光纖通信-ch5 光源與光發(fā)送機(jī)

第五章光源與光發(fā)送機(jī)5.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體特性何謂半導(dǎo)體物體分類導(dǎo)體

—

導(dǎo)電率為105s.cm-1，量級，如金屬絕緣體—

導(dǎo)電率為10-22-10-14s.cm-1量級，如：橡膠、云母、塑料等。—

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導(dǎo)體

半導(dǎo)體特性摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率增加幾百倍摻雜特性半導(dǎo)體器件光照不僅使導(dǎo)電率大為增加還可以產(chǎn)生電動勢光照特性光敏器件光電器件本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。純度：99.9999999%，“九個9”它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。常用的本征半導(dǎo)體Si+14284Ge+3228184+4

在沒有光照射且溫度為零時，下面的一個能帶被電子完全填滿形成價帶，上面一個能帶全空著形成導(dǎo)帶。不能導(dǎo)電。

當(dāng)有光照射或有一定的溫度時，價帶中電子吸收光子或熱量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，并在價帶中留下同樣數(shù)目的空穴。自由電子可以導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)和共價鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子價帶導(dǎo)帶掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子價帶中留下的空位稱為空穴禁帶EG價帶導(dǎo)帶禁帶EG

能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體自由電子價電子與空穴費(fèi)米能級Ef導(dǎo)帶中的電子絕大多數(shù)位于導(dǎo)帶的底部；價帶中的空穴絕大部分位于價帶的頂部。當(dāng)T=0K時，本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級在禁帶的中央；溫度升高，費(fèi)米能級略偏向?qū)б环?。本征半?dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高摻入的三價元素如B、Al、In等，形成P型半導(dǎo)體，也稱空穴型半導(dǎo)體摻入的五價元素如P、Se等，形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5N型半導(dǎo)體++++++++雜質(zhì)半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶+++++++施主能級EfEfEf雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3P型半導(dǎo)體--------雜質(zhì)半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶EfEfEf-------受主能級電子空穴導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶價帶本征半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)電子空穴導(dǎo)帶導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶價帶施主受主本征半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)EfEfEf導(dǎo)帶E2價帶E1半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用自發(fā)輻射h=E2-E1>Eg半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用導(dǎo)帶E2價帶E1h受激吸收導(dǎo)帶E2價帶E1半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用受激輻射hhh半導(dǎo)體內(nèi)光與電子相互作用導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶導(dǎo)帶價帶自發(fā)輻射受激吸收受激輻射愛因斯坦系數(shù)為能態(tài)電子的平均壽命AB12B21半導(dǎo)體中的光增益★產(chǎn)生光增益的條件受激輻射速率>受激吸收速率粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：CB導(dǎo)帶E2VB價帶E1

由于多數(shù)載流子之間存在的濃度梯度導(dǎo)致電子從N區(qū)到P區(qū)，空穴從P區(qū)到N區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動。在N區(qū)，由于電子的擴(kuò)散，留下不可移動的帶正電的電離施主，其所帶的電荷稱為空間電荷，因此N區(qū)一側(cè)出現(xiàn)一個正的電荷區(qū)。同理，P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)負(fù)的空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)中的空間電荷產(chǎn)生一個由N區(qū)指向P區(qū)的自建內(nèi)電場。自建內(nèi)電場阻礙了擴(kuò)散運(yùn)動，但使得N區(qū)的少數(shù)載流子空穴和P區(qū)的少數(shù)載流子電子開始漂移運(yùn)動。剛開始，這個內(nèi)電場是小的，少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動是弱的。隨著擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行，空間電荷區(qū)擴(kuò)展，內(nèi)電場增強(qiáng)，漂移運(yùn)動也增強(qiáng)。最后，擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡。電子和空穴的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動分別大小相等，方向相反而相互抵消，于是流過PN結(jié)的凈電流為零。PN結(jié)的形成PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動載流子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動形成的電流成為擴(kuò)散電流內(nèi)電場擴(kuò)散運(yùn)動=漂移運(yùn)動時達(dá)到動態(tài)平衡3內(nèi)電場阻礙多子向?qū)Ψ降臄U(kuò)散即阻礙擴(kuò)散運(yùn)動同時促進(jìn)少子向?qū)Ψ狡萍创龠M(jìn)了漂移運(yùn)動PN結(jié)的形成內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移我們一起作個總結(jié)PN結(jié)形成基本概念擴(kuò)散運(yùn)動多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散，擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生擴(kuò)散電流。漂移運(yùn)動少子向?qū)Ψ狡?，漂移運(yùn)動產(chǎn)生漂移電流。動態(tài)平衡擴(kuò)散電流=漂移電流，PN結(jié)內(nèi)總電流=0。PN結(jié)

穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，又稱高阻區(qū)，也稱耗盡層。PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)

當(dāng)PN結(jié)處于熱平衡狀態(tài)時，各處費(fèi)米能級處于同一水平，。表明通過PN結(jié)任一截面的凈電流為零，費(fèi)米能級可作為參考變量。

由于P區(qū)和N區(qū)體內(nèi)仍處于電中性，能帶邊沿相對于費(fèi)米能級的位置完全取決于體內(nèi)所摻的雜質(zhì)類型、濃度及濃度分布。如果雜質(zhì)是均勻的，則P區(qū)和N區(qū)體內(nèi)能帶是水平的?？臻g電荷區(qū)內(nèi)的靜電勢Ψ(x)由N區(qū)向P區(qū)不斷降低，而電子的靜電勢能–qΨ(x)則由N區(qū)向P區(qū)不斷升高。PN結(jié)能帶發(fā)生彎曲?？臻g電荷區(qū)能帶的彎曲，無論對N區(qū)導(dǎo)帶電子還是對P區(qū)價帶空穴都是高勢壘區(qū)。內(nèi)電場形成了P區(qū)空穴向N區(qū)運(yùn)動和N區(qū)電子向P區(qū)運(yùn)動時必須越過的勢壘。勢壘高度為|qVφ|。導(dǎo)帶價帶施主N型半導(dǎo)體Ef價帶導(dǎo)帶受主P型半導(dǎo)體EfP區(qū)N區(qū)耗盡區(qū)eVDPN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況外電場方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。耗盡層變薄，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。于是內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；內(nèi)4外PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，增強(qiáng)內(nèi)電場。耗盡層變厚，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流加大。此時PN結(jié)區(qū)少子漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。內(nèi)5外由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。45PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)PN結(jié)加正向偏壓后的能帶結(jié)構(gòu)PN結(jié)加正向偏壓后的能帶結(jié)構(gòu)PN結(jié)加正向偏壓后的能帶結(jié)構(gòu)PN結(jié)加反向偏壓后的能帶結(jié)構(gòu)PN結(jié)光電效應(yīng)NPLight_+----++++----反向偏置：反向暗電流很小光照時電流主要為光生電流++++多數(shù)載流子：受到PN結(jié)勢壘阻擋不形成電流少數(shù)載流子：形成漂移（暗）電流，但很小光——PN結(jié)區(qū)受激吸收——光生電子空穴對強(qiáng)PN結(jié)反向電場：電子N，空穴P，形成光電流

光照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價帶的電子吸收光子能量，通過禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價帶內(nèi)空穴增多，激發(fā)出光生電子-空穴對。要求：光子能量必須大于材料的禁帶寬度ΔEg。由此可得：最大臨界波長

處于反向偏置的PN結(jié)，在無光照時具有高阻特性，少數(shù)載流子漂移引起的反向暗電流很小。當(dāng)光照時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子－空穴對。在結(jié)電場作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動，空穴向P區(qū)運(yùn)動，形成光電流，方向與反向電流一致。光照度愈大，光電流愈大。由于無光照時的反偏暗電流很小，為納安量級，因此光照時的反向電流基本上與光強(qiáng)成正比。普朗克常數(shù)h=6.626×10-34J·sPN結(jié)光電效應(yīng)（a）代表符號；（b）等效電路；（c）特性曲線。PN結(jié)光電效應(yīng)PN結(jié)光電效應(yīng)PN結(jié)光電效應(yīng)的應(yīng)用：（1）太陽能電池；（2）光電探測器（我們所討論的）。PN結(jié)電致發(fā)光－－－－++++PN+_Light外電場——降低勢壘——多子擴(kuò)散運(yùn)動加劇——P區(qū)空穴和N區(qū)電子向?qū)Ψ揭苿印嘤霭l(fā)生復(fù)合，輻射產(chǎn)生光子——在結(jié)區(qū)，輻射光子速率大于吸收速率——發(fā)光、光增益p+n+EFn(a)EgEvEcEvHoles

