半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管

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1、光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講1 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講2 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講3 1、 光 的 吸 收 和 放 大1） 能 級 和 能 帶2） 能 級 的 光 躍 遷3） 光 的 吸 收 和 放 大2、 半 導(dǎo) 體 激 光 器 中 增 益 區(qū) 的 形 成1) 晶 體 中 載 流 子 的 統(tǒng) 計 分 布2) PN結(jié) 的 能 帶 和 增 益 區(qū) 的 形 成 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講4 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講5 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講6Rsp = rspN2 = N2/sp 無 外 界 作 用 ， 自 發(fā) 光 躍 遷 ； 獨 立 、 自 發(fā) 發(fā)

2、射 ， 非 相 干 光 ； 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講7Rste = WstN2 Wst = C3 () / (8n3h3sp) B () 光子 與 感 應(yīng) 光 子 是 相 干 的 ， 為 全 同 光 子 ； 光 得 到 放 大 。 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講8 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講9 （ 3） 光 的 吸 收 與 放 大設(shè) 光 波 頻 率 為 ， 光 強 為 I ， 經(jīng) 過 原 子 煤 質(zhì) Rste = WstN2 ， 發(fā) 出 光 能 : WstN2 h , 吸 收 光 能 ： WstN1 h 單 位 體 積 中 的 凈 功 率 ： （ N2 -N1） Wst h 光

3、 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講10 InCNNdzdI hn CBW ncI hWNNdzdI spspst st 22 212 33 3 12 8)( )(8)()( )( )( 是 能 量 密 度 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講11 spz nCNN eIzI 22 212 )( 8)()( )0()( 10)(, /)(12 12 12 KkEEeNN NN 吸 收 媒 質(zhì) 熱 平 衡 狀 態(tài) 0)(, 12 NN放 大 媒 質(zhì) 粒 子 數(shù) 翻 轉(zhuǎn) 分 布 ， 布 居 翻 轉(zhuǎn) 對 應(yīng) 激 光 放 大 狀 態(tài) 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講12 2、 半 導(dǎo) 體 激 光 器 中 增 益

4、 區(qū) 的 形 成1) 晶 體 中 載 流 子 的 統(tǒng) 計 分 布 ： 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講13 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講14 禁 帶導(dǎo) 帶價 帶 Ef EfEf EfVEfC(a) 本征 半導(dǎo) 體 (d) 雙兼 并型 半導(dǎo) 體(b) 兼并 型 P型 半 導(dǎo) 體(c) 兼并 型 N型 半 導(dǎo) 體 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講15 2） PN結(jié) 的 能 帶 和 增 益 區(qū) 的 形 成PN結(jié) 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講16 EPN結(jié)的能帶 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講17 h 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講18 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講19 光 纖 通 信

5、 系 統(tǒng) 第 2講20 )(1.24=m)( eVEg 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講21(th- )2L = ( )C2 g() / (8n22sp) 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講22 波 長光 功 率 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講23 （ 2） F-P腔 激 光 器 的 分 類v按 制 作 激 光 器 的 材 料 分 類 : 短 波 長 (0.85 m)波 段 ， 采 用 GaAs/GaAlAs 長 波 長 (1.3 m 1.55 m) ， 采 用 InGaAsP/InPv按 垂 直 于 PN結(jié) 方 向 的 結(jié) 構(gòu) 分 類 ： 同 質(zhì) 結(jié) 單 異 質(zhì) 結(jié) 雙 異 質(zhì) 結(jié) 雙 異

6、質(zhì) 結(jié) 的 作 用 :帶 隙 差 對 載 流 子 有 限 制 作 用 ; 折 射 率 差 對 光 子 有 限 制 作 用 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講24 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講25 v按 平 行 于 PN結(jié) 方 向 的 結(jié) 構(gòu) 分 類v 寬 面 LD （ 沒 有 導(dǎo) 向 ）v 條 形 LD： 臺 面 條 形 平 面 條 形 （ SiO2條 形 ， 質(zhì) 子 轟 擊 條 形 ， Zn擴 散 條 形 等 ） （ 增 益 導(dǎo) 向 ） 隱 埋 條 形 （ 折 射 率 導(dǎo) 向 ） 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講26 在 整 個 PN結(jié) 面 積 上均 有 電 流 通 過 的 結(jié) 構(gòu) 是寬

