第三章光源与光发送机

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1、1,第3章 光源与光发送机,2,本章内容 光源：半导体激光器和发光二极管。 光源调制 光发送机。,第3章 通信用光器件,3,3.1 激光器和LED,光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。常用的有LD和LED两种。 半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。 发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。,4,3.1 激光器和LED,5,3.1 激光器和LED,1激光器的物理基础 （1）光子的概念 光量子

2、学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中h=6.6281034 Js（焦耳秒），称为普朗克常数，f 是光波频率，人们将这些光量子称为光子。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。,6,3.1.1 半导体激光器,（2）原子能级 物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子的核外电子有不同稳定状态的能级。 最低的能级E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级E i（i=2，3，4，）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为E =E2E1，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式,当处于低能级E1

3、 的电子受到一个光子能量E =hf12的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。 光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。,7,（3）光与物质的三种作用形式 光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图所示。,能级和电子跃迁,8, 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光生电流，这种跃迁称为受激吸收光电检测器。 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的能量

4、转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射发光二极管。 在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于该过程是在外来光子的激发下产生的，故称为受激辐射激光器。 自发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在!,9,（4）粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。 如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正常状态下， N1 N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受

5、激吸收，即使N2 N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 *粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。,10,（5）激光的形成 必须有产生激光的工作物质（激活物质）； 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）； 必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 粒子数反转分布状态的为实现光放大提供了可能，而激活物质提供光放大的环境，光学谐振腔则提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，以获得连续的光放大和激光振荡输出。,11,光学谐振腔的结构,（6）激光器的结构 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系

6、数分别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图3-2所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。,12,激光器示意图,13,（7）光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为 （3-2） 或 （3-3） 式中，c为光在真空中的速度，为激光波长，n为激活物质的折射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3称为纵模模数。 谐振腔只对满足式（3-2）的光波波长或式（3-3）的光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。,14,（8）起振的阈值条件 激

7、光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如以G th表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是 （3-4） 为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。,半导体激光器：是向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。,15,3.1.2 半导体激光器的基本原理,1半导体激光器的基本结构 用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器，它的有源部分是PN结，两个端面按晶体的天然晶面剖切开，表面非常光滑，成为平行的镜面，构成光学谐振腔。 泡利不相容原理：每个能级只允许

8、两个自旋相反的电子占有。 半导体材料作为一种单晶体，其原子紧密地按照一定规则排列。各原子最外层的轨道互相重迭，使半导体材料的能级已不像前述的单个原子那样的分立的能级，其基态能级和激发态能级将分裂成能带，通常基态能级分裂成价带，激发态能级分裂成导带。价带和导带之间存在一个电子不能具有的能量区间，称为禁带。,16,半导体激光器的核心部分是一个PN结。这个PN结是高度掺杂 的，P型半导体中空穴极多，N型半导体中自由电子极多。 电子在导带和价带的占居几率由费密狄拉克分布给出，能级越低，电子占据的可能性就越大。用来描述上述分布的能级EF，叫做费米能级。热平衡下各种半导体材料的费米能级如下图： 本征半导体

9、的费米能级位于带隙中间；N 型掺杂将使费米能级向导带移动，P 型掺杂使费米能级向价带移动； 重掺杂N 型半导体，费米能级位于导带内兼并型N型；,17,双兼并型半导体：非热平衡状态时，在Efc和Efv之间形成了一个粒子数反转区域。如果入射光波能量满足： 则经过双兼并型半导体时将得到放大。,PN结的形成： 当P型和N型半导体形成PN结时，载流子（电子、空穴）的浓度（密度）差引起扩散运动；漂移运动的方向与扩散运动相反；最后，漂移完全抵消了扩散，达到平衡。 为了维持电子空穴的复合，需要在PN 结上加正向电压，打破原有平衡；,18,3.1.2 半导体激光器的基本原理,正向偏压：P区空穴不断流向N区，N区

