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1、第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 1 1第第3 3章章 光源与光发送机光源与光发送机 光发送机是将电输入信号转换为相应的光信号的光电转发中心，是光发送机是将电输入信号转换为相应的光信号的光电转发中心，是各种光波系统的基本组成单元和决定光波系统性能的基本因素。各种光波系统的基本组成单元和决定光波系统性能的基本因素。 光发送机的光发送机的核心部件是光源核心部件是光源，光纤通信系统均采用半导体发光二极，光纤通信系统均采用半导体发光二极管管(LED)(LED)和激光二极管和激光二极管(LD)(LD)作为光源，这类光源具有尺寸小、耦合效率作为光源，这类光源具有尺寸小、耦合效率高、响应速度快、
2、波长和尺寸与光纤适配，并可在高速条件下直接调制高、响应速度快、波长和尺寸与光纤适配，并可在高速条件下直接调制等优点。等优点。 本章将专门讨论半导体光源的原理、结构、特性及由它构成的光发本章将专门讨论半导体光源的原理、结构、特性及由它构成的光发送机。送机。 2 2 在在光光纤纤通通信信系系统统中中，光光发发送送机机的的作作用用是是将将电电信信号号转转变变成成光光信信号号，并并有效地把光信号送入传输光纤。有效地把光信号送入传输光纤。 光发送机的核心是光源及其驱动电路。光发送机的核心是光源及其驱动电路。 光纤通信系统对光源的要求，主要有：光纤通信系统对光源的要求，主要有： (1) (1) 发射波长与
3、使用的光纤传输窗口波长一致；发射波长与使用的光纤传输窗口波长一致； (2) (2) 调制容易、线性好、带宽大；调制容易、线性好、带宽大； (3) (3) 输出谱窄，以降低光纤色散的影响；输出谱窄，以降低光纤色散的影响； (4) (4) 辐射角小，与光纤的耦合效率高；辐射角小，与光纤的耦合效率高； (5) (5) 寿命长、体积小、耗电省等。寿命长、体积小、耗电省等。3 3 能能满满足足上上述述要要求求且且已已广广泛泛应应用用于于光光纤纤通通信信系系统统中中的的是是两两种种半半导导体体光源：光源：发光二级管发光二级管(LED)(LED)和和激光二极管激光二极管(LD)(LD)。 这两种光源的主要区
4、别在于：这两种光源的主要区别在于：v LEDLED： 输出的是非相干光，其谱宽宽，入纤功率小，调制速率低；输出的是非相干光，其谱宽宽，入纤功率小，调制速率低；v LDLD： 是相干光输出，谱宽窄，入纤功率大，调制速率高。是相干光输出，谱宽窄，入纤功率大，调制速率高。 因此，因此， LEDLED适宜于短距离低速系统，适宜于短距离低速系统， LDLD适宜于长距离高速系统。适宜于长距离高速系统。4 43 3. .1 1 半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础 量量子子物物理理实实验验证证明明，原原子子是是由由原原子子核核和和绕绕核核旋旋转转的的电电子子组组成成，核核外外电电子子都都在在特特定定的的
5、能能级级中中运运动动，并并能能通通过过与与外外界界交交换换能能量量而而发发生生能能级级跃跃迁迁，若若交换的能量是光能，则称为光跃迁。交换的能量是光能，则称为光跃迁。光源的工作原理基于：光源的工作原理基于：光子的吸收光子的吸收自发发射自发发射 受激发射受激发射5 5 能级能级 E1: E1: 低低( (下下) )能级；能级； 能级能级E2 : E2 : 高高( (上上) )能级。能级。 按普朗克定律，按普朗克定律，原子在两个能级之间的跃迁是能量为原子在两个能级之间的跃迁是能量为 hfhfE2E2E1E1 的的光子被吸收和发射的过程。光子被吸收和发射的过程。 图3.1 原子的三种基本跃迁过程 6
