光纤通信课件刘增基-第3章.

第3章通信用光器件第3章通信用光器件3.1光源3.2光检测器3.3光无源器件第3章通信用光器件3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构第3章通信用光器件一、激光产生的物理基础1.原子的能级微观粒子的能量只能处于分立的能量状态，称为能级。粒子处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布（正态分布）210()/21EEkTNeN第3章通信用光器件0EE1E2E3N3N2N1N玻尔兹曼分布曲线第3章通信用光器件2、光与物质相互作用(a)自发辐射；(b)受激吸收；(c)受激辐射自发辐射光hf＝E2－E1E2(a)入射光(b)入射光(c)E1E2E1E2E1hf＝E2－E1E2E1E2E1hf＝E2－E1E2E1受激辐射光hf＝E2－E1入射光hf＝E2－E1第3章通信用光器件光与物质相互作用（续）电子在基态和激发态之间的三种跃迁－自发辐射，产生非相干光，发光二级管的工作原理－在入射光作用下，受激吸收，光接受器件的工作原理－在入射光作用下，受激辐射，产生相干光，激光器的工作原理－均满足玻尔条件1212hfEE入射光作用下－原子数正态分布时，一般为受激吸收－当N2N1时，即粒子数反转，受激辐射大于受激吸收第3章通信用光器件半导体能级结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体相邻原子的作用造成电子能级扩展成连续分布的能带－能量低的价带,被空穴占用（束缚电子）－能量高的导带,被电子占用（自由电子）－导带底Ec与价带顶Ev的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙－Ef为费米能级，该能级被电子和空穴占用的几率相等能量价带导带EgEfEvEc()1()1fEEkTfEe第3章通信用光器件半导体中载流子分布本征半导体电子和空穴成对出现，电子在导带，空穴在价带–费米能级位于禁带中央N型半导体中导带的电子增多，价带的空穴减少–费米能级增大，向导带移P型半导体中导带的电子减少，价带的空穴增加–费米能级减小，向价带移在PN结界面上，载流子的梯度产生了扩散运动，从而形成内部电场–内部电场产生与扩散运动相反的漂移运动，在P区和N区的费米能级相同时，达到平衡状态，此时能带发生倾斜Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)第3章通信用光器件图3.3PN(a)P-N结内载流子运动；(b)零偏压时P-N结的能带图；(c)正向偏压下P-N结能带图势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env(b)hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(c)P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移(a)在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜这时在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。第3章通信用光器件－在PN结形成一个特殊的增益区，获得了粒子数反转•N区电子向P区运动，形成增益区的导带多为电子•P区空穴向N区运动，形成增益区的价带多为空穴在电子和空穴运动过程中，产生自发辐射光–导带的电子跃迁到价带和空穴复合在PN结上施加与内部电场反向的正向电场－能带倾斜减小，扩散增强hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(c)pN第3章通信用光器件激光的产生激光产生的条件-激活物质：具有合适的能级分布，可以产生合适波长的辐射光-泵浦源使激活物质粒子数反转：半导体PN节施加正向电压获得-入射光：激活物质的自发辐射光作为入射光-光学谐振腔：对光的频率和方向进行选择，并通过多次反馈，使得较强相干光输出反射镜工作物质部分反射镜激光输出z第3章通信用光器件光学谐振腔：两个平行反射镜构成法布里－珀罗(F-P)谐振腔－腔内是处于粒子数反转的激活物质，产生自发辐射光和受激辐射光－自发辐射的入射光沿轴线方向被反射和放大，传播方向不断改善成为相干光，激光产生了－腔内产生的激光的波长由激光振荡的相位条件决定，即驻波的条件称为纵模模数...3,2,1,2qqnL–谐振腔内存在吸收、散射和透射，建立稳定激光振荡需要阈值条件•增益和损耗相当为损耗系数为阈值增益系数，ththRRL211ln21R1R22n反射镜光的振幅反射镜L(a)第3章通信用光器件二、半导体激光器（LD）结构双异质结（DH）平面条形结构－三层不同类型材料中间一层窄带隙P型半导体，称为有源两侧分别为宽带隙P型和N型半导体，称为限制层－前后两个晶体理解面作为反射镜构成法布里-珀罗谐振腔第3章通信用光器件图3.6DH(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布PGa1－xAlxAsPGaAsNGa1－yAlyAs复合空穴异质势垒E能量(a)(b)(c)n折射率～5%(d)P光＋－电子限制层带隙较有源层宽，施加正向电压，易形成粒子数反转，且转换效率较高－P层的空穴和N层的电子注入有源层－P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成势垒－N层带隙宽，价带的能态比有源层低，对注入空穴形成势垒－有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内第3章通信用光器件半导体激光器的发射波长和光谱特性长波长发射波长决定于带隙ggEevhcE)(24.1激光器输出满足激光振荡相位条件的一些波长的光，即为激光器的纵模－导带和价带由许多连续能级组成，有一定的带宽－两个能带中不同能级之间的电子跃迁会产生连续波长的辐射光－谐振腔的作用使得满足激光振荡相位条件的波长输出－不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。镓铝砷-镓砷(GaAlAsGaAs)材料适用于0.85μm波段铟镓砷磷-铟磷(InGaAsPInP)材料适用于1.3－1.55μm波段。