第三章-光源和光发送机剖析

第三章光源和光发射机光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器将电信号变换成光信号光发射机本章重点（1）掌握光与物质的相互作用的三种基本过程；（2）构成激光器的必须具备的条件；半导体激光器的工作特性；（3）掌握发光二极管LED的工作特性（4）光发射机的基本组成及功能（5）光源的调制方式（6）光纤线路码型的种类本章内容提要3.1半导体光源3.2光源调制3.3光发射机3.1半导体光源3.1.1半导体光源基础知识半导体能带光与物质相互作用的三种基本方式粒子数反转分布PN结一半导体能带1、原子能级围绕原子核旋转的电子只能沿着某些可能的轨道运转，这些轨道不连续，每一个轨道具有确定的能量，这些离散的能量值称为原子的能级。2、晶体的能带由大量原子相互靠近形成晶体时，由于内部电子共有化运动，使离散的原子能级组成有一定宽度的带，称为能带。内层电子态之间的交叠小，原子间影响弱，分成的能带比较窄，外层电子态之间的交叠大，分成的能带比较宽。3在半导体中的能带：价带（valenceband）:形成共价键的价电子所占据的能带称为价带。较低的能量满带：价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。导带（conductionband）:价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。导带和价带通过禁带（energygap）来分开，电子可以在价带或者导带所对应的轨道上活动，但决不能在它们之间－－禁带上活动。二光与物质相互作用的三种基本方式自发辐射——无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。受激辐射——高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。受激吸收——低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。E2E1E2E1hf12hf12hf12hf12初态终态(b)自发辐射(c)受激辐射(a)受激吸收能级与电子跃迁示意图光辐射与能带三粒子数反转分布设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为N1和N2物质在正常状态下N1＞N2，此时光通过该物质时，光强会衰减，物质为吸收物质。若N2＞N1，受激吸收小于受激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活物质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分布。四PN结1、N型材料和P型半导体N型半导体：如果掺入的是V族元素，在核外电可子有5个，其中四个与Si形成共价键，余下一个电子以用来传导电流，由于这种材料是由电子来导电的称为N型材料。P型半导体：如果掺入的是III族元素，在核外电子有3个，其中三个与Si形成共价键，余下一个空穴用来传导电流，由于这种材料是由空穴流动来导电的称为P型材料2p-n结的形成当P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动，P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界面的区域形成一个带负电的区域。同样，N区的电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区，称为PN结。3增益区的形成对于兼并型P型半导体和兼并型N型半导体形成的PN结，当注入电流(或正向电压)加大到某一值后，准费米能级EfC和EfV的能量间隔大于禁带宽度，PN结里出现一个增益区(也叫有源区)。实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足Eg＜hν＜e0V的光子有光放大作用。半导体激光器的辐射就发生在这个区域。3.1半导体光源3.1.2光源的种类、要求及发射波长一、光纤通信常用光源的种类：半导体激光器（LD)应用于高速率、远距离发光二极管（LED)应用于低速率、短距离光源发出的波长与光纤所使用的低窗口相符合；有足够高、稳定的输出功率；电光转换效率高，驱动功率低，寿命长；单色性好；响应速度快；强度噪声小；二、光纤通信对光源的要求三、光源的发射波长材料带隙的大小决定着光源的发射光波的波长)(24.1)(eVEumhchfEgg3.1.3半导体激光器一半导体激光器输出激光的必要条件和模式二半导体激光器的结构三半导体激光器的工作特性四单纵模激光器1、LD输出激光的必要条件粒子数反转分布（激活物质）光学谐振腔(光反馈)激光振荡的阈值条件一、半导体激光器输出激光的必要条件和模式光学谐振腔光学谐振腔——由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不断改善，使增益大幅度提高。正反馈：光放大和正反馈激光振荡阈值条件激活物质在被置于光学谐振腔后，能对光的频率和方向进行选择，可获得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件：腔内增益与损耗相当时开始建立稳定的激光振荡，阈值条件为：是阈值光增益系数；是谐振腔内激活物质的吸收系数为谐振腔长度为激光腔的反射损耗阈值条件即为增益值正好等于总损耗121ln()2thendRRLhtLend激光发射效应和输入输出特性曲线a)增益与损耗b)输入输出曲线c)测量输入输出用的设备输出功率与激光器驱动电流的关系LD的输出功率为几至一百多毫瓦,用于光纤通信的一般为几毫瓦2辐射模式（1）.常规激光二极管辐射的光束纵模：谐振腔内部沿轴向形成的稳定的驻波场称为纵模。不同的频率（波长）构成不同模式，它与腔长L相关。横模：谐振腔横截面上场的分布形式。与有源区的宽度相关。（2）纵模与横模横模：谐振腔横截面上场的分布形式激光中出现多个纵模也就是出现多种频率，影响了激光的单色性。FP腔纵模，纵模数由腔长决定。横模：由于腔边缘的反射光形成横模。纵模：沿轴向形成的稳定的驻波场不同的频率（波长）构成不同模式在谐振腔中，光波是在两平面反射镜之间往复传输的，只有平面镜间距离是半波长的整数倍时，光波才能得到彼此加强，即式中，λ为光波的波长，n为增益介质的折射率，m=1，2，…。