《光纤通信技术教学资料》第3章第1节

1第3章光源与光发送机2第3章光源与光发送机光发送机是将电输入信号转换为相应的光信号的光电转发中心，是各种光波系统的基本组成单元和决定光波系统性能的基本因素。光发送机的核心部件是光源，光纤通信系统均采用半导体发光二极管(LED)和激光二极管(LD)作为光源，这类光源具有尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤适配，并可在高速条件下直接调制等优点。本章将专门讨论半导体光源的原理、结构、特性及由它构成的光发送机。3在光纤通信系统中，光发送机的作用是将电信号转变成光信号，并有效地把光信号送入传输光纤。光发送机的核心是光源及其驱动电路。光纤通信系统对光源的要求，主要有：(1)发射波长与使用的光纤传输窗口波长一致；(2)调制容易、线性好、带宽大；(3)输出谱窄，以降低光纤色散的影响；(4)辐射角小，与光纤的耦合效率高；(5)寿命长、体积小、耗电省等。4能满足上述要求且已广泛应用于光纤通信系统中的是两种半导体光源：发光二级管(LED)和激光二极管(LD)。这两种光源的主要区别在于：LED：输出的是非相干光，其谱宽宽，入纤功率小，调制速率低；LD：是相干光输出，谱宽窄，入纤功率大，调制速率高。因此，LED适宜于短距离低速系统，LD适宜于长距离高速系统。53.1半导体光源的物理基础量子物理实验证明，原子是由原子核和绕核旋转的电子组成，核外电子都在特定的能级中运动，并能通过与外界交换能量而发生能级跃迁，若交换的能量是光能，则称为光跃迁。光源的工作原理基于：光子的吸收自发发射受激发射6能级E1:低(下)能级；能级E2:高(上)能级。按普朗克定律，原子在两个能级之间的跃迁是能量为hf＝E2－E1的光子被吸收和发射的过程。图3.1原子的三种基本跃迁过程-34hh=6.62610Jsf普朗克常数为吸收或发射的光子频率71)光的自发发射原子在高能级上是不稳定的，当它跃迁回低能级时，放出能量为hf的光子，这是一种自发发射过程（如图b）。（3-1动画示意图）3.1.1发射与吸收速率由3.1图所示两能级原子系统，设N1为基态E1原子密度，N2为激发态E2原子密度，为辐射能量的谱密度。ph2phRAN（3.1.1-1）式中A为常数自发发射速率为8受激发射的速率为2)光的受激发射若原子原来处于高能级上，这时又有能量为hf的光子入射，在它的激发下原子返回低能级并发射光子。这发射的光子和入射光子具有相同的状态(能量、相位、偏振态等)，这样产生的发射称为受激发射（如图c）。（3-2动画示意图）2stphRBN（3.1.1-2）式中B为常数9在正常情况下，原子处于低能级上，能量为hf的入射光子被吸收后，原子从低能级跃迁到高能级上（如图a）。3)光的受激吸收受激吸收的速率为（3-3动画示意图）1abphRBN（3.1.1-3）式中为常数BB10为了产生受激发射为主的光发射，必须创造两个基本条件：(1)N2》N1，即高能级的粒子数要远大于低能级的粒子数（热平衡状态下是N1》N2），这种条件称为粒子数反转。(2)足够高的辐射谱密度ph。21exp()exp()gENhNkTkT（3.1.2）在热平衡时，原子分布遵守玻耳兹曼统计分布：kk/JK波尔兹曼常数113.1.2pn结的形成及其能带结构1.PN结的形成半导体光源的核心是PN结，将P型半导体和N型半导体相接触就能形成PN结。P型半导体和N半导体是通过向半导体掺入杂质而制成，杂质原子与半导体原子相比有过剩的价电子或过少的价电子。12Ｐ型半导体、Ｎ型半导体能带示意图13(1)本征半导体对本征半导体费密能级位于带隙中间，价带中所有位置都由电子填充(黑圆点)。而导带中所有位置都空着，如图3.3(a)所示。14通过重掺杂（施主杂质）形成N型半导体，对N型半导体，过剩电子占据了未掺杂(本征)半导体中空的导带，费密能级向导带移动，费密能级位于导带内，这样的半导体称为兼并型N型半导体，如图3.3(b)所示。(2)N型半导体15n型半导体――当本征半导体掺杂时，施主能级(位于导带下面)电离时提供更多的自由电子到导带中，其导电特性决定于导带电子，电子为多数载流子，费米能级上升。N型费米能级16通过重掺杂（受主杂质）形成P型半导体，对P型半导体，费密能级向价带移动，并在重掺杂时位于价带内，称为兼并型P型半导体，如图3.3(c)所示。(3)P型半导体17p型半导体――当本征半导体掺杂时，受主能级电离时(位于价带上面)提供更多的空穴到价带中，其导电特性主要由价带空穴决定，空穴为多数载流子，且费米能级下降。p型费米能级导带价带18在P型半导体中存在大量带正电的空穴和等量的带负电的电子，但总体上呈现电中性。同样在N型半导体中带负电的电子和等量的带正电的空穴，也相互抵消，呈电中性。(4)热平衡状态下的P型和N型半导体统一的费米能级1()1exp()FPEEEkT导带和价带被能量为Eg的禁带(带隙)分开。对不同的半导体材料，Eg是不同的。