第三章光源與光發送機2013

第3章光源和光發送機

光纖通信用光源光發送機光源與光纖的耦合3.1光纖通信用光源

光源是光發射機的關鍵器件，其功能是把電信號轉換為光信號。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導體激光二極管或稱激光器(LD)和發光二極管或稱發光管(LED)，有些場合也使用固體激光器。本節首先介紹半導體激光器(LD)的工作原理、基本結構和主要特性，然后進一步介紹性能更優良的分布反饋激光器(DFB-LD)，最后介紹可靠性高、壽命長和價格便宜的發光管(LED)。光纖技術用光源的種類光通信半導體發光二極管（LED－LightEmittingDiode)半導體激光二極管(LD-LaserDiode)光纖傳感半導體發光二極管半導體激光二極管光纖激光器光波長是否可調諧光譜寬度：窄和寬？光功率直接調制特性（強度、頻率、相位，線性、噪聲）：集成受環境影響（溫度、振動、濕度等）工作壽命價格光源的一些重要指標半導體激光器是向半導體PN結注入電流，實現粒子數反轉分布，產生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現光放大而產生激光振蕩的。3.1.1半導體激光器工作原理和基本結構有源器件的物理基礎是光和物質相互作用的效應。在物質的原子中，存在許多能級，最低能級E1稱為基態，能量比基態大的能級Ei(i=2,3,4…)稱為激發態。電子在低能級E1的基態和高能級E2的激發態之間的躍遷有三種基本方式：受激吸收自發輻射受激輻射

(見圖3.1)1.受激輻射和粒子數反轉分布E2E1E2E1hv

初態

終態(b)自發輻射(a)受激吸收

能級與電子躍遷示意圖hvhvhvhv受激發射的光子與原光子具有相同的波長、相位和傳播方向，相干輻射非相干輻射

hv=E2-E1

h=6.626x10-34Js是普朗克常數(c)受激輻射光的自發發射、受激吸收和受激發射自發發射：大量處于高能級的粒子，各自分別發射一列一列頻率為=(E2-E1)/h的光波，但各列光波之間沒有固定的相位關系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向傳播。各光子彼此無關。受激吸收：處于低能級E1的粒子受到光子能量為hv的光照射時，粒子會吸收這種入射光子，并躍遷到高能級E2上。受激發射：處于高能級E2的粒子受到光子能量為的光照射時，粒子會由于這種入射光的刺激而發射出與入射光一模一樣的光子，并躍遷到低能級E1上。有相同的偏振方向和傳播方向。受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即E2-E1=hv

受激輻射和自發輻射產生的光的特點很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自發輻射光是由大量不同激發態的電子自發躍遷產生的，其頻率和方向分布在一定范圍內，相位和偏振態是混亂的，這種光稱為非相干光。受激輻射和受激吸收的區別與聯系自發發射和受激發射的特點自發發射的同時總伴有受激發射發生。在熱平衡情況下，自發發射占絕對優勢。當外界給系統提供能量時，如采用光照（即光泵）或電流注入（即電泵），打破熱平衡狀態，大量粒子處于高能級，即粒子數反轉后，在發光束方向上的受激發射比自發發射的強度大幾個數量級。粒子數正常分布和粒子數反轉在溫度為T的平衡態時，原子中的電子處于能級Ei的數目Ni為（波爾茲曼分布）原子中處于N2和N1的電子數目之比為處于低能級的電子數大于高能級的電子數，這種分布叫做粒子數的正常分布。k是波爾茲曼常數=1.38×10－23J/K，T是熱平衡時絕對溫度。為了實現光放大，必須使處于高能級上的電子數大于低能級上的電子數，這種分布與正常分布相反，故叫做粒子數布居反轉分布，簡稱粒子數反轉。高能態低能態高能態低能態粒子數正常分布和粒子數反轉高能態低能態高能態低能態

hvs

hvS發光原理！半導體的光發射

能帶

量子力學計算表明，固體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立原子的每一個能級,變成了N條靠得很近的能級,稱為能帶。晶體中的電子能級有什么特點？能帶的寬度記作E

