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构成光纤通信系统三大部分之一的光发射部分的核心是产生激光或荧光的光源 它包括半导体激光器LD LaserDiode 和半导体发光二极管LED LightEmittingDiode 它们的共同特点是 体积小 重量轻 耗电量小 激光 其英文LASER就是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 受激辐射的光放大 的缩写 第三章半导体激光器与发光二极管 2 引言 一 光纤通信系统对光源的基本要求 1 稳定性好 可在室温下连续工作 2 尺寸和结构要小 3 光波应匹配光纤的两个低损耗波段 4 信号调制容量大 3 引言 二 最常用的发光器件 1 LD 半导体激光二极管或称激光器 LD 发出的是激光 a 极窄的光谱带宽 b 极大的调制容量 c有定向输出特性 d 辐射具有光相干特性 适用于长距离 大容量 高码速系统优点 输出特性曲线线性好 使用寿命长 成本低 2 LED 发光二极管或称发光管 LED 发出的是荧光 a 非相干的自发辐射 b 结构及工作方式简单 适用于短距离 低速 模拟系统缺点 谱线宽度较宽 调制速率较低 与光纤的耦合效率较低 半导体激光器 LD 图例 红光点状光斑激光器工作参数输出波长 635nm650nm670nm出光功率 0 75mw光斑直径 工作电压 3V4 5V5V6V 图3 1 发光二极管图例 圆形发光二极管工作参数波长 470nm发光强度 1000 4000mcd正向电压 3 4v 图3 2 光电检测器图例 图3 3 插拔式光电二极管 图3 4 APD雪崩光电二极管 一 光子1950年 爱因斯坦提出光量子学说 他认为光是由能量为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 人们称这些光量子叫做光子 不同频率的光子具有不同的能量 而携带信息的光波它具有的能量只能是hf的整数倍 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反射 光子概念的提出 使人们认识到 光不仅具有波动性 而且还具有粒子性 而且两者不可分割 两重性 3 1与激光器有关的概念 二 费米能级1 原子能级的概念物质是由原子组成 而原子又是由原子核和核外电子构成 当物质中原子的内部能量变化时 即可能产生光波 因此要研究激光的产生过程 就应了解原子能级分布 电子在原子核外按一定的轨道运动 就具有了一定的电子能量 因此 电子运动的能量只能有某些允许的数值 这些允许的数值 因轨道不同 而一个个分开的 即不连续的 我们把这些分立的能量值 称为原子的不同能级 04 2 费米能级物质中的电子不停地做无规则的运动 他们可以在不同的能级间跃迁 即对于某一电子而言 它所具有的能量时大时小 不断变化 而电子按能量大小的分布却有一定规律 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 式中 概率 为电子的费米分布函数Ko 玻耳兹曼常数 T 绝对温度 费米能级 它只反映电子在各能级中分布情况的一个参数 根据上式 我们可以得到图3 1所示的费米分布函数曲线 由图3 1可见 在T 0K时若E Ef 则f E 1 2 则说明该能级被电子占据的概率为50 若E1 2若E Ef 则f E 1 2 故 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 三 光与物质的三种作用形式光可以被物质吸收 也可以从物质中发射 爱因斯坦指出了三种不同的基本过程如图3 2所示 下面简述E1 E2二能级系统为例 1 自发辐射这是一种发光过程 设原子的两个能级E1和E2 E1为低能级 E2为高能级 由于处在高能级的电子不稳定 在未受外界激发的情况下 自发地跃迁到低能级 在跃迁的过程中 根据能量守恒原理 发射出一个能量为hf的光子 发射出的光子能量为两个能级之差 即 则发射光子的频率 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 而自发产生的 是自发跃迁 2 由于发射出光子的频率决定于所跃迁的能级 而发生自发辐射的高能级不是一个 而可以是一系列的高能级 因此辐射光子的频率亦不同 频率范围很宽 3 即使有些电子是在相同的能级差间进行跃迁 也就是辐射出的光子的频率相同时 但由于它们是独立的 自发的辐射 因此 它的发射方向和相位也是各不相同的 是非相干的 2 受激吸收物质在外来光子的的激发下 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 