第3章 光源與光檢測器

第3章光源與光檢測器3.1半導體LD的工作原理3.2輸出光功率及光源與光纖的耦合3.3LD的輸出光譜3.4LD的調(diào)制響應3.5LD的溫度特性與自動溫度控制（ATC）3.6LD的輸出光功率穩(wěn)定性與自動功率控制（APC）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半導體LED3.12光檢測器3.13PIN3.14APD習題三3.1半導體LD的工作原理3.1.1光放大

1.受激輻射的概念任何一個物理系統(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),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;否則，光信號將被衰減。

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）rhfc。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。練習1.計算一個波長為λ=1μm的光子能量，分別對1MHz和100MHz的無線電波做同樣的計算。

2.太陽向地球輻射光波，設其平均波長λ=0.7μm，射到地球外面大氣層的光強大約為I=0.14W/cm2。如果恰好在大氣層外放一個太陽能電池，試計算每秒鐘到達太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)。

3.如果激光器在λ=0.5μm上工作，輸出1W的連續(xù)功率，試計算每秒從激活物質(zhì)的高能級躍遷到低能級的粒子數(shù)。

4.光與物質(zhì)間的互作用過程有哪些？

5.什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？什么情況下能實現(xiàn)光放大？

2.半導體光放大（器）

半導體光放大器SOA的框圖。SOA實際上是一個PN結(jié)，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。圖3.3P型半導體的能帶和電子數(shù)(a)熱平衡;(b)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)半導體有兩個由電子能級構(gòu)成的能帶：一個是由許多能級構(gòu)成的能量低的價帶;另一個是由許多能級構(gòu)成的能量高的導帶。電子或空穴可以處在不同的能級上。導帶與價帶之間稱為禁帶，能量差為Eg，中間不存在能級。對于一個P型半導體，在熱平衡狀態(tài)下只有很少的電子位于導帶中，如圖3.3(a)所示。將導帶看作能量高的E2能級，將價帶看作能量低的E1能級，這里的高低是指電子在能帶上的能量。在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布情況下，導帶中的電子數(shù)是很多的，如圖3.3(b)所示。這時如有光照射，將有更多的電子通過受激輻射從導帶躍遷到價帶（當然是與通過受激吸收從價帶躍遷到導帶的電子數(shù)相比），實際上這就是半導體光放大器產(chǎn)生光增益或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件。

半導體的粒子數(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型半導體組成。P/N型半導體是在半導體中摻入合適的原子，如硅中摻雜V族的磷P，使它有多余的電子,為N型半導體；若硅中摻入III族的硼B(yǎng)，使其有多余的空穴，為P型半導體。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。施主donor受主acceptor當P型和Ｎ型半導體并行放置時，如圖3.4(a)所示，則Ｐ型半導體中的空穴將向Ｎ型半導體擴散，

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

Ｎ型半導體中的電子將向Ｐ型半導體擴散，將形成如圖3.4(b)所示的在Ｐ型半導體中有凈負電荷,在Ｎ型半導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，少數(shù)載流子即Ｐ型半導體中的電子和Ｎ型半導體中的空穴將保持原有的熱平衡。當有正向偏置電壓施加在ＰＮ結(jié)上時(如圖3.4(c)所示),耗盡層的厚度將減小，Ｎ型半導體中的電子將向Ｐ型半導體漂移，漂移運動的結(jié)果使Ｐ型半導體的導帶中有了電子；同樣，Ｐ型半導體中的空穴將向Ｎ型半導體漂移，漂移運動的結(jié)果使Ｎ型半導體的價帶中有了空穴。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。

半導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為半導體的禁帶寬度)。如果與Eg對應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型半導體的高能級，這時短波長的信號開始放大。3.1.2F-P腔半導體激光器

圖3.5F-P光學諧振腔

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。

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，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)。要有一個能使受激輻射和光放大過程持續(xù)的構(gòu)造：全反射鏡半反射鏡激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)全反射鏡半反射鏡工作原理：out光放大原理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),但實際工程應用中常用分貝(dB)來表示。其定義為（3.1）3.2.1閾值特性半導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)里實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射占主導地位。但當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，這種狀態(tài)稱為“超輻射”。只有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)響應特性從光與物質(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。它與注入載流子密度和產(chǎn)生的光子密度變化有關。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（3.2）

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)

