第一章-5-2通信光电子器件-激光器.ppt

1 内容回顾 直接带隙材料和间接带隙材料费米能级统一的费米能级存在于热平衡状态准费米能级半导体中光与电子的相互作用P N结形成 多子扩散vs 少子漂移的动态平衡过程 能带结构 P区整体提高 N区整体下降 耗尽区能带弯曲 最后形成统一的费米能级 P N结的偏置正向偏置 外部激励满足导带 价带准费米能级差大于半导体的禁带宽度 产生光增益反向偏置 光照作用下产生光生载流子 形成光电流同质结和异质结 双异质结 2 1 5通信光电子器件 1 5 1概述1 5 2半导体光电子技术基础知识1 5 3半导体光源1 5 4光电探测器1 5 5光调制器 光源 任何能够发光的东西都是光源光纤通信系统中 光源需要发出能够承载信息的光常用光源 LD 激光二极管 和LED 发光二极管 要求 能够产生光载波并将其注入到光纤中 体积小 能耗低等 3 4 激光器的工作原理半导体激光器 LD 工作原理结构和类型特性发光二极管 LED 工作原理结构和类型特性 1 5 3半导体光源 5 激光的特点方向性好亮度高单色性好相干性好激光的应用通信 材料加工 医学 卫星测距 光雷达 高速全息摄影 非线性光学 生物学及军事等方面 激光的特点 6 光的相干性 非相干光的叠加只是功率叠加相干光叠加将会出现干涉 是电磁场叠加两光束相差为零 干涉相长两光束相差为180 干涉相消 受激辐射光为相干光 自发辐射光是非相干光 光的相干条件 光的频率相同 振动方向相同 位相差恒定相干光与非相干光 7 激光形成的基本条件首要条件 泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源 粒子数反转分布 设低能级上的粒子密度为N1 高能级上的粒子密度为N2 热平衡条件下 N1 N2 总是受激吸收大于受激辐射 物质不可能有光的放大作用 要使物质产生光的放大 就必须使受激辐射大于受激吸收 即令N2 N1 这种粒子数的反常态分布称为粒子数反转分布泵浦机制光泵浦 固体激光器 掺铒光纤激光器 电泵浦 半导体激光器 激光器的工作原理 8 激光器的工作原理 激光形成的基本条件可以使增益介质产生粒子数反转分布的泵浦源增益介质 能够在泵浦源的激励下产生粒子数反转分布的工作物质光学谐振腔 提供必要的反馈及对光的频率和方向的选择 以获得连续的光放大和激光振荡输出 9 激光器的工作原理 10 相位条件满足在谐振腔中往返一周的光程为波长整数倍的光在反射前后才能得到彼此加强 即谐振频率为 激光器的工作原理 腔长 任意整数 真空光速 介质折射率 或光波在腔内沿轴向传播一周所产生的相位差为2Pi的整数倍 11 阈值条件谐振腔内存在损耗工作物质的吸收 介质不均匀引起的散射 反射镜的非理想性引起的透射及散射等损耗只有光波在谐振腔内往复一次的放大增益大于损耗 激光器才能建立起稳定的激光输出 阈值条件满足阈值条件时 光场在谐振腔中的往返振荡才能形成正反馈 最终形成稳定的激光输出 激光器的工作原理 12 半导体激光器 LD LD LaserDiode 体积小 寿命长 高可靠性 高性能 13 半导体激光器的结构 最简单的半导体激光器的结构一个薄有源层 厚度约0 1 m P型 N型限制层属于宽面激光器注入型激光器 InjectionLaser 14 LD的工作原理向半导体P N结注入电流 实现粒子数反转分布 P N结即为激活区电子空穴对复合发光 初始的光场来源于自发辐射自发辐射光子进而引起受激辐射受激辐射光子通过反射镜往返反射 使受激辐射过程加剧 光得到放大在反射系数小于1的反射镜中输出而产生激光 半导体激光器的工作原理 15 LD产生激光输出的三个基本条件 泵浦源 电流注入实现光反馈 解理面构成谐振腔谐振腔是在垂直于P N结的两个端面上 按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面构成的解理 晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂 并且能裂出光滑平面的性质称为解理 这些平面称为解理面增益介质 P N结区结构缺点 简单的同质结不能有效地将注入的非平衡载流子限制在结区发生辐射复合以产生光子不具有波导效应 产生的光场弥散在很宽范围内 半导体激光器的工作原理 阈值过高使简单的注入型激光器无法实用化 结构需改进 双异质结半导体激光器 双异质结由两层宽带隙层材料和位于其间的窄带隙层材料组成 双异质结正向偏置时载流子的分布 17 对载流子形成了很好的限制作用 正向偏置的同质结 正向偏置的双异质结 18 双异质结中窄带隙层的作用中间的窄带隙层材料为有源层 折射率高 对载流子和光场有限制作用提高了注入效率和受激辐射效率常用的异质结构 Ga1 xAlxAs GaAs Ga1 yAlyAsInP In1 xGaxAsyP1 y InP 双异质结激光器 具有较高的折射率 形成波导 对光场有限制作用原理类似于光纤的纤芯 势垒的存在使电子和空穴分别反射回到激活区中 从而获得更多的辐射复合 19 增益波导激光器 条形激光器 StripeLaserDiode 增益波导激光器特点 窄条形金属电极和SiO2掩蔽层限制注入电流 使增益只发生在有源层较窄的条形区域 降低器件驱动电流形成对光的导引 增益波导光通信中很少用 因为对光场在竖直方向上没有限制 激光输出存在模式稳定性的问题 虚线之间为电流流经区域 20 折射率波导激光器 特点 在激光器的水平方向和竖直方向均采用异质结构有源区构成了近似矩形的波导 