6、61)1)光的自发发射光的自发发射 原子在高能级上是不稳定的，当它跃迁回低原子在高能级上是不稳定的，当它跃迁回低能级时，放出能量为能级时，放出能量为 hf 的光子，这是一种自发发的光子，这是一种自发发射过程（如图射过程（如图b）。）。 （3-1动画示意图）动画示意图） 3.1.1 3.1.1 发射与吸收速率发射与吸收速率 由由3.13.1图所示两能级原子系统，设图所示两能级原子系统，设N N1 1为基态为基态E E1 1原子密度，原子密度，N N2 2为激发态为激发态E E2 2原原子密度，子密度， 为辐射能量的谱密度。为辐射能量的谱密度。（3.1.1-13.1.1-1）式中式中A为常数为常数
7、自发发射速率为自发发射速率为7 7受激发射的速率为受激发射的速率为2)2)光的受激发光的受激发射射 若原子原来处于高能级上，这时又有能量若原子原来处于高能级上，这时又有能量为为 hfhf 的光子入射，在它的激发下原子返回低能的光子入射，在它的激发下原子返回低能级并发射光子。这级并发射光子。这发射的光子和入射光子具有相发射的光子和入射光子具有相同的状态同的状态( (能量、相位、偏振态等能量、相位、偏振态等) )，这样产生的，这样产生的发射称为受激发射（如图发射称为受激发射（如图c c）。）。 （3-2动画示意图）动画示意图）（3.1.1-23.1.1-2）式中式中B B为常数为常数8 8 在正常
8、情况下，原子处于低能级上，能量在正常情况下，原子处于低能级上，能量为为 hfhf 的入射光子被吸收后，原子从低能级跃的入射光子被吸收后，原子从低能级跃迁到高能级上（如图迁到高能级上（如图a a）。）。3)3)光的受激吸收光的受激吸收受激吸收的速率为受激吸收的速率为（3-3动画示意图）动画示意图）（3.1.1-33.1.1-3）式中式中 为常数为常数 9 9 为了产生受激发射为主的光发射，必须创造两个基本条件：为了产生受激发射为主的光发射，必须创造两个基本条件： (1) N(1) N2 2 N N1 1，即高能级的粒子数要远大于低能级的粒子数即高能级的粒子数要远大于低能级的粒子数 （热平衡状态下
9、是（热平衡状态下是 N N1 1 N N2 2），），这种条件称为这种条件称为粒子数反转粒子数反转。 (2)(2)足够高的辐射谱密度足够高的辐射谱密度 phph 。 （3.1.23.1.2）在热平衡时，原子分布遵守玻耳兹曼统计分布：在热平衡时，原子分布遵守玻耳兹曼统计分布：10103 3. .1.2 1.2 pnpn结的形成及其能带结构结的形成及其能带结构 1.PN1.PN结的形成结的形成 半导体光源的核心是半导体光源的核心是PNPN结，将结，将P P型半导体和型半导体和N N型半导体相接触就能形型半导体相接触就能形成成PNPN结。结。 P P 型半导体和型半导体和 N N 半导体是通过向半导
10、体掺入杂质而制成，杂质原子半导体是通过向半导体掺入杂质而制成，杂质原子与半导体原子相比有过剩的价电子或过少的价电子。与半导体原子相比有过剩的价电子或过少的价电子。 1111型半导体、型半导体能带示意图1212(1) (1) 本征半导体本征半导体 对本征半导体费密能级位于带隙中间，价带中所有位置都由电子填充对本征半导体费密能级位于带隙中间，价带中所有位置都由电子填充( (黑圆点黑圆点) )。而导带中所有位置都空着，如图。而导带中所有位置都空着，如图3.3(a)3.3(a)所示。所示。 1313 通过重掺杂（施主杂质）形成通过重掺杂（施主杂质）形成 N N 型半导体，对型半导体，对N N型半导体，
