半导体激光器与发光二极管

第三章半导体激光器与发光二极管构成光纤通信系统三大部分之一的光发射部分的核心是产生激光或荧光的光源，它包括半导体激光器LD（LaserDiode）和半导体发光二极管LED（LightEmittingDiode），它们的共同特点是：体积小，重量轻，耗电量小。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。第三章半导体激光器与发光二极管第三章半导体激光器与发光二极管2020/5/122引言一、光纤通信系统对光源的基本要求：（1）稳定性好，可在室温下连续工作；（2）尺寸和结构要小；（3）光波应匹配光纤的两个低损耗波段；（4）信号调制容量大。第三章半导体激光器与发光二极管2020/5/123引言二、最常用的发光器件：（1）LD：半导体激光二极管或称激光器(LD),发出的是激光.a.极窄的光谱带宽；b.极大的调制容量；c有定向输出特性；d.辐射具有光相干特性。适用于长距离，大容量，高码速系统优点：输出特性曲线线性好；使用寿命长；成本低.（2）LED：发光二极管或称发光管(LED),发出的是荧光。a.非相干的自发辐射；b.结构及工作方式简单；适用于短距离，低速，模拟系统缺点：谱线宽度较宽；调制速率较低；与光纤的耦合效率较低。第三章半导体激光器与发光二极管半导体激光器（LD）图例红光点状光斑激光器工作参数输出波长：635nm650nm670nm出光功率：0～75mw光斑直径：工作电压：3V4.5V5V6V图3.1*第三章半导体激光器与发光二极管发光二极管图例圆形发光二极管工作参数波长：470nm发光强度：1000－4000mcd正向电压；3.4v图3.2*第三章半导体激光器与发光二极管光电检测器图例图3.3*插拔式光电二极管图3.4*APD雪崩光电二极管第三章半导体激光器与发光二极管一、光子1950年，爱因斯坦提出光量子学说。他认为光是由能量为hf的光量子组成的，其中，h=6.626×10-34J·S，称为普朗克常数，f是光波频率，人们称这些光量子叫做光子。不同频率的光子具有不同的能量，而携带信息的光波它具有的能量只能是hf的整数倍，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反射。光子概念的提出，使人们认识到，光不仅具有波动性，而且还具有粒子性，而且两者不可分割（两重性）。§3-1与激光器有关的概念第三章半导体激光器与发光二极管二、费米能级1、原子能级的概念物质是由原子组成，而原子又是由原子核和核外电子构成，当物质中原子的内部能量变化时，即可能产生光波。因此要研究激光的产生过程，就应了解原子能级分布。电子在原子核外按一定的轨道运动，就具有了一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的数值，这些允许的数值，因轨道不同，而一个个分开的，即不连续的，我们把这些分立的能量值，称为原子的不同能级。(*04)第三章半导体激光器与发光二极管2、费米能级物质中的电子不停地做无规则的运动，他们可以在不同的能级间跃迁，即对于某一电子而言，它所具有的能量时大时小，不断变化，而电子按能量大小的分布却有一定规律。第三章半导体激光器与发光二极管在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为：式中：（概率）：为电子的费米分布函数Ko：玻耳兹曼常数，T：绝对温度：费米能级，它只反映电子在各能级中分布情况的一个参数。根据上式，我们可以得到图3.1所示的费米分布函数曲线：)exp(1111)(]/)[(0KTEEeEffTKEEf)(EfKJK/1038.1340fE第三章半导体激光器与发光二极管由图3.1可见：在T0K时若E=Ef：则f(E)=1/2，则说明该能级被电子占据的概率为50%若EEf：则f(E)1/2若EEf：则f(E)1/2。故：费米统计规律是：物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一定规律占据能级。第三章半导体激光器与发光二极管三、光与物质的三种作用形式光可以被物质吸收，也可以从物质中发射，爱因斯坦指出了三种不同的基本过程如图3.2所示（下面简述E1、E2二能级系统为例）。（1）自发辐射这是一种发光过程。设原子的两个能级E1和E2，E1为低能级，E2为高能级，由于处在高能级的电子不稳定，在未受外界激发的情况下，自发地跃迁到低能级，在跃迁的过程中，根据能量守恒原理，发射出一个能量为hf的光子，发射出的光子能量为两个能级之差：即，则发射光子的频率：12EEhfhEEf12第三章半导体激光器与发光二极管自发辐射的特点如下：1）这个过程是在没有外界作用的条件下，而自发产生的，是自发跃迁。2）由于发射出光子的频率决定于所跃迁的能级，而发生自发辐射的高能级不是一个，而可以是一系列的高能级，因此辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。3）即使有些电子是在相同的能级差间进行跃迁，也就是辐射出的光子的频率相同时，但由于它们是独立的，自发的辐射，因此，它的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干的。第三章半导体激光器与发光二极管（2）受激吸收物质在外来光子的的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫受激吸收。受激吸收的特点：1°这个过程必须在外来光子的激发下才能产生，因此是受激跃迁。2°外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差，如E=E2-E1=hf3°受激跃迁的过程中，不是放出能量，而是消耗外来光能。第三章半导体激光器与发光二极管（3）受激辐射这是另一种发光过程，处于高能级E2的电子当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1，同时放出一个能量为2hf的光子，由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫受激辐射。第三章半导体激光器与发光二极管受激辐射的特点：1°外来光子的能量等于跃迁的能级之差，hf=E2-E12°受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向传播方向都相同，因此称为全同光子。3°这个过程可以使光得到放大，这是因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果而使光增强，使入射光得到放大。因此，受激辐射引起光放大，是产生激光的一个重要的基本概念。