第3章 通信用光器件

第3章通信用光器件光纤通信第三章通信用光器件•引言•半导体光电器件的工作原理•光源•光电检测器•光无源器件第3章通信用光器件光纤通信引言光发射机光接收机电端机（发送）电端机（接收）光纤输入输出第3章通信用光器件光纤通信引言•光端机中实现电光和光电变换的主要部件是光电器件。光发射机的光源（半导体激光器LD和发光二极管LED）光接收机的光检测器（半导体光检测器PIN和APD）第3章通信用光器件光纤通信半导体基础知识•物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。导体一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下，这些电子产生定向运动（称为漂移运动）形成电流，呈现出较好的导电特性。高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶，塑料）最外层电子受原子核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚，所以其导电能力很差，用作绝缘材料。半导体材料，最外层电子既不像导体那样极易挣脱原子核的束缚，成为自由电子，也不象绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，因此，半导体的导电持性介于二者之间。第3章通信用光器件光纤通信半导体基础知识•本征半导体纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗，它们都是四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。硅和锗的简化原子结构模型+4第3章通信用光器件光纤通信半导体基础知识本征半导体的晶体结构本征半导体中的（共价键）自由电子和空穴本征激发第3章通信用光器件光纤通信半导体基础知识•杂质半导体之N型半导体：在本征半导体中，掺入5价元素，如磷、锑、砷等，则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有5个价电子，因此它与周围1个硅(锗)原子组成共价键时，还多余一个价电子。它不受共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为自由电子。由于5价杂质原子可提供自由电子，故称为施主杂质。N型半导体中自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，主要靠电子导电，所以称为N型半导体。第3章通信用光器件光纤通信半导体基础知识•杂质半导体之P型半导体：在本征半导体中，掺入3价元素，如硼、镓、铟等，它将在某些位置取代硅(锗)，由于杂质原子的最外层只有3个价电子，当它和周围的硅(锗)原子组成共价键时，由于缺少一个电子，形成一个空位。其它共价键的电子，只需挣脱一个原子核的束缚，就转至空位上，形成空穴。因此，在较少能量下就可形成空穴。由于3价杂质原子可接受电子形成空穴，故称为受主杂质。P型半导体中，自由电子称为少数载流子；空穴称为多数载流子。这种杂质半导体中空穴浓度远远大于电子浓度，主要靠空穴导电，所以称为P型半导体。第3章通信用光器件光纤通信半导体基础知识•PN结多数载流子的扩散示意图空间电荷区示意图P区P区N区N区第3章通信用光器件光纤通信半导体基础知识•扩散运动：P区的空穴的浓度远大于N区空穴的浓度，所以P区的空穴会向N区扩散，并与那里的电子复合。同样，N区的电子也会向P区扩散。•空间电荷区（称为耗尽层、阻挡层或势垒区）：随着上述扩散运动的进行，紧靠接触面两侧留下的空间电荷量增多，空间电荷区增宽，同时，空间电荷形成的、由N区指向P区的内建电场也就增大。这个电场一方面将阻止上述扩散的进行，另一方面将使空间电荷区的空穴向P区漂移，自由电子向N区漂移。随着内建电场的增加，扩散运动减弱，漂移运动加强。最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡。第3章通信用光器件光纤通信半导体光电器件的工作原理•能级与能级跃迁本征半导体材料的能带结构gvcEEEh第3章通信用光器件光纤通信半导体光电器件的工作原理•光辐射与光吸收光辐射与光吸收自发辐射受激辐射光吸收第3章通信用光器件光纤通信(1)在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。(2)在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。(3)在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。第3章通信用光器件光纤通信半导体光电器件的工作原理•光放大的基理：满足粒子数反转分布条件，即高能级的电子数大于低能级的电子数。第3章通信用光器件光纤通信半导体光电器件的工作原理•电子在能级中的分布服从费米分布，即能级被电子占据的概率为：为费米能级。式中ffKTEEEfEexp1)(1的概率的概率小于被空穴占据即高能级处被电子占据时的概率的概率大于被空穴占据即低能级处被电子占据时据的概率据的概率等于被空穴占即费米能级处被电子占时2/1)(,EE2/1)(,EE2/1)(,EEfffEfEfEf第3章通信用光器件光纤通信半导体光电器件的工作原理•半导体中电子的统计分布本征半导体兼并型P型半导体兼并型N型半导体双兼并型半导体半导体中电子的统计分布第3章通信用光器件光纤通信半导体光电器件的工作原理•PN结加上正向偏压时（发光原理）：在势垒区产生一个与内建电场相反的电场，内建电场减弱。它削弱了漂移运动，使扩散运动超过了漂移运动，形成了流过PN结的净扩散电流。N区电子流向P区，在P区边界形成电子积累；P区空穴流向N区，在N区边界形成空穴积累。形成一个双兼并的作用区，满足粒子数反转分布条件，这些非平衡载流子可以通过自发辐射或受激辐射而发光。内电场方向正向偏压有源区第3章通信用光器件光纤通信半导体光电器件的工作原理•PN结加上反向偏压时（光检测原理）：反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致。势垒区电场增强，增强了漂移运动，使结区内的少数载流子基本耗尽，成为耗尽区。如果有光射入时，价带上的电子吸收光子而产生“电子－空穴”对。在电场的作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动而形成电流。电流的大小正比于入射光强。第3章通信用光器件光纤通信光源---激光器和发光二极管第3章通信用光器件光纤通信对光源的基本要求•发射的光功率足够大，稳定度要高•调制方法简单，即响应速度要快•光源发光峰值波长与光纤低损耗窗口相匹配•光源发光谱线宽度窄，单色性好•光源与光纤间有较高的耦合效率•光源为低功率驱动，电光转换效率高•可靠性好，保证24h运转，工作稳定性好•温度特性好•光源体积小，重量轻，便于安装使用第3章通信用光器件光纤通信光源的种类与特性第3章通信用光器件光纤通信半导体光电器件的工作原理•光辐射与光吸收光辐射与光吸收自发辐射受激辐射光吸收第3章通信用光器件光纤通信半导体激光器•优点：相干光(单色性好），谱宽窄，输出功率高，辐射角小（光束细），调制速率高。•形成激光振荡的条件一是具有增益介质，可产生粒子数反转分布；•重掺杂的PN结在正向偏压作用下，可满足粒子数反转分布。二是具有正反馈的光学谐振机制。•由激活区（有源层）两端的自然解理面(CleavedFacets)构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔来提供。•利用有源区一侧的周期性波纹结构（光栅）提供光耦合来形成光振荡。LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation第3章通信用光器件光纤通信F-P腔半导体激光器•P-N结半导体激光器的基本结构（同质结结构）N第3章通信用光器件光纤通信F-P腔半导体激光器•双异质（DH）结构如果PN结由相同的材料通过不同的掺杂而构成，称之为同质结构。•发光效率不高。