光纖通信（第四版）光源與光檢測器

光源與光檢測器本章內(nèi)容3.1半導體激光器（LD）

的工作原理3.2LD的輸出光功率3.3LD的輸出光譜3.4LD的調(diào)制響應3.5LD的溫度特性與ATC3.6LD的輸出光功率與APC3.7DFB與BRD激光器3.8調(diào)諧LD本章內(nèi)容3.9其他類型的LD3.10LD組件3.11半導體LED3.12光源與光纖的耦合3.13光檢測器3.14PIN3.15APD光與物質(zhì)的三種相互作用3.1LD的工作原理光放大受激輻射非熱平衡狀態(tài)下，可能出現(xiàn)高能級粒子數(shù)占多數(shù)的情況，稱之為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的情況下，物質(zhì)的自發(fā)輻射和受激輻射占一定優(yōu)勢，物質(zhì)表現(xiàn)出發(fā)光特性。如果外部有合適頻率的光信號進入粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)，則在受激輻射的作用下，該光信號被放大、光子數(shù)倍增，原有光波特點保留。hυhυhυE1E2受激發(fā)射的特點：產(chǎn)生的新光子與原光子嚴格同頻、同相、同極化3.1LD的工作原理半導體光放大（SOA）純凈半導體幾乎是絕緣體，摻雜可使其特性發(fā)生變化當摻入施主雜質(zhì)時（外層電子數(shù)多于4個），由于施主雜質(zhì)的費米能級位置較本征半導體高，重摻雜時該半導體的費米能級進入導帶，稱兼并型N型半導體當摻入受主雜質(zhì)時（外層電子數(shù)少于4個），由于受主雜質(zhì)的費米能級位置較本征半導體低，重摻雜時該半導體的費米能級進入價帶，稱兼并型P型半導體Ef本征半導體EfP+型半導體EfN+型半導體3.1LD的工作原理自建場空間電荷區(qū)-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+P區(qū)N區(qū)PN結(jié)有源區(qū)在p型n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為P-N結(jié)，約0.1

m厚。但是內(nèi)建電場阻止了電子、空穴的進一步擴散。(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)正向偏置Vf時的少數(shù)載流子和耗能盡層。3.1LD的工作原理PN結(jié)有源區(qū)（增益區(qū)）P型半導體在熱平衡(a)和(b)非熱平衡狀態(tài)下能帶與電子分布。正向偏置的PN結(jié)，由于有電流通過（相當于給PN結(jié)注入子大量電子）出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，因而當有光照射時會放大光信號3.1LD的工作原理FP諧振腔半導體放大器（SOA）1、正向偏置的PN結(jié)-有源區(qū)、增益介質(zhì)、激光工作物質(zhì)。2、FP諧振腔-平行平面反射鏡構(gòu)成。3、閾值條件-增益大于等于損耗。L半導體激光器LD3.1LD的工作原理

從光與物質(zhì)相互作用的角度看，半導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。注入載流子密度和產(chǎn)生的光子密度變化有關(guān)。這可用速率方程來描述。速率方程

形象地描述了電子數(shù)與光子數(shù)之間的相互關(guān)系

設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)的速率方程可描寫為Ne是電子濃度，τe為自發(fā)躍遷的壽命（粒子在能級上停留的時間），Np是光子濃度，τp為光子的壽命，N0為產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時載流子濃度。3.2LD的輸出光功率半導體LD的速率方程：

J/ed代表電流注入使載流子濃度Ne的增長率，-A(Ne-N0)Np代表受激發(fā)射使載流濃度Ne減少的速度，A為比例常數(shù)，（-Ne/τe）代表自發(fā)躍遷使Ne減少的速率。3.2LD的輸出光功率半導體LD的速率方程：

3.2LD的輸出光功率P-I曲線激光二極管的總發(fā)射光功率P與注入電流I的關(guān)系曲線。

典型的P－I曲線閾值電流Ith：開始發(fā)射受激發(fā)射的電流值。閾值電流與腔的損耗、尺寸、有源區(qū)材料和厚度等因素有關(guān)。I<Ith，自發(fā)輻射，發(fā)出的是非相干光I>Ith，受激輻射，發(fā)出的是相干光3.2LD的輸出光功率LD的光譜性質(zhì)當注入電流低于閾值時，發(fā)射光譜是導帶和價帶的自發(fā)發(fā)射譜，譜線較寬當激光器的注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益才大于損耗，自發(fā)發(fā)射譜線中滿足駐波條件的光頻率才能在諧振腔里振蕩并建立起場強，這個場強使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能級間產(chǎn)生受激輻射，而其他頻率的光卻受到抑制，使激光器的輸出光譜呈現(xiàn)出以一個或幾個模式振蕩，這種振蕩稱之為激光器的縱模。3.3LD的光譜

