第 3 章 通信用光器3.1 光源3.2 光检测器3.3 光无源器件返回主目录第 3 章 通信用光器件通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。 有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、 光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺 少的。 本章介绍通信用光器件的工作原理和主要特性， 为系统的设计提供选择依据。 3.1光源光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激 光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)， 有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石 (Nd:YAG)激光器。 本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激 光器(DFB - LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。 3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大 而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。 1. 受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 )称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图3.1)： 图 3.1能级和电子跃迁(a) 受激吸收； (b) 自发辐射； (c) 受激辐射 (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，见图 3.1(a)。 (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，见图3.1(b)。 (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，见图3.1(c)。 受激辐射是受激吸收的逆过程。 电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条 件，即 E2-E1=hf12 (3.1)式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光 子频率。 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称 为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产 生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱 的，这种光称为非相干光。 产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布 式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐 射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。 如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种 物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1 的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电 子)数反转分布。问题是如何得到粒子数反转分布的状态呢? 这个问题将在下面加以叙述。 2. PN结的能带和电子分布半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。 在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展 成能级连续分布的能带，如图3.2。能量低的能带称为价带， 能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。 图 3.2半导体的能带和电子分布 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体 图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统 计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。当T0时， P(E)0， 这时导带上几乎没有电子，价带上填满电子。E f称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态 。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 图 3.3 PN结的能带和电子分布(a) P - N结内载流子运动；(b) 零偏压时P - N结的能带图； (c) 正向偏压下P - N结能带图 一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的 ， 用Ef位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。在本征半导体中 掺入施主杂质，称为N型半导体。在N型半导体中，Ef增大 ，导带的电子增多， 价带的空穴相对减少，见图3.2(b)。在 本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体。在P型半导 体中，Ef减小，导带的电子减少，价带的空穴相对增多，见 图3.3(c) 。 在P型和N型半导体组成的PN结界面上， 由于存在多数 载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部 电场， 见图3.3(a)。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运 动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止 ，结果能带发生倾斜，见图3.3(b)。这时在PN结上施加正向 电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜 减小，扩散增强。 电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。 3. 激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成 (如图3.4所示)，并被称为法布里 - 珀罗(Fabry Perot, FP)谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。 另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收， 反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时， 在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡， 其阈值条件为图 3.4激光器的构成和工作原理(a) 激光振荡； (b) 光反馈 th=+ 式中，th为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R2Ith时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。 4. 频率特性在直接光强调制下， 激光器输出光功率P和调制频率f的关系为 P(f)= 图 3.10典型半导体激光器的光功率特性(a) 短波长AlGaAs/GaAs; (b) 长波长InGaAsP/InP 式中，fr和分别称为弛豫频率和阻尼因子，Ith和I0分别为阈值电流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的LD， I=0， 低掺杂浓度的 LD, I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的电子寿命，ph为谐振腔内的光子寿命。 图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr是调制频率的上限，一般激光器的fr为12 GHz。在接近fr处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真 。 图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性 5. 温度特性对于线性良好的激光器，输出光功率特性如式(3.7b)和图3.10所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因： 一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率d随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，d减小， 输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为Ith=I0 exp式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。GaAlAsGaAs激光器T0=100150 K、InGaAsP InP激光器T0=4070 K，所以长波长InGaAsP InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。 外微分量子效率随温度的变化不十分敏感，例如， GaAlAs GaAs激光器在77 K时d50%，在300 K时，d 30%。 图3.12示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P - I曲线的变化。 图 3.12 P I曲线随温度的变化 3.1.3分布反馈激光器随着技术的进步，高速率光纤通信系统的发展和新型光纤 通信系统例如波分复用系统的出现，都对激光器提出更高的要 求。 和由FP谐振腔构成的DH激光器相比，要求新型半导体激 光器的谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模 特性；发射光波长更加稳定，并能实现调谐；阈值电流更低， 而输出光功率更大。具有这些特性的动态单纵模激光器有多种 类型，其中性能优良并得到广泛应用的是分布反馈(Distributed Feed Back, DFB)激光器。 普通激光器用FP谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的 辐射光进行反馈，DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的 周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折 射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反 馈激光器。 如图3.13所示，由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果光线a和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大， 但整个光栅有成百上千个波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。 光栅周期由下式确定 =m 式中，ne为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级 数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值 最低、增益相同的纵模，其波长为 图 3.13分布反馈(DFB)激光器(a) 结构； (b) 光反馈 式中L为光栅长度，其他符号和式(3.10) 意义相同。 在普 通均匀光栅中，引入一个/4相移变换，使原来的波峰变波谷 ， 波谷变波峰，可以有效地提高模式选择性和稳定性，实现 动态单纵模激光器的要求。 DFB激光器与F P激光器相比， 具有以下优点： 单纵模激光器。 FP激光器的发射光谱是由增益谱和激光器纵模特性共同决 定的，由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间 的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。DFB激光器 的发射光谱主要由光栅周期决定。相当于F P激光器的腔 长L，每一个形成一个微型谐