光纤通信光源与光发送机

Ec
Eg Ef Ev
(c) P型半导体
一、原子能级和半导体的能带
价带中的电子由于受到紧约束而不能自由运动
导带中的电子则可自由运动，如果有外加电场存在， 就可形成电流
禁带是不能为电子所占据的能量状态，禁带的宽度
称为带隙能量，用Eg表示
能量
导带
Ec
Eg /2
Eg
Ef
Eg
Eg /2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
E3 E2 E1
一、原子能级和半导体的能带
由于半导体光源的材料是单晶体，其内部原子是紧 密地按一定规律排列在一起的，并且原子最外层的 轨道是相互重叠的，从而使它们的能级形成能带 半导体的能带由价带、禁带和导带构成
能量
导带
Ec
Ec
Eg /2
Eg
Ef
Eg
Ef
Eg /2
Ev
Ev
价带
(a) 本征半导体
(b) N型半导体
1．粒子数反转分布
在外界足够强的激励源（泵浦源）作用下，能够形 成粒子数反转分布的物质，称为激活物质或增益物 质 可以利用适当的半导体材料作为激光工作物质（激 活物质）制造出半导体光源
1．粒子数反转分布
半导体激光器通 常采用外加正向 电压激励形成粒 子数反转分布
内部电场
P区
能量
p
Ec
P区
p
Ev
PN 结空 间电 荷区
第4章 光源与光发送机
第4章 光源与光发送机
光发送机是光纤通信系统的基本组成部分之一，它 的作用是将电信号转换为光信号，并将光信号以最 大效率耦合进光纤线路 光源是光发送机的核心器件，是发光器件 光纤通信中应用的光源主要有
半导体激光器（LD，Laser Diode） 半导体发光二极管（LED，Light Emitting Diode）
4．温度特性
半导体激光器的阈值电流、输出光功率和输出光波 波长随温度变化的特性称为温度特性 双异质结半导体条形激光器的温度特性曲线如图
二、半导体激光器的特性
半导体激光器仍然属于半导体二极管，具有二极管 的一般特性（如伏安特性） 还具有特殊的光频特性
1．激光器的P-I特性
激光器的P-I特性曲线表明激光器输出光功率（输 出）与注入电流（输入）变化的关系
阈值
2．激光器效率
可用功率转换效率和量子效率衡量激光器转换效率 的高低
外微分量子效率ηd是用来衡量激光器的电／光转 换效率高低的一个参量，其定义为：激光器输出光 子数的增量与注入电子数的增量之比
一、半导体激光器的结构
半导体激光器LD按纵向（垂直于PN结）结构的不 同，可分为同质结LD、单异质结LD和双异质结 LD
一、半导体激光器的结构
由同一种半导体材料构成的同质结中，在PN结的 两边光发射都可以发生，因此，发光不集中，强度 低，需要较大的注入电流 通过加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用， 可采用由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构 成的PN结异质结结构 实际使用的所有半导体激光器都是多层异质结器件
半导体发光二极管就是基于自发辐射发光机制的发 光器件
二、光与物质的相互作用
受激辐射
在高能级E2上的电子，受到入射光的作用，由高能级跃 迁到低能级上，并释放一个能量为hf = E2 - E1的全同 光子 全同光子是指受激辐射产生的与入射光子的能量、相位、 偏振和传播方向完全相同的光子
半导体激光器就是基于受激辐射发光机制的发光器 件
能量 Eg
导带
Ec Eg /2
Ef
Eg
Eg /2
Ev
价带
Ec
Ec
Ef Eg Ef
Ev
Ev
(a) 本征半导体
(b) N型半导体
(c) P型半导体
二、光与物质的相互作用
光具有波粒二象性
一方面光是电磁波，有确定的波长和频率，具有波动性， 会产生反射、折射、衍射、干涉、偏振等，电磁波满足 电磁波方程即麦克斯韦方程 另一方面，和所有运动的粒子一样，光具有能量、动量 和质量，也能产生压力，即光是由大量光子构成的光子 流，每个光子都有一定的能量E，具有粒子性
根据现代量子物理学的观点，构成物质的原子的能 量只能取一系列分离值 也就是说原子的能量状态是量子化的，这些分离的 能量状态称为能级
E3 E2 E1
一、原子能级和半导体的能带
在正常状态下，原子处于最低能级，电子在离核最 近的轨道上运动的定态称为基态或基能级 原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级，电子在较 远的轨道上运动的定态称为激发态或高能级