第3章通信用光器件图3.7GaAlAsDH激光器的光谱特性(a)直流驱动;(b)300Mb/s数字调制＋I（a)随着驱动直流电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄最终产生静态单纵模激光(b)是300Mb/s数字调制的光谱特性，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。－无法调制高速数字信号*用FP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，必须改变激光器的结构，例如采用分布反馈激光器。第3章通信用光器件激光器输出的光束横模分别取决于有源区的宽度和厚度–宽度和厚度足够小，多横模分布变成单横模图3.8GaAlAsDH条形激光器的近场图W＝10m20m20m30m30m50m10m近场图样0.1rad远场图样w_第3章通信用光器件3.1.2半导体激光器的特性－当电流小于阈值电流Ith时，激光器输出为自发辐射光－当电流大于阈值电流时，激光器输出受激辐射光－光功率随驱动电流的增加而增加)(,thdthththdIIehfPPhfeIPeIIhfPP或1.转换效率d：在阈值电流之上，每对复合载流子产生的光子数图3.10典型半导体激光器的光功率特性AlGaAs/GaAs;长波长InGaAsP/InP109876543210020406080工作电流I/mA单面输出功率P/mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工作电流I/mA输出功率P/mW(a)(b)第3章通信用光器件温度升高，输出光功率下降－激光器的阈值电流随温度升高而增大－转换效率随着温度升高而变小图3.12P-I曲线随温度的变化22℃30℃40℃50℃60℃70℃80℃P/mW54321050100I/mA不激射2.温度特性：第3章通信用光器件3.频率特性在直接光强调制下，激光器输出光功率P和调制频率f的关系为:2222)/(4])/(1[)0()(ffffpfP)1(1210IIIIfthhpsp驰豫频率：-fτ和ξ分别称为弛豫频率和阻尼因子-Ith和I0分别为阈值电流和偏置电流-I′是零增益电流:高掺杂浓度的LD：I′=0低掺杂浓度的LD：I′=(0.7-0.8)Ith-τsp为有源区内的电子寿命-τph为谐振腔内的光子寿命第3章通信用光器件图3.11半导体激光器的直接调制频率特性0.010.11100.1110100fr调制频率f/GHz相对光功率半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fτ是调制频率的上限－一般激光器的fτ为1－2GHz－在接近fτ处：数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。第3章通信用光器件3.1.3分布式反馈激光器新型激光器的要求－谱线宽度更窄－高速脉冲调制下保持单纵模特性－发射光波长稳定－阈值电流低，输出光功率大分布式反馈激光器第3章通信用光器件衍射光栅有源层N层P层输出光光栅有源层ba∧(a)(b)分布式反馈激光器–用靠近有源层沿长度方向折射率周期性变化的衍射光栅实现光反馈光栅周期满足为衍射级数为布拉格波长，为材料有效折射率，，m2BeeBnnm–DFB激光器单个谐振腔长度较小，多个谐振腔存在，易设计成单纵模激光器–多级谐振腔谐振使得谱线窄、波长稳定性高–动态谱线好，可调制高速信号第3章通信用光器件3.1.4发光二极管（LED)LED与LD结构上的异同：同：均是双异质结（DH)条形平面结构异：LD有谐振腔LED无谐振腔结构的不同造成了性能的不同第3章通信用光器件LED与LD性能的不同:LD:有谐振腔，输出的是方向性很好、强度大的相干光有阈值电流。LED:无谐振腔。有源区是自发辐射，输出光斑大，强度低，谱线宽度大的自发辐射光，无阈值电流。由于结构简单:造价低、性能稳定、寿命长在小容量、短距离系统中发挥了重要作用第3章通信用光器件(a)正面发光型；(b)侧面发光型球透镜环氧树脂P层n层有源层发光区微透镜P型限制层n型限制层有源层波导层两类发光二极管(LED)第3章通信用光器件3.2光电检测器光接收机的关键器件其功能是把光信号转变为电信号常用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD)第3章通信用光器件3.2.1光电二极管（PD)光电二极管是利用半导体PN结的光电效应实现光信号转换为电信号的光检测器器件–光电效应就是指一定波长的光照射到半导体的PN结时，价带上的电子吸收光子能量而跃迁到导带，使导带中有了电子，价带中有了空穴，从而使PN结中产生光生载流子的一种现象。这些载流子在内部电场的作用下在闭环电路中形成光生电流。在开环电路中形成电动势–由于PN结界面存在耗尽层和没有电场的中性层，因此在存在由于光电效应由耗尽层产生的漂移电流情况，还存在中性层热运动产生的扩散电流，这两种电流的总量构成光生电流第3章通信用光器件为了提高耗尽层光电效应产生的电流分量，减少热运动产生的扩散电流分量对光电二极管施加反向偏压，增大耗尽层的宽度，减小中性区的宽度。漂移运动比扩散运动快得多，可以提高响应速度.为了提高转换效率和响应速度，设计新的光检测器PIN光电二极管雪崩光电二极管（APD）第3章通信用光器件第3章通信用光器件3.2.2PIN光电二极管PIN光电二极管是在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，一般称为本征半导体层，即I层由于I层是轻掺杂，故电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽区在反向偏压的作用下，可大大提高PIN光电二极管的光电转换效率及响应速度第3章通信用光器件第3章通信用光器件抗反射膜光电极(n)P＋N＋E电极第3章通信用光器件PIN光电二极管的主要特性光电转换量子效率：一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值•也可以用一次光生电流和入射功率的比值:响应度来表示•噪声：包括散粒噪声和热噪声，用均方噪声电流来描述ehfPIhfPeIpp00-＝入射光子数空穴对光生电子hfePIp0电流与温度有关的是热噪声的反向直流电流有关的是没有入射光时本征噪声；与有关的是