第3章 光纤通信器件..

1第3章光纤通信器件3.1半导体光源3.2半导体光电检测器3.3光放大器3.4无源光器件23.1半导体光器件•光源是光纤通信系统中光发射机的重要组成部件，其主要作用是将电信号转换为光信号送入光纤。•目前用于光纤通信的光源半导体激光器（LaserDiode，LD）33.1半导体光器件3.1.1激光器的物理基础3.1.2激光器的工作原理3.1.3半导体激光器的结构、工作原理及工作特性3.1.4分布反馈半导体激光器3.1.5量子阱半导体激光器43.1.1激光器的物理基础1．光子的概念2．费米能级3．光和物质的相互作用51．光子的概念•光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.626×10-34J·S，称为普朗克常数；f是光波频率。•人们将这些光量子称为光子。•不同频率的光子具有不同的能量。•光具有波、粒两重性。62．费米能级（1）原子能级的概念•物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。•当物质中原子的内部能量变化时，可能产生光波。•电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。由于在每一个轨道内运动，就相应具有一定的电子能量，因此，电子运动的能量只能有某些允许的数值。•这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。72．费米能级（2）费米能级••电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为•费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一定规律占据能级。TkEEfeEf0/)(11)(8•图3-1费米分布函数变化曲线93．光和物质的相互作用•光可以被物质吸收，也可以从物质中发射。•在研究光与物质的相互作用时，爱因斯坦指出，这里存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收以及受激辐射。103．光和物质的相互作用（1）自发辐射•发射光子的频率•自发辐射的特点如下：①这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。②辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。③电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。hEEf12113．光和物质的相互作用•图3-2原子的自发辐射123．光和物质的相互作用（2）受激吸收•物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。•受激吸收的特点如下。①这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。②外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。③受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。133．光和物质的相互作用•图3-3原子的受激吸收143．光和物质的相互作用（3）受激辐射•处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光子。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。•受激辐射的特点如下。①外来光子的能量等于跃迁的能级之差。②受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称它们是全同光子。③这个过程可以使光得到放大。153．光和物质的相互作用•图3-4原子的受激辐射163.1.2激光器的工作原理•激光器是指能够产生激光的自激振荡器。•要使得光产生振荡，必须先使光得到放大，而产生光放大的前提，由前面的讨论可知，是物质中的受激辐射必须大于受激吸收。•受激辐射是产生激光的关键。173.1.2激光器的工作原理1．粒子数反转分布与光放大之间的关系2．激光器的基本组成3．光学谐振腔4．激光器的参量181．粒子数反转分布与光放大之间的关系•在热平衡条件下，物质不可能有光放大作用•要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2N1。•这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。•粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。•将处于粒子数反转分布状态的物质称为增益物质或激活物质。192．激光器的基本组成•激光振荡器必须包括以下三个部分：–能够产生激光的工作物质，–能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源，–能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。203．光学谐振腔•①光学谐振腔的结构。•在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。•如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。•对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如M2的反射系数r1，产生的激光由此射出。•②谐振腔如何产生激光振荡。213．光学谐振腔•图3-5光学谐振腔的结构223．光学谐振腔•图3-6激光器示意图233．光学谐振腔•综合上述分析可知，要构成一个激光器，必须具备以下三个组成部分：工作物质、泵浦源和光学谐振腔。•工作物质在泵浦源的作用下发生粒子数反转分布，成为激活物质，从而有光的放大作用。•激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。244．激光器的参量（1）平均衰减系数α•在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能要足以抵消腔内的损耗。•谐振腔内损耗的大小用平均衰减系数α表示为21iri1ln21rrl254．激光器的参量（2）增益系数•激活物质的放大作用用增益系数G来表示。•G表示光通过单位长度的激活物质之后，光强增长的百分比。264．激光器的参量•图3-7激活物质的放大作用274．激光器的参量（3）阈值条件•将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件•阈值条件为•其中Gt称为阈值增益系数。•激光器的阈值条件只决定于光学谐振腔的固有损耗。损耗越小，阈值条件越低，激光器就越容易起振。21it1ln21rrlG284．激光器的参量（4）谐振频率•谐振频率是光学谐振腔的重要参数。•光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件qL2g293.1.3半导体激光器的结构、工作原理及工作特性•半导体激光器是有阈值的器件，它和发光二极管（LED）同属半导体发光器件。