第五章 發(fā)光器件

第五章發(fā)光器件第1頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1發(fā)光二極管LD和LED的區(qū)別

LD發(fā)射的是受激輻射光

LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔，沒有閾值。第2頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1）受激吸收第4頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2）自發(fā)輻射第5頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月3）受激輻射第6頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

自發(fā)輻射特點:產(chǎn)生的光子具有隨機的方向，相位和偏振態(tài)彼此無關(guān)，出射光為非相干光。半導體發(fā)光二極管(LED：lightEmittingdiode)就是利用這種自發(fā)輻射效應而發(fā)光。受激輻射特點：發(fā)射的光子與入射光子具有相同的頻率、方向、偏振態(tài)和相位，即入射光得到了放大，因此出射光為相干光。半導體激光器(LD：LaserDiode)正是利用這個原理制成的。第7頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月受激輻射和受激吸收的區(qū)別與聯(lián)系

受激輻射是受激吸收的逆過程。電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即E2-E1=hf12(5.1)式中，h=6.628×10-34J·s，為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。

受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點很不相同。

受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。

自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。第8頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生受激輻射和產(chǎn)生受激吸收的物質(zhì)是不同的。設在單位物質(zhì)中，處于低能級E1和處于高能級E2(E2>E1)的原子數(shù)分別為N1和N2。當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，存在下面的分布(5.2)式中，k=1.381×10-23J/K，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在這種狀態(tài)下，總是N1>N2。這是因為電子總是首先占據(jù)低能量的軌道。第9頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月受激吸收和受激輻射的速率分別比例于N1和N2，且比例系數(shù)(吸收和輻射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質(zhì)時，光強按指數(shù)衰減，這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。如果N2>N1，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。

N2>N1的分布，和正常狀態(tài)(N1>N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。問題：如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢?這個問題將在下面加以敘述。第10頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月勢壘能量EpcP區(qū)EncEfEpvN區(qū)Env零偏壓時P-N結(jié)的能帶傾斜圖；第11頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場外加電場正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布第12頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

增益區(qū)的產(chǎn)生：在PN結(jié)上施加正向電壓，產(chǎn)生與內(nèi)部電場相反方向的外加電場，結(jié)果能帶傾斜減小，擴散增強。電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在PN結(jié)形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。第13頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，P層的空穴和N層的電子注入有源層。P層帶隙寬，導帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，注入到有源層的電子不可能擴散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.1~0.3μm的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉(zhuǎn)換效率很高.異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點:第14頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.4結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)表面發(fā)光型(見圖5.3(a))端面發(fā)光型(見圖5.3(b))2.兩種結(jié)構(gòu)的遠場特性與光纖耦合第15頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5.4兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側(cè)面發(fā)光型發(fā)光二極管的類型：正面發(fā)光型LED和端面發(fā)光型LED

第16頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1.LED結(jié)構(gòu)第17頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2發(fā)光二極管的特點：輸出光功率較?。蛔V線寬度較寬；調(diào)制頻率較低；性能穩(wěn)定，壽命長；輸出光功率線性范圍寬；制造工藝簡單，價格低廉；適用于小容量短距離系統(tǒng)3發(fā)光二極管的主要工作特性：(1)光譜特性。發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒有諧振腔對波長的選擇，譜線較寬，如圖5.5。第18頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.15LED光譜特性第19頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)光束的空間分布。在垂直于發(fā)光平面上，正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布，即P(θ)=P0cosθ，半功率點輻射角θ≈120°。

端面發(fā)光型LED，θ‖≈120°，θ⊥≈25°~35°。由于θ大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。(3)輸出光功率特性。發(fā)光二極管實際輸出的光子數(shù)遠遠小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù)，一般外微分量子效率ηd小于10%。兩種類型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖5.6。

第20頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.5輸出特性1.輸出功率特性：光輸出功率與電流大小間的關(guān)系1）光出射效率決定光出射效率的因素：由晶體和空氣的折射率所決定的全反射。全反射越大越好.影響光輸出特性的因素：光出射效率和溫度上升效應第23頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2）溫度上升效應由器件固有的熱阻而引起的使得光輸出功率不與電流成正比.2在光纖通信的應用—對電信號的調(diào)制第24頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月1輸出特性曲線第25頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2.對輸入電信號的調(diào)制—模擬電信號第27頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

LED通常和多模光纖耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統(tǒng)。因為LED發(fā)光面積和光束輻射角較大，而多模SIF光纖或G.651規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。

LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長距離系統(tǒng)。

分布反饋激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。第28頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2激光二極管5.2.1.半導體激光器的種類和用途1.什么是半導體激光器2.結(jié)構(gòu)和原理3.分類5.在光纖通信中的應用4半導體激光器的主要性能第29頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體激光器是利用在有源區(qū)中受激而發(fā)射光的光器件。只有在工作電流超過閾值電流的情況下，才會輸出激光(相干光)，因而是有閾值的器件。1.什么是半導體激光器(LD)第30頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月2.結(jié)構(gòu)與工作原理半導體激光器的結(jié)構(gòu)與半導體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)類似。通常也是由P層、N層和形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有源層構(gòu)成。和LED所不同的是，它的有源層厚度比發(fā)光二極管的要薄，一般只有幾，有源層的結(jié)構(gòu)中還具有使光發(fā)生振蕩的諧振腔。雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的形成過程與前面所述LED情況大致相同。

有源層的折射率大于兩邊限制層的折射率。第31頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月在激活區(qū)，電子空穴對復合發(fā)射出光。初始的光場來源于導帶和價帶的自發(fā)輻射，方向雜亂無章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運動的光子就成為受激輻射的外界因素，使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。這些光子通過反射鏡往返反射不斷通過激活物質(zhì)，使受激輻射過程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出，這就是經(jīng)受激輻射放大的光.原理:半導體激光器發(fā)光利用的是受激輻射原理。第33頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月但是僅僅有放大功能還不能形成振蕩，必須要有正反饋才行。為了實現(xiàn)光的放大反饋，需要采用使光來回反射的光學諧振腔。最基本的光學諧振腔是由兩塊互相平行的反射鏡構(gòu)成，稱之為法布里一珀羅諧振腔。半導體激光器就是在垂直于PN結(jié)的兩個端面，按晶體的天然解理面切開而形成相當理想的反射鏡面。光在諧振腔中的兩個反射鏡面之間往復反射。其中一個是全反射鏡面，另一個是部分反射鏡面，這樣諧振腔內(nèi)的光能由該鏡面透射出來，形成輸出激光。第34頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月要能得到相干的受激發(fā)射激光輸出，需滿足兩個基本條件：2）激光振蕩的閾值條件（包含振幅和相位）1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必要條件反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)增益大于有源層內(nèi)的各種損耗。①振幅條件它決定激光器的閾值第36頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，γth為閾值增益系數(shù)，α為諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為諧振腔的長度，R1，R2<1為兩個反射鏡的反射率

②激光振蕩的相位條件為式中，λ為激光波長，n為激活物質(zhì)的折射率，q=1,2,3…稱為縱模模數(shù)。在諧振腔內(nèi)開始建立穩(wěn)定的激光振蕩的閾值條件為γth=α+(5.4)L=q(5.5)第37頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：對于同質(zhì)結(jié)，為滿足上式，需要對p型和n型半導體都重摻雜。采用異質(zhì)結(jié)后就不需要重摻雜了。采用異質(zhì)結(jié)的好處：一是利用兩種材料禁帶寬度的不同可以很好地限制載流子濃度在有源區(qū)，另一個優(yōu)點是由于兩種介質(zhì)的折射率不同，即利用了折射率之差構(gòu)成良好的波導。第38頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5.7激光器的構(gòu)成和工作原理(a)激光振蕩；(b)光反饋第39頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

4.半導體激光器基本結(jié)構(gòu)半導體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是圖5.8示出的雙異質(zhì)結(jié)(DH)平面條形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)射不同的光波長。圖中標出所用材料和近似尺寸。結(jié)構(gòu)中間有一層厚0.1~0.3μm的窄帶隙P型半導體，稱為有源層；兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導體，稱為限制層。三層半導體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成法布里-珀羅(FP)諧振腔。第40頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.6DH激光器工作原理(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布DH激光器工作原理第42頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.1.2半導體激光器的主要特性

1.發(fā)射波長和光譜特性

半導體激光器的發(fā)射波長等于禁帶寬度Eg(eV)，由式(3.1)得到hf=Eg

(3.6)不同半導體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長λ。鎵鋁砷-鎵砷(GaAlAs-GaAs)材料適用于0.85μm波段銦鎵砷磷-銦磷(InGaAsP-InP)材料適用于1.3~1.55μm波段式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3×108m/s為光速，h=6.628×10-34J·S為普朗克常數(shù)，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到第43頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.8是GaAlAs-DH激光器的光譜特性。在直流驅(qū)動下，發(fā)射光波長只有符合激光振蕩的相位的波長存在。這些波長取決于激光器縱向長度L，并稱為激光器的縱模。

