第3章光源與光檢測器

第3章光源與光檢測器第一頁，共165頁。3.7DFB和DBR激光器3.8調(diào)諧激光器3.9其他類型的激光器3.10激光器組件3.11半導(dǎo)體LED3.12光檢測器3.13PIN3.14APD習(xí)題三第二頁，共165頁。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(gè)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(gè)這樣的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)具有確定的能量，稱為原子的一個(gè)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(shí)，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。第三頁，共165頁。考慮一個(gè)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)，

h＝6.63×10-9(J·s)，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(shí)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(gè)光子，第四頁，共165頁。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(hào)會(huì)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(hào)得到了放大，如圖3.1所示；否則，光信號(hào)將被衰減。第五頁，共165頁。圖3.1二能級原子系統(tǒng)的受激輻射與吸收第六頁，共165頁。根據(jù)物理學(xué)原理可知，每個(gè)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(shí)間的能量）為（N2-N1）rhfc。顯然，如果要實(shí)現(xiàn)信號(hào)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?yàn)樵谡崞胶鉅顟B(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(hào)總是被吸收。第七頁，共165頁。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(hào)時(shí)的性能不如EDFA放大器（在第5章介紹），但實(shí)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（這是光纖通信的兩個(gè)關(guān)鍵器件），所以學(xué)習(xí)它也是理解半導(dǎo)體激光器（使用最廣的發(fā)光器件）的基礎(chǔ)。

第八頁，共165頁。圖3.2給出了半導(dǎo)體光放大器SOA的框圖。SOA實(shí)際上是一個(gè)PN結(jié)，由下面的分析可知，中間的耗盡層實(shí)際上充當(dāng)了有源區(qū)，當(dāng)光通過有源區(qū)時(shí)，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)，因而放大器有源區(qū)的兩端面上鍍有防反射涂層（AR），以減少放大器的帶內(nèi)增益波動(dòng)。而激光器沒有防反射涂層（AR）。第九頁，共165頁。圖3.2半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)第十頁，共165頁。半導(dǎo)體光放大器SOA與EDFA放大器的不同在于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的方式是不同的。首先,半導(dǎo)體SOA的粒子不是處于不同能級上的原子，而是半導(dǎo)體材料中的載流子,即電子或空穴。半導(dǎo)體有兩個(gè)由電子能級構(gòu)成的能帶：一個(gè)是由許多能級構(gòu)成的能量低的價(jià)帶;另一個(gè)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(jià)帶之間稱為禁帶，能量差為Eg，中間不存在能級。對于一個(gè)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。類似前面的討論,將導(dǎo)帶看作能量高的E2能級，將價(jià)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。第十一頁，共165頁。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(shí)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(jià)帶（當(dāng)然是與通過受激吸收從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的電子數(shù)相比），實(shí)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。第十二頁，共165頁。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)第十三頁，共165頁。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(shí)的少數(shù)載流子和耗盡層；

