通信用光器件第四章-光源-课件

通信用光器件第四章 光源通信用光器件 通通信信用用光光器器件件可可以以分分为为有有源源器器件件和和无无源源器器件件两两种类型。种类型。光光纤纤通通信信中中，需需要要有有光光源源发发光光，将将电电信信号号转转变变为为光光信信号号，还还要要有有光光接接收收器器件件，将将光光信信号号转转化化为为电电信信号号。这这种种发发光光器器件件和和光光接接收收器器件件统统称称为为光光电器件，或有源器件。电器件，或有源器件。对光信号进行处理的器件称为无源器件。对光信号进行处理的器件称为无源器件。通信用光器件 有有源源器器件件包包括括光光源源、光光检检测测器器和和光光放放大大器。器。光光无无源源器器件件主主要要有有连连接接器器、耦耦合合器器、波波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。分复用器、调制器、光开关和隔离器等。光源光源 光纤通信的光纤通信的“心脏心脏”第四章第四章 光源光源4.1 光源的物理基础光源的物理基础4.2 光通信光源基本要求光通信光源基本要求4.3 半导体光源的工作原理半导体光源的工作原理4.4 光源的工作特性光源的工作特性4.1 光源的物理基础4.1.1 孤立原子的能级和半导体的能带原子核电子高能级低能级1.孤立原子的能级孤立原子的能级 原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。E2.2.半导体的能带半导体的能带 在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。较低的能级构成价带，较高的能级构成导带。图图4.2 半导体的能带结构半导体的能带结构在图4.2中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。4.1.2 光与物质的相互作用1.自发辐射自发辐射 处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为：h f12=E2-E1式 中：h为 普 朗 克 常 数，其 值 为6.62610-34Js；f12为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。(a)自发辐射hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1(b)受激辐射2.受激辐射受激辐射 在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子。由于需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。hf12初态初态初态初态E2E1终态终态终态终态E2E1 (c)受激吸收3.受激吸收受激吸收 在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光相干光。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非相干光。物体成为发光体需要光辐射 光吸收4.1.3 粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态1.粒子数正常分布状态粒子数正常分布状态 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的电子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布式中，k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)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。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(电子)数反转分布。2.粒子数反转分布状态粒子数反转分布状态 为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。本征半导体 N型半导体 P型半导体 图4.4 半导体的能带和电子分布 4.1.4 PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 图4.4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E的能级被电子占据的概率为费米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费费米米能能级级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。一般状态下，本本征征半半导导体体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图4.4(a)。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型型半半导导体体，见图4.4(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型型半半导导体体，见图4.4(c)。硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料本征半导体材料 Si电子和空穴是成对出现的受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。