电子工业出版社：《光纤通信》课程教学资源（PPT课件讲稿）第3章 光源和光发射机

電子工業出版礻 第3章光源和光发射机 口激光二极管 口发光二极管 口光发射机 口外调制器

第3章 光源和光发射机 激光二极管 发光二极管 光发射机 外调制器

回電子工業出版社 光源可实现从电信号到光信号的转换,是光发射机以及光纤通信系统的核心器件, 它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。本章主要对半导体发光二 极管(LED)和半导体激光二极管(LD)这两种光源的工作原理、应用以及相关的调 制、驱动和光发射机进行介绍,并给出了它们的技术指标 采用直接调制有两个缺点:带宽受LD振荡频率限制、啁啾现象。要用外调制 解决这些问题。 知识要点 器件结构 LD、LED发光机理 LD、LED特性 光源与光纤的耦合 电信号对光信号的调制 发射机结构、参数 外调制器工作原理

光源可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件， 它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。本章主要对半导体发光二 极管(LED)和半导体激光二极管(LD)这两种光源的工作原理、应用以及相关的调 制、驱动和光发射机进行介绍，并给出了它们的技术指标。 采用直接调制有两个缺点：带宽受LD振荡频率限制、啁啾现象。要用外调制 解决这些问题。 知识要点： 器件结构 LD、LED发光机理 LD、LED特性 光源与光纤的耦合 电信号对光信号的调制 发射机结构、参数 外调制器工作原理

電子工業出版礻 3.1激光二极管 Publishing House of Electronics Inoustry 3.1.1工作原理 1.发光机理 制作LD的材料是半导体晶体。晶体中,原子核外的电子运动轨道因相邻原子的 共有化运动要发生不同程度的重叠,在如图3.1.1所示,电子已经不属于某个原 子所有,它可以更大范围内甚至在整个晶体中运动,也就是说,原来的能级已经 转变成能带。对应于最外层能级所组成的能带称为导带,次外层的能带称为价带, 它们之间的间隔内没有电子存在,这个区间称为禁带 共有化态一能带 原子轨道 图31.1晶体中的能级 合>p

3.1 激光二极管 3.1.1工作原理 1. 发光机理 制作LD的材料是半导体晶体。晶体中，原子核外的电子运动轨道因相邻原子的 共有化运动要发生不同程度的重叠，在如图3.1.1所示，电子已经不属于某个原 子所有，它可以更大范围内甚至在整个晶体中运动，也就是说，原来的能级已经 转变成能带。对应于最外层能级所组成的能带称为导带，次外层的能带称为价带， 它们之间的间隔内没有电子存在，这个区间称为禁带。 图3.1.1 晶体中的能级 原子轨道 导带 禁带 价带 原子能级 共有化态－能带

我们在第1章已经说明了LD是基于受激发射的原理工作的,实际重激光A社 器所发射出的光波长不是单一值。造成这种现象的原因有两个:一是半导体导带 和价带都是由许多能级组成的,它们所具备的能量有微小差别;二是半导体的能 带结构受掺杂和晶体缺陷影响较大,使得禁带宽度有微小的变化,所以用 (1.12b)式计算出的波长是有一定的范围的量 在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守恒。禁带形状是与动量有关的, 依照禁带的形状,可将半导体分成直接带隙和间接带隙两种,如图3.1.2所示 直接带隙材料中,导带最小能级和价带最大能级有相同的动量,电子是垂直跃迁 的,发光效率高,见图(a);间接带隙材料中,要完成电子的跃迁,必须有其 它粒子的参与以保持动量守恒,在图(b)中,说明了能量为Ep、动量为kp粒子 的参与过程。只有直接带隙半导体材料才能制作发光器件,这类材料有GaAs、 AlGaAs、InP和 In gaAsP等。 a)直接 (b)间接 (a)直接带隙kp电子跃迁导带禁带价带动量(b)间接带隙Ep 图312直接带隙和间接带隙 合>p