这个过程叫受激吸收 受激吸收的特点 1 这个过程必须在外来光子的激发下才能产生 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 如E E2 E1 hf3 受激跃迁的过程中 不是放出能量 而是消耗外来光能 3 受激辐射这是另一种发光过程 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 同时放出一个能量为2hf的光子 由于这个过程是在外来光子的激发下产生的 因此叫受激辐射 受激辐射的特点 1 外来光子的能量等于跃迁的能级之差 hf E2 E12 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 偏振方向传播方向都相同 因此称为全同光子 3 这个过程可以使光得到放大 这是因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子 相叠加的结果而使光增强 使入射光得到放大 因此 受激辐射引起光放大 是产生激光的一个重要的基本概念 3 2激光器的一般工作原理激光器是指激光的自激振荡器 要使光产生振荡 必须是使光得到放大 而产生光放大的前题 是物质中的受激辐射必须大于受激吸收 因此 受激辐射是产生激光的关键 一 粒子数反转分布与光放大之间的关系设低能级上的粒子密度为N1 高能级上的粒子密度为N2 正常状态下N1 N2 则单位时间内 从高能级跃迁到低能级上的粒子数总是小于从低能级跃迁到高能级的粒子数 这时受激吸收大于受激辐射击 即在热平衡条件下 物质不可能有光放大作用 要想物质能产生光放大 就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用 即N2 N1 这种粒子数一反常态的分布 称为粒子数反转分布 因此 粒子数反转分布状态是物质产生光放大的必要条件 我们将粒子数处于反转分布状态的物质 称增益物质 或激活物质 二 激光器的基本组成电振荡器构成的三个条件 放大 振荡 反馈 而激光振荡器也应由三部分组成 1 有能够产生激光的工作物质 放大 2 有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源 振荡 3 有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔 反馈 1 能够产生激光的工作物质就是可以处于粒子数反转分布状态的工作物质 前题 这种物质要有确定能级的原子系统 通过分析可知在三能级以上系统中即可得到粒子反转分布 2 泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源 叫做泵浦源 物质在泵浦源的作用下 使粒子从低能级跃迁到高能级 使N2 N1 这种情况下 受激辐射大于受激吸收 从而有光放大作用 这时的工作物质已被激活 成为激活物质或称增益物质 3 光学谐振腔增益物质只能使光放大 要形成激光振荡器 还需要光学谐振腔 以提供必要的反馈及进行频率选择 1 光学谐振腔的结构 如图3 3 在增益物质的两端 适当位置 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 如果平面镜 叫平面腔 如球面镜 叫球面腔 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 1 产生的激光由此射出 2 谐振腔如何产生激光振荡当工作物质在泵浦源的作用下 变为激活物质后 即有了放大作用 如果被放大的光有一部分能够反馈回来 再参加激励 这相当于电路中用正反馈实现振荡 这时被激励的光就产生振荡 满足一定条件后 即可发出激光 如图3 4所示 激光的产生原理 当工作物质在泵浦源的作用下 变为激活物质以后 即有了放大作用 将在泵浦源激发下 处于粒子数反转分布状态的工作物质 置于光学谐振腔内 腔的轴线应与激活物质的轴线重合 被放大的光在谐振腔内 在两个反射镜之间来回反射 并不断地激发出新的光子 进一步进行放大 但在这个运动过程中也要消耗一部分能量 不沿谐振腔轴线方向的光波会很快射出腔外 以及M2反射镜的透射也会损耗部分能量 当放大足以抵消腔内损耗时 就可以使这种运动不停地进行下去 即形成光振荡 当满足一定条件后 就会从反射镜M2透射出一束笔直的强光 激光 综上所述 要构成一个激光器 必须具备三要素 1 工作物质 又称增益物质2 泵浦源 激发工作物质实现Nc Nv的外界能源 如正向偏置的PN结激光器3 光学谐振腔 提供必要的反馈以及进行频率选择 