通信用光器件级.pptx

一、激光产生的物理基础1.原子的能级微观粒子的能量只能处于分立的能量状态，称为能级。粒子处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布（正态分布）第第2页页/共共56页页第1页/共56页 玻尔兹曼分布曲线玻尔兹曼分布曲线 第第3页页/共共56页页第2页/共56页2、光与物质相互作用(a)(a)自发辐射；自发辐射；(b)(b)受激吸收；受激吸收；(c)(c)受激辐射受激辐射第第4页页/共共56页页第3页/共56页光与物质相互作用（续）电子在基态和激发态之间的三种跃迁 自发辐射，产生非相干光，发光二级管的工作原理 在入射光作用下，受激吸收，光接受器件的工作原理 在入射光作用下，受激辐射，产生相干光，激光器的工作原理 均满足玻尔条件入射光作用下入射光作用下 原子数正态分布时，一般为受激吸收原子数正态分布时，一般为受激吸收 当当N2N1时，即粒子数反转，受激辐射大于受激吸收时，即粒子数反转，受激辐射大于受激吸收第第5页页/共共56页页第4页/共56页半导体能级结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体相邻原子的作用造成电子能级扩展成连续分布的能带 能量低的价带,被空穴占用（束缚电子）能量高的导带,被电子占用（自由电子）导带底Ec与价带顶Ev的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙 Ef为费米能级，该能级被电子和空穴占用的几率相等能量价带导带EgEfEvEc第第6页页/共共56页页第5页/共56页半导体中载流子分布本征半导体电子和空穴成对出现，电子在导带，空穴在价带费米能级位于禁带中央N型半导体中导带的电子增多，价带的空穴减少费米能级增大，向导带移P型半导体中导带的电子减少，价带的空穴增加费米能级减小，向价带移在PN结界面上，载流子的梯度产生了扩散运动，从而形成内部电场内部电场产生与扩散运动相反的漂移运动，在P区和N区的费米能级相同时，达到平衡状态，此时能带发生倾斜第第7页页/共共56页页第6页/共56页 图图 3.33.3PNPN结的能带和电子分布结的能带和电子分布(a)(a)P P-N N结结内内载载流流子子运运动动；(b)(b)零零偏偏压压时时P P-N N结结的的能能带带图图；(c)(c)正向偏压下正向偏压下P-NP-N结能带图结能带图 势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env(b)hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(c)P区PN结空间电荷区N区内部电场 扩散 漂移(a)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，结果能带发生倾斜这时在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。第第8页页/共共56页页第7页/共56页在PN结形成一个特殊的增益区，获得了粒子数反转N区电子向P区运动，形成增益区的导带多为电子P区空穴向N区运动，形成增益区的价带多为空穴在电子和空穴运动过程中，产生自发辐射光导带的电子跃迁到价带和空穴复合在在PN结上施加与内部电场反向的结上施加与内部电场反向的正向电场正向电场 能带倾斜减小，扩散增强能带倾斜减小，扩散增强hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(c)pN第第9页页/共共56页页第8页/共56页激光的产生激光产生的条件 -激活物质：具有合适的能级分布，可以产生合适波长的辐射光 -泵浦源使激活物质粒子数反转：半导体PN节施加正向电压获得 -入射光：激活物质的自发辐射光作为入射光 -光学谐振腔：对光的频率和 方向进行选择，并通过多次反馈，使得较强相干光输出第第10页页/共共56页页第9页/共56页光学谐振腔：两个平行反射镜构成法布里珀罗光学谐振腔：两个平行反射镜构成法布里珀罗(F-P)谐振腔谐振腔 腔内是处于粒子数反转的激活物质，产生自发辐射光和受激辐射光腔内是处于粒子数反转的激活物质，产生自发辐射光和受激辐射光 自发辐射的入射光沿轴线方向被反射和放大，传播方向不断改善自发辐射的入射光沿轴线方向被反射和放大，传播方向不断改善 成为相干光，激光产生了成为相干光，激光产生了腔内产生的激光的波长由激光振荡的相位条件决定，即驻波的条件腔内产生的激光的波长由激光振荡的相位条件决定，即驻波的条件谐振腔内存在吸收、散射和透射，建立稳定激光振荡需要阈值条件谐振腔内存在吸收、散射和透射，建立稳定激光振荡需要阈值条件增益和损耗相当增益和损耗相当R1R2l2n反射镜光的振幅反射镜L(a)第第11页页/共共56页页第10页/共56页二、半导体激光器（LD）结构双异质结（DH）平面条形结构 三层不同类型材料 中间一层窄带隙P型半导体，称为有源 两侧分别为宽带隙P型和N型半导体，称为限制层 前后两个晶体理解面作为反射镜构成法布里-珀罗谐振腔第第12页页/共共56页页第11页/共56页图 3.6 DH激光器工作原理(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布 