光纤通信3-光源与光发射机

光源与光发射机第三章主要内容激光器原理半导体激光器(LD)LD的特性分布反馈半导体激光器DFB发光二极管LED光发射机线路编码光纤通信系统对光源的要求：1、光源发光的峰值波长应当与光纤的低损耗窗口一致。2、光源的输出功率应当足够大。（10uw~几mw）3、光源应当有高度的可靠性。（10万小时以上）4、光源的谱线不能太宽。5、光源应利于调制。6、电光转换效率应当高。7、光源体积小重量轻功耗小。常用光源半导体激光器（LD）双异质结激光器（DH-LD）分布反馈式激光器（DFB-LD）量子阱激光器（QW-LD）发光二极管（LED）面发光二极管边发光二极管（三）LD和LED的比较LDLED工作波长1.31um,1.55um0.8~1.6um输出功率5~10mw1mw入纤损耗3~5dB10~20dB谱线宽度多纵模6nm，单纵模0.1nm60-80nm调制带宽1GHz300MHz寿命10万小时100万小时用途长距离大容量短距离§3.1激光器原理简介2、原子的能级E原子的能级1、光子hfEsJh3410626.6普朗克常数hc1E2E3E电子在能级的概率kTEeEf/11)(KJk/1038.123玻尔兹曼常数fE一、光与物质的作用3、光与物质的三种作用形式光与物质的转变存在三种不同的形式：自发辐射受激吸收受激辐射（1）、自发辐射处于原子高能级的电子是不稳定的，它将自发的向低能级跃迁，发射出一定能量的光子。E电子光子光子的能量满足特点：各个能级上的电子都是自发的、独立的进行跃迁，辐射的光子的频率或相位、方向不同，是非相干光。E2E112EEhf自然光（2）、受激吸收在入射光子的激励下，原子低能级上的电子吸收光子的能量从低能级跃迁到高能级。E电子光子特点：这个过程不是自发的，必须有外来的光子的激励。E2E112EEhf（3）、受激辐射在入射光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级，同时发出一个能量为的光子。E电子光子光子特点：（1）受激辐射必须在外来光子的能量等于跃迁时的能级差时发生，（2）产生的光子与原光子的频率、相位、偏振方向相同，称为全同光子，将使光的能量放大。光子E2E1受激辐射是激光器发光的主要原因(LASER-LightAmplificationbyStimulateEmissionofRadiation)12EEhf受激辐射可能产生光放大二、光放大的条件在热平衡时1//)(1212kThfkTEEeeNN单位时间受激辐射的电子数+自发辐射的电子数=受激吸收的电子数122'NBANBN1)/'(//kThfeBBBA1/8/33kThfechfBB'122BNANBN12BNBN受激辐射的电子数〈受激吸收的电子数A自发辐射系数B'B受激辐射系数受激吸收系数自发辐射入射光出射光2E1E1N2N入射光自发辐射受激吸收受激辐射2AN2BN1'NB光谱密度出射的光子数入射的光子数正常分布受激吸收受激辐射受激辐射的电子数受激吸收的电子数光放大：12NN12BNBN粒子数反转非热平衡状态有光放大能力激活物质、增益物质光放大器=工作物质+泵浦源工作物质被泵浦源激活后具有光放大作用，就是光放大器2E1E1N2N入射光受激吸收受激辐射工作物质外在激励泵浦源粒子数反转出射的受激辐射光子数入射光子数光放大的条件：三、激光器组成正反馈谐振回路光学谐振腔光学谐振腔组成：两个反射率为R1，R2的反射镜作用：能量反馈，方向选择，频率选择。激光器=光放大器+正反馈谐振回路Fabry-Perot电子震荡器工作物质泵浦激励光放大器激光器就是一个内部具有光发大器的光子发生器光子振荡器=放大器+正反馈回路——法布里－珀罗（F-P）谐振腔光方向选择：R1R2与中轴平行的光线不断在同一直线上反射，反射光叠加，强度加强R1R2与中轴不平行的光多次反射后离开谐振腔结论：只有与中轴平行的光才存在，否则将在多次反射后消失工作物质辐射的光的波长有一定谱线宽度光频率的选择：λG当反射光与入射光的相位相等或相差2π的整数倍时，发生相强的干涉，光的能量加强。