第3章 通信用光器件课件

1、第1、3章通信用光设备，第2章的内容光源：半导体激光和发光二极管光电探测器：pin和APD光电二极管无源光器件：光连接器、光衰减器、光电耦合器和光开关等本章的核心半导体激光和发光二极管的工作原理光电探测器工作原理和工作特性无源光器件的功能和主要性能本章中的困难发光机制，第3章了解半导体激光器的物理基础了解半导体激光器和发光二极管的工作原理和工作特性了解光电探测器的工作原理和特性了解无源光器件的功能和主要性能了解光放大器的基本结构和应用，4，3.1光源，光源设备：光纤通信设备的核心，其作用是将光信号转换为光信号并将其传送到光纤。 光通信中常用的光源设备：半导体激光器(LD):适用于远距离大容量光

2、通信系统。特别是单端模式半导体激光器在高速、大容量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、低码速度数字光纤通信系统或模拟光纤通信系统。制造工艺简单，成本低，可靠性好。5，3.1.1激光器的工作原理，半导体激光器：将电流注入半导体P-N连接器，实现粒子数的反向分布，产生感应辐射，然后利用谐振腔的正向反馈进行光放大，产生激光振荡输出激光器。1激光的物理基础(1)光子的概念光量子学说认为光是由能量为HF的光量子组成的。其中h=6.6281034Js(焦耳秒)是普朗克常数，f是光波频率，人们称这种光量子为光子。光与事物相互作用时，光子的能量被整体吸收或释放。6，(2)原子由

3、原子组成，原子由核和核外电子组成。原子在稳定状态下的能量水平不同。最低能量水平E1称为基态，所有其他能量大于基态的能量水平Ei(i=2，3，4，)称为激发态。电子从较高能量级别E2转换到较低能量级别E1时，能量级别之间的能量差异为E=E2E1，这是辐射光的频率F12和7，h是普朗克常数，F12是吸收或发射的光子的频率。低能级E1的电子暴露在光子能量E=hf12的光下时，其能量被吸收，原子的电子被提升到更高的能量级E2。光通信用发光元件和光检测元件利用了这两种现象：8、半导体的波段结构、9、(3)光和物质三种作用形式的光和物质的相互作用，可以归结为光和原子的相互作用，将经历感应吸收、自发辐射、感

4、应辐射三种物理过程。图3-1能级和电子跃迁，10，在正常状态下，电子一般处于低能级(即基态)E1，在入射光子的作用下，电子吸收光子的能量，然后转移到高能级(即激发态)E2，产生光电流，这种转变称为感应吸收光电探测器。高能级E2中的电子不稳定，即使没有外部效应，低能量级E1中与腔复合自然转移和释放的能量转换为光子辐射，这称为自发辐射发光二极管。11，电子在高能级E2，能量为hf12的外来光子在这里，强制电子与低能级E1相和腔复合，同时发射与激光发光相同的频率、相同相位、相同方向的光子(称为完全相同光子)。此过程发生在外部光子的激发下，因此这种转移称为感应辐射激光器。注：感应辐射具有相干性，自发辐

5、射具有非相干性，12，(4)粒子数反转分布和光放大刺激辐射是激光生成的核心。低能级粒子密度为N1，高能级粒子密度为N2，正常情况下N1N2总是大于刺激辐射。也就是说，在热平衡的条件下，物质不能放大光。为了使物质产生光的放大，即使N2N1(高能量等级的电子比低能量等级的电子多)，等离子体(电子)数的异常分布也称为粒子(电子)数的反向分布。粒子数反转分布状态是使物质发光的第一个条件。13，2激光工作原理激光器由以下三部分组成：必须有产生激光的工作物质(激活物质)；必须有能使工作物质处于粒子数的反向分布状态的激发源(泵源)。必须有能起到频率选择和反馈作用的光谐振腔。(1)产生激光的工作物质是产生激光

