第3章通信用光器件
本章内容,
3.1光源
3.2光检测器
3.3光无源器件
光有源器件第3章通信用光器件
通信用光器件,
光有源器件,需要外加能源驱动工作的光器件。
光无源器件,不需要外加能源驱动工作的光器件。
第3章通信用光器件
光有源器件,
光源,半导体激光器(LD)
分布反馈(DFB)激光器发光二极管(LED)
光检测器,光电二极管(PD)
PIN光电二极管
雪崩光电二极管(APD)光放大器,掺铒光纤放大器(EDFA)第3章通信用光器件
光无源器件,
光纤连接器和接头
光耦合器
光隔离器与光环行器光调制器
光波分复用器/解复用器光开关
3.1光源
光源是光发射机的核心。
光源的功能,把电信号转换为光信号。光纤通信系统常用光源,
半导体激光器(LD)
发光二极管(LED)
激光,
LASER:LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation,受激辐射的光放大,。
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
电子在能级间跃迁的三种基本方式,
图3-1能级和电子跃迁
(a)受激吸收(b)自发辐射(c)受激辐射
受激吸收,处于低能级E1的电子在入射光作用下,吸收光子的能量跃迁到高能级E2,这种跃迁称为受激吸收,如图3-1(a)所示。
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
自发辐射,处于高能级E2的电子即使没有外界的作用,也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量转换为光子辐射出去,称为自发辐射,如图3-1(b)所示。
受激辐射,处于高能级E2的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量产生光辐射,这种跃迁称为受激辐射,如图3-1(c)所示。
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
受激辐射和自发辐射的比较,
受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同,为相干光。
自发辐射光是非相干光。
在单位物质中,处于低能级E1和高能级E2的原子数分别为N1和N2。系统处于热平衡状态时,
)xp(12kTE−
,波尔兹曼常数k=1.381×10-23J/K,T为热力学温度,
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
N1>N2,,∵T>0,
电子总是首先占据低能量的轨道。
受激吸收大于受激辐射,当光通过这种物质时,光强按指数衰减。
N2>N1,
这种分布和正常状态的分布相反,称为粒数反转分布。
受激辐射大于受激吸收,当光通过这种物质时,产生放大作用。
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
半导体的能带,
在半导体中,电子所处的能态扩展成能级准连续分布的能带,如图3-2。
能量低的能带称为价带。
能量高的能带称为导带。
导带底和价带顶之间称为禁带。电子不能占据禁带。
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
Ec
Ev
Eg
图3-2半导体的能级示意图
在热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布,)xp(1kTEf,Ef为费米能级,
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
如果T=0K,
价带上填满电子。
导带上几乎没有电子。
如果T>0K,
E1/2,低于费米能级的能级被电子占据的几率大。
E>Ef时,P(E)
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
本征半导体的费米能级Ef位于禁带中央,见图3-3(a)。
在本征半导体中掺入施主杂质,称为N型半导体。在N型半导体中,Ef增大,见图3-3(b)。
在本征半导体中,掺入受主杂质,称为P型半导体。在P型半导体中,Ef减小,见图3-3(c)。
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
Eg/2g/2Efcvg导带带量EcfgEvEgEcfv
(a)(b)(c)
图3-3半导体的能带和电子分布
(a)本征半导体(b)N型半导体(c)P型半导体
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
PN结的能带和电子分布,
在P型半导体中存在大量空穴和等量的电子,总体上呈电中性,同样,N型半导体也呈电中性。
当P型和N型半导体形成PN结时,载流子的密度差引起扩散运动,形成内部电场。
内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动,见图3-4(a)。
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
当这两种运动处于平衡状态时,P区和N区的费米能级相同,能带发生倾斜,见图3-4(b)。在PN结上施加正向电压,产生与内部电场相反方向的外加电场,能带倾斜减小,扩散运动增强。
N区的电子向P区运动,P区的空穴向N区运动,在PN结形成增益区。
