1、第第 3 章章 通信用光器通信用光器 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 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 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 光光检测器检测器 3.2.1 光电二极管光电二极管工作原理工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管光电二极管 3.2.3 雪崩雪崩光电二极管光电二极管(APD)3.2.4 光电二极管光电二极管一般性能和应用一般性能和应用 3.3 光无源光无源器件器件 3.3.1 连
2、接器连接器和和接头接头 3.3.2 光光耦合耦合器器 3.3.3 光隔离器光隔离器与与光环行器光环行器 3.3.4 光光调制调制器器 3.3.5 光光开关开关返回主目录返回主目录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 受激辐射和受激辐射和粒子粒子数反转分布数反转分布 PN结的能带结的能带和和电子分布电子分布 激光振荡和激光振荡和光学光学谐振腔谐振腔 二、半导体激光器二、半导体激光器基本基本结构结构 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、一、发射波长和光谱特性发射波长
3、和光谱特性 二、二、激光束的空间分布激光束的空间分布 三、三、转换效率和输出光功率特性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、一、工作原理工作原理 二、二、工作特性工作特性 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半导体激光二极管或称激光器管或称激光器(LD)和发光二极管
4、或称发光管和发光二极管或称发光管(LED)，有些场合也使用固体激光器固体激光器。本节首先介绍半导体激光器半导体激光器(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分布反馈激光器光器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管发光管(LED)。1.受激辐射受激辐射和粒子数反转分布和粒子数反转分布 有源器件有源器件的物理基础是的物理基础是光和物质相互作用的效应光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为称为基基态态，能量比基态大的能级，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4)称为称为激发态
5、激发态。电子在低能级电子在低能级E1的基态和高能级的基态和高能级E2的激发态之间的跃的激发态之间的跃迁有三种基本方式：迁有三种基本方式：(见见图图3.1)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 半导体激光器半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反粒子数反转分布转分布，产生受激辐射受激辐射，再利用谐振腔的正反馈正反馈，实现光放大光放大而产生激光振荡激光振荡的。hf12E2E1E2E1 (a)受激吸收；受激吸收；能级和电子跃迁能级和电子跃迁(b)自发辐射；自发辐射；hf12E2E1E2E1hf12E2E1E2E1(c)受激辐射受激辐射(1)受激吸收受激吸
6、收 在正常状态下，电子处于低能级在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为上，这种跃迁称为受激吸收受激吸收。电。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1(a)。(2)自发辐射自发辐射 在高能级在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也也会自动地跃迁到低能级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，这种跃迁称为辐射出去，这种跃迁称为自
7、发辐射自发辐射，见图，见图3.1(b)。(3)受激辐射受激辐射 在高能级在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐受激辐射射，见图，见图3.1(c)。受激辐射受激辐射和和受激吸收受激吸收的区别与联系的区别与联系 受激辐射受激辐射是是受激吸收受激吸收的逆过程的逆过程。电子在。电子在E1和和E2两个能级之间两个能级之间跃迁，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波尔条件，即，即 E2-E1
8、=hf12 (3.1)式中，式中，h=6.62810-34Js，为，为普朗克常数普朗克常数，f12为吸收或辐射的光为吸收或辐射的光子频率。子频率。受激辐射受激辐射和和自发辐射自发辐射产生的光的特点很不相同。产生的光的特点很不相同。受激辐射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为这种光称为相干光相干光。自发辐射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，这种光称为称为非相
9、干光非相干光。产生产生受激辐射受激辐射和产生和产生受激吸收受激吸收的物质是不同的。的物质是不同的。设在单位设在单位物质中，处于低能级物质中，处于低能级E1和处于高能级和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为的原子数分别为N1和和N2。当系统处于当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布时，存在下面的分布 )exp(1212kTEENN(3.2)式中，式中，k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。为热力学温度。由于由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是，所以在这种状态下，总是N1N2。这是这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。因为电子总
