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1、第四章 光源及光发射机 第一部分:光源,光纤通信系统,王 翀光信息科学与技术专业西安邮电学院光电子技术系,光源的作用把要传输的电信号转换成光信号发射出去。对光源的基本要求(1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高(2)调制方法简单(3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配(4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率(5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好(6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转(7)光源应该是低功率驱动低电压、低电流)，而且电光转 换效率要高,能满足上述基本要求的光源是半导体光源。 半导体激光器(LD) 中、长距离最常用的光源 大容量(高码速)系统 半导体发光二极管(LED
2、)。 短距离、低容量系统 模拟系统。,1基本结构,半导体激光器的基本结构框图,4.1.1 半导体激光器（LD）,2LD的工作原理,（1）半导体材料的能级结构 半导体材料中的电子处于分立能级上，高能级称为导带，低能级称为价带，高、低能级之间称为禁带。则禁带宽度Eg=Ec-Ev 在热平衡状态下，价带能级上的电子总数目NV远多于导带能级上的电子总数目NC，即NVNC。,半导体材料电子能级示意图,（2）半导体材料中电子能态的变化 自发辐射 发出的光子彼此不相干（即传播方向、相位和偏振不同），称为非相干光。 受激辐射 发出的光子彼此相干（即其传播方向、频率、相位、偏振都与外来光子相同），称为相干光。激光
3、二极管输出的就是这种相干光。 受激吸收 在外来入射光的作用下，处在低能级上的电子可以吸收入射光子的能量而跃迁到高能级上 。,在热平衡状态下，半导体材料中同时存在以上三种物理过程，其中自发辐射的概率远大于受激辐射的概率，并且受激辐射的概率与导带上的电子总数NC成正比，受激吸收的概率与价带上的电子总数NV成正比。所以，若要受激辐射占有主导地位，就必须使导带上的电子总数NC 远大于价带上的电子总数NV ，这称为粒子数反转状态。,（3）PN结的能带和电子分布 在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循费米（Fermi）分布，即 在通常室温下，本征半导体、N型半导体和P型半导体都是大多数电子
4、占据低能级位置，没有形成粒子数反转分布，不能对光产生放大作用。,（4）电激励 其作用是使半导体PN结产生一个增益区，使其中的导带电子数远大于价带电子数，形成粒子数反转状态，成为光放大的媒质。（5）光学谐振腔 前、后镜面之间夹有处于粒子数反转状态的PN结半导体材料，构成了光学谐振腔。 其作用是使轴向（垂直于镜面方向）运动的光子在腔内来回多次反射形成光振荡，并激励已处于粒子数反转的半导体材料，不断地产生受激辐射，使放出的光子数目雪崩式地增加。,3LD的类型结构（1）同质结LD 由同一种半导体材料经不同掺杂构成单层PN结，称为同质结LD。 例如：砷化镓（GaAs）同质结LD。,GaAs同质结LD结构
