1、光電器件基礎講義中研傳輸業務部 汪微1 概述光電器件分為發光器件和光探測器兩大類，發光器件是把電信號變成光信號的器件，在光纖通信中占有重要的地位。性能好、壽命長、使用方便的不源是保證光纖通信可靠工作的關鍵。光纖通信對光源的基本要求有如下幾個方面：首先，光源發光的峰值波長應在光纖的低損耗窗口之內，要求材料色散較小。其次，光源輸出功率必須足夠大，入纖功率一般應在10微瓦到數毫瓦之間。第三，光源應具有高度可靠性，工作壽命至少在10萬小時以上才能滿足光纖通信工程的需要。第四，光源的輸出光譜不能太寬以利于傳高速脈沖。第五，光源應便于調制，調制速率應能適應系統的要求。第六，電光轉換效率不應太低，否則會導致

2、器件嚴重發熱和縮短壽命。第七，光源應省電，光源的體積、重量不應太大。 光探測器則是將光信號轉換為電信號的光電子器件，作為光通信系統用的光探測器需要滿足以下要求：首先，其響應波長范圍要與光纖通信的低衰耗窗口匹配，第二，具有很高的量子效率和響應度，第三，具有很高的響應速度，第四，具有高度的可靠性。2 光電器件原理2.1半導體中光的發射和激射原理 2.1-1半導體價帶、導帶、帶隙與發光半導體單晶材料的原子是按一定規律緊密排列的。在各個原子之間保持一定的距離，是由于在各原子之間存在著互相作用力的結構，這些結合力就是共價鍵。固體物理學告訴我們，單晶中各個原子的最外層軌道是互相重疊的，這樣就使分立的能級變

3、成了能帶。與原子的最多層軌道的價電子相對應的能帶叫做價帶。價帶上面的能帶稱為導帶。在溫度低至絕對零度的情況下，晶體中的電子均在價帶之中，而導帶是完全空著的。如果價帶中的電子受熱或光的激發，則受激發的電子就會躍遷到上面的導帶中去。這樣一來，晶體材料就可以導電了。把導帶底的能量記作EC，把價帶頂的能量記作EVO在EC和EV之間是不可能有電子的，故稱為禁帶。把EC與EV之差記作Eg，稱為禁帶寬度或帶隙。如果Eg較大，則需要較大的激勵能量把價帶中的電子激發到導帶中去。對于絕緣體材料，由于禁帶寬度Eg很大，價帶中的電子很難遷到導帶中去，因而它表現出良好的絕緣性能。導體材料的Eg=0，因此它表現出良好的導

4、電性能。半導體材料的禁帶寬度介于導體和絕緣體之間，因而它的導電能力也介于兩者之間。當價帶中一個電子被激發到導帶中，在價帶中就留下了一個電子的空位。在電場的作用下，價帶中鄰近的電子就會填補這個空位，而把它自己的位置空出來，這就好象空位本身在電場的作用下產生移動一樣。空位的作用好象一個帶正電的粒子，在半導體物理學上把它叫作空穴。穴帶中的一個電子可以吸收外界能量而躍遷到導帶中去，在價帶中形成一個空穴。反之，導帶中的一個電子也可以躍遷到價帶中去，在價帶中填補一個空穴，把這一過程叫做復合。在復合時，電子把大約等于禁帶寬度Eg的能量釋放出來。在輻射躍遷的情況下，釋放出一個頻率為：的光子，其中h是普朗克常數

5、（6.625×10-34焦耳·秒）。不同的半導體單晶材料的Eg值不同，光發波長也不同，因為電子和空穴都是處于能帶之中，不同的電子和空穴的能級有所差別，復合發光的波長有所差別，但其頻率接近于。 2.1-2半導體摻雜、P型半導體和N型半導體上面說到的都是純凈、完整的理想半導體單晶的情況。在實際的半導體單晶材料中，往往存在著與組成晶體的基質原子不同的其它元素的原子雜質原子，以及在晶體形成過程中出現的各種缺陷。進行材料提純，就是為了去除有害雜質。進行各種處理，就是為了消除或減少某些缺陷。但是，在實際應用中，我們還要有意識地在晶體中摻入一定量的有用雜質，這些雜質原子對半導體起著極為重

