第三章-光源和光发射机

第三章光源和光发射机本章内容光源：半导体激光器和发光二极管。本章重点激光器的工作原理。光源和光电检测器工作原理及其工作特性。本章难点发光机理。3.1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包括半导体激光器（LaserDiode，LD）和半导体发光二极管（LightEmittingDiode，LED半导体器件的共同优点：体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可集成和高可靠性半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）其它特性：①易择波：半导体光源的物理基础决定了只要选择合适的光电材料就可以制成适用于光纤中不同低损耗窗口的光源器件；②易辐射：容易获得足够高的输出光功率和足够窄的光谱宽度；③易调制：改变注入电流就可以改变输出光强，能够直接进行强度调制；④易耦合：发光面积可以与光纤芯径相比拟，从而具有较高的耦合效率3.1.1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1．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。不同频率的光子具有不同的能量。光具有波、粒两重性。2．费米能级（1原子是由原子核和绕原子核旋转的核外电子组成原子中的电子只能在一定的量子态中运动轨道越高，能量也越高当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确定的能量，称为原子的一个能级(2)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，使孤立原子中离散能级变成能带。在图3.1中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。图3.1半导体的能带结构原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称能级的跃迁。若跃迁过程中交换的能量是热运动的能量，称为热跃迁；若交换的能量是光能，则称为光跃迁。后者是研究光与物质相互作用的基础（3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TkEEfeEf0/)(11)(图3.2费米分布函数变化曲线3．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。（1发射光子的频率①这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是②③电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。hEEf12图3.3原子的自发辐射（2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①这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此②③受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。图3.4原子的受激吸收（3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。①②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图3.5原子的受激辐射4．光的吸收和放大（1）吸收状态设媒质中低能级E1上的电子密度为N1，高能级E2上的电子密度为N2，当N2＜N1时，受激吸收过程占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律衰减，光波被吸收（2）放大状态若媒质中N2＞N1，则受激辐射占主导地位，光波经过媒质时强度按指数规律增大，光波被放大。Eg＜hv＜e0VN2＞N1的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转分布，或布居反转，必须要有外界的泵浦才能实现3.1.2激光器的工作原理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。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1．粒子数反转分布与光放大之间的关系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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。2．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。3．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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r1②3．光学谐振腔图3.6光学谐振腔的结构图3.7激光器示意图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。4．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（2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图3.8激活物质的放大作用（3将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件为其中Gt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（4光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件qL2g3.1.3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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（4）光源的谱线宽度窄。（51．半导体激光器（LD2．半导体激光器的工作特性1．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。1．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。图3-9半导体激光器的结构示意图图3-10InGaAsP双异质结条形激光器示意图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。图3-11本征半导体的能带分布图3-12N型半导体和P型半导体重掺杂能带图图3-13P-N结空间电荷区图3-14P-N结形成后的能带分布图3-15外加正偏压后P-N结的能带分布2．半导体激光器的工作特性（1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半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。图3-16激光器输出特性曲线（2半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。图3-17GaAs激光器的光谱（3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。图3-19激光器阈值电流随温度变化的曲线（4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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。3.1.4发光二极管的工作原理发光二极管(LED)是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用PN异质结制造。LED的原理是在LED注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。LED是非相干光源，它的发光过程是自发辐射过程，发出的是荧光，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。LED有如下工作特性：(1)LED它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。(2)LED光输出功率P与注入电流I的关系，一般称为P-I曲线，LED的P-I曲线线性范围较大。在进行调制时，动态范围大，信号失真小。1.LED的工作特性1.P-ILED的P-I特性如图3-20所示。就P-I特性曲线整体而言，由于没有阈值而使LED具有非常优良的线性。图3-20LED的P-I特性2.LED的光谱特性如图3-21所示。在图中，λ0为LED的峰值工作波长(典型值为0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ为谱线宽度，其定义为光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度。图3-21LED的光谱特性2、主要性质发射谱线和发散角响应速度热特性优点(寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低)3.2光源的调制原理3.2.1光源的两种调制方式图3-22光源的调制方式图3-23光源的直接调制光源的间接调制1．电光效应光调制当把电压加到某些晶体上的时候，可能使晶体的折射率发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性发生变化，晶体的这种性质称为电光效应。当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化时，称为线性电光效应，即普科尔（Pockel）效应；当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为克尔（Kerr）效应。电光调制器主要利用普科尔效应。2．磁光效应光调制图3-24磁光调制器原理图3．电吸收效应电吸收效应是利用Franz-keldysh效应和量子约束Stark效应产生材料吸收边界波长移动的效应4．声光效应光调制声光效应是指声波作用于某晶体时，产生光弹性作用，使折射率发生变化，从而达到光调制的目的3.3光发射机的构成及指标1.一般地，光发射机主要由光源、驱动电路及辅助电路等构成。2.光发送机的主要指标光发送机的指标很多，我们仅从应用的角度介绍其主要指标。(1)平均发送光功率及其稳定度平均发送光功率又称为平均输出光功率，通常是指光源尾纤的平均输出光功率。(2)消光比定义为最大平均发送光功率与最小平均发送光功率之比，通常用符号EX表示：若用相对值表示，3、光发射机的组成图3-25光发射机的组成4、辅助电路1.自动功率控制电路(1)能够完成自动功率控制功能的电路很多，主要包括普通电参数控制电路和光电反馈控制电路。在光发送机中，光电反馈控制电路应用最多。(2)自动功率控制电路的工作原理图3-26所示是一个典型LD自动功率控制电路，其自动功率控制电路的工作原理如下所述：当由于温度原因使LD输出光功率降低时，流过PD(通常为PINPD)的电流减小，A1放大器反向输入端电位增大，A1放大器输出端电位降低(即A2放大器反向输入端电位降低)。图3-26典型的APC电路2.从前面的内容可以知道，LD的输出特性与温度有着密切的关系。为了保证光发送机具有稳定的输出特性，对LD的温度特性进行控制是非常必要的，而且对LD的温度控制也是保护LD的一项关键措施。当温度进一步增大时，A2放大器的反向输入端电位会继续减小，A2放大器的输出端电位会继续增大，使二极管VD导通，晶体三极管VT的基极电位就被箝位于A2放大器的输出端电位，不再随着温度的上升而继续上升，从而有效地保证了半导体制冷器的安全。