第3章通信用光器件-1精选文档.ppt

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1、第3章通信用光器件-1本讲稿第一页，共五十页第第 3 章章 通信用光器件通信用光器件 通信用光器件可以分为有源器件有源器件和无源器件无源器件两种类型。有源器件有源器件包括光源光源、光检测器光检测器和和光放大器光放大器。光光无无源源器器件件主要有连连接接器器、耦耦合合器器、波波分分复复用用器器、调调制制器器、光光开关开关和和隔离器隔离器等。本讲稿第二页，共五十页3.1 光源光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理一、半导体激光器的工作原理 受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布

2、激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔 二、半导体激光器基本结构二、半导体激光器基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 一、发射波长和光谱特性一、发射波长和光谱特性 二、二、激光束的空间分布激光束的空间分布 三、转换效率和输出光功率特性三、转换效率和输出光功率特性 四、四、频率特性频率特性 五、五、温度特性温度特性 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 一、一、工作原理工作原理 二、二、DFB激光器的优点激光器的优点 3.1.4 发光二极管发光二极管 一、一、工作原理工作原理 二、二、工作特性工作特性 3.1.5 半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应

3、用本讲稿第三页，共五十页3.1 光源光源 光光源源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半半导导体体激激光光二二极极管管或或称称激激光光器器(LD)和和发发光光二二极极管管或或称称发发光光管管(LED)，有些场合也使用固体激光器固体激光器。本节首先介绍半半导导体体激激光光器器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分分布布反反馈馈激激光光器器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发发光光管管(LED)。本讲稿第四页，共五十页光纤通信系统对光源的要求1、合适的发光波长2、足够的输出功率3、可靠性高，寿命长4、

4、输出效率高5、光谱宽度窄6、聚光性好7、调制方便8、价格低廉本讲稿第五页，共五十页 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 半半导导体体激激光光器器是向半导体PN结注入电流，实现粒粒子子数数反反转转分分布布，产生受受激激辐辐射射，再利用谐振腔的正正反反馈馈，实现光光放放大大而产生激激光光振振荡荡的。本讲稿第六页，共五十页1.受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布 有源器件有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4)称为激发态。电子在低能级

5、E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收受激吸收受激吸收受激吸收 自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射(见图3.1)本讲稿第七页，共五十页hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1 (a)受激吸收；能级和电子跃迁本讲稿第八页，共五十页(b)自发辐射；hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1本讲稿第九页，共五十页hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1(c)受激辐射本讲稿第十页，共五十页(1)受激吸收受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，

6、这种跃迁称为受受激激吸吸收收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1(a)。(2)自发辐射自发辐射 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射自发辐射，见图3.1(b)。(3)受激辐射受激辐射 在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受受激激辐辐射射，见图3.1(c)。本讲稿第十一页，共五十页受激辐射受激辐射和受激吸收受激吸收的区别与联系 受受激激辐辐射射是受受激激吸吸收收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收

7、的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件波尔条件，即 E2-E1=hf12 (3.1)式中，h=6.62810-34Js，为普普朗朗克克常常数数，f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射受激辐射和自发辐射自发辐射产生的光的特点很不相同。受受激激辐辐射射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光相干光。自自发发辐辐射射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非非相相干干光光。本讲稿第十二页，共五十页 产生受受激激辐辐射射和产生受受激激吸吸收收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1

8、)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布 (3.2)式中，k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。本讲稿第十三页，共五十页 受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受受激激吸吸收收大大于于受受激激辐辐射射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质吸收物质。如果N2N1，即受受激激辐辐射射大于受受激激吸吸收收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质激

9、活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒粒子子(电子电子)数反转分布数反转分布。问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?这个问题将在下面加以叙述。本讲稿第十四页，共五十页 图 3.2 半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体 2.PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价价带带，能量高的能带称为导导带带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁禁带带宽宽度度或带隙带隙。电子不可能占据禁带。本讲稿第十五页，共五十页

10、图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费费米米能能级级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。(3.3)本讲稿第十六页，共五十页 一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图3.2(a)。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体型半导体，见图3.2(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体型半导体，见图3.2(c)。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

11、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，见图3.3(a)。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，见图3.3(b)。本讲稿第十七页，共五十页P区PN结空间电荷区N区内部电场 扩散 漂移 P-N结内载流子运动；图 3.3PN结的能带和电子分布本讲稿第十八页，共五十页势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env零偏压时P-N结的能带倾斜图；本讲稿第十九页，共五十页h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P-N结能带图获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分

12、布获得粒子数反转分布 本讲稿第二十页，共五十页 增益区的产生：增益区的产生：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。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒粒子子数数反转分布反转分布，见图3.3(c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光自发辐射光。本讲稿第二十一页，共五十页 3.激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔激光振荡的产生：激光振荡的产生：粒粒子子数数反反转转分分布布（必要条

13、件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。基本的光光学学谐谐振振腔腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为法布里-珀罗(FabryPerot,FP)谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光自发辐射光作为入射光。本讲稿第二十二页，共五十页 图 3.4 激光器的构成和工作原理 (a)激光振荡；(b)光反馈 本讲稿第二十三页，共五十页 式中，th 为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率 激光振荡的相位条件为激光振荡的相位条件为 式中

14、，为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1,2,3 称为纵模模数。在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 th=+(3.4)L=q(3.5)本讲稿第二十四页，共五十页 4.半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图3.5示出的双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙P型半导体，称为有源层有源层；两侧两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层限制层。三层半导体置于基片基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射

15、镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。本讲稿第二十五页，共五十页本讲稿第二十六页，共五十页 DH激光器工作原理激光器工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽，施加正正向向偏偏压压后，P层的空空穴穴和N层的电子电子注入有源层有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电电子子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源层内形成粒粒子子数数反反转转分分布布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有有源源区区内，因

