第三章 光源和光发送机

3.1.1 激光产生原理
③ 起振的阈值条件

激光器能产生激光振荡的最低限度 起振的阈值条件是
1 1 Gth = α + ln 2 L r1r 2

（3-4）
α ：光学谐振腔内激活物质的损耗系数 L ：光学谐振腔的腔长 r 1，r 2：光学谐振腔两个反射镜的反射系数
是不是所有 受激辐射光 都能形成正 反馈？
缺点：
输出光功率较小 谱线宽度较宽 调制频率较低
ＬＥＤ器件在小容量、短距离系统中发挥了重要作用
3.1.3 发光二极管

LED
和多模光纤耦合 用于1.31μm或0.85μm波长的小容量、短距离的光通 信系统

LD
和单模光纤耦合 用于1.31μm或1.55μm大容量、长距离光通信系统
半导体激光器
（6）调制特性
为了获得好的调制响应，采用先加直流偏置再加调
制信号。
3.1.2
半导体激光器
3 多纵模激光器
存在多个纵摸同时工作的激光器
均方根频宽（rms）1.4-4nm 适用于传输速率低的场合 典型的 MLM有InGaAsP
3.1.2
半导体激光器
4 单纵摸激光器 只有一个主摸能正常存在， 在高码速调制下以单纵模工作 λ２０ 一般为０．２－０．６ｎｍ 输出功率线性度较好，适用于所有的模拟和数字光纤通信系 统，性能稳定。 类型： 分布反馈半导体激光器（ＤＦＢ－ＬＤ） 分布布拉格反射（ＤＢＲ）激光器 量子阱激光器 优点：阈值电流低、谱线宽窄、微分量子效率高等 应用：相干传输系统、波分复用系统
（4）时间退化特性 激光器的阈值电流与器件的老化程度有关 将阈值电流增加到50%的时间定义为寿命终结点
图3-12 P-I特性曲线随器件老化变化情况
3.1.2 半导体激光器
（5）光谱特性 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩 展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量 高的能带称为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之 间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据 禁带。
3.2 光源的调制
调制：将信息加载到光源上。 １ 直接调制（强度调制 IM（Intensity Modulation）。 将电信号直接注入光源，使其输出的光载波信号的强度 随调制信号的变化而变化 调制简单、损耗小、成本低。但存在波长（频率）的抖动 适用于传输距离≤１００ｋｍ 、传输速率≤ ２．５Ｇｂｉｔ／ｓ 系 统
3.1 光源

光纤通信设备的核心 作用是将电信号转换成光信号送入光纤 半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED） LD ：适用于长距离大容量的光纤通信系统 LED：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者
是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。
Βιβλιοθήκη Baidu
3.1.1 激光产生原理
（3）耦合效率

光束的发散角较大（40°－120°）， 与光纤的耦 一般只适于短距离传输
合效率较低

（4）调制特性 调制频率较低 面发光型LED截止频率为20MHz～30MHz 边发光型LED截止频率为100MHz～150MHz
3.1.3 发光二极管
优点：
输出光功率线性范围宽 （Ｐ－Ｉ特性） 性能稳定 寿命长 制造工艺简单、价格低廉
3.1.2

半导体激光器
工作过程 激光器的P-N结上外加足够大正向偏压，将使 得P-N结的结区出现粒子数反转分布状态 自发辐射—受激辐射—谐振腔选频 —激光
3.1.2 半导体激光器
2．半导体激光器的工作特性 （1）阈值特性
图3-10 半导体激光器的输出特性曲线

阈值电流I th 当I ＜I th时，发出的是荧光，光谱很宽 当I ＞ I th后，发出激光 阈值电流越小越好。
1．半导体物理基础 （1）光子的概念

光量子学说认为，光是由能量为E=hf 的光量子
（光子）组成的。

h =6.628×10−34 J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，
光具有波动性：有确定的波长和频率 光具有粒子性：光是由大量的光子构成的光子流， 光子的能量和光频率之间有一定的关系
f 是光波频率 。

