第 3 章 通信用光器件.docx

1、第 3 章 通信用光器件第 3 章 通信用光器件3.1 光源3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构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。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

2、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：受激吸收 自发辐射 受激辐射 (见图3.1)(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.

3、1(c)。 受激辐射和受激吸收的区别与联系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，(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

4、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

5、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布的能带。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。(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(3.3)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

6、电子占据和空穴占据的概率相同。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 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)。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

7、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

8、数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。(a) 激光振荡； (b) 光反馈在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为(3.4)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(3.5)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。 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

9、，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。 (a)短波长;(b)长波长DH激光器工作原理由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源层内形成粒子数反转分布，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。另一方面，有源层的折射率比限制层

10、高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。(a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布半导体PN结的形成动画演示半导体激光器产生激光原理动画演示半导体激光器（LD）的结构动画演示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hf =Eg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(

11、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 M

12、b/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。(a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制 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3.9为

13、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.-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3. 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(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。 (a) 短波长Al

14、GaAs/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=(0.70.8)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。 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

15、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(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=100150 KInGaAsP-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

16、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

17、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，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

18、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()=P0 cos，半功率点辐射角120。侧面发光型LED，120，2535。由于大，LED与光纤的耦合效率一般小于

19、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d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，e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e和截止频率 fc

20、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1.3 m(或0.85 m)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1.3 m或1.55 m大容量长距离系统。

21、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

22、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

23、。3.2.2 PIN 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(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

24、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或响应度表示。量子效率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

25、)式中，()和w分别为I层的吸收系数和厚度。由式(3.15)可以看到，当()w1时，1，所以为提高量子效率，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()，对长波长的限制由式(3.6)确定，即c= hc /Eg。图3.22示出量子效率和响应度的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.80.9m波段，Ge 和InGaAs 适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.6 (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

26、后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f。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沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脉冲响应时间(3.16)对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，用光生电流I()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0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d和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定。当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时， 耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表示为(3.18)(3.19)式中，渡越时间

27、d=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d，从而提高截止频率fc，但是同时要降低量子效率。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，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(Shot Noise)(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

28、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=1.3810-23J/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

29、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200 kV/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+PP+结构被称为拉通型APD。对APD特性新引入的参

30、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UUB时，RIo/UB1)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=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。 当式(3.28)和式(3.29)的g=1时，得到的结果和