考慮閾值以下和剛達閾值時的情況，這時受激復合項與自發(fā)復合項相比可忽略，即Np=0,則式(3.3)有(3.4)在閾值時,有

在閾值以上，受激輻射占主導地位，α通常很?。?0-3～10-5量級），可忽略自發(fā)輻射項，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。圖3.6LD的P-I曲線

要形成穩(wěn)定激光振蕩,輸出的那些波長應滿足兩個條件。第一個條件是：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范圍內(nèi)。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，滿足第二個條件的波長稱為激光模式，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，后者嚴格地說是空間模式，為了區(qū)別開，可以稱為縱模。3.3LD的輸出光譜3.3.1多縱模和單縱模LD

根據(jù)激光器輸出的模式振蕩,可分為多縱模激光器MLM（MultipleLongitudinalMode）和單縱模激光器SLM(SingleLongitudinalMode)。MLM激光器通常有寬（大）的光譜寬度，典型值約為10nm。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。

圖3.10MLM和SLM的光譜(a)MLM的光譜；(b)SLM的光譜單縱模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，因此光源的譜寬應盡可能地窄，即希望激光器僅僅工作在單縱模狀態(tài)。SLM激光器可以利用濾波器原理來選擇所需的波長，同時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現(xiàn)單縱模。具體原理在下面介紹。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計成周期性變化的，如圖3.16(a)和(b)所示。

圖3.16DFB和DBR激光器的結(jié)構(gòu)

(a)DFB激光器；(b)DBR激光器

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對最終從腔體發(fā)出的光波的貢獻是相位疊加。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)倍的那個波長才能對形成最強的反射光波有貢獻，而其他的那些波長對形成最強的反射光波沒有貢獻，也就是說與其他波長相比，只有該波長得到優(yōu)先放大。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)。

另一種抑制其他縱模的方法是再采用一個腔，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。通過合理設計兩種腔就可以使主腔增益帶寬內(nèi)的一個波長滿足該條件，因而激光振蕩可以限制為一個單縱模。圖3.17外腔半導體激光器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?？紤]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。這種方法是采用機械調(diào)諧，因而速度較慢，但調(diào)諧的范圍較大。對于半導體激光器,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不適合。圖3.18光柵外腔半導體激光器3.8.2雙電極半導體激光器半導體激光器的快速調(diào)諧方法是基于半導體的折射率隨注入電流改變這一事實的。在DBR激光器中，通過增加注入電流引起的折射率的改變導致了光柵刻痕的改變，因而波長發(fā)生了改變。若注入兩個電流IB和Ig，IB注入到增益區(qū)，Ig注入到布拉格區(qū)域，將會對功率和波長分別實現(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)展前途的半導體調(diào)諧光源，調(diào)諧寬度為8nm。能夠發(fā)射20個波長的這種激光器已研制成功。3.9其他類型的激光器3.9.1垂直腔面發(fā)光激光器（VCSELs）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)只有一個波長,從而獲得單縱模。這是由在半導體基片的上下兩個端面的反射鏡構(gòu)成的垂直腔，激光也是從它的一個表面（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）。圖3.19垂直腔激光器VCSELs的結(jié)構(gòu)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。設一個F-P腔激光器其振蕩模式是N個相鄰的縱模，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)。這一條件等價于相應的模的頻率分別為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（嚴格說來這是與縱模相關的電場的時間分布），則總的激光輸出為ConceptsofModeLockingOutofphaseRANDOMphaseforallthelasermodesIrradiancevs.TimeTimeTimeOutofphaseOutofphaseInphase圖3.20鎖模激光器的光強隨時間變化的波形圖3.21腔內(nèi)增益幅度調(diào)制鎖模激光器的波形3.11半導體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)應用。

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)點是輸出功率比SLED或ELED高（λ=0.87μm時脈沖功率可達60mW，λ=1.3μm時耦合入單模光纖的功率達1mW），輸出光束的方向性好，譜線較窄（1.3μm時FWHM寬30nm),調(diào)制帶寬大（-1.5dB時帶寬達350MHz），因此超發(fā)光LED也非常適合于光纖通信應用。但與SLED及ELED相比，其主要缺點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,使用時必須制冷。

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掩膜技術形成一個圓形的接觸電極，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(直徑為40～50μm)。流過有源區(qū)的電流密度約為2000

