通信用光器件

1、1 2本章内容 光源：半导体激光器和发光二极管。 光电检测器：PIN和APD光电二极管。 无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。本章重点 激光器的工作原理。 光源和光电检测器工作原理及其工作特性。 无源光器件的功能及主要性能。本章难点 发光机理。3 了解半导体激光器的物理基础。 掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。 熟悉光源的驱动电路工作原理。 掌握光电检测器的工作原理及特性。 掌握无源光器件的功能及主要性能。4 光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。 半导体激光器（LD）

2、：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。 发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。53.1.1 激光器的工作原理 半导体激光器：半导体激光器：是向半导体是向半导体P-N结注入电流，实现结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。 1激光器的物理基础激光器的物理基础 （1）光子的概念）光子的概念 光量子学

3、说认为，光是由能量为光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，的光量子组成的，其中其中h=6.6281034 Js（焦耳（焦耳秒），称为普朗克常数，秒），称为普朗克常数，f 是光波频率，人们将这些光量子称为是光波频率，人们将这些光量子称为光子光子。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。被吸收或发射。6（2） 半导体的特性半导体的特性n自然界中的物质，依其导电能力的强弱，通常可分自然界中的物质，依其导电能力的强弱，通常可分为为3大类：大类：导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体。电阻率低于。电阻率低于10-4cm的物质为

4、导体，如铜、铝等。导体原子的最的物质为导体，如铜、铝等。导体原子的最外层电子数目少，很容易摆脱原子核束缚而形成自外层电子数目少，很容易摆脱原子核束缚而形成自由电子，在外电场作用下，这些自由电子将逆着电由电子，在外电场作用下，这些自由电子将逆着电场方向作定向运动形成较大的电流，因此导体的导场方向作定向运动形成较大的电流，因此导体的导电能力强。电能力强。n定义：定义：半导体是指导电性能介于导体（半导体是指导电性能介于导体（conductor）和绝缘体（和绝缘体（insulator）之间的一种物质。）之间的一种物质。 3.1.1 激光器的工作原理73.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理n半导体

5、材料：元素半导体：硅（半导体材料：元素半导体：硅（Si）、锗（）、锗（Ge）化合）化合物砷化镓（物砷化镓（GaAs）目前最常用的半导体材料是硅和锗。）目前最常用的半导体材料是硅和锗。n半导体重要特性：热敏特性半导体重要特性：热敏特性; 光敏特性光敏特性; 掺杂特性。掺杂特性。8+4+4+4+4+4+4+4+4+4硅单晶的共价键结构硅单晶的共价键结构http:/ 激光器的工作原理激光器的工作原理图3.1 硅和锗的原子结构和共价键结构 9n温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位束缚电子脱离共价键成为自由电

6、子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。置留有一个空位，称此空位为空穴。n 当温度上升或受光照时当温度上升或受光照时，价电子以热运动的形式，价电子以热运动的形式不断从外界获得一定的能量，少数价电子因获得的不断从外界获得一定的能量，少数价电子因获得的能量较大，而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，能量较大，而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原来的共价键的相应位置上留下一个空位，同时在原来的共价键的相应位置上留下一个空位，叫叫“空穴空穴”，如图，如图3.3的的A处为空穴，处为空穴，B处为自由电处为自由电子，显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以称子，显然，自由电子和空穴是成对出现的，所以

7、称它们为电子它们为电子空穴对。把在光或热的作用下，本征空穴对。把在光或热的作用下，本征半导体中产生电子半导体中产生电子空穴对的现象，叫本征激发。空穴对的现象，叫本征激发。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理103.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理11n那么当共价键中由于失去一个价电子而出现一个空那么当共价键中由于失去一个价电子而出现一个空穴时，如图穴时，如图3.3中中A处，与其相邻的价电子很容易离处，与其相邻的价电子很容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来所处的共价键中出现一个空穴，如图子原来所处的共价键中出现一个空

8、穴，如图1.3中中C处，这样空穴便从处，这样空穴便从A处移至处移至C处。处。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理123.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理13n本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图同。图3.2所示为本征激发所产生的电子空穴对，所示为本征激发所产生的电子空穴对，半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。形成电流。 本征半导体中，自由电子和空穴相伴本征半导体中，自由电子

