光纤通信课件刘增基_西安电子科技大学3

第3章通信用光器3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构3.1.2半导体激光器的主要特性3.1.3分布反馈激光器3.1.4发光二极管3.1.5半导体光源一般性能和应用3.2光检测器3.2.1光电二极管工作原理3.2.2PIN光电二极管3.2.3雪崩光电二极管(APD)3.2.4光电二极管一般性能和应用3.3光无源器件3.3.1连接器和接头3.3.2光耦合器3.3.3光隔离器与光环行器3.3.4光调制器3.3.5光开关返回主目录第3章通信用光器件通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光放大器。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。3.1光源光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)，有些场合也使用固体激光器。本节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。1.受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收自发辐射受激辐射(见图3.1)双能级原子系统的三种跃迁hE2E1自发发射跃迁E2E1受激吸收跃迁hhE2E1受激发射跃迁hh受激发射的光子与原光子具有相同的波长、相位和传播方向受激辐射和受激吸收的区别与联系受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12(3.1)式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，)exp(1212kTEENN(3.2)式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?图3.2(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)2.PN在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。)exp(11)(kTEEEpf(3.3)P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移P-N结内载流子运动；图3.3PN势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env零偏压时P-N结的能带倾斜图hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P-N结能带图获得粒子数反转分布增益区的产生：在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图3.3(c)。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。3.激光振荡和光学谐振腔激光振荡的产生：粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜(如图3.4所示)，并被称为法布里-珀罗(FabryPerot,FP)谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。图3.4(a)激光振荡；(b)光反馈2n反射镜光的振幅反射镜L(a)初始位置光光强输出OXL(b)式中，γth为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率激光振荡的相位条件为式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1,2,3…称为纵模模数。在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为γth=α+211ln21RRL(3.4)L=qqnLn22或(3.5)增益和损耗相等产生稳定激光4.DH激光器DH激光器工作原理由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。图3.6DH(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布PGa1－xAlxAsPGaAsNGa1－yAlyAs复合空穴异质势垒E能量(a)(b)(c)n折射率～5%(d)P光＋－电子3.1.2半导体激光器的主要特性1.发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长取决于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)hf=EgggEEhc24.1(3.6)不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85μm波段铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3~1.55μm波段式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到图3.7是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。在直流驱动下，发射光波长只有符合激光振荡的相位条件式(3.5)的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。驱动电流变大，纵模模数变小，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。图3.7(b)是300Mb/s数字调制的光谱特性，由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。图3.7GaAlAs-DH(a)直流驱动;(b)300Mb/s数字调制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)激光器纵模的概念：激光器的纵模反映激光器的光谱性质。对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱是导带和价带的自发发射谱，谱线较宽；只有当激光器的注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益才大于损耗，自发发射谱线中满足驻波条件的光频率才能在谐振腔里振荡并建立起场强，这个场强使粒子数反转分布的能级间产生受激辐射，而其他频率的光却受到抑制，使激光器的输出光谱呈现出以一个或几个模式振荡，这种振荡称之为激光器的纵模。I=67mAP=1.2mWI=75mAP=2.5mWI=100mAP=10mWI=95mAP=6mWI=80mAP=4mW随着电流增加，主模的增益增加，而边模的增益减小，纵模数减少，一个模式开始占优势，直到出现单个窄线宽的光谱为止。纵模数随注入电流而变：在众多的纵模中，只有那些频率落在增益介质的增益曲线范围内，且增益大于损耗的那些腔模才能在LD的输出中存在。谱线特性：2.激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。图3.8GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样W＝10m20m20m30m30m50m10m近场图样0.1rad远场图样3.-9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样(a)光强的角分布；(b)辐射光束⊥∥1.00.80.60.40.2080604020020406080T＝300K辐射角(度)相对光强(a)⊥∥(b)图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中θ‖和θ⊥分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。•表示激光器件把注入的电子－空穴对（注入电荷）转换成从器件发射的光子（输出光）的效率。是一个以百分数（％）度量的性能系数。•一个把100％注入电流转换成输出光的理想假设器件(即器件没有以热形式消耗)，在理论上应具有100％的e。•e可从P-I特性的斜率（阈值以上）dP/dI求得：mAdImWdPmdIdPEqqIdhPdge8065.0（对GaALAs材料）3.外微分量子效率e：图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth时激光器发出的是自发辐射光；当IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。图3.10(a)短波长AlGaAs/GaAs(b)长波长InGaAsP/InP109876543210020406080¹¤×÷µçÁ÷I/mAµ¥ÃæÊä³ö¹¦ÂÊP/mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith¹¤×÷µçÁ÷I/mAÊä³ö¹¦ÂÊP/mW(a)(b)•内量子效率i是衡量激光二极管把电子－空穴对（注入电流）转换成光子能力的一个参数。•与e不同的的是，i与激光二极管的几何尺寸无关，是评价激光二极管半导体晶片质量的主要参数。•i和e既又关系又有差别。i是激光二极管把电子－空穴对（注入电流）转换成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光