要形成穩(wěn)定激光振蕩輸出，其光波長應滿足以下兩個條件。第一個條件：光波長應在增益譜之內(nèi)，如果是長波長激光器則波長應位于1225～1560nm范圍。第二個條件是：諧振腔的長度應為半波長的整數(shù)倍。對于給定的激光器，滿足第二個條件的輸出稱為激光模式，有一個波長對應一個模式，它與前面討論的光纖中的模是不一樣的，前者為波導模式（模模），后者嚴格地說是空間模式，以示區(qū)別稱為縱模。LD縱模3.3LD的光譜3.4LD調(diào)制響應

前面分析了在穩(wěn)態(tài)情況下，半導體激光器的特性，下面用小信號近似情形來分析半導體激光器在接通電源、關(guān)閉電源或受其他電流擾動等瞬態(tài)過程的特性，重點是當半導體激光器注入交變信號即注入調(diào)制信號時，來看其調(diào)制特性。LD調(diào)制響應J=J0+J(t)J(t)=Jmeiωt，Jm＜＜J0

小信號近似注入交變信號求解速率方程LD調(diào)制響應當ω>ω0時，歸一化調(diào)制深度迅速下降。因此ω0定義為LD的本征調(diào)制帶寬。LD頻率方程與(J-Jth)1/2成正比。所以閾值越低的器件能獲得較大的帶寬。半導體激光器的調(diào)制響應3.4LD調(diào)制響應LD溫度特性不同溫度下的P－I曲線較高的T0意味著當溫度快速增加時，激光二極管Ith增加不大。3.5LD溫度特性與ATCLD的ATCLD的ATC電路LD組件中的熱敏電阻Rt具有負溫度系數(shù)，在200C時阻值為10～12kΩ，ΔRt/ΔT≈-0.5%/0C。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200C）下電橋平衡。LD發(fā)熱時Rt下降，BG1正向偏置，制冷器Rc電流增大，使LD溫度下降。3.5LD溫度特性與ATCLD的APC溫度T升高閾值電流Ith加大同樣的注入電流I輸出光功率P下降。光功率P下降PIN檢測電流P變小光功率P上升注入電流上升送運放：放大、比較3.6LD輸出光功率的穩(wěn)定性與APC3.7DFB與DBR激光器Bragg光柵P區(qū)N區(qū)Bragg光柵有源區(qū)DBR-LDP區(qū)N區(qū)1/4波長Bragg光柵有源區(qū)DFB-LDDFB和DBR均可實現(xiàn)單縱模輸出，輸出波長為布喇格波長溫度特性從0.5nm/C到0.06nm/C動態(tài)單縱模模式溫度性提高、不跳模LD的三種結(jié)構(gòu)F-P腔半導體激光器存在多縱模振蕩和模式競爭隨著注入電流增大，主模式競爭占優(yōu)勢調(diào)制信號擾亂了載流子平衡，跳模、多模保持動態(tài)單縱模必須增加新的選頻機制外腔激光器是可以調(diào)諧的，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。其結(jié)構(gòu)如圖所示。3.8調(diào)諧LDVCSEL激光器VCSEL：Vertical-CavitySurfaceEmittingLaser，垂直腔面發(fā)射激光管專門設計了反射鏡以降低反射損耗，有時還使用布拉格光柵增強其對特定波長的反射率優(yōu)點：調(diào)制速率高，結(jié)構(gòu)較為簡單，onwafertest，易實現(xiàn)與IC的基礎(chǔ)，用于光互連缺點：功率較低，長波長VCSEL器件還不成熟3.9其他類型的LD熱沉LD管芯致冷器接線條PD管芯熱敏電阻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電致冷器等封裝在一起作為一個光機電的有機結(jié)合整體，以使激光器在寬的溫度范圍長時間穩(wěn)定工作即光功率恒定、光波長不漂移。STEP1STEP2STEP33.10LD組件LED是非相干光源，以自發(fā)輻射為主沒有諧振腔發(fā)光過程中不一定需要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，沒有閾值條件輸出光功率基本上與注入電流成正比3.11半導體LED：原理根據(jù)光輸出位置不同可分為面發(fā)射型LED（SLED）和邊發(fā)射型LED（ELED）電極光纖膠有源區(qū)限流區(qū)Cu熱沉SiO2SiO2雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)金屬接觸層面發(fā)射型LED雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)襯底Cu熱沉電極金屬接觸邊發(fā)射型LED3.11半導體LED：結(jié)構(gòu)輸出光功率基本上與注入電流成正比。LED不是閾值器件。典型出纖功率在-10dBm以下。溫度升高，輸出功率有所下降，與LD相比，溫度對LED的影響相對較小。LED的光功率3.11半導體LED：特性LED沒有諧振腔，其光譜就是半導體材料的自發(fā)輻射譜LED的發(fā)射譜線較寬，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。GaAlAsLED譜線寬度約30~50nmInGaAsPLED譜線寬度約60~120nm面發(fā)光LED較邊發(fā)光LED的譜寬更寬LED的光譜3.11半導體LED：特性LED的光束發(fā)散角