我们在第1章已经说明了LD是基于受激发射的原理工作的，实际上，半导体激光 器所发射出的光波长不是单一值。造成这种现象的原因有两个：一是半导体导带 和价带都是由许多能级组成的，它们所具备的能量有微小差别；二是半导体的能 带结构受掺杂和晶体缺陷影响较大，使得禁带宽度有微小的变化，所以用 （1.1.2b）式计算出的波长是有一定的范围的量。 在光的受激发射过程中必须保持能量和动量的守恒。禁带形状是与动量有关的， 依照禁带的形状，可将半导体分成直接带隙和间接带隙两种，如图3.1.2所示。 直接带隙材料中，导带最小能级和价带最大能级有相同的动量，电子是垂直跃迁 的，发光效率高，见图（a）；间接带隙材料中，要完成电子的跃迁，必须有其 它粒子的参与以保持动量守恒，在图（b）中，说明了能量为Ep、动量为kp粒子 的参与过程。只有直接带隙半导体材料才能制作发光器件，这类材料有GaAs、 AlGaAs、InP和InGaAsP等。 （a） 直接带隙kp电子跃迁导带禁带价带动量（b） 间接带隙Ep 图3.1.2 直接带隙和间接带隙 • 电 子 跃 迁 • 导 带 • 禁 带 • 价 带 • 动 量 • （a ） 直接 带隙 • k p • 电 子 跃 迁 • 导 带 • 禁 带 • 价 带 • 动 量 • （b） 间接 带隙 • E p

電子工掌 出版社 不同的半导体材料有着不同的禁带宽度,发射光的波长不同表3+为常 用半导体材料的禁带宽度(带隙)及发光波长。 材料名称 分干忒 发光被长范A(m)带欧能量F( 萨化铟 h 092 1.35 婶化铟 nAs 3.6 0.34 萨化家 0.5 婶化 GaAs 0.87 1424 伸化侣 AlAs 0.59 2.09 萨化铟塚 Gainp 0.64-068 182-194 婶化综侣 AlGaAs 0.8-09 141.5 婶化像售 inGaAs 1.0-1.3 095-1.24 砷化铟镓 ingAasp 0.9.1.7 0.731.35 合>p

不同的半导体材料有着不同的禁带宽度，发射光的波长不同。表3.1为常 用半导体材料的禁带宽度（带隙）及发光波长

激光一极管通常是一个多层条形的结构,见图313。其中,有淚、辆层样坯枯 端镜面构成了其结构的基本部分 图3.1.3激光二极管结构 (1)有源层和限制层 在图3.1.3中,有源层的材料是P型砷化镓GaAs材料,限制层分别是P型和N型砷 化镓铝 AlGaAs材料,在它们的界面上分别形成两个PN结,我们把这类由异种半 导体相接的结构称为双异质结,图3.14(a)画出了双异质结的结构示意图,图 (b)是它的能带。 aAs) 图314双异质结的结构 合>p

2. LD结构 激光二极管通常是一个多层条形的结构，见图3.1.3。其中，有源层、限制层和 端镜面构成了其结构的基本部分。 图3.1.3 激光二极管结构 （1）有源层和限制层 在图3.1.3中，有源层的材料是P型砷化镓GaAs材料，限制层分别是P型和N型砷 化镓铝AlGaAs材料，在它们的界面上分别形成两个PN结，我们把这类由异种半 导体相接的结构称为双异质结，图3.1.4（a）画出了双异质结的结构示意图，图 （b）是它的能带。 图3.1.4 双异质结的结构 • 电 极 • 出 光 面 • N - G a A s • 前 端 镜 面 • 电 极 • N￾Al G a A s • G a A s • P￾Al G a A s • N - G a A s • ( a ) • 能 • 量 • 电 子 • 空 穴 • E g p • P- (AlG aAs) • N- (AlG aAs) • P - ( G a A s) • ( b ) • ( c ) • ( d ) • 折 • 射 • 率 • 光 场 分 布 • E g n • E g

電子工業出版社 Publishing House of Electronics Inoustry 当PN结上加正向电压时,电子就会从N型限制层注入到有源层,同样,空穴会从 P型限制层注入到有源层,电子和空穴在此区复合。当外加电压增加到有源层的 禁带宽度乓g时,激光器就开始振荡,发岀激光。因为限制层的禁带宽度Egη、 Egp比有源层的氏g要宽,其导带所处的能量要比有源层的导带高,所以就形成了 异质势垒,使注入到有源层的电子、空穴不会跑掉,而被封闭在有源区内,实现 了载流子的封闭作用。只要外加很小的电流,注入电子和空穴的浓度就增大,从 而提高了增益。另一方面,由于限制层的折射率比有源层低,见图(c),所以 形成了一个光波导折射率分布,在有源层内电子和空穴复合而辐射的激光,被封 闭在有源层内,见图(d)。 (2)端镜面 激光器两端是端镜面,两者是平行的,同时又是非常平坦光亮的,它可以使有源 层产生的光部分逸出,因此端镜面和有源层构成了光的容器。另外,有源层里产 生的光不断从两端反射,形成光的振荡。随着电流不断注入,光逐渐被放大并趋 于稳定的输出状态。。综上所述不难理解,有源层实质上是一个矩形有源光波导, 它与端镜面共冋构成了具有频率选择的光波振荡器、放大器和光的储存器。 合>p