10、电子流向P区，通过复合发光。 自发发射复合LED； 受激发射复合LD；,反向偏压：区域内电子和空 穴都很少，形成高阻区。 受激吸收 PD,19,3.1.2 半导体激光器的基本原理,当正向电压加大到某一值后， PN结里出现了结里出现了增益区（有源区）。,在Efc和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子占据， 即实现了粒子数反转。,20,3.1.2 半导体激光器的基本原理,2半导体激光器的基本结构 有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。F-P腔激光器从结构上可分为3种。,芯片尺寸：250umX100umX10um; 有源层:8umX1um(1umX0.1um);

11、 光口面:3umX0.6um(更窄),21,3.1.2 半导体激光器的主要特性,3半导体激光器的主要特性 LD的主要工作特性都可以根据速率方程来精确分析，即求解有源区光子数目P和电子数目N在相互作用过程中随时间变化的方程组，比较复杂。只要求大家定性理解后面的结论。,22,3.1.2 半导体激光器的主要特性,（1）阈值特性 对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith 表示。阈值电流越小越好。,23,3.1.2 半导体激光器的主要特性,（2）转换效率 LD电光转换效率可用功率转换效率和量子转换效率表示. 量子效率d表示，其定义为激

12、光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比（微观效率），其表达式为 （3-3） 由此得 式中，P为激光器的输出光功率；I为激光器的输出驱动电流，Pth为激光器的阈值功率；Ith为激光器的阈值电流；hf 为光子能量；e为电子电荷。,24,3.1.2 半导体激光器的主要特性,（3）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大，且波长向长波长方向漂移，转换效率下降，其变化情况如图所示。,激光器阈值电流随温度变化的曲线,25,3.1.2 半导体激光器的主要特性,（4）光谱特性 1）发射波长 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所

13、释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，可得 hf = Eg 代入式（3-5）得 (m) （3-5） 由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，通过材料设计可以制成不同发射波长的激光器，InGaAsP-InP材料适用与1.31.5um波段。,26,3.1.2 半导体激光器的主要特性,2）光谱线 原子从高能级E3跃迁到E2，其发光频率为f32=(E3-E2)/h，即理想光谱是f0=f32，实际光谱有一定的加宽。 谱线加宽的原因：处于高能级上的粒子，在发射光子的过程中，辐射的光波不是等幅波，各粒子的运动速度也不同，故包含了新的频率成份。 对于某种确定的激光物质，就有一定的光谱线宽度fD(

14、).谱线越窄，说明性能越好！,27,3）纵模 半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式振荡。激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同尖锐的谱线，称为激光器的纵模。 LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当IIth时，发出的是荧光，光谱很宽。当I Ith后，发射光谱突然变窄，发出激光。 其满足起振阈值和谐振 相位条件：,3.1.2 半导体激光器的主要特性,28,3.1.2 半导体激光器的主要特性,GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱,29,3.1.2 动态单纵模LD,4动态单纵模半导体激光器 SLM激光器的设计思想：使不同的纵模具有不同的损耗，因而不同的 纵模就有不同的增

15、益阈值。通常具有最低腔损的纵模，最先达到阈值成为发射模，其它模被抑制，MSR约（30dB)。,30,31,32,33,34,35,3.1.3 发光二极管,1LED的工作原理 发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。 发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。,36,3.1.3 发光二极管,2LED的结构 LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。 LED分为两大类：一类是面发光型SLE

16、D，另一类是边发光型ELED，发散角、耦合效率和调制带带宽均比面发光LED有改善。,37,3.1.3 发光二极管,38,3.1.3 发光二极管,39,3.1.3 发光二极管,3LED的工作特性 （1）光谱特性 LED谱线宽度比激光器宽得多。下图是InGaAsP LED的输出光谱。,InGaAsP LED的发光光谱,40,3.1.3 发光二极管,（2）P-I特性 两种类型的LED输出光功率特性如图3-14所示。驱动电流I 较小时，P I 曲线的线性较好；当I 过大时，由于P-N结发热而产生饱和现象，使P I 曲线的斜率减小。,发光二极管（LED）的P I 特性,41,3.1.3 发光二极管,（4）调制特性 调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为20MHz30MHz，边发光型LED截止频率为100MHz150MHz，改进型可达GHz。 性能比较