6、要的作用。我們知道，按照摻雜的不同，可以得到電子型半導體和空穴型半導體材料。所謂本征半導體，是指含雜質和缺陷極少的純凈、完整的半導體。其特點是，在半導體材料中，導帶電子和數目和價帶空穴的數目相等。通常把本征半導體叫做I型半導體。所謂電子型半導體就是通過故意摻雜使用導帶的電子數目比價帶空穴的數目大得多的半導體。例如，在純凈的IIIV族化合物GaAs中摻入不量的VI族元素Te，Te原子取代晶體中的As原子，這樣就得到了電子型半導體。Te原子的外層有六個價電子，As原子的外導有五個價電子，在形成共價鍵時每個Te原子向晶體提供一個電子，因而導帶內就有許多電子，這種電子型半導體亦稱為N型半導體。所謂空穴

7、型半導體，就是通過故意摻雜使價帶空穴的數目比導帶電子數目大得多的半導體。例如，在純凈的IIIV族化合物GaAs中摻入少量的II族元素Zn。Zn原子取代晶體中的Ga原子，這樣就得到了空穴型半導體。Zn原子的外層有兩個價電子，Ga原子的外層有三個價電子，在形成共價鍵時每個Zn原子向晶體索取一個電子，即向晶體提供一個空穴，因而價帶內就有許多空穴，這種空穴型半導體也叫做P型半導體。理論分析和實驗結果表明，半導體的物理性質在很大程度上取決于所含雜質的種類和數量。更重要的是，把不同類型的半導體結合起來，就可以制作成各種各樣的半導體器件，當然也包括這里要講的激光二極管和發光二極管。請注意，這里所說的“結合”

8、，并不是簡單的機械的接觸，而是在同一塊半導體單晶內形成不同類型的兩個或兩個以上的區域。 2.1-3半導體p-n結和p-n結光源P型半導體與N型半導體結合的界面稱為p-n結，許多半導體器件（包括半導體激光器）的核心就是這個p-n結。前面提到，在P型半導體內有多余空穴，在N型半導體內有多余電子，當這兩種半導體結合在一起時，P區內的空穴向N區擴散，在靠近界面的地方剩下了帶負電的離子，N區內的電子向P區擴散，在靠近界面的地方剩下了帶正電的離子。這樣一來，在界面兩側就形成了帶相反電荷的區域，叫做空間電荷區。由這些相反電荷形成一個自建電場，其方向是由N區指向P區。由于自建電場的存在，在界面的兩側產生了一個

9、電勢差VD，這個電勢差阻礙空穴和電子的進一步擴建，使之最后達到平衡狀態。因此，我們把VD叫做阻礙空穴和電子擴散的勢壘。如圖2.1所示的p-n結及能帶，顯然，P區的能量比N區的提高了eVD，其中e是電子的電荷量。如圖中所示：對于輕摻雜的p-n結，eVD<Eg，對于重摻雜的p-n結，eVD>Eg。理論分析表明，可以利用一個能級EF（稱為費米能級）來描述電子和空穴分布的規律。對于EF以下的能級，電子占據的可能性大于1/2，空穴占據的可能性大于1/2。在平衡狀態下，P區和N區有統一的費米能級。對于P區，因為晶體內有許多空穴，所以價帶頂在費米能級附近。對于N區，因為晶體內有許多電子，所以導帶