9、和空穴相伴产生，数目相同。产生，数目相同。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理14n杂质半导体杂质半导体 N型半导体型半导体: 掺入掺入微量的微量的五价元素（杂质）五价元素（杂质）如磷如磷（P）、砷（）、砷（As）等，则构成）等，则构成N型半导体。型半导体。 形成一形成一个自由电子和不能移动的个自由电子和不能移动的正离子正离子。 P型半导体型半导体: 掺入掺入微量微量三价元素（杂质）三价元素（杂质）如硼如硼（B）、铟（）、铟（In）等，则构成）等，则构成P型半导体。型半导体。 形成一形成一个空穴和不能移动的个空穴和不能移动的负离子负离子。 P型半导体中，空穴型半导体中，空穴为多数载流子

10、（多子），自由电子为少数载流子为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。型半导体主要靠空穴导电。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理153.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理图3.4 N型半导体的共价键结构 16图3.5 P型半导体共价键结构 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理17n PN结的形成结的形成 多数载流子因浓度上的差异而形成的运动多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为称为扩散运动扩散运动，如图，如图3.6 所示。所示。图3.6P型和N型半导体交界处载流子的扩散 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理18n

11、 由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使的结果使P区和区和N区原来的电中性被破坏，在交界区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，结，如图如图3.7所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。空间电荷区为耗尽层。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作

12、原理19图3.7 PN结的形成 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理20n 空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从生一个从N区指向区指向P区的内电场。内电场的方向，区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和区的自由电子和N区区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动漂移运动。漂移。漂移

13、运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流结中无电流流过，过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。结的宽度保持一定而处于稳定状态。3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理21n如果在如果在PN结两端加上不同极性的电压，结两端加上不同极性的电压，PN结会呈结会呈现出不同的导电性能。现出不同的导电性能。nPN结外加正向电压，结外加正向电压，PN结结P端接高电位，端接高电位，N端接低端接低电位，称电位，称PN结外加正向电压，又称结外加正向电压，又称PN结正向偏置，结正向偏置，简称

14、为正偏，如图简称为正偏，如图3.8所示。所示。图3.8 PN结外加正向电压 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理22nPN结外加反向电压，结外加反向电压，PN结结P端接低电位，端接低电位，N端接高端接高电位，称电位，称PN结外加反向电压，又称结外加反向电压，又称PN结反向偏置，结反向偏置，简称为反偏，如图简称为反偏，如图3.9所示。所示。图3.9 PN结外加反向电压 3.1.1 激光器的工作原理激光器的工作原理23 （3）原子能级）原子能级 物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。构成。原子有不同稳定状态的

15、能级。 +32 图3.10 锗原子的结构模型锗原子的结构模型24最 低的能级低的能级E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级称为基态，能量比基态大的所有其他能级E i（i=2，3，4，）都称为激发态。当电子从较高能）都称为激发态。当电子从较高能级级E2跃迁至较低能级跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为时，其能级间的能量差为E =E2E1，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率射光的频率f 12之间有以下关系式之间有以下关系式 式中，式中，h为普朗克常数，为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。为吸收或辐射的光子频率。当处于低能级当

16、处于低能级E1 的电子受到一个光子能量的电子受到一个光子能量E =hf12的光的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级级E2 上去。上去。 光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象现象。1212hfEEE（3-1）25（4）半导体的能带半导体的能带n在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。能级变成能带。n在图在图3.11中，半

17、导体内部自由运动的电子中，半导体内部自由运动的电子(简称自由简称自由电子电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单表示，单位为电子伏特位为电子伏特(eV)。3.1.1 激光器的工作原理能级、导带，价带，禁带示意图：http:/ 半导体的能带结构半导体的能带结构3.1.1 激光器的工作原理27 （5）光与物质的三种作用形式）光与物质的三种作用形式 光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互

18、作用，将发光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图3-10所示。所示。图3-12 能级和电子跃迁28 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收收光电检测器。光电检测器。http:/ 处于高能级处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的上的

19、电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级作用，也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，这种跃迁称为自发辐射发光二极管。发光二极管。http:/ 29 在高能级在高能级E2上的电子，受到外界作用时（电压、上的电子，受到外界作用时（电压、电流、光子），使电子被迫跃迁到低能级电流、光子），使电子被迫跃迁到低能级E1 上与上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个相位、同方向的光子（称为全同光子）

