通信用光器件通信用光器件可以分为两种类型有源.ppt
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1、第 3 章 通信用光器件 通信用光器件可以分为两种类型: 1、有源器件 2、无源器件,1、有源器件 有源器件包括光源、光检测器和光放 大器,这些器件是光发射机、光接收机和 光中继器的关键器件,和光纤一起决定着 基本光纤传输系统的水平。,2、光无源器件 光无源器件主要有连接器、耦合 器、光合波器和光分波器、光滤波器 和隔离器等。这些器件对光纤通信系 统的构成、功能的扩展和性能的提高 都是不可缺少的。,本章重点要求: 1、了解光源和光检测器的概念及其 在光纤通信系统中作用; 2、理解激光器的发光机理; 3、掌握发光二极管、半导体激光器、 光电二极管、雪崩光电二极管等的工作原 理及其主要特性。,3.
2、1 光源 光源是光发射机的关键器件,其功能 是把电信号电流转换为光信号功率,即实现 电/光转换。 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)。,对光源性能的基本要求 1 光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符 石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗 口,其中心波长分别为 850 nm、1310 nm 和 1550 nm。因此,光源的发光波长应与 三个低损耗窗口相符。,2 足够的光输出功率 在室温下长时间连续工作的光源,必 须按光通信系统设计的要求,能提供足够 的光输出功率。 目前激光二极管能提供500微瓦到10毫瓦的输出光功率;发光二极管可提
3、供10微瓦到1毫瓦的输出光功率。,3 可靠性高、寿命长 现在的激光二极管可靠性比较高,寿命长。 激光二极管寿命105小时,发光二极管寿命107小时。,4 温度稳定性好 器件应能在常温下以连续波方式工作,要求温度稳定性好。 5 调制特性好 允许的调制速率要高或响应速度要快,以满足系统的大传输容量的要求。,6 光谱宽度要窄 光谱单色性要好,即谱线宽度要窄,以减小光纤色散对带宽的限制。 LD 线宽 2nm; LED 线宽在100nm左右。,7 与光纤之间的耦合效率高 光源发出的光最终要耦合进光纤才能进行传输,因此希望光源与光纤之间有较高的耦合效率,使入纤功率大,中继间距加大。 目前一般激光的耦合效率
4、为 20% 30% 较高水平的耦合效率可超过 50%,8 体积小,重量轻 要求器件体积小,重量轻,安装使用方便,价格便宜。 激光器的工作物质可以是气体、液体、固体。也可以是半导体。由于半导体激光器调制方便、体积小、便于与光纤耦合,是光纤通信最为合适的光源。,3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 一、受激辐射和粒子数反转分布 (一)基本概念 (1)半导体激光器 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。,(2)激光 激光,其英文 LASER 就是Light Amplification by Stimulated
5、 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。,(二)光和物质相互作用,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。,1917年爱因斯坦根据辐射与原子相互作的量子理论提出,光与物质的相互作用时,将发生: (1)受激吸收 (2)自发辐射 (3)受激辐射 三种基本物理过程。,(1)受激吸收 在正常状态下,电子处于低能级E1,在入射光作用下,它会吸收光子
6、的能量跃迁到高能级E2上,这种跃迁称为受激吸收。受激吸收将使外界光能减少。,(2) 自发辐射 在高能级 E2 的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,也会自动地跃迁到低能级 E1上,释放的能量转换为光子辐射出去,这种跃迁称为自发辐射。,(3) 受激辐射 在高能级 E2 的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到低能级 E1上,释放的能量产生光辐射,这个过程是在外界条件刺激下产生的,因而称为受激辐射。受激辐射产生的光子与入射光子叠加,使光得到放大,因而受激辐射是产生激光的最重要的过程。,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,
7、即,式中,h=6.62810-34Js,为普朗克常数, f12 为吸收或辐射的光子频率。,(三)相干光和非相干光 (1)相干光 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。,(2)非相干光 自发辐射的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。,(四)粒子数反转分布 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 (E2 E1) 的粒子数分别为 N1 和 N2。,在热平衡条件下,各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统
8、计分布。,式中,k = 1.38110-23 J/K,为波尔兹曼常数,T 为绝对温度。由于 (E2-E1) 0 ,T 0, 所以在这种状态下,总是 N1 N2。,(1)吸收物质 我们把这种 N1 N2 分布称为粒子数正常分布,如图。在热平衡状态下,N1 N2,受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时,光波总是被吸收,光强按指数衰减, 这种物质称为吸收物质。,(2)粒子数反转分布 如果 N2 N1,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。N2 N1的分布,和正常状态( N1 N2 )的分布相反,所以称为粒子数反转分布。,问题是: 如何实现粒子数反转分布
9、的状态呢?,(1)要在能级间实现粒子数反转分布,物质系统中必须存在3个能级或3个以上的能级。理论证明,在二能级的物质系统中,能级间不可能形成粒子数反转分布的状态。 (2)在半导体光源器件中,通常是利用外加适当的正向电压来实现粒子数反转分布的状态的。,二 、PN结的能带和电子分布 (一)能带概念 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。,内层电子态之间的交叠小,原子间的影响弱,分成的能带比较窄;外层电子态之间的交叠大,原子间的影响强,分成的能带比较宽。 电子填充能带时,将从最低能带开始向上依次填充各个能带的能级。,
