第4章光通信器件

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1、2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping1第四章第四章 光通信器件光通信器件n4.1 半导体激光器半导体激光器 n4.2 半导体发光二极管半导体发光二极管(LED) n4.3 光放大器光放大器 n4.4 光检测器光检测器 n4.5 其他光通信器件其他光通信器件2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping24.1 半导体激光器半导体激光器n4.1.1 半导体激光器原理半导体激光器原理 n4.1.2 激光器的基本组成激光器的基本组成 n4.1.3 半导体激光器的机理半导体激光器的机理 n4.1.4 制作激光器的材料制作激光器的材料 n4.1.5 FP腔激

2、光器腔激光器* n4.1.6 量子阱半导体激光器量子阱半导体激光器 n4.1.7 分布反馈激光器分布反馈激光器 n4.1.8 半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性* n4.1.9 光纤通信使用的激光器光纤通信使用的激光器 n4.1.10 固体蓝光激光器固体蓝光激光器* 2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping3n工作原理工作原理：是激励方式，利用半导体物质：是激励方式，利用半导体物质(即电子即电子)在能在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产射镜面作为反射

3、镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。生光的辐射放大，输出激光。n形成激光的条件形成激光的条件：有源区产生足够的粒子数反转分布；：有源区产生足够的粒子数反转分布；存在光学谐振机制，并在有源区建立起稳定的光振荡。存在光学谐振机制，并在有源区建立起稳定的光振荡。 解理面解理面NP耗尽层耗尽层金属电极金属电极金属电极金属电极4.1.1 4.1.4 半导体激光器原理半导体激光器原理2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping44.1.1 4.1.4 半导体激光器原理半导体激光器原理n能带能带：价带、禁带、导带：价带、禁带、导带n型、型半导体的能带型、型半导体的

4、能带nPNPN结、结、半导体激光器产生激光原理半导体激光器产生激光原理n激光器模型激光器模型2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping5半导体激光器的组成半导体激光器的组成n激光工作物质激光工作物质：半导体材料，在被激活的条件下，可：半导体材料，在被激活的条件下，可以辐射光子。以辐射光子。n泵浦源泵浦源：在泵浦源的激励下，工作物质被激活而成为：在泵浦源的激励下，工作物质被激活而成为激活物质或增益物质。激活物质或增益物质。n光学谐振腔光学谐振腔：其正反馈作用使光的增益大于损耗，产：其正反馈作用使光的增益大于损耗，产生激光。生激光。2022-5-31安工大数理安工大数理 Zh

5、ou Wenping6半导体激光器的材料、激励方式、分类半导体激光器的材料、激励方式、分类n半导体材料工作物质：如，砷化镓半导体材料工作物质：如，砷化镓(GaAs)、硫化镉、硫化镉(CdS)、磷化铟、磷化铟(InP)、硫化锌、硫化锌(ZnS)等。等。n激励方式：激励方式：电注入电注入、电子束激励电子束激励和和光泵浦光泵浦三种形式。三种形式。n分类：同质结、单异质结、双异质结等几种半导体激分类：同质结、单异质结、双异质结等几种半导体激光器。光器。2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping7n峰值波长峰值波长，应在光纤的低损耗窗口之内，即与石英光纤三，应在光纤的低损耗窗口之内

6、，即与石英光纤三个低损耗窗口相适应。个低损耗窗口相适应。n高而稳定的输出光功率高而稳定的输出光功率 (入纤功率：数十入纤功率：数十w至数至数mw) ，以满足系统的光中继段距离的要求。以满足系统的光中继段距离的要求。n高的电光转换效率，低功率驱动，长寿命，高可靠性高的电光转换效率，低功率驱动，长寿命，高可靠性。n单色性和方向性好单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光缆和，以减少光纤的材料色散，提高光缆和光纤的耦合效率。光纤的耦合效率。n易于调制，响应速度快，温度特性好，易于调制，响应速度快，温度特性好，以利于高速率大容以利于高速率大容量的数字信号的传输。量的数字信号的传输。n体积小，重量

7、轻体积小，重量轻，便于安装使用，也利于和光纤的耦合。便于安装使用，也利于和光纤的耦合。一、光纤通信对光源的基本要求一、光纤通信对光源的基本要求2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping8二、光通信用的激光光源二、光通信用的激光光源三种激光器：三种激光器：n1 1、单纵模、单纵模(SLM)(SLM)半导体激光器半导体激光器 分布反馈分布反馈(DFB)(DFB)激光器激光器 分布布拉格反射分布布拉格反射(DBR)(DBR)激光器激光器n2 2、量子阱、量子阱(QW)(QW)激光器激光器n3 3、光纤激光器、光纤激光器* *2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou We

8、nping91 1、单纵模、单纵模(SLM)(SLM)半导体激光器半导体激光器nSLM 的思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，具有最的思想是使不同纵模具有不同的腔损耗，具有最低光腔损耗的纵模最先达到阈值并成为支配模式。其它低光腔损耗的纵模最先达到阈值并成为支配模式。其它邻模由于高损耗而被区分开，并被阻止从自发辐射中建邻模由于高损耗而被区分开，并被阻止从自发辐射中建立。这些邻模携带的功率在总的辐射功率中一般只占很立。这些邻模携带的功率在总的辐射功率中一般只占很小一部分小一部分(1%)。频率频率纵模纵模发射模发射模损耗线损耗线增益增益单纵模半导体激光器的增益和损耗单纵模半导体激光器的增益和损耗202

9、2-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping10(a) (a) 结构结构 (b) (b) 光反馈光反馈1 1、SLM SLM 半导体激光器半导体激光器 - - 分布反馈激光器分布反馈激光器 DFBDFBn反馈并不位于端面上，而是分布在整个光腔长度上，通过反馈并不位于端面上，而是分布在整个光腔长度上，通过折射率周期扰动的内建光栅产生的布拉格散射得到，并使折射率周期扰动的内建光栅产生的布拉格散射得到，并使正向和反向传播的波相互耦合。正向和反向传播的波相互耦合。2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping11nDFB 机制产生模式选择需要满足布拉格条件（波长耦合机制

10、产生模式选择需要满足布拉格条件（波长耦合条件）：条件）：m(B/2n) 光栅周期；光栅周期； m 布拉格散射的阶数；布拉格散射的阶数； B 布拉格波长；布拉格波长； n 模折射率模折射率 例例如：一阶布拉格散射如：一阶布拉格散射(m=1)，正向和反向耦合最强，正向和反向耦合最强，对工作于对工作于B=1550nm的的DFB激光器，若激光器，若m=1，n=3.3，则则=235nm。此光栅可用全息照相技术制造。此光栅可用全息照相技术制造。1 1、SLM SLM 半导体激光器半导体激光器 - - 分布反馈激光器分布反馈激光器 DFBDFB2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping

11、12N型型P型型光栅光栅有源层有源层DFB激光器激光器DBRDBR激光器激光器DBR泵浦区泵浦区N型型P型型nDFB激光器：反馈发生在整个光腔有源区长度上。激光器：反馈发生在整个光腔有源区长度上。DBR激光器：反馈并不发生在有源区内。激光器：反馈并不发生在有源区内。1 1、SLM SLM 半导体激光器半导体激光器 - - 两类两类 DFB DFB 机制的半导体激光器机制的半导体激光器2022-5-31安工大数理安工大数理 Zhou Wenping13n多段多段DFB和和DBR激光器的设计方案，可实现稳定性和可激光器的设计方案，可实现稳定性和可调谐性兼备的调谐性兼备的SLM激光器。它由三段组成：