10、底在費米能級附近。這樣一來就畫出了圖2.1(a)所示的能帶圖。半導體p-n結光源包括半導體發光二極管與半導發光二極管與半導體激光器，它們都是正向工作器件。當把正向電壓V加在p-n結上時，抵銷了一部分勢壘，勢壘高度只剩下了（VDV）的數值，如圖2.1(b)所示。外加的正向電壓破壞了原來的平衡狀態，P區和N區的費米能級分離開來。這時，可以用兩個所謂的準費米能級來描述電子和空穴分布的規律。把N區的準費米能級記作（EF）N，對于（EF）N以下的能極，電子占據的可能性大于1/2。把P區的準費米能級記作（EF）P，對于（EF）P以上的能級，空穴占據的可能性大于1/2。當把足夠大的正向電壓加在p-n結上時，

11、P區內的空穴大量地注入N區，N區內的電子大量地注入P區。這樣一來，在P區和N區靠近界面的地方就產生了復合發光。在激光物理學中，材料的光子吸收、自發發射和受激發射可以由圖2.2的兩能級圖來表示。圖中E1是自建電場NP-+-+NP有源區-+EF電子多(輕摻)(輕摻)空穴多Eg電子多(重摻)(重摻)空穴多(b)(a)EF(EF)N(EC)N(EF)P(EV)N(Ec)P(Ev)PeVDEg圖2.1 p-n結能帶圖基態能量，E2是激發態能量。按照普朗克定律，這兩個能態之間的躍遷涉及到發射或吸收一個能量為h12E2E1的光子。一般情況下系統處于基態。當能量為的h12光子射入，能態E1中的某個電子能夠吸收

12、光子能量，并激發到能態E2，如圖7.2所示。由于E2能態是一種不穩定的狀態，電子很快就返回到E2h12E1E2(相同)(c) 受激發射(b) 自發發射(a) 吸收h12E1E2h12h12E1圖2.2 光子吸收的三種形式基態，從而發射出一個能量為的h12光子。這個過程是在無外部激勵的情況下發生的，因此稱為自發發射。這種發射是各向同性的，并且其相位是隨機的，表現為非相干光輸出。另外一種情況是，暫時停留在E2上的電子，由于外部了激勵向下躍遷到基態，如圖2.2(c )所示。當有一個能量為h12的光入射到系統時，電子會立即受到激勵向往下躍遷到基態，同時釋放出一個能量為h12的光子。發射出來的這個光子與

13、入射光子是同相位的，這種情況稱為受激發射。在熱平衡狀態下，受到激發的電子的密度非常小，入射于系統的大多數光子都會被吸收，受激發射可以忽略，材料對光能量來說是消耗性的。僅當激發態中的電子數大于基態中的電子數時，受激發射才會超過吸收。這個條件在激光物理學中稱為粒子數反轉。粒子數反轉狀態并不是一種平衡狀態，必須利用各種“泵浦”方法來使材料達到這種狀態。對于圖2.1所示的p-n結，正向通電注入電子填滿那些較低能態，即能實現粒子數反轉，該材料原來對光是吸收的進而變為對光具有放大作用了。半導體激光器中，在電泵浦使用下能夠對光有放大作用的區域稱為有源區，其實就在圖2.1所示的p-n結附近。我們知道，高頻電子

14、LC振蕩器就是利用電子放大器和正反饋結合而產生的。半導體激光器的激光振蕩也是由光放大與正反饋結合而產生。招圖2.3所示，處于粒子反轉狀態的有源區對某波長光有放大作用。設有微弱的光由左向右傳輸，在光放大作用下逐漸增強，到達右鏡面立刻反射到左傳輸又再逐漸增強，到達左鏡面反射而形成正反饋過程。顯然，只有在傳播方向與鏡面垂直的一部分光才能夠在鏡面的幫助下實現放大反饋，當這個放大反饋環路的光增益足以抵消一切光損耗時，就在諧振腔內建立了等相面與反射鏡面平等的駐波，這就是說產生了激光振蕩了。如圖2.1所示的p-n結，當未注入電流時，其材料對光呈現吸收性，當注入電流較小時，p-n結開始發光，電流繼續增加，光放