驅(qū)動電流變大，縱模模數(shù)變小，譜線寬度變窄。這種變化是由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使邊模消失、主模增益增加而產(chǎn)生的。當驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。圖5.8(b)是300Mb/s數(shù)字調(diào)制的光譜特性，由圖可見，隨著調(diào)制電流增大，縱模模數(shù)增多，譜線寬度變寬。第44頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5.8GaAlAs-DH激光器的光譜特性(a)直流驅(qū)動;(b)300Mb/s數(shù)字調(diào)制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)第45頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.激光束的空間分布激光束的空間分布用近場和遠場來描述。

近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強分布；

遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。圖5.9是GaAlAs-DH激光器的近場圖和遠場圖，近場和遠場是由諧振腔(有源區(qū))的橫向尺寸，即平行于PN結(jié)平面的寬度w和垂直于結(jié)平面的厚度t所決定，并稱為激光器的橫模。由圖5.9可以看出，平行于結(jié)平面的諧振腔寬度w由寬變窄，場圖呈現(xiàn)出由多橫模變?yōu)閱螜M模；垂直于結(jié)平面的諧振腔厚度t很薄，這個方向的場圖總是單橫模。第46頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.9GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣

第47頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月3.-9典型半導體激光器的遠場輻射特性和遠場圖樣(a)光強的角分布；(b)輻射光束圖3.9為典型半導體激光器的遠場輻射特性，圖中θ‖和θ⊥分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。第48頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月3.轉(zhuǎn)換效率和輸出光功率特性

激光器的電/光轉(zhuǎn)換效率用外微分量子效率ηd表示，其定義是在閾值電流以上，每對復合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)(5.7a)由此得到(5.7b)式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅(qū)動電流，Pth和Ith分別為相應的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。第49頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.10是典型激光器的光功率特性曲線。當I<Ith時激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光；當I>Ith時，發(fā)出的是受激輻射光，光功率隨驅(qū)動電流的增加而增加。第50頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5.10典型半導體激光器的光功率特性(a)短波長AlGaAs/GaAs(b)長波長InGaAsP/InP第51頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.頻率特性在直接光強調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f

的關(guān)系為P(f)=(5.8a)(5.8b)式中，和ξ分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，Ith和I0分別為閾值電流和偏置電流；I′是零增益電流，高摻雜濃度的LD，I′=0，低摻雜濃度的LD,I′=(0.7~0.8)Ith；τsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，τph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。第52頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.11半導體激光器的直接調(diào)制頻率特性圖5.11示出半導體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率fr

是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr為1~2GHz。在接近fr處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。第53頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

Ith=I0exp(5.9)

5.溫度特性對于線性良好的激光器，輸出光功率特性如式(5.7b)和圖5.10所示。激光器輸出光功率隨溫度而變化有兩個原因（1）激光器的閾值電流Ith

隨溫度升高而增大（2）外微分量子效率ηd隨溫度升高而減小。溫度升高時，Ith增大，ηd減小，輸出光功率明顯下降，達到一定溫度時，激光器就不激射了。當以直流電流驅(qū)動激光器時，閾值電流隨溫度的變化更加嚴重。當對激光器進行脈沖調(diào)制時，閾值電流隨溫度呈指數(shù)變化，在一定溫度范圍內(nèi)，可以表示為第54頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，I0為常數(shù)，T為結(jié)區(qū)的熱力學溫度，T0為激光器材料的特征溫度。GaAlAs–GaAs激光器T0=100~150KInGaAsP-InP激光器T0=40~70K

所以長波長InGaAsP-InP激光器輸出光功率對溫度的變化更加敏感。外微分量子效率隨溫度的變化不十分敏感。圖5.12示出脈沖調(diào)制的激光器，由于溫度升高引起閾值電流增加和外微分量子效率減小，造成的輸出光功率特性P-I曲線的變化。第55頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.12P-I曲線隨溫度的變化第56頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.3分布反饋激光器

分布反饋(DFB)激光器用靠近有源層沿長度方向制作的周期性結(jié)構(gòu)(波紋狀)衍射光柵實現(xiàn)光反饋。這種衍射光柵的折射率周期性變化，使光沿有源層分布式反饋。

分布反饋激光器的要求：

（1）譜線寬度更窄（2）高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性（3）發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實現(xiàn)調(diào)諧（4）閾值電流更低（5）輸出光功率更大第57頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.13分布反饋(DFB)激光器(a)結(jié)構(gòu)；(b)光反饋第58頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖5.13所示，由有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)，另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。光柵周期Λ=m(5.10)ne為材料有效折射率，λB為布喇格波長，m為衍射級數(shù)。在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為(5.11)第59頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月DFB激光器與F-P激光器相比，具有以下優(yōu)點：

①單縱模激光器②譜線窄，波長穩(wěn)定性好③動態(tài)譜線好④線性好第60頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月