第三章光源与光检测器

第三章光源与光检测器激光二极管LD

发光二极管LED半导体光源的物理基础光纤通信对光源的要求本节内容2问题的提出光纤通信系统中利用什么来携带信息?光纤通信系统中需要什么样的光源?3光源是光纤通信系统的关键器件，它产生光通信系统所需要的光载波，其特性的好坏直接影响光纤通信系统的性能。4光纤通信系统对光源的要求合适的发光波长；足够的输出功率；光谱宽度窄；温度特性好；可靠性高、寿命长；体积小，重量轻；输出效率高；聚光性好；调制方便；价格低廉。5需要什么样的光源实用光纤通信系统对光源有以下要求：（1）合适的发光波长光源的发光波长必须在光纤的低损耗区，包括0.85μm、1.31μm和1.55μm波长窗口。也就是说，光源的发光波长应与光纤的工作窗口相一致。在目前的光通信系统中作为第一窗口的0.85μm短波长窗口已基本不用，1.31μm的第二窗口正在大量应用，并且光纤通信系统正在逐渐向1.55μm的第三窗口转移。6需要什么样的光源（2）足够的输出功率光源的输出功率必须足够大，光源输出功率的大小直接影响光通信系统的中继距离。光源的输出功率越大，系统的中继续距离就越长。但这个结论是有条件的，即如果光源的输出功率太大，使光纤工作于非线性状态，则是光纤通信系统补允许的。当然，目前的问题不是光纤的功率太大，而是不够。因此，还应努力提高光源输入光纤的光功率，以增大中继距离。一般光源的输出功率大于1mW。7需要什么样的光源（3）可靠性高，寿命长光源的工作寿命长，通信才可靠。目前通信工程要求光源平均工作寿命为106小时（约100年），一般不允许中断通信。设一个通信系统中有10个光源，假如其中一个光源发生故障，会使整个系统中断工作。从故障的概率来说，该系统发生中断通信故障的时间间隔为10万小时（10年左右）。这是实用通信工程对元器件的要求。8需要什么样的光源（4）输出效率高输出光功率与所消耗的直流电功率的比值叫做输出效率。要求输出效率尽量高，即耗电尽量省，而且要在低电压下工作。这样，对无人中继站的供电就较方便了。目前输出效率的标准是大于10%，将来希望达到50%。9需要什么样的光源（5）光谱宽度窄光谱宽度是光源的发光波长范围。人们希望光波也能够和无线电波一样，只在一个频率振荡。实际上这很难做到，只能要求光谱尽量短。光源的光谱宽度直接影响到系统的传输带宽，它与光纤的色散效应相结合，就产生了噪声，影响系统的传输容量和中继距离。10需要什么样的光源（6）聚光性好要求光源发光尽量集中，汇聚到一点，尽可能多的把光送进光纤，即耦合效率高。这样进入光纤的功率大，系统中继距离就可增加。（7）调制方便调制即是把话音等信息附载在光波上。如何高效的用电信号来调制光波是决定系统成败的关键。11需要什么样的光源（8）价格低廉光纤通信系统在价格上低于其他现用系统，这与光源的可靠性和批量生产性直接相关。光源应该价格低廉，能批量生产，同时体积小、重量轻，便于在各种场合应用。12现用光源LD和LEDLD的优点：输出功率高、调制频带宽、发光谱线窄。LED的优点：线性好，使用寿命长，成本低。LED的确定：谱线宽度宽，调制速率较低，与光纤的耦合效率低。LD适用于长距离、大容量的传输系统。LED适用于短距离、小容量的传输系统。13半导体光源的物理基础光子与光波；原子的内能与能级；普朗克公式；光的吸收与辐射；半导体光源。14光量子学说1905年，爱因斯坦提出光量子学说，认为：

