xvi
Contents
4.2
Principles of Light-Emitting Diodes (LEDs) . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.2.1
LED Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.2.2
Semiconductor Materials for Light Sources . . . . . . . . . 161
4.2.3
LED Quantum Efficiency and Output Power . . . . . . . . 166
4.2.4
Response Time of an LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.3
Principles of Laser Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.3.1
Modes and Threshold Conditions in Laser
Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.3.2
Laser Diode Rate Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.3.3
External Differential Quantum Efficiency . . . . . . . . . . 183
4.3.4
Laser Resonant Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.3.5
Structures and Radiation Patterns of Laser
Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.3.6
Lasers Operating in a Single Mode . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4.3.7
Modulation of Laser Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.3.8
Laser Output Spectral Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
4.3.9
External Laser Light Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.3.10 Lasing Threshold Temperature Effects . . . . . . . . . . . . . 196
4.4
Output Linearity of Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
4.5
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5 Optical Power Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.1
Source-to-Fiber Power Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.1.1
Light Source Emission Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.1.2
Calculation of Power Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
5.1.3
Optical Coupling Versus Wavelength . . . . . . . . . . . . . . 218
5.1.4
Equilibrium Numerical Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.2
Coupling Improvement with Lensing Schemes . . . . . . . . . . . . . . 220
5.3
Losses Between Fiber Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
5.3.1
Mechanical Misalignment Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
5.3.2
Fiber Variation Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.3.3
Single-Mode Fiber Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.3.4
Preparation of Fiber End Faces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.4
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
6 Photodetection Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.1
Operation of Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.1.1
The pin Photodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.1.2
Basics of Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
6.2
Noise Effects in Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6.2.1
Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6.2.2
Sources of Photodetector Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.2.3
Signal-to-Noise Ratio Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.2.4
Noise-Equivalent Power and Detectivity . . . . . . . . . . . 256
Contents
4.2
Principles of Light-Emitting Diodes (LEDs) . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.2.1
LED Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.2.2
Semiconductor Materials for Light Sources . . . . . . . . . 161
4.2.3
LED Quantum Efficiency and Output Power . . . . . . . . 166
4.2.4
Response Time of an LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.3
Principles of Laser Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.3.1
Modes and Threshold Conditions in Laser
Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.3.2
Laser Diode Rate Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.3.3
External Differential Quantum Efficiency . . . . . . . . . . 183
4.3.4
Laser Resonant Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.3.5
Structures and Radiation Patterns of Laser
Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.3.6
Lasers Operating in a Single Mode . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4.3.7
Modulation of Laser Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.3.8
Laser Output Spectral Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
4.3.9
External Laser Light Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.3.10 Lasing Threshold Temperature Effects . . . . . . . . . . . . . 196
4.4
Output Linearity of Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
4.5
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5 Optical Power Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.1
Source-to-Fiber Power Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.1.1
Light Source Emission Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.1.2
Calculation of Power Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
5.1.3
Optical Coupling Versus Wavelength . . . . . . . . . . . . . . 218
5.1.4
Equilibrium Numerical Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.2
Coupling Improvement with Lensing Schemes . . . . . . . . . . . . . . 220
5.3
Losses Between Fiber Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
5.3.1
Mechanical Misalignment Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
5.3.2
Fiber Variation Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.3.3
Single-Mode Fiber Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.3.4
Preparation of Fiber End Faces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.4
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
6 Photodetection Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.1
Operation of Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.1.1
The pin Photodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.1.2
Basics of Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
6.2
Noise Effects in Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6.2.1
Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6.2.2
Sources of Photodetector Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.2.3
Signal-to-Noise Ratio Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.2.4
Noise-Equivalent Power and Detectivity . . . . . . . . . . . 256