第三章光端机课件.ppt
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1、第第 3 章章 通信用光器通信用光器 3.1 光源光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性半导体光源一般性能和应用能和应用 3.2 光光检测器检测器 3.2.1 光电二极管光电二极管工作原理工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管光电二极管 3.2.3 雪崩雪崩光电二极管光电二极管(APD)3.2.4 光电二极管光电二极管一般性能和应用一般性能和应用 3.3 光无源光无源器件器件 3.3.1 连
2、接器连接器和和接头接头 3.3.2 光光耦合耦合器器 3.3.3 光隔离器光隔离器与与光环行器光环行器 3.3.4 光光调制调制器器 3.3.5 光光开关开关返回主目录返回主目录3.1 光源光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 一、半导体激光器的工作原理一、半导体激光器的工作原理 受激辐射和受激辐射和粒子粒子数反转分布数反转分布 PN结的能带结的能带和和电子分布电子分布 激光振荡和激光振荡和光学光学谐振腔谐振腔 二、半导体激光器二、半导体激光器基本基本结构结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 一、一、发射波长和光谱特性发射波长
3、和光谱特性 二、二、激光束的空间分布激光束的空间分布 三、三、转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 四、四、频率特性频率特性 五、五、温度特性温度特性 3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 一、一、工作原理工作原理 二、二、DFB激光器的优点激光器的优点 3.1.4 发光二极管发光二极管 一、一、工作原理工作原理 二、二、工作特性工作特性 3.1.5 半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用3.1 光源光源 光源光源是光发射机的关键器件,其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极半导体激光二极管或称激光器管或称激光器(LD)和发光二极管
4、或称发光管和发光二极管或称发光管(LED),有些场合也使用固体激光器固体激光器。本节首先介绍半导体激光器半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性,然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激分布反馈激光器光器(DFB-LD),最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管发光管(LED)。1.受激辐射受激辐射和粒子数反转分布和粒子数反转分布 有源器件有源器件的物理基础是的物理基础是光和物质相互作用的效应光和物质相互作用的效应。在物质的原子中,存在许多能级,最低能级在物质的原子中,存在许多能级,最低能级E1称为称为基基态态,能量比基态大的能级,能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4)称为称为激发态
5、激发态。电子在低能级电子在低能级E1的基态和高能级的基态和高能级E2的激发态之间的跃的激发态之间的跃迁有三种基本方式:迁有三种基本方式:(见见图图3.1)3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器半导体激光器是向半导体PN结注入电流,实现粒子数反粒子数反转分布转分布,产生受激辐射受激辐射,再利用谐振腔的正反馈正反馈,实现光放大光放大而产生激光振荡激光振荡的。hf12E2E1E2E1 (a)受激吸收;受激吸收;能级和电子跃迁能级和电子跃迁(b)自发辐射;自发辐射;hf12E2E1E2E1hf12E2E1E2E1(c)受激辐射受激辐射(1)受激吸收受激吸
6、收 在正常状态下,电子处于低能级在正常状态下,电子处于低能级E1,在入射光作用下,它会,在入射光作用下,它会吸收光子的能量跃迁到高能级吸收光子的能量跃迁到高能级E2上,这种跃迁称为上,这种跃迁称为受激吸收受激吸收。电。电子跃迁后,在低能级留下相同数目的空穴,见图子跃迁后,在低能级留下相同数目的空穴,见图3.1(a)。(2)自发辐射自发辐射 在高能级在高能级E2的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,也也会自动地跃迁到低能级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,这种跃迁称为辐射出去,这种跃迁称为自
