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1、第四讲第四讲(1)(1)光源 Optical source*1主要内容 一、半导体激光器工作原理和基本结构二、半导体光源之一:LD 三、光发射机基本组成及驱动电路和自动功率控制四、半导体光源之二:LED五、光电检测器及光接收机Date2引言一、 光纤通信系统对光源的基本要求：（1）稳定性好，可在室温下连续工作；（2）尺寸和结构要小；（3）光波应匹配光纤的两个低损耗波段；（4）信号调制容量大。Date3引言 二、 最常用的发光器件：（1）LD：半导体激光二极管或称激光器(LD)a. 极窄的光谱带宽；b. 极大的调制容量；c 有定向输出特性；d. 辐射具有光相干特性 。适用于长距离，大容量，高码速
2、系统（2）LED：发光二极管或称发光管(LED)a. 非相干的自发辐射；b.结构及工作方式简单；适用于短距离，低速，模拟系统 Date4第一节 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。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光 放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。一、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
3、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。Date5以前所学过的有关知识半导体是由大量原子周期性有序排列构 成的共价晶体。在这种晶体中，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。Date6受激辐射和粒子数反转分布电子在低能级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：1. 光的受激吸收： stimulated transition2. 光的自发辐射： s
4、pontaneous emission 3. 光的受激辐射: stimulated emission of radiationEEcEvEg光子 hf EcEvEg光子 hfEcEvEg光子 hf光子 hf EE空穴复合留下空穴Date7受激辐射和粒子数反转分布（续）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。产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级
5、E2(E2 E1)的粒子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状 态时，存在下面的分布：N2/ N1 =exp(-(E2-E1) / kT)Date8受激辐射和粒子数反转分布（续）N2/ N1 =exp(-(E2-E1) / kT)式中，k=1.381 10-23 J/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。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
6、。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。Date9二、激光振荡和光学谐振腔光学谐振腔的结构粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但 还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中， 对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和 激光振荡输出。在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1 、M2，使其互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔( 也称法布里-珀罗，F-P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，结
7、 构如图所示。Date10谐振腔如何产生激光振荡对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如 M1的反 射系数 r =1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r1。 产生的激光由此射出。 当工作物质在泵浦源的作用下，变为激活物质以后，即 有了放大作用，如果被放大的光有一部分能够反馈回来再 参加激励，这就相当于电路中用正反馈实现振荡，这时， 被激励的光就可产生振荡，满足一定条件后，即可发出激 光。泵浦源：使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源， 称为泵浦源。Date11谐振腔如何产生激光振荡（续）将在泵浦源激发下，处于粒子数反转分布状态的工作物 质，置于光学谐振腔内，腔的轴线应该与激活物质的轴线重合
8、 。被放大的光在谐振腔内，在两个反射镜之间来回反射，并不 断地激发出新的光子，进一步进行放大。但在这个运动过程中 也要消耗一部分能量（不沿谐振腔轴向传输的光波，会很快射 出腔外，以及M2反射镜的透射等也会损耗部分能量），当放大 足以抵消腔内的损耗时，就可以使这种运动不停地进行下去， 即形成光振荡。当满足一定条件后，就会从反射镜M2透射出来 一束笔直的强光，即是激光。Date12谐振腔如何产生激光振荡（小结）综上所述，可得出结论： 激光器的组成：三要素工作物质：又称增益物质；谐振腔：提供必要的反馈以及进行频率选择 。激励源：激发工作物质实现NcNv的外界能源 。如 正向偏置的PN结激光器 激光的
9、特性方向性好；亮度大；单色性好；相干性好。 Date13三、激光器的参量1发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到 价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度 Eg(eV)，得到hf= Eg式中，f=c/ ，f(Hz)和(um)分别为发射光的频率 和波长，c=3108m/s为光速，h=6.62810-34Js为普 朗克常数，1eV=1.610-19J，代入上式得到=hc/Eg=1.24/Eg不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg ，因而有 不同的发射波长。镓铝砷-镓砷（GaAlAsGaAs）材 料适用于0.85um波段，铟镓砷磷-铟磷（InGaAsPInP ）材料适用于1.
