第4章 光源和光发射机

1第四章光源和光发射机4.1概述4.2发光机理4.3器件结构4.4半导体激光器的特性4.5光发射机24.1概述在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光发射机的关键器件是光源：LEDLD3光纤通信对光源的要求光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;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，驱动功率低，寿命长，可靠性高;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。4最常用的光源光纤通信中最常用的光源是:半导体激光器（LD）发光二极管（LED）尤其是单纵模（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；近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受到人们的关注。5常用的调制方法直接调制注入调制电流实现光波强度调制外调制通过外腔调制器对光的强度、相位或频率进行调制6模拟信号对LD直接调制P激光器输出功率IthI输入电信号曲线IP-IbPb输出光信号驱动电流tt7直接调制光发射机输入电信号光源控制输出光信号驱动电路LED或LD(a)直接调制8光外腔调制发射机框图编码外调制器光源输出光信号驱动输入电信号LD(b)外调制9外调制示意图外调制器放大器电信号调制光电调制信号调制后的光波LDLD输出连续光波104.2.1发光机理我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1000nm以上的白色连续光谱。发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百nm以下的光。在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。11在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。图4.2.1半导体发光原理EcEvEg能量E空穴电子导带费米能级价带费米能级光子eVhvEFnEFp状态密度vcgEEEhvEvchcEE12398.（m）12图4.2.2光的自发辐射、受激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13光的自发辐射EcEvhh发光二极管—光的自发辐射自发辐射---LED工作原理如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后；当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为hv。电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的器件叫LED。14自发辐射---LED工作原理当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。因此，自发辐射的光是一种非相干光。15Ec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—光的吸收光接收器件原理如果把光照射到占据低能带的电子上；则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到较高的能带上。在半导体结上外加电场后（反向电压），可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流。这就是将在第五章中叙述的光接收器件。16受激发射和受激吸收受激发射----能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；受激吸收----当晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上。在这个过程中能量保持守恒。受激吸收的概率与受激发射的概率相同。17当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于电子密度在两个能带上的分布。若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。18LD发射激光的首要条件---粒子数反转若注入电流增加到一定值后，使vcNN，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的P-N结区成为对光场有放大作用的区域(称为有源区)，从而形成激光发射。半导体材料在通常状态下，总是vcNN，因此称vcNN的状态为粒子数反转。使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器发射激光的首要条件。19LR1R2反射波相互干涉M1M2反射镜反射镜ABab另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。LD发射激光的第二个条件---光学谐振腔20Fabry(1867~1945)Perot(1863~1925)法国物理学家21法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。它把光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。当谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，就保持振荡，形成和腔体端面平行的等相面驻波。此时的增益就是激光器的阈值增益，达到该增益所要求的注入电流称作阈值电流。LR1R2反射波相互干涉M1M2反射镜反射镜ABab22光在谐振腔里建立稳定振荡的条件与电谐振一样，光也有谐振。要使光在谐振腔里建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和阈值条件。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。只有谐振腔里的光增益和损耗值保持相等，并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时，才能在谐振腔的两个端面输出谱线很窄的相干光束。23LD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=xZ24基本的谐振腔由置于自由空间的两块平行的镜面1M和2M组成。光波在1M和2M间反射，导致这些波在空腔内相长和相消干涉。从1M反射的光向右传输时和从2M反射的向左传输的光干涉，在空腔内产生了一列稳定不变的电磁波，我们称它为驻波。图4.2.6光在法布里珀罗(F-P)谐振腔中的干涉驻波(b)只有特定波长的驻波允许在谐振腔内存在1m2m6m(c)不同反射系数的驻波强度和频率的关系1相对强度mvfvv1mv1mv8.0R4.0Rmv反射系数ILR1R2(a)反射波干涉M1M2反射镜反射镜ABab254.2.2激光器起振的相位条件-----使谐振腔内的前向和后向光波发生干涉因为在镜面上(假如镀金属膜)的电场必须为零，所以谐振腔的长度是半波长的整数倍Lm23,2,1m(4.2.2)由式(4.2.2)可见，不是任意一个波长都能在谐振腔内形成驻波，对于给定的m，只有满足式(4.2.2)的波长才能形成驻波，并记为m，称为腔模式，如图4.2.6(b)所示。因为光频和波长的关系是cv，所以对应这些模式的频率mv是谐振腔的谐振频率f2mvLcmvmLcv2f(4.2.3)26多纵模(多频)激光器---谐振腔长度L比波长大很多设激光器谐振腔长度为L，增益介质折射率为n，典型值为n=3.5，引起30%界面反射,由于增益介质内半波长2n的整数倍m等于全长L，从而有2nmL(4.2.5)利用cf，代入式(4.2.5)可以得到nLmcffm2(4.2.6)式中和f分别是光的波长和频率，c为自由空间光速。当=1.55m，n35.，而L=300m时，1354m，即腔内有1354个纵模。27发射主模纵模增益频率gthg()损耗增益()4.2.3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28图4.2.7F-P光腔谐振器光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=设平面波的幅度为0E，频率为，在图4.2.7中，设单位长度增益介质的平均损耗为-1intcm，两块反射镜的反射率为R1和R2。光从Z=0处出发，在Z=L处被反射回0Z处，这时光强衰减了LRR2expint21。另一方面，单位长度上光受激发射放大所得到的增益系数为g，则光往返一次其光强放大了Lg2exp倍。维持振荡时光波在腔内一个来回的光功率应保持不变，即ifPP，这里iP和fP分别是起始功率和循环一周后的反馈功率。29衰减倍数与放大倍数必须相等衰减倍数与放大倍数应相等，于是可得到12exp2expint21gLLRR(4.2.8)由此式可求得使fP/iP=1的增益，即阈值增益thg，该增益应该等于腔体的总损耗21intmirintcavth1ln21RRLg(4.2.9)式中int表示增益介质单位长度的吸收损耗发射主模纵模增益频率gthg()损耗增益()30半导体激光器的增益频谱g()相当宽（约10THz），在F-P谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增益峰的纵模变成主模。在理想条件下，其它纵模不应该达到阈值，因为它们的增益总是比主模小。实际上，增益差相当小，主模两边相邻的一、二个模与主模一起携带着激光器的大部分功率。这种激光器就称作多模半导体激光器。图4.2.8激光器增益谱和损耗曲线阈值增益为两曲线相交时的增益值发射主模纵模增益频率gthg()损耗增益()频率增益g0法布里-珀罗LD通常发射多个纵模的光31由图可见，只有当泵浦电流达到阈值时，高、低能带上的电子密度差)(vcNN才达到阈值thvc)(NN，此时就产生稳定的连续输出相干光。当泵浦超过阈值时，)(vcNN仍然维持thvc)(NN，因为thg必须保持不变，所以多余的泵浦能量转变成受激发射，使输出功率增加。图4.2.9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I32例题4.2.1激光器光腔越长，模式越多对于给定的峰值波长，模式间距随L的减小而增加。当L=200m时m1047.510m或者0.547nm在该带宽内的模数是m/21=(6nm)/(0.547nm)=10。当腔长减小到L=20m时，模式间距增加到nm47.522nLm此时该带宽内的模数是m/21=(6nm)/(5.47nm)=1.1，对于峰值波长约900nm，只有一个模式。很显然，减小腔长，可以抑制高阶模。33小结---光在谐振腔里建立稳定振荡的条件在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把光束闭锁在腔体内，使