普天有源光器件20121210

第四章：有源光器件

劉顯文重慶普天普科通信技術(shù)有限公司

在光纖通信中，主要有以下幾種有源光器件：

1、半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二級管2、半導(dǎo)體光電檢測器

3、摻鉺光纖放大器一、光纖通信系統(tǒng)中的半導(dǎo)體光源

（半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二級管）光纖通信---以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒質(zhì)的通信方式。

作為信息載體的“光”從哪里來？目前用于光纖通信的光源包括半導(dǎo)體激光器（LaserDiode，LD）、半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，LED）和光纖激光器。光源是光纖通信系統(tǒng)中光發(fā)射機的核心部件，其主要作用是：將電信號轉(zhuǎn)換成光信號并耦合進光纖線路。根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：①固體激光器②氣體激光器③液體激光器

④半導(dǎo)體激光器

⑤光纖激光器光纖通信系統(tǒng)對光源的基本要求：

光源的發(fā)光波長必須和光纖的低損耗波長0.85um、1.31um、1.55um相一致。光源的輸出功率必須足夠大，入纖功率為數(shù)十微瓦到數(shù)毫瓦才能滿足一定通信距離的需要。要有很高的可靠性，其壽命要在105小時以上。

光源的譜線寬度要窄，這有利于減少光纖的色散。光源的光電轉(zhuǎn)效率要高，否則會導(dǎo)致器件發(fā)熱，縮短光源的壽命。光源應(yīng)便于調(diào)制，調(diào)制速率應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)的要求。應(yīng)體積小重量輕。1、激光器的物理基礎(chǔ)2、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理3、半導(dǎo)體激光器的工作特性4、光纖放大器5、分布反饋半導(dǎo)體激光器6、量子阱半導(dǎo)體激光器1、激光器的物理基礎(chǔ)（1）光子的概念（2）能級的概念（3）光和物質(zhì)的相互作用（4）離子數(shù)反轉(zhuǎn)光的波粒二象性——

一方面光是電磁波，它有確定的波長和頻率（波動性）；另一方面又認為光是由一粒一粒光子構(gòu)成的光子（粒子性）。（1）．光子的概念光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.626×10-34J·S，稱為普朗克常數(shù)；f是光波頻率。(E=h·f)人們將這些光量子稱為光子。不同頻率的光子具有不同的能量。光具有波、粒兩重性。（2）．能級的概念

物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，原子又是由原子核及其外圍電子來構(gòu)成，而電子圍繞原子核運動只能有某些一定的不連續(xù)的軌道，由于沿每個軌道運行時就有一定相應(yīng)的能量，這些分離的能量值就稱為能級。電子能級——原子、分子或晶體中處于束縛態(tài)的電子，具有一系列不連續(xù)但是確定的能量值，這些電子能量是分離的數(shù)值，就稱為電子能級。原子能級指原子的一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，每一個能量狀態(tài)對應(yīng)一個原子能級，由于原子是由原子核與其束縛電子所構(gòu)成，因此原子能級幾乎完全是由其中的電子的能量來決定的。能帶——在半導(dǎo)體晶體中，由于電子共有化運動，使孤立原子中離散的能級變?yōu)槟軒?。?）光和物質(zhì)的相互作用光可以被物質(zhì)吸收，也可以從物質(zhì)中發(fā)射。在研究光與物質(zhì)的相互作用時，愛因斯坦指出，這里存在著三種不同的基本過程，即自發(fā)輻射、受激吸收以及受激輻射。