(c)施加正向偏置電壓Uf時(shí)的少數(shù)載流子和耗盡層第十四頁，共165頁。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(shí)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。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。當(dāng)P型和Ｎ型半導(dǎo)體并行放置時(shí)，如圖3.4(a)所示，則Ｐ型半導(dǎo)體中的空穴將向Ｎ型半導(dǎo)體擴(kuò)散，第十五頁，共165頁。Ｎ型半導(dǎo)體中的電子將向Ｐ型半導(dǎo)體擴(kuò)散，將形成如圖3.4(b)所示的在Ｐ型半導(dǎo)體中有凈負(fù)電荷,在Ｎ型半導(dǎo)體中有凈正電荷的狀態(tài)。它們組成了ＰＮ結(jié)的空間電荷區(qū)，也稱為耗盡層。沒有外加偏置電壓時(shí)，少數(shù)載流子即Ｐ型半導(dǎo)體中的電子和Ｎ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ＰＮ結(jié)上時(shí)(如圖3.4(c)所示),耗盡層的厚度將減小，Ｎ型半導(dǎo)體中的電子將向Ｐ型半導(dǎo)體漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使Ｐ型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中有了電子；同樣，Ｐ型半導(dǎo)體中的空穴將向Ｎ型半導(dǎo)體漂移，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果使Ｎ型半導(dǎo)體的價(jià)帶中有了空穴。當(dāng)正向偏置電壓足夠大時(shí)，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。第十六頁，共165頁。實(shí)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(gè)有源區(qū)或?qū)樱cＰ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。小的禁帶寬度有利于將注入到有源區(qū)的少數(shù)載流子（來自Ｎ型半導(dǎo)體的電子和Ｐ型半導(dǎo)體的空穴）限制在有源區(qū)內(nèi)，高的折射率使這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)電介質(zhì)波導(dǎo)，在放大時(shí)有利于將光限制在有源區(qū)內(nèi)。第十七頁，共165頁。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Ｐ型半導(dǎo)體的高能級，這時(shí)短波長的信號(hào)開始放大。實(shí)際上半導(dǎo)體SOA的放大帶寬可達(dá)100nm，可以同時(shí)放大1.30μm、1.55μm窗口的信號(hào)。第十八頁，共165頁。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(shí)際上是置于一個(gè)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)。第十九頁，共165頁。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(gè)F-P腔放大器。F-P腔實(shí)際上是由兩個(gè)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(qiáng)，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)。第二十頁，共165頁。圖3.5F-P光學(xué)諧振腔第二十一頁，共165頁。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(hào)的情況下也將有光信號(hào)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。值以上，器件已不是放大器，而是一個(gè)振蕩器或激光器。這主要是因?yàn)榉糯笃鲙拑?nèi)存在所有波長的自發(fā)輻射光信號(hào)，即使在沒有光信號(hào)輸入時(shí)，由于腔的選擇性而有相應(yīng)波長的光信號(hào)輸出。這種情形與電振蕩器很相像，電振蕩器可以看成是一個(gè)具有正反饋的電放大器，自發(fā)輻射起的作用與由于電子的隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的熱噪聲是一樣的。由于放大的過程是因受激輻射而產(chǎn)生的，因此輸出的激光是相干的。第二十二頁，共165頁。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(shí)際工程應(yīng)用中常用分貝(dB)來表示。其定義為（3.1）第二十三頁，共165頁。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(shí)，激活區(qū)不能實(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，不能在腔內(nèi)建立起振蕩，激光器只發(fā)射較強(qiáng)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(shí)，才能產(chǎn)生功率很強(qiáng)的激光。第二十四頁，共165頁。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)的速率方程可寫為第二十五頁，共165頁。（3.2）第二十六頁，共165頁。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)?3.3)第二十七頁，共165頁?？紤]閾值以下和剛達(dá)閾值時(shí)的情況，這時(shí)受激復(fù)合項(xiàng)與自發(fā)復(fù)合項(xiàng)相比可忽略，即Np=0,則式(3.3)有(3.4)在閾值時(shí),有第二十八頁，共165頁。在閾值以上，受激輻射占主導(dǎo)地位，α通常很小（為10-3～10-5量級），可忽略自發(fā)輻射項(xiàng)，則式(3.3)有(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。第二十九頁，共165頁。圖3.6LD的P-I曲線第三十頁，共165頁。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(jìn)光纖是光發(fā)送機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)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（3.6）第三十一頁，共165頁。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，LD和單模光纖的耦合效率更低。圖3.7給出了面發(fā)光二極管、邊發(fā)光二極管（3.11節(jié)介紹）和半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合效率及耦合損耗的比較。光源和一小段（約長1m）光纖耦合時(shí)，耦合區(qū)封裝在光發(fā)送機(jī)里，另一端為自由端，稱為尾纖，使用時(shí)將尾纖與系統(tǒng)（光纜）對接或用活動(dòng)連接器將尾纖與系統(tǒng)光纖連接。第三十二頁，共165頁。圖3.7光源與光纖的耦合效率（耦合損耗）的比較第三十三頁，共165頁。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(huì)直接影響耦合效率。針對不同的因素，通常用兩種方法來實(shí)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(zhǔn)光源發(fā)光面，這種方法當(dāng)發(fā)光面大于纖芯時(shí)是一種有效的方法，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%。第三十四頁，共165頁。當(dāng)光源與發(fā)光面積小于纖芯面積時(shí)，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(huì)聚進(jìn)入光纖來提高耦合效率。圖3.8展示了面發(fā)光二極管與多模光纖的耦合結(jié)構(gòu)，其中，圖（a）中光纖的端面作成球透鏡，圖（b）中采用截頭透鏡，圖（c）中采用集成微透鏡。采用這種透鏡組合后，耦合效率可達(dá)到6%～15%。第三十五頁，共165頁。圖3.8面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合第三十六頁，共165頁。邊發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面尺寸比面發(fā)光二極管小得多，光束發(fā)散角也小，與同樣數(shù)值孔徑光纖的耦合效率也比面發(fā)光二極管高，但它們的發(fā)散光束是非對稱的，即垂直方向和平行方向的發(fā)散角不同，所以可以用圓柱透鏡來降低這種非對稱性，如圖3.9（a）所示。這種透鏡通常是一段玻璃光纖，垂直放置于發(fā)光面和光纖之間。圖（b）在圓柱透鏡后再加進(jìn)一球透鏡，進(jìn)一步減小光束的發(fā)散，這種方法可以使LD與光纖之間的耦合效率提高30%。圖（c）則利用大數(shù)值孔徑的自聚焦透鏡（GRIN棒）代替柱透鏡，或在柱透鏡后再加GRIN棒，則耦合效率可提高到60%，甚至更高。第三十七頁，共165頁。圖3.9光源與光纖的透鏡耦合第三十八頁，共165頁。單模光纖的纖芯較細(xì)，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(xué)腐蝕方法在光纖端面形成一個(gè)半球透鏡。這種方法可以使耦合效率達(dá)到50%～60%。另外也可以使用圖3.9（c）所示的外部微透鏡進(jìn)行校準(zhǔn)。第三十九頁，共165頁。3.3LD的輸出光譜LD的光譜特性是指輸出光功率P（dB）與光波長λ（μm）之間的關(guān)系。光功率最大值對應(yīng)的光波長稱為中心波長，中心波長一般要與光纖的低損耗窗口相對應(yīng)。由于光功率與放大器的增益成正比，因此輸出光譜特性也可以用增益譜（增益與波長的關(guān)系）來描述。第四十頁，共165頁。要形成穩(wěn)定激光振蕩,輸出的那些波長應(yīng)滿足兩個(gè)條件。第一個(gè)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)位于1225～1560nm范圍內(nèi)。第二個(gè)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(gè)條件的波長稱為激光模式，有一個(gè)波長對應(yīng)一個(gè)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(yán)格地說是空間模式，為了區(qū)別開，可以稱為縱模。第四十一頁，共165頁。3.3.1多縱模LD如果激光器同時(shí)有多個(gè)模式振蕩,就稱為多模激光器MLM（MultipleLongitudinalMode）。前面討論的F-P腔激光器就是多模激光器。MLM激光器通常有寬（大）的光譜寬度，典型值約為10nm。典型的MLM的光譜如圖3.10所示。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。第四十二頁，共165頁。圖3.10MLM和SLM的光譜(a)MLM的光譜；(b)SLM的光譜第四十三頁，共165頁。3.3.2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)，這樣的激光器稱為單縱模激光器SLM(SingleLongitudinalMode)。SLM的典型光譜如圖3.10(b)所示。第四十四頁，共165頁。SLM激光器可以利用濾波器原理來選擇所需的波長，同時(shí)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（SidemodeSuppressionRatio）,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30dB。目前有分布反饋DFB、外腔反饋等常用方法來實(shí)現(xiàn)單縱模。具體原理在下面介紹。第四十五頁，共165頁。3.4LD的調(diào)制響應(yīng)以上分析了在穩(wěn)態(tài)情況下半導(dǎo)體激光器的特性，下面用小信號(hào)近似情形來分析半導(dǎo)體激光器在接通電源、關(guān)閉電源或受其他電流擾動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)特性。小信號(hào)分析假定:(3.7)第四十六頁，共165頁。忽略自發(fā)輻射項(xiàng)，即令α=0，聯(lián)立式（3.2）和（3.7）得第四十七頁，共165頁。再微分一次得(3.8)第四十八頁，共165頁。這是標(biāo)準(zhǔn)二階常系數(shù)微分方程組，其解為ne(t)=ne0

