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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