通信用光器件第四章光源通信用光器件

通信用光器件可以分為有源器件和無源器件兩種類型。

———光纖通信中，需要有光源發(fā)光，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，還要有光接收器件，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。這種發(fā)光器件和光接收器件統(tǒng)稱為光電器件，或有源器件?！獙庑盘栠M(jìn)行處理的器件稱為無源器件。

通信用光器件

有源器件包括光源、光檢測器和光放大器。光無源器件主要有連接器、耦合器、波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)和隔離器等。光源——光纖通信的“心臟”第四章光源4.1光源的物理基礎(chǔ)4.2光通信光源基本要求4.3半導(dǎo)體光源的工作原理4.4光源的工作特性4.1光源的物理基礎(chǔ)4.1.1孤立原子的能級和半導(dǎo)體的能帶原子核電子高能級低能級1.孤立原子的能級

原子是由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成。圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化。E2.半導(dǎo)體的能帶 在大量原子相互靠近形成半導(dǎo)體晶體時(shí)，由于半導(dǎo)體晶體內(nèi)部電子的共有化運(yùn)動，使孤立原子中離散能級變成能帶。較低的能級構(gòu)成價(jià)帶，較高的能級構(gòu)成導(dǎo)帶。

圖4.2半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)在圖4.2中，半導(dǎo)體內(nèi)部自由運(yùn)動的電子(簡稱自由電子)所填充的能帶稱為導(dǎo)帶；價(jià)電子所填充的能帶稱為價(jià)帶；導(dǎo)帶和價(jià)帶之間不允許電子填充，所以稱為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)。4.1.2光與物質(zhì)的相互作用1.自發(fā)輻射 處于高能級的電子狀態(tài)是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地從高能級(在半導(dǎo)體晶體中更多是指導(dǎo)帶的一個(gè)能級)運(yùn)動(稱為躍遷)到低能級(在半導(dǎo)體晶體中更多是指價(jià)帶的一個(gè)能級)與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)光子。由于不需要外部激勵，所以該過程稱為自發(fā)輻射。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn) 根據(jù)能量守恒定律，自發(fā)輻射光子的能量為：hf12=E2-E1 式中：h為普朗克常數(shù)，其值為6.626×10-34J·s；f12為光子的頻率；E2為高能級能量；E1為低能級能量。(a)自發(fā)輻射hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(b)受激輻射2.受激輻射

在外來光子的激勵下，電子從高能級躍遷到低能級與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)與外來光子同頻、同相的光子。由于需要外部激勵，所以該過程稱為受激輻射。hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(c)受激吸收3.受激吸收

在外來光子激勵下，電子吸收外來光子能量而從低能級躍遷到高能級，變成自由電子。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。物體成為發(fā)光體需要光輻射>光吸收4.1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)1.粒子數(shù)正常分布狀態(tài)

設(shè)在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的電子數(shù)分別為N1和N2。

當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因?yàn)殡娮涌偸鞘紫日紦?jù)低能量的軌道。受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，光強(qiáng)按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當(dāng)光通過這種物質(zhì)時(shí)，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。

N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài) 為了使物質(zhì)發(fā)光，就必須使其內(nèi)部的自發(fā)輻射和/或受激輻射幾率大于受激吸收的幾率。 有多種方法可以實(shí)現(xiàn)能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這些方法包括光激勵方法、電激勵方法等。本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體

圖4.4半導(dǎo)體的能帶和電子分布

4.1.4PN結(jié)的能帶和電子分布圖4.4示出不同半導(dǎo)體的能帶和電子分布圖。根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef稱為費(fèi)米能級，用來描述半導(dǎo)體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費(fèi)米能級，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對出現(xiàn)的，用Ef位于禁帶中央來表示，見圖4.4(a)。在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體，見圖4.4(b)。在本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體，見圖4.4(c)。

硅的晶格結(jié)構(gòu)硅的晶格結(jié)構(gòu)(平面圖)本征半導(dǎo)體材料Si電子和空穴是成對出現(xiàn)的受熱時(shí)，Si電子受到熱激勵躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電子和空穴成對出現(xiàn)。此時(shí)外加電場，發(fā)生電子/空穴移動導(dǎo)電。導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV電子躍遷帶隙Eg

=1.1eV電子態(tài)數(shù)量空穴態(tài)數(shù)量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子本征半導(dǎo)體的能帶圖電子向?qū)кS遷相當(dāng)于空穴向價(jià)帶反向躍遷Ef－電子或空隙的濃度為:其中為材料的特征常數(shù)T為絕對溫度kB

