chapter3光接收机与光发射机1.ppt

1第三章 光发送机和光接收机2本章内容3.1 激光产生的物理基础3.2 半导体激光器和发光二极管3.3 光源的调制3.4 光发送机3.5 光检测器件3.6 光接收机33.1 激光产生的物理基础n 能级：原子由原子核和核外电子组成，核外电子围绕原子核旋转，每个电子的运行轨道并不相同，各代表不同的量子态，在最里层的轨道上量子态所取的能量最低，最外层的轨道量子态能量最高，这些不同的轨道运行时相应的能量值称为能级。硅原子的能级图n 能级图就是用一系列高低不同的水平横线来表示各个量子态所能取的能级E1、E2、E3、E4，同一能级往往有好几个量子态，根据泡利不相容原理，同一量子态不可能有两个电子。4能级的跃迁n 原子中的电子可通过与外界交换能量的方式发生电子跃迁，电子跃迁交换的能量有热能、光能，分别为热跃迁和光跃迁。n 考虑两能级的系统，高能级E2和低能级E1，设处于高能级E2和低能级E1上的电子数分别为N2和N1，当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布：n k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，n T为绝对温度。n 由于（E2-E1）0，T0，所以在热平衡状态下，总是N1N2，这说明电子总是首先占据能量低的能级。5三种能级跃迁的方式n 自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量以光子的形式辐射。n 受激吸收：处于低能级上的电子在入射光的作用下，吸收频率为的光子能量，从低能级E1跃迁到高能级E2上。n 受激辐射：处于高能级E2的电子在入射光作用下，发射一个和入射光一模一样的光子，跃迁到低能级E1上。6光的吸收和放大n 光吸收的过程：当某物质与外界处在热平衡状态下，低能级的粒子（电子）数N1总是大于高能级的粒子（电子）数N2，在这种分布状态下，当有光入射时，必然是受激吸收占主要地位，不会出现发光现象，光波经过该物质时强度按指数规律衰减，光波被吸收。n 粒子数反转分布状态：如果外界向物质提供了能量，就会使得低能级上的电子获得能量大量地激发到高能级上去，像一个泵不断地将低能级上的电子“抽运”到高能级上，我们称这个能量为激励或者泵浦过程，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态，这种状态称为粒子数反转分布状态。n 光放大过程:当物质粒子数反转分布状态下，高能级上的大量电子就会在受到外来入射光子的激发下，发射出与入射光子的频率、相位、偏振方向、传播方向完全相同的激发光，这样，就实现了用一个弱的入射光激发出一个强的出射光的放大过程。7激光器的一般工作原理n 激光器的产生 激光器是1960年由美国人梅曼发明的新型光源，利用受激辐射原理，是一种方向性好、强度很高、相干性好的光源。n 产生激光的三个先决条件：n 要有一个合适的激光工作物质（发光介质）。n 需要一个能保证粒子数反转分布的激励能源泵浦源。n 把激光工作物质置于光学谐振腔。8激光器的构成n 所谓光学谐振腔，最简单实现的办法就是在激光工作物质两端分别加上一块平面反射镜，使受激辐射产生的光子在两块反射镜之间往复反射，两块反射镜中的一块，其反射率理想情况应为100，另一块是部分反射镜，反射率在90左右，输出激光。L满足粒子数反转分布的激光工作物质部分反射镜激光器的构成图反射镜激光输出9光学谐振腔的作用n 沿着光学谐振腔轴线传播的光可以在两个反射镜之间往复传播，相当于延长了激光工作物质的长度。n 由光学谐振器的长度选择发射波长。只有满足相位平衡条件的光波，才能往复反射得到加强。10产生激光的阈值与相位条件n 阈值条件光的增益和损耗应满足的平衡条件：G0:光功率的小信号增益系数;i:损耗系数;L:光学谐振腔的长度;R1、R2：激光器两个反射镜的反射率。相位条件在谐振腔中，只有满足相位平衡条件的光波，才能往复反射得到加强：q=1，2，3;q:光在激光工作物质中传播时的波长;0q:光在真空中传播时的波长;n:折射率;L:谐振腔的腔长11激光产生原理n n 满足三个激光器的具备条件。满足三个激光器的具备条件。n n 发光物质产生各个方向的自发辐射光，其中水平方向的才能 发光物质产生各个方向的自发辐射光，其中水平方向的才能保留下来，其他方向的几次发射逸出腔外。保留下来，其他方向的几次发射逸出腔外。n n 水平方向的自发辐射光，在来回反射传播的过程中，不断激 水平方向的自发辐射光，在来回反射传播的过程中，不断激发高能级上的电子跃迁到低能级上，发生受激辐射，产生和 发高能级上的电子跃迁到低能级上，发生受激辐射，产生和入射光一模一样的光子。入射光一模一样的光子。n n 满足相位平衡条件的光波，才能往复反射得到加强，因此只 满足相位平衡条件的光波，才能往复反射得到加强，因此只有某些波长的光波才能保留下来。有某些波长的光波才能保留下来。