10、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受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和和N2，且比例，且比例系数系数(吸收和辐射的概率吸收和辐射的概率)相等。相等。如果如果N1N2，即，即受激吸收大于受激辐射受激吸收大于受激辐射。当。当光通过这种光通过这种物质时，光强按指数衰减，物质时，光强按指数衰减，这种物质称为这种物质称为吸收物质吸收物质。如果如果N2N1，即，即受激辐射受激辐射大于大于受激吸收受激吸收，当光通过这种，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质激活物质。N2N1的分布，和正常状态的分布，和正常状态(N1N2)的分
11、布相反，所以称的分布相反，所以称为为粒子粒子(电子电子)数反转分布数反转分布。问题：问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢如何得到粒子数反转分布的状态呢?这个问题将这个问题将在下面加以叙述。在下面加以叙述。图图 3.2 半导体的能带和电子分布半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；本征半导体；(b)N型半导体；型半导体；(c)P型半导体型半导体 Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)2.PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分
12、布的能带。能量低的能带称为能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带价带，能量高的能带称，能量高的能带称为为导带导带，导带底的能量，导带底的能量Ec 和价带顶的能量和价带顶的能量Ev 之间的能量差之间的能量差Ec-Ev=Eg称为称为禁带宽度禁带宽度或或带隙带隙。电子不可能占据禁带。电子不可能占据禁带。图图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统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的能级被电子占据的概率为费米分布为费米分布 式中，式中，k为波兹曼常数，为波兹曼常数，T为热力学温度。为热力学温度。E
13、f 称为称为费米能费米能级级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。)exp(11)(kTEEEpf(3.3)一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用用Ef 位于禁带中央来表示，见图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，称为在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体型半导体，见图，见图3.2(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体型半
14、导体，见，见图图3.2(c)。在在P型和型和N型半导体组成的型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数结界面上，由于存在多数载流子载流子(电子或空穴电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成的梯度，因而产生扩散运动，形成内部内部电场电场，见图见图3.3(a)。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和区和N区的区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图倾斜，见图3.3(b)。P区区PN结空结空间电间电荷区荷区N 区区内部电场内部电场 扩散扩散 漂移漂移 P-N结内载流子运动；结内载流
15、子运动；图图 3.3PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布势垒势垒能量能量EpcP区区EncEfEpvN 区区Env零偏压时零偏压时P-N结的能带倾斜图；结的能带倾斜图；hfh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，电子，空穴空穴内部电场内部电场外加电场外加电场正向偏压下正向偏压下P-N结能带图结能带图 增益区的产生：增益区的产生：在在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场电子运动方向与电场方向相反，便使方向相反，便使N区的电子向区的电子向P区
16、运动，区运动，P区的空穴向区的空穴向N区运动，区运动，最后在最后在PN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒粒子数反转分布子数反转分布，见图，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，产生空穴复合，产生自发辐射光自发辐射光。3.激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔激光振荡的产生：激光振荡的产生：粒子数反转分布粒子数反转分布（必要条件（必要条件)+激活物质置于光激活物质置于光学谐振腔中，学谐振腔中，对光
17、的频率和方向进行选择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。连续的光放大和激光振荡输出。基本的基本的光学谐振腔光学谐振腔由两个反射率分别为由两个反射率分别为R1和和R2的平行反射的平行反射镜构成镜构成(如图如图3.4所示所示)，并被称为法布里，并被称为法布里-珀罗珀罗(FabryPerot,FP)谐振腔。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，可以用它产生的生的自发辐射光自发辐射光作为入射光。作为入射光。图图 3.4 激光器的构成和工作原理激光器的构成和工作原理 (a)激光振荡；激光振荡；(b)光反馈光反馈 2n反射镜
