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1、第三章通信用光器件,引言 半导体光电器件的工作原理 光源 光电检测器 光无源器件,引 言,引 言,光端机中实现电光和光电变换的主要部件是光电器件。 光发射机的光源（半导体激光器LD和发光二极管LED） 光接收机的光检测器（半导体光检测器PIN和APD）,半导体基础知识,物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 导体一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下，这些电子产生定向运动（称为漂移运动）形成电流，呈现出较好的导电特性。 高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶，塑料）最外层电子受原子核的束缚力很强，极
2、不易摆脱原子核的束缚，所以其导电能力很差，用作绝缘材料。 半导体材料，最外层电子既不像导体那样极易挣脱原子核的束缚，成为自由电子，也不象绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，因此，半导体的导电持性介于二者之间。,半导体基础知识,本征半导体 纯净晶体结构的半 导体称为本征半导体。常用的半导体材料是硅和锗，它们都是四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。,硅和锗的简化原子结构模型,半导体基础知识,半导体基础知识,杂质半导体之N型半导体： 在本征半导体中，掺入5价元素，如磷、锑、砷等，则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有5个价电子，因此它与周围1个硅(锗)原子组成共
3、价键时，还多余一个价电子。它不受共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为自由电子。 由于5价杂质原子可提供自由电子，故称为施主杂质。 N型半导体中自由电子称为多数载流子；空穴称为少数载流子。 这种杂质半导体中电子浓度远远大于空穴的浓度，主要靠电子导电，所以称为N型半导体。,半导体基础知识,杂质半导体之P型半导体： 在本征半导体中，掺入3价元素，如硼、镓、铟等，它将在某些位置取代硅(锗)，由于杂质原子的最外层只有3个价电子，当它和周围的硅(锗)原子组成共价键时，由于缺少一个电子，形成一个空位。其它共价键的电子，只需挣脱一个原子核的束缚，就转至空位上，形成空穴。因此
4、，在较少能量下就可形成空穴。 由于3价杂质原子可接受电子形成空穴，故称为受主杂质。 P型半导体中，自由电子称为少数载流子；空穴称为多数载流子。 这种杂质半导体中空穴浓度远远大于电子浓度，主要靠空穴导电，所以称为P型半导体。,半导体基础知识,PN结,半导体基础知识,扩散运动： P区的空穴的浓度远大于N区空穴的浓度，所以P区的空穴会向N区扩散，并与那里的电子复合。同样，N区的电子也会向P区扩散。 空间电荷区（称为耗尽层、阻挡层或势垒区）： 随着上述扩散运动的进行，紧靠接触面两侧留下的空间电荷量增多，空间电荷区增宽，同时，空间电荷形成的、由N区指向P区的内建电场也就增大。 这个电场一方面将阻止上述扩
5、散的进行，另一方面将使空间电荷区的空穴向P区漂移，自由电子向N区漂移。 随着内建电场的增加，扩散运动减弱，漂移运动加强。最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡。,半导体光电器件的工作原理,能级与能级跃迁,本征半导体材料的能带结构,半导体光电器件的工作原理,光辐射与光吸收,(1) 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。 (2) 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。 (3) 在高能级E