光是由能量为hf的光子组成的h=6.626×10-34J·S，称为普朗克常数，f是光波频率。整体性：携带信息的光波，它所具有的能量只能是hf的整数倍。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。15光的波粒两重性光具有波动、粒子两重性波动性和粒子性是不可分割的统一体它是指光在不同场合下表现出来两种同样属性：当光在空间传播时主要表现出波动性；当光与物质相互作用时，光的行为又表现出粒子性。16能级物质组成：分子、原子、电子。电子既绕原子核旋转，又作自旋运动。电子通过与外接交换能量从一种运动状态转变为另一种运动状态，对于每一种运动状态来说，都具有一定的内能（位能与动能之和）。内能是一些不连续的特定值，对应电子运动的特定轨道。这些特定轨道称为能级。17光与物质的三种作用形式光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射、受激吸收、受激辐射下面以两能级系统为例加以说明。设原子的两个能级为E1和E2。E1为低能级（价带）E2为高能级（导带）18处于高能级的电子是不稳定的，在未受到外界激发的情况下，自发地跃迁到低能级，在跃迁的过程中，根据能量守恒原理，发射出一个能量为hf的光子，发射出的光子能量为两个能级之差，即hf=E2-E1则发射光子的频率为f=（E2-E1）/h△E=E2-E1(禁带宽度)自发辐射19没有外界作用的条件下自发产生的。发射出光子的频率决定于所跃迁的能级。发生自发辐射的高能级不是一个，而是一系列的高能级时，辐射光子的频率，频率范围可能很宽。对于在相同的能级差间发生的跃迁，辐射出的光子也只是频率相同，发射方向和相位是各不相同的，因此是非相干光。例如LED发光和LD在外加小于阈值电流时。自发辐射20图3.1自发辐射hf12初态E2E1终态E2E1自发辐射21物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。受激吸收过程必须在外来光子的激发下才会产生，外来光子的能量必须等于电子跃迁的能级之差，即E=E2-E1=hf。显然，受激跃迁的过程中，没有多余的能量放出来。如光检测器受激吸收22受激吸收hf12初态E2E1终态E2E1

图3.2受激吸收能级和电子跃迁23处于高能级的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级，同时放出一个能量为hf的光子，由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。受激辐射24hf12初态E2E1终态E2E1图3.3受激辐射受激辐射25外来光子的能量等于跃迁的能级之差受激过程中发射出来的光子与外来光子：频率相同、相位相同、偏振方向相同、传播方向相同，称它们是全同光子。受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果而使光增强。这个过程使光得到放大。受激辐射的光放大作用，是产生激光的一个重要的基础概念。如LD激光器。

受激辐射的光放大26半导体激光二极管(LD)LD是一种光学自激振荡器，也是一种PN结。半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。产生受激辐射的基本条件：使光产生振荡使光得到一定的放大，放大量至少应当抵消所有可能存在的损耗同时还要有一定的机制使得振荡频率单纯和稳定。27产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布

(3.2)式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。28粒子数反转分布与光放大受激辐射能产生光放大，是产生激光的必要条件。在正常状态下，在热平衡系统中，低能级上的电子多，高能级上的电子少。在单位时间内，从高能级跃迁到低能级上的粒子数，总是少于从低能级跃迁到高能级上的粒子数。因此，这时受激吸收大于受激辐射。也就是说，在热平衡条件下的物质，不可能有光的放大作用。29粒子数反转分布与光放大要让物质能够产生光的放大，就必须使物质中的受激辐射作用大于受激吸收作用。必须使高能级上的电子多于低能级上的电子，这种粒子数反常状态的分布，称为粒子数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。30

图3.4半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体

在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。PN结的能带和电子分布31

图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布

式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。(3.3)32P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移

P-N结内载流子运动；图3.5PN结的能带和电子分布33势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env图3.6零偏压时P-N结的能带倾斜图34hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场图3.7正向偏压下P-N结能带图获得粒子数反转分布

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增益区的产生：在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。

