光纤通信第3章课件

第三章第三章 光源和光检测器光源和光检测器 3.1 3.1 光电器件光电器件一般工作原理一般工作原理3.23.2半导半导体激光器体激光器3.3 3.3 半导半导体发光二极管体发光二极管3.43.4 光电检测器光电检测器第三章 光源和光检测器 3.1 光电器件一般工作原理 光纤通信第3章课件主要内容主要内容光电器件一般工作原理光电器件一般工作原理半导体激光器半导体激光器：原理、特性、结构，典型的：原理、特性、结构，典型的半导体激光器半导体激光器半导体发光二极管半导体发光二极管：原理、结构、特性：原理、结构、特性光电检测器光电检测器：PIN、APD主要内容光电器件一般工作原理半导体光源和光检测器优点半导体光源和光检测器优点体积小体积小效率高效率高可靠性高可靠性高工作波长与光纤低损耗窗口相对应工作波长与光纤低损耗窗口相对应便于与光纤耦合便于与光纤耦合工作速率高工作速率高半导体光源和光检测器优点光辐射与光吸收光辐射与光吸收能级理论：能级理论：原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成；原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成；能级所对应的能量值是离散的。能级所对应的能量值是离散的。电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量发生能级跃迁；量发生能级跃迁；3.1 光电器件一般工作原理光电器件一般工作原理 光辐射与光吸收 3.1 光电器件一般工作原理 光辐射与光吸收光辐射与光吸收原原子子中中的的电电子子可可以以通通过过和和外外界界交交换换能能量量的的方方式式发发生生量量子子跃跃迁迁，或或称称能能级级的的跃跃迁迁。若若交交换换的的能能量量是是光光能能，则则称称为为光光跃跃迁迁。光光跃跃迁迁同同时时存存在在着着光光的的自自发发辐射、受激辐射和受激吸收三种不同的基本过程。辐射、受激辐射和受激吸收三种不同的基本过程。光辐射与光吸收 原子中的电子可以通过和外界交光辐射与光吸收光辐射与光吸收自发辐射：自发辐射：处于高能态的电子按照处于高能态的电子按照一定的概率自发地跃迁到低一定的概率自发地跃迁到低能态上，并发射一个能量为能态上，并发射一个能量为E2-E1的光子；的光子；光光子子随随机机地地向向各各个个方方向向发发射射，每每次次发发射射没没有有确确定定的的相相位位非非相相干干光。光。LEDLED发光。发光。光辐射与光吸收自发辐射：光子随机地向各个方向发射，每光辐射与光吸收光辐射与光吸收受激辐射受激辐射：处在高能态的电子在外界处在高能态的电子在外界光场的感应下，发射一个和感光场的感应下，发射一个和感应光子相同光子态的光子，跃应光子相同光子态的光子，跃迁到低能态。迁到低能态。光辐射与光吸收受激辐射：光辐射与光吸收光辐射与光吸收受激吸收受激吸收：如果入射光子的能量如果入射光子的能量h 近似等于近似等于E2-E1，光子能量就，光子能量就会被吸收，同时基态上的电会被吸收，同时基态上的电子跃迁到高能态。半导体光子跃迁到高能态。半导体光检测器基于这种效应。检测器基于这种效应。光辐射与光吸收受激吸收：光辐射与光吸收光辐射与光吸收N2N1设媒质中低能级设媒质中低能级设媒质中低能级设媒质中低能级E E1 1上的电子密度为上的电子密度为上的电子密度为上的电子密度为N N1 1，高能级，高能级，高能级，高能级E E2 2上的电子密度为上的电子密度为上的电子密度为上的电子密度为N N2 2，当当当当N N2 2N N1 1时，受激吸收过程时，受激吸收过程时，受激吸收过程时，受激吸收过程占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被吸收光波被吸收光波被吸收光波被吸收N1N2若媒质中若媒质中若媒质中若媒质中N N2 2N N1 1，则受激辐射占主导地位，光，则受激辐射占主导地位，光，则受激辐射占主导地位，光，则受激辐射占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。波经过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。波经过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。波经过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。称为激活物质。激活物质。光辐射与光吸收N2N1N1N2光辐射与光吸收光辐射与光吸收当系统处于热平衡状态时当系统处于热平衡状态时式中，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。由为热力学温度。由于于(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。电子总是电子总是首先占据低能量的轨道。首先占据低能量的轨道。