18、光的振幅反射镜L(a)初始位置光光强输出OXL(b)式中，式中，th 为阈值增益系数，为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗为谐振腔内激活物质的损耗系数，系数，L为谐振腔的长度，为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率为两个反射镜的反射率 激光振荡的相位条件为激光振荡的相位条件为 式中，式中，为激光波长，为激光波长，n为激活物质的折射率，为激活物质的折射率，q=1,2,3 称称为纵模模数。为纵模模数。在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 th=+211ln21RRL(3.4)L=q qnLn22或(3.5)4.半导体激光器基本结构半
19、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示出的双示出的双异质结异质结(DH)平面条形结构。平面条形结构。这这种结构由种结构由三层三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。结构图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间中间有一层厚有一层厚0.10.3 m的窄带隙的窄带隙P型半导体，称为型半导体，称为有源层有源层；两侧两侧分别为宽带隙的分别为宽带隙的P型型和和N型半导体，称为型半导体，称为限制层限制层。三层半导体置于。三层半导体置于基片基片(衬底衬底
20、)上，前上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗珀罗(FP)谐振腔。谐振腔。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 PGa1xAlxA sPGaA sNGa1yAlyA s复合空穴异质势垒E能量(a)(b)(c)n折射率 5%(d)P光电子 DH激光器工作原理激光器工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽，施加由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压正向偏压后，后，P层的层的空穴和空穴和N层的层的电子电子注入注入有源层有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入层带隙宽，导带的能态比有源层高，对
21、注入电子电子形成了形成了势垒，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，注入到有源层的注入到有源层的空穴空穴也不可能扩散到也不可能扩散到N层。层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源层内形成的有源层内形成粒子数反转分布粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，这时只要很小的外加电流，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。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在制在有源区有源区内，因而电
22、内，因而电/光转换效率很高，输出激光的光转换效率很高，输出激光的阈值电流阈值电流很低，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。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 1.发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的半导体激光器的发射波长发射波长等于等于禁带宽度禁带宽度Eg(eV)/h，由式，由式(3.1)得到得到 h f=EgggEEhc24.1(3.6)不同半导体有不同的不同半导体有不同的禁带宽度禁带宽度Eg，因而有不同的，因而有不同的发射波长发射波长。镓铝砷镓铝砷-镓砷镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于材料适用于0.85 m
23、波段波段 铟镓砷磷铟镓砷磷-铟磷铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于材料适用于1.31.55 m波段波段式中，式中，f=c/，f(Hz)和和(m)分别为发射光的频率和波长，分别为发射光的频率和波长，c=3108 m/s为光速，为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数，为普朗克常数，1eV=1.610-19 J，代入上式得到，代入上式得到 图图3.7是是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。激光器的光谱特性。在直流驱动下，在直流驱动下，发射光波长发射光波长只有符合激光振荡的只有符合激光振荡的相位条件相位条件式式(3.5)的波长存在。的波长存在。这些波长取决于这些波长取决于激光器纵向长度
24、激光器纵向长度L，并称，并称为激光器的为激光器的纵模纵模。驱动电流变大，纵模模数变小驱动电流变大，纵模模数变小，谱线宽度变窄。，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对这种变化是由于谐振腔对光波频率光波频率和和方向方向的选择，使的选择，使边模边模消失消失、主模增益主模增益增加而产生的。增加而产生的。当驱动电流足够大时，当驱动电流足够大时，多纵模多纵模变为变为单纵模单纵模，这种激光器称，这种激光器称为为静态单纵模激光器静态单纵模激光器。图图3.7(b)是是300 Mb/s数字调制的光谱特性。由图可见，数字调制的光谱特性。由图可见，随随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。着调制电流增大，纵模模
25、数增多，谱线宽度变宽。图图 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性激光器的光谱特性 (a)直流驱动直流驱动;(b)300 Mb/s数字调制数字调制 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)图图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图。
