第05章 光源与发送机2009.ppt

第5章光源 半导体激光器LD LaserDiode 半导体发光二极管LED LightEmittingDiode 本章教学内容 1 激光原理 激光产生的机理和条件 2 半导体物理 能带 pn结 载流子浓度 3 发光二极管 LED的结构 量子效率和功率 4 半导体激光器模式和阈值条件 激光器的速率方程 5 激光器的调制 光源的温度特性和线性特性 基本要求 理解半导体激光产生的机理和条件和LED发光的机理和条件 了解它们的模式 阈值条件 温度特性和线性特性 了解光源的调制方法和要求 问题引出 光纤通信对光源有什么要求 半导体激光LD与发光二极管LED有什么区别 光源是如何载波信息在光纤中传输的 4 0激光物理学专题 1 光的量子性 光的电磁场理论 将光看作连续的电磁波 成功地说明了宏观光学现象 但却无法解释物质的吸收与发射光谱的起源 光电效应等基本规律 一 光量子学说 1905年爱因斯坦提出 E h h 普朗克常数6 625 10 34焦耳 秒 频率普朗克把能量的基本单位h 叫做量子 二 玻尔的光发射与吸收的量子模型 1 在微观领域内 在半径只有几埃的情况下 电子绕核旋转时并不以电磁波的形式向外发射能量 2 电子的轨道角动量不是连续可变的 而是量子化的 即 L m r2 nh 2 n 正整数 称为量子数 3 应用爱因斯坦的光子假设 指出当原子从高能级Em跃迁到低能级En时 可以用发射光子的方式与外界交换能量 所发射的光子的能量h 等于这两个能级的能量之差 h Em En 高 2 原子能级 n 1 2 Ep 静电势能Ek 电子动能 原子中的电子只能在一定的量子态中运动 原子的能量不能连续改变 只能取某些允许的分立的数值 这些量子化的运动状态在量子力学里称为量子态 用一组量子数 n l m s 来表征量子态 取值见表 能量最低的量子态称为基态 能量高于基态的称为激发态 基态n 1 激发态n 1 最里层的轨道 能量最低 当n 1的电子不能超过2个n 2的电子不能超过8个n N的电子不能超过2N2个最里层的轨道 能量最低第二层的轨道 能量较高 泡利不相容原理 在一个原子里不可能存在两个电子具有相同的量子态 3 能级的跃迁 原子中的电子可以从一个量子态跃迁到另一个量子态 但跃迁的几率有大有小 在有些量子态之间 原子跃迁的几率很大 称为允许跃迁 有些量子态之间 原子跃迁的几率非常小 称为禁止跃迁 原子从低能级跃迁到高能级的过程叫做激发 1 光的自发辐射 在未受到外界激发的情况下 高能级的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级上 在跃迁过程中 根据能量守恒原理 发射出一个能量为h 的光子 即 h E2 E1 特点 过程是在没有外界作用的条件下自发产生的 发射出光子的频率决定于所跃迁的能级 非相干光 2 受激辐射 处在高能级E2上的电子 由于受到能量恰好为h E2 E1的外来光子的激励而跃迁到低能级E1 并发射一个与外来光子一模一样的光子 3 受激吸收当外来光子的能量恰好等于原子的激发能时 处在低能级的电子就能在外来光子的激励下吸收外来光子而跃迁到高能级 激发态 这一过程叫受激吸收 高 受激辐射 StimulatedEmission 受激辐射与受激吸收的特点 1 外来光子能量等于跃迁的能级之差h E2 E12 受激过程中发射的光子与外来光子不仅频率相同 而且相位 偏振方向 传播方向度相同 称它们为全同光子 3 过程可以使光得到放大 因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子 相叠加的结果使光增强 使入射光得到放大 受激辐射引起光放大 是产生激光的一个重要的基本概念 自发辐射 受激辐射与受激吸收之间的关系 在热平衡下 对光波而言 总是自发辐射占优势 在一个温度T的热平衡空腔中充有大量的某种原子 空腔内壁的热辐射来回反射 形成一个稳定的辐射场 内部辐射场已形成一种不随时间变化的稳定分布 这就要求原子系统所发射的光子数等于它所吸收的光子数 E1和E2上的原子数N1和N2满足波尔兹曼分布 g1 g2 E1和E2的统计权重 1 1 受激辐射和自发辐射的强度之比 空腔内 单色辐射能密度 在热平衡的情况下 总是自发辐射占绝对优势 2 光的吸收和增益 热平衡时 能级上的粒子数分布满足波尔兹曼分布 由 1 得 受激辐射少于受激吸收 光通过介质时会减弱 欲使光通过介质时得到增益 