N2N1的情况是一种处于非热平衡状态下的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况，称之为的反常情况，称之为粒子数反转分布粒子数反转分布，必须，必须要有外界的泵浦才能实现要有外界的泵浦才能实现光辐射与光吸收当系统处于热平衡状态时 式中，k=1.381能带理论能带理论针对半导体材料针对半导体材料导带导带 禁带禁带价带价带 N型半导体中过剩电子占据了导带型半导体中过剩电子占据了导带 P型半导体中过剩空穴占据了价带型半导体中过剩空穴占据了价带能带理论针对半导体材料 N型半导PN结结在在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，由于存结界面上，由于存在多数载流子浓度梯度，因而产生扩散运动，形成在多数载流子浓度梯度，因而产生扩散运动，形成内内部电场部电场内部电场支持少数载流子的漂移运动，最终两种内部电场支持少数载流子的漂移运动，最终两种运动处于平衡状态运动处于平衡状态P区PN结空间电荷区N区 扩散 漂移PN结P区PN结空间电荷区N区 扩散 漂移PN结结费米能级表征电子在导带和价带的占居几率。费米能级表征电子在导带和价带的占居几率。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。处于热平衡状态时，处于热平衡状态时，PN结两侧的费米能级相等。结两侧的费米能级相等。内建电内建电场由场由N区指向区指向P区区PN结内建电场由N区指向P区PN结结当正向电压加大到某一值后，当正向电压加大到某一值后，PN结里出现增益区（有结里出现增益区（有源区）。源区）。在在Efc和和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子占据，即实现了占据，即实现了粒子数反转分布粒子数反转分布。势垒降低，费米能势垒降低，费米能级分裂级分裂PN结LD适适合合于于作作高高速速长长距距离离光光纤纤通通信信系系统统的的光光源。源。优优点点：辐辐射射功功率率高高；发发散散角角窄窄；与与单单模模光光纤纤耦耦合合效率高；辐射光谱窄；能进行高速直接调制。效率高；辐射光谱窄；能进行高速直接调制。激光二极管激光二极管LD通过受激辐射发光；通过受激辐射发光；LD可可以以发发出出单单色色性性和和定定向向性性好好、强强度度和和相相干干性性高高的光的光3.2 半导体激光器半导体激光器 LD 适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。自激振荡原理自激振荡原理放大器：放大器：有源区（又称为增益区）有源区（又称为增益区）是实现粒子数反转分布、是实现粒子数反转分布、有光增益的区域有光增益的区域光反馈装置光反馈装置：光学谐振腔提供必要的光学谐振腔提供必要的正反馈以促进激光振荡正反馈以促进激光振荡自激振荡原理 放大器：半导体激光器中增益区的形成半导体激光器中增益区的形成半半导导体体激激光光器器是是一一种种PN结结构构成成的的二二极极管管结结构构，通通过过注注入入正正向向电电流流进进行行泵泵浦浦，当当注注入入电电流流达达到到一一定定的的阈阈值值后后，在在结结区区形形成成一一个个粒粒子子数数反反转转分分布布的的区区域域，价价带带主主要要由由空空穴穴占占据据，而而导导带带主主要要由由电电子子占占据据。对对于于光光子子能能量量满满足足Eghve0V的的光光子子有有光光放放大大作作用用，这这个个区区域域被被称称为为有有源源区区，半半导导体体激激光器的光器的光激射光激射就发生在这个区域就发生在这个区域半导体激光器中增益区的形成 法布里法布里珀罗（珀罗（F-P）谐振腔）谐振腔F-P谐谐振振腔腔是是一一种种最最简简单单的的光光学学反反馈馈装装置置，它它由由一一对对平平行行放放置置的的平平面面反反射射镜镜（通通常常直直接接利利用用半半导导体体晶晶体体材材料料的的天天然然解解理理面面）组组成成。往往返返反反射射构构成成正反馈正反馈。法布里珀罗（F-P）谐振腔 实现稳定振荡必须满足的实现稳定振荡必须满足的振幅条件振幅条件相位条件相位条件m为整数为整数G和和F分别为基本放大器和反馈网络的正分别为基本放大器和反馈网络的正向传输函数向传输函数振幅条件振幅条件 光在F-P谐振腔内的传播同时受到增益和衰减两大相互矛盾因素的共同作用 实现稳定振荡必须满足的一方面，在外部激励源的作用下，激光一方面，在外部激励源的作用下，激光器内部形成粒子数反转的有源区，器内部形成粒子数反转的有源区，往返传输往返传输的光子不断诱发受激辐射的光子不断诱发受激辐射，使得光信号不断，使得光信号不断增强。增强。另一方面，腔内也存在着衰减，例如镜另一方面，腔内也存在着衰减，例如镜面的反射衰减（镜面反射率总是小于面的反射衰减（镜面反射率总是小于1）、）、工作物质的吸收和散射衰减等工作物质的吸收和散射衰减等当光信号往返传输一周幅度不发生变化当光信号往返传输一周幅度不发生变化时称为达到阈值状态。时称为达到阈值状态。一方面，在外部激励源的作用下，激光器内部形成相位条件相位条件 沿轴向发射的光在谐振腔中往返一周的光程差为2nL（L为腔长，n为介质的折射率），对应的相位延迟为2(2nL/)则发生相相长干涉干涉的条件：2(2nL/)q 2 q为整数即：2nL/q 又：=c/则谐振腔的选频特性谐振腔的选频特性相位条件谐振腔的选方向性谐振腔的选方向性在在轴轴向向自自发发辐辐射射的的诱诱发发下下，在在轴轴向向产产生生光光的的受受激激发发射射，从从而而获获得得光光的的受受激激放放大大。