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 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); 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().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SLED，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