36阈值条件光子的传播和反射等运动过程中要消耗一部分能量，光子向不希望的方向运动，会很快离开使光子总量减少。此外还有产生声子（晶格振动）的损耗等。无论如何，激活物质产生的光增益应足以抵消所有的损耗，振荡才可能发生。这里将振荡开始出现净增益的条件称为阈值条件（反映为阈值电流）。37选频机制构成一个振荡器，必须包括某种选频机构，一种最简单的选频结构是光学谐振腔。光学谐振腔能提供必要的反馈以及进行频率选择。在增益物质两端适当的位置，放置两个互相平行的反射镜，就构成了最简单的光学谐振腔，称为F-P腔。38图3.8激光器的构成和工作原理(a)激光振荡；(b)光反馈39选频机制当工作物质在向LD提供能量的泵浦源的作用下，变为激活物质以后，即有了放大作用，如果被放大的光有一部分能够反馈回来再参加激励，这就构成正反馈。被激励的光就可产生振荡，满足阈值条件后，即可发出激光。40选频机制谐振波长是光学谐振腔的重要参数。腔的尺寸远大于工作波长——腔内的电磁波可认为是均匀平面波。设从A点出发的平面波，垂直投射到反射镜M1，由M1反射后又垂直投射向M2。再回到A点时，如果它们之间的相位差是2π的整数倍，显然就达到了谐振。如果设L为谐振腔的长度，λ为谐振腔介质中光波的波长，则应有L=q×λ/2其中q=1，2，3，……41选频机制可得出光波长的表示式为λ=2L/q此式即为光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件。当光学谐振腔材料的折射率为n时，折算到真空的光学谐振腔的谐振波长为λ=2nL/q显然谐振波长与光学谐振腔材料的折射率n有关。当q不同时，可有不同的λ值，即有无穷多个谐振波长。42LD的结构N型解理面有源层金属接触层P型100μm100μm300μm大面积激光器电流43LD的结构和工作特性LD结构上是一种半导体PN结，可分为：同质结LD单异质结LD双异质结LD44同质结早期研制的激光器PN结两边材料相同，仅掺杂不同由结区发出激光对光场无限制作用要求阈值电流太高几乎不能在室温下工作45异质结结两边是由不同的半导体材料制成的。为了降低阈值电流，提高效率。46半导体激光器的结构示意图47LD的结构光纤通信用的LD大多是如图3.9所示的铟镓砷磷(InGaAsP)双异质结条形LD，由剖面图3.9中可以看出，它是由五层半导体材料构成。中间n---InGaAsP是发光的作用区，作用区的上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用区之间形成异质结。最下面一层n---InP是衬底，顶层P+---InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。顶层上面微米宽的窗口为条形电极。48InGaAsP双异质结条形激光器示意图49双异质结的特性窄带隙的有源区材料被夹在宽带隙的限制层中，带隙差形成的势垒对载流子有限制作用。折射率的分布满足导波条件折射率差5%左右，——强导波光场限制强室温连续工作5051异质结LD这种LD的优点是减小了注入电流，增加了发光强度。LD具有PN结的基本结构，在电路中的一般特性（主要是伏安特性）与二极管相似。但它具有特殊的光特性。52双异质结的特性P-N结的两个端面是按照晶体的天然解理面切开的天然解理面相当于反射面，一般反射系数为0.32天然解理面表面镀膜可以得到很高的反射系数，组成光学谐振腔53半导体激光器工作原理54实用LD的外形55LD的特性参数阈值特性光谱特性转换效率温度特性时间效应56阈值特性对于LD，当注入电流（外加正向电流）达到一定值时，将产生激光振荡，输出光功率将急剧增加，这个电流值称为阈值电流，用Ith表示。如图3.9所示，当I<Ith时，LD才发出激光。这个曲线即是LD的输出特性曲线，常称为P-I曲线。为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，希望阈值电流越小越好。目前，最好的半导体LD的阈值电流可小于10mA。57

图3.9典型半导体激光器的光功率特性(a)短波长AlGaAs/GaAs(b)长波长InGaAsP/InP58光谱特性光谱曲线最高点所对应的波长，为中心波长比最高点光功率低3dB（50%）时曲线上的宽度为谱线宽度。LD的光谱，随着激励电流而变化。当I<Ith时，发出的是荧光，因此，光谱很宽，其宽度常达数百倍。当I>Ith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。59光谱特性LD产生的激光有多模和单模。单模LD是指激光二极管发出的激光是单纵模多模LD是指激光二极管发出的激光是多纵模单模LD的谱线宽度可以做到0.1nm以下60

图3.10GaAlAs-DH激光器的光谱特性(a)直流驱动;(b)300Mb/s数字调制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)61转换效率LD是把电功率直接转换成光功率的器件衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示功率转换效率定义为：输出光功率与消耗的电功率之比。用ηp来表示。