当PN结上加正向电压时，电子就会从N型限制层注入到有源层，同样，空穴会从 P型限制层注入到有源层，电子和空穴在此区复合。当外加电压增加到有源层的 禁带宽度Eg时，激光器就开始振荡，发出激光。因为限制层的禁带宽度Egn、 Egp比有源层的Eg要宽，其导带所处的能量要比有源层的导带高，所以就形成了 异质势垒，使注入到有源层的电子、空穴不会跑掉，而被封闭在有源区内，实现 了载流子的封闭作用。只要外加很小的电流，注入电子和空穴的浓度就增大，从 而提高了增益。另一方面，由于限制层的折射率比有源层低，见图（c），所以 形成了一个光波导折射率分布，在有源层内电子和空穴复合而辐射的激光，被封 闭在有源层内，见图（d）。 （2）端镜面 激光器两端是端镜面，两者是平行的，同时又是非常平坦光亮的，它可以使有源 层产生的光部分逸出，因此端镜面和有源层构成了光的容器。另外，有源层里产 生的光不断从两端反射，形成光的振荡。随着电流不断注入，光逐渐被放大并趋 于稳定的输出状态。。综上所述不难理解，有源层实质上是一个矩形有源光波导， 它与端镜面共同构成了具有频率选择的光波振荡器、放大器和光的储存器

電子工業出版社 3.LD阈值条件 Publishing House of Electronics Inoustry 粒子数反转、光学谐振腔是激光器获得激光的条件,除此之外,产生激光还必须 满足阈值条件 在激光器工作过程中,光在谐振腔内传播,除了增益介质的光放大作用外,还存 在工 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 损耗情况,只有光波在谐振腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减, 激光器才能建立起稳定的激光输出。 设增益介质的增益和损耗分别为G和α,谐振腔内光功率随距离z的变化可表示为 P(=)=P(O)exp(G-a)z] (3.1.1) 式中,P(0)为z=0处的光功率。光束在腔内一个来回时,两次通过增益介质,这 时的光增益为 P(2L) (3.12) 式中,L为腔长。设两个镜面的反射系数为和r2,建立光振荡的条件为 2P(2D)≥P(O) (3.13) 将(3.12)式代入(3.13)式,可得 也即 r;eyp[2(G-a)小] (3.1.4) 这就是产生激光的阈值条件。式中第一项是增益介质的损耗,第二项表示通过反 射镜的损耗。在半导体激光器中,只有当注入电流满足阈值条件时,才迅速出现 激光输出。 合>p

3. LD阈值条件 粒子数反转、光学谐振腔是激光器获得激光的条件，除此之外，产生激光还必须 满足阈值条件。 在激光器工作过程中，光在谐振腔内传播，除了增益介质的光放大作用外，还存 在工 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 损耗情况，只有光波在谐振腔内往复一次的放大增益大于各种损耗引起的衰减， 激光器才能建立起稳定的激光输出。 设增益介质的增益和损耗分别为G和α，谐振腔内光功率随距离z的变化可表示为 （3.1.1） 式中，P(0)为z＝0处的光功率。光束在腔内一个来回时，两次通过增益介质，这 时的光增益为 （3.1.2） 式中，L为腔长。设两个镜面的反射系数为rl和r2，建立光振荡的条件为 （3.1.3） 将（3.1.2）式代入（3.1.3）式，可得 也即 （3.1.4） 这就是产生激光的阈值条件。式中第一项是增益介质的损耗，第二项表示通过反 射镜的损耗。在半导体激光器中，只有当注入电流满足阈值条件时，才迅速出现 激光输出。 P(z) = P(0)exp(G −)z  G L P P L exp 2( ) (0) (2 ) = − (2 ) (0) r1 r2P L  P r1 r2 exp2(G −)L1

電子工業出版礻 光与半导体物质的相互作用可用速率方程来描述,速率方程反映了有源层内光子 与电子的相互作用。速率方程为 (3.1.5 dt (3.1.6) 式中,S和n分别为光子数目和电子数目,D是描述光吸收与辐射相互作用强度的 系数,是自发辐射成为激光模式的载流子速率,是光子寿命,d是限制层厚度,J 是注入电流密度,q是电子电荷。 (315)式的物理意义是在单位时间内,总光子数目取决于受激辐射产生光子 数目、自发辐射产生光子数目、激光腔损耗造成的的光子损失数目;(3.1.6) 式的物理意义是在单位时间内,总电子数目取决于注入载流子数目、自发复合导 致导带的电子损失数目、受激辐射导致导带的电子损失数目。 阈值条件也可以这样考虑:在(3.1.5)式中忽略,光子从产生到稳定的过程中, 当s值较小时,应有,这样,由(3.1.5)式得。这表明要使s值增加,年η值要大 于阈值。可由阈值电流密度来表示,实际上是光子数目时,保持粒子数反转所需 的电流密度。由(3.1.6)式,可得 (3.1.7) 合>p

