光纤第三章-1

3. 转换效率和输出光功率特性
激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd表示，其定义 是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数
( p pth ) / hf p e d ( I Ith ) / e I hf
由此得到
p pth
d hf
e
( I I th )
p pth
式中，fτ和 ε 分别称为弛豫频率和阻尼因子，Ith 和I0 分别 为阈值电流和偏臵电流；I′ 是零增益电流，高掺杂浓度的LD，
I′=0， 低掺杂浓度的LD, I′=(0.7~0.8)Ith；τsp为有源区内的电子
寿命，τph为谐振腔内的光子寿命。
图3.11示出半导体激 光器的直接调制频率 调制频率的上限，一 特性。弛豫频率fτ 是
图3.1.2 同质结简并能带图
一、 半导体激光器的基本结构
从图4.6中可以看出，当注入电流密度加大到一定值后，准
费米能级 (EF ) 和 (EF ) 的能量间隔大于禁带宽度 Eg 时，
即 (EF ) ( EF ) ＞ Eg （伯拉德-杜拉福格条件）时，PN 结 中出现一个增益区（有源区），在这个区域内，价带主要 由空穴占据，而导带则主要由电子占据，即实现了粒子数 反转。
3.1.1
半导体激光器工作原理和基本结构
3.1.2
半导体激光器的主要特性
3.1.3
发光二极管
3.1.4
半导体光源一般性能和应用
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
异质结结构的半导体激光器(Laser Diode, LD)，又称为 注入式激光器，是光纤应用系统中最常用的器件之一。 和其他激光器相比，LD具有体积小，重量轻，驱动功率低， 输出效率高，调制方便（直接调制），寿命长和易于集成 等一系列优点而得到了广泛的应用。
对于线性良好的激光器，输出光功率特性如上式和图3.10 所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激 光器的阈值电流Ith 随温度升高而增大，二是外微分量子效率 ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光 功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。 当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加
2．激光束的空间分布
激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激 光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一 定距离处的光强分布。图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图
和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即
平行于PN结平面的宽度ω和垂直于结平面的厚度t所决定， 并称为激光器的横模。由图3.8可以看出，平行于结平面的
变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。
图3.7(b)是300Mb/s数字调制的光谱特性，由图可见，随着 调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。用FP谐振腔 可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字 调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用
分布反馈激光器就可达到目的。
严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数
变化，在一定温度范围内，可以表示为
T I th I 0 exp( ) T0
T I th I 0 exp( ) T0
式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材
料 的 特 征 温 度 。 GaAlAs-GaAs 激 光 器 T0=100~150K 、
谐振腔宽度ω由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；
垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单 横模。
W＝10 m
20 m
20 m
图 3.8 GaAlAs-DH
30 m
条形激光器的近场图
30 m
50 m 10 m 近场图样 0.1rad 远场图样
பைடு நூலகம்.0 0.8
T＝300 K
相对光强
0.6 0.4 0.2 0 80 60 40 ∥
⊥
20 0 20 辐射角(度) (a)
40 60 80
图3. 9 典型半导体激光器的远 场辐射特性和远场图样 (a)光强的角分布 (b)辐射光束
⊥
∥ (b)
图3.9为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中θ‖和 θ⊥分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束 的横截面呈椭圆形。
(a) 短波长AlGaAs/GaAs;
