第三章光端机精选PPT.ppt

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1、第三章光端机第1页，本讲稿共115页第 3 章 通信用光器 3.1 光源 3.1.1 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 3.1.3 分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用 3.2 光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管 3.2.3 雪崩光电二极管(APD)3.2.4 光电二极管一般性能和应用 3.3 光无源器件 3.3.1 连接器和接头 3.3.2 光耦合器 3.3.3 光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器 3.3.5 光开关返回主目录第2页，本讲稿共115页3.1 光源 3.1.1

2、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 受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布 激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性 二、激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性 四、频率特性 五、温度特性 3.1.3 分布反馈激光器 一、工作原理 二、DFB激光器的优点 3.1.4 发光二极管 一、工作原理 二、工作特性 3.1.5 半导体光源一般性能和应用第3页，本讲稿共115页3.1 光源光源 光光源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半导导体体激

3、激光光二二极极管管或或称称激激光光器器(LD)和和发发光光二二极极管管或或称称发发光光管管(LED)，有些场合也使用固体激光器固体激光器。本节首先介绍半半导导体体激激光光器器(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分布布反反馈馈激激光光器器(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)。第4页，本讲稿共115页1.受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布2.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。3.在在物物质质的的原原子子中中，存存在在许许多多能能级级，最最低低能能级级E1称称为为

4、基态基态，能量比基态大的能级，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4)称为称为激发态激发态。4.电电子子在在低低能能级级E1的的基基态态和和高高能能级级E2的的激激发发态态之之间间的的跃跃迁迁有有三三种种基基本本方方式式：受受受受激激激激吸吸吸吸收收收收、自自自自发发发发辐辐辐辐射射射射、受受受受激激激激辐辐辐辐射射射射(见图见图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 半半导导体体激激光光器器是向半导体PN结注入电流，实现粒粒子子数数反反转转分分布布，产生受受激激辐辐射射，再利用谐振腔的正正反反馈馈，实现光光放放大大而产生激光振荡激光振荡的。第5页，本

5、讲稿共115页hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1 (a)受激吸收；能级和电子跃迁(b)自发辐射；hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1(c)受激辐射第6页，本讲稿共115页(1)受激吸收受激吸收 在在正正常常状状态态下下，电电子子处处于于低低能能级级E1，在在入入射射光光作作用用下下，它它会会吸吸收收光光子子的的能能量量跃跃迁迁到到高高能能级级E2上上，这这种种跃跃迁迁称称为为受受激激吸吸收收。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

6、)自发辐射自发辐射 在在高高能能级级E2的的电电子子是是不不稳稳定定的的，即即使使没没有有外外界界的的作作用用，也也会会自自动动地地跃跃迁迁到到低低能能级级E1上上与与空空穴穴复复合合，释释放放的的能能量量转转换换为为光光子子辐射出去，这种跃迁称为辐射出去，这种跃迁称为自发辐射自发辐射，见图，见图3.1(b)。(3)受激辐射受激辐射 在在高高能能级级E2的的电电子子，受受到到入入射射光光的的作作用用，被被迫迫跃跃迁迁到到低低能能级级E1上上与与空空穴穴复复合合，释释放放的的能能量量产产生生光光辐辐射射，这这种种跃跃迁迁称称为为受受激激辐辐射射，见图，见图3.1(c)。第7页，本讲稿共115页受

7、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 受受激激辐辐射射是是受受激激吸吸收收的的逆逆过过程程。电电子子在在E1和和E2两两个个能能级级之之间间跃迁，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=hf12 (3.1)式式中中，h=6.62810-34Js，为为普普朗朗克克常常数数，f12为为吸吸收收或或辐辐射射的的光光子子频率。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。受受激激辐辐射射光光的的频频率率、相相位位、偏偏振振态态和和传传播播方方向向与与入入射射

