集成光电子器件lpl(第二章2).ppt

2 3半导体激光器 2 3 1半导体激光器的原理 LD利用的是半导体中的受激发射跃迁 发射的是相干光 产生激光的三个先决条件 激励源 是能量的提供者 实现粒子数反转 激活物质 是产生激光的物质基础 提供光放大 光学谐振腔 提供光反馈 要产生激光还应满足如下两方面的条件 阈值条件 相位条件 波长为 满足特定的相位关系 纵模间隔 GaAlAs GaAs材料适用于0 85 m波段 InGaAsP InP材料适用于1 3 1 55 m波段 2 3 2半导体激光器的结构 最简单的半导体激光器 大面积半导体激光器 缺点 侧向没限制作用 损耗大 阈值高 大面积半导体激光器 为解决侧向辐射和光限制问题 实际的激光器采用了增益导引型和折射率导引型结构 限制光的办法 电流在狭窄的中间带内注入 导致载流子浓度在条形区最高 光被限制在条形区域内 增益导引型半导体激光器 增益导引型半导体激光器 增益导引激光器 只是限制电流流经的通道 对光场的侧向渗透实际上没有限制作用 仍存在注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散 缺点 功率增大时 光斑尺寸不稳定 模式稳定性不高 辐射模式随激光器增益的增加而改变 折射率导引型半导体激光器 限制光的办法 在侧向引入折射率差 以达到限制光场的作用 优点 光空间分布稳定性高 折射率导引型半导体激光器 大面积半导体激光器 使用较少增益导引型半导体激光器 使用较少折射率导引半导体激光器 使用较多 2 3 3半导体激光器的工作特性 1 P I特性 存在阈值电流Ith IIth时 受激辐射 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特性与温度的关系 半导体激光器P I曲线随温度的变化 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 式中 I0为常数 T为结区的热力学温度 T0为激光器材料的特征温度 衡量LD对温度灵敏度的一个参数 GaAlAs GaAs激光器T0 100 150KInGaAsP InP激光器T0 40 70K所以长波长InGaAsP InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感 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 半导体激光器的模式分为 横模和纵模 横模 指在谐振腔横截面内激光光场的分布 用TEMmn表征 分垂直横模和水平横模 纵模 指沿谐振腔轴向上的激光光场分布 表示一种频谱 对高速光纤通信系统来说 要求基横模单纵模的光源 以减小光纤色散的影响 使激光器工作于单横模发光 实现办法 通过控制有源层的厚度和宽度 垂直横基膜的条件 水平横基膜的条件 使激光器工作于单纵模发光 实现办法 通过控制激光器的结构可实现单纵模工作 如 分布反馈激光器 布拉格激光器 量子阱激光器等 LD的线宽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 使光腔共振频率产生变化 简化理论推导的光源线宽 可表示为 X为自发发射事件的平均速率 P为光功率 为线宽增强因子 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 3 调制特性 半导体激光器的调制原理图 a 数字调制 b 模拟调制 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 LD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 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 是激光器内部光电相互作用所表现出来的固有特性 采用预偏置在Ith附近的方法 可减小张弛振荡 张驰振荡可定性解释如下 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 2 电光延迟半导体激光器在高速脉冲调制下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 原因是载流子浓度达到激光阈值需要一定时间 0 5 2 5ns 光脉冲的电光延迟和张弛振荡 上升时间 从额定功率的10 升到90 所需的时间 下降时间 从额定功率的90 降到10 所需的时间 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 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 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 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效应限制了信号的调制速率应低于张弛振荡频率 码型效应起因 当第一个电流脉冲过后 存储在有源区的电荷以指数形式衰减 回到初始状态有一个时间过程 sp 如果调制速率很高 脉冲间隔小于 sp 会使第二个电流脉冲到来时 前一个电流脉冲注入的电荷并没有完全复合消失 有源区的存储电荷起到直流预偏置的作用 于是第二个光脉冲延迟时间减小 输出光脉冲的幅度和宽度增加 两个连 1 的现象 3 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影响的现象 消除方法 增加直流偏置电流 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 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 结发热效应半导体激光器是对温度很敏感的器件 不仅环境温度的变化会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化 注入电流的热效应也会发生类似的变化 结发热效应 是激光器的另一种瞬态调制效应 起因 注入电流导致温升 进而引起阈值电流的变化 从而输出光功率也发生变化 在电流脉冲持续阶段 输出光功率随时间而减小 而当电流脉冲过后 输出光功率随时间而增加 5 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 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 误码率增大 GaAs LD直流光输出谱特性 4 波长调谐特性在波分复用及相干光纤传输系统中 光源常常需要波长可调谐 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 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 1 分布反馈 DFB DistributedFeedBack 半导体激光器 DFB半导体激光器示意图 DFB激光器利用靠近有源层沿长度方向周期性结构 波纹状 的衍射光栅实现分布式光反馈 几种主要的半导体激光器 布拉格光栅起选频的作用 激射波长应满足 DFB激光器的激射波长与布拉格光栅的周期长度和材料等效折射率有关 1 动态单纵模 窄线宽振荡DFB激光器只有满足Bragg反射条件的特定波长的光才能受到强烈反射而形成振荡 多个微型谐振腔同步振荡 共同选模 实现单纵模振荡 2 波长稳定性好 激射波长与光栅周期和等效折射率有关温度漂移约为0 08nm 3 边模抑制比高 可达30dB 4 啁啾 DFB激光器的特点 2 分布布喇格反射 DBR DistributedBraggReflection 半导体激光器 DBR半导体激光器示意图 特点 反射器和增益区分离 所以可以分别控制DBR激光器的输出功率 通过改变流过激射区的电流 和发射波长 通过改变流过光栅段的电流 所以 DBR激光器比DFB激光器更易于控制和调整 3 量子阱 QW QuantumWell 半导体激光器 量子阱激光器能带示意图 量子阱激光器 把双异质结二极管的有源区厚度做成数十纳米以下的结构 夹于宽带隙半导体 如Ga1 xAlxAs 中间的窄带隙半导体 如GaAs 起着载流子 电子和空穴 陷阱的作用 QW激光器的优点 1 阈值电流低 由于量子阱的作用 有源区内粒子数反转浓度很高 因而大大降低了阈值电流 从而功耗低 温度特性好 2 与双异质结激光器相比 谱线线宽可以缩小一半 3 频率啁啾小 动态单纵模特性好 横模控制能力强 4 输出波长范围宽 当有源区的厚度小于电子的德步罗意波的波长时 电子在该方向的运动受到限制 态密度呈类阶梯形分布 量子阱的阶梯状能带使注入载流子能量量子化 提高了注入载流子的利用率 增加了微分增益 4 垂直腔面发光激光器 VCSEL VerticalCavitySurfaceEmittingLaser 电流和发射光束方向都与芯片表面垂直 VCSEL结构示意图 垂直腔表面发射激光器 VCSEL 列阵和驱动集成电路 垂直腔面发光激光器的优点 工作阈值极低 动态单纵模运转 可任意配置高密度激光器阵列 与不同芯镜的光纤匹配好 价格低 半导体激光器 LD 和发光二极管 LED 的一般性能 20 50 20 50 20 50 20 50 工作温度 C 寿命t h 30 12030 120 20 5020 50 辐射角 5