第4章 光源和光发射机.ppt

1、1，第4章光源和光发射器，4.1概述4.2发光机制4.3器件结构4.4半导体激光器的特性4.5光发射器，2，4.1概述在光纤通信中，电信号到光信号的转换是由光发射器完成的。光发射机的关键部件是光源：发光二极管激光器，3、光纤通信对光源的要求，光源发射的峰值波长应在光纤的低损耗窗口内；有足够高且稳定的输出光功率，满足系统对光中继距离的要求；电光转换效率高，驱动功率低，使用寿命长，可靠性高；良好的单色性和方向性，减少光纤的材料色散，提高光源与光纤的耦合效率；调制容易，响应速度快，有利于高速大容量数字信号的传输；强度噪声应较小，以提高模拟调制系统的信噪比；光强与驱动电流的线性度更好，以确保有足够的模

2、拟调制通道。光纤通信中最常用的光源是：半导体激光发光二极管，尤其是单纵模(或单频)半导体激光，广泛应用于高速大容量数字光纤系统；近年来，成熟的波长可调谐激光器是多通道WDM光纤通信系统的关键器件，受到越来越多的关注。5、常用的调制方法，直接调制和注入调制电流来实现光强调制和外部调制，6、通过模拟信号直接调制激光二极管，7、直接调制光发射器，8、光外腔调制发射器框图，9、外部调制示意图，10、4.2.1发光机理正如我们所知，白炽灯热激发一部分被加热的钨原子，发光二极管通过能带之间的电子跃迁发出光谱宽度在几百纳米以下的光。组成半导体晶体的原子有不同的能带。如果占据高能带(导带)的电子跃迁到低能带(

3、价带)，它们之间的能量差(禁带能量)将以光的形式释放。此时发射的光的波长基本上由能带差决定。11，在构成半导体晶体的原子中存在不同的能带；如果占据高能带(导带)的电子跃迁到低能带(价带)，它们之间的能量差(禁带能量)将以光的形式释放；此时发射的光的波长基本上由能带差决定。图4.2.1半导体的发光原理，图4.2.2光的自发辐射、受激辐射和吸收，13、发光二极管的自发辐射-工作原理，如果电流注入半导体中的pn结，原子中占据低能带的电子被激发到高能带；当一个电子从高能带跃迁到低能带时，它会自发地发出一个能量为hv的光子。将电能转换成光能的电子器件从高能带转换到低能带称为发光二极管。14、自发辐射发光

4、二极管的工作原理，当电子回到低能级时，它们独立地一个接一个地发射光子。因此，这些光波可以具有不同的相位和偏振方向，并且它们可以在各自的方向上传播。同时，高能带中的电子可能处于不同的能级，并且它们自发辐射到低能带中的不同能级，因此发射光子的能量不同，并且这些光波的波长不完全相同。因此，自发辐射是一种非相干光。15，光接收装置的原理，如果光照射到占据低能带的电子；吸收光子能量后，电子被激发跃迁到更高的能带。在对半导体结施加电场(反向电压)之后，高能带中的电子可以在外部电路上被取出，光能可以被转换成电流。这是将在第5章中描述的光接收装置。16，受激发发射和受激发吸收激发，受激发发射激发-具有能级差b

5、et的光当有入射光场时，受激吸收过程和受激发射过程同时发生，这一过程主要取决于两个能带中电子密度的分布。如果高能带中的电子密度高于低能带中的电子密度，受激发射是主要的，而受激发射是主要的。激光器在正向偏压下工作。当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地从高能带过渡到低能带以发射光子，在激光器中形成初始光场。在这些光场的作用下，受激辐射和受激吸收同时发生，受激辐射和受激吸收的概率是相同的。18，LD发射激光的第一个条件-粒子数反转，19，另一个条件是在半导体激光器中必须有一个光学腔，并且应该在腔中建立稳定的振荡。在激活区粒子数反转后，受激发射占主导地位。然而，激光的初始光场来自导

