第三次课(半导体激光二极管和激光器组件).ppt

半导体激光器基础知识半导体激光器类型 组件及特性参数 半导体激光二极管和激光器组件 第一节半导体激光器基础知识 一 半导体激光器的工作原理半导体激光器产生激光输出的基本条件 粒子数反转光反馈阈值条件1 粒子数反转在热平衡条件下 二能级原子系统中上能级的粒子要比下能级少得多 服从波尔兹曼分布 此时不会发生受激发射 为了产生受激辐射 必须建立非平衡得分布 即使上能级的粒子数大于下能级的粒子数 使受激发射大于受激吸收 这种状态叫做粒子数反转 波尔兹曼分布 粒子数反转 激光器的粒子数反转状态可采用电或光的泵浦 2 光反馈和激光振荡在有源区内 开始少数载流子的自发辐射产生光子 一部分光子一旦产生 就穿出有源区 得不到放大 另一部分光子可能在有源区内传播 并引起其他电子 空穴对的受激辐射 产生更多的性能相同的光子 得到放大 为了得到激光 必须将激活物质置于光学谐振腔中 如下图 通过腔两端的反射 向光子提供正反馈 光信号每通过一次增益媒质就得到一次放大 激光器中的光反馈及FP腔 这种光学结构称为法布里 珀罗谐振腔 简称F P谐振腔 在LD中 作为增益媒质晶体两端的自然解理面形成反射镜 即光腔 由于在谐振腔中 光波是在两块反射镜之间往复传输的 这时只有在满足特定相位关系的光波才能得到彼此加强 因此这种条件称为相位条件 激光器中振荡光频率只能取某些分立值 不同q的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态 一种分布就是一个激光器的纵模 相邻两纵模之间的频率之差 称为纵模间隔 它与谐振腔长及工作物质有关 F P腔的透射频谱特性如下图 半功率点全宽为 F为F P腔的精细度 可表示为 R增大 F增大 3 激光振荡的阈值条件在注入电流的作用下 有源区的受激辐射不断增强 称为增益 在F P腔中 每次通过增益媒质时的增益尽管很小 但经过多次振荡后 增益变得足够大 当腔内增益超过总损耗 包括载流子吸收 缺陷散射及端面输出 时 就产生了激光 见下图 FP LD的增益曲线 a 腔模 b 及输出的纵模 c 半导体激光器的工作特性 1 P I特性典型的半导体激光器如下图所示 图4 14半导体激光器P I曲线 从图上可以看出 半导体激光器存在阈值电流Ith 当注入电流小于阈值电流时 器件发出微弱的自发辐射光 类似于发光二极管的发光情况 当注入电流超过阈值 器件进入受激辐射状态时 光功率输出迅速增加 输出功率与注入电流基本保持线性关系 半导体激光器的P I特性对温度很敏感 下图给出了不同温度下P I特性的变化情况 图4 15半导体激光器P I曲线随温度的变化 动画演示 由图可见 随着温度的升高 阈值电流增大 发光功率降低 阈值电流与温度的关系可以表示为 其中 T为器件的绝对温度 T0为激光器的特征温度 I0为常数 为解决半导体激光器温度敏感的问题 可以在驱动电路中进行温度补偿 或是采用制冷器来保持器件的温度稳定 通常将半导体激光器与热敏电阻 半导体制冷器等封装在一起 构成组件 热敏电阻用来检测器件温度 控制制冷器 实现闭环负反馈自动恒温 2 模式特性与线宽LD输出谱特性 或为多纵模或为单纵模 如下图 LD的多模 a 及单模 b 输出谱 1 模式特性从使用来说 首先考虑的是模式的稳定性 它随时间 电流的任何变化都会给系统附加噪声 其次 对高速光纤通信系统来说 单纵模窄谱宽的光源有利于减小光纤色散的影响 在模式特性上还要注意到横模的问题 激光振荡也可能出现在垂直于腔轴的平面内 其中TEM00为基横模 TEM10 TEM11等为高次横模 由于TEM00模的光斑与光纤中基模LP01模场光斑相匹配 故耦合效率最高 同时LD工作在TEM00模时相干性最好 因此在LD的设计及结构上都应保证基横模工作 2 线宽LD输出的有限线宽来自于两个因素 一 