通信用光器件—光源

通信用光器件——光源半导体光电子技术基础知识激光的产生及激光器的工作原理半导体激光器(LD)发光二极管(LED)半导体光源的性能与应用激光器的调制半导体光电子技术基础知识1.光子的概念2.能级的概念3.光与物质的相互作用3.1自发辐射3.2受激吸收3.3受激辐射4.粒子数反转与光放大1.光量子说：光子概念光量子学说认为，辐射能（即光波能）不是一种连续不断的流的形式，而是由小微粒组成的。这种小微粒叫做光量子。能量大小为hν，其中h=6.628×10−34J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，ν是光波频率。光与物质作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。2.玻尔的原子能级假说1913年玻尔在前人工作的基础上提出了原子能级假说，原子只能处于一系列不连续的稳定的能量状态中，电子虽然作绕核运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态，对应能量值叫能级；原子的不同能量状态跟电子沿不同的轨道作绕核运动相对应，都是不连续的。孤立原子中电子分布在许多层轨道上，每层轨道对应确定的能级2）原子从一个定态跃迁到另一个定态时，原子会吸收或辐射一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定3.光与物质的相互作用光与物质的相互作用，可以归结为光与电子的相互作用，将发生自发辐射、受激辐射、受激吸收、三种物理过程。1.自发辐射；2.受激辐射；3.受激吸收；(1).自发辐射与外界影响无关、自发地进行辐射称为自发辐射。自发辐射的特点：每次自发辐射产生的光子都是相互独立的，它们之间毫无联系。虽然光子的频率相同，但是振动方向、相位都不一定相同。即大量自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，自发辐射光是非相干光。自发辐射过程自发辐射EnEm自发进行，产生光子的方向，频率等是随机的。(2).受激辐射(2).受激辐射：处于高能级E2上的电子在外来光子的激发下，由高能级E2跃迁到低能级E1上去，同时辐射出一个与外来光子完全相同的光子，这种过程叫受激辐射。a.只有外来光子能量hf21＝E2-E1时，才能引起受激辐射；b.受激辐射产生的光子和外来光子具有完全相同的特征，即频率、相位、振动方向和传播方向均相同，（称为“全同光子”），为相干光；c.在受激辐射过程中，通过一个光子的作用，可以得到两个全同光子，依次类推，此现象称为“光放大”。受激辐射过程受激辐射EnEm(3).受激吸收受激吸收：是受激辐射的相反过程，处于低能级E1的电子受到外来光子的激发，完全吸收此光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。a.只有外来光子能量hf21＝E2-E1时，才能引起受激吸收；b.受激吸收的过程不是释放出能量，而是消耗外来光能；受激吸收过程EnEm受激吸收三种过程之间的区别与联系1.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波尔条件，即E2-E1=hf12式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。2.受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。a.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。b.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，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。三种过程之间的区别与联系相干光与非相干光的比较非相干光的叠加只是功率叠加相干光叠加将会出现干涉，是电磁场叠加3产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的电子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在热平衡状态时，总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。4.粒子数反转与光放大受激吸收和受激辐射的发生几率分别正比于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。1.如果N1N2，则受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。2.如果N2N1，则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。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N2N1（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。通信用光器件——光源半导体光电子技术基础知识激光的产生及激光器的工作原理半导体激光器(LD)发光二极管(LED)半导体光源的性能与应用激光器的调制激光产生前的思想突破50年代初，年轻的C.H.Townes独立提出了粒子数反转分布的概念。84热平衡状态下的粒子数分布粒子数反转分布高能级粒子数量大于低能级粒子数量泵浦E3E2E1N3N2N1高能级粒子数E3E2E1N3N2N1低能级粒子数不可能有光放大！激光产生前的思想突破50年代初，年轻的C.H.Townes独立提出了粒子数反转分布的概念10E1E3粒子数反转分布泵浦泵浦泵浦泵浦泵浦泵浦热平衡状态下的粒子数分布E2受激辐射受激吸收可能产生光放大！1954年，Townes根据上述思想首次实现了氨分子微波震荡器（MASER）。粒子数反转分布E3E2E1N3N2N1热平衡状态下的粒子数分布E3E2E1N3N2N1世界上第一台激光器诞生！1960年，梅曼发明。86简化激光器结构的三要素:增益介质——能够形成粒子数反转分布的工作物质泵浦源——可以使增益介质实现粒子数反转分布谐振腔——由增益介质加两侧相互平行的反射镜构成，实现对光子的反射和筛选，并增大有效光程。