1、1,第3章 光源與光發(fā)送機(jī),2,第3章 光源與光發(fā)送機(jī) 光發(fā)送機(jī)是將電輸入信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光信號的光電轉(zhuǎn)發(fā)中心，是各種光波系統(tǒng)的基本組成單元和決定光波系統(tǒng)性能的基本因素。 光發(fā)送機(jī)的核心部件是光源，光纖通信系統(tǒng)均采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD)作為光源，這類光源具有尺寸小、耦合效率高、響應(yīng)速度快、波長和尺寸與光纖適配，并可在高速條件下直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)。 本章將專門討論半導(dǎo)體光源的原理、結(jié)構(gòu)、特性及由它構(gòu)成的光發(fā)送機(jī)。,3,在光纖通信系統(tǒng)中，光發(fā)送機(jī)的作用是將電信號轉(zhuǎn)變成光信號，并有效地把光信號送入傳輸光纖。 光發(fā)送機(jī)的核心是光源及其驅(qū)動電路。 光纖通信系統(tǒng)對光源的要求，主要有：

2、,(1) 發(fā)射波長與使用的光纖傳輸窗口波長一致；,(2) 調(diào)制容易、線性好、帶寬大；,(3) 輸出譜窄，以降低光纖色散的影響；,(4) 輻射角小，與光纖的耦合效率高；,(5) 壽命長、體積小、耗電省等。,4,能滿足上述要求且已廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中的是兩種半導(dǎo)體光源：發(fā)光二級管(LED)和激光二極管(LD)。 這兩種光源的主要區(qū)別在于： LED： 輸出的是非相干光，其譜寬寬，入纖功率小，調(diào)制速率低； LD： 是相干光輸出，譜寬窄，入纖功率大，調(diào)制速率高。 因此， LED適宜于短距離低速系統(tǒng)， LD適宜于長距離高速系統(tǒng)。,5,3.1 半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ) 量子物理實(shí)驗(yàn)證明，原子是由原子核和繞核

3、旋轉(zhuǎn)的電子組成，核外電子都在特定的能級中運(yùn)動，并能通過與外界交換能量而發(fā)生能級躍遷，若交換的能量是光能，則稱為光躍遷。,光源的工作原理基于：,光子的吸收 自發(fā)發(fā)射 受激發(fā)射,6,能級 E1: 低(下)能級； 能級E2 : 高(上)能級。 按普朗克定律，原子在兩個能級之間的躍遷是能量為 hfE2E1 的光子被吸收和發(fā)射的過程。,圖3.1 原子的三種基本躍遷過程,7,1)光的自發(fā)發(fā)射,原子在高能級上是不穩(wěn)定的，當(dāng)它躍遷回低能級時，放出能量為 hf 的光子，這是一種自發(fā)發(fā)射過程（如圖b）。 （3-1動畫示意圖）,3.1.1 發(fā)射與吸收速率,由3.1圖所示兩能級原子系統(tǒng)，設(shè)N1為基態(tài)E1原子密度，N2

4、為激發(fā)態(tài)E2原子密度， 為輻射能量的譜密度。,（3.1.1-1）,式中A為常數(shù),自發(fā)發(fā)射速率為,8,受激發(fā)射的速率為,2)光的受激發(fā)射,若原子原來處于高能級上，這時又有能量為 hf 的光子入射，在它的激發(fā)下原子返回低能級并發(fā)射光子。這發(fā)射的光子和入射光子具有相同的狀態(tài)(能量、相位、偏振態(tài)等)，這樣產(chǎn)生的發(fā)射稱為受激發(fā)射（如圖c）。 （3-2動畫示意圖）,（3.1.1-2）,式中B為常數(shù),9,在正常情況下，原子處于低能級上，能量為 hf 的入射光子被吸收后，原子從低能級躍遷到高能級上（如圖a）。,3)光的受激吸收,受激吸收的速率為,（3-3動畫示意圖）,（3.1.1-3）,式中 為常數(shù),10,為

5、了產(chǎn)生受激發(fā)射為主的光發(fā)射，必須創(chuàng)造兩個基本條件： (1) N2 N1，即高能級的粒子數(shù)要遠(yuǎn)大于低能級的粒子數(shù) （熱平衡狀態(tài)下是 N1 N2），這種條件稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 (2)足夠高的輻射譜密度 ph 。,（3.1.2）,在熱平衡時，原子分布遵守玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布：,11,3.1.2 pn結(jié)的形成及其能帶結(jié)構(gòu) 1.PN結(jié)的形成 半導(dǎo)體光源的核心是PN結(jié)，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相接觸就能形成PN結(jié)。,P 型半導(dǎo)體和 N 半導(dǎo)體是通過向半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)而制成，雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體原子相比有過剩的價電子或過少的價電子。,12,型半導(dǎo)體、型半導(dǎo)體能帶示意圖,13,(1) 本征半導(dǎo)體 對本征半導(dǎo)體費(fèi)密能級位于