10、31.55um波段。Date14三、激光器的参量图示是GaAlAsDH激光器的光 谱特性。在直流驱动下，发射光 波长有一定分布，谱线具有明 显的模式结构。这种结构的产生 是因为导带和价带都是由许多连 续能级组成的有一定宽度的能带， 两个能带中不同能级之间电子的 跃迁会产生连续波长的辐射光。 其中只有符合激光振荡的相位条 件的波长存在。这些波长取决于 激光器纵向长度L，并称为激光器 的纵模。Date15三、激光器的参量随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线 宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向 的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光
11、器称为静态单纵模激光器。 右图所示是300Mb/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。Date16三、激光器的参量2、平均衰减系数a在光学谐振腔内产生振荡的先决条件，是放 大的光能要足以抵消腔内的损耗，而谐振腔内 损耗的大小，我们用平均衰减系数a表示。为a=ai+ar=ai+(1/2l)*(1/r1*r2)其中： ai 是除反射镜透射损耗以外的其 他所有损耗所引起的衰减系数； ar 是谐振腔 反射镜的透射损耗引起的衰减系数；l是谐振 腔两个反射镜之间的距离； r1、r2 是腔的两个 反射镜的功率反射系数。 Date17三、激光器的参量（续）3、增
12、益系数G激活物质的放大作用，我们用增益系数G来表示。如图所示I0为激活物质的输入光强，经过距离Z以后 ，光强放大到I，到了（ZdZ）处，光强为（IdI） ，那么，在dZ长度上，光强的增量dI为dIGI/dZ 其中G=(dIdZ)I称为增益系数， 它表示光通过单位 长度的激活物质之 后，光强增长的百 分比。Date18三、激光器的参量（续）4、阀值条件一个激光器并不是在任何情况下都可以发出激光的 ，它需要满足一定的条件。由前面对衰减系数的概念可 以看出，要使激光器产生自激振荡，最低限度应要求激 光器的增益刚好能抵消掉它的衰减。我们就将激光器能 产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。 从上面
13、分析可知，阈值条件为：Gt= a = ai+(1/2l)*(1/r1*r2)其中Gt称为阈值增益系数。可见，激光器的阈值条 件，只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，阈值 条件越低，激光器就越容易起振。Date19三、激光器的参量（续）5、谐振频率谐振频率是光学谐振腔的重要参数。对于平行平面腔而言，由于腔的尺寸远大于工作波 长，因此，腔内的电磁波可认为是均匀平面波，而且 在腔内往返运动时，是垂直于反射镜而投射，如图。 从A点出发的平面波，垂直投射到反射镜M2，由M2反射 后又垂直投射向M1。再回到A点时，波得到加强。如果 它们之间的相位差是2的整数倍时，显然就达到了谐 振。Date20三、激
14、光器的参量（续）设L为谐振腔的长度，g为谐振腔介质中光波的波长此时应有： L=(g*q) /2其中q=1，2，3。上式表明，光波在谐振腔中往返一次，光的距离 2L恰好为g的整数倍，即相位差是2的整数倍。可得出光波长的表示式为g =2L/q此即为光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件。Date21三、激光器的参量（续）当光学谐振腔内，工作物质的折射指数为n时，则 折算到真空的光学谐振腔的谐振波长og 、与谐振 频率fog为og = ng =2nL/qfog =c/og =cq/2nL由上面两式可看出： (1） og与光学谐振腔内材料的折射率n有关； (2）当q不同时，可有不同的fog值，即有无穷多个谐
15、振频率。分布反馈激光器Date22第二节 半导体光源之一:LD 半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器 件。只有在工作电流越过阈值电流的情况下，才会输出激 光（相干光），因而是有阈值的器件。l半导体砷化镓（GaAs)：在光纤通信中使用的激光物质都是GaAs。 GaAs是高掺杂的-族化合物。当掺入族Te 原子取代As原子，自由电子多，形成N型半导体当掺入族Zn原子取代Ga原子，空穴多，形成P型半导体。S+-p nlaserreflectionPN结激光器的示意Date23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 回忆一下回忆一下相关知识相关知识
16、Date24一般状态下，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， 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。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体。在本征半导体中掺入受主杂质，称为P型半导体。 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。Date25P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；PN结的能带和电子分布Date26势垒能量Ep cP区EncEfEpvN区Env零偏压时P