限制作用更好 脊形异质结构平面掩埋异质结构 21 半导体激光器的工作特性 L I特性和光谱特性 纵模 阈值电流 Ith 满足激光输出阈值条件时的电流当IIth时 发出的是受激辐射光 光功率随驱动电流的增加而增加 偏置电流 激光输出 半导体激光器的工作特性 数字调制 模拟调制 强度调制 直接调制 LD具有较强的温度敏感性激光器的辐射波长也依赖于温度 因为材料折射率是随着温度变化而变化的 半导体激光器的工作特性 温度增加时 阈值电流提高 温度增加时 增益降低 24 激光器的模式 模式 激光器光学谐振腔中稳定的光场分布光场在光谐振腔的横向和纵向上必须都满足谐振条件 即形成驻波分布横模垂直于谐振腔轴向的光场分布相应于光纤中的导模不同横模的光场分布和传输特性不同纵模沿着谐振腔轴向形成的一系列驻波是构成光谱的主要结构不同纵模的频率不同 25 激光器的模式 26 激光器的纵模 注入电流达到阈值以上时 满足相位条件的光场都可以在谐振腔中得到谐振加强每个满足条件的光场就构成一个激光器的纵模腔长越长 纵模间距越小 27 半导体激光器的工作特性 驱动电流变大 纵模数量变小 光谱宽度变窄 28 LD的光谱特性 多纵模LD与单纵模LD 多个纵模都携带能量 功率过于分散 只有一个模式 光谱窄 单色性好 相干性好 29 复合腔结构解理耦合腔激光器利用Bragg光栅进行光的选择分布布拉格反射 DBR DistributedBraggReflection 激光器分布反馈 DFB DistributedFeedbackReflection 激光器 激光器的纵模控制技术 30 解理耦合腔激光器两个谐振腔的腔长不同 纵模的频率间隔不同只有共同满足二者谐振条件的纵模才能形成激光输出 单纵模激光器 解理耦合腔激光器 31 利用Bragg光栅进行光反馈 频率选择性好只有满足光栅谐振条件的光能发生反射Bragg光栅位于激光器的有源区外 分布布拉格反射 DBR 激光器 Bragg光栅在有源区外 单纵模激光器 分布布拉格反射激光器 由于光栅效率与q2成反比 所以通常采用q 1的一级光栅 32 分布反馈 DFB 激光器 以Bragg光栅结构进行光反馈光栅结构制作在限制层中 光栅结构制作在限制层中 单纵模激光器 分布反馈激光器 33 DFB激光器与普通激光器的对比 DFB激光器的光谱宽度大约为普通型激光器的1 10左右色散的影响大为降低 可以实现速率为10Gb s的超高速传输 34 激光器的输出发散角 典型值 折射率波导型激光器的有源区近似为矩形 厚度 宽度都很小 出光的发散角很大一般情形下水平和垂直方向的发散角为 一般采用将光纤的耦合端面制成半球形或锥形 或采用微透镜技术来提高半导体激光器与光纤的耦合效率 35 其他类型的半导体激光器 垂直腔面发射激光器 VCSEL Vertical cavitysurface emittinglaser 谐振腔的腔镜由折射率不同的物质层交错堆积而成每层厚度是 纵向腔长很小 纵模间隔大 容易实现单模 36 优点输出光束为圆形 易与光纤耦合平面的几何形状 尺寸很小 易于在单片芯片上实现二维激光器阵列阈值低 腔长短 反应时间短 调制速率可达很高 本征调制带宽可达200GHz 缺点最大功率有限目前只有辐射波段位于850nm和980nm的技术成熟 垂直腔面发射激光器 37 半导体LD制作工艺 基本工艺 衬底的制备外延生长P N结VPE VaporPhaseEpitaxy LPE LiquidPhaseEpitaxy MOCVD MetalOrganicChemicalVaporDeposition MBE MolecularBeamEpitaxy CBE ChemicalBeamEpitaxy 有源区刻蚀电流注入通道制备欧姆接触电极制备管芯解理耦合封装 38 封装后的半导体激光器的外观 39 半导体激光器的可靠性 目前商用化半导体激光器目标寿命达106小时数量级性能退化主要原因 管芯极小 工作电流密度和光功率密度很高半导体激光器的镜面是用解理工艺形成的 镜面本身受到环境条件影响而污染 性能退化主要表现 镜面损伤造成的灾变损害 光学损伤运行时间延长后工作特性的缓慢劣化阈值电流密度加大 微分量子效率降低光电流特性扭折 光束质量变差 40 半导体发光二极管LED LED LightEmittingDiode 没有谐振腔 不构成激光振荡 无阈值 相当于自发辐射的放大 非相干光 宽光谱 但优于自然光 结构简单 正偏异质P N结构成 寿命长 价格低 用于短距离 低速率光通信系统中 41 LED的基本原理 LED与普通二极管的差别电子空穴复合过程中能量的释放方式不同LED 发光 辐射复合普通二极管 放热 非辐射复合 42 SLED Surface EmittingLED 由双异质结构成发射面积限定在一个小区域内利用腐蚀的方法在衬底材料正对有源区的地方腐蚀出凹陷的区域面发光二极管输出的功率较大 注入100mA电流 输出光功率可达几个毫瓦 面发光二极管 SLED 43 面发光二极管 SLED 缺点 光发散角大 水平和垂直发散角都可达到120 与光纤的耦合效率低提高光纤接收效率的方法 在凹陷的区域注入环氧树脂 并在光纤末端放置透镜或形成球透镜 44 ELED的结构 边发光二极管 ELED 45 ELED与光纤的耦合 46 LED的工作特性 光谱特性 47 光电流 L I 特性 噪声特性面发射LED 纯粹的自发辐射 无相干性 无方向性边发射LED 放大的自发辐射 具有部分相干