通信用光器件.docx

1、通信用光器件章节名称：第三章 通信用光器件31光源3.1.1半导体激光器工作原理（2学时100分钟）一、 教学目的及要求：1、光源的概念及其在光纤通信系统中作用；2、了解系统对光源的要求。3、 理解光与物质相互作用的三个物理过程。4、掌握激光器的发光机理。二、 教学重点及难点：重点：系统对光源的要求、光与物质相互作用的三个物理过程、半导体激光 器基本结构。难点：激光器的发光机理。三、 教学手段：板书与多媒体课件演示相结合。四、 教学方法：课堂讲解、演示、提问。五、 作业：3-1 ， 3-2 ， 3-3 。六、 参考资料：光纤通信杨祥林第三章光纤通信刘增基第三章。光纤通信Gerd Keiser著

2、，李玉权等译 第三章七、教学内容与教学设计:教学内容教学设计备注第3章通信用光器件开场白5分钟3.1 光源明确本节课要3.1.1半导体激光器工作原理学习的内容。石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗口，其中心波长 动画演示分别为 0.85 Am （ 850nm） 1.31 Am （1310nm）和 1.55Jm （1550nm）。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CW、到10毫瓦（mW ）的输出光功率；发光二极管可提供10微瓦（W、到1毫瓦（mW）的输出光

3、功率3可靠性高、寿命长现在的激光一极管可靠性比较咼，寿命长。激光一极管寿命1O小时，发光二极管寿命IO?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lOOnm左右。6调制特性好允许的调制速率要咼或响应速度要快， 以满足系统的大传输容量的要求。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为20%30%,较高水 平的耦合效率可超过50%8体积小，重暈轻

4、要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便 宜。讲解板书课件演示动画演示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得光源。本节首先介绍半导体激光器（LD）的工作原理、基本 结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的 分布反馈激光器（DFB-LD），最后介绍可靠f生高、寿命长和价 格便宜的发光管（LED）。3 77半导体激光器工作原理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 Amp

5、lification by Stimulated Emission of Radiation （受激辐射的光放大） 的缩写O所以讨论激光器工作原理要从受激辐射开始O一几个基本概念1光子1905年爱因斯坦提出光量子学说。他认为光是光速运 动的粒子流，这此粒子称为光子。光子具有一定的频率f和 能量E，这就是光的波粒二象丫生。扌田述光粒子特征的物理量是能量 E ；扌田述光波动 特征的物理量是频率f。频率为f的光子具有的能量为： E = hf八6.62T0JS （焦耳秒），为普朗克常数。2原子能级硅原子的能级图如图所示，同一层表示电子的能讲解板书课件演示动画演示量相同，电子离原子核平均距离相同。在物质

6、的原子中，存在许多能级，最低能级E称为基态；能量比基态大的中间 能级B(i=2, 3)称为亚稳态，在亚稳态上 粒子的平均寿命时 间为10ms ；能量较高的能级助称为激发态，在激发态上粒 子的平均寿命时间为1 s。硅原子的能级图讲解板书课件演示动画演示3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。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。图能级和电子跃迁(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射(1)受激吸收在正常状态下，电子处于低能级Ei,在入射光作用下，

7、它会吸收光子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。见图演示。(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E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，见图演示。(3)受激辐射在高能级戲的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到 低能级Ei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。 见图演示。受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在Ei和玫两 个能 级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光

8、子能量都要满足玻 尔条件，即E2 Ei 二 h fi2式中，h-6.628Xi034j s (焦耳 秒)，为普朗克常数，化为吸收或辐射的光子频率。4相干光和非相干光(1)相干光讲解板书课件演示动画演示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)非相干光自发辐射光是由大量不冋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。5粒子数反转分布(1)吸收物质设在单位物质中，处于低能级Ei和处于高能级E250分钟(&E)的粒子数分别为N和N。在热平衡状态下，存在下面的

9、分布n2圧_吕；=exp Ni 日0 T 0 所以在这状态下，总是N 2,我们把这种N M分布称为粒子数正常分布。在热平衡状态下，Ni 2,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5这种物质称为吸收物质。(2)激活物质讲解如果NN，即受激辐射大于受激吸收，当光通过板书这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 Ni N的分布5和正常状态(N N2 )的分布相反5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，在一能级的 物质系统中，能级间不可能形成

10、粒子数反转分布的状态，见 图演示。(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。见图演示。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。三P型半导体和N型半导体的能带1接触前P、N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Ef会进入价带，称为简并

11、型P型半导体，如图 所示；课件演示动画演示讲解板书课件演示动画演示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Ef会进入导带，称为简并型N型半导体，如图所示&阴GO胡2接触后PN结半导体的能带图当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散的结果，使N区的费米能级降低，卩区的费米能级升高，达到热平衡时，形成了统一的费米能级。由于内建电场的作用，形成了能量为的eVD势垒，阻止了载流子的进一步扩散，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。如 讲解 图所示。板书课件演示动画演示载流孑扩散运F NLome） 凿超!&3外加正向

