第4章光源和光发射机.ppt

第4章光源和光发射机本章内容4.1半导体的能带理论4.2发光二极管4.3半导体激光器4.4光调制4.5光发送机小结、习题概述一，光通信对光源的要求合适的波长0，而且光谱窄足够的入纤光功率P良好的调制特性（响应速度快）稳定性好，寿命长，成本低常用半导体激光器LD和发光二极管LED；二，采用半导体光源的理由体积小，易与光纤耦合发光波长适合光纤的低损耗传输窗口可以电光直接调制可靠性较高4.1半导体的能带理论1.半导体的能带半导体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。作共有化运动的电子受到周期性排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。因此，晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。虽然在半导体中能级还是离散的，但是每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。人们把这些组想象为很宽的连续的能量区，称为能带。能级理论：原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成；电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量发生能级跃迁；能级所对应的能量值是离散的。锗、硅和GaAs等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带。价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。价带上面的能带称为导带。价带和导带之间的宽度，不能被电子占据,因此称为禁带。（1）半导体的禁带很窄，价带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。（3）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。（2）绝缘体的禁带很宽，价带中的电子很难进入导带，导电性很差。E外场EE价带导带价带导带价带导带（1）半导体eVEg1禁带eVEg10禁带外场（2）绝缘体（3）金属半导体光源：在注入电流作用下，电子从低能级跃迁到高能态，形成粒子数反转，电子再从高能态跃迁到低能态产生光子而发光。半导体光检测器：注入光作用下，电子从低能态跃迁到高能态，并在外加电场作用下形成光生电流。处于高能态（导带）电子不稳定，向低能态（价带）跃迁，而能量以光子形式释放出来，发射光子的能量hυ等于导带价带能量差，即hυ＝Ec-Ev＝Eg。发光过程：自发发射：处于高能态的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能态上，并发射一个能量为E2-E1的光子；受激发射：处在高能态的电子在外界光场的感应下，发射一个和感应光子一模一样的光子，跃迁到低能态。自发发射􀂾光子随机地向各个方向发射，每次发射没有确定的相位关系——非相干光。LED通过自发发射过程发光。受激发射􀂾光子的发射方向、相位、频率都与激发它们的光子相同——相干光。LD通过受激发射过程发光。由于价带和导带之间是多个能级参与辐射，所以半导体发射的光存在一定的光谱宽度。光吸收：处于低能态电子，如果受到外来光的照射，当光子能量等于或大于禁带能量时，光子将被吸收而使电子跃迁到高能态。光吸收过程：受激吸收：如果入射光子的能量hν近似等于E2-E1，光子能量就会被吸收，同时基态上的电子跃迁到高能态。半导体光检测器基于这种效应。􀂾自发发射、受激发射和受激吸收三种过程是同时存在的。考虑两能级原子系统。在单位物质中，处于低能级E1和高能级E2的原子数分别为N1和N2。系统处于热平衡状态时，服从玻尔兹曼统计分布：21exp()exp()gENhvNkKkKN1N2：在热平衡状态下，自发发射居支配地位，不能发射相干光。N2N1：受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，产生放大作用。这种分布和正常状态的分布相反，称为粒子数反转。费米能级----在热平衡下电子占据能级的概率0.510)(EfEfETT)(11)(kKEEfeEf式中，玻尔兹曼常数K是绝对温度023/1038.1KJk当K=0,EEff(E)=1EEff(E)=0E=Eff(E)=0.5kKEEf5如则f(E)0.7%当K05fEEkK如则f(E)99.3%费米能级位置高低反映电子占据能级的水平（近似认为以上无电子）fE1.24()()()gggcchcmEEeVEeVh3486196.626103101.24101.610hce物质禁带Eg（eV）波长（nm）Si1.171067Ge0.7751610GaAs1.424876InP1.35924InGaAs0.75~1.241664~1006AlGaAs1.42~1.92879~650InGaAsP0.75~1.351664~9242.半导体PN结的形成当一个P型半导体和一个N型半导体有了物理接触时，就形成一个PN结。GaAs掺Ge或Zn→P型2345GaAs掺Te或Si→N型3465N型半导体中过剩电子占据了本征半导体的导带。P型半导体中过剩空穴占据了价带。本征半导体的费米能级位于带隙中间；N型掺杂将使费米能级向导带移动，P型掺杂使费米能级向价带移动；对于重掺杂N型半导体，费米能级位于导带内——兼并型N型半导体；对于重掺杂P型，费米能级位于价带内——兼并型P型半导体；双兼并型半导体：非热平衡状态时，在Efc和Efv之间形成了一个粒子数反转区域。如果入射光波能量满足：则经过双兼并型半导体时将得到放大。gfcfvEhvEEPN结具有单向导电性当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱了自建场，P区的空穴通过PN结流向N区，N区的电子也流向P区，形成正向电流。由于P区的空穴和N区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。当PN结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同，多数载流子将背离PN结的交界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。