在P型和N型材料中间加入一薄层带隙比两端材料小的半导体，就构成双异质结构。•夹层可以是本征半导体，也可以是P型或N型半导体。•对载流子有一定的限制作用，可增大载流子密度。•激活区的折射率比两端高，相当于一个光波导。第3章通信用光器件光纤通信分布反馈（DFB）半导体激光器分布布拉格反射（DBR）半导体激光器•结构特点激光振荡不是由反射镜面提供，而是由折射率周期变化的波纹结构（光栅）提供。DFB激光器DBR激光器第3章通信用光器件光纤通信分布反馈（DFB）激光器•布拉格反射原理不同的反射光由于存在相位差而进行干涉，其相位差为波长的整数倍，成为布拉格反射条件；只有满足布拉格反射条件的光波才能受到强烈反射，具有波长选择性，可实现动态单纵模性质。•DFB激光器的优点单纵模振荡谱线窄，波长稳定性好动态谱线好（高速调制时，啁啾特性比F-P激光器有所改善）线性度好第3章通信用光器件光纤通信单纵模与多纵模第3章通信用光器件光纤通信MQW多量子阱激光器•量子阱激光器与一般的双异质结激光器结构相似，只是有源区的厚度很薄仅为几十埃;•当有源区厚度极小时，电子就不能在层厚方向做自由运动，只能在层面内作横向运动，电子能量变成一个个离散值，即呈现量子效应。•MQW具有阈值电流低、功耗低、温度特性好、频率啁啾小，以及动态单模特性好等许多优点。第3章通信用光器件光纤通信半导体激光器•LD的工作特性P-I特性温度特性调制响应特性（瞬态特性）激光噪声特性光谱特性空间分布特性第3章通信用光器件光纤通信半导体激光器•LD的P-I特性存在一个域值电流Ith。•当注入电流大于Ith时，输出功率随注入电流急剧增加，发射出激光；•当注入电流小于Ith时，LD发出的是光谱很宽、相干性很差的自发辐射光。P—I曲线的斜率表征着激光器的电光转换效率，可用功率效率和量子效率来衡量第3章通信用光器件光纤通信半导体激光器•LD的P-I特性P-I曲线的斜率表征着激光器的电光转换效率，可用功率效率和量子效率来衡量•功率转换效率：激光器的输出光功率与器件消耗电功率之比•外微分量子效率:激光器输出光子数的增量与输入电子数的增量之比qIIhPPththD/)(/)(第3章通信用光器件光纤通信半导体激光器•LD的温度特性LD是一个对温度很敏感的器件，它的输出功率随温度发生很大的变化。•影响P-I曲线的斜率•影响阈值电流•影响输出激光的波长(随温度增加向长波长方向漂移）要采用致冷器使LD在恒温情况下工作。)/exp()(00TTITIth第3章通信用光器件光纤通信半导体激光器•LD的调制响应特性LD的调制响应特性决定了可以调制到半导体激光器上的最高信号频率。thBII略小于阈值电流偏置电流第3章通信用光器件光纤通信激光器的驱动电路电光延迟时间张弛振荡频率啁啾（Chirp)自脉动现象LD的动态特性第3章通信用光器件光纤通信光脉冲的电光延迟和张弛振荡光脉冲电脉冲增大偏置电流，可使张弛振荡幅度减小，电光延迟时间缩短。第3章通信用光器件光纤通信啁啾现象可使啁啾增强增大调制电流,可消除啁啾采用外调制,第3章通信用光器件光纤通信输出光脉冲的自脉动器才会出现曲线有明显扭折的激光只有IP第3章通信用光器件光纤通信半导体激光器•LD的光谱特性激光纵模•注入电流低于阈值时，属自发辐射，谱线较宽。•注入电流刚达到阈值时，激光器呈多纵模振荡。•随着注入电流的增加，主模的幅度增加，而边模的幅度减小，振荡数减少。•有些激光器，如分布反馈激光器、分布布喇格反射激光器等，在高注入电流时可呈现出单纵模振荡。第3章通信用光器件光纤通信半导体激光器•LD的空间分布特性激光横模•它表明激光光束的空间分布。•可用近场图和远场图来表示。•近场图主要表明激光器输出镜面上光强的分布。第3章通信用光器件光纤通信发光二极管•LED的结构它利用正向偏压下的PN结（双异质结），在激活区中载流子的复合而发出自发辐射的光，因此LED产生的是一种非相干光，其谱线较宽，辐射角也较大。•LED的主要优点性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，制造工艺简单，价格低廉。•LED的主要缺点输出功率较小，发散角大，耦合效率低，谱线宽度较宽，调制频率较低。第3章通信用光器件光纤通信