光纤通信-第3章 光源与光检测器

第3章光源与光检测器3.1半导体LD的工作原理3.2输出光功率及光源与光纤的耦合3.3LD的温度特性与自动温度控制3.4LD的输出光功率稳定性与自动功率控制3.5半导体LED3.6光检测器3.7PIN3.8APD习题三

3.1半导体LD的工作原理

3.1.1光放大

1.受激辐射的概念大家已经知道，任何一个物理系统如原子内部的电子是处于不同的能量轨道上的，电子在每一个这样的轨道上运动时具有确定的能量，称为原子的一个能级。能级图就是用一系列的水平横线来表示原子内部的能量关系的。当原子中的电子与外界有能量交换时，电子就在不同的能级之间跃迁，并伴随有能量如光能、热能等的吸收与释放。

考虑一个具有二能级的原子系统，能级为E1和E2，且E2>E1，如果照在其上的光波频率为fc，且光子的能量hfc满足hfc=E2-E1,h为普郎克常数，则引起原子在不同的能级E1和E2之间的跃迁，E1→E2

和E2→E1之间的跃迁是同时发生的。原子吸收了光子的能量从E1跃迁到E2，原子从E2跃迁到E1放出一个光子，其能量与入射光子的能量hfc一样，前者称为受激吸收，后者称为受激辐射，它与自发辐射是不同的，它们合称为光与物质之间的三种相互作用,即自发辐射、受激吸收、受激辐射。如果受激辐射超过受激吸收而占主导地位，则入射的光信号会引起E2→E1之间的跃迁多于E1→E2

之间的跃迁，导致了能量为hfc的光子数的净增加，入射的光信号得到了放大，如图3.1所示；否则，光信号将被衰减。图3.1二能级原子系统的受激辐射与吸收根据物理学原理可知，每个原子的E1→E2的跃迁速率和E2→E1的跃迁速率是一样的，可以用r表示。如果假设能级E1和E2上的粒子数（电子的数目）分别为N1和N2，则功率净增益（单位时间的能量）为（N2-N1）hfc。显然，如果要实现信号放大，该值必为正,即（N2-N1）>0,

N2>N1。这一条件称为粒子数反转分布。之所以称为粒子数反转分布，是因为在正常热平衡状态下，低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2的,

入射的光信号总是被吸收。

2.半导体光放大（器）尽管半导体光放大器用来放大光信号时的性能不如EDFA放大器，但实际上对它的研究比EDFA还早。人们发现它除了用于光放大之外还可用于光开关、波长变换器,所以学习它也是理解半导体激光器的基础。

图3.2给出了半导体光放大器SOA的框图。SOA实际上是一个PN结，由下面的分析可知，中间的耗尽层实际上充当了有源区，当光通过有源区时，光由于受激辐射而得到了放大。由于放大器的增益是波长的函数。图3.2半导体光放大器的结构在粒子数反转分布情况下，导带中的电子数是很多的，这时如有光照射，将有更多的电子通过受激辐射从导带跃迁到价带（当然是与通过受激吸收从价带跃迁到导带的电子数相比），实际上这就是半导体光放大器产生光增益或粒子数反转的条件。图3.3P型半导体的能带和电子数

(a)热平衡;(b)粒子数反转图3.4用作放大器的正向偏置的ＰＮ结

(a)ＰＮ结；(b)没有正向偏置电压时的少数载流子和耗尽层；

(c)施加正向偏置电压Uf时的少数载流子和耗尽层

半导体的粒子数反转分布可以通过对PN结加正向偏压来实现。

PN结由P型和N型半导体组成。P型半导体是在半导体中掺入合适的原子，如III族的磷P，使它有多余的空穴。相反，N型半导体中掺入合适的原子，如VI族的铟In，使其有多余的电子。当正向偏置电压足够大时，增加的少数载流子引起了粒子数反转，因此，ＰＮ结可用作光放大器。实际中很少使用简单的ＰＮ结。在ＰＮ结之间有一很薄的半导体材料，它与ＰＮ结的半导体材料相异，这种结构称为异质结。中间一层半导体形成了一个有源区或层，它与Ｐ型或Ｎ型半导体材料相比，其禁带宽度较小，而折射率较高。高的折射率使这种结构构成了一个电介质波导，在放大时有利于将光限制在有源区内。

