第三章通信用光器件

1、章節(jié)名稱(chēng)：第三章 通信用光器件 3.1 光源 3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理（2學(xué)時(shí) 100分鐘）一、教學(xué)目的及要求：1、光源的概念及其在光纖通信系統(tǒng)中作用；2、了解系統(tǒng)對(duì)光源的要求。3、理解光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)物理過(guò)程。4、掌握激光器的發(fā)光機(jī)理。二、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)： 重點(diǎn)：系統(tǒng)對(duì)光源的要求、光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)物理過(guò)程、半導(dǎo)體激光器基本結(jié)構(gòu)。難點(diǎn)：激光器的發(fā)光機(jī)理。三、教學(xué)手段：板書(shū)與多媒體課件演示相結(jié)合。四、教學(xué)方法：課堂講解、演示、提問(wèn)。五、作業(yè)：3-1，3-2，3-3。六、參考資料：光纖通信楊祥林 第三章光纖通信劉增基 第三章。光纖通信 Gerd Keiser著，李玉權(quán)等譯 第三章

2、七、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)：教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)備注第 3 章 通信用光器件 3.1 光源3.1.1半導(dǎo)體激光器工作原理開(kāi)場(chǎng)白明確本節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。5分鐘第 3 章 通信用光器件通信用光器件可以分為兩種類(lèi)型：有源器件和無(wú)源器件。有源器件包括光源、光檢測(cè)器和光放大器，這些器件是光發(fā)射機(jī)、 光接收機(jī)和光中繼器的關(guān)鍵器件，和光纖一起決定著基本光纖傳輸系統(tǒng)的水平。光無(wú)源器件主要有連接器、耦合器、光合波器和光分波器、光濾波器和隔離器等。這些器件對(duì)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成、功能的擴(kuò)展和性能的提高都是不可缺少的。光源是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵器件，其功能是把電信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)功率。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導(dǎo)體激光二

3、極管或稱(chēng)激光器(LD)和發(fā)光二極管或稱(chēng)發(fā)光管(LED)。對(duì)光源性能的基本要求1 光源發(fā)光波長(zhǎng)必須與光纖低損耗窗口相符 石英光纖的損耗特性有三個(gè)低損耗窗口，其中心波長(zhǎng)分別為 0.85（850nm）、 1.31 (1310nm)和1.55 (1550nm)。因此，光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)與三個(gè)低損耗窗口相符。2足夠的光輸出功率 在室溫下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的光源，必須按光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，能提供足夠的光輸出功率。目前激光二極管能提供500微瓦（）到10毫瓦（）的輸出光功率；發(fā)光二極管可提供10微瓦（）到1毫瓦（）的輸出光功率。3可靠性高、壽命長(zhǎng)現(xiàn)在的激光二極管可靠性比較高，壽命長(zhǎng)。激光二極管壽命小時(shí)，發(fā)光二極

4、管壽命小時(shí)。4 溫度穩(wěn)定性好 器件應(yīng)能在常溫下以連續(xù)波方式工作， 要求溫度穩(wěn)定性好。5 光譜寬度要窄 光譜單色性要好， 即譜線寬度要窄， 以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。LD線寬 E1 ) 的粒子數(shù)分別為N1和N2。在熱平衡狀態(tài)下，存在下面的分布 式中， J/K（焦耳/開(kāi)），為波爾茲曼常數(shù)，T 為熱力學(xué)溫度。由于( E2 - E1 ) 0，T 0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1 N2，我們把這種N1 N2分布稱(chēng)為粒子數(shù)正常分布。在熱平衡狀態(tài)下，N1 N2，受激吸收大于受激輻射。當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，光波總是被吸收，光強(qiáng)按指數(shù)衰減， 這種物質(zhì)稱(chēng)為吸收物質(zhì)。(2) 激活物質(zhì)如果N2N1，即受激輻射大于受激吸

5、收，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱(chēng)為 激活物質(zhì)。N2 N1的分布，和正常狀態(tài)( N1 N2 )的分布相反，所以稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢? （1）要在能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，物質(zhì)系統(tǒng)中必須存在3個(gè)能級(jí)或3個(gè)以上的能級(jí)。理論證明，在二能級(jí)的物質(zhì)系統(tǒng)中，能級(jí)間不可能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)，見(jiàn)圖演示。 （2）在半導(dǎo)體光源器件中，通常是利用外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簛?lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)的。二 PN結(jié)的能帶和電子分布半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。 在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。內(nèi)層電子態(tài)之間的