限制层带隙较有源层宽，施加正向电压，限制层带隙较有源层宽，施加正向电压，易形成粒子数反转，且转换效率较高易形成粒子数反转，且转换效率较高 P P层的空穴和层的空穴和N N层的电子注入有源层层的电子注入有源层 P P层带隙宽，导带的能态比有源层高，层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成势垒对注入电子形成势垒 N N层带隙宽，价带的能态比有源层低，层带隙宽，价带的能态比有源层低，对注入空穴形成势垒对注入空穴形成势垒 有源层的折射率比限制层高，产生的有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内激光被限制在有源区内第第13页页/共共56页页第12页/共56页半导体激光器的发射波长和光谱特性长波长发射波长决定于带隙激光器输出满足激光振荡相位条件的一些波长的光，即为激光器的纵模激光器输出满足激光振荡相位条件的一些波长的光，即为激光器的纵模导带和价带由许多连续能级组成，有一定的带宽导带和价带由许多连续能级组成，有一定的带宽两个能带中不同能级之间的电子跃迁会产生连续波长的辐射光两个能带中不同能级之间的电子跃迁会产生连续波长的辐射光谐振腔的作用使得满足激光振荡相位条件的波长输出谐振腔的作用使得满足激光振荡相位条件的波长输出不同半导体材料有不同的禁带宽度不同半导体材料有不同的禁带宽度EgEg，因而有不同的发射波长，因而有不同的发射波长。镓铝砷镓铝砷 -镓砷镓砷(GaAlAs(GaAlAsGaAs)GaAs)材料适用于材料适用于0.85 m0.85 m波段波段铟镓砷磷铟镓砷磷 -铟磷铟磷(InGaAsP(InGaAsPInP)InP)材料适用于材料适用于1.31.31.55 m1.55 m波段。波段。第第14页页/共共56页页第13页/共56页 图图 3.7GaAlAs3.7GaAlAsDHDH激光器的光谱特性激光器的光谱特性 (a)(a)直流驱动直流驱动;(b)300 Mb/s;(b)300 Mb/s数字调制数字调制 I（a)随着驱动直流电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄最终产生静态单纵模激光(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。无法调制高速数字信号*用FP谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器。要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用分布反馈激光器。第第15页页/共共56页页第14页/共56页激光器输出的光束横模分别激光器输出的光束横模分别取决于有源区的宽度和厚度取决于有源区的宽度和厚度宽度和厚度足够小，宽度和厚度足够小，多横模分布变成单横模多横模分布变成单横模图 3.8 GaAlAsDH条形激光器的近场图 w_第第16页页/共共56页页第15页/共56页半导体激光器的特性当电流小于阈值电流Ith时，激光器输出为自发辐射光当电流大于阈值电流时，激光器输出受激辐射光光功率随驱动电流的增加而增加1.转换效率转换效率 d：在阈值电流之上，每对复合载流子产生的光子数：在阈值电流之上，每对复合载流子产生的光子数 图图 3.103.10典型半导体激光器的光功率特性典型半导体激光器的光功率特性短波长短波长AlGaAs/GaAs;AlGaAs/GaAs;长波长长波长InGaAsP/InP InGaAsP/InP 第第17页页/共共56页页第16页/共56页温度升高，输出光功温度升高，输出光功率下降率下降 激光器的阈值电流激光器的阈值电流随温度升高而增大随温度升高而增大 转换效率随着温度转换效率随着温度升高而变小升高而变小图图 3.12 P-I3.12 P-I曲线随温度的变化曲线随温度的变化 2.温度特性：温度特性：第第18页页/共共56页页第17页/共56页3.3.频率特性在直接光强调制下，激光器输出光功率P和调制频率f的关系为:-f-f和和分别称为弛豫频率和阻尼因子分别称为弛豫频率和阻尼因子-I-Ithth和和I I0 0分别为阈值电流和偏置电流分别为阈值电流和偏置电流-I-I是零增益电流是零增益电流:高掺杂浓度的高掺杂浓度的LDLD：I=0I=0 低掺杂浓度的低掺杂浓度的LDLD：I=(0.7-0.8)II=(0.7-0.8)Ithth-spsp为有源区内的电子寿命为有源区内的电子寿命-phph为谐振腔内的光子寿命为谐振腔内的光子寿命第第19页页/共共56页页第18页/共56页图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性 半导体激光器的直接调制频半导体激光器的直接调制频率特性。率特性。弛豫频率弛豫频率f f是调制频率的上限是调制频率的上限 一般激光器的一般激光器的ff为为1 12 GHz2 GHz 在接近在接近f f处：数字调制要产生处：数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。失真。