16、而电/光转换效率很高，输出激光的阈阈值值电电流流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。本讲稿第二十七页，共五十页 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 本讲稿第二十八页，共五十页 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 1.发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的发发射射波波长长等于禁禁带带宽宽度度Eg(eV)，由式(3.1)得到 h f=Eg(3.6)不同半导体材料有不同的禁带宽度禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长发射波长。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 m波段 铟镓砷磷-铟磷

17、(InGaAsP-InP)材料适用于1.31.55 m波段式中，f=c/，f(Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长，c=3108 m/s为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数，1eV=1.610-19 J，代入上式得到本讲稿第二十九页，共五十页 图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。在直流驱动下，发发射射光光波波长长只有符合激光振荡的相相位位条条件件式(3.5)的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模纵模。驱动电流变大驱动电流变大，纵模模数变小纵模模数变小，谱线宽度变窄，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光光波波频频率率和方方向向的选择

18、，使边边模模消消失失、主主模模增增益益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多多纵纵模模变为单单纵纵模模，这种激光器称为静静态态单单纵模激光器纵模激光器。图3.7(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性，由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。本讲稿第三十页，共五十页 图 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a)直流驱动;(b)300 Mb/s数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 83

19、2 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)本讲稿第三十一页，共五十页 2.激光束的空间分布激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场近场和远场远场来描述。近场近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模横模。由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场

20、图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模单横模。本讲稿第三十二页，共五十页图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样 本讲稿第三十三页，共五十页 3.-9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样 (a)光强的角分布；(b)辐射光束 图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。本讲稿第三十四页，共五十页3.转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数光子数(3.7a)

21、由此得到(3.7b)式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，h f 和e分别为光子能量和电子电荷。本讲稿第三十五页，共五十页图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth 时，发出的是受激辐射光受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。本讲稿第三十六页，共五十页 图 3.10 典型半导体激光器的光功率特性 (a)短波长AlGaAs/GaAs (b)长波长InGaAsP/InP 本讲稿第三十七页，共五十页4.频率特性频率特性 在直接光强调制下，激光器输出光功率光功率P和调制频率调制频率f 的关系为 P(f)=(3.8a)(3.8b)式中，和分别称为

22、弛弛豫豫频频率率和阻阻尼尼因因子子，Ith 和I0分别为阈值电流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的LD，I=0，低掺杂浓度的LD,I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的电子寿命，ph为谐振腔内的光子寿命。本讲稿第三十八页，共五十页图 3.11 半导体激光器的直接调制频率特性 图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr 是调制频率的上限，一般激光器的fr 为12 GHz。在接近fr 处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。本讲稿第三十九页，共五十页 Ith=I0 exp(3.9)5.温度特性温度特性 对于线性良好的激光器，输出光功率特性如式(3.7b)和

23、图3.10所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因（1）激光器的阈阈值值电电流流Ith 随温度温度升高而增大增大（2）外微分量子效率量子效率d随温度温度升高而减小减小。温度升高时，Ith 增大，d减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为本讲稿第四十页，共五十页 式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。GaAlAs GaAs 激光器T0=100150 K InGaAsP-InP 激光器T0=4070 K 所所以

24、以长长波波长长InGaAsP-InP激光器输出光光功功率率对温温度度的变化更加敏感。外微分量子效率随温度的变化不十分敏感。图3.12示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P-I曲线的变化。本讲稿第四十一页，共五十页图 3.12 P-I曲线随温度的变化 本讲稿第四十二页，共五十页 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 分分布布反反馈馈(DFB)激光器用靠近有有源源层层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍衍射射光光栅栅实现光反馈。这种衍衍射射光光栅栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。分布反馈激光器分布反馈激光器的要求：（1）谱线

25、宽度谱线宽度更窄 （2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性动态单纵模特性 （3）发射光波长光波长更加稳定，并能实现调谐 （4）阈值电流阈值电流更低 （5）输出光功率光功率更大本讲稿第四十三页，共五十页 图 3.13 分布反馈(DFB)激光器 (a)结构；(b)光反馈 本讲稿第四十四页，共五十页 如图3.13所示，由有源层有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如光线b)。光栅周期=m(3.10)ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激激光光振振荡荡的有两个阈阈值值最低、

26、增益相同的纵模纵模，其波长为(3.11)本讲稿第四十五页，共五十页 DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：优点：单纵模激光器单纵模激光器 谱线窄，谱线窄，波长稳定性好波长稳定性好 动态谱线好动态谱线好 线性好线性好本讲稿第四十六页，共五十页 3.1.4 发光二极管发光二极管LD LD 和和和和LEDLED的区别的区别的区别的区别 LD发射的是受激辐射光受激辐射光 LED发射的是自发辐射光自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双双异异质质结结(DH)芯芯片片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。本讲稿第四十七页，共五十页 图 3.14两类发

27、光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型 发光二极管的类型发光二极管的类型发光二极管的类型发光二极管的类型：正面发光型正面发光型LED和和侧面发光型侧面发光型LED 本讲稿第四十八页，共五十页发光二极管的特点发光二极管的特点发光二极管的特点发光二极管的特点：输出光功率较小；谱线宽度较宽；调制频率较低；性能稳定，寿命长；输出光功率线性范围宽；制造工艺简单，价格低廉；适用于小容量短距离系统 发光二极管的主要工作特性发光二极管的主要工作特性发光二极管的主要工作特性发光二极管的主要工作特性：(1)光谱特性。发光二极管发射的是自自发发辐辐射射光光，没有谐振腔对波长的选择，谱谱线较宽线较宽，如图3.15。本讲稿第四十九页，共五十页 图 3.15LED光谱特性 本讲稿第五十页，共五十页