光通訊主動元組件導論

1. 光通訊主動元組件導論 • 單元1. 簡介光通訊元組件 • 單元2. 光與物質的交互作用 • 單元3. 光源—發光二極體及半導體雷射 • 單元4. 光放大器 • 單元5. 光接收—檢光器 • 單元6. 光調變技術 • 單元7. 光發射與接收器 • 單元8. LD/LED/PD模組耦合與構裝

2. 單元3. 光源 —發光二極體及半導體雷射 • 簡介 • 半導體材料之發光原理 • 發光二極體的基本結構和光電特性 • 雷射二極體的基本結構、工作原理和光電特性 • LD和LED之性能比較 龔祖德 編撰

3. 在光纖通訊系統中所使用之光源，主要有發光二極體和半導體雷射兩種。在光纖通訊系統中所使用之光源，主要有發光二極體和半導體雷射兩種。 在光纖通訊系統中，對於使用的光源之要求有下列幾點： 光源之發光波長應符合目前光纖通訊之三個傳輸波段： 850、1300和1550nm。 簡 介 龔祖德 編撰

4. 光纖通訊之三個傳輸波段 850 nm 1550 nm 1300 nm 2.5 2.0 1.5 衰減 (dB/km) 1.0 0.5 1100 1300 900 1500 1700 波長 (nm) 龔祖德 編撰

5. 850 nm是第一顆半導體雷射GaAs所發光的波段，也成為第一代多模光纖所使用之波段。 1300 nm波段為光纖色散趨近於零的波段。 1550 nm則為光纖損耗最小之波段。 龔祖德 編撰

6. 光源之譜線寬度(Linewidth)要窄: 光源之譜線寬度直接影響到光纖之色散特性，限制了傳輸速率和傳輸距離。 相 對 強 度 線寬 波長 龔祖德 編撰

7. 便於高速調變： 目前調變速率可達幾個Gb/s以上。 耦合效率要高： 一般半導體雷射和光纖之耦合效率可達70 %~90 %。 光源之壽命： 目前LED壽命可達3x106小時以上，LD可達106小時以上。 龔祖德 編撰

8. 電光轉換效率要高： 要得到高光功率輸出，就要防止光源本身過熱和過多能量損失，對於半導體光源之電光轉換效率須大於10 %。 溫度穩定性： 光源之性能在溫度變化時，必須在規定的允許範圍內， 以確保通訊系統之工作穩定性。 龔祖德 編撰

9. 半導體之發光原理可以用能帶觀念來解釋，也就是半導體原子之外層電子可以處在兩個不同之能帶--價電帶和導電帶之上。半導體之發光原理可以用能帶觀念來解釋，也就是半導體原子之外層電子可以處在兩個不同之能帶--價電帶和導電帶之上。 導電帶 電子 hf hf Eg hf hf hf 電洞 價電帶 (b)自發放射 (c)受激放射 (a)受激吸收 半導體材料之發光原理 龔祖德 編撰

10. 受激吸收： 原來在價電帶之電子吸收了光子能量hf後，就脫離價電帶而進入導電帶，因此在價電帶中產生了一個電洞(Hole)。 半導體材料之發光原理 龔祖德 編撰

11. 自發放射： 當導電帶中之電子過多時，即處於極不穩定狀態，此時之電子會自然躍遷至價電帶中，其減少之能量正好為帶隙寬度(Energy gap)Eg，這部份能量就轉換為光的形式。這個光子之波長為 龔祖德 編撰

12. 受激放射： 當外部光照射到半導體上時，激發了導電帶中之過剩電子，使其同步躍遷至價電帶，並同時產生了輻射光，這時產生的光之波長和相位與激發光相同，稱為雷射光。其波長亦同自發放射光波長。對於GaAs半導體雷射來說，其Eg = 1.43 eV，故其所產生之光波波長為= 0.867 m。 半導體材料之發光原理 龔祖德 編撰

13. 圓形蝕刻孔 接合材料 光纖 金屬層 基底 作用層 限制層 SiO2絕源層 金屬層 散熱座 金屬接觸點 發光二極體的基本結構 • 發光二極體(LED)一般可分為兩大類型： 面發光型二極體和邊緣發光型二極體。 面發光型 龔祖德 編撰

14. 條型金屬 SiO2 作用層 基底 金屬層 散熱座 發光二極體的基本結構 邊緣發光型 龔祖德 編撰

15. 光譜線寬： 由於LED所產生之光為自發性輻射光，所以其譜線寬度比LD要寬許多，一般線寬值在20~100 nm左右。 L-I曲線之線性較好： LED之L-I曲線隨著注入電流之增加，其輸出光功率亦隨之呈線性的 增加。 L I LED之光電特性 龔祖德 編撰

16. 與光纖之耦合效率低： 由於LED所產生的光之發散角較大(約在40度~120度範圍內)，因此和光纖之耦合效率也就較低。 壽命長： 目前LED之使用壽命可達3x106小時以上，比LD使用之壽命長。 溫度特性良好： 由於LED無臨界電流特性，故其溫度特性較LD要好，一般使用上不需加溫控電路。 LED之光電特性 龔祖德 編撰