增益区的导带主要是电子,而价带主要是空穴,结果获得粒子数反转分布,见图3-4(c)。内部电场
P区PN空电区N区
扩散
漂移
势量Epc区EncEfpvN区nvhfhfpcpfpvEncnfnv
内部电场
外加电场
电子,空穴
势垒
(a)
(b)
(c)
Eg
(c)
Eg
(b)
EcEf
Ev
图3-4PN结能带和电子分布
(a)PN结内载流子运动(b)零偏压时PN结的能带图(c)正向偏压下PN结能带图
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
产生激光的三个先决条件,
激励源是能量的提供者,实现粒子数反转。激活物质是产生激光的物质基础,提供光放大。
光学谐振腔提供光反馈。
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
λn射镜光的振幅反射镜初始位置光强出OXL
(a)
(b)
图3.4激光器的构成和工作原理(a)激光振荡,(b)光反馈
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
要产生激光还应满足如下两方面的条件,光的增益和损耗间应满足平衡条件——阈值条件。
在谐振腔中,光波反复反射能得到加强,从而能够存在,应满足的条件——相位条件。
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
阈值条件,
21n1Rh+α
相位条件,qL2=λ或
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
半导体激光器基本结构,
有源层
限制层
法布里—珀罗
(F-P)谐振腔
图3-5双异质结平面条形激光器的基本结构
(a)短波长(b)长波长
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
双异质结(DH)激光器基本工作原理,限制层带隙比有源层宽,带隙差形成的势将电子和空穴限制在有源区复合发光,由于有源层的折射率比限制层高,产生的光被有效地限制在有源区内。
3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构
(a)
(b)
Pa1,xAlxAsPaAsNa1(yAlyAs)
复合穴异质势垒能量电子
(c)
(d)
,5%
图3-6 DH激光器工作原理
(a)双异质结构 (b)能带(c)折射率分布(d)光功率分布
3.1.2半导体激光器的主要特性
发射波长,
半导体激光器的发射波长取决于带隙宽度,gf=
代入光速、普朗克常数,得发射波长为,g s × × − 19 8410 /0026hc
24
)eVg
3.1.2半导体激光器的主要特性
不同半导体材料有不同的带隙宽度, 因而有不同的发射波长。
对于GaAlAs-GaAs材料, GaAs的带隙宽度为
1.424 eV,适用于0.85 μm波段。mg µ 8724 244 ≈
InGaAsP-InP材料适用于1.3 μm~1.55 μm波段。
3.1.2半导体激光器的主要特性
GaAlAs-DH激光器的光谱特性,
只有符合相位条件的波长才能存在,这些波长取决于激光器的纵向长度L,称为激光器的纵模。
随着直流驱动电流增加,纵模数逐渐减少,谱宽变窄。 当驱动电流足够大时,变为单纵模。
3.1.2半导体激光器的主要特性
300 Mb/s数字调制时, 随着调制电流增大,纵模数增多,谱宽变宽。
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。
如分布反馈(DFB)激光器。
(a) (b)
图3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性(a)直流驱动; (b)300 Mb/s数字调制测LDD输出谱线的实验方法出谱线的实验方法
系统准直统准直
将激光器的偏置电流调激光器的偏置电流调
至略低于阈值,功率计略低于阈值,功率计
输出接记录仪出接记录仪Y轴, 以, 以X
轴为时间轴,在绘图纸为时间轴,在绘图纸
上记录下激光器的谱图记录下激光器的谱图
———自发发射谱图,发发射谱图,
同理,将偏置电流调至理,将偏置电流调至1. 5. 5倍阈值阈值———受激发射谱图。激发射谱图。
3.1.2半导体激光器的主要特性
激光束的空间分布用近场和远场来描述,近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布。由于垂直于结平面的谐振腔厚度很薄,这个方向的场图总是单横模。
当平行于结平面的谐振腔宽度由宽变窄时,场图呈现出由多横模变为单横模。
远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。输出光束的横截面呈椭圆形。
3.1.2半导体激光器的主要特性
近场分布,场分布,
远场分布,场分布,
W,10µm
20µm
20µm
30µm
30µm
50µm
10µm
近场图样
0.1rad 远场图样
图3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场图
1.0.8.6.4 T,300K对光强 ⊥
0.2
080 60 40 20 0 20 40 60 80辐射角θ(度)
(a)
θ⊥
θ∥
(b)
图3.9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样(a)光强的角分布 (b)辐射光束