7、发辐射自发辐射,见图,见图3.1(b)。(3)受激辐射受激辐射 在高能级在高能级E2的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到低能级的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到低能级E1上与空穴上与空穴复合,释放的能量产生光辐射,这种跃迁称为复合,释放的能量产生光辐射,这种跃迁称为受激辐受激辐射射,见图,见图3.1(c)。受激辐射受激辐射和和受激吸收受激吸收的区别与联系的区别与联系 受激辐射受激辐射是是受激吸收受激吸收的逆过程的逆过程。电子在。电子在E1和和E2两个能级之间两个能级之间跃迁,吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足跃迁,吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件波尔条件,即,即 E2-E1
8、=hf12 (3.1)式中,式中,h=6.62810-34Js,为,为普朗克常数普朗克常数,f12为吸收或辐射的光为吸收或辐射的光子频率。子频率。受激辐射受激辐射和和自发辐射自发辐射产生的光的特点很不相同。产生的光的特点很不相同。受激辐射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同,光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同,这种光称为这种光称为相干光相干光。自发辐射自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的,其光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的,其频率和方向分布在一定范围内,相位和偏振态是混乱的,这种光频率和方向分布在一定范围内,相位和偏振态是混乱的,这种光称为称为非相
9、干光非相干光。产生产生受激辐射受激辐射和产生和产生受激吸收受激吸收的物质是不同的。的物质是不同的。设在单位设在单位物质中,处于低能级物质中,处于低能级E1和处于高能级和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为的原子数分别为N1和和N2。当系统处于当系统处于热平衡状态热平衡状态时,存在下面的分布时,存在下面的分布 )exp(1212kTEENN(3.2)式中,式中,k=1.38110-23J/K,为波尔兹曼常数,为波尔兹曼常数,T为热力学温度。为热力学温度。由于由于(E2-E1)0,T0,所以在这种状态下,总是,所以在这种状态下,总是N1N2。这是这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。因为电子总
10、是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和和N2,且比例,且比例系数系数(吸收和辐射的概率吸收和辐射的概率)相等。相等。如果如果N1N2,即,即受激吸收大于受激辐射受激吸收大于受激辐射。当。当光通过这种光通过这种物质时,光强按指数衰减,物质时,光强按指数衰减,这种物质称为这种物质称为吸收物质吸收物质。如果如果N2N1,即,即受激辐射受激辐射大于大于受激吸收受激吸收,当光通过这种,当光通过这种物质时,会产生放大作用,这种物质称为物质时,会产生放大作用,这种物质称为激活物质激活物质。N2N1的分布,和正常状态的分布,和正常状态(N1N2)的分
11、布相反,所以称的分布相反,所以称为为粒子粒子(电子电子)数反转分布数反转分布。问题:问题:如何得到粒子数反转分布的状态呢如何得到粒子数反转分布的状态呢?这个问题将这个问题将在下面加以叙述。在下面加以叙述。图图 3.2 半导体的能带和电子分布半导体的能带和电子分布(a)本征半导体;本征半导体;(b)N型半导体;型半导体;(c)P型半导体型半导体 Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)2.PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在半导体中,由于邻近原子的作用,电子所处的能态扩展成在半导体中,由于邻近原子的作用,电子所处的能态扩展成能级连续分
12、布的能带。能量低的能带称为能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带价带,能量高的能带称,能量高的能带称为为导带导带,导带底的能量,导带底的能量Ec 和价带顶的能量和价带顶的能量Ev 之间的能量差之间的能量差Ec-Ev=Eg称为称为禁带宽度禁带宽度或或带隙带隙。电子不可能占据禁带。电子不可能占据禁带。图图3.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论,在热平衡状态下,能量为计理论,在热平衡状态下,能量为E的能级被电子占据的概率的能级被电子占据的概率为费米分布为费米分布 式中,式中,k为波兹曼常数,为波兹曼常数,T为热力学温度。为热力学温度。E
