第一章-通信光电子器件-激光器课件.ppt

1、1 1内容回顾内容回顾直接带隙材料和间接带隙材料直接带隙材料和间接带隙材料费米能级费米能级统一的费米能级存在于热平衡状态准费米能级半导体中光与电子的相互作用半导体中光与电子的相互作用P-NP-N结结形成：多子扩散多子扩散vs.vs.少子漂移的动态平衡过程！少子漂移的动态平衡过程！能带结构能带结构：P P区整体提高，区整体提高，N N区整体下降，耗尽区能带弯曲区整体下降，耗尽区能带弯曲，最后形成统一的费米能级。，最后形成统一的费米能级。P-NP-N结的偏置结的偏置正向偏置：外部激励满足导带、价带准费米能级差大于正向偏置：外部激励满足导带、价带准费米能级差大于半导体的禁带宽度半导体的禁带宽度产生光

2、增益产生光增益反向偏置：光照作用下产生光生载流子反向偏置：光照作用下产生光生载流子形成光电流形成光电流同质结和异质结，双异质结同质结和异质结，双异质结2 21.5 1.5 通信光电子器件通信光电子器件1.5.1 1.5.1 概述概述 1.5.2 1.5.2 半导体光电子技术基础知识半导体光电子技术基础知识1.5.3 1.5.3 半导体光源半导体光源1.5.4 1.5.4 光电探测器光电探测器1.5.5 1.5.5 光调制器光调制器光源光源任何能够发光的东西都是光源任何能够发光的东西都是光源光纤通信系统中，光源需要发出能够承载信息的光光纤通信系统中，光源需要发出能够承载信息的光常用光源：LD(激

3、光二极管)和LED(发光二极管)要求：能够产生光载波并将其注入到光纤中，体积小，能耗低等3 34 4激光器的工作原理半导体激光器(LD)工作原理结构和类型特性发光二极管(LED)工作原理结构和类型特性1.5.3 1.5.3 半导体光源半导体光源5 5激光的特点激光的特点方向性好亮度高单色性好相干性好激光的应用激光的应用通信、材料加工、医学、卫星测距、光雷达、高速全息摄影、非线性光学、生物学及军事等方面激光的特点激光的特点6 6光的相干性光的相干性非相干光的叠加只是功率叠加非相干光的叠加只是功率叠加相干光叠加将会出现干涉，是电磁场叠加相干光叠加将会出现干涉，是电磁场叠加两光束相差为零：干涉相长两

4、光束相差为180：干涉相消+=+=受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光受激辐射光为相干光，自发辐射光是非相干光光的相干条件：光的相干条件：光的频率相同、振动方向相同，位相差恒定相干光与非相干光相干光与非相干光7 7激光形成的基本条件激光形成的基本条件A.A.首要条件：泵浦源首要条件：泵浦源 (使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源)粒子数反转分布粒子数反转分布（设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2）热平衡条件下，N1N2，总是受激吸收大于受激辐射，物质不可能有光的放大作用。要使物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即令N2

5、N1，这种粒子数的反常态分布称为粒子数反转分布泵浦机制泵浦机制光泵浦：固体激光器（掺铒光纤激光器）光泵浦：固体激光器（掺铒光纤激光器）电泵浦：电泵浦：半导体激光器半导体激光器激光器的工作原理激光器的工作原理8 8激光器的工作原理激光器的工作原理激光形成的基本条件激光形成的基本条件A.A.可以使增益介质产生粒子数反转分布的泵浦源可以使增益介质产生粒子数反转分布的泵浦源B.B.增益介质：增益介质：能够在泵浦源的激励下产生粒子数反转分布的能够在泵浦源的激励下产生粒子数反转分布的工作物质工作物质C.C.光学谐振腔：光学谐振腔：提供必要的反馈及对光的频率和方向的选择，以提供必要的反馈及对光的频率和方向的