12、偏压下PN结半导体的能带图。当PN结加上正向偏压时，外加电压的电场方向正 好和 内建场的方向相反，因而削弱了内建电场，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，导带上费米能级以下充满了电子，价带上费米能级以 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作用区或有源区o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，见图演示。讲解板书课件演示动画演示FNi a Q 0 OJS芒酎吨石田維邑屈M就干融反转畀布1r1才.一 1Q Q O O

13、印正卧闕压和麒担甲衡期区窖自胳战了感脅米能级四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。激光器是由反射率为100%( R =1)的全反射镜讲解板书课件演示动画演示与反射率为90%-95%( R2：: 1)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 (Fabry Perot，FP)谐振腔，见图演示。谐振腔中的工作物质在泵浦源的作用下，处在粒子数 反转分布状态，自发辐射产生的光子由于受激辐射不断放 大，产生的光子在谐振腔中经过反射

14、镜多次反射，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。五PN卜导烷懿主空严土張光曲原恣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。见图演示外加正向偏压将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。讲解板书课件演示动画演示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

15、， 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o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激光输出的工作原理。章节名称：第3章31光源3.1.2半导体激光器的主要特性（2学时100分钟）一、教学目的及要求:2、掌握半导体激光器的基本结构与工作原理；2、掌握LD的PI特性、光谱特性、方向特 性、温度特性及调制特性的特点。二、教学重点及难点：重点：半导体激光器的工作特性参数定义及计算、LD的PI特性、光谱特性、方向特性、 温度特性及调制特性的特点难点：LD的工作性能特点、教

16、学手段:板书与多媒体课件演示相结合。四、 教学方法：课堂讲解、演示、提问。五、 作业：3-5，36，3-7 六、 参考资料：光纤通信杨祥林第三章光纤通信刘增基第三章C 光纤通信Gerd Keiser著，李玉权等译 第三章七、教学内容与教学设计：教学内容教学设计备注第3章通信用光器件开场白5分钟32 光源明确本节课要3.1.2半导体激光器的主要特f生学习的内容。3.1.2半导体激光器的主要特f生讲解一发射波长板书45分钟半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁 到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度 Eg （ eV电子伏特）由公式hf =E2一B=Eg人-6.628”OJs （焦耳秒）

17、，为普朗克常数，/ =、九分别为发射光的频率和波长J c = 30 m/s为光速，1eV-16X0d9j （焦耳）（焦耳）-动画演示 eV，代入上式得到1.600ghe =6.628 灯。3 j M3M08 m/s=1.24275 灯 0 上 eV m=1.24275eV Pme , hehfh Eg，九& Eg1 24275发射波长为： 住m)二Eg (eV)不冋半导体材料有不冋的禁带宽度Eg ,因而有不冋的发射波长。傢铝碑-傢碑(GaAIAs-GaAs)材料禁带宽度Eg=1.47eV，发射波长、川、1.24275 1.24275 )、!-1- m) = - - 0.85 卩 mEg(eV)

18、 1.47这种材料适用于085卩m波段。钢傢碑磷-锢磷(InGaAsP- InP)材料禁带宽度Eg= 0.80 096eV，这种材料适用于1.31.55卩m波段。二光谱特性讲解板书课件演示动画演示会产生连续波长的辐射光，所以激光器发射光谱就有一定的谱线宽度。光源的谱线宽度是衡量光源单色性好坏的一个物理量。激光器发射光谱的宽度取决于激发的纵模数目，对于 讲解存在若干个纵模的光谱性刻画出包络线。把光强下降一半 板书课半导体光源的典型性LEDLD输出題率工作颐150mA1.30F 1 55/Jni2 mW 八 10( W阖值帧30iiW50nW调制蒂宽lOGEte 队 t乳曲正问傭压1 5V1.5V

19、讲解1H-+5OC-10-+50C板书课10AhtOh件演示动画演示1静态单纵模激光器由图可见，随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减 少，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方 向的选择，使边模消失、主模增益增加而产 生的。当驱动电 流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵 模激光器。2动态单纵模激光器由图可见，在高速数字调制下，随着调制电流增大， 纵模模数增多，谱线宽度变宽。用FP谐振腔可以得到的 是直流驱动的静态单纵模激光器，但要得到高速数字调制的 动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用分 布反馈激光器 就可达到目的。a /j U tAM丿4him泌i Ju*

20、珂壬汗韋电违梵第和奴售咗舸:济任F些x讲解板书课件演示动画演示三转换效率和输出光功率特f生1转换效率激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d表示，其定义是在阈值电流以上，激光器输出光子数的增量与注入电子数的增两之比，表达式为: P/hf (P Pth)/hf-He (I lth)/e2输出光功率特性由上式此得到激光器的光功率P为hfP 二 Ph 亠(l-lth)e式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和I th分别为相应的阈值，hf和e分别为光子能量和电子 电荷。激光器的光功率特性通常用P-I曲线表示，图是典型 激光器的光功率特T生曲线。当I I th时，发出的是受激辐射光，