6、帶隙中間，價帶中所有位置都由電子填充(黑圓點(diǎn))。而導(dǎo)帶中所有位置都空著，如圖3.3(a)所示。,14,通過重?fù)诫s（施主雜質(zhì)）形成 N 型半導(dǎo)體，對N型半導(dǎo)體，過剩電子占據(jù)了未摻雜(本征)半導(dǎo)體中空的導(dǎo)帶，費(fèi)密能級向?qū)б苿?，費(fèi)密能級位于導(dǎo)帶內(nèi)，這樣的半導(dǎo)體稱為兼并型N型半導(dǎo)體，如圖3.3(b)所示。,(2) N 型半導(dǎo)體,15,n型半導(dǎo)體當(dāng)本征半導(dǎo)體摻雜時，施主能級(位于導(dǎo)帶下面)電離時提供更多的自由電子到導(dǎo)帶中，其導(dǎo)電特性決定于導(dǎo)帶電子，電子為多數(shù)載流子，費(fèi)米能級上升。,N型費(fèi)米能級,16,通過重?fù)诫s（受主雜質(zhì)）形成 P 型半導(dǎo)體，對P型半導(dǎo)體，費(fèi)密能級向價帶移動，并在重?fù)诫s時位于價帶內(nèi)，稱

7、為兼并型P型半導(dǎo)體，如圖3.3(c)所示。,(3) P 型半導(dǎo)體,17,p型半導(dǎo)體當(dāng)本征半導(dǎo)體摻雜時，受主能級電離時(位于價帶上面)提供更多的空穴到價帶中，其導(dǎo)電特性主要由價帶空穴決定，空穴為多數(shù)載流子，且費(fèi)米能級下降。,p型費(fèi)米能級,導(dǎo)帶,價帶,18,在P型半導(dǎo)體中存在大量帶正電的空穴和等量的帶負(fù)電的電子，但總體上呈現(xiàn)電中性。同樣在N型半導(dǎo)體中帶負(fù)電的電子和等量的帶正電的空穴，也相互抵消，呈電中性。,(4) 熱平衡狀態(tài)下的P型和N型半導(dǎo)體,統(tǒng)一的費(fèi) 米能級,導(dǎo)帶和價帶被能量為 Eg 的禁帶(帶隙)分開。對不同的半導(dǎo)體材料，Eg 是不同的。,19,當(dāng) P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體形成 PN 結(jié)

8、時，載流子的濃度差引起擴(kuò)散運(yùn)動，P 區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，剩下帶負(fù)電的離子，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，剩下帶正電的離子，從而在靠近 PN 結(jié)界面的區(qū)域形成一個帶正電的區(qū)域。 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動的結(jié)果形成了一個空間電荷區(qū)。 如圖3.4所示。,(5) PN結(jié)的形成,20,PN結(jié)的形成,（3-4p-n結(jié)形成示意圖）,圖3.4 PN結(jié)空間電荷區(qū)的形成及載流子導(dǎo)向,21,在單晶材料中相鄰形成n型及p型半導(dǎo)體層，構(gòu)成p-n結(jié)。由于兩邊載流子濃度的差別，多數(shù)載流子將擴(kuò)散通過結(jié)區(qū)。,電子從np擴(kuò)散并填充p區(qū)的空穴，在n區(qū)留下帶正電的電離施主，形成正電荷區(qū)

9、,空穴從pn擴(kuò)散，在p區(qū)留下帶負(fù)電的電離受主，形成負(fù)電荷區(qū),結(jié)區(qū)形成了由n區(qū)指向p區(qū)的電場，稱內(nèi)建電場。 它形成的勢磊阻止電子空穴進(jìn)一步擴(kuò)散。如圖d,22,(6) pn結(jié)正向偏置情況 當(dāng)pn結(jié)正向偏置，即n區(qū)接負(fù)電位，p區(qū)接正電位時，耗盡區(qū)的寬度及勢壘高度都要下降。,原來的熱平衡狀態(tài)破壞了，使擴(kuò)散作用增強(qiáng)； p區(qū)和n區(qū)的費(fèi)米能級分離，可分別用所謂的準(zhǔn)費(fèi)米能級來描述空穴和電子 的分布規(guī)律； 有更多的n區(qū)電子和p區(qū)空穴擴(kuò)散穿過pn結(jié)而進(jìn)入相對的區(qū)域，大大增加了 少數(shù)載流子的濃度。,23,(7) pn結(jié)反向偏置情況 當(dāng)pn結(jié)反向偏置，即n型材料接正電位，而p型材料接負(fù)電位時，耗盡區(qū)的寬度向p區(qū)及n區(qū)

