【正文】 第 3章 光源與光檢測器 光檢測器常用另一個參數(shù) ——響應(yīng)度 R來衡量 ， 其定義為光生電流 Ip(A)與輸入光功率 Pin（ W） 之比 ， 即 )/( WAPIRinp?（ ） 因為入射光功率 Pin對應(yīng)于單位時間 （ 秒 ） 內(nèi)平均入射的光子數(shù) Pin/(hfc)， 而入射光子的量子效率 η部分被吸收 ， 并在外電路中產(chǎn)生光電流 ， 則有 )/( WAhfeRc?? （ ） 。 光檢測器的面積選擇得足夠大以使所有的入射光被捕獲 ， 光檢測器有寬的響應(yīng)帶寬 ， 所以在一定波長工作的光檢測器就能工作于更短的波長 。 因此 ， 量子效率為 LinePP ?? ???? 1吸收 () 第 3章 光源與光檢測器 α與波長有關(guān) ， 當波長大于截止波長時 ， 其值為零 。 為了獲得如此高的量子效率， 常采用具有一定厚度的半導體平板。 第 3章 光源與光檢測器 光電轉(zhuǎn)換效率與響應(yīng)度 被光子吸收， 產(chǎn)生了光電流的那部分光信號能量稱為光檢測器的量子效率。 第 3章 光源與光檢測器 由表 ， 最重要的半導體材料 Si和 GaAs不能用作 μm和 μm波長的光檢測器 ， 盡管 Ge在這兩個波段都可用作光檢測器 ， 但由于其本身的某種缺點也不能用作光檢測器 。 滿足該限制條件的最大波長稱為截止波長 λ截止 。 要產(chǎn)生光電流 , 入射光子的能量必須至少等于禁帶寬度 ， 如圖 ， 這導致了對光頻率 fc或波長 λ的限制 。 在外加偏置電壓的情況下 ， 電子空穴對的運動形成了電流 ， 這個電流常稱為光生電流 。 第 3章 光源與光檢測器 光 檢 測 器 光檢測器的基本工作原理如圖 。 LED的功率帶寬積可表示為 rJehcP???? ?（ ） 對一定的注入電流來說 ， 它是常數(shù) 。 因此在 LED的調(diào)制帶寬和效率之間必須采取折衷。 為了提高調(diào)制帶寬， 應(yīng)使 τr盡量小， 同時應(yīng)使 τrτnr。 為了提高調(diào)制帶寬， 縮短少數(shù)載流子壽命是惟一的方法。 在接收機中， 檢測電流正比于光功率， 光功率下降到 ( dB)時， 接收電功率下降到（ ） 2=， 即 3 dB。 對于設(shè)計優(yōu)良的驅(qū)動電路， τ主要取決于 LED有源層中少數(shù)載流子的壽命。 但隨著調(diào)制頻率的提高 ， 交流功率會下降 。 第 3章 光源與光檢測器 調(diào)制特性的另一個重要參量是它的調(diào)制帶寬 。 衡量光源線性指標的參數(shù)是總諧波失真（ THD）， 它是指各次諧波總的電功率占總的基波電功率的比率。 因此， 即使對于線性要求較高的模擬傳輸來說， LED工作在線性區(qū)時也是非常合適的光源。 LED的調(diào)制特性主要包括線性和帶寬兩個參量 。 第 3章 光源與光檢測器 3. 調(diào)制特性 LED的光功率輸出可直接由信號電流來調(diào)制 。 其次 , 載流子在高溫下有更寬的能量分布 ， 因此 ， LED線寬隨溫度升高而加寬 。 首先 ， 線寬隨有源層摻雜濃度的增加而變寬 。 第 3章 光源與光檢測器 圖 （ a） 光發(fā)射 。 定義光強下降一半的兩點間波長變化為輸出譜線寬度 (半功率點全寬FWHM） ， 這就是光源的線寬 , 如圖 (b)所示 。 設(shè)平均帶隙為 Eg， 則偏移量 δEg在 kT～ 2kT范圍內(nèi) （ k為玻爾茲曼常數(shù) ， T為結(jié)溫 ） 。 第 3章 光源與光檢測器 圖 LED的特性 151050S L E DE L E D20 ℃70 ℃20 ℃70 ℃1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 電流 / m A發(fā) 射 功 率 / m W第 3章 光源與光檢測器 2. 頻譜特性 如前所述 ， LED的工作基于半導體的自發(fā)發(fā)射 。 例如當溫度從 20℃提高到 70℃ 時 ， 輸出功率將下降約一半 。 LED的工作電流通常為 50～ 100 mA， 這時偏置電壓為 ～ V， 輸出功率約為幾毫瓦 。