in

VBElectrons

in

CBJunctionElectronsEcEFpeVoPrincipleofLEDPopulationinversion,inversionlayer,activeregion,injectionpumpingPN結(jié)電致發(fā)光PN結(jié)處于平衡時，加一正向偏壓，勢壘降低，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動超過了的漂移運(yùn)動。電子由N區(qū)注入P區(qū)，同時空穴由P區(qū)注入N區(qū)，成為非平衡的少數(shù)載流子。實際應(yīng)用的PN結(jié)中，擴(kuò)散長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢壘寬度。電子和空穴通過勢壘區(qū)時因復(fù)合而消失的幾率很小，繼續(xù)向勢壘區(qū)兩側(cè)的擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散。因而，正向偏壓下，PN結(jié)勢壘區(qū)和體內(nèi)擴(kuò)散區(qū)注入了少數(shù)載流子，這些非平衡載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光。為了提高少數(shù)載流子的注入效率，可以采用禁帶寬度不等的異質(zhì)結(jié)?，F(xiàn)在一般采用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)(DoubleHetero-junction)PN結(jié)電致發(fā)光基本知識總結(jié)禁帶寬度：取決于材料本身，與摻雜濃度無關(guān)；通過禁帶

發(fā)光的波長也取決于材料。N型半導(dǎo)體電子濃度：取決于五價元素的摻雜濃度。n代表

輕摻雜的N型半導(dǎo)體，n+代表重?fù)诫sN型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體空穴濃度：取決于三價元素的摻雜濃度。p代表

輕摻雜的P型半導(dǎo)體，p+代表重?fù)诫sP型半導(dǎo)體。Fermi能級：

N型半導(dǎo)體電子濃度大小的度量；P型半導(dǎo)體空穴濃度大小的度量。光纖通信系統(tǒng)的組成PN結(jié)光電效應(yīng)用于制作光接收設(shè)備，放在通信系統(tǒng)的末端；PN結(jié)電光效應(yīng)用于制作光發(fā)射設(shè)備，放在通信系統(tǒng)始端。5.2半導(dǎo)體光源的工作原理5.2.1

發(fā)光二極管的工作原理發(fā)光二極管（light－emittingdiode,LED）光源：能產(chǎn)生光輸出的器件，光譜范圍：可見－紅外（近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外）。光有源器件：物理基礎(chǔ)是光和物質(zhì)相互作用的效應(yīng)。

工作原理PN結(jié)或雙異質(zhì)結(jié)的自發(fā)輻射特點(diǎn)輸出功率小，發(fā)射角大，與光纖的耦合效率較低優(yōu)點(diǎn)壽命很長，108~1010小時受溫度影響小輸出光功率與輸入電流線性關(guān)系較好價格便宜驅(qū)動電路簡單不存在模式噪聲中短距離、中小容量光纖通信系統(tǒng)的光源用途－－－－++++PN+_Lightp+n+EFn(a)EgEvEcEvHoles

in

VBElectrons

in

CBJunctionElectronsEcEFpeVoPrincipleofLED–自發(fā)發(fā)射Populationinversion,inversionlayer,activeregion,injectionpumping

N型半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶+++++++施主能級EfEfEf

P型半導(dǎo)體價帶導(dǎo)帶EfEfEf-------受主能級Fermi能級同質(zhì)結(jié)：由同一種半導(dǎo)體材料經(jīng)不同摻雜構(gòu)成的PN結(jié)。

包括pn結(jié)，pp結(jié)，nn結(jié)。

例如：砷化鎵（GaAs）同質(zhì)結(jié)。特點(diǎn)：PN結(jié)兩邊半導(dǎo)體材料的禁帶寬度相同。同質(zhì)PN結(jié)和異質(zhì)PN結(jié)異質(zhì)結(jié)：由不同的半導(dǎo)體材料經(jīng)摻雜構(gòu)成單層PN結(jié)或多層PN結(jié)分別稱為單異質(zhì)結(jié)或多異質(zhì)結(jié)。也包括pp結(jié)，nn結(jié)。例如：GaAlAs/GaAs單異質(zhì)結(jié)，發(fā)光波長：0.85μm。

InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)，發(fā)光波長：1.31μm或1.55μm。

特點(diǎn)：PN結(jié)兩邊半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不同。采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的LED：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2

eV2

eVeVoHoles

in

VBElectrons

in

CB1.4

eVNo

biasWithforwardbiasEcEvEcEvEFEF(a)(b)(c)(d)pn+pDEcGaAsAlGaAsAlGaAsppn+~

0.2

mmAlGaAsAlGaAs(a)

A

doubleheterostructure

diode

hastwo

junctions

which

arebetween

two

differentbandgap

semiconductors(GaAs

and

AlGaAs)(b)

A

simplified

energyband

diagram

withexaggerated

features.