15、大增強，放大反饋環路的增益一旦超過損耗，就產生振蕩，半導體激光器就由自發發射狀態轉入激射狀態，此時的注入電流稱閥值電流。諧振腔長圖2.3 平面諧振腔 2.2光電探測器原理 2.2-1 p-n結的光電效應 當P型半導體和N型半導體結合時（不是機械結合，而是分子間結合），能構成一個p-n結。在P、N型半導體的交界面將發生載流子相互擴散的運動：P型中的空穴遠比N型材料多，空穴將從P區擴散到N區；同樣N型材料中的電子遠比P型材料的多，也要擴散到P區。達到平衡時，這些向對方擴的載流子將積聚在P區、N區交界面的附近，形成空間電荷區，稱為結區，如圖2.4所示。空間電荷區內，因多數載流子（指P區中的空穴，N區

16、中的電子）幾乎已消耗盡了，故又稱它為耗盡區。耗盡區內形成了內建電場Ei,以入接觸電勢或勢壘Vd。Ei或Vd的存在阻止多數載流子繼續對方擴散，達到平衡狀態。如果p-n結接收相當能量的光波照射，進入耗盡區的光子就會產生電子空穴對，并且受內電場Ei的加速，空穴順Ei方向漂向P區，電子則逆Ei方向漂向N區。光照的結果打破了原有結區的平衡狀態。光生載流子的運動，同樣要在結區形成電場Ep和電壓Vp,而Ep和Vp的方向或極性正好與Ei和Vd相反，起到削弱Ei和Vd的作用。電壓Vp稱為光生伏特。當外界光照是穩定的，將p-n結兩端用導線連接，串入電流計就能讀出光電流Ip。圖2.5光照下的p-n結 2.2-2反向

17、偏置的p-n結 p-n結中的光電流是靠耗盡區中的內電場形成的。當以適當能量的光照射p-n結，且光強很大，能使光生電場Ep=Ei，合成電場E=Ei-Ep=0，即Ei已被削減為零，耗盡區也不存在了。這時發生載流子雖仍可在p-n區中產生，但無電場導引和加速，在雜亂的擴散過程中，大部分光生空穴和光生電子相繼復合而消失，不能形成外部電流。這是不加偏置的p-n結可能出現的問題。零偏置有兩大弊病：(1)器件的響應率很差，且很易飽和；(2)依靠擴散運動形成的光電流響應速度很慢。若在p-n結上加反向偏置電壓(見圖8.3)，則勢壘高度增加到Vd+V；耗盡區W加寬了，響應率和響應速度都可以得到提高。圖2.6反偏下光

18、照的p-n3 光電器件類型3.1半導體發光器件半導體發光器件有三大類：發光管、FP激光器、DBF激光器，下面分別介紹三類器件的特點：發光管（LED）未經諧振輸出，發非相干光的半導體發光器件稱為發光管。發光管的特點：輸出光功率低、發散角大、光譜寬、調制速率低、價格低廉，適合于短距離通信。FP激光器FP激光器是以FP腔為諧振腔，發出多縱模相干光的半導體發光器件。這類器件的特點；輸出光功率大、發散角較小、光譜較窄、調制速率高，適合于較長距離通信。DFB激光器DFB激光器是在FP激光器的基礎上采用光柵慮光器件使器件只有一個縱模輸出，此類器件的特點：輸出光功率大、發散角較小、光譜極窄、調制速率高，適合于

19、長距離通信。3.2光電檢測器件光電檢測器是將光信號轉變為電信號的器件，光纖通信系統中使用2類光電檢測器，即光電二極（PIN）管和雪崩光電二極管（APD）。 PIN探測器PIN探測器是在普通光電二極管的基礎上加入一層耗盡層的器件，它具有量子效率高、暗電流低、響應速度高、工作偏壓低、不具有倍增效應的特點。 APD探測器雪崩光電二極管是一種利用較高的偏壓加速光子激發出的電子空穴對，碰撞出二次電子空穴對，形成光電流倍增的器件。它具有較高的量子效率、較高的響應、有倍增效應。4. 光電器件的參數指標4.1半導體發光器件4.1-1發光管（LED） 發光管有以下性能參數：工作波長、3dB光譜寬度、輸出光功率、

