第三次课(半导体激光二极管和激光器组件)

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所属分类:半导体激光器
第三次课(半导体激光二极管和激光器组件)_物理_自然科学_专业资料。第3章 半导体激光二极管和激光器组件 半导体激光二极管和激光器组件 ? 半导体激光器基础知识 ?半导体激光器类型
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  第三次课(半导体激光二极管和激光器组件)_物理_自然科学_专业资料。第3章 半导体激光二极管和激光器组件 半导体激光二极管和激光器组件 ? 半导体激光器基础知识 ?半导体激光器类型、组件及特性参数 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 第一节 半导体激光器基础

  第3章 半导体激光二极管和激光器组件 半导体激光二极管和激光器组件 ? 半导体激光器基础知识 ?半导体激光器类型、组件及特性参数 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 第一节 半导体激光器基础知识 一、半导体激光器的工作原理 半导体激光器产生激光输出的基本条件: ?粒子数反转 ?光反馈 ?阈值条件 1、粒子数反转 在热平衡条件下,二能级原子系统中上能级的粒 子要比下能级少得多,服从波尔兹曼分布。此时不 会发生受激发射。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 为了产生受激辐射,必须建立非平衡得分布, 即使上能级的粒子数大于下能级的粒子数,使受激 发射大于受激吸收,这种状态叫做粒子数反转。 波尔兹曼分布 粒子数反转 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 激光器的粒子数反转状态可采用电或光的泵浦。 2、光反馈和激光振荡 在有源区内,开始少数载流子的自发辐射产生 光子。一部分光子一旦产生,就穿出有源区,得不 到放大;另一部分光子可能在有源区内传播,并引 起其他电子-空穴对的受激辐射,产生更多的性能 相同的光子,得到放大。 为了得到激光,必须将激活物质置于光学谐振 腔中,如下图。 通过腔两端的反射,向光子提供正反馈。光信 号每通过一次增益媒质就得到一次放大。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 激光器中的光反馈及FP腔 这种光学结构称为法布里-珀罗谐振腔,简称 F-P谐振腔。 在LD中,作为增益媒质晶体两端的自然解理面 形成反射镜,即光腔。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 由于在谐振腔中,光波是在两块反射镜之间往 复传输的,这时只有在满足特定相位关系的光波才 能得到彼此加强,因此这种条件称为相位条件, cq fq ? 2nL 激光器中振荡光频率只能取某些分立值,不同q 的一系列取值对应于沿谐振腔轴向一系列不同的电磁 场分布状态,一种分布就是一个激光器的纵模。相邻 两纵模之间的频率之差: 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 c ?f ? 2nL 称为纵模间隔,它与谐振腔长及工作物质有关。 F-P腔的透射频谱特性如下图: 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 半功率点全宽为: ?f1 / 2 ? ?f / F F为F-P腔的精细度,可表示为: F? R增大,F增大。 ? R 1? R 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 3、激光振荡的阈值条件 在注入电流的作用下,有源区的受激辐射不断 增强,称为增益。 在F-P腔中,每次通过增益媒质时的增益尽管很 小,但经过多次振荡后,增益变得足够大。 当腔内增益超过总损耗(包括载流子吸收、缺 陷散射及端面输出)时,就产生了激光。 见下图: 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 FP-LD的增益曲线(a)腔模(b)及输出的纵模(c) 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 半导体激光器的工作特性 1、P-I特性 典型的半导体激光器如下图所示 3 .5 3 .0 功 率 / mW 2 .5 2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 0 0 50 Ith 1 00 1 50 注入电流 / mA 图4.14 半导体激光器P―I曲线章 半导体激光二极管和激光器组件 从图上可以看出,半导体激光器存在阈值电流 Ith 。当注入电流小于阈值电流时,器件发出微弱的 自发辐射光,类似于发光二极管的发光情况。当注 入电流超过阈值,器件进入受激辐射状态时,光功 率输出迅速增加,输出功率与注入电流基本保持线 性关系。 半导体激光器的P―I特性对温度很敏感,下图给 出了不同温度下P―I特性的变化情况。