EFmust

be

uniform.(c)

Forward

biasedsimplified

energy

banddiagram.Populationreversion(d)

Forward

biased

LED.Schematic

illustration

ofphotons

escapingreabsorption

in

theAlGaAs

layer

and

beingemitted

from

the

device.GaAsPrincipleofLEDbasedonbandstructure雙異質(zhì)結(jié)面發(fā)光LED雙異質(zhì)結(jié)邊發(fā)光LEDDoubleheterostructureLightLightMultimode

fiberLens(a)ELEDActive

layerLight

from

an

edge

emitting

LED

is

coupled

into

a

fiber

typically

by

using

a

lens

or

aGRIN

rod

lens.GRIN-rod

lens(b)Single

mode

fiberELEDLED&Fiber基本結(jié)構(gòu)：激光二極管的基本結(jié)構(gòu)框圖5.2.2

激光二極管LD的工作原理增益介質(zhì)～

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)正向偏置下像LED一樣的PN結(jié)或雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生激光的三個必需條件:

泵浦系統(tǒng)pump

增益介質(zhì)gain

光學(xué)反饋系統(tǒng)feedback光學(xué)反饋系統(tǒng)：LD中，兩端面的解理面起反射鏡作用，形成諧振腔。振蕩的光波使增益介質(zhì)由自發(fā)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛?Partiallyreflectingplates泵浦系統(tǒng)：正向偏置。它使增益介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。LEDp+n+EFn(a)EgEvEcEvHoles

in

VBElectrons

in

CBJunctionElectronsEcEFpeVop+EgVn+(b)EFneVEFpInversionregionEcEcPrincipleofLD–受激輻射Populationinversion,inversionlayer,activeregion,injectionpumpingLElectrodeCurrentGaAsGaAsn+p+CleavedsurfacemirrorElectrodeActiveregion(stimulatedemissionregion)AschematicillustrationofaGaAshomojunctionlaserdiode.Thecleavedsurfacesactasreflectingmirrors.LRefractiveindexPhotondensityActiveregionDn~5%2

eVHolesinVBElectronsinCBAlGaAsAlGaAs1.4

eVEcEvEcEv(a)(b)pnpDEc(a)

A

doubleheterostructure

diode

hastwo

junctions

which

arebetween

two

differentbandgap

semiconductors(GaAs

and

AlGaAs).2

eV(b)

Simplified

energyband

diagram

under

alarge

forward

bias.Lasing

recombinationtakes

place

in

the

p-GaAs

layer,

theactive

layer(~0.1mm)(c)

Higher

bandgapmaterials

have

alower

refractiveindex(d)

AlGaAs

layersprovide

lateral

opticalconfinement.(c)(d)GaAsDoubleheterostructurePNGaAsGaAsPNPGaAsAlGaAsGaAsPNPAlGaAsAlGaAsGaAsRefractiveindex3.593.45Whydifferentmaterials? ----Indexguidedorconfinement折射率波導(dǎo)型激光二極管：利用折射率來限制橫模。折射率載流子限制增益分布折射率分布光強(qiáng)分布Table1.SemiconductorLaserMaterialsMaterialWavelengthRange(nm)Al1–xGaxAs780-880In1–xGaxAs1–yPy1150-1650AlxGayIn1–x–yP630-680激光二極管的類型結(jié)構(gòu)：常用激光二極管增益波導(dǎo)型激光二極管：利用光增益區(qū)的寬度來限制橫模。dg為有源區(qū)厚度；ng、nc分別為有源區(qū)和周圍包層的折射率。希望單橫模。如：垂直橫?？刂?2)單頻(單縱模)激光二極管(i)分布反饋機(jī)理激光二極管DistributedFeedbackLaser-DFB激光器LActivelayerCorrugatedgratingGuidinglayerOpticalpowerl

