光源和光发送机

本章重点（1）掌握光与物质的相互作用的三种基本过程；构成激光器的必须具备的条件；半导体激光器的工作特性；（2）掌握发光二极管LED的工作特性（3）光发射机的基本组成及功能(4)光源的调制方式、调制特性、调制电路（5）光纤线路码型的种类本章内容提要3.0激光基础知识3.1半导体光源3.2光源调制3.3光发送机3.0激光基础知识光与物质相互作用的三种基本方式粒子数反转分布能带PN结光与物质相互作用的三种基本方式自发辐射——无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，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作用下吸收光能量而跃迁到高能级。E2E1E2E1hf12hf12hf12hf12初态终态(b)自发辐射(c)受激辐射(a)受激吸收能级与电子跃迁示意图粒子数反转分布设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为N1和N2物质在正常状态下N1＞N2，受激吸收与受激辐射的速率分别比例于N1和N2且比例系数相等，此时光通过该物质时，光强会衰减，物质为吸收物质。若N2＞N1，受激吸收小于受激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活物质。N2＞N1的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分布。半导体的能带理论1、晶体的能带晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带。内层电子态之间的交叠小，原子间影响弱，分成的能带比较窄，外层电子态之间的交叠大，分成的能带比较宽。2在半导体中的能带：价带（valenceband）:形成共价键的价电子所占据的能带称为价带。较低的能量满带：价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。导带（conductionband）:价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。导带和价带通过禁带（energygap）来分开，电子可以在价带或者导带所对应的轨道上活动，但决不能在它们之间－－禁带上活动。一旦有外加能量，它们中的某些将获得足够的能量来跃过禁带，占据导带的能级。我们称这些电子是“受激的”。3费米－狄拉克统计电子是费米子(自旋量子数为1/2)，符合泡里不相容原理。电子在各能级中的分布，服从费米－狄拉克统计。费米能级不是一个可以被电子占据的实在的能级，它是反映电子在各能级中分布情况的参量，具有能级的量纲。4、各种半导体中电子的统计分布根据费米分布规律，可以画出各种半导体中电子的统计分布。如图所示光辐射与能带本征材料和非本征材料本征材料：不含杂质的理想材料，因为晶体中原子的热运动，价带中的某些电子可以获得足够的能量而激励到导带，同时在价带中留下一个空穴。非本征材料：向晶体中掺微量的V族或III族元素，（如P,As,Sb）可使晶体的导电性能大为增加，掺杂后的半导体称为非本征半导体材料。N型材料和P型半导体N型半导体：如果掺入的是V族元素，在核外电子有5个，其中四个与Si形成共价键，余下一个电子可以用来传导电流，由于这种材料是由电子来导电的称为N型材料。P型半导体：如果掺入的是III族元素，在核外电子有3个，其中三个与Si形成共价键，余下一个空穴用来传导电流，由于这种材料是由空穴流动来导电的称为P型材料多数载流子与少数载流子多数载流子：浓度高的载流子，N型材料中的电子或P型材料中的空穴。少数载流子：浓度低的低流子，N型材料中的空穴或P型材料中的电子。p-n结的形成当P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引起扩散运动，P区的空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近PN结界面的区域形成一个带负电的区域。同样，N区的电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区，称为PN结。1、PN结具有单向导电性当PN结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱了自建场，P区的空穴通过PN结流向N区，N区的电子也流向P区，形成正向电流。由于P区的空穴和N区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。当PN结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同，多数载流子将背离PN结的交界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。2PN结的能带3增益区的形成对于兼并型P型半导体和兼并型N型半导体形成的PN结，当注入电流(或正向电压)加大到某一值后，准费米能级EfC和EfV的能量间隔大于禁带宽度，PN结里出现一个增益区(也叫有源区)。实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足Eg＜hν＜e0V的光子有光放大作用。半导体激光器的辐射就发生在这个区域。3.1半导体光源光源材料与发射波长从激射波长出发来选择半导体材料有源区材料应该是直接带隙的，从量子力学来看具有较高的跃迁几率。不需要粒子参与来满足动量守恒。虽没有单元素半导体是直接带隙的，但有许多二元化合物都是直接带隙的,如Al,Ga,In,和一种V族元素如P,As,Sb化合而成。材料带隙的大小决定着LED发射光波的波长1.240()()gghcEhmEeV对于Ga1-xAlxAs,0≤x≥0.37Eg=1.414+1.266x+0.266x2确定Eg后就可以得到峰值发光波长。