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1、光与物质作用的特性构成的光器件的发展摘 要 光器件是构成光纤通信系统和网络重要而关键的组成部分，尽管全球经济增长减缓，因特网（）和电信业有待复苏，但对光器件研究和开发的步伐并没有停止。本文以光与物质作用的特性构成的光器件的发展为主线，主要讨论几种有源光器件的发展过程。如发光器件（LD、LED 等）的发展过程、光敏器件（PD、PIN、APD 等）的发展过程、光放大器的发展过程，并对以上几种光器件的特点进行对比。关键词 光器件 发展1 .光有源器件光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。将电信号转换成光信号的器件称为光源，主要有半导体发光二
2、极管（LED）和激光二极管（LD） 。将光信号转换成电信号的器件称为光检测器，主要有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD） 。近年来，光纤放大器成为光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA） ，正在研究并很有应用前景的是拉曼光放大器。2 .发光器件发光器件主要包括半导体激光器(LD)和发光二极管（LED） 。2.1.半导体激光器（LD）半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状
3、态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器，一般是由 GaAS(砷化镓),InAS（砷化铟） ，Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用 N 型或 P 型半导体单晶（如 GaAS,InAs,InSb 等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用 N 型或者 P 型半导体单晶(如 PbS,CdS,ZhO 等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器
4、件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式 GaAs 二极管激光器。与其它激光器相比较,半导体激光器的主要特点是体积小、重量轻、功率转换效率高；可以通过改变温度、掺杂量、磁场、压力等实现调谐。其缺点是激光的发散角较大,单色性较差,输出功率亦较小。2.2. 发光二极管（LED）LED（Light Emitting Diode） ，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，
5、另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N 结” 。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是 LED 发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成 P-N结的材料决定的。半导体发光二极管（LED）是利用外电源向 PN 结注入电子来发光的。半导体发光二极管是由 P 型半导体形成的 P 层和 N 型半导体形成的 N 层，以及中间的由双异质结构成的有源层组成。有源层是发光区，其厚度为 0.10.2m 左右。 半导体发光二极管无谐振腔。所以，所发出的光不是激光，而
6、是荧光。LED 是外加正向电压工作的器件。在正向偏压作用下，N 区的电子将向正方向扩散，进入有源层，P 区的空穴也将向负方向扩散，进入有源层。进入有源层的电子和空穴由于异质结势垒的作用，而被封闭在有源层内，就形成了粒子数反转分布。这些在有源层内粒子数反转分布的电子，经跃迁与空穴复合时，将产生自发辐射光。LED 有很多优点。在低压、小电流下工作,功耗小、体积小、可直接与固体电路连接使用；稳定、可靠、寿命长；调制方便，通过调制 LED 的电流来调制光输出;光输出响应速度比较快；价格便宜。 应用 LED 可用作指示灯、文字-数字显示、光耦合器件、光通信系统光源等。3 .光敏器件光敏器件主要包括光电二
7、极管(PD),PIN 光电二极管（PIN） ，以及雪崩光电二极管（APD） 。3.1.光电二极管（PD）光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个 PN 结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使 PN 结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管