20、最高調制速率。 工作波長是指LED發出光譜的中心波長；-3dB光譜寬度是LED發射光譜的最高點降低3dB時所對應的光譜寬度；輸出光功率是器件輸出端口輸出的光功率；最高調制速率為LED所能調制的最高速率。表4.1是某公司LED器件的性能參數，其典型光譜如圖4.1所示表4.1 LED性能參數性能參數參數符號單位測試條件最小典型最大工作波長lpnmI=80mA1280131013301520155015703dB光譜寬度DlnmI=80mA60尾纖輸出光功率P0mWI80mA,1310nm10100I=80mA,1550nm1050正向電壓VfVI80mA2.0圖4.14.1-2 FP激光器FP激光

21、器有以下性能參數：工作波長：激光器發出光譜的中心波長。光譜寬度：多縱模激光器的均方根譜寬。 閾值電流：當器件的工作電流超過閾值電流時激光器發出相干性很好的激光。輸出光功率：激光器輸出端口發出的光功率。典型參數見表4.2，其典型光譜圖為圖4.2 表4.2 FP激光器性能參數性能指標參數符號單位測試條件最小典型最大工作波長lpnmIW= Ith+20mA129013101330153015501570光譜寬度DlnmIW= Ith+20mA35閾值電流IthmA520輸出光功率P0mWIW, 1310nm0.32.5IW, 1550nm0.32.0正向電壓VfVIW= Ith+20mA1.11.5

22、圖4.24.1-3 DFB激光器DFB激光器有以下性能參數：工作波長：激光器發出光譜的中心波長。邊模抑制比：激光器工作主模與最大邊模的功率比。-20dB光譜寬度：由激光器輸出光譜的最高點降低20dB處光譜寬度。閾值電流：當器件的工作電流超過閾值電流時激光器發出相干性很好的激光。輸出光功率：激光器輸出端口發出的光功率。典型參數見表4.3，其典型光譜圖為圖4.3表4.3 DFB激光器典型參數性能指標參數符號單位測試條件最小典型最大工作波長lpnmIW= Ith+20mA13101550-20dB光譜寬度DlnmIW= Ith+20mA0.30.5閾值電流IthmA1520輸出光功率P0mWIW,

23、1310nm0.32.5IW, 1550nm0.32.0正向電壓VfVIW= Ith+20mA圖4.34.2 光電檢測器件4.2-1 PIN光電二極管PIN光電二極管性能參數如下：響應光譜范圍：光電二極管能檢測到的光譜范圍。暗電流： 光電二極管在沒有光輸入時產生的漏電流。 響應度： 即光電轉換的效率，是光電流與輸入的光功率之比。 表4.4 PIN光電二極管的典型參數性能指標參數符號單位測試條件最小典型最大光譜響應nm110013101600暗電流IdnAVr=-5V-0.15響應度1310nmRA/WVr=-5V0.80.85-飽和光功率PmVVr=-5V1.5響應時間tr/tfns-0.1-

24、電容CpfVr=-5V0.75光敏面直徑fm m754.2-2 APD光電探測器APD探測器性能主要參數:工作波長：APD探測器能檢測的波長范圍。量子效率：激發出的一次電子數與輸入的光子數之比。暗電流： APD探測器在沒有輸入光功率時的漏電流。倍增因子：光電子的倍增倍數。過剩噪聲指數：反映噪聲的大小。 表4.5 APD光電探測器參數種類G-APD工作波長10001600nm量子效率50%過剩噪聲指數0.8暗電流200mA倍增因子15結電容2pF上升時間150ps光敏面積f>200mm擊穿電壓>60V5 各種光電器件的應用場合5.1 FP激光器的應用由于受1310nm通信窗口的光纜衰

