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1、第五章 发光器件第一页，本课件共有73页 5.1 发光二极管发光二极管LD LD 和和和和LEDLED的区别的区别的区别的区别 LD发射的是受激辐射光受激辐射光 LED发射的是自发辐射光自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双双异异质质结结(DH)芯芯片片，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。第二页，本课件共有73页第三页，本课件共有73页1）受激吸收第四页，本课件共有73页2）自发辐射第五页，本课件共有73页3）受激辐射第六页，本课件共有73页 自发辐射特点:产生的光子具有随机的方向，相位和偏振态彼此无关，出射光为非相干光。半导体发光二极管(L
2、ED：light Emitting diode)就是利用这种自发辐射效应而发光。受激辐射特点：发射的光子与入射光子具有相同的频率、方向、偏振态和相位，即入射光得到了放大，因此出射光为相干光。半导体激光器(LD：LaserDiode)正是利用这个原理制成的。第七页，本课件共有73页受激辐射受激辐射和受激吸收受激吸收的区别与联系 受受激激辐辐射射是受受激激吸吸收收的逆过程。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波尔条件，即 E2-E1=hf12 (5.1)式中，h=6.62810-34Js，为普普朗朗克克常常数数，f12为吸收或辐射的光子频率。受激辐射受激
3、辐射和自发辐射自发辐射产生的光的特点很不相同。受受激激辐辐射射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光相干光。自自发发辐辐射射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，这种光称为非非相相干干光光。第八页，本课件共有73页 产生受受激激辐辐射射和产生受受激激吸吸收收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态热平衡状态时，存在下面的分布 (5.2)式中，k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以
4、在这种状态下，总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。第九页，本课件共有73页 受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受受激激吸吸收收大大于于受受激激辐辐射射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质吸收物质。如果N2N1，即受受激激辐辐射射大于受受激激吸吸收收，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激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子粒子(电子电子)数反转分布数反转分布。问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?这个问题将在下面加以叙述。第十页，本课件共有
5、73页势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env零偏压时P-N结的能带倾斜图；第十一页，本课件共有73页h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P-N结能带图获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布获得粒子数反转分布 第十二页，本课件共有73页 增益区的产生：增益区的产生：在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒粒子子数数反转
6、分布反转分布。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光自发辐射光。第十三页，本课件共有73页 由于限制层的带隙比有源层宽，施加正正向向偏偏压压后，P层的空穴空穴和N层的电子电子注入有源层有源层。P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电电子子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源层内形成粒粒子子数数反反转转分分布布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区有源区
7、内，因而电/光转换效率很高.异质结结构的优点异质结结构的优点:第十四页，本课件共有73页5.1.4 结构和工作原理1.结构表面发光型 (见图5.3(a)端面发光型 (见图5.3(b)2.两种结构的远场特性与光纤耦合第十五页，本课件共有73页 图 5.4两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型 发光二极管的类型发光二极管的类型发光二极管的类型发光二极管的类型：正面发光型正面发光型LED和和端面发光型端面发光型LED 第十六页，本课件共有73页1.LED 结构结构第十七页，本课件共有73页2 2发光二极管的特点发光二极管的特点发光二极管的特点发光二极管的特点：输出光功率较小；谱线
8、宽度较宽；调制频率较低；性能稳定，寿命长；输出光功率线性范围宽；制造工艺简单，价格低廉；适用于小容量短距离系统 3 3发光二极管的主要工作特性发光二极管的主要工作特性发光二极管的主要工作特性发光二极管的主要工作特性：(1)光谱特性。发光二极管发射的是自自发发辐辐射射光光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽谱线较宽，如图5.5。第十八页，本课件共有73页 图 5.15LED光谱特性 第十九页，本课件共有73页 (2)光束的空间分布。在垂直于发光平面上，正正面面发发光光型型LED辐射图呈朗朗伯伯分分布布，即P()=P0 cos，半功率点辐射角120。端端面面发发光光型型LED，120，2535。由于
9、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，一般外微分量子效率d小于10%。两种类型发光二极管的输出光功率特性示于图5.6。第二十页，本课件共有73页第二十一页，本课件共有73页第二十二页，本课件共有73页5.1.5 输出特性输出特性1.输出功率特性：光输出功率与电流大小间的关系1）光出射效率v决定光出射效率的因素：由晶体和空气的折射率所决定的全反射。全反射越大越好.v影响光输出特性的因素：光出射效率和温度上升效应第二十三页，本课件共有73页2）温度上升效应由器件固有的热阻而引起的v使得光输出功率不与电流成正比.2 在
10、光纤通信的应用对电信号的调制第二十四页，本课件共有73页1 输出特性曲线第二十五页，本课件共有73页第二十六页，本课件共有73页2.对输入电信号的调制模拟电信号第二十七页，本课件共有73页LED通常和多多模模光光纤纤耦合，用于1.3 m(或0.85 m)波长的小容量短距离系统。因为LED发发光光面面积积和光光束束辐辐射射角角较大，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耦合效率，增加入纤功率入纤功率。LD通常和G.652或或G.653规范的单单模模光光纤纤耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量长距离系统。分分布布反反馈馈激激光光器器(DFB