必须打破热平衡 使粒子数分布反转 即 粒子数反转 产生激光的必要条件 激光器的一般工作原理 构成激光器应包括三部分 1 能够产生激光的工作物质 2 能够使工作物质处于粒子数反转状态的激励源 3 能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔 LASER LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation 1 工作物质 可以处于粒子数反转分布状态的工作物质 三能级以上系统可以得到粒子数反转分布 2 泵浦源 激励源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源 N2 N1 受激辐射 受激吸收 从而有光的放大作用 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 提供必要的反馈以及进行频率选择 M1 M2 全反射镜 部分反射镜 激光输出 4 1半导体物理专题 光纤通信对光源的基本要求 光源波长在光纤的三个低损耗窗口0 85um 1 31um 1 55um能长时间连续工作耦合效率高光源谱线宽度窄寿命长 工作稳定 4 2 1能带 半导体光源都是基于材料中电子 空穴复合原理 这种复合导致了能量的释放 能量以光子的形式释放 则复合过程被称为辐射过程 否则称为非辐射过程 1 晶体中的能带 晶体中电子的运动 图 价带和导带 价带 形成共价键的价电子所占据的能带 导带 价带上面邻近的空带 即自由电子占据的能带 禁带 导带和价带之间被宽度为Eg的禁带所分开 图 晶体中的能带 a 通常表现b 在一定温度下 本征半导体的能带 a 发光过程b 辐肘光的光谱宽度 由半导体能带产生的光辐射 2 光辐射与能带 3 光辐射 p n结 p型半导体与n型半导体结合 a 耗尽区和耗尽电压VDb 光辐射作为电子 空穴复合的结果 4 费米狄拉克统计 电子在各能级中的分布服从费米狄拉克统计 E Eff E 1 2能级E被电子占据的概率和空着的概率相等 E1 2 费米能级 能级E被电子占据的概率大于空穴占据的的概率 E Eff E 1 2若E Ef kT 则 若Ef E kT 则f E 1 这时能级几乎都被电子所占据 这时能级几乎都被空穴所占据 T 0K时 5 各种半导体中电子的统计分布 1 本征半导体 本征 没有任何外来杂质的理想半导体 导带 价带 空穴 电子 E1 2 价带中所有状态都由电子填充 导带中所有的状态都空着 价带 2 P型半导体 向本征半导体掺入提供空穴杂质元素 受主杂质 的半导体材料 Ef 导带 ED 受主能级 大量带正电的空穴 费米能级接近于空穴极度密集的价带 价带 3 n型半导体 向本征半导体掺入提供电子杂质元素 施主杂质 的半导体材料 Ef 导带 ED 施主能级 大量带负电的空穴 费米能级接近于电子极度密集的导带 pn结 3 pn结型半导体 p型半导体与n型半导体结合 Emax n型区 扩散电子 耗尽区 p型区 4 载流子 可移动的自由电子和空穴 4 1 等式中 pn结 6 p n结能级分析 Emax n型区 扩散电子 耗尽区 p型区 处于平衡状态时 p n结的两侧的费米能级相等 1 平衡状态的能级 pn结 正向偏置使耗尽区变窄 多数载流子在结区内扩散 Emax n型区 扩散电子 耗尽区 p型区 2 偏移 pn结 反向偏置使耗尽区加宽 少数载流子漂移 Emax n型区 扩散电子 耗尽区 p型区 增益区的形成 Ef c Ef v p区 n区 e0VD e0V 电子扩散区 空穴扩散区 增益区 导带 价带 正向偏置电压 e0v Eg pn结能带 热平衡时pn结能带 e0v Eg pn结里出现一个增益区 这个区域对光子有光放大作用 Eg h e0v Ef v Ef c 4 2发光二极管 LED 一 LED工作原理 最基本的组成就是一个正向偏置的pn结 SimpleP NJunctionLED DoubleHeterojunctionLED 双异质结构 二 LED结构 非相干光源不存在谐振腔 较高的辐射光功率输出快速的发光响应时间高的量子效率 Fig 4 8 Double heterostructureconfiguration 4 2 2光源材料 用于光源有源层的半导体材料必须具有直接带隙 EnergyBandsinaDoubleHeterojunction LED所发射的光波长反比于带隙能量 能级越高 波长越短 4 