exp［-(γ-iω0t)］np(t)=np0

exp［-(γ-iω0t)］(3.9)其中,衰減常數(shù)γ為(3.10)第四十九頁，共165頁。由τe<<τp可知，ω0稱為馳豫振蕩頻率。通過改變注入電流可改變馳豫振蕩頻率。第五十頁，共165頁。當(dāng)半導(dǎo)體激光器注入交變信號(hào)即注入調(diào)制信號(hào)時(shí)，設(shè)注入電流密度J=J0+J(t)，且J(t)<<J0，則式（3.8）可改寫為(3.11)第五十一頁，共165頁。設(shè)J(t)=Jmeiωt，Jm<<J0，則代入式(3.11)可得ne(t)=ne0

exp［-(γ+iω0t)+nem

exp(iωt)］np(t)=np0exp［-(γ+iω0t)］+npm

exp(iωt)(3.12)第五十二頁，共165頁。方程(3.11)為非齊次二階常系數(shù)線性微分方程，所以其通解式(3.12)包括馳豫振蕩和受迫振蕩項(xiàng)，后者即代表調(diào)制響應(yīng)。在穩(wěn)態(tài)情況下，馳豫振蕩項(xiàng)可忽略，所以有ne(t)=nem

exp(iωt)np(t)=npm

exp(iωt)(3.13)其中光子密度的振幅為第五十三頁，共165頁。ω0、γ的含義與前面的相同，由式(3.10)給出。為了衡量激光二極管的調(diào)制特性，定義歸一化調(diào)制深度H（ω）如下：(3.14)第五十四頁，共165頁。圖3.14給出了歸一化調(diào)制深度H（ω）隨ω變化的規(guī)律。半導(dǎo)體激光二極管的本征調(diào)制響應(yīng)帶寬就是由激光器的激射作用所限制的調(diào)制帶寬。也就是說，本征響應(yīng)就是由速率方程所決定的調(diào)制響應(yīng)，因此它可用H（ω）來代表。從圖3.11可見，當(dāng)ω>ω0時(shí)，歸一化調(diào)制深度迅速下降。第五十五頁，共165頁。因此，很自然地將馳豫振蕩頻率ω0定義為激光二極管的本征調(diào)制帶寬。激光二極管的馳豫振蕩頻率和(J-Jth)1/2成正比,所以閾值越低的器件越能獲得較大的帶寬。實(shí)際調(diào)制帶寬比本征調(diào)制帶寬（即ω0）要窄得多,這是由激光二極管的高頻等效電路參數(shù)的影響而造成的,這里不作深入討論，有興趣的讀者可參閱其他書籍。第五十六頁，共165頁。圖3.11半導(dǎo)體激光器的調(diào)制響應(yīng)第五十七頁，共165頁。3.5LD的溫度特性與自動(dòng)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是雙異質(zhì)結(jié)（BH）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。第五十八頁，共165頁。圖3.121.3μmBH激光器輸出功率與注入電流的關(guān)系曲線第五十九頁，共165頁?？梢杂孟旅娴慕?jīng)驗(yàn)公式表示Ith隨溫度的變化：

（3.15）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。第六十頁，共165頁。LD在高溫環(huán)境下工作也會(huì)影響它的壽命，而且LD的發(fā)射波長也會(huì)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(jī)電路中需要對LD的溫度進(jìn)行控制。一般采用兩種方法來進(jìn)行溫度控制：一種是環(huán)境溫度控制法，另一種是對LD進(jìn)行自動(dòng)溫度控制（ATC）。第六十一頁，共165頁。環(huán)境溫度控制主要對通信機(jī)房的溫度進(jìn)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(jìn)行自動(dòng)溫度控制一般采取半導(dǎo)體制冷器控制方式。半導(dǎo)體制冷是基于帕爾貼效應(yīng)的一種制冷方式。制冷器由特殊的半導(dǎo)體材料制成，當(dāng)其通過直流電流時(shí)，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(dòng)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(dá)到自動(dòng)溫度控制的預(yù)期效果。第六十二頁，共165頁。圖3.13溫控電路的原理圖第六十三頁，共165頁。圖3.13所示為溫控電路的原理圖。LD組件中的熱敏電阻Rt具有負(fù)溫度系數(shù)，在20°C時(shí)其阻值為10～12kΩ，ΔRt/ΔT≈-0.5%/°C。它與R1、R2、R3構(gòu)成橋式電路，它們的輸出電壓加到差分放大器的同相及反相輸入端，在某溫度（如20°C）下電橋平衡。LD發(fā)熱時(shí)Rt下降，V1正向偏置，制冷器Rc電流增大，使LD溫度下降。第六十四頁，共165頁。3.6LD的輸出光功率穩(wěn)定性與