6、选择，以获得连续的光放大和激光振荡输出。获得连续的光放大和激光振荡输出。9 9激光器的工作原理激光器的工作原理1010相位条件相位条件 满足在谐振腔中往返一周的光程为波长整数倍的光满足在谐振腔中往返一周的光程为波长整数倍的光在反射前后才能得到彼此加强，即谐振频率为：在反射前后才能得到彼此加强，即谐振频率为：2qcqfnL激光器的工作原理激光器的工作原理腔长腔长任意整数任意整数真空光速真空光速介质折射率介质折射率或光波在腔内沿或光波在腔内沿轴向传播一周所轴向传播一周所产生的相位差为产生的相位差为2Pi2Pi的整数倍的整数倍1111阈值条件阈值条件谐振腔内存在损耗谐振腔内存在损耗工作物质的吸收、介

7、质不均匀引起的散射、反射镜的非工作物质的吸收、介质不均匀引起的散射、反射镜的非理想性引起的透射及散射等损耗理想性引起的透射及散射等损耗只有光波在谐振腔内往复一次的放大增益大于损耗，只有光波在谐振腔内往复一次的放大增益大于损耗，激光器才能建立起稳定的激光输出激光器才能建立起稳定的激光输出 阈值条件阈值条件满足阈值条件时，光场在谐振腔中的往返振荡才能满足阈值条件时，光场在谐振腔中的往返振荡才能形成正反馈，最终形成稳定的激光输出形成正反馈，最终形成稳定的激光输出激光器的工作原理激光器的工作原理1212半导体激光器（半导体激光器（LDLD）LD：Laser Diode!体积小，寿命长，高可靠性，高性能

8、！1313半导体激光器的结构半导体激光器的结构最简单的半导体激光器的结构一个薄有源层（厚度约一个薄有源层（厚度约0.1m0.1m）+P+P型型N N型限制层型限制层属于宽面激光器属于宽面激光器注入型激光器，Injection Laser解理面解理面金属接触金属接触电流电流有源层有源层P P型型N N型型300m300m100m100m200m200m1414LDLD的工作原理的工作原理A.向半导体P-N结注入电流，实现粒子数反转分布，P-N结即为激活区B.电子空穴对复合发光，初始的光场来源于自发辐射C.自发辐射光子进而引起受激辐射D.受激辐射光子通过反射镜往返反射，使受激辐射过程加剧，光得到放

9、大E.在反射系数小于1的反射镜中输出而产生激光半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理1515LD产生激光输出的三个基本条件：泵浦源：电流注入实现光反馈：解理面构成谐振腔谐振腔是在垂直于P-N结的两个端面上，按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面构成的解理：晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂,并且能裂出光滑平面的性质称为解理,这些平面称为解理面增益介质：P-N结区结构缺点：简单的同质结结构缺点：简单的同质结不能有效地将注入的非平衡载流子限制在结区发生辐射复不能有效地将注入的非平衡载流子限制在结区发生辐射复合以产生光子合以产生光子不具有波导效应，产生的光场弥散在很宽范围内不具有

10、波导效应，产生的光场弥散在很宽范围内半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理阈值过高使简单的注入型激光器阈值过高使简单的注入型激光器无法实用化，结构需改进！无法实用化，结构需改进！解理面解理面金属电极层金属电极层P-GaAlAsP-GaAlAsN-GaAsN-GaAs衬底衬底N-GaAlAsN-GaAlAsP-GaAsP-GaAs有源层有源层双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器双异质结由两层宽带隙层材料和双异质结由两层宽带隙层材料和位于其间的窄带隙层材料组成位于其间的窄带隙层材料组成双异质结正向偏置时载流子的分布双异质结正向偏置时载流子的分布1717对载流子形成了很好的限制作用正向偏置

11、的同质结正向偏置的双异质结1818双异质结中双异质结中窄带隙层的作用窄带隙层的作用中间的窄带隙层材料为有中间的窄带隙层材料为有源层，折射率高，对载流源层，折射率高，对载流子和光场有限制作用子和光场有限制作用提高了注入效率和受激辐提高了注入效率和受激辐射效率射效率常用的异质结构：常用的异质结构：GaGa1-x1-xAlAlx xAs-GaAs-GaAs-GaAs-Ga1-y1-yAlAly yAsAsInP-InInP-In1-x1-xGaGax xAsAsy yP P1-y1-y-InP-InP双异质结激光器双异质结激光器具有较高的折射率，形成具有较高的折射率，形成波导，对光场有限制作用波导，