①自發(fā)輻射初態(tài)終態(tài)發(fā)射光子的頻率（也可用波長表達

λ=hc/Eg

）自發(fā)輻射的特點如下：這個過程是在沒有外界作用的條件下自發(fā)產(chǎn)生的，是自發(fā)躍遷。輻射光子的頻率亦不同，頻率范圍很寬。電子的發(fā)射方向和相位也是各不相同的，是非相干光。半導(dǎo)體發(fā)光二級光就是基于自發(fā)輻射的原理②受激吸收

hf初態(tài)終態(tài)物質(zhì)在外來光子的激發(fā)下，低能級上的電子吸收了外來光子的能量，而躍遷到高能級上，這個過程叫做受激吸收。受激吸收的特點如下：這個過程必須在外來光子的激發(fā)下才會產(chǎn)生，因此是受激躍遷。外來光子的能量要等于電子躍遷的能級之差。受激躍遷的過程不是放出能量，而是消耗外來光能。光纖通信中的光電檢測器就是基于受激吸收的原理受激輻射

hfhfhf初態(tài)終態(tài)

③受激輻射處于高能級E2的電子，當(dāng)受到外來光子的激發(fā)而躍遷到低能級E1時，放出一個能量為hf的光子。由于這個過程是在外來光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，因此叫做受激輻射。受激輻射的特點如下。外來光子的能量等于躍遷的能級之差（h·f=E2-E1）。

受激過程中發(fā)射出來的光子與外來光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，因此稱它們是全同光子(發(fā)出的光稱為相干光）。這個過程可以使光得到放大。

半導(dǎo)體激光器就是基于受激輻射的原理④粒子數(shù)反轉(zhuǎn)低能級上的粒子數(shù)密度為N1，高能級上的粒子數(shù)密度為N2，在正常狀態(tài)下N1大于

N2，即受激吸收大于受激輻射，若要物質(zhì)產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即使N2大于N1。這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。（1）．激光器的構(gòu)成激光振蕩器必須包括以下三個部分：能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵源，能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學(xué)諧振腔。2.半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)、原理電源（激勵源）工作物質(zhì)全反射鏡部分反射鏡

工作物質(zhì)：

光纖通信用的半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)一般是半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs)和銦鎵砷磷（InGaAsP）泵浦源：要使工作物質(zhì)成為激活物質(zhì)，需要外界的激勵。激勵的方法有光激勵、化學(xué)激勵和電激勵。它的作用是使介質(zhì)中處于基態(tài)能級的粒子不斷地被提升到較高的一些激發(fā)態(tài)能級上，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（N2大于N1)，這就是激光器使用的泵浦源。光纖通信用的半導(dǎo)體激光器，采用電激勵。諧振腔：

對大多數(shù)激活介質(zhì)來說，由于受激輻射的放大作用被介質(zhì)的雜質(zhì)吸收和散射等損耗因數(shù)抵消，因而不能發(fā)出激光，而光學(xué)諧振腔的作用正是加強介質(zhì)中的受激放大作用（還有波長選擇作用）。光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)

激光器示意圖僅僅有了工作物質(zhì)、激勵源和光學(xué)諧振腔，還必須滿足下面兩個先決條件激光器才能工作：

閥值條件和相位平衡條件只有當(dāng)諧振腔的腔長等于半波長的整數(shù)倍時，（波長選擇），激光器才震蕩工作。（插入相位平衡條件推導(dǎo)）（2）．激光器的工作原理PN結(jié)的形成激光形成如果PN結(jié)由相同的半導(dǎo)體材料通過不同的摻雜構(gòu)成，稱為同質(zhì)結(jié)。如果加入的薄層的帶隙和其中一側(cè)的P型和N型半導(dǎo)體材料的帶隙相同，則這種結(jié)構(gòu)為

單異質(zhì)結(jié)。（為了實現(xiàn)對載流子的限制作用，）在P型和N型材料中間加一薄層帶隙比兩端的P型和N型半導(dǎo)體材料小的半導(dǎo)體材料，這種結(jié)構(gòu)稱為雙異質(zhì)結(jié)。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖LD結(jié)構(gòu)FLASHI激光器結(jié)構(gòu)FLASHI（2）．激光器的特性

1、發(fā)射波長半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶時所釋放出的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，

hf=Eg(eV)