被被受受激激放放大大的的光光在在腔腔镜镜处处反反射射后后，又又继继续续在在轴轴向向获获得得受受激激放放大。大。非非轴轴向向的的自自发发辐辐射射经经有有限限次次往往返返反反射射后后，逃逃逸出腔外。逸出腔外。谐振腔的选方向性激光器的模式分析激光器的模式分析F-PF-P腔激光器的模式类型腔激光器的模式类型腔激光器的模式类型腔激光器的模式类型激光器的模式分析 纵模的概念与性质纵模的概念与性质对于半导体激光器，当注入电流大于阈对于半导体激光器，当注入电流大于阈值时，导带和价带自发辐射谱中那些既满足值时，导带和价带自发辐射谱中那些既满足驻波条件，同时增益又足以克服损耗的光频驻波条件，同时增益又足以克服损耗的光频率，能够在谐振腔里建立起稳定的振荡并形率，能够在谐振腔里建立起稳定的振荡并形成一系列强场，其它光则受到抑制，从而使成一系列强场，其它光则受到抑制，从而使输出光谱发生明显的模式分化，呈现出围绕输出光谱发生明显的模式分化，呈现出围绕一个或多个模式振荡的特点。这种受激振荡一个或多个模式振荡的特点。这种受激振荡的模式就称为激光器的纵模。的模式就称为激光器的纵模。纵模的概念与性质 半导体激光器的模式增益谱半导体激光器的模式增益谱 F-P腔中满足谐腔中满足谐振条件的纵模是均振条件的纵模是均匀分布的：匀分布的：半导体激光器的模式增益谱 F-P腔中满足谐振条纵模数随注入电流变化纵模数随注入电流变化(电流增加纵模数减小）电流增加纵模数减小）峰值波长随温度变化峰值波长随温度变化(电流增大，结温升高，禁带电流增大，结温升高，禁带变窄，波长变长变窄，波长变长)动态谱线展宽动态谱线展宽（脉冲调制，电流变，有源区载（脉冲调制，电流变，有源区载流子浓度变，折射率变，激光器的谐振频率变，动态谱线展流子浓度变，折射率变，激光器的谐振频率变，动态谱线展宽）宽）激光器的纵模性质激光器的纵模性质纵模数随注入电流变化 (电流增加纵模数减小）激光器的纵模单纵模激光器仅有主模能够产生振荡。仅有主模能够产生振荡。绝大部分功率都集中在绝大部分功率都集中在一个纵模上一个纵模上;谱宽较窄，谱宽较窄，单色性较单色性较当当驱驱动动电电流流足足够够大大时时，主主模模的的增增益益增增加加，边边模模的的增增益益减减小小，多多纵纵模模变变为为单单纵纵模模，这这种种激激光光器器称称为为静静态态单纵模激光器单纵模激光器。单纵模激光器仅有主模能够产生振荡。LD的横模是一种稳定的电磁场分布；是一种稳定的电磁场分布；表现为激光器输出能量在空间上的稳定分布表现为激光器输出能量在空间上的稳定分布近场近场是指激光器输出是指激光器输出远场远场是指离反是指离反反射镜面上的光强分布反射镜面上的光强分布射射镜面一定距镜面一定距离离处的光强分布。处的光强分布。LD的横模是一种稳定的电磁场分布；激激激激光光光光器器器器的的的的横横横横模模模模决决决决定定定定了了了了输输输输出出出出光光光光束束束束的的的的空空空空间间间间分分分分布布布布。与与与与纵纵纵纵模模模模的的的的意意意意义义义义不不不不同同同同，横横横横模模模模反反反反映映映映的的的的是是是是由由由由于于于于边边边边界界界界条条条条件件件件的存在对腔内电磁场形态的横向空间约束作用。的存在对腔内电磁场形态的横向空间约束作用。的存在对腔内电磁场形态的横向空间约束作用。的存在对腔内电磁场形态的横向空间约束作用。激激激激光光光光器器器器的的的的横横横横模模模模决决决决定定定定了了了了激激激激光光光光光光光光束束束束的的的的空空空空间间间间分分分分布布布布，它直接影响到器件与光纤的耦合效率它直接影响到器件与光纤的耦合效率它直接影响到器件与光纤的耦合效率它直接影响到器件与光纤的耦合效率 和和 分分别别为为平平行行于于结结平平面面和和垂垂直直于于结结平面的辐射角平面的辐射角 激光器的横模决定了输出光束的空间分布。与纵模基本性质基本性质1伏安特性伏安特性对伏安特性曲对伏安特性曲对伏安特性曲对伏安特性曲线进行一次微商即线进行一次微商即线进行一次微商即线进行一次微商即可确定串联电阻和可确定串联电阻和可确定串联电阻和可确定串联电阻和工作电流的关系曲工作电流的关系曲工作电流的关系曲工作电流的关系曲线线线线 伏安特性描述伏安特性描述伏安特性描述伏安特性描述的是半导体激光器的是半导体激光器的是半导体激光器的是半导体激光器的纯电学性质，通的纯电学性质，通的纯电学性质，通的纯电学性质，通常用常用常用常用V-IV-I曲线表示。曲线表示。曲线表示。曲线表示。结特性结特性结特性结特性基本性质 对伏安特性曲线进行一次微商即可确定2工作特性工作特性-P-I特性特性典型的激光器典型的激光器典型的激光器典型的激光器P-IP-I曲线曲线曲线曲线 电光转换电光转换电光转换电光转换2工作特性-P-I特性（1）阈值电流（阈值电流（Ith）在在P-I曲线中，激光器由自发辐射到开始受激振荡曲线中，激光器由自发辐射到开始受激振荡时的临界注入电流，称为时的临界注入电流，称为阈值电流阈值电流。它是一个正向电。