第三章通信用光器件

章节名称：第三章通信用光器件3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理（2学时100分钟）一、教学目的及要求：1、光源的概念及其在光纤通信系统中作用；2、了解系统对光源的要求。3、理解光与物质相互作用的三个物理过程。4、掌握激光器的发光机理。二、教学重点及难点：重点：系统对光源的要求、光与物质相互作用的三个物理过程、半导体激光器基本结构。难点：激光器的发光机理。三、教学手段：板书与多媒体课件演示相结合。四、教学方法：课堂讲解、演示、提问。五、作业：3-1，3-2，3-3。六、参考资料：《光纤通信》杨祥林第三章《光纤通信》刘增基第三章。《光纤通信》GerdKeiser著，李玉权等译第三章七、教学内容与教学设计：教学内容教学设计备注第3章通信用光器件3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理开场白明确本节课要学习的内容。5分钟第3章通信用光器件通信用光器件可以分为两种类型：有源器件和无源器件。有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些讲解板书动画演示45分钟器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、光合波器和光分波器、光滤波器和隔离器等。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号电流转换为光信号功率。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)和发光二极管或称发光管(LED)。对光源性能的基本要求1光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗口，其中心波长分别为0.85m（850nm）、1.31m(1310nm)和1.55m(1550nm)。因此，光源的发光波长应与三个低损耗窗口相符。2足够的光输出功率在室温下长时间连续工作的光源，必须按光通信系统设计的要求，能提供足够的光输出功率。目前激光二极管能提供500微瓦（W）到10毫瓦（mW）的输出光功率；发光二极管可提供10微瓦（W）到1毫瓦（mW）的输出光功率。3可靠性高、寿命长现在的激光二极管可靠性比较高，寿命长。激光二讲解板书课件演示动画演示极管寿命510小时，发光二极管寿命710小时。4温度稳定性好器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好。5光谱宽度要窄光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。LD线宽2nm，LED线宽在100nm左右。6调制特性好允许的调制速率要高或响应速度要快，以满足系统的大传输容量的要求。7与光纤之间的耦合效率高光源发出的光最终要耦合进光纤才能进行传输，因此希望光源与光纤之间有较高的耦合效率，使入纤功率大，中继间距加大。目前一般激光的耦合效率为20%～30%，较高水平的耦合效率可超过50%。8体积小，重量轻要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。激光器的工作物质可以是气体、液体、固体。也可以是半导体。由于半导体激光器调制方便、体积小、便于与光纤耦合，是光纤通信最为合适得光源。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讲解板书课件演示动画演示布反馈激光器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。3.1.1半导体激光器工作原理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LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(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。一几个基本概念1光子1905年爱因斯坦提出光量子学说。他认为光是光速运动的粒子流，这些粒子称为光子。光子具有一定的频率f和能量E，这就是光的波粒二象性。描述光粒子特征的物理量是能量E；描述光波动特征的物理量是频率f。频率为f的光子具有的能量为：hfEsJ10628.634h（焦耳·秒），为普朗克常数。2原子能级硅原子的能级图如图所示，同一层表示电子的能量相同，电子离原子核平均距离相同。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级1E称为基态；能量比基态大的中间能级iE(i=2,3)称为亚稳态，在亚稳态上粒子的平均寿命时间为10ms；能量较高的能级4E称讲解板书课件演示动画演示为激发态，在激发态上粒子的平均寿命时间为1s。3光和物质相互作用有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理论提出，光与物质的相互作用时，将发生(1)受激吸收、(2)自发辐射、(3)受激辐射三种基本物理过程。图能级和电子跃迁（a）受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射(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，这种讲解板书课件演示动画演示跃迁称为受激吸收。受激吸收将使外界光能减少。见图演示。(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，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图演示。(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，释放的能量产生光辐射，这个过程是在外界条件刺激下产生的，因而称为受激辐射。受激辐射产生的光子与入射光子叠加，使光得到放大，因而受激辐射是产生激光的最重要的过程。见图演示。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玻尔条件，即E2－E1＝hf12式中，h=6.628×10-34J·s（焦耳·秒），为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。