1、第3章 光源与光检测器本章内容3.1 半导体激光器（LD）的工作原理3.2 LD的输出光功率3.3 LD的输出光谱3.4 LD的调制响应3.5 LD的温度特性与ATC3.6 LD的输出光功率与APC3.7 DFB与BRD激光器3.8 调谐LD本章内容3.9 其他类型的LD3.10 LD组件3.11 半导体LED3.12 光源与光纤的耦合3.13 光检测器3.14 PIN3.15 APDn光与物质的三种相互作用光与物质的三种相互作用3.1 LD的工作原理n光放大光放大n受激辐射受激辐射n非热平衡状态下，可能出现高能级粒子数占多数的情况，称之为粒子数反转n粒子数反转的情况下，物质的自发辐射和受激辐
2、射占一定优势，物质表现出发光特性。n如果外部有合适频率的光信号进入粒子数反转区，则在受激辐射的作用下，该光信号被放大、光子数倍增，原有光波特点保留。hhhE1E2受激发射的特点：产生的新光子与原光子严格同频、同相、同极化3.1 LD的工作原理n半导体光放大（半导体光放大（SOA）n纯净半导体几乎是绝缘体，掺杂可使其特性发生变化n当掺入施主杂质时（外层电子数多于4个），由于施主杂质的费米能级位置较本征半导体高，重掺杂时该半导体的费米能级进入导带，称兼并型 N型半导体n当掺入受主杂质时（外层电子数少于4个），由于受主杂质的费米能级位置较本征半导体低，重掺杂时该半导体的费米能级进入价带，称兼并型 P
3、型半导体Ef本征半导体EfP+型半导体EfN+型半导体3.1 LD的工作原理自建场空间电荷区-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+P区N区nPNPN结有源区结有源区在p型 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为P-N结，约0.1m厚。但是内建电场阻止了电子、空穴的进一步扩散。(a)结；(b)没有正向偏置电压时的少数载流子和耗尽层；(c)正向偏置Vf时的少数载流子和耗能尽层。3.1 LD的工作原理nPNPN结有源区（增益区）结有源区（增益区）P型半导体在热平衡(a)和(b)非热平衡状态下能带与电子分布。正向偏置的正向偏置的PNPN结，由于有电流通过（结，由
4、于有电流通过（相当于给相当于给PNPN结注入子大量电子）出现结注入子大量电子）出现了粒子数反转分布，因而当有光照射了粒子数反转分布，因而当有光照射时会放大光信号时会放大光信号3.1 LD的工作原理nFPFP谐振腔谐振腔半导体放大器（半导体放大器（SOASOA）1 1、正向偏置的、正向偏置的PNPN结结-有源区、增益介有源区、增益介 质、激光工作物质。质、激光工作物质。2 2、FPFP谐振腔谐振腔-平行平面反射镜构成。平行平面反射镜构成。3 3、阈值条件、阈值条件-增益大于等于损耗。增益大于等于损耗。增 益 介 质反 射 镜 面有 源 区 PN注 入 电 流L半导体激光器半导体激光器LDLD3.