為玻耳茲曼常數(shù),h為普朗克常數(shù)me

電子的有效質(zhì)量mh

空穴的有效質(zhì)量Eg帶隙能量本征載流子濃度例：在300K時(shí)，GaAs的電子靜止質(zhì)量為m=9.11×10-31kg，

me=0.068m=6.19×10-32kg

mh=0.56m=5.1×10-31kg

Eg=1.42eV

可根據(jù)上式得到本征載流子濃度為2.62×1012m-3非本征半導(dǎo)體材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)摻入Si晶體后，產(chǎn)生的多余電子受到的束縛很弱，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它掙脫束縛成為自由電子。這個(gè)電離過程稱為雜質(zhì)電離。As除了用4個(gè)價(jià)電子和周圍的Si建立共價(jià)鍵之外，還剩余一個(gè)電子As+導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV施主能級電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主能級

施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶電子濃度增加

N型材料，施主能級第V族元素稱為施主雜質(zhì)，被它束縛住的多余電子所處的能級稱為施主能級。由于施主能級上的電子吸收少量的能量DED后可以躍遷到導(dǎo)帶，因此施主能級位于離導(dǎo)帶很近的禁帶。Ef非本征半導(dǎo)體材料：p型由于B只有3個(gè)價(jià)電子，因此B和周圍4個(gè)Si的共價(jià)鍵還少1個(gè)電子B容易搶奪周圍Si原子的電子成為負(fù)離子并產(chǎn)生多余空穴B–第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)摻入Si晶體后，產(chǎn)生多余的空穴，它們只受到微弱的束縛，只需要很少的能量DEA<Eg

就可以讓多余孔穴自由導(dǎo)電。導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV受主能級電子能量電子濃度分布空穴濃度分布受主能級

受主能級電離使導(dǎo)帶空穴濃度增加

P型材料，受主能級第III族元素容易搶奪Si的電子而被稱為受主雜質(zhì)。被它束縛的空穴所處的能級稱為受主能級EA。當(dāng)空穴獲得較小的能量DEA之后就能擺脫束縛，反向躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴。因此，受主能級位于靠近價(jià)帶EV的禁帶中。Ef

PN結(jié)耗盡層（a）P-N結(jié)內(nèi)載流子運(yùn)動；圖4.5PN結(jié)的能帶和電子分布P區(qū)PN結(jié)空間電荷區(qū)N區(qū)內(nèi)部電場擴(kuò)散漂移在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動，形成內(nèi)部電場，見圖4.5(a)。

(b)零偏壓時(shí)P-N結(jié)的能帶傾斜圖；勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env內(nèi)部電場產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運(yùn)動處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜，見圖4.5(b)。耗盡區(qū)擴(kuò)散電子pn結(jié)內(nèi)建電場PN結(jié):---+++U電勢pnEf1.濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動2.內(nèi)建電場的驅(qū)動導(dǎo)致載流子做反向漂移運(yùn)動P-N結(jié)施加反向電壓VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上反向偏置電壓時(shí)，耗盡區(qū)加寬，勢壘加強(qiáng)。(a)反向偏壓使耗盡區(qū)加寬少數(shù)載流子漂移U擴(kuò)散運(yùn)動被抑制只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動P-N結(jié)施加正向電壓VCC當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向偏置電壓時(shí)，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，耗盡區(qū)變窄，勢壘降低。使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動。少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生光輻射。(b)正向偏壓使耗盡區(qū)變窄耗盡區(qū)變窄Upnpn擴(kuò)散>漂移hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場外加電場(c)正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見圖4.5(c)。外加電場注入載流子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)載流子復(fù)合發(fā)光總結(jié)固體材料中，核外電子相互影響，能級分裂為能帶半導(dǎo)體是禁帶寬度較小的非導(dǎo)體，導(dǎo)電載流子為導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴能帶中的載流子按照費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布，能級越低被電子占據(jù)的幾率越大費(fèi)米能級是電子在能級中分布情況的參量當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向偏置電壓時(shí)，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，耗盡區(qū)變窄，勢壘降低。獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生光輻射。4.2光通信光源基本要求4.2.1材料的發(fā)光波長不同材料有不同的能級差和發(fā)光波長。不同波長光通信系統(tǒng)應(yīng)選用不同材料光源。半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-emittingDiode，LED)基本應(yīng)用GaAlAs（三元合金，砷化鎵摻鋁）和InGaAsP（四元合金，磷化銦摻砷化鎵）材料，可以覆蓋整個(gè)光纖通信系統(tǒng)使用波長范圍，典型值為0.85μm、1.31μm及1.55μm。4.2.2光通信光源基本要求（1）合適的發(fā)光波長——1.55μm

