有源光器件和无源光器件课件

1、有源光器件和无源光器件,第三章 有源光器件和无源光器件,有源光器件和无源光器件,光有源器件,定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件 半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) 半导体光探测器(PD,PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长转换器(XGM,XPM,FWM) 光调制器（EA） 光开关/路由器,有源光器件和无源光器件,光无源器件,定义：不需要外加能源驱动工作的光电子器件 光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） 光纤定向耦合器/分支器 光分插复用器（OADM) 光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)

2、光衰减器（固定、连续） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅,有源光器件和无源光器件,光器件与电器件的类比,有源光器件和无源光器件,多波长光源 DWDM 光调制器 光隔离器 光耦合器 光波长转换,光放大 DWDM 光色散补偿 光隔离器 光环行器,光波长转换 OADM DWDM 光隔离器 光环行器 光开关,可调谐滤波 DWDM OXC 光耦合器 光调制解调,光器件的应用,有源光器件和无源光器件,光器件的分类,光电变换器件 光开关与调制器件 光放大器件 光色散补偿器件 光网络器件,有源光器件和无源光器件,光电变换器件,F-P腔激光二极管

3、(LD) 分布反馈布拉格激光器(DFB) 分布布拉格反射激光器(DBR) 外腔激光器与Q开关激光器 发光二极管(LED) 光纤激光器(OFL) 垂直腔表面发射激光器(ECSEL) 多波长光源与波长可调谐激光器 光电探测器(PD、PIN、APD),有源光器件和无源光器件,光调制器件,幅度调制 机械调制 电光调制 直接调制 电吸收光调制(EA) 相位调制 偏振调制 光电集成芯片(OEIC) 光子集成芯片(PIC),有源光器件和无源光器件,光色散补偿器件,色散控制 色散位移单模光纤 非零色散位移单模光纤 大有效截面单模光纤 色散平坦单模光纤 色散补偿 色散补偿光纤模块 SOA色散补偿 光纤光栅色散补

4、偿 色散管理,有源光器件和无源光器件,光网络器件,光耦合透镜（自聚焦透镜、玻璃球透镜） 光连接器与光耦合器 光隔离器与光环行器 光滤波与光波分复用器件 光起偏器与偏振控制器 光波长转换与光波长路由器件 光调制解调器（Modem） 光衰减器与光延时器件 光开关与光交叉连接器件 微光电机械芯片,有源光器件和无源光器件,光放大器件,掺铒光纤放大(EDFA) 掺镨光纤放大(PDFA) 掺钕光纤放大(NDFA) 分布式光纤放大 喇曼光纤放大(SRFA) 布里渊光纤放大(SBFA) 半导体光放大(SOA),有源光器件和无源光器件,元件：Components,器件：Devices,模块：Modules,系统

5、：Systems,有源光器件和无源光器件,第三章 有源光器件和 无源光器件,3.1 激光原理的基础知识 3.2 半导体光源 3.3 光电探测器 3.4 无源光器件,有源光器件和无源光器件,3.1 激光的基础知识,3.1.1 玻尔的能级假说 3.1.2 光子 3.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收 3.1.4 粒子数反转,有源光器件和无源光器件,其中E2和E1分别为跃迁前、后的原子能级能量，h为普朗克常数，为电磁辐射的频率。,3.1.1 玻尔的能级假说,h =6.626110-34 Js,能量最低的原子能级称为基态能级，其它能量较高的原子能级称为激发态能级。,有源光器件和无源光器件,3.1.2

6、 光子,若原子从E2 E 1 ， E=E2 E 1 ， 这个差 E将以一个量子的能量形式释放，一个量子的能量被称为光子（photon）。 一个光子的能量Ep由下面的公式定义 Ep =h（ 3.1.3-1 ） h是普朗克常数(h=6.626 10-34 J S)，而是光子的频率。,原子从高能级低能级，对应于光子的辐射；原子从低能级高能级，对应于光子的吸收。,有源光器件和无源光器件,处于高能级的原子自发的辐射一个频率为、能量为E的光子，跃迁到低能级，这一过程称为自发辐射。是相位、偏振方向不同的非相干光。,3.1.3 自发辐射 受激辐射和受激吸收,3.1.4 .1 自发辐射(spontaneous

7、radiation),有源光器件和无源光器件,3.1.3 .2 受激辐射 (stimulated radiation),在能量为E的入射光子的激励下，原子从高能级向低能级跃迁，同时发射一个与入射光子频率、相位、偏振方向和传播方向都相同的另一个光子，这一过程称为受激辐射。,有源光器件和无源光器件,上述外来光也有可能被低能级吸收，使原子从E1E2。在入射光子的激励下，原子从低能级向高能级跃迁，称为受激吸收。,3.1.3 .3 受激吸收 (stimulated absorption),有源光器件和无源光器件,自发辐射是单向性的； 受激跃迁是双向的; 自发辐射概率与光强无关； 受激跃迁概率正比于光强。