26、条形激光器的近场和远场图。W 10 m20 m20 m30 m30 m50 m10 m近 场 图 样0.1rad远 场 图 样 2.激光束的空间分布激光束的空间分布 激光束的空间分布用激光束的空间分布用近场近场和和远场远场来描述。来描述。近场近场是指激光器输出反射镜是指激光器输出反射镜面上的光强分布；面上的光强分布；远场远场是指离反射镜面一定距是指离反射镜面一定距离处的光强分布。离处的光强分布。图图3.8是是GaAlAs-DH激光器激光器的近场图和远场图，近场和远场的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔是由谐振腔(有源区有源区)的横向尺寸，的横向尺寸，即平行于即平行于PN结平面的宽度结平面的宽
27、度w和垂和垂直于结平面的厚度直于结平面的厚度t所决定，并称所决定，并称为激光器的为激光器的横模横模。由图由图3.8可以看出，平行于结可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度平面的谐振腔宽度w由宽变窄，由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；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垂直于结平面的谐振腔厚度t很很薄，薄，这个方向的场图总是这个方向的场图总是单横模单横模。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 1.00.80.60.40.2080604020020406080T 300 K辐 射 角(度)相 对 光 强(a)(b)图图3.9为典型
28、半导体激光器的远场辐射特性，图中为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中 和和 分别为平行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。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 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数光子数hfeIpeIIhfppththd/)(/)(3.7a)由此得到)(ethdthIIhfpp(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。图图
29、 3.10 典型半导体激光器的光功率特性典型半导体激光器的光功率特性(a)短波长短波长AlGaAs/GaAs (b)长波长长波长InGaAsP/InP 1098765432100 20 40 60 80I/mA P/mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150IthI/mA P/mW(a)(b)当当IIth 时，发出的是时，发出的是受激辐射光受激辐射光，光功率随驱动电流的，光功率随驱动电流的增加而增加。增加而增加。4.频率特性频率特性 在直接光强调制下，在直接光强调制下，激光器输出激光器输出光功率光功率P和和调制频率调制频率f 的的关系为关系为 P(f)=2222)/(4
30、)/(1)0(rrffffp(3.8a)1(1210IIIIfthphspr(3.8b)式中，式中，和和分别称为分别称为弛豫频率弛豫频率和和阻尼因子阻尼因子，Ith 和和I0分别为阈值电分别为阈值电流和偏置电流；流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的是零增益电流，高掺杂浓度的LD，I=0，低低掺杂浓度的掺杂浓度的LD,I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的电子寿命，为有源区内的电子寿命，ph为为谐振腔内的光子寿命。谐振腔内的光子寿命。rf图图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性半导体激光器的直接调制频率特性 0.010.11100.1110100fr调 制 频 率 f/GHz相
31、 对 光 功 率 弛豫频率弛豫频率fr 是调制频率的上限，一般激光器的是调制频率的上限，一般激光器的fr 为为12 GHz。在接近。在接近fr 处，数字调制要产生弛豫振荡，模处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产拟调制要产生非线性失真。生非线性失真。)(0TT Ith=I0 exp(3.9)5.温度特性温度特性 对于线性良好的激光器，输出光功率特性如式对于线性良好的激光器，输出光功率特性如式(3.7b)和图和图3.10所示。所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因（激光器输出光功率随温度而变化有两个原因（1）激光器的）激光器的阈值电流阈值电流Ith 随随温度温度升高而升高而增大增大（2）
32、外微分）外微分量子效率量子效率d随随温度温度升升高而高而减小减小。温度升高时，温度升高时，Ith 增大，增大，d减小，减小，输出光功率明显下降，达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，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，式中，I0为常数，为常数，T为结区的热力学温度，为结区的热力学温度，T0为激光器材料为激
33、光器材料的特征温度。的特征温度。GaAlAs GaAs 激光器激光器T0=100150 K InGaAsP-InP 激光器激光器T0=4070 K 所以所以长波长长波长InGaAsP-InP激光器输出激光器输出光功率光功率对对温度温度的变化更的变化更加敏感。加敏感。外微分量子效率随温度的变化不十分敏感。外微分量子效率随温度的变化不十分敏感。图图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，增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性造成的输出光功率特性P-I曲线曲线的变化。的变化。)(0TT Ith=I0 exp