，數量級為E～eV一般能帶中兩能級的間距約10-23eV。一般規律：

1.越是外層電子，能帶越寬，E越大。

2.點陣間距越小，能帶越寬，E越大。3.兩個能帶有可能重疊。離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖

n型半導體

電子……多數載流子SiSiSiSiSiSiSiP空穴……少數載流子在n型半導體中在本征半導體中摻入施主雜質，稱為N型半導體

P型半導體SiSiSiSiSiSiSi+B空穴……多數載流子電子……少數載流子在p型半導體中在本征半導體中，摻入受主雜質，稱為P型半導體Ｐ-Ｎ結在一塊n型半導體基片的一側摻入較高濃度的受主雜質，由于雜質的補償作用，該區就成為ｐ型半導體。由于Ｎ區的電子向Ｐ區擴散，Ｐ區的空穴向Ｎ區擴散，在ｐ型半導體和Ｎ型半導體的交界面附近產生了一個電場,稱為內建場。內建場大到一定程度,不再有凈電荷的流動，達到了新的平衡。在p型n型交界面附近形成的這種特殊結構稱為P-N結，約0.1m厚。P-N結n型p型內建場阻止電子和空穴進一步擴散，記作E阻+-

hv+在半導體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態擴展成能級連續分布的能帶。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量Ec和價帶頂的能量Ev之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據禁帶。PN結的能帶和電子分布能量價帶導帶EgEfEf/2Ef/2EgEfEeEvEvEeEgEf(a)本征半導體(b)N型半導體(c)P型半導體空穴電子費米能級在熱平衡狀態下，能量為E的能級被電子占據的概率為費米分布

費米能級——用于描述半導體中各能級被電子占據的狀態，在費米能級，被電子占據和空穴占據的概率相同。在本征半導體中，

Ef位于禁帶中央；N型半導體中Ef

增大；在P型半導體中Ef

減小，能帶發生傾斜。勢壘能量P區EfN區零偏壓時P-N結的能帶傾斜圖EcPEcnEvpEvnhfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內部電場外加電場正向偏壓下P-N結能帶圖獲得粒子數反轉分布

增益區的產生：在PN結上施加正向電壓，產生與內部電場相反方向的外加電場，結果能帶傾斜減小，擴散增強。電子運動方向與電場方向相反，便使N區的電子向P區運動，P區的空穴向N區運動，最后在PN結形成一個特殊的增益區。增益區的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結果獲得粒子數反轉分布。在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產生自發輻射光。3.激光振蕩和光學諧振腔激光振蕩的產生：

粒子數反轉分布（必要條件)+激活物質置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇=連續的光放大和激光振蕩輸出。基本的光學諧振腔由兩個反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構成(如圖3.4所示)，并被稱為法布里-珀羅(FabryPerot,FP)諧振腔。由于諧振腔內的激活物質具有粒子數反轉分布，可以用它產生的自發輻射光作為入射光。

圖3.4激光器的構成和工作原理

(a)激光振蕩；(b)光反饋

式中，γth為閾值增益系數，α為諧振腔內激活物質的損耗系數，L為諧振腔的長度，R1，R2<1為兩個反射鏡的反射率激光振蕩的相位條件為

式中，λ為激光波長，n為激活物質的折射率，q=1,2,3…稱為縱模模數。在諧振腔內開始建立穩定的激光振蕩的閾值條件為γth=α+(3.4)L=q(3.5)28可以看出不同q值，激光器諧振波長不同。兩相鄰諧振波長差通常稱作波長間隔或自由光譜區（FSR）。例：3.1.2、3.1.3（page64）4.半導體激光器基本結構半導體激光器的結構多種多樣，基本結構是圖3.5示出的雙異質結(DH)平面條形結構。

這種結構由三層不同類型半導體材料構成，不同材料發射不同的光波長。圖中標出所用材料和近似尺寸。結構中間有一層厚0.1~0.3μm的窄帶隙P型半導體，稱為有源層；兩側分別為寬帶隙的P型和N型半導體，稱為限制層。三層半導體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體解理面作為反射鏡構成法布里-珀羅(FP)諧振腔。

DH激光器工作原理由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。

P層帶隙寬，導帶的能態比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源層內形成粒子數反轉分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產生的激光被限制在有源區內，因而電/光轉換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續工作。