6、带和价带的自发辐射，光谱宽，方向杂乱。为了获得具有良好单色性和方向性的激光输出，有必要形成光学谐振器。LD发射激光的第二个条件光学谐振腔，20，法布里(18671945)珀罗(18631925)，法国物理学家，21，法布里-珀罗光学谐振腔，涂有反射镜的光学谐振腔只能存储特定频率的能量，这种谐振腔称为法布里-珀罗。它将光束锁定在空腔中，并使其来回反射。当腔内的前向和后向光波相干时，它们保持振荡，形成平行于腔端面的等值面驻波。此时的增益是激光器的阈值增益，实现该增益所需的注入电流称为阈值电流。22，光在共振腔中建立了稳定的振荡条件，并且像电共振一样，光也有共振。为了在谐振腔中建立稳定的光振荡，必须

7、满足某些相位条件和阈值条件。相位条件使谐振腔中的前向和后向光波相干；阈值条件使腔内获得的光功率正好抵消腔内的损耗。只有当谐振器中的光增益和光损耗保持相等，并且谐振器中的前向和后向光波是相干的，具有窄谱线的相干光束才能在谐振器的两个端面输出。23，激光二极管的工作原理，24，图4.2.6法布里-珀罗(F-P)谐振腔中光的干涉，25，4.2.2激光振荡的相位条件-谐振腔中前向和后向光波的干涉，26，多纵模(多频)激光谐振腔长度L。腔内受激发射获得的增益=腔损耗，28，图4.2.7 F-P谐振腔，29，衰减因子和放大因子必须相等，30，半导体激光器的增益谱G()相当宽腔内同时存在许多纵模，但只有增益

8、峰附近的纵模成为主模。 在理想条件下，其他纵向模式不应达到阈值，因为它们的增益总是小于主模式。事实上，增益差异非常小，主模式两侧的一个或两个相邻模式与主模式一起携带大部分激光功率。这种激光器被称为多模半导体激光器。图4.2.8激光增益谱和损耗曲线的阈值增益是两条曲线相交时的增益值，31。图4.2.9激光振荡阈值条件的简化描述，32。例4.2.1激光腔越长，模式越多，33。小结光在腔中建立稳定振荡的条件。在半导体激光器中，两个充当镜子。当腔获得的放大增益等于受激发射的腔损耗(阈值条件)时，谐振腔中的前向和后向光波是相干的(相干条件)，它们保持振荡，形成与腔端面平行的等相平面的驻波，然后穿透谐振腔

9、的两个端面，输出谱线窄的相干光束。34，4.3器件结构，异质结半导体激光器，量子限制激光器，分布反馈激光器(DFB)，垂直腔面发射激光器(VCSEL)，35，图4.3.1发光二极管和几个半导体激光器结构，36，同质结构只有一个简单的磷氮结，并且磷和氮区域都是相同物质的半导体激光器。激光器的阈值电流密度过高，工作时发热严重，只能在低温环境和脉冲状态下工作。为了提高激光器的功率和效率，降低同结激光器的阈值电流，异质结半导体激光器得到了发展。为了提高半导体激光器的功率和效率，降低同结半导体激光器的阈值电流，人们研究了异质结半导体激光器的“异质结”，即由两种不同材料(如GaAs和砷化镓)组成的pn结。

10、双异质结构中有三种材料，有源区被宽带隙和低折射率的介质材料包围。这种结构形成了类似光纤波导的折射率分布，这限制了光波向外围的泄漏，降低了阈值电流，减少了加热现象，并且可以在室温下连续工作。为了进一步降低阈值电流，提高发光效率和与光纤的耦合效率，通常尽可能减小有源区的大小，通常w=10 m，d=0.2m，L=100 400 m，38，图4.3.2同结和双异质结的ld能级和光子密度分布的比较，39，4.3.2量子限制激光器，双限制激光器除外这是允许被电子或空穴占据的能量状态的限制。这种激光器被称为量子限制激光器。它具有阈值低、线宽窄、差分增益高、对温度不敏感、调制速度快、增益曲线易于控制等优点。量

