最新半导体激光器和发光二极管PPT课件.ppt

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1、光 纤 通 信 系统第2讲2光 纤 通 信 系统第2讲3光 纤 通 信 系统第2讲4光 纤 通 信 系统第2讲5光 纤 通 信 系统第2讲6光 纤 通 信 系统第2讲7光 纤 通 信 系统第2讲8光 纤 通 信 系统第2讲9（3）光的吸收与放大设光波频率为 ，光强为I ，经过原子煤质 Rste = WstN2 ， 发出光能: WstN2 h , 吸收光能：WstN1 h 单位体积中的净功率：（单位体积中的净功率：（ N2 -N1）Wst h 光 纤 通 信 系统第2讲10InCNNdzdIhnCBWncIhWNNdzdIspspstst22212333128)()(8)()()()(是能量密度

2、光 纤 通 信 系统第2讲11spznCNNeIzI22212)(8)()()0()(10)(,/)(121212KkEEeNNNN吸收媒质 热平衡状态0)(,12NN放大媒质 粒子数翻转分布，布居翻转 对应激光放大状态光 纤 通 信 系统第2讲122、半导体激光器中增益区的形成、半导体激光器中增益区的形成v 晶体中载流子的统计分布：晶体中载流子的统计分布：光 纤 通 信 系统第2讲13光 纤 通 信 系统第2讲14禁带禁带导带导带价带价带EfEfEfEfVEfC(a) 本征半导体(a) 本征半导体(d) 双兼并型半导体(d) 双兼并型半导体(b) 兼并型(b) 兼并型P型半导体型半导体(c)

3、 兼并型(c) 兼并型N型半导体型半导体光 纤 通 信 系统第2讲152） PN结的能带和增益区的形成PN结光 纤 通 信 系统第2讲16EPN结的能带光 纤 通 信 系统第2讲17h 光 纤 通 信 系统第2讲18光 纤 通 信 系统第2讲19光 纤 通 信 系统第2讲20 )(1.24=m)( eVEg光 纤 通 信 系统第2讲21( th- )2L = ()C2 g( ) / (8 n2 2 sp)光 纤 通 信 系统第2讲22波长波长光功率光功率光 纤 通 信 系统第2讲23（2）F-P腔激光器的分类腔激光器的分类v按制作激光器的材料分类按制作激光器的材料分类: 短波长(0.85 m)

4、波段，采用GaAs/GaAlAs 长波长(1.3 m1.55 m) ，采用InGaAsP/InPv按垂直于按垂直于PN结方向的结构分类结方向的结构分类： 同质结 单异质结 双异质结 双异质结的作用双异质结的作用:带隙差对载流子有限制作用; 折射率差对光子有限制作用 光 纤 通 信 系统第2讲24光 纤 通 信 系统第2讲25v按平行于按平行于PN结方向的结构分类结方向的结构分类v 宽面宽面LD （没有导向）（没有导向）v 条形条形LD：台面条形台面条形 平面条形平面条形 （SiO2条形，质子轰击条形，条形，质子轰击条形， Zn扩散条形等）（增益导向）扩散条形等）（增益导向） 隐埋条形隐埋条形

5、（折射率导向）（折射率导向）光 纤 通 信 系统第2讲26 在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构；只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上(10 m左右)有电流通过的结构是条形结构。 条形激光器主要优点是阈值电流低，发热少，利于散热，可以改善光谱特性。但受条宽限制不宜作大功率输出。光 纤 通 信 系统第2讲27光 纤 通 信 系统第2讲28光 纤 通 信 系统第2讲29光 纤 通 信 系统第2讲30v 按激射光束与按激射光束与PN结平面的关系分类结平面的关系分类 按激射光束与按激射光束与PN结平面的平行或垂直关系，半导体激结平面的平行或垂直关系，半导体激光器可分边发射光器可分边发射(侧

6、面出光侧面出光)和面发射和面发射(正面出光正面出光)结构结构(1) 边发射结构边发射结构 这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光。(2) 面发射结构面发射结构 这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平腔和垂直腔结构。腔和垂直腔结构。 光 纤 通 信 系统第2讲31结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和向上弯腔型激光器。其中，

7、垂直腔面发射激光器（VCSEL）是面发射激光器中最有前途的一种激光器 .光 纤 通 信 系统第2讲32光 纤 通 信 系统第2讲33VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的优点 发光效率高，例发光效率高，例850nm，10mA电流，1.5mW功率 发射圆形光束，耦合效率高发射圆形光束，耦合效率高 阈值电流极低，工作电流也不高阈值电流极低，工作电流也不高 可通过短腔（可通过短腔（510 m）实现单纵模工作）实现单纵模工作 高温度稳定性，高温度稳定性，200Mb/s速率以下应用，可不需速率以下应用，可不需要要APC 高工作速率（达高工作速率（达3

