半导体激光器解

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,#,光纤通信基础,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,1,1.,光纤通信中的光源,将电信号转换为光信号；,有两种：,半导体,激光,二极管,（,LD,）；,半导体,发光,二极管,（,LED,）；,要求：发射波长与光纤低损耗和低色散波长一致；,在室稳下连续工作，低功耗，谱线窄；,体积小，重量轻，使用寿命长；,制造工艺简单，成本低，可靠性高；,第,1,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,2,2.,半导体中光的发射和激射原理,原子的能级结构：,电子的量子化,：能量是离散值；,原子的能级,：分立的能量值；,基态（稳态）,：原子能量最低；,激发态,：原子能量比基态高；,半导体价带、导带、带隙：,能级,：分立的能量级；,能带,：单晶中各个原子的最外层轨道相互重叠；,价带,：与原子最外层轨道的价电子对应的能带；,导带,：价带上面的能带；,带隙,：导带底,Ec,与价带顶,Ev,之差,Eg,；（,禁带宽度,）,第,2,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,3,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,导体的,Eg,半导体,Eg,导体,Eg=0,；,价带中,电子,激发,至导带，留下,空穴,；临近电子填补这个空穴，又留下另一个空穴；空穴产生位移；,(,统称,载流子,）,导带中电子,跃迁,至价带，填补空穴，既,复合,；,电子（,-,）、空穴（,+,）称为,载流子,；,激发时电子,吸收,能量，跃迁时电子,辐射,能量；,Eg=h,第,3,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,4,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,本征半导体（,I,型）,：杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。,电子半导体（,N,型）,：通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目的半导体。（,GaAs-Te,）,空穴半导体（,P,型）,：通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目的半导体。（,GaAs-Zn,）,在纯净的,-,族化合物中掺杂,族元素（,N,型），或掺杂,族元素（,P,型）,第,4,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,5,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,p-n,结,：,P,型半导体和,N,型半导体结合的界面。,第,5,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,6,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,扩散,运动空间电荷,势垒,自建电场,V,D,平衡,状态。,费米能级,E,f,：描述电子能量状态分布的假象能级，,E,f,以下的能级，电子占据的可能性大于,1/2,，空穴占据的可能性小于,1/2,；,E,f,以上的能级，空穴占据的可能性大于,1/2,，电子占据的可能性小于,1/2,。,掺杂,：,eV,D,Eg,为轻掺杂，,eV,D,Eg,为重掺杂。,在平衡状态下，,P,区和,N,区有统一的,E,f,。,正电压向,V,漂移,运动抵消一部分势垒（,V-V,D,）破坏平衡,P,区和,N,区的,E,f,分离（准费米能级）。,第,6,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,7,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,(E,f,),N,以下的能级，电子占据的可能性大于,1/2,，,(E,f,),P,以上的能级，空穴占据的可能性大于,1/2,。,当正向电压足够大时，产生复合发光。,第,7,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,8,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,普朗克定律,：基态到激发态的跃迁,吸收一个光子，激发态到基态的跃迁,发射一个光子，光子的能量为,h,=E,2,-E,1,。,吸收激发,：,E,1,基态的电子,吸收,光子能量，激发到高能态,E,2,；,自发辐射,：,E,2,能态的电子处于不稳定状态，自发返回基态,E,1,，,自发辐射,一个光子（位相随机）。,受激辐射,：,E,2,能态的电子处于不稳定状态，向下进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基态,E,1,，,受激辐射,一个光子（位相相同）。,第,8,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,9,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,粒子数反转,（光放大的必要条件）：仅当激发态的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过吸收，要利用,“,泵浦（激励）,”,方法。,有源区,：实现粒子数反转，对光具有放大作用的区域。,光学谐振腔,：,自发辐射光子,夹角大的逸出,受激辐射光子,全同光子,第,9,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,10,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,第,10,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,11,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,谐振腔的三功能：,光放大,、,频率选择,、,正反馈,。,阈值,条件：增益必须大于损耗；,相位平衡,条件：光波能因干涉而得到加强以形成正反馈（驻波）；,f,q,谐振频率，,q,谐振波长，,q,纵模,第,11,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,12,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,频带加宽,：增益介质的增益,-,频率特性；,第,12,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,13,2.,半导体中光的发射和激射原理,(,续）,横模,TEM,mn,：激光振荡垂直于腔轴方向，平面波偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。,第,13,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,14,3.,半导体发光二极管,LED,利用半导体,p-n,结自发发光的器件。,特点,：温度特性好，输出线性较好，没有模式色散，驱动电路简单，寿命长。