第三章半导体激光器与发光二极管§3-2激光器的一般工作原理激光器是指激光的自激振荡器。要使光产生振荡，必须是使光得到放大，而产生光放大的前题，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收，因此，受激辐射是产生激光的关键。一、粒子数反转分布与光放大之间的关系设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，正常状态下N1＞N2，则单位时间内，从高能级跃迁到低能级上的粒子数总是小于从低能级跃迁到高能级的粒子数，这时受激吸收大于受激辐射击，即在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用。第三章半导体激光器与发光二极管要想物质能产生光放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，即N2＞N1，这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。因此，粒子数反转分布状态是物质产生光放大的必要条件。我们将粒子数处于反转分布状态的物质，称增益物质，或激活物质。第三章半导体激光器与发光二极管二、激光器的基本组成电振荡器构成的三个条件：放大、振荡、反馈。而激光振荡器也应由三部分组成：1）有能够产生激光的工作物质（放大）。2）有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（振荡）。3）有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔（反馈）。第三章半导体激光器与发光二极管1、能够产生激光的工作物质就是可以处于粒子数反转分布状态的工作物质（前题），这种物质要有确定能级的原子系统，通过分析可知在三能级以上系统中即可得到粒子反转分布。2、泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，叫做泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使粒子从低能级跃迁到高能级，使N2＞N1，这种情况下，受激辐射大于受激吸收，从而有光放大作用，这时的工作物质已被激活，成为激活物质或称增益物质。3、光学谐振腔增益物质只能使光放大，要形成激光振荡器，还需要光学谐振腔，以提供必要的反馈及进行频率选择。第三章半导体激光器与发光二极管（1）光学谐振腔的结构（如图3.3）在增益物质的两端，适当位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。如果平面镜，叫平面腔。如球面镜，叫球面腔。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1，另一个为部分反射，如M2的反射系数r＜1，产生的激光由此射出。第三章半导体激光器与发光二极管(2)谐振腔如何产生激光振荡当工作物质在泵浦源的作用下，变为激活物质后，即有了放大作用，如果被放大的光有一部分能够反馈回来，再参加激励，这相当于电路中用正反馈实现振荡，这时被激励的光就产生振荡，满足一定条件后，即可发出激光。如图3.4所示：第三章半导体激光器与发光二极管激光的产生原理：当工作物质在泵浦源的作用下，变为激活物质以后，即有了放大作用。将在泵浦源激发下，处于粒子数反转分布状态的工作物质，置于光学谐振腔内，腔的轴线应与激活物质的轴线重合，被放大的光在谐振腔内，在两个反射镜之间来回反射，并不断地激发出新的光子，进一步进行放大，但在这个运动过程中也要消耗一部分能量（不沿谐振腔轴线方向的光波会很快射出腔外，以及M2反射镜的透射也会损耗部分能量）。当放大足以抵消腔内损耗时，就可以使这种运动不停地进行下去，即形成光振荡。当满足一定条件后，就会从反射镜M2透射出一束笔直的强光——激光。第三章半导体激光器与发光二极管综上所述：要构成一个激光器，必须具备三要素：1°工作物质：又称增益物质2°泵浦源：激发工作物质实现NcNv的外界能源。如正向偏置的PN结激光器3°光学谐振腔：提供必要的反馈以及进行频率选择。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。第三章半导体激光器与发光二极管三、激光的参量1、平均衰减系数α在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能足以抵消腔内的损耗，而腔内损耗的大小，用平均衰减系数α表示：式中：：除反射镜M2透射损耗以外的其它损耗所引起的衰减系数。：谐振腔反射镜M2的透射损耗引起的衰减系数。L：谐振腔两个反射镜之间的距离。r1、r2：谐振腔两个反射镜的功率系数。211ln21rrliriir第三章半导体激光器与发光二极管2、增益系数G激活物质的放大作用，我们用增益系数G表示。如图3.5、3.6所示：I0为激活物质的输入光强，经过距离之Z后，光强放大到I，到了（Z＋dZ）处，光强为（I＋dI），那么，在dZ长度上，光强的增益dI为：称G为增益系数：它表示光通过单位长度的激活物质之后，光强增长的百分比。dZIGdIIdZdIG/第三章半导体激光器与发光二极管3、阈值条件一个激光器并不是在任何情况下都可以发出激光的，它需要满足一定的条件，由衰减系数的概念可以看出，要使激光器产生自激振荡，最低限度应要求激光器的增益刚好能抵消它的衰减，我们将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。即：其中：Gt称为阈值增益系数。由上式可见，激光器的阈值条件，只决定于光学谐振腔的固有损耗αi，αi损耗越小，阈值条件Gt越低，激光器就越容易起振。211ln21rrlGit第三章半导体激光器与发光二极管四、谐振频率谐振频率是光学谐振腔的重要参数。对平行平面腔而言，由于腔的尺寸可远大于工作波长，因此，腔内的电磁波可认为是均匀平面波，而且在腔内往返运动时，是垂直于反射镜而投射，如图3.7：由A发出的平面波→M2垂直返回→M1返回→A时，波得到加强，如果它们之间的相位差正好是2π的整数倍时，显然就达到了谐振。设谐振腔的长度L，谐振腔介质中光的波长λg，则满足相位差2π的整数倍时，有此式表明，光波在谐振中往返一次，光的距离（2L）恰好为λg整数倍，即相位差2π的整数倍。.2qLg.........321、、、q第三章半导体激光器与发光二极管故光波长：这就是光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件。当光学谐振腔内，工作物质折射指数为n时，由上式可得出折算到真空光学谐振腔的谐振波长λ0g与谐振频率f0g