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(jí)管2、半導(dǎo)體光電檢測(cè)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(jí)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(lái)？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(jī)的核心部件，其主要作用是：將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)并耦合進(jìn)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(duì)光源的基本要求：

光源的發(fā)光波長(zhǎng)必須和光纖的低損耗波長(zhǎng)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(shí)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(huì)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(jí)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(zhǎng)和頻率（波動(dòng)性）；另一方面又認(rèn)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(jí)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(lái)構(gòu)成，而電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)只能有某些一定的不連續(xù)的軌道，由于沿每個(gè)軌道運(yùn)行時(shí)就有一定相應(yīng)的能量，這些分離的能量值就稱為能級(jí)。電子能級(jí)——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(jí)。原子能級(jí)指原子的一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，每一個(gè)能量狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)原子能級(jí)，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(jí)幾乎完全是由其中的電子的能量來(lái)決定的。能帶——在半導(dǎo)體晶體中，由于電子共有化運(yùn)動(dòng)，使孤立原子中離散的能級(jí)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(shí)，愛(ài)因斯坦指出，這里存在著三種不同的基本過(guò)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(zhǎng)表達(dá)

λ=hc/Eg

）自發(fā)輻射的特點(diǎn)如下：這個(gè)過(guò)程是在沒(méi)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(jí)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(lái)光子的激發(fā)下，低能級(jí)上的電子吸收了外來(lái)光子的能量，而躍遷到高能級(jí)上，這個(gè)過(guò)程叫做受激吸收。受激吸收的特點(diǎn)如下：這個(gè)過(guò)程必須在外來(lái)光子的激發(fā)下才會(huì)產(chǎn)生，因此是受激躍遷。外來(lái)光子的能量要等于電子躍遷的能級(jí)之差。受激躍遷的過(guò)程不是放出能量，而是消耗外來(lái)光能。光纖通信中的光電檢測(cè)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(jí)E2的電子，當(dāng)受到外來(lái)光子的激發(fā)而躍遷到低能級(jí)E1時(shí)，放出一個(gè)能量為hf的光子。由于這個(gè)過(guò)程是在外來(lái)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(diǎn)如下。外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差（h·f=E2-E1）。

受激過(guò)程中發(fā)射出來(lái)的光子與外來(lái)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(gè)過(guò)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(jí)上的粒子數(shù)密度為N1，高能級(jí)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(gè)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(lì)源，能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。2.半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)、原理電源（激勵(lì)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(lì)。激勵(lì)的方法有光激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和電激勵(lì)。它的作用是使介質(zhì)中處于基態(tài)能級(jí)的粒子不斷地被提升到較高的一些激發(fā)態(tài)能級(jí)上，實(shí)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(lì)。諧振腔：

對(duì)大多數(shù)激活介質(zhì)來(lái)說(shuō)，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(qiáng)介質(zhì)中的受激放大作用（還有波長(zhǎng)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(lì)源和光學(xué)諧振腔，還必須滿足下面兩個(gè)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(zhǎng)等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，（波長(zhǎng)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(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放出的能量，這個(gè)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(zhǎng)，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(gè)原理可以制成不同發(fā)射波長(zhǎng)的激光器。2、P-I特性

對(duì)于LD，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，輸

出光功率急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)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(lì)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(lì)電流的變化而變化。當(dāng)I＜Ith時(shí)，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(qiáng)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(cè)激光器光譜特性時(shí)，光譜曲線最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為中心波長(zhǎng)，而比最高點(diǎn)功率低3dB（即半功率點(diǎn)）時(shí)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(lái)表示。激光器的功率轉(zhuǎn)換效率定義為（激光器到達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dòng)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。·激光器閾值電流隨溫度變化的曲線

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(wàn)（105）小時(shí)以上。（已做到106小時(shí)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(kāi)發(fā)出來(lái)：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(jí)“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(qiáng)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(jiǎn)單、可靠性高等特性，易于實(shí)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(dòng)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(shí)，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(lái)實(shí)現(xiàn)光反饋。而在DFB激光器中，是通過(guò)腔體內(nèi)的周期光柵來(lái)實(shí)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(zhǎng)變化而變化的特殊激光器。DBR激光器的特點(diǎn)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(shí)，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(gè)勢(shì)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(cè)器PN結(jié)的形成FLASHPIN光電二極管FLASH受激吸收(上升時(shí)間幾百PS)（APD光電管的倍增因子在40—100之間?！狿IN光電管的G=1）（6）．光放大器EDFA中的Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)泵浦波長(zhǎng)可以是520、650、800、980、1480nm波長(zhǎng)短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡(jiǎn)化能級(jí)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(hào)功率高雙向泵浦型：輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無(wú)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(bǔ)償各段光纖損耗功率放大(Boost)：增加入纖功率,延長(zhǎng)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(bǔ)償分配損耗，增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(guò)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(jìn)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(jī)熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無(wú)機(jī)化合物溶液,其中金屬離子（如Nd）起工作粒子作用，而無(wú)機(jī)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(guò)一定的激勵(lì)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(jí)之間，通過(guò)激發(fā)非平衡載流子而實(shí)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(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)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(guò)渡到微波區(qū)域。原創(chuàng)文章："/public/tool/kbview/kid/1553/cid/1"【請(qǐng)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(fèi)米能級(jí)（2）費(fèi)米能級(jí)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(jí)的概率遵循費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：在熱平衡條件下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律是物質(zhì)粒子能級(jí)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(jí)。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)。