第4章光源和光發射機本章內容4.1半導體的能帶理論4.2發光二極管4.3半導體激光器4.4光調制4.5光發送機小結、習題

4.1半導體的能帶理論1.半導體的能帶半導體的主要特征是它們的內部原子有規則地、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上按共有化運動的不同而分裂成若干組。雖然在半導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的能量區，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帶。價帶和導帶，價帶和滿帶之間的寬度，不能被電子占據因此稱為禁帶。2.半導體PN結的形成當一個P型半導體和一個N型半導體有了物理接觸時，就形成一個PN結。在結的交界面處，載流子的濃度差引起擴散運動，P區的空穴向N區擴散，剩下帶負電的電離受主，從而在靠近PN結界面的區域形成一個帶負電的區域。同樣，N區的電子向P區擴散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個帶正電的區域。載流子擴散運動的結果形成了一個空間電荷區，如圖4-1-4所示。PN結具有單向導電性當PN結加上正向電壓時，外加電壓的電場方向消弱了自建場，P區的空穴通過PN結流向N區，N區的電子也流向P區，形成正向電流。由于P區的空穴和N區的電子都很多，所以這股正向電流是大電流。當PN結加反向電壓時，外電場的方向和自建場相同，多數載流子將背離PN結的交界面移動，使空間電荷區變寬。空間電荷區內電子和空穴都很少，它變成高阻層，因而反向電流非常小。3.同質結和異質結同質結就是在PN結的兩邊使用相同的半導體材料采用同質結結構的激光器或發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，為了降低同質結半導體激光器的閾值電流，就要從上述兩個方面來進行改進。

為了降低同質結半導體激光器的閾值電流，就要從上述兩個方面改進。雙異質結(DH)是窄帶隙有源區(GaAs)材料被夾在寬帶隙的材料(GaAlAs)之間構成。如圖4-1-6所示。4.4發光二極管的工作原理發光二極管(LED)是低速、短距離光通信系統中常用光源。目前廣泛采用PN異質結制造。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散過程中發光。LED是非相干光源，它的發光過程是自發輻射過程，發出的是熒光，它沒有光學諧振腔，是無閾值器件。1.LED的結構和工作原理LED的基本工作原理是光的自發輻射。圖4-2-1所示為雙異質結半導體發光二極管的結構。正向電壓V提供的外加能量激發了處于導帶的電子和空穴進入耗盡區并且發生復合，促使發光二極管LED產生了能量。與普通二極管以熱能的方式釋放能量不同，LED將大部分產生的能量以可見光的方式釋放出來。LED可分為面發光二極管和邊發光二極管兩大類。

1)面發光二極管2）邊發光二極管邊發光二極管結構示意圖如圖4-2-3所示，它為長波長1.31μm雙異質結InGaAsP/InP邊發光型LED的結構。它的核心部分是一個N-AlGaAs有源層，及其兩邊的P-AlGaAs和N-AlGaAs導光層(限制層)。導光層的折射率比有源層低，但比其他周圍材料的折射率高，從而有源層產生的光波從端面發射出來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，當驅動電流I較小時，P-I曲線的線性較好，在進行調制時，動態范圍大，信號失真小4.3半導體激光器半導體激光器（LD）主要適用于長距離大容量的光纖通信系統。尤其是單縱模半導體激光器，在高速率、大容量的數字光纖通信系統中得到廣泛應用。近年來逐漸成熟的波長可調諧激光器是WDM光纖通信系統的關鍵器件，越來越受到人們的關注。1、光纖通信對半導體激光器的主要要求半導體激光器(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）光源應在光纖的三個低損耗窗口工作，即發光波長為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，可達到10mW以上。（4）與光纖耦合效率高，30%～50%。（5）能長時間連續工作，工作穩定，提供足夠的輸出光功率。2、LD的工作原理半導體激光器由如下三個部分組成：產生激光的工作物質（激活物質）能夠產生激光的工作物質，也就是處于粒子數反轉分布狀態的工作物質，它是產生激光的必要條件。能夠使工作物質處于粒子數反轉分布狀態的激勵源（泵浦源）使工作物質產生粒子數反轉分布的外界激勵源，稱為泵浦源。物質在泵浦源的作用下，使粒子數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。這時的工作物質已被激活，成為激活物質或增益物質。有能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學諧振腔。激活物質只能使光放大，只有把激活物置于光學諧振腔中，以提供必要的反饋及對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續的光放大和激光振蕩輸出。在激活物質的兩端的適當位置，放置兩個反射系數分別為r1和r2的平面反射鏡M1和M2，就構成了最簡單的光學諧振腔，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。半導體激光器產生激光輸出應滿足三個基本條件：粒子數反轉分布光反饋激光振蕩的閾值條件3.常用半導體激光器

