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1、光 纤 通 信 系统第2讲1第第2 2讲讲 半导体激光器和发光二极管半导体激光器和发光二极管一一. . 激光原理的基础知识激光原理的基础知识二、半导体激光器的结构、分类二、半导体激光器的结构、分类三、半导体激光器的主要性质三、半导体激光器的主要性质四、发光二极管四、发光二极管光 纤 通 信 系统第2讲2半导体光源：半导体光源：半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)和半导体发光二极管和半导体发光二极管(LED)(LED)半导体光源的优点：半导体光源的优点：vv 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合vv 发射波长适合在光纤中低损耗传输发射波长适合在光纤中低损耗
2、传输vv 可以直接进行强度调制可以直接进行强度调制vv 可靠性高可靠性高光 纤 通 信 系统第2讲3一一. . 激光原理的基础知识激光原理的基础知识1、光的吸收和放大 1）能级和能带 2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大 2、半导体激光器中增益区的形成v晶体中载流子的统计分布 v PN结的能带和增益区的形成光 纤 通 信 系统第2讲41 1、光的吸收和放大、光的吸收和放大（1 1）原子能级和晶体的能带）原子能级和晶体的能带电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量子态，电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量子态，称之为原子的不同称之为原子的不同能级能级。E E1 1E E2 2E E3 3E E4
3、 4能能量量E E光 纤 通 信 系统第2讲5晶体的能带晶体的能带晶体的能谱晶体的能谱在原子能级的基在原子能级的基 础上按础上按共有化运共有化运 动动的不同而分裂的不同而分裂 成若干组，每组成若干组，每组 中能级彼此靠得中能级彼此靠得 很近，组成有一很近，组成有一 定宽度的带，称定宽度的带，称 为为能带能带。光 纤 通 信 系统第2讲6（2 2）能级的光跃迁：）能级的光跃迁：电子在原子能级间的跃迁过程中以光子形式交换能量电子在原子能级间的跃迁过程中以光子形式交换能量。E E2 2E E1 1E E2 2E E1 1h h = =E E2 2- -E E1 1自发发射自发发射 特点：特点： Rs
4、p = rspN2 = N2/sp 无外界作用，自发光跃迁；独立、自发发射，非相干光； 典型应用：典型应用： 发光二极管发光二极管光 纤 通 信 系统第2讲7E E2 2E E1 1E E2 2E E1 1h h = = E E2 2- -E E1 1受激辐射受激辐射 特点：特点：Rste = WstN2 Wst = C3 () / (8n3h3sp) B () 感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的光 子与感应光子是相干的，为全同光子；光得到放大。 h h = = E E2 2- -E E1 1典型应用：典型应用： 半导体激光器半导体激光器光
5、 纤 通 信 系统第2讲8E E2 2E E1 1E E2 2E E1 1h h = = E E2 2- -E E1 1受激吸收受激吸收 特点：特点：R Rstasta = W= Wst stN N1 1；感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差；感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差；消耗外来光能，产生电子空穴对。消耗外来光能，产生电子空穴对。 典型应用：典型应用： 光电二极管光电二极管光 纤 通 信 系统第2讲9（3）光的吸收与放大设光波频率为，光强为I ，经过原子煤质Rste = WstN2 ， 发出光能: WstN2 h R Rstasta = W= Wst stN N1 1 , 吸收光能：
6、WstN1 h 单位体积中的净功率：（ N2 -N1）Wst h 光 纤 通 信 系统第2讲10是能量密度光 纤 通 信 系统第2讲11吸收媒质热平衡状态放大媒质粒子数翻转分布，布居翻转对应激光放大状态光 纤 通 信 系统第2讲122、半导体激光器中增益区的形成1) 晶体中载流子的统计分布：费米费米- -狄拉克统计狄拉克统计f f ( (E E) =1 / ) =1 / e e ( ( E E E Ef f ) / ) / kKkK + 1 + 1 f f ( (E E) )：电子的费米分布函数电子的费米分布函数k k: : 玻耳兹曼玻耳兹曼常数常数K K： 绝对温度绝对温度E Ef f： 费
7、米能级费米能级，它只是反映电子在各能级中分布，它只是反映电子在各能级中分布情况的一个数学参量情况的一个数学参量, ,位置由电子总数决定。位置由电子总数决定。E=E=E Ef f f(E)=1/2 f(E)=1/2 该能级被电子占据概率等于该能级被电子占据概率等于5050E1/2 f(E)1/2 该能级被电子占据概率大于该能级被电子占据概率大于5050EEE Ef f f(E) e e0 0V V E Eg g)PN)PN结的能带图结的能带图对光子能量满足：对光子能量满足： E Eg g N N1 1 的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况（外界激励），