13、f 称为称为费米能费米能级级,用来描述半导体中各能级被电子占据的状,用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。态。在费米能级,被电子占据和空穴占据的概率相同。在费米能级,被电子占据和空穴占据的概率相同。)exp(11)(kTEEEpf(3.3)一般状态下,本征半导体的电子和空穴是成对出现的,一般状态下,本征半导体的电子和空穴是成对出现的,用用Ef 位于禁带中央来表示,见图位于禁带中央来表示,见图3.2(a)。在本征半导体中掺入施主杂质,称为在本征半导体中掺入施主杂质,称为N型半导体型半导体,见图,见图3.2(b)。在本征半导体中,掺入受主杂质,称为在本征半导体中,掺入受主杂质,称为P型半导体型半
14、导体,见,见图图3.2(c)。在在P型和型和N型半导体组成的型半导体组成的PN结界面上,由于存在多数结界面上,由于存在多数载流子载流子(电子或空穴电子或空穴)的梯度,因而产生扩散运动,形成的梯度,因而产生扩散运动,形成内部内部电场电场,见图见图3.3(a)。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动,直到内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动,直到P区和区和N区的区的Ef 相同,两种运动处于平衡状态为止,结果能带发生相同,两种运动处于平衡状态为止,结果能带发生倾斜,见图倾斜,见图3.3(b)。P区区PN结空结空间电间电荷区荷区N 区区内部电场内部电场 扩散扩散 漂移漂移 P-N结内载流子运动;结内载流
15、子运动;图图 3.3PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布势垒势垒能量能量EpcP区区EncEfEpvN 区区Env零偏压时零偏压时P-N结的能带倾斜图;结的能带倾斜图;hfh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子,电子,空穴空穴内部电场内部电场外加电场外加电场正向偏压下正向偏压下P-N结能带图结能带图 增益区的产生:增益区的产生:在在PN结上施加正向电压,产生与内部电场相反方向的外结上施加正向电压,产生与内部电场相反方向的外加电场,加电场,结果能带倾斜减小,扩散增强。结果能带倾斜减小,扩散增强。电子运动方向与电场电子运动方向与电场方向相反,便使方向相反,便使N区的电子向区的电子向P区
16、运动,区运动,P区的空穴向区的空穴向N区运动,区运动,最后在最后在PN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。增益区的导带主要是电子,价带主要是空穴,结果获得增益区的导带主要是电子,价带主要是空穴,结果获得粒粒子数反转分布子数反转分布,见图,见图3.3(c)。在电子和空穴扩散过程中,导带的电子可以跃迁到价带和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,产生空穴复合,产生自发辐射光自发辐射光。3.激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔激光振荡的产生:激光振荡的产生:粒子数反转分布粒子数反转分布(必要条件(必要条件)+激活物质置于光激活物质置于光学谐振腔中,学谐振腔中,对光
17、的频率和方向进行选择对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。连续的光放大和激光振荡输出。基本的基本的光学谐振腔光学谐振腔由两个反射率分别为由两个反射率分别为R1和和R2的平行反射的平行反射镜构成镜构成(如图如图3.4所示所示),并被称为法布里,并被称为法布里-珀罗珀罗(FabryPerot,FP)谐振腔。谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布,可以用它产由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布,可以用它产生的生的自发辐射光自发辐射光作为入射光。作为入射光。图图 3.4 激光器的构成和工作原理激光器的构成和工作原理 (a)激光振荡;激光振荡;(b)光反馈光反馈 2n反射镜
18、光的振幅反射镜L(a)初始位置光光强输出OXL(b)式中,式中,th 为阈值增益系数,为阈值增益系数,为谐振腔内激活物质的损耗为谐振腔内激活物质的损耗系数,系数,L为谐振腔的长度,为谐振腔的长度,R1,R21为两个反射镜的反射率为两个反射镜的反射率 激光振荡的相位条件为激光振荡的相位条件为 式中,式中,为激光波长,为激光波长,n为激活物质的折射率,为激活物质的折射率,q=1,2,3 称称为纵模模数。为纵模模数。在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 th=+211ln21RRL(3.4)L=q qnLn22或(3.5)4.半导体激光器基本结构半