12、对光场有限制作用原理类似于光纤的纤芯原理类似于光纤的纤芯势垒的存在使电子和空穴势垒的存在使电子和空穴分别反射回到激活区中，分别反射回到激活区中，从而获得更多的辐射复合从而获得更多的辐射复合1919增益波导激光器增益波导激光器条形激光器（条形激光器（Stripe Laser DiodeStripe Laser Diode），增益波导激光器），增益波导激光器特点：窄条形金属电极和特点：窄条形金属电极和SiOSiO2 2掩蔽层掩蔽层限制注入电流，使增益只发生在有源层较窄的条形区域，降低器件驱动电流形成对光的导引增益波导光通信中很少用，因为对光场在竖直方向上没有限制，激光输出存在模式稳定性的问题虚线之

13、间为电流流经区域虚线之间为电流流经区域2020折射率波导激光器折射率波导激光器特点：在激光器的水平方向和竖直方向均采用异质结构特点：在激光器的水平方向和竖直方向均采用异质结构有源区构成了近似矩形的波导，限制作用更好有源区构成了近似矩形的波导，限制作用更好 脊形异质结构脊形异质结构 平面掩埋异质结构平面掩埋异质结构2121半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性 L L-I I 特性和光谱特性特性和光谱特性纵模纵模阈值电流阈值电流(Ith)：满足激光输出阈值条件时的电流：满足激光输出阈值条件时的电流当IIth 时，发出的是受激辐射光受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。偏置电流激光输出半

14、导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性数字调制数字调制模拟调制模拟调制强度调制(直接调制)LDLD具有较强的温度敏感性具有较强的温度敏感性激光器的辐射波长也依赖于温度，因为材料折射率是随着温度变化而变化的半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性温度增加时，阈值电流提高温度增加时，增益降低2424激光器的模式激光器的模式模式：激光器光学谐振腔中稳定的光场分布模式：激光器光学谐振腔中稳定的光场分布光场在光谐振腔的横向和纵向上必须都满足谐振条件，即形成驻波分布横模横模垂直于谐振腔轴向的光场分布相应于光纤中的导模不同横模的光场分布和传输特性不同纵模纵模沿着谐振腔轴向形成的一系列驻波是构成光谱的

15、主要结构不同纵模的频率不同2525激光器的模式激光器的模式2626激光器的纵模激光器的纵模2qcqfnL注入电流达到阈值以上时，满足相位条件的光场都可以在谐振腔中得到谐振加强每个满足条件的光场就构成一个激光器的纵模腔长越长，纵模间距越小2727半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性驱动电流变大，纵模数量变小，光谱宽度变窄2828LDLD的光谱特性的光谱特性多纵模多纵模LDLD与单纵模与单纵模LDLD多个纵模都携带能量，多个纵模都携带能量，功率过于分散功率过于分散只有一个模式，光谱窄，单只有一个模式，光谱窄，单色性好，相干性好色性好，相干性好2929复合腔结构复合腔结构解理耦合腔激光器利用

16、利用BraggBragg光栅进行光的选择光栅进行光的选择分布布拉格反射（DBR:Distributed Bragg Reflection）激光器分布反馈（DFB:Distributed Feedback Reflection）激光器激光器的纵模控制技术激光器的纵模控制技术3030解理耦合腔激光器解理耦合腔激光器两个谐振腔的腔长不同，纵模的频率间隔不同只有共同满足二者谐振条件的纵模才能形成激光输出单纵模激光器单纵模激光器-解理耦合腔激光器解理耦合腔激光器3131利用利用BraggBragg光栅进行光反馈，频率选择性好光栅进行光反馈，频率选择性好只有满足光栅谐振条件的光能发生反射BraggBrag