11、过剩电子型半导体，过剩电子占据了未掺杂占据了未掺杂( (本征本征) )半导体中空的导带，费密能级向导带移动，费密能级半导体中空的导带，费密能级向导带移动，费密能级位于导带内，这样的半导体称为兼并型位于导带内，这样的半导体称为兼并型N N型半导体，如图型半导体，如图3.3(b)3.3(b)所示。所示。 (2) N (2) N 型半导体型半导体1414n n型型半半导导体体当当本本征征半半导导体体掺掺杂杂时时，施施主主能能级级( (位位于于导导带带下下面面) )电电离离时时提提供供更更多多的的自自由由电电子子到到导导带带中中，其其导导电电特特性性决决定定于于导导带带电电子子，电电子子为为多多数载流
12、子，费米能级上升。数载流子，费米能级上升。 N N型型费米能级费米能级1515 通过重掺杂（受主杂质）形成通过重掺杂（受主杂质）形成 P P 型半导体，对型半导体，对P P型半导体，费密能级型半导体，费密能级向价带移动，并在重掺杂时位于价带内，称为兼并型向价带移动，并在重掺杂时位于价带内，称为兼并型P P型半导体，如图型半导体，如图3.3(c)3.3(c)所示。所示。 (3) P (3) P 型半导体型半导体1616p p型型半半导导体体当当本本征征半半导导体体掺掺杂杂时时，受受主主能能级级电电离离时时( (位位于于价价带带上上面面) )提提供供更更多多的的空空穴穴到到价价带带中中，其其导导电
13、电特特性性主主要要由由价价带带空空穴穴决决定定，空空穴穴为为多多数数载流子，且费米能级下降。载流子，且费米能级下降。 p型费米能级型费米能级导带导带价带价带1717 在在P P型半导体中存在大量带正电的空穴和等量的带负电的电子，但总型半导体中存在大量带正电的空穴和等量的带负电的电子，但总体上呈现电中性。同样在体上呈现电中性。同样在N N型半导体中带负电的电子和等量的带正电的空型半导体中带负电的电子和等量的带正电的空穴，也相互抵消，呈电中性。穴，也相互抵消，呈电中性。 (4) (4) 热平衡状态下的热平衡状态下的P P型和型和N N型半导体型半导体 统一的费统一的费米能级米能级 导带和价带被导带
14、和价带被能量为能量为 Eg 的禁带的禁带(带隙带隙)分开。对不分开。对不同的半导体材料，同的半导体材料，Eg 是不同的。是不同的。1818 当当 P P 型半导体和型半导体和 N N 型半导体形成型半导体形成 PN PN 结时，载流子的浓度差引结时，载流子的浓度差引起扩散运动，起扩散运动，P P 区的空穴向区的空穴向N N区扩散，剩下带负电的离子，从而在靠近区扩散，剩下带负电的离子，从而在靠近 PN PN 结界面的区域形成一个带负电的区域；结界面的区域形成一个带负电的区域； 同样，同样，N N区的电子向区的电子向 P P 区扩散，剩下带正电的离子，从而在靠近区扩散，剩下带正电的离子，从而在靠近
15、 PN PN 结界面的区域形成一个带正电的区域。结界面的区域形成一个带正电的区域。 载流子的扩散运动的结果形成了一个空间电荷区。载流子的扩散运动的结果形成了一个空间电荷区。 如图如图3.43.4所示。所示。 (5) PN(5) PN结的形成结的形成1919 PN结结的形成的形成（3-4p-n3-4p-n结形成示结形成示意图）意图） 图3.4 PN结空间电荷区的形成及载流子导向 2020 在在单单晶晶材材料料中中相相邻邻形形成成n n型型及及p p型型半半导导体体层层，构构成成p-np-n结结。由由于于两两边边载流子浓度的差别，多数载流子将载流子浓度的差别，多数载流子将扩散扩散通过结区。通过结区
16、。电子从电子从n np p扩散并填充扩散并填充p p区的区的空穴，在空穴，在n n区留下带正电的电区留下带正电的电离施主，形成正电荷区离施主，形成正电荷区空穴从空穴从p pn n扩散，在扩散，在p p区留区留下带负电的电离受主，形下带负电的电离受主，形成负电荷区成负电荷区 结区形成了由结区形成了由n区指向区指向p区的电场，区的电场，称内建电场。称内建电场。 它形成的势磊它形成的势磊阻止电子空穴进阻止电子空穴进一步扩散。如图一步扩散。如图d2121(6)(6) pnpn结正向偏置情况结正向偏置情况 当当pnpn结结正正向向偏偏置置，即即n n区区接接负负电电位位，p p区区接接正正电电位位时时，
