第4章-光源与光发送机

光通信原理与技术第4章光源与光发送机本章内容物质与光之间的互作用半导体发光二极管半导体激光器光放大器光发送机的基本组成及指标4.1物质与光之间的互作用光的波粒二象性光具有波粒二象性光波，光子描述光波的特征参量：频率υ和波矢量k描述光子的特征参量：能量E和动量P之间的关系hE/hhkP原子的能级原子的能量状态是量子化的，这些分离的能量状态称为能级最低的能量状态称为基态或基能级，其他的较高的能量状态都称为激发态或高能级处于高能级原子有向高能级跃迁的趋势，处于低能级的原子有吸收能量向高能级跃迁的可能费米-狄拉克分布在热平衡状态下，某个能级被电子占据的几率服从费米-狄拉克分布，即电子占据能量为E的能级的几率为其中，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，Ef为材料的费米能级，是一个参考能级对于EEf的能级，被电子占据的可能性小于1/2，而对于EEf的能级，被电子占据的可能性大于1/2。1()1expffEEEkT原子中电子的跃迁原子中的电子存在着三种跃迁过程，对应着三种光与物质的互作用过程受激吸收自发辐射受激辐射hυhυhυhυhυE2E1E1E2E1E2受激吸收自发辐射受激辐射跃迁几率受激吸收几率自发发射几率受激发射几率22NrdtdNRspsp1122NBdtdNRfab2212NBdtdNRfstB12和B21：爱因斯坦系数发光与光的放大在热平衡状态下，低能级粒子占绝对多数，此时光子的受激吸收是占绝对优势的非热平衡状态下，可能出现高能级粒子数占多数的情况，称之为粒子数反转粒子数反转的情况下，物质的自发辐射和受激辐射占一定优势，物质表现出发光特性光放大受激发射的特点：产生的新光子与原光子严格同频、同相、同极化如果外部有合适频率的光信号进入粒子数反转区，则在受激辐射的作用下，该光信号被放大、光子数倍增，原有光波特点保留4.2半导体发光二极管（LED）4.2.1半导体发光机理纯净半导体晶体的能带半导体晶体的晶格结构使分立的能级形成具有一定宽度的能带在共价晶体中，最外层的电子和相邻的原子形成共价键通常把价电子所占据的能带称为价带价带以上的能带（被自由电子占据）称为导带价带顶和导带底之间的能量差为Eg，称为禁带宽度或带隙宽度在较低温度下，本征半导体的费米能级处于禁带的中间位置Eg较大时，导带被电子占据的可能性远小于1/2，而价带被占据的可能性远大于1/2价带导带禁带宽度EgEf费米能级半导体的掺杂纯净半导体几乎是绝缘体掺杂可使其特性发生变化当掺入受主杂质时（外层电子数少于4个），P型半导体当掺入施主杂质时（外层电子数多于4个），N型半导体Ef本征半导体EfP型半导体EfN型半导体PN结的形成P型半导体与N型半导体接触时，在边界面上，由于载流子浓度不同，出现扩散P区空穴向N区扩散并与该区电子复合N区电子向P区扩散并与该区空穴复合载流子扩散后，打破了原先的电平衡，在P区和N区的界面附近形成自建场，方向从N区指向P区载流子在自建场作用下发生漂移，方向与扩散运动相反载流子的扩散运动和漂移运动终将取得平衡，此时PN结形成自建场空间电荷区-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+P区N区PN结的特点自建场的方向由N区指向P区空间电荷区几乎没有载流子存在，又称为耗尽区PN结具有单向导电性当在N区加正电压P区接地时，外加电场与自建场方向一致，加强了自建场，在漂移作用下，耗尽区变宽，PN结电阻愈大，几乎不导电当在P区加正电压N区接地时，外加电场与自建场方向相反，抵消了自建场，当消弱后的自建场不再能阻止载流子发生扩散运动时，PN结开始导电有源区的形成P区N区热平衡状态下，费米能级统一P区N区Ef外加正向电压时，费米能级分裂，