二、光器件

二、光器件光纤通信系统技术及应用本章内容光源：半导体激光器和发光二极管。光电检测器：PIN和APD光电二极管。无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。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。无源光器件的功能及主要性能。本章难点发光原理。项目二光器件光纤通信系统技术及应用２.1光源光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。光纤通信系统技术及应用２.1.1激光器的工作原理半导体激光器：是向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡输出激光。1．激光器的物理基础（1）光子的概念光量子学说认为，光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.628×10−34J·s（焦耳·秒），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。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。光纤通信系统技术及应用3.1.1激光器的工作原理（2）原子能级物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。最低的能级E1称为基态，能量比基态大的所有其他能级Ei（i=2，3，4，…）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为∆E=E2−E1，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f12之间有以下关系式1212hfEEE式中，h为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。当处于低能级E1的电子受到一个光子能量∆E=hf12的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2上去。光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。光纤通信系统技术及应用２.1.1激光器的工作原理（3）光与物质的三种作用形式光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图２-1所示。图２-1光与物质的三种作用形式光纤通信系统技术及应用２.1.1激光器的工作原理①在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收——光电检测器。②处于高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。③在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射——激光器。注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光。光纤通信系统技术及应用２.1.1激光器的工作原理（4）粒子数反转分布与光的放大受激辐射是产生激光的关键。如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正常状态下，N1＞N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2＞N1（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。光纤通信系统技术及应用２.1.1激光器的工作原理2．激光器的工作原理激光器包括以下3个部分：必须有产生激光的工作物质（激活物质）；必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）；必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。（1）产生激光的工作物质即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。光纤通信系统技术及应用3.1.1激光器的工作原理（2）泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。（3）光学谐振腔激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。光纤通信系统技术及应用２.1.1激光器的工作原理图2-2光学谐振腔的结构①光学谐振腔的结构在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，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，如图2-2所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。光纤通信系统技术及应用２.1.1激光器的工作原理②谐振腔产生激光振荡过程如图２-3所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2π的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。光纤通信系统技术及应用２.1.1激光器的工作原理图２-3激光器示意图光纤通信系统技术及应用２.1.1激光器的工作原理③光学谐振腔的谐振条件与谐振频率设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为（２-2）或（２-3）式中，c为光在真空中的速度，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3…称为纵模模数。谐振腔只对满足式（２-2）的光波波长或式（２-3）的光波频率提供正反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。qnL2nLqf2cc光纤通信系统技术及应用２.1.1激光器的工作原理④起振的阈值条件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。如以Gth表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是（２-4）α为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。21th1ln21rrLG光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LD），对LD的要求如下。①光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即0.85μm、1.31μm和1.55μm）。②能够在室温下长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。目前LD的尾纤输出功率可达500μW～2mW；LED的尾纤输出功率可达10μW左右。③与光纤耦合效率高。④光源的谱线宽度要窄。较好的LD的谱线宽度可达到0.1nm。⑤寿命长，工作稳定。光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器1．半导体激光器的基本结构和工作原理有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图２-4所示。图２-4半导体激光器的结构示意图光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器（1）同质结半导体激光器。其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。（2）异质半导体激光器异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种。异质半导体激光器的“结”是由不同的半导体材料制成的，目的是降低阈值电流，提高效率。特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。目前，光纤通信用的激光器大多采用如图3-5所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器图２-5InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构n—InGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层n—InP是衬底，顶层P+—InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器（3）工作原理用半导体材料做成的激光器，当激光器的P-N结上外加的正向偏压足够大时，将使得P-N结的结区出现了高能级粒子多、低能级粒子少的分布状态，这即是粒子数反转分布状态，这种状态将出现受激辐射大于受激吸收的情况，可产生光的放大作用。被放大的光在由P-N结构成的F-P光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器2．半导体激光器的工作特性（1）发射波长半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式（２-1）得hf=Eg（２-5）式中，，f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s，h=6.628×10−34J·s，leV=1.60×10−19J为电子伏特，代入式（２-5）得(μm)（２-6）由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。cf)eV(24.1gE光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器（2）阈值特性对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith表示。如图２-6所示。阈值电流越小越好。图２-6典型半导体激光器的输出特性曲线光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器（3）光谱特性LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当I＜Ith时，发出的是荧光，光谱很宽，如图２-7（a）所示。当I＞Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图２-7（b）所示。图２-7GaAlAs-GaAs激光器的光谱光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图２-8（a）所示。而在高码速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图２-8（b）所示。一般，用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如分布反馈半导体激光器（DFB-LD）。光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器图２-8GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器（4）转换效率半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率ηd表示，其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为（２-7）由此得（２-8）式中，P为激光器的输出光功率；I为激光器的输出驱动电流，Pth为激光器的阈值功率；Ith为激光器的阈值电流；hf为光子能量；e为电子电荷。ththththd/)(/)(IIPPeIIhfPPhfe·)(thdthIIehfPP光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器（5）温度特性激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大，其变化情况如图２-9所示。图２-9激光器阈值电流随温度变化的曲线光纤通信系统技术及应用２.1.2半导体激光器3．分布反馈半导体激光器（DF