17、耗耗尽尽区区的的宽宽度度及及势势垒高度都要下降。垒高度都要下降。v原来的热平衡状态破坏了，使原来的热平衡状态破坏了，使扩散作用增强扩散作用增强；vp p区和区和n n区的费米能级分离区的费米能级分离，可分别用所谓的准费米能级来描述空穴和电子可分别用所谓的准费米能级来描述空穴和电子 的分布规律；的分布规律；v有更多的有更多的n n区电子和区电子和p p区空穴扩散穿过区空穴扩散穿过pnpn结而进入相对的区域，大大增加了结而进入相对的区域，大大增加了少数载流子的浓度。少数载流子的浓度。2222(7)(7) pnpn结反向偏置情况结反向偏置情况 当当pnpn结结反反向向偏偏置置，即即n n型型材材料料
18、接接正正电电位位，而而p p型型材材料料接接负负电电位位时时，耗耗尽尽区区的宽度向的宽度向p p区及区及n n区分别扩展而加宽区分别扩展而加宽。v 有效地增高了势垒高度；有效地增高了势垒高度；v 阻止任何多数载流子（阻止任何多数载流子（扩扩散散）穿过结区；）穿过结区；v 少数载流子少数载流子（漂移漂移）仍可仍可在电场作用下穿过结区。在电场作用下穿过结区。自建场方向自建场方向23232. 2. pnpn结的能带结构结的能带结构（1 1） p p和和n n型型结构结构 无杂质及晶格缺陷的完善半导体称为本征半导体。无杂质及晶格缺陷的完善半导体称为本征半导体。 导带和价带被导带和价带被能量为能量为 E
19、g 的禁带的禁带(带隙带隙)分开。对不分开。对不同的半导体材料，同的半导体材料，Eg 是不同的。是不同的。 在绝对零度以上在绝对零度以上，热激励使部分电子从价带升到导带，并在价带留下，热激励使部分电子从价带升到导带，并在价带留下空穴。这些导带中的热激励电子和价带中的空穴称为载流子，它们使材料空穴。这些导带中的热激励电子和价带中的空穴称为载流子，它们使材料导电。导电。 （3-5 晶体能带示意图）晶体能带示意图） （3-63-6型半导体、型半导体能带图型半导体、型半导体能带图）2424p区和n区有统一的费米能级内建电场(耗尽区)PNp p区中的少数载流子区中的少数载流子( (电子电子) )向向n
20、n区区漂移。漂移。n n区中的少数载流子区中的少数载流子( (空穴空穴) )沿电场方向向沿电场方向向p p区漂移。区漂移。扩散和漂移形成反向电流，当两电流大小相等时，达到扩散和漂移形成反向电流，当两电流大小相等时，达到动态平衡扩散电动态平衡扩散电流流+ +漂移电流漂移电流0 0。2525图3.5 PN结的能带结构 (a)由电子占据的能带； (b) 热平衡状态下PN结的能带；(c) PN结加上正向电压时的能带。 2626 通通过过正正向向偏偏置置大大量量注注入入的的额额外外少少数数载载流流子子，将将与与带带有有相相反反电电荷荷的的多多数数载载流流子子复复合合。当当这这种种复复合合释释放放出出来来
21、的的能能量量以以光光子子表表现现，这这就就是是产产生生光光发射的物理机理发射的物理机理。 pnpn结在正向偏置下由电子注入产生光自发发射的现象称为结在正向偏置下由电子注入产生光自发发射的现象称为电致发光电致发光。 2727（2 2） 双异质双异质pnpn结结 光发射主要位于光发射主要位于pnpn结附近的势垒区内载流子发生复合的地方。但由结附近的势垒区内载流子发生复合的地方。但由于少数载流子的扩散长度通常远大于势垒宽度，在势垒区外也会发生复于少数载流子的扩散长度通常远大于势垒宽度，在势垒区外也会发生复合发光，也就是说这种光发射的范围宽、不集中、效率低。合发光，也就是说这种光发射的范围宽、不集中、
