光纤通信系统 第五讲 光源及光发射机(第一部分)

第四章光源及光发射机第一部分:光源光纤通信系统王翀[e-mail]光信息科学与技术专业西安邮电学院光电子技术系光源的作用—把要传输的电信号转换成光信号发射出去。对光源的基本要求(1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高(2)调制方法简单(3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配(4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率(5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好(6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转(7)光源应该是低功率驱动[低电压、低电流)，而且电光转换效率要高能满足上述基本要求的光源是半导体光源。半导体激光器(LD)中、长距离最常用的光源大容量(高码速)系统半导体发光二极管(LED)。短距离、低容量系统模拟系统。1．基本结构半导体激光器的基本结构框图4.1.1半导体激光器（LD）2．LD的工作原理（1）半导体材料的能级结构半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带，低能级称为价带，高、低能级之间称为禁带。则禁带宽度Eg=Ec-Ev在热平衡状态下，价带能级上的电子总数目NV远多于导带能级上的电子总数目NC，即NVNC。半导体材料电子能级示意图（2）半导体材料中电子能态的变化①自发辐射发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干光。②受激辐射发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子相同），称为相干光。激光二极管输出的就是这种相干光。③受激吸收在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子的能量而跃迁到高能级上。在热平衡状态下，半导体材料中同时存在以上三种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数NC成正比，受激吸收的概率与价带上的电子总数NV成正比。所以，若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的电子总数NC远大于价带上的电子总数NV，这称为粒子数反转状态。（3）PN结的能带和电子分布在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循费米（Fermi）分布，即在通常室温下，本征半导体、N型半导体和P型半导体都是大多数电子占据低能级位置，没有形成粒子数反转分布，不能对光产生放大作用。fB1()1exp[()/]PEEEkT（4）电激励其作用是使半导体PN结产生一个增益区，使其中的导带电子数远大于价带电子数，形成粒子数反转状态，成为光放大的媒质。（5）光学谐振腔前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的PN结半导体材料，构成了光学谐振腔。其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多次反射形成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断地产生受激辐射，使放出的光子数目雪崩式地增加。3．LD的类型结构（1）同质结LD由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层PN结，称为同质结LD。例如：砷化镓（GaAs）同质结LD。GaAs同质结LD结构示意图（2）异质结LD由不同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者称为单异质结LD，后者称为多异质结LD。例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85μm。InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31μm或1.55μm，损耗小。异质结LD结构示意图半导体光源的发光机理半导体发光器件是通过电子在能级之间的跃迁而发光的。在构成半导体晶体的原子内部各个电子都占有所规定的能级。如果让占据较高能级Ei的电子跃迁到较低能级Ej上，就会以光的形式放出等于能级差的能量，这时能级差Eg和光的振荡频率f之间的关系为Eg=hf式中，h为普朗克常数(h=6.626×10-34J·s)。(4.1)半导体发光器件由适当的P型材料和N型材料所构成，两种材料的交界区形成P-N结，如果在P-N结上加上正向电压，则N型区的电子及P型区的空穴源源不断地流向P-N结区。在那里电子与空穴自发地复合，复合时电子从高能级的导带跃迁至低能级价带而产生与跃迁所释放的能量相等的光子。在这种情况下，各个光子在时间上及方向上都不相同，这种光称为自发光,该发光器件叫做发光管。其发光机理如图4.1所示。图4.1发光机理示意图(a)光的自发辐射；(b)光的受激辐射另一种光称为激光，是利用谐振腔产生振荡的原理而获得的。在P-N结的两端加工出两个平行光洁的反射镜面。此镜面垂直于P-N结的平面，和它的长度方向形成一个谐振腔。当施加正向电压于P-N结时，P-N结内首先发出自发光，其中部分光子沿着与反射面垂直的方向前进，这一部分光子受反射镜面的反射，在谐振腔内来回反射。同时，激光腔内的电子与空穴复合，即激发电子从导带跃迁至价带而产生新的光子。部分新产生的光子也同样在谐振腔内来回反射。只要外加的电压和电流足够大，那么光子的来回反射将激发更多的光子，产生正反馈作用，使受激发光大为加强，遂产生激光。反射镜面是半透明的，既可使部分光子反射回腔内，也可让部分光子辐射出去。这种发光器件叫做激光器。光子能量E和波长λ之间的变换关系如下：m2398.1)eV(E(4.2)例如,砷化镓半导体的带隙为1.36eV，则砷化镓发光二极管的辐射波长λ=1.2398/1.36=0.91μm。该波长处于近红外区，在掺入铝后可改变波长。因此,短波长光源采用GaAlAs,而长波长光源用InGaAsP。目前，光纤通信使用的光源，短波长的有GaAlAs激光器(LD)和GaAlAs发光二极管(LED)；长波长的有InGaAsP激光器(LD)和InGaAsP发光二极管(LED)。4.1.2光源的分类及特性在光纤通信系统中，光源的基本功能是将电流形式的电能转变为光能，并将发出的光有效地耦合到光纤中。光源是光纤通信的核心器件，其种类和性能的好坏在很大程度上决定了系统的类型和性能。光源的种类及特性见表4.1。表4.1光源的种类及特性表4.1光源的种类及特性表4.1光源的种类及特性表4.2发光二极管的类型及特点激光器的模式有纵模和横模之分。在与激光器谐振腔轴平行方向(即纵向)的电磁场分布(即模式)称为纵模；在与激光器谐振腔轴垂直方向(即横向)的电磁场分布(酱模式)称为横模。纵模反映了激光器光强随波长的变化情况即光谱特性，激光器有多纵模和单纵模之分。多纵模激光器输出的光谱中包含若干个纵模，纵模在光谱中是一根根离散的线谱，不同纵模上的光能量(即光强)分布是不同的，其中有一个纵模光强最大的称为主模，主模旁边的其它纵模光强都较小的称为旁模或边模。单纵模激光器只有一个纵模能够正常工作，其它纵模都受到抑制，是实现单模工作的激光器。横模反映了激光器输出光束光强的空间分布，即方向特性的集散程度，直接影响到光源与光纤的耦合效率。在实际应用中，为了使发射波长与光纤通信系统的低损耗或低色散波长区相吻合，光源又按发射波长分为两大类，即短波长(0.8~0.9μm)波段光源和长波长(1.2~1.7μm)波段光源，而长波段光源又分为1.3μm波长光源和1.55μm波长光源两种。，即半导体光源器件和非半导体光源器件。半导体光源器件包括发光二极管和半导体激光器。短波长半导体光源器件是利用AlGaAs/GaAs材料制成的，而长波长半导体光源器件则是利用InGaAsP/InP材料制成的。两者都是多层外延，形成双异质结。4.1.31.P-NP-N结半导体激光器也叫同质结半导体激光器。它是结构最简单的半导体激光器。下面以GaAs激光器为例进行讨论。GaAs激光器的结构如图4.2所示，它的核心部分是一个P-N结。P-N结由P+GaAs和N+GaAs构成，激光就是由P-N结结区发出的，因此P-N结也叫作用区。