半导体激光器

      光发送机与光接收机统称为光端机。
      光端机是光纤通信系统中的光纤传输终端设备,它们位于电端机和光纤传输线路之间(见图9.2)。
      光发送机的主要作用是将电端机送来的电信号变换为光信号,并耦合进光纤中进行传输。光发送机中的光源是整个系统的核心器件,它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。
半导体激光器
       光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号,并对电信号进行放大、整形、再生后,再生成与发送端相同的电信号,输入到电接收端机。光接收机中的关键器件是半导体光检测器,它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端性能是决定光接收机的主要因素。
1. 光纤通信系统对光源的要求
光纤通信系统对于光源的要求可以概括为:
      • 光源的发射波长应该与光纤的低损耗窗口一致,即850nm、1310nm和1550nm三个低损耗窗口;
      • 光源有足够高的、稳定的输出光功率,以满足系统中继距离的要求,一般为数十微瓦至数毫瓦为宜;
      • 光源的光谱线宽要窄,即单色性好,以减小光纤色散对信号传输质量的影响;
      • 调制方法简单,且要响应速度快,以满足高速率传输的需要;
      • 电光转换效率要高;
      • 能够室温连续工作;
      • 体积小、重量轻、寿命长,工作稳定可靠。
      目前,满足上述要求的光源器件是半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED),它们在不同的光纤通信系统中用作光发送机的光源。
2. 半导体激光器
(1)基本原理
       受激辐射是半导体激光器的基本工作原理。半导体激光器是由共价单晶体所制成的。在半导体材料中,原子是紧密地按一定规则排列的。由于电子的共有化运动,使能级产生了分裂.并形成了能带,如图9所示。晶体中电子填充能带遵守泡利不相容原理和能量最小原理。低能带首先被占满,称为满带;价电子占据的能带称为价带;价带上面的自由电子占据的能带称为导带;导带和价带之间是不能被电子占据的禁带,通常用Eg表示导带和价带之间的能量差,称为禁带宽度
Eg=Ee一Ev (9-20)
式(9-20)中,Ee为导带底的能量;Ev为价带顶的能量。
半导体的能带结构
图9  半导体的能带结构
        一般来说,处于高能态的一导带的电子是不稳定的,它们会向低能态一价带跃迁,而将能量以光子的形式释放出来。这种发光过程可以通过自发辐射和受激辐射这两个基本形式而进行。但受激辐射的产生还必须有光场的激发,自发辐射则不需要。在自发辐射中,产生的是非相干光。半导体发光二极管(LED)正是利用了自发辐射的效应而发光。在受激辐射中产生的是相干光,半导体激光器(LD)正是利用这个原理制成的。
       当晶体中有光场存在,且光子的能量hf≥Ec-Ev(f为光子的频率)时,处于导带上的电子在光场的激发下跃迁到价带上,同时发射出一个和激发光子一模一样的光子。这一过程即为受激辐射。受激辐射使原来的光场加强,光波被放大。
       要产生激光必须使受激辐射占主导地位,这就需要导带上的电子密度高于价带上的电子密度一实现粒子数反转分布。实现粒子数反转分布需要给半导体激光器外加激励(泵浦),采用的方式是对PN结加正向电流。在半导体激光器内部实现粒子数反转分布、具有光放大的区域称为有源区。
 (2)半导体激光器的结构
       半导体光源的核心是PN结,它由高掺杂浓度的P型半导体材料和N型半导体材料组成。
       半导体激光器的基本结构如图9-10所示。在P区和N区之间的PN结区为有源区(或激活区),这种结构称为异质结构;两个端面为自然解理面形成平行反射镜,构成光学谐振腔。有源区为光提供增益,而谐振腔的作用是提供光学正反馈,并控制激光束的特性。
       半导体激光器要产生稳定的激光振荡必须满足一定的条件,即阈值条件和相位条件。由于激光器有源区内各种损耗机制及谐振腔损耗的存在,激光器的注入电流必须大于一定值才能产生激光振荡,这一最小注入电流就是激光器的阈值电流。此外,激光振荡还必须满足谐振腔决定的相位条件。 
半导体激光器的基本结构
图    10半导体激光器的基本结构
       条形激光器是半导体激光器中的基本结构.它们的有源区为条形结构,这种结构的激光器阈值较低,并且与光纤耦合效率较高。条形激光器主要有两种结构:增益导引条形和折射率导引条形。如图11为两种条形半导体激光器的横截面结构图。在增益导引条形半导体激光器中,釆用了某种结构,使注入载流子约束在有源区的条形区域内,实现降低器件阈值电流、提高与光纤的耦合效率、增加器件寿命的目的。折射率导引条形半导体激光器的结构是有源区条形埋在折射率较低的材料中,以形成波导效应。特别是强折射率导引条形激光器,阈值电流低、输出功率高、适合于与单模光纤耦合,这类激光器也称作FP型半导体激光器,在光纤通信中得到了广泛的应用。
激光器横截面结构
图11      两种增益导引条形半导体激光器的横截面结构
      在长距离、大容量光纤通信系统中,一般采用的是量子阱(QW)半导体激光器、分布反馈半导体激光器(DFB—LD)、分布布拉格反射半导体激光器(DBR-LD)和垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL).这些激光器具有窄的光谱线宽、动态单纵模运转、阈值电流低等优点。
       量子阱半导体激光器的有源区厚度很薄,使有源区的粒子数反转浓度非常高,使得器件具有增益高、阈值电流低、温度特性好、动态单纵模特性好等优势,是长距离、大容量光纤通信系统中比较理想的光源。图12为多量子阱激光器的结构。
多量子激光器结构
图12    多量子阱激光器结构示意图
      DFB激光器的结构如图9.13所示。它是在有源区或邻近波导层上刻蚀所需的周期波纹光栅而构成的。DFB激光器的激光振荡是由光栅形成的光耦合来提供,其基本原理是布拉格反射原理。DFB激光器具有动态单纵模特性好、光谱线宽窄、波长稳定性好、线性度好等优势,是高速光纤通信系统的理想的光源。
DFB半导体激光器结构
图13DFB半导体激光器的结构
        图14为DBR激光器的结构,它是将周期波纹光栅刻蚀在有源区的两端。光栅在有源区两端形成了FP谐振腔。DBR激光器的阈值电流比DFB激光器高。在高速调制时,单纵模特性亦较好,是光纤通信系统的良好光源。
DBR半导体激光器结构
图14    DBR半导体激光器的结构
       垂直腔面发射半导体激光器的结构如图9.15所示.它是垂直表面出光的激光器。它的谐振腔是由位于有源区的上下两侧的反射镜构成。它可以实现更高功率输出,适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域;它成本较低,在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用。
DBR半导体激光器的结构
图15    DBR半导体激光器的结构
 

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