半导体激光器基本结构课件

第3章通信用光器件第3章通信用光器件 小小小小 结结结结 光无源器件光无源器件光无源器件光无源器件 光检测器光检测器光检测器光检测器 光光光光 源源源源第3章通信用光器件 小 结 光无源器件 第3章通信用光器件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Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(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。3.1光光 源源3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构半导体激光器第3章通信用光器件1.受激辐射和粒子数反转分布受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是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E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图3.1)：(1)受激吸收。(2)自发辐射。(3)受激辐射。1.受激辐射和粒子数反转分布有源器件的物理基础是第3章通信用光器件产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布 式中，k=1.3811023 J/K，为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。这是因为电子总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N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。(3.2)产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中第3章通信用光器件如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子粒子(电子子)数反数反转分布。分布。例：以氢原子为例，它的第一激发态能量为E2=-3.40eV，基态能量为E1=-13.6eV，则 E2-E1=10.20eV 令g2=g1=1，在室温T=300K时(kT近似为0.026eV)，可以计算出如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质第3章通信用光器件2.PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。晶体的能级谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同分裂成若干组，每组中能级彼此靠近，组成有一定宽度的带，称为能带。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带价带（低能带），而价带上面临近的空带（自由电子占据的能带）称为导带导带（高能带）。二者之间的区域称为禁带禁带。2.PN结的能带和电子分布 半导体是由大量原子周期第3章通信用光器件3.激光振荡和光学谐振腔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，并被称为法布里-珀罗(F-P，Fabry Perot)谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。3.激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激第3章通信用光器件另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相等(满足振幅平衡条件)时，在谐振腔内就会建立稳定的激光振荡，其阈值条件阈值条件为 式中，th为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1、R21时，1，所以为提高量子效率，I层的宽度w要足够大。量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表第3章通信用光器件(2)响应时间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率fc(带宽B)表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f。当光电二极管具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(t/0)，由此得到脉冲响应时间=r=f=2.20(3.16)对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，截止频率fc定义为光生电流I()下降3 dB的频率。(2)响应时间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的第3章通信用光器件(3)噪声。噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它直接影响光接收机的灵敏度。光电二极管的噪声包括由信号电流和暗电流产生的散粒噪声(Shot Noise)和由负载电阻和后继放大器输入电阻产生的热噪声。噪声通常用均方噪声电流(在1 电阻负载上的噪声功率)来描述。均方散粒噪声电流i2sh=2e(Ip+Id)B(3.22)式中，e为电子电荷，B为光电二极管及后继放大器的等效噪声带宽，Ip和Id分别为信号电流和暗电流的强度。(3)噪声。