导带 EC价带 EV电子跃迁带隙 Eg=1.1 eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图本征半导体的能带图电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁Ef电子或空隙的浓度为:其中 为材料的特征常数T为绝对温度kB 为玻耳兹曼常数,h为普朗克常数me 电子的有效质量mh 空穴的有效质量Eg 带隙能量本征载流子浓度例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m=9.1110-31 kg，me=0.068m=6.1910-32 kg mh=0.56m=5.110-31 kg Eg=1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.621012 m-3非本征半导体材料：非本征半导体材料：n型型第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子受到的束缚很弱，只要很少的能量DED(0.040.05eV)就能让它挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。As除了用4个价电子和周围的Si建立共价键之外，还剩余一个电子As+导带 EC价带 EV施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主能级 施主杂质电离使导带 电子浓度增加 N型材料，施主能级型材料，施主能级第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。Ef非本征半导体材料：非本征半导体材料：p型型由于B只有3个价电子，因此B和周围4个Si的共价键还少1个电子B容易抢夺周围Si原子的电子成为负离子并产生多余空穴B第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)掺入Si晶体后，产生多余的空穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA 漂移h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场(c)正向偏压下P-N结能带图 在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。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增益益区区。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粒子数反转分布，见图4.5(c)。外加电场 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光总结固体材料中，核外电子相互影响，能级分裂为能带半导体是禁带宽度较小的非导体，导电载流子为导带电子和价带空穴能带中的载流子按照费米统计分布，能级越低被电子占据的几率越大费米能级是电子在能级中分布情况的参量当PN结两端加上正向偏置电压时，产生与内部电场相反方向的外加电场，耗尽区变窄，势垒降低。获得粒子数反转分布。少数载流子与多数载流子复合，产生光辐射。4.2 光通信光源基本要求4.2.1 材料的发光波长 不同材料有不同的能级差和发光波长。不同波长光通信系统应选用不同材料光源。半导体发光二极管(Light-emitting Diode，LED)基本 应 用 GaAlAs（三 元 合 金，砷 化 镓 掺 铝）和InGaAsP（四元合金，磷化铟掺砷化镓）材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85m、1.31m及1.55m。4.2.2 光通信光源基本要求（1）合适的发光波长1.55 m；（2）足够的输出功率大于1mW；（3）可靠性高，寿命长平均寿命106小时；（4）输出功率高大于10；（5）光谱宽度窄；（6）聚光性好；（7）调制性好；（8）价格低廉。4.2.3 产生激光的条件（1）受激发射；（2）工作物质具有亚稳态能级；（3）形成粒子数反转。4.2.4 激光的特点（1）单色性好；（2）相干性高；（3）方向性强。4.3 半导体光源的工作原理4.3.1 发光二极管的工作原理1.发光二极管发光二极管(LED)的类型结构的类型结构 LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。双异质结LED(DH-LED)同质PN结的问题1.由电子空穴扩散产生的结区太厚，很难把载流子约束在相对 小的区域，从而结区无法形成较高的载流子密度2.无法对产生的光进行约束110 mpn 两边采用相同的半导体材料的PN结称为同质PN结。同质PN结两边具有相同的带隙结构和相同的光学性能。PN结区完全由载流子的扩散形成。双异质结构双异质结构折射率电子能量有源区注入电子电子势垒电子-空穴复合注入空穴空穴势垒波导区异质结：为提高辐射功率，需要对载流子和辐射光产生有效约束1.不连续的带隙结构2.折射率不连续分布+典型的典型的GaAlAs双异质结双异质结LED剖面图剖面图2.发光二极管的工作原理发光二极管的工作原理 LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴)和Np结之间的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。按照器件输出光的方式，可以将LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED，其结构示意图如图4.6所示。图4.6 常用的两类发光二极管（LED）圆形腐蚀孔焊接材料金属电极双异质结层限制层热层金属电极有源区圆形金属接触面衬底绝缘层绝缘层光纤面发光二极管优点：LED到光纤的耦合效率高导光层衬底金属电极热沉金属电极绝缘层双异质结层非相干输出光束条形接触面 5070 m有源区100150 m12030边发光二极管优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低 单质半导体材料都不是直接带隙材料，因此不适合做光源；很多化合物，尤其是III-V族化合物是直接带隙的，比如由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物。