第4章光源和光發(fā)射機(jī)本章內(nèi)容4.1半導(dǎo)體的能帶理論4.2發(fā)光二極管4.3半導(dǎo)體激光器4.4光調(diào)制4.5光發(fā)送機(jī)小結(jié)、習(xí)題

4.1半導(dǎo)體的能帶理論1.半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的主要特征是它們的內(nèi)部原子有規(guī)則地、周期性地排列著。作共有化運動的電子受到周期性排列著的原子的作用，它們的勢能具有晶格的周期性。因此，晶體的能譜在原子能級的基礎(chǔ)上按共有化運動的不同而分裂成若干組。雖然在半導(dǎo)體中能級還是離散的，但是每組中能級彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶。人們把這些組想象為很寬的連續(xù)的能量區(qū)，稱為能帶，如圖4-1-2所示。

鍺、硅和CaAs等都是共價晶體。形成共價鍵的價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶。價帶下面的能帶是被電子占滿了，稱為滿帶。價帶上面的能帶稱為導(dǎo)帶。價帶和導(dǎo)帶，價帶和滿帶之間的寬度，不能被電子占據(jù)因此稱為禁帶。2.半導(dǎo)體PN結(jié)的形成當(dāng)一個P型半導(dǎo)體和一個N型半導(dǎo)體有了物理接觸時，就形成一個PN結(jié)。在結(jié)的交界面處，載流子的濃度差引起擴(kuò)散運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，剩下帶負(fù)電的電離受主，從而在靠近PN結(jié)界面的區(qū)域形成一個帶負(fù)電的區(qū)域。同樣，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個帶正電的區(qū)域。載流子擴(kuò)散運動的結(jié)果形成了一個空間電荷區(qū)，如圖4-1-4所示。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦援?dāng)PN結(jié)加上正向電壓時，外加電壓的電場方向消弱了自建場，P區(qū)的空穴通過PN結(jié)流向N區(qū)，N區(qū)的電子也流向P區(qū)，形成正向電流。由于P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子都很多，所以這股正向電流是大電流。當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時，外電場的方向和自建場相同，多數(shù)載流子將背離PN結(jié)的交界面移動，使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)內(nèi)電子和空穴都很少，它變成高阻層，因而反向電流非常小。3.同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)就是在PN結(jié)的兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料采用同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的激光器或發(fā)光二極管存在如下兩個問題。首先是對光波的限制不完善另一方面的問題是對載流子的限制不完善因此，為了降低同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流，就要從上述兩個方面來進(jìn)行改進(jìn)。

為了降低同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流，就要從上述兩個方面改進(jìn)。雙異質(zhì)結(jié)(DH)是窄帶隙有源區(qū)(GaAs)材料被夾在寬帶隙的材料(GaAlAs)之間構(gòu)成。如圖4-1-6所示。4.4發(fā)光二極管的工作原理發(fā)光二極管(LED)是低速、短距離光通信系統(tǒng)中常用光源。目前廣泛采用PN異質(zhì)結(jié)制造。LED的原理是在LED注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過程中發(fā)光。LED是非相干光源，它的發(fā)光過程是自發(fā)輻射過程，發(fā)出的是熒光，它沒有光學(xué)諧振腔，是無閾值器件。1.LED的結(jié)構(gòu)和工作原理LED的基本工作原理是光的自發(fā)輻射。圖4-2-1所示為雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)。正向電壓V提供的外加能量激發(fā)了處于導(dǎo)帶的電子和空穴進(jìn)入耗盡區(qū)并且發(fā)生復(fù)合，促使發(fā)光二極管LED產(chǎn)生了能量。與普通二極管以熱能的方式釋放能量不同，LED將大部分產(chǎn)生的能量以可見光的方式釋放出來。LED可分為面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管兩大類。

1)面發(fā)光二極管2）邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-2-3所示，它為長波長1.31μm雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP/InP邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的核心部分是一個N-AlGaAs有源層，及其兩邊的P-AlGaAs和N-AlGaAs導(dǎo)光層(限制層)。導(dǎo)光層的折射率比有源層低，但比其他周圍材料的折射率高，從而有源層產(chǎn)生的光波從端面發(fā)射出來LED有如下工作特性：1)LED的光譜特性它的譜線寬度較寬，對高速率調(diào)制是不利的。

LED的光譜特性如圖4-2-4所示2）LED的輸出光功率特性

從圖4-2-5中可見LED的P-I曲線線性范圍較大，當(dāng)驅(qū)動電流I較小時，P-I曲線的線性較好，在進(jìn)行調(diào)制時，動態(tài)范圍大，信號失真小4.3半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器（LD）主要適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。近年來逐漸成熟的波長可調(diào)諧激光器是WDM光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，越來越受到人們的關(guān)注。1、光纖通信對半導(dǎo)體激光器的主要要求半導(dǎo)體激光器(LD)是光纖通信最主要的光源，對它的基本要求有以下幾點：

