半导体激光器原理及光纤通信中的应用

河北科技大学光电子技术结课论文半导体激光器原理及在光纤通信中的应用学生姓名张 青 （09L0704216）杨豪杰（ 09L0704214）刘 腾 （09L0704208）学生专业电子科学与技术班级2摘要 : 本文就半导体激光器介绍了半导体激光器的工作原理，较详尽地阐述了它在光纤通信中的应用情况。关键词 ：半导体 激光器 谐振腔 泵浦源 工作物质 光纤通信 WDM激光技术 ; 半导体激光一、半导体激光器1. 什么叫激光激光的英文叫 Laser light amplification by stimulated emission of radiation. 就是通过受激发射实现光放大。光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。激光器有很多种类型，但他的必要组成部分无外乎： 谐振腔、增益介质、泵浦源。2、半导体激光器的工作原理2.1 基本条件：（1）有源区载流子反转分布（ 2）谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡（ 3）满足阈值条件，使增益 损耗，有足够的注入电流。2.2 工作原理半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质 ( 既利用电子 ) 在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件 . 其工作原理是 , 通过一定的激励方式 , 在半导体物质的能带 ( 导带与价带 ) 之间 , 或者半导体物质的能带与杂质 ( 受主或施主 ) 能级之间 , 实现非平衡载流子的粒子数反转 , 当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时 , 便产生受激发射作用 . 半导体激光器的激励方式主要有三种 , 即电注入式 , 光泵式和高能电子束激励式。理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导体 PN结中用注入载流子的方法实现由柏纳德杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振荡并得到放大，最后产生相干激光输出。就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激光器没有根本的区别，都是基于受激光发射要使激光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即粒子数反转条件与阈值条件前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子（如半导体导带中的电子）数多于低能态的粒子数达到这一条件，有源工作物质就具有增益。后者是充分条件。它要求粒子数必须反转到一定程度，即达到由于粒子数反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗（激光器的输出对有源介质也是一种损耗），此后增益介质就具有净增益。与其它激光器不同的是，半导体激光器中电子是分布在不同能带的下同能量状态中，其它微光器中的粒子（原子、离子或分子）是分布在有源介质的不同能级上，日而粒子数反转条件的表示也有差别。2.3 半导体激光器的特点半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点。3、激光器的结构3.1 半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。3.2 掺杂半导体与 p-n 结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。有施主能级的半导体称为n 型半导体；有受主能级的半导体称这p 型半导体。在常温下，热能使n 型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而 p 型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此， n 型半导体主要由导带中的电子导电； p 型半导体主要由价带中的空穴导电。3.3 p-n结电注入激发机理。若在形成了 p-n 结的半导体材料上加上正向偏压， p 区接正极， n 区接负极。显然，正向电压的电场与 p-n 结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使 n 区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过 p-n 结向 p 区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。3.3.1 理论推导：1. 光增益电子数、空穴数费米分布Fn导带中电子的准费米能级,Fp: 价带中空穴的准费米能级.:导带中能量为E处的电子数为：相应地，价带中的能量为(E-h)处的空穴数为：式中 Nc(E) 、 Nv(E-h) 分别为能量 E 处的电子能级密度和能量 ( E-h) 处空穴能级密度。发射和吸收的光子数：Bcv 和 Bvc 为受激发射的爱因斯坦系数，且Bcv=Bvc要想获得激光，必须：dNedNa将和的表达式代入上式，可得：fc(E)fv(E-hn)即：所以：4. 半导体激光器的分类和用途1. 激光器的分类：（ 1）按材料分， - 族材料激光器、 - 族材料激光器、硅基材料激光器。（ 2）按波长分，可见光激光器、红外长波激光器、远红外长波激光器。（ 3）按结构划分，同质结激光器、异质结激光器、大光腔激光器、分离限制激光器、 F-P 激光器、 VCSEL激光器。