光纤通信 第三章光源与光发射机

光纤通信Fiber-OpticCommunicationTechnology2009/2010学年第二学期第三章光源与光发射机主要内容一、半导体中光的发射和激射原理二、半导体发光二极管(LED)三、半导体激光二极管(LD)四、数字光发射机光纤通信系统对光源的要求（1）合适的发射波长，光纤的低损耗窗口；（2）足够大的输出功率，较长的传输距离；（3）较窄的发光谱线，减少光纤色散的影响；（4）易于与光纤耦合，提高耦合效率，确保更多的光功率进入光纤；（5）易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；（6）要求在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。一、半导体中光的发射和激射原理能级光与物质的相互作用半导体材料的能带结构半导体PN结光源发光波长直接带隙和间接带隙材料异质结能级原子中的电子只能以一定的量子状态存在，也即只能在特定的轨道上运动，电子的能量不能为任意值，只能具有一系列的不连续的分立值。我们把这种电子的能量不连续的分立的内能称为能级。处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态。光与物质的相互作用自发辐射——电子无外界激励而从高能级自发跃迁到低能级，同时释放出光子。受激辐射——高能级电子受到外来光子作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。受激吸收——低能级电子在外来光子作用下吸收光能量而跃迁到高能级。半导体材料的能带结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，其原子最外层电子轨道互相重叠，从而使其分立的能级形成了能级连续分布的能带。根据能带能量的高低，有导带、禁带和价带之分。能量低的能带是价带，相对应于原子最外层电子（价电子）所填充的能带，处在价带的电子被原子束缚，不能参与导电。价带中电子在外界能量作用下，可以克服原子的束缚，被激发到能量更高的导带之中去，成为自由电子，可以参与导电。处在导带底Ec与价带顶Ev之间的能带不能为电子所占据，称为禁带，其能带宽度称为带隙Eg(Eg=Ec-Ev)。费米能级通常情况下（热平衡条件下），处于低能级的粒子数较高能级的粒子数要多，称为粒子数正常分布。粒子在各能级间分布符合费米统计规律：是能量为的能级被粒子占据的几率，称为费米分布函数。为费米能级，与物质特性有关，不一定是一个为粒子占据的实际能级，只是一个表明粒子占据能级状况的标志。低于费米能级的能级被粒子占据的几率大，高于费米能级的能级被粒子占据的几率小。)(EfkTEEfeEf)(11)(fEE半导体PN结光源PN结在正向偏置时，N区的电子及P区的空穴会克服内建电场的阻挡作用，穿过结区(扩散运动超过漂移运动)，从P区到N区产生净电流。电子与空穴在扩散运动中产生复合作用，释放出光能，实现发光。这种发光是一种自发辐射，所以发出的是荧光。由于这种发光是正向偏置把电子注入到结区的，又称为电致发光。这就是发光二极管的工作原理。发光波长半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg，以电子伏特（eV）表示的带隙Eg发射波长为1.240()()gmEeV直接带隙和间接带隙材料由于半导体内光子与电子之间的相互作用所导致的电子的跃迁除需要满足能量守恒条件之外，还必须满足动量守恒条件。光子的动量与电子的动量相比可以忽略，因此，电子的跃迁前后应具有相同的动量，也即有相同的波矢量。根据能带结构的能量与波矢量关系，半导体材料可以分为光电性质完全不同的两类，即直接带隙材料和间接带隙材料。在直接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态具有相同的波矢量，即位于动量空间中的同一点上。而在间接带隙材料中，导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态处在不同的波矢量位置上，即具有不同的动量。（1）硅（Si）、锗（Ge）等Ⅳ族半导体材料，属于间接带隙材料，不能用来制作半导体激光器，主要用于集成电路和光电检测器的制作。（2）碲化镉（GdTe）、碲化锌（ZnTe）等Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料均为直接带隙材料，主要用于可见光和红外光电子器件的制作。（3）砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷磷化铟镓（InGaAsP）等绝大多数的Ⅲ—Ⅳ族化合物半导体材料均为直接带隙材料，主要用于集成电路和光纤通信用半导体发光二极管、激光器、光电检测器的制作。不同半导体材料的带隙及发光波长合金化合物半导体AlxGa1-xAs（GaAs和AlAs）经验公式Eg=1.424+1.266x+0.266x2同质结上述发光原理的PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小），这种PN结称为同质结。同质结导波作用很弱，光波在PN结两侧渗透较深，从而致使损耗增大，发光区域较宽。构成的光源有很大的缺点：发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不能在室温下连续工作。异质结由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成。利用不同折射率的材料来对光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进行限制。加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，改善同质结发光不集中、强度低的不足。单异质结（SH）和双异质结（DH）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在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。