（1）光源應(yīng)在光纖的三個低損耗窗口工作，即發(fā)光波長為0.85μm、1.31μm或1.55μm。（2）光源的譜線寬度較窄，Δλ=0.1～1.0nm。（3）能提供足夠的輸出功率，可達(dá)到10mW以上。（4）與光纖耦合效率高，30%～50%。（5）能長時間連續(xù)工作，工作穩(wěn)定，提供足夠的輸出光功率。2、LD的工作原理半導(dǎo)體激光器由如下三個部分組成：產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，也就是處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵源（泵浦源）使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使粒子數(shù)從低能級躍遷到高能級，使得在這種情況下受激輻射大于受激吸收，從而有光的放大作用。這時的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。有能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學(xué)諧振腔。激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置，放置兩個反射系數(shù)分別為r1和r2的平面反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔，如圖4-3-1所示的這兩個反射鏡，一個為全反射鏡，一個為半反射鏡。半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出應(yīng)滿足三個基本條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光反饋激光振蕩的閾值條件3.常用半導(dǎo)體激光器

1）法布里—珀羅激光器普通的半導(dǎo)體激光器一般采用條形結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(BHLD)，光學(xué)諧振腔為法布里－珀羅腔(F－P)，它可以分為兩類，即增益波導(dǎo)LD和折射率波導(dǎo)LD。（2）動態(tài)單縱模半導(dǎo)體激光器所謂動態(tài)單縱模半導(dǎo)體激光器(SLM-LD)，就是指在高速調(diào)制下仍能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。目前，比較成熟的單縱模激光器有分布反饋激光器DFB及耦合腔激光器

分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)，它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻上波紋狀的周期的光柵來構(gòu)成的，如圖4-3-4所示。由于分布反饋激光器的這種工作方式，使得它具有極強的波長選擇性，從而實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作。從圖4-3-6的LD多模光譜和單模光譜的比較可以看出，單縱模LD中除了一個主模外，其它縱模都被抑制了，同時主模的譜線寬度非常窄，通常小于1nm，用于高速光纖通信系統(tǒng)是非常理想的。（3）量子阱激光器為了進(jìn)一步提高激光發(fā)射效率，可以使用一種特殊的制造技術(shù)來得到特別薄的激活區(qū)，厚度大概在4~20nm，這種技術(shù)被稱為量子阱激光器。量子激光器的主要優(yōu)點在于閾值電流低，線寬窄，較高的光電轉(zhuǎn)換效率，對輸出光束更高的限制，以及發(fā)射更多可能波長光線的能力。4．激光器LD的工作特性LD的工作特性可以用一些特性曲線和特性參量來描述。（1）P-I曲線閾值特性當(dāng)注入電流很小時，LD的發(fā)出的光功率很小，為自發(fā)幅射所致，發(fā)出的是熒光當(dāng)達(dá)到某個電流值時，光功率突然增強，這個電流稱為閾值電流It；當(dāng)I＞It時，LD發(fā)出的是激光。對于一個LD來說，It越低越好,目前最好的半導(dǎo)體激光器閾值電流可小于10mA。線性特性I＞It的一段范圍內(nèi)，發(fā)射的光功率P近似與注入電流近似為線性關(guān)系。為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，應(yīng)該有很好的線性關(guān)系。

2)光譜特性

GaAsLD的光譜特性曲線如圖4-6-2所示。半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當(dāng)I＜It時光譜很寬，此時為熒光光譜；當(dāng)I＞It時光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，表明發(fā)出激光。(a)單縱模與多縱模光譜中只有一根譜線，這樣的激光器為單縱模激光器，上圖的光譜有很多條譜線，這樣的激光器即為多縱模激光器。(b)峰值波長λp所謂峰值波長是在規(guī)定光功率時，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強度的光譜波長，用λp表示，LD的峰值波長相當(dāng)明顯。(c)譜線寬度Δλ譜線寬度簡稱為線寬用Δλ來表示。采用ITU-TG957建議的最大–20dB寬度定義。即在規(guī)定光功率下，主模中心波長的最大峰值功率躍落-20dB時的最大全寬為光譜寬度。3)溫度特性（1）閾值電流It隨溫度的升高而加大，為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作，一般都要采用自動溫度控制電路，來穩(wěn)定激光器的閾值電流和輸出光功率。(2)激光二級管的中心波長λ隨溫度升高而增加。4）轉(zhuǎn)換效率定義為激光器達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比4.4光調(diào)制

實現(xiàn)光纖通信，首先要解決的問題是如何將電信號加載到光源的發(fā)射光束上變成光信號，即需要進(jìn)行光調(diào)制。根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系，光調(diào)制可分為直接調(diào)制和間接調(diào)制兩大類。從調(diào)制信號的形式來說，光源的調(diào)制又可分為模擬信號調(diào)制和數(shù)字信號調(diào)制。1．直接調(diào)制與間接調(diào)制