自動(dòng)功率控制（APC）LD穩(wěn)定的輸出功率對光發(fā)送機(jī)來說非常重要，所以要通過自動(dòng)功率控制（APC）來實(shí)現(xiàn)光功率的穩(wěn)定輸出。APC的主要功能有：（1）自動(dòng)補(bǔ)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(jì)要求的指標(biāo)范圍。第六十五頁，共165頁。（2）自動(dòng)控制光發(fā)送機(jī)的輸入信號(hào)碼流中長連“0”序列或無信號(hào)輸入時(shí)使LD不發(fā)光。除了控制式（3.15）中的閾值以外，還要控制另一個(gè)重要的參數(shù)：LD的微分量子效率ηd。ηd定義為閾值以上光子輸出速率增量與注入電子數(shù)增量之比，它顯然和各種損耗有關(guān)，可以通過P-I曲線的斜率計(jì)算。ηd與溫度的關(guān)系為（3.16）式中,η0為T0時(shí)的微分量子效率。第六十六頁，共165頁。圖3.14LD閾值電流及微分量子效率變化時(shí)的光輸出第六十七頁，共165頁。圖3.15APC原理電路第六十八頁，共165頁。從圖3.15中還可以看到，在LD驅(qū)動(dòng)電路的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)為長連“0”或者其輸入數(shù)據(jù)信號(hào)消失時(shí)，A3的反相輸入端為高電平，因此A3輸出電平下降，進(jìn)而控制LD的Ib減小，使LD的輸出光功率減小。這是該控制的自動(dòng)控制原理，其反饋控制又可能會(huì)使Ib增加。第六十九頁，共165頁。然而所謂自動(dòng)光功率控制，是以LD驅(qū)動(dòng)電路的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的參考電平不變?yōu)楸匾獥l件的，因此由于其輸入數(shù)據(jù)信號(hào)參考電平變化而引起Ib的變化要大于自動(dòng)光功率控制的幅度,結(jié)果在長連“0”或無信號(hào)輸入時(shí)，LD的輸出光功率大大降低，以致使LD不發(fā)激光而發(fā)熒光。這樣就有效地保護(hù)了LD不致因?yàn)檫^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。這種控制方法在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%。第七十頁，共165頁。3.7DFB和DBR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(jì)成周期性變化的，如圖3.16(a)和(b)所示。第七十一頁，共165頁。圖3.16DFB和DBR激光器的結(jié)構(gòu)(a)DFB激光器；(b)DBR激光器第七十二頁，共165頁。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(gè)對最終從腔體發(fā)出的光波的貢獻(xiàn)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(gè)波長才能對形成最強(qiáng)的反射光波有貢獻(xiàn)，而其他的那些波長對形成最強(qiáng)的反射光波沒有貢獻(xiàn)，也就是說與其他波長相比，只有該波長得到優(yōu)先放大。第七十三頁，共165頁。通過合理設(shè)計(jì)器件，這種效應(yīng)可以用來抑制其他縱模，只有與波長等于變化周期的二倍相對應(yīng)的單個(gè)縱模才能最終形成激光振蕩，這樣的激光器有時(shí)稱為單模激光器。在制作器件時(shí)，通過改變其變化周期就可以得到不同的工作波長。第七十四頁，共165頁。實(shí)際上，任何采用周期性波導(dǎo)來獲得單縱模的激光器都稱為分布反饋激光器，然而DFB（DistributedFeedBack）激光器僅指周期性出現(xiàn)在腔體的有源增益區(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(DistributedBragReflection)激光器。DBR激光器的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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)。第七十五頁，共165頁。DFB激光器的制作工藝比F-P腔激光器的制作工藝簡單，雖然價(jià)格較貴，但高速光纖通信系統(tǒng)幾乎全部采用DFB激光器，F(xiàn)-P腔激光器只用在短距離的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中。反射光進(jìn)入DFB激光器能引起波長和功率的變化，因而常采用一個(gè)封裝在DFB激光器前面的光隔離器來阻止反射光。實(shí)際上,DFB激光器還在其后面封裝有一個(gè)TEC制冷器和光電二極管。第七十六頁，共165頁。為了激光器能工作在恒定溫度和阻止波長隨溫度的漂移,TEC是必須的。光電二極管通過探測其后端面泄漏出來的光（它與激光器前端輸出的光功率成正比）來監(jiān)測激光器的功率。DFB激光器的封裝是DFB激光器昂貴的主要原因。對于WDM系統(tǒng)，在單個(gè)封裝中封裝有多個(gè)不同波長DFB激光器是很重要的。第七十七頁，共165頁。這種器件可以用作多波長激光器，也可以用作調(diào)諧激光器（根據(jù)所需的波長，陣列中只有一個(gè)激光器在工作）。這些激光器也可以以陣列的形式生長在單個(gè)基片上。4或8個(gè)波長陣列的激光器在實(shí)驗(yàn)室已制作成功，但大批量生產(chǎn)還有困難，主要原因是：作為一個(gè)整體，其陣列的生長（半導(dǎo)體的工藝）是很低的，只要有一個(gè)不能滿足要求，則整個(gè)陣列被放棄。第七十八頁，共165頁。圖3.17外腔半導(dǎo)體激光器第七十九頁，共165頁。另一種抑制其他縱模的方法是再采用一個(gè)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(dá)到此目的。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(jì)兩種腔就可以使主腔增益帶寬內(nèi)的一個(gè)波長滿足該條件，因而激光振蕩可以限制為一個(gè)單縱模。第八十頁，共165頁?？梢允褂醚苌涔鈻艠?gòu)成外腔(如圖3.18所示)來代替圖3.17所示的另一F-P型外腔，這樣的激光器稱為光柵外腔激光器。這種情況下，面對光柵增益腔的端面應(yīng)鍍防反射膜，從衍射光柵反射回增益腔的波長由光柵刻痕間距和其相對于增益腔的傾斜角決定。第八十一頁，共165頁。圖3.18光柵外腔半導(dǎo)體激光器第八十二頁，共165頁。3.8調(diào)諧激光器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。第八十三頁，共165頁。這種方法是采用機(jī)械調(diào)諧的，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100nm。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是不適合的。第八十四頁，共165頁。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(shí)的。由于這一原因，半導(dǎo)體激光器的波長隨注入正向電流而改變，當(dāng)然輸出光功率也隨注入電流改變，而實(shí)際上我們希望半導(dǎo)體激光器的波長隨注入正向電流改變但同時(shí)輸出光功率不隨注入電流改變。第八十五頁，共165頁。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(gè)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(huì)對功率和波長分別實(shí)現(xiàn)控制。這種激光器稱為雙電極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8nm。能夠發(fā)射20個(gè)波長的這種激光器已研制成功。第八十六頁，共165頁。3.9其他類型的激光器3.9.1垂直腔面發(fā)光激光器（VCSELs）這里介紹另一種獲得單縱模激光的方法。如圖3.10所示，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(gè)波長,從而獲得單縱模。如果有源區(qū)（或?qū)樱┦窃诎雽?dǎo)體基片上摻雜,則有源區(qū)可以做得很薄，如圖3.19所示。第八十七頁，共165頁。圖3.19垂直腔激光器VCSELs的結(jié)構(gòu)第八十八頁，共165頁。這是由在半導(dǎo)體基片的上下兩個(gè)端面的反射鏡構(gòu)成的垂直腔，激光也是從它的一個(gè)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（VerticalCavitySurface

