通信用光器件.pptx

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1、第3章通信用光器件3.1光源3.2光检测器3.3光无源器件返回主目录第3章通信用光器件3.1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管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)，有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。1半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是LightAmplificationbyStimu

2、latedEmissionofRadiation(受激辐射的光放大)的缩写。所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始。图3.1能级和电子跃迁(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射受激辐射和粒子数反转分布受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。

3、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，这种光称为非相干光。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PN结的能带和电子分布PN结的能带和电子分布(a)P-N结内载流子运动；(b)零偏压时P-N结的能带图；(c)正向偏压下P-N结能带图自发辐射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，见图(c)。在电子和空穴扩

4、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。激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图所示)，并被称为法布里-珀罗(FabryPerot,FP)谐振腔。(a)激光振荡；(b)光反馈半导体激光器基本结构半导体激光器的结构多种多样，基本结构是双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长

5、。结构中间有一层厚0.1~0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。DH激光器工作原理(a)短波长；(b)长波长(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布这样，注入到有源层的电

6、子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源层内形成粒子数反转分布，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。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有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，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1.发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)hf=Eg式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s为光速，h=6

7、.628×10-34J·S为普朗克常数，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。镓铝砷-镓砷(GaAlAsGaAs)材料适用于0.85μm波段，铟镓砷磷-铟磷(InGaAsPInP)材料适用于1.3~1.55μm波段。图3.7GaAlAsDH激光器的光谱特性(a)直流驱动;(b)300Mb/s数字调制2.激光束的空间分布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，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。GaAlAsDH条形激光器的近场图典型半

8、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.转换效率和输出光功率特性激光器的电/光转换效率用