激光器结构的三要素:（1）产生激光的工作物质即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益介质，它是产生激光的必要条件。（2）泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，N2＞N1，受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。激光器结构的三要素（3）光学谐振腔激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及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。1.使工作物质的受激辐射连续进行；2.限制激光输出的方向。全反射镜半反射镜原理图激光工作物质激光工作物质全反射镜半反射镜工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就逸出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。谐振腔产生激光振荡的过程(1).当沿激光腔轴向传播的光子遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。(2).当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量恰好是2π的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。(3).达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。out光放大原理激光器工作的阈值条件工作物质实现了粒子数反转后，光在谐振腔内传播时便有增益，但能否有效地形成激光振荡，还与腔内损耗有关。只有在增益恰等于损耗时才能满足振荡的阈值要求。　γth=α+211ln21RRL损耗的起因：A)工作物质的吸收B)介质不均匀引起的散射C)端面反射镜的透射及散射激光器的相位条件满足在谐振腔中往返一周的光程为波长整数倍的光在反射前后才能得到彼此加强，即谐振频率为：922qcqfnL腔长任意整数真空光速介质折射率或光波在腔内沿轴向传播一周所产生的相位差为2Pi的整数倍激光器的模式模式：激光器光学谐振腔中稳定的光场分布光场在光谐振腔的横向和纵向上必须都满足谐振条件，即形成驻波分布横模垂直于谐振腔轴向的光场分布；相应于光纤中的导模不同横模的光场分布和传输特性不同纵模沿着谐振腔轴向形成的一系列驻波不同纵模的频率不同；是构成光谱的主要结构每个纵模都存在多个横模：基模亮度高、光斑小1)与谐振腔轴有微小夹角的光束经多次反射仍满足阈值条件2)多横模损害了激光器输出的良好方向性，对聚焦非常不利，因此在需要完美聚焦的情况下，应当尽量减少横模抑制横模的数量-增加输出光的亮度、减小发散角横模注入电流达到阈值以上时，满足相位条件的光场都可以在谐振腔中得到谐振加强每个满足条件的光场就构成一个激光器的纵模腔长越长，纵模间距越小纵模2qcqfnLF-P腔滤波器F-P的谐振波长为谐振峰的间隔：F-P自由谱宽频域采样g激光器的典型输出光谱如果需要激光器工作在单纵模状态就需要模式选择技术输出光谱：多纵模和单纵模多个纵模都携带能量，功率过于分散只有一个模式，光谱窄，单色性好，相干性好光源3.1.1半导体光电子技术基础知识3.1.2激光器的产生及激光器的工作原理3.1.3半导体激光器(LD)3.1.4发光二极管(LED)3.1.5半导体光源的性能与应用3.1.6激光器的调制半导体激光器(LASERDIODE)光纤通信对光源的基本要求:1.光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口，即0.85um,1.31um与1.55um；2.能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率；3.与光纤的耦合效率高；4.光源的谱线宽度窄。光源的谱线宽度直接影响到光纤的色散特性；5.寿命长，工作稳定。半导体发光器件就能够满足上述要求!半导体激光器工作原理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。半导体激光器结构上的三要素：1.增益介质：PN结激活区2.激光谐振腔：PN结两侧的解理面构成谐振腔3.泵浦：电流注入注入电流有源区解理面解理面L增益介质R1R2z=0z=L为什么半导体可以形成粒子数反转粒子数反转分布：PN结激活区1.什么是能带?2.什么是费米能级?3.什么P型半导体?4.什么N型半导体?5.什么PN结?6.如何形成的PN结激活区?电子的共有化运动原子相互接近形成晶体时：原子核外电子不仅受到本身原子核的作用，还受到相邻原子核的作用不同原子的电子轨道（尤其是外层电子轨道）相互交叠电子不再局限于某一个原子而是在整个晶体中作共有化运动102半导体的能带构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成N个与原来能级很接近的连续分布的新能级。在实际的晶体中，由于原子数目N非常大，新能级又与原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小，几乎可把这一段能级看作是连续的。我们便把这N个能级所具有的能量范围称为“能带”。外层电子共有化运动显著，表现为能带较宽内层电子轨道重叠的少，能带较窄固体能带模型满带：被电子完全填满（Pauli不相容）,无法形成电流！价带：最靠近导带的满带（对应价电子）空带：完全没有电子填充禁带：不同的能带之间不允许电子存在的能量状态，其间距用禁带宽度Ev来衡量。导带：部分被电子占据,处于导带中的电子可以在外场作用下形成电流！导带价带半导体导体导带满带禁带空带满带非导体105非导体：导带与价带间有带隙！绝缘体：具有较大的禁带宽度，电子不能被激发到空带；半导体：具有较小的禁带宽度，电子比较容易被激发到导带中，导电性介于导体和绝缘体之间。导体：导带与价带部分重合。导体、半导体和绝缘体•本征(I型)半导体（Instrinsic）：•无杂质或杂质浓度很低的半导体，电子与空穴浓度相同。•本征半导体的原子结构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带EG外电场E自由电子定向移动形成电子流束缚电