光纤通信第4章光源和光发射机.ppt

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1、第四章光源和光发射机4.1概述4.2发光机理4.3器件结构4.4半导体激光器的特性4.5光发射机4.1概述在光纤通信中，将电信号转变为光信号是由光发射机来完成的。光发射机的关键器件是光源：光纤通信对光源的要求光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求;电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高;单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；易于调制，响应速度快，以利于高速率、大容量数字信号的传输;强度噪声要小，以提高模拟调制系统的

2、信噪比;光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。光纤通信中最常用的光源是半导体激光器(LD，LaserDiode)和发光二极管(LED，LightemittingDiode)；尤其是单纵模半导体激光器在高速率、大容量的数字光纤系统中得到广泛应用；近年来逐渐成熟的波长可调谐激光器是多信道WDM光纤通信系统的关键器件，越来越受人们的关注。4.2发光机理在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；这时发出的

3、光，其波长基本上由能带差所决定。半导体材料的种类繁多，几乎全部覆盖从可见光到红外光区的整个波长；光通信用的主要材料是砷化镓（GaAs），并掺以与之相邻的元素，如铝、铟、磷、锑，改变其本征值，从而改变其发光光波长；在InGaAsP材料中，最长的发光波长是InP的1.7um，通过掺镓和砷，发光波长可以达到1um左右。在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子。PN有源区hν若注入电流增加到一定值后，使vcNN>，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的P-N结区

4、成为对光场有放大作用的区域(称为有源区)，从而形成激光发射。半导体材料在通常状态下，总是vcNN<，因此称vcNN>的状态为粒子数反转。使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器发射激光的首要条件。另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的几个输出，必须构成光学谐振腔。在半导体激光器中，用晶体的天然解理面（Cleaved

5、Facets）构成法布里－珀罗谐振腔。4.3器件结构4.3.1异质结半导体激光器什么是异质结？同质结：由两种禁带宽度相同的半导体材料，通过一定的生长方法所形成的结。辐射复合发生在P区的一个电子扩散长度内的电子和N区一个空穴扩散长度内的空穴之间－－－有源区；1、同质结半导体激光器1、要在如此“厚”的有源区内积累到阈值所需的非平衡载流子浓度，其阈值电流密度需达到104A/cm2。2、辐射复合产生的光子或光场会向有源区两边渗透，减少输出的光功率。问题2－－光子逸出损耗NPhν有源区问题1－－阈值高如何解决这两个问题呢？

6、将注入有源区的载流子限制在很小的区域内，以提高注入载流子浓度；有效途径－－异质结将辐射复合产生的光子限制在有源区内。问题1：有源层太“厚”，载流子浓度低，阈值高问题2：有源层中光子向两边渗透，形成损耗2、异质结(Heterojunction)定义：由两种禁带宽度不同的半导体材料，通过一定的生长方法所形成的结。窄带隙的p-GaAs和宽带隙的N-AlxGa1-xAsp-GaAsN-AlxGa1-xAs双异质结（DoubleHeterojunction）如窄带隙的p-GaAs、宽带隙的N-AlGaAs和P-AlGaAs

7、N-GaAlAsp-GaAsP-GaAlAs同型异质结异型异质结3、异质结在半导体激光器中的作用N（1）异型异质结有利于电子向p区（有源区）注入；正向偏置N-GaAlAsp-GaAsP-GaAlAs导带上的势垒以阻挡注入p区（有源区）的电子漏出；Nhν价带上的势垒也阻碍空穴由p区（有源区）向N区注入。（2）异质结能阻碍注入有源区载流子的漏出；（3）光波导（waveguide）结构，限制光子从有源区逸出。N-GaAlAsp-GaAsP-GaAlAs有利于载流子向有源区的注入；阻碍注入有源区的载流子的漏出；光波导效应

8、限制光子的逸出。4.3.2量子限制激光器有源区很薄（典型值约10nm），以至于导带中的禁带势能把电子封闭在x方向上的一维势阱内，但在y和z方向是自由的。这种封闭呈现量子效应，导致能带分化成离散值E1、E2、E3….，它们分别对应的量子数1，2，3…..，价带中的空穴也有类似的特性。量子限制激光器具有阈值低，线宽窄，微分增益高，以及对温度不敏感，调制速度快和增益曲线容易控制