5、1 LD的工作原理 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。注入载流子密度和产生的光子密度变化有关。这可用速率方程来描述。n速率方程速率方程 形象地描述了电子数与光子数之间的相互关系 设激光器的电流注入是均匀的，光子被完全限制在激活区内，光子和电子在腔内均匀分布。二能级系统的速率方程可描写为N Ne e是电子浓度，是电子浓度，e e为自发跃迁的寿命（为自发跃迁的寿命（粒子在能级上停留的时间），N Np p是光子浓度，是光子浓度，pp为光子的寿命，为光子的寿命，N0为产生粒子数反转时载流子浓度。3.2LD的输出光功率n半导体半导体LDLD的速率方程：的
6、速率方程：J/ed代表电流注入使载流子浓度Ne的增长率，-A(Ne-N0)Np代表受激发射使载流浓度Ne减少的速度，A为比例常数，（-Ne/e）代表自发跃迁使Ne减少的速率。eepppepepeeNNNNNAdtdNNNNNAedJdtdN)()(0e03.2LD的输出光功率n半导体半导体LDLD的速率方程：的速率方程：0)()(00eepppeeepeNNNNNAedJNNNNAethethNedJ)(3.2LD的输出光功率nP-IP-I曲线曲线 )(thpPJJedN3.2LD的输出光功率3.3LD的光谱 要形成稳定激光振荡输出，其光波长应满足以下两个条件。第一个条件：光波长应在增益谱之内
7、，如果是长波长激光器则波长应位于12251560nm范围。第二个条件是：谐振腔的长度应为半波长的整数倍。对于给定的激光器，满足第二个条件的输出称为激光模式，有一个波长对应一个模式，它与前面讨论的光纤中的模是不一样的，前者为波导模式（模模），后者严格地说是空间模式，以示区别称为纵模。3.3LD的光谱3.4 LD调制响应 前面分析了在稳态情况下，半导体激光器的特性，下面用小信号近似情形来分析半导体激光器在接通电源、关闭电源或受其他电流扰动等瞬态过程的特性，重点是当半导体激光器注入交变信号即注入调制信号时，来看其调制特性。pppeeeeeNtntnNpNpNtntnNN)(),()(),(J=JJ=
8、J0 0+J(t)J(t)=J+J(t)J(t)=Jm me eitit，J Jm mJ J0 0 小信号近似小信号近似注入交变信号注入交变信号2222024)(edNAJnpmpm求解速率方程求解速率方程22202204)(0)()(annHpmpm当0时，归一化调制深度迅速下降。因此0定义为LD的本征调制带宽。LD频率方程与(J-Jth)1/2成正比。所以阈值越低的器件能获得较大的带宽。)(21121)1(1)(2122120theepthpeppJJNAJJNA半导体激光器的调制响应3.4 LD调制响应00expTTIIthn较高的T0意味着当温度快速增加时，激光二极管Ith增加不大。3
9、.5 LD温度特性与ATCLDLD的的ATCATC电路电路 LD组件中的热敏电阻Rt具有负温度系数，在200C时阻值为1012k，Rt/T-0.5%/0C。它与R1、R2、R3构成桥式电路，它们的输出电压加到差分放大器的同相及反相输入端，在某温度（如200C）下电桥平衡。LD发热时Rt下降，BG1正向偏置，制冷器Rc电流增大，使LD温度下降。3.5 LD温度特性与ATC温度T升高 阈值电流Ith加大 同样的注入电流I 输出光功率P下降。光功率P下降PIN检测电流P变小光功率P上升注入电流上升送运放：放大、比较3.6 LD输出光功率的稳定性与APC3.7 DFB与DBR激光器Bragg光栅P区N
10、区Bragg光栅有源区DBR-LDP区N区1/41/4波长波长Bragg光栅有源区DFB-LDeffBn2DFBDFB和和DBRDBR均可实现单纵模输出，均可实现单纵模输出，输出波长为布喇格波长输出波长为布喇格波长温度特性温度特性从从0.5nm/C0.5nm/C到到0.06nm/C0.06nm/C动态单纵模动态单纵模模式温度性提高、不跳模模式温度性提高、不跳模nF-P腔半导体激光器存在多纵模振荡和模式竞争n随着注入电流增大，主模式竞争占优势n调制信号扰乱了载流子平衡，跳模、多模n保持动态单纵模必须增加新的选频机制3.8 调谐LDnVCSEL：Vertical-Cavity Surface Em