不同材料有不同的能级差和发光波长。不同波长光通信系统应选用不同材料光源。LED基本材料：Ga1-xAlxAs(砷化镓掺铝)800850 nm短波长光源In1-xGaxAsyP1-y(磷化铟掺砷化镓)10001700 nm长波长光源x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长LED光源的材料和工作波长合金比率与发光波长的关系合金比率与发光波长的关系面发光LED边发光LED相对输出功率LED的输出光谱特点：自发辐射光、谱线较宽温度升高或驱动电流增大导致峰值波长红移且谱线变宽长波长光源谱宽比短光源宽1310 nm短波长GaAlAs/GaAs LED谱线宽度为3050 nm长波长InGaAsP/InP LED谱线宽度为60120 nm原理：外加电场实现粒子数反转，大量的电子-空穴对的自发复合导致发光为什么要使用LED：1.驱动电路简单2.不需要温控电路3.成本低、产量高优点：输出光功率线性范围宽(P-I特性)性能稳定寿命长制造工艺简单、价格低廉缺点：输出光功率较小:几个毫瓦谱线宽度较宽:几十个纳米到上百纳米调制频率较低这种器件在小容量、短距离系统中发挥了重要作用关于LED的小结4.2.2 激光二极管的工作原理 在结构上，半导体激光二极管(Laser Diode，LD)与其他类型的激光器是相同的，都主要由三部分构成：激励源、工作物质及谐振腔。1.1.激光二极管的工作原理激光二极管的工作原理(1)LD的能带结构的能带结构 LD与LED结构类似，也是由P层、N层和形成双异质结构的有源层构成，不同的是它在有源层结构中，还有使光发生振荡的谐振腔。而LED没有谐振腔。图4.7 光学谐振腔的结构光学谐振腔的结构光学谐振腔的结构 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和和r2的平行反射镜的平行反射镜M1和和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图称为球面腔，如图4.7所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射反射，另一个为部分反射。谐振腔产生激光振荡过程谐振腔产生激光振荡过程 如图如图4.8所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。才能存在，继续前进。图4.8 激光器示意图 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。LD的工作原理可以归纳如下：当给LD外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放大(其余自发辐射光子均被衰减掉)，直至传播到高反射率界面又被反射回有源层，再次向另一个方向传播受激辐射放大。如此反复，直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。(2)LD的工作原理的工作原理 有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图4.9所示。图4.9 半导体激光器的结构示意图2.常用激光器的基本结构常用激光器的基本结构 （1）同质结半导体激光器。其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。（2）异质半导体激光器 异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种。异质半导体激光器的“结”是由不同的半导体材料制成的，目的是降低阈值电流，提高效率。特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。图图4.10 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构双异质结条形激光器的基本结构 nInGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层nInP是衬底，顶层P+InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。目前，光纤通信用的激光器大多采用如图4.10所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。横向约束的双异质结构：增益引导型机制：从顶层一个窄的条形欧姆接触区进行载流子注入，改变有源区的折射率，从而对光子形成横向的约束，能有效抑制横模。特点：1)辐射功率高，但有2)散光性，且3)工作不稳定In(I)15 m光强-20020机制：1)在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制2)在横向将电流严格地限制在有源区，使得 60%的注 入电流用于发光特点：输出光束具有很好的准直性、能工作在基横模横向约束的双异质结构：折射率引导型光强-10010单纵模激光器上面的式子和光谱图告诉我们，将激光器的辐射光限制成单纵模的一条途径是减少谐振腔长，增加模式之间的波长间隔。使Dl大于增益线宽。Dl但是缩短腔长使得发射功率大大降低垂直腔表面发射激光器(VCSEL)VCSEL出现于1990年。它阈值电流低(20 dB光栅光光 纤纤透透 镜镜光光 栅栅 1 2 3 1 2 3 1+2+3 1+2+3 1+1+2+2+3 3 1 1 2 2 3 3分布布拉格反射(DBR)激光器DBR激光器是将光栅刻在有源区的外面，它相当于在有源区的一侧或两侧加了一段分布式布拉格反射器，起着衍射光栅的作用，因此可以将它看成是端面反射率随波长变化而变化的特殊激光器。DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似。但其阈值电流要比DFB激光器的阈值电流高。