8、Gb/s以上以上) ，高张弛振荡频率，高张弛振荡频率 易集成，低价格，高产量易集成，低价格，高产量光 纤 通 信 系统第2讲342、量子阱激光器结构特点：有源区非常薄结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄带隙有源层夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长，有源层厚度小至德布罗意波长量级的新型半导体激光二极管。性能特点：性能特点： 阈值电流低,输出功率高 谱线宽度窄，频率啁啾改善 调制速率高光 纤 通 信 系统第2讲35光 纤 通 信 系统第2讲36光 纤 通 信 系统第2讲37 布拉格反射条件：布拉格反射条件： n(D + B) = m nD(1

9、+ sin ) = m 2 nD= m m=1,2,3,布拉格反射原理布拉格反射原理光 纤 通 信 系统第2讲38光 纤 通 信 系统第2讲39v 单纵模振荡单纵模振荡v 线性度好线性度好v 线宽窄线宽窄：布拉格反射可比作多级调谐，使谐振波长的：布拉格反射可比作多级调谐，使谐振波长的选择性大为提高。选择性大为提高。v 稳定性好稳定性好：因为光栅有助于锁定在给定的波长上，使：因为光栅有助于锁定在给定的波长上，使其温度漂移很小。其温度漂移很小。v 动态谱特性好动态谱特性好：高速调制下也保持单模振荡，虽然动：高速调制下也保持单模振荡，虽然动态谱宽度要比静态谱宽展宽，但较态谱宽度要比静态谱宽展宽，但较

10、F-P腔腔LD展宽小得多。展宽小得多。光 纤 通 信 系统第2讲40光 纤 通 信 系统第2讲414. 发展趋势发展趋势 :集成化集成化 可调谐可调谐 窄化发射谱线窄化发射谱线 波长可调谐半导体激光器波长可调谐半导体激光器 波长可调谐激光器的主要性能指标有：调谐速度和波长可调谐激光器的主要性能指标有：调谐速度和波长调谐范围。波长调谐范围。温度调谐激光器和电流调谐温度调谐激光器和电流调谐 外腔可调谐激光器外腔可调谐激光器 双极双极DFBDFB激光器激光器 双极和三极双极和三极DBRDBR激光器激光器 光 纤 通 信 系统第2讲42Integrated Devices光 纤 通 信 系统第2讲43

11、 实现大调谐范围的一种简单方法是在实现大调谐范围的一种简单方法是在LDLD的两个端面之的两个端面之一上镀抗反射膜，然后在其外部加上可调的光滤波器。这一上镀抗反射膜，然后在其外部加上可调的光滤波器。这种结构的种结构的LDLD叫外腔可调谐激光器。外部的光滤波器选择若叫外腔可调谐激光器。外部的光滤波器选择若干纵模中的一个。通过调整光滤波器。被选中的模的波长干纵模中的一个。通过调整光滤波器。被选中的模的波长能精确地调谐直至发生模式跳变，跳到另一纵模上。能精确地调谐直至发生模式跳变，跳到另一纵模上。光 纤 通 信 系统第2讲44光 纤 通 信 系统第2讲45 波长快速调谐可通过对波长快速调谐可通过对 L

12、D LD 有源层的载流子注入来实有源层的载流子注入来实现。这是因为载流子的变化引起折射率的变化，而折射率现。这是因为载流子的变化引起折射率的变化，而折射率的变化又改变激射波长。这种效应就是前面提到的绝热啁的变化又改变激射波长。这种效应就是前面提到的绝热啁啾。啾。 光 纤 通 信 系统第2讲46Tunable 2-Section DBR Lasera discontinuous tuning characteristic over a range of a bit less than 10 nm.光 纤 通 信 系统第2讲47Tunable 3-Section DBR Laser光 纤 通 信

13、系统第2讲48Operation (of the 3-section device) is as follows: Current in the left-hand section of the device flows through the gain medium and here lasing (amplification) takes place. In the centre and rightmost sections the electron flux within the cavity causes the cavity to change in refractive index

14、 within these sections. The change in RI causes the wavelength of the light emitted to change also. The right-hand section has the grating inside it (or rather immediately adjacent to it) and this is used for broad tuning. Fine tuning is accomplished by varying the current in the “phase section” (mi

15、ddle part) of the laser cavity. A disadvantage of the 3-section device is that it requires relatively complex electronics for control.光 纤 通 信 系统第2讲49光 纤 通 信 系统第2讲50光 纤 通 信 系统第2讲51Sampled-Grating Tunable DBR Lasers光 纤 通 信 系统第2讲52This principle works quite well and devices with a tuning range of up to