3.1.1半导体激光器1半导体激光器输出激光的必要条件和模式2外量子效率3频率特性4温度特性5半导体激光器的结构6单纵模激光器1、LD输出激光的必要条件光反馈(光学谐振腔)半导体激光器输出激光的必要条件和模式正反馈：光放大和正反馈光学谐振腔光学谐振腔——由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不断改善，使增益大幅度提高。激光振荡阈值条件激活物质在被置于光学谐振腔后，能对光的频率和方向进行选择，可获得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件：腔内增益与损耗相当时开始建立稳定的激光振荡，阈值条件为：是阈值光增益系数；是谐振腔内激活物质的吸收系数为谐振腔长度为激光腔的反射损耗阈值条件即为增益值正好等于总损耗121ln()2thendRRLhtLend激光发射效应和输入输出特性曲线a)增益与损耗b)输入输出曲线c)测量输入输出用的设备输出功率与激光器驱动电流的关系LD的输出功率为几至一百多毫瓦,用于光纤通信的一般为几毫瓦2辐射模式（1）.常规激光二极管辐射的光束（2）.纵模与横模在半导体激光器的谐振腔内，辐射光建立起的电磁场模式称为谐振腔模式。划分为横电(TE)模式和横磁(TM)模式两类，通过沿谐振腔主轴分布的纵向电磁场、水平横向电磁场描述。在多层介质波导谐振腔，激光以一定的模式振荡。纵模：谐振腔内部沿轴向形成的稳定的驻波场称为纵模。不同的频率（波长）构成不同模式，它与腔长L相关。横模：谐振腔横截面上场的分布形式。横模：谐振腔横截面上场的分布形式激光中出现多个纵模也就是出现多种频率，影响了激光的单色性。FP腔纵模，纵模数由腔长决定。横模：由于腔边缘的反射光形成横模。纵模：沿轴向形成的稳定的驻波场不同的频率（波长）构成不同模式在谐振腔中，光波是在两平面反射镜之间往复传输的，只有平面镜间距离是半波长的整数倍时，光波才能得到彼此加强，即式中，λ为光波的波长，n为增益介质的折射率，m=1，2，…。利用，可将上式重写成式中，f为光波的频率，c为光速。只有那些有增益且增益大于损耗的模式才能在激光的输出光谱中存在。若只剩下一个模称为单纵模激光器，否则称为多纵模激光器。相邻两纵模之间的频率之差nmL2nLcmf2nLcf2图3.10MLM和SLM(a)MLM的光谱；(b)SLM的光谱几个纳米c/2nL:100～200GHz(a)ff(b)二.外量子效率定义：外微分量子效率为超过阈值时每个电子-空穴对的幅射性复合所产生的光子数，P、I分别为激光器输出光功率和驱动电流实验室常通过辐射光功率P与驱动电流I曲线的直线部分来计算：ext()=0.8065(m)(4-38)()gqdpdPmAEdIdImAEg为带隙能量(eV).)/()/thDthPPhfPeIIeIhf（输出光子数增量注入电子数空穴对增益三.频率特性在直接光强度调制下，激光器输出光功率P和调制频率f的关系为：P(f)=式中，fr和ξ分别称为弛豫频率和阻尼因子，Ith和I0分别为阈值电流和偏置电流；I′是零增益电流，高掺杂浓度的LD，I′=0，低掺杂浓度LD,I′=(0.7~0.8)Ith；τsp为有源区内的电子寿命，τph为谐振腔内的光子寿命。2222)/(4])/(1[)0(ffffp)1(1210IIIIfthhpsp图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr是调制频率的上限，一般激光器的fr为1~2GHz。目前激光器可达到10GHz以上.在接近fr处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真0.010.11100.1110100fr调制频率f/GHz相对光功率图3.11半导体激光器的直接调制频率特性四.温度特性激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为Ith=I0exp阈值电流对温度的变化非常敏感,长波长更敏感.ηd随温度变化不十分敏感.例如，GaAlAsGaAs激光器在77K时ηd≈50%，在300K时，ηd≈30%。)(0TT图3.12PI曲线随温度的变化22℃30℃40℃50℃60℃70℃80℃P/mW54321050100I/mA不激射精心设计的双异质结构是优质激光二极管高效工作的关键五.半导体激光器的结构•(a)•能•量•电子•空穴•Egp•P-(AlGaAs)•N-(AlGaAs)•P-(GaAs)•(b)•(c)•(d)•折•射•率•光场分布•Egn•Eg有源层的材料是P型砷化镓GaAs材料，限制层分别是P型和N型砷化镓铝AlGaAs材料，在它们的界面上分别形成两个PN结，我们把这类由异种半导体相接的结构称为双异质结双异质结构能级结构六.单模激光器什么是单模激光器：工作在单纵模和单横模状态，这样的激光器具有很窄的谱线宽度。获得单纵模的一条途径：减少谐振腔长度L，使得相邻模式间频率间隔大于激光器的跃迁线宽，于是也就只有一个纵模落在器件的增益内。我们以前讨论的激光器反射镜是平行的，称作法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光器，对于这种激光器，只有靠减少腔长L来获得单纵模，但制作很难。因此出现了新的类型的单纵模激光器。分布反馈式(DFB：Distributed-FeedBack))激光器。在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹结构的光栅，激光振荡不是由反射镜来提供•Λ•P•有源区•布拉格反射器•N•光输出•LDFB工作原理其工作原理可以用布喇格(Bragg)反射来说明。波纹状光栅是由于材料折射率的周期性变化而形成的，在一的条件下，所有反射光都同相叠加，形成某方向的主极强。当光波接近布拉格波长时形成相互叠加强B2eBnk等式中ne是模式的有效折射率，k是光栅的阶数。一阶光栅(k=1)的耦合最强DBR激光器波纹光栅在有源区的外面，从而避免了在制作过程中对有源层造成的晶格损伤•Λ•P•有源区•布拉格光栅•N•光输出DR激光器分布反射激光器由有源分布反射器和无源分布反射器组成,这种结构有很高的效率和输出功率.3.1.2发光二极管（LED）光纤通信用的半导体LED发出的是不可见的红