Emitting

Lasers）。相應(yīng)地，前面討論的激光器因而稱為邊發(fā)光激光器。第八十九頁，共165頁。增益區(qū)有非常短的腔長，鏡面有高的反射率對于單縱模工作是必須的。如果采用金屬化的鍍膜表面來獲得如此高的鏡面反射率是相當(dāng)困難的。具有折射率高低交替變化的多層電介質(zhì)雖然具有波長選擇性，但卻具有很高的反射率。這種反射鏡隨著激光器的使用其表面會(huì)受到腐蝕。

第九十頁，共165頁。VCSELs激光器最大的問題是,由于電流的注入引起的大的歐姆電阻導(dǎo)致了器件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因而需要有效的熱制冷。許多被用來制作鏡面的電介質(zhì)材料具有低的熱導(dǎo)率，這種電介鏡的使用使得VCSELs在室溫下工作是很困難的，因?yàn)槠骷a(chǎn)生的能量很不容易散發(fā)。因此，VCSELs自1979年研制成功后，一直不能在室溫下工作。人們花費(fèi)大量的精力來尋找新的材料和利用新的技術(shù)，現(xiàn)已能夠制作工作溫度為65°、波長為1.5μm的VCSELs激光器。第九十一頁，共165頁。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(gè)F-P腔激光器其振蕩模式是N個(gè)相鄰的縱模，這意味著如果縱模的波長分別為λ0、λ1、…、λN-1，則腔長L應(yīng)滿足L=(k+1)λi/2，i=0,1,2,…,N-1,k為任意整數(shù)。這一條件等價(jià)于相應(yīng)的模的頻率分別為f0、f1、…、fN-1,且滿足fi=f0+iΔf，i=0,1,2，…，N-1。對應(yīng)于頻率fi的振蕩為ai