是激光腔内自发发射事件引起的光场相位脉动 二 是载流子浓度脉动引起的折射率变化 使光腔庇振频率产生变化 简化理论推导的光源线宽 可表示为 式中 X为自发发射事件的平均速率 P为光功率 为线宽提高因子 表示折射率实部与虚部之比 由上式可知 为了降低LD的线宽 可采取下列措施 增大光功率 或腔内总光子数 减小自发发射速率 从外部稳定载流子密度以使幅值 相位耦合最小 第一点可通过改变腔结构 增加总体积 增加单位体积内储能 如增加端面反射系数 或增加输出功率来实现 第二点可通过注入锁定来实现 第三点 通过驱动电流的反馈控制来稳定载流子密度 有效减少激光场的幅值 个位耦合 3 调制特性如下图为半导体激光器的直接调制的原理图 激光二极管的调制原理图 a 数字调制 b 模拟调制 与发光二极管的调制不同的是 由于存在阈值电流 在实际的调制电路中 为提高响应速度及不失真 需要进行直流偏置处理 在高速调制情况下 半导体激光器会出现许多复杂动态性质 如出现电光延迟 张弛振荡 自脉动和码型效应等现象 这些特性会对系统传输速率和通信质量带来影响 1 张驰振荡当电流脉冲突然加到LD上时 其光输出呈现下图所示的动态相应 这是注入电子与所产生光子简相互作用的量子力学过程 LD的张弛振荡特性 当注入电流从零快速增大到阈值以上时 经电光延迟后产生激光输出 并在脉冲顶部出现阻尼振荡 经过几个周期后达到平衡值 这种特性可定性解释如下 当阶跃电流加到LD时 有源层中的电子浓度迅速增加 在未达到阈值时没有激光输出 但经过电子延迟时间td后电子浓度达到阈值 并马上产生激光输出 而在光子浓度到稳态值前 电子浓度仍在增大 直到电子浓度达到最大值 而光子浓度达到稳态值 由于导带内超量储存电子 受激复合过程进一步增大 直到光子浓度升到最大值 而电子浓度则降到阈值 由于光子寿命 及逸出腔外需要一定时间 使有源区内的过量复合仍维持一段时间 电子浓度进一步下降到阈值以下 光子浓度也开始迅速下降 当电子浓度下降到最低点 有源层中的激射可能减弱甚至停止 紧接着又开始新一轮导带电子填充过程 但由于电子的存储效应 这一轮的填充时间比上次短 电子浓度和光子浓度的过冲量也比上次小 这种衰减振荡过程重复多次 直到输出光功率达到稳态值 显然 如果LD预偏置在阈值附近 光脉冲上升时间及张弛振荡的幅度都会显著降低 另外 在结构上具有横向光波导的LD 如隐埋导质结LD 其张弛振荡较弱 2 电光延迟半导体激光器在高速脉冲调制下 输出光脉冲瞬态响应波形如下图所示 输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个时间延迟 称为电光延迟时间 一般为纳秒量级 光脉冲的电光延迟和张弛振荡 电光延迟的原因是由于载流子浓度达到激光阈值需要一定的时间 0 5 2 5ns 张驰振荡和电光延迟与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏置量有关 当信号的调制频率接近张弛振荡频率时 将会使输出光信号的波形严重失真 势必会增加接收机的误码率 所以 半导体激光器的张弛振荡和电光延迟的存在限制了信号的调制速率应低于张弛振荡频率 这样才能保证信息传输的可靠 可以通过在半导体激光器脉冲调制时加直流预偏置的方法来使脉冲到来之前将有源区内的电子密度提高到一定程度 从而使脉冲到来时 电光延迟时间大大减小 而且张驰振荡现象可以得到一定程度的抑制 随着直流预偏置电流的增大 电光延迟时间逐渐减小 增加直流预偏置电流也有利于抑制张驰振荡 3 码型效应电光延迟还会产生码型效应 当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相同数量级时 会使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响 这种影响现象称为 码型效应 如下图 a