21、光功率随驱动电流的增加而增加O讲解板书课件演示 动画演示典型半导体激光器的光功率持性四I. 激光器输出光功率随温度而变化有两个原因： -是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率d随温度升高而减小。温度升高时，Ith增 大，d减 小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激 射了 如图所不0当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电讲解板书课件演示流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为式 中，I。为常数，T为结区的热力学温度，T。为激光器材料的 特征温度。GaAIAsGaAs 激光器 T。二 100150 K动画

22、演示InGaAsP InP 激光器 T。二40-70 K所以长波长InGaAsP InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。外硕力里于致牛随品度旳斐化个十ttSxI&x， 例如，GaAIAs GaAs激光器在77 K时n d50%，在300 K时，% 托 30%。3.1.3 才布反馈激光益普通激光器用FP谐振腔两端的反射镜，对激活物质发 出的辐射光进行反馈，分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层沿长度方向制作的 周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的 折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分 布反馈激光器。50分钟分布反馈激光器的要求：(1)谱线宽度更窄(2)咼速率

23、脉冲调制下保持动态单纵模特f生(3)发射光波长更加稳定，并能实现调谐(4)阈值电流更低(5)输出光功率更大讲解板书课件演示动画演示图分布反馈（DFB） 1（a） 结构；（b）光反馈如图所示，由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射 （如光线a），另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反 射（如光线b）。如果光线a和b匹配，相互叠加，则产 生更强的反馈，而其他波长的光将相互 抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百上 讲解件滴示 DFB激光器与FP激光器相比，具有以下优点：单纵模激光器oFP激光器的发射光谱是由增益谱和激光器纵模特性共同决定的，由于谐振腔

24、的长度较 长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期A决定。A相当于FP激光器的腔长L,每一个A形成一个微型谐振腔。由于A的长度很小，所以m阶和（时1）阶模之间的波长间隔比FP腔大得多，加之多个微型腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式就能获得足够的增益。于是 DFB激光器容易设计成单纵模振荡。2谱线窄，波长稳定性好。由于DFB激光器的每个栅距A相当于个FP腔，所 以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大 大提高， 谱线明显变窄，町以窄到几个CUz由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上， 因而波长的稳定性得

25、以改善。3动态谱线好。DFB激光器在高速调制时也能保持单模特f生，这是FP激 光器无法比拟的。尽管DFB激光器在高速调制时存在碉啾， 谱线有一定展宽，但比F-P激光器的动态谱线的展宽要改善 一个数量级左右。4线性好。DFB激光器的线性非常好，因此广泛用于模拟调制的有 线电视光纤传输系统中。发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同， LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光oLED的 结构和LD相似，大多是米用双异质结(DH)芯片，把有源层 夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振 腔，没有阈值。发光 极管有两种类型：一类是正面发光型 LED另一类是侧面发 光

26、型LED其结构如图所不。和正面发光 型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较 小， 但讲解板书课件演示动画演示由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光 功率比正面发光型LED大。图两类发光二极管(a) 正面发光型；(b)侧面发光型讲解板书课件演示动画演示和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽 度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长， 输出光功率线性范围宽， 而且制造工艺简单， 价格低廉。因此，这种器件在小容量短距离系统中发挥了重 要作用。发光二极管具有如下工作特性：光谱特性发光二极管发射的是自发辐射光， 没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽。一般短波

27、长GaAIAs GaAs LED谱线宽度为3050 nm长 波InGaAsP InP LED谱线宽度为60120 nm。随着温度升高 或驱动电流增大，谱线加宽，且峰值波长向长波长方向移 动，短波长和长波长 LED的移动分団为 0.2 0.3 nm/ C 和 0.3 0.5 n m/C。(2)光束的空间分布在垂直于发光平面上，正面发光型LED辐射图呈 朗伯分布，即P( 9 )=P0 cos 9，半功率点辐射角9120侧面发光型LED 0 11A120, 9丄”2535由于B 大LED与光纤的耦合效率一般小于10%(3)输出光功率特性。发光二极管实际输出的光子数远远小于有源区产生的 光子数，一般外

28、微分量子效率n d小于10%两种 类型发光二 极管的输出光功率特性如图所示。驱动电流I较小时，P - I曲线的线性较好；I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P - I曲线的斜率减 小。输出功率/ mWOC讲解板书课件演示动画演示50 100 150电流/mA3.1.5 半导体光源一般T生能和应用半导体光源的一般性能表：LED通常和多模光纤耦合，用于1.3卩m(或0.85卩m)波长的小容量短距离系统。因为LED发光面积和光束辐射角较大，而多模SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。LD通常和G.652或G653规范的单模光纤耦合，用于1.3卩m或1.55卩m大容量长距离系统。分布反馈激光器（DFBLD）主要和G.653或G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量 的新型光纤系统。章节名称：第3章3.2光检测器322 PIN 光电二极管 （2学时100分钟）一、 教学目的及要求：1、了解系统对光检测器的要求；2、掌握半导体光检测