SCH（ 4）按输出功率划分，大功率（ 110W、几百瓦，几千瓦乃至几万瓦）、小功率（ 110mW）（ 5）按应用领域划分，光纤传感、光盘存储、光纤通信、军事，打印，原子物理等。半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs) 、砷化锢 (InAs) 、锑化锢 (InSb) 、硫化锅 (cds) 、蹄化福 (CdTe) 、硒化铅 (PbSe) 、啼化铅 (PhTe) 、铝稼砷 (A1xGa-As) 、锢磷砷 (In-PxAS) 等 .2 激光器的用途：（ 1）应用于军事领域如激光制导跟踪、激光雷达、激光引信、激光测距、激光通信电源、激光模拟武器、激光瞄准告警、激光通信和激光陀螺等。目前 , 世界上的发达国家都非常重视大功率半导体激光器的研制及其在军事上的应用。（ 2）应用于光纤通信系统半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统 . 由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途 . 半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展。（ 3）应用于印刷业和医学领域如 CD 播放器， DVD系统和高密度光存储器可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛 . 蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中。（ 4）光电子学中广泛的应用如超高密度、光存储 . 近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段 . 垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、激光加工和医疗等方面二、激光器在光纤通信中的应用1. 光纤通信对半导体激光器光源的要求半导体激光器是激光器中的一个大家族。它与固体激光器、气体激光器以及其它类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。光发射端机组成方框图2. 光纤激光器的基本原理及其特点光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的泵浦源三部分组成。利用掺杂稀土元素的光纤研制成的光纤放大器给光波技术领域带来了革命性的变化。由于任何光放大器都可通过恰当的反馈机制形成激光器，因此光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发。目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。由于光纤激光器中光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”。因此，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡。另外由于光纤基质具有很宽的荧光谱，因此，光纤激光器一般都可做成可调谐的，非常适合于WDM系统应用。和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和光纤的耦合。3. 基本原理图 .以纵向泵浦的光纤激光器（如图）为例说明光纤激光器的基本原理。光纤激光器原理示意4. 特点耦合效率高基于激光介质本身就是导波介质；光纤纤芯很细，纤内易形成高功率密度，可方便地与光纤传输系统高效连接。由于光纤具有很高的“表面积 / 体积”比，散热效果好，因此光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阈值，能在不加强制冷却的情况下连续工作。又由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可以设计得相当小巧灵活，利于光纤通信系统的应用，同时可借助光纤方向耦合器构成各种柔性谐振腔，使激光器的结构更加紧凑、稳定。光纤还具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的色散性和稳定性。5半导体激光通信与光纤通信通信领域从微波转向激光技术 , 首先在远距离信息传递方面 , 比如在宇宙中 , 激光显示 - 系列优点 : 由于波长缩小 10000 倍 , 光束聚焦比微波好得多。因此在接收器处可获得提高了数量级的功率密度。在卫星通信技术中 , 只需要较小的望远镜和较低的发射功率 , 就能实现光的自由空间传输并获得极高的数据率传输。由于光过大气层会产生衰减 , 所以光通信的优点在卫星间通信方面首先得到充分利用。6. 激光器在光纤通信中的应用大气激光通信因其波长短，发散角小，所以天线可做得很小，但大气通信易受天气、地形、地物等的影响。这种通信常用于空间载体间的通信 ( 包括飞机对飞机、卫星对卫星、飞船对飞船等 ) ，因为空间载体通信不存在影响传光的诸多因素。对海军来说，激光对潜通信尤为重要。蓝光或绿光穿透海水时衰减最小，波长为0.470.54mm的蓝光经过 100m深度传播，其损耗仅为其他波长的 1/100 。蓝绿光在海水中的穿透能力可达 600m以上，其传播方向好，不易被敌方截获，且隐蔽安全，极大地提高了其生存能力，这就引起美国和前苏联等国研究和开发蓝绿光对潜通信的极大兴趣。目前广泛使用的光纤通信系统, 包括都市网络系统、局域网络系统和使用光纤传输信号的各种设备系统等都需要使用大量的半导体分布反馈激光器作发射光源,这增加了网络和系统的复杂性和成本。