6、所需的被称为激活物质(或增益物质)的粒子数的反向分布状态的工作物质。14，(2)泵源称为外激励源，泵源创建工作物质生成粒子数的反向分布。泵的作用产生了N2N1，因此感应辐射大于感应吸收，光线增强。这时，工作物质被激活成为活性物质或增益物质。(3)光谐振腔激活物质只能放大光，只有将激活物质放置在光谐振腔中，提供必要的反馈，选择光的频率和方向，才能获得持续的光放大和激光振荡输出。激活物质和光学谐振腔是产生激光振动的必要条件15，图3-2光谐振腔的结构，光谐振腔的结构位于激活物质两端的适当位置，两个反射系数分别为R1和R2的平行反射镜M1和M2，构成最简单的光学谐振腔。如果镜子是平面镜，则称为平面镜

7、。如果镜子是球面镜子，则称为球面口袋，如图3-2所示。对于两个镜像，其中一个可以完全反射，另一个需要部分反射。16，谐振腔产生激光振荡过程，如图3-3所示，在泵源的作用下，工作物质发生粒子数的反向分布时，可以产生自发辐射。如果自发发射的方向与光学谐振腔轴不平行，则谐振腔会反射。只有与谐振腔轴平行的自发辐射存在，才能继续前进。在高能级遇到粒子时，诱导产生诱导转移，从高能级到低能级的转移发出相同的光子，这是刺激发射。17，在谐振腔中，感应发射光前后反射一次，相位的变化恰好为2的整数倍时，在相同方向传播的一些感应发射光相互强化，产生共振。达到一定强度后，在部分镜子M2中透射，形成直射激光束。达到平衡

8、时，在谐振腔中，每当感应放射光往返时，就会放大，准确地抵消消耗的能量时，激光保持稳定的输出。激光形成，18，图3-3激光图，19，光学谐振腔的谐振条件和谐振频率为谐振腔的长度为l，谐振腔的谐振条件为或，c为真空中的光速，激光波长，n为活性物质的折射率，l为谐振腔的空腔长度，q=1，2，谐振腔仅在满足自下而上光波波长或频率的情况下双向提供反馈，在空腔中相互加强共振，形成激光器。20，产生振动的临界条件激光器被称为产生激光振动的最低激光临界条件。阈值增益系数以Gth表示时，振动的临界条件是(3-2)在光谐振腔内激活物质的损耗系数，l是光谐振腔的腔长，R1，R2是光谐振腔两个镜的反射系数。21，3.

9、1.2半导体激光器、使用半导体材料作为工作材料的激光、被称为半导体激光器(LD)的LD的要求如下。光源的发光波长必须符合当前光纤的三个低损耗窗口(即0.85m、1.31m和1.55m)。可以在室温下长期持续工作，并提供足够的光输出功率。目前LD的尾光纤输出功率为500W2mW可以到达。LED的微光纤输出功率约为10瓦。与光纤的结合效率高。光源的光谱线宽要窄。较好的LD光谱宽度可达0.1nm。寿命长，工作稳定。，22，1半导体激光器的基本结构和工作原理由F-P腔激光器和分布式反馈(DFB)激光器两种方式组成。F-P共激光器在结构上可分为3种。图3-4半导体激光器的原理图，23，(1)同质连接半导

10、体激光器。用相同的半导体材料，不同的掺杂构成单层PN连接，称为同质连接LD。核心部分是在节点区域发射激光的P-N连接。例如：砷化镓(GaAs)同质结LD。缺点是阈值电流高，在室温下不能持续工作，不能实用。24、(2)异质半导体激光异质半导体激光器的“结”由不同的半导体材料制成，以降低临界电流并提高效率。异质半导体激光器由单一异质性和双重异质半导体激光器两种组成。例如GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85m。InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31m或1.55m，损失较小。其特点是对电子和光子的限制效应、注入电流减少和发光强度增加。25，图3-5InGaAsP双异质

11、结棒激光器基本结构，niga ASP称为发光作用区，其上下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。约束层和作用层之间形成了异类连接。底部级别nInP是基板，顶部级别P InGaAsP是改善与金属电极接触的接触层。目前，光纤通信用激光大多使用铟砷化镓(InGaAsP)双异质结条形激光器。26，(3)用半导体材料制作的激光的工作原理是，当激光在P-N连接上加正向偏置足够大时，在P-N连接的连接区域产生高能粒子数、低能粒子数减少分布状态。这种状态在刺激辐射大于刺激吸收的情况下产生光的放大效果。放大的光在由P-N结构组成的F-P光谐振腔(谐振腔的两个镜由半导体材料的自然分解面形成)中前后反射，如果