(b) 长波长InGaAsP/InP
4．频率特性
在直接光强调制下，激光器输出光功率P和调制频率f的关
系为
P( f )
p ( 0) [1 ( f / f ) 2 ] 2 4 2 ( f / f ) 2
1 f 2
I0 I ( 1) sp hp I th I 1
电流密度成正比，因此半导体激光器是阈值器件。
3.1.2 半导体激光器的主要特性
1．激光发射波长和光谱特性
半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时 所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，即 hf=Eg 式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长， c=3×108 m/s为光速，h=6.628×10-34J· S为普朗克常数，1 eV=1.6×10-19 J，代入上式得到
100
般 激 光 器 的 fτ 为 1~2
GHz。 在 接 近 fτ 处 ， 数字调制要产生弛豫
相对光功率
10
1
振荡，模拟调制要产
生非线性失真。
0.1 0.01
0.1 1 调制频率f / GHz
fr
10
图 3.11 半导体激光器 的直接调制频率特性
5．温度特性
p pth
d hf
e
( I I th )
件和振幅条件。 相位条件使发射光谱波长得到选择，振幅条件决定了半导 体激光器的电流阈值。
二、 半导体激光器的基本工作原理
相位条件是：
2 L 2m
m = 1, 2, 3, 4, …
式中， 为光传输常数；L 为谐振腔长度。所以满足相位 条件的波长为
2nL / m
(3.2)
式中，n 是有源区介质的折射率；m = 1, 2, 3, 4, …是纵模 模数。
介质，这样使光子也限制在有源区内，载流子和光子的束
缚使得激光器的阈值电流密度大幅度下降，从而实现了室
温连续工作。
二、 半导体激光器的基本工作原理
激光发射中心波长可由 h Eg 得到
p hc / Eg
(3.1)
法布里-珀罗谐振腔的作用是使光的方向性得到选择，要
使光在谐振腔内建立稳定的振荡，必须满足一定的相位条
二、 半导体激光器的基本工作原理
由于腔内介质有损耗，镜面反射也有损耗，因此谐振腔 内建立稳定振荡的幅度条件是
) 2L
e(g
th
R1 R2 1
(3.3)
式中，g th 为增益系数阈值； 为有源区的损耗系数； R1 , R2 是两个镜面的反射率。
1 1 由此可知 g th ln ，而增益系数大致与注入 2 L R1R2
半导体激光器按结构可分为: 法布里-珀罗(F-P)型LD、
分布反馈(DFB) LD、分布 Bragg 反射器(DBR)LD、量子 阱(QW) LD 和垂直腔面发射激光器(VCSEL)等。
一、 半导体激光器的基本结构
半导体激光器的基本结构是双异质结(DH)平面条形结构， 其示意图如图3.1.1所示。
光源是光发射机的核心器件，其功能是把电信号转换为光 信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二 极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)，有 些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG) 激光器。 光源是光纤通信及传感系统中的一个重要元件，光纤通信 对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，光 谱（谱线）宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长 稳定（单色），光强稳定（时间、温度变化时），器件寿 命长，小型化。
LD在光纤通信中的应用主要包括：
(1) 各种数据、图像等传输系统的发射光源；
3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构
(2) 光纤 CATV 系统的光源；
(3) 掺铒光纤放大器 (EDFA) 和拉曼光纤放大器 (RFA) 的
泵浦光源； (4) 未来全光通信网络中光交换、光路由、光转发等关键 设备的光源。
二、 半导体激光器的基本工作原理
电子由导带跃迁至价带，受激辐射将起主导作用，发出的
光是激光。
由于重掺杂，简并半导体的有源区束缚电子和空穴的能力
较弱，需要很大的注入电流密度才能实现粒子数反转，所
以难以实现室温下连续工作，只能在低温下工作。
为了降低电流密度阈值，人们研究了单异质结和双异质结
dhf
e
( I I th )
式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，hf和e分别为光子能量和电子电荷。
激光器的光功率特性通常用P-I曲线表示，图3.10是典型激光
器的光功率特性曲线。当I<Ith时激光器发出的是自发辐射光； 当I>Ith时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而 增加。
所谓异质结，是指由两种带隙宽度不同的半导体材料组 成的p-n结（也可能是p-p或n-n结）。普通p-n结也称为同 质结。
图3.1.1 双异质结平面条形LD的基本结构
一、 半导体激光器的基本结构
与其他激光器一样，要产生激光必须有增益介质、谐振腔 和泵浦源，在一定条件下就可以产生激光。同质结LD对半 导体材料的要求是重掺杂而且必须是“直接带隙”的半导 体材料。同质结简并能带图如图3.1.2所示。
(b) 300 Mb/s数字调制