(nm)0.1nmIdeallasingemissionll

BP-GaAs有源層m＝0,1,2...DBR激光器DistributedBraggReflectingLaserP-GaAs有源層CorrugateddielectricstructureDistributedBraggreflectorABLm(lB/2n)=LActivelayerActivelayerLD(a)Cleaved-coupled-cavity(C3)laserlCavityModesllInLInDInbothL

andD(b)(ii)Cleaved-coupled-cavitylaser耦合腔激光二極管AlGaAsAlGaAsGaAsyzxdEcEvdE1E2E3g(E)DensityofstatesEBulkQWn=1Eg2Eg1En=2EcBulkQW(a)(b)(c)DyDzEvnx,ny,nz:quantumnumberEnergyoftheconductionelectroninaquantumwell:(iii)量子阱（QuantumWell）激光二極管（參考）ActivelayerBarrierlayerEcEvEAmultiplequantumwell(MQW)structure.Electronsareinjectedbytheforwardcurrentintoactivelayerswhicharequantumwells.MultipleQuantumWell：QuantumDotLaser:3-Dquantumwell(iv)垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL（自學(xué)）

VerticalCavitySurfaceEmittingLasersDistributedBraggReflector(DBR)MirrorsAlternatinglayersofsemiconductormaterial40to60layers,eachl/4thickBeammatchesopticalacceptanceneedsoffibersmorecloselyKeypropertiesWavelengthrange780to980nm(gigabitethernet)Spectralwidth:<1nmTotalpower:>-10dBmCoherencelength:10cmto10mNumericalaperture:0.2to0.3activen-DBRp-DBR注入電流與光束發(fā)射方向都與芯片表面垂直

在VCSEL誕生之前，傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器一直在光通信中扮演著主要角色。盡管這些年來，邊發(fā)射激光器在結(jié)構(gòu)優(yōu)化，制造技術(shù)，工作特性以及應(yīng)用領(lǐng)域方面都取得了巨大進(jìn)展，但仍存在一些不足。比如在芯片解理之前，不能進(jìn)行單個器件的基本特性測試；光束發(fā)散角過大且呈橢圓狀；不易構(gòu)成二維光源陣列；而且制造成本也仍然偏高。正是在這樣的背景下誕生了垂直腔面發(fā)射的激光器。VCSEL是光從垂直于半導(dǎo)體襯底表面方向出射的一種半導(dǎo)體激光器，具有模式好、閾值低、穩(wěn)定性好、壽命長、調(diào)制速率高、集成高、發(fā)散角小、耦合效率高、價格便宜等很多優(yōu)點(diǎn)。因為在垂直于襯底的方向上可并行排列著多個激光器，所以非常適合應(yīng)用在并行光傳輸以及并行光互連等領(lǐng)域，它以空前的速度成功地應(yīng)用于單通道和并行光互聯(lián)，以它很高的性能價格比，在寬帶以太網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中得到了大量的應(yīng)用。

VCSEL的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

典型的VCSEL的有源區(qū)由多量子阱組成，有源區(qū)上下兩邊分別由多層四分之一波長厚的高低折射率交替的外延材料形成的DBR，相鄰層之間的折射率差使每組疊層的Bragg波長附近的反射率達(dá)到極高(＞99％)的水平，需要制作的高反射率器的對數(shù)依據(jù)每對層的折射率而定，激光器的偏置電流流過反射器，它們是高摻雜的以便減小串聯(lián)電阻．由一組少量的量子阱提供光增益，典型的量子阱數(shù)為1至4個，它們被置于駐波圖形的最大處附近，以便獲得最大的受激輻射效率而進(jìn)入振蕩場。出射光方向可以是頂部或襯底，這主要取決于襯底材料對所發(fā)出的激射光是否透明以及上下DBR究竟那一個取值更大一些。Asimplifiedschematicillustrationofaverticalcavitysurfaceemittinglaser(VCSEL).ContactSurfaceemissionDielectricmirrorContactSubstratel/4n1Activelayerl/4n2DielectricmirrorVCSEL：5.3.1LED的工作特性:1.P-I特性1）因為是自發(fā)輻射，所以是非閾值器件；2）會飽和。5.3光源的工作特性2.譜特性:譜線寬度隨有源層摻雜濃度增加而增加溫度升高而增加（因為導(dǎo)帶上層電子數(shù)增加）P-3dBPpeakBWLED的光發(fā)射：自發(fā)發(fā)射：這意味著大量處于高能級的粒子各自分別自發(fā)發(fā)射一列一列角頻率為ν＝Eg/h的光波。但各列光波之間沒有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，并且每個粒子所發(fā)射的光沿所有可能的方向傳播。發(fā)射波長：GaAs的Eg＝1.435eV，可用它制作0.85μm波長的紅外LED。InGaAsP的Eg＝0.75~1.35eV，對應(yīng)的發(fā)射波長為1.65~0.92μm，考慮到光纖的低損耗窗口，InGaAsPLED的發(fā)射波長選為1.3μm和1.55μm。同樣適用于LDV21(c)02040I

