第4章光源和光发射机-电子通信专业

第四章光源和光发射机OpticalSourcesandOpticalTransmitter光纤通信张树东[e-mail]光信息科学与技术曲阜师范大学物理工程学院光纤通信系统的组成组成基本单元:光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机。互连与光信号处理器件:光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。光源调制器驱动电路光发射机放大器光电二极管判决器光接收机光纤光纤中继器第四章光源和光发射机在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光发射机的关键器件是光源：LED(LightEmissionDiode)LD(LaserDiode)第四章光源和光发射机4.1光源4.2光发射机主要介绍数字光发射机的基本组成、工作特性和主要电路！4.1.1半导体的能带理论4.1.2PN结同质结异质结4.1.3发光二极管(LED)4.1.4激光二极管(LD)(半导体激光器)4.1.5若干半导体激光器简介4.1.6半导体光源一般性能和应用4.1光源4.1.1半导体的能带理论在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。1.能带4.1光源4.1.1半导体的能带理论与原子价电子相应的能带.接近绝对0K时电子均束缚于价带中,价带以上的能带是空的.价带:由于热或光的激发,价带中的部分电子挣脱原子束缚成为自由电子进入价带上面空着的能带,这些电子是能参与导电的,故称价带上面的能带为导带.导带:4.1光源4.1.1半导体的能带理论gEcEvEKT0电子空穴KT0激发复合cE--导带底能级vE--价带顶能级vcgEEE--禁带宽度,能隙4.1光源ValencebandConductionbandbandgap4.1.1半导体的能带理论gEcEvEKT0热平衡(T)下本征半导体载流子的浓度)2exp(TkEKnpnBgi例:GaAs本征半导体,T=300K,Eg=1.42eVm=9.11*10-31kgme=0.068m;mh=0.56m则ni=2.62*106cm-34/32/32)()/2(2heBmmhTkK--为电子和空穴的有效质量hemm,4.1光源4.1.1半导体的能带理论2.N型和P型半导体向本征半导体中掺杂V族元素(P,As,Sb),导带中的电子浓度增加,电子为多数载流子.电子-负电荷-Negative-N型向本征半导体中掺杂III族元素(B,Al,Ga,In),价带中的空穴浓度增加,空穴为多数载流子.空穴-正电荷-Positive-P型KT0gEcEvE本征AEP型acceptorlevelDEN型Donorlevel4.1光源4.1.1半导体的能带理论3.费米(Fermi)能级EfT=0K热平衡状态下：Ef是完全填满电子的能级和完全空缺的能级的界限.gEcEvEDEAEN型P型本征fE4.1光源4.1.1半导体的能带理论TkEEEfBfexp11)(gEcEvEDEAEN型P型本征fET≠0热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的几率为费米分布:ffEEEEEfT,1,0)(,0fffEEEEEEEfT,2/1,2/1,2/1)(,04.1光源4.1.1半导体的能带理论KT0导带和价带中的载流子的密度不同4.1光源DEN型导带导带中电子密度大于价带中的空穴密度AEP型价带价带中空穴密度大于导带中的电子密度gEcEvE本征电子空穴密度相等fE4.1.1半导体的能带理论准费米能级：4.1光源当体系由于外界作用(如光照)而破坏热平衡状态时，体系不存在统一的费米能级，但费米能级分布对导带和价带各自仍然适用---导带费米能级，价带费米能级，即准费米能级。TkEEEfBfc22cexp11)(TkEEEfBfvv11exp11)(4.1.2PN结同质结异质结1.半导体导电性外电场方向不影响导电性.无论本征半导体,还是掺杂的N型,P型半导体,在外加电场下均可导电,导电性介于导体和绝缘体之间.4.1光源4.1.2PN结同质结异质结2.PN结P型和N型半导体接触,在接触面附近形成PN结.正向P区N区I1P区N区反向I2外电场方向不同,导电性大不相同.I1I24.1光源4.1.2PN结同质结异质结PN结形成图解:图解1:P,N半导体接触前4.1光源4.1.2PN结同质结异质结图解2:P,N半导体接触4.1光源4.1.2PN结同质结异质结图解3:载流子扩散4.1光源4.1.2PN结同质结异质结图解4:内电场建立,扩散运动和漂移运动同在,能带发生倾斜4.1光源4.1.2PN结同质结异质结图解5:PN结形成后4.1光源4.1.2PN结同质结异质结3.外加正向电场的PN结图解1:外接电源4.1光源4.1.2PN结同质结异质结外加正向电场的PN结图解2:接通电源,内电场被削弱,耗尽层变窄4.1光源4.1.2PN结同质结异质结激活区电子-空穴复合发光是LED,LD产生辐射的“源”!图解3:能带发生移动,产生激活区4.1光源4.1.2PN结同质结异质结4.同质结和异质结P区和N区为同一半导体物质的形成的PN结,为同质结P区和N区为不同半导体物质的形成的PN结,为异质结n-GaAsp-GaAsn-GaAsp-GaAsp+-GaAlAsp+-GaAsn-GaAlAsp-GaAsp+-GaAlAsp+-GaAsn+-GaAs同质结单异质结双异质结(DH)4.1光源(DH:DoubleHeterostructure/Heterojunction)4.1.2PN结同质结异质结典型的双异质结结构:n-Ga1-xAlxAs光导和载流子限制层(~1um)p-GaAs金属接触改善层(~1um)n-GaAs衬底层金属接触层n-Ga1-yAlyAs复合区(~0.3um)p-Ga1-xAlxAs光导和载流子限制层(~1um)金属接触层4.1光源4.1.3发光二极管(LED)4.1光源（LED：light-emittingdiode）4.1.3发光二极管(LED)1.