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件 三 激光的参量1 平均衰减系数 在光学谐振腔内产生振荡的先决条件是放大的光能足以抵消腔内的损耗 而腔内损耗的大小 用平均衰减系数 表示 式中 除反射镜M2透射损耗以外的其它损耗所引起的衰减系数 谐振腔反射镜M2的透射损耗引起的衰减系数 L 谐振腔两个反射镜之间的距离 r1 r2 谐振腔两个反射镜的功率系数 2 增益系数G激活物质的放大作用 我们用增益系数G表示 如图3 5 3 6所示 I0为激活物质的输入光强 经过距离之Z后 光强放大到I 到了 Z dZ 处 光强为 I dI 那么 在dZ长度上 光强的增益dI为 称G为增益系数 它表示光通过单位长度的激活物质之后 光强增长的百分比 3 阈值条件一个激光器并不是在任何情况下都可以发出激光的 它需要满足一定的条件 由衰减系数的概念可以看出 要使激光器产生自激振荡 最低限度应要求激光器的增益刚好能抵消它的衰减 我们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 即 其中 Gt称为阈值增益系数 由上式可见 激光器的阈值条件 只决定于光学谐振腔的固有损耗 i i损耗越小 阈值条件Gt越低 激光器就越容易起振 四 谐振频率谐振频率是光学谐振腔的重要参数 对平行平面腔而言 由于腔的尺寸可远大于工作波长 因此 腔内的电磁波可认为是均匀平面波 而且在腔内往返运动时 是垂直于反射镜而投射 如图3 7 由A发出的平面波 M2垂直返回 M1返回 A时 波得到加强 如果它们之间的相位差正好是2 的整数倍时 显然就达到了谐振 设谐振腔的长度L 谐振腔介质中光的波长 g 则满足相位差2 的整数倍时 有此式表明 光波在谐振中往返一次 光的距离 2L 恰好为 g整数倍 即相位差2 的整数倍 故光波长 这就是光学谐振腔的谐振条件或称驻波条件 当光学谐振腔内 工作物质折射指数为n时 由上式可得出折算到真空光学谐振腔的谐振波长 0g与谐振频率f0g的关系为 当光波频率满足 3 式时 即可在腔中达到谐振 注 由上面 2 3 式可见1 0g与光学谐振腔内材料的折射率 有关 2 当 不同时 可有不同的f0g值 即有无穷多个谐振频率 整数倍 30 3 3半导体激光器 LD 半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件 只有在工作电流越过阈值电流的情况下 才会输出激光 相干光 因而是有阈值的器件 半导体砷化镓 GaAs 在光纤通信中使用的激光物质都是GaAs GaAs是高掺杂的 族化合物 当掺入 族Te原子取代As原子 自由电子多 形成N型半导体当掺入 族Zn原子取代Ga原子 空穴多 形成P型半导体 S p n laser reflection PN结激光器的示意 31 现在所用最普遍的激光器是异质结半导体激光器它们的 结 是由不同的半导体材料制成的 主要目的是为了降低阈值电流 提高效率 目前 光纤通信用的激光器大多是铟镓砷磷 InGaAsP 双异质结条形激光器 由剖面图中可以看出 它是由五层半导体材料构成 一 半导体激光器的结构 32 其中n InGaAsP是发光的作用区 作用区的上 下两层称为限制层 它们和作用区构成光学谐振腔 限制层和作用区之间形成异质结 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 顶层上面数微米宽的窗口为条形电极 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 33 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 二 工作原理为便于说明半导体激光器的机理 先介绍半导体的能带分布 1 半导体的能带分布 2 P型和N型半导体的形成N型半导体 将向本征半导体材料掺入提供电子的杂质元素后而形成的半导体材料 叫做N型半导体 它属于电子导电型 通常状态下 本征半导体的电子和空穴是成对出现的 Ef位于禁带中央 如图3 11a N型半导体中的特点是 导带电子多 价带空穴相对减小 Ef增大 如图3 11b P型和N型相反 将向本征半导体材料掺入提供空穴的杂质元素后而形成的半导体材料 叫做P型半导体 它属于空穴导电型 特点是 导带电子减少 价带空穴相对增多 Ef减少 如图3 11c 35 一般状态下 本征半导体的电子和空穴是成对出现的 用Ef位于禁带中央来表示 Ef称为费米能级 用来描述半导体中各能级被电子占据的状态 在本征半导体中掺入施主杂质 称为N型半导体 在本征半导体中掺入受主杂质 称为P型半导体 在P型和N型半导体组成的PN结界面上 