,第,14,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,15,3.,半导体发光二极管,LED,(,续）,面发光二极管,第,15,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,16,3.,半导体发光二极管,LED,(,续）,边发光二极管,第,16,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,17,3.,半导体发光二极管,LED,(,续）,技术参数：,1.3,m LED,指 标,参 数,边发光,面发光,最小值,典型值,最大值,典型值,发射波长,(,m,),1.22,1.30,1.32,1.3,出纤功率,(,W,),40,50/6,40,半高谱宽,(,nm,),60,80,85,工作电流,(,mA,),150,响应时间,(,ns,),2.5,可调速率,(,MHz,),200,70,第,17,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,18,4.,半导体激光二极管,LD,同质结,与,异质结,：,第,18,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,19,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,窄条,双质结,激光二极管,：,第,19,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,20,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,第,20,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,21,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,管芯制作工艺：,InGaAsP,双异质结,第,21,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,22,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,半导体激光器的特性：双异质结,InGaAsP,第,22,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,23,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,输出光束示意图：,两异质结,-,驻波,-,垂直横模,平行有源层,-,驻波,-,水平横模,两个反射面,-,驻波,-,纵模,模式控制：,第,23,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,24,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,隐埋异质结（,BH,）：,第,24,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,25,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,平面隐埋异质结（,PBH,）：,第,25,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,26,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,双沟平面隐埋异质结（,DC-BH,）：,第,26,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,27,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,脊型波导（,RW,）：,第,27,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,28,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,光源与光纤的耦合：,第,28,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,29,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,光耦合透镜系统：,第,29,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,30,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,激光器封装的目的：,隔绝环境，避免损害，保证清洁；,为器件提供合适的外引线；,提高机械强度，抵抗恶劣环境；,提高光学性能；,封装器件的主要要求：,气密性好，保证管芯与外界隔绝；,结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境；,热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击；,可焊性好，工艺性好，有拉力强度；,符合标准，系列化，成本低，适合批量生产。,第,30,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,31,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,同轴激光器的封装：,第,31,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,32,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,插拔式同轴封装：,第,32,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,33,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,尾纤式同轴封装：,第,33,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,34,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,14,针双列直插式封装：,第,34,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,35,4.,半导体激光二极管,LD,(,续）,蝶式封装：,第,35,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,36,5.,分布反馈激光二极管（,DFB-LD,）,无集总式反射机构（,F-P,），由有源区波导上的,Bragg,光栅,提供反射功能，,原理,：,Bragg,光栅周期,，发射波长满足,2,=,m,/,n (m=0,1,2,),干涉增强方向,2,sin=,m,/,n,特点,：单纵模特性好（边模抑制比可达,35dB,以上）,窄线宽，波长选择性好；,温度特性好，波长温度飘移为,0.09,nm,/,调制特性好，,第,36,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,37,5.,分布反馈激光二极管（,DFB-LD,）,第,37,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,38,5.,分布反馈激光二极管（,DFB-LD,）,分布,Bragg,反射器（,DBR,）激光二极管,第,38,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,39,5.,分布反馈激光二极管（,DFB-LD,）,超结构光栅,DBR,可调谐激光二极管,第,39,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,40,6.,量子阱半导体激光器,有源层尺寸极小有源层与两边相邻层的能带不连续导代和价带的突变势能阱,量子阱效应,第,40,页,/,共,49,页,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,41,6.,量子阱半导体激光器,第,41,页,/,共,49,页,00-10-