6、交疊小，原子間的影響弱，分成的能帶比較窄；外層電子態(tài)之間的交疊大，原子間的影響強(qiáng)，分成的能帶比較寬。見(jiàn)圖演示。電子填充能帶時(shí)，將從最低能帶開(kāi)始向上依次填充各個(gè)能帶的能級(jí)。三 P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的能帶 1 接觸前P、N半導(dǎo)體的能帶圖 主要由空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱(chēng)為P型半導(dǎo)體。當(dāng)重?fù)诫s時(shí)，費(fèi)米能級(jí)會(huì)進(jìn)入價(jià)帶，稱(chēng)為簡(jiǎn)并型P型半導(dǎo)體，如圖所示； 主要由電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱(chēng)為N型半導(dǎo)體。當(dāng)重?fù)诫s時(shí)，費(fèi)米能級(jí)會(huì)進(jìn)入導(dǎo)帶，稱(chēng)為簡(jiǎn)并型N型半導(dǎo)體，如圖所示。2 接觸后PN結(jié)半導(dǎo)體的能帶圖當(dāng)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)形成PN結(jié)后，由于載流子向?qū)Ψ交ハ鄶U(kuò)散的結(jié)果，使N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)降低，P區(qū)的費(fèi)米能級(jí)升高，達(dá)到熱平衡時(shí)

7、，形成了統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，形成了能量為的eVD勢(shì)壘，阻止了載流子的進(jìn)一步擴(kuò)散，因此在熱平衡狀態(tài)下，高能級(jí)上電子數(shù)少，低能級(jí)上電子數(shù)多，未能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。如圖所示。3外加正向偏壓下PN結(jié)半導(dǎo)體的能帶圖。當(dāng)PN結(jié)加上正向偏壓時(shí)，外加電壓的電場(chǎng)方向正好和內(nèi)建場(chǎng)的方向相反，因而削弱了內(nèi)建電場(chǎng)，破壞了熱平衡時(shí)統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，在P區(qū)和N區(qū)各自形成了準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。這時(shí)，導(dǎo)帶上費(fèi)米能級(jí)以下充滿了電子，價(jià)帶上費(fèi)米能級(jí)以上沒(méi)有電子，因此，形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，成為激活區(qū)，稱(chēng)為半導(dǎo)體激光器的作用區(qū)或有源區(qū)。外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物

8、質(zhì)（PN結(jié)為激活區(qū)）。在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光，見(jiàn)圖演示。四 激光振蕩和光學(xué)諧振腔 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。激光器是由反射率為100%（）的全反射鏡與反射率為90%95%（）的部分反射鏡平行放置在工作物質(zhì)兩端以構(gòu)成光學(xué)諧振腔。并被稱(chēng)為法布里-珀羅(FabryPerot，F(xiàn)P)諧振腔，見(jiàn)圖演示。諧振腔中的工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，處在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于受激輻射不斷放大，產(chǎn)生的光子在諧振腔中經(jīng)過(guò)反射鏡多次反射，在諧振腔中沿非軸線方向的光子很

9、快逸出了腔外，而沿軸線方向的光子往復(fù)傳輸，不斷被放大，且方向性、增益不斷改善，最后從反射鏡輸出即為激光。五 PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的原理 PN結(jié)半導(dǎo)體激光器是用PN結(jié)作激活區(qū)，用半導(dǎo)體天然解里面作為反射鏡組成光子諧振腔，外加正向偏壓作為泵浦源。見(jiàn)圖演示 外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物質(zhì)（PN結(jié)為激活區(qū)）。在激活區(qū)，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)射出光。 初始的光場(chǎng)來(lái)源于導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)輻射，方向雜亂無(wú)章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運(yùn)動(dòng)的光子就成為受激輻射的外界因素， 使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。 這些光子通過(guò)反射鏡往返反射不斷通過(guò)

10、激活物質(zhì)，使受激輻射過(guò)程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出，這就是經(jīng)受激輻射放大的光 。即PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出的工作原理。講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示50分鐘章節(jié)名稱(chēng)：第 3 章 3.1 光源 3.1.2 半導(dǎo)體激光器的主要特性（2學(xué)時(shí) 100分鐘）一、教學(xué)目的及要求：2、掌握半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理；2、掌握LD的P-I特性、光譜特性、方向特性、溫度特性及調(diào)制特性的特點(diǎn)。二、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)： 重點(diǎn)：半導(dǎo)體激光器的工作特性參數(shù)定義及

