光发射机与光接收机剖析

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1、第10章 光发射机与光接收机 第10章 光发射机与光接收机 10.1 光源 10.2 光发射机 10.3 光电检测器 10.4 光接收机 10.5 光电集成器件与电路 第10章 光发射机与光接收机 10.1 光源 光源的作用把要传输的电信号转换成光信号发射去。 一、对光源的基本要求 (1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高 (2)调制方法简单 (3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配 (4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率 (5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好 (6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转 (7)光源应该是低功率驱动低电压、低电流)，而且电光转 换效率要高 第10

2、章 光发射机与光接收机 能满足上述基本要求的光源是半导体光源。 半导体激光器(LD) 中、长距离 最常用的光源 大容量(高码速)系统 半导体发光二极管(LED)。 短距离、低容量系统 模拟系统。 第10章 光发射机与光接收机 10.1.1 激光二极管（LD） 1基本结构 激光二极管的基本结构框图 第10章 光发射机与光接收机 2LD的工作原理 （1）半导体材料的能级结构 半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带，低能级称为价 带，高、低能级之间称为禁带。则禁带宽度 Eg=Ec-Ev 在热平衡状态下，价带能级上的电子总数目NV远多于导带能级上的电子总数 目NC，即NVNC。 半导体材料电

3、子能级示意图 第10章 光发射机与光接收机 （2）半导体材料中电子能态的变化 自发辐射 发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为 非相干光。 受激辐射 发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外 来光子相同），称为相干光。激光二极管输出的就是这种相干光。 受激吸收 在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子 的能量而跃迁到高能级上 。 第10章 光发射机与光接收机 在热平衡状态下，半导体材料中同时存在以上三 种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概 率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数NC成正 比，受激吸收的概率与价带上的电子总数NV成正

4、比。 所以，若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的 电子总数NC 远大于价带上的电子总数NV ，这称为粒 子数反转状态。 第10章 光发射机与光接收机 （3）PN结的能带和电子分布 在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循 费米（Fermi）分布，即 在通常室温下，本征半导体、N型半导体和P型半导体都是大 多数电子占据低能级位置，没有形成粒子数反转分布，不能对光产 生放大作用。 第10章 光发射机与光接收机 （4）电激励 其作用是使半导体其作用是使半导体PNPN结产生一个增益区，使其中的导带电子 数远大于价带电子数，形成粒子数反转状态，成为光放大的媒质。粒子数反转状态，成为光

5、放大的媒质。 （5）光学谐振腔 前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的PN结半导体材料 ，构成了光学谐振腔。 其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多 次反射形成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断 地产生受激辐射，使放出的光子数目雪崩式地增加。 第10章 光发射机与光接收机 3LD的类型结构 （1）同质结LD 由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层PN结，称为同质结 LD。 例如：砷化镓（GaAs）同质结LD。 GaAs同质结LD结构示意图 第10章 光发射机与光接收机 （2）异质结LD 由不同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者 称为单异质结LD，后者

6、称为多异质结LD。 例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85m。 InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31m或 1.55m，损耗小。 异质结LD结构示意图 第10章 光发射机与光接收机 半导体光源的发光机理 半导体发光器件是通过电子在能级之间的跃迁而发光的。 在构成半导体晶体的原子内部各个电子都占有所规定的能级。 如果让占据较高能级Ei的电子跃迁到较低能级Ej上，就会 以光的形式放出等于能级差的能量，这时能级差Eg和光的振荡 频率f之间的关系为 Eg=hf 式中，h为普朗克常数(h=6.62610-34 Js)。 (10.1) 第10章 光发射机与光接收机 半

7、导体发光器件由适当的P型材料和N型材料所构成，两种材 料的交界区形成P-N结，如果在P-N结上加上正向电压，则N型区 的电子及P型区的空穴源源不断地流向P- N 结区。在那里电子与 空穴自发地复合，复合时电子从高能级的导带跃迁至低能级价带 而产生与跃迁所释放的能量相等的光子。 在这种情况下， 各个光子在时间上及方向上都不相同，这种 光称为自发光, 该发光器件叫做发光管。 其发光机理如图 10.1 所示。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.1 发光机理示意图 (a) 光的自发发射； (b) 光的受激发射 第10章 光发射机与光接收机 另一种光称为激光，是利用谐振腔产生振荡的原理而获得 的。

8、在P-N结的两端加工出两个平行光洁的反射镜面。此镜面 垂直于P-N结的平面，和它的长度方向形成一个谐振腔。当施 加正向电压于P-N结时，P-N结内首先发出自发光，其中部分光 子沿着与反射面垂直的方向前进，这一部分光子受反射镜面的 反射，在谐振腔内来回反射。 同时，激光腔内的电子与空穴复 合，即激发电子从导带跃迁至价带而产生新的光子。 部分新产 生的光子也同样在谐振腔内来回反射。只要外加的电压和电流 足够大，那么光子的来回反射将激发更多的光子，产生正反馈 作用，使受激发光大为加强，遂产生激光。反射镜面是半透明 的，既可使部分光子反射回腔内，也可让部分光子辐射出去。 这种发光器件叫做激光器。 第1

9、0章 光发射机与光接收机 第10章 光发射机与光接收机 光子能量E和波长之间的变换关系如下： (10.2) 例如, 砷化镓半导体的带隙为1.36 eV，则砷化镓发光二极 管的辐射波长=1.2398/1.36=0.91m。该波长处于近红外区， 在掺入铝后可改变波长。因此, 短波长光源采用GaAlAs, 而长 波长光源用InGaAsP。目前，光纤通信使用的光源，短波长的 有GaAlAs激光器(LD)和GaAlAs发光二极管(LED)；长波长的 有InGaAsP激光器(LD)和InGaAsP发光二极管(LED)。 第10章 光发射机与光接收机 10.1.2 光源的分类及特性 在光纤通信系统中，光源的