7、面 結(jié) 構(gòu) ； 只 有 PN結(jié)中 部 與 解 理 面 垂 直 的 條形 面 積 上 (10 m左 右 )有 電 流 通 過 的 結(jié) 構(gòu) 是 條形 結(jié) 構(gòu) 。 條 形 激 光 器 主 要 優(yōu)點 是 閾 值 電 流 低 ， 發(fā) 熱少 ， 利 于 散 熱 ， 可 以 改善 光 譜 特 性 。 但 受 條 寬限 制 不 宜 作 大 功 率 輸 出。 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講27 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講28 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講29 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講30 v 按 激 射 光 束 與 PN結(jié) 平 面 的 關(guān) 系 分 類 按 激 射 光 束 與 PN結(jié) 平 面

8、的 平 行 或 垂 直 關(guān) 系 ， 半 導(dǎo) 體 激光 器 可 分 邊 發(fā) 射 (側(cè) 面 出 光 )和 面 發(fā) 射 (正 面 出 光 )結(jié) 構(gòu)(1) 邊 發(fā) 射 結(jié) 構(gòu) 這 是 一 種 沿 著 有 源 區(qū) 的 結(jié) 平 面 方 向 提 取 光 的 結(jié) 構(gòu) ， 上面 介 紹 的 條 形 半 導(dǎo) 體 激 光 器 一 般 都 采 用 這 種 結(jié) 構(gòu) 提 取 光。(2) 面 發(fā) 射 結(jié) 構(gòu) 這 是 由 表 面 發(fā) 射 光 的 結(jié) 構(gòu) ， 它 的 發(fā) 射 結(jié) 構(gòu) 又 分 成 水 平腔 和 垂 直 腔 結(jié) 構(gòu) 。 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講31結(jié) 構(gòu) 特 點 : 1) 發(fā) 射 方 向 垂 直 于 或 傾

9、 斜 于 PN結(jié) 平 面 2) 形 成 面 發(fā) 射 的 機 理 有 多 種 情 況 ， 包 括 垂 直 腔 型 、 水 平 腔 型 和向 上 彎 腔 型 激 光 器 。 其 中 ， 垂 直 腔 面 發(fā) 射 激 光 器 （ VCSEL） 是面 發(fā) 射 激 光 器 中 最 有 前 途 的 一 種 激 光 器 . 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講32 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講33 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的 優(yōu) 點 發(fā) 光 效 率 高 ， 例 850nm， 10mA電 流 ， 1.5mW功 率 發(fā) 射 圓 形 光 束 ， 耦

10、合 效 率 高 閾 值 電 流 極 低 ， 工 作 電 流 也 不 高 可 通 過 短 腔 （ 510m） 實 現(xiàn) 單 縱 模 工 作 高 溫 度 穩(wěn) 定 性 ， 200Mb/s速 率 以 下 應(yīng) 用 ， 可 不 需要 APC 高 工 作 速 率 （ 達 3Gb/s以 上 ) ， 高 張 弛 振 蕩 頻 率 易 集 成 ， 低 價 格 ， 高 產(chǎn) 量 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講34 2、 量 子 阱 激 光 器結(jié) 構(gòu) 特 點 ： 有 源 區(qū) 非 常 薄 量 子 阱 (QW， Quantum Well) 半 導(dǎo) 體 激 光 器 是 一 種 窄帶 隙 有 源 層 夾 在 寬 帶 隙 半 導(dǎo)

11、體 材 料 中 間 或 交 替 重 疊 生 長 ，有 源 層 厚 度 小 至 德 布 羅 意 波 長 量 級 的 新 型 半 導(dǎo) 體 激 光 二極 管 。性 能 特 點 ： 閾 值 電 流 低 ,輸 出 功 率 高 譜 線 寬 度 窄 ， 頻 率 啁 啾 改 善 調(diào) 制 速 率 高 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講35 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講36 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講37 布 拉 格 反 射 條 件 ： n(D + B) = m nD(1 + sin) = m 2 nD= m m=1,2,3,布 拉 格 反 射 原 理 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講38 光 纖 通 信