8、电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。3.2.PIN 光电二极管（PIN）在上述的光电二极管的 PN 结中间掺入一层浓度很低的 N 型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称 I 层，因此这种结构成为 PIN 光电二极管。I 层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在 I 层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在 I 层两侧是掺杂浓度很高的P 型和 N 型半导体，P 层和 N 层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度
9、。通过插入 I 层，增大耗尽区宽度达到了减小扩散分量的目的，但是过大的耗尽区宽度将延长光生载流子在耗尽区内的漂移时间，反而导致响应变慢，因此耗尽区宽度要合理选择。通过控制耗尽区的宽度可以改变 PIN 观点二极管的响应速度。一般 p-n 结的导电（较大的正向电流以及很小的反向电流）主要是由于少数 载流子在势垒区以外的两边扩散区中进行扩散所造成的；扩散区是不存在电场的电中性区。 在此实际上也就暗示着载流子渡越势垒区的速度很快， 即忽略了存在强电场的势垒区的阻挡 作用；当然，这种处理也只有在势垒区较薄（小于载流子的平均自由程）时才是允许的。而 对于势垒区厚度较大（载流子平均自由程）的 p-n 结，则
10、就需要考虑载流子在渡越势垒区 的过程中所造成的影响，这种影响主要就是将增加一定的产生-复合电流。但是，对于 pin 结，虽然它的空间电荷区是在 i 型层两头的很薄的区域，然而其势垒区 （存在内建电场的区域）却是整个的 i 型层，则其势垒区厚度必将远远大于载流子的平均自 由程，因此这时载流子渡越势垒区过程中的产生-复合作用就再也不能忽略了。实际上，pin 1 结的单向导电性也正是由于载流子渡越 i 型层的特殊过程（复合与产生的过程）所造成的； 相反，i 型层两边的扩散区却对于 pin 结导电性能的影响较小。总之，pin 结的导电性能与 i 型层中载流子的复合作用有很大的关系。3.3.雪崩光电二极
11、管（APD）雪崩光电二极管是一种 p-n 结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的 Read 二极管结构（即 N+PIP+型结构，P+一面接收光） ，工作时加较大的反向偏压，使得其达到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的 P 区和 I 区） 。在 APD 制造上，需要在器件表面加设保护环，以提高反向耐压性能；半导体材料以 Si 为优（广泛用于检测 0.9um 以下的光） ，但在检测 1um 以上的长波长光时则常用 Ge 和 InGaAs（噪音和暗电流较大） 。这种 APD 的缺点就是存在
12、有隧道电流倍增的过程，这将产生较大的散粒噪音（降低 p区掺杂，可减小隧道电流，但雪崩电压将要提高） 。一种改进的结构是所谓 SAM-APD：倍增区用较宽禁带宽度的材料（使得不吸收光） ，光吸收区用较窄禁带宽度的材料；这里由于采用了异质结，即可在不影响光吸收区的情况下来降低倍增区的掺杂浓度，使得其隧道电流得以减小（如果是突变异质结，因为 Ev 的存在，将使光生空穴有所积累而影响到器件的响应速度，这时可在突变异质结的中间插入一层缓变层来减小 Ev 的影响） 。4 .光放大器光放大器是光纤通信系统中能对光信号进行放大的一种子系统产品。光放大器的原理基本上是基于激光的受激辐射，通过将泵浦光的能量转变为
13、信号光的能量实现放大作用。光放大器自从1990 年代商业化以来已经深刻改变了光纤通信工业的现状。光放大器一般可以分为光纤放大器和半导体光放大器两种。光纤放大器还可以分为掺铒(Er)光纤放大器，掺镨(Pr)光纤放大器以及拉曼放大器等几种。其中掺铒光纤放大器工作于 1550nm 波长，已经广泛应用于光纤通信工业领域。掺镨的放大器可以工作于 1310nm 波长，但是由于转换效率不理想，现在仍然处于实验室研究阶段。拉曼放大器是近几年开始商用化的一种新型放大器，主要应用于需要分布式放大的场合。半导体光放大器结构小巧，方便集成，一直被很多人看好。但是由于偏振效应不太理想，一直没有大规模商用化。掺铒光纤放大
14、器（Erbium-doped Optical Fiber Amplifer， EDFA）的组成基本上包括了掺铒光纤，泵浦激光器，光合路器几个部分。基于不同的用途，掺铒光纤放大器已经发展出多种不同的结构。EDFA 的放大原理与雷射产生原理类似，光纤中参杂的稀土族元素 Er(3+)其亚稳态（meta-stable state）和基态（ground state）的能量差相当于1550nm 光子的能量。当吸收适当波长的泵浦光能量（980nm 或 1480nm）后，电子会从基态（跃迁到能阶较高的激发态（exciting state） ，接着释放少量能量转移到较稳定的亚稳态、在泵浦光源足够时铒离子的电子会发生居量反转（population reverse） ，即高能阶的亚稳态比能阶低的基态电子数量多、当适当的光信号通过时，亚稳态电子会发生受激辐射效应，放射出大量同波长光子、但因为存在振动能阶，所以波长不是单一而是一个范围，典型值为 15301570nm。参考文献 【1】王黎蒙，唐正国. 光纤通信中一些新型光器件的研究与发展现状, 中国电子科技集团公司第二十三研究所，上海.【2】杨希东. 光与物质相互作用的三种基本过程. 唐山师专学报, 1999.3.