19、导体激光器基本结构 半导体激光器的结构多种多样,基本结构是图半导体激光器的结构多种多样,基本结构是图3.5示出的双示出的双异质结异质结(DH)平面条形结构。平面条形结构。这这种结构由种结构由三层三层不同类型半导体材料构成,不同材料发射不同类型半导体材料构成,不同材料发射不同的光波长。不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。结构图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间中间有一层厚有一层厚0.10.3 m的窄带隙的窄带隙P型半导体,称为型半导体,称为有源层有源层;两侧两侧分别为宽带隙的分别为宽带隙的P型型和和N型半导体,称为型半导体,称为限制层限制层。三层半导体置于。三层半导体置于基片基片(衬底衬底
20、)上,前上,前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗珀罗(FP)谐振腔。谐振腔。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 PGa1xAlxA sPGaA sNGa1yAlyA s复合空穴异质势垒E能量(a)(b)(c)n折射率 5%(d)P光电子 DH激光器工作原理激光器工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽,施加由于限制层的带隙比有源层宽,施加正向偏压正向偏压后,后,P层的层的空穴和空穴和N层的层的电子电子注入注入有源层有源层。P层带隙宽,导带的能态比有源层高,对注入层带隙宽,导带的能态比有源层高,对
21、注入电子电子形成了形成了势垒,注入到有源层的电子不可能扩散到势垒,注入到有源层的电子不可能扩散到P层。层。同理,同理,注入到有源层的注入到有源层的空穴空穴也不可能扩散到也不可能扩散到N层。层。这样,注入到有源层的电子和空穴被限制在厚这样,注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源层内形成的有源层内形成粒子数反转分布粒子数反转分布,这时只要很小的外加电流,这时只要很小的外加电流,就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面,有源层的折射率比限制层高,产生的激光被限另一方面,有源层的折射率比限制层高,产生的激光被限制在制在有源区有源区内,因而电
22、内,因而电/光转换效率很高,输出激光的光转换效率很高,输出激光的阈值电流阈值电流很低,很小的散热体就可以在室温连续工作。很低,很小的散热体就可以在室温连续工作。3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 1.发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的半导体激光器的发射波长发射波长等于等于禁带宽度禁带宽度Eg(eV)/h,由式,由式(3.1)得到得到 h f=EgggEEhc24.1(3.6)不同半导体有不同的不同半导体有不同的禁带宽度禁带宽度Eg,因而有不同的,因而有不同的发射波长发射波长。镓铝砷镓铝砷-镓砷镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于材料适用于0.85 m
23、波段波段 铟镓砷磷铟镓砷磷-铟磷铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于材料适用于1.31.55 m波段波段式中,式中,f=c/,f(Hz)和和(m)分别为发射光的频率和波长,分别为发射光的频率和波长,c=3108 m/s为光速,为光速,h=6.62810-34JS为普朗克常数,为普朗克常数,1eV=1.610-19 J,代入上式得到,代入上式得到 图图3.7是是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。激光器的光谱特性。在直流驱动下,在直流驱动下,发射光波长发射光波长只有符合激光振荡的只有符合激光振荡的相位条件相位条件式式(3.5)的波长存在。的波长存在。这些波长取决于这些波长取决于激光器纵向长度
24、激光器纵向长度L,并称,并称为激光器的为激光器的纵模纵模。驱动电流变大,纵模模数变小驱动电流变大,纵模模数变小,谱线宽度变窄。,谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对这种变化是由于谐振腔对光波频率光波频率和和方向方向的选择,使的选择,使边模边模消失消失、主模增益主模增益增加而产生的。增加而产生的。当驱动电流足够大时,当驱动电流足够大时,多纵模多纵模变为变为单纵模单纵模,这种激光器称,这种激光器称为为静态单纵模激光器静态单纵模激光器。图图3.7(b)是是300 Mb/s数字调制的光谱特性。由图可见,数字调制的光谱特性。由图可见,随随着调制电流增大,纵模模数增多,谱线宽度变宽。着调制电流增大,纵模模
25、数增多,谱线宽度变宽。图图 3.7 GaAlAs-DH激光器的光谱特性激光器的光谱特性 (a)直流驱动直流驱动;(b)300 Mb/s数字调制数字调制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)图图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图。
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