5、示意图,（2）异质结LD 由不同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者称为单异质结LD，后者称为多异质结LD。 例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85m。 InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31m或1.55m，损耗小。,异质结LD结构示意图,半导体光源的发光机理 半导体发光器件是通过电子在能级之间的跃迁而发光的。 在构成半导体晶体的原子内部各个电子都占有所规定的能级。 如果让占据较高能级Ei的电子跃迁到较低能级Ej上，就会以光的形式放出等于能级差的能量，这时能级差Eg和光的振荡频率f之间的关系为,Eg=hf,式中，h为普朗克常数(h=6.626
6、10-34 Js)。,(4.1),半导体发光器件由适当的P型材料和N型材料所构成，两种材料的交界区形成P-N结，如果在P-N结上加上正向电压，则N型区的电子及P型区的空穴源源不断地流向P- N 结区。在那里电子与空穴自发地复合，复合时电子从高能级的导带跃迁至低能级价带而产生与跃迁所释放的能量相等的光子。 在这种情况下，各个光子在时间上及方向上都不相同，这种光称为自发光, 该发光器件叫做发光管。其发光机理如图 4.1 所示。,图 4.1 发光机理示意图 (a) 光的自发辐射； (b) 光的受激辐射,另一种光称为激光，是利用谐振腔产生振荡的原理而获得的。在P-N结的两端加工出两个平行光洁的反射镜面
7、。此镜面垂直于P-N结的平面，和它的长度方向形成一个谐振腔。当施加正向电压于P-N结时，P-N结内首先发出自发光，其中部分光子沿着与反射面垂直的方向前进，这一部分光子受反射镜面的反射，在谐振腔内来回反射。 同时，激光腔内的电子与空穴复合，即激发电子从导带跃迁至价带而产生新的光子。 部分新产生的光子也同样在谐振腔内来回反射。只要外加的电压和电流足够大，那么光子的来回反射将激发更多的光子，产生正反馈作用，使受激发光大为加强，遂产生激光。反射镜面是半透明的，既可使部分光子反射回腔内，也可让部分光子辐射出去。 这种发光器件叫做激光器。,光子能量E和波长之间的变换关系如下：,(4.2),例如, 砷化镓半
8、导体的带隙为1.36 eV，则砷化镓发光二极管的辐射波长=1.2398/1.36=0.91m。该波长处于近红外区，在掺入铝后可改变波长。因此, 短波长光源采用GaAlAs, 而长波长光源用InGaAsP。目前，光纤通信使用的光源，短波长的有GaAlAs激光器(LD)和GaAlAs发光二极管(LED)；长波长的有InGaAsP激光器(LD)和InGaAsP发光二极管(LED)。,4.1.2 光源的分类及特性 在光纤通信系统中，光源的基本功能是将电流形式的电能转变为光能，并将发出的光有效地耦合到光纤中。 光源是光纤通信的核心器件，其种类和性能的好坏在很大程度上决定了系统的类型和性能。光源的种类及特
9、性见表4.1。,表4.1 光源的种类及特性,表4.1 光源的种类及特性,表4.1 光源的种类及特性,表4.2 发光二极管的类型及特点,激光器的模式有纵模和横模之分。在与激光器谐振腔轴平行方向(即纵向)的电磁场分布(即模式)称为纵模；在与激光器谐振腔轴垂直方向(即横向)的电磁场分布(酱模式)称为横模。纵模反映了激光器光强随波长的变化情况即光谱特性，激光器有多纵模和单纵模之分。多纵模激光器输出的光谱中包含若干个纵模，纵模在光谱中是一根根离散的线谱，不同纵模上的光能量(即光强)分布是不同的，其中有一个纵模光强最大的称为主模， 主模旁边的其它纵模光强都较小的称为旁模或边模。单纵模激光器只有一个纵模能够
10、正常工作，其它纵模都受到抑制，是实现单模工作的激光器。横模反映了激光器输出光束光强的空间分布，即方向特性的集散程度，直接影响到光源与光纤的耦合效率。,在实际应用中，为了使发射波长与光纤通信系统的低损耗或低色散波长区相吻合，光源又按发射波长分为两大类，即短波长(0.80.9 m)波段光源和长波长(1.21.7 m)波段光源， 而长波段光源又分为1.3m波长光源和1.55 m波长光源两种。 按照材料特性光源可分为两大类，即半导体光源器件和非半导体光源器件。半导体光源器件包括发光二极管和半导体激光器。 短波长半导体光源器件是利用AlGaAs/GaAs材料制成的， 而长波长半导体光源器件则是利用InG
