第四章 光源和光发射机

第四章光源和光发射机光源是光纤通信的核心器件。为了实现光的调制或电光变换，在实际系统中总是将光源、驱动电路及其辅助电路构成一体，形成光发射机。本章内容1.光纤通信对光源的基本要求2.半导体光源的物理基础3.半导体激光器4.半导体发光二极管5.新型半导体激光器6.光发射机光纤通信对光源的基本要求光源发射的峰值波长，应在光纤的低损耗窗口之内。有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求。电光转换效率高，低功率驱动，长寿命，高可靠性。单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率。易于调制，响应速度快，以利于高速率大容量的数字信号的传输。强度噪声要小，以提高模拟调制系统的信噪比。光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。最常用的光源半导体激光器（LD）发光二极管（LED）单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用；波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通信系统的关键器件。光子的概念不同频率的光子具有不同的能量，而携带信息的光波，它所具有的能量只能是hf的整数倍。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。孤立原子的能级2112hfEEE能级图E1E2E3ΔE取决于半导体材料的本征值。半导体材料半导体的能带在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中的离散能级变成能带。禁带宽度称为带隙能量，用Eg表示，Ec-Ev=Eg。本征半导体和杂质半导体的能带掺入施主杂质掺入受主杂质P-N结内载流子运动加正电，抵消自建场，扩散漂移；加负电，加强自建场，扩散漂移；PN结的能带光与物质的相互作用---光的发射和吸收光的自发辐射EcEvhh光的受激发射EchEvh输入输出(a)发光二极管—光的自发辐射(b)激光器—光的受激发射Ec吸收光子后产生电子Ev光子h输入(输出电流)(c)光探测器件—光的吸收激光LASER---LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光器LD---LaserDiode激光器的构成激光的产生条件相位条件---使谐振腔内的前向和后向光波发生相干；阈值条件---使腔内获得的光功率正好与腔内损耗相抵消。光hv光hv反射面反射面R2R1xEiEfPfPiL稳态光波12n介质起始反馈fm-1fmfm+1fm+2c2LnFSR=激光器起振的阈值条件受激发射使腔体得到的增益=腔体损耗发射主模纵模增益频率gthg()损耗增益()cavthg)1ln(2121intintRRLmir激光器起振阈值条件的简化描述NcNv_NcNv_()thNcNv_PoP阈值粒子数翻转光输出功率阈值电流光输出功率高、低能带上的电子密度差泵浦电流I半导体激光器的工作原理有源区电流注入型型光hv光hv解理面(a)半导体激光器L1234R1增益介质R2光的驻波折射率反射镜反射镜(b)纵模驻波2nnPNmm-m+(c)纵模共振光谱增益差11光增益o(a)腔内允许产生的模式mm()/2=L(b)mn相对光强m(a)+(b)=(c)(c)半导体激光器的输出光谱光增益与波长的关系mm解理面=0Z=xZ半导体激光器的工作原理用半导体材料作为工作物质的激光器，向半导体PN结注入正向电流，实现粒子数的反转分布，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。FP腔半导体激光器的工作原理？例：一峰值发光波长在800nm的GaAs激光器，其谐振腔长400微米，且材料折射率为3.6，如果增益在750至850nm的范围内都大于总损耗，试求此激光器中能存在几个模式？例4.2.2例4.2.3同质结半导体激光器同质结激光器阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工作。L电极电流GaAsGaAsn+p+解理面电极有源区(受激发射)L同质结：由同一种半导体材料构成的PN结。同质结、双异质结LD能级图及光子密度分布的比较双异质结光子密度能量GaAsGaAs激光PNhv(0.1~1)%折射率同质结光子密度Eg(a)(b)dPNN+P++PGaAsGaAsGaAlAsGaAsGaAlAs导带价带Eg’有源区EgEcEv=1.4EcEveV=eV2Ec5%n折射率-+~0.1m有源区eV2eV2电子空穴有效抑制载流子有效抑制光波异质结：指具有不同折射率和不同禁带宽度的两种半导体材料构成的PN结。半导体激光器的主要特性1.激光器的P-I特性ththdthth()/()/PPhfPPeePIIeIIhfhfI阈值电流Ith激光器效率2.激光器的温度特性指半导体激光器的阈值电流、输出光功率和输出光波波长随温度变化的特性。0thoutLTIP3.激光器的光谱特性波长/nm-40-20402000.60.200.40.81.0相对光强波长/nm-0.4-0.20.40.200.60.200.40.81.0相对光强0.02nm(2~5)nm波长/nm-40-200.60.200.40.81.040200-6060相对光强0GaAlAs:(30~50)nmInGaAsP:(60~120)nm1/200(a)LED的光谱特性(b)多模LD的光谱特性(c)单模LD的光谱特性发射波长谱线宽度光谱模数L=250μmW=12μmT=300KGaAlAs-DH(a)直流驱动;(b)300Mb/s数字调制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mW830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)4.