光与半导体物质的相互作用可用速率方程来描述，速率方程反映了有源层内光子 与电子的相互作用。速率方程为 （3.1.5） （3.1.6） 式中，s和n分别为光子数目和电子数目，D是描述光吸收与辐射相互作用强度的 系数，是自发辐射成为激光模式的载流子速率，是光子寿命，d是限制层厚度，J 是注入电流密度，q是电子电荷。 （3.1.5）式的物理意义是在单位时间内，总光子数目取决于受激辐射产生光子 数目、自发辐射产生光子数目、激光腔损耗造成的的光子损失数目；（3.1.6） 式的物理意义是在单位时间内，总电子数目取决于注入载流子数目、自发复合导 致导带的电子损失数目、受激辐射导致导带的电子损失数目。 阈值条件也可以这样考虑：在（3.1.5）式中忽略，光子从产生到稳定的过程中， 当s值较小时，应有，这样，由（3.1.5）式得。这表明要使s值增加，年n值要大 于阈值。可由阈值电流密度来表示，实际上是光子数目时，保持粒子数反转所需 的电流密度。由（3.1.6）式，可得 （3.1.7） ph sp s Dns R dt ds  = + − Dns n qd J dt dn sp = − −  qd n Jth sp th = 

電子工業出版衤 激光器达到稳定状态后,导带中的电子数目始终为阈值。当输入电流增加时,值 增加,从而导致受激跃迁的电子数增加,受激跃迁到导带而辐射的光子数就越多, 也就是说,输入电流越大,输出光功率越高。 稳定状态下,粒子数不再变化,,,将(3.1.7)式代入(3.1.6)式,可得 (3.1.8) 该式表明,辐射的光子数目与实际电流密度与阈值电流密度之差成正比。 4.LD模式 介绍一下激光器纵横的概念。由上面分析知,;在两平面反射镜之间形成了一稳 定的振荡,振荡频率可由谐振条件或称驻波条件得到。 在谐振腔中,光波是在两平面反射镜之间往复传输的,只有平面镜间距离是半波 长的整数倍时,光波才能得到彼此加强,即 L=m (3.1.9) 式中,入为光波的波长,n为增益质的折射率,m=1,2,…。利用,可将上式 重写成 2nL (3.1.10) 式中,f为光波的频率,c为光速。显然,激光器中振荡的光频率只能取某些分立 值,m的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态,一种分 布就是一个激光器的纵模。腔内的纵模很多,例如,某半导体激光器腔长L=300 μm,n=35,A=131um,则由(31。9)式可求出m=1603。只有那些有增益且增 益大于损耗的模式才能在激光的输出光谱中存在。若只剩下一个模称为单纵模激 光器,否则称为多纵模激光器。相邻两纵模之间的频率之差 (3.1.11)

激光器达到稳定状态后，导带中的电子数目始终为阈值。当输入电流增加时，值 增加，从而导致受激跃迁的电子数增加，受激跃迁到导带而辐射的光子数就越多， 也就是说，输入电流越大，输出光功率越高。 稳定状态下，粒子数不再变化，，，将（3.1.7）式代入（3.1.6）式，可得 （3.1.8） 该式表明，辐射的光子数目与实际电流密度与阈值电流密度之差成正比。 4. LD模式 介绍一下激光器纵横的概念。由上面分析知，；在两平面反射镜之间形成了一稳 定的振荡，振荡频率可由谐振条件或称驻波条件得到。 在谐振腔中，光波是在两平面反射镜之间往复传输的，只有平面镜间距离是半波 长的整数倍时，光波才能得到彼此加强，即 (3.1.9) 式中，λ为光波的波长，n为增益介质的折射率，m=1，2，…。利用，可将上式 重写成 （3.1.10） 式中，f为光波的频率，c为光速。显然，激光器中振荡的光频率只能取某些分立 值，m的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁场分布状态，一种分 布就是一个激光器的纵模。腔内的纵模很多，例如，某半导体激光器腔长L=300 μm，n=3.5，λ=1.31 u m，则由(3.1.9)式可求出m=1603。只有那些有增益且增 益大于损耗的模式才能在激光的输出光谱中存在。若只剩下一个模称为单纵模激 光器，否则称为多纵模激光器。相邻两纵模之间的频率之差 (3.1.11) ( ) th ph J J qd s = −  n L m 2  = nL c f m 2 = nL c f 2  =