形成两个准费米能级（Ef）c（Ef）v有源区增益区有源区形成粒子数反转，自发辐射和受激辐射将占优势，半导体发光，且光子能量约为禁带宽度，即：hυ≈Eg4.2.2LED的结构直接带隙和间接带隙直接带隙半导体的导带底和价带顶在E-k空间中是对齐的，电子-空穴复合时，电子的动量不变，直接产生辐射复合间接带隙半导体的导带底和价带顶在E-k空间中是错位的，为了保持动量守恒，电子-空穴复合时，必须有一个声子参与，因此发光概率非常低硅是间接带隙半导体，所以难以用于制作发光器件常用的直接带隙半导体材料包括GaAs、GaInP、AlGaAs、InGaAs和GaAsP等同质结的效率问题同质结指制作P区和N区均使用同一种半导体掺杂制成同质PN结发光效率比较低电子-空穴分布范围大，浓度低，辐射跃迁几率也低PN结与P区和N区的相对折射率差小，光子方向杂散，不能有效输出改进办法：使用异质PN结Eg导带价带折射率光强0.1~1%使用异质结提高发光效率异质结结构指在有源区的两边加上相异的宽带隙的半导体材料异质结结构，特别是双异质结结构，对载流子和光子都形成约束，大大提高了发光效率导带价带折射率光强0.1~1%同质结单异质结~5%双异质结面发射和边发射按发光面可以将LED分为两种类型面发射二极管发射方向垂直于p-n结区优点：便于与圆形的光纤端面耦合边发射二极管从p-n结型有源区的端面发射优点：功率较大，方向性较好双异质结结构衬底Cu热沉电极金属接触边发射型LED双异质结结构衬底Cu热沉电极金属接触双异质结结构衬底Cu热沉电极金属接触边发射型LED电极光纤胶有源区限流区Cu热沉SiO2SiO2双异质结结构金属接触层面发射型LED电极光纤胶有源区限流区Cu热沉SiO2SiO2双异质结结构金属接触层电极光纤胶有源区限流区Cu热沉SiO2SiO2双异质结结构金属接触层面发射型LED4.2.3发光二极管的工作特性LED的P-I特性输出光功率基本上与注入电流成正比PI频谱特性LED没有谐振腔，其光谱就是半导体材料的自发辐射谱LED的发射谱线较宽GaAlAsLED谱线宽度约30~50nmInGaAsPLED谱线宽度约60~120nm面发光LED较边发光LED的谱宽更宽边发光LED面发光LED光束发射特性LED发出的光束为非相干光，可视作朗伯光源，空间发散角较大面发光LED光束的辐射功率随角度的变化而呈余弦变化，光束的半功率发散角为120°边发光LED由于在平行于PN结的方向有异质结的折射率变化约束，因此光束的垂直发射角小一些，约30~50°，另外一个方向上发射角较大，约120°调制特性LED的频率响应特性取决于以下几个因素有源区的掺杂浓度复合区的注入载流子寿命LED的寄生电容提高LED调制特性的方法加大有源区的掺杂浓度，减小有源区的体积加大调制电流，提高空穴浓度减少寄生电容通信用LED的常用典型值出纤功率典型值：-15dBm调制带宽100Mbps以上半功率谱线宽度50~120nm工作电流100mA4.3半导体激光器（LD）4.3.1LD的工作原理光与物质的三种相互作用发光及光放大有源区的形成形成有源区是否可以产生激光？激射条件当PN结外加正向电压形成有源区后，还不能产生激光电振荡器的起振必要条件反馈，净增益同样，产生激光也需要类似的两个条件存在光学谐振腔（振荡的必要条件：反馈）有源区对光的增益足够大（振荡的必要条件：克服损耗）LD的基本结构增益介质由P区和N区之间的有源区（增益区）提供光反馈解理面构成的F-P腔提供泵浦注入电流PN解理面L有源区注入电流R1R2增益介质F-P腔ZXY工作条件物质条件增益介质光反馈泵浦起振条件阈值条件相位条件起振条件——阈值条件阈值条件指光在腔内往返一次，在介质中所获得的增益必须不小于介质的损耗和腔的反射损耗)1ln(2221RRLLgPN解理面L有源区注入电流R1R