)體晶體內(nèi)部電子的共有化運動，使孤立原子中離散能級變成能帶。較低的能級構(gòu)成價帶，較高的能級構(gòu)成導(dǎo)帶。

圖4.2半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)在圖4.2中，半導(dǎo)體內(nèi)部自由運動的電子(簡稱自由電子)所填充的能帶稱為導(dǎo)帶；價電子所填充的能帶稱為價帶；導(dǎo)帶和價帶之間不允許電子填充，所以稱為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)。 根據(jù)能量守恒定律，自發(fā)輻射光子的能量為：hf12=E2-E1 式中：h為普朗克常數(shù)，其值為6.626×10-34J·s；f12為光子的頻率；E2為高能級能量；E1為低能級能量。(a)自發(fā)輻射hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(b)受激輻射2.受激輻射

在外來光子的激勵下，電子從高能級躍遷到低能級與空穴復(fù)合，同時釋放出一個與外來光子同頻、同相的光子。由于需要外部激勵，所以該過程稱為受激輻射。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。

自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。物體成為發(fā)光體需要光輻射>光吸收4.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)1.粒子數(shù)正常分布狀態(tài)

設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的電子數(shù)分別為N1和N2。當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因為電子總是首先占據(jù)低能量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。

N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體

圖4.4半導(dǎo)體的能帶和電子分布

4.1.4PN結(jié)的能帶和電子分布圖4.4示出不同半導(dǎo)體的能帶和電子分布圖。根據(jù)量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef稱為費米能級，用來描述半導(dǎo)體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費米能級，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對出現(xiàn)的，用Ef位于禁帶中央來表示，見圖4.4(a)。在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體，見圖4.4(b)。在本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體，見圖4.4(c)。

導(dǎo)帶EC價帶EV電子躍遷帶隙Eg

=1.1eV電子態(tài)數(shù)量空穴態(tài)數(shù)量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子本征半導(dǎo)體的能帶圖電子向?qū)кS遷相當(dāng)于空穴向價帶反向躍遷Ef－電子或空隙的濃度為:其中為材料的特征常數(shù)T為絕對溫度kB

為玻耳茲曼常數(shù),h為普朗克常數(shù)me電子的有效質(zhì)量mh空穴的有效質(zhì)量Eg帶隙能量本征載流子濃度例：在300K時，GaAs的電子靜止質(zhì)量為m=9.11×10-31kg，

me=0.068m=6.19×10-32kg

mh=0.56m=5.1×10-31kg

Eg=1.42eV可根據(jù)上式得到本征載流子濃度為2.62×1012m-3非本征半導(dǎo)體材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)摻入Si晶體后，產(chǎn)生的多余電子受到的束縛很弱，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它掙脫束縛成為自由電子。這個電離過程稱為雜質(zhì)電離。As除了用4個價電子和周圍的Si建立共價鍵之外，還剩余一個電子As+非本征半導(dǎo)體材料：p型由于B只有3個價電子，因此B和周圍4個Si的共價鍵還少1個電子B容易搶奪周圍Si原子的電子成為負(fù)離子并產(chǎn)生多余空穴B–第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)摻入Si晶體后，產(chǎn)生多余的空穴，它們只受到微弱的束縛，只需要很少的能量DEA<Eg

