第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件 3.1 光源光源 3.1.1 半导体激光器工作原半导体激光器工作原理和基本结构理和基本结构 3.1.2 半导体激光器的主半导体激光器的主要特性要特性 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性半导体光源一般性能和应用能和应用 3.2 光检测器光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管光电二极管 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD) 3.2.4 光电二极管一般性光电二极管一般性能和应用能和应用 3.3 光无源器件光无源器件 3.3.1 连接器和接头连接器和接头 3.3.2 光耦合器光耦合器 3.3.3 光隔离器与光环行光隔离器与光环行器器 3.3.4 光调制器光调制器 3.3.5 光开关光开关返回主目录第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件 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。 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。 3.1 光源光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理一、半导体激光器的工作原理 受激辐射和粒子数反转分受激辐射和粒子数反转分布布 PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构二、半导体激光器基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性三、转换效率和输出光功率特性 四、四、 频率特性频率特性 五、五、 温度特性温度特性 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 一、一、 工作原理工作原理 二、二、DFB激光器的优点激光器的优点 3.1.4 发光二极管发光二极管 一、工作原理一、工作原理 二、工作特性二、工作特性 3.1.5 半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用3.1 光源光源 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。 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)。 光纤通信系统对光源的要求1、合适的发光波长2、足够的输出功率3、可靠性高，寿命长4、输出效率高5、光谱宽度窄6、聚光性好7、调制方便8、价格低廉 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。1.受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布2. 有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。 3. 在在物物质质的的原原子子中中，存存在在许许多多能能级级，最最低低能能级级E1称称为为基基态，能量比基态大的能级态，能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 )称为激发态。称为激发态。4. 电电子子在在低低能能级级E1的的基基态态和和高高能能级级E2的的激激发发态态之之间间的的跃跃迁有三种基本方式：受激吸收迁有三种基本方式：受激吸收 自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射 (见图见图3.1)hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1 (a) 受激吸收； 能级和电子跃迁(b) 自发辐射；hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1(c) 受激辐射 (1)受激吸收 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)自发辐射 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)受激辐射 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)。 受激辐射和受激吸收的区别与联系受激辐射和受激吸收的区别与联系 受受激激辐辐射射是是受受激激吸吸收收的的逆逆过过程程。电电子子在在E1和和E2两两个个能能级级之之间间跃迁，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)式式中中，h=6.62810-34Js，为为普普朗朗克克常常数数，f12为为吸吸收收或或辐辐射射的的光光子频率。子频率。 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。 受受激激辐辐射射光光的的频频率率、相相位位、偏偏振振态态和和传传播播方方向向与与入入射射光光相相同同，这种光称为相干光。这种光称为相干光。 自自发发辐辐射射光光是是由由大大量量不不同同激激发发态态的的电电子子自自发发跃跃迁迁产产生生的的，其其频频率率和和方方向向分分布布在在一一定定范范围围内内，相相位位和和偏偏振振态态是是混混乱乱的的，这这种种光光称为非相干光。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 (3.2)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：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。 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 2. PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在在半半导导体体中中，由由于于邻邻近近原原子子的的作作用用，电电子子所所处处的的能能态态扩扩展展成成能能级级连连续续分分布布的的能能带带。能能量量低低的的能能带带称称为为价价带带，能能量量高高的的能能带带称称为为导导带带，导导带带底底的的能能量量Ec 和和价价带带顶顶的的能能量量Ev 之之间间的的能能量量差差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。 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。Ef 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。 (3.3) 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，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，见图3.2(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 一样，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)。P区PN结空间电荷区N区内部电场 扩散 漂移 P - N结内载流子运动； 图 3.3PN结的能带和电子分布势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env零偏压时P - N结的能带倾斜图；h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P - N结能带图获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布 增益区的产生： 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激光振荡的产生： 粒子数反转分布必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=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(FabryPerot, 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。 图 3.4 激光器的构成和工作原理 (a) 激光振荡； (b) 光反馈 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，R21为两个反射镜的反射率 激光振荡的相位条件为 式中，为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1, 2, 3 称为纵模模数。 在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为 th =+ (3.4)L= q (3.5) 4. 半导体激光器基本结构 半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图3.5示出的双异质结(DH)平面条形结构。 