每个光子都有一定的能量。

3.1.1 激光产生原理
E
（2）原子能级 与跃迁 原子结构模型 基态：最低的能级E 1 电子占据某个能级的概率遵循费米能级统计规律 能级间的跃迁关系： 一、从高到低，释放能量，辐射光 二、从低到高，吸收能量，吸收光
E2（激发态）
E1（基态）
激发态：能量比基态大的所有其他能级E i （i =2，3，4，…）
图3-10 常用的两类发光二极管（LED）
3.1.3 发光二极管
2．LED的工作特性 （1） P −I 特性

无阈值，随注入电流的增加，输出光功率近似呈
线性地增加 （2） 光谱特性

LED谱线宽度∆λ 比激光器（0.1nm）宽得多
图3-17 LED 的P −I 特性
图3-18 LED的发光光谱
3.1.3 发光二极管
3.1.3 发光二极管
1．LED的工作原理 和结构 （1）LED的工作原理
自发辐射
非相干光源 无阈值器件 与LD差别 LED没有光学谐振腔，不能形成激光 仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光 LD是受激辐射，发出的是相干光。
3.1.3 发光二极管
（ 2）．LED的结构 结构：没有光学谐振腔 分类：面发光型LED、边发光型LED 区别： “边”相对“面”驱动电流大，出光功率小， 但由于光束辐射角小，与光纤的耦合效率较高。
第3章 光源和光发送机
3.1 光源 3.2 光源调制 3.3 光发送机
第3章 光源和光发送机
学习本章目的和要求 了解半导体激光器的物理基础。 掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。 掌握光发送机的结构 本章重点 半导体激光器的工作原理其工作特性。 光发送机的结构 本章难点 半导体激光器的工作原理
3.1.2 半导体激光器

半导体激光器（LD） 用半导体材料作为工作物质 对LD的要求如下: 发光波长应符合三个低损耗窗口 能够在室温下长时间连续工作 能提供足够的光输出功率， 与光纤耦合效率高 光源的谱线宽度要窄（0.1nm） 寿命长，工作稳定
3.1.2
半导体激光器
图3-2 光学谐振腔的结构
3.1.1 激光产生原理
② 谐振腔产生激光振荡过程
图3-3 激光器示意图 一 工作物质在泵浦源的作用下，实现粒子数反转分布，产生自发 辐射，由谐振腔选择一部分光，抑制一部分光； 二 被选择的光激发高能级的的粒子产生受激辐射.释放全同光子； 三 谐振腔对受激辐射光进行选择，来回反射，产生更多的受激辐射 光，光相互加强，当达到热平衡时，输出稳定的激光。
3.1.1 激光产生原理
4．激光器的组成部分
工作物质（激活物质）：产生激光
激励源（泵浦源）：将各种形式的外界能量转换成激
光光能，通常是激光器的电源。（使工作物质处于粒子 数反转分 布状态。

光学谐振腔：形成激光振荡，完成频率选择及反馈作
用，输出激光。
3.1.1 激光产生原理
① 光学谐振腔的结构 • 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系 数分别为r 1和r 2的平行反射镜M1和M2，就构成了 最简单的光学谐振腔（平面腔、球面腔）
3.1.1 激光产生原理
②自发辐射 处于高能级E2 上的电子会自发地跃迁到低能级E1 上与空 穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自 发辐射——发光二极管。
3.1.1 激光产生原理
③ 受激辐射
图3-3 能级和电子跃迁--受激辐射
在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，

自发辐射：光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生 的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混 乱的，这种光称为非相干光。