由于存在多数载流子 电子或空穴 的梯度 因而产生扩散运动 形成内部电场 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动 直到P区和N区的Ef相同 两种运动处于平衡状态为止 结果能带发生倾斜 36 内部电场 扩散 漂移 P N结内载流子运动 PN结的能带和电子分布 37 势垒 能量 E n c N 区 零偏压时P N结的能带倾斜 3 P N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生当给PN结外加正向偏压 P N 后 P区的空穴和N区的电子不断地注入PN结 破坏了原来的热平衡 在P N结出现了两个费米能级 当外加正向偏压后 N区电子向P区移动 P区空穴向N区移动 能带倾斜减小 扩散增大 获得N2 N1 粒子数反转分布 在空穴电子扩散过程中 导带电子跃迁到价带和空穴复合 产生自激辐射光 如图3 14 由图知 在N区 由于E EfN 则各能级被电子占据的概率 表示处于高能级N区的粒子数增多 在P区 由于E EfP 概率 表示处于低能级P区的粒子数减少 由上述两点 说明在外加正偏压后 在P N结区 出现了高能级的粒子多 低能级粒子少的分布状态 这即是粒子数反转分布状态 5 当P N结上外加的正偏压足够大时 将使得结区处于粒子数反转分布状态 即出现受激辐射大于吸收情况 可产生光的放大作用 被放大的光在由P N结构成的光学谐振腔 谐振腔的两个反射镜M1 M2 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 40 正向偏压下P N结能带图 获得粒子数反转分布 41 增益区的产生 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 结果能带倾斜减小 扩散增强 电子运动方向与电场方向相反 便使N区的电子向P区运动 P区的空穴向N区运动 最后在PN结形成一个特殊的增益区 增益区的导带主要是电子 价带主要是空穴 结果获得粒子数反转分布 在电子和空穴扩散过程中 导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合 产生自发辐射光 三 半导体激光器的工作特性半导体激光器属于二极管的范畴 除具有一般的伏安特性外 还具有以下的特殊的光频特性 如图3 15所示 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 这个电流值叫阈值电流 用It表示 阈值 是光学谐振腔中的最低振荡条件 当满足一定的条件 阈值 就产生激光 当I It时 激光器发出的是荧光 当I It时 激光器发出的是激光 为了使 半导体激光器 通信系统稳定可靠地工作 希望阈值电流It越小越好 2 光谱特性半导体激光器的光谱 随激励电流而变化 当I It时发荧光 光谱很宽 宽度达到数百埃 当I It时发射光谱突然变窄 谱线中心强度急剧增加 表明发出激光 单模激光器是指激光二极管发出的激光是单纵模 对应光谱只有一根谱线 当谱线很多时 即为多纵模激光器 中心波长 光谱曲线最高点对应的波长 谱线宽度 最高点功率下降3dB时曲线的宽度 3 温度特性激光器的阈值电流It和光输出功率P0随温度T变化的特性 叫温度特性 如图3 16 It 随T 而增大 故实际电路中 均设有ATC电路 当然 It也和使用时间t有关 t It 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 用功率转换效率表示 定义 式中 R 是与激光器的内部量子效率 激光波长和模式损耗有关的常数 V 工作电压It 阈值电流I 工作电流 四 分布反馈激光器 DFB 随着高速率光纤通信系统的发展及新型光纤通信系统 如波分复用系统 的出现 对激光器提出了更高的要求 1 半导体激光器的谱线宽度更窄 2 在高速脉冲调制下保持动态单纵模特性 3 发射光波长更加稳定 并能实现调谐 4 阈值电流更低 输出光功率更大 具有上述特性的动态单纵模激光器有多种类型 其中性能优良并广泛采用的是分布反馈 DFB 激光器 如图3 17所示 普通激光器用法布里 珀罗 F P 谐振腔两端的反射镜对激活物质发出的辐射光进行反馈 DFB激光器用靠近有源层 作用区 沿长度方向制作的周期性结构 波纹状 衍射光栅实现光反馈 这种衍射光栅的折射率周期性变化 使光沿有源层分布式反馈 所以称为分布反馈激光器 由有源层发射的光 从一个方向向另一个方向传播时 一部份在光栅波纹峰反射 如光线a 另一部分继续向前位播 在邻近的光栅波纹峰反射 光线b 如果光线a和b匹配 相互迭加 则产生更强的反馈 