邊發(fā)光LED由于在平行于PN結(jié)的方向有異質(zhì)結(jié)的折射率變化約束，因此光束的垂直發(fā)射角小一些，約30~50°，另外一個方向上發(fā)射角較大，約120°3.12光源與光纖的耦合

（a）中光纖的端面作成球透鏡，（b）中采用截頭透鏡，（c）中采用集成微透鏡面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合3.12光源與光纖的耦合邊發(fā)光LED與光纖的透鏡耦合3.12光源與光纖的耦合3.13光檢測器原理

光檢測器由半導體材料制成，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，常稱為光生電流。3.13光檢測器性能參數(shù)截止波長由光電二極管的工作原理可以知道，只有光子能量hυ大于半導體材料的禁帶寬度Eg才能產(chǎn)生光電效應，即：hυ≥Eg

對于不同的半導體材料均存在著相應的下限頻率υc（截止頻率）或上限波長λc（截止波長）3.13光檢測器性能參數(shù)截止波長常用半導體材料的禁帶寬度與截止波長3.13光檢測器性能參數(shù)工程上用響應度和量子效率來衡量光電轉(zhuǎn)換效率響應度用R表示，R=Ip/P0，單位為μA/μW量子效率用η表示，η=每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)/每秒入射的光子數(shù)響應度用于表述PD的外部特征，量子效率用于表述內(nèi)部特性響應度與量子效率之間的表達式光電轉(zhuǎn)換效率與響應度3.13光檢測器性能參數(shù)響應速度PD的響應速度直接影響著光通信的容量常用上升時間和下降時間來描述PD的響應速度影響響應速度的因素結(jié)電容載流子渡越時間改善方法減小PD的結(jié)電容加較大的反偏電壓3.13光檢測器性能參數(shù)噪聲光檢測器主要有以下幾種噪聲量子噪聲暗電流噪聲漏電流噪聲熱噪聲3.13光檢測器性能參數(shù)噪聲量子噪聲又稱散彈噪聲光電效應是一種統(tǒng)計過程光子流統(tǒng)計漲落光電效應統(tǒng)計漲落電子-空穴對自發(fā)復合統(tǒng)計漲落量子噪聲是一種具有均勻頻譜的白噪聲，帶寬B內(nèi)量子噪聲電流的均方值可表示為：量子噪聲制約著光接收靈敏度的極限3.13光檢測器性能參數(shù)噪聲暗電流噪聲是由PN結(jié)熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子在偏壓作用下形成的。在反偏作用下，無光照射時流過PD的電流稱暗電流。熱激發(fā)是隨機過程，表現(xiàn)為噪聲，帶寬B內(nèi)暗電流噪聲電流的均方值可表示為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。3.13光檢測器性能參數(shù)噪聲漏電流又稱表面暗電流，由PD表面缺陷、污染而形成的載流子導電引起帶寬B內(nèi)漏電流噪聲的均方值可以表示為：通過過合理的設計可以有效的降低漏電流3.13光檢測器性能參數(shù)噪聲任何電阻都有熱噪聲只要溫度高于絕對零度，電阻中大量的電子就會在熱激勵下作無規(guī)則運動，由此在電阻上形成無規(guī)則弱電流，造成電阻的熱噪聲PD具有歐姆接觸電阻和體電阻，所以也存在熱噪聲熱噪聲是一種白噪聲，帶寬B

內(nèi)PD熱噪聲電流的均方值為：顯然，降低工作溫度、增大PD內(nèi)阻有利于降低熱噪聲，降低檢測帶寬也可減少熱噪聲PIN3.14PINPIN的結(jié)構(gòu)PIN使用三層結(jié)構(gòu)，與普通PD相比，在P層和N層之間增加一個I層，同時P層和N層均很薄I層是一個接近本征的，低摻雜濃度的N區(qū)，比較厚整個I區(qū)均沒有載流子，為耗盡區(qū)PINhvE

PIN的優(yōu)點量子效率高響應速度快APD3.15APDAPD：AvalanchePhotoDiode，雪崩光電二極管

APD工作原理使用時加高反偏壓，在APD內(nèi)部建立一個高電場區(qū)（~3

105V/cm）光生載流子在高電場區(qū)將被