图4.2P-N结半导体激光器结构简图WLdP＋GaAsN＋GaAsP-N结P-N结的两个端面是按照晶体的天然解理面切开的，相当于反射镜。它们的反射系数约为0.32，若将表面涂敷可得到很高的反射系数。这就组成了光学谐振腔。典型的尺寸为长L=250~500μm,宽W=5~10μm,厚d=0.1~0.2μm。半导体激光器在正向偏压下工作，外加电压就是电的泵浦源。在正向偏压的作用下，电子流不断注入P-N结，使P-N结的载流子失去平衡而处于粒子数反转状态。当那些高能级上的粒子向低能级跃迁时就发出光子。光学谐振腔起反馈及选频作用，光束在这里来回反射而得到增强。当满足振荡条件时，就可得到激光。2.异质结半导体激光器异质结激光器分单异质结激光器和双异质结激光器。根据工作波长的不同，所用的材料也不同。图4.3给出了应用在λ=0.84~0.9μm的单异质结激光器与双异质结激光器结构简图。它们是用GaAs材料与GaAlAs材料制成的。图4.3(a)单异质结激光器；(b)双异质结激光器N-GaAsP-GaAsP-Ga1－xAlxAs作用区作用区N-GaAsN-Ga1－xAlxAsP-GaAsP-Ga1－xAlxAs(a)(b)材料Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成的，叫做砷镓铝三元素晶体。下标x与1-x是指AlAs与GaAs的比例。若总数为1，则AlAs占x份，而GaAs占1-x份，P-Ga1-xAlxAs与n-Ga1-xAlxAs各代表P型与N型砷镓铝材料。为了简化，一般常用P-GaAlAs，N-GaAlAs这样的表示法，x值。这种合成材料的折射率、禁带宽度、损耗等都与GaAs材料不同，它与GaAs是不同的物质。在半导体激光器件中，异质结起着重要的作用。异质结是由两种不同的材料构成的，在本例中是由GaAs和GaAlAs结合而成的。根据形成异质结的两种材料的导电类型，异质结又分反型异质结与同型异质结两种。反型异质结是由导电类型相反的两种不同材料形成的，例如由N型GaAs与P型GaAlAs或P型GaAs与N型GaAlAs材料构成。前一种记为N-PGaAs-GaAlAs，后一种记为P-NGaAs-GaAlAs。同型异质结是由导电类型相同的两种不同材料形成的，例如由P-GaAs和P-GaAlAs或N-GaAs和N-GaAlAs构成，它们各记为P-PGaAs-GaAlAs和N-NGaAs-GaAlAs。4.1.4半导体激光器的特性1.伏安特性半导体激光器通常在正向偏压下工作。当接通电源后，激光器并不立即产生电流，而有一个导通电压(一般在1V以下)。当外加电压超过此电压后，电流随外加电压而增大。在阈值(门限值)以上，半导体激光器的伏安特性可用下式表示：sIReEUg(4.3)式中，Eg为禁带能量，取决于材料本征值，由Eg=hf决定。e为电子电荷。Rs为二极管串联电阻。图4.4所示为GaAlAs激光器的伏安特性曲线。通常要求在阈值附近电压U2V,Rs5Ω，以防烧坏管子。图4.4激光器伏安特性曲线10050012U/VI/mA2.激光器输出光功率特性图4.5激光器P-I特性(a)LD的P-I曲线；(b)LD的P-I曲线扭折现象输出光功率自激辐射受激辐射阈值(a)10mW光功率0100200(b)电流/mA电流1)微分量子效率ηd激光器输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，定义为微分量子效率，即IPhfeeIhfPood//(4.4)式中，ΔPo/ΔI就是P-I曲线的斜率。室温下，GaAlAs激光器的ηd≈40%~50%。2)功率转换效率ηp激光器的输出光功率与器件消耗电功率之比，定义为功率转换效率，即IVRIPeIERIPsogso22p/(4.5)式中，Po是在电流I时的发射光功率。器件的功耗取决于串联电阻和热阻，它随电流增加而增加。通常用于光通信的半导体激光器，功率转换效率约为5%~10%。在光通信用半导体激光器中，对微分量子效率不要求过高，否则将产生自脉动现象和光反射噪声。P-I曲线斜率ΔP/ΔI≈0.8mW/10mA较为适宜。P-I曲线无扭折。有扭折则出现光的脉动现象。要求在阈值附近的荧光输出功率尽量小(50μW)才能保证输出光功率的消光比(10%)满足要求。图4.6激光器的光场LD±5°±15°3.激光器的光场激光器发射的光功率的光场典型情况如图4.6所示。一个良好的激光器输出的光功率分布如图4.7中的