25、耗和1550nm通信窗口的光纜色散限制，此類激光器用于傳輸距離小于50km的場合。主要是1310nm的工作波長。5.2 DBF激光器的應用這類激光器具有光譜窄特性，在1550nm低衰耗特性窗口受色散限制的距離為70120km，由于目前激光器制造工藝正在不斷發展，此類激光器的受色散限制的距離有可能達到170200km。此類激光器與光放大器配合使用目前能實現120km以內的無中繼傳輸。5.3 EADFB激光器應用EADFB激光器不直接對激光器進行調制，使激光器的啁秋效應大大降低，此類激光器受色散限制的距離為3001000km。此類激光器與光放大器結合使用，能實現200km無中繼傳輸，3001000

26、km無電中繼傳輸。 5.4 PIN探測器 PIN探測器由于沒有倍增效應，其響應度較小，主要用于155/622Mb/s系統。5.5 APD探測器APD探測器具有倍增效應和較高的效應速度，用于2.5Gb/s設備上。 6. 使用中需要注意的問題 6.1防靜電目前光纖通信設備中的光電器件均為異質結器件，其反向擊穿電壓都很低，極易被人體靜電擊穿或擊傷，造成器件立即損耗或壽命減少。因此在使用過程一定要十分注意防靜電。 6.2注意避免折斷尾纖設備中使用的光電器件多數是帶尾纖輸出的類型，器件尾纖是采用0.9mm直徑的套塑光纖，十分脆弱。在使用過程中如果不小心很容易將尾纖折斷，造成器件完全無法使用。 6.3注意

27、清潔光纖連接器光電器件的光纖連接器是器件與外界的光接口。如果光纖連接器被污染，則會明顯增加連接衰耗，造成發光器件的輸出光功率明顯低于器件額定值，接收器件靈敏度明顯降低，使設備的光口指標變壞，嚴重影響設備的整體性能。 7. 摻鉺光纖放大器介紹 7.1 摻鉺光纖放大器介紹 摻鉺光纖放大器作為新一代光通信系統的關鍵部件，具有增益高、輸出功率大、工作光學帶寬較寬、與偏振無關、噪聲指數較低、放大特性與系統比特率和數據格式無關。它是大容量波分復用系統、2.5Gb/s和10Gb/s以上高速系統中必不可少的關鍵部件，也是大型CATV網不可缺少的器件。它的出現給光纖通信與傳輸技術帶來了一場革命。EDFA在光纜線

28、路中可以有以下幾種應用：(1)、裝在光發射機后面作功率放大器，它可以將光發射機的發送功率由 0dBm左右提高至 +13+18dBm。(2)、在光發送機和光接收機之間裝若干個EDFA，代替傳統的中繼設備。(3)、裝在光接收機前面作預放大器可以將接收機靈敏度提高至 -45 -35dBm 光纜通信線路中使用EDFA作功率放大器和預放大器可以大幅度提高通信設備的動態范圍，使線路的無中繼距離達到 150250km，這將使通信系統的中繼站的數量大大減少，線路的建設成本、維護成本大為降低，同時也提高了線路的可靠性。在沿途不上下話路的長途干線中應用EDFA，代替傳統的 光®電、電®光 的中

29、繼方式，可以節省設備投資，同時有利于線路的升級。因為EDFA具有放大特性與系統比特率和數據格式無關的特點，因此，在線路升級時，只需更換線路兩端的設備，而不需要更換作中繼的EDFA。(4)在廣電網中使用可以使壹臺光發射機帶更多的光接收機。在國外，摻鉺光纖放大器已經開始大規模地用于各種工程中。 7.1 摻鉺光纖放大器原理在石英光纖中摻入稀土元素鉺，形成Er3+離子。激發態980nm泵浦光馳豫亞穩態1550nm信號光子1550nm信號光子基態圖7.1 Er3+在光纖中的能級圖 在摻鉺光纖中注入足夠的泵浦光,就可以將大部分處于基態的Er3+抽運到激發態上，處于激發態的Er3+又迅速無輻射地轉移到比激發態低的亞穩態上。由于Er3+在亞穩態上的平均停留時間為10m