17、g光栅位于激光器的有源区外光栅位于激光器的有源区外分布布拉格反射（分布布拉格反射（DBRDBR）激光器）激光器q/2neffBBragg光栅在有源区外光栅在有源区外单纵模激光器单纵模激光器-分布布拉格反射分布布拉格反射激光器激光器由于光栅效率与由于光栅效率与q2成成反比，所以通常采用反比，所以通常采用q=1的一级光栅的一级光栅3232分布反馈（分布反馈（DFBDFB）激光器）激光器以以BraggBragg光栅结构进行光反馈光栅结构进行光反馈光栅结构制作在限制层中光栅结构制作在限制层中光栅结构制作在限光栅结构制作在限制层中制层中单纵模激光器单纵模激光器-分布反馈分布反馈激光器激光器3333DFB

18、DFB激光器与普通激光器的对比激光器与普通激光器的对比DFBDFB激光器的光谱宽度大约为普通型激光器的激光器的光谱宽度大约为普通型激光器的1/101/10左右左右色散的影响大为降低，可以实现速率为色散的影响大为降低，可以实现速率为10Gb/s10Gb/s的超高速传输的超高速传输3434激光器的输出发散角激光器的输出发散角eff1|eff1sin2sin2wd典型值典型值：2010 ,4030|折射率波导型激光器的有源区近似为矩形，厚度、宽度折射率波导型激光器的有源区近似为矩形，厚度、宽度都很小，出光的发散角很大都很小，出光的发散角很大一般情形下水平和垂直方向的发散角为一般情形下水平和垂直方向的

19、发散角为一般采用将光纤的耦合端一般采用将光纤的耦合端面制成半球形或锥形，或面制成半球形或锥形，或采用微透镜技术来提高半采用微透镜技术来提高半导体激光器与光纤的耦合导体激光器与光纤的耦合效率效率3535其他类型的半导体激光器其他类型的半导体激光器垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器（VCSELVCSEL：Vertical-Vertical-cavity surface-cavity surface-emitting laseremitting laser）谐振腔的腔镜由折射谐振腔的腔镜由折射率不同的物质层交错率不同的物质层交错堆积而成堆积而成每层厚度是每层厚度是纵向腔长很小，纵模间隔纵向腔长很小

20、，纵模间隔大，容易实现单模大，容易实现单模4/3636优点优点输出光束为圆形，易与光纤耦合输出光束为圆形，易与光纤耦合平面的几何形状，尺寸很小，易于在单片芯片上实现平面的几何形状，尺寸很小，易于在单片芯片上实现二维激光器阵列二维激光器阵列阈值低，腔长短，反应时间短，调制速率可达很高阈值低，腔长短，反应时间短，调制速率可达很高（本征调制带宽可达（本征调制带宽可达200GHz200GHz）缺点缺点最大功率有限最大功率有限目前只有辐射波段位于目前只有辐射波段位于850nm850nm和和980nm980nm的技术成熟的技术成熟垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器3737半导体LD制作工艺基本工艺：衬底

21、的制备外延生长P-N结VPE(Vapor Phase Epitaxy)VPE(Vapor Phase Epitaxy)LPE(Liquid Phase Epitaxy)LPE(Liquid Phase Epitaxy)MOCVD(Metal Organic Chemical MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)Vapor Deposition)MBE(Molecular Beam Epitaxy)MBE(Molecular Beam Epitaxy)CBE(Chemical Beam Epitaxy)CBE(Chemical Beam E

22、pitaxy)有源区刻蚀电流注入通道制备欧姆接触电极制备管芯解理耦合封装3838封装后的半导体激光器的外观封装后的半导体激光器的外观3939半导体激光器的可靠性半导体激光器的可靠性目前商用化半导体激光器目标寿命达目前商用化半导体激光器目标寿命达10106 6小时数量级小时数量级性能退化主要原因：性能退化主要原因：管芯极小，工作电流密度和光功率密度很高管芯极小，工作电流密度和光功率密度很高半导体激光器的镜面是用解理工艺形成的，镜面本身受到半导体激光器的镜面是用解理工艺形成的，镜面本身受到环境条件影响而污染环境条件影响而污染性能退化主要表现：性能退化主要表现：镜面损伤造成的灾变损害镜面损伤造成的灾

