通信工程专业

第3章光源与光检测器第3章光源与光检测器3.1半导体LD的工作原理3.2输出光功率及光源与光纤的耦合3.3LD的输出光谱3.4LD的调制响应3.5LD的温度特性与自动温度控制（ATC）3.6LD的输出光功率稳定性与自动功率控制（APC）3.7DFB和DBR激光器3.8调谐激光器3.9其他类型的激光器3.10激光器组件3.11半导体LED3.12光检测器3.13PIN3.14APD第3章光源与光检测器3.1半导体LD的工作原理3.1.1光放大1.受激辐射的概念大家已经知道，任何一个物理系统如原子内部的电子是处于不同的能量轨道上的，电子在每一个这样的轨道上运动时具有确定的能量，称为原子的一个能级。能级图就是用一系列的水平横线来表示原子内部的能量关系的。当原子中的电子与外界有能量交换时，电子就在不同的能级之间跃迁，并伴随有能量如光能、热能等的吸收与释放。第3章光源与光检测器考虑一个具有二能级的原子系统，能级为E1和E2，且E2E1，如果照在其上的光波频率为fc，且光子的能量hfc满足hfc=E2-E1,h＝6.63×10-9(J·s)为普郎克常数，则引起原子在不同的能级E1和E2之间的跃迁，E1→E2和E2→E1之间的跃迁是同时发生的。原子吸收了光子的能量从E1跃迁到E2，原子从E2跃迁到E1放出一个光子，第3章光源与光检测器其能量与入射光子的能量hfc一样，前者称为受激吸收，后者称为受激辐射，它与自发辐射是不同的，它们合称为光与物质之间的三种相互作用,即自发辐射、受激吸收、受激辐射。如果受激辐射超过受激吸收而占主导地位，则入射的光信号会引起E2→E1之间的跃迁多于E1→E2之间的跃迁，导致了能量为hfc的光子数的净增加，入射的光信号得到了放大，如图3.1所示；否则，光信号将被衰减。第3章光源与光检测器图3.1二能级原子系统的受激辐射与吸收E2E1受激辐射受激吸收受激辐射第3章光源与光检测器2.半导体光放大（器）尽管半导体光放大器用来放大光信号时的性能不如EDFA放大器（在第5章介绍），但实际上对它的研究比EDFA还早。人们发现它除了用于光放大之外还可用于光开关、波长变换器（这是光纤通信的两个关键器件），所以学习它也是理解半导体激光器（使用最广的发光器件）的基础。第3章光源与光检测器图3.2给出了半导体光放大器SOA的框图。SOA实际上是一个PN结，由下面的分析可知，中间的耗尽层实际上充当了有源区，当光通过有源区时，光由于受激辐射而得到了放大。由于放大器的增益是波长的函数，因而放大器有源区的两端面上镀有防反射涂层（AR），以减少放大器的带内增益波动。而激光器没有防反射涂层（AR）。第3章光源与光检测器图3.2半导体光放大器的结构防反射膜输出光输入光有源区P型N型P。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。N+．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．第3章光源与光检测器费米能级根据物理学知识可知，在一般情况下，电子占据各个能级的概率是不等的，占据低能级的电子数多，而占据高能级的电子数少。电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律。第3章光源与光检测器在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为：TkEEfeEf011）（式中：f（E）为电子的费米分布函数；k0为玻尔兹曼常数，k0=1.38×10-23J/K；T为绝对温度；Ef为费米能级，它是反映电子在各能级中分布情况的一个参数。第3章光源与光检测器根据上式可知♣当E=Ef时，f（E）=1/2，说明该能级被电子占据的概率为50%。♣当EEf时，f（E）1/2，说明该能级被电子占据的概率大于50%。如果Ef–Ek0T，则f（E）→1，说明能级几乎都被电子所占据。♣当EEf时，f（E）1/2，说明该能级被电子占据的概率小于50%。如果E–Efk0T，则f（E）→0，说明能级几乎都被空穴所占据。