6、2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。,半导体光电器件的工作原理,光放大的基理：满足粒子数反转分布条件，即高能级的电子数大于低能级的电子数。,半导体光电器件的工作原理,电子在能级中的分布服从费米分布，即能级被电子占据的概率为：,半导体光电器件的工作原理,半导体中电子的统计分布,半导体光电器件的工作原理,PN结加上正向偏压时（发光原理）： 在势垒区产生一个与内建电场相反的电场，内建电场减弱。 它削弱了漂移运动，使扩散运动超过了漂移运动，形成了流过PN结的净扩散电流。 N区电子流向P区，在P区边界形成电子积累；P区空穴流向N区，在
7、N区边界形成空穴积累。,有源区,半导体光电器件的工作原理,PN结加上反向偏压时（光检测原理）： 反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致。 势垒区电场增强，增强了漂移运动，使结区内的少数载流子基本耗尽，成为耗尽区。 如果有光射入时，价带上的电子吸收光子而产生“电子空穴”对。 在电场的作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动而形成电流。 电流的大小正比于入射光强。,光源-激光器和发光二极管,对光源的基本要求,发射的光功率足够大，稳定度要高 调制方法简单，即响应速度要快 光源发光峰值波长与光纤低损耗窗口相匹配 光源发光谱线宽度窄，单色性好 光源与光纤间有较高的耦合效率 光源为低功率驱动，电光转换
8、效率高 可靠性好，保证24h 运转，工作稳定性好 温度特性好 光源体积小，重量轻，便于安装使用,光源的种类与特性,半导体光电器件的工作原理,光辐射与光吸收,半导体激光器,优点： 相干光(单色性好），谱宽窄，输出功率高，辐射角小（光束细），调制速率高。 形成激光振荡的条件 一是具有增益介质，可产生粒子数反转分布； 重掺杂的PN结在正向偏压作用下，可满足粒子数反转分布。 二是具有正反馈的光学谐振机制。 由激活区（有源层）两端的自然解理面(Cleaved Facets)构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔来提供。 利用有源区一侧的周期性波纹结构（光栅）提供光耦合来形成光振荡。,Ligh
9、t Amplification by Stimulated Emission of Radiation,F-P腔半导体激光器,P-N结半导体激光器的基本结构（同质结结构）,N,F-P腔半导体激光器,双异质（DH）结构 如果PN结由相同的材料通过不同的掺杂而构成，称之为同质结构。 发光效率不高。 在P型和N型材料中间加入一薄层带隙比两端材料小的半导体，就构成双异质结构。 夹层可以是本征半导体，也可以是P型或N型半导体。 对载流子有一定的限制作用，可增大载流子密度。 激活区的折射率比两端高，相当于一个光波导。,分布反馈（DFB）半导体激光器分布布拉格反射（DBR）半导体激光器,结构特点 激光振荡不
10、是由反射镜面提供，而是由折射率周期变化的波纹结构（光栅）提供。,分布反馈（DFB）激光器,布拉格反射原理 不同的反射光由于存在相位差而进行干涉，其相位差为波长的整数倍，成为布拉格反射条件； 只有满足布拉格反射条件的光波才能受到强烈反射，具有波长选择性，可实现动态单纵模性质。 DFB激光器的优点 单纵模振荡 谱线窄，波长稳定性好 动态谱线好（高速调制时，啁啾特性比F-P激光器有所改善） 线性度好,单纵模与多纵模,MQW多量子阱激光器,量子阱激光器与一般的双异质结激光器结构相似，只是有源区的厚度很薄仅为几十埃; 当有源区厚度极小时，电子就不能在层厚方向做自由运动，只能在层面内作横向运动，电子能量变
11、成一个个离散值，即呈现量子效应 。 MQW具有阈值电流低、功耗低、温度特性好、频率啁啾小，以及动态单模特性好等许多优点。,半导体激光器,LD的工作特性 P-I特性 温度特性 调制响应特性（瞬态特性） 激光噪声特性 光谱特性 空间分布特性,半导体激光器,LD的P-I特性 存在一个域值电流Ith。 当注入电流大于Ith时，输出功率随注入电流急剧增加，发射出激光； 当注入电流小于Ith时，LD发出的是光谱很宽、相干性很差的自发辐射光。 PI曲线的斜率表征着激光器的电光转换效率，可用功率效率和量子效率来衡量,半导体激光器,LD的P-I特性 P-I曲线的斜率表征着激光器的电光转换效率，可用功率效率和量子