干涉加强干涉减弱相位条件：结论：只有满足相位条件的波长的光才会被加强，否则会被减弱。nmmL02LL不满足相位条件时，则发生相消干涉，光的能量渐渐减弱。激光产生的条件：谐振腔的衰减：工作物质的吸收，反射镜的吸收和透射等。谐振腔的增益：工作物质粒子数反转分布后受激辐射光放大的增益。结论：只有满足以上条件时，才有功率稳定的光存在同相激励的相位条件：振荡器起震的幅度条件：nmL/20增益损耗外在激励粒子数反转分布自发辐射方向选择受激辐射反射反馈阈值条件相位条件方向性好、功率稳定、频率窄的激光激光的产生过程§3.2半导体激光器原理SemiconductorLaserLaserDiode激光二极管LD1、半导体能级半导体是由大量原子周期有序的排列构成的共价晶体，相邻原子原子之间的相互作用使得电子在整个半导体中进行共有化运动，所处的离散能态扩展成连续分布的能带。半导体电子的能带LD是激光器的一种，主要分析工作物质、粒子数反转及反馈回路LD的工作物质是半导体材料形成的PN结化学键电子所处的能带叫价带比价带高的能带叫导带能带之间不允许电子的存在，称为禁带价带（EV）导带（EC）禁带（Eg）2、直接带隙和间接带隙直接带隙间接带隙半导体材料的带隙是动量k的函数，依照带隙的形状，可以将半导体分为直接带隙材料和间接带隙材料两类。一个电子和一个空穴复合，随后辐射一个光子，在最简单和最有可能发生的复合过程中，电子和空穴具有相同的动量导带最小能级和价带最大能级有不同的动量，所以此时导带与价带之间的复合必须要有另外的粒子参与以保持动量守恒，声子就能完成这样的功能x＝0.08的典型Ga1－xAlxAs光谱图工作在800-900-nm光源：使用的主要的材料是（镓铝砷）（砷化铝与砷化镓的混合材料）1-xxGaAlAs1-xxGaAlAs=x(AlAs)+(1-x)GaAS工作在光源，使用的材料主要是（铟镓砷磷）1.0~1.7m11xxyyInGaAsP,xy1.0~1.7m3、光源材料砷化铝与砷化镓的比率x决定了合金的带隙，相应地也就决定了其辐射光的峰值波长。通过改变有源区材料的的摩尔比率，可构造出峰值发光波长在之间4、本征材料费米能级费米能级：fEfE是一个假象能级，电子处在该能级上的概率是1/2本征半导体的电子和空穴是成对出现本征材料：没有缺陷和未掺杂的理想半导体材料位于禁带中央。fEfEE电子在的能级上的概率小于1/2fEE电子在的能级上的概率大于1/2通过向晶体中掺微量的Ⅴ族元素,如掺杂的元素原子核的外层有五个电子，其中四个电子用来与相邻的原子形成共价键，余下一个电子受到的束缚很弱，可以用来传导电流，使导带的电子增加。PAsSb、、5、n型材料的费米能级fE导带价带n型材料的导带中电子数增加，电子位于导带的概率增加。掺杂浓度越高，电子位于导带的概率越大，使费米能级抬高可以使得晶体的导电性能大为增加。6、p型材料的费米能级通过向晶体中掺微量的Ⅲ族元素，也可以使得晶体的导电性能增加，这些用来掺杂的元素在原子核的外层有三个电子，这三个电子与相邻的原子形成共价键，同时会产生一个与施主电子电量相等的空穴，这样就在价带上方产生一个非占用能级（受主能级）。fE导带价带p型材料的价带中空穴数增加，电子位于价带的概率减少。掺杂浓度越高，电子位于价带的概率越小，使费米能级降低7、pn结当p型材料和n型材料接触时，两种材料的电荷区相接触，就会形成pn结，它决定了半导体器件的电特性。当pn结形成后，在pn结上就形成一个内建电场（或势垒）由于电子和空穴都形成共价键结构，所以结区就不再有移动的载流子，称这个区域称为耗尽区（或空间电荷区）.