10、分別擴(kuò)展而加寬。,有效地增高了勢壘高度； 阻止任何多數(shù)載流子（擴(kuò)散）穿過結(jié)區(qū)； 少數(shù)載流子（漂移）仍可在電場作用下穿過結(jié)區(qū)。,自建場方向,24,2. pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) （1） p和n型結(jié)構(gòu) 無雜質(zhì)及晶格缺陷的完善半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。,導(dǎo)帶和價帶被能量為 Eg 的禁帶(帶隙)分開。對不同的半導(dǎo)體材料，Eg 是不同的。,在絕對零度以上，熱激勵使部分電子從價帶升到導(dǎo)帶，并在價帶留下空穴。這些導(dǎo)帶中的熱激勵電子和價帶中的空穴稱為載流子，它們使材料導(dǎo)電。 （3-5 晶體能帶示意圖） （3-6型半導(dǎo)體、型半導(dǎo)體能帶圖）,25,p區(qū)和n區(qū)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級,內(nèi)建電場(耗盡區(qū)),P,N,p區(qū)中的少數(shù)載流子(電

11、子)向n區(qū)漂移。,n區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)沿電場方向向p區(qū)漂移。,擴(kuò)散和漂移形成反向電流，當(dāng)兩電流大小相等時，達(dá)到動態(tài)平衡擴(kuò)散電流+漂移電流0。,26,圖3.5 PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) 由電子占據(jù)的能帶； (b) 熱平衡狀態(tài)下PN結(jié)的能帶；(c) PN結(jié)加上正向電壓時的能帶。,27,通過正向偏置大量注入的額外少數(shù)載流子，將與帶有相反電荷的多數(shù)載流子復(fù)合。當(dāng)這種復(fù)合釋放出來的能量以光子表現(xiàn)，這就是產(chǎn)生光發(fā)射的物理機(jī)理。 pn結(jié)在正向偏置下由電子注入產(chǎn)生光自發(fā)發(fā)射的現(xiàn)象稱為電致發(fā)光。,28,（2） 雙異質(zhì)pn結(jié) 光發(fā)射主要位于pn結(jié)附近的勢壘區(qū)內(nèi)載流子發(fā)生復(fù)合的地方。但由于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度通常遠(yuǎn)大

12、于勢壘寬度，在勢壘區(qū)外也會發(fā)生復(fù)合發(fā)光，也就是說這種光發(fā)射的范圍寬、不集中、效率低。 因此，無論是LED還是LD，都要對載流子及發(fā)射光施加附加的限制。 （a）圖3.5所示的PN結(jié)在結(jié)兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料，稱為同質(zhì)結(jié)，這種結(jié)沒有帶隙差。 (b)所謂異質(zhì)結(jié)，就是由帶隙寬度及折射率都不同的兩種半導(dǎo)體材料(如GaAs和AIGaAs)構(gòu)成的pn結(jié)。發(fā)光區(qū)域(有源層)夾在兩個異質(zhì)結(jié)中，即構(gòu)成雙異質(zhì)結(jié)的發(fā)光器件。,29,圖3.6 由窄帶隙，高折射率中間層構(gòu)成的雙異質(zhì)結(jié)對載流子與光場的限制作用,中間nGaAs為有源層，它與右邊的nGaAlAs構(gòu)成一個異質(zhì)結(jié)，其勢壘阻止空穴進(jìn)入n-Ga0.8Al0.2As區(qū)

13、。 有源層左邊與pGaAlAs也構(gòu)成一個異質(zhì)結(jié)，其勢壘阻止電子進(jìn)入p區(qū)。這樣就把載流子的復(fù)合很好地限定在了有源層內(nèi)。 有源層兩邊的折射率比有源層低，它的光波導(dǎo)作用對光場具有很好的約束，大大提高了發(fā)光強(qiáng)度。,30,如圖3.6所示，這種結(jié)稱為雙異質(zhì)結(jié)，或簡稱異質(zhì)結(jié)。 雙異質(zhì)結(jié)中帶隙差的出現(xiàn)也使折射率差增大(可達(dá)5%左右)，使光場亦有效地限制在有源區(qū)。 載流子和光場的限制使激光器的閾值電流密度大大下降，可實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作。 目前光波系統(tǒng)中所用激光器多是雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。,31,3.1.3 載流子的復(fù)合發(fā)光效率與壽命 如前述，半導(dǎo)體pn結(jié)中的發(fā)光過程存在輻射復(fù)合（釋放能量）與無輻射復(fù)合（損耗）兩種過程。為了衡量它們的相對大小，現(xiàn)定義一個內(nèi)量子效率:,(3.1.13),式中