16、 100 nm have been reported in the literature. Commercial devices (albeit with a more limited tuning range) are currently available. 光 纤 通 信 系统第2讲53 1. 1. 阈值特性阈值特性 2. 2. 效率效率 3. 3. 温度特性温度特性光 纤 通 信 系统第2讲54PIIth 激射区激射区 输出功率大输出功率大 谱线尖锐谱线尖锐自发为主自发为主 荧光荧光 超辐射态超辐射态(F-P)光 纤 通 信 系统第2讲55光 纤 通 信 系统第2讲56光 纤 通 信

17、系统第2讲57 D = (Pex Pth )/ h / (I - Ith ) / e0 Pex / h / (I - Ith ) / e0光 纤 通 信 系统第2讲58随温度升高：随温度升高： 阈值电流增加阈值电流增加 外微分量子效率下降外微分量子效率下降 峰值波长向长波长方峰值波长向长波长方 向移动向移动 -0.50.51.52.53.54.55.50204060Threshold Current (mA)Output Power (mW)-402585光 纤 通 信 系统第2讲59光 纤 通 信 系统第2讲60 任何半导体激光器既使注入恒定的电流，其输出任何半导体激光器既使注入恒定的电流，

18、其输出的光强和相位都有随机起伏，即噪声。的光强和相位都有随机起伏，即噪声。 幅度的起伏用相对强度噪声幅度的起伏用相对强度噪声(RIN，Relative Intensity Noise)来描述，它定义为来描述，它定义为相对输出光功率的相对输出光功率的变化的功率谱密度变化的功率谱密度。 RIN对对光反射光反射非常敏感，对于相非常敏感，对于相位或幅度噪声敏感的系统，采用光隔离器阻止光后向位或幅度噪声敏感的系统，采用光隔离器阻止光后向反射是必要的。反射是必要的。光 纤 通 信 系统第2讲61光 纤 通 信 系统第2讲62 当对半导体激光器进行强度调制时，载流子密度的变当对半导体激光器进行强度调制时，载

19、流子密度的变化会导致折射率的变化，而折射率的变化会产生相位变化，化会导致折射率的变化，而折射率的变化会产生相位变化，随时间变化的相位相当于频率调制。频率啁啾定义为随时间变化的相位相当于频率调制。频率啁啾定义为瞬时瞬时频率相对于稳态频率的偏移频率相对于稳态频率的偏移。 频率啁啾由两部分组成：一部分是频率啁啾由两部分组成：一部分是瞬态啁啾瞬态啁啾，另一部，另一部分为分为绝热啁啾绝热啁啾。下图给出对一激光器注入。下图给出对一激光器注入2Gb/s NRZ脉冲脉冲电流时的频率啁啾的情况。可以看出脉冲上升沿导致频率电流时的频率啁啾的情况。可以看出脉冲上升沿导致频率变高变高(兰移兰移)，而下降沿导致频率变低

20、，而下降沿导致频率变低(红移红移)。光 纤 通 信 系统第2讲63光 纤 通 信 系统第2讲64光 纤 通 信 系统第2讲65光 纤 通 信 系统第2讲66光 纤 通 信 系统第2讲67 根据把光输出耦合到光纤的形式分为面发射型和边发根据把光输出耦合到光纤的形式分为面发射型和边发射型两种基本结构。射型两种基本结构。 在面发射型结构中，异质结对载流子的限制作用除使在面发射型结构中，异质结对载流子的限制作用除使发光效率提高外，还因通光区是宽带隙材料，可使光的再发光效率提高外，还因通光区是宽带隙材料，可使光的再吸收减小。为进一步减小光的再吸收，在吸收减小。为进一步减小光的再吸收，在n-GaAs上腐蚀一上腐蚀一个个阱阱，将光纤插入，将光纤插入阱阱中并用环氧树脂粘合定位，使光中并用环氧树脂粘合定位，使光纤到发光面的间距减小到纤到发光面的间距减小到1015mm。p-n结的发光面积由结的发光面积由隔离层限定，接触处的直径通常为隔离层限定，接触处的直径通常为15100mm。 在边发射型结构中，以定向的光束发射出去，其优点在边发射型结构中，以定向的光束发射出去，其优点是光的发散角较小，便于与光纤耦合，而且光从很窄的端是光的发散角较小，便于与光纤耦合，而且光从很窄的端边射出，使得辐射强度较高。边射出，使得辐射强度较高。光 纤 通 信 系统第2讲68光 纤 通 信 系统第2讲69