式中,f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3×108m/s，

h=6.628×10?34J·s，leV=1.60×10?19J

eV(電子伏特)，

(μm)

由于能隙與半導(dǎo)體材料的成分及其含量有關(guān)，因此根據(jù)這個原理可以制成不同發(fā)射波長的激光器。2、P-I特性

對于LD，當(dāng)外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸

出光功率急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，Ith

表示。

目前激光器的閾值電流可以做到小于10mA

3、光譜特性半導(dǎo)體激光器的光譜隨著激勵電流的變化而變化。激光器產(chǎn)生的激光有多縱模和單縱模。GaAs激光器的光譜

LD的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當(dāng)I＜Ith時，發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如圖3-7（a）所示。當(dāng)I＞Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，表明發(fā)出激光。GaAlAs/GaAs激光器的典型輸出光譜

在觀測激光器光譜特性時，光譜曲線最高點所對應(yīng)的波長為中心波長，而比最高點功率低3dB（即半功率點）時曲線上的寬度為譜線寬度，用△λ表示，譜線寬度△λ越窄越好。目前，單縱模激光器的譜線寬度可以做到0.1nm以下。4、轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，衡量轉(zhuǎn)換效率的高低常用功率轉(zhuǎn)換效率來表示。激光器的功率轉(zhuǎn)換效率定義為（激光器到達閥值以后）輸出光功率與消耗的電功率之比，用ηP表示。ηP=P光

/P電雙異質(zhì)結(jié)室溫下已達到10%

半導(dǎo)體激光器的電光功率轉(zhuǎn)換效率常用微分量子轉(zhuǎn)換效率ηd表示，其定義為激光器達到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，其表達式為

（3-7）由此得（3-8）

式中，P為激光器的輸出光功率；I為激光器的輸出驅(qū)動電流，Pth為激光器的閾值功率；Ith為激光器的閾值電流；hf為光子能量；e為電子電荷?！ぜす馄鏖撝惦娏麟S溫度變化的曲線

5、溫度特性5、輸出功率幾十微瓦到十毫瓦之間。（現(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器）。

6、工作壽命10萬（105）小時以上。（已做到106小時以上，可用100年）（3）．光纖激光器光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。和半導(dǎo)體激光器相比，光纖激光器的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：光纖激光器是波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，可容強泵浦，具有高增益、轉(zhuǎn)換效率高、閾值低、輸出光束質(zhì)量好、線寬窄、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特性，易于實現(xiàn)和光纖的耦合。分布反饋半導(dǎo)體激光器分布反饋半導(dǎo)體激光器是一種可以產(chǎn)生動態(tài)控制的單縱模激光器，即在高速調(diào)制下仍然能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻有波紋狀的周期光柵而構(gòu)成的。這種激光器又可分為分布反饋激光器（DFB）及分布布拉格反射激光器(DBR)兩種，這兩種激光器的工作原理都是基于布拉格反射原理。布拉格反射是指當(dāng)光波入射到兩種不同介質(zhì)的交界面時，能夠產(chǎn)生周期性的反射，把這種反射稱為布拉格反射。分布反饋半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖DFB激光器在普通的半導(dǎo)體激光器中，利用在激活物質(zhì)兩端的反射鏡來實現(xiàn)光反饋。而在DFB激光器中，是通過腔體內(nèi)的周期光柵來實現(xiàn)的。分布布拉格反射型(DBR)激光器