n n 当来回反射传播一段时间以后，大概 当来回反射传播一段时间以后，大概200 200多次来回，腔内传 多次来回，腔内传输的光波增益大于损耗时，在一端面透射出来，形成激光。输的光波增益大于损耗时，在一端面透射出来，形成激光。因此，出射镜面的透射率不能太小，否则出射激光功率太小，因此，出射镜面的透射率不能太小，否则出射激光功率太小，也不能太大，否则腔内难以形成足够的增益，透射出激光。也不能太大，否则腔内难以形成足够的增益，透射出激光。12LD的发光原理n 本征半导体的能带分布：EV（价带），Eg（禁带），EC（导带）n 费米狄拉克统计分布：每个能量为E的单电子态，被电子占据的概率服从费米分布函数 E：某一能级的能量值；K：波尔兹曼常数，k1.381023 J/K；T：绝对温度；Ef：费米能级。n 费米能级是反映电子在各能级中分布情况的参量n 当Ef-E KT,f(E)1,能级几乎被电子占据n 当E-Ef KT,f(E)0,能级几乎被空穴占据3.2 半导体激光器和发光二极管13价带 禁带 导带n n 禁带：禁带：在能带结构中能态密度为零的能量区间。常用来表示价带和导带之间的能 在能带结构中能态密度为零的能量区间。常用来表示价带和导带之间的能态密度为零的能量区间。禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有 态密度为零的能量区间。禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有绝缘体性质。半导体的禁带宽度较小，当温度升高时，电子可以被激发传到导带，绝缘体性质。半导体的禁带宽度较小，当温度升高时，电子可以被激发传到导带，从而使材料具有导电性。绝缘体的禁带宽度很大，即使在较高的温度下，仍是电 从而使材料具有导电性。绝缘体的禁带宽度很大，即使在较高的温度下，仍是电的不良导体。的不良导体。n n 价带：价带：价带（价带（valence band valence band）或称价电带，通常是指半导体或绝缘体中能被电）或称价电带，通常是指半导体或绝缘体中能被电子占满的最高能带。对半导体而言，此能带中的能级基本上是连续的。全充满的 子占满的最高能带。对半导体而言，此能带中的能级基本上是连续的。全充满的能带中的电子不能在 能带中的电子不能在固体 固体中自由运动。但若该电子受到 中自由运动。但若该电子受到光 光照，它可 照，它可吸收 吸收足够 足够能量 能量而跳入下一个容许的最高能区，从而使价带变成部分充填，此时价带中留下的电 而跳入下一个容许的最高能区，从而使价带变成部分充填，此时价带中留下的电子可在固体中自由运动。价带中电子的自由运动对于与 子可在固体中自由运动。价带中电子的自由运动对于与晶体管 晶体管有关的现象是很重 有关的现象是很重要的。要的。n n 导带：导带：导带是由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有 导带是由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。的能量范围。对于金属，所有价电子所处的能带就是导带。对于金属，所有价电子所处的能带就是导带。对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。在绝对零度温度下，半导体的价带 在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)(valence band)是满带，受到光电注入或热 是满带，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带 激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)(forbidden band/band gap)进入能量 进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带 较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带 导带。导带。14各种半导体中电子的统计分布(a)本征半导体(b)兼并型P 型半导体(c)兼并型N 型半导体 本征半导体在低温下，费米能级处于禁带的中心位置。P型半导体，由于受主杂质的掺入，费米能级的位置比本征半导体要低，处于价带顶和受主杂质能带之间。对于重掺杂的P型半导体，杂质能带和价带连成一片，费米能级进入价带，称为兼并型P型半导体。兼并型N型半导体中施主杂质能带和导带连成一片，费米能级进入导带。15PN结的形成n P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动，P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界面的区域形成了一个带负电的区域。