第4章光源和光发射机

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4.1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：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;光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器(LD，LaserDiode)和发光二极管(LED，LightemittingDiode)；尤其是单纵模半导体激光器在高速率、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，越来越受人们的关注。信号输入复用编码调制光源耦合器控制光纤输出光信号编码光纤驱动复用电信号输入外调制器光源光隔离器控制输出光信号直接调制光发射机框图a（）外腔调制光发射机框图b（）信号输入复用编码调制光源耦合器控制光纤输出光信号编码光纤驱动复用电信号输入外调制器光源光隔离器控制输出光信号直接调制光发射机框图a（）外腔调制光发射机框图b（）4.2发光机理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。EcEvEg能量E空穴电子导带费米能级价带费米能级光子eVhvEFnEFp状态密度vcgEEEhvEvchcEE12398.（m）EcEvEg能量E空穴电子导带费米能级价带费米能级光子eVhvEFnEFp状态密度vcgEEEhvEvchcEE12398.（m）半导体材料的种类繁多，几乎全部覆盖从可见光到红外光区的整个波长；光通信用的主要材料是砷化镓（GaAs），并掺以与之相邻的元素，如铝、铟、磷、锑，改变其本征值，从而改变其发光光波长；在InGaAsP材料中，最长的发光波长是InP的1.7um，通过掺镓和砷，发光波长可以达到1um左右。EcEvEg能量E空穴电子导带费米能级价带费米能级光子eVhvEFnEFp状态密度vcgEEEhvEvchcEE12398.（m）光的自发辐射EcEvhh光的受激发射EchEvh输入输出(a)发光二极管—光的自发辐射(b)激光器—光的受激发射Ec吸收光子后产生电子Ev光子h输入(输出电流)(c)光探测器件—光的吸收光的自发辐射EcEvhh光的受激发射EchEvh输入输出(a)发光二极管—光的自发辐射(b)激光器—光的受激发射Ec吸收光子后产生电子Ev光子h输入(输出电流)(c)光探测器件—光的吸收光的自发辐射EcEvhh光的受激发射EchEvh输入输出(a)发光二极管—光的自发辐射(b)激光器—光的受激发射Ec吸收光子后产生电子Ev光子h输入(输出电流)(c)光探测器件—光的吸收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。PN有源区hν若注入电流增加到一定值后，使vcNN，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的P-N结区成为对光场有放大作用的区域(称为有源区)，从而形成激光发射。半导体材料在通常状态下，总是vcNN，因此称vcNN的状态为粒子数反转。使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器发射激光的首要条件。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几个输出，必须构成光学谐振腔。在半导体激光器中，用晶体的天然解理面（CleavedFacets）构成法布里－珀罗谐振腔。有源区电流注入型型光hv光hv解理面(a)半导体激光器L1234R1增益介质R2光的驻波折射率反射镜反射镜(b)纵模驻波2nnPNmm-m+(c)纵模共振光谱增益差11光增益o(a)腔内允许产生的模式mm()/2=L(b)mn相对光强m(a)+(b)=(c)(c)半导体激光器的输出光谱光增益与波长的关系mm解理面=0Z=xZ有源区电流注入型型光hv光hv解理面(a)半导体激光器L1234R1增益介质R2光的驻波折射率反射镜反射镜(b)纵模驻波2nnPNmm-m+(c)纵模共振光谱增益差11光增益o(a)腔内允许产生的模式mm()/2=L(b)mn相对光强m(a)+(b)=(c)(c)半导体激光器的输出光谱光增益与波长的关系mm解理面=0Z=xZ4.3器件结构4.3.1异质结半导体激光器什么是异质结？同质结：由两种禁带宽度相同的半导体材料，通过一定的生长方法所形成的结。辐射复合发生在P区的一个电子扩散长度内的电子和N区一个空穴扩散长度内的空穴之间－－－有源区；1、同质结半导体激光器1、要在如此“厚”的有源区内积累到阈值所需的非平衡载流子浓度，其阈值电流密度需达到104A/cm2。2、辐射复合产生的光子或光场会向有源区两边渗透，减少输出的光功率。问题2－－光子逸出损耗NPhν有源区问题1－－阈值高如何解决这两个问题呢？将注入有源区的载流子限制在很小的区域内，以提高注入载流子浓度；有效途径－－异质结将辐射复合产生的光子限制在有源区内。问题1：有源层太“厚”，载流子浓度低，阈值高问题2：有源层中光子向两边渗透，形成损耗2、异质结(Heterojunction)定义：由两种禁带宽度不同的半导体材料，通过一定的生长方法所形成的结。