11、計(jì)算、LD的P-I特性、光譜特性、方向特性、溫度特性及調(diào)制特性的特點(diǎn)。難點(diǎn)：LD的工作性能特點(diǎn)。三、教學(xué)手段：板書(shū)與多媒體課件演示相結(jié)合。四、教學(xué)方法：課堂講解、演示、提問(wèn)。五、作業(yè)：3-5，3-6，3-7。六、參考資料：光纖通信楊祥林 第三章光纖通信劉增基 第三章。光纖通信 Gerd Keiser著，李玉權(quán)等譯 第三章七、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)：教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)備注第 3 章 通信用光器件 3.2 光源3.1.2 半導(dǎo)體激光器的主要特性開(kāi)場(chǎng)白明確本節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。5分鐘3.1.2 半導(dǎo)體激光器的主要特性一 發(fā)射波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于

12、禁帶寬度（ 電子伏特）。由公式 （焦耳秒），為普朗克常數(shù)，、分別為發(fā)射光的頻率和波長(zhǎng)，為光速， （焦耳），（焦耳）= ，代入上式得到 ，發(fā)射波長(zhǎng)為： 不同半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料禁帶寬度，發(fā)射波長(zhǎng) 這種材料適用于0.85m波段。 銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP) 材料禁帶寬度，這種材料適用于1.31.55 m波段。二 光譜特性 因?yàn)閷?dǎo)帶和價(jià)帶都是由許多連續(xù)能級(jí)組成的有一定寬度的能帶，兩個(gè)能帶中不同能級(jí)之間電子的躍遷會(huì)產(chǎn)生連續(xù)波長(zhǎng)的輻射光，所以激光器發(fā)射光譜就有一定的譜線寬度。 光源的譜線寬度是衡量光源單色性好壞的一個(gè)物

13、理量。激光器發(fā)射光譜的寬度取決于激發(fā)的縱模數(shù)目，對(duì)于存在若干個(gè)縱模的光譜性刻畫(huà)出包絡(luò)線。把光強(qiáng)下降一半時(shí)的兩點(diǎn)間波長(zhǎng)范圍定義為輸出譜線寬度（半功率點(diǎn)全寬FWHP），用表示，如圖所示。半導(dǎo)體光源的典型性1 靜態(tài)單縱模激光器由圖可見(jiàn)，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少， 譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流足夠大時(shí)，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱(chēng)為靜態(tài)單縱模激光器。 2 動(dòng)態(tài)單縱模激光器由圖可見(jiàn)，在高速數(shù)字調(diào)制下，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)單縱模激光器，但要得到高速數(shù)字調(diào)

14、制的動(dòng)態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如采用分布反饋激光器就可達(dá)到目的。三 轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性 1 轉(zhuǎn)換效率 激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率表示，其定義是在閾值電流以上，激光器輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增兩之比，表達(dá)式為 2 輸出光功率特性 由上式此得到激光器的光功率P為 式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動(dòng)電流，Pth和I th 分別為相應(yīng)的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。 激光器的光功率特性通常用P-I 曲線表示，圖是典型激光器的光功率特性曲線。 當(dāng)I I th 時(shí)，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而增加。 四 溫度特性 激光器輸出光功率隨

15、溫度而變化有兩個(gè)原因： 一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大，二是外微分量子效率隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，增大，減小， 輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。如圖所示。P-I 曲線隨溫度的變化 當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)激光器時(shí)，閾值電流隨溫度的變化更加嚴(yán)重。當(dāng)對(duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學(xué)溫度，T0為激光器材料的特征溫度。GaAlAsGaAs激光器T0=100150 KInGaAsPInP激光器T0=4070 K所以長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsPInP激光器輸出光功率對(duì)溫度的變化更加敏感。 外微分量子效率隨溫度

16、的變化不十分敏感，例如， GaAlAsGaAs激光器在77 K時(shí)d50%，在300 K時(shí)，30% 。講解板書(shū)動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示45分鐘3.1.3 分布反饋激光器普通激光器用FP諧振腔兩端的反射鏡，對(duì)激活物質(zhì)發(fā)出的輻射光進(jìn)行反饋，分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長(zhǎng)度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實(shí)現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋，所以稱(chēng)為分布反饋激光器。 分布反饋激光器的要求： （1）譜線寬度更窄 （2）高速率脈沖調(diào)制

17、下保持動(dòng)態(tài)單縱模特性 （3）發(fā)射光波長(zhǎng)更加穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧 （4） 閾值電流更低 （5）輸出光功率更大 圖 分布反饋(DFB)激光器 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋 如圖所示，由有源層發(fā)射的光，從一個(gè)方向向另一個(gè)方向傳播時(shí)，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強(qiáng)的反饋，而其他波長(zhǎng)的光將相互抵消。雖然每個(gè)波紋峰反射的光不大， 但整個(gè)光柵有成百上千個(gè)波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。 DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 單縱模激光器。 F-P激光器的發(fā)射光譜是由增益譜和激光器縱模特性