11、itting Laser，垂直腔面发射激光管n专门设计了反射镜以降低反射损耗，有时还使用布拉格光栅增强其对特定波长的反射率n优点：调制速率高，结构较为简单，on wafer test，易实现与IC的基础，用于光互连n缺点：功率较低，长波长VCSEL器件还不成熟3.9其他类型的LD热沉热沉LDLD管芯管芯致冷器致冷器接线条接线条PDPD管芯管芯 热敏电阻热敏电阻n组件是将激光器与其他光器件如光电二极管、光隔离器、光纤等组件是将激光器与其他光器件如光电二极管、光隔离器、光纤等和电子器件如和电子器件如FECFEC电致冷器等封装在一起作为一个光机电的有机结电致冷器等封装在一起作为一个光机电的有机结合整
12、体，以使激光器在宽的温度范围长时间稳定工作即光功率恒定合整体，以使激光器在宽的温度范围长时间稳定工作即光功率恒定、光波长不漂移。、光波长不漂移。STEP1STEP1STEP2STEP2STEP3STEP33.10 LD组件nLED是非相干光源，以自发辐射为主n没有谐振腔n发光过程中不一定需要实现粒子数反转，没有阈值条件n输出光功率基本上与注入电流成正比3.11 半导体LED：原理根据光输出位置不同可分为面发射型LED（SLED）和边发射型LED（ELED）电极光纤胶有源区限流区Cu热沉SiO2SiO2双异质结结构金属接触层面发射型LED双异质结结构衬底Cu热沉电极金属接触边发射型LED3.11
13、 半导体LED：结构n输出光功率基本上与注入电流成输出光功率基本上与注入电流成正比。正比。nLEDLED不是阈值器件。不是阈值器件。n典型出纤功率在典型出纤功率在-10-10dBmdBm以下。以下。n温度升高，输出功率有所下降，温度升高，输出功率有所下降，与与LDLD相比，温度对相比，温度对LEDLED的影响相对的影响相对较小。较小。mWmWPdBP1)(log10)m(3.11 半导体LED：特性nLED没有谐振腔，其光谱就是半导体材料的自发辐射谱nLED的发射谱线较宽，在室温下，短波长LED的线宽约为2540nm，长波长LED的线宽则可达75100 nm。nGaAlAs LED谱线宽度约3
14、050nmnInGaAsP LED谱线宽度约60120nmn面发光LED较边发光LED的谱宽更宽3.11 半导体LED：特性 边发光LED由于在平行于PN结的方向有异质结的折射率变化约束，因此光束的垂直发射角小一些，约3050，另外一个方向上发射角较大，约1203.12 光源与光纤的耦合 n（a a）中光纤的端面作成球透镜，）中光纤的端面作成球透镜，n（b b）中采用截头透镜，）中采用截头透镜，n（c c）中采用集成微透镜）中采用集成微透镜3.12 光源与光纤的耦合3.12 光源与光纤的耦合3.13 光检测器 光检测器由半导光检测器由半导体材料制成，当光体材料制成，当光照射到其表面时价照射到其
15、表面时价带中的电子吸收光带中的电子吸收光子，获得能量的电子，获得能量的电子跃迁到导带同时子跃迁到导带同时在价带中留下了空在价带中留下了空穴，在外加偏置电穴，在外加偏置电压的情况下电子空压的情况下电子空穴对的运动形成了穴对的运动形成了电流，常称为电流，常称为光生光生电流电流。3.13 光检测器n 截止波长截止波长n由光电二极管的工作原理可以知道，只有光子能量h大于半导体材料的禁带宽度Eg才能产生光电效应，即：hEg n对于不同的半导体材料均存在着相应的下限频率c（截止频率）或上限波长c（截止波长）hEgc)(24.1)(eVEEhccmggcc3.13 光检测器n 截止波长截止波长常用半导体材料
16、的禁带宽度与截止波长常用半导体材料的禁带宽度与截止波长3.13 光检测器n工程上用响应度和量子效率来衡量光电转换效率n响应度用R表示，R=Ip/P0，单位为A/Wn量子效率用表示，=每秒产生的光电子数/每秒入射的光子数n响应度用于表述 PD 的外部特征，量子效率用于表述内部特性n响应度与量子效率之间的表达式n光电转换效率与响应度3.13 光检测器n 响应速度响应速度nPD的响应速度直接影响着光通信的容量n常用上升时间和下降时间来描述PD的响应速度n影响响应速度的因素n结电容结电容n载流子渡越时间载流子渡越时间n改善方法n减小减小PD的结电容的结电容n加较大的反偏电压加较大的反偏电压3.13 光
