第3章光源和光发射机

第3章光源和光发射机第3章光源和光发射机1激光二极管(LD)2发光二极管(LED)3光发射机4外调制器第3章光源和光发射机光源光源器件是光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）两种。第3章光源和光发射机半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。第3章光源和光发射机3.1激光二极管（LD）3.1.1激光器的物理基础1光子的概念光量子学说认为，光是由能量为hf的光量子组成，其中h=6.626×10−34J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，f是光波频率，人们将这些光量子称为光子。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。第3章光源和光发射机2原子能级物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。最低的能级称为基态，能量比基态大的所有其他能级都称为激发态。当电子从较高能级跃迁至较低能级时，其能级间的能量差为，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率之间有以下关系式：式中，h为普朗克常数，为吸收或辐射的光子频率。1E(2,3,4...)iEi2E1E21EEE12Ehf12f第3章光源和光发射机当处于低能级的电子受到一个光子能量的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级上去。光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。1E12Ehf2E第3章光源和光发射机3光与物质的三种作用形式光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激发射三种物理过程。(1)在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1），在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收——光电检测器。第3章光源和光发射机(2)处于高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。(3)在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射——激光器。注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。第3章光源和光发射机(4)粒子数反转分布与光的放大受激辐射是产生激光的关键。设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，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N2＞N1（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。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。第3章光源和光发射机3.1.2工作原理1发光机理能级与能带能级：原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成的。围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值，这些离散能量值称为原子的能级能带：当大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。第3章光源和光发射机导带、价带和禁带导带：最外层能级所组成的能带，是高能带。价带：次外层的能带称为价带，是低能带。禁带：导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示。原子轨道导带禁带价带原子能级共有化态－能带晶体中的能级第3章光源和光发射机光子频率（或波长）和能带差的关系如果导带Ec上的电子跃迁到价带Ev上，其间的能带差Eg=Ec-Ev将以光的形式放出，这个释放的能量被叫做光子，光子的频率记作v，它与能带差的关系为：或光与物质的相互作用有三种基本过程：自发辐射（发光二极管）；受激吸收（光检测器）；受激发射（激光二极管）受激发射：在入射光的激发下，电子从高能级跃迁到低能级，同时辐射出一个与入射光频率、相位、偏振方向及传播方向一样的光子。gEhvghcE第3章光源和光发射机LD发射光波长不同的原因(1)半导体导带和价带都是由许多能级组成的，它们所具备的能量并不是完全相同的，有微小差别；(2)半导体的能带结构受掺杂和晶体缺陷影响较大，使得禁带宽度有微小的变化。第3章光源和光发射机直接带隙和间接带隙直接带隙：导带最小能级和价带最大能级有相同的动量，电子是垂直跃迁的，发光效率高间接带隙：导带最小能级和价带最大能级动量不同，要完成电子的跃迁，必须有其他粒子的参与以保持动量守恒。•电子跃迁导带禁带价带动量（a）直接带隙kp电子跃迁导带禁带价带动量（b）间接带隙Ep第3章光源和光发射机2LD结构基本部分：有源层、限制层和端镜面电极背出光面N-GaAs前端镜面电极限制层N-AlGaAs有源层P-GaAs限制层P-AlGaAsN-GaAs激光二极管结构第3章光源和光发射机(1)有源层和限制层当PN结上加正向电压时，电子就会从N型限制层注入到有源层，同样，空穴会从P型限制层注入到有源层，电子和空穴在此区复合。当外加电压增加到有源层的禁带宽度Eg时，激光器就开始振荡，发出激光。因为限制层的禁带宽度Egn、Egp比有源层的Eg要宽，其导带所处的能量要比有源层的导带高，所以就形成了异质势垒，使注入到有源层的电子、空穴不会跑掉，而被封闭在有源区内，实现了载流子的封闭作用。(a)能量电子空穴EgpP-(AlGaAs)N-(AlGaAs)P-(GaAs)(b)(c)(d)折射率光场分布EgnEg双异质结的结构第3章光源和光发射机(2)端镜面LD两端是互相平行的端镜面，非常平坦光亮，使有源层产生的光部分逸出。另外，有源层里产生的光不断在两端镜面间反射，形成光的振荡。