17. 半導體雷射從結構上，可分為： 同質結構、單異質結構和雙異質結構。 p+-GaAs p+-GaAs p+-Ga1-xAlxAs p-GaAs p+-Ga1-xAlxAs p-GaAs p-GaAs n-Ga1-xAlxAs pn接面 作用層 n+-GaAs n-GaAs n-GaAs 半導體雷射的基本結構 同質結構 單異質結構 雙異質結構 龔祖德 編撰

18. 同質結構LD 它是結構最簡單之雷射二極體。其雷射光從pn接面處發 出，屬於早期研製之雷射，主要缺點為臨界電流太高。 單異質結構LD 在單異質結構中，由於能隙寬度較大之GaAlAs存在，使得p-GaAs和p+-GaAlAs交接面上就出現了一個高位障，使電子不能越過交界面而被局限在p-GaAs內，這樣會使其電子濃度變大，從而使受激輻射光大增。另一方面，由於GaAlAs之折射率較低，在交界面處就形成了一高反射層，使得光之損耗降低，因而提高了光之輸出功率，也使得臨界電流降低。 半導體雷射的基本結構 龔祖德 編撰

19. 雙異質結構LD 它是將單異質結構做進一步之改進，n-GaAlAs之作用和p+-GaAlAs之作用是一樣的，一方面限制電洞向n區擴散，一方面限制了受激輻射之光，使得臨界電流更進一步的降低。 半導體雷射的基本結構 龔祖德 編撰

20. 半導體雷射除了有受激輻射的條件外，還要有粒子數反轉分布狀態和共振腔。半導體雷射除了有受激輻射的條件外，還要有粒子數反轉分布狀態和共振腔。 粒子數反轉分布 ： 要使雷射介質產生光放大，必須使介質中受激輻射大於受激吸收，此時介質中原子數出現反轉分布。 共振腔： 共振腔的作用，一方面是使得一些滿足共振條件的光，再往返多次振盪中的到放大；同時也使得那些不能滿足共振條件的光在往返中逐漸消失，因此可以得到一定的振盪模式之雷射光輸出。 半導體雷射之工作原理 龔祖德 編撰

21. 共振腔之幾何尺寸一般遠大於腔中振盪光波的工作波長。共振腔之幾何尺寸一般遠大於腔中振盪光波的工作波長。 腔中的光波在兩個反射鏡面之間來回的反射，當頻率和振幅相同而方向相反的波合成時，在某些點上會相互加強，另一些點上會相互抵消，形成所謂駐波狀態。 其共振條件是要求入射光波和反射光波同相位，即在共振腔內走一來回時，相位改變量是2的整數倍。 龔祖德 編撰

22. 假設光在雷射介質中的波長為’，由於一個波長距離相當於相位改變2，所以共振條件可以寫為假設光在雷射介質中的波長為’，由於一個波長距離相當於相位改變2，所以共振條件可以寫為 (其中q = 1, 2, 3, …) 顯然q不同，駐波沿軸向的分布狀態就不同，共振腔中光波軸向的分布狀態叫做縱模。 龔祖德 編撰

23. 如果把上式的波長’換成光頻f，則此式可以改寫成如果把上式的波長’換成光頻f，則此式可以改寫成 上式中n = c/v，c和v分別為光波在真空中和介質中的傳播速度，n為雷射介質的折射率。對於一定長度L的共振腔，只有某些特定頻率的光才能滿足共振條件，L越短，則共振間隔越大、共振頻率越少，反之L越長，共振頻率就越多。 龔祖德 編撰

24. 相鄰兩個縱模的共振頻率之差f，稱為縱模間隔，可以寫成相鄰兩個縱模的共振頻率之差f，稱為縱模間隔，可以寫成 • 光學共振腔中的橫模是指光波電磁場在橫向(即垂 直於光傳播方向的平面上)的各種穩定分布狀態，他是以TEMmn命名，其中m, n為橫模指數，TEM00模是共振腔中的基模，它的光能量分布集中，中心最強，邊緣最小，另外光束之發散角小，易和光纖耦合。 龔祖德 編撰

25. 若要了解半導體雷射之工作原理，就還需了解半導體之pn接面特性。若要了解半導體雷射之工作原理，就還需了解半導體之pn接面特性。 當p型和n型半導體結合在一起時，即形成pn接面。 半導體雷射之工作原理 龔祖德 編撰

26. 形成pn接面後，由於相互間之擴散作用，使得靠近接面的地方，n區剩下帶正電之離子，p區剩下帶負電之離子，在接面形成了空間電荷區，或稱為空乏區(Depletion region)，由於空間電荷區之存在，出現了一個由n指向p之內建電場。 內建電場 p n 空乏層 pn接面空間電荷區 龔祖德 編撰