它是一个正向电流值，用符号流值，用符号Ith表示表示下图为利用下图为利用P-I曲线求解曲线求解Ith的三种做法（双斜率法的三种做法（双斜率法）、）、（反向延长法（反向延长法）、（二阶求导法）、（二阶求导法）（1）阈值电流（Ith）（2）功率线性度功率线性度理论偏离程度理论偏离程度（3）光输出饱和度光输出饱和度光输出跌落光输出跌落（4）激光器效率激光器效率采用功率效率和各类量子效率指标来衡量激光采用功率效率和各类量子效率指标来衡量激光器的换能效率器的换能效率功率效率功率效率定义为定义为Pex为激光器发射的光功率，为激光器发射的光功率，Vj为激光器的结电为激光器的结电压，压，Rs为激光器的串联电阻，为激光器的串联电阻，I为注入电流为注入电流（2）功率线性度 理论偏离程度 量子效率量子效率分为内量子效率、外量子效率和外分为内量子效率、外量子效率和外微分量子效率微分量子效率内量子效率内量子效率定义为定义为用用Rr和和Rnr分别表示辐射复合和非辐射复合分别表示辐射复合和非辐射复合（能量差，释放声子，变为晶格振动）（能量差，释放声子，变为晶格振动）的速率，内量子的速率，内量子效率效率 i可以表示为可以表示为 量子效率分为内量子效率、外量子效率和外微分量外量子效率外量子效率 ex定义为定义为由于由于所以所以I是激光器的注入电流，是激光器的注入电流，V是是PN结上的外加电压结上的外加电压定义定义外微分量子效率外微分量子效率 D为为由于由于,所以所以 外量子效率ex定义为（5）热稳定性热稳定性激光器的变温激光器的变温P-I曲线曲线外微分外微分量子效量子效率率随温度的升随温度的升高而下降高而下降阈值电流阈值电流随温随温度的升高而加度的升高而加大大（5）热稳定性外微分量子效率随温度的升高而下降 3光谱特性光谱特性激光器的输出光功率随波长的分布规律激光器的输出光功率随波长的分布规律激光器的输出光功率随波长的分布规律激光器的输出光功率随波长的分布规律（1）峰值波长（）峰值波长（p）：强度最大的光谱波长）：强度最大的光谱波长（2）中心波长（）中心波长（c）：峰值半功率点所限定的波谱范围）：峰值半功率点所限定的波谱范围中点对中点对应的波长应的波长3光谱特性（1）峰值波长（p）：强度最大的光谱波长（4）边模抑制）边模抑制比（比（SSR）（5）模式跳跃）模式跳跃（3）谱宽与线宽）谱宽与线宽：包含所有振荡模式在内的发射谱总宽度包含所有振荡模式在内的发射谱总宽度-谱宽谱宽单独模式的宽度称为单独模式的宽度称为线宽线宽。单频激光器的谱宽等于线宽单频激光器的谱宽等于线宽（4）边模抑制比（SSR）（3）谱宽与线宽：4光束特性光束特性LDLD输出端输出端输出端输出端面的辐射束光面的辐射束光面的辐射束光面的辐射束光功率强度分布功率强度分布功率强度分布功率强度分布称为近场图，称为近场图，称为近场图，称为近场图，远离远离远离远离LDLD端面的端面的端面的端面的辐射束光功率辐射束光功率辐射束光功率辐射束光功率强度分布称为强度分布称为强度分布称为强度分布称为远场图远场图远场图远场图 近场与远场的近场与远场的近场与远场的近场与远场的关系关系关系关系4光束特性 LD输出端面的辐射束光功率强度有源区的结构有源区的结构 半导体激光器的复合发光区域是有源区。有源区通半导体激光器的复合发光区域是有源区。有源区通常由一个或多个垂直方向的常由一个或多个垂直方向的PN结构成。结构成。根据根据PN结的性质不同，分为结的性质不同，分为同质结：同质结：PN结的两边使用相同的半导体材料。结的两边使用相同的半导体材料。双异质结：双异质结：在宽带隙的在宽带隙的P型和型和N型半导体材料之间插型半导体材料之间插进一薄层窄带隙的材料。进一薄层窄带隙的材料。有源区的结构光纤通信第3章课件异质结：异质结：带隙差形成的势垒将电子和空穴限制在有源区复合发光；折射率使光场（光子）有效地限制在有源区。光纤通信第3章课件LD的结构依据光波导的实现依据光波导的实现大面积激光器大面积激光器 使用较少使用较少 增益导引半导体激光器增益导引半导体激光器使用较少使用较少折射率导引半导体激光器折射率导引半导体激光器 广泛使用广泛使用 弱折射率导引脊形波导激光器弱折射率导引脊形波导激光器 强折射率导引强折射率导引掩埋异质结激光器掩埋异质结激光器 LD的结构依据光波导的实现大面积激光器 使用较少LD的结构大面积激光器是结构最简单的是结构最简单的LD：一：一个薄的有源层夹在个薄的有源层夹在P型和型和N型限制层中间。型限制层中间。正向电流在较大面积正向电流在较大面积注入，所以称为大面积注入，所以称为大面积激光器激光器缺点：缺点：沿激光器整个宽沿激光器整个宽度上都存在光辐射，因度上都存在光辐射，因此损耗大，阈值电流高。此损耗大，阈值电流高。LD的结构大面积激光器是结构最简单的LD：一个薄的有源层夹在F-P腔激光腔激光器的构成器的构成N、P：重：重掺杂掺杂掩埋异质结半导体激光器F-P腔激光器的构成 掩埋异质结半导体激光器掩埋异质结半导体激光器强折射率导引：强折射率导引：结构特点：结构特点：有源区被若有源区被若干低折射率层从各个方向干低折射率层从各个方向掩埋。掩埋。优点优点:侧向折射率差较大，侧向折射率差较大，对光场限制作用强；光空对光场限制作用强；光空间分布稳定性高，被大多间分布稳定性高，被大多数光波系统采用。数光波系统采用。