2 3量子效率和LED的功率 平衡条件总的载流子生成速率是外部供应速率与热生成速率之差 4 7 4 8 额外载流子密度呈指数衰减 4 6 有源区的内量子效率辐射性复合电子 空穴对所占比例 4 10 LED的内部发光功率 4 13 P125 例4 5 外量子效率从LED发射的光子数目与内部产生的总光子数目之比 4 16 4 17 LED的输出光功率 例4 6 4 2 4LED的调制 LED的光功率是与正向电流成比例 1 输入 输出特性曲线 2 LED调制 LED模拟调制 I IB LED数字调制 LED的特性 低成本低功率频谱宽非相干光数字调制模拟调制 4 3半导体激光器工作原理 一 激射条件有源区里产生足够的粒子数反转分布 存在光学谐振机制增益区 光放大 泵激以产生粒子数反转 a 受激辐射 b 光放大和正反馈 二 LD的基本结构 宽域激光二极管 与LED的区别 激光二极管的激活区的厚度很小 典型值在0 1um数量级上 其次 激光二极管两端的表面被切开以起到镜子的作用 增益制导二极管 脊状波导 RWG 激光二极管 铟镓砷磷 InGaAsP 双异质结条形激光器 Figure74 DirectingtheLightinaFabry PerotLaser 四能级物质 4 4半导体激光器的模式和阈值条件 Fig 4 18 Fabry Perotresonatorcavity Fig 4 19 DFBlaser 4 4 1激光器模式 在半导体激光器的谐振腔内 辐射光建立起的电磁场模式称为谐振腔模式 划分为横电 TE 模式和横磁 TM 模式两类 通过沿谐振腔主轴分布的纵向电磁场 水平横向电磁场描述 在多层介质波导谐振腔 激光以一定的模式振荡 纵模 谐振腔内部沿轴向形成的稳定的驻波场称为纵模 不同的频率 波长 构成不同模式 它与腔长L相关 横模 谐振腔横截面上场分布的分布形式 激光中出现多个纵模也就是出现多种频率 影响了激光的单色性 FP腔纵模 纵模数又腔长决定 横模 优于腔边缘的反射光形成横模 激光器横模 表示与轴垂直的横截面上的光场分布 直接影响到器件与光纤耦合的效率 基模 单纵模的选取有两种方式 法布里 珀罗谐振腔 F P腔 acavity100micronslong awavelengthof1500nmandarefractiveindexof3 45 InP thereare7wavelengthswithin10nmof1500nmwhereresonancemayoccur acavity200micronslong Herethereare13possibleresonantwavelengths a b 图a 让任意的一个波从左镜子传向右镜子 这个波在右镜子处发生反射 该波经历了一次180o的相位移动 但这个波在其相位上发生了中断 这个谐振腔不支持这个波 图b 在右边的镜子处 这个波也发生了一次180o的相位移动 然后继续传播 在左镜子处 这个波同样发生了一次180o的相位移动 然后继续传播 因此 图b中所示的波有着一个稳定的模式 我们称之为驻波 谐振频率 谐振腔的重要参数 A点出发的波 由M2反射垂直投射M1回到A时 波得到加强 如果它们之间的相位差是2 的整数倍时 达到了谐振 q 1 2 3 腔长与频率选择的关系 CL q 2n 波长q 任意整数n 增益介质的折射率 缩短腔长会影响输出功率 需要一定的空间来激发辐射放大信号 Figure DFBLaser Schematic 振荡不是由反射镜提供 而是由折射率周期性变化的波纹光栅来提供 很容易设计成只有一个模式能获得足够的增益 DFB激光器总是设计成单纵模振荡 分布反馈 DFB 分布布喇格反射 DBR 激光器 工作介质的增益曲线 虚线代表阈值 当频率处在A与B之间时能满足阈值条件 4 4 2阈值条件 激光器能产生激光振荡的最低限度成为阈值条件 平均衰减系数 衡量谐振腔内损耗的大小 i r i 1 2L ln 1 r1r2 增益系数G激活物质的放大作用G dI dz I 阈值条件激光器能产生激光振荡的最低限度 增益刚好抵消衰减 阈值条件 Gt i 1 2L ln 1 r1r2 4 5激光器的参数 1 谱线宽 有一定范围的波长 这个波长范围称为谱线宽 多模激光器辐射的光谱宽度是由它的增益曲线决定的 测量增益曲线的半最大值处全宽度即为该激光二极管的光谱宽度 2 线宽 3 工作波长 4 频率 波长 稳定 5 开关时间和调制速度 6 调谐范围与速度 4 5 2半导体激光器的工作特性 