随着都市光纤通信网络、各种局域网和光纤信号传输设备仪器的广泛使用 , 这一问题就更加明显。模式锁定激光器是时域应用方面产生短脉冲的工具 , 包括要求 C 波段可调的重复频率通信应用 , 这种锁模激光器还可在波分复用光纤通信网络中用作多波段光源。由于这种半导体可调多波段激光器能提供光学梳状滤波功能 , 且信道间隔范围极宽： 100 3.125GHz,因而可大量地减少目前 WDM网络系统中所用的普通分布反馈半导体激光器光源 , 大大地简化 WDM 网络系统。由于目前的 WDM网络系统是在按国际通信联盟（ ITU）栅格上的精确位置采用多波段建立的 , 因而对系统建立的空间限制成本和性能都提出了很高的要求。而模式锁定半导体激光器能产生脉冲重复频率精确分开的高质量信道梳 , 只要用一个这种锁模半导体激光器便可代替许多个目前在 WDM网络系统中所使用的分布反馈激光器。这种激光器使目前 WDM网络系统有可能实现用单光源取代多光源的简化方案 , 这不仅简化了 WDM通信网络系统 , 而且对降低系统成本十分有利 , 进而把WDM通信网络的应用从都市网络、接入接出网络、测量和测试设备与便携式野外测试设备等的应用扩展到新的应用领域, 如超连续谱的产生、频率测量、超精细的分布 WDM等 , 还可从激光光谱与时间特性获得许多有益的应用。随着都市局域网络的发展和日益增加的应用 , 对 WDM通信网络系统提出越来越严格的要求。多波段锁模激光器能为 WDM通信网络系统提供光学梳状滤波功能 , 其信道间隔距离极宽 , 达 1003.125GHz, 大大地减少了所需的大量光源数量 , 简化了通信系统的结构 , 降低了功耗 , 提高了系统的可靠性 , 使系统成本大大地降低。这一系列好处将使 WDM开拓更多的新应用领域。7. 光纤激光器的发展前景光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率、低阈值、光束质量好和窄线宽等优点。光纤激光器通过掺杂不同的稀土离子可实现 3803 900 nm 波段范同的激光输出，通过光纤光栅谐振腔的调节可实现波长选择且可调谐。与传统的固体激光器相比，光纤激光器体积小，寿命长，易于系统集成，在高温高压，高震动，高冲击的恶劣环境中皆可正常运转，其输出光谱具有更高的可调谐性和选择性医疗及生物市场的强劲需求驱动了飞秒 ( 超快 ) 激光技术在分析仪器应用方面的快速发展。人们正在努力对活体细胞、组织以及病毒转移特质进行实时测量和分析这些应用对人类攻克癌症等方面的研究至关重要。超快激光使得在对患者进行快速，非介入性诊断时可以取得实时信息。现有超快激光的制造技术成本太高，系统的尺寸也非常庞大，这些制约了市场的发展。光纤激光器的很大一部分应用可以走到超快激光而且光纤激光器的生产厂商也着重从尺寸小巧方面推荐光纤的应用。生命和健康科学是一个非常强劲的市场因为那里会永远不断地出现新的应用，其中很多是基于激光的应用，并且医药也在不断寻求改进。激光不再只局限为一种外科手术工具，将会更加广泛地应用于医学诊断( 如细胞影像 ) 、药检、 DNA排序、细胞分类以及蛋白质分析等方面。激光现已广泛应用于人们前所未闻的领域中。未来光纤激光器的发展趋势将体现在以下几个方面： (1) 提高光纤激光器的本身性能：如何提高输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统稳定性并使其更加小巧紧凑，上述目标将是未来光纤激光器领域研究的重点； (2) 新型光纤激光器的研制：在时域方面，具有更小占空比的超短脉冲锁模光纤激光器一直是激光领域的研究热点。高功率飞秒量级脉冲光纤激光器一直是人们长期追求的目标，该领域研究的突破不仅可以给光通信时分复用 (OTDM)提供理想的光源，而且可以有效带动激光加工、激光打标及激光加密等相关产业的发展；在频域方面，宽带输出并可调谐的光纤激光器将成为研究热点。近年来，一种采用 ZEBLAN材料 (zr ， Ba，La，Al ，Nd)为激光介质的非线性光纤激光器引起了人们的重视。这种激光器具有相当宽的带宽和低损耗可实现波长上转换几个波段。可以预见，随着相关技术的完善，光纤激光器将向更广阔的领域发展，并有可能成为替代固体激光器和半导体激光器的新一代光源，形成一个新兴的产业。综上所述，光纤激光器技术是一个正在得到高度重视和迅速发展的新型技术研究热点，所涉及的科学研究和产品应用领域十分广泛，具有巨大的潜在应用价值和广阔的市场前景。随着各种类型光纤激光器技术的逐步成熟和商业化应用，将对相关领域的发展产生巨大的推动作用，同时也将引起相关技术领域的深刻变革。参考文献：1 李学千，张兴德，高功率半导体激光器的进展及其在军事上的应用 J ，光学精密机械， 1993,(2):1-512 李学千，半导体激光器的最新进展及其应用 J，长春光学精密机械学院学报， 1997，20（ 4）： 56-633 何兴仁， 大功率半导体激光器及其在军事上的应用J ， 半导体情报，1995,32(3)4 黄章勇. 光纤通信用光电子器件和组件M. 北京:北京邮电大学出版社 ,2001,7:131 5 曾华，陈晓天，韩天愈光纤激光器 J 光机电信息， 2004，(7) ：1-5 6 葛强，郑鸿章光纤激光器的应用 J 光机电信息， 2003， (10) ： 14-16 7 柯常军高功率双包层光纤激光器 J 光学与光电技术， 2003，1(5) ：43-468 原荣光纤通信 M 北京：电子工业出版社， 2002( 第 l 版) ：1971999 Jef echt编著贾东方，余震虹，等译光纤光学M 北京：人民邮电出版社 ( 第 4 版) 2004 年 5 月第 l 版。 158 18610 叶震寰，楼祺洪，薛东窄线宽光纤激光器J 光学与光电技术，2004,2(1)1-8 11网页： 激光技术的军事应用 _光纤通信