圖3.6DH激光器工作原理(a)雙異質結構；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布異質結

LED發光原理的PN結是由同一種半導體材料構成的，P區、N區具有相同的帶隙、接近相同的折射率（摻雜后折射率稍有變化，但很小），這種PN結稱為同質結。在同質結中，光發射在結的兩邊都可以發生，因此，發光不集中，強度低，需要較大的注入電流。器件工作時發熱非常嚴重，必須在低溫環境下工作，不可能在室溫下連續工作。為了克服同質結的缺點，需要加強結區的光波導作用及對載流子的限定作用，這時可以采用異質結結構。

3.1.2半導體激光器的主要特性

1.發射波長和光譜特性半導體激光器的發射波長等于禁帶寬度Eg(eV)，由式(3.1)得到

hf=Eg(3.6)不同半導體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發射波長λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85μm波段銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3~1.55μm波段式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分別為發射光的頻率和波長，c=3×108m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到

圖3.7是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。在直流驅動下，發射光波長只有符合激光振蕩的相位條件式(3.5)的波長存在。這些波長取決于激光器縱向長度L，并稱為激光器的縱模。

驅動電流變大，縱模模數變小，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產生的。當驅動電流足夠大時，多縱模變為單縱模，這種激光器稱為靜態單縱模激光器。圖3.7(b)是300Mb/s數字調制的光譜特性，由圖可見，隨著調制電流增大，縱模模數增多，譜線寬度變寬。

圖3.7GaAlAs-DH激光器的光譜特性

(a)直流驅動;(b)300Mb/s數字調制10799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)2.激光束的空間分布激光束的空間分布用近場和遠場來描述。

近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布；

遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。圖3.8是GaAlAs-DH激光器的近場圖和遠場圖，近場和遠場是由諧振腔(有源區)的橫向尺寸，即平行于PN結平面的寬度w和垂直于結平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模。由圖3.8可以看出，平行于結平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現出由多橫模變為單橫模；垂直于結平面的諧振腔厚度t很薄，這個方向的場圖總是單橫模。圖3.8GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣

3.-9典型半導體激光器的遠場輻射特性和遠場圖樣

(a)光強的角分布；(b)輻射光束

圖3.9為典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中θ‖和θ⊥分別為平行于結平面和垂直于結平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。3.轉換效率和輸出光功率特性激光器的電/光轉換效率用外微分量子效率ηd表示，其定義是在閾值電流以上，每對復合載流子產生的光子數(3.7a)由此得到(3.7b)式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅動電流，Pth和Ith分別為相應的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。圖3.10是典型激光器的光功率特性曲線。當I<Ith時激光器發出的是自發輻射光；當I>Ith時，發出的是受激輻射光，光功率隨驅動電流的增加而增加。

圖3.10典型半導體激光器的光功率特性

(a)短波長AlGaAs/GaAs(b)長波長InGaAsP/InP4.頻率特性在直接光強調制下，激光器輸出光功率P和調制頻率f

的關系為P(f)=(3.8a)(3.8b)式中，和ξ分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，Ith和I0分別為閾值電流和偏置電流；I′是零增益電流，高摻雜濃度的LD，

I′=0，低摻雜濃度的LD,I′=(0.7~0.8)Ith；τsp為有源區內的電子壽命，τph為諧振腔內的光子壽命。圖3.11半導體激光器的直接調制頻率特性

圖3.11示出半導體激光器的直接調制頻率特性。弛豫頻率fr

是調制頻率的上限，一般激光器的fr為1~2GHz。在接近fr處，數字調制要產生弛豫振蕩，模擬調制要產生非線性失真。當電流脈沖突然加到LD上時，其光輸出呈現圖示的動態響應，這是注入電子與所產生光子間相互作用的量子力學過程。

Ith=I0exp(3.9)5.溫度特性對于線性良好的激光器，輸出光功率特性如式(3.7b)和圖3.10所示。激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因（1）激光器的閾值電流Ith

隨溫度升高而增大（2）外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不激射了。當以直流電流驅動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴重。當對激光器進行脈沖調制時，閾值電流隨溫度呈指數變化，在一定溫度范圍內，可以表示為