8、光光相相同同，这种光称为这种光称为相干光相干光。自自发发辐辐射射光光是是由由大大量量不不同同激激发发态态的的电电子子自自发发跃跃迁迁产产生生的的，其其频频率率和和方方向向分分布布在在一一定定范范围围内内，相相位位和和偏偏振振态态是是混混乱乱的的，这这种种光光称为称为非相干光非相干光。第8页，本讲稿共115页 产产生生受受激激辐辐射射和和产产生生受受激激吸吸收收的的物物质质是是不不同同的的。设设在在单单位位物物质质中中，处处于于低低能能级级E1和和处处于于高高能能级级E2(E2E1)的的原原子子数数分分别别为为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

9、分布 (3.2)式式中中，k=1.38110-23J/K，为为波波尔尔兹兹曼曼常常数数，T为为热热力力学学温温度度。由由于于(E2-E1)0，T0，所所以以在在这这种种状状态态下下，总总是是N1N2。这这是是因为电子总是首先占据低能量的轨道。因为电子总是首先占据低能量的轨道。第9页，本讲稿共115页 受受激激吸吸收收和和受受激激辐辐射射的的速速率率分分别别比比例例于于N1和和N2，且且比比例例系数系数(吸收和辐射的概率吸收和辐射的概率)相等。相等。如如果果N1N2，即即受受激激吸吸收收大大于于受受激激辐辐射射。当当光光通通过过这这种种物质时，光强按指数衰减，物质时，光强按指数衰减，这种物质称为

10、这种物质称为吸收物质吸收物质。如如果果N2N1，即即受受激激辐辐射射大大于于受受激激吸吸收收，当当光光通通过过这这种种物质时，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的的分分布布，和和正正常常状状态态(N1N2)的的分分布布相相反反，所所以以称称为为粒子粒子(电子电子)数反转分布数反转分布。问问题题：如如何何得得到到粒粒子子数数反反转转分分布布的的状状态态呢呢?这这个个问问题题将将在下面加以叙述。在下面加以叙述。第10页，本讲稿共115页图 3.2 半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体 2.PN结的能带和电

11、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。第11页，本讲稿共115页 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 式式中中，k为为波波兹兹曼曼常常数数，T为为热热力力学学温温度度。Ef 称称为为费费米米能能级级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。

12、在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。(3.3)第12页，本讲稿共115页 一一般般状状态态下下，本本征征半半导导体体的的电电子子和和空空穴穴是是成成对对出出现现的的，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)。在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入施施主主杂杂质质，称称为为N型型半半导导体体，见见图图3.2(b)。在在本本征征半半导导体体中中，掺掺入入受受主主杂杂质质，称称为为P型型半半导导体体，见见图图3.2(c)。在在P型型和和N型型半半导导体体组组成成的的PN结结界界面面上上，由由于于存存在在多多数数载载流流子子(电电子子或或空空穴穴)的的梯梯度度，因因

13、而而产产生生扩扩散散运运动动，形形成成内内部部电场电场，见图见图3.3(a)。内内部部电电场场产产生生与与扩扩散散相相反反方方向向的的漂漂移移运运动动，直直到到P区区和和N区区的的Ef 相相同同，两两种种运运动动处处于于平平衡衡状状态态为为止止，结结果果能能带带发发生生倾倾斜，见图斜，见图3.3(b)。第13页，本讲稿共115页P区PN结空间电荷区N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；图 3.3PN结的能带和电子分布第14页，本讲稿共115页势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env零偏压时P-N结的能带倾斜图；第15页，本讲稿共115页h fh fEfEpcEpf

14、EpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P-N结能带图获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布 第16页，本讲稿共115页 增益区的产生：增益区的产生：在在PN结结上上施施加加正正向向电电压压，产产生生与与内内部部电电场场相相反反方方向向的的外外加加电电场场，结结果果能能带带倾倾斜斜减减小小，扩扩散散增增强强。电电子子运运动动方方向向与与电电场场方方向向相相反反，便便使使N区区的的电电子子向向P区区运运动动，P区区的的空空穴穴向向N区区运运动动，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。增增益益区区的的导导带带主主要要是是电电