半导体光放大器中的粒子数反转分布条件（受激辐射超过吸收）是波长或频率的函数，如入射光波的频率为fc，则满足hfc>Eg(Eg为半导体的禁带宽度)。如果与Eg对应的最低光频即最长光波长能够放大，则随着正向偏压的加大，该波长的粒子数反转分布条件首先满足，随着正向偏置电压的加大,注入的电子占据了Ｐ型半导体的高能级，这时短波长的信号开始放大。实际上半导体SOA的放大带宽可达100nm，可以同时放大1.30μm、1.55μm窗口的信号。

3.1.2F-P腔半导体激光器半导体激光器是光纤通信最主要的光源，它实际上是置于一个反射腔之内的光放大器。反射腔通过正反馈使放大器产生振荡。半导体激光器的增益介质是正向偏置的PN

结。如果将放大器置于如图3.5所示的F-P腔内，就构成了一个F-P腔放大器。F-P腔实际上是由两个平行的平面反射镜构成的，它使得只有与腔内谐振波长相对应的波的增益增高。换句话说,F-P腔具有波长选择性。图3.5所示的F-P腔，其右端面将一部分光透射过去，另一部分光被反射回来后在其左端面又反射回来。与腔内谐振波长相对应，通过右端面发送出去的所有光波其相位相互叠加。相位叠加的结果是发送出去的光波其幅度比其他波长的光波得到了很大的增强，因而，端面的部分反射作用使光放大器的增益变成了波长的函数。图3.5F-P光学谐振腔如果增益介质的增益和镜面的反射率足够高的话，光放大器将形成振荡，即使在没有输入光信号的情况下也将有光信号输出。对于给定的器件，产生激光输出的条件称为阈值条件。输入在阈值以上，器件已不是放大器，而是一个振荡器或激光器。这主要是因为放大器带宽内存在所有波长的自发辐射光信号，即使在没有光信号输入时，由于腔的选择性而有相应波长的光信号输出。

3.2输出光功率及光源与光纤的耦合

LD的输出光功率是随着注入电流的不同而改变的。注入电流常用毫安(mA)来表示，光功率的单位为毫瓦(mW),但实际工程应用中常用分贝(dBm)来表示。其定义为

3.2.1阈值特性半导体激光器是一阈值器件，它的工作状态，随注入电流的不同而不同。当注入电流较小时，激活区不能实现粒子数反转，自发发射占主导地位，激光器发射普通的荧光。注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全（反射系统<100%）等引起的谐振腔的损耗时，不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。

注入电流量的增加，激活区里实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位。当注入电流大于阈值电流时，才能产生功率很强的激光。

3.2.2注入电流(I)与光功率(P)响应特性从光与物质相互作用的角度看，半导体激光器的特性是腔内光场与电子空穴对相互作用的结果。它与注入载流子密度和产生的光子密度变化有关。理想的激光器的输出光功率(P)和注入电流(I)之间的关系曲线如图所示图3.6LD的P-I曲线

3.2.3光源与光纤的耦合

怎样把光源发出的光有效地耦合进光纤是光发送机设计的一个重要问题。光源和光纤耦合的好坏可以用耦合效率η来衡量，它的定义为式中，PF为耦合入光纤的功率，PS为光源发射的功率。η的大小取决于光源和光纤的类型，LED和单模光纤的耦合效率较低，LED和单模光纤的耦合效率更低。光源和一小段（约长1m）光纤耦合时，耦合区封装在光发送机里，另一端为自由端，称为尾纤，使用时将尾纤与系统（光缆）对接或用活动连接器将尾纤与系统光纤连接。影响光源与光纤耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径（NA）。发散角越大，耦合效率越低；数值孔径NA越大，耦合效率越高。此外，光源的发光面、光纤端面尺寸、形状以及二者间距都会直接影响耦合效率。针对不同的因素，通常用两种方法来实现光源与光纤的耦合，即直接耦合和透镜耦合。直接耦合就是将光纤端面直接对准光源发光面。其结构简单但耦合效率较低。面发光二极管与光纤的耦合效率只有2%～4%。半导体激光器的光束发散角比面发光二极管小得多，与光纤的直接耦合效率约为10%。当光源的发光面积大于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置聚焦透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。单模光纤的纤芯较细，模斑尺寸小，所以半导体激光器与单模光纤的耦合更困难。为了提高耦合效率，可以利用透镜来改变光源的光斑尺寸，使之与光纤的光斑尺寸一致。可以采用高频电弧放电或化学腐蚀方法在光纤端面形成一个半球透镜。这种方法可以使耦合效率达到50%～60%。