4相干光和非相干光（1）相干光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。（2）非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，相位和偏讲解板书课件演示动画演示振态是混乱的，这种光称为非相干光。5粒子数反转分布（1）吸收物质设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的粒子数分别为N1和N2。在热平衡状态下，存在下面的分布kTEENN1212exp式中，2310381.1kJ/K（焦耳/开），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，我们把这种N1N2分布称为粒子数正常分布。在热平衡状态下，N1N2，受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光波总是被吸收，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。(2)激活物质如果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，所以称为粒子数反转分布。问题是如何实现粒子数反转分布的状态呢?讲解板书课件演示动画演示50分钟（1）要在能级间实现粒子数反转分布，物质系统中必须存在3个能级或3个以上的能级。理论证明，在二能级的物质系统中，能级间不可能形成粒子数反转分布的状态，见图演示。（2）在半导体光源器件中，通常是利用外加适当的正向电压来实现粒子数反转分布的状态的。二PN结的能带和电子分布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。内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，原子间的影响强，分成的能带比较宽。见图演示。电子填充能带时，将从最低能带开始向上依次填充各个能带的能级。三P型半导体和N型半导体的能带1接触前P、N半导体的能带图主要由空穴导电的半导体称为P型半导体。当重掺杂时，费米能级fE会进入价带，称为简并型P型半导体，如图所示；主要由电子导电的半导体称为N型半导体。当重掺杂时，费米能级fE会进入导带，称为简并型N型半导体，如图所示。讲解板书课件演示动画演示2接触后PN结半导体的能带图当P型半导体N型半导体结合时形成PN结后，由于载流子向对方互相扩散的结果，使N区的费米能级降低，P区的费米能级升高，达到热平衡时，形成了统一的费米能级。由于内建电场的作用，形成了能量为的eVD势垒，阻止了载流子的进一步扩散，因此在热平衡状态下，高能级上电子数少，低能级上电子数多，未能形成粒子数反转分布。如图所示。3外加正向偏压下PN结半导体的能带图。讲解板书课件演示动画演示当PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正好和内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，破坏了热平衡时统一的费米能级，在P区和N区各自形成了准费米能级。这时，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能级以上没有电子，因此，形成了粒子数反转分布，成为激活区，称为半导体激光器的作用区或有源区。外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN结为激活区）。在激活区，电子空穴对复合发射出光，见图演示。四激光振荡和光学谐振腔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。激光器是由反射率为100%（11R）的全反射镜讲解板书课件演示动画演示与反射率为90%~95%（12R）的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。并被称为法布里-珀罗(FabryPerot，FP)谐振腔，见图演示。谐振腔中的工作物质在泵浦源的作用下，处在粒子数反转分布状态，自发辐射产生的光子由于受激辐射不断放大，产生的光子在谐振腔中经过反射镜多次反射，在谐振腔中沿非轴线方向的光子很快逸出了腔外，而沿轴线方向的光子往复传输，不断被放大，且方向性、增益不断改善，最后从反射镜输出即为激光。五PNPN结半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天然解里面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。见图演示外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN结为激活区）。在激活区，电子空穴对复合发射出光。初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素，使之产生受激辐射而发射全同光子。这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光。即PN结半导体激光器产生激光输出的工作原理。讲解板书课件演示动画演示讲解板书课件演示动画演示章节名称：第3章3.1光源3.1.2半导体激光器的主要特性（2学时100分钟）一、教学目的及要求：2、掌握半导体激光器的基本结构与工作原理；2、掌握LD的P-I特性、光谱特性、方向特性、温度特性及调制特性的特点。二、教学重点及难点：重点：半导体激光器的工作特性参数定义及计算、LD的P-I特性、光谱特性、方向特性、温度特性及调制特性的特点。难点：LD的工作性能特点。三、教学手段：板书与多媒体课件演示相结合。四、教学方法：课堂讲解、演示、提问。五、作业：3-5，3-6，3-7。六、参考资料：《光纤通信》杨祥林第三章《光纤通信》刘增基第三章。《光纤通信》GerdKeiser著，李玉权等译第三章七、教学内容与教学设计：教学内容教学设计备注第3章通信用光器件3.2光源3.1.2半导体激光器的主要特性开场白明确本节课要学习的内容。5分钟3.1.2半导体激光器的主要特性一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的能量，这个能量近似等于禁带宽度讲解板书动画演示45分钟gE（eV电子伏特）。由公式gEEEhf12sJ10628.634h（焦耳·秒），为普朗克常数，cf、分别为发射光的频率和波长，m/s1038c为光速，J106.1119