DBR激光器是將光柵刻在有源區(qū)的外面。它相當(dāng)于在有源區(qū)的一側(cè)或兩側(cè)加了一段分布式布拉格反射器，起著衍射光柵的作用，因此可以將它看成是端面反射率隨波長變化而變化的特殊激光器。DBR激光器的特點和工作特性與DFB激光器類似。但其閾值電流要比DFB激光器的閾值電流高。DBR半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)量子阱半導(dǎo)體激光器(QW-LD)量子阱激光器與一般雙異質(zhì)結(jié)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很薄，屬于雙異質(zhì)結(jié)器件。理論分析表明，當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時，則在有源層與兩邊相鄰層的能帶將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個勢能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。結(jié)構(gòu)中這種“阱”的作用使得電子和空穴被限制在極薄的有源區(qū)內(nèi)，因此有源區(qū)內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的濃度很高。量子阱半導(dǎo)體激光器還可分為單量子阱和多量子阱激光器。量子阱半導(dǎo)體激光器（4）．半導(dǎo)體發(fā)光二極管ELED結(jié)構(gòu)FLASHFLASH（5）．半導(dǎo)體PIN光電檢測器PN結(jié)的形成FLASHPIN光電二極管FLASH受激吸收(上升時間幾百PS)（APD光電管的倍增因子在40—100之間。——PIN光電管的G=1）（6）．光放大器EDFA中的Er3+能級結(jié)構(gòu)泵浦波長可以是520、650、800、980、1480nm波長短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡化能級示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nm三種泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪聲性能反向泵浦(后向泵浦)型：輸出信號功率高雙向泵浦型：輸出信號功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號傳輸方向無關(guān)放大區(qū)域1530---1565nm，即1550窗口增益帶寬20---40nm，為光釬低損耗帶寬的六分之一。光放大器的應(yīng)用線路放大(In-line)：周期性補償各段光纖損耗功率放大(Boost)：增加入纖功率,延長傳輸距離前置預(yù)放大(Pre-Amplify):提高接收靈敏度局域網(wǎng)的功率放大器：補償分配損耗，增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)謝謝

資料根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：①固體（晶體和玻璃）激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)，是通過把能夠產(chǎn)生受激輻射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)中構(gòu)成發(fā)光中心而制成的；②氣體激光器，它們所采用的工作物質(zhì)是氣體，并且根據(jù)氣體中真正產(chǎn)生受激發(fā)射作用之工作粒子性質(zhì)的不同，而進一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準(zhǔn)分子氣體激光器等；③液體激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)主要包括兩類，一類是有機熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液,其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無機化合物液體（如SeOCl）則起基質(zhì)的作用；④半導(dǎo)體激光器，這類激光器是以一定的半導(dǎo)體材料作工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用，其原理是通過一定的激勵方式(電注入、光泵或高能電子束注入)，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間或能帶與雜質(zhì)能級之間，通過激發(fā)非平衡載流子而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光的受激發(fā)射作用；⑤自由電子激光器，這是一種特殊類型的新型激光器，工作物質(zhì)為在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束，只要改變自由電子束的速度就可產(chǎn)生可調(diào)諧的相干電磁輻射，原則上其相干輻射譜可從X射線波段過渡到微波區(qū)域。原創(chuàng)文章："/public/tool/kbview/kid/1553/cid/1"【請保留版權(quán)，謝謝！】文章出自電子元件技術(shù)網(wǎng)。激光器是指能夠產(chǎn)生激光的自激振蕩器。要使得光產(chǎn)生振蕩，必須先使光得到放大，而產(chǎn)生光放大的前提，由前面的討論可知，是物質(zhì)中的受激輻射必須大于受激吸收。受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。2．費米能級（2）費米能級電子按能量大小的分布確有一定的規(guī)律。電子占據(jù)能級的概率遵循費米能級統(tǒng)計規(guī)律：在熱平衡條件下，能量為E的能級被一個電子占據(jù)的概率為費米統(tǒng)計規(guī)律是物質(zhì)粒子能級分布的基本規(guī)律，它反映了物質(zhì)中的電子按一定規(guī)律占據(jù)能級。②激光器的相位平衡條件：1．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光放大之間的關(guān)系在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光放大作用要想物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射作用大于受激吸收作用，也就是必須使N2>N1。這種粒子數(shù)一反常態(tài)的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。將處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為增益物質(zhì)或激活物質(zhì)。