第3章光源与光检测器费米能级的几点理解♣费米能级不是一个可以被电子占据的实在能级，它是反映电子在各能级中分布情况的一个参量，具有能级的量纲。在一定温度下，只要确定了费米能级，电子的分布就可确定。♣费米能级的位置与电子总数、系统能级的情况、温度等有关。♣对于本征半导体，当温度较低时，费米能级处于禁带中心。♣对于掺杂半导体，随着掺杂的不同，费米能级的位置也不相同。第3章光源与光检测器半导体光放大器(激光器)的工作原理半导体的能带分布导带价带满带费米能级半导体能带分布图禁带Eg半导体具有晶体结构。晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地周期性排列，各原子的电子轨道相互重叠，使半导体离散的能级组成具有一定宽度的带，称为能带。第3章光源与光检测器导带、价带、满带、禁带的概念♣价带：形成共价键的价电子所占据的能带。价带中的电子由于受原子核的束缚较紧，通常不参与导电。♣导带：价带上方自由电子占据的能带。导电中的电子由于受原子核的束缚较小，具有导电作用。♣禁带：导带底部与价带顶部之间的能带。禁带宽度一般为Eg。♣满带：被电子添满的能级最低的价带。满带中的电子不起导电作用。第3章光源与光检测器各种半导体中电子的能带分布本征半导体的能带分布本征半导体是指没有任何外来杂质的理想半导体。在低温下，费米能级处于禁带的中心，价带均被电子填充，导带空着。导带价带满带费米能级半导体能带分布图禁带Eg第3章光源与光检测器N型半导体能带分布如果向本征半导体材料内掺入提供电子的杂质元素而形成的半导体材料，称为N型半导体。导带导带价带价带费米能级费米能级N型半导体掺杂能带分布图P型半导体掺杂能带分布图N型半导体和P型半导体掺杂能带分布P型半导体能带分布如果向本征半导体材料内掺入提供空穴的杂质元素而形成的半导体材料，称为P型半导体。第3章光源与光检测器PN结的能带分布由于热平衡系统只能有一个费米能级，这就要求原来在P区和N区高低不同的费米能级达到相同的水平。如果N区的能级位置保持不变，那么P区的能级应该提高，从而使PN结的能带发生弯曲。++++----导带导带价带价带费米能级费米能级PNPN结形成后的能带分布第3章光源与光检测器能带图是用来描述电子能量的，PN结能带的弯曲正反映了空间电荷区的存在。在空间电荷区中，由于自建电场从N区指向P区，说明P区相对于N区为负电位，用–VD表示，称为接触电位差或PN结势垒高度。P区所有能级的电子均附加了（–e0）·（–VD）=e0VD的位能，使P区的能带相对于N区提高了e0VD。++++----导带导带价带价带费米能级费米能级PNPN结形成后的能带分布第3章光源与光检测器PN结加正偏压后的能带分布PN加正偏压后，削弱了原来的自建电场，P区的空穴和N区的电子不断地注入PN结，破坏了原来的热平衡，在PN结出现了两个费米能级。导带导带价带价带费米能级EfN费米能级EfP加正向偏压后PN结的能带分布图NP第3章光源与光检测器由上图可以看出：♣在N区，由于，则各能级被电子占据的概率大于1/2。♣在P区，由于，则各能级被电子占据的概率小于1/2。♣PN结外加正向偏压后，在其内部两个费米能级（准确称为准费米能级）之间，价带由空穴所占据，导带由电子所占据，实现了粒子数的反转分布，形成有源区。NfEEPfEE第3章光源与光检测器在有源区内，导带上的电子与价带上的空穴复合时释放出的能量变为光子。当满足阈值条件后，由于有源区内受激辐射大于受激吸收，该光子会不断地激发出全同光子，即产生了光的放大作用。第3章光源与光检测器实际中很少使用简单的PN结。在PN结之间有一很薄的半导体材料，它与ＰＮ结的半导体材料相异，这种结构称为异质结。中间一层半导体形成了一个有源区或层，它与Ｐ型或Ｎ型半导体材料相比，其禁带宽度较小，而折射率较高。小的禁带宽度有利于将注入到有源区的少数载流子（来自Ｎ型半导体的电子和Ｐ型半导体的空穴）限制在有源区内，高的折射率使这种结构构成了一个电介质波导，在放大时有利于将光限制在有源区内。第3章光源与光检测器半导体光放大器中的粒子数反转分布条件（受激辐射超过吸收）是波长或频率的函数，如入射光波的频率为fc，则满足hfcEg(Eg为半导体的禁带宽度)。