第四章：有源光器件
刘显文重庆普天普科通信技术有限公司
在光纤通信中，主要有以下几种有源光器件：
1、半导体激光器和半导体发光二级管2、半导体光电检测器
3、掺铒光纤放大器一、光纤通信系统中的半导体光源
（半导体激光器和半导体发光二级管）光纤通信---以光作为信息载体，以光纤作为传输媒质的通信方式。
作为信息载体的“光”从哪里来？目前用于光纤通信的光源包括半导体激光器（LaserDiode，LD）、半导体发光二极管（LightEmittingDiode，LED）和光纤激光器。光源是光纤通信系统中光发射机的核心部件，其主要作用是：将电信号转换成光信号并耦合进光纤线路。根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体激光器②气体激光器③液体激光器
④半导体激光器
⑤光纤激光器光纤通信系统对光源的基本要求：
光源的发光波长必须和光纤的低损耗波长0.85um、1.31um、1.55um相一致。光源的输出功率必须足够大，入纤功率为数十微瓦到数毫瓦才能满足一定通信距离的需要。要有很高的可靠性，其寿命要在105小时以上。
光源的谱线宽度要窄，这有利于减少光纤的色散。光源的光电转效率要高，否则会导致器件发热，缩短光源的寿命。光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。应体积小重量轻。1、激光器的物理基础2、半导体激光器的结构、工作原理3、半导体激光器的工作特性4、光纤放大器5、分布反馈半导体激光器6、量子阱半导体激光器1、激光器的物理基础（1）光子的概念（2）能级的概念（3）光和物质的相互作用（4）离子数反转光的波粒二象性——
一方面光是电磁波，它有确定的波长和频率（波动性）；另一方面又认为光是由一粒一粒光子构成的光子（粒子性）。（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。(E=h·f)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。（2）．能级的概念
物质是由原子构成的，原子又是由原子核及其外围电子来构成，而电子围绕原子核运动只能有某些一定的不连续的轨道，由于沿每个轨道运行时就有一定相应的能量，这些分离的能量值就称为能级。电子能级——原子、分子或晶体中处于束缚态的电子，具有一系列不连续但是确定的能量值，这些电子能量是分离的数值，就称为电子能级。原子能级指原子的一系列不连续的能量状态，每一个能量状态对应一个原子能级，由于原子是由原子核与其束缚电子所构成，因此原子能级几乎完全是由其中的电子的能量来决定的。能带——在半导体晶体中，由于电子共有化运动，使孤立原子中离散的能级变为能带。（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自发辐射初态终态发射光子的频率（也可用波长表达
λ=hc/Eg
）自发辐射的特点如下：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。辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽。电子的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。半导体发光二级光就是基于自发辐射的原理②受激吸收
hf初态终态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：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。外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。光纤通信中的光电检测器就是基于受激吸收的原理受激辐射
hfhfhf初态终态
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。外来光子的能量等于跃迁的能级之差（h·f=E2-E1）。
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(发出的光称为相干光）。这个过程可以使光得到放大。
半导体激光器就是基于受激辐射的原理④粒子数反转低能级上的粒子数密度为N1，高能级上的粒子数密度为N2，在正常状态下N1大于
N2，即受激吸收大于受激辐射，若要物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2大于N1。这种粒子数的反常态分布称为粒子数反转分布。（1）．激光器的构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。2.半导体激光器（LD）的结构、原理电源（激励源）工作物质全反射镜部分反射镜
工作物质：
光纤通信用的半导体激光器的工作物质一般是半导体材料砷化镓（GaAs)和铟镓砷磷（InGaAsP）泵浦源：要使工作物质成为激活物质，需要外界的激励。激励的方法有光激励、化学激励和电激励。它的作用是使介质中处于基态能级的粒子不断地被提升到较高的一些激发态能级上，实现粒子数反转分布（N2大于N1)，这就是激光器使用的泵浦源。光纤通信用的半导体激光器，采用电激励。谐振腔：
对大多数激活介质来说，由于受激辐射的放大作用被介质的杂质吸收和散射等损耗因数抵消，因而不能发出激光，而光学谐振腔的作用正是加强介质中的受激放大作用（还有波长选择作用）。光学谐振腔的结构
激光器示意图仅仅有了工作物质、激励源和光学谐振腔，还必须满足下面两个先决条件激光器才能工作：
阀值条件和相位平衡条件只有当谐振腔的腔长等于半波长的整数倍时，（波长选择），激光器才震荡工作。（插入相位平衡条件推导）（2）．激光器的工作原理PN结的形成激光形成如果PN结由相同的半导体材料通过不同的掺杂构成，称为同质结。如果加入的薄层的带隙和其中一侧的P型和N型半导体材料的带隙相同，则这种结构为
单异质结。（为了实现对载流子的限制作用，）在P型和N型材料中间加一薄层带隙比两端的P型和N型半导体材料小的半导体材料，这种结构称为双异质结。半导体激光器的结构示意图LD结构FLASHI激光器结构FLASHI（2）．激光器的特性
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)，
hf=Eg(eV)