；（2）足夠的輸出功率——大于1mW；（3）可靠性高，壽命長——平均壽命106小時(shí)；（4）輸出功率高——大于10％；（5）光譜寬度窄；（6）聚光性好；（7）調(diào)制性好；（8）價(jià)格低廉。4.2.3產(chǎn)生激光的條件（1）受激發(fā)射；（2）工作物質(zhì)具有亞穩(wěn)態(tài)能級；（3）形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。4.2.4激光的特點(diǎn)（1）單色性好；（2）相干性高；（3）方向性強(qiáng)。4.3半導(dǎo)體光源的工作原理4.3.1發(fā)光二極管的工作原理

1.發(fā)光二極管(LED)的類型結(jié)構(gòu)

LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒有解理面，即沒有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。雙異質(zhì)結(jié)LED(DH-LED)同質(zhì)PN結(jié)的問題1.由電子空穴擴(kuò)散產(chǎn)生的結(jié)區(qū)太厚，很難把載流子約束在相對小的區(qū)域，從而結(jié)區(qū)無法形成較高的載流子密度2.無法對產(chǎn)生的光進(jìn)行約束1~10mmpn兩邊采用相同的半導(dǎo)體材料的PN結(jié)稱為同質(zhì)PN結(jié)。同質(zhì)PN結(jié)兩邊具有相同的帶隙結(jié)構(gòu)和相同的光學(xué)性能。PN結(jié)區(qū)完全由載流子的擴(kuò)散形成。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)折射率電子能量有源區(qū)注入電子電子勢壘電子-空穴復(fù)合注入空穴空穴勢壘波導(dǎo)區(qū)異質(zhì)結(jié)：為提高輻射功率，需要對載流子和輻射光產(chǎn)生有效約束1.不連續(xù)的帶隙結(jié)構(gòu)2.折射率不連續(xù)分布－－－++典型的GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)LED剖面圖2.發(fā)光二極管的工作原理

LED的工作原理可以歸納如下：當(dāng)給LED外加合適的正向電壓時(shí)，Pp結(jié)之間的勢壘(相對于空穴)和Np結(jié)之間的勢壘(相對于電子)降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)和從N區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)(由于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，p區(qū)中外來的電子和空穴不會分別擴(kuò)散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其他衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。按照器件輸出光的方式，可以將LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.6所示。圖4.6常用的兩類發(fā)光二極管（LED）圓形腐蝕孔焊接材料金屬電極雙異質(zhì)結(jié)層限制層熱層金屬電極有源區(qū)圓形金屬接觸面襯底絕緣層絕緣層光纖面發(fā)光二極管優(yōu)點(diǎn)：LED到光纖的耦合效率高導(dǎo)光層襯底金屬電極熱沉金屬電極絕緣層雙異質(zhì)結(jié)層非相干輸出光束條形接觸面50~70mm有源區(qū)100~150mm120°30°邊發(fā)光二極管優(yōu)點(diǎn)：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好缺點(diǎn)：需要較大的驅(qū)動電流、發(fā)光功率低單質(zhì)半導(dǎo)體材料都不是直接帶隙材料，因此不適合做光源；很多化合物，尤其是III-V族化合物是直接帶隙的，比如由Al、Ga、In和P、As、Sb構(gòu)成的化合物。不同材料有不同的能級差和發(fā)光波長。不同波長光通信系統(tǒng)應(yīng)選用不同材料光源。LED基本材料：Ga1-xAlxAs(砷化鎵摻鋁)800~850nm短波長光源In1-xGaxAsyP1-y(磷化銦摻砷化鎵)1000~1700nm長波長光源x和y的值決定了材料的帶隙，也就決定了發(fā)光波長LED光源的材料和工作波長合金比率與發(fā)光波長的關(guān)系面發(fā)光LED邊發(fā)光LED相對輸出功率LED的輸出光譜特點(diǎn)：自發(fā)輻射光、譜線較寬 溫度升高或驅(qū)動電流增大導(dǎo)致峰值波長紅移且譜線變寬 長波長光源譜寬比短光源寬1310nm短波長GaAlAs/GaAsLED譜線寬度為30~50nm長波長InGaAsP/InPLED譜線寬度為60~120nm原理：外加電場實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，大量的電子-空穴對的自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光為什么要使用LED：1.驅(qū)動電路簡單2.不需要溫控電路3.成本低、產(chǎn)量高優(yōu)點(diǎn)：輸出光功率線性范圍寬(P-I特性)性能穩(wěn)定壽命長制造工藝簡單、價(jià)格低廉缺點(diǎn)：輸出光功率較小:幾個(gè)毫瓦譜線寬度較寬:幾十個(gè)納米到上百納米調(diào)制頻率較低這種器件在小容量、短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用關(guān)于LED的小結(jié)4.2.2激光二極管的工作原理

