集成光学-集成光有源器件.ppt

集成光学第五章集成光有源器件第五章集成光有源器件集成光有源器件概述第五章集成光有源器件(1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高
(2)调制方法简单
(3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配
(4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率
(5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好
(6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转
(7)光源应该是低功率驱动[低电压、低电流)，而且电光转换效率要高能满足上述基本要求的光源是半导体光源。

半导体激光器(LD)
中、长距离
最常用的光源大容量(高码速)系统

半导体发光二极管(LED)。
短距离、低容量系统
模拟系统。
半导体激光器的发明与发展随着半导体激光器性能的不断改进，新的半导体激光材料将激光的波段范围的拓宽，半导体激光器在许多方面得到应用。最早进入实用的是波长为0.83~0.85μm。70年代末，在1.3um和1.55um得到损耗更小的单模光纤,长波长InGaAsP/InP系激光器也达到实用化。量子阱技术使半导体激光器产生新的飞跃。随着分子束外延（MBE）和金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）技术的日渐成熟，可以生长出原子尺寸的薄层，使注入的载流子呈现量子效应，这种量子阱激光器与以前的体材料激光器相比，具有更优越的特性，如：阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大等。并且，通过生长应变量子阱，使得生长非晶格匹配的外延材料得以实现，拓宽了激光器波长范围。量子阱技术的发展，推动了大功率半导体激光器的发展N个原子构成晶体时的能级分裂1213在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循费米（Fermi）分布，即

Fermi分布函数的图象本征半导体中的载流子密度1718192021直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合可直接产生光子的发射（光子动量很小）。
典型的材料：III-V族元素的合金GaAs等。

间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，几率较小，发光效率低。

典型的材料如Si。2324252627当时，材料对泵浦光的吸收达到饱和，这时：293031323334同质pn结363738其中，表示载流子寿命。结构的损耗和增益4142激光产生将记为：（外量子效率）45横向约束的双异质结构：增益引导型机制：1)在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制
2)在横向将电流严格地限制在有源区，使得>60%的注
入电流用于发光

特点：输出光束具有很好的准直性、能工作在基横模4950单纵模激光器垂直腔表面发射激光器(VCSEL)分布反馈式(DFB)激光器DFB激光器微观结构分布布拉格反射(DBR)激光器[技术难点]1、薄膜材料的制备：多层薄膜的制备，薄膜组份的控制。2、结构外延材料的生长：量子阱或多量子阱结构材料的外延生长是高性能器件的关键。3、器件工艺：作为器件基本工艺的平面工艺仍是难点之一，包括介质膜，钝化，欧姆接触，微细加工等。内调制：信息流直接控制激光器的驱动电流(<40GHz)激光器的调制特性(瞬态特性)激光场的张弛振荡频率为：自脉动现象不是所有激光管都有。在P-I曲线有明显扭折的激光器中，当注入电流达到某一值时，输出光脉冲呈现出持续的等幅振荡，这种现象称为激光器的自脉动现象。自脉动现象振荡频率很高，约600MHz，对输出光脉冲起高频干扰作用，这是人们所不希望的现象。张弛振荡与自脉动现象同时存在。
当激光器受激辐射后，先出现一种张弛振荡过程，紧接着发生自脉动现象。这种现象并不普遍，一旦发生会辐射出两种波长的光。内调制技术：失真半导体激光器阈值电流随温度增加而加大。尤其是工作于长波长波段的InGaAsP激光器，阈值电流对温度更敏感。
半导体激光器输出光功率—阈值电流曲线受温度变化影响见下页图。短波长LD温度特性长波长LD温度特性封装后激光器照片半导体激光器最大的缺点是:
激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差.
但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不断地提高.目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用.第五章集成光有源器件发光二极管（LED）面发光二极管边发光二极管LED的输出光谱LED的P-I特性适当增加工作电流LED与LD的光谱比较LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低
但性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉

LED通常和多模光纤耦合，用于1310nm或850nm波长的小容量、短距离的光通信系统

LD通常