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 6 22℃ 30℃ 40℃ 50 ℃ 60 ℃ 5 功 率 / mW 4 3 2 1 0 50 1 00 注入电流 / mA 1 50 70 ℃ 动 画 演 示 80℃ 图4.15 半导体激光器P―I曲线章 半导体激光二极管和激光器组件 由图可见,随着温度的升高,阈值电流增大,发 光功率降低。阈值电流与温度的关系可以表示为: T I th (T ) ? I 0 exp( ) T0 其中,T为器件的绝对温度;T0为激光器的特征 温度;I0为常数。 为解决半导体激光器温度敏感的问题,可以在 驱动电路中进行温度补偿,或是采用制冷器来保持 器件的温度稳定。 通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷 器等封装在一起,构成组件。热敏电阻用来检测器 件温度,控制制冷器,实现闭环负反馈自动恒温。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 2、模式特性与线宽 LD输出谱特性,或为多纵模或为单纵模,如下图。 LD的多模(a)及单模(b)输出谱 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 1、模式特性 从使用来说,首先考虑的是模式的稳定性,它随时间、 电流的任何变化都会给系统附加噪声。其次,对高速 光纤通信系统来说,单纵模窄谱宽的光源有利于减小 光纤色散的影响。 在模式特性上还要注意到横模的问题。 激光振荡也可能出现在垂直于腔轴的平面内,其 中TEM00为基横模,TEM10、TEM11等为高次横模。 由于TEM00 模的光斑与光纤中基模 LP01 模场光斑相 匹配,故耦合效率最高。 同时LD工作在TEM00模时相干性最好,因此在LD 的设计及结构上都应保证基横模工作。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 2、线宽 LD输出的有限线宽来自于两个因素: 一、是激光腔内自发发射事件引起的光场相位脉 动。 二、是载流子浓度脉动引起的折射率变化,使光 腔庇振频率产生变化。简化理论推导的光源线宽Δν可 表示为: X ?1 ? ? ? ?? ? 4?P 式中,X为自发发射事件的平均速率;P为光功率; α 为线宽提高因子,表示折射率实部与虚部之比。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 由上式可知,为了降低LD的线宽,可采取下列措施: ?增大光功率(或腔内总光子数)。 ?减小自发发射速率。 ?从外部稳定载流子密度以使幅值-相位耦合最小。 第一点可通过改变腔结构、增加总体积、增加单 位体积内储能(如增加端面反射系数)或增加输出功 率来实现。 第二点可通过注入锁定来实现。 第三点,通过驱动电流的反馈控制来稳定载流子 密度,有效减少激光场的幅值-个位耦合。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 3、调制特性 如下图为半导体激光器的直接调制的原理 图。 光 功 率 光 功 率 输出 功率 输出 功率 电流 时间 电流 时间 信 号 电 流 信 号 电 流 时 间 时 间 (a) (b) 激光二极管的调制原理图 (a)数字调制;(b)模拟调制 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 与发光二极管的调制不同的是,由于存在阈值电 流,在实际的调制电路中,为提高响应速度及不失真, 需要进行直流偏置处理。 在高速调制情况下,半导体激光器会出现许多 复杂动态性质,如出现电光延迟、张弛振荡、自脉动 和码型效应等现象。这些特性会对系统传输速率和 通信质量带来影响。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 1)张驰振荡 当电流脉冲突然加到LD上时,其光输出呈现下图 所示的动态相应,这是注入电子与所产生光子简相互 作用的量子力学过程。 LD的张弛振荡特性 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 当注入电流从零快速增大到阈值以上时,经电光 延迟后产生激光输出,并在脉冲顶部出现阻尼振荡, 经过几个周期后达到平衡值。 这种特性可定性解释如下: 当阶跃电流加到LD时,有源层中的电子浓度迅速 增加。在未达到阈值时没有激光输出,但经过电子延 迟时间td后电子浓度达到阈值,并马上产生激光输出。 而在光子浓度到稳态值前,电子浓度仍在增大,直到 电子浓度达到最大值,而光子浓度达到稳态值。由于 导带内超量储存电子,受激复合过程进一步增大,直 到光子浓度升到最大值,而电子浓度则降到阈值; 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 由于光子寿命,及逸出腔外需要一定时间,使有源区 内的过量复合仍维持一段时间,电子浓度进一步下降 到阈值以下,光子浓度也开始迅速下降。当电子浓度 下降到最低点,有源层中的激射可能减弱甚至停止。 紧接着又开始新一轮导带电子填充过程。但由于电子 的存储效应,这一轮的填充时间比上次短,电子浓度 和光子浓度的过冲量也比上次小。这种衰减振荡过程 重复多次,直到输出光功率达到稳态值。 显然,如果LD预偏置在阈值附近,光脉冲上升时 间及张弛振荡的幅度都会显著降低。 