11、aAsP/InP材料制成的。 两者都是多层外延， 形成双异质结。,4.1.3 半导体激光器的原理和结构,1. P-N结半导体激光器,P-N结半导体激光器也叫同质结半导体激光器。 它是结构最简单的半导体激光器。下面以GaAs激光器为例进行讨论。 GaAs激光器的结构如图 4.2 所示，它的核心部分是一个P-N结。 P-N结由P+ GaAs 和N+GaAs构成， 激光就是由P - N结结区发出的， 因此P - N结也叫作用区。,图 4.2 P-N结半导体激光器结构简图,P-N结的两个端面是按照晶体的天然解理面切开的，相当于反射镜。它们的反射系数约为0.32，若将表面涂敷可得到很高的反射系数。这就组
12、成了光学谐振腔。典型的尺寸为长L=250500 m, 宽W=510 m, 厚d=0.10.2 m。 半导体激光器在正向偏压下工作， 外加电压就是电的泵浦源。在正向偏压的作用下，电子流不断注入P-N结，使P-N结的载流子失去平衡而处于粒子数反转状态。当那些高能级上的粒子向低能级跃迁时就发出光子。光学谐振腔起反馈及选频作用， 光束在这里来回反射而得到增强。当满足振荡条件时，就可得到激光。,2. 异质结半导体激光器,异质结激光器分单异质结激光器和双异质结激光器。根据工作波长的不同，所用的材料也不同。图4.3 给出了应用在=0.840.9m的单异质结激光器与双异质结激光器结构简图。 它们是用GaAs材
13、料与GaAlAs材料制成的。,图 4.3 异质结半导体激光器的结构示意图(a) 单异质结激光器； (b) 双异质结激光器,材料Ga1-xAlxAs是指在GaAs材料中掺入AlAs而形成的，叫做砷镓铝三元素晶体。下标x与1-x是指AlAs与GaAs的比例。若总数为1，则AlAs占x份，而GaAs占1-x份，P-Ga1-xAlxAs与n-Ga1-xAlxAs各代表P型与N型砷镓铝材料。为了简化，一般常用P-GaAlAs，N-GaAlAs这样的表示法，只有特殊需要时才标明其x值。这种合成材料的折射率、禁带宽度、损耗等都与GaAs材料不同，它与GaAs是不同的物质。,在半导体激光器件中，异质结起着重要
14、的作用。异质结是由两种不同的材料构成的，在本例中是由GaAs和GaAlAs结合而成的。根据形成异质结的两种材料的导电类型， 异质结又分反型异质结与同型异质结两种。反型异质结是由导电类型相反的两种不同材料形成的，例如由N型GaAs与P型GaAlAs或P型GaAs与N型GaAlAs材料构成。前一种记为N-P GaAs-GaAlAs，后一种记为P-N GaAs-GaAlAs。同型异质结是由导电类型相同的两种不同材料形成的，例如由P-GaAs和P-GaAlAs或N-GaAs和N-GaAlAs构成， 它们各记为P-P GaAs-GaAlAs和N-N GaAs-GaAlAs。,4.1.4 半导体激光器的特
15、性 1. 伏安特性 半导体激光器通常在正向偏压下工作。当接通电源后，激光器并不立即产生电流，而有一个导通电压(一般在1V以下)。当外加电压超过此电压后，电流随外加电压而增大。在阈值(门限值)以上， 半导体激光器的伏安特性可用下式表示：,(4.3),式中，Eg为禁带能量，取决于材料本征值，由Eg=hf决定。e为电子电荷。Rs为二极管串联电阻。,图4.4所示为GaAlAs激光器的伏安特性曲线。通常要求在阈值附近电压U2 V, Rs5 ，以防烧坏管子。,图 4.4 激光器伏安特性曲线,2. 激光器输出光功率特性,图 4.5 激光器P-I特性 (a) LD的P-I曲线； (b) LD的P-I曲线扭折现