17、检测器n 噪声噪声n光检测器主要有以下几种噪声n量子噪声n暗电流噪声n漏电流噪声n热噪声3.13 光检测器n 噪声噪声n量子噪声又称散弹噪声n光电效应是一种统计过程n光子流统计涨落n光电效应统计涨落n电子-空穴对自发复合统计涨落n量子噪声是一种具有均匀频谱的白噪声，带宽 B 内量子噪声电流的均方值可表示为：n量子噪声制约着光接收灵敏度的极限BqIiPQQ2223.13 光检测器n 噪声噪声n暗电流噪声是由 PN 结热激发产生的载流子在偏压作用下形成的。n在反偏作用下，无光照射时流过PD的电流称暗电流。n热激发是随机过程，表现为噪声，带宽 B 内暗电流噪声电流的均方值可表示为n暗电流和器件的材料
18、、器件偏压和温度有关。暗电流随器件偏压的增大和温度的升高而增大。BqIiDDBDB2223.13 光检测器n 噪声噪声n漏电流又称表面暗电流，由PD表面缺陷、污染而形成的载流子导电引起n带宽 B 内漏电流噪声的均方值可以表示为：n通过过合理的设计可以有效的降低漏电流 BqIiLDSDS2223.13 光检测器n 噪声噪声n任何电阻都有热噪声n只要温度高于绝对零度，电阻中大量的电子就会在热激励下作无规则运动，由此在电阻上形成无规则弱电流，造成电阻的热噪声nPD具有欧姆接触电阻和体电阻，所以也存在热噪声n热噪声是一种白噪声，带宽 B 内PD热噪声电流的均方值为：n显然，降低工作温度、增大PD内阻有
19、利于降低热噪声，降低检测带宽也可减少热噪声BRTkiLBTT4223.14 PINnPIN的结构nPIN使用三层结构，与普通使用三层结构，与普通PD相比，在相比，在P层层和和N层之间增加一个层之间增加一个I层，同时层，同时P层和层和N层均很层均很薄薄nI层是一个接近本征的，低掺杂浓度的层是一个接近本征的，低掺杂浓度的N区，区，比较厚比较厚n整个整个I区均没有载流子，为耗尽区区均没有载流子，为耗尽区PINhvEn PIN的优点n 量子效率高量子效率高n 响应速度快响应速度快3.15 APDnAPD：Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管n APD工作原理n使用时加高反偏压，在
20、使用时加高反偏压，在APD内部建立一个高电场区（内部建立一个高电场区（3 105 V/cm）n光生载流子在高电场区将被加速到较高速度光生载流子在高电场区将被加速到较高速度n高速载流子与晶格可能发生碰撞，从而使晶体中的原子发生电离，高速载流子与晶格可能发生碰撞，从而使晶体中的原子发生电离，产生新的电子产生新的电子-空穴对空穴对n二次电子二次电子-空穴对还可重复上述过程，直到逸出高场区空穴对还可重复上述过程，直到逸出高场区n上述雪崩过程使将上述雪崩过程使将APD的光电流产生倍增的光电流产生倍增3.15 APDnRAPD：拉通型APDnN+P P+层结构层结构n当偏压加大到某值后，当偏压加大到某值后
21、，耗尽区拉通到耗尽区拉通到 区，一直区，一直抵达抵达P+接触层接触层n继续加压时电场增量主继续加压时电场增量主要在要在P区和区和 区分布，高区分布，高场区变化不大场区变化不大雪崩区耗尽区碰撞电离所需的最小场强N+PP+3.15 APDn与PIN光电二极管相比，APD的主要特性也包括n波长响应范围n响应度n量子效率n响应速度n除此以外，由于APD管中雪崩倍增的存在，其特性还包括n雪崩倍增特性n噪声特性n温度特性小结n物质与光的互作用n三种互作用n半导体发光机理nPN结的形成，有源区的形成nPDPD的工作特性包括响应波长范围、响应度、响应速度、暗电流等。的工作特性包括响应波长范围、响应度、响应速度、暗电流等。n光电二极管可从多方面进行性能改善光电二极管可从多方面进行性能改善n PIN PIN设计增大了耗尽区宽度，可提高设计增大了耗尽区宽度，可提高PDPD的量子效率和响应速度的量子效率和响应速度。n APD APD利用高反偏压使利用高反偏压使PDPD内产生雪崩效应，从而放大了光电流。内产生雪崩效应，从而放大了光电流。n半导体激光二极管（LD）n激光产生的条件、工作特性、LD结构的改进：DFB、VCSELn半导体发光二极管（LED）n结构、工作特性、与光源的耦合
