第3章光源与光检测器

1、第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 第第3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.1 半导体半导体LD的工作原理的工作原理 3.2 输出光功率及光源与光纤的耦合输出光功率及光源与光纤的耦合 3.3 LD的输出光谱的输出光谱 3.4 LD的调制响应的调制响应 3.5 LD的温度特性与自动温度控制（的温度特性与自动温度控制（ATC）3.6 LD的输出光功率稳定性与自动功率控制（的输出光功率稳定性与自动功率控制（APC） 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.7 DFB和和DBR激光器激光器 3.8 调谐激光器调谐激光器 3.9 其他类型的激光器其他类型的激光器 3.10 激光

2、器组件激光器组件3.11 半导体半导体LED 3.12 光检测器光检测器 3.13 PIN 3.14 APD 习题三习题三第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.1 半导体半导体LD的工作原理的工作原理 3.1.1 光放大 1. 受激辐射的概念 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。 3E2E1E第第3 3章章 光源与光检测器光源

3、与光检测器 考虑一个具有二能级的原子系统， 能级为E1和E2， 且E2E1， 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, h6.6310-9(Js)， 则引起原子在不同的能级E1和E2之间的跃迁， E1E2 和E2E1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， E2E1受 激 辐 射受 激 吸 收受 激 辐 射第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 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

4、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 E2E1之间的跃迁多于E1E2 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;否则， 光信号将被衰减。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 根据物理学原理可知， 每个原子的E1E2的跃迁速率和E2E1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）rhfc。 显然， 如果要实现信号放大， 该值必为正, 即（N2-N1）0,N2N1。 这一条件称为粒

5、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。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 练习练习 1. 计算一个波长为=1 m的光子能量， 分别对1 MHz和100 MHz的无线电波做同样的计算。 2. 太阳向地球辐射光波， 设其平均波长=0.7 m， 射到地球外面大气层的光强大约为I=0.14 W/cm2。 如果恰好在大气层外放一个太阳能电池， 试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。 3. 如果激光器在=0.5 m上工作，

6、输出1 W的连续功率， 试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。 4. 光与物质间的互作用过程有哪些？ 5. 什么是粒子数反转？ 什么情况下能实现光放大？ 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 2. 半导体光放大（器） 防反射膜输出光输入光有源区P 型N 型 半导体光放大器SOA的框图。 SOA实际上是一个PN结， 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。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 图3.3 P型半导体的能带和电子数 (a) 热平衡; (b) 粒子数反转电子能量导带电子价带电子(a)(b) 半导体有两个由电子能级构

7、成的能带： 一个是由许多能级构成的能量低的价带; 另一个是由许多能级构成的能量高的导带。 电子或空穴可以处在不同的能级上。 导带与价带之间称为禁带， 能量差为Eg， 中间不存在能级。对于一个P型半导体， 在热平衡状态下只有很少的电子位于导带中， 如图3.3 (a)所示。 将导带看作能量高的E2能级， 将价带看作能量低的E1能级， 这里的高低是指电子在能带上的能量。在粒子数反转分布情况下， 导带中的电子数是很多的， 如图3.3(b)所示。 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

8、数反转的条件。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 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/N型半导体是在半导体中掺入合适的原子， 如硅中掺杂V族的磷P， 使它有多余的电子, 为N型半导体；若硅中掺入III族的硼B， 使其有多余的空穴，为P型半导体。 为了理解PN结， 可以将空穴理解为与电子一样的电荷载流子， 只是极性与电子相反。施主 donor 受主 acceptor第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 当P型和型半导体并行放置时， 如图3.4(a)所示， 则型半导体中的空穴将向型半导体扩散， 第第3 3章章 光源与光检

9、测器光源与光检测器 图3.4 用作放大器的正向偏置的结 (a) 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Uf(c)(b)耗尽层(a)P 型N 型第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 型半导体中的电子将向型半导体扩散， 将形成如图3.4(b)所示的在型半导体中有净负电荷, 在型半导体中有净正电荷的状态。 它们组成了结的空间电荷区， 也称为耗尽层。 没有外加偏置电压时， 少数载流子即型半导体中的电子和型半导体中的空穴将保持原有的热平衡。 当有正向偏置电压施加在结上时(如图3.4(c)所示), 耗尽层的厚度将减小， 型半导体中