正向偏压：P区空穴不断流向N区，N区电子流向P区，通过复合发光。自发发射复合——LED受激发射复合——LD反向偏压：区域内电子和空穴都很少，形成高阻区。一个热平衡系统只能有一个费米能级。处于热平衡状态时，PN结两侧的费米能级相等。如果N区的能级位置保持不变，则P区的能级应该提高。P区N区当正向电压加大到某一值后，PN结里出现了增益区(有源区)。Efc和Efv之间价带主要由空穴占据，导带主要由电子占据，即实现了粒子数反转。3.同质结和异质结同质结就是在PN结的两边使用相同的半导体材料。采用同质结结构的激光器或发光二极管存在如下两个问题。首先是对光波的限制不完善。另一方面的问题是对载流子的限制不完善。因此，为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面来进行改进。双异质结：在宽带隙的P型和N型半导体材料之间插进一薄层窄带隙的材料。异质结(heterojunction)1,本征材料GaAs①AsAlGaGaAsAlAsxxxx11)()(②--宽带隙材料，如：组分x改变折射率n带隙Eg损耗2,分类反型异质结同型异质结P型GaAs—N型GaAlAsN型GaAs—P型GaAlAsP型GaAs—P型GaAlAsN型GaAs—N型GaAlAs3,构成例单异质结（SH）GaAsNGaAsPGaAlAsP异质结作用区双异质结（DH）GaAsNGaAlAsNGaAsPGaAlAsP作用区异质结双异质结(DH)是窄带隙有源区(GaAs)材料被夹在宽带隙的材料(GaAlAs)之间构成。增加载流子的注入效率形成光波导效应降低阈值电流带隙差形成的势垒将电子和空穴限制在有源区复合发光；折射率使光场（光子）有效地限制在有源区。4.2发光二极管的工作原理发光二极管(LED)是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用PN异质结制造。LED的原理是在LED注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。LED是非相干光源，它的发光过程是自发辐射过程，发出的是荧光，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。1.LED的结构和工作原理正向电压V提供的外加能量激发了处于导带的电子和空穴进入耗尽区并且发生复合，促使发光二极管LED产生了能量。与普通二极管以热能的方式释放能量不同，LED将大部分产生的能量以可见光的方式释放出来。pNEPt光功率电流NeItpEPIepEPIeN——电子数目η——量子效率Ep——LED可分为面发光二极管和边发光二极管两大类1)面发光二极管（SLED）Surface从平行于结平面的表面发光。SLED光束呈朗伯分布：P=P0cosθSLED特点：工艺简单。发散角大。效率低。调制带宽较窄。为提高面发光LED与光纤的耦合效率：在井中放置一个截球透镜；或者将光纤末端形成球透镜。2）边发光二极管（ELED）Edge边发光二极管结构，1.31μm，双异质结InGaAsP/InP。核心部分是一个N-AlGaAs有源层，及其两边的P-AlGaAs和N-AlGaAs导光层(限制层)。导光层的折射率比有源层低，但比其他周围材料的折射率高，从而有源层产生的光波从端面发射出来。ELED特点：发散角、耦合效率和调制带宽均比面发光LED有改善。LED有如下工作特性：1)LED它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。短波长3050nm长波长60120nm2）LED的输出光功率特性LED的P-I曲线线性范围较大，当驱动电流I较小时，P-I曲线的线性较好，在进行调制时，动态范围大，信号失真小。工作电流50100ImA入纤光功率：几百微瓦输出光功率：几十毫瓦3）耦合特性发散角40120耦合效率低SLED20()inPPNA4）温度特性2060TC温度特性较好典型渐变折射率62.5/125光纤的NA是0.275200()0.0756inPPNAP5）载流子生存周期和调制带宽111rnr1BWSLED2030CfMHzELED100150CfMHz辐射复合生存期非辐射复合生存期4.3半导体激光器半导体激光器（LD）主要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。近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。1、半导体激光器(LD)是光纤通信最主要的光源，对它的基本要求有以下几点：（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85μm、1.31μm或1.55μm。（2）光源的谱线宽度较窄，Δλ=0.1～1.0nm。（3）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。（4）与光纤耦合效率高，30%～50%。（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。2、LD的工作原理半导体激光器的组成工作物质激励源光学谐振腔半导体激光器产生激光输出的基本条件：激光振荡的阈值条件在热平衡下具有统一的费米能级两异型半导体一接触NP开始，载流子扩散运动占优势但扩散形成势垒，不仅有碍扩散，而且导致反向漂移。最终，扩散运动和漂移运动相互平衡，能带弯扭，PNEfDqV电子势能孔穴势能（就导带的电子而言：P区的较N区的高出势能,同理对于孔穴势能：N区的比P区的高）从而具有统一的费米能级PNEfDqV电子势能孔穴势能外加正偏压下，（势垒降低）在结区形成集居数分布反转~+_cEvEh载流子复合辐射发光)()(24.1meVEEEhCCgvceVEGaASg424.1:3.常用半导体激光器1）法布里—珀罗激光器普通的半导体激光器一般采用条形结构双异质结半导体激光器(BHLD)，光学谐振腔为法布里－珀罗腔(F－P)，它可以分为两类，即增益波导LD和折射率波导LD。Lm21驻波条件及谐振频率qLq222qLq22qqccqnnL谐振腔总损耗（平均衰减系数）220120i