34、(3.9)图 3.12 P-I曲线随温度的变化 22304050607080P/mW54321050100I/mA不 激 射 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 分布反馈分布反馈(DFB)激光器用靠近激光器用靠近有源层有源层沿长度方向制作的周沿长度方向制作的周期性结构期性结构(波纹状波纹状)衍射光栅衍射光栅实现光反馈。这种实现光反馈。这种衍射光栅衍射光栅的折射的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。分布反馈激光器分布反馈激光器的要求：的要求：（1）谱线宽度谱线宽度更窄更窄 （2）高速率脉冲调制下保持）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性动态单纵模特
35、性 （3）发射）发射光波长光波长更加稳定，并能实现调谐更加稳定，并能实现调谐 （4）阈值电流阈值电流更低更低 （5）输出）输出光功率光功率更大更大 图图 3.13 分布反馈分布反馈(DFB)激光器激光器 (a)结构；结构；(b)光反馈光反馈 衍 射 光 栅有 源 层N层P层输 出 光光 栅有 源 层ba(a)(b)如图如图3.13所示，由所示，由有源层有源层发射的光，一部分在发射的光，一部分在光栅波纹峰光栅波纹峰反反射射(如光线如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰光栅波纹峰反反射射(如光线如光线b)。光栅周期光栅周期=m eBn2 (3.10)ne
36、 为材料有效折射率，为材料有效折射率，B为布喇格波长，为布喇格波长，m为衍射级数。为衍射级数。在普在普通光栅的通光栅的DFB激光器中，发生激光器中，发生激光振荡激光振荡的有两个的有两个阈值阈值最最低、增益相同的低、增益相同的纵模纵模，其波长为，其波长为)221(22,1LneBB(3.11)DFB激光器与激光器与F-P激光器相比，激光器相比，具有以下具有以下优点：优点：单纵模激光器单纵模激光器 谱线窄，谱线窄，波长稳定性好波长稳定性好 动态谱线好动态谱线好 线性好线性好 3.1.4 发光二极管发光二极管 LD发射的是发射的是受激辐射光受激辐射光 LED发射的是发射的是自发辐射光自发辐射光 LE
37、D的结构和的结构和LD相似，大多是采用相似，大多是采用双异质结双异质结(DH)芯片芯片，把有源层夹在把有源层夹在P型和型和N型限制层中间，不同的是型限制层中间，不同的是LED不需要光不需要光学谐振腔，学谐振腔，没有阈值。没有阈值。图图 3.14两类发光二极管两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；正面发光型；(b)侧面发光型侧面发光型 球 透 镜环 氧 树 脂P层n层有 源 层发 光 区微 透 镜P型 限 制 层n型 限 制 层有 源 层波 导 层：正面发光型正面发光型LED和和侧面发光型侧面发光型LED ：输出光功率较小；谱线宽度较宽；调制频率较低；性能稳定，输出光功率较小；谱线宽度较宽；
38、调制频率较低；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；适寿命长；输出光功率线性范围宽；制造工艺简单，价格低廉；适用于小容量短距离系统用于小容量短距离系统：(1)光谱特性。光谱特性。发光二极管发射的是发光二极管发射的是自发辐射光自发辐射光，没有谐振腔对波长的选没有谐振腔对波长的选择，择，谱线较宽谱线较宽，如图，如图3.15。图 3.15LED光谱特性 1300/nm70 nm (2)光束的空间分布。光束的空间分布。在垂直于发光平面上，在垂直于发光平面上，正面发光型正面发光型LED辐射图呈辐射图呈朗伯分朗伯分布布，即即P()=P0 cos，半功率点辐射角，半功率点辐射角12
39、0。侧面发光型侧面发光型LED，120，2535。由于。由于大，大，LED与光纤的耦合效率一般小于与光纤的耦合效率一般小于 10%。(3)输出光功率特性。输出光功率特性。发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的光子数，一般外微分量子效率数，一般外微分量子效率d小于小于10%。两种类型发光二极管的。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图输出光功率特性示于图3.16。驱动电流驱动电流I较小时较小时，P-I曲线的曲线的线性较好线性较好；I过大时，由于过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使结发热产生饱和现象，使P-I 曲线的斜率减小。曲线的斜率
40、减小。LED的的PIPI特性曲线特性曲线原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA输出功率输出功率/mW 式中，式中，f为调制频率，为调制频率，P(f)为对应于调制频率为对应于调制频率f的输出光功率，的输出光功率，e为少数载流子为少数载流子(电子电子)的寿命。定义的寿命。定义fc 为发光二极管的截止频率，为发光二极管的截止频率，当当 f=fc=1/(2e)时，时，|H(fc)|=，最高调制频率应低于截止最高调制频率应低于截止频率。频率。21(4)频率特性。频率特性。发
41、光二极管的频率响应可以表示为发光二极管的频率响应可以表示为|H(f)|=2)2(11)0()(efPfp(3.12)图图3.17示出发光二极管的频率响应，示出发光二极管的频率响应，图中显示出少数载流子图中显示出少数载流子的寿命的寿命 e和和截止频率截止频率 fc 的关系。的关系。对有源区为低掺杂浓度的对有源区为低掺杂浓度的LED，适当适当增加增加工作电流工作电流可以可以缩缩短短载流子寿命载流子寿命，提高提高截止频率截止频率。图 3.17 发光二极管(LED)的频率响应 e1.1 nse2.1 nse 6.4ns1001000100.110f/MHz H(f)3.1.5 半导体光源一般性能和应用
42、半导体光源一般性能和应用半导体光源的一般性能表：半导体光源的一般性能表：3.1和表和表3.2列出半导体激光器列出半导体激光器(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)的一的一般性能。般性能。LED通常和通常和多模光纤多模光纤耦合，用于耦合，用于1.3 m(或或0.85 m)波长的波长的小容量短距离系统。因为小容量短距离系统。因为LED发光面积发光面积和和光束辐射角光束辐射角较大，较大，而多模而多模SIF光纤或光纤或G.651规范的多模规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于提高数值孔径，有利于提高耦合效率耦合效率，增加，增加入纤功率入纤功率。LD通常和通常和G.