另外,在结构上具有横向光波导的 LD (如隐埋导 质结LD),其张弛振荡较弱。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 2)电光延迟 半导体激光器在高速脉冲调制下,输出光脉冲瞬 态响应波形如下图所示。输出光脉冲和注入电流脉冲 之间存在一个时间延迟,称为电光延迟时间,一般为 纳秒量级。 电脉冲 光脉冲 光脉冲的电光延迟和张弛振荡 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 电光延迟的原因是由于载流子浓度达到激光阈值 需要一定的时间(0.5-2.5ns)。 张驰振荡和电光延迟与激光器有源区的电子自发 复合寿命和谐振腔内光子寿命以及注入电流初始偏置 量有关。 当信号的调制频率接近张弛振荡频率时,将会使 输出光信号的波形严重失真,势必会增加接收机的误 码率,所以,半导体激光器的张弛振荡和电光延迟的 存在限制了信号的调制速率应低于张弛振荡频率,这 样才能保证信息传输的可靠。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 可以通过在半导体激光器脉冲调制时加直流预偏 置的方法来使脉冲到来之前将有源区内的电子密度提 高到一定程度,从而使脉冲到来时,电光延迟时间大 大减小,而且张驰振荡现象可以得到一定程度的抑制。 随着直流预偏置电流的增大,电光延迟时间逐渐减小。 增加直流预偏置电流也有利于抑制张驰振荡。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 3)码型效应 电光延迟还会产生码型效应。 当电光延迟时间与数字调制的码元持续时间为相 同数量级时,会使后一个光脉冲幅度受到前一个脉冲 的影响,这种影响现象称为“码型效应”,如下图 (a)、 (b)所示。考虑在两个接连出现的“1”码脉冲调制时, 第一个脉冲过后,存储在有源区的电子以指数形式衰 减,如果调制速率很高,脉冲间隔小于其衰减周期, 就会使第二个脉冲到来之时,前一个电流脉冲注入的 电子并没有完全复合消失,此时有源区电子密度较高, 因此电光延迟时间短,输出光脉冲幅度和宽度就会增 大。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 电流 脉冲 2ns 5ns 2ns 光脉 冲 (a) (b) 码型效应 (c) 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 “ 码型效应”的特点是,在脉冲序列中较长的连 “ 0” 码后出现的“ 1” 码,其脉冲明显变小,而且连 “0”码数目越多,调制速率越高,这种效应越明显。 消除码型效应最简单的方法就是增加直流偏置电 流。当激光器偏置在阈值附近时,脉冲持续时间和脉 冲过后有源区内电子密度变化不大,电子存储的时间 大大减小,码型效应就可得到抑制。 还可以采用在每一个正脉冲后跟一个负脉冲的双 脉冲信号进行调制的方法,如上图 (c)所示: 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 正脉冲产生光脉冲,负脉冲来消除有源区内的存 储电子。但负脉冲的幅度不能过大,以免激光器 PN结 被反向击穿。 4)调制谱特性 LD 在信号电流直接调制下,除了输出强度发生变 化外,其谱特性也会发生变化,如下图。 在阈值附近,输出较宽,随着电流的增大,模式选 择性增大,相邻模得到抑制。这时,总的强度不变, 但模间相对强度在改变。 这种模间分配效应在直接调制下最明显,使长距 离光纤系统中因光纤色散而在接收机内产生强度脉动, 使误码率增大。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 GaAs-LD直流光输出谱特性 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 下图示出了1ns单个脉冲持续周期内的模式脉动现象。 脉冲持续期内的动态谱特性 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 4、波长调谐特性 在波分复用及相干光纤传输系统中,光源常常需 要调谐。下面介绍几种调谐方法。 热调谐:是利用不同温度下谐振腔尺寸的变化, o 引起谐振频率的变化,调谐灵敏度为10-20GHz/ C。 外腔机械调谐:是将作为增益媒质的LD芯片,置 于一外腔中,改变外腔尺寸而实现波长调谐。 外腔结构有光栅、光纤或自聚焦透镜等,如下图: 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 光栅外腔可调谐半导体激光器 LD芯片的一个端面增透镀覆,从该端面出来的光由一个 透镜准直后与光栅形成外腔,激射频率由旋转光栅来粗调, 轴向移动光栅来细调。 当外腔长为25cm时,这种结构在1.55μm波长上获得了 40nm的调谐。 同时,外腔也使输出线章 半导体激光二极管和激光器组件 激光二极管驱动电路 与 LED 相比, LD 的驱动要复杂得多。尤其在高 速调制系统中,驱动条件的选择、调制电路的形式和 工艺、激光器的控制等都对调制性能至关重要。 偏置电流的选择直接影响 LD 的高速调制特性。 