噪声是反映光电二极管特性的一个重要参数，它第3章通信用光器件光电二极管输出电流I和反偏压U的关系示于图3.24。随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。APD就是根据这种特性设计的器件。根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图3.25。所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。3.2.3雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管输出电流I和反偏压U的关系示于图3.24。随着第3章通信用光器件1.倍增因子倍增因子由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大作用，并把倍增因子g定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。显然，APD的响应度比PIN增加了g倍。根据经验，并考虑到器件体电阻的影响，g可以表示为(3.25)1.倍增因子由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程第3章通信用光器件2.过剩噪声因子过剩噪声因子雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对噪声电流同样起放大作用，所以如果不考虑别的因素，APD的均方量子噪声电流为i2q=2eIpBg2(3.26a)这是对噪声电流直接放大产生的，并未引入新的噪声成分。事实上，雪崩效应产生的载流子也是随机的，所以引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子F。F(1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为i2q=2eIpBg2x(3.26b)2.过剩噪声因子雪崩倍增效应不仅对信号电流而且对第3章通信用光器件3.3光光 无无 源源 器器 件件3.3.1光纤连接器光纤连接器v光光纤纤连连接接器器（optical connector）：俗俗称称活活接接头头，ITU将将其其定定义义为为“用用以以稳稳定定地地但但并并不不是是永永久久地地连连接接两两根根或或多根多根光纤光纤的的无源组件无源组件”。v主主要要用用于于实实现现系系统统中中设设备备间间、设设备备与与仪仪表表间间、设设备备与与光光纤纤间间以以及及光光纤纤与与光光纤纤间间的的非非永永久久性性固固定定连连接接，是是光光纤纤通通信信系系统中不可缺少的无源器件。统中不可缺少的无源器件。3.3光 无 源 器 件3.3.1光纤连接器光纤连接第3章通信用光器件连接器有单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器，其特性主要取决于结构设计、加工精度和所用材料。单纤连接器结构有许多种类型，其中精密套管结构设计合理、效果良好，适宜大规模生产，因而得到很广泛的应用。图3.27示出精密套管结构的连接器简图，包括用于对中的套管、带有微孔的插针和端面的形状(图中画出平面的端面)。光纤固定在插针的微孔内，两支带光纤的插针用套管对中实现连接。要求光纤与微孔、插针与套管精密配合。对低插入损耗的连接器，要求两根光纤之间的横向偏移在1 m以内，轴线倾角小于0.5。连接器有单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器，其特性主要取第3章通信用光器件普通的FC型连接器，光纤端面为平面。对于高反射损耗的连接器，要求光纤端面为球面或斜面，实现物理接触(PC型)。套管和插针的材料一般可以用铜或不锈钢，但插针材料用ZrO2陶瓷最理想。ZrO2陶瓷机械性能好、耐磨，热膨胀系数和光纤相近，使连接器的寿命(插拔次数)和工作温度范围(插入损耗变化0.1 dB)大大改善。普通的FC型连接器，光纤端面为平面。对于高反射损耗的连接第3章通信用光器件3.3.2光耦合器光耦合器耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰。耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。3.3.2光耦合器耦合器的功能是把一个输入的光信号分第3章通信用光器件T形耦合器这种耦合器通常用作多端功率分配器。定向耦合器定向耦合器可用作分路器，不能用作合路器。波分复用器/解复用器 这是一种与波长有关的耦合器1.耦合器类型耦合器类型(也称合波器/分波器)T形耦合器这种耦合器通常用作多端功率分配器。定第3章通信用光器件3.主要特性主要特性耦合比CR是一个指定输出端的光功率Poc和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用%表示由此可定义功率分路损耗Ls为(3.30)(3.29)2.基本结构基本结构比较实用和有发展前途的有光纤型、微器件型和波导型。3.主要特性耦合比CR是一个指定输出端的光功率第3章通信用光器件附加损耗Le由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输入端的光功率总和Pit和全部输出端的光功率总和Pot的比值，用分贝表示如下：插入损耗Lt是一个指定输入端的光功率Pic和一个指定输出端的光功率Poc的比值，用分贝表示(3.31)(3.32)附加损耗Le由散射、吸收和器件缺陷产生的损耗，是全部输第3章通信用光器件方向性DIR(隔离度)是一个输入端的光功率Pic和由耦合器反射到其他端的光功率Pr的比值，用分贝表示一致性U 是不同输入端得到的耦合比的均匀性，或者不同输出端耦合比的等同性。