就可以讓多余孔穴自由導(dǎo)電。導(dǎo)帶EC價帶EV受主能級電子能量電子濃度分布空穴濃度分布受主能級受主能級電離使導(dǎo)帶空穴濃度增加P型材料，受主能級第III族元素容易搶奪Si的電子而被稱為受主雜質(zhì)。被它束縛的空穴所處的能級稱為受主能級EA。當(dāng)空穴獲得較小的能量DEA之后就能擺脫束縛，反向躍遷到價帶成為導(dǎo)電空穴。因此，受主能級位于靠近價帶EV的禁帶中。Ef(b)零偏壓時P-N結(jié)的能帶傾斜圖；勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運動，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運動處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜，見圖4.5(b)。耗盡區(qū)擴(kuò)散電子pn結(jié)內(nèi)建電場PN結(jié):---+++U電勢pnEf1.濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運動2.內(nèi)建電場的驅(qū)動導(dǎo)致載流子做反向漂移運動P-N結(jié)施加反向電壓VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向偏置電壓時，耗盡區(qū)加寬，勢壘加強(qiáng)。(a)反向偏壓使耗盡區(qū)加寬少數(shù)載流子漂移U擴(kuò)散運動被抑制只存在少數(shù)載流子的漂移運動P-N結(jié)施加正向電壓VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向偏置電壓時，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，耗盡區(qū)變窄，勢壘降低。使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動。少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生光輻射。(b)正向偏壓使耗盡區(qū)變窄耗盡區(qū)變窄Upnpn擴(kuò)散>漂移hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場外加電場(c)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在PN結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見圖4.5(c)。外加電場注入載流子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)載流子復(fù)合發(fā)光總結(jié)固體材料中，核外電子相互影響，能級分裂為能帶半導(dǎo)體是禁帶寬度較小的非導(dǎo)體，導(dǎo)電載流子為導(dǎo)帶電子和價帶空穴能帶中的載流子按照費米統(tǒng)計分布，能級越低被電子占據(jù)的幾率越大費米能級是電子在能級中分布情況的參量當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向偏置電壓時，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，耗盡區(qū)變窄，勢壘降低。獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生光輻射。4.2光通信光源基本要求4.2.1材料的發(fā)光波長不同材料有不同的能級差和發(fā)光波長。不同波長光通信系統(tǒng)應(yīng)選用不同材料光源。半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-emittingDiode，LED)基本應(yīng)用GaAlAs（三元合金，砷化鎵摻鋁）和InGaAsP（四元合金，磷化銦摻砷化鎵）材料，可以覆蓋整個光纖通信系統(tǒng)使用波長范圍，典型值為0.85μm、1.31μm及1.55μm。4.2.2光通信光源基本要求（1）合適的發(fā)光波長——1.55μm；（2）足夠的輸出功率——大于1mW；（3）可靠性高，壽命長——平均壽命106小時；（4）輸出功率高——大于10％；（5）光譜寬度窄；（6）聚光性好；（7）調(diào)制性好；（8）價格低廉。4.2.3產(chǎn)生激光的條件（1）受激發(fā)射；（2）工作物質(zhì)具有亞穩(wěn)態(tài)能級；（3）形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。4.2.4激光的特點（1）單色性好；（2）相干性高；（3）方向性強(qiáng)。4.3半導(dǎo)體光源的工作原理4.3.1發(fā)光二極管的工作原理

1.發(fā)光二極管(LED)的類型結(jié)構(gòu)

LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒有解理面，即沒有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。雙異質(zhì)結(jié)LED(DH-LED)同質(zhì)PN結(jié)的問題1.由電子空穴擴(kuò)散產(chǎn)生的結(jié)區(qū)太厚，很難把載流子約束在相對小的區(qū)域，從而結(jié)區(qū)無法形成較高的載流子密度2.無法對產(chǎn)生的光進(jìn)行約束1~10mmpn兩邊采用相同的半導(dǎo)體材料的PN結(jié)稱為同質(zhì)PN結(jié)。同質(zhì)PN結(jié)兩邊具有相同的帶隙結(jié)構(gòu)和相同的光學(xué)性能。PN結(jié)區(qū)完全由載流子的擴(kuò)散形成。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)折射率電子能量有源區(qū)注入電子電子勢壘電子-空穴復(fù)合注入空穴空穴勢壘波導(dǎo)區(qū)異質(zhì)結(jié)：為提高輻射功率，需要對載流子和輻射光產(chǎn)生有效約束1.不連續(xù)的帶隙結(jié)構(gòu)2.折射率不連續(xù)分布－－－++典型的GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)LED剖面圖2.發(fā)光二極管的工作原理 LED的工作原理可以歸納如下：當(dāng)給LED外加合適的正向電壓時，Pp結(jié)之間的勢壘(相對于空穴)和Np結(jié)之間的勢壘(相對于電子)降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)和從N區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)(由于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，p區(qū)中外來的電子和空穴不會分別擴(kuò)散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其他衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。按照器件輸出光的方式，可以將LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.6所示。圖4.6常用的兩類發(fā)光二極管（LED）圓形腐蝕孔焊接材料金屬電極雙異質(zhì)結(jié)層限制層熱層金屬電極有源區(qū)圓形金屬接觸面襯底絕緣層絕緣層光纖面發(fā)光二極管優(yōu)點：LED到光纖的耦合效率高導(dǎo)光層襯底金屬電極熱沉金屬電極絕緣層雙異質(zhì)結(jié)層非相干輸出光束條形接觸面50~70mm有源區(qū)100~150mm120°30°邊發(fā)光二極管優(yōu)點：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好缺點：需要較大的驅(qū)動電流、發(fā)光功率低單質(zhì)半導(dǎo)體材料都不是直接帶隙材料，因此不適合做光源；很多化合物，尤其是III-V族化合物是直接帶隙的，比如由Al、Ga、In和P、As、Sb構(gòu)成的化合物。不同材料有不同的能級差和發(fā)光波長。不同波長光通信系統(tǒng)應(yīng)選用不同材料光源。LED基本材料：Ga1-xAlxAs(砷化鎵摻鋁)800~850nm短波長光源In1-xGaxAsyP1-y(磷化銦摻砷化鎵)1000~1700nm長波長光源x和y的值決定了材料的帶隙，也就決定了發(fā)光波長LED光源的材料和工作波長合金比率與發(fā)光波長的關(guān)系面發(fā)光LED邊發(fā)光LED相對輸出功率LED的輸出光譜特點：自發(fā)輻射光、譜線較寬 溫度升高或驅(qū)動電流增大導(dǎo)致峰值波長紅移且譜線變寬 長波長光源譜寬比短光源寬1310nm短波長GaAlAs/GaAsLED譜線寬度為30~50nm長波長InGaAsP/InPLED譜線寬度為60~120nm原理：外加電場實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，大量的電子-空穴對的自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光為什么要使用LED：1.驅(qū)動電路簡單2.不需要溫控電路3.成本低、產(chǎn)量高優(yōu)點：輸出光功率線性范圍寬(P-I特性)性能穩(wěn)定壽命長制造工藝簡單、價格低廉缺點：輸出光功率較小:幾個毫瓦譜線寬度較寬:幾十個納米到上百納米調(diào)制頻率較低這種器件在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用關(guān)于LED的小結(jié)4.2.2激光二極管的工作原理

在結(jié)構(gòu)上，半導(dǎo)體激光二極管(LaserDiode，LD)與其他類型的激光器是相同的，都主要由三部分構(gòu)成：激勵源、工作物質(zhì)及諧振腔。1.激光二極管的工作原理(1)LD的能帶結(jié)構(gòu)

LD與LED結(jié)構(gòu)類似，也是由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有源層構(gòu)成，不同的是它在有源層結(jié)構(gòu)中，還有使光發(fā)生振蕩的諧振腔。而LED沒有諧振腔。 圖4.7光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)

在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置，放置兩個反射系數(shù)分別為r1和r2的平行反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔。如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔，如圖4.7所示。對于兩個反射鏡，要求其中一個能全反射，另一個為部分反射。

諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程

如圖4.8所示，當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即可產(chǎn)生自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射的方向不與光學(xué)諧振腔軸線平行，就被反射出諧振腔。只有與諧振腔軸線平行的自發(fā)輻射才能存在，繼續(xù)前進(jìn)。圖4.8激光器示意圖當(dāng)它遇到一個高能級上的粒子時，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷，在從高能級躍遷到低能級中放出一個全同的光子，為受激輻射。當(dāng)受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回反射一次，相位的改變量正好是2π的整數(shù)倍時，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強(qiáng)，產(chǎn)生諧振。達(dá)到一定強(qiáng)度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成一束筆直的激光。當(dāng)達(dá)到平衡時，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量時，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。LD的工作原理可以歸納如下：當(dāng)給LD外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簳r，由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現(xiàn)象，那些傳播方向與諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會在有源層內(nèi)部邊傳播、邊發(fā)生受激輻射放大(其余自發(fā)輻射光子均被衰減掉)，直至傳播到高反射率界面又被反射回有源層，再次向另一個方向傳播受激輻射放大。如此反復(fù)，直到放大作用足以克服有源層和高反射率界面的損耗后，就會向高反射率界面外面輸出激光。(2)LD的工作原理有兩種方式構(gòu)成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型（DFB）激光器。F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如圖4.9所示。圖4.9半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖2.常用激光器的基本結(jié)構(gòu)（1）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。其核心部分是一個P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。缺點是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實用。（2）異質(zhì)半導(dǎo)體激光器異質(zhì)半導(dǎo)體激光器包括單異質(zhì)和雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器兩種。異質(zhì)半導(dǎo)體激光器的“結(jié)”是由不同的半導(dǎo)體材料制成的，目的是降低閾值電流，提高效率。特點是對電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強(qiáng)度。圖4.10InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu)n—InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層n—InP是襯底，頂層P+—InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖4.10所示的銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：增益引導(dǎo)型機(jī)制：從頂層一個窄的條形歐姆接觸區(qū)進(jìn)行載流子注入，改 變有源區(qū)的折射率，從而對光子形成橫向的約束，能 有效抑制橫模。特點：1)輻射功率高，但有2)散光性，且3)工作不穩(wěn)定In(I)1~5mm光強(qiáng)-20°0°20°機(jī)制：1)在橫向引入一個折射率分布實現(xiàn)對光模式的限制 2)在橫向?qū)㈦娏鲊?yán)格地限制在有源區(qū)，使得>60%的注 入電流用于發(fā)光特點：輸出光束具有很好的準(zhǔn)直性、能工作在基橫模橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：折射率引導(dǎo)型光強(qiáng)-10°0°10°單縱模激光器上面的式子和光譜圖告訴我們，將激光器的輻射光限制成單縱模的一條途徑是減少諧振腔長，增加模式之間的波長間隔。使Dl大于增益線寬。Dl但是縮短腔長使得發(fā)射功率大大降低垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)VCSEL出現(xiàn)于1990年。它閾值電流低(<100mA)；類似于面LED，發(fā)光面大，故具有很高的耦合效率；而且體積小、易于集成，適合在WDM多波長系統(tǒng)中應(yīng)用。垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)二維激光器陣列波長：650～1600nm850nm成熟腔長：～1m單縱模低閾值、低驅(qū)動電流圓形發(fā)射截面易于光纖耦合易于制作激光陣列低價格研究熱點長波長發(fā)射有源區(qū)限制層襯底波紋反饋光柵激光輸出分布反饋式(DFB)激光器在腔體中使用布拉格光柵(FBG)會對特定波長發(fā)生強(qiáng)烈反射。這些特定的波長稱為布拉格波長：。DFB激光器就是利用FBG的這種特性選頻，只有符合反射條件的頻率的光會得到強(qiáng)烈反射產(chǎn)生激光。其輸出的波長為：>20dB光柵光纖透鏡光柵1231231+2+31+2+31+2+3123分布布拉格反射(DBR)激光器DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)的外面，它相當(dāng)于在有源區(qū)的一側(cè)或兩側(cè)加了一段分布式布拉格反射器，起著衍射光柵的作用，因此可以將它看成是端面反射率隨波長變化而變化的特殊激光器。DBR激光器的特點和工作特性與DFB激光器類似。但其閾值電流要比DFB激光器的閾值電流高?？烧{(diào)諧DBR激光器二段式三段式BraggSection:大范圍調(diào)節(jié)PhaseSection:精細(xì)調(diào)節(jié)調(diào)諧范圍：～10nm取樣光柵可調(diào)諧DBR激光器工作原理：結(jié)構(gòu)：調(diào)諧范圍：～100nm外腔DBR激光器：線寬幾十KHz光纖式外腔激光器：線寬～50KHz激光二極管組件組件外觀器件封裝管腳連接4.4光源的工作特性4.4.1LED的工作特性1.量子效率與LED功率額外載流子的復(fù)合包括輻射性（發(fā)射能量為hv的光子）和非輻射性，量子效率指輻射性復(fù)合電子-空穴所占的比例。

LED的內(nèi)部量子效率和內(nèi)部功率內(nèi)量子效率hint那么LED的內(nèi)部發(fā)光功率為：例一雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP材料的LED，其峰值波長為1310nm，輻射性復(fù)合時間和非輻射型復(fù)合時間分別為30ns和100ns，驅(qū)動電流為40mA。可以得到：可以得到LED的內(nèi)部發(fā)光功率為：并非所有產(chǎn)生的光都能輸出：光出射錐限制層光的產(chǎn)生和波導(dǎo)區(qū)限制層反射光出射光LED解理面n1>n2其中T(f)為菲涅爾透射系數(shù)，f

=0時：假定外界介質(zhì)為空氣(n2=1)，可以得到：例：LED典型的折射率為3.5，那么其外量子效率為1.41%，這說明光功率僅有很小的一部份能夠從LED中發(fā)射出去。和LED的外部量子效率和外部功率2.P-I特性

