第4章 光源和光发射机

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1、第四章 光源和光发射机4.1 概述 4.2 发光机理 4.3 器件结构 4.4 半导体激光器的特性 4.5 光发射机14.1 概述 在光纤通信中，将电信号转变为光信号 是由光发射机来完成的。 光发射机的关键器件是光源： LED LD2光纤通信对光源的要求 光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内; 有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继 段距离的要求; 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高; 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源 和光纤的耦合效率； 易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信 号的传输; 强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比; 光强对驱

2、动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调 制信道。3最常用的光源 光纤通信中最常用的光源是: 半导体激光器（LD） 发光二极管（LED） 尤其是单纵模（或单频）LD，在高速率、 大容量的数字光纤系统中得到广泛应用； 近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信 道WDM光纤通信系统的关键器件，越来越 受到人们的关注。4常用的调制方法 直接调制 注入调制电流实现光波强度调制 外调制 通过外腔调制器对光的强度、相位或频 率进行调制5模 拟 信 号 对 LD 直 接 调 制6直接调制光发射机7光外腔调制发射机框图8外调制示意图94.2.1 发光机理 我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分热 激励能转变成

3、光能，发出宽度为1 000 nm 以上 的白色连续光谱。 发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间 的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。 在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能 带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能 带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量） 以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上 由能带差所决定。10在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带； 如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上， 就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出； 这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。图4.2.1 半导体发光原理11图4.2.2 光的自发辐射、 受激

4、发射和吸收12自发辐射 -LED 工作原理 如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子 中占据低能带的电子被激励到高能带后； 当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出 一个光子，其能量为 hv。 电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的 器件叫 LED。13自发辐射-LED工作原理 当电子返回低能级时，它们各自独立地分 别发射一个一个的光子。因此，这些光波 可以有不同的相位和不同的偏振方向，它 们可以向各自方向传播。 同时，高能带上的电子可能处于不同的能 级，它们自发辐射到低能带的不同能级上 ，因而使发射光子的能量有一定的差别， 使这些光波的波长并不完全一样。 因此，自发辐射的光是一种非

5、相干光。14光接收器件 原理 如果把光照射到占据低能带的电子上； 则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到 较高的能带上。 在半导体结上外加电场后（反向电压）， 可以在外电路上取出处于高能带上的电子 ，使光能转变为电流。 这就是将在第五章中叙述的光接收器件。15受激发射和受激吸收 受激发射-能量等于导带和价带能级差的 光所激发而发出与之同频率、同相位的光 ； 受激吸收-当晶体中有光场存在时，处在 低能带某能级上的电子在入射光场的作用 下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级 上。在这个过程中能量保持守恒。 受激吸收的概率与受激发射的概率相同。16 当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发 射过程同时发

6、生，哪个过程是主要的，取决于 电子密度在两个能带上的分布。 若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度 ，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要 的。 激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时 ，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地 由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器 中初始的光场。 在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程 同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相 同。17LD发射激光的 首要条件-粒子数反转18另一个条件是半导体激光器 中必须存在光学谐振腔，并 在谐振腔里建立起稳定的振 荡。 有源区里实现了粒子数反转 后，受激发射占据了主导地 位，但是，激光器初始的光 场来源于导带和

7、价带的自发 辐射，频谱较宽，方向也杂 乱无章。 为了得到单色性和方向性好 的激光输出，必须构成光学 谐振腔。LD 发射激光的 第二个条件-光学谐振腔19Fabry(18671945) Perot(18631925) 法国物理学家20法布里-珀罗（Fabry- Perot）光学谐振器 镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内 能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗 （Fabry-Perot）光学谐振器。 它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振 腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡 ，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增 益就是激光器的阈值增益，达到该增益所要求的 注入电流称作

8、阈值电流。 21光在谐振腔里建立稳定振荡的条件与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立 起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。 相位条件-使谐振腔内的前向和后向光波发 生相干； 阈值条件-使腔内获得的光功率正好与腔内 损耗相抵消。 只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等， 并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时 ，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的 相干光束。22L D 的 工 作 原 理23图4.2.6 光在法布里珀罗(F-P) 谐振腔中的干涉244.2.2 激光器起振的相位条件 -使谐振腔内的前向和后向光波发生干涉25多纵模 ( 多频 ) 激光器 -谐振腔长度 L 比波长大

9、很多264.2.3 激光器起振的阈值条件受激发射使 腔体得到的 增益 = 腔体 损耗27图4.2.7 F-P光腔谐振器28衰减倍数与 放大倍数 必须相等29半导体激光器的增益频谱 g() 相当宽（约10 THz），在 F-P 谐振腔内 同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。 在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主 模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主模一 起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激光器 。图4.2.8 激光器增益谱和损耗曲线 阈值增益为两曲线相交时的增益值30图4.2.9 激光器 起振阈 值条件 的简化 描述