12、效率来衡量 功率转换效率：激光器的输出光功率与器件消耗电功率之比 外微分量子效率: 激光器输出光子数的增量与输入电子数的增量之比,半导体激光器,LD的温度特性 LD是一个对温度很敏感的器件，它的输出功率随温度发生很大的变化。 影响P-I曲线的斜率 影响阈值电流 影响输出激光的波长(随温度增加向长波长方向漂移） 要采用致冷器使LD在恒温情况下工作。,半导体激光器,LD的调制响应特性 LD的调制响应特性决定了可以调制到半导体激光器上的最高信号频率。,激光器的驱动电路,电光延迟时间 张弛振荡 频率啁啾（Chirp) 自脉动现象,LD的动态特性,光脉冲的电光延迟和张弛振荡,增大偏置电流，可使张弛振荡幅
13、度减小，电光延迟时间缩短。,啁啾现象,输出光脉冲的自脉动,半导体激光器,LD的光谱特性 激光纵模 注入电流低于阈值时，属自发辐射，谱线较宽。 注入电流刚达到阈值时，激光器呈多纵模振荡。 随着注入电流的增加，主模的幅度增加，而边模的幅度减小，振荡数减少。 有些激光器，如分布反馈激光器、分布布喇格反射激光器等，在高注入电流时可呈现出单纵模振荡。,半导体激光器,LD的空间分布特性 激光横模 它表明激光光束的空间分布。 可用近场图和远场图来表示。 近场图主要表明激光器输出镜面上光强的分布。,发光二极管,LED的结构 它利用正向偏压下的PN结（双异质结），在激活区中载流子的复合而发出自发辐射的光，因此L
14、ED产生的是一种非相干光，其谱线较宽，辐射角也较大。 LED的主要优点 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。 LED的主要缺点 输出功率较小，发散角大，耦合效率低，谱线宽度较宽，调制频率较低。,发光二极管,面发光二极管 发光面与PN结的结平面平行 指向性角为12001200 边发光二极管 发光面与PN结的结平面垂直 指向性角为1200300,发光二极管(LED)的P - I特性,发光二极管的工作特性,P-I特性（温度特性） ： 注入电流较小时，P-I近似为线性关系；注入电流较大时，P-I曲线会出现饱和。 温度的变化对P-I特性的影响并不大。但温度升高时输出光功率降低
15、 LED内部发射功率可以达到几个mW，但因与光纤的耦合效率很低，入纤功率最大也只能达到100W左右。,发光二极管,光谱特性 可以证明，LED的谱宽随着发射波长的平方增加而增加。 0.85m的GaAsLED谱线宽一般为3050nm。 1.3m的InGaAsPLED谱线宽一般为5080nm。 由于光源的单色性较差，所以它只能用于容量较低的系统。,发光二级管,调制特性 用电流信号调制发光二极管时，调制信号的码率将受到LED响应特性的限制。 目前，InGaAsP LED可做到c=25ns，相应的调制带宽在50 140MHz的范围，改进的LED调制速率可达1GHz。,表 3.2分布反馈激光器(DFB -
16、 LD)一般性能,在光发射机中，光源发出的光信号要送入光纤中去，这就涉及到光源与光纤的耦合问题。 光源与光纤的耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。一般说来，LD与单模光纤的耦合效率可以达到30%50%，LED与单模光纤的耦合效率非常低，只有百分之几甚至更小。 影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高。此外，光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率。,半导体光源与光纤的耦合,LED与（多模）光纤的耦合,直接耦合 直接耦合是将光纤端面直接对准光源发光面进行耦合的方法。 当光源发光面积大于纤芯面积时，直接耦合的方法结构简单，但耦合效率低。,透镜耦合 当光源发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。,LED与光纤的耦合,面发光二极管与光纤的透镜耦合,直接耦合 透镜耦合 球端光纤耦合 光纤透镜耦合 自聚焦光纤透镜耦合,LD与光纤的耦合,激光器,光纤,LD与光纤的透镜耦合,光电检测器 -PIN和APD,对光电检测器