15、子子，价价带带主主要要是是空空穴穴，结结果果获获得得粒粒子数反转分布子数反转分布，见图，见图3.3(c)。在在电电子子和和空空穴穴扩扩散散过过程程中中，导导带带的的电电子子可可以以跃跃迁迁到到价价带带和和空穴复合，产生空穴复合，产生自发辐射光自发辐射光。第17页，本讲稿共115页 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：粒粒子子数数反反转转分分布布（必必要要条条件件)+激激活活物物质质置置于于光光学学谐谐振振腔腔中中，对光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。基基本本的的光光学学谐谐振振腔腔由由

16、两两个个反反射射率率分分别别为为R1和和R2的的平平行行反反射射镜镜 构构 成成(如如 图图 3.4所所 示示)，并并 被被 称称 为为 法法 布布 里里 -珀珀 罗罗(FabryPerot,FP)谐振腔。谐振腔。由由于于谐谐振振腔腔内内的的激激活活物物质质具具有有粒粒子子数数反反转转分分布布，可可以以用用它它产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。第18页，本讲稿共115页 图 3.4 激光器的构成和工作原理 (a)激光振荡；(b)光反馈 第19页，本讲稿共115页 式式中中，th 为为阈阈值值增增益益系系数数，为为谐谐振振腔腔内内激激活活物物质质的的损损耗耗系数，系数，L为

17、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 式式中中，为为激激光光波波长长，n为为激激活活物物质质的的折折射射率率，q=1,2,3 称为纵模模数。称为纵模模数。在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为 th=+(3.4)L=q(3.5)第20页，本讲稿共115页 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。这种结构由这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

18、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)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。第21页，本讲稿共115页第22页，本讲稿共115页 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 第23页，本讲稿共115页 DH激光器工作

19、原理激光器工作原理 由由于于限限制制层层的的带带隙隙比比有有源源层层宽宽，施施加加正正向向偏偏压压后后，P层层的的空空穴穴和和N层的层的电子电子注入注入有源层有源层。P层层带带隙隙宽宽，导导带带的的能能态态比比有有源源层层高高，对对注注入入电电子子形形成成了了势势垒垒，注入到有源层的电子不可能扩散到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。这这样样，注注入入到到有有源源层层的的电电子子和和空空穴穴被被限限制制在在厚厚0.10.3 m的的有有源源层层内内形形成成粒粒子子数数反反转转分分布布，这这时时只只要要很很小

20、小的的外外加加电电流流，就就可可以以使使电电子子和和空空穴浓度增大而提高效益。穴浓度增大而提高效益。另另一一方方面面，有有源源层层的的折折射射率率比比限限制制层层高高，产产生生的的激激光光被被限限制制在在有有源源区区内内，因因而而电电/光光转转换换效效率率很很高高，输输出出激激光光的的阈阈值值电电流流很很低低，很很小小的散热体就可以在室温连续工作。的散热体就可以在室温连续工作。第24页，本讲稿共115页 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 半半导导体体激激光光器器的的发发射射波波长长等等于于禁禁带带宽宽度度Eg(eV)/h，由由式

21、式(3.1)得到得到 h f=Eg(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波段波段式式中中，f=c/，f(Hz)和和(m)分分别别为为发发射射光光的的频频率率和和波波长长，c=3108 m/s为为 光光 速速，h=6.62810-34JS为为 普普 朗朗 克克 常常 数数，1eV=1.610-19 J，代入上式得到，代入上式得到第25页，本讲稿共

22、115页 图图3.7是是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。激光器的光谱特性。在在直直流流驱驱动动下下，发发射射光光波波长长只只有有符符合合激激光光振振荡荡的的相相位位条条件件式式(3.5)的的波波长长存存在在。这这些些波波长长取取决决于于激激光光器器纵纵向向长长度度L，并并称为激光器的称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。这这种种变变化化是是由由于于谐谐振振腔腔对对光光波波频频率率和和方方向向的的选选择择，使使边边模模消失消失、主模增益主模增益增加而产生的。增加而产生的。当当驱驱动动电电流流足足够够大大时时，多多纵纵模模变变