如果与Eg对应的最低光频或最长光波长能够放大，则随着正向偏压的加大，该波长的粒子数反转分布条件首先满足，随着正向偏置电压的加大,注入的电子占据了Ｐ型半导体的高能级，这时短波长的信号开始放大。实际上半导体SOA的放大带宽可达100nm，可以同时放大1.30μm、1.55μm窗口的信号。第3章光源与光检测器3.1.2F-P腔半导体激光器半导体激光器是光纤通信最主要的光源，它实际上是置于一个反射腔之内的光放大器。反射腔通过正反馈使放大器产生振荡。半导体激光器的增益介质是正向偏置的PN结。第3章光源与光检测器图3.5F-P光学谐振腔增益介质反射镜面有源区PN注入电流第3章光源与光检测器3.2输出光功率及光源与光纤的耦合LD的输出光功率是随着注入电流的不同而改变的。注入电流常用毫安(mA)来表示，光功率的单位为毫瓦(mW),但实际工程应用中常用分贝(dB)来表示。其定义为mWmWPdBP1)(lg10)(（3.1）第3章光源与光检测器3.2.1阈值特性半导体激光器是一阈值器件，它的工作状态，随注入电流的不同而不同。当注入电流较小时，激活区不能实现粒子数反转，自发发射占主导地位，激光器发射普通的荧光。随注入电流量的增加，激活区里实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位。但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全（反射系统100%）等引起的谐振腔的损耗时，不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光，这种状态称为“超辐射”。只有当注入电流大于阈值电流时，才能产生功率很强的激光。第3章光源与光检测器3.2.2注入电流(I)与光功率(P)响应特性从光与物质相互作用的角度看，半导体激光器的特性是腔内光场与电子空穴对相互作用的结果。它与注入载流子密度和产生的光子密度变化有关。理想激光器的输出功率P（正比于光子浓度）与注入电流I的曲线如图3.6所示。图3.6LD的P-I曲线102030阈值30－3P(光功率)/mWI(注入电流)/mA第3章光源与光检测器3.2.3光源与光纤的耦合怎样把光源发出的光有效地耦合进光纤是光发送机设计的一个重要问题。光源和光纤耦合的好坏可以用耦合效率η来衡量，它的定义为SFPP（3.6）第3章光源与光检测器图3.7光源与光纤的耦合效率（耦合损耗）的比较2118151296300.10.20.30.40.50.61.00.50.20.10.050.020.01光纤NA耦合损耗/dB耦合效率面发光LED边发光LEDLD第3章光源与光检测器影响光源与光纤耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径（NA）。发散角越大，耦合效率越低；数值孔径NA越大，耦合效率越高。此外，光源的发光面、光纤端面尺寸、形状以及二者间距都会直接影响耦合效率。针对不同的因素，通常用两种方法来实现光源与光纤的耦合，即直接耦合和透镜耦合。直接耦合就是将光纤端面直接对准光源发光面，这种方法当发光面大于纤芯时是一种有效的方法，其结构简单但耦合效率较低。面发光二极管与光纤的耦合效率只有2%～4%。半导体激光器的光束发散角比面发光二极管小得多，与光纤的直接耦合效率约为10%。第3章光源与光检测器当光源与发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置聚焦透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。图3.8展示了面发光二极管与多模光纤的耦合结构，其中，图（a）中光纤的端面作成球透镜，图（b）中采用截头透镜，图（c）中采用集成微透镜。采用这种透镜组合后，耦合效率可达到6%～15%。第3章光源与光检测器图3.8面发光二极管与光纤的透镜耦合光纤球端P电极50m0.7m2m20m(a)(b)截头透镜(c)InP(集成微透镜)N-InP衬底第3章光源与光检测器边发光二极管和半导体激光器的发光面尺寸比面发光二极管小得多，光束发散角也小，与同样数值孔径光纤的耦合效率也比面发光二极管高，但它们