22、效率低。 因此，无论是因此，无论是LEDLED还是还是LDLD，都要对载流子及发射光施加附加的限制。都要对载流子及发射光施加附加的限制。 （a a）图图3.53.5所示的所示的PNPN结在结两边使用相同的半导体材料，称为同质结，结在结两边使用相同的半导体材料，称为同质结，这种结没有带隙差。这种结没有带隙差。 (b)(b)所谓异质结，就是由带隙宽度及折射率都不同的两种半导体材料所谓异质结，就是由带隙宽度及折射率都不同的两种半导体材料( (如如GaAsGaAs和和AIGaAsAIGaAs) )构成的构成的pnpn结。发光区域结。发光区域( (有源层有源层) )夹在两个异质结中，夹在两个异质结中，即
23、构成双异质结的发光器件。即构成双异质结的发光器件。 2828图图3.6 3.6 由窄带隙，高折射率中间层构成的由窄带隙，高折射率中间层构成的双异质结对载流子与光场的限制作用双异质结对载流子与光场的限制作用 中间中间n nGaAsGaAs为有源层，它为有源层，它与右边的与右边的n nGaAlAsGaAlAs构成一个异构成一个异质结，其质结，其势垒阻止空穴进入势垒阻止空穴进入n-n-GaGa0.80.8AlAl0.20.2AsAs区区。 有源层左边与有源层左边与p pGaAlAsGaAlAs也也构成一个异质结，其构成一个异质结，其势垒阻止势垒阻止电子进入电子进入p p区区。这样就把载流子。这样就把
24、载流子的复合很好地限定在了有源层的复合很好地限定在了有源层内。内。 有源层两边的折射率比有有源层两边的折射率比有源层低，它的光波导作用对光源层低，它的光波导作用对光场具有很好的约束，大大提高场具有很好的约束，大大提高了发光强度。了发光强度。2929 如图如图3.63.6所示，这种结称为双异质结，或简称异质结。所示，这种结称为双异质结，或简称异质结。 双异质结中带隙差的出现也使折射率差增大双异质结中带隙差的出现也使折射率差增大( (可达可达5%5%左右左右) )，使光场，使光场亦有效地限制在有源区。亦有效地限制在有源区。 载流子和光场的限制使激光器的阈值电流密度大大下降，可实现室载流子和光场的限
25、制使激光器的阈值电流密度大大下降，可实现室温连续工作。温连续工作。 目前光波系统中所用激光器多是双异质结结构。目前光波系统中所用激光器多是双异质结结构。 30303.1.3 3.1.3 载流子的复合流子的复合发光效率与寿命发光效率与寿命 如如前前述述，半半导导体体pnpn结结中中的的发发光光过过程程存存在在辐辐射射复复合合（释释放放能能量量）与与无无辐辐射射复复合合（损损耗耗）两两种种过过程程。为为了了衡衡量量它它们们的的相相对对大大小小，现现定定义义一一个个内内量量子子效效率率: :(3.1.13)(3.1.13)式中，式中， 为复合率；为复合率； 为辐射复合率；为辐射复合率； 为无辐射复合
26、率；为无辐射复合率；3131 半导体发光器件，如半导体发光器件，如LEDLED的内量子效率可做得很高，一般为的内量子效率可做得很高，一般为5050，最高接近最高接近100100。但实际光器件的输出光子数远低于有源层中产生的光子。但实际光器件的输出光子数远低于有源层中产生的光子数。原因如下：数。原因如下：一方面是由于发光区产生的光子，部分被材料吸收；一方面是由于发光区产生的光子，部分被材料吸收；另另一一方方面面是是由由于于半半导导体体材材料料的的高高折折射射率率(n(n3 34)4)，光光子子在在界界面面处处受受到到高反射，使能逸出界面的光子数大为减少。高反射，使能逸出界面的光子数大为减少。 通常用复合寿命通常用复合寿命rrrr 和和nrnr 来表示复合率，定义为来表示复合率，定义为（3.1.143.1.14）3232