23、为为单单纵纵模模，这这种种激激光光器器称称为静态单纵模激光器。为静态单纵模激光器。图图3.7(b)是是300 Mb/s数数字字调调制制的的光光谱谱特特性性。由由图图可可见见，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，纵模模数增多，谱线宽度变宽。第26页，本讲稿共115页 图 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a)直流驱动;(b)300 Mb/s数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 8

24、28 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)第27页，本讲稿共115页 图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图。2.激光束的空间分布激光束的空间分布 激激光光束束的的空空间间分分布布用用近近场场和和远远场场来描述。来描述。近近场场是是指指激激光光器器输输出出反反射射镜镜面面上的光强分布；上的光强分布；远远场场是是指指离离反反射射镜镜面面一一定定距距离离处处的光强分布。的光强分布。图图3.8是是GaAlAs-DH激激光光器器的的近近场场图图和和远

25、远场场图图，近近场场和和远远场场是是由由谐谐振振腔腔(有有源源区区)的的横横向向尺尺寸寸，即即平平行行于于PN结结平平面面的的宽宽度度w和和垂垂直直于于结结平平面面的的厚厚度度t所所决决定定，并并称称为激光器的为激光器的横模横模。由由图图3.8可可以以看看出出，平平行行于于结结平平面面的的谐谐振振腔腔宽宽度度w由由宽宽变变窄窄，场场图图呈呈现现出出由由多多横横模模变变为为单单横横模模；垂垂直直于于结结平平面面的的谐谐振振腔腔厚厚度度t很很薄薄，这这个个方方向向的的场图总是场图总是单横模单横模。第28页，本讲稿共115页 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

26、)辐射光束 图图3.9为为典典型型半半导导体体激激光光器器的的远远场场辐辐射射特特性性，图图中中 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平面面的的辐辐射射角角，整整个个光光束束的的横横截面呈椭圆形。截面呈椭圆形。第29页，本讲稿共115页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(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。第30页，本讲稿共115页

27、图 3.10 典型半导体激光器的光功率特性(a)短波长AlGaAs/GaAs (b)长波长InGaAsP/InP 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增，光功率随驱动电流的增加而增加。加而增加。第31页，本讲稿共115页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 P(f)=(3.8a)(3.8b)式式中中，和和分分别别称称为为弛弛豫豫频频率率和和阻阻尼尼因因子子，Ith 和和I0分分别别为为阈阈值值电电流流和和偏偏置置电电流流；I是是零零增增益益电电流流，高高掺掺杂杂浓浓度度的的LD，I=0，低低掺掺杂杂浓浓度度的的LD,

28、I=(0.70.8)Ith；sp为为有有源源区区内内的的电电子子寿寿命命，ph为为谐振腔内的光子寿命。谐振腔内的光子寿命。第32页，本讲稿共115页图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性 弛弛豫豫频频率率fr 是是调调制制频频率率的的上上限限，一一般般激激光光器器的的fr 为为12 GHz。在在接接近近fr 处处，数数字字调调制制要要产产生生弛弛豫豫振振荡荡，模模拟拟调调制制要要产产生非线性失真。生非线性失真。第33页，本讲稿共115页 Ith=I0 exp(3.9)5.温度特性温度特性 对对于于线线性性良良好好的的激激光光器器，输输出出光光功功率率特特性性如如式式(3.7b)和和图图3

29、.10所示。所示。激激光光器器输输出出光光功功率率随随温温度度而而变变化化有有两两个个原原因因（1）激激光光器器的的阈阈值值电电流流Ith 随随温温度度升升高高而而增增大大（2）外外微微分分量量子子效效率率d随随温温度度升升高而高而减小减小。温温度度升升高高时时，Ith 增增大大，d减减小小，输输出出光光功功率率明明显显下下降降，达达到到一一定定温温度度时时，激激光光器器就就不不激激射射了了。当当以以直直流流电电流流驱驱动动激激光光器器时时，阈阈值值电电流流随随温温度度的的变变化化更更加加严严重重。当当对对激激光光器器进进行行脉脉冲冲调调制制时时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可

