【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 光纖通信 半導(dǎo)體激光器 3．分布反饋半導(dǎo)體激光器（ DFBLD） DFBLD是一種可以產(chǎn)生動(dòng)態(tài)控制的單縱模激光器（稱(chēng)為動(dòng)態(tài)單縱模激光器），即在高速調(diào)制下仍然能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的，如圖 310所示。 圖 310 DFBLD結(jié)構(gòu)示意圖 29 光纖通信 半導(dǎo)體激光器 4．量子阱半導(dǎo)體激光器 量子阱半導(dǎo)體激光器與一般雙異質(zhì)激光器類(lèi)似，只是有源區(qū)的厚度很薄（幾十埃），如圖 311所示。當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時(shí)，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱(chēng)為量子阱半導(dǎo)體激光器。 圖 311 量子阱半導(dǎo)體激光器 30 光纖通信 發(fā)光二極管 1． LED的工作原理 發(fā)光二極管（ LED）是非相干光源，是無(wú)閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。 發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒(méi)有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。 31 光纖通信 發(fā)光二極管 2． LED的結(jié)構(gòu) LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是 LED沒(méi)有解理面，即沒(méi)有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒(méi)有閾值。 LED分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是面發(fā)光型 LED，另一類(lèi)是邊發(fā)光型 LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 312所示。 圖 312 常用的兩類(lèi)發(fā)光二極管（ LED） 32 光纖通信 發(fā)光二極管 3． LED的工作特性 （ 1）光譜特性 LED譜線(xiàn)寬度 ?λ比激光器寬得多。圖 313是 InGaAsP LED的輸出光譜。 圖 313 InGaAsP LED的發(fā)光光譜 33 光纖通信 發(fā)光二極管 （ 2）輸出光功率特性 兩種類(lèi)型的 LED輸出光功率特性如圖 314所示。驅(qū)動(dòng)電流 I 較小時(shí)， P ?I 曲線(xiàn)的線(xiàn)性較好；當(dāng) I 過(guò)大時(shí)，由于 PN結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使 P ?I 曲線(xiàn)的斜率減小。 圖 314 發(fā)光二極管 （ LED） 的 P ?I 特性 34 光纖通信 發(fā)光二極管 （ 3）溫度特性 由于 LED是無(wú)閾值器件，因此溫度特性較好。 （ 4）耦合效率 由于 LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。 （ 5）調(diào)制特性 調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型 LED截止頻率為20MHz～ 30MHz，邊發(fā)光型 LED截止頻率為 100MHz～ 150MHz。 比較： LED與 LD相比， LED輸出光功率較小，譜線(xiàn)寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但 LED性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，輸出光功率線(xiàn)性范圍寬，而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 35 光纖通信 半導(dǎo)體光源的應(yīng)用 LED通常和多模光纖耦合，用于 量、短距離的光通信系統(tǒng)。 LD通常和單模光纖耦合，用于 、長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)。 分布反饋半導(dǎo)體激光器（ DFBLD）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于 ，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì)。 36 光纖通信 光電檢測(cè)器 光電檢測(cè)器完成光 /電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。對(duì)光檢測(cè)器的基本要求是： ① 在系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)上具有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流； ② 具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)； ③ 具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對(duì)信號(hào)的影響； ④ 具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，以保證信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的不失真； ⑤ 具有較小的體積、較長(zhǎng)的工作壽命等。 目前常用的半導(dǎo)體光電檢測(cè)器有兩種， PIN光電二極管和 APD雪崩光電二極管。 37 光纖通信 光電檢測(cè)器的工作原理 光電檢測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。 光電效應(yīng)如圖 315（ a）和（ b）所示。 當(dāng)入射光子能量 hf 小于禁帶寬度 Eg時(shí)，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會(huì)發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿(mǎn)足以下條件 hf ≥Eg （ 39） 即光頻 fc＜ 的入射光是不能產(chǎn)生光電效應(yīng)的，將 fc 轉(zhuǎn)換為 波長(zhǎng)，則 λc= 。即只有波長(zhǎng) λ＜ λc 的入射光，才能使這種材 料產(chǎn)生光生載流子，故 λc 為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長(zhǎng)，又稱(chēng)為截至波長(zhǎng)，相應(yīng)的 fc 稱(chēng)為截至頻率。 hEggEhc38 光纖通信 光電檢測(cè)器的工作原理 hEggEhc圖 315 半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng) 39 光纖通信 PIN光電二極管 PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的 P型、 N型半導(dǎo)體之間，加一層輕摻雜的 N型材料，稱(chēng)為 I（ Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個(gè)很寬的耗盡層，如圖 316（ a）所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如圖 316（ b）所示。 圖 316 PIN光電二極管 40 光纖通信 雪崩光電二極管 雪崩光電二極管，又稱(chēng) APD（ Avalanche Photo Diode）。它不但具有光 /電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。 1． APD的雪崩效應(yīng) APD的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的 PN結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)；在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，獲得高的動(dòng)能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價(jià)帶的電子得到了能量；越過(guò)禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子 —空穴對(duì)；新產(chǎn)生的電子 —空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子 —空穴對(duì) ……如此循環(huán)下去，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。 APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測(cè)器。 41 光纖通信 雪崩光電二極管 2． APD的結(jié)構(gòu) 目前 APD結(jié)構(gòu)型式，有保護(hù)環(huán)型和拉通（又稱(chēng)通達(dá)）型。 保護(hù)環(huán)型在制作時(shí)淀積一層環(huán)形 N型材料，以防止在高反壓時(shí)使 PN結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。 拉通型雪崩光電二極管（ RAPD）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場(chǎng)分布如圖317所示。圖 317（ a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 317（ b）所示的是將縱向剖面順時(shí)針轉(zhuǎn) 90176。的示意圖。圖 317（ c）所示的是它的電場(chǎng)強(qiáng)度隨位置變化的分布圖。 APD隨使用的材料不同有幾種： SiAPD（工作在短波長(zhǎng)區(qū)）；GeAPD和 InGaAsAPD（工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)）等。 42 光纖通信 雪崩光電二極管 圖 317 RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖 43 光纖通信 光電檢測(cè)器的特性 PIN管特性包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)時(shí)間和暗電流。 APD管除有上述特性外，還有雪崩倍增特性、溫度特性等。 1． PIN光電二極管的特性 （ 1）響應(yīng)度和量子效率 響應(yīng)度和量子效率表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。 ① 響應(yīng)