10、基本功能是将电流形式的电能 转变为光能，并将发出的光有效地耦合到光纤中。 光源是光纤 通信的核心器件，其种类和性能的好坏在很大程度上决定了系 统的类型和性能。 光源的种类及特性见表10.1。 第10章 光发射机与光接收机 表10.1 光源的种类及特性 第10章 光发射机与光接收机 表10.1 光源的种类及特性 第10章 光发射机与光接收机 表10.1 光源的种类及特性 第10章 光发射机与光接收机 表10.2 发光二极管的类型及特点 第10章 光发射机与光接收机 激光器的模式有纵模和横模之分。在与激光器谐振腔轴平 行方向(即纵向)的电磁场分布(即模式)称为纵模；在与激光器谐 振腔轴垂直方向(即

11、横向)的电磁场分布(酱模式)称为横模。纵模 反映了激光器光强随波长的变化情况即光谱特性，激光器有多 纵模和单纵模之分。多纵模激光器输出的光谱中包含若干个纵 模，纵模在光谱中是一根根离散的线谱，不同纵模上的光能量( 即光强)分布是不同的，其中有一个纵模光强最大的称为主模， 主模旁边的其它纵模光强都较小的称为旁模或边模。单纵模激 光器只有一个纵模能够正常工作，其它纵模都受到抑制，是实 现单模工作的激光器。横模反映了激光器输出光束光强的空间 分布，即方向特性的集散程度，直接影响到光源与光纤的耦合 效率。 第10章 光发射机与光接收机 在实际应用中，为了使发射波长与光纤通信系统的低损耗 或低色散波长区

12、相吻合，光源又按发射波长分为两大类，即短 波长(0.80.9 m)波段光源和长波长(1.21.7 m)波段光源， 而 长波段光源又分为1.3m波长光源和1.55 m波长光源两种。 按照材料特性光源可分为两大类，即半导体光源器件和非 半导体光源器件。半导体光源器件包括发光二极管和半导体激 光器。 短波长半导体光源器件是利用AlGaAs/GaAs材料制成的 ， 而长波长半导体光源器件则是利用InGaAsP/InP材料制成的 。 两者都是多层外延， 形成双异质结。 第10章 光发射机与光接收机 10.1.3 半导体激光器的原理和结构 1. P-N结半导体激光器 P-N结半导体激光器也叫同质结半导体激

13、光器。 它是结构 最简单的半导体激光器。下面以GaAs激光器为例进行讨论。 GaAs激光器的结构如图 10.2 所示，它的核心部分是一个P-N结 。 P-N结由P+ GaAs 和N+GaAs构成， 激光就是由P - N结结区 发出的， 因此P - N结也叫作用区。 第10章 光发射机与光接收机 图 10.2 P-N结半导体激光器结构简图 第10章 光发射机与光接收机 P-N结的两个端面是按照晶体的天然解理面切开的，相当 于反射镜。它们的反射系数约为0.32，若将表面涂敷可得到很 高的反射系数。这就组成了光学谐振腔。典型的尺寸为长 L=250500 m, 宽W=510 m, 厚d=0.10.2

14、m。 半导体激光器在正向偏压下工作， 外加电压就是电的泵浦 源。在正向偏压的作用下，电子流不断注入P-N结，使P-N结的 载流子失去平衡而处于粒子数反转状态。当那些高能级上的粒 子向低能级跃迁时就发出光子。光学谐振腔起反馈及选频作用 ， 光束在这里来回反射而得到增强。当满足振荡条件时，就可 得到激光。 第10章 光发射机与光接收机 2. 异质结半导体激光器 异质结激光器分单异质结激光器和双异质结激光器。根据 工作波长的不同，所用的材料也不同。图10.3 给出了应用在 = 0.840.9m的单异质结激光器与双异质结激光器结构简图 。 它们是用GaAs材料与GaAlAs材料制成的。 第10章 光发

15、射机与光接收机 图 10.3 异质结半导体激光器的结构示意图 (a) 单异质结激光器； (b) 双异质结激光器 第10章 光发射机与光接收机 材料Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成的，叫 做砷镓铝三元素晶体。下标x与1-x是指AlAs与GaAs的比例。若 总数为1，则AlAs占x份，而GaAs占1-x份，P-Ga1-xAlxAs与n-Ga1- xAlxAs各代表P型与N型砷镓铝材料。为了简化，一般常用P- GaAlAs，N-GaAlAs这样的表示法，只有特殊需要时才标明其 x值。这种合成材料的折射率、禁带宽度、损耗等都与GaAs材 料不同，它与GaAs是不同的物质。 第

16、10章 光发射机与光接收机 在半导体激光器件中，异质结起着重要的作用。异质结是 由两种不同的材料构成的，在本例中是由GaAs和GaAlAs结合 而成的。根据形成异质结的两种材料的导电类型， 异质结又分 反型异质结与同型异质结两种。反型异质结是由导电类型相反 的两种不同材料形成的，例如由N型GaAs与P型GaAlAs或P型 GaAs与N型GaAlAs材料构成。前一种记为N-P GaAs-GaAlAs， 后一种记为P-N GaAs-GaAlAs。同型异质结是由导电类型相同 的两种不同材料形成的，例如由P-GaAs和P-GaAlAs或N-GaAs 和N-GaAlAs构成， 它们各记为P-P GaAs-GaAlAs和N-N GaAs- GaAlAs。 第10章 光发射机与光接收机 10.1.4 半导体激光器的特性 1. 伏安特性 半导体激光器通常在正向偏压下工作。当接通电源后，激 光器并不立即产生电流，而