23、变损害光学损伤光学损伤运行时间延长后工作特性的缓慢劣化运行时间延长后工作特性的缓慢劣化阈值电流密度加大，微分量子效率降低阈值电流密度加大，微分量子效率降低光电流特性扭折，光束质量变差光电流特性扭折，光束质量变差4040半导体发光二极管半导体发光二极管 LEDLEDLED（Light Emitting Diode）没有谐振腔，不构成激光振荡，无阈值；相当于自发辐射的放大，非相干光，宽光谱，但优于自然光；结构简单，正偏异质P-N结构成，寿命长，价格低；用于短距离，低速率光通信系统中！4141LEDLED的基本原理的基本原理LEDLED与普通二极管的差别与普通二极管的差别电子空穴复合过程中能量的释放

24、方式不同电子空穴复合过程中能量的释放方式不同LED：发光辐射复合普通二极管：放热非辐射复合4242SLED：Surface-Emitting LED，由双异质结构成发射面积限定在一个小区域内利用腐蚀的方法在衬底材料正对有源区的地方腐蚀出凹陷的区域面发光二极管输出的功率较大，注入100mA电流，输出光功率可达几个毫瓦面发光二极管（面发光二极管（SLEDSLED）4343面发光二极管（面发光二极管（SLEDSLED）缺点：光发散角大，水平和垂直发散角都可达到120，与光纤的耦合效率低提高光纤接收效率的方法：在凹陷的区域注入环氧树脂，并在光纤末端放置透镜或形成球透镜4444ELED的结构边发光二极管

25、（边发光二极管（ELEDELED）4545ELEDELED与光纤的耦合与光纤的耦合4646LEDLED的工作特性的工作特性 光谱特性4747 光电流（L-I）特性噪声特性 面发射LED：纯粹的自发辐射，无相干性，无方向性边发射LED：放大的自发辐射，具有部分相干性和方向性LEDLED的工作特性的工作特性强度调制(直接调制)LEDLED的工作特性的工作特性数字调制数字调制模拟调制模拟调制LDLD与与LEDLED特性的对比特性的对比光谱特光谱特性性出光出光功率功率光电流光电流特性特性响应速响应速度度相干相干性性可靠性可靠性价价格格适用场适用场合合LDLD光谱窄光谱窄，受色，受色散影响散影响小小较高

26、较高，在，在mWmW量量级级易受温易受温度影响度影响，动态，动态范围小范围小较快，较快，易于进易于进行高速行高速调制调制好好易损坏易损坏，使用，使用寿命短寿命短较较昂昂贵贵 适用于适用于长距离长距离、大容、大容量系统量系统LEDLED光谱很光谱很宽，可宽，可达达100nm100nm以上，以上，受色散受色散影响大影响大较低较低，在，在nWnW量量级级温度特温度特性好，性好，动态范动态范围大围大较慢，较慢，只适用只适用于调制于调制频率较频率较低的情低的情况况差差不易损不易损坏，可坏，可靠性高靠性高较较便便宜宜适用于适用于近距离近距离，中小，中小容量系容量系统统5050小结小结产生激光的三个基本条件

27、产生激光的三个基本条件 泵浦，增益介质，光学谐振腔泵浦，增益介质，光学谐振腔半导体激光器半导体激光器(LD(LD）工作原理工作原理正向偏置的正向偏置的P-NP-N结结+谐振腔谐振腔结构和类型结构和类型双异质结激光器，光场和载流子的限制作双异质结激光器，光场和载流子的限制作用提高用提高纵模的概念纵模的概念常用的单纵模激光器常用的单纵模激光器DFBDFB和和DBRDBR特性：光谱宽度窄，适合远距离高速率通信系统特性：光谱宽度窄，适合远距离高速率通信系统发光二极管发光二极管(LED)(LED)工作原理工作原理没有谐振腔！没有谐振腔！结构和类型结构和类型SLEDSLED，ELEDELED特性特性:光谱宽，适合低速率通信系统光谱宽，适合低速率通信系统