ηp=R(1-Ith/I)/V其中：R是与LD的内部量子效率、激光波长和模式损耗有关的常数；V是工作电压；Ith是阈值电流；I是工作电流。62转换效率ηp

=R(1-Ith/I)/Vηp

=R(I-Ith)/IV与LD的内部量子效率，激光波长和模式损耗有关的常数光功率发光电流电功率63温度特性LD的阈值电流和光输出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，其变化情况如图所示。由曲线中可以看出，温度对LD的阈值电流影响很大，所以，为了使光纤通信系统稳定，可靠地工作，一般都要采用各种自动温度控制电路，来稳定LD的阈值电流和输出光功率。64图3.11

P-I曲线随温度的变化65时间效应另外，LD的阈值电流也和使用时间有关，随着激光管使用时间的增加，阈值电流也会逐渐加大。目前，国内制造的激光二极管芯片的寿命已达到106小时以上，经耦合、封装后的器件寿命可达到2×105小时以上。66LD的发光波长LD波长：λ=hc/(E2-E1)=1.2398/(E2-E1)禁带宽度决定LD的辐射波长通过选择半导体材料来改变从可见光到红外区67LD的发光波段短波长波段：采用GaAlAs/GaAs—LD材料以GaAs作为激活层改变GaAlAs中Al的含量来改变激光发射波长发射波长范围：0.75—0.92μm这种LD的使用寿命一般为10万小时。可用于传输距离长、传输速率较高(如140Mb/s)的系统。68LD的发光波段长波长波段InGaAsP/InP波长范围：1.0-1.7μmGaInAs/GaInP波长范围：1.06-1.70μmGaAsSb/GaAlSb波长范围：0.87-1.68μm通过改变各元素的含量改变激光波长发射光功率较大，输出功率为几μW到几mW谱线较窄(约3nm)与光纤耦合效率较高(可达50%左右)使用寿命有上105h以上69单纵模LD光纤的材料色散和波段色散与光源的谱线宽度成正比要求激光器的带宽越窄越好即要求激光器工作在单一纵模70半导体光源

光纤通信中使用的光源均为半导体光源。半导体材料与其他材料（金属与绝缘体）不同，它具有能带结构而不是能级结构。半导体材料的能带分为导带、价带与禁带。电子从高能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带，会释放光子而发光。半导体光源是由P型半导体材料和N型半导体材料制成，在两种材料的交界处形成了PN结。若在其两端加上正向偏置电压，则N区中的电子与P区中的空穴会流向PN结区并复合，复合时释放出能量等于禁带宽度的光子。71半导体光源中心辐射波长中心辐射波长由有源层的禁带宽度Eg决定：

Eg=E2－E1=hν=hc/λλ=hc/Eg=1.24/Eg(ev)(μm)短波长半导体光源：GaAsAlEg=1.424～1.549ev，其发光波长在0.81～0.87μm范围内。长波长半导体光源材料：InGaAsPEg=0.75～1.24ev，其发光波长在1.0～1.65μm范围内。

72光学谐振腔LPiPfR1R2反射面反射面腔体轴线12EfEi激光输出激光输出

如果谐振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件，那么谐振腔两端面之间来回反射的光在传播过程中不断激发出净受激辐射，由净受激辐射产生的光子加入到传播方向平行于共振腔的激发光行列中，这一过程使产生净受激跃迁的光场越来越强。73半导体激光器产生激光的条件

74LD的光谱特性75LD的优点发光谱线窄：仅有1～5nm，有的甚至小于1nm。波长和尺寸与光纤尺寸适配，与光纤的耦合效率高；尺寸小；响应速度快；可直接调制，相干性好。76LD的缺点温度特性较差；线性度较差；工作寿命较短。77使用半导体激光器的注意事项

激光器必须有保护电路，以防止电流过冲。电气设备在开关机时会产生很高的电压（电流）浪涌，很容易造成激光器损伤和失效。在各种场合下应防止激光器的静电击穿。在满足工作的要求前提下，应尽量低功率输出工作。

78发光二极管LED

发光二极管