横截面示意图横截面示意图掩埋异质结半导体激光器强折射率导引：F-P激光器特点激光器特点最早商用最早商用结构简单、容易制造结构简单、容易制造基本为多纵模工作方式基本为多纵模工作方式直接调制时动态谱线展宽明显直接调制时动态谱线展宽明显不适合现代大容量长距离光纤传输和波分不适合现代大容量长距离光纤传输和波分复用系统复用系统F-P激光器特点最早商用分分布布反反馈馈（DFBDFB）激激光光器器和和分分布布BraggBragg反射器（反射器（DBRDBR）激光器）激光器 DFB激光器的基本原理激光器的基本原理 无集总式的无集总式的谐振腔反射镜装谐振腔反射镜装置，光栅反馈、置，光栅反馈、选频改善单色性，选频改善单色性，不使用晶体解理不使用晶体解理面，易集成（如面，易集成（如多频多频DFB激光器激光器阵列）阵列）分布反馈（DFB）激光器和分布Bragg反射器（DBR）激光DFB和和DBR激光器的构成激光器的构成波导分区设计，避免晶格损伤 DFB和DBR激光器的构成波导分区设计，DFB的优点的优点波长选择性波长选择性纵模间隔远大于增益谱宽，易实现单纵模工纵模间隔远大于增益谱宽，易实现单纵模工作，改变作，改变 可选波长可选波长线宽窄，波长稳定性好线宽窄，波长稳定性好光栅波长选择性比光栅波长选择性比F-P反射面好；反射面好；锁定在给定波长锁定在给定波长动态单纵模动态单纵模调制时谱展宽（啁啾）比调制时谱展宽（啁啾）比F-P腔小一个量级左腔小一个量级左右右高线性度高线性度适合模拟调制，广泛用于有线电视（适合模拟调制，广泛用于有线电视（CATV）光纤传输系统光纤传输系统DFB的优点布喇格（布喇格（Bragg）反射器）反射器 基于波纹光栅的光学谐振器，材料折射率在空间某方基于波纹光栅的光学谐振器，材料折射率在空间某方向上呈现周期变化（正弦或三角波、方波），为受激辐射向上呈现周期变化（正弦或三角波、方波），为受激辐射光子提供周期性反射点。光子提供周期性反射点。布喇格（Bragg）反射器 图中图中I，I，I 等光束满足同相位相加的条件为等光束满足同相位相加的条件为 是波纹光栅的周期，也称为是波纹光栅的周期，也称为栅距栅距；m为整数；为整数；n为材料为材料等效折射率；等效折射率；为波长为波长由图中所示由图中所示B，的几何关系，上式也可表示为的几何关系，上式也可表示为上式即为上式即为布喇格反射条件。形成该方向上的主极强布喇格反射条件。形成该方向上的主极强当当时时布喇格布喇格条件简化为条件简化为有源区的光在栅条间来回振荡，每有源区的光在栅条间来回振荡，每 相对于微相对于微F-P腔腔图中I，I，I等光束满足同相位相加的条件为与与F-P腔相比，采用布喇格反射器作为激光器的光腔相比，采用布喇格反射器作为激光器的光学谐振装置存在如下学谐振装置存在如下优点优点发射光谱主要由光栅周期发射光谱主要由光栅周期 决定决定，对应对应F-P腔腔LD的腔长的腔长L，每一个，每一个 形成一个微型谐振腔。由于形成一个微型谐振腔。由于 的的长度很小，所以长度很小，所以m阶和（阶和（m+1）阶模之间的）阶模之间的波长间波长间隔比隔比F-P腔大得多腔大得多，加之，加之多个微型谐振腔的选模作多个微型谐振腔的选模作用用，很容易设计成单纵模（单频）振荡，很容易设计成单纵模（单频）振荡布喇格反射可比作布喇格反射可比作多级调谐多级调谐，使谐振波长的选择使谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄性大大提高，谱线明显变窄。并且光栅的作用有助。并且光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，使波长的稳定性于使发射波长锁定在谐振波长上，使波长的稳定性改善。改善。实现光反馈，提供精细的频率选择实现光反馈，提供精细的频率选择与F-P腔相比，采用布喇格反射器作为激光器的光学谐振装置存在量子阱激光器量子阱激光器量子阱方案的能带示意图量子阱方案的能带示意图量子阱激光器 与与DHLD比较，超晶格结构给量子阱激光器比较，超晶格结构给量子阱激光器带带来的优越特性：来的优越特性：阈值电流低阈值电流低阱结构中态密度阱结构中态密度“浴盆浴盆”底部平坦，底部平坦，小电流也能获得大增益，小电流也能获得大增益，Ith低至亚毫安，易于驱动或低至亚毫安，易于驱动或输出大更大功率输出大更大功率波长可调谐波长可调谐导带和价带中的基态间的能级差随势导带和价带中的基态间的能级差随势阱宽度而变化，调势阱宽度可调波长阱宽度而变化，调势阱宽度可调波长 与DH LD比较，超晶格结构给量子阱激光器 线宽窄，频率啁啾低线宽窄，频率啁啾低直接调制时，注入电流变化直接调制时，注入电流变化载流子浓度变化，折射率变化，激射谱展宽，啁啾载流子浓度变化，折射率变化，激射谱展宽，啁啾和线宽增强因子相关，而其和有源区厚度有关。一和线宽增强因子相关，而其和有源区厚度有关。一般般FPLD的的60%调制速率高调制速率高QW结构提高微分增益，提高张弛振结构提高微分增益，提高张弛振荡频率，改善频响特性，适合高速系统荡频率，改善频响特性，适合高速系统温度稳定性强温度稳定性强子能带间存在禁带，温度变化不会子能带间存在禁带，温度变化不会引起载流子分布的扩展引起载流子分布的扩展MQW-DFBMQW-DBR多量子阱有源层上制作多量子阱有源层上制作光栅，单频、窄线宽、小啁啾、无跳模的工作特性光栅，单频、窄线宽、小啁啾、无跳模的工作特性线宽窄，频率啁啾低 直接调制时，注入电流变化 载流垂直腔面发射激光器（垂直腔面发射激光器（VCSEL）VCSEL激光器的结构前面是边发光器件，前面是边发光器件，发射方向平行于发射方向平行于PN结的结平面，面积结的结平面，面积大，不利于二维或大，不利于二维或三维集成。