通信用光器件

1. 通信用光器件 通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。 ——— 光纤通信中，需要有光源发光，将电信号转变为光信号，还要有光接收器件，将光信号转化为电信号。这种发光器件和光接收器件统称为光电器件，或有源器件。 ——对光信号进行处理的器件称为无源器件。

2. 通信用光器件 有源器件包括光源、光检测器和光放大器。 光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。 光源 —— 光纤通信的“心脏”

3. 第四章 光源 4.1 光源的物理基础 4.2 光通信光源基本要求 4.3 半导体光源的工作原理 4.4 光源的工作特性

4. 4.1 光源的物理基础 4.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带

5. 1. 孤立原子的能级 原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。 E 原子核 低能级 高能级 电子

6. 2. 半导体的能带 在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。较低的能级构成价带，较高的能级构成导带。

7. 在图4.2中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。在图4.2中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。 图4.2 半导体的能带结构

8. 4.1.2 光与物质的相互作用 1. 自发辐射 处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。

9. 根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为： 根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为： h f12=E2-E1 式中：h为普朗克常数，其值为6.626×10-34J·s；f12为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。

10. E 初态 2 hf12 E 1 E 终态 2 E 1 (a) 自发辐射

11. 2. 受激辐射 在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子。由于需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。 E 初态 2 hf12 E 1 E 终态 2 E 1 (b) 受激辐射

12. 3. 受激吸收 在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。 E 初态 2 hf12 E 1 E 终态 2 E 1 (c) 受激吸收

13. 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。 物体成为发光体需要光辐射 > 光吸收

14. 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的电子数分别为N1和N2。 当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布 4.1.3 粒子数反转分布状态 1. 粒子数正常分布状态 式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。

15. 受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。 如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。

16. 2. 粒子数反转分布状态 为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。 有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。

17. 4.1.4 PN结的能带和电子分布 本征半导体 N型半导体 P型半导体 图4.4 半导体的能带和电子分布

18. 图4.4示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。

19. 一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图4.4(a)。 在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图4.4(b)。 在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图4.4(c)。

20.  本征半导体材料 Si 硅的晶格结构 (平面图) 硅的晶格结构 电子和空穴是成对出现的 受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对 出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。

21. 本征半导体的能带图 电子浓度分布 导带 EC 电子 电子态数量 带隙 Eg= 1.1 eV 电子跃迁 Ef 空穴态数量 空穴浓度分布 空穴 价带 EV － 电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁

22. 本征载流子浓度 电子或空隙的浓度为: 其中 为材料的特征常数 T为绝对温度 kB为玻耳兹曼常数, h为普朗克常数 me电子的有效质量 mh空穴的有效质量 Eg 带隙能量 例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m = 9.11×10-31 kg， me = 0.068m = 6.19×10-32 kg mh = 0.56m = 5.1×10-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.62×1012 m-3

23. + A s 非本征半导体材料：n型 As除了用4个价电子 和周围的Si建立共价 键之外，还剩余一个 电子 第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子 受到的束缚很弱，只要很少的能量DED (0.04~0.05eV)就能让它 挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。

24. Ef N型材料，施主能级 电子能量 电子浓度分布 导带 EC 施主能级 价带 EV 空穴浓度分布 施主能级 施主杂质电离使导带 电子浓度增加 第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级 称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后 可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。

25. – B 非本征半导体材料：p型 由于B只有3个价电 子，因此B和周围4 个Si的共价键还少1 个电子 B容易抢夺周围Si原 子的电子成为负离 子并产生多余空穴 第III族元素 (如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA < Eg就 可以让多余孔穴自由导电。

26. Ef P型材料，受主能级 电子能量 导带 EC 电子浓度分布 受主能级 价带 EV 空穴浓度分布 受主能级 受主能级电离使导带 空穴浓度增加 第III族元素容易抢夺Si的电子而被称为受主杂质。被它束缚的 空穴所处的能级称为受主能级EA。当空穴获得较小的能量DEA 之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为导电空穴。因此，受 主能级位于靠近价带EV的禁带中。

27. PN结 耗尽层

28. PN 结空 P N 区 区 间电 荷区 内部电场 扩散 漂移 在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场， 见图4.5(a)。 （a）P - N结内载流子运动； 图 4.5 PN结的能带和电子分布

29. p E c 能量 n E P 区 c E f 势垒 n p E E v v N 区 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图4.5(b)。 (b) 零偏压时P - N结的能带倾斜图；

30. - + - + - + 耗 尽区 扩散电子 Ef 电势 U pn结 n p 内建电场 PN结: 1. 浓度的差别导致载流子的扩散运动 2. 内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动