2增益介质F-P腔ZXY起振条件——相位条件相位条件指波从某一点出发，经腔内往返一周后应与初始相位同相，即相差为2的整数倍，从而形成光的相加干涉nLqcfq2nLcf2...3,2,1qPN解理面L有源区注入电流R1R2增益介质F-P腔ZXY频率间隔：结论阈值增益稳定驻波条件211ln21RRLgth,3,2,1,2qnfcqLnLnLcf2224.3.2LD的分类与制作按制作材料分直接带隙、间接带隙按垂直于PN结方向上的结构分同质结、单异质结、双异质结、量子阱按平行于PN结方向上的结构分宽面激光器条形激光器台面条形、平面条形、隐埋条形LD的分类制作材料短波长LD双异质结结构，由衬底开始各层及其大约厚度为：N-GaAs(50~80m)、N-GaAlAs(~2m)、P-GaAs(有源层，0.05~2m)、P-GaAlAs(~2)、P-GaAs(~1m)工作在850nm左右长波长LD双异质结结构，各层厚度与短波长LD接近，使用材料为N+-InP、N-InP、P-InGaAsP、P-InP、P-InGaAsP根据InGaAsP各材料浓度的不同，可实现波长从920~1650nm变化，用于光纤通信时一般选择在1310nm和1550nm附近制作工艺流程制备衬底材料外延生长衬底按结构要求连续生长出各外延层液相外延生长汽相外延生长分子束外延生长掩蔽和隔离形成耦合电极解理和键合耦合和封装InP或GaAs与光纤直接耦合热沉LD管芯光纤光纤夹持器边发光器件电极光纤胶有源区Cu热沉SiO2SiO2面发光器件存在问题LD发射的光束均有一定的空间发散角度掩埋条形LD：约30~50°，‖约5~10°光纤的集光能力：数值孔径：多模光纤NA约0.2，空间角度约11.5°；单模光纤NA约0.1，空间角度约6°如果光纤和光源直接耦合，将有大部分光能量不能耦合进光纤，耦合效率很低，仅有10%左右，造成出纤功率下降提高耦合效率方法两大类方法加入微型光学元件在光源与光纤之间加入各种透镜等光学元件，使更多的光能量能够有效入射进光纤纤芯处理光纤端面将光纤端面加工成球形、楔形等，提高其集光能力通过上述方法，光源与光纤的耦合效率可提高到70%左右用微型光学元件提高耦合效率球透镜微球透镜附加透镜GRIN柱透镜处理光纤端面提高耦合效率圆头光纤球形光纤端面楔形光纤端面面发光器件组合方法柱透镜+球形光纤端面柱透镜LD柱透镜光纤热沉LD管芯致冷器封装接线条PD管芯热敏电阻4.3.3LD的工作特性激光器的工作特性内容包括以下几个方面P-I特性转换效率频谱特性温度特性调制特性激光光束的空间特性PI1、P-I特性激光器的P-I特性表现出明显的阈值特性当注入电流小于阈值电流时，不发射激光，输出光功率随注入电流的增加而缓慢增长当注入电流大于阈值电流时，发射激光，输出光功率随注入电流的增加而迅速线性增长Ith两个问题对于通信应用来说，阈值电流大点好还是小点好？如何改善？2、转换效率功率效率输出光功率比上输入电功率内量子效率有源区内每秒产生的光子数比上每秒注入的电子-空穴对数外量子效率每秒LD输出的光子数比上外部向激光器内注入的电子-空穴对数外微分量子效率在激射段，净增的输出光子速率比上净增的注入电子-空穴对速率3、频谱特性使用天然解理面构成F-P谐振腔的半导体激光器存在多纵模振荡的情况每一个纵模对应一个振荡波长总体上LD的频谱呈现多谱线结构，谱线包络为高斯轮廓纵模波长主模频率（波长）增益谱fqfnLqcfq2nLcf2纵模频率（波长）满足两个条件增益条件，各纵模对应的光子的能量必须在有源区的增益谱内相位条件，各纵模频率必须是2倍腔长倒数的整数倍输出谱线随注入电流变化75mA2.3mW80mA4mW100mA10mW纵模之间存在竞争，即争夺反转的粒子数在低注入条件下，各纵模竞争力均不强，在较宽谱范围内出现多条振荡谱线随着注入电