A/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。

它在θ方向的輻射強度為

I（θ）=I0

cosθ

其中，I0為沿θ=0方向的輻射強度。由圖3.24(b)可見，SLED的輸出有很寬的角向分布，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（見第3.2.3節(jié)）。圖3.23GaAlAs-DH-SLED的結(jié)構(gòu)圖3.24SLED的光輻射分布圖3.25條形AlGaAs-DH-ELED的結(jié)構(gòu)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的工作基于半導體的自發(fā)輻射。半導體材料的導帶和價帶都有許多不同的能級（如圖3.27(a)所示），大多數(shù)的載流子復合發(fā)生在平均帶隙上，但也有一些復合發(fā)生在最低及最高能級之間。設平均帶隙為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,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75～100nm。圖3.27導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。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。LED的調(diào)制特性主要包括線性和帶寬兩個參量。

從LED的P-I特性可知，當注入電流小時，其線性相當好；但當注入電流較大時，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（如廣播電視傳輸），則常常需要進行線性補償。衡量光源線性指標的參數(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,要求光源的諧波失真小于-60～-70dB，但一般LED的THD僅能達到-30～-40dB，因此需要進行補償。

調(diào)制特性的另一個重要參量是它的調(diào)制帶寬。在調(diào)制頻率較低時，交流功率正比于調(diào)制電流;但隨著調(diào)制頻率的提高，交流功率會下降。設LED受頻率ω的信號調(diào)制，則它的輸出功率可以表示為

（3.17）

式中，P(0)為直流(ω=0)時的光輸出，τ為LED及驅(qū)動電路的時間常數(shù)。對于設計優(yōu)良的驅(qū)動電路，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ω=1/τ時，P（ω）=0.707P(0)。在接收機中，檢測電流正比于光功率，光功率下降到0.707(-1.5dB)時，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）

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取決于輻射復合（產(chǎn)生光子）壽命τr與無輻射復合（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，應使τr盡量小，同時應使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。

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，但同時功率P按同樣比例減小，這樣，響應速度快的LED的輸出功率不如響應慢的LED的輸出功率大，這已被許多實驗證實。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（3.6）

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光源與光纖的耦合效率（耦合損耗）的比較

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。圖3.8面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合圖3.9光源與光纖的透鏡耦合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，這個電流常稱為光生電流。圖3.28半導體光檢測器的原理3.12.1波長響應

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，這導致了對光頻率fc或波長λ的限制。設半導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。3.12.2光電轉(zhuǎn)換效率與響應度被光子吸收，產(chǎn)生了光電流的那部分光信號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,因而在設計光檢測器時應使其量子效率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體平板。對于厚度為L（μm）的半導體平板，其吸收的光功率為

P吸收=(1-e-αL)Pin

（3.20）

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)

光檢測器常用另一個參數(shù)——響應度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）

因為入射光功率Pin對應于單位時間（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）響應度用波長表示為（3.24）

圖3.29采用反向偏置的ＰＮ結(jié)制作光檢測器

(a)PN結(jié)；(b)沒有偏置電壓時的耗盡層;(c)反向偏置Va時的耗盡層;(d)反向偏置時的內(nèi)建電場3.12.3響應速度響應速度是光電二極管的一個重要參數(shù)，除了與上面提到的漂移運動和擴散運動速度有關外，它還與負載電路RC參數(shù)有關。R為其負載電阻，一般較小，可以忽略。C為其結(jié)電容，是限制其響應速度的主要因素。當光信號的速率進一步提高時，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：

2e(Is+I暗電流)（3.25）式中,Is為光信號電流，I暗電流是沒有光信號時產(chǎn)生的電流。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)則熱運動。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）因為熱噪聲是一種白噪聲，所以在檢測器前面可以用光濾波器去除信號帶寬以外的熱噪聲。2.暗電流噪聲和漏電流噪聲暗電流是沒有光入射時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，這種載流子同樣會得到高場區(qū)的加速而倍增。暗電流的均方值為（3.27）

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，其他的噪聲可以進行限制甚至消除，而這種噪聲總是存在的，并成為接收機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。3.13PIN

為了進一步提高光檢測器的量子效率和響應速度，在P型半導體和N型半導體之間加入一種輕微摻雜的本征半導體，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體。PIN光電二極管的耗盡層很寬,幾乎是整個本征半導體的寬度，而P型半導體與N型半導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速度。圖3.30基于異質(zhì)結(jié)的PIN光電二極管3.14APD3.14.1APD的結(jié)構(gòu)

雪崩光電二極管（APD）可以對尚未進入后面放大器的輸入電路的初級光電流進行內(nèi)部放大。這樣可以顯著地增加接收機的靈敏度，因為在還沒有