三维集成。VCSEL：电流和发：电流和发射光束方向都与芯射光束方向都与芯片表面垂直片表面垂直垂直腔面发射激光器（VCSEL）前面是边发光器件，发射方向VCSEL的主要优点的主要优点激射性能：激射性能：阈值低、发光效率高、波长可选阈值低、发光效率高、波长可选易于动态单模工作易于动态单模工作耦合性能：耦合性能：窄圆柱形高斯光束，和光纤最佳窄圆柱形高斯光束，和光纤最佳耦合耦合封装性能：封装性能：体积小，易于制成阵列体积小，易于制成阵列调制性能：调制性能：速度快，到吉比特速度快，到吉比特/秒，温度稳定秒，温度稳定性好性好制作性能：制作性能：模块化强、工艺简单，易于集成模块化强、工艺简单，易于集成VCSEL的主要优点 1 工作原理 发发光光二二极极管管是是非非相相干干光光源源，它它的的发发射射过过程程主主要要对对应应光光的的自自发发辐辐射射过过程程。在在发发光光二二极极管管的的结结构构中中不不存存在在谐谐振振腔腔，发发光光过过程程中中PN结结也也不不一一定定需需要要实实现现粒粒子子数数反反转转。当当注注入入正正向向电电流流时时，注注入入的的非平衡载流子非平衡载流子在扩散过程中复合发光。在扩散过程中复合发光。3.3 半导体发光二极管半导体发光二极管 1 工作原理 3.3 半导体发光二极管 LED适用范围：适用范围：低速率、短距离光波系统。低速率、短距离光波系统。低速率、短距离光波系统。低速率、短距离光波系统。LED优点：优点：结构简单、成本低、寿命长、可靠性结构简单、成本低、寿命长、可靠性结构简单、成本低、寿命长、可靠性结构简单、成本低、寿命长、可靠性高、随温度变化较小高、随温度变化较小高、随温度变化较小高、随温度变化较小。缺点缺点输出功率低；输出光束发散角较大，耦合效率低；输出功率低；输出光束发散角较大，耦合效率低；输出功率低；输出光束发散角较大，耦合效率低；输出功率低；输出光束发散角较大，耦合效率低；光源谱线较宽；响应速度较慢。光源谱线较宽；响应速度较慢。光源谱线较宽；响应速度较慢。光源谱线较宽；响应速度较慢。LED 适用范围：低速率、短距离光波系统。2 结构和分类发发 光光 二二 极极管管 可可 分分 为为边边 发发 射射 型型和和 面面 发发 射射型型2 结构和分类 面发光面发光LED：从平行于结平面的表面发光。从平行于结平面的表面发光。工艺简单、发散角大、效率低、调制带宽较窄工艺简单、发散角大、效率低、调制带宽较窄面发光LED：为提高面发光为提高面发光LED与光纤的耦合效率：与光纤的耦合效率：在井中放置一个截球透镜；在井中放置一个截球透镜；或者将光纤末端形成球透镜。或者将光纤末端形成球透镜。为提高面发光LED与光纤的耦合效率：边发光 LED：从结区的边缘发光发散角、耦合发散角、耦合效率和调制带发散角、耦合发散角、耦合效率和调制带效率和调制带宽均比面发光效率和调制带宽均比面发光LED有改善有改善边发光 LED：从结区的边缘发光发散角、耦合发散角、耦合效率3 主要性质发发射射谱谱线线和和发发散散角角边边:=1200，=300,面面:1200;自自发发辐辐射射谱谱线线：导导带带和和价价带带包包含含许许多多能能级级，GaAlAs的的LED谱谱宽宽30-50nm,InGaAsPLED谱谱宽宽60-120nm，耦合效率低、光纤传输色散严重，耦合效率低、光纤传输色散严重响响应应速速度度受受载载流流子子自自发发辐辐射射寿寿命命时时间间限限制制,高高掺掺杂杂或或高高注注入入电电流流减减小小自自发发辐辐射射寿寿命命时时间间。LD吉吉赫赫兹、兹、LED数百兆数百兆3 主要性质 热热特特性性LED不不是是阈阈值值器器件件，GaAlAsLED输输出出功功率变化率率变化率小，可不温控小，可不温控优点优点寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用LED通通常常和和多多模模光光纤纤耦耦合合，用用于于1.3m(或或0.85m)波波长长的的小小容容量量短短距距离离系系统统。因因为为LED发发光光面面积积和和光光束束辐辐射射角角较较大大，而而多多模模SIF光光纤纤或或G.651规规范范的的多多模模GIF光光纤纤具具有有较较大大的的芯芯径径和和数数值值孔孔径径，有有利利于于提高提高耦合效率耦合效率，增加，增加入纤功率入纤功率。热特性 LED不是阈值器件，GaAlAs LED输出功LD通通常常和和G.652或或G.653规规范范的的单单模模光光纤纤耦耦合合，用于用于1.3m或或1.55m大容量长距离系统。大容量长距离系统。分分 布布 反反 馈馈 激激 光光 器器(DFB-LD)主主 要要 和和 G.653或或G.654规规范范的的单单模模光光纤纤或或特特殊殊设设计计的的单单模模光光纤纤耦耦合合，用于超大容量的新型光纤系统。用于超大容量的新型光纤系统。