激光器的模式特性纵模决定频谱特性横模决定光场的空间特性近场图案远场光斑SW30o10o在不同注入电流下的横模远场特性垂直于结平面方向平行于结平面方向0角度40o80o40o80oI=80mA7264560角度20o40o20o40oI=80mA726456604.激光器的调制特性计算出的半导体激光器对500ps方波电流脉冲的大信号调制响应频率啁啾实线表示发射的光脉冲形状电光延迟和张弛振荡（严重限制系统传输速率和通信质量）s0ttnthns0It注入电流电子密度光子密度注入电流脉冲产生的光脉冲tdtd0GHzfnstrd2~5.0数量级解决方法：对激光器加直流预偏置电光延迟张弛振荡码型效应限制调制速率半导体发光二极管LED没有光学谐振腔无阈值器件项目激光器（LD）发光二极管（LED）调制频带≤数GHz≤数百Hz光输出功率≤数十mW≤数mW耦合效率大小频谱宽度窄(数十埃)宽(数百～数千埃)线性差较好受温度影响大小发散角小大发光原理受激辐射自发辐射适用系统中远距离、大容量中近距离、中小容量随着技术的进步，对激光器提出更高的要求：谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性；发射波长更加稳定，并能实现调谐；阈值电流更低，而输出光功率更大。新型半导体激光器类型量子阱激光器（QW-LD）分布反馈激光器（DFB-LD）分布布拉格反射激光器（DBR-LD）耦合腔半导体激光器垂直腔表面发射激光器（VCSEL-LD）QW(QuantumWell)-LDAlGaAsAlGaAsGaAsDyDzdEEn=2n=1EEE321Eg1Eg2EcEvg()Ed量子阱状态密度xyz普通LD(a)QW结构原理图很薄的GaAs有源层夹在两层很宽的AlGaAs半导体材料中(b)导带中的电子在GaAl层中的x方向被Ec限制在很小的范围d内，因此它们的能量被量化了(c)两维QW器件的状态密度状态密度在每个量子能级上是恒定的d典型值10nm（一般FPLD有源层的厚度在0.1-0.3微米）。对载流子的限制---对电子和空穴允许占据能量状态的限制MQW-LD能量状态密度能量状态密度量子阱xzy势垒层E3E2E1InPInGaAs量子阱InGaAsP有源层EcEvE隔离层(a)普通LD(b)量子阱LD(c)多量子阱LD示意图(d)多量子阱LD能级图SLM-LD与F-PLD相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。单纵模DFB半导体激光器增益和损耗曲线发射主模纵模频率gth增益g()损耗B增益DFB普通LDDFB(DistributedFeedBack)---LDPN光栅波导区有源区光输出B(nm)0.1nm光功率LDFB的反射结构是由有源区波导上的光栅提供，这种反射结构是一种分布式的反馈结构。DFB与F-P激光器相比的优点①单纵模激光器②谱线窄，波长稳定性好③动态谱线好④线性响应好平面波导集成电吸收调制激光器（EML---ElectroabsorptionModulatedLaser）InGaAsPInGaAsPInGaAsPp-InGaAsPInPp-InP-InPn+n-InPp-InGaAsPgmCr/Aup电极p电极(Sn-Au/Au)电极nDFB激光器EAM调制器gm（）（）gm（）聚合物SiN2DBR(DistributedBraggReflector)---LDPN有源区激话区波纹电介质光栅分布式布拉格反射器光输出入射光反射光ABmnB2（a）DBR激光器的结构(b)部分反射波A和B具有路程差2时才发生相长干涉除有源区外，还紧靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起着衍射光栅的作用。多层电介质镜工作原理2n入射光反射光透射光AB1n2n1nC12121n2n透射光4/24/1(a)对反射光相长干涉的原理1550330770o(nm)反射系数0(b)反射系数与波长的关系电介质镜由数层折射率交替变化的电介质材料组成，从界面上反射的光相长干涉，使反射光增强，如果层数足够多，波长为λ0的反射系数接近1。耦合腔激光器中的纵模选择性边模主模频率gth增益g()损耗曲线增益曲线外部腔体反射镜反射镜激光器腔体激光器腔体反射率R把光耦合到外腔可实现单纵模工作；只有波长与外腔纵模中的一个模相同时才能产生同相反馈最接近增益峰，并且具有最低腔体损耗的纵模才变成主模。C3激光器(CleavedCoupledCavity，切开的耦合腔)（a）C3激光器结构示意图（b）C3激光器单纵模输出原理PN有源区I1I2有源区光输出LDLDL+D在段在段在段腔模1m外腔半导体激光器多腔DBR激光器商用PIC波长可调LD和调制器MQW有源区布拉格光栅激光输出放大器增益控制相位控制调制器MZ前反射镜光栅后反射镜光栅I4I2SG-DBR激光器I1I3IIL(b)(c)(d)(e)法布里-珀罗激光器激光器两段激光器三段激光器(f)四段激光器I(a)增益曲线器件类型器件结构IP1新产生的频谱特性复合频谱f2IPf21+IPfIPf21+4+IPf31/L21++3Pf4IPf-ppf5Pff21++45+Pf+21++45+Pf+66IbIpIbIb'Ib'IpIpIbIaIaIbIaIbIbIb'IbLbraggLbraggDFBDBRDBRDBR多纵模激光器到单纵模激光器的演化过程垂直腔表面发射激光器VCSEL---VerticalCavitySurfaceEmittingLaser有源区电极电极电介质镜衬底电介质镜+表面发射/(4n1)L/(4n2)ddn1n212z=0.1mInGaAsAlGaAsGaAsVCSEL激光器阵列光发射机光发射机是让LD携带信息信号以便在光纤中传输的装置。光发射机有直接调制和外调制之分。光发射机通常由复用、编码、调制、驱动电路和控制电路等部分组成。直接调制光发射机数字调制有编码电路，模