(3.33)方向性DIR(隔离度)是一个输入端的光功率Pic和由耦第3章通信用光器件3.3.3光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器在许多实际光通信系统中通常也需要非互易器件。隔离器就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为1 dB，隔离度的典型值的大致范围为4050 dB。3.3.3光隔离器与光环行器在许多实际光通信系统中通第3章通信用光器件首先介绍一下光偏振(极化)的概念。单模光纤中传输的光的偏振态(SOP，State of Polarization)是在垂直于光传输方向的平面上电场矢量的方向。在任何时刻，电场矢量都可以分解为两个正交分量，这两个正交分量分别称为水平模和垂直模。隔离器工作原理：这里假设入射光只是垂直偏振光，第一个偏振器的透振方向也在垂直方向，因此输入光能够通过第一个偏振器。首先介绍一下光偏振(极化)的概念。单模光纤中传输的光的偏第3章通信用光器件紧接第一个偏振器的是法拉第旋转器，法拉第旋转器由旋光材料制成，能使光的偏振态旋转一定角度，例如45，并且其旋转方向与光传播方向无关。法拉第旋转器后面跟着的是第二个偏振器，这个偏振器的透振方向在45方向上，因此经过法拉第旋转器旋转45后的光能够顺利地通过第二个偏振器，也就是说光信号从左到右通过这些器件(即正方向传输)是没有损耗的(插入损耗除外)。另一方面，假定在右边存在某种反射(比如接头的反射)，反射光的偏振态也在45方向上，当反射光通过法拉第旋转器时再继续旋转45，此时就变成了水平偏振光。水平偏振光不能通过左面偏振器(第一个偏振器)，于是就达到隔离效果。紧接第一个偏振器的是法拉第旋转器，法拉第旋转器由旋光材料第3章通信用光器件然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并且随时间变化，因此必须要求隔离器的工作与入射光的偏振态无关，于是隔离器的结构就变复杂了。具有任意偏振态的入射光首先通过一个空间分离偏振器(SWP，Spatial Walk-off Polarizer)。这个SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量，让垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。两个分量都要通过法拉第旋转器，其偏振态都要旋转45。法拉第旋转器后面跟随的是一块半波片(plate或half-wave plate)。然而在实际应用中，入射光的偏振态(偏振方向)是任意的，并第3章通信用光器件这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转45。因而法拉第旋转器与半波片的组合可以使垂直偏振光变为水平偏振光，反之亦然。最后两个分量的光在输出端由另一个SWP合在一起输出，如图3.35(a)所示。另一方面，如果存在反射光在反方向上传输，半波片和法拉第旋转器的旋转方向正好相反，当两个分量的光通过这两个器件时，其旋转效果相互抵消，偏振态维持不变，在输入端不能被SWP再组合在一起，如图3.35(b)所示，于是就起到隔离作用。这个半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转4第3章通信用光器件3.3.4光调制器光调制器为提高光纤通信系统的质量，避免直接调制激光器时产生附加线性调频的问题，要采用外调制方式，把激光的产生和调制分开。所以在高速率系统、波分复用系统和相干光系统中都要用调制器。调制器可以用电光效应、磁光效应或声光效应来实现。最有用的调制器是利用具有强电光效应的铌酸锂(LiNbO3)晶体制成的。这种晶体的折射率n和外加电场E的关系为n=n0+E+E2 (3.34)3.3.4光调制器为提高光纤通信系统的质量，避免直接第3章通信用光器件式中，n0为E=0时晶体的折射率。和是张量，称为电光系数，其值和偏振面与晶体轴线的取向有关。根据不同取向，当=0时，n随E线性变化，称为线性电光效应或普克尔(Pockel)效应。当=0时，n随E2变化，称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。调制器是利用线性电光效应实现的，因为折射率n随外加电场E(电压U)而变化，改变了入射光的相位和输出光功率。图3.37是马赫-曾德尔(MZ)干涉型调制器的简图。在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压。设输入调制信号按余弦变化，则输出信号的光功率 式中，n0为E=0时晶体的折射率。和是张量，称为电光系数第3章通信用光器件式中，Us和Ub分别为信号电压和偏置电压，U为光功率变化半个周期(相位为0)所需的外加电压，并称为半波电压。由式(3.35)可以看到，当UsUb=0时，P=2为最大；当Us+Ub=U时，P=0。图3.38给出这种调制器的工作原理。用于幅度调制(AM)的MZ型调制器可以达到如下性能：外加电压11 V，带宽为3 GHz 时插入损耗约6 dB，消光比(最小输出和最大输出的比值)为0.006。(3.35)式中，Us和Ub分别为信号电压和偏置电压，U为光功率第3章通信用光器件3.3.5光开关光开关光开关的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件。光开关可分为两大类：一类是机械光开关，利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路转换；另一类是固体光开关，利用磁光效应、电光效应或声光效应实现光路转换。机械光开关的优点是插入损耗小，串扰小，适合各种光纤，技术成熟；缺点是开关速度慢。固体光开关正相反，优点是开关速度快；缺点是插入损耗大，串扰大，只适合单模光纤。两类光开关的一般性能如表3.8所示。3.3.5光开关光开关的功能是转换光路，实现光交换，