12、满足阈值条件，则发射激光。27，2半导体激光器的工作特性(1)发射波长半导体激光器的发射波长取决于传导带的电子向原子价转移时发射的能量。此能量类似于频带宽度Eg(eV)；在表达式(3-1)中，hf=Eg(3-5)表达式中，f(Hz)和(m)分别是发射光的频率和波长；c=3108m/，28，图3-6典型半导体激光器的输出特性曲线，(2)在阈值特性LD的情况下，当加正向电流达到一定值时，输出光电功率急剧增加，产生激光振动，该电流称为临界电流，用Ith表示。29，图3-7GaAlAs-GaAs激光器的光谱，(3)光谱特性LD的光谱随激发电流的变化而变化。IIth发出具有宽光谱的荧光，如图3-7(a)

13、所示。IIth后，发射光谱突然变窄，显示光谱中心强度发射激光，如图3-7(b)所示。30，随着驱动电流的增加，纵向模式系数逐渐减小，谱线宽度变窄。如果驱动电流足够大，多种形式将成为称为静态单种模式激光器的单种模式。一般激光在DC或低码速度下工作，并且具有良好的单纵向模式频谱，如图3-8(a)所示。对于高码速率调制，线谱表示多纵向模式谱。图3-8(b)所示。通常，通过F-P谐振腔可以获得的是直流驱动的静态单纵模式激光器，要获得高速数字调制动态单纵模式激光器，必须改变分布式反馈半导体激光器(DFB-LD)等激光器的结构。，31，图3-8GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱，32，(4)转换效率半

14、导体激光器的电光功率转换效率通常用差分量子效率d表示，其定义为在激光达到阈值后发射的电子数与注入电子数的增加之比。其中p是激光器的输出光功率。I是激光的输出驱动电流，Pth是激光的临界功率。Ith是激光的临界电流。Hf是光子能量。e是电子电荷。33、(5)温度特性激光器的临界电流和输出光电力是温度特性，随温度变化而变化。临界电流随着温度的增加而增加。图3-9激光临界电流随温度变化的曲线，34，3分布反馈半导体激光器(DFB-LD)DFB-LD是能够产生动态控制的单纵模式激光器(称为动态单纵模式激光器)，即在高速调制时也能产生单纵模式的半导体激光器。异质结激光器放大光的活性层附近刻有波状周期性晶

15、格。除了图3-10DFB-LD结构图、两种激光器的比较、图3-11所示的源区域的厚度很薄外，35，4量子阱半导体激光量子阱半导体激光器与普通双异质激光器类似。当源区厚度很高时，源区的异质结会产生势能井，因此产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。图3-11量子阱半导体激光器、36，3.1.3发光二极管、1LED工作原理发光二极管(LED)非相干光源是无阈值器件，基本工作原理是自发辐射。发光二极管和半导体激光器的区别在于发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光器。仅自发辐射，发出荧光，非相干光。半导体激光器通过感应辐射发出干涉光。37，2LED结构LED使用了很多双异质结芯片。但是，LED

16、没有分解面或没有光谐振腔。因为不是激光振动，所以没有阈值。指示灯分为两类：一个是面发光LED，另一个是带结构图的边缘发光LED，如图3-12所示。图3-12中常用的两种发光二极管(LED)、38，3LED的工作特性(1)光谱特性LED光谱线宽比激光器宽得多。图3-13是InGaAsPLED的输出光谱。图3-13 ingaasplined的发光光谱，39，(2)输出光力特性图3-14所示，两种类型的LED输出光力特性。驱动电流I随着时间的推移，PI曲线的线性性更好。如果I太大，P-N结的发热会导致饱和，从而降低PI曲线的斜率。由于图3-14发光二极管(LED)的PI特性、40、发光二极管(LED)温度特性、(3)温度特性LED是没有阈值的设备，因此温度特性更好。41，(4)耦合效率因为LED发射的光束的发散角度大，所以与光纤的耦合效率低。通常仅适用于短距离传输。(5)调制特性调制频率低。一般操作条件下，面发光LED截止频率为20MHz30MHz，角发光LED