同样，N区的电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。这样一来，载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区。n 在空间电荷区里，电场的方向由N区指向P区，这个电场称为“自建场”。PN 结能带图16热平衡下的PN结能级图 热平衡系统只能有一个费米能级，这就要求在P区和N区高低不同的费米能级达到相同的水平，如果N区的能级位置保持不变，那么P区的能级应该提高，从而使PN结的能带发生弯曲。PN结能带的弯曲正反映了空间电荷区的存在。在空间电荷区内，自建场从N区指向P区，这说明P区相对于N区为负电荷，用-VD来表示，叫做接触电位差或叫PN结的势垒高度，P区所有能级的电子都附加了(-e0).(-VD)=e0 VD的位能，从而使P区的能带相对于N区来说提高了 e0 VD。17热平衡状态下的PN结能带18半导体激光器发光必须满足的三个条件n 有合适的发光介质：-族半导体化合物n 保证粒子数反转分布的激励能源泵浦源（电流源）。n 半导体晶体天然的解理面形成光学谐振腔，在有源区内建立起稳定的振荡。19半导体激光器的材料n 半导体激光器的激光是由受激辐射产生的，电子从高能级向低能级跃迁可能会产生热辐射，可能产生一个频率为f21的光子，前者称为间接带隙，后者称为直接带隙。n 在单元素半导体，例如硅中，不存在直接带隙，因此不可能发光，只有在直接带隙的半导体化合物中才有可能发光，这些化合物由元素周期表中第3和第5族元素组成，称为-族或A-B族半导体化合物。n 在元素周期表中，族元素有：Al,Ga(镓),In(铟)。族元素有：P,As(砷),Sb(锑）。n-族半导体化合物，如GaAs,GaP是二元化合物，Ga1-xAlxAs和GaAs1-xPx是三元化合物，In1-xGaxAsyP1-y是四元化合物。x和y的比例决定了带隙的大小，即发射光的中心频率。GaAlAs激光管的工作波长是800nm900nm，InGaAsP激光管的工作波长是1100nm1600nm，它们是光通信中最主要的光源。20半导体激光器的两种光振荡方式n 晶体天然解理面形成的法布里珀罗谐振腔（F-P腔），称为F-P激光器。n 利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合来形成光振荡，如分布反馈式（DFB）激光器。21施加正向偏置电压的能级图 正向电压施加以后，削弱了原有自建场，使势垒降低。在这种非热平衡状态下，费米能级随之发生了分裂，在PN结出现了两个准费米能级，N区和P区的准费米能级分别为Efc和Efv。在正电压的作用下，P区的空穴和N区的电子不断地注入PN结区，这样使得PN结形成了一个增益区，也称为有源区。有源区内导带主要由电子占据，价带主要由空穴占据，从而实现了粒子数反转，半导体激光器的激射就发生在这个增益区即有源区。22外加正向偏压后PN结能带分布半导体激光器发光原理23双异质结(DH)LDn 这种结构由三层不同类型的半导体材料组成，不同材料发射不同的光波长。n 结构中间有一层厚0.10.3m的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分布为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片（衬底）上。n 前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里珀罗（F-P）谐振腔。24DH-LD的工作原理LD形成激光需要具备两个基本条件：一是有源区里产生足够的粒子数反转分布，二是存在光学谐振腔机制，并在有源区里建立起稳定的振荡。施加正向偏压后，注入到有源层的电子和空穴被限制在有源层内形成粒子数反转分布，激活区空穴电子对复合辐射出激光25分布反馈半导体激光器（DFB)分布反馈（DFB）型激光器是随着集成光学的发展而出现的，由于其动态单模特性和良好的线性，已在国内外高速率数字光纤通信系统和CATV模拟光纤传输系统中得到广泛的应用。DFB型激光器的激光振荡不是由反射镜面来提供，而是由折射率周期性变化的波纹结构（波纹光栅）来提供。DFB激光器的结构nDFB LD的周期性沟槽在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当Bragg反射镜的作用。n只有在Bragg频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。n由于分布馈激光器是由光栅来选择单纵模，因而在高速调制下仍维持单纵模输出。nDFB激光器的谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的1/10左右，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为Gb/s的超高速传输。