光纤课件chap3-1讲解

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1、1 通信用光器件 通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两 种类型。 光纤通信中，需要有光源发光，将电信号 转变为光信号，还要有光接收器件，将光信号转化 为电信号。这种发光器件和光接收器件统称为光电 器件，或有源器件。 对光信号进行处理的器件称为无源器件。 2 2 光有源器件 定义：需要外加能源驱动工作的光器件 半导体光源(LD,LED) 半导体光探测器(PD:PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长变换器 光调制器 光开关/路由器 最重要最重要 的光通的光通 信器件信器件 3 3 光无源器件 定义：不需要外加能源驱动工作的光器件 光纤连接器

2、（固定、活动） 光纤定向耦合器（波长相关性不强） 光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM，波长相关性 强) 光衰减器（固定、可变） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅 4 4 光器件与电器件的类比 5 3.1 光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用 6 3.1 光源 光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导体激 光二极管或称激光器(LD)和

3、发光二极管或称发 光管(LED)， 有些场合也使用固体激光器。 本节首先介绍半导体激光器(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 优良的分布反馈激光器(DFB - LD)，最后介绍 可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED) 。 7 8 3.1.1 半导体激光器工作原理和 基本结构 半导体激光器是向半导体PN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 而产生激光振荡的。 9 原子核 电子 高能级 低能级 孤立原子的能级 围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离 散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。 电子优

4、先抢占低能级 10 N个原子构成晶体时的能级分裂 N = 4 N = 9 当 N 很大时能级 分裂成近似连续 的能带 11 1.受激辐射和粒子数反转分布 有源器件的物理基础是光和物质相互作 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：受激受激 吸收吸收 自发辐射自发辐射 受激辐射受激辐射 (见图3.1) 12 hf12 初态初态 E2 E1 终态终态 E2 E1 (a) 受激吸收；(b) 自发辐射； hf12 初态初态 E2 E1 终态终态

5、E2 E1 hf12 初态初态 E2 E1 终态终态 E2 E1 (c) 受激辐射 13 14 15 16 (1)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， 这种跃迁称为受激吸收。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 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，见图3.1(b)。 (3)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，

6、这种跃迁称为受激辐射，见图3.1(c)。 17 受激辐射和受激吸收的区别与联系 受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两 个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子 能量都要满足波尔条件，即 E2-E1=hf12 (3.1) 式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，f12为 吸收或辐射的光子频率。 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与 入射光相同，这种光称为相干光。 自发辐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，这种光称为非相干光。 18 产生受激辐射和产生受激吸收的物

7、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)的原子数分别为N1 和N2。 当系统处于热平衡状态时，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。 19 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，即受激吸收大于受激辐射。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。 如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过 这种物质时，会产生放大

8、作用，这种物质称为激 活物质。 N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反， 所以称为粒子(电子)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。 20 2. PN结的能带和电子分布 21 满带：各个能级都被电子填满的能带 禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性 能带的分类 空带：所有能级都没有电子填充的能带 价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带 禁带的宽度称为带隙 22 导体、绝缘体和半导体 导体： (导)价带电子 绝缘体： 无价带电子 禁带太宽 半导体： 价带充满电子 禁带较窄 外界能量激励 满带电子激励 成为导

9、带电子 满带留下空穴 23 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 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 称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能 量EC 和价带顶的能量EV 之间的能量差EC-EV=EG 称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。 24 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 称为费米能级， 用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级

10、，被电子占据和空穴占据的概率相同。 (3.3) 25 硅的晶格结构 硅的晶格结构 (平面图) 本征半导体材料 Si 电子和空穴是成对出现的 Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现 E 此时外加电场，发生电子/空穴移动导电 26 导带 EC 价带 EV 电子跃迁 带隙 Eg = 1.1 eV 电子态数量 空穴态数量 电子浓度 分布 空穴浓度分 布 空穴 电子 本征半导体的能带图 电子向导带跃迁 空穴向价带反向跃迁 27 非本征半导体材料：n型 第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子 受到的束缚很弱，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它

11、 挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。 As除了用4个价电子 和周围的Si建立共价 键之外，还剩余一个 电子 As 5+ 28 导带 EC 价带 EV 施主能级 电子能量 电子浓度分布 空穴浓度分布 施主能级 施主杂质电离使导带 电子浓度增加 N型材料，施主能级 第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级 称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后 可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。 Ef 29 非本征半导体材料：p型 由于B只有3个价电 子，因此B和周围4 个Si的共价键还少1 个电子 B容易抢夺周围Si原 子的电子成为负离 子并产生多余

12、空穴 B3 第III族元素 (如铟In,镓Ga,铝Al) 掺入Si晶体后，产生多余的空 穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA 漂移 U n型p型 耗尽层耗尽层 36 37 势垒 能量 E p c P区 E n c E f E p v N区 E n v 零偏压时P - N结的能带倾斜图 ； 38 h f h f E f E p c E p f E p v E n c n E n v 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 39 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 ，

13、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。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空 穴，结果获得粒子数反转分布，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。 40 3. 激光振荡和光学谐振腔 激光振荡的产生： 粒子数反转分布（必要条件)+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。 基本的光学谐振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(Fabry Perot,

14、 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作为入射光。 41 42 43 阈值条件 光在谐振腔内传播，包括： 1. 增益介质的光放大 2. 损耗： A) 工作物质的吸收 B) 介质不均匀引起的散射 C) 端面反射镜的透射及散射 幅度条件：增益能克服损耗 相位条件：光经反射回到初始位置时与原来相位一致 44 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变 量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受 激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就 从部分反射镜透射出来，形成一束笔直的激光。 45 式中，th 为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系

15、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 式中，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.镜面反射有半波损失。激光器只能产生一些离散的波 长。每个波长称为激光器的一个纵模。 在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为 th =+ (3.4) L= q (3.5) 46 图 3.4 激光器的构成和工作原理 (a) 激光振荡； (b) 光反馈 47 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，如图4.9所示。 图4.9 半导体激光器的结构示意图 常用激光器的基本结构 48 4. 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。结构中间有 一层厚0.10.3 m的窄带隙P型半导