第第20页页/共共56页页第19页/共56页分布式反馈激光器新型激光器的要求 谱线宽度更窄 高速脉冲调制下保持单纵模特性 发射光波长稳定 阈值电流低，输出光功率大分布式反馈激光器第第21页页/共共56页页第20页/共56页分布式反馈激光器用靠近有源层沿长度方向折射率周期性变化的衍射光栅实现光反馈用靠近有源层沿长度方向折射率周期性变化的衍射光栅实现光反馈光栅周期满足光栅周期满足DFB激光器单个谐振腔长度较小，多个谐振腔存在，易设计成单纵模激光器多级谐振腔谐振使得谱线窄、波长稳定性高动态谱线好，可调制高速信号第第22页页/共共56页页第21页/共56页发光二极管（LED)LED与LD结构上的异同：同：均是双异质结（DH)条形平面结构异：LD有谐振腔 LED无谐振腔结构的不同造成了性能的不同第第23页页/共共56页页第22页/共56页LED与LD性能的不同:LD:有谐振腔，输出的是方向性很好、强度大的相干光有阈值电流。LED:无谐振腔。有源区是自发辐射，输出 光斑大，强度低，谱线宽度大的自发辐射光，无阈值电流。由于结构简单:造价低、性能稳定、寿命长 在小容量、短距离系统中发挥了重要作用第第24页页/共共56页页第23页/共56页 (a)正面发光型；(b)侧面发光型 两类发光二极管两类发光二极管(LED)(LED)：第第25页页/共共56页页第24页/共56页3.2 光电检测器光接收机的关键器件其功能是把光信号转变为电信号常用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD)第第26页页/共共56页页第25页/共56页光电二极管（PD)光电二极管是利用半导体PN结的光电效应实现光信号转换为电信号的光检测器器件光电效应就是指一定波长的光照射到半导体的PN结时，价带上的电子吸收光子能量而跃迁到导带，使导带中有了电子，价带中有了空穴，从而使PN结中产生光生载流子的一种现象。这些载流子在内部电场的作用下在闭环电路中形成光生电流。在开环电路中形成电动势由于PN结界面存在耗尽层和没有电场的中性层，因此在存在由于光电效应由耗尽层产生的漂移电流情况，还存在中性层热运动产生的扩散电流，这两种电流的总量构成光生电流第第27页页/共共56页页第26页/共56页为了提高耗尽层光电效应产生的电流分量，减少热运动为了提高耗尽层光电效应产生的电流分量，减少热运动产生的扩散电流分量对光电二极管施加反向偏压，增大产生的扩散电流分量对光电二极管施加反向偏压，增大耗尽层的宽度，减小中性区的宽度。耗尽层的宽度，减小中性区的宽度。漂移运动比扩散运动快得多，可以提高响应速度漂移运动比扩散运动快得多，可以提高响应速度.为了提高转换效率和响应速度，设计新的光检测器为了提高转换效率和响应速度，设计新的光检测器PIN光电二极管光电二极管雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）第第28页页/共共56页页第27页/共56页第第29页页/共共56页页第28页/共56页光电二极管PIN光电二极管是在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，一般称为本征半导体层，即I层由于I层是轻掺杂，故电子浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的耗尽区在反向偏压的作用下，可大大提高PIN光电二极管的光电转换效率 及响应速度第第30页页/共共56页页第29页/共56页第第31页页/共共56页页第30页/共56页第第32页页/共共56页页第31页/共56页PIN光电二极管的主要特性光电转换量子效率：一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值也可以用一次光生电流和入射功率的比值:响应度来表示噪声：包括散粒噪声和热噪声，用均方噪声电流来描述第第33页页/共共56页页第32页/共56页量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。在一定条件下：器件表面的反射率为零;P层和N层的量子效率可以忽略；I层耗尽，则PIN光电管的量子效率近似为：其中：及w为I层的吸收系数及宽度所以：w越大，越大量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱()对长波长的限制由式c=hc/Eg。图3.22示出量子效率和响应度的光谱特性。第第34页页/共共56页页第33页/共56页由图可见，Si适用于0.80.9m波段，Ge和InGaAs适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.6(A/W)第第35页页/共共56页页第34页/共56页噪声：是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的灵敏度。光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声和由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。噪声通常用均方噪声电流(在1负载上消耗的噪声功率)来描述。均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B (3.22)式中，e为电子电荷，B为放大器带宽，Ip和Id分别为信号电流和暗电流第第36页页/共共56页页第35页/共56页式(3.22)第一项2eIpB称为量子噪声，是由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生的。