发光原理:加正向偏压的PN结中电子-空穴复合发光.属于自发辐射.光的自发辐射EcEvhnhn发光二极管—光的自发辐射当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射光子,有不同的相位、偏振方向和传播方向，因而是非相干光。处于不同的高能级的电子自发辐射到不同的低能级，发射光子的能量有一定的差别，因而LED辐射线宽较宽。4.1光源4.1.3发光二极管(LED)2.LED结构:面发光SLED(Surface-emittingLED)4.1光源基片热沉/散热器4.1.3发光二极管(LED)边发光ELED(Edge-emittingLED)4.1光源4.1.3发光二极管(LED)3.LED光谱特性自发辐射,非相干光Eg单位为eV波长:中心波长(Peak)取决于禁带宽度EgpghchvE/)(2398.1mEEhcggpEcEvEg能量E空穴电子导带费米能级价带费米能级光子eVhvEFnEFp状态密度4.1光源4.1.3发光二极管(LED)Eg单位为eV如:AsAlGaxx1半导体LED经验公式:2266.0266.1424.1xxEg(x为AlAs与GaAs的摩尔比率))(2398.1mEEhcggp4.1光源0.00.10.20.30.40.51.41.61.82.02.2Wavelength(um)0.60.50.80.9Bandgapenergy(eV)Almolefraction,x0.7Ga1-xAlxAsat300K4.1.3发光二极管(LED)SpectralemissionpatternofGa1-xAlxAsLEDwithx=0.08810770850nm36nm线宽:通常达几十nm4.1光源4.1.3发光二极管(LED)4.LED光束的空间分布cos)(0PP辐射光功率:--朗伯(Lambert)分布半功率点处:=60度半功率宽度:120face4.1光源4.1.3发光二极管(LED)30120//4.1光源4.1.3发光二极管(LED)5.SLED的输出功率、耦合功率、耦合效率cos)(0PPSLED为朗伯(Lambert)体4.1光源2)(/NAPPLEDFibercouple光纤SLED输出总功率：ddrdrPPsin)(a0r2/020LED2021aP耦合到光纤的功率：ddrdrPPsin)(a0r020Fibermaxmax220sin21aP耦合效率：4.1.3发光二极管(LED)6.内量子效率(internalquantumefficiency)与光功率在众多的电子-空穴对复合中,仅有部分产生辐射。nrrrrRRRRRint其中R,Rr,Rnr分别为总复合速率,辐射复合速率和非辐射复合速率.||eIRIehchveIRhvhvRPr||||intintintint又其中I为电流强度光功率:4.1光源内量子效率为产生辐射的复合对数目与总的复合对数目之比.速率Rate辐射radiation非辐射non-radiationI/|e|hvPRRr/intint4.1.3发光二极管(LED)7.LED的P-I特性曲线43210501001500℃25℃70℃电流/mA输出功率/mW驱动电流I较小时，P-I线性较好；I过大时，PN结发热产生饱和;温度上升，辐射功率下降4.1光源4.1.3发光二极管(LED)8.频率响应H(f)以频率(w=2f)对LED驱动电流I进行调制,与未调制前的直流相比,则输出光功率POp下降理论证明:2)2(11)0()()(effOptOptfPfPfH其中eff称为载流子有效寿命.e£½1.1nse£½2.1nse£½6.4ns1001000100.110µ÷ÖÆƵÂÊf/MHzƵÂÊÏìÓ¦H(f)4.1光源4.1.3发光二极管(LED)光带宽:定义:21)2(11)0()()0()(2effOptOptfIfIPfP得:21)0()(OptOptPfP对应的频率为光带宽)2/(3,3effopdBffdBPfPRatioOptOptOp321log10)0()(log10)(---3dB点4.1光源4.1.3发光二极管(LED)9.LED应用范围,优点,缺点:4.1光源4.1.4激光二极管(LD)4.1光源(LD:Laserdiode)4.1.4激光二极管(LD)1.发光原理:加正向偏压的PN结中电子-空穴复合发光.加谐振腔,受激辐射.光的受激发射EchnEvhn输入输出激光器—光的受激发射产生激光的条件:泵浦源(激励源):注入能量,实现粒子数反转分布激活物质:产生激光的物质基础,PN结光学谐振腔:提供正反馈,满足振荡条件4.1光源4.1.4激光二极管(LD)2.粒子数反转分布的实现:注入电流达到一定值,准费米能级之差大于禁带宽度,PN结中出现一个增益区(有源区,激活区),价带主要由空穴占据,导带主要由电子占据,实现粒子数反转.4.1光源4.1.4激光二极管(LD)3.激光谐振腔沿特定的晶体解理面(110)切割组成谐振腔以F-P腔为例4.1光源4.1.4激光二极管(LD)产生激光的阈值条件---分别为增益系数和损耗系数)(22104gLeRRII0I1I2I3I4I2R1RL,g,g阈值条件:04II1)(221gLeRR)1ln(2121RRLggth4.1光源4.1.4激光二极管(LD)产生激光的相位条件腔内沿相反方向行进的两列行波叠加形成驻波,腔长为半波长的整数倍.中心波长:2mnLL取决于禁带宽度EgpghchvE/(可能的驻波,纵模)----n为有源区介质折射率;----m为纵模