空间电荷区2N1Npn结pn结电子分布12NN8、PN结正向偏置电流流过PN结，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。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，有电流流过PN结，使导带电子密度增加。电流越大，导带的电子密度越大。形成光放大器PN解理面解理面解理面解理面L9、谐振腔反射面利用晶体解理面构成反射面thII当激光器阈值电流很大时，器件发热，使寿命很短。如何使激光器阈值电流减少，使寿命长？采用异质结结构10、阈值电流LD要输出激光必须要满足以下条件：（1）粒子数反转；（2）增益大于损耗。只有电流大于一定值时才能满足以上条件。即LD存在一阈值电流thI才有激光产生。GaAspGaAsnAlGaAsnAlGaAspGaAspPNNP同质结异质结载流子限制11、异质结LDGaAspGaAsn同质结结构GaAlAspGaAlAspGaAsn单异质结结构双异质结结构GaAlAspGaAspGaAlAsnGaAsn(1)同质结与异质结PN结是否为同一种材料（2）异质结的特点载流子限制与光波限制限制载流子在有源区，在电流不大时就容易达到粒子数反转AlGaAsnAlGaAspGaAspNP异质结折射率分布光波限制光功率分布采用异质结，由于载流子限制和光波限制，再配合别的工艺，使LD的阈值电流从几百mA下降到mA。使LD可以长时连续工作。限制光波在有源区使有源光密度增加从而使光增益增加§3.3半导体激光器（LD)特性1、输出光功率与激光器驱动电流之间关系外量子效应IehPext注入的电子数输出的光子数exteIhfP//阈值电流)(thextIIehPthIIthIIPI自发辐射光激光PIthI2、激光二极管的模式在半导体激光器的谐振腔内，在横向有不同的场分布称为横模在纵向有不同的场分布称为纵模谐振腔中纵向模式。激光二极管谐振腔中的的横模与纵模横模：由激光器谐振腔横向结构决定纵模：由激光器谐振腔纵向长度决定不同的纵模对应不同的谐振频率3、光谱特性LD输出光功率和波长的关系（1）半导体材料的自发辐射发光特性（2）激光器增益和波长的关系（3）谐振腔的选频特性PGP有很多纵模多纵模激光器nm7~2考虑激光器相位关系在多模激光器中纵模的频率的间隔为：nmL2多纵模激光器的纵模间隔fcnmnLcmf2,3,2,1mnLcfffmm21fcnLffc222nL22例：有一GaAs，激光器工作波长为850nm,激光器腔长500μm，材料折射率n＝3.7,频率和波长的间隔各为多少？2921048.5101.953()0.2()225103.7mnmLn解：nm8507.3nmL500nLcf2)(101.810Hz4、温度特性其中是激光器对温度敏感程度的度量的特性温度；是一个常数。0T（1）温度对阈值电流的影响0/0TTtheII0I（2）温度对量子效率的影响TP（3）温度输出光谱的影响温度升高，光谱变宽)(thextIIehP电光延迟、张弛振荡、自脉动、啁啾（1）电光延迟激光器的输出光信号滞后于电信号td原因：有源区的电子密度必须增加到一定的阈值才会有光出来。5、瞬态特性电信号光信号电信号光信号LD（2）张弛振荡当电脉冲注入激光器后，输出光脉冲有一个幅度逐渐衰减的振荡。影响：当调制速度接近张弛振荡的频率时，容易产生误判，影响了调制的速度。原因：光子激发与电子注入的时间延迟。通过增加偏置电流可以改善电光延迟和张弛振荡引起的码型效应。电光延迟和张弛振荡在光通信中会引起码型效应。码型效应：输出的光信号中“1”码的波形和码型有关，在检测时容易引起误码（3）自脉动现象有些激光器在脉冲调制下或直流驱动下，当注入电流足够大时，输出的光脉冲出现持续等幅的高频振荡。（4）啁啾（Chirp