16、象,1) 微分量子效率d 激光器输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，定义为微分量子效率，即,(4.4),式中，Po/I就是P-I曲线的斜率。室温下，GaAlAs激光器的d40%50%。,2) 功率转换效率p 激光器的输出光功率与器件消耗电功率之比， 定义为功率转换效率， 即,(4.5),式中，Po是在电流I时的发射光功率。器件的功耗取决于串联电阻和热阻，它随电流增加而增加。通常用于光通信的半导体激光器， 功率转换效率约为5%10%。,在光通信用半导体激光器中，对微分量子效率不要求过高，否则将产生自脉动现象和光反射噪声。一般尾纤输出的P-I曲线斜率P/I0.8 mW/10 mA较为适宜。P-
17、I曲线无扭折。 有扭折则出现光的脉动现象。要求在阈值附近的荧光输出功率尽量小(50W)才能保证输出光功率的消光比(10%)满足要求。,图 4.6 激光器的光场,3. 激光器的光场 激光器发射的光功率的光场典型情况如图 4.6 所示。,一个良好的激光器输出的光功率分布如图4.7 中的实线所示， 它只有一个光斑， 激射的是0阶模或称为单横模。 一个具有 1 阶模的情况如虚线所示，它具有两个光斑。 自发辐射的光功率分布如点画线所示。在光纤通信中，为了使光能的大部分耦合到光纤中去， 所以一般要求激光器激射单横模。 激光器的发光面积是很小的， 约 120 m。 其发散角一般为515。,图 4.7 激光器
18、的光功率空间分布,4. 激光器的光谱特性 光源谱线宽度是衡量器件发光单色性的一个物理量。激光器发射光谱的宽度取决于激发的纵模数目。观察半导体激光器的光谱， 可以看到激光器的光谱随激励电流而变化。当激励电流低于阈值电流时，发出的是荧光，这时的光谱很宽。当电流增大到阈值时，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加， 这表明出现了激光。由此可知，光谱变窄，单色性加强是半导体激光器达到阈值时的一个特征。因而可通过激光器光谱的测量来确定阈值电流。 短波长GaAlAs激光器的光谱特性如图4.8(a)所示。它只有一根谱线，称为单纵模。有些激光器的谱线如图4.8(b)所示， 它具有几根谱线，称为多纵模。 激光器
19、的激射频率会随注入电流微量变动，如图4.9所示。,图 4.8 GaAlAs LD的谱线 (a) 单纵模； (b) 多纵模,图 4.9 激射频率随注入电流变动,5. 激光器的调制特性(瞬态特性),图 4.10 激光器调制的频率特性,张弛振荡。,图 4.11 激光器脉冲调制状态下的张弛振荡,典型激光器的脉冲调制特性如图 4.11 所示。,(2) 自脉动现象。 自脉动现象不是所有激光管都有。在P-I曲线有明显扭折的激光器中， 如图4.12(a)所示，当注入电流达到某一值时(通常在P-I曲线发生扭折的区域内)， 输出光脉冲呈现出如图4.12(b)所示的持续的等幅振荡，这种现象称为激光器的自脉动现象。自
20、脉动现象振荡频率很高，约 600 MHz， 对输出光脉冲起高频干扰作用， 这是人们所不希望的现象。,图 4.12 激光器的自脉动现象(a) 激光器P-I曲线的扭折现象；(b) 激光器的自脉动现象,(3) 张弛振荡与自脉动现象同时存在。 当激光器受激辐射后，先出现一种张弛振荡过程，紧接着发生自脉动现象，如图4.13 所示，这种现象并不普遍，一旦发生会辐射出两种波长的光。,图 4.13 激光器的张弛振荡、自脉动现象,6. 激光器的温度特性 半导体激光器阈值电流随温度增加而加大。尤其是工作于长波长波段的InGaAsP激光器，阈值电流对温度更敏感。 半导体激光器输出光功率阈值电流曲线受温度变化影响见图