10、的电子将向型半导体漂移， 漂移运动的结果使型半导体的导带中有了电子； 同样， 型半导体中的空穴将向型半导体漂移， 漂移运动的结果使型半导体的价带中有了空穴。 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， 结可用作光放大器。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 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hfcEg(Eg为半导体的禁带宽度)。 如果与Eg对应的最低光频或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, 注入的电子占据了型半

11、导体的高能级， 这时短波长的信号开始放大。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.1.2 F-P腔半导体激光器 图3.5 F-P光学谐振腔增 益 介 质反 射 镜 面有 源 区 PN注 入 电 流 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。第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 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

12、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。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 要有一个能使受激辐射和光放大过程持续的构造：要有一个能使受激辐射和光放大过程持续的构造：全反全反射镜射镜半反半反射镜射镜激光工作物质激光工作物质第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 激光工作物质激光工作物质全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜工作原理：工作原理：out光放大原理光放大原理第第3 3章章

13、光源与光检测器光源与光检测器 3.2 输出光功率及光源与光纤的耦合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(dB)来表示。 其定义为mWmWPdBP1)(lg10)(（3.1） 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 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。 随注入电流量的增加， 激活区里实现了粒子数反转， 受激辐射占主导

14、地位。 但当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， 这种状态称为“超辐射”。 只有当注入电流大于阈值电流时， 才能产生功率很强的激光。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 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。 这可用速率方程（形象地表述了物质（电子数）与光场（光子数）之间的相互作用）来描述。 为了简化， 设

15、激光器的电流注入是均匀的， 光子被完全限制在激活区内， 光子和电子在腔内均匀分布。 二能级系统的速率方程可写为eepppepeepeeNNNNNAdtdNNNNNAedJdtdN)()(00（3.2） 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 在稳态情况下， , 用Ne 和Np 分别表示电子密度和光子密度， 则速率方程变为0dtd0)()(00eepppeeepeNNNNNAedJNNNNA(3.3) 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 考虑阈值以下和刚达阈值时的情况， 这时受激复合项与自发复合项相比可忽略， 即Np =0, 则式(3.3)有)(theeJJNedJ (3.4)

16、在阈值时, 有 ethethNedJ)(第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 在阈值以上， 受激辐射占主导地位， 通常很小（为10-310-5量级）， 可忽略自发辐射项， 则式(3.3)有)(thppJJedN (3.5) 根据以上分析可知， 理想激光器的输出功率P（正比于光子浓度）与注入电流I的曲线如图3.6所示。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 图3.6 LD的P-I曲线102030阈值303P(光功率) / mWI(注入电流) / mA第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 要形成稳定激光振荡, 输出的那些波长应满足两个条件。 第一个条件是： 光波长应在增益谱

17、之内， 如果是长波长激光器， 则波长应位于12251560 nm范围内。 第二个条件是： 谐振腔的长度应为半波长的整数倍。 对于给定的激光器， 满足第二个条件的波长称为激光模式， 有一个波长对应一个模式， 它与前面讨论的光纤中的模是不一样的， 前者为波导模式， 后者严格地说是空间模式， 为了区别开， 可以称为纵模。 3.3 LD的输出光谱的输出光谱第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.3.1 多纵模和单纵模LD 根据激光器输出的模式振荡, 可分为多纵模激光器MLM（Multiple Longitudinal Mode）和单纵模激光器SLM(Single Longitudinal M

18、ode) 。 MLM激光器通常有宽（大）的光谱宽度， 典型值约为10 nm。 图中， L为激光器的腔长， n为腔内折射率， c/2nL为纵模间隔。 图3.10 MLM和SLM的光谱 (a) MLM的光谱； (b) SLM的光谱几 个 纳 米c/2nL:100 200 GHz(a)ff(b)第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 单纵模LD 由前面的分析可知， 由于光纤中存在色散， 谱宽很宽对高速光通信系统是很不利的，因此光源的谱宽应尽可能地窄， 即希望激光器仅仅工作在单纵模状态。 SLM激光器可以利用滤波器原理来选择所需的波长， 同时对不需要的波长提供损耗。 SLM的重要特性是其边模抑制