20、。由于这个过程是在外来（电压、电流、光子过程是在外来（电压、电流、光子)的激发下产生的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射的，所以这种跃迁称为受激辐射激光器。激光器。http:/ 注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。30 （5）粒子数反转分布与光的放大）粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。受激辐射是产生激光的关键。 如设低能级上的粒子密度为如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度，高能级上的粒子密度为为N2，在正常状态下，在正常状态下， N1 N2，总是受激吸收大于受激，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下

21、，物质不可能有光的放大作用。辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使吸收，即使N2 N1 （高能级上的电子数多于低能级上的（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。要条件。31 2激光器的工作原理激光器的工作原理 激光器包括以下激光器包括以下3个部分：个部分： 必须有产生激

22、光的必须有产生激光的工作物质工作物质（激活物质）；（激活物质）； 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源激励源（泵浦源）；（泵浦源）； 必须有能够完成频率选择及反馈作用的必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。质或增益物质，它是产生激光的必要条件。 32 （2）泵浦源）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为使工作物质产生粒子数反转分

23、布的外界激励源，称为泵浦源。泵浦源。 物质在泵浦源的作用下，使得物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激辐射，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。激活，成为激活物质或增益物质。 （3）光学谐振腔）光学谐振腔 激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 激活物质和光学谐

24、振腔是产生激光振荡的必要条件。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。 33图3-13 光学谐振腔的结构 光学谐振腔的结构光学谐振腔的结构 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和和r2的平行反射镜的平行反射镜M1和和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图称为球面腔，如图3-13所示。对于两个反射镜，要求其中一个能所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射

25、。全反射，另一个为部分反射。34 谐振腔产生激光振荡过程谐振腔产生激光振荡过程 如图如图3-14所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。射才能存在，继续前进。 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放

26、出一个全同的光子，为受激辐射。在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一透射出来，形成一束笔直的激光。束笔直的激光。 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器

27、即保持稳定的输出。能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。35图3-14 激光器示意图激光器模型:http:/ 光学谐振腔的谐振条件与谐振频率光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为，则谐振腔的谐振条件为 （3-2）或或 （3-3） 式中，式中，c为光在真空中的速度，为光在真空中的速度，为激光波长，为激光波长，n为激活为激活物质的折射率，物质的折射率，L为光学谐振腔的腔长，为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3称称为纵模模数。为纵模模数。 谐振腔只对满足式（谐振腔只对满足式（3-2）的光波波长或式（）的光波波长或式（3-3）的）的光波频

28、率提供正反馈，使之在腔中互光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形相加强产生谐振形成激光。成激光。qnL2nLqf2cc37 起振的阈值条件起振的阈值条件 激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如以条件。如以G th表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是 （3-4） 为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振为光学谐振腔的腔长，腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。21th1ln21rrLG38 用半导体材

29、料作为工作物质的激光器，称为半导体激用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（光器（LD），对），对LD的要求如下。的要求如下。 光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即（即0.85m、1.31m和和1.55m）。）。 能够在室温下长时间连续工作，并能提供足够的光能够在室温下长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。目前输出功率。目前LD的尾纤输出功率可达的尾纤输出功率可达500W2mW；LED的尾纤输出功率可达的尾纤输出功率可达10W左右。左右。 与光纤耦合效率高。与光纤耦合效率高。 光源的谱线宽度要窄。较好的光源的谱线宽度要窄。

30、较好的LD的谱线宽度可达的谱线宽度可达到到0.1nm。 寿命长，工作稳定。寿命长，工作稳定。39 1半导体激光器的基本结构和工作原理半导体激光器的基本结构和工作原理 有两种方式构成的激光器：有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。）激光器。F-P腔激光器从结构上可分为腔激光器从结构上可分为3种，如种，如图图3-15所示。所示。图3-15 半导体激光器的结构示意图40 （1）同质结半导体激光器。）同质结半导体激光器。 其核心部分是一个其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。结，由结区发出激光。 缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能缺点是

31、阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。实用。 （2）异质半导体激光器）异质半导体激光器 异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种。两种。 异质半导体激光器的异质半导体激光器的“结结”是由不同的半导体材料制是由不同的半导体材料制成的，目的是降低阈值电流，提高效率。成的，目的是降低阈值电流，提高效率。 特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。增加了发光强度。 目前，光纤通信用的激光器大多采用如图目前，光纤通信用的激光器大多采用如图3-16所示的所示的铟镓砷磷（铟镓