12、 系 統(tǒng) 第 2講39 v 單 縱 模 振 蕩v 線 性 度 好v 線 寬 窄 ： 布 拉 格 反 射 可 比 作 多 級 調(diào) 諧 ， 使 諧 振 波 長 的選 擇 性 大 為 提 高 。v 穩(wěn) 定 性 好 ： 因 為 光 柵 有 助 于 鎖 定 在 給 定 的 波 長 上 ， 使其 溫 度 漂 移 很 小 。v 動 態(tài) 譜 特 性 好 ： 高 速 調(diào) 制 下 也 保 持 單 模 振 蕩 ， 雖 然 動態(tài) 譜 寬 度 要 比 靜 態(tài) 譜 寬 展 寬 ， 但 較 F-P腔 LD展 寬 小 得 多 。 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講40 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講41 4. 發(fā) 展 趨 勢

13、 :集 成 化 可 調(diào) 諧 窄 化 發(fā) 射 譜 線 波 長 可 調(diào) 諧 半 導(dǎo) 體 激 光 器 波 長 可 調(diào) 諧 激 光 器 的 主 要 性 能 指 標 有 ： 調(diào) 諧 速 度 和波 長 調(diào) 諧 范 圍 。溫 度 調(diào) 諧 激 光 器 和 電 流 調(diào) 諧 外 腔 可 調(diào) 諧 激 光 器 雙 極 DFB激 光 器 雙 極 和 三 極 DBR激 光 器 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講42 Integrated Devices 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講43 實 現(xiàn) 大 調(diào) 諧 范 圍 的 一 種 簡 單 方 法 是 在 LD的 兩 個 端 面 之一 上 鍍 抗 反 射 膜 ， 然 后 在

14、其 外 部 加 上 可 調(diào) 的 光 濾 波 器 。 這種 結(jié) 構(gòu) 的 LD叫 外 腔 可 調(diào) 諧 激 光 器 。 外 部 的 光 濾 波 器 選 擇 若干 縱 模 中 的 一 個 。 通 過 調(diào) 整 光 濾 波 器 。 被 選 中 的 模 的 波 長能 精 確 地 調(diào) 諧 直 至 發(fā) 生 模 式 跳 變 ， 跳 到 另 一 縱 模 上 。 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講44 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講45 波 長 快 速 調(diào) 諧 可 通 過 對 LD 有 源 層 的 載 流 子 注 入 來 實現(xiàn) 。 這 是 因 為 載 流 子 的 變 化 引 起 折 射 率 的 變 化 ， 而 折 射

15、 率的 變 化 又 改 變 激 射 波 長 。 這 種 效 應(yīng) 就 是 前 面 提 到 的 絕 熱 啁啾 。 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講46 Tunable 2-Section DBR Lasera discontinuous tuning characteristic over a range of a bit less than 10 nm. 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講47 Tunable 3-Section DBR Laser 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講48 Operation (of the 3-section device) is as follows: Curre

16、nt in the left-hand section of the device flows through the gain medium and here lasing (amplification) takes place. In the centre and rightmost sections the electron flux within the cavity causes the cavity to change in refractive index within these sections. The change in RI causes the wavelength

17、of the light emitted to change also. The right-hand section has the grating inside it (or rather immediately adjacent to it) and this is used for broad tuning. Fine tuning is accomplished by varying the current in the “phase section” (middle part) of the laser cavity. A disadvantage of the 3-section

18、 device is that it requires relatively complex electronics for control. 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講49 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講50 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講51 Sampled-Grating Tunable DBR Lasers 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講52This principle works quite well and devices with a tuning range of up to 100 nm have been reported in the literature.