10、(1) 价带 原子最外层的价电子所占据的能带称为价带。(价带中的电子不能导电,价带中只有空穴才能导电); (2)导带 价带上面邻近的空带,即自由电子占据的能带称为导带。 原子的电子与空穴的复合发光过程,主要发生在导带和价带之间。,(3)满带 除了最外层外,内层所有能带都被电子填满,故称为满带。 (4)禁带 导带底的能量和价带顶的能量之间的能量差称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。,(二)电子分布 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 称为费米能级,它是半导体的一个参数。,当能级 E 0.5时,说明这种能
11、级被电子占据的概率大于50%;当能级E Ef ,p(E) 0.5时,说明这种能级被电子占据的概率小于50%。 也就是说,低于费米能级Ef 的能级被电子占据的概率大,高于费米能级Ef 的能级被电子占据的概率小。,(三)P型半导体和N型半导体的能带,(1)接触前P型、N型半导体的能带图 主要由空穴导电的半导体称为P型半导体。当重掺杂时,费米能级会进入价带,称为简并型P型半导体; 主要由电子导电的半导体称为N型半导体。当重掺杂时,费米能级会进入导带,称为简并型N型半导体。,接触前PN半导体的能带图,(2)接触后P型、N型半导体的能带图 当P型半导体N型半导体结合时形成PN结后,由于载流子向对方互相扩
12、散的结果,使N区的费米能级降低,P区的费米能级升高,达到热平衡时,形成了统一的费米能级。 因此在热平衡状态下,高能级上电子数少,低能级上电子数多,未能形成粒子数反转分布。,接触后PN半导体的能带图,(3)外加正向偏压下 PN 结半导体的能带图 当PN结加上正向偏压时,破坏了热平衡时统一的费米能级,在P区和N区各自形成了准费米能级。这时,导带中费米能级以下充满了电子,价带中费米能级以上没有电子,因此,形成了粒子数反转分布,成为激活区,称为半导体激光器的有源区。,外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结,实现了粒子数反转分布,即使之成为激活物质(PN结为激活区)。在激活区,电子空穴对复合发
13、射出光。,在激活区,电子空穴对复合发射出光,三 、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。,1、法布里-珀罗 (F-P) 谐振腔 激光器是由反射率为100%(R=1)的全反射镜与反射率为90%95%(R1)的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。并被称为法布里-珀罗(FabryPerot,F-P)谐振腔。,法布里-珀罗 (F-P) 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
14、的光被放大,在谐振腔中沿非轴线方向的光子很快逸出了腔外,而沿轴线方向的光子往复传输,不断被放大,且方向性、增益不断改善,最后从反射镜输出,即为激光。,2、阈值条件及相位条件 要产生激光振荡还必须满足阈值条件及相位条件。,(1)、阈值条件 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。当增益和损耗相当时,在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡,光波在谐振腔内往返一次应保持不变,即,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,R2 1 为两个反射镜的反射率。,激光振荡需要满足的阈值条件为,例:对于GaAs材料的半导体激光器,其非涂覆解里面上R
15、1=R2=0.32(也就是32%的辐射光在端面上被反射),激活物质的损耗系数=1mm-1,谐振腔长L=500m,求阈值增益系数th 。,由阈值条件得,阈值增益系数为,(2)相位条件 激光振荡需要满足的相位条件为,可以写成,或,式中,为激光波长,n为激活物质的折射率,q=1, 2, 3 称为纵模模数。,纵 模,相位条件是:谐振腔的长度应为半波长的整数倍。对于给定的激光器,满足相位条件的波长称为激光模式,有一个波长对应一个模式,它与前面讨论的光纤中的模是不一样的,前者为波导模式, 后者严格地说是空间模式,为了区别开,可以称为纵模。,四、 PN结半导体激光器产生激光的原理,PN结半导体激光器产生激光
16、的原理 PN结半导体激光器是用PN结作激活区,用半导体天然解里面作为反射镜组成光子谐振腔,外加正向偏压作为泵浦源。,外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结,实现了粒子数反转分布,即使之成为激活物质(PN结为激活区)。在激活区,电子空穴对复合发射出光。,初始的光场来源于导带和价带的自发辐射,方向杂乱无章,其中偏离轴向的光子很快逸出腔外,沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素, 使之产生受激辐射而发射全同光子。,这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质,使受激辐射过程如雪崩般地加剧,从而使光得到放大。在反射系数小于1的反射镜中输出,这就是经受激辐射放大的光 。即PN结半导体激光器产生
17、激光输出的工作原理。,五、异质结半导体激光器 PN结是由同一种半导体材料构成的,P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率(掺杂后折射率稍有变化,但很小),这种PN结称为同质结。,同质结导波作用很弱,光波在PN结两侧渗透较深,从而致使损耗增大,发光区域较宽。 因此,同质结构成的光源有很大的缺点:发光不集中,强度低,需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重,必须在低温环境下工作,不可能在室温下连续工作。,为了克服同质结的缺点,需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用,这时可以采用异质结结构。所谓异质结,就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。,异质结半导体激光器与同质结半导体
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- 通信 用光 器件 可以 分为 种类 有源
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