(mA)0(a)60065070000.51.0lRelativeintensity24

nmDl655nm(b)02040I

(mA)0Relative

light

intensity(a)

A

typical

output

spectrum

(relative

intensity

vs

wavelength)

from

a

red

GaAsP

LED.(b)

Typical

output

light

power

vs.

forward

current.

(c)

Typical

I-V

characteristics

of

ared

LED.

The

turn-on

voltage

is

around

1.5V.某1.3um激光器不同溫度下光電流特性曲線1.P-I特性(1)閾值器件(腔損耗)(2)P－I大小關(guān)系(3)溫度影響閾值(4)溫度影響功率5.3.2LD的工作特性:閾質(zhì)等于由傳輸輸出端面和分布損耗的總和引起的光損耗。Typicalopticalpoweroutputvs.forwardcurrentforaLEDandalaserdiodeLD.Current0LightpowerLaserdiodeLED100mA50mA5mW10mWLDandLED微分量子效率：輸出光子數(shù)增量與注入電子數(shù)的增量之比。發(fā)送功率增量驅(qū)動電流增量功率轉(zhuǎn)換效率：輸出光功率與消耗的電功率之比。V是PN結(jié)的正向電壓；Rs

是LD的竄聯(lián)電阻。Lllmlm

-

1Fabry-PerotetalonPartiallyreflectingplatesOutputlightInputlightTransmittedlightTransmittedlightthroughaFabry-Perotopticalcavity.Cavitymodes:

ml/2=nLlm=2nL/m,misinteger.F-P腔:2.光譜特性(a)Opticalgainvs.wavelengthcharacteristics(calledtheopticalgaincurve)ofthelasingmedium.(b)AllowedmodesandtheirwavelengthsduetostationaryEMwaveswithintheopticalcavity.(c)Theoutputspectrum(relativeintensityvs.wavelength)isdeterminedbysatisfying(a)and(b)simultaneously,assumngnocavitylosses.(c)RelativeintensitydlmOpticalGainlAllowedOscillations(CavityModes)dlm(b)

LStationaryEMoscillationsMirrorMirrorllDopplerbroadeningm(l/2)

=L(a)lo從多縱模到單縱模（腔的頻率選擇）：單縱模LD的Δλ可<0.1nm，可用于長距離、大容量的系統(tǒng)。高功率輻射（>=10mw）輸出發(fā)散角小（//=0~30

，=30~50

）與單模光纖耦合效率高（30~50%）輻射光譜線窄（0.1~1.0nm）載流子復(fù)合壽命短可高速直接調(diào)制（>20GHz）用于高速長距離光纖通信系統(tǒng)LD特點(diǎn):激光二極管發(fā)光二極管1．光功率較大，100mW——101

mw光功率較小，僅1mw——2mW2．帶寬大、調(diào)制速率高，102MHz——101

GHz帶寬小、調(diào)制速率低，101——102MHz。3．光束方向性強(qiáng)，發(fā)散度小。方向性差，發(fā)散度大。4．與光纖的耦合效率高，可達(dá)80％以上。與光纖的耦合效率低，僅百分之幾。5．光譜較窄。光譜較寬。6．制造工藝難度大，成本高。制造工藝難度小，成本低。7．在要求光功率較穩(wěn)定時，需要APC和ATC。可在較寬的溫度范圍內(nèi)正常工作。8．輸出特性曲線的線性度較好。在大電流下易飽和。9．有模式噪聲。無模式噪聲。10．可靠性一般?？煽啃暂^好。11．工作壽命短。工作壽命長。直接調(diào)制、內(nèi)調(diào)制:調(diào)制速率低；間接調(diào)制、外調(diào)制：調(diào)制速率高，e.g.鈮酸鋰調(diào)制器。模擬調(diào)制：強(qiáng)度調(diào)制(IM)，振幅調(diào)制(AM)，等。數(shù)字調(diào)制：幅移鍵控(Amplitude-shiftedkeying-ASK)