可调谐DBR激光器二段式三段式Bragg Section:大范围调节Phase Section:精细调节调谐范围：10nm取样光栅可调谐DBR激光器工作原理：结构：调谐范围：100nm外腔DBR激光器：线宽几十KHz光纤式外腔激光器：线宽50KHz激光二极管组件激光二极管组件 组件外观组件外观 器件封装器件封装 管脚连接管脚连接4.4 光源的工作特性4.4.1 LED的工作特性1.量子效率与LED功率 额外载流子的复合包括辐射性（发射能量为hv的光子）和非辐射性，量子效率指辐射性复合电子-空穴所占的比例。LED的内部量子效率和内部功率内量子效率 hint那么LED的内部发光功率为：例一双异质结InGaAsP材料的LED，其峰值波长为1310 nm，辐射性复合时间和非辐射型复合时间分别为30 ns和100 ns，驱动电流为40 mA。可以得到：可以得到LED的内部发光功率为：并非所有产生的光都能输出：光出射锥限制层光的产生和波导区限制层反射光出射光LED解理面n1 n2其中T(f)为菲涅尔透射系数，f=0时：假定外界介质为空气(n2=1)，可以得到：例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，这说明光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。和LED的外部量子效率和外部功率2.P-I特性 LED的P-I 特性如图4.13所示。P表示输出光功率(mW),I表示注入电流(mA)。图图4.13 LED的的P-I特性特性总的来说，驱动电流较小时，LED P-I特性曲线具有非常优良的线性；电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使曲线的斜率减小。通常，LED工作电流为50100mA，输出光功率为几mW。3.光谱特性 LED的光谱特性如图4.14所示。在图中，0为LED的峰值工作波长(典型值为0.85m、1.31m和1.55m)；为谱线宽度，其定义为光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度。LED谱线宽度比激光器宽得多。图图4.14 InGaAsP LED的光谱特性的光谱特性LED的频率响应可以表示为式中为调制频率，P()为对应于调制频率的输出光功率，e为注入载流子的寿命。当=c=1/e时，P(c)=0.707P(0)。在接收机中，检测电流正比于光功率，光功率下降到 0.707 时，接收电功率下降到0.7072=0.5倍，即下降了3 dB。因此，c定义为截止频率。4.调制特性适当增加工作电流载流子寿命缩短调制带宽增加一般地：f面=2030 MHz，f边=100150 MHz不同载流子寿命下的LED调制曲线5.温度特性 温度特性主要影响到LED的平均发送光功率、P-I特性的线性及工作波长。由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好。4.4.2 LD的工作特性1.LD的P-I特性 LD的P-I特性如图4.15所示。对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith表示。阈值电流越小越好。就P-I特性曲线整体而言，由于存在阈值现象，整体线性不如LED。图图4.15 LD的的P-I特性特性 从P-I特性还可以引出两个基本参数：微分量子效率和功率转换效率。微分量子效率可以定义为输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，表达式为：式中：P为发送光功率增量，I为驱动电流增量。曲线越陡，微分量子效率越大。功率转换效率定义为输出光功率与消耗的电功率之比，可以表示为：式中：V是PN结的正向电压；Rs是LD的串联电阻(包括半导体材料的体电阻和接触电阻)。2.光谱特性 LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当IIth时，发出的是荧光，光谱很宽，如图4.16（a）所示。当I Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图4.16（b）所示。图图4.16 GaAlAs-GaAs激光器的光谱激光器的光谱图图4.17 LD的光谱特性的光谱特性 LD的光谱特性如图4.17所示。在图中，0为LED的峰值波长(典型值为0.85m、1.31m和1.55m)；为谱线宽度，其定义为纵模包络或主模光强度下降到最大值一半时对应的波长宽度。3.调制特性在对LD进行直接调制时，激光二极管的输出功率与调制信号频率的关系为：式中：P(0)是频率为0时LD输出的光功率值；fr为LD的类共振频率，是LD的阻尼因子。4.温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。温度升高，阈值电流呈指数增长，而输出功率则明显下降，当达到一定温度时LD不激射。因此，温控温控至关重要。图4.18 激光器阈值电流随温度变化的曲线 与LED比较，温度主要对LD的阈值电流、输出光功率及峰值工作波长影响较大。为了降低温度对LD的影响，可以采用两种方法：选择温度特性优异的新型LD，或通过一个外加的自动温度控制电路，使LD的温度特性能够满足系统的要求。4.4.3 光源的主要技术指标及比较1.光源的主要技术指标几种国产半导体光源的主要技术指标如表4.1所示。2.LED与LD 比较 LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。LED通常和多模光纤耦合，用于1.31m或0.85m波长的小容量、短距离的光通信系统。LD通常和单模光纤耦合，用于1.31m或1.55m大容量、长距离光通信系统。分布反馈半导体激光器（DFB-LD）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55m超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。作业4.6，4.8