150 ?m光 導 層金 屬 化 電 極金 屬 化 電 極3 5 0 ? mN G a A sN G a A s 襯底第 3章 光源與光檢測器 LED的特性 1. PI特性 LED的輸出光功率 P與電流 I的關(guān)系即 PI特性如圖 。( a )( b )???? ?第 3章 光源與光檢測器 圖 條形 AlGaAsDHELED的結(jié)構(gòu) 條 形 接 觸6 5 ? mP A l G a A sS i O2N A l G a A s 有 源 層載 流 子 約 束 層N A l G a A sP＋ A l G a A s?┴≈ 30 176。 4 5 176。 4 5 176。 為了提高耦合效率 ， 可在發(fā)光面與光纖之間形成微透鏡 ， 從而使入纖功率提高 2～ 3倍 （ 見第 ） 。 。 第 3章 光源與光檢測器 它在 θ I（ θ） =I0 cosθ 其中 ， I0為沿 θ=0方向的輻射強度 。 流過有源區(qū)的電流密度約為 2022 A/cm2。 有源層中產(chǎn)生的光發(fā)射穿過襯底耦合入光纖 ， 由于襯底材料的光吸收很大 ， 用選擇腐蝕的辦法在正對有源區(qū)的部位形成一個凹坑 ， 使光纖能直接靠近有源區(qū) 。 第 3章 光源與光檢測器 圖 SLED的典型結(jié)構(gòu) 。 其優(yōu)點是輸出功率比 SLED或 ELED高 （ λ= μm時脈沖功率可達 60 mW， λ= μm時耦合入單模光纖的功率達 1 mW） ， 輸出光束的方向性好 ， 譜線較窄 （ μm時 FWHM寬 30 nm), 調(diào)制帶寬大 （ dB 時帶寬達 350 MHz） ， 因此超發(fā)光 LED也非常適合于光纖通信應(yīng)用 。 另三種 LED為平面 LED、 圓頂形LED和超發(fā)光 LED, 其中前兩種發(fā)光強度低 ， 在采用價廉的塑料封裝后 ， 可作為可見光及近紅外的顯示 、 報警 、 計算及其他工業(yè)應(yīng)用 。 對于不同的系統(tǒng)應(yīng)用 ， 激光器組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完全相同 ， 主要的性能指標有： 光功率 （ dB） 、 光波長 、 工作的比特率 （ Gb/s） 等 ， 還有如溫度范圍 、 電源供電 、 物理尺寸 、 光功率的安全保護等 。 (7) 調(diào)制器 , 如電吸收 MQW外調(diào)制器 ， 用于高速率的系統(tǒng) 。 (5) 光隔離器 ISO， 以防止反射光進入激光器影響激光器的性能 。 (3) TEC制冷器 、 散熱器 ， 用來將激光器的工作溫度控制在一定的范圍 。一般常用激光器組件包括以下獨立部分： 第 3章 光源與光檢測器 (1) 激光器 (如 DFB激光器 、 量子阱激光器 )。 所謂組件 ， 是將激光器與其他光器件如光電二極管 、 光隔離器 、 光纖等和電子器件如 FEC電制冷器等封裝在一起的一個光機電有機結(jié)合體 ， 它使激光器在寬的溫度范圍內(nèi)長時間穩(wěn)定工作 (即光功率恒定 、 光波長不漂移 )。 這些陣列激光器也同樣存在其他陣列激光器所存在的問題 ， 如只要其中一個不能滿足要求 ， 則整個陣列就被放棄 。 而且 ， 陣列激光可以通過簡單地將其中的每一個激光器調(diào)到所需的波長而用作調(diào)諧激光器 。 如果在一個基片上能同時集成多個這樣的激光器 , 則發(fā)送機的價格會大大降低 。 (3) 動態(tài)單縱模特性好 。 (2) 線寬變窄 。 由于其結(jié)構(gòu)中 “ 阱 ” 的作用 ， 使電子和空穴被限制在很薄的有源區(qū)內(nèi) ， 造成有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)濃度很高 ， 因而大大降低了閾值電流 。 理論分析表明： 當有源區(qū)厚度極小時 ， 有源區(qū)與兩邊相鄰層的能帶將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象 ， 即在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)上出現(xiàn)了導帶和價帶的突變 ， 從而使窄帶隙的有源區(qū)為導帶中的電子和價帶中的空穴創(chuàng)造了一個勢能阱 ， 由此帶來了一系列的優(yōu)越性質(zhì) ， 其名稱也因此而來 。 