通信用光器件

第3章通信用光器件3.1光源3.23.3光无源器件返回主目录第3章通信用光器件3.1光源光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)，有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。1半导体激光器工作原理和基本结构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。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。图3.1(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射hf12初态E2E1终态E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf12•受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体•PNPN(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结能带图自发辐射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(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。•粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，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。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2(如图所示)，并被称为法布里-珀罗(FabryPerot,FP)谐振腔。(a)激光振荡；(b)光反馈2n反射镜光的振幅反射镜L(a)初始位置光光强输出OXL(b)•半导体激光器半导体激光器的结构多种多样，基本结构是双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。结构中间有一层厚0.1~0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，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，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。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DH激光器工作原理(a)短波长；(b)长波长(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＋－电子这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，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，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。3.1.2半导体激光器的主要特性1.发射波长和光谱特性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的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)hf=Eg式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到ggEEhc24.1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。图3.7GaAlAsDH(a)直流驱动;(b)300Mb/s数字调制2.激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。GaAlAsDH条形激光器的近场图W＝10m20m20m30m30m50m10m近场图样0.1rad远场图样典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样(a)光强的角分布；(b)辐射光束⊥∥1.00.80.60.40.2080604020020406080T＝300K辐射角(度)相对光强(a)⊥∥(b)3.转换效率和输出光功率特性激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数)(edththIIhfpphfeIpeIIhfppththd/)(/)(由此得到式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth和Ith分别为相应的阈值，hf和e分别为光子能量和电子电荷。(a)短波长AlGaAs/GaAs;(b)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)4.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P(f)=2222)/(4])/(1[)0(ffffp)1(1210IIIIfthhpsp式中，fr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。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5.温度特性22℃30℃40℃50℃60℃70℃80℃P/mW54321050100I/mA不激射6、随着技术的进步，高速率光纤通信系统的发展和新型光纤通信系统例如波分复用系统的出现，都对激光器提出更高的要求。和由FP谐振腔构成的DH激光器相比，要求新型半导体激光器的谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性；发射光波长更加稳定，并能实现调谐；阈值电流更低，而输出光功率更大。具有这些特性的动态单纵模激光器有多种类型，其中性能优良并得到广泛应用的是分布反馈(DistributedFeedBack,DFB)激光器。由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果光线a和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百上千个波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。光栅周期Λ由下式确定Λ=meBn2式中，ne为材料有效折射率，λB为布喇格波长，m为衍射级数。DFB激光器与FP激光器相比，具有以下优点：①单纵模激光器。FP激光器的发射光谱是由增益谱和激光器纵模特性共同决定的，由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期Λ决定。Λ相当于FP激光器的腔长L，每一个Λ形成一个微型谐振腔。由于Λ的长度很小，所以m阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比FP腔大得多，加之多个微型腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式就能获得足够的增益。于是DFB激光器容易设计成单纵模振荡。②谱线窄，波长稳定性好。由于DFB激光器的每一个栅距Λ相当于一个FP腔，所以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄，可以窄到几个GHz。由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善。③动态谱线好。DFB激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是FP激光器无法比拟的。尽管DFB激光器在高速调制时存在啁啾，谱线有一定展宽，但比FP激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。④线性好。DFB激光器的线性非常好，因此广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。7、发光二极管发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED，其结构示于图3.14。和正面发光型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。因此，这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。发光二极管具有如下工作特性：(1)光谱特性。LED光谱特性1300波长/nm△＝70nm相对光强(2)光束的空间分布。在垂直于发光平面上，正面发光型LED辐射图呈朗伯分布，即P(θ)=P0cosθ，半功率点辐射角θ≈120°。侧面发光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于θ大，LED与光纤的耦合效率一般小于10%。(3)输出光功率特性。在通常工作条件下，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几mW，由于光束辐射角大，入纤光功率只有几百μW。发光二极管(LED)的P-I特性0100200300400500051015正面发光侧面发光电流I/mA发射功率P/mW(4)频率特性。τe为少数载流子(电子)的寿命e＝1.1nse＝2.1nse＝6.4ns1001000100.110调制频率f/MHz频率响应H(f)8、半导体光源一般性能和应用表3.1和表3.2列出半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能。LED通常和多模光纤耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波长的小容量短距离系统。LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量长距离系统，这种系统在国内外都得到最广泛的应用。分布反馈激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于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。表3.2分布反馈激光器(DFB-LD)一般性能在实际应用中，通常把光源做成组件，同时利用热敏电阻和冷却元件进行温度监测和自动温度控制(ATC)。3.2光检测器光探测器的特性参数一、量子效率光探测器吸收光子产生光电子。光电子形成光电流，光电流与光功率成正比。由光子统计理论可知．光电流J与入射光功率P的关系为式中α为光电转换因子,;e为电子电荷；h为普朗克常数；p为人射光频率；η为量子效率、P／hv为单位时间入射到探测器表面的光子致；I／e为单位时间内被光子激励的光电子数。量子效率η定义为对于理想的探测器η＝1，即一个光于产生一个光电子。实际探测器η1。显然，η越接近1，效率越高。量子效率是一个描述微观过程的参数。一定温度下，只有当正