3.3LD的温度特性与自动温度控制（ATC）我们知道,LD的P-I特性曲线是选择半导体激光器的重要依据。图3.12是激光器输出功率与注入电流的关系曲线。从图中可以看出，温度对半导体激光器的阈值电流Ith和输出功率都有影响。图3.121.3μm激光器输出功率与注入电流的关系曲线可以用下面的经验公式表示Ith随温度的变化：

其中,I0为常数，T0为特征温度，表示激光器对温度的敏感程度。对于长波长InGaAsP激光器，T0的典型值为50～70K；对于短波长的GaAs激光器，T0>120K。可见InGaAsP激光器对温度较敏感。

LD在高温环境下工作也会影响它的寿命，而且LD的发射波长也会产生变化，以至影响数字光纤通信系统的正常工作，所以在光发送机电路中需要对LD的温度进行控制。一般采用两种方法来进行温度控制：一种是环境温度控制法，另一种是对LD进行自动温度控制（ATC）。环境温度控制主要对通信机房的温度进行调控，这种方法对环境温度要求过高，显然不合适。目前在数字光纤通信中对LD进行自动温度控制一般采取半导体制冷器控制方式。半导体制冷的制冷器由特殊的半导体材料制成，当其通过直流电流时，一端制冷（吸热），另一端放热。在LD的组件中，将制冷器的冷端贴在LD的热沉上，测试用的热敏电阻也贴在热沉上，通过温度自动控制电路控制通过制冷器的电流，就可以控制LD的工作温度，从而达到自动温度控制的预期效果。

3.4LD的输出光功率稳定性与

自动功率控制

LD稳定的输出功率对光发送机来说非常重要，所以要通过自动功率控制（APC）来实现光功率的稳定输出。

APC的主要功能是自动补偿LD由于环境温度变化和老化效应而引起的输出光功率的变化，保持其输出光功率不变，或保持其变化幅度不超过数字光纤通信工程设计要求的指标范围。另外，自动控制光发送机的输入信号码流中长连“0”序列或无信号输入时使LD不发激光而发荧光。这样就有效地保护了LD不致因为过高的直流光而受到损害，这对延长LD的工作寿命也十分有益。采用APC，可以在10～50°C的温度变化范围内，可控制输出光功率变化小于5%。3.5半导体LED

3.5.1LED的结构

LED主要有五种结构类型，但在光纤通信中获得了广泛应用的只有两种，即面发光二极管(SLED)和边发光二极管(ELED)。另三种LED为平面LED、圆顶形LED和超发光LED,其中前两种发光强度低，在采用价廉的塑料封装后，可作为可见光及近红外的显示、报警、计算及其他工业应用。

面发光二极管大小与光纤纤芯面积相当(直径为40～50μm)。有很宽的角向分布，半功率点束宽θ‖=θ⊥≈120°。因此，它与光纤的直接耦合效率很低，仅有约4%。为了提高耦合效率，可在发光面与光纤之间形成微透镜，从而使入纤功率提高2～3倍。

3.5.2LED的特性

1.P-I特性

LED的输出光功率P与电流I的关系即P-I特性如图3.26所示。LED是非阈值器件，其发光功率随工作电流的增大而增大，并在大电流时逐渐饱和。LED的工作电流通常为50～100mA，这时偏置电压为1.2～1.8V，输出功率约为几毫瓦。工作温度提高时，同样工作电流下LED的输出功率要下降。例如当温度从20℃提高到70℃时，输出功率将下降约一半。但相对LD而言，温度的影响较小。图3.26LED的特性

2.频谱特性如前所述，LED的工作基于半导体的自发辐射。半导体材料的导带和价带都有许多不同的能级。因此，LED的发射波长在其中心值附近占据较大的范围。定义光强下降一半的两点间波长变化为输出谱线宽度(半功率点全宽FWHM），这就是光源的线宽,在室温下，短波长LED的线宽约为25～40nm，长波长LED的线宽则可达75～100nm。图3.27导带和价带能级间的光发射和线宽（a）光发射;（b）线宽