b 所示 考虑在两个接连出现的 1 码脉冲调制时 第一个脉冲过后 存储在有源区的电子以指数形式衰减 如果调制速率很高 脉冲间隔小于其衰减周期 就会使第二个脉冲到来之时 前一个电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失 此时有源区电子密度较高 因此电光延迟时间短 输出光脉冲幅度和宽度就会增大 码型效应 码型效应 的特点是 在脉冲序列中较长的连 0 码后出现的 1 码 其脉冲明显变小 而且连 0 码数目越多 调制速率越高 这种效应越明显 消除码型效应最简单的方法就是增加直流偏置电流 当激光器偏置在阈值附近时 脉冲持续时间和脉冲过后有源区内电子密度变化不大 电子存储的时间大大减小 码型效应就可得到抑制 还可以采用在每一个正脉冲后跟一个负脉冲的双脉冲信号进行调制的方法 如上图 c 所示 正脉冲产生光脉冲 负脉冲来消除有源区内的存储电子 但负脉冲的幅度不能过大 以免激光器PN结被反向击穿 4 调制谱特性LD在信号电流直接调制下 除了输出强度发生变化外 其谱特性也会发生变化 如下图 在阈值附近 输出较宽 随着电流的增大 模式选择性增大 相邻模得到抑制 这时 总的强度不变 但模间相对强度在改变 这种模间分配效应在直接调制下最明显 使长距离光纤系统中因光纤色散而在接收机内产生强度脉动 使误码率增大 GaAs LD直流光输出谱特性 下图示出了1ns单个脉冲持续周期内的模式脉动现象 脉冲持续期内的动态谱特性 4 波长调谐特性在波分复用及相干光纤传输系统中 光源常常需要调谐 下面介绍几种调谐方法 热调谐 是利用不同温度下谐振腔尺寸的变化 引起谐振频率的变化 调谐灵敏度为10 20GHz oC 外腔机械调谐 是将作为增益媒质的LD芯片 置于一外腔中 改变外腔尺寸而实现波长调谐 外腔结构有光栅 光纤或自聚焦透镜等 如下图 光栅外腔可调谐半导体激光器 LD芯片的一个端面增透镀覆 从该端面出来的光由一个透镜准直后与光栅形成外腔 激射频率由旋转光栅来粗调 轴向移动光栅来细调 当外腔长为25cm时 这种结构在1 55 m波长上获得了40nm的调谐 同时 外腔也使输出线宽大大压缩 达到5kHz左右 激光二极管驱动电路与LED相比 LD的驱动要复杂得多 尤其在高速调制系统中 驱动条件的选择 调制电路的形式和工艺 激光器的控制等都对调制性能至关重要 偏置电流的选择直接影响LD的高速调制特性 选择直流预偏置电流时应考虑 1 增大直流预偏置电流 Ib 使其逼近阈值 可以减小电光延迟时间 抑制张驰振荡 Ib 0 85 0 9 Ith 2 当激光器偏置在阈值附近时 较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲 这样可以大大减小码型效应 3 加大直流偏置电流 使激光器在发 0 和发 1 时的光功率之比 即消光比 增大 从而影响接收机的灵敏度 因此 偏置电流的选择要兼顾电光延迟 张驰振荡 码型效应以及消光比等各种因素 LD无偏置 a 及有偏置 b 时脉冲瞬态波形及光谱 在使用中 LD结温的变化及老化都会使Ith增大 微分外量子效率下降 两者会使输出光脉冲幅度产生变化 如下图 LD阈值电流 a 及微分外量子效率 b 变化时的光输出 自动温度控制 ATC 随着温度的变化 半导体光源的特性会发生变化 特别是对于LD 随着温度的升高 阈值电流增加 发光功率降低 发射波长向长波长移动等 温度控制由微型制冷器 热敏元件及控制电路组成 如下图所示 热敏元件监测激光器的结温 与设定的基准温度比较 根据温度差异的情况 驱动制冷器的控制电路改变制冷效果 从而使激光器在恒定的温度下工作 自动温度控制方框图 自动功率控制 APC 半导体激光器的输出功率不仅与温度的变化有关 而且与器件的老化有关 随着器件的老化 LD的阈值上升 输出光功率下降 为了进一步稳定输出光功率 