LED的P-I特性如圖4.13所示。P表示輸出光功率(mW),I表示注入電流(mA)。圖4.13LED的P-I特性總的來說，驅(qū)動電流較小時，LEDP-I特性曲線具有非常優(yōu)良的線性；電流過大時，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使曲線的斜率減小。通常，LED工作電流為50~100mA，輸出光功率為幾mW。3.光譜特性 LED的光譜特性如圖4.14所示。在圖中，λ0為LED的峰值工作波長(典型值為0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ為譜線寬度，其定義為光強(qiáng)度下降到最大值一半時對應(yīng)的波長寬度。

LED譜線寬度?λ比激光器寬得多。圖4.14InGaAsPLED的光譜特性LED的頻率響應(yīng)可以表示為式中為調(diào)制頻率，P()為對應(yīng)于調(diào)制頻率的輸出光功率，e為注入載流子的壽命。當(dāng)=c=1/e時，P(c)=0.707P(0)。在接收機(jī)中，檢測電流正比于光功率，光功率下降到0.707時，接收電功率下降到0.7072=0.5倍，即下降了3dB。因此，c定義為截止頻率。4.調(diào)制特性適當(dāng)增加工作電流載流子壽命縮短調(diào)制帶寬增加一般地：f面=20~30MHz，f邊=100~150MHz不同載流子壽命下的LED調(diào)制曲線5.溫度特性 溫度特性主要影響到LED的平均發(fā)送光功率、P-I特性的線性及工作波長。

由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。4.4.2LD的工作特性1.LD的P-I特性 LD的P-I特性如圖4.15所示。對于LD，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用Ith表示。閾值電流越小越好。就P-I特性曲線整體而言，由于存在閾值現(xiàn)象，整體線性不如LED。圖4.15LD的P-I特性 從P-I特性還可以引出兩個基本參數(shù)：微分量子效率和功率轉(zhuǎn)換效率。微分量子效率可以定義為輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，表達(dá)式為： 式中：ΔP為發(fā)送光功率增量，ΔI為驅(qū)動電流增量。曲線越陡，微分量子效率越大。 功率轉(zhuǎn)換效率定義為輸出光功率與消耗的電功率之比，可以表示為： 式中：V是PN結(jié)的正向電壓；Rs是LD的串聯(lián)電阻(包括半導(dǎo)體材料的體電阻和接觸電阻)。2.光譜特性

LD的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當(dāng)I＜Ith時，發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如圖4.16（a）所示。當(dāng)I＞Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖4.16（b）所示。圖4.16GaAlAs-GaAs激光器的光譜圖4.17LD的光譜特性LD的光譜特性如圖4.17所示。在圖中，λ0為LED的峰值波長(典型值為0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ為譜線寬度，其定義為縱模包絡(luò)或主模光強(qiáng)度下降到最大值一半時對應(yīng)的波長寬度。3.調(diào)制特性 在對LD進(jìn)行直接調(diào)制時，激光二極管的輸出功率與調(diào)制信號頻率的關(guān)系為：式中：P(0)是頻率為0時LD輸出的光功率值；fr為LD的類共振頻率，ζ是LD的阻尼因子。4.溫度特性

激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性為溫度特性。溫度升高，閾值電流呈指數(shù)增長，而輸出功率則明顯下降，當(dāng)達(dá)到一定溫度時LD不激射。因此，溫控至關(guān)重要。圖4.18激光器閾值電流隨溫度變化的曲線 與LED比較，溫度主要對LD的閾值電流、輸出光功率及峰值工作波長影響較大。為了降低溫度對LD的影響，可以采用兩種方法：選擇溫度特性優(yōu)異的新型LD，或通過一個外加的自動溫度控制電路，使LD的溫度特性能夠滿足系統(tǒng)的要求。4.4.3光源的主要技術(shù)指標(biāo)及比較1.光源的主要技術(shù)指標(biāo) 幾種國產(chǎn)半導(dǎo)體光源的主要技術(shù)指標(biāo)如表4.1所示。2.LED與LD比較

LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。LED通常和多模光纖耦合，用于1.31μm或0.85μm波長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。LD通常和單模光纖耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、長距離光通信系統(tǒng)。分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，用于1.55μm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。作業(yè)4.6，4.8A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#ohPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$nVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H