1）法布里—珀羅激光器普通的半導體激光器一般采用條形結構雙異質結半導體激光器(BHLD)，光學諧振腔為法布里－珀羅腔(F－P)，它可以分為兩類，即增益波導LD和折射率波導LD。（2）動態單縱模半導體激光器所謂動態單縱模半導體激光器(SLM-LD)，就是指在高速調制下仍能單縱模工作的半導體激光器。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

分布反饋半導體激光器(DFB-LD)，它是在異質結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，從而實現動態單縱模工作。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是非常理想的。（3）量子阱激光器為了進一步提高激光發射效率，可以使用一種特殊的制造技術來得到特別薄的激活區，厚度大概在4~20nm，這種技術被稱為量子阱激光器。量子激光器的主要優點在于閾值電流低，線寬窄，較高的光電轉換效率，對輸出光束更高的限制，以及發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曲線閾值特性當注入電流很小時，LD的發出的光功率很小，為自發幅射所致，發出的是熒光當達到某個電流值時，光功率突然增強，這個電流稱為閾值電流It；當I＞It時，LD發出的是激光。對于一個LD來說，It越低越好,目前最好的半導體激光器閾值電流可小于10mA。線性特性I＞It的一段范圍內，發射的光功率P近似與注入電流近似為線性關系。為了使光纖通信系統穩定可靠地工作，應該有很好的線性關系。

2)光譜特性

GaAsLD的光譜特性曲線如圖4-6-2所示。半導體激光器的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當I＜It時光譜很寬，此時為熒光光譜；當I＞It時光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，表明發出激光。(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定光功率時，光譜內若干發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穩定、可靠地工作，一般都要采用自動溫度控制電路，來穩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）轉換效率定義為激光器達到閾值后，輸出光子數的增量與注入電子數的增量之比4.4光調制

實現光纖通信，首先要解決的問題是如何將電信號加載到光源的發射光束上變成光信號，即需要進行光調制。根據調制與光源的關系，光調制可分為直接調制和間接調制兩大類。從調制信號的形式來說，光源的調制又可分為模擬信號調制和數字信號調制。1．直接調制與間接調制

1）光源的直接調制光源的直接調制又稱為光源的內部調制，它是將調制信號直接作用在光源上，把要傳送的信息轉變為電信號注入到LD或LED，獲得相應的光信號。2）光源的外部調制光源的間接調制通常稱為光源的外部調制，它是由恒定光源輸出激光后，外加光調制器對光進行調制目前可以使用的外部調制方式有電光調制、聲光調制和磁光調制。電光調制最容易實現，在光纖通信系統廣泛使用，下面加以介紹。電光調制的基本工作原理是晶體的線性電光效應。電光效應是指電場引起晶體折射率變化的現象，能夠產生電光效應的晶體稱為電光晶體。電光調制器可以利用電光效應進行電光相位調制、電光強度調制和電光頻率調制。2．模擬信號與數字信號的直接調制模擬信號調制是直接用連續的模擬信號(如話音、電視等信號)對光源進行調制，這類調制要考慮到非線性失真的問題。數字信號調制是直接用數字信號對光源進行調制3．LD調制特性(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，有利于提高調制速率。(2)張馳振蕩

當電流脈沖突然加到LD上，其光輸出呈現圖4-4-6所示的動態響應，這是注入電子與所產生的光子間相互作用的量子力學過程。當注入電流從零快速增大到閾值以上時，經電光延遲后產生激光輸出，并在脈沖頂部出現阻尼振蕩，經過幾個周期后達到平衡值，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(4)小信號輸入的頻率響應(5)大信號輸入的頻率響應4.5光發送機

在光纖通信系統中，光發送機是實現電光轉換的光端機。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發出的光波進行調制，成為已調光波，然后再將已調的光信號耦合到光纖或光纜中去傳輸。1．光發送機的要求1）有合適的輸出光功率

光發送機的輸出光功率，通常是指耦合進光纖的功率，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工作在非線性狀態，對通信將產生不良影響。因此，要求光源應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，在環境溫度變化或器件老化的過程中，穩定度要求為5%～10%.2）良好的消光比消光比的定義為全“1”碼平均發送光功率與全“0”碼平均發送光功率之比，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，當進行“0”碼調制時應沒有光功率輸出，但實際輸出的是功率很小的熒光，這給光纖通信系統引入噪聲，從而造成接收機靈敏度降低，故一般要求EXT≥10dB。3）調制特性要好

所謂調制特性要好，是指光源的P-I曲線在使用范圍內線性特性良好，否則再調制后將產生非線性失真。2．光發送機的組成光發送機的組成包括輸入電路，反饋穩定驅動電路，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電路等。光發送機有直接調制光發送機和外部調制光發送機兩種結構。直接調制的光發送機較為簡單，所以目前使用的光發射機大多數是直接調制的光發送機，它的原理如圖4-5-1所示。外部調制電路目前采用的不多，但在超高速光纖系統