11、-LD)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。第二十八页，本课件共有73页5.2 激光二极管5.2.1.半导体激光器的种类和用途1.什么是半导体激光器2.结构和原理3.分类5.在光纤通信中的应用4 半导体激光器的主要性能第二十九页，本课件共有73页 半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件。只有在工作电流超过阈值电流的情况下，才会输出激光(相干光)，因而是有阈值的器件。1.什么是半导体激光器什么是半导体激光器(LD)第三十页，本课件共有73页2.结构与工作原理结构与工作原理 半导体激光器的结构与半导体发光二极管的结构类似。通常也
12、是由P层、N层和形成双异质结构的有源层构成。和LED所不同的是，它的有源层厚度比发光二极管的要薄，一般只有几 ，有源层的结构中还具有使光发生振荡的谐振腔。双异质结半导体激光器粒子数反转分布的形成过程与前面所述LED情况大致相同。有源层的折射率大于两边限制层的折射率。第三十一页，本课件共有73页第三十二页，本课件共有73页 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
13、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.原理原理:半导体激光器发光利用的是受激辐射原理。第三十三页，本课件共有73页 但是仅仅有放大功能还不能形成振荡，必须要有正反馈正反馈才行。为了实现光的放大反馈，需要采用使光来回反射的光学谐振腔光学谐振腔。最基本的光学谐振腔是由两块互相平行的反射镜构成，称之为法布里一珀罗谐振腔。半导体激光器就是在垂直于PN结的两个端面，按晶体的天然解理面切开而形成相当理想的反射镜面。光在谐振腔中的两个反射镜面之间往复反射。其中一个是全反射镜面，另一个是部分反射镜面，这样谐振腔内的光能由该镜面透射出来，形成输出激光。第三十四页，本课件共有73页第三
14、十五页，本课件共有73页v 要能得到相干的受激发射激光输出，需满足两个基本条件：2）激光振荡的阈值条件（包含振幅和相位）1）粒子数反转粒子数反转必要条件反转的粒子数增益大于有源层内的各种损耗。振幅条件它决定激光器的阈值第三十六页，本课件共有73页 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，R21为两个反射镜的反射率 激光振荡的相位条件为激光振荡的相位条件为 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。在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 th=+(5.4)L=q(5.5)第三十七页，本课件共有73页满足粒子数反
15、转的条件：对于同质结，为满足上式，需要对p型和n型半导体都重掺杂。采用异质结后就不需要重掺杂了。采用异质结的好处：一是利用两种材料禁带宽度的不同可以很好地限制载流子浓度在有源区，另一个优点是由于两种介质的折射率不同，即利用了折射率之差构成良好的波导。第三十八页，本课件共有73页 图 5.7 激光器的构成和工作原理 (a)激光振荡；(b)光反馈 第三十九页，本课件共有73页 4.半导体激光器基本结构半导体激光器基本结构 半导体激光器的结构多种多样，基本结构是图5.8示出的双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。
16、结构中间中间有一层厚0.10.3 m的窄带隙P型半导体，称为有源层有源层；两侧两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层限制层。三层半导体置于基片基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。第四十页，本课件共有73页第四十一页，本课件共有73页 图 3.6 DH激光器工作原理(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布 DH激激光光器器工工作作原原理理第四十二页，本课件共有73页 3.1.2 半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性 1.发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的发发射射波波长长等于禁禁带带宽宽度度Eg(eV
17、)，由式(3.1)得到 h f=Eg(3.6)不同半导体材料有不同的禁带宽度禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长发射波长。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85 m波段 铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.31.55 m波段式中，f=c/，f(Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长，c=3108 m/s为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数，1eV=1.610-19 J，代入上式得到第四十三页，本课件共有73页 图5.8是GaAlAs-DH激光器的光谱特性。在直流驱动下，发发射射光光波波长长只有符合激光振荡的相相位位的波长存在。这些波长取决于激光器纵
18、向长度激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模纵模。驱动电流变大驱动电流变大，纵模模数变小纵模模数变小，谱线宽度变窄，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光光波波频频率率和方方向向的选择，使边边模模消消失失、主模增益主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多多纵纵模模变为单单纵纵模模，这种激光器称为静静态单纵模激光器态单纵模激光器。图5.8(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性，由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。第四十四页，本课件共有73页 图 5.8 GaAlAs-DH激光器的光谱特性 (a)直流驱动;(b)300 Mb/s数字调制 0799 800 801 802I
19、m/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826 824 822 820(a)(b)第四十五页，本课件共有73页 2.激光束的空间分布激光束的空间分布 激光束的空间分布用近场近场和远场远场来描述。近场近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。图5.9是GaAlAs-DH激光器的近场图和
20、远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模横模。由图5.9可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模单横模。第四十六页，本课件共有73页图 5.9 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样 第四十七页，本课件共有73页 3.-9典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样 (a)光强的角分布；(b)辐射光束 图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。第
