光纤通信第二章1-光源ppt课件.ppt

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1、第2.1讲半导体激光器和发光二极管一.激光原理的基础知识二、半导体激光器的结构、分类三、半导体激光器的主要性质四、发光二极管半导体光源：半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)半导体光源的优点：体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合发射波长适合在光纤中低损耗传输可以直接进行强度调制可靠性高一.激光原理的基础知识1、光的吸收和放大1）能级和能带2）能级的光跃迁3）光的吸收和放大2、半导体激光器中增益区的形成1）晶体中载流子的统计分布2）PN结的能带和增益区的形成1、光的吸收和放大（1）原子能级和晶体的能带电子绕核运动的能量是不连续的、分立的量

2、子态，称之为原子的不同能级。E1E2E3E4能量E晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组，每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带。1、光的吸收和放大（1）原子能级和晶体的能带（2）能级的光跃迁：电子在原子能级间的跃迁过程中以光子形式交换能量。E2E1E2E1h=E2-E1自发发射特点：Rsp=rspN2=N2/sp无外界作用，自发光跃迁；独立、自发发射，非相干光；典型应用：发光二极管E2E1E2E1h=E2-E1受激辐射特点：感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生的光子与感应光子是相干的，为全同光子；

3、光得到放大。h=E2-E1典型应用：半导体激光器E2E1E2E1h=E2-E1受激吸收特点：感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差；消耗外来光能，产生电子－空穴对。典型应用：光电二极管（3）光的吸收与放大设光波频率为，光强为I，经过原子煤质,发出光能:,吸收光能：单位体积中的净功率：是能量密度吸收媒质热平衡状态放大媒质粒子数翻转分布，布居翻转对应激光放大状态2、半导体激光器中增益区的形成晶体中载流子的统计分布：费米-狄拉克统计f(E)：电子的费米分布函数k:玻耳兹曼常数K：绝对温度Ef：费米能级，它只是反映电子在各能级中分布情况的一个数学参

4、量,位置由电子总数决定。E=Eff(E)=1/2该能级被电子占据概率等于50％E1/2该能级被电子占据概率大于50％E>Eff(E)<1/2该能级被电子占据概率小于50％各种半导体中电子的统计分布本征半导体P型半导体N型半导体兼并型P型半导体兼并型N型半导体双兼并型半导体2）PN结的能带和增益区的形成PN结导带价带导带价带EfvEfc兼并型P型半导体兼并型N型半导体P区N区Ef达到热平衡时PN结的能带图PN结的能带e0VD势垒加正向电压(e0VD>e0V>Eg)PN结的能带图对光子能量满足：Eg

5、：加正向电压3、半导体激光器的激射条件有源区里实现足够的粒子数反转分布当处于高能级上的电子数N2大于处于低能级上的电子数N1时，受激辐射占据主导地位，光被放大。N2>N1的情况是一种处于非热平衡状态下的反常情况（外界激励），通常称为粒子数反转分布，或布局反转。(2)存在光学谐振机理，并在有源区里建立起稳定的振荡M1M2光学振荡禁带(a)利用晶体天然解理面形成法布里-珀罗谐振(F-P)腔(b)利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合形成光振荡(分布反馈型DFB,分布布喇格反射型DBR)制作材料：直接带隙的半导体材料发射波长hc/EgE二、半导体

6、激光器的结构、分类和主要性质1、F-P腔激光器(1)F-P腔的作用—建立光振荡振幅条件：使激光器成为阈值器件th：阈值时增益系数：谐振腔内部工作物质的损耗系数L：谐振腔腔长R：谐振腔两镜面反射率之积，R＝R1R2增加增益的方法：加大注入电流相位条件：使激光器的发射光谱呈模式振荡2L＝q2q=1,2,3,…：光波的相移系数，L：谐振腔腔长（2）F-P腔激光器的分类按制作激光器的材料分类:短波长(0.85m)波段，采用GaAs/GaAlAs长波长(1.3m～1.55m)，采用InGaAsP/InP按垂直于PN结方向的结构分类：同质结单

7、异质结双异质结双异质结的作用:带隙差对载流子有限制作用;折射率差对光子有限制作用按平行于PN结方向的结构分类宽面LD（没有导向）条形LD：台面条形平面条形（SiO2条形，质子轰击条形，Zn扩散条形等）（增益导向）隐埋条形（折射率导向）在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构；只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上(10m左右)有电流通过的结构是条形结构。条形激光器主要优点是阈值电流低，发热少，利于散热，可以改善光谱特性。但受条宽限制不宜作大功率输出。2、量子阱激光器结构特点：有源区非常薄量子阱(QW，QuantumWell)半导体激光器是

8、一种窄带隙有源层夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长，有源层厚度小至德布罗意波长量级的新型半导体激光二极管。性能特点：阈值电流低,输出