43、652或或G.653规范的规范的单模光纤单模光纤耦合，用于耦合，用于1.3 m或或1.55 m大容量长距离系统。大容量长距离系统。分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB-LD)主要和主要和G.653或或G.654规范的单规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。系统。表表3.1 半导体激光器半导体激光器(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)的一般性能的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C寿命寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角辐射角50150 3010
44、05002000 5001000调制带宽调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率输出功率 P/mW100150 100150工作电流工作电流 I/mA2030 3060阀值电流阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长工作波长LEDLD/nm/)/(761010651010810710表表 3.2 分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB-LD)一般性能一般性能/nm 2040 1530输出功率输出功率 P/mW(连续单纵模连续单纵模,25C)20 15外量
45、子效率外量子效率 /%1520 2030阀值电流阀值电流 Ith/mA1时，时，1，所以为提高量子效率，所以为提高量子效率，I层层的厚度的厚度w要足够大。要足够大。（1）量子效率量子效率和和响应度响应度取决于材料的特性和器件的结构。取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表面反射率为零，假设器件表面反射率为零，P层和层和N层对量子效率的贡献层对量子效率的贡献可以忽略，可以忽略，在工作电压下，在工作电压下，I层全部耗尽，那么层全部耗尽，那么PIN光电二极光电二极管的管的量子效率量子效率可以近似表示为可以近似表示为)(exp1w(3.15)（2）量子效率量子效率的光谱特性取决于半导体材料的的光谱特性
46、取决于半导体材料的吸收光谱吸收光谱()，对长波长的限制由式对长波长的限制由式(3.6)确定，即确定，即c=hc/Eg。图图3.22示出示出和和的光谱特性，由的光谱特性，由图可见，图可见，Si 适用于适用于0.80.9m波段，波段，Ge 和和InGaAs 适用于适用于1.31.6 m波段。波段。响应度一般为响应度一般为0.50.6(A/W)。图图3-22 PIN光电二极管响应度、光电二极管响应度、量子效应率量子效应率 与波长与波长 的关系的关系1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m(W-1)Si (二二)响应时间和频率特性响应时
47、间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的光电二极管对高速调制光信号的响应能力响应能力用用脉冲响应时间脉冲响应时间或或截止频率截止频率fc(带宽带宽B)表示。表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到上升到90%，或后沿由，或后沿由90%下降到下降到10%的时间，分别定义为的时间，分别定义为脉冲上升时间脉冲上升时间r和和脉冲下降时间脉冲下降时间f。当光电二极管具有单一时间常数当光电二极管具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和和ex
48、p(-t/0)，由此得到，由此得到脉冲响脉冲响应时间应时间 =r=f=2.20 (3.16)对于幅度一定，频率为对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，用光生的正弦调制信号，用光生电流电流I()下降下降3dB的频的频率定义为率定义为。当光电二极管具。当光电二极管具有单一时间常数有单一时间常数0时，时，rcf35.0210 (3.17)PIN光电二极管光电二极管响应时间响应时间或或频率特性频率特性主要由主要由光生载流子光生载流子在耗尽层的在耗尽层的渡越时间渡越时间d和包括光电二极管在内的检测电路和包括光电二极管在内的检测电路RC常数常数所所确定确定。当调制频率当调制频率与渡越时间与渡越时间d
49、的倒数可以相比时，的倒数可以相比时，耗尽层耗尽层(I层层)对量子效率对量子效率()的贡献可以表示为的贡献可以表示为(3.18)2/)2/sin()0()(ddww 由由()/(0)=得到由渡越时间得到由渡越时间d限制的截止频率限制的截止频率21wvfsdc42.042.0（3.19）式中，渡越时间式中，渡越时间d=w/vs，w为耗尽层宽度，为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速为载流子渡越速度，度，比例于电场强度。比例于电场强度。由式由式(3.19)和式和式(3.18)可以看出，可以看出，减小减小耗尽层宽度耗尽层宽度w，可以，可以减减小小渡越时间渡越时间d，从而，从而提高提高截止频率截止频率fc，但
50、是同时要，但是同时要降低降低量子效率量子效率。10100100010000100060020010060 40 20 1064200.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.06 mSi-PIN0.950.900.850.800.6328/MHz /m400图图3.23 内量子效率和带宽的关系内量子效率和带宽的关系 由电路由电路RC时间常数限制的时间常数限制的截止频率截止频率 式中，式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容为结电容Cj和管壳分布电容的总和。和管壳分布电容的总和。式中，式中，为为，A为为，w为为宽度