27. 由於pn接面內建電場之作用，使得p區電子電位能比n區要高，故p-n接面形成後之能帶分佈如圖所示，此時之pn接面是一個熱平衡系統，Ef為費米能階(Fermi energy level)，在此狀況下為連續的。 導電帶 p 導電帶 Ef 價電帶 n 價電帶 p-n接面在熱平衡下之能帶分布圖 龔祖德 編撰

28. 導電帶 p 導電帶 Efn Efp 價電帶 n 價電帶 半導體雷射之工作原理 • 當p-n接面外加一正向偏壓(p接正，n接負)後，p區之電洞和n區之電子不斷的注入p-n接面，破壞了原來之熱平衡狀態，在p-n接面就出現了兩個費米能階，如圖所示。 外加正向偏壓後之p-n接面的能帶分布圖 龔祖德 編撰

29. 當pn接面正向偏壓時，空乏區的寬度及位障的高度都會減少，如上圖所示。此時擴散作用增強，n區的自由電子和p區的自由電洞就能克服位障的阻擋而穿過pn接面，擴散運動將超過漂移運動，從p區到n區產生淨電流。當pn接面正向偏壓時，空乏區的寬度及位障的高度都會減少，如上圖所示。此時擴散作用增強，n區的自由電子和p區的自由電洞就能克服位障的阻擋而穿過pn接面，擴散運動將超過漂移運動，從p區到n區產生淨電流。 在電子與電洞的擴散運動中產生復合作用，並釋放出光能，發射出光。 龔祖德 編撰

30. 當外加之正向偏壓足夠大時，將使pn接面處於粒子數反轉分布狀態，即出現受激輻射大於吸收，此時可產生光之放大作用，被放大的光在pn接面中之光學共振腔(作用層中之兩個晶面所形成)中來回反射，不斷增強，當滿足臨界值條件，即可產生雷射光。。當外加之正向偏壓足夠大時，將使pn接面處於粒子數反轉分布狀態，即出現受激輻射大於吸收，此時可產生光之放大作用，被放大的光在pn接面中之光學共振腔(作用層中之兩個晶面所形成)中來回反射，不斷增強，當滿足臨界值條件，即可產生雷射光。。 龔祖德 編撰

31. 臨界值特性： 當外加正向電流至LD達到某一值時，此時之光功率急劇增加，這時就產生了雷射光，這個電流值稱為臨界電流。 自發輻 射光 雷射光 光功率 電流 Ith 半導體雷射之光電特性 龔祖德 編撰

32. 光譜特性： 當I < Ith時，發出的是自發輻射光，因此光譜很寬，當I > Ith時，發 出雷射光，其譜線寬度變窄，譜線中心強度劇增。 相對強度 相對強度 845 nm 855 nm 845 nm 855 nm 半導體雷射之光電特性 龔祖德 編撰

33. LD所產生之雷射光可有單模和多模兩種： 相對強度 相對強度 1295 1305 1315 nm 1295 1305 1315 nm 半導體雷射之光電特性 多模輸出光譜 單模輸出光譜 龔祖德 編撰

34. 半導體雷射之光電特性 DFB LD 限制層(p-GaAlAs) 光柵 被動波導(p-GaAlAs) 作用層(p-GaAs) 傳播層(n-GaAlAs) 限制層(n-GaAlAs) 基材 龔祖德 編撰

35. 上圖中p-GaAs和n-GaAlAs形成pn接面，p-GaAs為作用層，沿作用層之長度方向有一周期性光柵結構。上圖中p-GaAs和n-GaAlAs形成pn接面，p-GaAs為作用層，沿作用層之長度方向有一周期性光柵結構。 當外加正向偏壓時，pn接面區之電子-電洞對復合發光，這些光子將受到作用層表面每一條光柵的反射。由於這種反射在各光柵間進行，所以稱為分布反射。 入射光受到成百上千條之光柵反射，且入射光和反射光的方向剛好相反，在一定條件下，它們將發生建設性干涉，即產生典型之布拉格反射(Bragg reflection)，這種反射提供了光回饋，達到某一臨界值時，就輸出雷射光。 龔祖德 編撰

36. 溫度特性： LD之光功率對電流之曲線會隨溫度變化而變動，由圖可看出臨界電流會隨溫度之增加而加大。 半導體雷射之光電特性 20°C 35°C 50°C 65°C 光功率 電流 龔祖德 編撰

37. T=35oC T=25oC T=15oC T=5oC 777.5 787.5 797.5nm 波長 半導體雷射之光電特性 LD中心波長和溫度之關係 龔祖德 編撰

38. 半導體雷射之光電特性 • 轉換效率： LD之功率轉換效率定義為輸出光功率Po與消耗電功率Pe之比，以p表示。 其中V是工作電壓，I是工作電流，Rc為串聯電阻(包括材料本身電阻和電線接觸電阻)。 龔祖德 編撰

39. LD和LED之性能比較 龔祖德 編撰

40. LD和LED之性能比較 龔祖德 編撰