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
eV(电子伏特)，
(μm)
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。2、P-I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，Ith
表示。
目前激光器的阈值电流可以做到小于10mA
3、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纵模和单纵模。GaAs激光器的光谱
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3-7（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。GaAlAs/GaAs激光器的典型输出光谱
在观测激光器光谱特性时，光谱曲线最高点所对应的波长为中心波长，而比最高点功率低3dB（即半功率点）时曲线上的宽度为谱线宽度，用λ表示，谱线宽度λ越窄越好。目前，单纵模激光器的谱线宽度可以做到0.1nm以下。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（激光器到达阀值以后）输出光功率与消耗的电功率之比，用ηP表示。ηP=P光
/P电双异质结室温下已达到10%
半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子转换效率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
（3-7）由此得（3-8）
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。·激光器阈值电流随温度变化的曲线
5、温度特性5、输出功率几十微瓦到十毫瓦之间。（现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器）。
6、工作寿命10万（105）小时以上。（已做到106小时以上，可用100年）（3）．光纤激光器光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和光纤的耦合。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(DBR)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。分布反馈半导体激光器结构示意图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。分布布拉格反射型(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。DBR半导体激光器的结构量子阱半导体激光器(QW-LD)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。量子阱半导体激光器（4）．半导体发光二极管ELED结构FLASHFLASH（5）．半导体PIN光电检测器PN结的形成FLASHPIN光电二极管FLASH受激吸收(上升时间几百PS)（APD光电管的倍增因子在40—100之间。——PIN光电管的G=1）（6）．光放大器EDFA中的Er3+能级结构泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。铒离子简化能级示意图吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带1550nm三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关放大区域1530---1565nm，即1550窗口增益带宽20---40nm，为光钎低损耗带宽的六分之一。光放大器的应用线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离前置预放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数谢谢
资料根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体（晶体和玻璃）激光器，这类激光器所采用的工作物质，是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的；②气体激光器，它们所采用的工作物质是气体，并且根据气体中真正产生受激发射作用之工作粒子性质的不同，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液,其中金属离子（如Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如SeOCl）则起基质的作用；④半导体激光器，这类激光器是以一定的半导体材料作工作物质而产生受激发射作用，其原理是通过一定的激励方式(电注入、光泵或高能电子束注入)，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激发射作用；⑤自由电子激光器，这是一种特殊类型的新型激光器，工作物质为在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域。原创文章："/public/tool/kbview/kid/1553/cid/1"【请保留版权，谢谢！】文章出自电子元件技术网。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。2．费米能级（2）费米能级电子按能量大小的分布确有一定的规律。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。②激光器的相位平衡条件：1．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N2>N1。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。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r