18、共同決定的，由于諧振腔的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致縱模間隔小，相鄰縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難。DFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期決定。相當(dāng)于F-P激光器的腔長(zhǎng)L，每一個(gè)形成一個(gè)微型諧振腔。由于的長(zhǎng)度很小，所以m階和(m+1)階模之間的波長(zhǎng)間隔比FP腔大得多，加之多個(gè)微型腔的選模作用，很容易設(shè)計(jì)成只有一個(gè)模式就能獲得足夠的增益。于是DFB激光器容易設(shè)計(jì)成單縱模振蕩。 譜線窄， 波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。 由于DFB激光器的每一個(gè)柵距相當(dāng)于一個(gè)FP腔，所以布喇格反射可以看作多級(jí)調(diào)諧，使得諧振波長(zhǎng)的選擇性大大提高， 譜線明顯變窄，可以窄到幾個(gè)GHz。 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振波長(zhǎng)上，

19、因而波長(zhǎng)的穩(wěn)定性得以改善。 動(dòng)態(tài)譜線好。 DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)也能保持單模特性，這是FP激光器無(wú)法比擬的。盡管DFB激光器在高速調(diào)制時(shí)存在啁啾，譜線有一定展寬，但比F-P激光器的動(dòng)態(tài)譜線的展寬要改善一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。 線性好。 DFB激光器的線性非常好，因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。 3.1.4發(fā)光二極管 發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同， LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔， 沒(méi)有閾值。發(fā)光二極管有兩種類(lèi)型：一類(lèi)是正面

20、發(fā)光型LED， 另一類(lèi)是側(cè)面發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)如圖所示。和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動(dòng)電流較大，輸出光功率較小， 但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而入纖光功率比正面發(fā)光型LED大。 圖 兩類(lèi)發(fā)光二極管(LED) (a) 正面發(fā)光型； (b) 側(cè)面發(fā)光型 和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。因此， 這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。 發(fā)光二極管具有如下工作特性： (1) 光譜特性 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光， 沒(méi)有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線較寬

21、。一般短波長(zhǎng)GaAlAs GaAs LED譜線寬度為3050 nm，長(zhǎng)波InGaAsP InP LED譜線寬度為60120 nm。隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大，譜線加寬，且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)LED的移動(dòng)分別為0.20.3 nm/ 和0.30.5 nm/。 (2) 光束的空間分布 在垂直于發(fā)光平面上， 正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布， 即P()=P0 cos，半功率點(diǎn)輻射角120。側(cè)面發(fā)光型LED，120，2535。由于大，LED與光纖的耦合效率一般小于 10%。(3) 輸出光功率特性。 發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率d小于10%。

22、兩種類(lèi)型發(fā)光二極管的輸出光功率特性如圖所示。驅(qū)動(dòng)電流I較小時(shí)， P - I曲線的線性較好；I過(guò)大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P -I 曲線的斜率減小。3.1.5 半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源的一般性能表：LED通常和多模光纖耦合，用于1.3 m(或0.85 m)波長(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光面積和光束輻射角較大， 而多模SIF光纖或G.651規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng)。 分布反饋激光器(DFB - LD)主要和G.653或G.

23、654規(guī)范的單模光纖或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。 講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示50分鐘章節(jié)名稱(chēng)：第 3 章 3.2光檢測(cè)器 3.2.1光電二極管工作原理 3.2.2 PIN光電二極管 （2學(xué)時(shí) 100分鐘）一、教學(xué)目的及要求：1、了解系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器的要求；2、掌握半導(dǎo)體光檢測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。二、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)： 重點(diǎn)：半導(dǎo)體光檢測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理。難點(diǎn)： PIN的光-電的轉(zhuǎn)換原理。三、教學(xué)手段：板書(shū)與多媒體課件演示相結(jié)合。四、教學(xué)方法：課堂講解、演示、提問(wèn)。五、作業(yè)：3-

24、10，3-11。六、參考資料：光纖通信楊祥林 第三章光纖通信劉增基 第三章。光纖通信 Gerd Keiser著，李玉權(quán)等譯 第三章七、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)：教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)備注第 3 章 通信用光器件 3.2光檢測(cè)器3.2.1光電二極管工作原理 3.2.2 PIN光電二極管開(kāi)場(chǎng)白明確本節(jié)課要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。5分鐘3.2光檢測(cè)器光檢測(cè)器的作用是將接收的光信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為電信號(hào)電流。目前的光接收機(jī)絕大多數(shù)都是用光電二極管直接進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換， 其性能的好壞直接影著接收機(jī)的性能指標(biāo)。光電二極管的種類(lèi)很多，在光纖通信系統(tǒng)中， 主要采用半導(dǎo)體PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD)。3.2.1光電二極管工作原理光