利用，可将上式重写成式中，f为光波的频率，c为光速。只有那些有增益且增益大于损耗的模式才能在激光的输出光谱中存在。若只剩下一个模称为单纵模激光器，否则称为多纵模激光器。相邻两纵模之间的频率之差nmL2nLcmf2nLcf2图3.10MLM和SLM(a)MLM的光谱；(b)SLM的光谱几个纳米c/2nL:100～200GHz(a)ff(b)精心设计的双异质结构是优质激光二极管高效工作的关键二.半导体激光器的结构•(a)•能•量•电子•空穴•Egp•P-(AlGaAs)•N-(AlGaAs)•P-(GaAs)•(b)•(c)•(d)•折•射•率•光场分布•Egn•Eg有源层的材料是P型砷化镓GaAs材料，限制层分别是P型和N型砷化镓铝AlGaAs材料，在它们的界面上分别形成两个PN结，我们把这类由异种半导体相接的结构称为双异质结双异质结构能级结构三半导体激光器的工作特性1阈值2激光器效率可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率的高低。功率转换效率定义为：量子效率定义为：输出光子数与注入电子数之比，表示为hfIePeIhfPexexex空穴对数激光器每秒注入的电子数激光器每秒发射的光子RIIVPjexp23频率特性在直接光强度调制下，激光器输出光功率P和调制频率f的关系为：P(f)=式中，fr和ξ分别称为弛豫频率和阻尼因子，2222)/(4])/(1[)0(ffffp图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr是调制频率的上限，一般激光器的fr为1~2GHz。目前激光器可达到10GHz以上.在接近fr处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真0.010.11100.1110100fr调制频率f/GHz相对光功率图3.11半导体激光器的直接调制频率特性4温度特性激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为Ith=I0exp阈值电流对温度的变化非常敏感,长波长更敏感.ηd随温度变化不十分敏感.例如，GaAlAsGaAs激光器在77K时ηd≈50%，在300K时，ηd≈30%。)(0TT22℃30℃40℃50℃60℃70℃80℃P/mW54321050100I/mA不激射5光谱特性发射波长和光谱特性hƒ=Egλ=hc/Eg=1.24/EgΔλΔλ为谱线宽度，多纵模激光器一般为3-5nm，单纵模为0.1nm，甚至更小四.单模激光器什么是单模激光器：工作在单纵模和单横模状态，这样的激光器具有很窄的谱线宽度。获得单纵模的一条途径：减少谐振腔长度L，使得相邻模式间频率间隔大于激光器的跃迁线宽，于是也就只有一个纵模落在器件的增益内。我们以前讨论的激光器反射镜是平行的，称作法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光器，对于这种激光器，只有靠减少腔长L来获得单纵模，但制作很难。因此出现了新的类型的单纵模激光器。1分布反馈式(DFB：Distributed-FeedBack))激光器。在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹结构的光栅，激光振荡不是由反射镜来提供DFB工作原理其工作原理可以用布喇格(Bragg)反射来说明。波纹状光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成的，在一定的条件下，所有反射光都同相叠加，形成某方向的主极强。当光波接近布拉格波长时形成相互叠加强B2eBnk等式中ne是模式的有效折射率，k是光栅的阶数。一阶光栅(k=1)的耦合最强DBR激光器波纹光栅在有源区的外面，从而避免了在制作过程中对有源层造成的晶格损伤2耦合腔激光二极管模式选择采用耦合腔结构实现，当两个谐振腔放在一起构成耦合腔时，只有两个谐振腔中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡纵模。有两种结构：有源-无源结构、有源-有源结构可实现波长可调谐3量子阱半导体激光器超晶格(SuperLattice)是由两种或两种以上组分不同或导电性能的超薄层材料交替生长形成的人工周期结构，超晶格构成的量子阱如图所示。势垒较厚，相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为“多量子阱”(MQW)，只有一个势阱，两边是势垒的结构称为“单量子阱”(SQW)。图4.14量子阱的结构和能带图4垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图如图所示。采用多层周期结构的Bragg反射镜形成微谐振腔。图4.15垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图3.1.4发光二极管（LED）光纤通信用的半导体LED发出的是不可见的红外光，而显示所用LED发出的是可见光应用于通信技术的某些特定部分：相对较短距离和较低带宽的网络。局域网是基于发光二极管的发送器的最主要的应用领域。制作成本低廉，产量高一.LED:工作的原理正偏电压V促使电子和空穴进入耗尽区并且发生复合。发光二极管的工作原理LED发射的是自发辐射光（非相干光）。大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值。LED分为正面发光型、边发光型和超辐射发光二极管，边发光型LED的驱动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比面发光型LED高。二.LED的基本结构发光二极管常分为三种类型，它们是面发光二极管、边发光二极管、超辐射发光二极管。1.面发光二极管下图是面发光二极管的典型结构。它由N－P—P双异质结构成。这种LED发射面积限定在一个小区域内，该区域的横向尺寸与光纤尺寸相近。面发光二极管输出的功率较大，一般注入100mA电流时，就可达几个毫瓦，但光发散角大，水平和垂直发散角都可达到120°，与光纤的耦合效率低。L球透镜环氧树脂N层发光区(a)正面发光型2.边发光二极管下图是边发光ELED（EdgeEmitting）二极管的