21、4.14和图4.15。,图 4.14 短波长LD温度特性,图4.15 长波长LD温度特性,7. 激光器的寿命 激光器的寿命可以用阈值电流的增值来估量。通常激光器的阈值随使用时间增长而增大。经验表明，激光器的阈值增大在50%内， 能继续工作， 当阈值增达 3 倍时，激光器将迅速损坏。 目前， 激光器的寿命尚是一个薄弱环节。 它对光纤通信系统的可靠性有决定性作用。,半导体激光器最大的缺点是: 激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差. 但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高.目前半
22、导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用.,在长距离、大容量光纤通信系统中，需要线宽窄、高速调制(即动态)下仍能在单纵模工作的半导体激光器动态单纵模半导体激光器。目前，最为成功和应用最为广泛的激光器是一种称为分布反馈(DFB)激光器的器件。这种器件在内部有源层上蚀刻有一层皱纹层，形成光栅，利用光栅尖锐的波长选择特性只允许一种特定的模式能够传输，同时抑制了其它纵模， 形成了单模工作条件。DFB激光器结构及其光谱特性如图4.16所示。图中给出了一个内部的结构示意图及其光谱特性。蚀刻
23、的光栅并不在真正的有源层，而在其上方。光栅和谐振腔能够支持仅有的一个公共谐振纵模， 其波长由布拉格定律决定， 即,4.1.5 分布反馈(DFB)激光器,图4.16 DFB激光器结构及其光谱特性,4.1.6 发光二极管,1. 输出光功率特性 发光二极管的输出光功率P与电流I的关系曲线如图 4.18 所示。当注入电流较小时，发光二极管的输出功率曲线基本是线性的。所以LED广泛用于模拟系统。 但电流太大时，由于PN结发热而出现饱和状态。其输出特性虽比LD好， 但远不是完全线性的。因此，当传输彩色电视图像信号时，其非线性失真问题必须考虑。为此，其驱动电路里应增加预失真补偿网络。由于非线性比较差，因此不
24、能在大容量的频分多路通信中使用。,图4.17 发光二极管的光场（a）面发光管；（b）边发光管,图 4.18 LED输出光功率与电流的关系曲线,图 4.19 LED的辐射光谱,2. 光谱特性 LED的光谱特性如图 4.19 所示。 LED的辐射光谱比LD宽很多，如长波长谱宽可达 100 nm， 短波长LED也有数十纳米。由于光谱宽，光纤材料色散会引起较大的光脉冲展宽， 限制了传输速率和距离。,3. 调制特性 发光二极管的调制特性如图 4.20 所示。一般LED的最高调制频率为2060 MHz。随驱动电流不同，调制速率也有所改变，一般在电流密度大时调制速率较高。改进的LED调制速率可达 1 GHz
25、。 4. 温度特性 温度对发光二极管的光功率影响比半导体激光器要小。例如，边发射的短波长管和长波长管，在温度由20 上升至70 时，发射功率分别下降为1/2和1/1.7(在电流一定时)。因此， 对温控的要求不像激光器那样严格。其温度特性参见图4.21 及图 4.22。,图 4.20 发光二极管的调制特性,图 4.21 短波长LED,图 4.22 长波长LED,4.1.7 半导体光源与光纤的耦合 在光发射机中，如何减少半导体光源与光纤耦合的损耗， 从而提高耦合效率是一个重要的课题。最简单的耦合方式是直接耦合，即光源与光纤对接。在半导体光源与小数值孔径的光纤对接时，可用下列经验公式粗略估算耦合效率:,(4.6),式中，c为耦合效率，NA为光纤的数值孔径，和分别为光源的垂直光束发散角和水平光束发散角。,对于面发光二极管，=120，则式(4.6)可简化为,(4.7),对于边发光二极管，=120，则式(4.6)可简化为,(4.8),图 4.23 画出了发光二极管和光纤的几种耦合方法。,图 4.23 LED与光纤的耦合方法,图 4.24 半导体激光器与光纤的耦合方法(a) 直接耦合； (b) 球端光纤耦合； (c) 光纤透镜耦合； (d) 自聚焦光纤透镜耦合,