在結(jié)構(gòu)上，半導(dǎo)體激光二極管(LaserDiode，LD)與其他類型的激光器是相同的，都主要由三部分構(gòu)成：激勵源、工作物質(zhì)及諧振腔。1.激光二極管的工作原理(1)LD的能帶結(jié)構(gòu)

LD與LED結(jié)構(gòu)類似，也是由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有源層構(gòu)成，不同的是它在有源層結(jié)構(gòu)中，還有使光發(fā)生振蕩的諧振腔。而LED沒有諧振腔。

圖4.7光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)

在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置，放置兩個(gè)反射系數(shù)分別為r1和r2的平行反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔。如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔，如圖4.7所示。對于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，另一個(gè)為部分反射。

諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程

如圖4.8所示，當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即可產(chǎn)生自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射的方向不與光學(xué)諧振腔軸線平行，就被反射出諧振腔。只有與諧振腔軸線平行的自發(fā)輻射才能存在，繼續(xù)前進(jìn)。圖4.8激光器示意圖當(dāng)它遇到一個(gè)高能級上的粒子時(shí)，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷，在從高能級躍遷到低能級中放出一個(gè)全同的光子，為受激輻射。當(dāng)受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回反射一次，相位的改變量正好是2π的整數(shù)倍時(shí)，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強(qiáng)，產(chǎn)生諧振。達(dá)到一定強(qiáng)度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成一束筆直的激光。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量時(shí)，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。LD的工作原理可以歸納如下：當(dāng)給LD外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簳r(shí)，由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現(xiàn)象，那些傳播方向與諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會在有源層內(nèi)部邊傳播、邊發(fā)生受激輻射放大(其余自發(fā)輻射光子均被衰減掉)，直至傳播到高反射率界面又被反射回有源層，再次向另一個(gè)方向傳播受激輻射放大。如此反復(fù)，直到放大作用足以克服有源層和高反射率界面的損耗后，就會向高反射率界面外面輸出激光。(2)LD的工作原理有兩種方式構(gòu)成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型（DFB）激光器。F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如圖4.9所示。圖4.9

半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖2.常用激光器的基本結(jié)構(gòu)（1）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。其核心部分是一個(gè)P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。缺點(diǎn)是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實(shí)用。（2）異質(zhì)半導(dǎo)體激光器異質(zhì)半導(dǎo)體激光器包括單異質(zhì)和雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器兩種。異質(zhì)半導(dǎo)體激光器的“結(jié)”是由不同的半導(dǎo)體材料制成的，目的是降低閾值電流，提高效率。特點(diǎn)是對電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強(qiáng)度。圖4.10InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu)

