当I>Ith时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。
（a）短波长AlGaAs/GaAs（b）长波长InGaAsP/InP
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
（3.8a）
（3.8b）
式中，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′=（0.7~0.8）Ith；τsp为有源区内的电子寿命，τph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1~2GHz。
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。
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ηd随温度升高而减小。
温度升高时，Ith增大，ηd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
（3.9）
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=100~150K
InGaAsP-InP激光器T0=40~70K
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。
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
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
（3.10）
ne为材料有效折射率，λB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：
①单纵模激光器
②谱线窄，波长稳定性好
③动态谱线好
④线性好
分布反馈半导体激光器（DFB）的结构—动画演示
分布反馈半导体激光器（DFB）光栅结构—动画演示
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。
发光二极管的类型：
正面发光型LED和侧面发光型LED
（a）正面发光型；（b）侧面发光型
发光二极管的特点：
输出光功率较小；谱线宽度较宽；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；适用于小容量短距离系统
发光二极管的主要工作特性：
（1）光谱特性。
发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽，如图3.15。
（2）光束的空间分布。
在垂直于发光平面上，正面发光型LED辐射图呈朗伯分布，即P（θ）=P0cosθ，半功率点辐射角θ≈120°。
侧面发光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。
由于θ大，LED与光纤的耦合效率一般小于10%。
（3）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数，一般外微分量子效率ηd小于10%。
两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图3.16。
驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好；I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I曲线的斜率减小。
LED的P__I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
（4）频率特性。
发光二极管的频率响应可以表示为
（3.12）
式中，f为调制频率，P（f）为对应于调制频率f的输出光功率，τe为少数载流子（电子）的寿命。
图3.17示出发光二极管的频率响应，图中显示出少数载流子的寿命τe和截止频率fc的关系。
对有源区为低掺杂浓度的LED，适当增加工作电流可以缩短载流子寿命，提高截止频率。
发光二级管的结构—动画演示
LED的出光特性—动画演示
3.1.5半导体光源一般性能和应用
半导体光源的一般性能表：
3.1和表3.2列出半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的一般性能。
LED通常和多模光纤耦合，用于1.3μm（或0.85μm）波长的小容量短距离系统。
因为LED发光面积和光束辐射角较大，而多模SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。
LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量长距离系统。
分布反馈激光器（DFB-LD）主要和G.653或G.654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系统。
光源组件实例
3.2光检测器
3.2.1光电二极管工作原理
光电二极管（PD）把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。
在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。
漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。
当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。
当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。
同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。
当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。
这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管（PD）。
如图3.19（b）所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。
由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。
但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。
为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构。
3.2.2PIN光电二极管
PIN光电二极管的产生
由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。
为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（称为I），这种结构便是常用的PIN光电二极管
PIN光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21。
中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π（N）表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。
I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。
两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。
另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。
PIN光电二极管具有如下主要特性：
（一）量子效率和光谱特性。
光电转换效率用量子效率η或响应度ρ表示。
量子效率η的定义为一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值
（3.13）
响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值
（3.14）
式中，hf为光子能量，e为电子电荷。
（1）量子效率和响应度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，P层和N层对量子效率的贡献可以忽略，在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极管的量子效率可以近似表示为
（3.15）
式中，α（λ）和w分别为I层的吸收系数和厚度。
由式（3.15）可以看到，当α（λ）w>>1时，η→1，所以为提高量子效率η，I层的厚度w要足够大。
（2）量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱α（λ），对长波长的限制由式（3.6）确定，即λc=hc/Eg。
图3.22示出量子效率η和响应度ρ的光谱特性，由图可见，Si适用于0.8~0.9μm波段，Ge和InGaAs适用于1.3~1.6μm波段。
响应度一般为0.5~0.6（A/W）。
（二）响应时间和频率特性。
光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间τ或截止频率fc（带宽B）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10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间τr和脉冲下降时间τf。
当光电二极管具有单一时间常数τ0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp（t/τ0）和exp（-t/τ0），由此得到脉冲响应时间
（3.16）
对于幅度一定，频率为ω=2πf的正弦调制信号，用光生电流I（ω）下降3dB的频率定义为截止频率fc。
当光电二极管具有单一时间常数τ0时，
（3.17）
PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间τd和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定。
当调制频率ω与渡越时间τd的倒数可以相比时，耗尽层（I层）对量子效率η（ω）的贡献可以表示为
（3.18）
（3.19）
式中，渡越时间τd=w/vs，w为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速度，比例于电场强度。
由式（3.19）和式（3.18）可以看出，减小耗尽层宽度w，可以减小渡越时间τd，从而提高截止频率fc，但是同时要降低量子效率η。
由电路RC时间常数限制的截止频率
（3.20）
式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。
（3.21）
式中，ε为材料介电常数，A为结面积，w为耗尽层宽度。
（三）噪声。
噪声影响光接收机的灵敏度。
噪声包括散粒噪声（ShotNoise）（由信号电流和暗电流产生）热噪声（由负载电阻和后继放大器输入电阻产生）
（1）均方散粒噪声电流
（3.22）
e为电子电荷，B为放大器带宽，IP和Id分别为信号电流和暗电流。
2eIPB称为量子噪声（由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生）
2eIdB是暗电流产生的噪声。
暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。
（2）均方热噪声电流
（3.23）
式中，k=1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。
因此，光电二极管的总均方噪声电流为
（3.24）
PIN光电二极管的结构—动画演示
PIN光电二极管的工作原理—动画演示
3.2.3雪崩光电二极管（APD）
光电二极管输出电流I和反偏压U的关系示于图3.24。
随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。
当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。
APD就是根据这种特性设计的器件。
根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子—空穴对
如果电压增加到使电场达到200kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。
高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子—空穴对。
新产生的二次电子再次和原子碰撞。
如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图3.25。
所以这种器件就称为雪崩光电二极管（APD）。
图3.26示出的N+PΠP+结构被称为拉通型APD。
对APD特性新引入的参数是倍增因子和附加噪声指数
1.倍增因子
倍增因子g（一次光生电流产生的平均增益的倍数）定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。
（3.25）
APD的响应度比PIN增加了g倍。
（3.26）
U为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻。
当U≈UB时，RIo/UB<<1，上式可简化为
（3.27）
2.过剩噪声因子
APD的均方量子噪声电流为
（3.28a）
引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子F。
F（>1）是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为
（3.28b）
式中，x为附加噪声指数。
同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为
（3.29）
附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关
Si-APD的x=0.3~0.5，Ge-APD的x=0.8~1.0，InGaAs-APD的x=0.5~0.7。
当式（3.28）和式（3.29）的g=1时，得到的结果和PIN
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