式中，I0為常數，T為結區的熱力學溫度，T0為激光器材料的特征溫度。

GaAlAs–GaAs激光器T0=100~150KInGaAsP-InP激光器T0=40~70K

所以長波長InGaAsP-InP激光器輸出光功率對溫度的變化更加敏感。外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感。圖3.12示出脈沖調制的激光器，由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P-I曲線的變化。圖3.12P-I曲線隨溫度的變化48此外，激光器的發射波長也隨溫度而變化，這是由于半導體帶隙寬帶及半導體折射率隨溫度變化而引起的。例：3.1.6（page79）

3.1.3分布反饋激光器

分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結構(波紋狀)衍射光柵實現光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。

分布反饋激光器的要求：（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調制下保持動態單縱模特性（3）發射光波長更加穩定，并能實現調諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大

圖3.13分布反饋(DFB)激光器

(a)結構；(b)光反饋

如圖3.13所示，由有源層發射的光，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。

光柵周期Λ=m(3.10)ne為材料有效折射率，λB為布喇格波長，m為衍射級數。在普通光柵的DFB激光器中，發生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為(3.11)例：3.1.4及3.1.5（page73）多縱模到單縱模的選頻過程圖3.1.28（page73）DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優點：①單縱模激光器②譜線窄，波長穩定性好③動態譜線好④線性好HitachiHL7851G多量子阱激光二極管輸出光波長：785nm最大輸出光功率：50mw腔長：600微米波長的電流調諧率：0.004nm/mA波長的溫度調諧率：0.05nm/°C增益介質GaAlAs標稱參數：工作溫度25°C時半導體激光器的應用

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3.1.4發光二極管LD和LED的區別

LD發射的是受激輻射光

LED發射的是自發輻射光

LED的結構和LD相似，大多是采用雙異質結(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔，沒有閾值。

圖3.14兩類發光二極管(LED)(a)正面發光型；(b)側面發光型發光二極管的類型：正面發光型LED和側面發光型LED

發光二極管的特點：輸出光功率較小；譜線寬度較寬；調制頻率較低；性能穩定，壽命長；輸出光功率線性范圍寬；制造工藝簡單，價格低廉；適用于小容量短距離系統發光二極管的主要工作特性：

(1)光譜特性。發光二極管發射的是自發輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬，如圖3.15。

圖3.15LED光譜特性(2)光束的空間分布。在垂直于發光平面上，正面發光型LED輻射圖呈朗伯分布，即P(θ)=P0cosθ，半功率點輻射角θ≈120°。

側面發光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于θ大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。

正面發光型LED側面發光型LED(3)輸出光功率特性。發光二極管實際輸出的光子數遠遠小于有源區產生的光子數，一般外微分量子效率ηd小于10%。兩種類型發光二極管的輸出光功率特性示于圖3.16。

驅動電流I較小時，

P-I曲線的線性較好；I過大時，由于PN結發熱產生飽和現象，使P-I

曲線的斜率減小。43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW原理：由正向偏置電壓產生的注入電流進行自發輻射而發光

式中，f為調制頻率，P(f)為對應于調制頻率f的輸出光功率，τe為少數載流子(電子)的壽命。定義fc為發光二極管的截止頻率，當f=fc=1/(2πτe)時，|H(fc)|=，最高調制頻率應低于截止頻率。(4)頻率特性。發光二極管的頻率響應可以表示為|H(f)|=(3.12)

圖3.17示出發光二極管的頻率響應，圖中顯示出少數載流子的壽命τe和截止頻率fc

的關系。對有源區為低摻雜濃度的LED，適當增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。圖3.17發光二極管(LED)的頻率響應3.1.5半導體光源一般性能和應用半導體光源的一般性能表：

3.1和表3.2列出半導體激光器(LD)和發光二極管(LED)的一般性能。

LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統。因為LED發光面積和光束輻射角較大，而多模SIF光纖或G.651規范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。

LD通常和G.652或G.653規范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長距離系統。

分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統。表3.1半導體激光器(LD)和發光二極管(LED)的一般性能-20×50-20×50-20×50-20×50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~10