只要有光信号输入就有量子噪声。这是一种不可克服的本征噪声，它决定光接收机灵敏度的极限。式(3.22)第二项2eIdB是暗电流产生的噪声。暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流，它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。暗电流与光电二极管的材料和结构有关，例如Si-PIN，Id100nA。第第37页页/共共56页页第36页/共56页均方热噪声电流:i2T=(3.23)式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。因此，光电二极管的总均方噪声电流为i2=2e(IP+Id)B+第第38页页/共共56页页第37页/共56页雪崩光电二极管（APD）雪崩光电二极管是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应，从而产生光电流的倍增作用所谓雪崩倍增效应是指PN结外加高反向偏压后，在耗尽区内形成一个强电场。当耗尽区吸收光子时，激发出来的光生载流子被强电场加速，以极高的速度与耗尽区的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子，并形成链锁反应，从而使光电流在光电二极管内部获得倍增存在一个击穿电压UB APD具有转换效率高、响应速度快和附加噪声低等特点倍增因子：APD输出光电流和一次光电流的比值APD的转换效率是PIN的g倍，可表示为噪声APD对量子噪声直接放大之外，还产生新的噪声，表示为过剩噪声因子F。F是倍增因子的倍数。因此量子噪声为暗电流噪声为第第39页页/共共56页页第38页/共56页3.3 光无源器件连接器和接头光耦合器光隔离器与光环形器光调制器光开关第第40页页/共共56页页第39页/共56页连接器与接头连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件。主要用于光纤线路中光纤与其他器件的活动连接。接头：光纤与光纤之间的固定连接。第第41页页/共共56页页第40页/共56页连接器单芯连接器结构如图套管和插针保证光纤对中连接低插入损耗要求：端面适配、直线连接球端面或斜面第第42页页/共共56页页第41页/共56页光耦合器功能：把一路光信号分配给多路输出或将多路光信号组合成一路输出对光路影响：插入损耗反射及串扰噪声耦合器类型：T型耦合器星型耦合器定向耦合器波分复用/解复用器第第43页页/共共56页页第42页/共56页图 3.28 常用耦合器的类型 第第44页页/共共56页页第43页/共56页耦合器基本结构光纤型微器件型波导型第第45页页/共共56页页第44页/共56页 图 3.29光纤型耦合器 (a)定向耦合器；(b)88星形耦合器；(c)由12个22耦合器组成的88星形耦合器 光纤型耦合器结构第第46页页/共共56页页第45页/共56页定向耦合器由耦合理论：调节a、b的有效长度使：当Pa(1)最大时,Pa(2)=0当Pb(2)最大时,Pb(1)=0图 3.30 光纤型波分解复用器原理 第第47页页/共共56页页第46页/共56页主要特性耦合比：附加损耗：插入损耗方向性（隔离度）一致性：耦合比的均匀性第第48页页/共共56页页第47页/共56页光隔离器与光环形器隔离器：只允许光向一个方向传播主要用于激光器或放大器后面主要参数：插入损耗：对正向入射光 隔离度：对反向反射光第第49页页/共共56页页第48页/共56页几个概念：1.偏振态：在垂直于光的传播方向的平面内，电场可以分解为两相互垂直的偏振态的合成。分别称为水平膜和垂直膜2.法拉第旋转器：由旋光材料制成。功能：使光的偏振态沿某一方向旋转一定角度，且旋转方向与光的传播方向无关。第第50页页/共共56页页第49页/共56页隔离器工作原理图 3.34 隔离器的工作原理 第第51页页/共共56页页第50页/共56页与输入光的偏振态无关的隔离器 空间分离偏振器：垂直分量直线通过 水平分量斜线通过半波片：光从左到右：偏振态顺时针偏转45 光从右到左：偏振态逆时针旋转45图 3.35 一种与输入光的偏振态无关的隔离器 反射光第第52页页/共共56页页第51页/共56页环形器1输入，2输出2输入，3输出3输入，1输出主要用于分插复用器 图 3.36光环行器 (a)三端口；(b)四端口 第第53页页/共共56页页第52页/共56页光调制器在高速系统、波分复用系统、相干光系统中应用原理：电光效应磁光效应声光效应第第54页页/共共56页页第53页/共56页电光效应(铌酸锂晶体）折射率与外电场的关系、为电光系数，是张量与偏振面与晶体轴线的取向有关 0时，为线性电光效应或普克尔效应 0时，为二次电光效应或克尔效应第第55页页/共共56页页第54页/共56页马赫曾德尔（MZ）干涉型调制器两束光相干光程差由信号电压决定，即：输出光强由信号电压决定。U:光功率变化半个周期所需的外电压Us:信号电压Ub:直流偏置电压第第56页页/共共56页页第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页