选择直流预偏置电流时应考虑: ( 1 )增大直流预偏置电流 (Ib) 使其逼近阈值,可 以减小电光延迟时间,抑制张驰振荡;(Ib =(0.85-0.9)Ith ) (2)当激光器偏置在阈值附近时,较小的调制脉 冲电流就能得到足够的输出光脉冲,这样可以大大减 小码型效应; 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 ( 3 )加大直流偏置电流,使激光器在发“ 0” 和发 “1”时的光功率之比(即消光比)增大,从而影响接 收机的灵敏度。 因此,偏置电流的选择要兼顾电光延迟、张驰振 荡、码型效应以及消光比等各种因素。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 LD无偏置(a)及有偏置(b)时脉冲瞬态波形及光谱 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 在使用中,LD结温的变化及老化都会使Ith增大, 微分外量子效率下降,两者会使输出光脉冲幅度产生 变化,如下图。 LD阈值电流(a)及微分外量子效率(b)变化时的光输出 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 自动温度控制(ATC) 随着温度的变化,半导体光源的特性会发生变化。 特别是对于LD,随着温度的升高,阈值电流增加,发 光功率降低,发射波长向长波长移动等。 温度控制由微型制冷器、热敏元件及控制电路组 成,如下图所示。热敏元件监测激光器的结温,与设 定的基准温度比较,根据温度差异的情况,驱动制冷 器的控制电路改变制冷效果,从而使激光器在恒定的 温度下工作。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 激光 器 热敏 电阻 控制 电路 制冷 器 自动温度控制方框图 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 自动功率控制(APC) 半导体激光器的输出功率不仅与温度的变化有 关,而且与器件的老化有关。随着器件的老化,LD 的阈值上升,输出光功率下降。为了进一步稳定输 出光功率,除了采取温度控制措施外,一般还采取 自动功率控制。 如下图,从LD背向输出的光功率,经PD检测器 检测,运算放大器 A1 放大后送到比较器 A3 的反相输 入端。同时,输入信号参考电压和直流参考电压经 A2 比较放大后,送到 A3 的同相输入端。 A3 和 V3 组成 直流恒流源以调节LD的偏流,使输出光功率稳定。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 LD PD - + A1 - + A2 A3 Ib V3 Uin V1 V2 信号 参考 - + -U 直流 参考 -U 自动功率控制的电路原理图 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 光源的保护和告警 光源的保护是指保护光源不要因为外界因素而 受到损害。由于光源特别是LD是易损器件,要求温 度、电流必须在一定的范围内才能正常工作,否则 会降低器件寿命甚至损坏器件,因此必须采取保护 措施。光源的保护包括两个方面:温度和电流。上 面介绍的自动温度控制实际上也是温度保护。 电流保护包括电流接通时的保护,工作过程中 的过流保护以及反向冲击电流保护等。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 a、电流接通时的保护 电流接通时的保护是为了防止在系统开机接通电 源瞬间,由于电路因素引起的冲击电流可能对 LD造成 的损坏。实际系统中LD的驱动部分与其它电路是共用 一个电源,因此光源的偏置电流必须缓慢增加,以起 到保护作用。 b、工作过程中的过流保护 工作过程中的过流保护的方法很多,基本思想是 利用反馈控制使通过光源的电流不超过某一限定值, 从而起到保护的作用。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 c、反向冲击电流保护 为防止光源受到反向冲击电流或电压的破坏,一 般在光源上并联一个肖特基二极管。这样当反向冲击 电流或电压出现时,肖特基二极管迅速导通,就可以 实现对光源的保护。 完整的光发射机除了上述各种控制、保护之外, 还应包括告警电路,在系统出现故障或工作不正常时 及时发送告警信号,提醒设备维护人员及时进行相应 的处理。一般包括无光告警、寿命告警、温度告警等 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 光源与光纤的耦合 在光发射机中,光源发出的光信号要送入光纤中 去,这就涉及到光源与光纤的耦合问题,如下图。光 源与光纤的耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。 一般说来, LD 与单模光纤的耦合效率可以达到 30%~50%,LED 与单模光纤的耦合效率非常低,只有 百分之几甚至更小。 光源与光纤耦合示意图 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 影响耦合效率的主要因素是光源的发散角和光纤 的数值孔径。发散角大,耦合效率低;数值孔径大, 耦合效率高。此外,光源发光面和光纤端面的尺寸、 形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率。 