19、Commercial devices (albeit with a more limited tuning range) are currently available. 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講53 1. 閾 值 特 性 2. 效 率 3. 溫 度 特 性 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講54 P IIth 激 射 區(qū) 輸 出 功 率 大 譜 線 尖 銳自 發(fā) 為 主 熒 光 超 輻 射 態(tài) (F-P) 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講55 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講56 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講57D = (Pex Pth )/ h / (I - Ith ) / e0

20、 Pex / h / (I - Ith ) / e0 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講58 隨 溫 度 升 高 ： 閾 值 電 流 增 加 外 微 分 量 子 效 率 下 降 峰 值 波 長 向 長 波 長 方 向 移 動 -0.50.51.52.53.54.55.5 0 20 40 60Threshold Current (mA)Output Power (mW) -40 25 85 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講59 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講60 任 何 半 導(dǎo) 體 激 光 器 既 使 注 入 恒 定 的 電 流 ， 其 輸 出的 光 強 和 相 位 都 有 隨 機 起 伏 ，

21、即 噪 聲 。 幅 度 的 起 伏 用 相 對 強 度 噪 聲 (RIN， Relative Intensity Noise)來 描 述 ， 它 定 義 為 相 對 輸 出 光 功 率 的變 化 的 功 率 譜 密 度 。 RIN對 光 反 射 非 常 敏 感 ， 對 于 相位 或 幅 度 噪 聲 敏 感 的 系 統(tǒng) ， 采 用 光 隔 離 器 阻 止 光 后 向反 射 是 必 要 的 。 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講61 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講62 當 對 半 導(dǎo) 體 激 光 器 進 行 強 度 調(diào) 制 時 ， 載 流 子 密 度 的 變化 會 導(dǎo) 致 折 射 率 的 變 化

22、， 而 折 射 率 的 變 化 會 產(chǎn) 生 相 位 變 化 ，隨 時 間 變 化 的 相 位 相 當 于 頻 率 調(diào) 制 。 頻 率 啁 啾 定 義 為 瞬 時頻 率 相 對 于 穩(wěn) 態(tài) 頻 率 的 偏 移 。 頻 率 啁 啾 由 兩 部 分 組 成 ： 一 部 分 是 瞬 態(tài) 啁 啾 ， 另 一 部分 為 絕 熱 啁 啾 。 下 圖 給 出 對 一 激 光 器 注 入 2Gb/s NRZ脈 沖電 流 時 的 頻 率 啁 啾 的 情 況 。 可 以 看 出 脈 沖 上 升 沿 導(dǎo) 致 頻 率變 高 (蘭 移 )， 而 下 降 沿 導(dǎo) 致 頻 率 變 低 (紅 移 )。 光 纖 通 信 系 統(tǒng)

23、第 2講63 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講64 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講65 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講66 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講67 根 據(jù) 把 光 輸 出 耦 合 到 光 纖 的 形 式 分 為 面 發(fā) 射 型 和 邊 發(fā)射 型 兩 種 基 本 結(jié) 構(gòu) 。 在 面 發(fā) 射 型 結(jié) 構(gòu) 中 ， 異 質(zhì) 結(jié) 對 載 流 子 的 限 制 作 用 除 使發(fā) 光 效 率 提 高 外 ， 還 因 通 光 區(qū) 是 寬 帶 隙 材 料 ， 可 使 光 的 再吸 收 減 小 。 為 進 一 步 減 小 光 的 再 吸 收 ， 在 n-GaAs上 腐 蝕 一個 阱 ， 將 光 纖 插 入 阱 中 并 用 環(huán) 氧 樹 脂 粘 合 定 位 ， 使 光纖 到 發(fā) 光 面 的 間 距 減 小 到 10 15mm。 p-n結(jié) 的 發(fā) 光 面 積 由隔 離 層 限 定 ， 接 觸 處 的 直 徑 通 常 為 15 100mm。 在 邊 發(fā) 射 型 結(jié) 構(gòu) 中 ， 以 定 向 的 光 束 發(fā) 射 出 去 ， 其 優(yōu) 點是 光 的 發(fā) 散 角 較 小 ， 便 于 與 光 纖 耦 合 ， 而 且 光 從 很 窄 的 端邊 射 出 ， 使 得 輻 射 強 度 較 高 。 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講68 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 第 2講69