LED的线宽与许多因素有关。首先，线宽随有源层掺杂浓度的增加而变宽。通常，SLED为重掺杂，ELED为轻掺杂，因此ELED的线宽稍窄。其次,载流子在高温下有更宽的能量分布，因此，LED线宽随温度升高而加宽。大电流时，因结温升高而线宽加大，同时峰值波长向长波长移动，移动速度为0.2～0.3nm/℃（短波长器件）或0.3～0.5nm/℃(长波长器件)，因此，光纤色散的影响较严重，限制了传输距离和速率。

3.调制特性

LED的光功率输出可直接由信号电流来调制。在数字调制时，它可由电流源直接调制；在模拟调制时，则先要将LED直流偏置。从LED的P-I特性可知，当注入电流小时，其线性相当好；当注入电流较大时，由于PN结发热而逐渐出现饱和。因此，即使对于线性要求较高的模拟传输来说，LED工作在线性区时也是非常合适的光源。但若是对线性要求特别高，则常常需要进行线性补偿。

3.6光检测器光检测器的基本工作原理如图3.28所示。光检测器由半导体材料制成，当光照射到其表面时，价带中的电子吸收光子，获得能量的电子跃迁到导带，同时在价带中留下了空穴。在外加偏置电压的情况下，电子空穴对的运动形成了电流，这个电流常称为光生电流。图3.28半导体光检测器的原理

3.6.1波长响应

根据量子力学原理可知，每个在能级之间跃迁的电子只能吸收一个光子。要产生光电流,入射光子的能量必须至少等于禁带宽度，如图3.28所示，这导致了对光频率fc或波长λ的限制。设半导体材料的禁带宽度为Eg，则式中,c为光速，e为电子电荷。满足该限制条件的最大波长称为截止波长λ截止。不同半导体材料的禁带宽度和相应的截止波长不同。目前，最重要的半导体材料Si和GaAs不能用作1.3μm和1.55μm波长的光检测器。因而新的复合半导体材料铟镓砷(InGaAs)和铟镓砷磷(InGaAsP)被用作1.3μm和1.55μm波长的光检测器，Si材料用作0.85μm波长的光检测器。

3.6.2光电转换效率与响应度量子效率是能量为hf的每个入射光子所产生光电流的电子空穴对数的百分比称为光检测器的量子效率。

光检测器常用另一个参数——响应度R来衡量，其定义为光生电流Ip(A)与输入光功率Pin（W）之比，即因为入射光功率Pin对应于单位时间（秒）内平均入射的光子数Pin/(hf)，而入射光子部分被吸收，并在外电路中产生光电流，则有响应度用波长表示为实际上，仅采用半导体平板制作光检测器也不能实现较高的量子效率，这主要是因为价带中产生的电子在运动到外电路之前和空穴产生了复合，所以必须快速地让价带电子离开半导体，这可以采用在电子产生的区域加足够强的电场的方法来实现，当然最好的方法是采用反向偏置的PN结来代替均匀的半导体平板，这样的光检测器称为光电二极管。

3.7PIN为了进一步提高光检测器的量子效率和响应速度，在P型半导体和N型半导体之间加入一种轻微掺杂的本征半导体，这样的光电二极管称为PIN光电二极管。I的含义是指中间这一层是本征半导体。PIN光电二极管的耗尽层很宽,几乎是整个本征半导体的宽度，因而大部分光均在此区域被吸收，从而提高了量子效率和响应速度。提高量子效率与响应速度的更有效的方法是使半导体在工作波长上对光是透明的，因而工作波长应远远大于半导体的截止波长，在此区域对光不吸收。P型和N型半导体采用InP半导体材料，本征半导体采用InGaAs材料，这样的光检测器称为双异质结或异质结，因为它包含两个完全不同的半导体材料组成的两个PN结。InP的截止波长为0.92μm，

InGaAs的截止波长为1.3～1.6μm，因此采用InP半导体材料的P型和N型半导体在1.3～1.6μm波长是透明的，光电流的扩散部分完全减少了。图3.30基于异质结的PIN光电二极管

3.8APD

3.14.1APD的结构