光源与光纤的耦合一般采用两种方法,即直接耦 合与透镜耦合。 直接耦合是将光纤端面直接对准光源发光面进行 耦合的方法。当光源发光面积大于纤芯面积时,这是 一种唯一有效的方法。这种直接耦合的方法结构简单, 但耦合效率低。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 当光源发光面积小于纤芯面积时,可在光源与光 纤之间放置透镜,使更多的发散光线会聚进入光纤来 提高耦合效率,如下图。 光纤 球端 微透 镜 0 .7 ?m N- InP 衬 底 P电 极 InP 透 镜 5 0 ?m 2 ?m 2 0 ?m (a) (b) (c) 面发光二极管与光纤的透镜耦合 (a) 光纤端部做成球透镜、 (b) 采用截头透镜、 4.31(c)采用集成微透镜 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 对于发散光束非对称的边发光二极管和半导体激 光器可以利用圆柱透镜的方法,如下图 (a)、(b)所示。 或者利用大数值孔径的自聚焦透镜(GRIN),其 耦合效率可以提高到60%,甚至更高。 单模光纤和半导体激光器的耦合可以采用如下图 (c)所示自聚焦透镜或者在光纤端面用电弧放电形成半 球透镜的方法。 光源 柱透 镜 (a) 光纤 光源 柱透 镜 球面 透镜 (b) 光纤 光源 自聚 焦透镜 (c) 光纤 光源与光纤的透镜耦合 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 黄章勇《光纤通信用光电子器件和组件》课本内容 ? Page 23: 半导体LD和其它激光器相比其优点 ? Page 24: 半导体激光二极管按结构分类有那些 ? Page 25: F-P DH LD大致结构 ? Page 27: 激光模式的含义,LD的水平横模、垂 直横模、纵模的含义。 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 ? Page 27-28 LD模式的控制: 公式3-3、3-4、3-5、 3-6 补充:隐埋异质结的含义:有源层埋于宽带隙材 料中,并且有源层四周由外延生长的低折射率包层 所包围。 ? Page 29 LD在高速调制下,或在温度和注入电流 变化时,不再维持原激射模式,而会出现模式跳跃 和谱线展宽,这对高速应用十分不利。 ? Page 29:DFB LD结构特点 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 ? 补充:DFB LD 纵模波长的计算: ?B 2ne ? ? k 1? ? ? ? ?B ? ?m ? ? 2ne Le ? 2? ?2 B 等式中 ne 是模式的有效折射率, k 是光栅的阶数。在理想的DFB激光器中,纵模波长对 两侧。 m为模式阶数。 称地分布在 ? B 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 理论上,在两端都有消反射涂覆层的 DFB激光器中,布拉格波长两侧的零阶 模的阈值功率会一样低,并且理想的对 称结构中会同时发射激光。端面不对称 结构会出现单模运转。 ? Page 31:DBR LD 结构特点:图3-8 ? Page 32:电吸收调制激光器的含义 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 ? Page 33:DH LD 有源层厚度;量子阱 激光器有源层厚度;超晶格含义。 ? Page 35:超晶格的制备通常采用分子束 外延(MBE)方法。 ? Page 35:QW LD的结构特点 ? Page 36-39:QW LD 的优点 ? Page 40:MQW-DFB LD 工作特性 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 ? Page 41: SE LD 含义及应用领域 ? Page 41:VCSEL的含义 ? Page 42-43:VCSEL主要结构特点、优点 及应用。 ? Page 44:激光器组件有哪几部分组成? 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 激光二极管和激光器组件的常用参数及其测试方法 ? Page 48:衡量激光二极管制作材料好坏的一个重要 指标:Jth; Jth的定义。 ? Page 52:透明阈值电流密度J0。 ? Page 52-54:特征温度T0。公式:3-25 ? Page 57:LD中心波长随温度的升高而增加。 ? Page 57:边模抑制比的定义(SSR) 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 ? Page 58-60:束发散角;调制电流; 上升\下降时间;调制深度;开通延迟。 ? Page 64:TEC工作特性 第3章 半导体激光二极管和激光器组件 作业: 1. 设有一LED,其少数载流子寿命为5ns, 试求它的3dB光带宽和3dB电带宽。 2. 有一分布反馈式激光器,它的布喇格波长为 1570nm,二价光栅周期Λ=460nm,谐振腔长 度为300μm。假设有一完全对称的DFB激光器, 求出其零阶、一阶和二阶受激辐射波长。