32、砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。）双异质结条形激光器。41图3-16 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 nInGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层最下面一层nInP是衬底，顶层是衬底，顶层P+InGaAsP是接触层，其作用是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。是为了改善和金属电极的接触。http:/ （3）工作原理）工作原理 用半导体材料做成的激光器，当激光器的用半导体材料做成的激光器，当激

33、光器的P-N结上外结上外加的正向偏压足够大时，将使得加的正向偏压足够大时，将使得P-N结的结区出现了高能结的结区出现了高能级粒子多、低能级粒子少的分布状态，这即是粒子数反级粒子多、低能级粒子少的分布状态，这即是粒子数反转分布状态，这种状态将出现受激辐射大于受激吸收的转分布状态，这种状态将出现受激辐射大于受激吸收的情况，可产生光的放大作用。情况，可产生光的放大作用。 被放大的光在由被放大的光在由P-N结构成的结构成的F-P光学谐振腔（谐振腔光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的）中的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发

34、出激来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光光。P-N结半导体激光器产生激光的机理：http:/ 2半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性 （1）发射波长）发射波长 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式（，由式（3-1）得）得 hf = Eg （3-5） 式中式中f (Hz)和和(m)分别为发射光的频率和波长，分别为发射光的频率和波长，c=3108m/s， h=6.6281034 Js，leV=1.601019 J为电

35、为电子伏特，代入式（子伏特，代入式（3-5）得）得 (m) （3-6） 由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，因此根由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。cf)eV(24. 1gE44 （2）阈值特性）阈值特性 对于对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith 表示。如图表示。如图3-17所示。阈值电流越小越好。所示。阈值电流越小越好。图3-17

36、 典型半导体激光器的输出特性曲线 http:/ （3）光谱特性）光谱特性 LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当的光谱随着激励电流的变化而变化。当IIth时，发出的是荧时，发出的是荧光，光谱很宽，如图光，光谱很宽，如图3-18（a）所示。当）所示。当I Ith后，发射光谱突然变后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图3-18（b）所示）所示。图3-18 GaAlAs-GaAs激光器的光谱46 随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这

37、种变窄。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。激光器称为静态单纵模激光器。 普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图的单纵模谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图3-19（a）所示。而在高码速调制情况下，其线谱呈现多纵模）所示。而在高码速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图谱线。如图3-19（b）所示。）所示。 一般，用一般，用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，模激光器，要得到

38、高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如分布反馈半导体激光器必须改变激光器的结构，例如分布反馈半导体激光器（DFB-LD）。）。LD-F-P与 LD-DFB比较:http:/ GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱48 （4）转换效率）转换效率 半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率d表示，其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增表示，其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为量与注入电子数的增量之比，其表达式为 （3-7）由此得由此得 （3-8 ） 式中，式中，P为激光器的输出光功率；为

39、激光器的输出光功率；I为激光器的输出驱动为激光器的输出驱动电流，电流，Pth为激光器的阈值功率；为激光器的阈值功率；Ith为激光器的阈值电流；为激光器的阈值电流；hf 为光子能量；为光子能量；e为电子电荷。为电子电荷。ththththd/ )(/ )(IIPPeIIhfPPhfe)(thdthIIehfPP49 （5）温度特性）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大，其变化情况如图阈值电流随温度的升高而加大，其变化情况如图3-20所示。所示。图3-20 激光器阈值电流随温度变化的曲线5

40、0 3分布反馈半导体激光器（分布反馈半导体激光器（DFB-LD） DFB-LD是一种可以产生动态控制的单纵模激光器（称是一种可以产生动态控制的单纵模激光器（称为动态单纵模激光器），即在高速调制下仍然能单纵模为动态单纵模激光器），即在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器。它是在异质结激光器具有光放大工作的半导体激光器。它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的，作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的，如图如图3-21所示。所示。图3-21 DFB-LD结构示意图51分布反馈式激光器光栅结构：http:/ 4量子阱半导体激光器量子阱半导体激光器 量子阱半

41、导体激光器与一般双异质激光器类似，只是有源区的量子阱半导体激光器与一般双异质激光器类似，只是有源区的厚度很薄（几十埃），如图厚度很薄（几十埃），如图3-22所示。当有源区的厚度非常小时，所示。当有源区的厚度非常小时，在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效应的在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。激光器称为量子阱半导体激光器。图3-22 量子阱半导体激光器53 1LED的工作原理的工作原理 发光二极管（发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。它的基本工作原理是自发辐