窄带隙的p-GaAs和宽带隙的N-AlxGa1-xAsp-GaAsN-AlxGa1-xAs双异质结（DoubleHeterojunction）如窄带隙的p-GaAs、宽带隙的N-AlGaAs和P-AlGaAsN-GaAlAsp-GaAsP-GaAlAs同型异质结异型异质结3、异质结在半导体激光器中的作用N（1）异型异质结有利于电子向p区（有源区）注入；正向偏置N-GaAlAsp-GaAsP-GaAlAs导带上的势垒以阻挡注入p区（有源区）的电子漏出；Nhν价带上的势垒也阻碍空穴由p区（有源区）向N区注入。（2）异质结能阻碍注入有源区载流子的漏出；（3）光波导（waveguide）结构，限制光子从有源区逸出。N-GaAlAsp-GaAsP-GaAlAs有利于载流子向有源区的注入；阻碍注入有源区的载流子的漏出；光波导效应限制光子的逸出。4.3.2量子限制激光器AlGaAsAlGaAsGaAsDyDzdEEn=2n=1EEE321Eg1Eg2EcEvg()Ed量子阱状态密度xyz普通LD有源区很薄（典型值约10nm），以至于导带中的禁带势能把电子封闭在x方向上的一维势阱内，但在y和z方向是自由的。这种封闭呈现量子效应，导致能带分化成离散值E1、E2、E3….，它们分别对应的量子数1，2，3…..，价带中的空穴也有类似的特性。量子限制激光器具有阈值低，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。AlGaAsAlGaAsGaAsDyDzdEEn=2n=1EEE321Eg1Eg2EcEvg()Ed量子阱状态密度xyz普通LD此时的状态密度为类阶梯的结构，不再像普通LD那样的抛物线式地连续变化。这种状态密度的变化改变了自发辐射和受激辐射的速率，其微分增益通常比标准设计的激光器大两倍。能量状态密度能量状态密度量子阱xzy势垒层E3E2E1InPInGaAs量子阱InGaAsP有源层EcEvE隔离层多量子阱激光器采用厚度d为5－10nm的多个薄层结构的有源区可以改进单量子阱器件性能。这种激光器就是多量子阱（MQW，Multiquantum－Well）激光器。多量子阱激光器调制性能更好、线宽更窄和效率更高。np普通型np多量子阱npnp多量子线多量子点能量状态密度能量(a)(b)能量状态密度能量状态密度(c)(d)状态密度双异质结LD多量子阱(MQW)LD量子线(QWi)LD量子点(QD)LD4.3.3分布反馈激光器（DFBLD）工作在光纤最小损耗窗口的第三代光纤通信系统需要采用单纵模（SLM，SingleLongitudinalMode）半导体激光器；SLMLD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。发射主模纵模频率gth增益g()损耗B增益DFB普通LD单纵模激光器可以分成两类：分布反馈（DFB,DistributedFeedBack）激光器和耦合腔激光器；利用分布反馈（DFB）原理制作的半导体激光器可以分为两类：分布反馈激光器DFB:DistributedFeedBack分布布拉格反射激光器DBR:DistributedBraggReflectorPN有源区激话区波纹电介质光栅分布式布拉格反射器光输出入射光反射光ABmnB2（a）DBR激光器的结构(b)部分反射波A和B具有路程差2时才发生相长干涉1、DBRLD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（布拉格波长）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。在DFB激光器中，除有源区外，在其上并紧靠着它增加了一层导波区，该区是纹波状的电介质光栅，它的作用是对从有源区辐射进入该区的光波产生部分反射。2、DBRLD结构及其原理PN光栅波导区有源区光输出B(nm)0.1nm光功率L衍射光栅有源层N层P层输出光光栅有源层ba∧(a)(b)由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果光线a和b匹配，相互重叠，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。虽然每个纹波峰反射的光不大，但整个光栅有成千上万个纹波峰，反馈光的总量足以产生几个振荡。)1(22mnLBBmDFB激光器的模式不正好是布拉格波长，而是对称的位于布拉格波长λB两侧，即PN光栅波导区有源区光输出B(nm)0.1nm光功率光功率L完全对称的器件应该具有两个与λB等距离的模式，但是在实际制造过程中，或者有意使其不对称，只产生一个模式。因为LΛ，所以发射光的波长非常靠近λBPN光栅波导区有源区光输出B(nm)0.1nm光功率光功率LPN光栅波导区有源区光输出B(nm)0.1nm光功率光功率L4.3.4波长可调谐半导体激光器耦合腔半导体激光器可以实现单纵模工作，这是靠把光耦合到一个外腔实现的。边模主模频率gth增益g()损耗曲线增益曲线外部腔体反射镜反射镜激光器腔体激光器腔体反射率RPN有源区I1I2有源区光输出LDLDL+D在段在段在段腔模1m这是一种单片集成的耦合腔激光器，称做C3（切开的耦合腔，CleavedCoupledCavity）激光器。C3激光器可以实现单纵模工作，改变一个腔体的注入电流，激光器可以实现约20nm范围的波长调谐。C3激光器的调谐由于是约2nm的逐次模式跳动，所以调谐不是连续的。PN布拉格光栅有源段I1I2I3(b)激光输出光栅PN有源区I(a)可旋转反射器激光输出外腔激光器多腔分布布拉格(DBR)激光器相位控制段这是一种外腔半导体激光器，通过简单地旋转光栅，可以在较宽范围内对波长实现调谐（典型值为50nm）。这种激光器的缺点是不能单片