19、比SSR（Side mode Suppression Ratio）, 它决定了相对于主模的其他纵模被抑制的程度。 典型的SSR的值为30 dB。 目前有分布反馈DFB、 外腔反馈等常用方法来实现单纵模。 具体原理在下面介绍。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.7 DFB和和DBR激光器激光器 前面讨论的F-P腔激光器， 其光的反馈是由腔体两端面的反射提供的， 其位置是确定的， 就在端面上。 光的反馈也可以是分布方式， 即由一系列靠得很近的反射端面的反射提供， 最通常的做法是将腔体的宽度设计成周期性变化的， 如图3.16(a)和(b)所示。 图3.16 DFB和DBR激光器的结构

20、 (a) DFB激光器； (b) DBR激光器周 期 性 变 化周 期 性 变 化周 期 性 变 化有 源 区(a)(b)第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 入射的光波在周期性变化的部分经历了一系列的反射， 这些反射光波的每一个对最终从腔体发出的光波的贡献是相位叠加。 如果变化的周期是腔体中光波波长的整数倍， 那么就满足腔体内的驻波条件， 这一条件称为布拉格条件。 虽然一系列波长满足布拉格条件， 但是只有满足变化周期为1/2波长的整数倍的那个波长才能对形成最强的反射光波有贡献， 而其他的那些波长对形成最强的反射光波没有贡献， 也就是说与其他波长相比， 只有该波长得到优先放大。 DFB

21、（Distributed Feed Back）激光器仅指周期性出现在腔体的有源增益区， 如图3.16(a)所示。 如果周期性出现在有源增益区的外面, 如图3.16(b)所示， 则称为DBR(Distributed Brag Reflection)激光器。 DBR激光器的优点是它的增益区和它的波长选择是分开的， 因此可以对它们分别进行控制。 例如， 通过改变波长选择区的折射率， 可以将激光器调谐到不同的工作波长而不改变其他的工作参数。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 另一种抑制其他纵模的方法是再采用一个腔， 常称为外腔， 它紧接着提供增益的主腔， 如图3.17所示。 和主腔有谐振波

22、长一样， 外腔也存在谐振波长。 同样是在外腔中使用反射端面就可以达到此目的。 使用外腔的最终结果是， 只有那些既是主腔的谐振波长又是外腔的谐振波长的波长才能形成振荡。 通过合理设计两种腔就可以使主腔增益带宽内的一个波长满足该条件， 因而激光振荡可以限制为一个单纵模。 图3.17 外腔半导体激光器增益腔外腔第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.8 调调 谐谐 激激 光光 器器 3.8.1 外腔调谐激光器 外腔激光器只需改变光栅或其他波长选择反射镜的中心波长就可以调谐。 考虑如图 3.18 所示的光栅外腔激光器， 由于光栅的选择性反射回增益腔的波长是由光栅的刻痕间距和相对于增益腔端面的

23、倾斜角决定的， 因此改变光栅到增益腔的距离及倾斜角， 就可改变激光的波长。这种方法是采用机械调谐， 因而速度较慢， 但调谐的范围较大。 对于半导体激光器, 调谐范围大约有100 nm。 这种调谐光源可用于测试仪表, 但对于通信所要求的小型光源不适合。 图3.18 光栅外腔半导体激光器激 光增 益 腔防 反 射 膜透 镜光 栅第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.8.2 双电极半导体激光器 半导体激光器的快速调谐方法是基于半导体的折射率随注入电流改变这一事实的。在DBR激光器中， 通过增加注入电流引起的折射率的改变导致了光栅刻痕的改变， 因而波长发生了改变。 若注入两个电流IB和Ig