11、子阱器件的薄GaAs有源层夹在两层宽的铝镓砷半导体材料之间，因此它是一种异质结器件。在该激光器中，有源层的厚度d非常薄，并且电子被导带中的带隙势能包围在X方向的一维势能阱中，但是在Y和Z方向上是自由的。这种闭合呈现出量子效应，这导致带量子化被分成离散值。这种状态密度的变化改变了自发辐射和受激辐射的速率。量子阱半导体激光器的有源层厚度只有10纳米，约为异质结器件的1/10，因此注入电流的微小变化会导致输出激光的较大变化。图4.3.3量子阱(QW)激光器，41，图4.3.4量子阱激光器示意图，42，4.3.3分布反馈激光器(DFB)，DFB激光器是单纵模(SLM)激光器，即在其光谱特性中只有一个纵

12、模(谱线)的激光器。与法布里-珀罗腔激光器相比，空间光调制器的腔损耗取决于模式，即不同的纵模有不同的损耗。通过改进结构设计，DFB激光器具有对波长有选择性的衍射光栅，因此只有满足布拉格波长条件的光波才能产生振荡。图4.3.5显示了该激光器的增益和损耗曲线。从图中可以看出，增益曲线与损耗最小的曲线接触的模式开始振动，成为主模式。其他相邻模式由于损耗大而达不到阈值，因此它们不会因自发辐射而振荡。43岁。与法布里-珀罗腔激光器相比，空间光调制器的腔损耗与模式有关，即对不同的纵模有不同的损耗。图4.3.5单纵模DFB半导体激光器的增益和损耗曲线，44。DFB激光二极管的分类，分布式反馈激光器DFB:分

13、布式反馈分布式布拉格反射激光器DBR :分布式布拉格反射器，45。DFB激光二极管的谐振腔损耗与模式有关，即它对不同的纵模有不同的损耗。通过改进结构设计，DFB激光器具有对波长有选择性的衍射光栅，因此只有满足布拉格波长条件的光波才能产生振荡。图4.3.7 DFB LD结构及其原理，46、布拉格布拉格(18901971)，澳大利亚出生的英国物理学家，25岁时发明了著名的布拉格方程并获得诺贝尔奖，47、图4.3.6 DBR LD结构及其原理。除了有源区之外，在DBR激光器的右侧增加了一个分布式布拉格反射器，起到衍射的作用。DBR激光器的输出是反射光相长干涉的结果。只有当波长等于光栅间距的两倍时，反

14、射波才相互增强并发生相长干涉。例如，当部分反射波A和B的路径差为2时，它们之间会发生相长干涉。48，普通激光器，49，激光器外形图，50，激光器电吸收调制器隔离器结构，51，4.3.4垂直腔面发射激光器，VCSEL(垂直腔面发射激光器)，顾名思义，它的发光方向是垂直于腔，而不是像普通激光器那样平行于腔。该激光器的光腔轴与注入电流方向相同。52，图4.3.8垂直腔面发射激光器原理图，4.3.8垂直腔面发射激光器，54，垂直腔面发射激光器工作原理，55，多层介质镜工作原理，前后相邻界面反射的所有波都具有相长干涉特性。经过几层这样的反射后，透射光强度将非常小，反射系数将达到1。56，垂直腔面发射激光

15、器阵列，57，垂直腔面发射激光器，58，4.4.1半导体激光器的基本特性，阈值电流温度特性波长特性，59，图4.4.1温度对输出功率的影响，60，半导体激光器的特性曲线，61，图4.4.2发光二极管和半导体激光器的光谱特性，62，图4.4。表4.4.1典型发光二极管特性参数，64，表4.4.1发光二极管及其模块特性参数，以及65，4.4.2模式特性。半导体激光器的模式特性可以分为两种类型：纵向模式和横向模式，它们决定了光谱特性。横模决定光场的空间特性，即横模决定近场特性(在激光表面上)和远场特性(近场傅里叶变换)。67，图4 . 4 . 3 BH半导体激光器在不同注入电流下的横模特性，68，4.5光发射机，它是一种激光二极管携带信息信号在光纤中传输的装置。光发射机可以分为直接调制和外部调制。光发射机通常由多路复用、编码、调制和驱动电路组成。69，常用的调制方法直接调制，注入调制电流来实现光强调制，获得良好光调制波形的先决条件：