3.1.1 激光产生原理
3 粒子数反转分布与光的放大 产生激光的关键：受激辐射大于受激吸收 ，光放大 在正常状态下： N 1 ＞ N 2，（受激吸收大于受激辐射） N 1：低能级上的粒子密度 N 2：高能级上的粒子密度 粒子（电子）数反转分布 N2 ＞ N1 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首 要条件 在激励源（泵浦源）的作用下，能形成粒子数反转分布 的物质称为工作物质或激活物质、增益物质。
1．半导体激光器的基本结构和工作原理

F-P（法布里－珀罗谐振腔）腔激光器图3-6 结构分类 同质结半导体激光器
P型和N型半导体由同一种物质构成 阈值电流大
异质半导体激光器 P型和N型半导体由不同材料（GaAs和 GaAlAs ） 构成
单异质和双异质
共性是在P-N结上外加正向偏压作泵浦源，半导体P-N 结构成光学谐振腔，由半导体的天然解理面抛光形成两 个反射镜。
3.1.1 激光器的工作原理
④ 光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 谐振条件:形成正反馈
∆φ＝2π q
q ＝1，2，3…称为纵模模数 设谐振腔的长度为L，光在工作物质中传播时 的波长为λq，则有
∆φ＝
2π
λq
2L
由上面两式可知光学谐振腔的谐振波长为
2L λq＝ q
折射到真空 中波长会变 吗？
3.1.1 激光器的工作原理

当工作物质的折射指数为n时，折射到真空的光学
谐振腔的谐振波长λ0q和谐振频率f0q为 2nL λ0 q＝＝ n λq q c cq f 0 q＝＝ λ0 q 2nL λ0q和f0q与 腔内材料的折射率n有关 q ＝1，2，3…称为纵模模数，对应多个 谐振频率
∆E = E − E = hf 2 1 12
式中，h 为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。
3.1.1 激光产生原理
2 光与物质的三种作用形式 受激吸收 自发辐射 受激辐射
3.1.1 激光产生原理
图3-3 能级和电子跃迁－－受激吸收 ① 受激吸收：电子吸收光子的能量后从低能级跃迁到 高能级E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收—— 光电检测器。
能量 导带

电子跃迁能量关系： hf = Eg （eV） 能隙与半导体材料的成
Eg
E
c

分及其含量有关
图 3-5晶体结构
E
v
价带
3.1.2
半导体激光器
hf = Eg
1）发射波长
c
把 f =
λ
代入得
1.24 λ= Eg (eV)
(μm)
（3-7）
※ f (Hz)和λ (μm)：发射光的频率和波长 c=3×108m/s， h =6.628×10−34 J·s leV=1.60×10−19 J为电子伏特 ※ 镓铝砷（GaAlAs－GaAs）：0.85 μm ※ InGaAsP-InP：1.31 ~1.55μm
3.1.2

半导体激光器
2）谱线宽度 输出光功率随波长的变化情况 用光源谱线宽度（∆λ）表示 多纵模，输出光功率峰值下降3dB的半功率点对应 单纵模，光功率峰值下降20dB时的功率点对应的宽
20=0.1nm）
的宽度（3~5nm）

度（λ

∆λ 越小，性能越好
图3-13 光谱线图
3.1.2
使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放出一个 与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光 子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这 种跃迁称为受激辐射——激光器。
3.1.1 激光产生原理
受激辐射，自发辐射所产生的光有什么区别？ 受激辐射：光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射 光相同，这种光称为相干光
3.1.2

半导体激光器
（3）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性 阈值电流随温度的升高而加大 采用ATC电路来稳定激光器的阈值电流和输出光功率
光功率 P(mW)
t=20℃
t=50℃
注入电流 I(mA)
图3-11 不同温度下半导体激光器的P-1曲线
3.1.2

半导体激光器
3.1.2

半导体激光器
（2）转换效率（电光功率转换效率） 功率转换效率
Pex ηp = （3-4） 2 IV j + I Rs
量子效率η d
定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入 电子数的增量之比：
Pex hf 每秒钟发射的光子数 e Pex η ex = = ＝ （3-5） 每秒钟注入的电子－ 空穴对数 Ie hf I