8、,自发辐射和受激辐射、吸收的区别：,有源光器件和无源光器件,3.1.4 粒子数反转,在热平衡时，各能级的粒子数目服从玻耳兹曼统计分布:,即若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比,k=1.3810-23J/K 为玻耳兹曼常量,有源光器件和无源光器件,粒子数反转（N2 N1）是实现激光放大的必要条件。,为了实现粒子数反转，就需要大量电子跃迁到导带，为此，需要泵浦为跃迁提供能量。 此外，还需要亚稳态能级使激发的电子保持一段时间，形成粒子数反转。,有源光器件和无源光器件,例如：T 103 K； kT1.3810-20 J 0.086 eV; 在可见光和近红外，Eg=hv=E 2-E 11eV;,说

9、明基态上粒子数最多。此时 受激辐射概率受激吸收概率，不能产生光放大。,有源光器件和无源光器件,例题,1、假设一个激光二极管发出的红光的波长=650nm,那么单个光子的能量是多少？ 解： Ep =h =hc/=6.6 10-34 J S 3 108 m/s/650 10-9m=3.04 10-19 J,2、LD波长=650nm,光能量P=1mW,这个光源每秒发射多少光子？ 解：总能量 E =P 1s=1 10 -3W 1s = 1 10 -3J 这个能量等于E = Ep N,其中N是光子的数量。 所以N=E/ Ep = 1 10 -3J/3.04 10-19 J =3.3 1015 ，也就是3.

10、3千万亿。,有源光器件和无源光器件,课间休息,有源光器件和无源光器件,3.2 半导体光源,3.2.1半导体激光器的特点和应用 3.2.2半导体激光器（LD） 3.2.2发光二极管（LED）,有源光器件和无源光器件,3.2.1 半导体激光器的特点和应用,半导体激光器是通过受激辐射产生光的器件。 受激辐射的特征：一个外来光子迫使一个带有类似能量E的光子被发射；所有受激光子的发射方向都与激发他们的光子相同；受激光子仅在有外来光子激发他们的时候才辐射同步的。 形成正反馈的方法：用两个镜面、光栅形成谐振器。 受激光子快速增加需要导带中有无数受激电子来维持这个动态过程。因此需要比LED快得多的速度来激活电

11、子，需要粒子数反转。为了实现粒子数反转，需要在激活区加大的正向电流。 为了使激光二极管产生光，增益必须大于损耗。,有源光器件和无源光器件,综上所述，半导体激光器的激射条件为： 粒子数反转 受激辐射 正反馈,有源光器件和无源光器件,半导体激光器（LD）的特点：,半导体激光器（LD）的应用：,输出功率大(kW)，光谱宽度窄(0.01pm)，高偏振，相干长度长，输出 NA小 ( 光易于耦合进光纤),光纤通信、医学、测量、加工和军事等。,有源光器件和无源光器件,3.2.2 半导体激光器（LD）,FP-LD-法不里-泊罗激光器 DFB-LD分布反馈激光器 DBR -LD -分布反射激光器 QW LD-量

12、子阱激光器,有源光器件和无源光器件,法不里-泊罗激光器Fabry-Perot (FP) Laser,多纵模(MLM) 光谱 “著名”的半导体激光器 最早用于光纤链路 (850 or 1300 nm) 今天:用于短或中等长度的光纤链路 主要性能指标 主要用于波长 850 or 1310 nm 总输出功率大于几 mw 光谱宽度 3 to 20 nm Mode spacing 0.7 to 2 nm 高偏振 相干长度约为 1 to 100 mm 小的 NA ( 光易于耦合进光纤),P peak,I(mA),P(mW),阈值, (nm),有源光器件和无源光器件,FP-LD的结构,FP-LD管芯示意图,

13、有源光器件和无源光器件,FP-LD的工作原理,要实现FP-LD激射，必须满足几个基本条件： 要有能实现电子和光场相互作用的物质； 要有注入能量的泵浦源； 要有一个F-P谐振腔； 必须增益大于损耗 要满足振荡条件: = 2nL/N。,其中L是镜间距， N 是一个整数， n为谐振腔内折射率，是光波长。,a)任意波注入时的FP-LD,b)驻波注入时的FP-LD,有源光器件和无源光器件,例如：,如果L= 0.4mm = 400 m， n=1 而= 1300 nm= 1.3 m 则N = 615 谐振器支持的波长为1300 nm =2 n L/ N，但其也支持：2L(N 1), 2L(N 2),等等波长