10、31例题4.2.1 激光器光腔越长，模式越多32小 结 -光在谐振腔里建立稳定振荡的条件 在半导体激光器里，由两个起反射镜作用 的晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔， 它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。 当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔 体损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的 前向和后向光波发生相干时（相干条件） ，就保持振荡，形成等相面和腔体端面平 行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面， 输出谱线很窄的相干光束。334.3 器件结构 异质结半导体激光器 量子限制激光器 分布反馈激光器 (DFB) 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)34图4.3.1 LED 和几种 LD 的结构 35 同质结

11、构只有一个简单P-N结 ，且 P 区和 N 区都是同一物 质的半导体激光器。 该激光器阈值电流密度太大 ，工作时发热非常严重，只 能在低温环境、脉冲状态下 工作。 为了提高激光器的功率和效 率，降低同质结激光器的阈 值电流，人们研究出了异质 结的半导体激光器。同 质 结 构 LD364.3.1 异质结 半导体 激光器为了提高 LD 的功率和效率，降低同质结 LD 的阈值电流，人们研究出了 异质结 LD 所谓“异质结”，就是由两种不同材料（例如 GaAs 和 GaAlAs ）构成的P-N 结。在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的 介质材料包围。 这种结构形成了一个像光纤波

12、导的折射率分布，限制了光波向外围的泄漏 ，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。 为进一步降低阈值电流，提高发光效率，提高与光纤的耦合效率，常常使 有源区尺寸尽量减小，通常w =10 m，d = 0.2m, L=100 400 m 37图4.3.2 同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较384.3.2 量子限制激光器 除双异质结 LD 对载流子进行限制外， 还有另外一种完全不同的对载流子限制的 方式。这就是对电子或空穴允许占据能量 状态的限制，这种激光器叫做量子限制激 光器。 它具有阈值低，线宽窄，微分增益高，以 及对温度不敏感，调制速度快和增益曲线 容易控制等许多优点

13、。39量子阱器件很薄的GaAs有源层夹在两层很宽的AlGaAs半导体材料中，所 以它是一种异质结器件。在这种激光器中，有源层的厚度 d 很薄，导带中 的禁带势能把电子封闭在 x 方向上的一维势能阱内，但是在 y 和 z 方向是 自由的。这种封闭呈现量子效应，导致能带量化分成离散值。 这种状态密度的变化，改变了自发辐射和受激发射的速率。量子阱半导体 激光器有源层厚度仅是10nm，约为异质结器件的1/10，所以注入电流的微 小变化就可以引起输出激光的大幅度变化。图4.3.3 量子阱(QW) LD40图4.3.4 量子阱 LD 示意图414.3.3 分布反馈激光器(DFB) DFB激光器是单纵模(S

14、LM) LD，即频谱特性只有一个纵 模（谱线）的 LD。 SLM LD与法布里-珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模 式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。 这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波 长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条 件的光波才能建立起振荡。 图4.3.5表示这种激光器的增益和损耗曲线。由图可见， 增益曲线首先和模式具有最小损耗的曲线接触的模开始 起振，并且变成主模。其它相邻模式由于其损耗较大， 不能达到阈值，因而也不会从自发辐射中建立起振荡。42 SLM LD与法布里-珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗 与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗图4

15、.3.5 单纵模 DFB 半导体激光器 增益和损耗曲线43DFB LD的分类 分布反馈激光器 DFB: Distributed Feed Back 分布布拉格反射激光器 DBR: Distributed Bragg Reflector 44DFB LD的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有 不同的损耗。 这是通过改进结构设计，使DFB LD 内部具有一个对波长 有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的 光波才能建立起振荡。图4.3.7 DFB LD结构及其原理45布拉格 Bragg（18901971） 澳大利亚出 生的英国物 理学家，25 岁时发明了 有名的布拉 格方程，获 得了

16、诺贝尔 奖46图4.3.6 DBR LD 结构及其原理DBR激光器除有源区外，还在紧靠其右側增加了一段分布式布拉格 反射器，它起着衍射光栅的作用。 DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于两倍 光栅间距 时，反射波才相互加强，发生相长干涉。例如当部分反 射波 A 和 B 具有路程差 2 时，它们才发生相长干涉。47普通LD48LD 外形图49LD+电吸收调制器+隔离器结构504.3.4 垂直腔表面发射激光器 垂直腔表面发射激光器（VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser） 顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直 ，而不是像普通激光器那样，与腔体平 行。这种激光器