Ev
Ev
(a) 本征半导体
(b) N型半导体
(c) P型半导体
一、原子能级和半导体的能带
一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现 的，用费米能级Ef 位于禁带中央来表示 在N型半导体中，Ef 增大，导带的电子增多，价 带的空穴相对减少
源自文库
在P型半导体中，Ef 减小，导带的电子减少，价带
的空穴相对增多
100% 反射率
2．激光器的构成和工作原理
两个反射镜之间是工作物质，工作物质在泵浦源的 激发下，实现粒子数反转分布，构成有源区 由于高能级上的粒子不稳定，会自发向低能级跃迁， 并释放一个能量为Eg的光子
2．激光器的构成和工作原理
这些自发辐射的光子在运动过程中，又会激发高能 级上的粒子，从而引起受激辐射，释放出与激光光 子全同的光子，使光得到放大，当达到一定强度后， 就从部分反射镜出射，形成激光
一、半导体激光器的结构
半导体激光器的受激辐射光是由电子在价带与导带 之间连续分布的能级间跃迁产生的 可以采用法布里－帕罗（F-P）谐振腔结构 不过，在半导体激光器中，这种谐振腔要小得多
一、半导体激光器的结构
其长度约为200~500μm、宽度为5~15μm、 厚度为0.1~0.2μm
一、半导体激光器的结构
二、光与物质的相互作用
受激吸收
当外界入射光子能量hf近等于能级E1与E2能量差时， 电子就吸收光子，由E1跃迁到E2能级
半导体光检测器就是基于受激吸收工作的光电器件
三、激光器的工作原理
尽管激光器有各种各样形式的不同，但各种激光器 产生激光的基本工作原理相同
1．粒子数反转分布
在热平衡状态下，高能级上的电子数N2总是比低 能级上的电子数N1少 这种电子数的分布状态称为粒子数的正常分布状态 大部分入射光子被吸收掉，以至于受激辐射实际上 可以忽略不计
扩散 漂移
N区
n
Ec 势垒
Ef N区
n
Ev
p
Ec
hf
p
Ef
p
Ev
n
Ec
n
hf
Ef
n
Ev
(a) PN结载流子运动 (b) 零偏压时能带图 (c) 正向偏压下PN结能带图
内部电场 外加电场
电子，
空穴
2．激光器的构成和工作原理
激光器是一种光自激振荡器。包括：
产生激光的工作物质（激活物质）。也就是处于粒子数 反转状态的发光物质，是激光器的组成核心，产生激光 的必要条件。工作物质可以是气体、液体或固体。半导 体激光器的工作物质是半导体材料。 能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵 浦源）。 能够完成频率选择及正反馈作用的光学谐振腔，形成激 光振荡，输出激光
1．粒子数反转分布
在同一物质内，光和物质相互作用的三个过程是同 时存在的 为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射或受 激辐射的几率大于受激吸收的几率，这就要求高能 级上的电子数多于低能级上电子数，这种电子数的 分布状态称为“粒子数反转分布”状态 由于这是一种非平衡状态，因此需要通过各种“泵 浦”（激励）技术来实现粒子数反转
3．光谱特性
当注入电流低于阈值时，发射光谱以自发辐射为主， 发出的是荧光 当注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益大于损耗， 产生激光振荡，其发射光谱变窄，谱线中心强度急 剧增加
3．光谱特性
激光器产生的激光有单模和多模 单模激光器（SLM）是指激光器发出的激光是单 纵模，所对应的光谱只有一个谱线 当有很多谱线时，即为多纵模激光器（MLM）
3．激光的产生条件
在谐振腔中，光波在两块反射镜之间往复传输，只 有在满足特定相位的驻波才能得到彼此加强，这种 条件称为相位条件
只有那些与谐振腔轴平行，且往返一次的相位差等 于2π的整数倍的光才能相干增强，形成正反馈， 使光波加强
设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件（或称
驻波条件）为
纵模序数
2nL
第4章 光源与光发送机
4.1 物质与光之间的相互作用 4.2 半导体激光器 4.3 半导体发光二极管 4.4 数字光发送机
4.1 物质与光之间的相互作用
当光进入物质时，与物质原子之间发生相互作用 这种相互作用导致了光纤的色散和非线性现象 这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基 础
一、原子能级和半导体的能带