頻移鍵控(Frequency-shiftedkeying-FSK)

相移鍵控(Phase-shiftedkeying-PSK)5.4光發(fā)射機(jī)5.4.1光調(diào)制原理－－實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換－光調(diào)制1.光調(diào)制方式2.光發(fā)射機(jī)的光調(diào)制技術(shù)

(i).光源調(diào)制方式

直接調(diào)制

間接調(diào)制

直接調(diào)制：僅適用于半導(dǎo)體光源(LD和LED)。這種方法是把要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷隠D或LED，從而獲得相應(yīng)的光信號，所以采用電源調(diào)制方法。直接調(diào)制后的光波電場振幅的平方與調(diào)制信號成一定比例關(guān)系，是一種光強(qiáng)度調(diào)制(IM)的方法。

根據(jù)調(diào)制與光源的關(guān)系直接調(diào)制數(shù)字光發(fā)射機(jī)間接調(diào)制（了解）：利用晶體的電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等性質(zhì)來實現(xiàn)對激光幅射的調(diào)制，既適應(yīng)于半導(dǎo)體激光器，也適應(yīng)于其它類型的激光器。一般外調(diào)制，即在激光形成以后加載調(diào)制信號。其具體方法：在激光器諧振腔外的光路上放置調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制電壓，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)激光通過它時，得到調(diào)制。對某些類型的激光器，間接調(diào)制也可以采用內(nèi)調(diào)制的方法，即在激光器的諧振腔內(nèi)放置調(diào)制元件，用調(diào)制信號控制調(diào)制元件的物理性質(zhì)，將改變諧振腔的參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)其調(diào)制。間接調(diào)制數(shù)字光發(fā)射機(jī)光源的間接調(diào)制方法(ii).光源直接調(diào)制原理

直接調(diào)制：簡單、經(jīng)濟(jì)、容易實現(xiàn)，是光纖通信中最常采用的調(diào)制方式，但只適用于半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管，這是因為發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的輸出光功率基本上與注入電流成正比(對LD指閾值以上線性部分)，而且電流的變化轉(zhuǎn)換為光頻調(diào)制也呈線性，所以可以通過改變注入電流來實現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。

從調(diào)制信號的形式來說，光調(diào)制又可分為模擬信號調(diào)制和數(shù)字信號調(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，連續(xù)的模擬信號電流疊加在直流偏置電流上，適當(dāng)?shù)剡x擇直流偏置電流的大小，可以減小光信號的非線性失真。3.調(diào)制特性I0IPIPLED數(shù)字調(diào)制LED模擬調(diào)制LED：輸出功率與驅(qū)動電路的調(diào)制信號頻率f的關(guān)系為（了解）：P(0)：調(diào)制信號頻率為零時LED的輸出的光功率；τe：有源區(qū)少數(shù)載流子的壽命。I0IP響應(yīng)速率與帶寬：調(diào)制特性受響應(yīng)速率限制，即受載流子自發(fā)復(fù)合壽命限制。光調(diào)制帶寬：50~140MHz電調(diào)制帶寬（了解）：有源區(qū)少數(shù)載流子壽命：LED的調(diào)制帶寬約為100MHz以下，一般用于低速光纖通信系統(tǒng)LAN中。正在開發(fā)的有100Mbit/s～Gbit/s的高速LED。IPI0ImLD數(shù)字直接調(diào)制LD（了解）：輸出功率與調(diào)制信號頻率f的關(guān)系為：P(0)為頻率是零時LD輸出的光功率，fτ為LD的類共振頻率，ξ是LD的阻尼因子。fτ可以很大，f－3dB只要略小于fτ就不會發(fā)生顯著的調(diào)制畸變，所以LD具有非常大的帶寬（幾百M(fèi)Hz～幾十GHz），適于高速光通信系統(tǒng)。PPII