cos(2πfit+φi),ai為模的振幅，φi為模的相位（嚴(yán)格說來這是與縱模相關(guān)的電場的時(shí)間分布），則總的激光輸出為第九十二頁，共165頁。當(dāng)N=10時(shí),對于不同的φi,該表達(dá)式有圖3.20所示的波形。圖3.20(a)對應(yīng)φi取任意的值，圖3.20(b)對應(yīng)φi是彼此相等的。這兩種情況的ai是相同的，為了圖示的方便沒有考慮f0的典型值。第九十三頁，共165頁。圖3.20鎖模激光器的光強(qiáng)隨時(shí)間變化的波形第九十四頁，共165頁。從圖3.20(a)可以看出：在沒有鎖模時(shí)，多模激光器的輸出幅度隨時(shí)間快速變化，相鄰縱模的頻率間隔為c/2nL。設(shè)n=3，L=200μm，對半導(dǎo)體激光器而言,其頻率間隔的典型值為250GHz，因此這種幅度的快速波動(dòng)（時(shí)間量度上為幾個(gè)ps）對于以幾十個(gè)Gb/s的開關(guān)（onoff）調(diào)制的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)是沒有影響的。從圖3.20(b)可知，當(dāng)φi彼此相等時(shí),激光振蕩輸出為一窄脈沖周期序列，工作于此方式的激光器稱為鎖模激光器，它是獲得窄脈沖的常用方法。第九十五頁，共165頁。鎖模激光器的兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔為2nL/c，如圖3.20(b)所示，對半導(dǎo)體激光器而言，其典型值為幾個(gè)ps。對于1～10Gb/s范圍內(nèi)的調(diào)制速率，脈沖間隔為0.1～1ns。為了獲得具有如此短的脈沖間隔的鎖模激光，對應(yīng)的腔長L的數(shù)量級為1～10cm，如此長的腔長對半導(dǎo)體激光器來說是不易實(shí)現(xiàn)的，但若采用光纖激光器則很容易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楣饫w激光器為了獲得足夠的增益，腔長可以做得較長。第九十六頁，共165頁。獲得鎖模激光的方法是對激光腔內(nèi)增益進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)然對幅度、頻率調(diào)制均可。利用幅度調(diào)制的輸出波形如圖3.21所示。調(diào)制后的腔內(nèi)增益的周期與脈沖之間的間隔相等,為2L/v＝2nL/c。選用的調(diào)制幅度應(yīng)使得任何單個(gè)模式要想振蕩卻沒有足夠的增益。但大量的模如果相位疊加，就有足夠的增益在腔內(nèi)形成激光振蕩，如圖3.21所示。對于光纖激光器,可以在外腔中插入一個(gè)外調(diào)制器實(shí)現(xiàn)增益調(diào)制。第九十七頁，共165頁。圖3.21腔內(nèi)增益幅度調(diào)制鎖模激光器的波形第九十八頁，共165頁。3.9.3量子阱（QW）激光器量子阱QW(QuantumWell)半導(dǎo)體激光器是一種窄帶隙有源區(qū)夾在寬帶隙半導(dǎo)體材料中間或交替重疊生長的半導(dǎo)體激光器，是一種很有發(fā)展前途的激光器。量子阱激光器與一般的異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)相似，只是有源區(qū)的厚度很薄，僅為幾十埃。理論分析表明：當(dāng)有源區(qū)厚度極小時(shí)，有源區(qū)與兩邊相鄰層的能帶將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，即在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)上出現(xiàn)了導(dǎo)帶和價(jià)帶的突變，從而使窄帶隙的有源區(qū)為導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴創(chuàng)造了一個(gè)勢能阱，由此帶來了一系列的優(yōu)越性質(zhì)，其名稱也因此而來。第九十九頁，共165頁。QW激光器的主要特點(diǎn)有：(1)閾值電流低。由于其結(jié)構(gòu)中“阱”的作用，使電子和空穴被限制在很薄的有源區(qū)內(nèi)，造成有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度很高，因而大大降低了閾值電流。由于閾值電流的降低，同時(shí)還帶來了功耗低、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)。(2)線寬變窄。由于量子阱中帶間復(fù)合的特點(diǎn)，使得線寬增大系數(shù)變小，從而減小了光譜中的線寬。(3)動(dòng)態(tài)單縱模特性好。第一百頁，共165頁。3.9.4多波長激光器陣列在WDM系統(tǒng)中,同一光纖鏈路往往同時(shí)發(fā)射多個(gè)波長,因而每一個(gè)波長需要一個(gè)激光器。如果在一個(gè)基片上能同時(shí)集成多個(gè)這樣的激光器,則發(fā)送機(jī)的價(jià)格會(huì)大大降低。這也是發(fā)展陣列激光器(如前面介紹的DFB陣列激光器)的原因。而且，陣列激光可以通過簡單地將其中的每一個(gè)激光器調(diào)到所需的波長而用作調(diào)諧激光器。第一百零一頁，共165頁。用面發(fā)光激光器可以制作二維激光陣列(如圖3.22所示)，它比用邊發(fā)光激光器更容易獲得高的陣列封裝密度，但將這些激光器發(fā)出的光耦合到光纖是很困難的。這些陣列激光器也同樣存在其他陣列激光器所存在的問題，如只要其中一個(gè)不能滿足要求，則整個(gè)陣列就被放棄。第一百零二頁，共165頁。圖3.22二維垂直腔面發(fā)光激光器陣列第一百零三頁，共165頁。3.10激光器組件通信中使用的激光器常常是激光器組件。所謂組件，是將激光器與其他光器件如光電二極管、光隔離器、光纖等和電子器件如FEC電制冷器等封裝在一起的一個(gè)光機(jī)電有機(jī)結(jié)合體，它使激光器在寬的溫度范圍內(nèi)長時(shí)間穩(wěn)定工作(即光功率恒定、光波長不漂移)。隨著該組件應(yīng)用的普及，其內(nèi)部元件也不一定相同。一般常用激光器組件包括以下獨(dú)立部分：第一百零四頁，共165頁。(1)激光器(如DFB激光器、量子阱激光器)。(2)PIN光電二極管，用來監(jiān)測其輸出光功率以使光功率穩(wěn)定。(3)TEC制冷器、散熱器，用來將激光器的工作溫度控制在一定的范圍。(4)激光器與光纖的耦合部分，以便將光很好地耦合到光纖，這一段光纖常稱為尾纖。(5)光隔離器ISO，以防止反射光進(jìn)入激光器影響激光器的性能。第一百零五頁，共165頁。(6)光濾波器,如F-P標(biāo)準(zhǔn)具、布拉格濾波器,用來選擇合適的光譜，用于DWDM系統(tǒng)。(7)調(diào)制器,如電吸收MQW外調(diào)制器，用于高速率的系統(tǒng)。(8)半導(dǎo)體光放大器SOA，用來提升發(fā)送光功率。對于不同的系統(tǒng)應(yīng)用，激光器組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完全相同，主要的性能指標(biāo)有：光功率（dB）、光波長、工作的比特率（Gb/s）等，還有如溫度范圍、電源供電、物理尺寸、光功率的安全保護(hù)等。第一百零六頁，共165頁。3.11半導(dǎo)體LED3.11.1LED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(qiáng)度低，在采用價(jià)廉的塑料封裝后，可作為可見光及近紅外的顯示、報(bào)警、計(jì)算及其他工業(yè)應(yīng)用。第一百零七頁，共165頁。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(diǎn)是輸出功率比SLED或ELED高（λ=0.87μm時(shí)脈沖功率可達(dá)60mW，λ=1.3μm時(shí)耦合入單模光纖的功率達(dá)1mW），輸出光束的方向性好，譜線較窄（1.3μm時(shí)FWHM寬30nm),調(diào)制帶寬大（-1.5dB時(shí)帶寬達(dá)350MHz），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(diǎn)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(shí)必須制冷。第一百零八頁，共165頁。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1～2μm，與其兩邊的N-GaAlAs和P-GaAlAs構(gòu)成兩個(gè)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(gè)凹坑，使光纖能直接靠近有源區(qū)。在P-GaAs一側(cè)用SiＯ2掩膜技術(shù)形成一個(gè)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40～50μm)。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。第一百零九頁，共165頁。它在θ方向的輻射強(qiáng)度為I（θ）=I0