42、射。 发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。出的是相干光。54 2LED的结构的结构 LED也多采用双异质结芯片，不同的是也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。阈值。 LED分为两大类：一类是面发光型分为两大类：一类是面发光

43、型LED，另一类是边，另一类是边发光型发光型LED，其结构示意图如图，其结构示意图如图3-23所示。所示。图3-23 常用的两类发光二极管（LED）55发光二极管的结构:http:/ 3LED的工作特性的工作特性 （1）光谱特性）光谱特性 LED谱线宽度谱线宽度比激光器宽得多。图比激光器宽得多。图3-24是是InGaAsP LED的输出光谱。的输出光谱。 图3-24 InGaAsP LED的发光光谱 57 （2）输出光功率特性）输出光功率特性 两种类型的两种类型的LED输出光功率特性如图输出光功率特性如图3-25所示。驱动电流所示。驱动电流I 较小较小时，时，P I 曲线的线性较好；当曲线的线

44、性较好；当I 过大时，由于过大时，由于P-N结发热而产生饱结发热而产生饱和现象，使和现象，使P I 曲线的斜率减小。曲线的斜率减小。图3-25 发光二极管（LED）的P I 特性http:/ （3）温度特性）温度特性 由于由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好。是无阈值器件，因此温度特性较好。 （4）耦合效率）耦合效率 由于由于LED发射出的光束的发散角较大，因此与光纤的耦发射出的光束的发散角较大，因此与光纤的耦合效率较低。一般只适于短距离传输。合效率较低。一般只适于短距离传输。 （5）调制特性）调制特性 调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED

45、截止截止频率为频率为20MHz30MHz，边发光型，边发光型LED截止频率为截止频率为100MHz150MHz。 比较：比较： LED与与LD相比，相比，LED输出光功率较小，谱线宽输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，使用性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。低廉。59 LED通常和多模光纤耦合，用于通常和多模光纤耦合，用于1.31m或或0.85m波波长的小容量、短距离的光通信系统。长的小容量、短距离的光通信系统。 LD通常和单模光纤耦合，用于通常

46、和单模光纤耦合，用于1.31m或或1.55m大容大容量、长距离光通信系统。量、长距离光通信系统。 分布反馈半导体激光器（分布反馈半导体激光器（DFB-LD）主要也和单模光）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55m超大容量的超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。60 光电检测器完成光光电检测器完成光/电信号的转换。对光检测器的基本电信号的转换。对光检测器的基本要求是：要求是： 在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输

47、出尽可能大的光电流；定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流； 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；统； 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；响； 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；失真； 具有较小的体积、较长的工作寿命等。具有较小的体积、较长的工作寿命等。 目前常用的半导体光电检测器有两种，目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管光电二极管和和APD雪崩光电二极管。雪崩光电二极管。61能级、导带，价带，禁带示意图

48、：http:/ 当入射光子能量当入射光子能量hf 小于小于禁带宽度禁带宽度Eg时，不论入射光有多强，光电时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件 hf Eg （3-9） 即光频即光频fc 的入射光是不能产生光电效应的，将的入射光是不能产生光电效应的，将fc 转换为转换为波长，则波长，则 c= 。即只有波长。即只有波长 c 的入射光，才能使这种材的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故料产生光生载流子，故c 为产生光电效应的入射光的最大波长，又为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的称为截至波长，相应

49、的fc 称为截至频率。称为截至频率。hEggEhc62hEggEhc图3-26 半导体材料的光电效应n-p能带图：能带图：http:/ PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、型、N型半导体之间，加型半导体之间，加一层轻掺杂的一层轻掺杂的N型材料，称为型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图3-27（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图图3-27（

50、b）所示。）所示。图3-27 PIN光电二极管64PIN光电二极管的结构：http:/ 雪崩光电二极管，又称雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。它不）。它不但具有光但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。管子内部的雪崩倍增效应完成的。1APD的结构的结构 目前目前APD结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。结构型式，有保护环型和拉通（又称通达）型。 保护环型在制作时淀积一层环形保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使型材料，以防止在高反压时使

51、P-N结边缘产生雪崩击穿。结边缘产生雪崩击穿。 拉通型雪崩光电二极管（拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电场分布如图）的结构示意图和电场分布如图3-25所示。图所示。图3-17（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图）所示的是纵向剖面的结构示意图。图3-28（b）所示的是将纵向剖面顺时针转）所示的是将纵向剖面顺时针转90的示意图。图的示意图。图3-28（c）所）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。示的是它的电场强度随位置变化的分布图。 APD随使用的材料不同有几种：随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；（工作在短波长区）；Ge-APD和和InGaAs-APD（工