LD通常和G.652或G.653规范的单模光半导体激光器和发光二极管的一般性能半导体激光器和发光二极管的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作温度 /C寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角50150 301005002000 5001000调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率 P/mW100150 100150工作电流 I/mA2030 3060阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长LEDLD/m半导体激光器和发光二极管的一般性能-2050 分布反馈激光器一般性能分布反馈激光器一般性能 2040 1530输出功率 P/mW(连续单纵模,25C)20 15外量子效率 /%1520 2030阀值电流 Ith/mA0.08频谱漂移/(nm/C)3035边模抑制比/dB0.040.5(Gb/s,RZ)直接调制单纵模连续波单纵模谱线宽度 1.3 1.55工作波长/m分布反馈激光器一般性能 2040 1光与物质间的作用有哪三种基本过程？它们各自的光与物质间的作用有哪三种基本过程？它们各自的特点是什么？特点是什么？2什么是粒子数反转分布？什么是粒子数反转分布？3构成激光器必须具备哪些功能部件？构成激光器必须具备哪些功能部件？4什么是激光器的阈值条件？什么是激光器的阈值条件？5异质结激光器是怎样降低阀值电流的？异质结激光器是怎样降低阀值电流的？6半导体激光器发射光子的能量近似等于材料的禁带半导体激光器发射光子的能量近似等于材料的禁带宽度，已知宽度，已知GaAs材料的材料的Eg=1.43eV,某一某一InGaAsP材料材料的的Eg=0.96eV，求它们的发射波长。（，求它们的发射波长。（eV是能量单位，是能量单位，表示一个电子在表示一个电子在1伏特电压差下所具有的能量）伏特电压差下所具有的能量）1光与物质间的作用有哪三种基本过程？它们各自的特点是什么？光纤通信中对光电检测器最重要的几点要求如光纤通信中对光电检测器最重要的几点要求如下：下：在所用光源的波长范围内有较高的响应度；在所用光源的波长范围内有较高的响应度；较小的噪声；较小的噪声；响应速度快；响应速度快；对温度变化不敏感；对温度变化不敏感；与光纤尺寸匹配；与光纤尺寸匹配；工作寿命长工作寿命长3.4 光电检测器光电检测器 光纤通信中对光电检测器最重要的几点要求如下：主要内容主要内容光电检测的原理光电检测的原理PIN光电二极管：原理、结构和工作特性光电二极管：原理、结构和工作特性雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）：原理、结构）：原理、结构光电检测器的噪声光电检测器的噪声主要内容光电检测的原理在在光光的的照照射射下下，材材料料的的电电学学性性质质发发生生变变化化的的现现象象叫叫做做光光电电效效应应。半半导导体体材材料料零零偏偏PN结结产产生生光光生生电电动动势势的的现现象象称称为为光光伏伏效效应应。受激吸收受激吸收光电检测的原理光电检测的原理PN结的光电效应结的光电效应 在光的照射下，材料的电学性质发生变化的现象无光照时，同一无光照时，同一般的二极管；般的二极管；光照射时，零偏光照射时，零偏或反偏时，内建或反偏时，内建场作用下少子的场作用下少子的漂移运动产生光漂移运动产生光电流，光电流方电流，光电流方向在向在p-n结内由结内由p区指向区指向n区，为区，为反向电流，因此反向电流，因此曲线向下平移。曲线向下平移。V(V)I(A)VocIsc反向偏压反向偏压Vb反向电流反向电流E E增增大大Ip=SEEE=0E1E2光伏效应器件伏安特性光伏效应器件伏安特性曲线曲线无光照时，同一般的二极管；V(V)I(A)VocIsc反向光伏效应光伏效应加反向偏压后光电二极管及其能带结构加反向偏压后光电二极管及其能带结构加反向偏压后光电二极管及其能带结构 PIN光电二极管1原理与结构原理与结构PIN光电二极管的原理和结构光电二极管的原理和结构PIN光电二极管 2光电二极管的波长响应光电二极管的波长响应（光谱特性）（光谱特性）（1）上截止波长）上截止波长光电效应必须满足条件光电效应必须满足条件hvEg或或 c是真空中的光速，是真空中的光速，是入射光的波长，是入射光的波长，h是普朗克常量是普朗克常量入入射射光光的的波波长长必必须须小小于于某某个个临临界界值值，才才会会发发生生光光电电效效应应，这个临界值就叫做，这个临界值就叫做上截止波长上截止波长，定义为，定义为2光电二极管的波长响应（光谱特性）（2）响应波长的下限）响应波长的下限 设设x=0时，光功率为时，光功率为p(0)，材料吸收系数为，材料吸收系数为()经过经过x距离后吸收的光功率可以表示为距离后吸收的光功率可以表示为 下降，材料表面层的吸收严重，电子下降，材料表面层的吸收严重，电子-孔穴对在中性孔穴对在中性区被复合。区被复合。