第 3章 光源與光檢測器 圖 腔內(nèi)增益幅度調(diào)制鎖模激光器的波形 增 益 調(diào) 制激 光 輸 出第 3章 光源與光檢測器 量子阱 （ QW） 激光器 量子阱 QW(Quantum Well)半導體激光器是一種窄帶隙有源區(qū)夾在寬帶隙半導體材料中間或交替重疊生長的半導體激光器 ， 是一種很有發(fā)展前途的激光器 。 但大量的模如果相位疊加 ， 就有足夠的增益在腔內(nèi)形成激光振蕩 ， 如圖 。 調(diào)制后的腔內(nèi)增益的周期與脈沖之間的間隔相等 , 為 2L/v＝ 2nL/c。 第 3章 光源與光檢測器 獲得鎖模激光的方法是對激光腔內(nèi)增益進行調(diào)制 ， 當然對幅度 、 頻率調(diào)制均可 。 為了獲得具有如此短的脈沖間隔的鎖模激光 ， 對應(yīng)的腔長 L的數(shù)量級為 1～ 10 cm， 如此長的腔長對半導體激光器來說是不易實現(xiàn)的 ， 但若采用光纖激光器則很容易實現(xiàn) 。 第 3章 光源與光檢測器 鎖模激光器的兩個脈沖之間的時間間隔為 2nL/c， 如圖 (b)所示 ， 對半導體激光器而言 ， 其典型值為幾個 ps。 設(shè) n=3， L=200 μm， 對半導體激光器而言 , 其頻率間隔的典型值為 250 GHz， 因此這種幅度的快速波動（時間量度上為幾個 ps）對于以幾十個 Gb/s的開關(guān)（ onoff）調(diào)制的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)是沒有影響的。 這兩種情況的 ai是相同的 ， 為了圖示的方便沒有考慮 f0的典型值 。 對應(yīng)于頻率 fi的振蕩為 ai cos(2πfit+φi), ai為模的振幅 ， φi為模的相位 （ 嚴格說來這是與縱模相關(guān)的電場的時間分布 ） ，則總的激光輸出為 第 3章 光源與光檢測器 當 N=10時 , 對于不同的 φi, 該表達式有圖 波形 。 設(shè)一個 FP腔激光器其振蕩模式是 N個相鄰的縱模 ， 這意味著如果縱模的波長分別為 λ0、 λ …、 λN1， 則腔長 L應(yīng)滿足 L=(k+1)λi/2， i=0,1,2,… ,N1, k為任意整數(shù) 。 、 波長為 μm 的 VCSELs激光器 。 因此 ， VCSELs自 1979年研制成功后 ， 一直不能在室溫下工作 。 第 3章 光源與光檢測器 VCSELs激光器最大的問題是 , 由于電流的注入引起的大的歐姆電阻導致了器件工作時會產(chǎn)生大量的熱量 ， 因而需要有效的熱制冷 。 具有折射率高低交替變化的多層電介質(zhì)雖然具有波長選擇性 ， 但卻具有很高的反射率 。 第 3章 光源與光檢測器 增益區(qū)有非常短的腔長 ， 鏡面有高的反射率對于單縱模工作是必須的 。 因此， 該激光器稱為垂直腔激光器或VCSELs（ Vertical Cavity Surface Emitting Lasers）。 如果有源區(qū) （ 或?qū)?） 是在半導體基片上摻雜 , 則有源區(qū)可以做得很薄 ， 如圖 。 如圖 ， 多模激光器的縱模間隔為 c/2nL， L為腔長 ， n為它的折射率 。 能夠發(fā)射 20個波長的這種激光器已研制成功 。 若注入兩個電流 IB和 Ig， IB注入到增益區(qū) ， Ig注入到布拉格區(qū)域 ， 將會對功率和波長分別實現(xiàn)控制 。 由于這一原因 ， 半導體激光器的波長隨注入正向電流而改變 ， 當然輸出光功率也隨注入電流改變 ， 而實際上我們希望半導體激光器的波長隨注入正向電流改變但同時輸出光功率不隨注入電流改變 。 這種調(diào)諧光源可用于測試儀表 , 但對于通信所要求的小型光源是不適合的 。 第 3章 光源與光檢測器 這種方法是采用機械調(diào)諧的 ， 因而速度較慢 ， 但調(diào)諧的范圍較大 。 第 3章 光源與光檢測器 圖 光柵外腔半導體激光器 激光 增 益 腔防 反 射 膜透鏡 光柵第 3章 光源與光檢測器 調(diào) 諧