21、四十八页，本课件共有73页3.转换效率和输出光功率特性转换效率和输出光功率特性 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，每对复合载流子产生的光子数光子数(5.7a)由此得到(5.7b)式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，h f 和e分别为光子能量和电子电荷。第四十九页，本课件共有73页图5.10是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth 时，发出的是受激辐射光受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。第五十页，本课件共有73页 图 5.10 典型半导体激光器的光功率特性 (a)短波长AlGaAs/GaAs (b)长波长
22、InGaAsP/InP 第五十一页，本课件共有73页4.频率特性频率特性 在直接光强调制下，激光器输出光功率光功率P和调制频率调制频率f 的关系为 P(f)=(5.8a)(5.8b)式中，和分别称为弛弛豫豫频频率率和阻阻尼尼因因子子，Ith 和I0分别为阈值电流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的LD，I=0，低掺杂浓度的LD,I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的电子寿命，ph为谐振腔内的光子寿命。第五十二页，本课件共有73页图 5.11 半导体激光器的直接调制频率特性 图5.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr 是调制频率的上限，一般激光器的fr 为12 GHz。
23、在接近fr 处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。第五十三页，本课件共有73页 Ith=I0 exp(5.9)5.温度特性温度特性 对于线性良好的激光器，输出光功率特性如式(5.7b)和图5.10所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因（1）激光器的阈阈值值电电流流Ith 随温度温度升高而增大增大（2）外微分量子效率量子效率d随温度温度升高而减小减小。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。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，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为第
24、五十四页，本课件共有73页 式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度。GaAlAs GaAs 激光器T0=100150 K InGaAsP-InP 激光器T0=4070 K 所所以以长长波波长长InGaAsP-InP激光器输出光光功功率率对温温度度的变化更加敏感。外微分量子效率随温度的变化不十分敏感。图5.12示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P-I曲线的变化。第五十五页，本课件共有73页图 5.12 P-I曲线随温度的变化 第五十六页，本课件共有73页 5.2.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 分分布布反反馈
25、馈(DFB)激光器用靠近有有源源层层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍衍射射光光栅栅实现光反馈。这种衍衍射射光光栅栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。分布反馈激光器分布反馈激光器的要求：（1）谱线宽度谱线宽度更窄 （2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性动态单纵模特性 （3）发射光波长光波长更加稳定，并能实现调谐 （4）阈值电流阈值电流更低 （5）输出光功率光功率更大第五十七页，本课件共有73页 图 5.13 分布反馈(DFB)激光器 (a)结构；(b)光反馈 第五十八页，本课件共有73页 如图5.13所示，由有源层有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如光线a)，另
26、一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如光线b)。光栅周期=m(5.10)ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激激光光振振荡荡的有两个阈阈值值最低、增益相同的纵模纵模，其波长为(5.11)第五十九页，本课件共有73页 DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：优点：单纵模激光器单纵模激光器 谱线窄，谱线窄，波长稳定性好波长稳定性好 动态谱线好动态谱线好 线性好线性好第六十页，本课件共有73页半导体激光器 在光纤通信中的应用第六十一页，本课件共有73页第六十二页，本课件共有73页1)模拟光纤通信对半导体激光器的要求第六十三页，
27、本课件共有73页第六十四页，本课件共有73页vLED与 LD的优缺点1）LED 特点第六十五页，本课件共有73页2）LD的特点：第六十六页，本课件共有73页1 光纤通信系统中常用的光检测器主要有：作作 业业a 激光器、发光二极管；b 分布反馈激光器、PIN光电二极管；c 半导体PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管；d PIN光电二极管、半导体激光器LD。第六十七页，本课件共有73页2 光源的作用是：a 产生输入光波信号；b 将电信号电流变换为光信号功率，即实现电-光转换；c 产生输入光功率；d 光波对电信号进行调制，使其载荷信息在光纤中传输。第六十八页，本课件共有73页3 在激光器中，光的放
28、大是通过：A 光学谐振腔来实现；B 泵浦光源来实现；C 粒子数反转分布的激活物质来实现；D 外加直流来实现。第六十九页，本课件共有73页5 光电二极管由于耗尽区是产生光生载流子的主要区域，因此要求：A 入射光尽可能地少在耗尽区内吸收；B 二极管有宽的耗尽区 C 二极管有窄的耗尽区 D 二极管必须外加正向偏压 第七十页，本课件共有73页6 光电二极管是 A 将接收的光功率全部转换为电功率，即满足能量守恒定律 B 将接收的光信号功率转换为倍增电流，即实现信号的放大 C 将接收的光功率一部分转换为电功率，一部分转换为热量 D 将接收的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电转换 第七十一页，本课件共有73页光与物质的粒子体系的相互作用主要有三个过程是：，产生激光的最主要过程是：。第七十二页，本课件共有73页7、激光器主要由几部分组成？各部分的作用是什么？8.半导体发光二极管与半导体激光器的本质区别是什么？第七十三页，本课件共有73页