30、以表示为阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为第34页，本讲稿共115页 式式中中，I0为为常常数数，T为为结结区区的的热热力力学学温温度度，T0为为激激光光器器材材料料的特征温度。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 所所以以长长波波长长InGaAsP-InP激激光光器器输输出出光光功功率率对对温温度度的的变变化化更更加敏感。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示示出出脉脉冲冲调调制制的的激激光光器器，由由于于温温度度升升高高引

31、引起起阈阈值值电电流流增增加加和和外外微微分分量量子子效效率率减减小小，造造成成的的输输出出光光功功率率特特性性P-I曲曲线的变化。线的变化。Ith=I0 exp(3.9)第35页，本讲稿共115页图 3.12 P-I曲线随温度的变化 第36页，本讲稿共115页 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 分分布布反反馈馈(DFB)激激光光器器用用靠靠近近有有源源层层沿沿长长度度方方向向制制作作的的周周期期性性结结构构(波波纹纹状状)衍衍射射光光栅栅实实现现光光反反馈馈。这这种种衍衍射射光光栅栅的的折折射射率率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。分布反馈激光器

32、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第37页，本讲稿共115页 图 3.13 分布反馈(DFB)激光器 (a)结构；(b)光反馈 第38页，本讲稿共115页 如如图图3.13所所示示，由由有有源源层层发发射射的的光光，一一部部分分在在光光栅栅波波纹纹峰峰反反射射(如如光光线线a)，另另一一部部分分继继续续向向前前传传播播，在在邻邻近近的的光光栅栅波波纹

33、纹峰峰反反射射(如光线如光线b)。光栅周期=m (3.10)ne 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。在在普普通通光光栅栅的的DFB激激光光器器中中，发发生生激激光光振振荡荡的的有有两两个个阈阈值值最最低、增益相同的低、增益相同的纵模纵模，其波长为，其波长为(3.11)第39页，本讲稿共115页 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 线性好线性好第40页，本讲稿共115页 3.1.4 发光二极管发光二极管LD

34、 LD 和和和和LEDLED的区别的区别的区别的区别 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 LED的的结结构构和和LD相相似似，大大多多是是采采用用双双异异质质结结(DH)芯芯片片，把把有有源源层层夹夹在在P型型和和N型型限限制制层层中中间间，不不同同的的是是LED不不需需要要光光学谐振腔，学谐振腔，没有阈值。没有阈值。第41页，本讲稿共115页 图 3.14两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型 发光二极管的类型发光二极管的类型发光二极管的类型发光二极管的类型：正面发光型正面发光型LED和和侧面发光型侧面发光型LED 第42

35、页，本讲稿共115页发光二极管的特点发光二极管的特点发光二极管的特点发光二极管的特点：输输出出光光功功率率较较小小；谱谱线线宽宽度度较较宽宽；调调制制频频率率较较低低；性性能能稳稳定定，寿寿命命长长；输输出出光光功功率率线线性性范范围围宽宽；制制造造工工艺艺简简单单，价价格格低低廉廉；适适用于小容量短距离系统用于小容量短距离系统 发光二极管的主要工作特性发光二极管的主要工作特性发光二极管的主要工作特性发光二极管的主要工作特性：(1)光谱特性。光谱特性。发发光光二二极极管管发发射射的的是是自自发发辐辐射射光光，没没有有谐谐振振腔腔对对波波长长的的选选择，择，谱线较宽谱线较宽，如图，如图3.15。