•光纤通信对半导体发光器件的基本要求有下列几点。（1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口,即短波长波段的0.85μm、长波长波段的1.31μm与1.55μm。。（2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。（3）与光纤的耦合效率高。（4）光源的谱线宽度窄。（5）寿命长，工作稳定。303.1.3半导体激光器的结构、工作原理及工作特性1．半导体激光器（LD）的结构和工作原理2．半导体激光器的工作特性311．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•用半导体材料作为激活物质的激光器，称为半导体激光器。•在半导体激光器中，从光振荡的形式上来看，主要有两种方式构成的激光器，–一种是用天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀罗谐振腔），这种激光器称为F-P腔激光器；–另一种是分布反馈型（DFB）激光器。321．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•F-P腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质结半导体激光器。331．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-9半导体激光器的结构示意图341．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-10InGaAsP双异质结条形激光器示意图351．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•半导体的能带分布。①本征半导体的能带分布。②P型半导体和N型半导体的形成。③在重掺杂情况下，N型半导体和P型半导体的能带分布。④P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。361．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-11本征半导体的能带分布371．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-12N型半导体和P型半导体重掺杂能带图381．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-13P-N结空间电荷区391．半导体激光器（LD）的结构和工作原理④P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。ⅠP-N结空间电荷区的形成。ⅡP-N结形成后的能带分析。ⅢP-N结外加正偏压后的能带分布。Ⅳ激光的产生。401．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-14P-N结形成后的能带分布411．半导体激光器（LD）的结构和工作原理•图3-15外加正偏压后P-N结的能带分布422．半导体激光器的工作特性（1）阈值特性•对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。（2）光谱特性•半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。•激光器产生的激光有多模和单模。432．半导体激光器的工作特性•图3-16激光器输出特性曲线442．半导体激光器的工作特性（2）光谱特性•半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。•激光器产生的激光有多模和单模。452．半导体激光器的工作特性•图3-17GaAs激光器的光谱462．半导体激光器的工作特性（3）温度特性•激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特性。472．半导体激光器的工作特性•图3-18GaAlAs/GaAs激光器的典型输出光谱482．半导体激光器的工作特性（4）转换效率•半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示。•激光器的功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，用ηP表示。492．半导体激光器的工作特性图3-19激光器阈值电流随温度变化的曲线503.1.4分布反馈半导体激光器•分布反馈半导体激光器是一种可以产生动态控制的单纵模激光器，即在高速调制下仍然能单纵模工作的半导体激光器。•它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻有波纹状的周期光栅而构成的。•这种激光器又可分为分布反馈激光器（DFB）及分布布拉格反射激光器两种，这两种激光器的工作原理都是基于布拉格反射原理。•布拉格反射是指当光波入射到两种不同介质的交界面时，能够产生周期性的反射，把这种反射称为布拉格反射。513.1.4分布反馈半导体激光器•图3-20分布反馈半导体激光器结构示意图523.1.4分布反馈半导体激光器1．DFB激光器•在普通的半导体激光器中，利用在激活物质两端的反射镜来实现光反馈。而在DFB激光器中，是通过腔体内的周期光栅来实现的。533.1.4分布反馈半导体激光器2．DBR激光器•DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面。•它相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉格反射器，起着衍射光栅的作用，因此可以将它看成是端面反射率随波长变化而变化的特殊激光器。•DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似。但其阈值电流要比DFB激光器的阈值电流高。543.1.4分布反馈半导体激光器•图3-21DBR半导体激光器的结构553.1.5量子阱半导体激光器•量子阱激光器与一般双异质结激光器类似，只是有源区的厚度很薄，属于双异质结器件。•理论分析表明，当有源区的厚度非常小时，则在有源层与两边相邻层的能带将出现不连续现象，在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。•结构中这种“阱”的作用使得电子和空穴被限制在极薄的有源区内，因此有源区内粒子数反转分布的浓度很高。•量子阱半导体激光器还可分为单量子阱和多量子阱激光器。563.1.5量子阱半导体激光器•图3-22量子阱半导体激光器573.2半导体光电检测器•光电检测器是光纤通信系统中接收端机中的第一个部件，由光纤传输来的光信号通过它转换为电信号。它是利用材料的光电效应实现光电转换的。•目前在光纤通信系统中，常用的半导体光电检测器有两种，一种是PIN光电二极管，另一种是APD雪崩光电二极管。583.2半导体光电检测器3.2.1半导体的光电效应3.2.2光纤通信中常用的半导体光电检测器3.2.3光电检测器的特性593.2.1半导体的光电效应•半导体材料的光电效应是指如下这种情况：光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，