19当P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动，P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的离子，从而在靠近PN结界面的区域形成一个带负电的区域；同样，N区的电子向P区扩散，剩下带正电的离子，从而在靠近PN结界面的区域形成一个带正电的区域。载流子的扩散运动的结果形成了一个空间电荷区。如图3.4所示。(5)PN结的形成20PN结的形成（3-4p-n结形成示意图）图3.4PN结空间电荷区的形成及载流子导向21在单晶材料中相邻形成n型及p型半导体层，构成p-n结。由于两边载流子浓度的差别，多数载流子将扩散通过结区。电子从np扩散并填充p区的空穴，在n区留下带正电的电离施主，形成正电荷区空穴从pn扩散，在p区留下带负电的电离受主，形成负电荷区结区形成了由n区指向p区的电场，称内建电场。它形成的势磊阻止电子空穴进一步扩散。如图d22(6)pn结正向偏置情况当pn结正向偏置，即n区接负电位，p区接正电位时，耗尽区的宽度及势垒高度都要下降。原来的热平衡状态破坏了，使扩散作用增强；p区和n区的费米能级分离，可分别用所谓的准费米能级来描述空穴和电子的分布规律；有更多的n区电子和p区空穴扩散穿过pn结而进入相对的区域，大大增加了少数载流子的浓度。pFEnF和E23(7)pn结反向偏置情况当pn结反向偏置，即n型材料接正电位，而p型材料接负电位时，耗尽区的宽度向p区及n区分别扩展而加宽。有效地增高了势垒高度；阻止任何多数载流子（扩散）穿过结区；少数载流子（漂移）仍可在电场作用下穿过结区。自建场方向242.pn结的能带结构（1）p和n型结构无杂质及晶格缺陷的完善半导体称为本征半导体。导带和价带被能量为Eg的禁带(带隙)分开。对不同的半导体材料，Eg是不同的。在绝对零度以上，热激励使部分电子从价带升到导带，并在价带留下空穴。这些导带中的热激励电子和价带中的空穴称为载流子，它们使材料导电。（3-5晶体能带示意图）（3-6Ｐ型半导体、Ｎ型半导体能带图）25p区和n区有统一的费米能级内建电场(耗尽区)PNp区中的少数载流子(电子)向n区漂移。n区中的少数载流子(空穴)沿电场方向向p区漂移。扩散和漂移形成反向电流，当两电流大小相等时，达到动态平衡＝扩散电流+漂移电流＝0。26图3.5PN结的能带结构(a)由电子占据的能带；(b)热平衡状态下PN结的能带；(c)PN结加上正向电压时的能带。27通过正向偏置大量注入的额外少数载流子，将与带有相反电荷的多数载流子复合。当这种复合释放出来的能量以光子表现，这就是产生光发射的物理机理。pn结在正向偏置下由电子注入产生光自发发射的现象称为电致发光。28（2）双异质pn结光发射主要位于pn结附近的势垒区内载流子发生复合的地方。但由于少数载流子的扩散长度通常远大于势垒宽度，在势垒区外也会发生复合发光，也就是说这种光发射的范围宽、不集中、效率低。因此，无论是LED还是LD，都要对载流子及发射光施加附加的限制。（a）图3.5所示的PN结在结两边使用相同的半导体材料，称为同质结，这种结没有带隙差。(b)所谓异质结，就是由带隙宽度及折射率都不同的两种半导体材料(如GaAs和AIGaAs)构成的pn结。发光区域(有源层)夹在两个异质结中，即构成双异质结的发光器件。29图3.6由窄带隙，高折射率中间层构成的双异质结对载流子与光场的限制作用中间n—GaAs为有源层，它与右边的n—GaAlAs构成一个异质结，其势垒阻止空穴进入n-Ga0.8Al0.2As区。有源层左边与p—GaAlAs也构成一个异质结，其势垒阻止电子进入p区。这样就把载流子的复合很好地限定在了有源层内。有源层两边的折射率比有源层低，它的光波导作用对光场具有很好的约束，大大提高了发光强度。30如图3.6所示，这种结称为双异质结，或简称异质结。双异质结中带隙差的出现也使折射率差增大(可达5%左右)，使光场亦有效地限制在有源区。载流子和光场的限制使激光器的阈值电流密度大大下降，可实现室温连续工作。目前光波系统中所用激光器多是双异质结结构。313.1.3载流子的复合发光效率与寿命如前述，半导体pn结中的发光过程存在辐射复合（释放能量）与无辐射复合（损耗）两种过程。为了衡量它们的相对大小，现定义一个内量子效率:i单位时间内产生的光子数单位时间内注入的电子数(3.1.13)式中，为复合率；为辐射复合率；为无辐射复合率；intrrrrtotrrnrRRRRRrrRnrRtotR32半导体发光器件，如LED的内量子效率可做得很高，一般为50％，最高接近100％。但实际光器件的输出光子数远低于有源层中产生的光子数。原因如下：一方面是由于发光区产生的光子，部分被材料吸收；另一方面是由于半导体材料的高折射率(n＝3～4)，光子在界面处受到高反射，使能逸出界面的光子数大为减少。通常用复合寿命τrr和τnr来表示复合率，定义为int11nrrrnrrrnr（3.1.14）