最 为 常 见 的 谐 振 腔 是 法 布 里 － 帕 罗 （ F-P ， Fabry-Perot）谐振腔
2．激光器的构成和工作原理
两个反射镜组成的光谐振腔
其中一个反射镜（M1）要求有100％的反射率 另一个（M2）要有95％左右的反射率
两个面对面的反射镜来实现光的反馈放大，使其产
生振荡
正反馈
95% 反射率
q
f c cq λ 2nL
3．激光的产生条件
由于受激辐射只在腔轴方向（纵向）形成驻波，因 此称为纵模 不同的q值对应于谐振腔纵方向不同的电磁场分布 状态，一种分布就是一个激光器的纵模 相邻两个纵模的频率间隔是一样的，为 c ，但其
2nL
对应的光强不同，L越大，纵模间距越小
2nL
q
f c cq λ 2nL
光子能量与光波频率之间的关系是 E hf
h = 6.626×10-34 J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数
二、光与物质的相互作用
物质可以发光，光也可以被物质吸收 光的吸收与发射和物质内部能量状态的变化有关 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体 被吸收或发射
二、光与物质的相互作用
研究发现：光与物质原子的电子有三种相互作用机 制，分别是自发辐射、受激辐射和受激吸收
法 布 里 － 帕 罗 腔 半 导 体 激 光 器 的 核 心 是 PN 结 ， PN结的两个端面是按照晶体的天然晶面剖切开的， 表面非常光滑，成为两个平行的镜面，称为解理面 两个解理面之间组成一个光学谐振腔，即法布里－ 帕罗腔（F-P腔） 其作用是提供强的纵向光反馈，得到激光 激光器谐振腔可能会有许多谐振频率，但仅有那些 增益足以克服损耗的频率振荡得以输出
3．激光的产生条件
激光器并不是在任何情况下都可以产生激光，还要 满足一定的振幅平衡和相位平衡条件 振幅平衡条件即是阈值条件，是光的放大和损耗应 满足的平衡条件 将激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的 阈值条件
G 1 ln( 1 )
2L r1r2
激光器的阈值条件决定于光学谐振腔的固有损耗 损耗越小，激光器就越容易起振
3．激光的产生条件
显然，谐振腔内产生的驻波数（即纵模数）q不同， 可得到不同的光波长（或频率），即有无穷多个谐 振频率 具有多个频率（纵模）的激光器称为多纵模激光器
2nL
q
f c cq λ 2nL
4.2 半导体激光器
用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体 激光器（LD），在光纤通信系统中，使用的激光 光源几乎都是半导体激光器 半导体激光器产生的输出光具有强单色性，而且光 束具有很好的方向性 半导体激光器的典型响应时间小于1ns，光谱带宽 小于或等于2nm，并且它们可以和具有小芯径和 小模场直径的光纤实现耦合，注入光纤的功率可达 到几十毫瓦
3．光谱特性
所谓光谱特性是指激光器输出的光功率随波长的变 化情况，一般用光源谱线宽度 来表示，激光器 的 越小越好 对于多纵模激光器，线宽可用半高全宽光谱宽度来 度量
一般含有3~5个纵模，对应的线宽为3~5 nm
对于单纵模激光器，则以光功率峰值下降到20dB 时的功率点对应的宽度评定
约为0.1 nm，甚至更小
E2 hf12
E1
初态
E2
终态
hf12
E1
(a) 受激吸收
(b) 自发辐射
hf12 hf12
(c) 受激辐射
二、光与物质的相互作用
自发辐射
高能级E2上的电子不稳定，即使没有外界的作用，也会 自发地跃迁到较低能级E1上，并释放出一个能量为hf = E2 - E1的光子 自发辐射由于是完全随机的，所产生的光子在相位、偏 振和传播方向上是随机的，输出的光是非相干光
d
P / hf I / e
e hf
P I
2．激光器效率
功率转换效率ηp是用来衡量激光器的电／光转换 效率高低的另一个参量，其定义为：激光器的输出
光功率与器件消耗的电功率之比
注入 电流
p
P0 I 2 Rs
IV
激光器发射 的光功率
激光器的 结电压
3．光谱特性
半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而 是成驻波形式振荡 因此，激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄， 功率不同的尖锐的谱线，称为激光器的纵模