24、， IB注入到增益区， Ig注入到布拉格区域， 将会对功率和波长分别实现控制。 这种激光器称为双电极DBR激光器， 它是用于光纤通信的很有发展前途的半导体调谐光源， 调谐宽度为8 nm。 能够发射20个波长的这种激光器已研制成功。第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.9 其他类型的激光器其他类型的激光器 3 . 9 . 1 垂 直 腔 面 发 光 激 光 器（VCSELs） 多模激光器的纵模间隔为c/2nL， L为腔长， n为它的折射率。 如果使腔长特别短, 则纵模间隔就很大， 就可以使增益谱内只有一个波长, 从而获得单纵模。这是由在半导体基片的上下两个端面的反射镜构成的垂直腔，激

25、光也是从它的一个表面（常常为上端面）输出的。 因此， 该激光器称为垂直腔激光器或VCSELs（Vertical Cavity Surface Emitting Lasers）。 图3.19 垂直腔激光器VCSELs的结构 输 出 激 光上 面 的 反 射 镜下 面 的 反 射 镜增 益 区第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.9.2 锁模激光器 锁模激光器常用作产生超短（脉冲宽度很窄）光脉冲。 设一个F-P腔激光器其振荡模式是N个相邻的纵模， 这意味着如果纵模的波长分别为0、 1、 、 N-1， 则腔长L应满足L=(k+1)i/2， i=0,1,2,N-1, k为任意整数。这一条件

26、等价于相应的模的频率分别为f0、 f1、 、 f N-1, 且满足fi=f0+if， i=0,1,2， N-1。 对应于频率fi的振荡为ai cos(2fit+i), ai为模的振幅， i为模的相位（严格说来这是与纵模相关的电场的时间分布），则总的激光输出为)2cos(10iiiNit fa第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 Concepts of Mode LockingOut of phaseRANDOMIrradiance vs. TimeIn phase第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 图3.20 锁模激光器的光强随时间变化的波形 第第3 3章章 光源与光检测器光

27、源与光检测器 图3.21 腔内增益幅度调制锁模激光器的波形 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.11 半半 导导 体体 LED 3.11.1 LED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。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 超发光LED在结构上介于ELED与LD之间，

28、 其一端有光损耗， 以抑制激光发射， 没有光反馈， 注入电流在受激发射值以下。 其优点是输出功率比SLED或ELED高（=0.87 m时脉冲功率可达60 mW， =1.3 m时耦合入单模光纤的功率达1 mW）， 输出光束的方向性好， 谱线较窄（1.3 m时FWHM宽30 nm), 调制带宽大（-1.5 dB 时带宽达350 MHz）， 因此超发光LED也非常适合于光纤通信应用。 但与SLED及ELED相比， 其主要缺点是输出特性的非线性较大,且输出功率随温度的变化非常大, 使用时必须制冷。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 图3.23为SLED的典型结构。 双异质结生长在二极管顶部

29、的N-GaAs衬底上， P-GaAs 有源层厚度仅为12 m， 与其两边的N-GaAlAs和P-GaAlAs构成两个异质结， 限制了有源层中的载流子及光场分布。 有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤， 由于衬底材料的光吸收很大， 用选择腐蚀的办法在正对有源区的部位形成一个凹坑， 使光纤能直接靠近有源区。在P-GaAs一侧用Si2掩膜技术形成一个圆形的接触电极， 从而限定了有源层中有源区的面积， 其大小与光纤纤芯面积相当(直径为4050 m)。 流过有源区的电流密度约为2000A/cm2。 这种圆形发光面发出的光辐射具有朗伯分布， 如图3.24(a) 所示。 第第3 3章章 光源与光检测器光源

30、与光检测器 它在方向的辐射强度为 I（）=I0 cos 其中， I0为沿=0方向的辐射强度。 由图3.24(b)可见， SLED的输出有很宽的角向分布， 半功率点束宽=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23倍（见第3.2.3节）。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 图3.23 GaAlAs-DH-SLED的结构 50 m金属电极凹坑光输出光纤树脂光辐射N-GaAs衬底N-AlGaAsP-GaAsP-AlGaAsP-GaAs金属化层SiO2接触电极光发射区第第3 3章章 光源与光检测器

31、光源与光检测器 图3.24 SLED的光辐射分布 I()I01.00.50904504590(a)(b)第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 图3.25 条形AlGaAs-DH-ELED的结构条形接触65 mP-AlGaAsSiO2N-AlGaAs有源层载流子约束层N-AlGaAsP-AlGaAs 30|120150 m光导层金属化电极金属化电极350 mN-GaAsN-GaAs衬底第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.11.2 LED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