阈值特性阈值电流It 当外加正向电流达到某一值时 输出光功率将急剧增加 这时将产生激光振荡 此时的电流称为阈值电流 It IIt激光器发出激光 2 光谱特性 IIt发射光谱突然变窄 谱线中心强度急剧增加 发出激光 3 温度特性 阈值电流随温度的升高而加大 阈值电流随激光管使用时间的增加而逐渐加大 4 转换效率 定义 输出光功率与消耗的电功率之比 p表示 R 与激光器内部量子效率 激光波长和模式损耗有关的常数 V 工作电压 I 工作电流 It 阈值电流 4 6半导体激光器的瞬态性质 一 半导体激光器具有 电光转换效应 响应速度快 可以直接调制等优点 是光纤通信的理想光源 对半导体激光器进行脉冲调制时 激光器呈现出复杂的动态性质 张弛振荡 自脉冲现象 张弛振荡和自脉冲混合现象 1 电光延迟 激光输出于注入电脉冲之间都有一个时间延迟 称为电光延迟时间一般为纳秒级 2 张弛振荡 当电流脉冲注入激光器后 输出光脉冲表现出衰减的振荡 张弛振荡频率一般几百MHz 2GHz 3 自脉冲现象 在注入电流下发生的一种持续振荡 脉动频率几百MHz 2GHz自脉动现象作为一种高频干扰严重地威胁着激光器的高速脉冲调制的性能 4 7半导体光源的调制 将信息加载到光束上的过程称为调制 一 光源的调制方式 直接调制 直接在光源上进行调制 仅适用于LD和LED 间接调制 不直接调制光源 而是在光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制 利用晶体的电光效应 磁光效应 声光效应 适用于各种类型的激光器 二 直接调制原理 常用方法有下列三种 1 模拟强度调制 AIM 这种方式与基带传输相似 2 脉位调制 PPM 这种方式适应光源和检测管的特性 实际上仍属于模拟调制 3 数字调制 如PCM编码调制 IM 光纤通信最常用的调制方式 数字激光发射机框图 线路编码 调制电路 LD 控制电路 数字信号 光信号 与LED相比 LD的调制问题要复杂得多 尤其在高速率调制系统中 驱动条件的选择 调制电路的形式 激光器的控制等 都对调制性能至关重要 1 模拟调制 直接用连续的模拟信号 话音 电视等信号 变化对光源进行调制 从而输出光功率随模拟信号线性变化 LED模拟调制 M 调制指数 LED LD I IB LD模拟调制 4 53 Ith 模拟系统 M值在0 25 0 5 LED数字调制 2 数字信号调制 数字信号 一系列 0 1 光纤通信中 数字调制主要采用PCM编码调制 将模拟信号 二进制脉冲代码 LD数字调制 I P 3 半导体激光器的调制 通过信息流直接控制激光器的驱动电流 从而获得输出功率的变化来实现调制 使用外调制器改变激光器输出的稳定光功率来实现调制 由于激光器的非线性比较严重 应选择线性度好的DFB激光器 自脉动振荡的区域 自脉动现象作为一种高频干扰严重地威胁着激光器的高速脉冲调制性能 扭曲 这种非线性起源于器件有源区的不均匀和激光器主横模之间的功率交换 功率饱和是由于高功率输出时有源层受热而引起起的 所谓饱和是指光功率 电流曲线开始下弯 输出光功率与激光器电流曲线中的非线性部分就是引起失真的因素 一 偏置电路和调制电路大小的选择 1 加大直流偏置电路是其逼近阈值 可以大大减小电光延迟时间 使张弛振荡得到一定程度的抑制 2 当激光器偏置在阀值附近时 较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲 I0和I0 Im值相差不大 可减小码型效应和结发热效应的影响 3 I0 会使激光器的消光比恶化EXT P全0 P全1消光比作为一个被调制的好的光源 在 0 码时没有光功率输出 否则它将使光纤系统产生噪音 从而使接受器灵敏度降低 一般要求EXT 10 4 GaAlAs GaAs激光器的散粒噪音在阈值处出现最大值 若正好在阀值上 则散粒噪音影响严重 I0的选择 电光延迟 张弛振荡 码型效应 结发热效应 消光比 散粒噪音等各方面 二 调制电流Im幅度选择 根据激光器的P I曲线 既要有足够的输出光脉冲的幅度 又要考虑到光源的负担 避开自脉动发生的区域 光源的间接调制 直接调制优点 技术简单 经济 容易实现 直接调制缺点 激光器的动态谱线增宽 色散增加 传输极限距离受限 限制通信容量和传输数量 1Gbit s为标态 间接调制 克服上述缺点 数量至少可提一个数量级 以10Gbit s为标态 此外不仅适合半导体激光器也适合于其它类型的激光器 Poc