二、半导体发光二极管(LED)LightEmittingDiode结构：面发光、边发光工作特性：光谱特性、P-I特性、发光效率、调制特性等发光二极管的结构实际中多采用异质结根据发光面与PN结的结平面平行或垂直可分为面发光二极管（SLED）和边发光二极管（ELED）两种结构面发光二极管（SLED）边发光二极管（ELED）工作特性P-I特性光谱特性发光效率调制特性光谱特性自发辐射发光，没有谐振腔，发光谱线较宽半最大值处的全宽度（FWHM）=1.8kT(2/ch)nm线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加随着温度的升高线宽加宽发光效率分为内量子效率和外量子效率内量子效率：（存在非辐射复合）外量子效率：（材料吸收、波导效应等）空穴对数—单位时间内注入的电子数单位时间内产生的光子注入的总电子数输出的光子数P-I特性输出的光功率随注入电流的变化关系当注入电流较小时，线性度非常好；当注入电流比较大时，由于PN结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。温度对P—I特性的影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低P-I特性调制特性改变发光二极管的注入电流就可以改变其输出光功率，即可以直接由信号电流来调制光信号——直接调制或内调制发光二极管的模拟调制原理图发光二极管的数字调制原理图发光二极管的频率响应PN结存在结电容及杂散电容，发光二极管的调制特性随着调制的频率提高而变化。频率响应可表示为t为载流子的寿命随着调制频率的提高，输出光功率下降。要提高截止频率fc=1/(2pt)以增加调制带宽，要缩短载流子的寿命，可以通过有源区重掺杂以及高注入等方法来改进。)2(11)0()()(tpfPfPfH发光二极管的频率响应三、导体激光二极管（LD）LaserDiode，半导体激光器结构：谐振腔，条形结构工作特性：光谱特性、P-I特性、调制特性等激光器的一般工作原理激光器的三个基本条件是（1）需要有合适的工作物质（发光介质），具有合适的能级分布，可以产生合适波长的光辐射；（2）需要可以实现工作物质粒子数反转分布的激励能源——泵浦源。（3）需要可以进行方向和频率选择的光学谐振腔。产生激光还必须满足阈值条件及相位条件阈值条件存在工作物质的吸收、介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的透射及散射等损耗情况，只有光在谐振腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减，激光器才能建立起稳定的激光输出，其阈值条件（临界条件）为21ln21RRLth相位条件谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传播的，只有在满足特定相位关系的光波才能得到彼此加强，这种条件称为相位条件，有q=1，2，…激光器中振荡光频率只能取某些分立值，不同q的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分布就是一个激光器的纵模。nLcqfq2激光二极管的结构也采用双异质结结构。纵向的两个端面是晶体的解理面，相互平行且垂直于结平面，一个端面镀反射膜，另一个端面输出，构成了激光器的FP谐振腔。采用条形结构，在垂直于结平面方向受到限制，在平行于结平面的水平方向也有波导效应，使光子及载流子局限在一个较窄及较薄的条形区域内，提高光子及载流子浓度。称为条形激光器，与光纤耦合效率较高。两种结构：增益导引条形和折射率导引条形。P-I特性存在阈值电流Ith：当注入电流小于Ith时，自发辐射发光；当注入电流超过Ith时，受激辐射发光；输出功率与注入电流基本保持线性关系。对温度很敏感：随着温度的升高，阈值电流增大，发光功率降低。需进行温度控制。有)exp()(00TTITIth光谱特性主要由其纵模决定峰值波长谱宽：功率等于大于峰值波长功率50%的所有波长范围线宽：某一纵模中功率等于大于最大功率一半的所有波长范围边模抑制比(SMSR)：主模功率与最强边模功率之比(SideModeSuppressionRatio))/lg(10边主PPSMSR半导体激光器的发光谱线较为复杂，会随着工作条件的变化而发生变化。当注入电流低于阈值电流时，激光器发出的是荧光，光谱较宽；当电流增大到阈值电流时，光谱突然变窄，强度增强，出现激光；当注入电流进一步增大，主模的增益增加，而边模的增益减小，振荡模式减少，最后会出现单纵模。温度升高时激光器的发射谱的峰值波长向长波长方向移动调制特性半导体激光器会出现许多复杂动态性质，会对系统传输速率和通信质量带来影响。电光延迟张弛振荡码型效应自脉动单纵模分裂为多纵模电光延迟和张弛振荡电光延迟：输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在的时间延迟，一般为纳秒量级。张弛振荡：当电流脉冲注入后，输出光脉冲表现出的衰减式振荡。几百MHz～2Ghz的量级。与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差量有关。码型效应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，使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲的影响的效应两个连“1”时，第一个脉冲过后，有源区的电子以指数形式衰减。调制速率很高，脉冲间隔小于衰减周期，使第二个脉冲到来时，前一电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，有源区电子密度较高，输出光脉冲幅度和宽度增大。消除：增加直流偏置电流。在阈值附近，脉冲持续时和脉冲过后有源区内电子密度变化不大，电子存储的时间大大减小，码型效应得到抑制。还可以采用在每一正脉冲后跟一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。单负脉冲的幅度不能过大，以免激光器PN结被反向击穿。自脉动某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，输出光脉冲出现持续等幅的振荡，振荡的频率在几百MHz到2GHz激光器内部存在非线性增益而造成的单纵模分裂为多纵模直接调制使激光器的注入电流不断发生变化，有源区载流子浓度随之发生变化，导致折射率变化，谐振条件发生变化。随着调制频率的提高和调制深度的加大，会使主模的强度下降，邻近边模的强度增强，单纵模分裂为多纵模，而且线宽也增大，调制速率越高，调制深度越大，谱线展宽越多。高速调制时激光器的输出谱线动态单纵模激光器为降低光纤色散，希望光源的谱宽尽可能窄，要求激光器工作在单纵模状态。在高速调制下仍然可以