14、。这些谐振器选择的波长叫纵模。当谐振器的长度增加或减少时，激光器就从一个纵模转向另一个，被称之为跳模。 因为 = 2 n L/ N，所以相邻两个纵模的间隔 N N+1 2 n L/N2 = 2/2 n L,有源光器件和无源光器件,1、必须增益大于损耗：,激光出射条件,2、活性介质只能在很小的波长范围内提供增益（ hc/E）。谐振器和活性介质共同作用的结果，只有几个落在增益曲线内的谐振波长才能被激射。,有源光器件和无源光器件,相邻两个纵模的间隔N N+1 2/2 n L 当谐振器的L=0.4mm, n=1，工作在= 1300 nm 附近时，计算出N N+1 2.1 nm ，假设增益曲线的线宽等于

15、7nm，则这种活性介质可支持3个纵模。,c)增益损耗曲线和可能的纵模,d)实际的多模辐射,FP-LD的光谱宽度为纵模包络光功率最大值一半时的带宽。,有源光器件和无源光器件,分布反馈激光器Distributed Feedback (DFB) Laser,单纵模 (SLM)光谱 高性能的通信激光器 价格贵 (难于制造) 长距离干线 或 DWDM 系统 主要性能指标 主要用于1550 nm 总输出功率 3 to 50 mw 谱线宽度10 to 100 MHz (0.08 to 0.8 pm) 边模抑制比 (SMSR): 50 dB 相干长度约为 1 to 100 m 小的 NA (光易于耦合进光纤)

16、,有源光器件和无源光器件,为了减少线宽，需要激光管只发射一个纵模。分布反馈激光器实现这个功能。 其在激活区附近的异质结中合并了光栅，其工作原理与镜子类似，但他仅选择反射波长为B 的光。,2 neff= B,“反馈”是指；使受激光子返回活性介质； “分布”是指；反射并不仅仅发生在一个点上。 二十世纪六十年代提出，二十世纪八十年代商品化。 改进方案：DBR,有源光器件和无源光器件,a) 分布反馈激光器,b) 分布反馈工作原理,c) 实际单模辐射,有源光器件和无源光器件,分布布拉格反射 (DBR) 镜 交替的半导体材料层 40到60层,每层厚度 l / 4 光束的匹配与光纤更接近 主要性能指标 波长

17、范围780 to 980 nm (gigabit ethernet) 谱线宽度 -10 dBm 相干长度10 cm to10 m NA 0.2 to 0.3,有源光器件和无源光器件,量子阱激光器,为了提高发射效率，使用特殊制造技术来得到特别薄的激活区（4nm20nm），称为量子阱（QW）激光器。,a)单量子阱激光器,有源光器件和无源光器件,MQW激光器是用超薄膜（厚度20nm形成有源层，能呈现量子效应的异质结半导体激光器，普通半导体激光器的有源层厚度为几百纳米到几千纳米。电子在有源层的运动是三维的，当有源层的厚度减小到20nm而与电子的自由程接近时，电子就不能在层厚方向做自由运动，只能在层面内

18、作横向运动，电子能量变成一个个离散值，即呈现量子效应，有源层由多个薄层构成，由于载流子和光子被限制在薄层之内，从直观来看就是载流子和光子都很集中，因此容易发生激射。,多量子阱激光器MQW-LD,有源光器件和无源光器件,MQW激光器的优点： （1）阈值电流小，由于其结构中“阱“的作用，使电子和空穴被限制在很薄的有源区内，造成有源层内粒子数反转浓度很高，因而大大降低了阈值电流，由于阈值电流的降低，还带来了功耗低，温度特性好的优点。 （2）线宽变窄。由于量子阱中带间复合的特点，造成线宽增大系数a变小，从而减小了光谱中的线宽，同双异质结激光器相比，缩小了近一倍。 （3）器件的微分增益高，注入电流的微小变化能够引起光功率的较大变化。 （4）调制速度高。工作频段可达30GHZ。 （5）频率啁啾小，动态单纵模特性好，纵模控制能力强。,有源光器件和无源光器件,3.2.3 发光二极管（LED）,面发射发光二极管SELED 边发光发光二极管EELED 超辐射发光二极管SLD LED的主要性能指标,有源光器件和无源光器件,3.2.2 发光二极管Light-emitting Diode (LED),具有体积小,机械强度高,寿命长,电压低,电流小(数毫安或数十毫安),耗电省,响应速度快,易用电流调制光通量和使用方便等优点.由于它所需要的电压低,能与集成电