这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。 图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗(FP)谐振腔。 DH激光器工作原理激光器工作原理 由由于于限限制制层层的的带带隙隙比比有有源源层层宽宽，施施加加正正向向偏偏压压后后， P层层的的空穴和空穴和N层的电子注入有源层。层的电子注入有源层。 P层层带带隙隙宽宽，导导带带的的能能态态比比有有源源层层高高，对对注注入入电电子子形形成成了了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。层。 同理，同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。层。 这这样样，注注入入到到有有源源层层的的电电子子和和空空穴穴被被限限制制在在厚厚0.10.3 m的的有有源源层层内内形形成成粒粒子子数数反反转转分分布布，这这时时只只要要很很小小的的外外加加电电流流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。 另另一一方方面面，有有源源层层的的折折射射率率比比限限制制层层高高，产产生生的的激激光光被被限限制制在在有有源源区区内内，因因而而电电/光光转转换换效效率率很很高高，输输出出激激光光的的阈阈值值电电流流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。 图 3.6 DH激光器工作原理(a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 3.1.2 半导体激光器的主要特性 1. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)得到 h f =Eg(3.6)不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。 镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 m波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.31.55 m波段式中，f=c/，f (Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长， c=3108 m/s为 光 速 ， h=6.62810-34JS为 普 朗 克 常 数 ， 1eV=1.610-19 J，代入上式得到 图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。 在直流驱动下， 发射光波长只有符合激光振荡的相位条件式(3.5)的波长存在。 这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小 ，谱线宽度变窄。 这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。 当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。 图3.7(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性， 由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。 图 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI= 8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b) 2. 激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场和远场来描述。 近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布； 远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。 由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。 图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样 3.-9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样 (a) 光强的角分布； (b) 辐射光束 图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。3. 转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 激激光光器器的的电电/光光转转换换效效率率用用外外微微分分量量子子效效率率d表表示示，其其定定义义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数(3.7a)由此得到(3.7b)式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，h f 和e分别为光子能量和电子电荷。 图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。 当IIth 时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。 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 4. 频率特性频率特性 在在直直接接光光强强调调制制下下， 激激光光器器输输出出光光功功率率P和和调调制制频频率率f 的的关系为关系为 P(f)= (3.8a)(3.8b)式中， 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 半导体激光器的直接调制频率特性 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。 Ith=I0 exp(3.9) 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1激光器的阈值电流Ith 随温度升高而增大2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 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。 GaAlAs GaAs 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。 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 分布反馈(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。 分布反馈激光器的要求： （1谱线宽度更窄 （2高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性 （3发射光波长更加稳定，并能实现调谐 （4） 阈值电流更低 （5输出光功率更大 图 3.13 分布反馈(DFB)激光器 (a) 构造； (b) 光反馈 如图3.13所示，由有源层发射的光，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)。 光栅周期=m (3.10) 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 (3.11) DFB激光器与F-P激光器相比， 具有以下优点： 单纵模激光器 谱线窄， 波长稳定性好 动态谱线好 线性好 3.1.4 发光二极管LD 和LED的区别 LD发射的是受激辐射光 LED发射的是自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。 图 3.14两类发光二极管(LED) (a) 正面发光型； (b) 侧面发光型 发光二极管的类型：正面发光型发光二极管的类型：正面发光型发光二极管的类型：正面发光型发光二极管的类型：正面发光型LEDLED和侧面发光型和侧面发光型和侧面发光型和侧面发光型LED LED 发光二极管的特点：发光二极管的特点：发光二极管的特点：发光二极管的特点： 输输输输出出出出光光光光功功功功率率率率较较较较小小小小；谱谱谱谱线线线线宽宽宽宽度度度度较较较较宽宽宽宽；调调调调制制制制频频频频率率率率较较较较低低低低；性性性性能能能能稳稳稳稳定定定定，寿寿寿寿命命命命长长长长；输输输输出出出出光光光光功功功功率率率率线线线线性性性性范范范范围围围围宽宽宽宽；制制制制造造造造工工工工艺艺艺艺简简简简单单单单，价价价价格格格格低低低低廉廉廉廉；适适适适用于小容量短距离系统用于小容量短距离系统用于小容量短距离系统用于小容量短距离系统 发光二极管的主要工作特性：发光二极管的主要工作特性：发光二极管的主要工作特性：发光二极管的主要工作特性： (1) (1) 光谱特性。光谱特性。光谱特性。光谱特性。 发发发发光光光光二二二二极极极极管管管管发发发发射射射射的的的的是是是是自自自自发发发发辐辐辐辐射射射射光光光光， 没没没没有有有有谐谐谐谐振振振振腔腔腔腔对对对对波波波波长长长长的的的的选选选选择，谱线较宽，如图择，谱线较宽，如图择，谱线较宽，如图择，谱线较宽，如图3.153.15。 图 3.15LED光谱特性