36、图 3.15LED光谱特性 第43页，本讲稿共115页 (2)光束的空间分布。光束的空间分布。在在垂垂直直于于发发光光平平面面上上，正正面面发发光光型型LED辐辐射射图图呈呈朗朗伯伯分分布布，即即P()=P0 cos，半功率点辐射角，半功率点辐射角120。侧侧面面发发光光型型LED，120，2535。由由于于大大，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。发发光光二二极极管管实实际际输输出出的的光光子子数数远远远远小小于于有有源源区区产产生生的的光光子子数数，一一般般外外微微分分量量子子效效率率d小小于于10%。两两种种类类型型发发光

37、光二二极极管管的的输出光功率特性示于图输出光功率特性示于图3.16。驱驱动动电电流流I较较小小时时，P-I曲曲线线的的线线性性较较好好；I过过大大时时，由由于于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。曲线的斜率减小。第44页，本讲稿共115页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4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流/mA输输出出功功率率/mW第45页，本讲稿共115页 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。定义fc 为发光二极管的截止频率，当

38、f=fc=1/(2e)时，|H(fc)|=，最高调制频率应低于截止频率。(4)频率特性。频率特性。发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)|=(3.12)图图3.17示示出出发发光光二二极极管管的的频频率率响响应应，图图中中显显示示出出少少数数载载流流子子的寿命的寿命 e和和截止频率截止频率 fc 的关系。的关系。对对有有源源区区为为低低掺掺杂杂浓浓度度的的LED，适适当当增增加加工工作作电电流流可可以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。第46页，本讲稿共115页图 3.17 发光二极管(LED)的频率响应 第47页，本讲稿共115页 3.1

39、.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和和表表3.2列列出出半半导导体体激激光光器器(LD)和和发发光光二二极极管管(LED)的的一一般性能。般性能。LED通通常常和和多多模模光光纤纤耦耦合合，用用于于1.3 m(或或0.85 m)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孔径，有利于提高值孔径，有利于提高耦合效率耦合效率，增加，增加入纤功率入纤功

40、率。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，用用于于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，用用于于超超大大容容量量的的新新型型光光纤纤系统。系统。第48页，本讲稿共115页表3.1 半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)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

41、 301005002000 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第49页，本讲稿共115页表 3.2 分布反馈激光器(DFB-LD)一般性能 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外量子效率外量子效率 /%1520 2030阀值

42、电流阀值电流 Ith/mA1时时，1，所所以以为为提提高高量量子子效效率率，I层的厚度层的厚度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。假假设设器器件件表表面面反反射射率率为为零零，P层层和和N层层对对量量子子效效率率的的贡贡献献可可以以忽忽略略，在在工工作作电电压压下下，I层层全全部部耗耗尽尽，那那么么PIN光光电电二二极极管管的的量子效率量子效率可以近似表示为可以近似表示为(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

43、限制由式(3.6)确定，即确定，即c=hc/Eg。图图3.22示出示出量子效率量子效率量子效率量子效率 和和响应度响应度响应度响应度 的光谱特性，由图可见，的光谱特性，由图可见，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)。第62页，本讲稿共115页图3-22 PIN光电二极管响应度、量子效应率 与波长 的关系第63页，本讲稿共115页 (二二)响应时间和频率特性。响应时间和频率特性。光光电电二二极极管管对对高高速速调调制制光光信信号号的的响响应应能能力力用用脉脉冲冲响响应应时时间间或

44、或截止频率截止频率fc(带宽带宽B)表示。表示。对对于于数数字字脉脉冲冲调调制制信信号号，把把光光生生电电流流脉脉冲冲前前沿沿由由最最大大幅幅度度的的10%上上升升到到90%，或或后后沿沿由由90%下下降降到到10%的的时时间间，分分别别定定义义为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。当当光光电电二二极极管管具具有有单单一一时时间间常常数数0时时，其其脉脉冲冲前前沿沿和和脉脉冲冲后后沿沿相相同同，且且接接近近指指数数函函数数exp(t/0)和和exp(-t/0)，由由此此得得到到脉脉冲冲响响应时间应时间 =r=f=2.20 (3.16)第64页，本讲稿共115页 对对于于