25、電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能， 是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。 在PN結(jié)界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，最終使能帶發(fā)生傾斜， 在PN結(jié)界面附近形成耗盡層。當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)，如果光子的能量大于或等于帶隙(hfEg)， 便發(fā)生受激吸收，即價(jià)帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子-空穴對(duì)。在耗盡層，由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。 在耗盡層兩側(cè)是沒(méi)有電場(chǎng)的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動(dòng)，部分光生電子和空穴通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場(chǎng)作用下， 形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂

26、移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開(kāi)路時(shí)，便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種效應(yīng)稱(chēng)為光電效應(yīng)。 當(dāng)連接的電路閉合時(shí)，N區(qū)過(guò)剩的電子通過(guò)外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)， 便形成了光生電流。 當(dāng)入射光變化時(shí)，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過(guò)程產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡(jiǎn)單的光電二極管。 光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘海康氖窃黾雍谋M層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量。由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便

27、可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會(huì)增加載流子漂移的渡越時(shí)間， 使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾， 就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。 3.2.2 PIN光電二極管1 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)光電二極管是一種在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間設(shè)置了一層本征半導(dǎo)體I層的器件。由于在耗盡層內(nèi)所形成的漂移電流，在空間電場(chǎng)的作用下具有較高的響應(yīng)速度，相反在耗盡層以外所形成的擴(kuò)散電流，響應(yīng)速度很低。因此，耗盡層的范圍越寬，對(duì)提響應(yīng)速度就越有利。耗盡層的寬度與P型和N型半導(dǎo)體中的摻雜濃度有關(guān)，在相同的負(fù)偏壓下，摻雜濃度越低，耗盡層就越寬。為此，在P型和N型半導(dǎo)體之問(wèn)，插入I(本征)型半導(dǎo)體達(dá)到了展

28、寬耗盡層寬度的目的，形成了PIN結(jié)構(gòu)的光電二極管。如圖所示。圖 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)及場(chǎng)強(qiáng)分布2 PIN光電二極的工作原理-當(dāng)光從P區(qū)一側(cè)入射，則光能量在被吸收的同時(shí)仍繼續(xù)向N區(qū)一側(cè)延伸吸收，在經(jīng)過(guò)耗盡層時(shí)，由于吸收光子能量，電子從價(jià)帶被激勵(lì)到導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子空穴對(duì)（即光生載流子），并且在耗盡層空間電場(chǎng)作用下，分別向N型區(qū)和P型區(qū)相互逆方向作漂移運(yùn)動(dòng)，并形成電流。- 然而，在耗盡層以外的區(qū)域因?yàn)闆](méi)有電場(chǎng)作用， 所以由光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中相遇發(fā)生復(fù)合，從而消失。不過(guò)在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，也有些擴(kuò)散距離長(zhǎng)的電子空穴將進(jìn)入耗盡層，在耗盡層和空間電場(chǎng)的作用下進(jìn)入對(duì)方區(qū)域。于是在P區(qū)和N區(qū)兩

29、端之問(wèn)產(chǎn)生與被分隔開(kāi)的電子和空穴數(shù)量成正比的電壓。若與外電路連通，這些電子就可經(jīng)外部電路與空穴復(fù)合形成電流，如圖所示。圖 PIN光電二極管光電轉(zhuǎn)換原理這里，在耗盡層之外形成的電流叫擴(kuò)散電流，擴(kuò)散電流的運(yùn)動(dòng)速度比漂移電流的運(yùn)動(dòng)速度慢得多，使頻率特征變壞。由于在PN結(jié)處存在著空間電場(chǎng)，使進(jìn)入空間電場(chǎng)區(qū)的電子和空穴二者逆方向移動(dòng)。 如從外部對(duì)PN結(jié)施加反向偏壓(即P側(cè)加(-)，N側(cè)加(+)以后，結(jié)處的空間電場(chǎng)(即耗盡層內(nèi)的自建電場(chǎng))被加強(qiáng)，從而加快了載流子的漂移速度。講解板書(shū)動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示講解板書(shū)課件演示動(dòng)畫(huà)演示45分鐘3 PIN光電二極管具有如下主要特性： (一) 量子效率和光譜特性 光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率或響應(yīng)度表示。量子效率的定義為一次光生電子 -空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值響應(yīng)度的定義為一次光生電流IP和入射光功率P0的比值。