8、通常称为粒子数反转分布，或布（外界激励），通常称为粒子数反转分布，或布局反转。局反转。(2)(2) (2) (2) 存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳定的振荡定的振荡光 纤 通 信 系统第2讲19MM1 1M M2 2光学振荡光学振荡禁带禁带(a) (a) 利用晶体天然解理面形成法利用晶体天然解理面形成法布里布里- -珀罗谐振珀罗谐振(F-P)(F-P)腔腔(b) (b) 利用有源区一侧的周期性波利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合形成光振荡纹结构提供光耦合形成光振荡( (分分布反馈型布反馈型DFB, DFB, 分布布喇格反射型分布布喇格反射型DB
9、R)DBR)光 纤 通 信 系统第2讲20制作材料：制作材料：直接带隙的直接带隙的 半导体材料半导体材料发射波长发射波长 hchc / / E Eg gE E光 纤 通 信 系统第2讲21二、半导体激光器的结构、分类和主要性质二、半导体激光器的结构、分类和主要性质1 1、F-PF-P腔激光器腔激光器(1) F-P(1) F-P腔的作用腔的作用建立光振荡建立光振荡振幅条件：使激光器成为阈值器件振幅条件：使激光器成为阈值器件 e e (th- )2L R R = 1 = 1 thth ：阈值时增益系数阈值时增益系数 ： 谐振腔内部工作物质的损耗系数谐振腔内部工作物质的损耗系数L L ： 谐振腔腔长
10、谐振腔腔长R R： 谐振腔两镜面反射率之积，谐振腔两镜面反射率之积， R R R R1 1R R2 2增加增益的方法：加大注入电流增加增益的方法：加大注入电流 ( ( ) ) = (N N2 2- N - N1 1)C2 g() / (8n22sp)光 纤 通 信 系统第2讲22相位条件相位条件：使激光器的发射光谱呈模式振荡使激光器的发射光谱呈模式振荡 2 2 L Lq2q2 q q=1,2,3,=1,2,3, ： 光波的相移系数，光波的相移系数，L L：谐振腔腔长谐振腔腔长波长光功率光 纤 通 信 系统第2讲23（2）F-P腔激光器的分类v按制作激光器的材料分类:短波长(0.85 m)波段，
11、采用GaAs/GaAlAs长波长(1.3 m1.55 m) ，采用InGaAsP/InPv按垂直于PN结方向的结构分类：同质结 单异质结双异质结双异质结的作用:带隙差对载流子有限制作用;折射率差对光子有限制作用光 纤 通 信 系统第2讲24光 纤 通 信 系统第2讲25v按平行于PN结方向的结构分类v 宽面LD （没有导向） v 条形LD：台面条形平面条形 （SiO2条形，质子轰击条形，Zn扩散条形等）（增益导向 ）隐埋条形 （折射率导向）光 纤 通 信 系统第2讲26在整个PN结面积上 均有电流通过的结构是 宽面结构；只有PN结 中部与解理面垂直的条 形面积上(10 m左右) 有电流通过的结
12、构是条 形结构。条形激光器主要优 点是阈值电流低，发热 少，利于散热，可以改 善光谱特性。但受条宽 限制不宜作大功率输出 。光 纤 通 信 系统第2讲27光 纤 通 信 系统第2讲28光 纤 通 信 系统第2讲29隐埋条形双异质结结构示例隐埋条形双异质结结构示例2 2光 纤 通 信 系统第2讲30v 按激射光束与PN结平面的关系分类按激射光束与PN结平面的平行或垂直关系，半导体 激光器可分边发射(侧面出光)和面发射(正面出光)结构(1) 边发射结构这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构， 上面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取 光。(2) 面发射结构这是由表面发射光的结构，它的发
13、射结构又分成水 平腔和垂直腔结构。 光 纤 通 信 系统第2讲31结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .光 纤 通 信 系统第2讲32光 纤 通 信 系统第2讲33VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的优点 发光效率高，例850nm，10mA电流，1.5mW功 率 发射圆形光束，耦合效率高 阈值电流极低，工作电流也不高 可通过短腔（510m）实现单纵模工作 高温度稳定性，
14、200Mb/s速率以下应用，可不需 要APC 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 易集成，低价格，高产量光 纤 通 信 系统第2讲342、量子阱激光器结构特点：有源区非常薄量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种 窄带隙有源层夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠 生长，有源层厚度小至德布罗意波长量级的新型半导 体激光二极管。性能特点： 阈值电流低,输出功率高谱线宽度窄，频率啁啾改善调制速率高光 纤 通 信 系统第2讲35光 纤 通 信 系统第2讲363 3、DFBDFB激光器激光器原理：原理：通过周期性的波纹结构提供的光耦合来建立通过周期性的波纹结构提供的光耦合
15、来建立光振荡，即布喇格反射原理光振荡，即布喇格反射原理光 纤 通 信 系统第2讲37布拉格反射条件：n(D + B) = mnD(1 + sin) = m 2 nD= m m=1,2,3,布拉格反射原理光 纤 通 信 系统第2讲38光 纤 通 信 系统第2讲39DFBDFB激光器的优点激光器的优点v 单纵模振荡v 线性度好v 线宽窄：布拉格反射可比作多级调谐，使谐振波长的 选择性大为提高。v 稳定性好：因为光栅有助于锁定在给定的波长上，使 其温度漂移很小。v 动态谱特性好：高速调制下也保持单模振荡，虽然动 态谱宽度要比静态谱宽展宽，但较F-P腔LD展宽小得多 。光 纤 通 信 系统第2讲40光 纤 通 信 系统第