32、而增大， 并在大电流时逐渐饱和。 LED的工作电流通常为50100 mA， 这时偏置电压为1.21.8 V， 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。 151050SLEDELED20702070100200300 400 500电流 / mA发射功率 / mW图3.26 LED的特性第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 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（如图3.27(a)所示）， 大多数

33、的载流子复合发生在平均带隙上， 但也有一些复合发生在最低及最高能级之间。 设平均带隙为Eg， 则偏移量Eg在kT2kT范围内（k为玻尔兹曼常数， T为结温）。 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, 如图3.27(b)所示。 在室温下， 短波长LED的线宽约为2540 nm， 长波长LED的线宽则可达75100 nm。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 图3.27 导带和价带能级间的光发射和线宽 （a） 光发射; （b） 线宽导带价带10.5归一化光功率g(a)(b)第第3

34、3章章 光源与光检测器光源与光检测器 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 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0.20.3 nm/（短波长器件）或0.30.5 nm/(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。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3. 调制特性 LED的光功率输出可直接

35、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。 LED的调制特性主要包括线性和带宽两个参量。 从LED的P-I特性可知， 当注入电流小时， 其线性相当好； 但当注入电流较大时， 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（如广播电视传输）， 则常常需要进行线性补偿。 衡量光源线性指标的参数是总谐波失真（THD）， 它是指各次谐波总的电功率占总的基波电功率的比率。 在高质量电视传输时, 要求光源的谐波失真小于-60-70 dB， 但一般LED的

36、THD仅能达到-30-40 dB， 因此需要进行补偿。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 调制特性的另一个重要参量是它的调制带宽。 在调制频率较低时， 交流功率正比于调制电流; 但随着调制频率的提高， 交流功率会下降。 设LED受频率的信号调制， 则它的输出功率可以表示为21)0()(PP （3.17） 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 式中， P(0)为直流(=0)时的光输出， 为LED及驱动电路的时间常数。 对于设计优良的驱动电路， 主要取决于LED有源层中少数载流子的寿命。 在上式中， 当=1/时， P（）=0.707P(0)。 在接收机中， 检测电流正比于光功率

37、， 光功率下降到0.707(-1.5 dB)时， 接收电功率下降到（0.707）2=0.5， 即-3 dB。 因此， 1/就是LED的3 dB调制带宽或 3 dB 电带宽， 即213dBF（3.18） 显然， 3 dB光带宽要大于3 dB电带宽。 为了提高调制带宽， 缩短少数载流子寿命是惟一的方法。 但载流子寿命取决于辐射复合（产生光子）寿命r与无辐射复合（不产生光子， 能量转化为热能等其他形式）寿命nr。 为了提高调制带宽， 应使r尽量小， 同时应使rnr。 虽然减小有源层厚度d可以增大调制带宽， 但也会使LED的发光效率下降。 因此在LED的调制带宽和效率之间必须采取折衷。 第第3 3章章

38、 光源与光检测器光源与光检测器 由于大多数LED是高掺杂的， 因此其内量子效率一般在50%左右， 即1/2。 LED的功率带宽积可表示为rJehcP（3.19） 对一定的注入电流来说， 它是常数。 若增加有源层中的掺杂， 则r减小， 从而使增大， 但同时功率P按同样比例减小， 这样， 响应速度快的LED的输出功率不如响应慢的LED的输出功率大， 这已被许多实验证实。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 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来衡量， 它的定义为SFPP（3.6） 式中， PF为

39、耦合入光纤的功率， PS为光源发射的功率。 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， LD和单模光纤的耦合效率更低。 2118151296300.10.20.30.40.50.61.00.50.20.10.050.020.01光纤 NA耦合损耗 / dB耦合效率面发光LED边发光LEDLD图3.7 光源与光纤的耦合效率（耦合损耗）的比较第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 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