52、作在长波长区）等。（工作在长波长区）等。 66图3-28 RAPD的结构图和能带示意图APD结构：http:/ APD的雪崩倍增效应，是在二极管的的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，在结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到了能量；越过禁带到导带，产生了新的电子过禁带到导带，产生了新的电子空穴对；新产生的电子空穴对；新产生的电子空穴对空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新

53、的电子在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对空穴对如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。如此循环下去，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。 APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。雪崩倍增效应示意图：http:/ PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。流。 APD管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。性等。 1PIN光电二极管的特性光电二极管的特性 （1）响应度和量子效率）响应

54、度和量子效率 响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。 响应度响应度 响应度定义响应度定义 （A/W）（3-10） 其中，其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到为入射到光电二极管上的平均光功率。光电二极管上的平均光功率。 inpPIR 69 量子效率量子效率 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即间内产生的光电子数与入射光子数之比，即 （3-11） 其中，其中，e为电子电荷，为电子电荷，hf

55、 为一个光子的能量，为一个光子的能量， （3-12） 式中式中 m/s为光速，为光速， s为普朗克常数。为普朗克常数。 也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波长）有关。图长）有关。图3-29为硅为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。雪崩管的量子效率与波长的关系。inpinpPIhfPeI入射光子数目空穴对数目子光电转换产生的有效电Rehfehf 24. 1chehfeR8103cJ10628. 634h70图3-29为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。71 （2）响应时间）响应时间 响应速度是指半导体光电二极管产生的光

56、电流跟随入响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。显然响应时间越短越好。和下降时间）来表示。显然响应时间越短越好。 （3）暗电流）暗电流 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励等，在无光情况下，光流输出。但是实际上由于热激励等，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。 严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。暗电严格地说，暗电流还应

57、包括器件表面的漏电流。暗电流会引起接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越流会引起接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。好。72 2APD的特性的特性 APD除了除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。特性等。 （1）倍增因子）倍增因子 倍增因子倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响的条件下，它定义为的条件下，它定义为 g=I0/Ip （3-13） I0为有雪崩倍增时光电流平均值，为有雪崩倍增时光电流平均值，Ip为无倍增效应时为无倍增效应时光电流平均值。光电流平均值。PIN管由于无雪崩倍增作用，

58、所以管由于无雪崩倍增作用，所以g=1。 （2）温度特性）温度特性 随着温度的升高，倍增增益将下降。随着温度的升高，倍增增益将下降。 （3）噪声特性）噪声特性 PIN管的噪声，主要为量子噪声和暗电流噪声，管的噪声，主要为量子噪声和暗电流噪声，APD管还有倍增噪声。管还有倍增噪声。73 无源光器件是除光源器件、光检波器件之外不需要电无源光器件是除光源器件、光检波器件之外不需要电源的光通路部件。源的光通路部件。 无源光器件可分为无源光器件可分为连接用的部件和功能性部件连接用的部件和功能性部件两大类。两大类。 连接用的部件有连接用的部件有各种光连接器，用做光纤和光纤、部各种光连接器，用做光纤和光纤、部

59、件（设备）和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的件（设备）和光纤、或部件（设备）和部件（设备）的连接。连接。 功能性部件有功能性部件有分路器、耦合器、光合波分波器、光衰分路器、耦合器、光合波分波器、光衰减器、光开关和光隔离器等，用于光的分路、耦合、复减器、光开关和光隔离器等，用于光的分路、耦合、复用、衰减等方面。用、衰减等方面。74 光纤连接器，俗称活接头，光纤连接器，俗称活接头，ITU-T建议将其定义为建议将其定义为“用以稳定用以稳定地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件地，但并不是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”。 光纤连接器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设光纤连接

60、器主要用于实现系统中设备与设备、设备与仪表、设备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。备与光纤及光纤与光纤的非永久性固定连接等。 （1）光纤连接器的基本构成）光纤连接器的基本构成 由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。如图3-30所示。所示。图3-30光纤活动连接器基本结构75 （2）光纤连接器的分类）光纤连接器的分类 光纤连接器按光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、光纤连接器按光纤数量、光耦合系统、机械耦合系统、套管结构和紧固方式进行分类