（2）响应波长的下限3光电转换效率光电转换效率常用常用量子效率量子效率和和响应度响应度衡量衡量光电转换效率光电转换效率当入射功率为当入射功率为P0时，时，光生电流光生电流可以表示为可以表示为r是是入入射射表表面面的的反反射射率率，w1是是零零电电场场的的表表面面层层的的厚厚度度，w是耗尽区的厚度是耗尽区的厚度量子效率量子效率表示入射光子能够转换成光电流的概率表示入射光子能够转换成光电流的概率3光电转换效率 要要提高量子效率提高量子效率，必须采取如下措施：，必须采取如下措施：尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二极管中的光子数；电二极管中的光子数；尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的宽度，使光子在耗尽区被充分地吸收光子在耗尽区被充分地吸收光电转换效率也可以直接用光生电流光电转换效率也可以直接用光生电流Ip和入射和入射光功率光功率p0的比值来表示的比值来表示,称其为称其为响应度响应度 要提高量子效率，必须采取如下措施：4响应速度响应速度响响应应速速度度常常用用响响应应时时间间（上上升升时时间间和和下下降降时时间）（间）（1090）来表示。）来表示。影响响应速度的主要因素有影响响应速度的主要因素有3点点：（1）光电二极管和它的负载电阻的）光电二极管和它的负载电阻的RC时间常数时间常数结电容与耗尽区的宽度结电容与耗尽区的宽度w及结区面积及结区面积A有关有关4响应速度（2）载流子在耗尽区里的渡越时间）载流子在耗尽区里的渡越时间下图为漂移速度与电场强度关系下图为漂移速度与电场强度关系若想使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，反向偏若想使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，反向偏压须满足压须满足VEswEs:达到极限漂移速度的电场达到极限漂移速度的电场（2）载流子在耗尽区里的渡越时间（3）耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的）耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟时间延迟5光电二极管的暗电流光电二极管的暗电流暗暗电电流流是是指指无无光光照照时时光光电电二二极极管管的的反反向向电电流流。Si小于小于1nA（3）耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 雪崩光电二极管1工作原理工作原理APD载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）载流子雪崩式倍增示意图（只画出电子）PN内内高场区高场区碰撞电离碰撞电离雪崩光电二极管 2APD的平均雪崩增益的平均雪崩增益复杂随机过程：位置、数目等。复杂随机过程：位置、数目等。平均雪崩增益的定义为平均雪崩增益的定义为IM是是雪雪崩崩增增益益后后输输出出电电流流的的平平均均值值；Ip是是未未倍倍增增时时的初始光生电流的初始光生电流一般为一般为40-1002APD的平均雪崩增益 光电二极管输出电流和反向偏压的关系光电二极管输出电流和反向偏压的关系平均雪崩增益也用一较简单的式子表示为平均雪崩增益也用一较简单的式子表示为光电二极管输出电流和反向偏压的关系 3APD的结构的结构光光纤纤通通信信在在0.85 m波波段段常常用用的的APD有有拉拉通通型型（RAPD）和保护环型（）和保护环型（GAPD）两种。）两种。3APD的结构 另一种在长波长波段使用的另一种在长波长波段使用的APD的结构称为的结构称为SAM（SeperatedAbsorptionandMultiplexing）结构）结构高场区是InP，带隙宽,InP截止波长0.96微米，对1.3-1.6微米光不吸收，InGaAs是吸收区。吸收区和倍增区分开。吸收区产生的纯空穴电流注入高场区另一种在长波长波段使用的APD的结构称为SAM（Seper4APD的过剩噪声的过剩噪声APD的过剩噪声系数为的过剩噪声系数为在在工工程程上上，为为简简化化计计算算，常常用用过过剩剩噪噪声声指指数数来来表表示示过剩噪声系数，即过剩噪声系数，即Si-APD的的 x为为 0.3-0.5，Ge-APD的的 x为为 0.8-1.0 InGaAs-APD的的x为为0.5-0.74APD的过剩噪声 光电检测器的噪声光电检测器的噪声 散粒噪声散粒噪声热噪声热噪声1/f噪声噪声光电检测器的噪声 散粒噪声习习 题题1分析光电二极管和分析光电二极管和APD性能参数上的异同点。性能参数上的异同点。2如果激光器在如果激光器在=0.5 m上工作，输出上工作，输出1W的连的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级阶跃迁到续功率，试计算每秒从激活物质的高能级阶跃迁到低能级的粒子数。低能级的粒子数。3一个一个GaAsPIN光电二极管平均每三个入射光子光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子产生一个电子空穴对。假设所有的电子都被收集，空穴对。假设所有的电子都被收集，那么那么(1)试计算该器件的量子效率；试计算该器件的量子效率；(2)当在当在0.8 m波段、接收功率是波段、接收功率是10-7W时，计算平时，计算平均输出光电流；均输出光电流；习 题 1分析光电二极管和APD性能参数上的异同点。