40、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。光 纤 球 端P 电 极50 m0.7 m2 m20 m(a)(b)截 头 透 镜(c)InP(集 成 微 透 镜 )N-InP衬 底图3.8 面发光二极管与光纤的透镜耦合 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 图3.9 光源与光纤的透镜耦合光纤光纤光纤柱透镜球面透镜光源GRIN棒(a)(b)(c)第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.12 光光 检检 测测 器器 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

41、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光子电子导带hfc /e价带eU空穴Eg第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.12.1 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或波长的限制。 设半导体材料的禁带宽度为Eg， 则gceEhchf 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截止。第

42、第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.12.2 光电转换效率与响应度 被光子吸收， 产生了光电流的那部分光信号能量称为光检测器的量子效率。 对于高速率、长距离的系统， 光能量是很重要的, 因而在设计光检测器时应使其量子效率尽可能地接近1。 为了获得如此高的量子效率， 常采用具有一定厚度的半导体平板。 对于厚度为L（ m）的半导体平板， 其吸收的光功率吸收的光功率为 P吸收=(1-e-L)Pin （3.20） 式中， Pin为输入的光功率， 为材料的吸收系数。 因此， 量量子效率子效率为LinePP1吸收(3.21) 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 光检测器常用另一个参数

43、响应度响应度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)/(WAPIRinp（3.22） 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/(hfc)， 而入射光子的量子效率部分被吸收， 并在外电路中产生光电流， 则有)/(WAhfeRc（3.23）响应度用波长表示为 )/(24. 1WAhceR（3.24）第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 图3.29 采用反向偏置的结制作光检测器 (a) PN结； (b) 没有偏置电压时的耗尽层; (c) 反向偏置Va时的耗尽层; (d) 反向偏置时的内建电场Ua(c)(b)耗尽层(a)P 型N 型耗

44、尽层光信号(d)第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.12.3 响应速度 响应速度是光电二极管的一个重要参数， 除了与上面提到的漂移运动和扩散运动速度有关外， 它还与负载电路RC参数有关。 R为其负载电阻， 一般较小， 可以忽略。 C为其结电容， 是限制其响应速度的主要因素。 当光信号的速率进一步提高时， 寄生电感成为主要因素并引起散粒(散弹)噪声， 该噪声可由下式估计： 2e(Is+I暗电流) （3.25） 式中, Is为光信号电流， I暗电流是没有光信号时产生的电流。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.12.4 噪声

45、 光检测器的噪声主要包括： 热噪声、 暗电流噪声和漏电流噪声、 散弹噪声等。 1. 热噪声 热噪声来源于电阻内部自由电子或电荷载流子的不规则热运动。 检测器具有内阻， 所以也有热噪声， 其热噪声的均方电压和电流值为RkTBiT42（3.26） 因为热噪声是一种白噪声， 所以在检测器前面可以用光滤波器去除信号带宽以外的热噪声。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 2. 暗电流噪声和漏电流噪声 暗电流是没有光入射时流过光检测器的电流， 它是由PN结的热激发产生的电子-空穴对形成的。 对于APD， 这种载流子同样会得到高场区的加速而倍增。 暗电流的均方值为（3.27）BeIidd22第第3

46、 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3. 散弹噪声 光检测器的散弹噪声源于光子的吸收或者光生载流子的产生， 具有随机起伏的特性。 这种噪声是由光的本质（粒子性）决定的， 其他的噪声可以进行限制甚至消除， 而这种噪声总是存在的， 并成为接收机的极限灵敏度的限制。 222BGeIips（3.31） 对于PIN， G=1。 所以APD的散弹噪声比PIN的散弹噪声大G2倍。 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.13 PIN 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

47、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， 而P型半导体与N型半导体的宽度与之相比是很小的， 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。 图3.30 基于异质结的PIN光电二极管 InPPIInGaAsInPN第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 第第3 3章章 光源与光检测器光源与光检测器 3.14 APD 3.14.1 APD的结构 雪崩光电二极管（APD）可以对尚未进入后面放大器的输入电路的初级光电流进行内部放大。 这样可以显著地增加接收机的灵敏度， 因为在还没有遇到接收机电路的热噪声之前就已放大了光电流。 为了达到载流子的倍增， 光生载流子必须穿过一个具有非常高的电