45、幅幅度度一一定定，频频率率为为=2f 的的正正弦弦调调制制信信号号，用用光光生生电电流流I()下下降降3dB的的频频率率定定义义为为截截截截止止止止频频频频率率率率f fc c。当当光光电电二二极极管管具具有单一时间常数有单一时间常数0时，时，(3.17)PIN光光电电二二极极管管响响应应时时间间或或频频率率特特性性主主要要由由光光生生载载流流子子在在耗耗尽尽层层的的渡渡越越时时间间d和和包包括括光光电电二二极极管管在在内内的的检检测测电电路路RC常数常数所所确定确定。第65页，本讲稿共115页 当当调调制制频频率率与与渡渡越越时时间间d的的倒倒数数可可以以相相比比时时，耗耗尽尽层层(I层层)

46、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)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（3.19）式式中中，渡渡越越时时间间d=w/vs，w为为耗耗尽尽层层宽宽度度，vs为为载载流流子子渡渡越越速速度，度，比例于电场强度。比例于电场强度。由由式式(3.19)和和式式(3.18)可可以以看看出出，减减小小耗耗尽尽层层宽宽度度w，可可以以减减小小渡渡越越时时间间d，从从而而提提高高截截止止频频率率fc，但但是是同同时时要要降降低低量量子子效效率率。第66页，本讲稿共115页图3.23 内量子效率和带宽的关系第67页，本讲稿共115页 由电路

47、RC时间常数限制的截止频率 式式中中，Rt为为光光电电二二极极管管的的串串联联电电阻阻和和负负载载电电阻阻的的总总和和，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，为为材料介电常数材料介电常数材料介电常数材料介电常数，A为为结面积结面积结面积结面积，w为为耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层宽度。宽度。(3.20)(3.21)第68页，本讲稿共115页 (三三)噪声。噪声。噪声噪声影响光接收机的影响光接收机的灵敏度灵敏度。噪噪声声包包括括散散粒粒噪噪声声(Shot Noise)(由由信信号号电电流流和和暗暗电电流流产产生生)热噪声热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产

48、生由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)（1）均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.22)e为为电电子子电电荷荷，B为为放放大大器器带带宽宽，IP和和Id分分别别为为信信号号电电流流和和暗电流。暗电流。2eI2eIP PB B 称称为为量量子子噪噪声声(由由于于入入射射光光子子和和所所形形成成的的电电子子-空空穴穴对都具有离散性和随机性而产生对都具有离散性和随机性而产生)2eI 2eId dB B是是暗电流暗电流产生的噪声。产生的噪声。暗暗电电流流是是器器件件在在反反偏偏压压条条件件下下，没没有有入入射射光光时时产产生生的的反反向

49、向直流直流电流。电流。第69页，本讲稿共115页（1）均方热噪声电流 式式中中，k=1.3810-23J/K为为波波波波尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼常常常常数数数数，T为为等等效效噪噪声声温温度度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。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，因此，光电二极管的光电二极管的总均方噪声电流总均方噪声电流为为 i2=2e(IP+Id)B+(3.24)(3.23)i2T=第70页，本讲稿共115页 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管光电二极管输出电流输出电流 I和和反偏压反偏压U的关系示于图的关系示于图3.24。随着

50、随着反向偏压反向偏压的增加，开始的增加，开始光电流光电流基本保持不变。基本保持不变。当当反反向向偏偏压压增增加加到到一一定定数数值值时时，光光电电流流急急剧剧增增加加，最最后后器器件被击穿，这个电压称为件被击穿，这个电压称为击穿电压击穿电压UB。APDAPD就是根据这种特性设计的器件。就是根据这种特性设计的器件。根根据据光光电电效效应应，当当光光入入射射到到PN结结时时，光光子子被被吸吸收收而而产产生生电子电子-空穴对空穴对。第71页，本讲稿共115页 如如果果电电压压增增加加到到使使电电场场达达到到200 kV/cm以以上上，初初始始电电子子(一一次电子次电子)在高电场区获得足够能量而加速运