cosθ其中，I0為沿θ=0方向的輻射強(qiáng)度。由圖3.24(b)可見，SLED的輸出有很寬的角向分布，半功率點(diǎn)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（見第3.2.3節(jié)）。第一百一十頁，共165頁。圖3.23GaAlAs-DH-SLED的結(jié)構(gòu)第一百一十一頁，共165頁。圖3.24SLED的光輻射分布第一百一十二頁，共165頁。圖3.25條形AlGaAs-DH-ELED的結(jié)構(gòu)第一百一十三頁，共165頁。3.11.2LED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(shí)逐漸飽和。LED的工作電流通常為50～100mA，這時(shí)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(shí)，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(shí)，輸出功率將下降約一半。但相對LD而言，溫度的影響較小。第一百一十四頁，共165頁。圖3.26LED的特性第一百一十五頁，共165頁。2.頻譜特性如前所述，LED的工作基于半導(dǎo)體的自發(fā)發(fā)射。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶和價(jià)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，則偏移量δEg在kT～2kT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(qiáng)下降一半的兩點(diǎn)間波長變化為輸出譜線寬度(半功率點(diǎn)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25～40nm，長波長LED的線寬則可達(dá)75～100nm。第一百一十六頁，共165頁。圖3.27導(dǎo)帶和價(jià)帶能級間的光發(fā)射和線寬（a）光發(fā)射;（b）線寬第一百一十七頁，共165頁。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?fù)诫s，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(shí)，因結(jié)溫升高而線寬加大，同時(shí)峰值波長向長波長移動(dòng)，移動(dòng)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(yán)重，限制了傳輸距離和速率。第一百一十八頁，共165頁。3.調(diào)制特性LED的光功率輸出可直接由信號(hào)電流來調(diào)制。在數(shù)字調(diào)制時(shí)，它可由電流源直接調(diào)制；在模擬調(diào)制時(shí)，則先要將LED直流偏置。LED的調(diào)制特性主要包括線性和帶寬兩個(gè)參量。第一百一十九頁，共165頁。從LED的P-I特性可知，當(dāng)注入電流小時(shí)，其線性相當(dāng)好；但當(dāng)注入電流較大時(shí)，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(shí)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(jìn)行線性補(bǔ)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(shí),要求光源的諧波失真小于-60～-70dB，但一般LED的THD僅能達(dá)到-30～-40dB，因此需要進(jìn)行補(bǔ)償。第一百二十頁，共165頁。調(diào)制特性的另一個(gè)重要參量是它的調(diào)制帶寬。在調(diào)制頻率較低時(shí)，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(huì)下降。設(shè)LED受頻率ω的信號(hào)調(diào)制，則它的輸出功率可以表示為（3.17）第一百二十一頁，共165頁。式中，P(0)為直流(ω=0)時(shí)的光輸出，τ為LED及驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)間常數(shù)。對于設(shè)計(jì)優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路，τ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)ω=1/τ時(shí)，P（ω）=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(-1.5dB)時(shí)，接收電功率下降到（0.707）2=0.5，即-3dB。因此，1/τ就是LED的3dB調(diào)制帶寬或3dB電帶寬，即（3.18）第一百二十二頁，共165頁。顯然，3dB光帶寬要大于3dB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τ取決于輻射復(fù)合（產(chǎn)生光子）壽命τr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τnr。為了提高調(diào)制帶寬，應(yīng)使τr盡量小，同時(shí)應(yīng)使τr<<τnr。雖然減小有源層厚度d可以增大調(diào)制帶寬，但也會(huì)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。第一百二十三頁，共165頁。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%左右，即η＝1/2。LED的功率帶寬積可表示為（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τr減小，從而使Δω增大，但同時(shí)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(shí)驗(yàn)證實(shí)。第一百二十四頁，共165頁。3.12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(dāng)光照射到其表面時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子，獲得能量的電子躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)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(yùn)動(dòng)形成了電流，這個(gè)電流常稱為光生電流。第一百二十五頁，共165頁。圖3.28半導(dǎo)體光檢測器的原理第一百二十六頁，共165頁。3.12.1波長響應(yīng)