31. VCC P-N结施加反向电压 当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。

32. (a) 反向偏压使耗尽区加宽 少数载流子漂移 扩散运动被抑制 只存在少数载流子的漂移运动 U

33. VCC P-N结施加正向电压 当PN结两端加上正向偏置电压时，产生与内部电场相反方向的外加电场，耗尽区变窄，势垒降低。使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动。少数载流子与多数载流子复合，产生光辐射。

34. n p n p (b) 正向偏压使耗尽区变窄 耗尽区变窄 U 扩散 > 漂移

35. p E c n E c h f n E f h f p E f p E n v E v 内部电场 外加电场 电子， 空穴 在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图4.5(c)。 (c) 正向偏压下P - N结能带图 外加电场  注入载流子  粒子数反转  载流子复合发光

36. 总结 • 固体材料中，核外电子相互影响，能级分裂为能带 • 半导体是禁带宽度较小的非导体，导电载流子为导带电子和价带空穴 • 能带中的载流子按照费米统计分布，能级越低被电子占据的几率越大 • 费米能级是电子在能级中分布情况的参量 • 当PN结两端加上正向偏置电压时，产生与内部电场相反方向的外加电场，耗尽区变窄，势垒降低。获得粒子数反转分布。少数载流子与多数载流子复合，产生光辐射。

37. 4.2 光通信光源基本要求 4.2.1 材料的发光波长 不同材料有不同的能级差和发光波长。不同波长光通信系统应选用不同材料光源。 半导体发光二极管(Light-emitting Diode，LED)基本应用GaAlAs（三元合金，砷化镓掺铝）和InGaAsP（四元合金，磷化铟掺砷化镓）材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85μm、1.31μm及1.55μm。

38. 4.2.2 光通信光源基本要求 （1）合适的发光波长——1.55 μm； （2）足够的输出功率——大于1mW； （3）可靠性高，寿命长——平均寿命106小时； （4）输出功率高——大于10％； （5）光谱宽度窄； （6）聚光性好； （7）调制性好； （8）价格低廉。

39. 4.2.3 产生激光的条件 （1）受激发射； （2）工作物质具有亚稳态能级； （3）形成粒子数反转。 4.2.4 激光的特点 （1）单色性好； （2）相干性高； （3）方向性强。

40. 4.3 半导体光源的工作原理 4.3.1 发光二极管的工作原理 1. 发光二极管(LED)的类型结构 LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。

41. 双异质结LED(DH-LED)

42. 1~10 mm n p 同质PN结的问题 两边采用相同的半导体 材料的PN结称为同质PN结。 同质PN结两边具有相同的带 隙结构和相同的光学性能。 PN结区完全由载流子的扩 散形成。 1. 由电子空穴扩散产生的结区太厚，很难把载流子约束在相对 小的区域，从而结区无法形成较高的载流子密度 2. 无法对产生的光进行约束

43. 电子势垒 注入电子 电子-空穴复合 电子能量 注入空穴 空穴势垒 折射率 有源区 波导区 典型的GaAlAs双异质结LED剖面图 异质结： 为提高辐射功率，需 要对载流子和辐射光 产生有效约束 1. 不连续的带隙结构 2. 折射率不连续分布 － － － + + 双异质结构

44. LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴)和Np结之间的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴)和Np结之间的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。 2. 发光二极管的工作原理

45. 按照器件输出光的方式，可以将LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED，其结构示意图如图4.6所示。 图4.6 常用的两类发光二极管（LED）

46. 光纤 圆形腐蚀孔 焊接材料 金属电极 衬底 双异质结层 限制层 绝缘层 绝缘层 金属电极 热层 有源区 圆形金属接触面 面发光二极管 优点：LED到光纤的耦合效率高

47. 条形接触面 50~70 mm 有源区100~150 mm 导光层 金属电极 衬底 绝缘层 金属电极 双异质结层 热沉 120° 非相干输出光束 30° 边发光二极管 优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低

48. LED光源的材料和工作波长 单质半导体材料都不是直接带隙材料，因此不适合做光源；很多化合物，尤其是III-V族化合物是直接带隙的，比如由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物。 不同材料有不同的能级差和发光波长。不同波长光通信系统应选用不同材料光源。 LED基本材料： Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝) 800~850 nm短波长光源 In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓) 1000~1700 nm长波长光源 x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长

49. 合金比率与发光波长的关系

50. LED的输出光谱 特点：自发辐射光、谱线较宽 温度升高或驱动电流增大导致峰值波长红移且谱线变宽 长波长光源谱宽比短光源宽 1310 nm 相对输出功率 面发光LED 边发光LED 短波长GaAlAs/GaAs LED谱线宽度为30~50 nm 长波长InGaAsP/InP LED谱线宽度为60~120 nm