n—InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層n—InP是襯底，頂層P+—InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖4.10所示的銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：增益引導(dǎo)型機(jī)制：從頂層一個(gè)窄的條形歐姆接觸區(qū)進(jìn)行載流子注入，改 變有源區(qū)的折射率，從而對光子形成橫向的約束，能 有效抑制橫模。特點(diǎn)：1)輻射功率高，但有2)散光性，且3)工作不穩(wěn)定In(I)1~5mm光強(qiáng)-20°0°20°機(jī)制：1)在橫向引入一個(gè)折射率分布實(shí)現(xiàn)對光模式的限制 2)在橫向?qū)㈦娏鲊?yán)格地限制在有源區(qū)，使得>60%的注 入電流用于發(fā)光特點(diǎn)：輸出光束具有很好的準(zhǔn)直性、能工作在基橫模橫向約束的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)：折射率引導(dǎo)型光強(qiáng)-10°0°10°單縱模激光器上面的式子和光譜圖告訴我們，將激光器的輻射光限制成單縱模的一條途徑是減少諧振腔長，增加模式之間的波長間隔。使Dl大于增益線寬。Dl但是縮短腔長使得發(fā)射功率大大降低垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)VCSEL出現(xiàn)于1990年。它閾值電流低(<100mA)；類似于面LED，發(fā)光面大，故具有很高的耦合效率；而且體積小、易于集成，適合在WDM多波長系統(tǒng)中應(yīng)用。垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)二維激光器陣列波長：650～1600nm850nm成熟腔長：～1m單縱模低閾值、低驅(qū)動電流圓形發(fā)射截面易于光纖耦合易于制作激光陣列低價(jià)格研究熱點(diǎn)長波長發(fā)射有源區(qū)限制層襯底波紋反饋光柵激光輸出分布反饋式(DFB)激光器在腔體中使用布拉格光柵(FBG)會對特定波長發(fā)生強(qiáng)烈反射。這些特定的波長稱為布拉格波長：。DFB激光器就是利用FBG的這種特性選頻，只有符合反射條件的頻率的光會得到強(qiáng)烈反射產(chǎn)生激光。其輸出的波長為：>20dB光柵光纖透鏡光柵1231231+2+31+2+31+2+3123分布布拉格反射(DBR)激光器DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)的外面，它相當(dāng)于在有源區(qū)的一側(cè)或兩側(cè)加了一段分布式布拉格反射器，起著衍射光柵的作用，因此可以將它看成是端面反射率隨波長變化而變化的特殊激光器。DBR激光器的特點(diǎn)和工作特性與DFB激光器類似。但其閾值電流要比DFB激光器的閾值電流高?？烧{(diào)諧DBR激光器二段式三段式BraggSection:大范圍調(diào)節(jié)PhaseSection:精細(xì)調(diào)節(jié)調(diào)諧范圍：～10nm取樣光柵可調(diào)諧DBR激光器工作原理：結(jié)構(gòu)：調(diào)諧范圍：～100nm外腔DBR激光器：線寬幾十KHz光纖式外腔激光器：線寬～50KHz激光二極管組件組件外觀器件封裝管腳連接4.4光源的工作特性4.4.1LED的工作特性1.量子效率與LED功率額外載流子的復(fù)合包括輻射性（發(fā)射能量為hv的光子）和非輻射性，量子效率指輻射性復(fù)合電子-空穴所占的比例。

LED的內(nèi)部量子效率和內(nèi)部功率內(nèi)量子效率hint那么LED的內(nèi)部發(fā)光功率為：例一雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP材料的LED，其峰值波長為1310nm，輻射性復(fù)合時(shí)間和非輻射型復(fù)合時(shí)間分別為30ns和100ns，驅(qū)動電流為40mA?？梢缘玫剑嚎梢缘玫絃ED的內(nèi)部發(fā)光功率為：并非所有產(chǎn)生的光都能輸出：光出射錐限制層光的產(chǎn)生和波導(dǎo)區(qū)限制層反射光出射光LED解理面n1>n2其中T(f)為菲涅爾透射系數(shù)，f

=0時(shí)：假定外界介質(zhì)為空氣(n2=1)，可以得到：例：LED典型的折射率為3.5，那么其外量子效率為1.41%，這說明光功率僅有很小的一部份能夠從LED中發(fā)射出去。和LED的外部量子效率和外部功率2.P-I特性

LED的P-I特性如圖4.13所示。P表示輸出光功率(mW),I表示注入電流(mA)。圖4.13LED的P-I特性總的來說，驅(qū)動電流較小時(shí)，LEDP-I特性曲線具有非常優(yōu)良的線性；電流過大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使曲線的斜率減小。通常，LED工作電流為50~100mA，輸出光功率為幾mW。3.光譜特性

LED的光譜特性如圖4.14所示。在圖中，λ0為LED的峰值工作波長(典型值為0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ為譜線寬度，其定義為光強(qiáng)度下降到最大值一半時(shí)對應(yīng)的波長寬度。

LED譜線寬度?λ比激光器寬得多。圖4.14InGaAsPLED的光譜特性LED的頻率響應(yīng)可以表示為式中為調(diào)制頻率，P()為對應(yīng)于調(diào)制頻率的輸出光功率，e為注入載流子的壽命。當(dāng)=c=1/e時(shí)，P(c)=0.707P(0)。在接收機(jī)中，檢測電流正比于光功率，光功率下降到0.707時(shí)，接收電功率下降到0.7072=0.5倍，即下降了3dB。因此，c定義為截止頻率。4.調(diào)制特性適當(dāng)增加工作電流載流子壽命縮短調(diào)制帶寬增加一般地：f面=20~30MHz，f邊

=100~150MHz不同載流子壽命下的LED調(diào)制曲線5.溫度特性 溫度特性主要影響到LED的平均發(fā)送光功率、P-I特性的線性及工作波長。

由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。4.4.2LD的工作特性1.LD的P-I特性

LD的P-I特性如圖4.15所示。對于LD，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，輸出光功率急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流稱為閾值電流，用Ith表示。閾值電流越小越好。就P-I特性曲線整體而言，由于存在閾值現(xiàn)象，整體線性不如LED。圖4.15LD的