【光纤通信】第3章 小结光器件

二、半导体激光器（LD）结构
双异质结（DH）平面条形结构 －三层不同类型材料 中间一层窄带隙P型半导体，称为有源层 两侧分别为宽带隙P型和N型半导体，称 为限制层 －前后两个晶体理解面作为反射镜构成法布 里-珀罗谐振腔
－条形：横向宽度很窄
半导体光源的典型结构：双异质结（DH)结构
＋
P
(a)
Ga1－ xAlxAs
P (d) 光
∴粒子数反转局限在有源区， 电光转换效率较高
图 3.6 DH (a) 双异质结构； (b) 能带；
－有源层的折射率比限制层高，产生的 激光被限制在有源区内
(c) 折射率分布； (d) 光功率分布
半导体激光器的发射波长和光谱特性
一、对输出光的讨论： 双异质结（DH）平面条形结构半导体光源 输出 自发辐射光
－无法调制高速数字信号 I
*原因？
图 3.7GaAlAs LD的光谱特性 (a) 直流驱动; (b) 300 Mb/s数字调制
有源区导带、价带：
λ λ
稳定 → 单纵模输出 λ与外加电源有关 →
不稳定→ 多纵模输出
解决途径： 减少纵模模数
驻波条件：
nL q
2
微小腔长 分布式反馈激光器 （DBF)
E1
(c)
受 激 辐 射hf＝光E2－E1 入 射 h光f＝E2－E1
激光器
激活物质 激光
• 将其它能量转换成激光能量的器件 • 三要素：泵浦源、激活物质、谐振腔
泵浦能
• 激活物质：有合适的能级结构，能吸收泵浦源能量，并将它转换成 需要波长的光能
• 谐振腔：选向、选频、放大功能
驻波条件：
nL q
分布式反馈激光器（DBF)
衍 射光 栅
∧
N层
光栅
输 出光
b
a
P层
有 源层
有 源层
(a)
(b)
–用靠近有源层沿长度方向折射率周期性变化的衍射光栅实现光反馈
–DFB激光器单个谐振腔长度较小，多个谐振腔存在，易设计成单纵模激光器
–多级谐振腔谐振使得谱线窄、波长稳定性高 –动态谱线好，可调制高速信号
选模
nL q
1.转换效率 d：在阈值电流之上，每对复合载流子产生的光子数
d
P Pth I Ith
hf e
P e I hf
, 或P
Pth
d hf
e
(I Ith )
－当电流小于阈值电流Ith时， 激光器输出为自发辐射光
－当电流大于阈值电流时，激 光器输出受激辐射光
－光功率随驱动电流的增加而
输 出 功P /率mW 单 面 输 出P功/ m率W
3.5
10
3.0
9
2.5
8
7 2.0
6
1.5
5
4
wk.baidu.com
1.0
3
0.5
2
1
0
0
0
50 Ith 10 0
15 0
工 作 电I /流mA
0 20 40 60 80 工 作 电I /流mA
(a)
(b)
线性增加
图 3.10典型半导体激光器的光功率
－斜率与ηd有关，与光放大有 特性
关
AlGaAs/GaAs; 长 波 长
2
q=1，2，3...为纵模模数
在波长确定的情况下，q由腔长决定。
PN结形成
• 由于载流子密度不同→扩散运动 • 扩散运动→内电场→反向运动的漂移运动 • 动态平衡→稳定的PN结
PN结
+正向电压→扩散加强 →粒子数反转 → 光源
+反向电压 →漂移加强
hν
→光生电子空穴对→ 光检测器
内部电场
PN
P区
P GaAs
N
－
Ga1－ yAlyAs
电子
限制层带隙较有源层宽，施加正向电压， 易形成粒子数反转
E
(b) 能 量
P
空穴
复合 N
异质 势垒
－P层的空穴和N层的电子注入有源层 －P层带隙宽，导带的能态比有源层高，
对注入电子形成势垒
n 折
(c) 射 率
－N层带隙宽，价带的能态比有源层低，
～ 5%
对注入空穴形成势垒
结空 间电
N区
荷区
扩散 漂移
在P型和N型半导体组成的PN结界面上， 由于多数载流子(电子或空穴)的密度不同，
( a)
产生扩散运动，形成内部电场
能量
E
p c
E
n c
P区
势垒 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运
Ef N区
(b) 动，两种运动处于平衡状态为止，结果
E
p v
n
Ev
能带发生倾斜
E
p c
n
Ec
这时在PN结上施加正向电压，产生
小结
• 无外界干扰，热平衡时，粒子喜欢处于能量最低状态（稳定平衡） • 外界能量介入，发生受激吸收，粒子可以处粒子数反转状态（不稳
定平衡） • 光与物质三种相互作用：
E2
E2
自 发 辐射 光
E2
入射光
E2
hf＝E2－E1
hf＝E2－E1
E1
E1
E1
E1
(a)
(b )
E2
入射光
E2
E1
hf＝E2－E1
p
hf
E
n f
与内部电场相反方向的外加电场，
Ef
p
Ev
(c)
E
n v
结果能带倾斜减小，扩散增强。
内部电场 外加电场
在PN结区形成粒子数反转，产生自发辐射光
电子， 空穴
电能
光能
绪论中：
• 1970 年，美国、日本和前苏联首先研制成功室温下连 续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器。
• 虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为 半导体激光器的发展奠定了基础。
2.温度特性：
P / mW 5 4 3 2 1
22℃ 30℃ 40℃ 50℃ 60℃
70℃
80℃ 不激射
0
50
10 0
I / mA
图 3.12 P-I曲线随温度的变化
温度升高： －激光器的阈值电流 增大 －斜率变小，转换效 率变小 输出光功率下降
3.半导体激光器的直接调制频率特性。
弛豫频率fτ是调制频率的上限
100
相 对 光功 率
－一般激光器的fτ为1－2 GHz
10
－在接近fτ处：数字调制要产生 弛豫振荡，模拟调制要产生非 线性失真。
弛豫频率的大小与有源区 电子、光子寿命有关
1
0.1 0.0 1
0.1
1 fr 10
调 制 频 率 f / G Hz
2
相干加强，放大
DH条形激光器的横模 _
W＝ 10m 20 m 20 m
30 m
激光器输出的光束横模分别 取决于有源区的宽度和厚度 宽度和厚度足够小，多横模 分布变成单横模
30 m
50 m
w
10 m
近 场 图样
0.1 rad 远 场 图样
图 3.8 GaAlAs DH条形激光器的近场图
3.1.2 半导体激光器的特性
谱线宽度较宽、光强较弱、方向性较差
LED
→ λ由有源区能级结构决定
谐振腔 →选频、选向、放大
LD
谱线宽度变窄，方向性好，光强大
半导体激光器（LD）的光谱特性 ＋
（a)随着直流驱动电流的增加，纵 模模数逐渐减少，谱线宽度变窄 最终产生静态单纵模激光 (b)是300 Mb/s数字调制的光谱特 性， 随着调制电流增大，纵模模数 增多，谱线宽度变宽。