而其它波长的光将相互抵消 虽然每个波纹峰反射的光不大 但整个光栅有成千上万个波纹峰 反馈光的总量足以产生激光振荡 光栅由下式确定 式中 ne 材料有效折射率nB 布喇格波长m 衍射级数在普通光栅的DFB激光器中 发生激光振荡的有两个阈值最低 增益相同的纵模 其波长为 其中 L 光栅长度在普通均匀光栅中 引入一个相移变换 使原来的波峰变波谷 可有效提高模式选择性和稳定性 实现动态单纵激光器的要求 5 2 3 4半导体发光二极管 LED 除半导体激光器 LD 外 还有半导体发光二极管 LED 也是光纤通信中常用的光源 发光二极管基本上是用直接带隙 导带和价带之间的空隙称为禁带 也称带隙 宽度为Eg 的半导体材料制作的PN结二极管 它除了没有光学谐振腔和阈值外 其它方面与激光器相同 它的发光只限于自发辐射 发出的是荧光 而LD是发出的受激辐射光 49 LED是无阈值器件 发荧光 工作特性 光谱较宽 输出线性好 动态范围大 适于模拟通信 寿命长 LED发散角较大 与光纤的耦合效率低 适于短距离通信 温度特性好 无阈值电流 一般不需要ATC 自动温度控制电路 发光二极管是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层 以及在中间由异质结构成的有源层组成 有源层是发光的区域 其厚度为0 lum 0 2um左右 一 工作原理发光二极管是非相干光源 它的发射过程主要是对应光的自发辐射过程 在发光二极管的结构中 不存在谐振腔 发光过程中PN结也不一定要实现粒子数反转分布 当注入正向电流时 注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光 这就是发光二极管的基本原理 LED的工作原理基于半导体的自发辐射 由于半导体材料的导带和价带都由许多不同的能级组成 大多数的载流子复合发生在平均带隙上 但也有一些复合发生在最低及最高能级之间 设平均带隙为Eg 则偏移量 Eg在1kT 2kT范围内 K为玻尔兹曼常数 为1 38 e 23焦耳 度 T为结温 因此 LED的发射波长在其中心值附近占据较大的范围 把光强下降一半时的两点间波长范围定义为输出谱线宽度 半功率点全宽FWHP 如下图所示 在室温下 短波长LED的线宽约为25nm 40nm 长波长LED的线宽则可达75nm 100nm 50 51 LED的线宽与许多因素有关 如 线宽随有源层掺杂浓度的增加而增加 由于LED的线宽大 使光纤色散加重 从而限制了传输距离和速率 导体的价带能级间的光发射及线宽 二 分类和结构为了获得高辐射度 发光二极管常采用双异质结构 DH 按光输出的位置不同 发光二极管分边发射型和面发射型 如图3 18 根据发光面与PN结的平面平行或垂直而分为面发光或边发光 和面发光型LED相比 边发光型LED驱动电流较大 输出光功率较小 但由于光束辐射角较小 与光纤的耦合效率较高 因而入纤光功率比正面发光型LED大 和激光器 LD 相比 LED输出光功率较小 谱线宽度较宽 调制频率较低 surfaceemitting edgeemitting 發光二極體 LightEmittingDiode LED 三 工作特性1 光谱较宽 由于LED属于自发辐射光 没有谐振腔对波长的选择 谱线较LD宽得多 一般短波长GaAlAs GaAsLED谱线宽为30 50nm 长波InGaAsP InPLED谱线宽60 120nm 且随着温度升高或驱动电流增大 谱线加宽 且峰值波长向长波长方向移动 分别为 0 2 0 3nm 和0 3 0 5nm 55 2 P I曲线的线性较好 LED的输出光功率P与电流I的关系 即P I特性如图所示 是非阈值器件 发光功率随工作电流增大 并在大电流时逐渐饱和 LED的工作电流通常为50mA 100mA 这时偏置电压l 2V l 8V 输出功率约几mw 工作温度升高时 同样工作电流下LED的输出功率要下降 例如当温度从20 升高到70 时 输出功率下降约一半 相对而言 温度的影响要比LD小 43210 50100150 0 25 70 电流 mA 输出功率 mW 3 与光纤的耦合效率低 由于LED发射出的光束的发散角较大 40 120 因此 与光纤的耦合效率也较低 一般小于10 只适于用于短距传输 4 寿命长 LED性能稳定 寿命长 可达3 105h以上 且制造工艺简单 价格低廉 5 温度特性好 由于LD的阈值电流随温度而变化 而LED是无阈值器件 因此温度特性好 一般无需加ATC 6 频率特性 面发光型fc 20 30MHZ 边发光型fc 100 150MHZ 最高调制频率应低于截止频率 fc为截止频率 LD和LED之性能比較 LD和LED之性能比較 05