除了采取温度控制措施外 一般还采取自动功率控制 如下图 从LD背向输出的光功率 经PD检测器检测 运算放大器A1放大后送到比较器A3的反相输入端 同时 输入信号参考电压和直流参考电压经A2比较放大后 送到A3的同相输入端 A3和V3组成直流恒流源以调节LD的偏流 使输出光功率稳定 自动功率控制的电路原理图 光源的保护和告警光源的保护是指保护光源不要因为外界因素而受到损害 由于光源特别是LD是易损器件 要求温度 电流必须在一定的范围内才能正常工作 否则会降低器件寿命甚至损坏器件 因此必须采取保护措施 光源的保护包括两个方面 温度和电流 上面介绍的自动温度控制实际上也是温度保护 电流保护包括电流接通时的保护 工作过程中的过流保护以及反向冲击电流保护等 a 电流接通时的保护电流接通时的保护是为了防止在系统开机接通电源瞬间 由于电路因素引起的冲击电流可能对LD造成的损坏 实际系统中LD的驱动部分与其它电路是共用一个电源 因此光源的偏置电流必须缓慢增加 以起到保护作用 b 工作过程中的过流保护工作过程中的过流保护的方法很多 基本思想是利用反馈控制使通过光源的电流不超过某一限定值 从而起到保护的作用 c 反向冲击电流保护为防止光源受到反向冲击电流或电压的破坏 一般在光源上并联一个肖特基二极管 这样当反向冲击电流或电压出现时 肖特基二极管迅速导通 就可以实现对光源的保护 完整的光发射机除了上述各种控制 保护之外 还应包括告警电路 在系统出现故障或工作不正常时及时发送告警信号 提醒设备维护人员及时进行相应的处理 一般包括无光告警 寿命告警 温度告警等 光源与光纤的耦合 在光发射机中 光源发出的光信号要送入光纤中去 这就涉及到光源与光纤的耦合问题 如下图 光源与光纤的耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关 一般说来 LD与单模光纤的耦合效率可以达到30 50 LED与单模光纤的耦合效率非常低 只有百分之几甚至更小 光源与光纤耦合示意图 影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径 发散角大 耦合效率低 数值孔径大 耦合效率高 此外 光源发光面和光纤端面的尺寸 形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率 光源与光纤的耦合一般采用两种方法 即直接耦合与透镜耦合 直接耦合是将光纤端面直接对准光源发光面进行耦合的方法 当光源发光面积大于纤芯面积时 这是一种唯一有效的方法 这种直接耦合的方法结构简单 但耦合效率低 当光源发光面积小于纤芯面积时 可在光源与光纤之间放置透镜 使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率 如下图 面发光二极管与光纤的透镜耦合 a 光纤端部做成球透镜 b 采用截头透镜 4 31 c 采用集成微透镜 对于发散光束非对称的边发光二极管和半导体激光器可以利用圆柱透镜的方法 如下图 a b 所示 或者利用大数值孔径的自聚焦透镜 GRIN 其耦合效率可以提高到60 甚至更高 单模光纤和半导体激光器的耦合可以采用如下图 c 所示自聚焦透镜或者在光纤端面用电弧放电形成半球透镜的方法 光源与光纤的透镜耦合 黄章勇 光纤通信用光电子器件和组件 课本内容 Page23 半导体LD和其它激光器相比其优点Page24 半导体激光二极管按结构分类有那些Page25 F PDHLD大致结构Page27 激光模式的含义 LD的水平横模 垂直横模 纵模的含义 Page27 28LD模式的控制 公式3 3 3 4 3 5 3 6补充 隐埋异质结的含义 有源层埋于宽带隙材料中 并且有源层四周由外延生长的低折射率包层所包围 Page29LD在高速调制下 或在温度和注入电流变化时 不再维持原激射模式