随着电流不断注入，光逐渐被放大并趋于稳定的输出状态。有源层实质上是一个矩形有源光波导，它与端镜面共同构成具有频率选择的光波振荡器、放大器和光的储存器。第3章光源和光发射机3．激光器的工作原理激光器包括以下3个部分：必须有产生激光的工作物质（激活物质）；必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）；必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。（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物质，它是产生激光的必要条件。第3章光源和光发射机（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，使得N2＞N1，从而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。（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。第3章光源和光发射机图3-2光学谐振腔的结构①光学谐振腔的结构在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。第3章光源和光发射机②谐振腔产生激光振荡过程如图所示，当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，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。当它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。当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是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。当达到平衡时，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，激光器即保持稳定的输出。第3章光源和光发射机激光器示意图第3章光源和光发射机③光学谐振腔的谐振条件与谐振频率设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为（3-1）或（3-2）式中，c为光在真空中的速度，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3…称为纵模模数。谐振腔只对满足式（3-1）的光波波长或式（3-2）的光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。qnL2nLqf2cc第3章光源和光发射机④起振的阈值条件激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如以G表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是（3-3）α为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。G：增益介质的增益a：增益介质的损耗：透过反射镜的损耗1211ln2GLrr1211ln2Lrr第3章光源和光发射机4LD模式光学谐振腔的谐振条件：或其中，L为谐振腔的长度；为光波的波长；f为光波的频率；n为介质的折射率；，称为纵横模数。激光器中振荡的光频率只能取些分立值，m的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。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。只剩下一个模的激光器称为单纵模激光器，否则称为多纵模激光器。激光振荡出现在垂直于腔轴线的方向上，这时在激光器出光的端面上出现稳定的光斑，将这种横向的光场分布称为横模。2Lmn1,2m2cfmnL第3章光源和光发射机3.1.2LD的性质1P-I特性Ith：LD由自发辐射到开始受激振荡时的临界注入电流。当注入电流小于阈值电流Ith时，器件发出微弱自发辐射光，是非相干的荧光；当注入电流超过阈值时，器件进入受激发射状态，发出的光是相干激光，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关系。阈值电流Ith是激光器的重要参数，该值越小、越稳定，说明激光器的设计和制造工艺越好。短波长激光器，Ith一般在50mA～100mA之间；长波长激光器的Ith一般在20mA～50mA之间，目前较好的激光器阈值电流小于10mA。第3章光源和光发射机激光器的P-I特性对温度很敏感，为解决半导体激光器温度敏感问题，可以在驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持器件的温度稳定．通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。第3章光源和光发射机激光器P—I曲线激光器P—I曲线随温度的变化第3章光源和光发射机2光电效率光电效率是表示电功率转换为光功率的比率。内量子效率LD的发光是靠注入有源层的电子与空穴的复合辐射发光的，但并非所有的注入电子与空穴都能够产生辐射复合。外量子效率（总效率）LD内量子效率可做得很高，甚至可以接近100％，但实际的激光器发射输出光子数远低于有源层中产生的光子数，这一方面是由于发光区产生的光子被其它部分材料吸收，另一方面由于PN结波导效应．光子能逸出界面数目大大减少I单位时间内产生的光子数单位时间内注入的电子空穴对数T发射的光子数单位时间内注入的电子－空穴对数第3章光源和光发射机外微分量子效率外微分量子效率ηD定义为P－I曲线线性范围内的斜率，所以又称为斜率效率。ηD与激光器的结构参数、工艺水平以温度有关。实际工作中ηD使用较多，也最重要。该值约为15％～20％，对于高性能器件，则可达到30％～40％。第3章光源和光发射机3光谱特性激光器的光谱特性主要由其纵模决定。LD的谱宽，其定义为纵模包络下降到最大值一半时对应的波长宽度，也称半高全宽光谱宽度。单纵模激光器的谱宽度又称为线宽。多纵模激光器光谱特性包络内，一般含有3～5个纵模，Δλ值约为3～5nm；较