根據(jù)量子力學(xué)原理可知，每個(gè)在能級之間躍遷的電子只能吸收一個(gè)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。表3.1列出了常用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和相應(yīng)的截止波長。第一百二十七頁，共165頁。由表3.1可知，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，盡管Ge在這兩個(gè)波段都可用作光檢測器，但由于其本身的某種缺點(diǎn)也不能用作光檢測器。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。第一百二十八頁，共165頁。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號(hào)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(jì)光檢測器時(shí)應(yīng)使其量子效率η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（μm）的半導(dǎo)體平板，其吸收的光功率為P吸收=(1-e-αL)Pin（3.20）第一百二十九頁，共165頁。式中，Pin為輸入的光功率，α為材料的吸收系數(shù)。因此，量子效率為(3.21)第一百三十頁，共165頁。α與波長有關(guān)，當(dāng)波長大于截止波長時(shí)，其值為零。對于大于截止波長的光信號(hào)來說，半導(dǎo)體是透明的，α的典型值為104/cm，因此，為了獲得η>0.99的量子效率，半導(dǎo)體厚度需要10μm。光檢測器的面積選擇得足夠大以使所有的入射光被捕獲，光檢測器有寬的響應(yīng)帶寬，所以在一定波長工作的光檢測器就能工作于更短的波長。設(shè)計(jì)工作于1.55μm的光檢測器同樣能用作1.3μm的光檢測器。第一百三十一頁，共165頁。光檢測器常用另一個(gè)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（3.22）因?yàn)槿肷涔夤β蔖in對應(yīng)于單位時(shí)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η部分被吸收，并在外電路中產(chǎn)生光電流，則有（3.23）第一百三十二頁，共165頁。響應(yīng)度用波長表示為（3.24）第一百三十三頁，共165頁。實(shí)際上，僅采用半導(dǎo)體平板制作光檢測器也不能實(shí)現(xiàn)較高的量子效率，這主要是因?yàn)閮r(jià)帶中產(chǎn)生的電子在運(yùn)動(dòng)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(jià)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(qiáng)的電場的方法來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)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，如圖3.29所示，這樣的光檢測器稱為光電二極管。第一百三十四頁，共165頁。圖3.29采用反向偏置的ＰＮ結(jié)制作光檢測器(a)PN結(jié)；(b)沒有偏置電壓時(shí)的耗盡層;(c)反向偏置Va時(shí)的耗盡層;(d)反向偏置時(shí)的內(nèi)建電場第一百三十五頁，共165頁。PN結(jié)的耗盡層（或區(qū)）產(chǎn)生了內(nèi)建電場，無論是耗盡層還是內(nèi)建電場,在反向偏置電壓（正電壓在Ｎ結(jié),負(fù)電壓在Ｐ結(jié)）的作用下得到了加強(qiáng)。這種情況下，在（或靠近）耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生的電子在和Ｐ結(jié)的空穴復(fù)合之前很快運(yùn)動(dòng)到Ｎ結(jié)(這一過程稱為漂移運(yùn)動(dòng))，同時(shí)在外電路產(chǎn)生電流；同樣，在（或靠近）耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生的空穴在和Ｎ結(jié)的電子復(fù)合之前很快運(yùn)動(dòng)到Ｐ結(jié),遠(yuǎn)離耗盡區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對,也是進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)。第一百三十六頁，共165頁。同時(shí)也存在沒有在外電路中產(chǎn)生電流的復(fù)合,這導(dǎo)致了光檢測器的量子效率的減小。更重要的是,由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)相比是一慢過程，因而由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光電流不能快速響應(yīng)輸入光強(qiáng)的變化，減少了光電二極管的頻率響應(yīng)。第一百三十七頁，共165頁。3.12.3響應(yīng)速度響應(yīng)速度是光電二極管的一個(gè)重要參數(shù)，除了與上面提到的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)外，它還與負(fù)載電路RC參數(shù)有關(guān)。R為其負(fù)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(hào)的速率進(jìn)一步提高時(shí)，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(jì)：2e(Is+I暗電流)（3.25）式中,Is為光信號(hào)電流，I暗電流是沒有光信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的電流。第一百三十八頁，共165頁。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)部自由電子或電荷載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。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（3.26）第一百三十九頁，共165頁。其中,k為玻爾茲曼常數(shù)，R為檢測器的等效電阻，T為絕對溫度，B為接收機(jī)帶寬。從上式可以看出，降低器件的絕對溫度可以降低熱噪聲，降低探測帶寬也可以減少熱噪聲。因?yàn)闊嵩肼暿且环N白噪聲，所以在檢測器前面可以用光濾波器去除信號(hào)帶寬以外的熱噪聲。第一百四十頁，共165頁。2.暗電流噪聲和漏電流噪聲暗電流是沒有光入射時(shí)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(huì)得到高場區(qū)的加速而倍增。暗電流的均方值為（3.27）第一百四十一頁，共165頁。其中,e為電子電量，Id為未經(jīng)倍增的一次暗電流，可以表示為（3.28）第一百四十二頁，共165頁。其中，U是二極管的偏壓;Idn和Idp是電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)對暗電流的貢獻(xiàn)，可以分別表示為(3.29)第一百四十三頁，共165頁。其中，Dn和Dp分別是電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù);τn和τp分別為熱激發(fā)少數(shù)載流子的壽命;NP和NN分別為P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度；AP和AN分別為P區(qū)和N區(qū)的結(jié)面積;ni為特定溫度下本征載流子密度，正比于

exp［-Eg(T)/(2kT)］。通常的光電二極管隨溫度的升高其Eg將減小，所以ni將急劇增大。從上面的分析可以看出，暗電流和器件的材料、器件偏壓和溫度有關(guān)。暗電流隨器件偏壓的增大和溫度的升高而增大。第一百四十四頁，共165頁。漏電流又稱為表面暗電流，它是由器件表面的缺陷、污染、偏壓和表面積大小等因素決定的。通過合理的設(shè)計(jì)可以有效地降低漏電流，漏電流不會(huì)被倍增，漏電流的均方值可以表示為（3.30）其中,IL為表面暗電流的值。第一百四十五頁，共165頁。

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，具有隨機(jī)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(jìn)行限制甚至消除，而這種噪聲總是存在的，并成為接收機(jī)的極限靈敏度的限制。（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。第一百四十六頁，共165頁。3.13PIN為了進(jìn)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(gè)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。第一百四十七頁，共165頁。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(yuǎn)遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體的截止波長，在此區(qū)域?qū)獠晃?。如圖3.30所示，P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?yàn)樗瑑蓚€(gè)完全不同的半導(dǎo)體材料組成的兩個(gè)PN結(jié)。由表3.1可知，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(kuò)散部分完全減少了。第一百四十八頁，共165頁。圖3.30基于異質(zhì)結(jié)的P