3.1.2半导体激光器的主要特性
激光器的转换效率用外微分量子效率ηd表示,
ηd定义,在阈值电流以上,每对复合载流子产生的光子数。hfP hf thh ∆ / /
解得激光器的输出光功率为,
) thh If − ηe
mW
率P
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
10
87mW
6P
5功
3面
0 20 4060 80作电流I/m A 50 100 150th作电流I/m A (a) (b)
图3.10典型半导体激光器的光功率特性
(a)短波长AlGaAs/GaAs; (b)长波长InGaAsP/InP
3.1.2半导体激光器的主要特性
频率特性, 100
弛豫频率fr是调制
频率的上限,接近r处,数字调制要 10率
产生弛豫振荡,模 1对
拟调制要产生非线
性失真。 0.01 0.1 1 10.1 fr 调制频率f / GHz
图3-8 半导体激光器的直接调制频率特性
3.1.2半导体激光器的主要特性
阈值电流Ith的确定,P-I曲线线性部分的反向延长线与电流轴的交点。
当IIth时,激光器发出受激辐射光。
图3-7 半导体激光器的P-I曲线实验测量验测量P,I曲线线
从零开始缓慢增大注入电流,输出光功率随之改变,零开始缓慢增大注入电流,输出光功率随之改变,在X-Y记录仪上记录下功率随电流的变化曲线。录仪上记录下功率随电流的变化曲线。阈值电流值电流Ithh的确定,确定, P-I曲线线性部分的反向延长线线线性部分的反向延长线与电流轴的交点。电流轴的交点。
3.1.2半导体激光器的主要特性
阈值电流随温度成指数变化,Ith=I0 exp(T/T0)
T0为激光器材料的特征温度。
GaAlAs-GaAs, T0=100 K~150 K。
InGaAsP-InP, T0=40 K~70 K。
长波长InGaAsP-InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。
P/mW
2℃30℃40℃50℃60℃70℃0℃432
不激射
50 100 I/mA
图3.12 P-I曲线随温度的变化
3.1.2半导体激光器的主要特性
激光器输出光功率会随温度而变化,
激光器的阈值电流随温度的升高而增大。
ηd随温度升高而减小,输出光功率下降。
图3-9 半导体激光器P-I曲线随温度的变化
(a)阈值随温度增大 (b)外微分量子效率随温度增大
3.1.3分布反馈激光器
分布反馈,Distributed Feed Back(DFB)激光器的结构特点,
用靠近有源层沿长度方向制作的衍射光栅实现光反馈。
衍射光栅折射率周期性变化,使光沿有源层分布式反馈,所以称为分布反馈激光器。
3.1.3分布反馈激光器
衍射光栅
N层
光栅
P层
b a
输出光
有源层
有源层
(a) (b)
图3-10 分布反馈(DFB)激光器(a)结构 (b)光反馈
3.1.3分布反馈激光器
分布反馈激光器的工作原理,
有源层发射的光在传播时,一部分光线a在光栅波纹峰反射, 另一部分光线b继续向前传播,在邻近的光栅波纹峰反射。
如果光线a、 b匹配,相互叠加,产生更强的反馈, 而其他波长的光将相互抵消。
3.1.3分布反馈激光器
光栅周期,
Bλe
,ne为材料有效折射率, λB为布喇格波长,m为衍射级数,
发生激光振荡为两个阈值最低、增益相同的纵模,其波长为,
) 2 B λ ± 2 Le
3.1.3分布反馈激光器
DFB激光器的优点,
单纵模激光器。
谱线窄,波长稳定性好。动态谱线好。
线性好。
3.1.4发光二极管
发光二极管优点,
性能稳定,寿命长,输出光功率线性范围宽, 制造工艺简单,价格低。
发光二极管缺点,
输出光功率较小,谱线宽度较宽,调制频率较低。
应用场合, 小容量短距离系统。
3.1.4发光二极管
发光二极管的类型,正面发光型LED
侧面发光型LED
二者比较,
和正面发光型LED相比,侧面型光束辐射角较小, 与光纤的耦合效率较高,入纤光功率比正面型大。
3.1.4发光二极管
球透镜
环氧树脂
P层有源层n层发光区
微透镜
P型限制层
有源层波导层n型限制层
图3.14两类发光二极管(LED)(a)正面发光型, (b)侧面发光型
3.1.4发光二极管
发光二极管的光谱特性,
由于发射的为自发辐射光,线较宽。通常, LED谱宽度为几十nm。着温度升高或驱动电流大,谱线加宽,且峰值 1300 波长/nmλ,70 nm对光强波长向长波长方向移动。 图3.15 LED光谱特性
3.1.4发光二极管
光束的空间分布,
正面发光型LED的辐射图呈朗伯分布,光束辐射角较大。
侧面发光型LED的水平发散角θ‖≈120° ,垂直发散角θ⊥≈25° ~35° , 与光纤的耦合效率一般小于10%。
3.1.4发光二极管
输出光功率特性,
驱动电流较小时, P-I 曲线的线性较好。
驱动电流过大时,产生饱和现象, P-I曲线斜率减小。
输出光功率比LD小,与光纤的耦合效率低。
W m /
P 率功射发
15
10
正面发光面发光
0 100 200 300 400 500电流I/mA
图3-1 1 发光二极管的P-I特性
3.5
3.0.5.0.5.0.500 50 100 150th作电流I/mA出功率P/mW (a) 0 100 200 300 400 500505 正面发光面发光流I/mA射率P/mW
图3. 1 1 发光二极管的P-I特性3. 10 典型半导体激光器的光功率特性