1）光源的直接調(diào)制光源的直接調(diào)制又稱為光源的內(nèi)部調(diào)制，它是將調(diào)制信號直接作用在光源上，把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栕⑷氲絃D或LED，獲得相應(yīng)的光信號。2）光源的外部調(diào)制光源的間接調(diào)制通常稱為光源的外部調(diào)制，它是由恒定光源輸出激光后，外加光調(diào)制器對光進(jìn)行調(diào)制目前可以使用的外部調(diào)制方式有電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光調(diào)制。電光調(diào)制最容易實現(xiàn)，在光纖通信系統(tǒng)廣泛使用，下面加以介紹。電光調(diào)制的基本工作原理是晶體的線性電光效應(yīng)。電光效應(yīng)是指電場引起晶體折射率變化的現(xiàn)象，能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的晶體稱為電光晶體。電光調(diào)制器可以利用電光效應(yīng)進(jìn)行電光相位調(diào)制、電光強度調(diào)制和電光頻率調(diào)制。2．模擬信號與數(shù)字信號的直接調(diào)制模擬信號調(diào)制是直接用連續(xù)的模擬信號(如話音、電視等信號)對光源進(jìn)行調(diào)制，這類調(diào)制要考慮到非線性失真的問題。數(shù)字信號調(diào)制是直接用數(shù)字信號對光源進(jìn)行調(diào)制3．LD調(diào)制特性(1)電光延遲電光延遲就是在電信號到來時，光信號相對于電信號的時間延遲，用延遲時間td來表示，電光延遲的原因是由于載流子濃度達(dá)到激光閾值需要一定的時間(約0.5～2.5ns)。理論和實驗都證實，LD預(yù)偏置在閾值附近，td可以顯著減小，且這時載流子壽命τsp也縮短了，有利于提高調(diào)制速率。(2)張馳振蕩

當(dāng)電流脈沖突然加到LD上，其光輸出呈現(xiàn)圖4-4-6所示的動態(tài)響應(yīng)，這是注入電子與所產(chǎn)生的光子間相互作用的量子力學(xué)過程。當(dāng)注入電流從零快速增大到閾值以上時，經(jīng)電光延遲后產(chǎn)生激光輸出，并在脈沖頂部出現(xiàn)阻尼振蕩，經(jīng)過幾個周期后達(dá)到平衡值，這種特性稱為張馳振蕩特性。除了電光延遲和張弛振蕩外還有(3)碼型效應(yīng)(4)小信號輸入的頻率響應(yīng)(5)大信號輸入的頻率響應(yīng)4.5光發(fā)送機(jī)

在光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)送機(jī)是實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。其功能是將來自于電端機(jī)的電信號對光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，然后再將已調(diào)的光信號耦合到光纖或光纜中去傳輸。1．光發(fā)送機(jī)的要求1）有合適的輸出光功率

光發(fā)送機(jī)的輸出光功率，通常是指耦合進(jìn)光纖的功率，亦稱入纖功率。入纖功率越大，可通信的距離就越長，但光功率太大也會使系統(tǒng)工作在非線性狀態(tài)，對通信將產(chǎn)生不良影響。因此，要求光源應(yīng)有合適的光功率輸出，一般為0.01～5mW。與此同時，要求輸出光功率要保持恒定，在環(huán)境溫度變化或器件老化的過程中，穩(wěn)定度要求為5%～10%.2）良好的消光比消光比的定義為全“1”碼平均發(fā)送光功率與全“0”碼平均發(fā)送光功率之比，可用下式表示：（4-5-1）式中，P11為全“1”碼時的平均光功率；P00為全“0”時的平均光功率。理想情況下，當(dāng)進(jìn)行“0”碼調(diào)制時應(yīng)沒有光功率輸出，但實際輸出的是功率很小的熒光，這給光纖通信系統(tǒng)引入噪聲，從而造成接收機(jī)靈敏度降低，故一般要求EXT≥10dB。3）調(diào)制特性要好

所謂調(diào)制特性要好，是指光源的P-I曲線在使用范圍內(nèi)線性特性良好，否則再調(diào)制后將產(chǎn)生非線性失真。2．光發(fā)送機(jī)的組成光發(fā)送機(jī)的組成包括輸入電路，反饋穩(wěn)定驅(qū)動電路，光源與光纖的耦合、自動溫度控制電路、自動功率控制電路及保護(hù)電路等。光發(fā)送機(jī)有直接調(diào)制光發(fā)送機(jī)和外部調(diào)制光發(fā)送機(jī)兩種結(jié)構(gòu)。直接調(diào)制的光發(fā)送機(jī)較為簡單，所以目前使用的光發(fā)射機(jī)大多數(shù)是直接調(diào)制的光發(fā)送機(jī)，它的原理如圖4-5-1所示。外部調(diào)制電路目前采用的不多，但在超高速光纖系統(tǒng)